Geschichten aus der Fertigung#09
Innovation durch das Potenzial von Licht
Laserdiodenentwicklung
Das ‚Auge des Lichts‘, das die Welt einfängt
Unsichtbares Licht verändert unseren Alltag
Ob in Restaurants oder Logistikzentren – Roboter navigieren selbstständig durch Räume, weichen Hindernissen aus und transportieren Waren. In Büros und Fahrzeuginnenräumen sorgen Luftreiniger und Sensoren für die Messung von Pollen und Feinstaub (PM2.5) für bessere Luftqualität.
Auch die Gesichtserkennung in Smartphones nutzt unsichtbares Licht: Dabei werden zehntausende Infrarotpunkte auf das Gesicht projiziert, um dessen 3D-Struktur zu erfassen – eine besonders sichere und gleichzeitig benutzerfreundliche Form der Authentifizierung.
All diese Technologien basieren auf kompakten Lasermodulen mit Laserdioden.
Dank ihrer geringen Größe, Energieeffizienz und hohen Geschwindigkeit kommen sie in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz – von mobilen Geräten über medizinische und industrielle Systeme bis hin zur Fahrzeugtechnik. Die Einsatzmöglichkeiten wachsen stetig, und mit ihnen der Markt.
„Präzises Vermessen von Räumen und Objekten mit unsichtbarem Licht“
Die Entwicklung von Sensortechnologie – von der ersten Idee über die Marktreife bis hin zur Integration in den Alltag – wurde maßgeblich durch über 40 Jahre kontinuierlichen Fortschritt in der Laserdiodentechnologie vorangetrieben.
Der Durchbruch der Laserdioden
Chief Engineer
Product Development Section PMEG
Photonics Business Dept.
Module Business Div.
Seit seinem Einstieg ins Unternehmen wirkt er fortlaufend an der Planung und Entwicklung von Produkten im Bereich Laserdioden und LEDs mit.
Er strahlt die Ausstrahlung eines Menschen aus, der einen unvorhersehbaren Markt mit Geschick und Ausdauer gemeistert hat.
Damals gehörte ROHM zu den ersten Unternehmen der Branche, die sich auf MBE (Molecular Beam Epitaxy) konzentrierten – eine Kristallwachstumstechnik an der Spitze der Halbleitertechnologie. Etwa zur gleichen Zeit nahm das Unternehmen seinen heutigen Namen an. Nach der Bewertung mehrerer Zukunftstechnologien, darunter Dünnschicht-Elektrolumineszenz und Flüssigkristallanzeigen, fiel die Wahl schließlich auf die Laserdiodenentwicklung.
Fasziniert von der MBE-Technologie, die in wissenschaftlichen Fachzeitschriften stark präsent war, überzeugte er den Unternehmenspräsidenten, nach Paris zu reisen und die Anlage persönlich zu erwerben. Bis dahin verlief alles reibungslos.
Was er damals jedoch nicht ahnen konnte: Wie lang und herausfordernd der Weg noch werden würde.
Yoshida:
„Wir starteten völlig ohne Produktions- oder Messequipment.
MBE – also Molecular Beam Epitaxy – ist eine Technologie, mit der sich Kristalldicke und -zusammensetzung auf atomarer Ebene steuern lassen, indem man die Temperatur in einem Ultrahochvakuum präzise regelt. In der Praxis war das System jedoch extrem instabil – es war, als würde man ein wildes Pferd zu zähmen versuchen.
Um die Kontrolle zu gewinnen, haben wir jeden einzelnen Chip sofort nach der Herstellung geprüft, die Ergebnisse noch am selben Tag in den Prozess zurückgespielt – und das Ganze immer wieder von vorn. Da es damals keine kommerziellen Messgeräte für diese Anforderungen gab, entwickelten unsere Ingenieure sämtliche Prüfgeräte selbst – von Grund auf.“
eine damals hochmoderne Technologie zur Kristallzucht unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Damit übernahm das Unternehmen eine Vorreiterrolle und etablierte noch vor anderen Herstellern, national wie international, einen Industriestandard.
Durch kontinuierliche interne Optimierungen an der MBE-Anlage gelang es ROHM schließlich, hochwertige und stabile Kristallschichten zu erzeugen – ein Durchbruch, der 1984 in der Etablierung der Serienproduktionstechnologie mündete.
Damals lag die Laserleistung bei gerade einmal 5mW. Die Herausforderung bestand darin, eine stabile Laseremission mit hoher optischer Qualität zu erreichen und gleichzeitig ein präzises Strukturdesign zu gewährleisten, das reflektiertes Licht exakt erfassen konnte. Dies erforderte umfangreiche Versuchsreihen und ständiges Feedback in den Entwicklungsprozess. Dank der intensiven Kooperation mit den Herstellern während der Produktentwicklung konnten wir bereits wenige Jahre nach Projektbeginn die Kommerzialisierung erfolgreich realisieren. Diese kontinuierlichen Anstrengungen förderten den Fortschritt in der Elektronikbranche, trugen zur gesellschaftlichen Entwicklung bei und inspirierten nach und nach weitere Hersteller, wodurch neue Maßstäbe in der gesamten Industrie gesetzt wurden.
Im Takt mit dem Wachstum der Elektronikbranche
Die Nachfrage nach optischen Datenträgern stieg weltweit rasant an und veränderte das Marktumfeld grundlegend. Innerhalb eines Jahrzehnts entwickelte sich die Technologie von CD-ROMs über beschreibbare CD-Rs bis hin zu DVDs – jede Entwicklungsstufe erforderte kontinuierliche Verbesserungen in der Leistung von Laserdioden.
Yoshida:
„Mit der Einführung von CD-Rs begann ein Wettlauf um höhere Schreibgeschwindigkeiten. Hersteller strebten 12x und später sogar 48x Geschwindigkeit an – was höhere Drehzahlen und damit stärkere Laserleistung erforderte. Gleichzeitig musste der Laser stabil bleiben und eine hohe optische Qualität liefern. Diese Phase war geprägt von intensiver Entwicklungsarbeit, in der sich die Leistung von Laserdioden rasant weiterentwickelte.“
Diese technologischen Innovationen beschränkten sich nicht länger auf optische Datenträger – sie kamen zunehmend in der sich rasant entwickelnden digitalen Gesellschaft und der gesamten Elektronikindustrie zum Einsatz.
Yoshida:
„Wenn uns etwas besonders gut gelingt, finde ich es wichtig, genau zu analysieren, warum es funktioniert hat. Und wenn etwas nicht wie geplant läuft, sollten wir das nicht als Misserfolg sehen, sondern als Chance, neue Erkenntnisse zu gewinnen, die uns den nächsten Schritt erleichtern. Diese Denkweise ist für mich ein echtes Zeichen ingenieurtechnischer Kompetenz – vielleicht sogar eine Form von Talent.“
Für Yoshida ist nichts umsonst. Es ist gerade diese stetige Sammlung von Erfahrungen durch Versuch und Irrtum, die ROHMs tief verwurzeltes Verständnis von Präzision und Qualität widerspiegelt – und die Grundlage für den Innovationsgeist seiner Ingenieurinnen und Ingenieure bildet.
Im Laufe der Zeit haben die dabei gewonnenen Technologien und das Know-how den Weg für völlig neue Einsatzbereiche geebnet und die Möglichkeiten von Laserdioden deutlich erweitert.
Neue Anforderungen steigern die Leistung
Zu Beginn der 2010er-Jahre nahm die Produktentwicklung für neue Anwendungen wie Drucker und Projektoren deutlich Fahrt auf. Das Potenzial von Laserdioden war längst erkannt, und eine der konstantesten Anforderungen am Markt war die Fähigkeit, Laserstrahlen über größere Distanzen zu projizieren. Entsprechend stieg die Nachfrage nach höherer Ausgangsleistung Jahr für Jahr spürbar an.
In dieser Zeit gewannen auch Saugroboter stark an Beliebtheit – und damit das Interesse an Laserdioden für Sensoranwendungen. 2019 begann schließlich die Serienproduktion von Bauteilen mit deutlich gesteigerter Leistung: Statt der bisherigen wenigen hundert Milliwatt erreichte man nun die 25-Watt-Klasse. Damit trat die Markterwartung in eine neue Phase ein.
General Manager
Photonics Business Dept.
Module Business Div.
Innerhalb von ROHM, einem umfassenden Halbleiterhersteller, widmet sich die Photonic Device Division der Weiterentwicklung optischer Technologien. Geleitet wird diese hochspezialisierte Abteilung von Tadashi Yamamoto, General Manager der Photonics Business Unit, der ein Team von 65 Ingenieurinnen und Ingenieuren verantwortet.
Yamamoto:
„Unser Ziel ist es, Fahrzeuge auf Autobahnen in die Lage zu versetzen, Hindernisse in 500 Metern Entfernung zuverlässig zu erkennen.“
In den letzten Jahren hat sich LiDAR (Light Detection and Ranging) als Schlüsseltechnologie für autonomes Fahren etabliert. Besonders in Europa, wo die Entwicklung internationaler Standards für Fahrerassistenzsysteme vorangetrieben wird, steigen die Anforderungen der Automobilhersteller stetig.
Yamamoto:
„Auf der Autobahn, wo lange gerade Strecken üblich sind, fahren Fahrzeuge oft mit über 150 km/h. Selbst auf Einbahnstraßen ist bei diesen Geschwindigkeiten ein Erkennungsbereich von 500 Metern absolut sinnvoll – allein schon wegen der nötigen Bremswege. Entscheidend dafür ist eine Technologie, die den Laserstrahl präzise und über große Distanzen projizieren kann.
Von der mW- zur kW-Klasse
Der effektivste Weg, um bei LiDAR-Systemen eine hohe Reichweite zu erzielen, ist die Erhöhung der Ausgangsleistung der Laserdiode selbst.
Die RLD90QZWx-Serie von ROHM erfüllt diese Anforderung mit einer maximalen Impulsleistung von 145 W, die durch eine Multi-Stack-Struktur, bei der die Laserelemente vertikal geschichtet sind, und eine Multikanal-Konfiguration, bei der mehrere Elemente horizontal angeordnet sind, ermöglicht wird.
Die hohe Leistung wird durch die von ROHM entwickelte Technologie erreicht, die eine Multi-Stack-Struktur mit einer Mehrkanal-Konfiguration kombiniert
Yamamoto:
„Kurz vor Beginn der 2020er Jahre gelang uns ein bedeutender Leistungssprung – von einigen hundert Milliwatt in die Watt-Klasse. Und jetzt, nur fünf Jahre später, arbeiten wir bereits an der Entwicklung in Richtung Kilowattklasse. Doch lässt sich die Reichweite von LiDAR allein durch eine Erhöhung der Laserleistung steigern? Die Antwort lautet eindeutig: nein.“
Herr Yamamoto verfolgt seine Arbeit stets mit einem ausgeprägten Zielbewusstsein. Dabei legt er den Fokus konsequent auf das zentrale Konzept der Lichtqualität.
Lichtqualität als Schlüssel zur höheren Auflösung
Ein wesentliches Merkmal der ROHM-Laserdioden ist ihre außergewöhnliche Auflösung, die ein hochpräzises 3D-Scannen ermöglicht. Durch die Erhöhung der Lichtdichte in einer schmalen Emissionsbreite und die Gewährleistung einer gleichmäßigen Emission von Rand zu Rand kann das System hochauflösende Bilder erzeugen.
Diese Fähigkeit, entfernte Personen und Objekte in hoher Detailschärfe darzustellen, erhöht die Erkennungsgenauigkeit erheblich.
Im Vergleich zu Scannerbildern von herkömmlichen Laserdioden sind die Grenzen von erkannten Objekten deutlich schärfer und klarer definiert.
Tanaka:
"In den frühen Phasen der Entwicklung lag der Schwerpunkt bei LiDAR hauptsächlich auf der Lichtquantität bzw. der Frage, wie man eine höhere Leistung erreichen kann, und weniger auf der Qualität des Lichts, um größere Entfernungen zu messen. Als wir jedoch ein tieferes Verständnis von LiDAR-Systemen erlangten, wurde immer deutlicher, dass die präzise und saubere Projektion von Licht auf ein Zielgebiet entscheidend ist, um die vom Markt erwartete Auflösung zu erreichen.
Diese Erkenntnisse stammen von Herrn Tanaka, der während seiner gesamten beruflichen Laufbahn - von seiner Zeit in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bis zu seiner jetzigen Funktion - intensiv an der Entwicklung von Laserdioden beteiligt war.
Chief Engineer
Production Development Section PMEG
Photonics Business Dept.
Module Business Div.
Während des Entwicklungsprozesses stimmen die Ergebnisse manchmal mit den Erwartungen überein, aber genauso oft auch nicht. In solchen Momenten betont er, wie wichtig es ist, zu den grundlegenden Prinzipien zurückzukehren.
Tanaka:
"Nachdem wir das Feedback zahlreicher Kunden eingeholt hatten, war eine gemeinsame Beobachtung, dass die Unterschiede in der Laserintensität zwischen der Mitte und den Rändern des Strahls, wenn er auf ein Ziel projiziert wird, die Erkennungsgenauigkeit negativ beeinflussten. Daraufhin begannen wir mit der Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Emission und konzentrierten uns darauf, sowohl den Stromfluss innerhalb der Laserdiode als auch die Form des emittierten Lichts zu steuern."
Er weist darauf hin, dass die Notwendigkeit eines umfassenden Fachwissens im Bereich des optischen Designs zusätzlich zu den elektrischen Eigenschaften einer der Hauptunterschiede zur herkömmlichen Halbleiterherstellung ist.
Tanaka:
"Deshalb ist das Strukturdesign - insbesondere das Layout - bei der Produktentwicklung absolut entscheidend. Es ist ein mühsamer Prozess, bei dem selbst geringfügige Änderungen in der Positionierung oder Verdrahtung erhebliche Auswirkungen auf die Leistung haben können.
Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass die Simulationstechnologie in diesem Bereich - anders als beim IC-Design - noch unterentwickelt ist. Insbesondere für Hochleistungslaserdioden, die in LiDAR verwendet werden, gibt es keine standardisierten Bewertungssysteme, weshalb ich schon immer ein starkes Bedürfnis hatte, eigene Testumgebungen aufzubauen."
Um aus Dutzenden von Designparametern die optimale, kompromissfreie Kombination zu finden, gibt es keine Abkürzung, sondern nur geduldige, konsequente Arbeit. Man muss zwischen dem Layoutentwurf auf dem Bildschirm und einer Vielzahl von Validierungsexperimenten hin und her wechseln. Diese stetige Anhäufung von Arbeit ist der einzige sichere Weg, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Der Entwicklungsprozess ist oft durch ständiges Ausprobieren gekennzeichnet. Dabei erweist sich die Kombination aus praktischer Validierung und gesammelter Erfahrung als der kritischste Faktor für den Erfolg.
Lichtqualität und Temperatur: Einfluss auf die Wellenlängenstabilität
Ein weiterer bedeutender Fortschritt ist unsere Fähigkeit, die temperaturabhängige Veränderung der Wellenlänge deutlich zu reduzieren.
Todo:
„Automotive-LiDAR-Systeme sind für den Außeneinsatz konzipiert und insbesondere beim Fahren am Tag stark anfällig für Störungen durch Sonnenlicht. Sonnenlicht besitzt ein sehr breites Wellenlängenspektrum, das sich mit dem Arbeitsbereich von LiDAR überschneidet. Dadurch kann Sonnenlicht leicht als Störsignal auf dem Photodetektor erscheinen. Um dem entgegenzuwirken, werden optische Filter eingesetzt, die nur bestimmte Wellenlängen durchlassen.
Dennoch können diese Filter die Sonnenlichtinterferenzen nicht vollständig eliminieren, was zu einer geringeren Erkennungsgenauigkeit führen kann.
Ein weiteres zentrales Problem ist die temperaturbedingte Verschiebung der Laserwellenlänge. Laser-Dioden neigen dazu, bei steigender Temperatur in Richtung längerer Wellenlängen zu verschieben („Redshift“). Das bedeutet, dass Temperaturschwankungen sowohl die Wellenlänge als auch die Ausgangsleistung beeinflussen können – was wiederum zu Messfehlern führt."
Engineer
Production Development Section 1G
Photonics Business Dept.
Module Business Div.
Herr Todo betonte außerdem, dass eine der zentralen Aufgaben eines Entwicklers darin besteht, praktische Nutzbarkeit zu gewährleisten – eine Qualität, die sich nicht allein durch Produktbewertungsdaten vollständig erfassen lässt.
Der RLD90QZW8 von ROHM adressiert zwei zentrale Herausforderungen gleichzeitig.
Durch den Einsatz einer unternehmenseigenen Technologie zur Geräteentwicklung, kombiniert mit einem strukturellen Design und einem Gehäuse, das auf effiziente Wärmeableitung ausgelegt ist, konnte die Temperaturabhängigkeit der Laserwellenlänge im Vergleich zu Standardlösungen um 66 % reduziert werden.
Diese verbesserte thermische Stabilität erlaubt den Einsatz schmalbandiger Filter zur effektiveren Unterdrückung von Sonnenlicht und Minimierung von Sonnenrauschen. Dadurch lässt sich die Reichweite von LiDAR-Systemen erhöhen, die Erfassungsgenauigkeit verbessern und gleichzeitig die Systemgröße reduzieren.
Selbst bei schmalbandigeren Sonnenlicht-Filtern bleibt die Wellenlänge stabil, was die Effizienz der Lichtdetektion und die Genauigkeit der Distanzmessung verbessert.
Die Front-End-Fertigungseinrichtungen von ROHM basieren auf langjähriger Erfahrung in der Serienproduktion und wurden speziell für die Anforderungen von Laserdioden entwickelt.
In der Realität verfügen nur wenige Hersteller über die technischen Möglichkeiten zur Massenproduktion von Laserdioden.
Ein wesentliches Hindernis für den Markteintritt ist der hohe Grad an Spezialisierung und die langjährige Erfahrung, die in jeder Phase erforderlich ist, vom Strukturdesign und der Kristallzüchtung bis zur Feinbearbeitung und Montage.
Wie bereits erwähnt, hat ROHM im Laufe von mehr als 40 Jahren eine solide Grundlage an Fachwissen aufgebaut, die den gesamten Prozess von der Front-End-Fertigung bis zur Endverpackung abdeckt. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass Durchbrüche in hochsensiblen und komplexen Fragen, wie z. B. die Unterdrückung der Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge, nur durch die langfristige, methodische Ansammlung von Wissen möglich waren.
Zukunft im Blick – Innovationen und Anwendungen
Die Laserdiodentechnologie von ROHM tritt in eine neue Phase ein, die über die traditionellen Anwendungen der Entfernungsmessung und Sensorik hinausgeht
Ein Highlight, das in diesem Video nicht vollständig behandelt wird, ist die Einführung einer völlig neuen Infrarot-Lichtquelle, VCSELED™ (sprich: vixel-led), im Jahr 2024. Diese Einführung markiert den 40. Jahrestag des Einstiegs von ROHM in das Laserdiodengeschäft.
VCSELED™, entwickelt mit ROHMs firmeneigener Technologie, vereint die Vorteile von VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) und LEDs. Das Ergebnis ist ein Bauelement mit einem außergewöhnlich schmalen Wellenlängenspektrum, das die Emission von kaum sichtbarem, „unsichtbarem Rotlicht“ ermöglicht.
Yamamoto:
„VCSELED™ ist ein wegweisendes Produkt, das das Verständnis von Licht neu definiert – es bringt etwas völlig Neues hervor, das es so bisher nicht gab. Ursprünglich war geplant, im Oktober 2024 mit der Bemusterung für den Consumer-Bereich zu beginnen, gefolgt von Automotive-Anwendungen im Jahr 2025. Aufgrund der äußerst positiven Resonanz nach der Ankündigung beschleunigen wir nun jedoch unseren Entwicklungszeitplan.“
Die überraschend starke Marktreaktion spiegelt sich deutlich in Yamamotos zuversichtlichem Ton wider.
Yamamoto:
„Gerade im Automotive-Bereich sehen wir großes Interesse an VCSELED als Lichtquelle für Fahrerüberwachungssysteme (Driver Monitoring Systems, DMS). Herkömmliche LED-Lichtquellen besitzen ein breites Emissionsspektrum, wodurch häufig sichtbares rotes Licht auf den Fahrer projiziert wird – ein Effekt, der als ‚Red Visibility‘ bekannt ist.
Die VCSEL-Technologie löst dieses Problem grundlegend durch ein deutlich schmaleres Spektrum bei halber Spitzenintensität. Darüber hinaus ist das Bauelement mit einer Bauhöhe von nur 0,55 mm nicht nur ideal für den Einsatz im Fahrzeugbereich, sondern auch für mobile Geräte und medizinische Anwendungen geeignet."
Yamamoto hält an seiner langfristigen Vision fest, die über den erwarteten Anstieg der LiDAR-Nachfrage im Automobilbereich hinausgeht. Ein besonderer Fokus liegt auf der Förderung von Forschung und Entwicklung im Bereich optischer Datenübertragungstechnologien – etwa für Rechenzentren und weitere neue Anwendungsfelder.
Die Entwicklung und Serienproduktion nehmen bereits Fahrt auf, und ein breiter Einsatz in Automobilanwendungen wird für das Jahr 2025 erwartet. In der dynamischen Welt der Elektronik eröffnen sich zunehmend neue Möglichkeiten für den Einsatz von Licht. Hinter dieser technologischen Herausforderung steht ein „unsichtbares, aber charakteristisches Licht“, das sich unauffällig in unseren Alltag integriert.
Mit einer Vision, die auf die kommenden 40 Jahre ausgerichtet ist, beginnt nun ein neues Kapitel in der Geschichte von ROHM.
Yoshida:
„ROHM begann 1984 mit der Serienproduktion von Laserdioden. Da dies nun rund 40 Jahre zurückliegt, stammen meine Informationen größtenteils von Kolleginnen und Kollegen, die damals direkt beteiligt waren (lacht). Im Fokus stand zunächst die Entwicklung von optischen Abtastsystemen für Audiogeräte, insbesondere CD-Player. Diese Technologie nutzte einen Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 780 nm, um die Disc zu beleuchten und die Intensität des reflektierten Lichts auszuwerten – so wurde das digitale Signal gelesen. In einer Zeit, in der Schallplatten und Kassetten das Maß der Dinge waren, war das berührungslose Auslesen von Daten ein echter Meilenstein.“