HIPER-LASE: Perowskit-Laser für die Silizium-Photonik

Das DFG-Projekt HIPER-LASE ist am 5. Oktober 2021 gestartet, um das Potenzial von Perowskit-Halbleitern für die Realisierung eines elektrisch gepumpten On-Chip-Lasers zu untersuchen.

Integrierte photonische Schaltkreise könnten die nächste technologische Revolution in der Mikroelektronik auslösen. Voraussetzung dafür ist jedoch die Verfügbarkeit einer kostengünstigen und skalierbaren Fertigungstechnologie. Ein hervorragender Kandidat für diese Aufgabe ist die Photonik-Plattform auf der Basis von Silizium/Siliziumnitrid. Was allerdings noch fehlt, ist eine integrierbare Laserquelle. In dem von der DFG geförderten Projekt HIPER-LASE wird AMO gemeinsam mit den Partnern RWTH Aachen, Bergische Universität Wuppertal und Universität Siegen das Potenzial von Perowskit-Halbleitern für die Realisierung eines elektrisch gepumpten On-Chip-Lasers untersuchen.

„Metallhalogenid-Perowskit-Halbleiter sind wunderbare Materialien mit interessanten Eigenschaften“, sagt Dr. Piotr Cegielski, Forscher bei der AMO GmbH. „Sie haben sich bereits sehr erfolgreich bei der Herstellung von Solarzellen und LEDs bewährt. Einer ihrer Hauptvorteile ist, dass sie in Lösungsprozessen hergestellt werden können, was sie mit der Siliziumtechnologie kompatibel macht. Bei AMO haben wir bereits den ersten optisch gepumpten On-Chip-Perowskit-Laser demonstriert. Es bleibt noch zu klären, ob es möglich ist, auch einen elektrisch gepumpten Laser zu realisieren und/oder einen Dauerstrichbetrieb zu erreichen. Und das ist das ehrgeizige Ziel des Projekts HIPER-LASE“.

In der Tat wird HIPER-LASE die grundlegenden Grenzen von Metallhalogenid-Perowskiten als elektrisch gepumpte Verstärkungsmedien erforschen. Dies erfordert die Beantwortung von Fragen, die im Zusammenhang mit der Erforschung von Perowskit-Solarzellen bisher weitgehend unbeantwortet geblieben sind, wie das Verständnis von Verlustmechanismen und der Ladungsträgerdynamik bei hoher Anregung, die Identifizierung geeigneter elektrischer Kontakte für hohe Stromdichten und die Entwicklung geeigneter Konzepte für das Wärmemanagement.

Um diese Fragen anzugehen, vereint HIPER-LASE die komplementäre Expertise von vier verschiedenen Gruppen: die AMO-Nanophotonik-Gruppe unter der Leitung der Dr. Anna Lena Giesecke, mit umfangreichem Know-how in der Herstellung und Charakterisierung von nanophotonischen Bauelementen und Perowskit-Mikrolasern; die Gruppe von Prof. Thomas Riedl an der Bergischen Universität Wuppertal, die über weitreichende Erfahrung in der Physik und Technologie von Halbleiterlasern und der Perowskit-Bearbeitung verfügt; die Gruppe von Prof. Max Lemme an der RWTH Aachen, die über Fachwissen auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung und der Charakterisierung optoelektronischer Bauelemente verfügt, und schließlich die Gruppe von Prof. Peter Haring Bolívar an der Universität Siegen, die über 25 Jahre Erfahrung in der nanoskopischen optischen Pump-Probe- und THz-Analyse von Materialien und Bauelementen verfügt.

Die Partner werden die breite Palette der im Konsortium verfügbaren Methoden nutzen, um herauszufinden, inwieweit die morphologischen, optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften von Perowskiten für elektrisch gepumptes Laserlicht optimiert werden können. „Am Ende des Projekts wollen wir in der Lage sein, auf der Grundlage strenger wissenschaftlicher Nachweise zu verstehen, ob Metallhalogenid-Perowskite elektrisch gepumpte On-Chip-Laser liefern können und was zu ihrer Realisierung erforderlich ist“, sagt Prof. Max Lemme. „In gewissem Sinne machen wir die notwendigen Hausaufgaben, um die Grundlage für eine Technologie zu schaffen, die, wenn sie erfolgreich ist, ein echter Durchbruch auf dem Gebiet der integrierten photonischen Schaltungen sein wird, mit großen Auswirkungen auf verschiedene Anwendungen – einschließlich Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation, Überwachung der Lebensmittelqualität und medizinische Sensoren.“

HIPER-LASE ist ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördertes Projekt – Projektnummer 441341044.