AG Experimentelle Nanophysik und Photonik

Forschung

Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Wachstum von Gruppe-III-Nitrid Nanostrukturen mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) und deren Anwendung in nanophotonischen Bauelementen. Das Ziel ist es die Bildung von Nanostrukturen auf atomarer Skala zu kontrollieren und damit die optoelektronischen Eigenschaften dieser Materialien masszuschneidern. Zur strukturellen, elektrischen und optischen Charakterisierung der Nanostrukturen stehen eine Reihe von Analysemethoden und Simulationstools zur Verfügung. Im Rahmen des Joint Lab "GaN Optoelectronics" mit dem Ferdinand-Braun-Institut (FBH) und in den Reinräumen des Nanophotonikzentrum (NPZ) werden verschiedenste nanophotonische Bauelemente hergestellt und charakterisiert. Unser besonderes Interesse gilt der Entwicklung von AlGaN-basierten UV-LEDs,  UV-VIS Laserdioden und oberflächenemitterenden Laserdioden (UV-VCSEL), GaN-Quantenpunkt-basierte Einzelphotonemitter (SPE) und Photonisch Integrierte Schaltkreise im ultravioletten Spektralbereich (UV-PICs).

 

    Epitaxie von Nanostrukturen

    Unsere Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf das technologisch relevante Materialsystem Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AIN) und Indiumnitrid (InN). Das Wachstum der Heterostrukturen, Quantenfilme und Quantenpunkte erfolgt mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Zur Charakterisierung der Nanomaterialien stehen ein Reihe von Analaysemethoden zur Verfügung, u.a. in-situ Spektroskopische Reflektometrie, hochauflösende Röntgenbeugung (HR-XRD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Photolumineszensspektroskopie (PL), Transmission- & Reflexionsspektroskopie (PL) und Hall-Effekt-Messungen. Bei der Erforschung neuer Nanomaterialien interessieren wir uns vor allem für folgende Themen:

    • MOVPE von AlGaN und InAlGaN Quantenfilmen (QWs) für Lichtemitter im gesamten ultravioletten (UV) Spektralbereich. Herausforderungen sind vor allem neue Ansätze zur Defektreduktion dieser Halbleitermaterialien und die Analyse der strukturellen und optischen Eigenschaften der Quantenfilme.
    • Untersuchung neuer Ansätze zur effektiven Ladungsträgerinejktion in UV Lichtemittern. Dazu gehören Tunnel-Heteroübergänge und Distributed Polarization Doping von AlGaN-Schichtstrukturen.
    • Epitaxie von AlGaN Heterostrukturen auf unpolaren und semipolaren  Nitrid-Oberflächen für LEDs im ultravioletten Spektralbereich.
    • Wachstum von GaN Quantenpunkten für Einzelphotonemitter (SPE). In diesem Projekt werden verschiedene Ansätze zum Wachstum von GaN Quantenpunktstrukturen mittels MOVPE untersucht.

    Nanophotonische Bauelemente

    Der Bereich nanophotonische Bauelemente beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen Bauelementkonzepten für die Optoelektronik und Sensorik. Wir interessieren uns insbesondere für die Entwicklung von:

    • AlGaN-basierten Leuchtdioden (UV-LEDs)  im fernen ultravioletten Spektralbereich. Ziel ist es hoch-effiziente und leistungsstarke UV-LEDs im ultravioletten Spektralbereich zu realisieren. Einsatz finden diese Bauelemente beispielsweise bei der Reinigung von Trinkwasser, bei der medizinischen Diagnostik und in der Phototherapie. In Kooperation mit dem Ferdinand-Braun-Institut realisieren wir auch UV-LED Module, z.B. für Anwendungen in der Inaktivierung von Krankenhauskeimen (Charite), der Bekämpfung von Viren in Aerosolen, in der Gas-Sensorik und der Steuerung des Pflanzenwachstums.
    • Kantenemittierende Laserdioden im blau-violetten und fernen UV Spektralbereich für Anwendungen in der Quantentechnologie sowie der Raman- und Fluoreszenz-Spektroskopie.
    • Optische Mikrokavitäten für Einzelphotonen-Emitter (SPE) und Oberflächenemittierende Laserdioden (VCSELs)im ultravioletten Spektralbereich für Anwendungen in der Quantenkryptographie, Metrologie und kurzreichweitige Datenkommunikation.
    • Kombination von UV Lichtemittern mit integrierten photonische Schaltkreisen (UV-PICs) für Anwendungen in der Bio-Sensorik.

    Keimbekämpfung mit Fern-UVC-LEDs

    Jüngste Studien haben gezeigt, dass UVC-Lichtquellen im fernen Bereich (< 235 nm) zur Inaktivierung von multiresistenten Bakterien und luftgetragenen Viren ohne Schädigung der menschlichen Haut eingesetzt werden können. Obwohl die Entwicklung von Fern-UVC-LEDs noch in den Kinderschuhen steckt, wurden erste spektral reine 233 nm Bestrahlungssysteme bereits erfolgreich zur in vivo Inaktivierung von Keimen eingesetzt. Im Gegensatz zu konventionellen Ultraviolettquellen weisen UVC-LEDs kleine Formfaktoren auf, arbeiten mit moderaten Gleichspannungen, zeigen lange Lebensdauern und die Emissionswellenlänge kann exakt an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Dieser Vortrag gibt einen Überblick über den Stand der Technik und die Aussichten für die Entwicklung von UVC-LED-Technologien mit Schwerpunkt auf Bauelementen, die bei 233 nm emittieren. Wir werden die verschiedenen Faktoren diskutieren, die die externe Quanteneffizienz (EQE) von UVC-LEDs beeinflussen, einschließlich der Rolle von Defekten und Punktdefekten in AlGaN-Materialien auf die Strahlende Rekombinationseffizienz (RRE) und die Verbesserung der Strominjektionseffizienz (CIE) in den aktiven Bereichen der AlGaN-Quantentöpfe. Wir werden auch einige Aspekte des Designs von UVC-Bestrahlungssystemen diskutieren, wie z.B. die Integration von Bandpassfiltern, und einen Ausblick auf zukünftige Fortschritte in der Bauelementtechnologie geben, einschließlich der Realisierung von UV-Mikro-LED-Arrays für eine verbesserte Lichtausbeute.
    Dieser Beitrag wurde auf dem 1st International Congress on Far-UVC Science and Technology, Columbia University, New York City, vorgestellt.

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    Aktuelle Forschungsprojekte und Partner

    ICULTA 2023

    Die International Conference on UV LED Technologies & Applications - ICULTA ist ein Forum für die UV-LED-Gemeinschaft zum Austausch von Ideen und Ergebnissen zu hochaktuellen Themen.

    Heimbach Workshop XXXIV

    Beim 34. internationalen Heimbach-Workshop konnten wir 32 Teilnehmer von der TU Berlin, TU Chemnitz, Ferdinand-Braun-Institut, Chalmers University (Göteborg, Schweden) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen begrüßen.