Spin-Optoelektronik mit Elementen der vierten Hauptgruppe

• Antragsteller: Dr.-Ing. Markus Lindemann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464292692

Der immer weiter steigende Bedarf an schneller optischer Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Laserkonzepte mit extrem hohen Modulationsbandbreiten. Gleichzeitig ist es nötig, dass diese Laserkonzepte einen geringen Energiebedarf aufweisen. Für zukünftige integrierte Systeme ist es weiterhin erforderlich, dass sich diese Halbleiter-Laserkonzepte in die Si-Plattformen elektronischer Schaltungen integrieren lassen, um On-Chip-Datenübertragung oder Übertragungen zwischen Mikroprozessoren und Speicher zu ermöglichen. Im Rahmen eines Beitrags in Nature konnte kürzlich durch den Bewerber gezeigt werden, dass Spin-Laser extrem schnelle Modulationsbandbreiten >200 GHz erreichen können. Bei Spin-Lasern wird anstatt der Intensität die Polarisation moduliert, sodass aufgrund der Eigenschaften der Polarisationsdynamik schnellere und energieeffizientere Modulation als bei der Intensitätsdynamik erzielt werden kann. Der Spin-Laser wurde als GaAs-basierte vertikal emittierende Laserdiode realisiert und ist somit für die direkte Implementierung in einen Si-basierten integrierten Schaltkreis nicht geeignet. Die Gastgeber-Institution Technische Universität Eindhoven (TU/e) hat kürzlich Nanodrähte aus hexagonalem SiGe (hex-SiGe) mit direkter Bandlücke entwickelt, welche als Basis für die Demonstration eines Si-kompatiblen Lasers dienen können. Die TU/e konnte in einer Publikation in Nature effiziente Lichtemission bei Raumtemperatur von SiGe-Proben als Vorstufe zum Laser zeigen. Dieses Projekt soll die Basis für die Realisierung von ultraschnellen Spin-Lasern mit Si-kompatiblen hex-SiGe Nanodrähten legen und eröffnet damit das Forschungsfeld der Si-kompatiblen Spin-Optoelektronik. Der Hauptarbeitspunkt dieses Projektes ist die Untersuchung der Spin-Lebensdauer in hex-SiGe Nanodrähten. Grundlegende Voraussetzung für anwendungsnahe Spin-Laser ist, dass die Spin-Lebensdauer in einem geeigneten Bereich liegt: Sie muss ausreichend kurz sein, um schnelle Polarisationsdynamik zu ermöglichen. Eine zu kurze Spin-Lebensdauer wirkt sich jedoch negativ auf die Amplitude der Spin-Effekte aus und erschwert die Spin-Injektion. Die Bestimmung der Spin-Lebensdauer soll mit Hilfe von Photolumineszenzmessungen für Temperaturen von 4-300K durchgeführt werden. Dabei werden zirkular polarisierte Anregungspulse verwendet und das Abklingen der Photolumineszenz polarisationsaufgelöst vermessen. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Spin-Lebensdauer bestimmt werden. Im weiteren Verlauf des Projektes soll die Tauglichkeit des hex-SiGe-Materialsystems als Verstärkungsmaterial in Lasern untersucht werden. Dazu soll konventioneller Laser-Betrieb und danach Spin-Laser-Betrieb bei Laborbedingungen unter Verwendung von optischem Pumpen gezeigt werden. Mit diesen ersten Schritten legt das Projekt die Grundlage für zukünftige Forschung zur Nutzung aller Vorteile der Kombination von Spin-Lasern und hex-SiGe-basierten Lasern.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Gastgeber: Professor Dr. Jos Haverkort