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Halbleiter-Laser Günstige Perowskit-Laserdiode erstmals elektrisch im Dauerstrich betrieben

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Erstmals wurde eine nicht-epitaxiale Perowskit-Laserdiode im direkten Gleichstrom-Dauerstrichbetrieb demonstriert. Die Entwicklung zeigt einen neuen Weg in der Optoelektronik auf, bei dem die physikalischen Vorteile des Polariton-Lasings mit unkomplizierten, lösungsprozessierten Halbleitermaterialien im Mikroampere-Bereich kombiniert werden.

Symbolbild: Der Übergang zu elektrisch betriebenen Perowskit-Lasern markiert einen wichtigen Meilenstein in der modernen Optoelektronik.(Bild: frei lizenziert / Pixabay)
Symbolbild: Der Übergang zu elektrisch betriebenen Perowskit-Lasern markiert einen wichtigen Meilenstein in der modernen Optoelektronik.
(Bild: frei lizenziert / Pixabay)

Herkömmliche Halbleiterlaser basieren auf teuren, aufwendig gezüchteten epitaktischen Schichten und erfordern eine hohe optische Anregung (Populationsinversion). Bisherige Versuche, Perowskit-basierte Polariton-Laser elektrisch zu betreiben, scheiterten oft an thermischen Problemen, Ionenwanderungen oder funktionierten nur im gepulsten Betrieb. Zudem handelte es sich bei früheren elektrisch angeregten Perowskit-Bauteilen meist um Leuchtdioden (LEDs) mit polaritonischen Effekten, aber nicht um echte, elektrisch betriebene Laserdioden.

Der technische Ansatz

Schematischer Aufbau der Perowskit-basierten Polariton-Laserdiode: Als aktives Material dient das Halogenid-Perowskit CsPbBr₃. Die in (b) sichtbare Erhebung („Bump“) auf der Oberfläche markiert jene physikalische Defektstelle, an der die Kondensation der Polaritonen und das anschließende Lasing stattfinden.(Bild: Nature 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10824-w)
Schematischer Aufbau der Perowskit-basierten Polariton-Laserdiode: Als aktives Material dient das Halogenid-Perowskit CsPbBr₃. Die in (b) sichtbare Erhebung („Bump“) auf der Oberfläche markiert jene physikalische Defektstelle, an der die Kondensation der Polaritonen und das anschließende Lasing stattfinden.
(Bild: Nature 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10824-w)

m Rahmen der in Nature publizierten Arbeit („Non-epitaxial perovskite polariton laser diode operating under direct current“) lösten die Forscher diese Hürde durch einen neuartigen Bauteilaufbau:

  • Aktives Medium: Als Basis dient ein aus Lösung gezüchteter Cäsium-Blei-Bromid-Perowskit-Mikrokristall (CsPbBr₃ microplate). Dies ermöglicht eine kostengünstige, nicht-epitaxiale Herstellung.
  • Kontakte: Das Material wurde mit chemisch inerten einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (SWCNTs) als Elektroden kombiniert.
  • Resonator: Die gesamte Struktur ist in einen optischen Mikroresonator eingebettet, wodurch das System im sogenannten starken Kopplungsregime (Strong Coupling Regime) arbeitet. Hier entsteht das Laserlicht nicht durch klassische Populationsinversion, sondern durch die Kondensation von Exziton-Polaritonen. Das sind sogenannte Quasiteilchen aus Licht und Materie.

Pulsbetrieb vs. Dauerstrich

Im Gegensatz zum Pulsbetrieb, bei dem der Laser in sehr kurzen, hochenergetischen Lichtblitzen oder Impulsen arbeitet, emittiert ein Laser im Dauerstrichbetrieb (Continuous Wave) einen kontinuierlichen, ununterbrochenen Lichtstrahl, solange die Stromversorgung anliegt.

Pulsbetrieb ist oft einfacher zu realisieren, weil thermische Probleme und Materialbelastungen geringer sind (die Bauteile haben in den Pausen Zeit abzukühlen). Zudem reicht oft eine kurzzeitige Überstrom-Ansteuerung.

Dauerstrichbetrieb (DC/CW) erfordert hingegen eine dauerhafte thermische und elektrische Stabilität des Halbleiters bei konstanter Bestromung. Erst durch den Dauerstrichbetrieb wird ein Laser für viele klassische Anwendungen der Nachrichtentechnik, der kontinuierlichen Sensorik oder der Messtechnik überhaupt erst einsetzbar. Im Falle der neuen Perowskit-Laserdiode ist der DC-Dauerstrichbetrieb der entscheidende Nachweis, dass das Bauteil thermisch und physikalisch stabil unter permanentem Gleichstrom arbeiten kann.

Geringe Schwellenströme im Kryo-Betrieb

Um die inhärente Ionenmobilität von Halogenid-Perowskiten bei hohen Stromdichten zu kontrollieren und die Ausbildung eines stabilen p–i–n-Übergangs für eine ausbalancierte Ladungsträgerinjektion zu ermöglichen, wurde die Diode für die Messungen auf kryogene Temperaturen (rund 8 K, entsprechen -265,15 °C) gekühlt.

Unter diesen Bedingungen zeigt das Bauteil im konstanten Gleichstrombetrieb (DC) ein klares Polariton-Lasing. Der Schwellenstrom (Threshold Current) liegt dabei extrem niedrig bei ungefähr 60 bis 65 µA.

Mit diesem Nachweis demonstrieren die Wissenschaftler, dass Perowskit-Materialien prinzipiell für direkt elektrisch angetriebene Polariton-Laser im Dauerstrich geeignet sind. Obwohl der aktuelle Betrieb bei rund 8 K im Labor stattfindet und der Sprung zur Raumtemperatur-Anwendung noch aussteht, liefert die Arbeit wichtige physikalische und technologische Grundlagen für zukünftige, hocheffiziente und kostengünstige optoelektronische Lichtquellen im Mikroampere-Bereich.(heh)

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