Auf dem Weg zum Licht der Zukunft
Bremer Forscher beschreiben in einer Sonderausgabe der physica status solidi (b) Nanostrukturen, die zu einer neuen Generation von Lasern und LEDs führen.
Die Glühbirne musste schon Lebewohl sagen, und bald ist nun auch die DVD an der Reihe. Halbleiterphysik sorgt für eine ständige Erneuerung in unserem Alltag. Besonders ein Ereignis der letzten Jahre hat dazu geführt, dass sich nach und nach Veränderungen einstellen: das Problem, kein Material für eine effiziente Emission von blauem und grünem Licht zur Verfügung zu haben, wurde gelöst durch die Verwendung von Galliumnitrid (GaN), einem Halbleiter mit einer ausreichend breiten Bandlücke. Seit der Erfindung von LEDs auf GaN-Basis im Jahre 1994 wurde reger Aufwand betrieben, sich neue Anwendungen einfallen zu lassen.
Abb.: LEDs mit Quantenpunkten aus Indium-Galliumnitrid können den ganzen Spektralbereich des Lichtes abdecken, von blau bis bernsteinfarben. (Bild: U. Bremen)
Seither ebnete Galliumnitrid den Weg für einige Umwälzungen, nicht nur in den Materialwissenschaften, sondern ebenso in unserem Alltag. Nachdem die Videokassette durch die herkömmliche DVD ersetzt worden war, ist jetzt bereits die nächste Generation am Zuge. Eine aktuelle Erfindung ist die BluRay-Disk, welche dank der kürzeren Wellenlänge des blauen Lichtes eine größere Speicherkapazität erreicht, verglichen mit den bisher verwendeten Lasern. Aber nicht einmal unsere vertrauten Ampeln bleiben dieselben. Für die rote Ampel gab es schon eine Weile Ersatz; seitdem nun aber serienreife LEDs in grünem und gelbem Licht vorhanden sind, werden auch unsere Ampelmännchen allmählich durch energiesparende Youngsters ersetzt.
Die führende Rolle auf dem Gebiet der modernen Leuchtdioden beanspruchten lange Zeit die USA und Japan, während die Forschung in Deutschland eher eine passive Rolle spielte. Um diesem Mangel entgegenzuwirken, startete die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mehrere Programme zu nitridbasierten Bauelementen. Die Universität Bremen etablierte sich bald als eines der aktivsten Zentren, sodass die DFG dort eine Forschergruppe mit dem Titel „Physics of Nitrid-Based Nanostructured Light-Emitting Devices“ einrichtete. Diese umfasste mehrere Gruppen aus Experimentalphysik und Theorie mit Detlef Hommel als Sprecher. Die Förderperiode der Forschergruppe endete im vorigen Jahr, und nun präsentieren die involvierten Wissenschaftler ihre Ergebnisse in einem Sonderband der Fachzeitschrift physica status solidi (b).
Abb.: Sonderausgabe der pss (b). (Bild: Wiley-VCH)
Eine DFG-finanzierte Ionenfeinstrahlanlage erlaubte die hochgenaue Untersuchung der Struktur von GaN-Bauelementen. Die Wissenschaftler entwickelten u.a. einen blau-emittierenden Laser auf GaN-Basis, der hohes Anwendungspotential für Telekommunikation und Informationstechnologie trägt. Die Forscher realisierten auch einen VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), eine weiteren Laser-Typ, der fundamental für den Einsatz von Glasfaserkabeln und Laserdruckern ist.
Eine Schlüsselrolle spielen Quantenpunkte. Dies sind winzige Portionen Materie an der Grenze zwischen Molekül- und Halbleiterphysik. „Die Implementierung von Quantenpunkten für optoelektronische Bauelemente ermöglicht eine Palette von neuen Eigenschaften wie Einzel- und verschränkten Photonenzuständen, delta-ähnlichen Emissionslinien und modulierbaren Verstärkungsspektren“, erklärt Stephan Figge in seinem Überblicksartikel. Hier berichtet die Gruppe über die Verwirklichung von LEDs dank Quantenpunkten aus Indium-Galliumnitrid, wodurch ein ganzer Spektralbereich des Lichtes abgedeckt werden kann, von blau bis bernsteinfarben. Quantenpunkte sind ebenfalls von Bedeutung, wenn es um die Möglichkeit von Quantencomputern geht. Denn dafür braucht man eben jene Einzelphotonen-Quellen, von denen Figge in seinem Artikel schreibt.
Von gleichermaßen grundlegender Bedeutung ist die theoretische Beschreibung der untersuchten licht-emittierenden Materialien. Die Entwicklung von Modellen für den Ladungstransport und die elektronischen Eigenschaften wurde in einer Reihe von Veröffentlichungen dokumentiert.
Die Resultate der Bremer Physiker sind in der August-Ausgabe von physica status solidi (b) zu lesen. Darin finden sich sowohl Artikel über neueste Entdeckungen sowie Überblicksartikel, die den neuesten Stand der Forschung einem breiteren Fach-Publikum vermitteln. Die Gasteditoren – Detlef Hommel, Jürgen Gutowski und Frank Jahnke – schreiben in der Einleitung der Sonderbands: „Zahlreiche Fragen, was diese komplizierten Materialsysteme anbetrifft, warten noch darauf beantwortet zu werden“ – dies lässt uns auf weitere spannende Entdeckungen hoffen.
Karl Hosang
