Laser mit Graphenkontakt

  • 10. October 2012

Ein Mikroscheibenlaser lässt sich durch eine Graphenelektrode äußerst effizient antreiben.

Graphen lässt sichtbares und infrarotes Licht durch, leitet hervorragend den elektrischen Strom und ist zudem mechanisch äußerst stabil. Diese ungewöhnliche Kombination von physikalischen Eigenschaften haben koreanische Forscher für eine neuartige elektrische Kontaktierung eines Mikroscheibenlasers genutzt.

Mikro- und nanophotonische Bauelemente ermöglichen es, äußerst kompakte integrierte photonische Schaltkreise herzustellen. Doch bei den aktiven Bauelementen wie Mikrolasern oder submikrometergroßen Leuchtdioden wirft die elektrische Kontaktierung erhebliche Probleme auf. Die Elektroden müssen sehr fein strukturiert sein und äußerst genau auf dem Bauelement plaziert werden, wenn sie dessen optische Eigenschaften nicht nachteilig beeinflussen sollen. Das wirft erhebliche Fertigungsprobleme auf, die bisher nur mit großem Aufwand zu lösen waren.

Aufnahme der graphenbedeckten Scheibe mit einem Rasterelektronenmikroskop

Abb.: (a) Die Scheibe des Mikrolasers mit den drei Quantengräben (rote Linien) sitzt auf einer InP-Elektrode. Die Graphenschicht, die die Scheibe bedeckt, bildet die zweite Elektrode. Eine isolierende Kunststoffschicht (grün) bedeckt den Rand der Scheibe und die Unterlage. (b) Aufnahme der graphenbedeckten Scheibe mit einem Rasterelektronenmikroskop (Balkenlänge 1 µm; Bild: Y.-H. Kim et al. / NPG)

Jetzt haben Forscher um Hong-Gyu Park, die an drei verschiedenen Universitäten in Seoul arbeiten, eine elegante Lösung der Kontaktierungsprobleme für einen Mikroscheibenlaser und eine 300 nm große Leuchtdiode gefunden. Sie haben über die geeignet strukturierten Bauelemente ein stabiles Netz aus mehrlagigem Graphen gezogen, durch das sie mit Strom versorgt werden konnten. Das im Bauelement entstehende Licht konnte die Graphenelektrode problemlos passieren.

Der Mikroscheibenlaser bestand aus einer 6 µm großen Scheibe mit drei übereinanderliegenden InGaAsP-Quantentöpfen. Der Rand der Scheibe hatte einen Wulst aus dem nichtleitenden Kunststoff PMMA. Die Scheibe saß auf einem Stiel aus p-dotiertem InP, der in einer InP-Unterlage verankert war und eine der beiden Elektroden des elektrisch gepumpten Lasers darstellte. Die Unterlage war ebenfalls mit PMMA bedeckt, abgesehen von der Aussparung für Scheibe. Die gesamte Struktur haben die Forscher mit gängigen Verfahren der Elektronenstrahllithographie und des chemisch unterstützten Ionenstrahlätzens hergestellt.

Die andere Elektrode des Lasers wurde durch eine fünf- bis siebenlagige Graphenschicht gebildet, die die Forscher über die Scheibe und die sie umgebende PMMA-beschichtete Unterlage legten. Der Plastikwulst der Scheibe sorgte dafür, dass die Graphenschicht dem Scheibenrand nicht zu nahe kam und dadurch seine optischen Eigenschaften veränderte. Hingegen bedeckte die Graphenschicht die Mitte der Scheibe, sodass dort ein elektrischer Kontakt entstand.

Legte man eine elektrische Spannung zwischen der Graphenschicht und der InP-Unterlage an, so wurden aus dem Graphen Elektronen und aus dem InP-Stiel Löcher in die Scheibe injiziert. Die Elektronen und Löcher rekombinierten in den Quantentöpfen und es entstand IR-Licht. Dadurch wurde im Rand der Scheibe eine Flüstergaleriemode mit einer Wellenlänge von etwa 1550 nm angeregt, bei der das Licht am Scheibenrand entlanglief. Die Güte dieses optischen Resonators war größer als 2100, vor allem dank des Plastikwulsts der Scheibe, der die Graphenschicht auf Abstand hielt und dadurch verhinderte, dass das Licht vom Graphen absorbiert wurde.

Die Forscher betrieben den Mikrolaser, indem sie ihn mit einer periodischen Folge von 100 ns langen elektrischen Pulsen mit einer Periodendauer von 1 µs pumpten. Bei einer Stromstärke von 300 µA setzte die Laserstrahlung ein. Das nach oben aus der Scheibe und durch die Graphenschicht entweichende Laserlicht fokussierten sie mit einer Linse auf ein Spektrometer oder eine IR-Kamera, wo es analysiert bzw. aufgezeichnet wurde. Die Linienbreite der Strahlung nahm mit wachsendem Strom rasch ab, bis sie mit 0,75 nm die Auflösung des Spektrometers erreichte. Daraus schätzten die Forscher die Güte des Laserresonators ab, die gut dem aufgrund von dreidimensionalen Simulationen berechneten Wert von 2100 übereinstimmte.

Als die Forscher den Laser mit längeren Spannungspulsen anregten, um die Möglichkeiten eines kontinuierlichen Betriebs auszuloten, verschlechterten sich seine Eigenschaften. Bei einer Pulslänge von 500 ns (mit einer Periodendauer von 1 µs) ließ sich überhaupt keine Laserstrahlung mehr erzeugen. Park und seine Kollege führen dies darauf zurück, dass sich der Laser in diesem Fall zu stark erhitzte. Dafür war der recht hohe Kontaktwiderstand zwischen der Graphenschicht und der Oberfläche der Laserscheibe verantwortlich, den die Forscher auf etwa 4,9 kΩ schätzten.

Der Kontaktwiderstand ließ sich jedoch auf 2,2 kΩ verringern, indem die Oberseite der Laserscheibe mit einer Goldschicht überzogen wurde. Jetzt konnten auch 500 nm lange Pulse Laserstrahlung hervorrufen. Die koreanischen Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass weitere Verbesserungen ihres Lasers auch einen kontinuierlichen Betrieb ermöglichen werden. Durch eine Graphenelektrode lassen sich auch andere mikrophotonische Bauelemente präzise und gleichmäßig mit Strom versorgen, ohne ihre optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Rainer Scharf

OD

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