Die Anwendungsbereiche von InP teilen sich in drei Hauptbereiche auf. Es wird als Basis

– für optoelektronische Bauelemente

– für Hochgeschwindigkeitselektronik verwendet.

– für die Photovoltaik

Es gibt einen noch viel zu wenig genutzten, aber technisch spannenden Bereich im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarot, der oft als „Terahertz“ bezeichnet wird. Elektromagnetische Wellen in diesem Bereich besitzen hybride Eigenschaften, sie zeigen gleichzeitig hochfrequente und optische Eigenschaften. InP-basierte Komponenten erschließen diesen Spektralbereich für wichtige neue Anwendungen.

Optoelektronische AnwendungenEdit

InP-basierte Laser und LEDs können Licht in einem sehr breiten Bereich von 1200 nm bis 12 µm emittieren. Dieses Licht wird für glasfaserbasierte Telekommunikations- und Datenübertragungsanwendungen in allen Bereichen der digitalisierten Welt verwendet. Licht wird auch für sensorische Anwendungen genutzt. Einerseits gibt es spektroskopische Anwendungen, bei denen eine bestimmte Wellenlänge benötigt wird, um mit Materie in Wechselwirkung zu treten und beispielsweise stark verdünnte Gase zu erkennen. Optoelektronisches Terahertz wird in ultraempfindlichen spektroskopischen Analysatoren, bei der Dickenmessung von Polymeren und bei der Erkennung von Mehrschichtlacken in der Automobilindustrie eingesetzt. Andererseits haben spezifische InP-Laser den großen Vorteil, dass sie augensicher sind. Die Strahlung wird im Glaskörper des menschlichen Auges absorbiert und kann die Netzhaut nicht schädigen.

Telecom/DatacomEdit

Indiumphosphid (InP) wird zur Herstellung effizienter Laser, empfindlicher Photodetektoren und Modulatoren in dem für die Telekommunikation typischen Wellenlängenfenster, d.h. bei 1550 nm, verwendet, da es ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial mit direkter Bandlücke ist. Der Wellenlängenbereich zwischen etwa 1510 nm und 1600 nm weist die geringste Dämpfung auf, die für Glasfasern verfügbar ist (etwa 0,26 dB/km). InP ist ein häufig verwendetes Material für die Erzeugung von Lasersignalen und die Erkennung und Umwandlung dieser Signale zurück in elektronische Form. Die Wafer-Durchmesser liegen zwischen 2 und 4 Zoll.

Anwendungen sind:

– Langstrecken-Glasfaserverbindungen über große Entfernungen bis zu 5000 km typischerweise >10 Tbit/s

– Metro-Ring-Zugangsnetze

– Unternehmensnetze und Rechenzentren

– Fibre to the home

– Verbindungen zu drahtlosen 3G, LTE- und 5G-Basisstationen

– Satellitenkommunikation im freien Weltraum

Optische SensorikEdit

Spektroskopische Sensorik mit dem Ziel des Umweltschutzes und der Identifizierung gefährlicher Substanzen

– Ein wachsender Bereich ist die Sensorik, die auf dem Wellenlängenbereich von InP basiert. Ein Beispiel für die Gasspektroskopie sind Antriebstestgeräte mit Echtzeitmessung von (CO, CO2, NOX ).

– Ein weiteres Beispiel ist das FT-IR-Spektrometer VERTEX mit einer Terahertz-Quelle. Die Terahertzstrahlung wird aus dem Schwebungssignal von 2 InP-Lasern und einer InP-Antenne erzeugt, die das optische Signal in den Terahertzbereich transformiert.

– Stand-Off-Detektion von Spuren explosiver Substanzen auf Oberflächen, z.B. für Sicherheitsanwendungen auf Flughäfen oder Tatortuntersuchungen nach Attentaten.

– Schneller Nachweis von Spuren toxischer Substanzen in Gasen und Flüssigkeiten (einschließlich Leitungswasser) oder Oberflächenkontaminationen bis in den ppb-Bereich.

– Spektroskopie zur zerstörungsfreien Produktkontrolle von z.B. Lebensmitteln (frühzeitige Erkennung von verdorbenen Lebensmitteln)

– Spektroskopie für viele neuartige Anwendungen, insbesondere in der Luftreinhaltung, werden heute diskutiert und die Umsetzung ist in Vorbereitung.

LiDAR-Systeme für den Automobilsektor und die Industrie 4.0Bearbeiten

Die Wellenlänge des Signals ist ein viel diskutiertes Thema im LiDAR-Bereich. Während sich einige Akteure für Wellenlängen von 830 bis 940 nm entschieden haben, um die Vorteile verfügbarer optischer Komponenten zu nutzen, wenden sich Unternehmen (darunter Blackmore, Neptec, Aeye und Luminar) zunehmend längeren Wellenlängen im ebenfalls gut versorgten 1550-nm-Wellenlängenband zu, da diese Wellenlängen den Einsatz von etwa 100-mal höheren Laserleistungen ermöglichen, ohne die öffentliche Sicherheit zu beeinträchtigen. Laser mit Emissionswellenlängen von mehr als ≈ 1,4 μm werden oft als „augensicher“ bezeichnet, da Licht in diesem Wellenlängenbereich von der Hornhaut, der Linse und dem Glaskörper des Auges stark absorbiert wird und daher die empfindliche Netzhaut nicht schädigen kann.

– LiDAR-basierte Sensortechnologie kann ein hohes Maß an Objektidentifizierung und -klassifizierung mit dreidimensionalen (3D) Bildgebungsverfahren bieten.

– Die Automobilindustrie wird in Zukunft eine chipbasierte, kostengünstige Solid-State-LiDAR-Sensortechnologie anstelle von großen, teuren, mechanischen LiDAR-Systemen einsetzen.

– Bei den fortschrittlichsten chipbasierten LiDAR-Systemen wird InP eine wichtige Rolle spielen und autonomes Fahren ermöglichen. (Bericht: Blistering Growth for Automotive Lidar, Stewart Wills). Die längere augensichere Wellenlänge ist auch für den Umgang mit realen Bedingungen wie Staub, Nebel und Regen besser geeignet.

HochgeschwindigkeitselektronikEdit

Die heutige Halbleitertechnologie ermöglicht die Erzeugung und Erfassung sehr hoher Frequenzen von 100 GHz und mehr. Solche Bauelemente finden ihre Anwendung in der drahtlosen Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation (Richtfunk), in Radargeräten (kompakt, energieeffizient und hochauflösend) und in der radiometrischen Sensorik, z. B. für Wetter- oder Atmosphärenbeobachtungen.

InP wird auch zur Realisierung von Hochgeschwindigkeits-Mikroelektronik verwendet, und solche Halbleiterbauelemente sind die schnellsten heute verfügbaren Bauelemente. Typischerweise basiert die Mikroelektronik auf InP auf Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) oder auf Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBT). Die Größen und Volumina beider Transistoren auf InP-Basis sind sehr klein: 0,1 µm x 10 µm x 1µm. Die typische Substratdicke beträgt < 100 µm. Diese Transistoren werden zu Schaltungen und Modulen für die folgenden Anwendungen zusammengesetzt:

– Sicherheits-Scansysteme: Bildgebende Systeme für die Flughafensicherheit und Scanner für zivile Sicherheitsanwendungen

– Drahtlose Kommunikation: Die drahtlose 5G-Hochgeschwindigkeitskommunikation wird die InP-Technologie aufgrund ihrer überlegenen Leistung nutzen. Solche Systeme arbeiten mit Frequenzen über 100 GHz, um hohe Datenraten zu unterstützen

– Biomedizinische Anwendungen: Millimeterwellen- und THz-Spektrometer werden für nicht-invasive Diagnostik in medizinischen Anwendungen eingesetzt, von der Identifizierung von Krebsgewebe über die Erkennung von Diabetes bis hin zur medizinischen Diagnostik anhand der menschlichen Ausatemluft.

– Zerstörungsfreie Prüfung: In der Industrie werden Scansysteme zur Qualitätskontrolle eingesetzt, z. B. bei der Prüfung der Lackschichtdicke in der Automobilindustrie und bei Defekten in Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt

– Robotik: Robotisches Sehen basiert im Wesentlichen auf hochauflösenden bildgebenden Radarsystemen im Millimeterwellenbereich

– Radiometrische Abtastung: Fast alle Komponenten und Verunreinigungen in der Atmosphäre zeigen charakteristische Absorptionen/Emissionen (Fingerabdrücke) im Mikrowellenbereich. InP ermöglicht die Herstellung kleiner, leichter und mobiler Systeme zur Identifizierung solcher Stoffe.

Photovoltaische AnwendungenEdit

Photovoltaikzellen mit höchsten Wirkungsgraden von bis zu 46% (Pressemitteilung, Fraunhofer ISE, 1. Dezember 2014) nutzen InP-Substrate, um eine optimale Bandlückenkombination zu erreichen, die Sonnenstrahlung effizient in elektrische Energie umwandelt. Heute erreichen nur InP-Substrate die Gitterkonstante, um die erforderlichen Materialien mit niedriger Bandlücke und hoher kristalliner Qualität zu züchten. Aufgrund der hohen Kosten dieser Materialien suchen Forschungsgruppen auf der ganzen Welt nach Ersatzstoffen. Bislang führen jedoch alle anderen Optionen zu geringeren Materialqualitäten und damit zu niedrigeren Umwandlungswirkungsgraden. Die weitere Forschung konzentriert sich auf die Wiederverwendung des InP-Substrats als Vorlage für die Herstellung weiterer Solarzellen.

Auch die heutigen hocheffizienten Solarzellen für die Konzentrator-Photovoltaik (CPV) und für Weltraumanwendungen verwenden (Ga)InP und andere III-V-Verbindungen, um die erforderlichen Bandlückenkombinationen zu erreichen. Andere Technologien, wie z. B. Si-Zellen, liefern nur die Hälfte der Leistung von III-V-Zellen und weisen darüber hinaus in der rauen Weltraumumgebung eine wesentlich stärkere Degradation auf. Schließlich sind Solarzellen auf Si-Basis auch viel schwerer als III-V-Solarzellen und unterliegen einer größeren Menge an Weltraummüll. Eine Möglichkeit, den Umwandlungswirkungsgrad auch in terrestrischen PV-Systemen deutlich zu erhöhen, ist die Verwendung ähnlicher III-V-Solarzellen in CPV-Systemen, bei denen nur etwa ein Zehntel der Fläche mit hocheffizienten III-V-Solarzellen bedeckt ist.