„PerovsKET“ erforscht Schlüsseltechnologien für photonische Schaltungen

Seit ihrer Geburtsstunde Anfang der 1970er Jahre prägt die Mikroelektronik den Alltag der modernen Informationsgesellschaft. Träger von Informationen sind dabei geladene Teilchen, so genannte Elektronen.

Durch Miniaturisierung wurde die Mikroelektronik über Jahre hinweg verbessert. Der Fortschritt stößt jedoch immer mehr an physikalische Grenzen. Eine Revolution könnte in Zukunft der Einsatz photonischer Schaltkreise auslösen. Träger der Information hierbei sind Lichtteilchen, so genannte Photonen.

Die Kombination elektronischer und photonischer Schaltungen auf einem Mikrochip – integrierte Optoelektronik – stellt hinsichtlich Übertragungsgeschwindigkeit und Effizienz Funktionalitäten in Aussicht, die bislang nicht erreicht wurden. Neben der Informations- und Kommunikationstechnik finden sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Sensorik bis hin zu sogenannten „Labor-auf-dem-Chip“-Lösungen.

Der integrierten Optoelektronik fehlt allerdings die zentrale Komponente: eine geeignete (Laser-)Lichtquelle, die sich in Siliziumchips integrieren lässt. Hier kommen neue Halbleiter aus einer Materialklasse, die man als Mineralien kennt, ins Spiel – die Perowskite. Sie weisen großes Potenzial für die Integration in die Silizium-Elektronik auf.

Als wichtige Vorarbeit wurde in Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente unter Leitung von Prof. Dr. Thomas Riedl und der Arbeitsgruppe Mikrostrukturtechnik unter Leitung von Prof. Dr. Hella-Christin Scheer ein neuartiger Herstellungsprozess für besonders defektarme Perowskit-Schichten entwickelt.

Dabei werden die aus einer Lösung aufgebrachten Schichten mittels eines thermischen Imprintverfahrens rekristallisiert. „Sehr vereinfacht gesprochen, werden die anfangs sehr rauen und defektreichen Perowskit-Schichten mit einem sehr präzisen Bügeleisen glattgebügelt. Dadurch werden nicht nur optische Verluste durch Lichtstreuung reduziert, sondern es werden auch Strukturdefekte im Perowskit-Halbleiter beseitigt, die Lasertätigkeit erschweren oder unmöglich machen. Auch eine Strukturierung der Perowskit-Schichten mit photonischen Resonatorstrukturen, die für einen Laser benötigt werden, wird dadurch möglich“, erklärt Prof. Riedl. Das Verfahren sei für etablierte Halbleiter aussichtslos. „Erst die spezifischen Kristalleigenschaften der Perowskite ermöglichen dieses Vorgehen“, ergänzt der Wissenschaftler.

Ziel des Projekts PerovsKET ist es, die entwickelte Prozesstechnik besser zu verstehen und das bisher noch in den Perowskiten enthaltene Blei durch andere Metalle zu ersetzen. Der Projektpartner NB Technologies aus Bonn bringt ein patentiertes Nanoimprint-Verfahren mit innovativen Stempeln in das Projekt ein. Die Aachener AMO GmbH wendet innovative Strukturierungsverfahren an, um die verbesserten Perowskit-Materialien in siliziumbasierte Chipsysteme zu integrieren.

Die nano-photonischen Bauelemente sollen eine wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit demonstrieren und Rekordwerte auch auf größeren aktiven Flächen als bisher erreichen. „Idealerweise leisten unsere Arbeiten auch einen wesentlichen Beitrag im globalen Rennen um die erste Perowskit-Laserdiode. Das übergeordnete Ziel bleibt aber die integrierte Optoelektronik, um das Beste aus der Welt der Elektronik und der Photonik zu vereinen“, erläutert Prof. Riedl.

Prof. Dr. Thomas Riedl
Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik
Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente
E-Mail t.riedl@uni-wuppertal.de