Partnerschaft zwischen Berlin und Warschau gestärkt

 

Photonics and Optoelectronics Network PHOENIX – erste Verbundprojekte mit Berliner Förderung initiiert.

Seit September 2012 unterstützt das Land Berlin mit seinem Förderprogramm “Netzwerkbildung Mittel- und Osteuropa“ aus EFRE-Mitteln die Partnerschaft zwischen Berlin und Warschau im Bereich der optischen Technologien in dem Projekt Photonics and Optoelectronics Network (PHOENIX). Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut (HHI), die Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH und der OpTec-Berlin-Brandenburg e.V., die mit der Photonics Society of Poland und dem polnischen Netzwerk Optoklaster aus Warschau zusammenarbeiten.


v.r.n.l.: Gerrit Rössler, Berlin Partner; Dr. Frank Lerch, OpTec-BB e.V.; Michał Olszewski, Vize-Stadtpräsidenten von Warschau; Prof. Jacek Galas, Maksymilian Pluta Institute of Applied Optics; Prof. Dr. Thomasz Woliński, Präsident der Photonics Society of Poland; Guido Beermann, Berliner Staatssekretär für Wirtschaft, Technologie und Forschung © SenWTF/Peter Groth

Ziel der Netzwerkpartnerschaft PHOENIX ist es, den Aufbau eines wirtschaftsbezogenen und grenzüberschreitenden Forschungs- und Entwicklungsnetzwerks zwischen Berliner Akteuren aus Wissenschaft und Industrie und Partnerorganisationen in der Hauptstadtregion Polens im Bereich der Optischen Technologien zu fördern. Im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung zwischen Berlin und Warschau wurde die Zusammenarbeit intensiviert. Polen verfügt über eine lange Tradition in der optischen und photonischen Entwicklung, insbesondere in laserbasierten und Glasfaser-Technologien. Die optische Branche in Polen ist in einigen Bereichen im europäischen Vergleich mit führend, die Berliner und die Warschauer Branchen ergänzen sich gut. Wissenschaftseinrichtungen und Unternehmen der Optik-Branche aus beiden Regionen können sich an dem Projekt PHOENIX beteiligen und die Kontakte für ihre Forschungs- und Geschäftsentwicklung nutzen. Prof. Dr. Thomasz Woliński, Präsident der Photonics Society of Poland ist überzeugt, dass "die deutsch-polnische Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Photonik der Wirtschaft beider Länder hilft, sich gegen eine starke Konkurrenz aus dem Fernen Osten durchzusetzen“.

v.l.n.r.: Guido Beermann, Berliner Staatssekretär für Wirtschaft, Technologie und Forschung; Gerrit Rössler, Berlin Partner; N.N.; Prof. Dr. Thomasz Woliński, Präsident der Photonics Society of Poland © SenWTF/Peter Groth

Die Kernkompetenzen der dem polnischen Netzwerk OPTOKLASTER angehörenden Unternehmen liegen in den Bereichen der optischen und optoelektronischen Elemente, Halbleiterlaser, Lasergeräte für medizinische Anwendungen sowie Laseranlagen für die Industrie. Forschungsinstitute unterstützen die Unternehmen mit der Entwicklung neuer Laserquellen, Detektoren und neuer Materialien für den Einsatz in der Optoelektronik. In den letzten Jahren haben insbesondere die Unternehmen TopGaN Ltd. und Ammono auf dem Gebiet der Halbleiterentwicklung und -industrie auf globaler Ebene großen kommerziellen Erfolg erreicht.

Die Zusammenarbeit zwischen Berlin und Warschau wurde besonders vom BMBF-geförderten Konsortium "Berlin Widebase" im Bereich Halbleiterentwicklung vorangetrieben. Auf dem "Deutsch-polnischen Workshop zu Nitrid-Halbleitern" auf der Laser Optics Berlin/ microsys 2012 in Berlin trugen Referenten aus Warschau und Berlin über den aktuellen Stand ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf der Basis von Nitrid Halbleitern vor. Im Jahr 2014 präsentierte sich das PHOENIX-Projekt erstmals auf der laser optics Berlin 2014 mit einem eigenen Stand. Mehrere Anwenderworkshops fanden statt, darunter einer zur Galliumnitrid-Halbleitertechnologie. Der Berliner Staatssekretär für Wirtschaft, Technologie und Forschung, Guido Beermann fasste so zusammen: “Ich bin zuversichtlich, dass aus dieser Initiative weitere erfolgreiche Kooperationen hervorgehen, die die Sichtbarkeit und Anerkennung Berlins und Warschaus als Zentrum der optischen Technologien in Europa weiter erhöhen.“

Das Projekt PHOENIX ist zunächst ausgelegt auf eine Laufzeit von 28 Monaten (vom 01.09.2012 bis zum 30.11.2014) mit der Intention, die Aktivitäten der Netzwerkpartnerschaft in der künftigen Förderperiode 2014-2020 fortzuführen. Auf Grundlage einer Kooperationsvereinbarung zwischen der Berliner Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung und dem Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung Polens (NCBiR) wurde am 27. Januar 2014 ein bilateraler Call veröffentlicht, der es Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus Berlin und Polen ermöglicht, eine Förderung für gemeinsame F&E-Projekte jenseits europäischer Programme zu beantragen. In diesem Rahmen sind im Herbst diesen Jahres zwei Verbundprojekte bewilligt worden. Da die Qualität aller Anträge insgesamt sehr überzeugte und in beiden Partnerregionen eine große Nachfrage besteht, wird Anfang 2015 darüber hinaus ein zweiter Call veröffentlicht werden.

Violett emittierende Lasersysteme im Verbundvorhaben „BriVi“

Laufzeit: 01.10.2014 – 30.09.2017

Zielstellung

Auf der Basis des Halbleitermaterialsystems (Al, Ga, In)N sollen im Projektverbund violett emittierende Lasersysteme bei den Zielwellenlängen 405 bzw. 430 bis 440 nm entwickelt werden, die bislang unerreichte Eigenschaften miteinander vereinen: Mit einer stabilen, einstellbaren Emissionswellenlänge sollen sich die Systeme durch eine schmale Linienbreite, eine hohe Strahlgüte und eine hohe optische Leistung auszeichnen (Brillanz).

Mit diesen Lasersystemen sollen neue Applikationen erschlossen werden. Zu solchen Feldern zählen die Atomspektroskopie, insbesondere die Spektroskopie mit Quecksilberatomen, die Laserlithografie, die diagnostische und therapeutische Medizintechnik sowie die Kühlung in Atomuhren.

Blau emittierende GaN-Laserdiode bei 440 nm im TO-Gehäuse, Laser des FBH, Aufbau durch eagleyard Photonics © Philipp Keshet

Innovation und Lösungsansatz

Die brillanten Lasersysteme mit hoher Leistung sollen durch hybride Aufbauten realisiert werden. Das soll zum einen durch den Betrieb von Rippenwellenleiterlaserdioden (RW-Laserdioden) in einem externen Resonator mit integriertem Reflexionsgitter und zum anderen durch die monolithische Integration eines Gitters mit verteilter Rückkopplung (Distributed Feedback = DFB) auf dem Chip einer RW-Laserdiode erreicht werden. Die Laserdioden werden dann mit Trapezverstärkern (Tapered Amplifier) zu einem (MOPA = Master Oscillator Power Amplifier) kombiniert. Auf diese Weise wird violette Laserstrahlung hoher Leistung bei gleichzeitig hoher Brillanz realisiert.

Der MOPA ist eine Laserquelle mit einer hohen Leistung und einer guten Strahlqualität. Strahlung von nur geringer optischer Leistung wird dafür in den nachgeschalteten Verstärker eingekoppelt und dort bei Erhalt der Strahlqualität deutlich verstärkt. Das Konzept hybrider MOPAs ist im infraroten Spektralbereich mit GaAs-basierten Laserdioden seit langem etabliert und wird in einer Vielzahl von Varianten kommerziell angeboten. Mit dem vorliegenden Projekt wird dieses Konzept erstmalig konsequent auf das Materialsystem (Al, Ga, In)N und damit auf den violetten und blauen Spektralbereich übertragen.

Lösungsweg

Die Innovation des vorliegenden Projekts besteht vor allem darin, MOPAs für den Dauerstrichbetrieb zu entwickeln. Das ist ein Problem, weil angesichts der vergleichsweise geringen Konversionseffizienz und der damit einhergehenden starken Erwärmung von (Al, Ga, In)N-Laserstrukturen die Trapezverstärker nur funktionieren, wenn die elektrischen und optischen Verluste im Material deutlich reduziert werden. Das soll durch innovative Dimensionierung und eine angepasste Montagetechnologie erreicht werden. Durch diese Arbeiten wird insbesondere das wissenschaftliche und technologische Know-how für noch komplexere Lasersysteme auf der Basis von (Al, Ga, In)N geschaffen.

Galliumnitrid-Laserdiode auf C-Mount © FBH/schurian.com

Im Bereich der Lasersysteme ist zuerst die Montagetechnik der Laser- bzw. Verstärkerchips auf Wärmesenken und das Verbauen in hermetisch abgeschlossene Gehäuse zu entwickeln. Weiterhin muss die Prozesstechnologie von DFB-Laserdioden in weiten Teilen neu erarbeitet werden. Dazu zählen insbesondere Verfahren für die Lithografie, das Ätzen und die Verkapselung von Gitterstrukturen. Im Bereich der Messtechnik ist die Funktionalität der Bauelemente nachzuweisen, z. B. die Strahlgüte, das Rauschen und das Kurzpulsverhalten der Laser bzw. Lasersysteme zu bewerten.

Beteiligte Partner

Die Arbeiten im Projekt verteilen sich auf vier beteiligte Partner – das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik im Forschungsverbund Berlin e.V. (FBH), eagleyard Photonics GmbH, den polnischen Partnern Institute of High Pressure Physics of the Polish Academy of Science (Unipress) und TopGaN Ltd.. Das FBH und Unipress werden die Epitaxie der Halbleiterschichtstrukturen parallel für verschiedene Zielwellenlängen bearbeiten. Beide Partner werden Wafermaterial austauschen, dann zu Laserchips weiterprozessieren und diese charakterisieren. Das FBH wird neben der Prozessierung von RW-Laserdioden vor allem die Entwicklung von DFB-Laserdioden übernehmen während Unipress und TopGaN die Herstellung von RW-Laserdioden und Trapezverstärkern erarbeiten. Alle Bauelemente werden der Firma eagleyard für den Aufbau von ECDLs bzw. MOPAs zur Verfügung gestellt. Neben der Vermessung der Eigenschaften dieser Systeme wird eagleyard auch Lebensdaueruntersuchungen an diesen Bauelementen durchführen. Am Ende des Projektes soll ein funktionsfähiges MOPA-System bei mindestens einer der beiden Zielwellenlängen (405 nm oder 436 bis 440 nm) vorliegen.

Mit dem vorliegenden Projekt werden zum einen zwei Gruppen zusammengebracht (FBH und Unipress/TopGaN), die auf dem Gebiet der Lichtemitter auf der Basis von (Al, Ga, In)N in Europa führend sind. Zum anderen ist mit eagleyard ein Systemintegrierer dabei, der schon jetzt auf einer Reihe von Märkten für spezialisierte Laserdiodenquellen erfolgreich etabliert ist. Sowohl auf polnischer als auch deutscher Seite sind die Projektpartner eng benachbart, was eine ideale Voraussetzung für eine intensive und effektive Kooperation ist. „Die eagleyard Photonics freut sich auf die erneute Zusammenarbeit in einem bewährten Kreis mit Partnern aus Forschung und Industrie. Schon im Vorläuferprojekt (WideBaSe) konnte gemeinsam mit den polnischen Kollegen dieser technisch herausfordernde Wellenlängenbereich für uns erstmalig erschlossen werden. Dass auf unserer Entwicklungsseite auch polnische Muttersprachler im Projekt eingebunden sind, dient nicht nur dem zügigen gemeinsamen Fortschritt, sondern stärkt darüber hinaus sogar ein Stück weit die europäische Kooperation.“, so Dr. Thomas Laurent, CTO eagleyard Photonics.

Zu erwartende Ergebnisse

Auf kurzer Zeitskala werden in dem Projekt MOPA-Systeme entstehen, mit denen die Industriepartner schnell in den Markt eintreten können, bevor eine Konkurrenz durch große Bauelementhersteller dies erschweren und insbesondere Gewinnmargen reduzieren würde. Gemeinsam repräsentieren die Projektpartner das größte europäische Konsortium zur Entwicklung von Laserdioden auf der Basis von (Al, Ga, In)N, so dass die Partner an internationaler Sichtbarkeit insbesondere gegenüber der Konkurrenz aus dem asiatischen Raum gewinnen werden.

Kontakt und Ansprechpartner:
Dr. Sven Einfeldt
Business Area: GaN Optoelectronics
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik
Tel: +49.30.6392-2630
Fax: +49.30.6392-2685

Schnelle, intrinsisch vertikale GaN-Schalttransistoren zur direkten Ansteuerung von Diodenlasern (PioneerGaN)

Laufzeit 01. 01. 2015 - 31. 12. 2017

 

Zielstellung

Im Projekt PioneerGaN sollen Nano bzw. sub-Nanosekunden Lichtpulse mit hoher Intensität auf Halbleiterbasis entwickelt und realisiert werden. Die jetzt zunehmend verfügbaren defektarmen Substrate aus GaN Volumenkristallen eröffnen erstmalig die Möglichkeit, zuverlässige, intrinsisch vertikale selbst-sperrende GaN Transistoren zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Dadurch entsteht praktisch ein schnell schaltendes integriertes Stromventil, das beispielsweise in Kombination mit einem Diodenlaser eine der Voraussetzungen für die Erzeugung von hohen Lichtintensitäten unter Beibehaltung der Strahlqualität bietet. Das Projekt bündelt die in Polen weltweit nahezu konkurrenzlose Expertise zur Realisierung von defektarmen GaN Kristallen von Ammono mit dem am Ferdinand-Braun-Institut vorhanden Know-how bei der Entwicklung und Realisierung von GaN-Transistoren, Diodenlasern und der Schaltungstechnik für gepulste Ansteuerung. Die Kurzbezeichnung „PioneerGaN“ für das Projekt beruht auf dem polnischen Wort „pionowy“ für „vertikal“.

Partner und Arbeitsteilung

Am Projekt PioneerGaN sind von polnischer Seite Ammono S.A., Warschau und das Wrocław Research Centre EIT+ Warschau beteiligt. Die deutschen Partner sind das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz Institut für Höchstfrequentechnik (FBH), Berlin, sowie SENTECH Instruments GmbH, Berlin.

Prinzipieller Aufbau eines vertikalen GaN-Transistors © Sentech

Die Projektpartner werden in enger Zusammenarbeit ihr spezifisches Know-how gezielt für die Realisierung der ehrgeizigen Projektziele bündeln. Die Firma Ammono wird hoch leitfähige freistehende GaN-Substrate so entwickeln und liefern, dass am FBH die entsprechenden Bauelementschichten epitaktisch aufgetragen werden und diese weiterprozessiert werden können. Das Wrocław Research Centre EIT+ wird den für GaN-Transistoren neuartigen Steuermechanismus genau charakterisieren, sowohl elektrisch als auch strukturell. Daraus ergeben sich wichtige Erkenntnisse, die am FBH und bei SENTECH in die laufende Prozessentwicklung einfließen. 

Das Ferdinand-Braun-Institut hat die Entwicklung des kompletten Bauelementprozesses für vertikale GaN Transistoren übernommen.

Inbegriffen ist die Realisierung der bauelementspezifischen Epitaxieschichten auf GaN-Substraten von Ammono mittels der Metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). 

Multiwaferanlage für die Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) von Galliumnitrid © FBH/schurian.com

Ein ganz entscheidender Schwerpunkt der geplanten Arbeiten liegt in der Entwicklung eines selbstsperrenden Steuerkonzepts für die GaN-Transistoren auf Basis des sogenannten Inversionseffekts. Damit erreicht man hoch-kompakte selbstsperrende Transistoren mit extrem geringen Leckströmen.

Die Firma SENTECH Instruments GmbH, Berlin bringt mit ihrer Expertise im Bereich der “Atomic Layer Depositionstechnik” (ALD) eine Schlüsseltechnologie in das Projekt ein. Ohne sie wären GaN-Transistoren auf Basis des Inversionseffekts praktisch nicht denkbar. In enger Kooperation mit dem FBH stellt SENTECH in den am FBH prozessierten Strukturen Gate-Isolatorschichten mit diesem Verfahren her. Damit verbunden ist eine weitere Optimierung der ALD Prozesse und der Anlagentechnologie, insbesondere im Hinblick auf die Schichtqualität auf den vertikalen Strukturen.

 Am Ende des Projekts sollen maßgeschneiderte, an einen Diodenlaser angepasste vertikale GaN-Transistoren vorliegen, deren Schalteigenschaften mittels einer gepulsten Laserstrahlquelle als Demonstrationsmodul verifiziert werden.


Gepulstes Lasersystem auf Basis von hybrid aufgebauten GaN-Transistoren (FBH-Technologie) © FBH/schurian.com

Das Projekt PioneerGaN hat sich zum Ziel gesetzt, mit den vorgeschlagenen Methoden qualitative Verbesserungen auszuloten und in einem Demonstratorsystem nachzuweisen. Im Verlauf des Projekts werden vertikale GaN Transistoren konzipiert, realisiert und kontinuierlich verbessert. In der zweiten Hälfte des Projekts erfolgt die hybride Integration mit einem Diodenlaser und damit die Demonstration der Leistungsfähigkeit dieser neuen Technologie.

Bislang war eine zielgerichtete Bauelemententwicklung durch die sehr kleinen Flächen der GaN-Substrate von wenigen Quadratzentimetern behindert. Neueste Forschungen zielen jedoch auf größere Waferdurchmesser und eröffnen damit den Weg zu einer industriellen Prozessierbarkeit. In Europa besitzt die polnische Firma Ammono ein Alleinstellungsmerkmal auf diesem Gebiet. Typische von Ammono angegebene Werte für die erreichbaren Defektdichten liegen bei 5x104 Defekten /cm², vor kurzem wurden freistehende GaN Substrate mit einem Durchmesser von größer als 1 Zoll demonstriert. Derartige Wafer ermöglichen jetzt den Einstieg in eine systematische Prozessentwicklung. PioneerGaN nutzt diese sich aktuell bietende Chance und bündelt das bei Ammono, bei EIT und am FBH sowie bei SENTECH vorhandene Know-how zur Entwicklung von intrinsisch vertikalen GaN-Bauelementen auf freistehenden GaN-Substraten für die direkte Ansteuerung von gepulsten Lasern.

Das Anwendungsgebiet von vertikalen GaN Transistoren geht jedoch weitdarüber hinaus. Marktprognosen sagen voraus, dass derartige Bauelemente in ca. 4-6 Jahren die Leistungselektronik revolutionieren werden und beispielsweise in effizienten und damit sehr leichten on-Bord Ladeadaptern für künftige Elektromobile eingesetzt werden können.

Dr. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik © FBH/M. Schönenberger

Prof. Dr. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik ist optimistisch:  „Mit den Forschungsprojekten, die wir gerade gestartet haben, verstetigen wir die in Berlin WideBaSe begonnene deutsch-polnische Kooperation. Damit wollen wir ein grenzüberschreitendes Forschungs- und Wirtschaftsnetzwerk für Optik und Mikrosystemtechnik voranbringen – die Region Berlin-Brandenburg bietet ja bereits eine hohe Dichte an Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit breit aufgestellten Kompetenzen in diesem Bereich. Dieses Know-how gibt es natürlich auch in Polen und durch PHOENIX rücken wir enger mit unserem Nachbarn zusammen.“

Kontakte und Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Joachim Würfl
Head of Business Area GaN-Electronics
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz Institut fuer Höchstfrequenztechnik
Tel.: +49 30 6392 2690
Fax: +49 30 6392 2685
Email: Joachim.Wuerfl@FBH-Berlin.de
http://www.fbh-berlin.de

Dr. Michael Arens
SENTECH Instruments GmbH
Tel.: +49 30 6392 55 25/ 20
Email: michael.arens@sentech.de
http://www.sentech.com

 

Den Artikel schrieb Christel Budzinski mit freundlicher Unterstützung des Ferdinand-Braun-Instituts, der SENTECH GmbH, eagleyard Photonics und der Photonics Society of Poland.

Ansprechpartner:

Gerrit Rössler
Bereichsleiter Optik
Clustermanager Optik
Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH
Tel.: +49 30 46302-456
Email: gerrit.roessler@berlin-partner.de   

Dr. Frank Lerch
CEO
OpTecBB e.V.
Tel.: +49 30 63921728
Email: optecbb@optecbb.de