Kantenemittierender elektrisch gepumpter Raumtemperatur-Spin-Laser

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Hofmann; Professor Dr. Heiko Wende; Professor Dr. Andreas Dirk Wieck
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392782903

Ziel des Projektes ist die Realisierung des weltweit ersten elektrisch gepumpten Raumtemperatur-Spindiodenlasers, welcher ohne externe Magnetfelder auskommt. Durch Spininjektion soll ein zirkularer Polarisationsgrad von 30% überschritten werden. Unser Konzept dafür ist ein kantenemittierender Laser mit aktiver Region aus Volumenmaterial. Dies ist erforderlich, um eine polarisationsunabhängige optische Verstärkung zu erzielen, die dann gezielt durch Spininjektion aus ferromagnetischen Kontakten in Remanenz manipuliert werden kann. In den derzeit kommerziell verwendeten kantenemittierenden Quantenfilmlasern ist die optische Verstärkung polarisationsabhängig, wodurch sich diese Bauelemente für unser Projekt nicht eignen. In den sonst für Spin-Laser-Konzepte verwendeten Oberflächenemittern (VCSELs) sind die Transportpfade der injizierten Ladungsträger typisch im Bereich von einigen µm und damit viel länger als die von uns ermittelte Spin-Relaxationslänge von typisch etwa 25 nm. Deutlich geringere Injektionslängen (Pfad der Ladungsträger vom Injektionskontakt zur aktiven Region) lassen sich potentiell in kantenemittierenden Laserdioden realisieren. Diese kantenemittierende Bauelementgeometrie in Kombination mit einer aktiven Region, die polarisationsunabhängige Verstärkung liefert wird daher in diesem Projekt für einen Betrieb mit elektrischer Spininjektion bei Raumtemperatur gewählt. Die Expertisen der beteiligten Gruppen ergänzen sich perfekt zur Bearbeitung dieses Forschungsthemas. Die Teilaufgaben verteilen sich wie folgt: Die Gruppe Hofmann übernimmt in enger Kooperation mit den Partnern das Strukturdesign (Aufbau des aktiven Bereichs, Injektor), einen Teil der Prozessierung und die spätere optische Charakterisierung. Die Gruppe Wieck übernimmt Halbleiterwachstum, Teile der Prozessierung und die Transport-Charakterisierung, und die Gruppe Wende bringt die ferromagnetischen n-Kontakte (z.B. Fe- oder Fe3Si-Schichten) mit MgO-Tunnelbarriere auf. Diese magnetischen Kontakte sollen an Synchrotronstrahlungsquellen mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie und Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) sowie im Labor mittels Mössbauerspektroskopie (CEMS) analysiert werden. In weiteren Schritten werden in Kooperation der Gruppen Hofmann und Wieck dann durch Plasmaätzen der Kontakte und Bonden die Laserbauelemente zur weiteren Charakterisierung fertig prozessiert. Im Rahmen dieser Charakterisierung wollen wir neben dem Nachweis der Kontrolle der Ausgangspolarisation durch den injizierten Spin analysieren, welche potentiellen Vorteile ein rein Spin-kontrollierter Laser gegenüber einem konventionellen bieten kann. Dazu soll die Dynamik des Polarisationsschaltens über die Spininjektion eingehend im Hinblick auf den Kontrast zwischen den Polarisationszuständen und die zeitliche Schaltdynamik charakterisiert werden. Die Interpretation dieser Analyse soll durch polarisationsaufgelöste Messungen der optischen Verstärkung unter Spininjektion unterstützt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen