Optoelektronik

Laser, LEDs, Solarzellen etc.

Aufgrund seiner durchgehenden Bandlücke kann GaAs in einer Vielzahl optoelektronischer Bauelemente eingesetzt werden (Laser, LEDs, Solarzellen). Freiberger produziert n- und p-leitende Wafer mit Durchmessern von 3“ bis 200 mm. Da in den meisten Segmenten des Optoelektronik-Marktes das Kostenbewusstsein sehr ausgeprägt ist, sind wir bestrebt unsere Kunden auf größere Durchmesser zu orientieren, um die Herstellungskosten zu senken.

Sowohl Lichtemitter als auch Lichtdetektoren brauchen p-n-Übergänge. Emitter funktionieren mit einem elektrischen Feld, das Photonen erzeugt (Abgabe von Licht). Bei Detektoren ist es gerade umgekehrt – ankommende Photonen erzeugen ein elektrisches Feld. Durch „maßschneidern“ der Bandlücke bei dem betreffenden Halbleiterwerkstoff ist es möglich, die Wellenlänge des Lichts so anzupassen, dass entweder ein Emitter oder ein Detektor entsteht. Die GaAs-basierten Bauelemente werden z. B. als energiesparende Lösungen in der Beleuchtung, in der Kfz-Technik, als Hintergrundbeleuchtung in TVs und Monitoren und in der terrestrischen Photovoltaik eingesetzt.

LASER

Laser (Licht Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) funktionieren im Wesentlichen wie LEDs. Wiederum injiziert das eingesetzte elektrische Feld Elektronen und Löcher in die verarmte Zone des p-n-Übergangs, wo diese sich wieder zusammenschließen können und ein Photon (spontane Emission) bilden. Hier können die Photonen bewirken, dass andere Elektronen-Loch- Paare rekombinieren, was zusätzliche Photonen schafft, die sich in die gleiche Richtung und mit der gleichen Phase wie das Originalphoton bewegen. Dieses Auslösen von zusätzlichen Rekombinationen wird als stimulierte Emission bezeichnet, was eine optische Verstärkung bewirkt, die mit der Anzahl der injizierten Elektronen und Löcher zunimmt.

In einem Laser ist die Region mit der Verstärkung von einem optischen Resonator umgeben, der das Licht in eine Richtung lenkt. Der Resonator hat an beiden Enden teilreflektierende Spiegel. Durch das Vor- und Zurückreflektieren der Lichtwelle gewinnt diese aufgrund der stimulierten Emission an Intensität. Sobald die Verstärkung größer ist als der Verlust (wegen Absorption und Verlust durch die teilreflektierenden Enden) beginnt das Material zu „lasern“.

Es gibt viele Möglichleiten, um den für die Laserfunktion erforderlichen optischen Resonator herzustellen, wobei jede einen anderen Lasertyp hervorbringt. Eine der weitverbreitetsten Methoden ist als doppelter Heteroübergangslaser bekannt. In diesem Fall wird ein Material mit geringer Bandlücke (GaAs) zwischen zwei Schichten aus Materialien mit größerer Bandlücke (AlGaAs) angeordnet. Beide, die injizierten Ladungsträger und das Licht, die durch ihre Rekombination emittiert werden, tendieren dazu in der dünnen Mittelschicht zu verharren. In diesem Fall entspricht die Wellenlänge des emittierten Lichts der Bandlücke der mittleren Schicht. Durch Variieren des in dieser Schicht eingesetzten Materials können andere Wellenlängen erzeugt werden.

Eine andere Möglichkeit die Ladungsträger an die aktive Zone zu binden ist die Erzeugung von Quantenmulden durch Epitaxie. Wie beim DH-Laser werden Ladungsträger und emittiertes Licht eingegrenzt. Die wachsenden Quantenmulden mit unterschiedlichen Energielevels produzieren Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen.

Alle bisher betrachteten Laser haben horizontale optische Resonatoren, so dass das Licht von einer Kante des Dioden-Chips emittiert wird. Man kann auch Laser mit vertikalen Resonatoren herstellen. Dazu müssen während des Epitaxie Prozesses Spiegel erzeugt werden. Ein Supergitter aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen optischen Konstanten und Dicken, die ein Vielfaches der gewünschten Wellenlänge betragen, kann eine reflektierte Lichtwelle mit umgekehrter Phase hervorrufen, was beim Durchlaufen der einzelnen Grenzflächen entweder zu einer positiven oder negativen Verstärkung führt. Die Erzeugung eines vollreflektierenden Spiegels unter der aktiven Region und eines teilreflektierenden Spiegels über der aktiven Region schafft einen vertikalen Resonator. Das Licht wird dann vertikal von der Oberfläche des Chips emittiert anstatt von der Kante.

Die meisten optischen Emitter werden heute durch MOCVD-Epitaxie hergestellt. In der Vergangenheit und selbst jetzt wird für einige untere LED-Marktsegmente auch LPE (Liquid Phase Epitaxy) eingesetzt. In allen Fällen wird das Substrat dotiert, meistens n-leitend. Aus Kostengründen bewegen sich die Hersteller allmählich in Richtung größerer Durchmesser. LEDs werden kommerziell aus Wafern aller Durchmesser hergestellt, von 2“ bis 150 mm, während für Laser Wafer mit einem Durchmesser von 3“ oder 4“ eingesetzt werden.

LED

Der einfachste Halbleiteremitter ist die LED (Leuchtdiode).

Die eingesetzte elektrische Spannung treibt Elektronen und Löcher zum p-n-Übergang, wo sie rekombinieren. Licht wird mit der Energie der Bandlücke emittiert, was als spontane Emission bezeichnet wird. Reines GaAs emittiert infrarotes Licht. Zusammen mit Epitaxie-Schichten anderer Materialien kann Licht mit anderen Wellenlängen von infrarot bis ultra-violett erzeugt werden.

Da LEDs auf der Bildung eines p-n-Übergangs beruhen, werden sie meistens durch Züchtung einer p-leitenden Schicht auf einem n-leitenden Substrat erzeugt, was allerdings auch umgekehrt möglich ist. Aus Kostengründen erfolgt die Epitaxie nach dem MOCVD-Prozess, was einen hohen Durchsatz gewährleistet.

In der Synthese erfolgt die chemische Verbindung von Gallium und Arsen zu polykristallinem GaAs, welches dann in einem streng kontrollierten Prozess geschmolzen wird. Daraus werden Einkristalle in Form von Stäben, sogenannte Ingots gezüchtet, die dann zu Wafern verarbeitet werden können.

Solarzellen

In einem Emitter injiziert ein elektrisches Feld Ladungsträger in die aktive Region des Bauelements, wo sie unter Emission von Photonen rekombinieren. Bei Detektoren ist es genau umgekehrt. Die ankommenden Photonen werden vom Material absorbiert. Die entstehenden Elektronen-Loch- Paare werden durch das elektrische Feld vom p-n-Übergang weggedrängt und gesammelt. Solarzellen sind eine besondere Art von Detektor.

Sie sind so optimiert, dass sie so viel wie möglich vom Solarspektrum absorbieren können. Es werden viele unterschiedliche Technologien eingesetzt. Freiberger fokussiert sich auf Zellen, für die GaAs als Substrat verwendet wird.

Der Wirkungsgrad einer Zelle wird daran gemessen, wie viel der aufgenommenen Sonnenenergie in Elektroenergie umgewandelt wird. Für GaAs-basierte Zellen kann ein Wert von bis zu 33 % erreicht werden.

Um den Wirkungsgrad weiter zu steigern, kann man Zellen mit mehreren p-n-Übergängen herstellen, wobei das Material jedes Übergangs eine andere Bandlücke aufweist. Durch die Kombination von zwei, drei oder selbst vier Übergängen ist es möglich den Wirkungsgrad auf nahezu 45 % zu steigern.

Durch die Zusammenfassung der Leistung aus den verschiedenen Übergängen ist die Herstellung dieser Zellen ziemlich kompliziert. GaAs-basierte Zellen (und andere Detektoren) werden gegenwärtig anhand einer Vielzahl von Technologien hergestellt, was zeigt, in welchem unreifen Stadium die Industrie sich noch befindet. Typischerweise wird der MOCVD-Prozess für die Epitaxie eingesetzt, für manche Zellen aber auch der MBE-Prozess. Man kann gleichermaßen entweder n-leitende oder p-leitende Substrate verwenden; hierzu ist man sich gegenwärtig noch nicht einig. Mit der Weiterentwicklung der Industrie wird sich sicherlich eine Technologie als die wirtschaftlichste erweisen, wobei die Wahl unterschiedlich ausfallen kann, je nach dem, ob es sich um terrestrische oder weltraumgestützte Systeme, Konzentratorzellen oder Ein-Sonnen-Systeme handelt.