Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erste Kristalle für künftige UV-B-Diodenlaser

13.10.2014

Der Nobelpreis für Physik wird in diesem Jahr für die Entwicklung blauer Leuchtdioden verliehen. Darauf aufbauend werden derzeit in Berlin UV-B-Diodenlaser entwickelt, die wichtige Einsatzbereiche in der Medizin, in der Mikroelektronik oder Drucktechnik haben.

Doch dafür fehlt noch der wichtigste Teil: die perfekte Kristallunterlage, auf der solche UV-Diodenlaser wachsen müssen. Wissenschaftler am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, präsentierten jetzt die ersten dafür notwendigen Aluminium-Gallium-Nitrid-Kristalle.


Kristallscheibe, die mit dem Verfahren der Hydrid-Gasphasenepitaxie hergestellt wurde.

Foto: FBH/schurian.com


HVPE-Anlage zur Zucht von Kristall-Substraten (HVPE = Hydrid-Gasphasenepitaxie).

Foto: FBH/P. Immerz

„Wir benötigen eine Basisschicht, die auf der einen Seite transparent ist für das Licht, das ich erzeugen will“, erläutert Prof. Markus Weyers die Anforderungen an solch einen Kristall. „Auf der anderen Seite müssen die Gitterparameter so sein, dass ich meine aktive Struktur so darauf wachsen kann, dass sie keine Kristallfehler bekommt“ Die Unterlage dürfe nur wenige Gitterbaufehler aufweisen. „Zu viele Versetzungen sind Killer für die Lumineszenz“, sagt Weyers.

Mit klassischen Kristallzüchtungsmethoden ist das nicht möglich. Deshalb nutzten die FBH-Wissenschaftler ein Verfahren, mit dem bereits die Entwicklung der blau strahlenden Diodenlaser für den Blue-ray-Player möglich wurde: die Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE).

Damit werden industriell Galliumnitrid-Kristalle hergestellt. Kostengünstige Siliziumwafer eignen sich zum Leidwesen der Kristallforscher nicht als Unterlage. Die Gitterkonstanten von Unterlage und Aufbau müssen nämlich harmonieren, sonst gibt es Risse und Versetzungsfehler.

Für den sehr kurzwelligen UV-Bereich lassen sich Leucht- oder Laserdioden auf Aluminiumnitrid-Unterlagen züchten, die beispielsweise am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin hergestellt werden. Hier passen die Atomabstände der Unterlage und der Bauelementstruktur ausreichend gut zusammen. Für den wichtigen mittleren UV-B-Bereich für Wellenlängen von 280 bis 315 Nanometern wird aber als Grundlage ein Mischkristall aus Gallium und Aluminium benötigt.

Da es eine solche Kristallunterlage nicht gibt, startet man bei der HVPE üblicherweise mit einem wenigstens halbwegs passenden Saphirkristall, auf dem dann die gewünschten Kristallschichten aus Aluminium-Gallium-Nitrid abgeschieden werden, die wiederum nach Ablösung und Politur die Grundlage für die Leucht- oder Laserdioden bilden sollen. Im HVPE-Reaktor reagieren bei mehreren Hundert Grad Celsius Gallium und Aluminium mit Chlorwasserstoff, dem Gas der Salzsäure, zu Gallium- und Aluminiumchlorid. Mit Hilfe von Ammoniak erfolgt die Umwandlung in Nitrid, es bildet sich auf der Unterlage eine Kristallschicht aus Aluminium-Gallium-Nitrid.

Dr. Eberhard Richter steht im Labor und öffnet vorsichtig die noch heiße HVPE-Anlage. Hinter dickem Dämmmaterial kommt der Quarzzylinder zum Vorschein, in dem die Reaktion der Komponenten und die Abscheidung des Kristalls ablaufen. „Aluminium hat einige unerwartet bizarre Eigenschaften“, sagt Richter. „Sobald es bei 670 Grad Celsius schmilzt, wandert es sogar senkrechte Flächen empor und zerstört das Quarzglas des Reaktionsgefäßes.“ Durch eine raffinierte Anordnung hat der FBH-Wissenschaftler dieses Problem gelöst, das Aluminium reagiert inzwischen problemlos mit dem Chlor.

Die ersten wertvollen AlGaN-Kristallscheiben hat er bereits im Labor liegen, aber sie müssen für den industriellen Produktionsprozess noch sehr viel dicker werden. Um dieses Ziel zu erreichen, experimentiert Richter derzeit mit mikrostrukturierten Saphirscheiben. „Dadurch starten wir mit dem Wachstum unseres Aluminium-Gallium-Nitrid-Kristalls auf dünnen Stegen an der Saphiroberfläche“, erläutert er.

Nach einiger Zeit des Wachstums vereinigen sich die Strukturen zu einer kompletten Kristallscheibe, die sich anschließend auch besser von der Saphirunterlage lösen lässt. „Durch diese Art des Wachstums ist es uns gelungen, die Versetzungsfehler und Spannungsrisse deutlich zu reduzieren“, berichtet Richter. Das Ziel seien Schichten, die so dick sind, dass man sie polieren kann. Bislang könne das weltweit noch keiner, aber das wird kommen, davon ist der FBH-Forscher überzeugt.

Die einfach zu handhabenden UV-B-LEDs oder -Laser wären vielfältig einsetzbar, ist Markus Weyers überzeugt. In der Medizin wären sie zur Behandlung der Schuppenflechte einsetzbar. „Eine weitere wichtige Anwendung ist die Aushärtung UV-reaktiver Druckfarben und -lacke“, sagt er. Die derzeit verwendeten UV-Lampen seien sehr groß und heiß, damit könnten viele Anwendungsmöglichkeiten derzeit nicht realisiert werden.

Auch Eberhard Richter sieht ein großes Potenzial, etwa in der UV-Desinfektion: „Damit kann man Bakterien in OP-Räumen abtöten, beim Zahnarzt, in Schwimmbädern.“ Kunststoffe im Zahn oder in reparierten Rohrleitungen ließen sich damit aushärten. Auch die Stimulation des Pflanzenwachstums sei möglich, etwa, um den Geschmack und den Nährstoffgehalt von Pflanzen auf natürliche Weise zu verbessern oder um Impfstoffe zu gewinnen, deren Produktion derzeit noch Tierhaltung erfordert.

Kontakt:
Prof. Dr. Markus Weyers
Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
Gustav-Kirchhoff-Str. 4
12489 Berlin
Tel. +49.30.6392-2670
Fax +49.30.6392-2685
E-Mail markus.weyers@fbh-berlin.de

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.fbh-berlin.de - Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
https://www.idw-online.de/de/news607797 - Interview mit Prof. Dr. Markus Weyers zum Nobelpreis

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Förderungen Preise:

nachricht ERC-Grants: Fünf neue Projekte an der LMU
11.08.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Krankheitserreger beim Reis blockieren
10.08.2017 | Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Förderungen Preise >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung

16.08.2017 | Informationstechnologie

Komfortable Software für die Genomanalyse

16.08.2017 | Informationstechnologie