24.04.2017 | Magazin:

Microchips replacing microscopes: How Superlight Photonics plans to make it big with tiny LEDs Focus on research: "QuantumFrontiers"

(See german Version below)
In terms of location, the start-up project Superlight Photonics is already at the top: its office is on the 14th (and top) floor of the TU tower block on Hans-Sommer-Straße. From here, the six researchers plan to take over the nano world, not only scientifically but also commercially speaking. “We are developing microchips that will be able to show structures at a scale of a millionth of a millimetre, and even single molecules”, says team leader Sönke Fündling. The centrepiece of their technology: nanometre-sized blue light-emitting diodes (LEDs) made of gallium nitride.

Fitted with such tiny LEDs, the Superlight chips will be able to compete with many labour-intensive and time-consuming analyses at specialised laboratories, as they offer fast and easy-to-interpret measurement results. “Among other possibilities, they can be used in the medical field: for example, for rapid blood testing or as implants to control insulin”, says Fündling. They are also suitable as detectors of air- and waterborne pollutants. The possibilities for application are manifold. “The direction our research takes will mainly depend on the type of investor that we can attract”, says the physicist.

Like a shadow image of blood cells

From left to right: Gregor Scholz, Daria Bezshlyakh, Frederik Steib, Dr.-Ing. Sönke Fündling, Juliane Breitfelder, Dr.-Ing. Hutomo S. Wasisto. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

From left to right: Gregor Scholz, Daria Bezshlyakh, Frederik Steib, Dr.-Ing. Sönke Fündling, Juliane Breitfelder, Dr.-Ing. Hutomo S. Wasisto. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

The innovative microchips‘ working principle compares to a light microscope, except that the light emerges from individually controlled nanoLEDs instead of a white light lamp. A photodetector functions as the human eye, registering where light shines through the sample, and where not. “When we record such a shadow image – for example of blood cells – from various angles, we can generate a very precise image”, Fündling explains. The smaller the nanoLEDs, the greater the resolution. The LEDs can even make individual molecules visible, if they have been marked beforehand with a fluorescent substance.

“The biggest challenge for our project is the material”, says Fündling. Gallium nitride is very hard, and difficult to process. Determining the ideal conditions for processing gallium nitride is something that researchers are currently working on a few floors below Superlight Photonics, at TU Braunschweig’s Institute of Semiconductor Technology. This institute is a sort of scientific home for Fündling and his colleagues, and its director, Professor Andreas Waag, is their start-up’s mentor.

In a tall stainless steel machine, they evaporate gallium nitride in layers onto silicon or sapphire wafers to obtain large LEDs. With the use of electrically charged particles, they scribe razor-thin rifts into the material and etch away the debris with chemicals. What is left is a kind of checkerboard pattern of tiny LEDs. The scientists then use scanning electron microscopes and other procedures to check how well these LED patterns have turned out.

Investors wanted

“We are pursuing a second processing approach, in which a larger gallium nitride LED is contacted by a nano-structured silicon microchip”, says Fündling. That chip is currently manufactured by an external partner. Another important task on which the researchers are working is the development of the control software for both microchip architectures, as well as a functional, attractive casing.

By the end of the year, the team will present a prototype to demonstrate the microchips working principle. They will then need investors to take it to the next level. “It’s quite an ambitious schedule. We won’t have any chance to get bored in the very next future for sure”, Fündling jests. However, it is a good thing there are relaxing moments too, like when the sun sets over Braunschweig – quite a treat to watch from the tower’s 14th floor.

Text: Andrea Hoferichter



Mikrochip statt Mikroskop – Wie „Superlight Photonics“ mit winzigen LEDs groß rauskommen will

Rein räumlich gesehen ist das Startup „Superlight Photonics“ schon jetzt Spitze: Es hat seinen Sitz in der vierzehnten und damit obersten Etage des TU-Hochhauses an der Hans-Sommer-Straße. Von hier aus wollen sechs Forscherinnen und Forscher die Nanowelt erobern, nicht nur wissenschaftlich, sondern auch wirtschaftlich. „Wir entwickeln Mikrochips, die Strukturen im Millionstel-Millimeter-Maßstab und sogar einzelne Moleküle sichtbar machen können“, sagt Teamleiter Sönke Fündling. Das Herzstück der Technologie: nanometerkleine, blaue Leuchtdioden (LEDs) aus Galliumnitrid.

Die Mikrochips mit den Mini-LEDs könnten in Zukunft so manche zeit- und personalaufwändige Untersuchung in Speziallaboren überflüssig machen, denn sie liefern schnelle und leicht interpretierbare Messergebnisse. „Sie könnten unter anderem im medizinischen Bereich eingesetzt werden, zum Beispiel für Blutschnelltests oder als Implantat zur Insulinkontrolle“, berichtet Fündling. Auch als Detektoren für Luft- oder Wasserschadstoffe seien sie geeignet. Es gebe viele Anwendungsmöglichkeiten. „Wohin die Reise geht, hängt vor allem davon ab, welche Investoren wir begeistern können“, so der Physiker.

Wie ein Schattenbild von Blutzellen

Die neuartigen Mikrochips funktionieren ähnlich wie ein Lichtmikroskop, nur dass statt einer Weißlichtlampe einzeln ansteuerbare Nano-LEDs leuchten und ein Fotodetektor als Auge fungiert. Dieser registriert, wo Licht durch eine Probe hindurchkommt und wo nicht. „Wenn wir so ein Schattenbild, zum Beispiel von Blutzellen, aus unterschiedlichen Richtungen aufnehmen, können wir ein sehr genaues Bild generieren“, erklärt Fündling. Dabei ist die Auflösung umso höher, je kleiner die Nano-LEDs sind. Die Leuchtdioden können sogar einzelne Moleküle sichtbar machen, wenn diese zuvor mit Fluoreszenzstoffen markiert wurden.

„Die größte Herausforderung unseres Vorhabens ist das Material“, sagt Fündling. Galliumnitrid sei sehr hart und nur schwer zu bearbeiten. Unter welchen Bedingungen das am besten gelingt, testen die Forscherinnen und Forscher zurzeit ein paar Etagen tiefer im gleichen Gebäude, am Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig. Das Institut ist so etwas wie ihre wissenschaftliche Heimat und der Institutsleiter Professor Andreas Waag der Mentor für ihr Startup.

In übermannshohen Edelstahlanlagen dampfen sie hier Galliumnitrid schichtweise auf Silizium- oder Saphirwafer, bis großflächige LEDs entstehen. Dann schießen sie mit elektrisch geladenen Teilchen schachbrettmusterartig hauchdünne Gräben ins Material und ätzen die Trümmer mit Chemikalien weg. Übrig bleiben winzige, noppenartige LEDs. Wie gut diese gelungen sind, prüfen die Wissenschaftler unter anderem im Rasterelektronenmikroskop.

Investoren gesucht

„Wir verfolgen noch eine zweite Herstellungsroute, bei der eine größere Galliumnitrid-LED durch einen nanostrukturierten Silizium-Mikrochip kontaktiert wird“, berichtet Fündling. Dieser Chip werde zurzeit bei einem externen Partner hergestellt. Zudem gelte es, für beide Mikrochiparchitekturen geeignete Software und eine funktionale, ansprechende Hülle zu entwickeln. Auch daran arbeiten die Forscher gerade.

Ende dieses Jahres wollen sie einen Demonstrator präsentieren, der zeigt, dass ihre Idee funktioniert. Dann brauchen sie Investoren, um in die nächste Phase zu gehen „Das ist schon ein strammer Zeitplan. Über Langeweile können wir uns jedenfalls nicht beklagen“, sagt Fündling. Da ist es gut, dass es ab und zu auch entspannende Momente gibt. Zum Beispiel wenn die Sonne über Braunschweig untergeht. Das ist, vom vierzehnten Stockwerk aus beobachtet, ein ganz besonderes Erlebnis.

Text: Andrea Hoferichter