Schnell modulierbare Nanodraht-LED im blau/grünen Spektralbereich

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Bacher; Dr.-Ing. Werner Prost
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387904162

Die hoch-Bit-ratige optische Datenkommunikation über den Freiraum oder über Polymerfasern erfordert schnell modulierbare, sichere und kostengünstige Lichtquellen. So werden für die Datenübertragung über die Polymerfaser aktuell Lichtquellen im roten Bereich (650 nm) verwendet obwohl eine blau/grüne Lichtquelle (< 520 nm) wegen der deutlich erhöhten Transparenz der Faser weitaus günstiger wäre. Leuchtdioden für diesen Spektralbereich sind auf Basis von GaInN/GaN kommerziell verfügbar. Allerdings führt die spontane Polarisation in c-Richtung des Wurtzit-Gitters zu einer effizienten Trennung der Elektronen und Löcher in den aktiven InGaN Quantenbrunnen. Die daraus resultierende lange strahlende Lebensdauer im Bereich bis zu einigen 10 ns limitiert in ganz fundamentaler Weise die erreichbare Grenzfrequenz dieser Lichtquelle.Leitidee dieses Vorhabens ist es, durch eine radiale Geometrie von Kern-Schale Nanodrähten, bestehend aus einem (n-)GaN Nanodraht-Kern gefolgt von einer m-planaren InGaN/(p-)GaN Schale, das interne elektrische Feld der spontanen Polarisation zu eliminieren, die strahlende Rekombinationsrate zu steigern und so die erreichbare Grenzfrequenz auf über 2.000 MHz zu erhöhen. Hierzu soll ein Array von Kern-Schale GaN/GaInN Nanodrähten auf leitendem Si-Substrat (Kathode der LED) gewachsen werden. Die Freiräume zwischen den Drähten werden aufgefüllt und das LED Bauelement wird mit einer transparenten Deckschicht als LED Anode fertig gestellt. Die für das Bauelement unabdingbare Homogenität des Nanodraht Wachstums soll durch die Entwicklung einer Kombination von selektiver und selbst-katalytischer Epitaxie erreicht werden.Eine zentrale Herausforderung ist die Aufklärung limitierender Rekombinations- und Relaxations-Mechanismen, aus denen das Design und die Technologie eines schnellen Lichtemitters für die optische Datenübertragung abgeleitet und erstellt werden soll. Hierfür werden hoch-ortsaufgelöste (< 0,3 µm) optische und opto-elektronische Messungen im Zeitbereich bis unter 100 ps an den Nanodrähten durchgeführt und mögliche Bauelement-Limitierungen, z.B. in Bezug auf Geschwindigkeit, Intensität, Linienbreite etc. lokal erfasst. Die Ergebnisse dieser Analyse fließen direkt in das Design und die Technologie der Bauelemente ein, deren Hochfrequenz-Tauglichkeit parallel über eine Streuparameter/Ersatzschaltbild Analyse verifiziert und optimiert wird. Das Ziel des Projektes ist die ingenieurwissenschaftliche Entwicklung einer schnellen Lichtquelle im Frequenzraum von 2.000 MHz für die optische Freiraum- und Polymerfaser- Datenübertragung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen