Neuartige Laser auf Grundlage von Quanten-Nanostrukturen
Ein Quantenpunkt ist eine nanokristalline Struktur aus einem Halbleitermaterial, die die Bewegung der Exzitone in alle drei Raumrichtungen einschränkt. Ein Exziton ist ein gebundener Zustand eines Elektrons und eines Lochs. Die Einschränkungen in der Beweglichkeit ermöglicht eine Vielzahl von physikalischen Phänomenen. Das Wachstum von InAs (Indiumarsenid) auf dielektrischem InP (Indiumphosphid) unter kontrollierten Bedingungen führt zur Bildung von mehreren Quantenpunkten, die zusammen als Quantendraht bezeichnet werden. Das NANOMAT-Projekt hat diese Strukturen, deren Größe im Nanometerbereich liegt, untersucht. Es handelt sich dabei um kleine Tröpfchen eines Halbleitermaterials auf einem Substrat mit nicht angepasstem Gitter (wie InAs/InP). Dies ermöglicht neue Technologien, bei denen die Bandstruktur im Nanobereich in allen drei Raumrichtungen angepasst werden kann. Insbesondere wurde die Photolumineszenz, also die Absorption und Emission von Licht, eines InAs/InP-Quantendrahts experimentell untersucht. Es konnte eine Lichtemission bis in die Nähe der kritischen Wellenlänge von 1,55 µm, die für den Bereich der Telekommunikation interessant ist, erreicht werden. Es wurde eine Lichtemission bei einer Wellenlänge von 1,45 µm bei 100 K mit einem Laser mit einem einzelnen Quantendraht erreicht. Laser mit drei Quantendrähten konnten bis 250 K bei einem niedrigen Grenzstrom zur Lichtemission angeregt werden. Ein 1,55 µm-Laser, bei dem Nanostrukturen als aktives Material eingesetzt werden, kann im Bereich der Telekommunikation in vielen Bereichen verwendet werden. Partner dieses Projekts sind auf der Suche nach weiterer Forschungs- und Entwicklungsunterstützung, da die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass solche Laser technisch realisierbar sind. Diese Laser werden bei hohen Temperaturen arbeiten können. Es kommen also keine thermoelektrischen Kühler zum Einsatz, was zu einer großen Kostenersparnis führt. Darüber hinaus wird der Non-Zero-Dispersion, die momentan als ein potenzielles Hindernis angesehen wird, beim Aufschichten von Quantendrähten begegnet. Die entwickelten Hochleistungslaser mit einem niedrigen Grenzstrom und hoher Temperaturstabilität weisen mittel- bis langfristig ein vielversprechendes Potenzial für die Verwendung im Bereich der optischen Datenspeicherung und der Nanoelektronik auf. Dabei ist die Wellenlänge des Lasers nur noch einen Bruchteil von der kritischen Wellenlänge von 1,55 µm entfernt.
