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 Rudolf-Virchow-Preis 2017 – wegweisende Forschung zu einer seltenen Form des Hodgkin-Lymphoms
23.06.2017 | Deutsche Gesellschaft für Pathologie e.V.

nachricht Repairon erhält Finanzierung für die Entwicklung künstlicher Herzmuskelgewebe
23.06.2017 | Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung e.V.

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften