Laser hinter Gittern

Rotes Laserlicht kommt in verschiedenen Bereichen zum Einsatz: mit ihnen lassen sich Entfernungen sehr exakt messen, holografische Bilder erzeugen oder bestimmte Spektroskopie-Messungen durchführen. Forscher des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) haben ein neues Verfahren entwickelt, um Diodenlaser für den roten Spektralbereich einfacher und mit besserer Strahlqualität herzustellen.

Damit ein Diodenlaser möglichst genau eine Wellenlänge ausstrahlt, benötigt er ein Gitter, das die Wellenlänge stabilisiert. hier gibt es zwei Möglichkeiten: entweder ein separates Gitter hinter bzw. vor den Diodenlaser, oder direkt im Halbleiter integriert, etwa Distributed Bragg Reflector Ridge Waveguide Laser: DBR-RW-Laser. Das Montieren und Justieren eines externen Gitters erhöht den Aufwand, einfacher in der Handhabung sind Diodenlaser, in die schon ein Gitter eingebracht ist. Nun haben Wissenschaftler des FBH ein neues Verfahren zur Herstellung von integrierten Bragg-Gittern in roten Diodenlasern entwickelt. Bragg-Gitter sind Strukturen in periodischem Abstand, die als optische Filter eine spezifische Wellenlänge selektieren.

Ein übliches Verfahren für das Einbringen eines Gitters in den Halbleiter besteht darin, das Aufwachsen der verschiedenen Schichten nach einer bestimmten Schicht zu unterbrechen. In diese oberste Schicht werden dann die Gitterkerben hineingeätzt, und anschließend wird der Prozess des Aufwachsens fortgesetzt und das Gitter vergraben. Der zweite Schritt des Aufwachsens findet dann allerdings nicht mehr auf einer ebenen Fläche statt; die Kerben müssen erst aufgefüllt werden. Das führt zu vielen Defekten in den oberen Schichten. Daher verwenden die FBH-Forscher das Verfahren der Oberflächengitter. David Feise erläutert: „Wir stellen den Halbleiter in einem einzigen Schritt her und ätzen die Kerben erst hinterher hinein. So müssen wir den Prozess nicht mehr unterbrechen. Unser Trick dabei: Wir verwenden für die oberen Schichten nicht wie bisher Phosphid, sondern wir nehmen Arsenid. In das Arsenid kann man tiefer und genauer hineinätzen als in das Phosphid – das macht funktionierende Oberflächengitter erst möglich.“

Anspruchsvoll ist bei dieser Methode die Epitaxie – das Aufwachsen der kristallinen Schichten. Die Grenzfläche zwischen Arseniden und Phosphiden ist unscharf, was zu Defekten führen kann. Um zwischen diesen Schichten zu „vermitteln“, haben die Wissenschaftler eine Schicht Aluminium-Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid dazwischen eingefügt. „So konnten wir Probleme an den Grenzflächen vermeiden und eine hohe Kristallqualität sicherzustellen“, erläutert Markus Weyers, Abteilungsleiter für Materialtechnologie am FBH. „Wir bewegen uns dabei immer am Rande dessen, was gerade noch möglich ist.“ Trotz der anspruchsvollen Epitaxie wird der ganze Prozess doch vereinfacht. Denn das Material durchläuft nur einmal den sehr teuren Epitaxieprozess. Außerdem verbessert sich die Qualität, da es zu weniger Defekten kommt. David Feise betont: „Die neuen Diodenlaser haben eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer.“

Die rot emittierenden Diodenlaser sollen langfristig zum Beispiel Helium-Neon-Laser ersetzen, die herkömmlich beispielsweise in der Messtechnik oder Holografie eingesetzt werden. Das ausgestrahlte Laserlicht besitzt die gleichen Eigenschaften, allerdings sind die neuen Diodenlaser deutlich kleiner und effizienter.

FBH / OD