Halbleiterquellen im mittleren Infrarot

Halbleiterbauelemente die im Spektralbereich des mittleren Infraroten (zwischen 2 m m und 20 m m) emittieren werden unter anderem zur Messung von Schadstoffen in der Luft, für die Gaschromatographie, zum Trennen von Isotopen in der Atomphysik und als lokale Oszillatoren in astronomischen infrarot Messungen verwendet. Blei-Salz Laser sind die einzigen Halbleiterbauelemente die den ganzen Spektralbereich des mittleren Infraroten überdecken. Während die meisten Halbleiterlaser in lateraler Richtung strahlen, gibt es auch vertikal emittierende Laser. Vertikal emittierende Bleisalzlaser wurden bisher allerdings noch nie hergestellt. Im Zuge dieses Projektes werden zum ersten Mal vertikal emittierende Blei-Salz Laser hergestellt. Im Gegensatz zu den bisherigen Blei-Salz Lasern werden unsere Halbleiterstrukturen auf BaF2 Substraten aufgewachsen. Dies sollte unsere Bauelemente mechanisch unempfindlicher machen als auf PbTe gewachsene Strukturen. Darüber hinaus erwarten wir dadurch eine bessere Kühlung der aktiven Zone der Laser zu erhalten und somit sollten wir unsere Laser bei höheren Temperaturen als bisher betreiben können. Weiters planen wir PbTe Leuchtdioden mit hohem Wirkungsgrad herzustellen. Das erreicht man durch den Einbau der aktiven Laserdiode in einen besonderen Resonator. Neben den Blei-Salz Lasern wollen wir noch Si Dioden herstellen, die im mittleren Infraroten strahlen. Dies erreichen wir durch den Einbau von seltenen Erd-Ionen in den Si Kristall. Vor allem erwarten wir uns Emission von einem Übergang innerhalb der 4f Schale von EU 3+, der unterhalb der optischen Phononenkante stattfindet.

In diesem Projekt wurden optoelektronische Bauteile, wie Laser und Lichtdetektoren, für den Spektralbereich des mittleren Infraroten, nämlich für Wellenlängen zwischen 3 und 6 Mikrometer, hergestellt. Dieser Wellenlängenbereich ist deshalb sehr interessant, weil in ihm viele molekulare Absorptionslinien gefunden werden, die für Moleküle so charakteristisch sind, wie für Menschen Fingerabdrücke. "Moleküle Fingerabdrücke" im mittleren Infrarot besitzen z.B. Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie viele flüchtige Substanzen, die C H Verbindungen enthalten; viele dieser Moleküle sind als Luftschadstoffe bekannt. Deshalb werden elektro- optische Bauelemente für diesen Spektralbereich nicht nur zur chemischen Analyse von Spurengasen, sondern auch zur Überwachung von Luftschadstoffen verwendet. Alle Bauteile, die in diesem Projekt entwickelt worden sind, bestehen aus Blei-Salzen, Halbleitern mit besonders günstigen Eigenschaften für den Spektralbereich des mittleren Infraroten. Eine dieser Eigenschaft ist ein besonders hoher Brechungsindex, der es erlaubt, mit einigen wenigen Halbeiterschichten spezieller Dicke besonders hochreflektierende Spiegel herzustellen. Zwischen zwei solchen Spiegeln kann Licht auf einer Länge vergleichbar mit der Lichtwellenlänge eingeschlossen werden. Somit entsteht ein Mikroresonator, der in vertikal-emittierenden Lasern zur Lichtverstärkung, in Detektoren zur Erhöhung der Effizienz sowie zum Filtern von Wellenlängen verwendet werden kann. Konzepte mit solchen Mikroresonatoren wurden in diesem Projekt zum ersten Mal auf Blei-Salz Strukturen für das technisch wichtige mittlere Infrarot angewandt. So wurde zunächst ein Mikroresonator demonstriert, der die höchste jemals gezeigte Güte aufweist. Basierend auf diesen Mikroresonatoren wurden optisch gepumpte Laser für Emissionwellenlängen zwischen 3 und 6 Mikrometer realisiert, die im gepulsten Betrieb nicht nur bei tiefen Tempearaturen, sondern auch bei Raumtemperatur arbeiten. 6 Mikrometer ist nach wie vor die längste Wellenlänge, für die jemals ein Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator demonstriert worden ist. Für diese Laserbauteile wurden auch Nanostrukturen wie Quantentöpfe und Quantenpunkte mit Abmessungen von einigen millionstel Millimetern als laser-aktives Material verwendet. Quantenpunkte aus Blei-Salzen sind von besonderem Interesse, da sie im Gegensatz zu Quantenpunkten aus anderen Materialien räumlich geordnet hergestellt werden können. In unserem Projekt haben wir auch die ersten optischen Untersuchungen an solchen geordneten Quantenpunkt-Systemen durchgeführt, die auf eine außerordentlich gleichmäßige Größenverteilung der Quantenpunkte schließen lassen. Außerdem wurden aus Blei-Salz-Mikroresonatoren neuartige Lichtdetektoren für das mittlere Infrarot hergestellt, die nur für bestimmte Wellenlängen empfindlich sind und deshalb auch in Kombination mit breitbandigen Lichtquellen wie Lampen zur Molekülspektroskopie verwendet werden könnten. Der Erfolg unserer Forschung an optoelektronischen Bauelementen aus Blei-Salzen für das mittlere Infrarot wird auch in den vielen Veröffentlichungen in einschlägigen renommierten Fachjournalen, sowie in von uns unabhängigen Berichten in wissenschaftlichen Zeitschriften widergespiegelt. In weiterer Folge sollen die von uns entwickelten Bauteile nicht nur weiterverbessert, sondern auch zu kompakten Meßsystemen integriert werden, die für hochempfindliche Schadstoffuntersuchungen herangezogen werden können.