Das »blaue« Wunder

Weltweit arbeiten Forscher an immer größeren, schnelleren und preisgünstigeren digitalen Speichern. Eine Schlüsselkomponente hierfür sind blaue oder violette Laser. Deutsche Wissenschaftler entwickelten die erste europäische violette Laserdiode.

Den gesamten »Fliegenden Holländer« hören, ohne die CD zu wechseln, das Filmopus »Lawrence of Arabia« auf nur einer Digital Vesatile Disk (DVD) aufnehmen – blaue Laser sollen es künftig möglich machen. Denn mit ihrer Hilfe können deutlich mehr Daten als bisher auf CD und DVD gespeichert werden. Gegenüber den herkömmlichen roten Diodenlasern haben blaue einen entscheidenden Vorteil: Sie strahlen Licht mit einer deutlich kürzeren Wellenlänge aus. Deshalb lässt es sich besser bündeln und die Informationen können dichter geschrieben werden.

Welchen großen Einfluss die Bündelung des Lichts hat, zeigt schon der Sprung von CD zur DVD. Während in herkömmlichen CD-ROM-Laufwerken Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 780 nm arbeiten, werden bei der DVD-Technik bereits kurzwellige Laser eingesetzt, die im sichtbaren roten Wellenlängenbereich bei 640 nm emittieren: So ist es möglich, statt nur 650 Megabyte wie bei einer CD-ROM bis zu 4,7 Gigabyte zu speichern. »Durch den Einsatz von blauen bzw. violetten Diodenlasern mit etwa 420 nm Wellenlänge ließe sich die Kapazität der DVD auf 20 Gigabyte steigern«, zeigt Prof. Dr. Joachim Wagner vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF die Vorzüge des neuartigen Lasers auf. Statt kurzer Spielfilme könnten dann auch mehrstündige Monumentalfilme auf einer einzelnen DVD gespeichert werden.

Doch lange Jahre scheiterte die Herstellung blauer Laser an Materialproblemen. Denn herkömmliche Halbleiter-Werkstoffe der Optoelektronik wie Galliumarsenid oder Galliumphosphid geben nur infrarotes oder rotes Licht ab. »Kurzwellige Leucht- und Laserdioden erfordern die Beherrschung eines anderen Halbleitermaterialsystems – das der Gruppe III-Nitride mit Galliumnitrid als prominentestem Vertreter«, erläutert Wagner. Die Herstellung qualitativ hochwertiger einkristalliner Schichten wie sie für Diodenlaser benötigt werden, ist bei Galliumnitrid jedoch sehr schwierig: Da es nicht als massiver Einkristall vorliegt, muss ein anderes Material – meist Saphir oder Siliziumkarbid -ncon als Unterlage dienen, um den Kristall gezielt Schicht für Schicht wachsen zu lassen.

Bisher stellt die japanische Firma Nichia als einziges Unternehmen blaue Laser her. Um das attraktive Zukunftsgeschäft mit kurzwelligen Halbleiterlasern nicht allein den asiatischen Anbieter zu überlassen, startete das Bundesforschungsministerium 1998 ein Verbundprojekt. Gemeinsam arbeiten Osram Opto Semiconductors in Regensburg, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg, die Universitäten in Ulm und Stuttgart sowie die TU Braunschweig an der Entwicklung der ersten europäischen blauen Halbleiterlaserdioden. Mit Erfolg: Bereits im Juli 1999 präsentierten die Verbundpartner einen blauen Laser im Pulsbetrieb. »Dieses Jahr konnte der Verbund sogar einen Laser im Dauerbetrieb zeigen«, berichtet Wagner von den Ergebnissen des Projekts. Die Laserdiode erzeugt einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 420 nm.

Auf diesen Erfolgen wollen sich die Forscher jedoch nicht ausruhen. Sie planen schon ein Nachfolgeprojekt. »Wir wollen die Laserdiode noch weiter verbessern. Insbesondere die Lebensdauer im Betrieb soll gesteigert werden«, nennt der Fraunhofer-Wissenschaftler die neuen Ziele. Weitere Herausforderungen: Der Wellenlängenbereich der Diodenlaser soll erweitert und die Ausgangsleistung gesteigert werden. Auch die Züchtung des Laser-Kristalls wollen die Forscher noch verbessern. Statt auf Saphir – so die Planungen – soll er künftig auf einem dünnen, freitragenden Galliumnitridfilm aufwachsen.

Die Anwendungsmöglichkeiten für die kurzwelligen Diodenlaser sind vielfältig. Die blauen Laser können moderne Speichermedien wie CD und DVD beschreiben und lesen oder die Konzentration von Ozon oder Kohlenwasserstoffen quantitativ bestimmen. Auch das Laserfernsehen, das eines Tages Bilder in Kinoqualität ins Haus bringen soll, benötigt zuverlässige blaue Laserdioden. »Zunächst wird der blaue Laser aber wohl den Markt der Laserdrucker erobern«, schätzt Alfred Lell von Osram Opto Semiconductors. Das kurzwellige Licht kann besser fokussiert werden und das steigert die Druckqualität.

Marktforscher sagen den kurzwelligen Halbleitern ein rasantes Wachstum voraus. Doch bis die Winzlinge tatsächlich in großen Stückzahlen und kostengünstig produziert werden können, ist noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig.