Südkoreanischen Forschern ist es gelungen, eine Technologie für die Massenproduktion von Quantenpunktlasern zu entwickeln, die in Rechenzentren und der Quantenkommunikation weit verbreitet sind. Dieser Durchbruch ebnet den Weg, die Produktionskosten von Halbleiterlasern auf ein Sechstel der aktuellen Kosten zu senken.
Die Forschung ist veröffentlicht im Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen.
Das Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) gab bekannt, dass es erstmals in Korea eine Technologie zur Massenproduktion von Quantenpunktlasern entwickelt habe, die bislang nur zu Forschungszwecken eingesetzt wurden. Dabei kommen Metall-organische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) zum Einsatz.
Die Forschungsabteilung für optische Kommunikationskomponenten des ETRI hat erfolgreich Indiumarsenid/Galliumarsenid (InAs/GaAs)-Quantenpunktlaserdioden auf Galliumarsen (GaAs)-Substraten entwickelt, die für das in der optischen Kommunikation verwendete Wellenlängenband von 1,3 µm geeignet sind.
Traditionell wurden Quantenpunktlaserdioden mithilfe der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt, doch diese Methode war aufgrund ihrer langsamen Wachstumsgeschwindigkeit ineffizient, was die Massenproduktion erschwerte. Durch den Einsatz von MOCVD, das eine höhere Produktionseffizienz aufweist, konnte das Forschungsteam die Produktivität der Quantenpunktlaserherstellung deutlich steigern. Quantenpunktlaser sind für ihre hervorragenden Temperatureigenschaften und ihre hohe Toleranz gegenüber Substratdefekten bekannt, was größere Substratflächen und damit einen geringeren Stromverbrauch und geringere Produktionskosten ermöglicht.
Die neu entwickelte Quantenpunkt-Herstellungstechnologie zeichnet sich durch hohe Dichte und gute Gleichmäßigkeit aus. Die hergestellten Quantenpunkt-Halbleiterlaser zeigten einen Dauerbetrieb bei Temperaturen bis zu 75 Grad Celsius und stellten damit eine weltweit führende Leistung bei den durch MOCVD erzielten Ergebnissen dar.
Bisher wurden für optische Telekommunikationsgeräte teure 2-Zoll-Substrate aus Indiumphosphid (InP) verwendet, was hohe Herstellungskosten verursachte. Die neue Technologie verwendet GaAs-Substrate, die weniger als ein Drittel der Kosten von InP-Substraten ausmachen, und dürfte die Herstellungskosten von Halbleiterlasern für die Kommunikation auf weniger als ein Sechstel senken.
Die Möglichkeit dieser Technologie, großflächige Substrate zu verwenden, ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Prozesszeit und der Materialkosten.
Das Forschungsteam plant, diese Technologie weiter zu optimieren und zu verifizieren, um ihre Zuverlässigkeit zu verbessern und sie an inländische Unternehmen der optischen Kommunikation weiterzugeben. Diese Unternehmen erhalten durch die Halbleitergießerei des ETRI wichtige Technologie- und Infrastrukturunterstützung, was den Zeitplan für die Kommerzialisierung beschleunigt.
Die erwartete Verkürzung der Entwicklungszeit und der Produktionskosten wird die Preiswettbewerbsfähigkeit der Produkte steigern und potenziell den internationalen Marktanteil erhöhen. Dieser Fortschritt wird voraussichtlich der heimischen Branche für optische Kommunikationskomponenten Auftrieb geben.
In der modernen Gesellschaft bildet die optische Kommunikation das Rückgrat unserer Branche. Die Leistung des Forschungsteams wird die Entwicklung optischer Quellen revolutionieren und Apartmentkomplexe mit Großstädten und optischen Unterseekabeln verbinden.
Professor Dae Myung Geum von der Chungbuk National University, ein Teilnehmer dieser Forschung, bemerkte: „Die Massenproduktionstechnologie für Quantenpunkte kann die Produktionskosten teurer optischer Kommunikationsgeräte erheblich senken, die Wettbewerbsfähigkeit der nationalen Industrie für optische Kommunikationskomponenten verbessern und einen wesentlichen Beitrag zur Grundlagenforschung leisten.“
Dr. Ho Sung Kim von der Forschungsabteilung für optische Kommunikationskomponenten des ETRI erklärte: „Dieses Forschungsergebnis ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie sowohl kommerzielle Rentabilität als auch grundlegende Innovation sichergestellt werden können. Es könnte das Paradigma der Halbleiterlaserindustrie für optische Kommunikation verändern.“
Mehr Informationen:
HoSung Kim et al., Hochtemperatur- und Dauerstrichbetrieb von vollständig im MOCVD-Verfahren hergestellten InAs/GaAs-Quantenpunktlaserdioden mit hochgespannter Schicht und Niedertemperatur-p-AlGaAs-Mantelschicht, Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen (2024). DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.173823