HIPER-LASE - Auf dem Weg zur Hetero-Integration von Perowskit-Lasern in die Silizium-Photonik
On-Chip-Laser sind nach wie vor eine begehrte, aber schwer fassbare Komponente für integrierte photonische Schaltungen und Systeme für die Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation sowie für zahlreiche Gas-, Bio- und chemische Sensoranwendungen. Konventionelle Halbleiterlaser können diese Funktionalität und Leistung zwar bereitstellen, lassen sich aber aufgrund einer starken Prozessinkompatibilität aber nicht direkt auf einer photonischen Plattform aus Silizium oder Siliziumnitrid herstellen. Dieses Projekt zielt darauf ab, das Potenzial von Metall-Halogenid-Perowskit-Halbleitern für elektrisch gepumpte integrierte Laser zu untersuchen. Dieses übergeordnete Ziel wird durch die bemerkenswerte optische Verstärkung, die (relativ) hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und die Abstimmbarkeit der direkten Bandlücke von Metall-Halogenid-Perowskiten angestoßen, was sie prinzipiell zu einer hervorragenden Wahl für kostengünstige integrierte Laser auf Siliziumnitrid-Photonik Chips macht. Obwohl optisch gepumpte Perowskit-On-Chip-Laser bereits demonstriert wurden, bleibt das Erreichen von CW-Betrieb und elektrisch gepumptem Lasern bei Raumtemperatur (RT) eine immense Herausforderung. In einer vorhergehenden Arbeit wurden Perowskit-Mikro-Scheibenlaser vorgestellt, die mit Hilfe eines Top-Down-Prozesses monolithisch in photonische integrierte Schaltungen (PICs) aus Siliziumnitrid integriert wurden [1]. Um elektrisch gepumpte Laser zu erhalten, sollte ein solcher Top-Down-Prozess verwendet werden, um das Perowskit als Verstärkungsmedium in die Siliziumnitrid-PICs zu integrieren.
Die Projektpartner werden zusammenarbeiten, um herauszufinden, inwieweit die morphologischen, optischen, elektrischen und thermischen Materialeigenschaften von Perowskiten in Richtung elektrisch gepumpten Laser optimiert werden können. Am Ende des Projekts sollen diese Ergebnisse zusammengeführt werden, um zu beurteilen, ob solche elektrisch gepumpten Perowskit-Laser realisierbar sind und was zu ihrer Realisierung notwendig ist. Wir wollen auch grundlegende Grenzen aufdecken, die den elektrischen Betrieb erschweren könnten. Die zentralen Forschungsaufgaben sind:
- Verständnis der Ladungsträgerdynamik im Hochanregungsbereich und wie sie durch die Perowskit-Verarbeitung modifiziert wird
- Minimierung des optischen Verlustes im Perowskit
- CW-optisch gepumptes Laserlicht bei Raumtemperatur
- Entwicklung anorganischer Ladungstransportschichten zur selektiven Injektion von Elektronen oder Löchern
- Aktuelle Forschungen zeigen, dass die intrinsische Wärmeleitfähigkeit von Perowskiten für elektrisch gepumpte Laser unzureichend ist, selbst für Einkristalle. Daher wird eine externe Kühlung benötigt, die aus einem Material besteht, das mit elektrisch gepumpten Lasern kompatibel ist. Die Anwendung und Eignung von hBN für diese Aufgabe wird erforscht.
Das Ziel unseres Projekts ist es, die Grundlagen für die Entwicklung der Perowskit-Laserdiode zu schaffen. In dieser Perspektive werden wir Gerätearchitekturen entwickeln, die den durch die Untersuchung der Materialeigenschaften identifizierten Anforderungen entsprechen. Das Design muss gewährleisten, dass die injizierten Ladungsträger effektiv im Perowskit-Emitter überlappend mit der optischen Mode akkumuliert werden können und dass der Emitter durch leitfähige und optisch transparente Mantelschichten von verlustbehafteten Elektrodenmaterialien getrennt wird. In III-V-Laserdioden wird dies durch die Verwendung von Heterostrukturen erreicht, ein Konzept, das bei Perowskiten z. B. wegen der Halogenidwanderung nicht ohne weiteres anwendbar ist. Daher werden wir uns auf die Verwendung von TCOs (transparente leitfähige Oxide), 2D-Materialien und spezielle Wellenleiterdesigns konzentrieren, um die optimale Bauelementarchitektur zu finden.
HIPER-LASE wird gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektpartner:
Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente, Bergische Universität Wuppertal, Wuppertal, Deutschland
AMO GmbH, Aachen, Deutschland
Lehrstuhl für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik, Universität Siegen, Siegen, Deutschland