FOR 506: Physics of nitride-based, nanostructured, light-emitting devices
Final Report Abstract
Mit der erstmaligen Realisierung einer Leuchtdiode auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und nachfolgend einer entsprechenden Laserdiode im ultravioletten Spektralbereich in den Jahren 1994 und 1996 durch S. Nakamura (Nichia Corp. Japan) wurden weltweit enorme Aktivitäten ausgelöst, um dieses neue und höchst attraktive Materialsystem für optoelektronische Bauelemente nutzbar zu machen. Heute finden diese Bauelemente vielfältige Anwendungen in fast allen Bereichen des praktischen Lebens, seien es die weißen Tagfahrleuchten von Kraftfahrzeugen, die äußerst umfangreiche Nutzung in Displays und für Beleuchtungen oder die optische Datenspeicherung mit BluRay-Playern. Nach den wegweisenden Arbeiten von Nakamura wurde schnell klar, dass in Ländern wie USA, Japan und Südkorea erhebliche Anstrengungen in der Grundlagenforschung unternommen werden, um dieses nicht einfache Materialsystem nutzbar zu machen. Damit auch in Deutschland die Grundlagenforschung auf diesem Gebiet den internationalen Entwicklungen schritthalten kann, wurde von 1997 bis 2002 das DFG-Schwerpunktprogramm „Gruppe-III Nitride und ihre Heterostrukturen“ gefördert. Bereits hierbei war die Universität Bremen eine der aktivsten Einrichtungen Deutschlands. Nach Abschluss des DFG-Schwerpunktprogramms waren die nächsten Schritte in der Erschließung des neuen Materialsystems vorgezeichnet. Zum einen sollten Quantenpunkte als aktives Material in konventionellen Lichtemittern wie LEDs und kantenemittierende Laser eingesetzt werden. Dies erforderte umfangreiche Untersuchungen zu Wachstum, struktureller Charakterisierung und optischen Eigenschaften. Auf der anderen Seite sollten Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) auf der Grundlage des GaN-Materialsystems hergestellt und mit Quantenpunkten als aktivem Material kombiniert werden. Die Universität Bremen bot ausgezeichnete Voraussetzungen für die Realisierung der sehr anspruchsvollen Ziele. Im Institut für Festkörperphysik standen vier Arbeitsgruppen mit komplementären Ausrichtungen und zum Teil umfangreichen Vorarbeiten bereit, ergänzt durch zwei Arbeitsgruppen im Institut für Theoretische Physik und durch Jörg Neugebauer (Univ. Paderborn, später MPIE Düsseldorf), der als externer Theoretiker das zur Verfügung stehende Methodenspektrum abrundete. Im Rahmen der Arbeit der Forschergruppe von 2003 bis 2010 wurden umfangreiche und international hoch anerkannte Entwicklungen zu GaN-basierten Lichtemittern erreicht. Die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit der Forschergruppe sind: Entwicklung von elektrisch gepumpten Kantenemitter-Lasern im blauen Spektralbereich. Herstellung von GaN-VCSEL Laserresonatoren und erfolgreiche Integration von Quantenpunkten als aktives Material. Nanostrukturierung von GaN–Quantenpunktproben und Laserstrukturen mit fokussierten Ionenstrahlen zur TEM-Charakterisierung, für Mikrophotolumineszenzuntersuchungen und zur Herstellung von Mikroresonatoren. Das hiefür verwendete FIB-Großgerät wurde im Rahmen der Forschergruppe angeschafft. Umfangreiche Theorieentwicklungen zur Analyse des Wachstums, der strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften der Quantenpunktemitter auf der Basis des neuen Materialsystems. Im Zusammenspiel der Projekte konnten hochmoderne Mikrolaser mit verbesserten Emissionseigenschaften und für neue Anwendungen entwickelt werden. Die Ergebnisse sind international führend auf diesem Gebiet. Die Forschergruppe hat sehr nachhaltig und äußerst erfolgreich zur thematischen Vernetzung der sechs beteiligten Bremer Arbeitsgruppen beigetragen sowie als wichtige Grundlage zur Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses und der Verstärkung der internationalen Sichtbarkeit der Aktivitäten gedient.
