EFRE Projekt: PerovsKET – Verbesserung der Mikrostruktur von Perowskiten mittels thermischem Nanoimprint als Schlüsseltechnologie für großflächige Perowskit-Optoelektronik
Die Geburtsstunde der Mikroelektronik Anfang der 1970’er Jahre war der Ausgangspunkt eines Paradigmenwechsels, der bis heute unseren Alltag in vielerlei Aspekten grundlegend prägt. Die moderne Informationsgesellschaft, die vielzitierte Digitalisierung des privaten und öffentlichen Lebens wären ohne die Mikroelektronik undenkbar. Träger von Information in der Mikroelektronik sind geladene Teilchen, die sog. Elektronen. Die über Jahrzehnte hinweg fortschreitende Verbesserung der Mikroelektronik durch Miniaturisierung steht heute kurz davor, ihre physikalischen Grenzen zu erreichen – der Fortschritt gerät ins Stocken. Eine Revolution mit ähnlicher Tragweite wie die Einführung der Mikroelektronik könnten in Zukunft photonische Schaltkreise auslösen. Hier sind Träger der Information Lichtteilchen, sog. Photonen. Die Kombination elektronischer und photonischer Schaltungen auf einem Mikrochip (integrierte Optoelektronik) stellt Funktionalitäten in Aussicht, die alles bislang Bekannte im Hinblick auf Geschwindigkeit und Effizienz in den Schatten zu stellen vermögen. Neben der Informations-/ und Kommunikationstechnik finden sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Sensorik bis hin zu sogenannten Lab-on-Chip Lösungen.
Der integrierten Optoelektronik fehlt allerdings die zentrale Komponente: eine geeignete (Laser-) Lichtquelle, die sich in Siliziumchips integrieren lässt. Vor Kurzem haben neue Halbleiter aus einer Materialklasse, die man als Mineralien seit dem 19. Jahrhundert kennt, die Bühne der Optoelektronik betreten und für Furore in der Wissenschaft gesorgt – die Perowskite. Was macht Perowskit-Laser so besonders? Sie können aus einer Lösung prozessiert werden und haben in ersten sehr vielversprechenden Pionierarbeiten ihr großes Potenzial für die Integration in die Silizium-Elektronik gezeigt.
Als wichtige Vorarbeit wurde in Kooperation des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente (Leitung: Prof. Riedl) und der Arbeitsgruppe Mikrostrukturtechnik (Leitung Prof. Scheer) ein neuartiger Herstellungsprozess für besonders defektarme Perowskitschichten entwickelt. Dabei werden die aus einer Lösung aufgebrachten Perowskitschichten mittels eines thermischen Imprintverfahrens rekristallisiert. Dabei werden die anfangs sehr rauen und Defekt-reichen Perowskitschichten unter gleichzeitiger Anwendung von Temperatur (< 150°C) und Druck (ca. 100 bar) rekristallisiert und geglättet. Dadurch werden nicht nur optische Verluste durch Lichtstreuung reduziert, sondern es werden auch Strukturdefekte im Perowskit-Halbleiter beseitigt, die Lasertätigkeit erschweren oder unmöglich machen. Auch eine Strukturierung der Perowskitschichten mit photonischen Resonatorstrukturen, die für einen Laser benötigt werden, wird dadurch möglich. Ein derartiges Strukturierungsverfahren bei niedrigen Temperaturen um 100°C wäre für etablierte Halbleiter völlig aussichtslos und wird einzig durch die spezifischen Kristalleigenschaften der Perowskite ermöglicht.
Das Projekt PerovsKET hat das Ziel, die entwickelte Prozesstechnik besser zu verstehen und das bisher noch in den Perowskiten enthaltene Blei durch andere Metalle zu ersetzen. Der Projektpartner NB Technologies bringt ein patentiertes Nanoimprint-Verfahren mit innovativen Stempeln in das Projekt ein, das die Hochskalierung des Prozesses ermöglichen soll und damit den Grundstein für eine spätere Serienfertigung legt. Die AMO GmbH wendet innovative Strukturierungsverfahren an, um die verbesserten Perowskitmaterialien in Silizium-basierte Chipsysteme zu integrieren. Die nano-photonischen Bauelemente sollen eine wesentlich verbesserte Leistungsfähigkeit demonstrieren und Rekordwerte auch auf größeren aktiven Flächen als bisher erreichen. Idealerweise leisten unsere Arbeiten auch einen wesentlichen Beitrag im globalen Rennen um die erste Perowskitlaserdiode. Das übergeordnete Ziel bleibt aber die integrierte Optoelektronik, um das Beste aus der Welt der Elektronik und der Photonik zu vereinen.
