Blaugrüne Halbleiterlaser

Eine weitere Erfolgsgeschichte der Halbleiterphysik ist die Entwicklung des blaugrünen Halbleiterlasers. Laser begegnen uns an vielen Stellen im Alltag, zum Beispiel bei einer farbenprächtigen Lasershow, bei Strichscannern im Supermarkt und bei Lichtbildvorträgen, wenn rote Laserzeiger benutzt werden. Laser sind in der Medizin zu einem unentbehrlichen Werkzeug geworden, etwa in der Augenchirurgie. Mit Infrarotstrahlung, die von Kohlendioxidlasern erzeugt wird, kann man zentimeterdicke Stahlplatten sauber durchtrennen. Darüber hinaus haben Laser die Nachrichtentechnik revolutioniert. Die moderne Informationsübertragung erfolgt mittels Glasfasern, an deren einem Ende ein Halbleiterlaser zu finden ist, der digital codierte Lichtsignale aussendet. CD-Spieler enthalten eine Halbleiterlaserdiode, die aus dem Material Galliumarsenid besteht. Mit ihr wird die auf der CD gespeicherte Information berührungslos abgetastet. Die mögliche Speicherkapazität einer CD wird dabei durch die Wellenlänge der benutzten Laserstrahlen begrenzt, die etwa achthundert Nanometer (millionstel Millimeter) beträgt. Durch eine Reduzierung der Wellenlänge auf etwa die Hälfte und durch verfeinerte Codierungsmethoden ließe sich die Laufzeit einer CD verzehnfachen. Auch für die DVD (Digital Versatile Disc)-Technik ist eine weitere Verkürzung der benutzten Wellenlänge sehr erwünscht.

Deshalb bemühte man sich bereits zu Beginn der achtziger Jahre weltweit, Halbleiterdioden herzustellen, die blaues (Wellenlänge 450 nm) oder grünes (Wellenlänge 520 nm) Licht emittieren können. Die Versuche blieben zunächst erfolglos, weil die benutzte Dünnschichttechnik es nicht erlaubte, das als Ausgangsmaterial benutzte Zinkselenid (ZnSe) mit den notwendigen elektrischen Eigenschaften auszustatten: Die oben erwähnten positiv geladenen Löcher waren nicht beweglich genug. ZnSe gehört zur Gruppe der II-VI-Halbleiter, die aus Elementen der zweiten und sechsten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente bestehen.

Halbleiterlaser aus Zinkselenid

Bildbeschreibung:
Ein sandkorngroßer Halbleiterlaser, der blaugrünes Licht abstrahlt. Der Laser besteht aus Zinkselenid. Die Farbwiedergabe im Bild ist verfälscht. (G. Landwehr, Universität Würzburg).

Ein Durchbruch gelang 1989 mit Hilfe der MBE. Die ersten Zinkselenidlaser, die grünes Licht der Wellenlänge 520 nm emittierten, wurden 1991 in den USA gebaut. Am Physikalischen Institut der Universität Würzburg gelang dies im Jahr darauf. Die zunächst geringe Lebensdauer dieser Laser wurde von der japanischen Firma Sony bis 1997 auf ungefähr 500 Stunden erhöht. Für technische Anwendungen reicht dies jedoch noch nicht aus.

Zu Beginn der neunziger Jahre setzten parallel zur Entwicklung der II-VI-Halbleiterdioden Bemühungen ein, blaue emittierende Leuchtdioden (LEDs) und Laser aus dem III-V-Halbleiter Galliumnitrid (GaN) herzustellen. Diese Anstrengungen waren 1996 von Erfolg gekrönt, als es der japanischen Firma Nichia gelang, derartige Bauelemente herzustellen, die violettes Licht mit einer Wellenlänge von 410 bis 420 Nanometer ausstrahlen. Die Lebensdauer konnte in den folgenden Jahren auf mehrere 1000 Stunden erhöht werden. Galliumnitridleuchtdioden sind inzwischen kommerziell erhältlich. Zunächst hatte man geglaubt, dass violettes Laserlicht für die Informationsspeicherung auf CDs und DVDs besonders günstig ist. Es stellte sich jedoch bald heraus, dass die kurzwellige Strahlung die bei der Herstellung der CDs benutzten Polymere nachteilig beeinflusst. Aus diesem Grund bemüht man sich, die Wellenlänge von Galliumnitridlasern in den blauen und grünen Spektralbereich zu verschieben. Dies ist jedoch eine technologische Herausforderung, die bisher noch nicht gemeistert werden konnte. Andererseits versucht man nach wie vor, die Lebensdauer von Zinkselenidlasern so weit zu erhöhen, dass eine technische Anwendung möglich wird. Es scheint, dass sich beide Materialsysteme ergänzen: Galliumnitrid ist für den kurzwelligen Bereich (Wellenlängen um 420 nm) besser geeignet und Zinkselenid für den längerwelligen (Wellenlängen um 520 nm).

Künftige Anwendungen lassen es wünschenswert erscheinen, über blaue (450 nm) und grüne (520 nm) Laser zu verfügen. In der Displaytechnologie lässt sich dann zusammen mit rotem Licht (650 nm) der gesamte Farbbereich durch Mischung der drei Komponenten abdecken. Beim Laserfarbfernsehen werden Laserstrahlen in den drei genannten Grundfarben Rot, Grün und Blau mittels einer schnellen optischen Ablenkeinheit auf eine Fläche projiziert. Dort entsteht aufgrund des fein fokussierten Laserstrahls ein sehr scharfes und brillantes Bild, das auch über große Entfernungen auf unebene Hintergrundflächen projiziert werden kann. Das von der deutschen Firma Schneider demonstrierte Laserfarbfernsehen benutzt Infrarotlaser, aus deren unsichtbarer Strahlung durch Frequenzvervielfachung alle Farben des sichtbaren Lichtes erzeugt werden. Dieses Verfahren ist allerdings sehr aufwendig. Deshalb strebt man an, in Zukunft blaue und grüne Laserdioden zu verwenden.

Für den spezifischen Nachweis von umweltschädlichen Molekülen und Elementen in der Luft oder im Wasser können vorteilhaft Laserspektrometer verwendet werden, die auf der Absorption von Laserlicht durch Atome und Moleküle beruhen. Damit der Nachweis spezifisch ist, müssen die Laserwellenlängen mit den Absorptionswellenlängen der nachzuweisenden Stoffe übereinstimmen. Viele der Verunreinigungen, die in der Umweltanalytik untersucht werden, absorbieren im grünen und blauen Spektralbereich. Daher sind blaue und grüne Laser auch für diese Anwendungen von großem Interesse.