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TU Berlin

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Im Zeitalter des Photons

Optische Bauelemente nutzen die Elementarteilchen des Lichts. Sie treiben die wirtschaftlichen Entwicklungen des 21. Jahrhunderts. Wo bisher elektrischer Strom und Elektronen dominierten, übernehmen künftig die schnellen Photonen das Geschäft in der Datenübertragung, der Materialbearbeitung, der Chipherstellung, der Umwelttechnik oder der Analyse von Materialien. Nanostrukturierte Halbleiter stellen eine wesentliche Materialgrundlage für diese Bauelemente dar.

Von Prof. Dr. Dieter Bimberg

Zur Halbleiterphotonik zählt man alle Bauelemente und Geräte, in denen Licht die wichtigste Rolle spielt. Das Licht wird mittels elektrischen Stroms erzeugt oder in Strom umgewandelt. Leuchtdioden, sogenannte LEDs, erzeugen ihr Licht mit viel weniger Energie und in viel besserer Qualität als herkömmliche Glühbirnen oder Lampen in für unterschiedliche Anwendungen wichtigen Spektralbereichen vom Infraroten bis zum Ultravioletten. Sie werden Glühbirnen in wenigen Jahren vollständig vom Markt verdrängen und damit einen wesentlichen Beitrag zur Energieeinsparung leisten. Darüber hinaus werden sich völlig neue Anwendungsfelder, zum Beispiel in der Wasserreinhaltung, öffnen. Ohne LEDs wären bereits heute die meisten Fernsteuerungen zu Hause undenkbar.

Noch weit mehr entpuppt sich der Diodenlaser als Multitalent. Seit über 40 Jahren sind diese Bauelemente bekannt. Im Jahre 2000 erhielten Zhores Alferov und Herbert Krömer für den Vorschlag und die praktische Umsetzung den Nobelpreis. Doch erst seit kurzer Zeit eröffnen neuartige Laserdioden und darauf basierende Systeme die Tore zu völlig neuen, bisher nicht gedachten Anwendungen. Sie lösen zunehmend konventionelle elektrische oder mechanische Geräte ab. Laserdioden ermöglichen bislang unerreichte Datenraten in der Informations- und Kommunikationstechnik. Sie schicken innerhalb einer Sekunde weit mehr als 1000000000000 Informationen in einer Sekunde (ein Terabit pro Sekunde) auf die Reise durch ein hauchfeines Glasfaserkabel oder den freien Raum. Ihr enormes spektrales Auflösungsvermögen schützt den Menschen und seine Umwelt mittels neuer analytischer Methoden. Diodenlaser schneiden, schweißen und schmelzen, operieren Tumore auf der Netzhaut des menschlichen Auges oder spüren einzelne Krebszellen in der Blutbahn auf.

Deutschland gehört in der jungen Photonikindustrie zu den führenden Nationen. Gemäß einer Studie des Bundesforschungsministeriums sind in dieser Branche bereits mehr als 100 000 Menschen beschäftigt, das jährliche Wachstum erreichte 2006 rund zwölf Prozent. Welche Bedeutung die Photonik besitzt, zeigt der Zukunftspreis des Bundespräsidenten, der im November 2007 an ein Forscherteam der Firma Osram Opto Semiconductors in Regensburg und des Fraunhofer-Instituts in Jena vergeben wurde. Diese Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen entwickelten die weltweit effizientesten LEDs für Anwendungen des Alltags.

In Berlin hatten sich zu Beginn des Jahrhunderts mit Osram, Siemens und AEG die wichtigsten Pioniere des Zeitalters des Lichts angesiedelt, hier begann 1883 bei der AEG die Massenfertigung der Glühlampen. Nun geht die Ära der glühenden Wolframfäden zu Ende. Alte Arbeitsplätze werden durch neue abgelöst. In der anwendungsnahen Forschung an Verbindungshalbleitern, Halbleiternanostrukturen und darauf basierenden neuartigen photonischen Bauelementen ist Berlin heute eines der wichtigsten Zentren - in Deutschland und in Europa.

In der Photonik gilt ein ähnliches Gesetz wie in der Computerbranche: Alle 18 Monate halbiert sich der Preis für die gleiche "Leistung". Dadurch entsteht ein enormer Kostendruck, die Unternehmen müssen erhebliche Budgets in die Weiterentwicklung ihrer Produkte oder in neue Ideen stecken. Die TU Berlin hat diese Erfordernisse schon frühzeitig erkannt. Ihre Wissenschaftlerinnen, Physiker, Ingenieure und Mathematiker verknüpfen Grundlagen- mit anwendungsnaher Forschung mittels modernster industriekompatibler Methoden der Herstellung von Halbleiternanomaterialien für neuartige Bauelemente, der Prozessierung in Ultrareinsträumen zur Chipherstellung und dem Aufbau zu vollständigen Modulen. Eine wissenschaftliche Idee kann nur dann zu einem umsatzstarken und damit Arbeitsplätze schaffenden High-End-Produkt am Markt umgesetzt werden, wenn sämtliche Wertschöpfungsebenen vom Material bis zum Modul kostengünstig abgedeckt werden. Dabei stützt sich die TU Berlin auf eine einzigartige Dichte an kooperierenden Forschungsinstituten, Hochschulen und Firmen. Dies alles mit kurzen Wegen und schneller Erreichbarkeit von Partnern.

Zum 1. Januar 2008 bewilligte die Deutsche Forschungsgemeinschaft der TU Berlin zusammen mit ihren Forschungspartnern den auf zwölf Jahre angelegten Sonderforschungsbereich "Halbleiter-Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente". Die Startfinanzierung beträgt mehr als elf Millionen Euro. 35 Millionen Euro sind für die Gesamtdauer geplant. Berlin hat sich damit für diese strategisch wichtige Forschungsrichtung die Pole-Position in Deutschland gesichert. Um diesen Erfolg zu stablisieren, stellte die Europäische Union erhebliche EFRE-Mittel bereit. Über den Zukunftsfonds des Landes und das Förderprogramm ProFit flossen Landesmittel zum Aufbau der Infrastruktur und für Pionierprojekte der beteiligten Institutionen und Firmen.

Die TU Berlin, ihre Partner und zahllose kleine und mittelständische Firmen haben ein dichtes Netzwerk gewoben, um mit schnellen und intelligenten Ideen und Produkten in dem wachsenden Weltmarkt für LEDs und Lasertechnik ganz vorn mitzuspielen. Entsprechende Kooperationen werden zunehmend auch im 6. und 7. Rahmenprogramm der EU-Forschungsförderung finanziert. Immer mehr Unternehmen dieser jungen Branche kommen daher neu in die Region, suchen die Nähe zu den Forschern, Forscherinnen und ihren Laboren, deren Vielfalt und Ausstattung nun weltweit mit an der Spitze stehen. Unterstützt von großen Forschungsinstituten, insbesondere dem Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut in Charlottenburg und dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik in Adlershof, entstand damit in und um die TU Berlin ein dynamischer Wachstumskern, der Zukunftsmärkte erschließt und neue Arbeitsplätze schafft.

Der Autor ist Direktor des Instituts für Festkörperphysik und des Nanophotonikzentrums der TU Berlin, Vorsitzender des nationalen Kompetenzzentrums für Nanooptoelektronik und der Arbeitsgemeinschaft der Nanotechnologie Kompetenzzentren Deutschlands "AGeNT" des Bundesforschungsministeriums. Für die Technologieplattform Photonics 21 der EU ist er der Koordinator für die Formulierung neuer Forschungsprogramme für optoelektronische Bauelemente für 2009 und 2010. Er ist Mitglied der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina.

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