Heterointegration von Perowskitlasern in die Siliziumphotonik (HIPER-LASE)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar; Professor Dr.-Ing. Max Christian Lemme; Professor Dr. Thomas Riedl; Professorin Dr. Anna Lena Schall-Giesecke
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441341044

In Analogie zur Einführung der integrierten Mikrochips Anfang der 1970’er Jahre könnten in Zukunft integrierte photonische Schaltkreise eine technologische Revolution auslösen. Voraussetzung für einen solchen Paradigmenwechsel ist eine günstige und skalierbare Herstellungstechnologie. Eine Silizium- und Siliziumnitrid-basierte Photonikplattform ist ein exzellenter Kandidat für diese Aufgabe, allerdings fehlt momentan die geeignete integrierbare (Laser-)Lichtquelle. Aus Lösungsprozessen hergestellte Metall-Halid Perowskit-Halbleiter stellen die gewünschte Kompatibilität in Aussicht und haben sich bereits als sehr erfolgreich in Solarzellen und LEDs erwiesen. Kürzlich wurde aus Reihen der Antragsteller der erste integrierte optisch gepumpte Perowskit-Laser demonstriert, der mittels skalierbarer Strukturierungsverfahren hergestellt wurde. Daher ist es denkbar, dass ein elektrisch gepumpter Perowskit-Laser in Verbindung mit Siliziumnitrid-Photonik der integrierten Photonik zum Durchbruch verhelfen kann. In HIPER-LASE sollen daher diefundamentalen Grenzen von Metall-Halid-Perowskiten als elektrisch gepumpte Verstärkungsmedien erforscht werden. Diese Zielsetzung erfordert die Beantwortung von Fragen, die bislang im Zusammenhang mit der Forschung an Perowskitsolarzellen weitgehend unbeachtet geblieben sind. Wir planen daher, diese fehlenden Erkenntnisse zu gewinnen, indem wir die optische Eigenschaften unter hoher elektrischer/optischer Anregung studieren. Wir werden quantifizieren, inwiefern unter diesen Hochanregungsbedingungen Verlustmechanismen auftreten, welche elektrisch gepumpten Laserbetrieb erschweren. Die Arbeiten werden zunächst auf die vielversprechendsten Perowskite wie CsPbBr3 und MAPbX3 (X=I, Br) fokussiert. Die Filme werden unter Druck und Temperatur rekristallisiert (planar hot pressing (PHP)). DiesesVerfahren wurde in Pionierarbeiten der Antragsteller entwickelt. Dadurch lassen sich Mikroresonatoren mit höchster Qualität, welche für niedrige Laserschwellen benötigt erden, herstellen. Die Morphologie und elektrischen Eigenschaften der Perowskitfilmewerden mittels nanoskaliger Spektroskopieverfahren mit bis zu 60 nm Ortsauflösung charakterisiert. Es werden anorganische elektrische Kontakte entwickelt, die geeignet sind, hohe Stromdichten zu injizieren. Die Kontakteigenschaften werden frequenz- undtemperaturabhängig charakterisiert. Letztlich werden die Kernkomponenten für einen elektrisch gepumpten Laser kombiniert, um zu erforschen, ob ein elektrischer Betrieb eines Metall-Halid Perowskitlasers möglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen