Schulterschluss zwischen Fraunhofer-Institut und Start-up im Rahmen des FMD-Space-Programms

Entwicklung eines neuartigen Membran-Lasermoduls für spektrale Messverfahren

Pressemitteilung / 12. August 2020

Mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat das Stuttgarter Start-up »Twenty-One Semiconductors« (21s) einen starken Partner gefunden, um ihr einzigartiges Laserkonzept zu realisieren. Zu Beginn des Jahres ist 21s Mitglied des High-Tech-Inkubators »FMD-Space« geworden – initiiert von der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) – und hat Zugang zum größten Maschinenpark Europas im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik erhalten. Teil der FMD ist das Fraunhofer IAF, das dem jungen Unternehmen mit seiner Expertise im Bereich der Halbleiterlaser zur Seite steht. Gemeinsam entwickeln sie ein neuartiges, effizientes und kompaktes Membran-Lasermodul.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt gemeinsam mit dem Start-up »Twenty-One Semiconductors GmbH« (21s) ein Lasermodul, das in der Durchflusszytometrie zum Einsatz kommen soll. Bei diesem spektralen Messverfahren, das unter anderem schon lange als Routineverfahren in der Medizin genutzt wird, werden Zellsuspensionen mit Laserlicht bestrahlt. Das dabei entstehende Streulicht ist bei jedem Zelltyp unterschiedlich und ermöglicht es, die Zellen zu bestimmen und zu zählen. Dafür werden Lasermodule mit Zentralwellenlängen im sichtbaren Spektralbereich benötigt. Die Nachfrage für solche Module wächst und sie finden breite Anwendung in der Spektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie.

Ein neuartiges Laserkonzept für einen »membrane external-cavity surface-emitting laser«, kurz MECSEL, soll nun die gewünschten Frequenzen im ultravioletten Bereich effizienter und kompakter erreichen als etablierte Lasermodule. Die Idee für das innovative Laserkonzept stammt von den Gründern von 21s, die mit dem Fraunhofer IAF einen erfahrenen Partner im Bereich der Halbleiterlastertechnologie gefunden haben, um das laborerprobte Konzept ihres MECSEL für die Industrie zu realisieren. Ziel ist es, gemeinsam ein marktreifes Lasermodul zu entwickeln, das in der Durchflusszytometrie zum Einsatz kommen soll. Das einjährige FMD-Space Projekt ist Anfang des Jahres gestartet und wird von der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) unterstützt und vom Bundesministerium für Forschung und Bildung gefördert (BMBF).

Schematische Darstellung des MECSEL, der mit nur einem Intracavity-Frequenzverdoppler rotes Licht in Ultraviolettstrahlung konvertiert.
© Twenty-One Semiconductors
Schematische Darstellung des MECSEL, der mit nur einem Intracavity-Frequenzverdoppler rotes Licht in Ultraviolettstrahlung konvertiert.
Laboraufbau eines Membran-Lasers
© Ana Ćutuk
Das Fraunhofer IAF und das Start-up 21s entwickeln aus dem Laboraufbau des Membran-Lasers ein kompaktes Modul für die Industrie.

Besseres Wärmemanagement und Ausgangsleistung durch Membran-Laser

Das Herzstück des MECSEL bildet eine hauchdünne Halbleiter-Membran, die 40-mal dünner ist als ein menschliches Haar und zwischen zwei Wärmespreizern aus transparenten Siliziumcarbid-Schichten eingebettet ist. Durch die effiziente Wärmeabfuhr kann der Membran-Laser rotes Licht mit hoher Ausgangsleistung erzeugen, das wiederum mit nur einem Intracavity-Frequenzverdoppler in Ultraviolettstrahlung konvertiert werden kann. Dadurch bietet das Konzept des MECSEL entscheidende Vorteile und ermöglicht kompaktere und effizientere Laserbauteile als etablierte Lasermodule, die auf zwei Konversionsstufen angewiesen sind, um die gewünschte Wellenlänge zu erreichen.

Die Funktionalität des MECSEL konnte in Laboraufbauten schon bewiesen werden und auch die Hürde, den komplexen Herstellungsprozess des Halbleiterchips auf ein industrietaugliches Waferlevel zu skalieren, konnte 21s erfolgreich bewältigen. »Der nächste Schritt ist die Optimierung der Aufbautechnik und der Laserkavität sowie die Entwicklung eines kompakten und stabilen Lasermoduls. Hier setzen wir auf die Zusammenarbeit mit den Experten am Fraunhofer IAF«, erklärt Norbert Witz, CEO von 21s.

Lasertechnologie-Know-how am Fraunhofer IAF

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IAF besitzen langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Halbleiterlasermodulen, darunter auch im Bereich der »vertical external-cavity surface-emitting laser« (VECSEL), eine dem MECSEL sehr ähnliche Lasertechnologie. In der Vergangenheit ist es den Freiburger gelungen, effiziente und kompakte VECSEL-Module mit extrem schmaler Linienbreite von wenigen Kilohertz bei über 1 Watt Leistung zu realisieren. »Dieses Wissen, welches wir im Bereich der VECSEL-Technologie erworben haben, gilt es nun auf die innovative Halbleiter-Membran von 21s anzuwenden, um gemeinsam den Membran-Laser aus der Uni-Forschung auf den Lasermarkt zu bringen«, erläutert Dr. Marcel Rattunde, Projektleiter seitens des Fraunhofer IAF.

Im Rahmen des FMD-Space Projekts wird am Fraunhofer IAF die Aufbautechnik des MECSEL-Chips optimiert sowie eine angepasste Pumpoptik und Laserkavität designt. Anschließend wird die Technologie in einem stabilen Modul zusammengeführt. In enger Zusammenarbeit mit 21s entsteht so aus dem Laboraufbau des MECSEL ein kompakter und effizienter Prototyp für die Industrie, der sich für die medizinische Anwendung der Durchflusszytometrie eignet.