Growth and characterization of dilute bismide GaAs based alloys for high efficiency infra red laser diodes

Ein Großteil der Energie in der optischen Datenübertragung geht in Form von Wärme verloren, insbesondere auf Grund von ineffizienten optischen Bauelementen im Wellenlängenbereich von 1.55 µm. Der Einsatz des neuartigen Ga(AsBi) Halbleiters könnte die Realisierung von hocheffizienten optischen Bauelementen wie Laserdioden im infraroten Bereich ermöglichen und damit zu einer deutlichen Reduzierung dieser Verluste beitragen. In dieser Arbeit wurde das Wachstum von Ga(AsBi) und Ga(NAsBi) auf GaAs Subtraten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie untersucht. Die abgeschiedenen Kristalle wurden strukturell mittels HR-XRD, AFM, SEM, (S)TEM und optisch mittels PL Spektroskopie charakterisiert. Darüber hinaus konnten die ersten auf Ga(AsBi) basierenden Laserdioden demonstriert werden. Die Oberflächen der Ga(AsBi) Proben waren zunächst von metallischen Tropfen übersät, die entweder aus Ga oder Bi bestanden oder aus einer Phasenseparation der beiden entstanden waren. Eine deutliche Reduzierung des TMBi Angebots und eine Feinjustierung des TBAs/TEGa Verhältnisses ermöglichten die Abscheidung von tropfenfreien Schichten mit messbarem Bi Gehalt. Es wurde festgestellt, dass Bi während des Wachstums an der Oberflächen segregiert und der Bi Einbau im Wesentlichen von der Oberflächenbedeckung abhängt. Ist diese zu gering, schwimmt das Bi lediglich an der Oberfläche auf und wird nicht in den Kristall eingebaut. Erst mit steigender Oberflächenbelegung kann eine lineare Abhängigkeit des Bi Gehalts zum angebotenen Bi festgestellt werden, wobei der Bi Einbau auf Grund der Metastabilität des Ga(AsBi) bei einem bestimmten Wert sättigt, was dann zur Bildung der Tropfen an der Oberfläche führt. Der maximale Bi Gehalt kann erhöht werden wenn die Temperatur reduziert wird. Bei niedrigeren Temperaturen bilden sich allerdings vermehrt Kristalldefekte und die Zerlegung der Precursoren ist geringer, sodass sich Temperaturen von 375 °C und 400 °C als am geeignetsten für das Wachstum von Ga(AsBi) herausgestellt haben. Hier wurden bisher Bi Konzentrationen von bis zu 7% bzw. 5% erreicht. Die Einbaueffizienz steigt ebenfalls mit steigender Wachstumsrate und mit sinkendem TBAs Angebot im Bereich des TBAs/TEGa Verhältnisses, in dem tropfenfreies Ga(AsBi) Wachstum möglich ist. Die Schwierigkeit bei der Optimierung und Untersuchung der Wachstumsbedingungen liegt darin, dass die zuvor genannten Parameter nicht zwingend unabhängig voneinander sind. So sinkt beispielsweise die Wachstumsrate durch die Anwesenheit von Bi oder des nicht vollkommen zerlegten TMBi an der Oberfläche, was darauf hinweist, dass entweder die Zerlegung von TEGa reduziert wird oder dessen Anhaftung an die Oberfläche. Darüber hinaus ändern sich die Zerlegungsraten der Precursoren im betrachteten Temperaturbereich mit der Temperatur und damit auch die Wachstumsrate und die optimalen TMBi/V und TBAs/TEGa Verhältnisse. Dennoch konnten chemisch homogene Ga(AsBi) Proben mit scharfen Hetero-Grenzflächen realisiert werden, sofern die auf das Ga(AsBi) folgende Schicht bei 625 °C abgeschieden wurde. Das aufschwimmende segregierte Bi agiert als Surfactant, was den unbeabsichtigten Einbau von C, der bei den tiefen Wachstumstemperaturen auftritt, unterdrückt und zusätzlich die Defektdichte im Kristall reduziert. Daher konnte insbesondere bei den Proben, die in dem Wachstumsregime indem die Bi Sättigung einsetzt abgeschieden wurden, eine starke Bandlücken PL beobachtet werden. Die Emissionswellenlänge zeigt dabei eine nahezu perfekte Übereinstimmung mit der Theorie. Die Linienbreiten liegen bei 80 bis 90 meV, was auf die Unordnung in verdünnten Bismiden zurückzuführen ist. Um die Eignung von Ga(AsBi) für optoelektronische Bauelemente zu untersuchen wurden Breitstreifen Ga(AsBi) QW Laser mit Bi Konzentrationen von 2.2% und 4.4% hergestellt. Elektrisch injizierte Verstärkung bei diesem Materialsystem konnte zum ersten Mal anhand eines Ga(AsBi0.022) SQW Lasers mit (AlGa)As Barrieren gezeigt werden. Die Schwellstromdichte von Ith=1.0 kA/cm² bei Raumtemperatur unter gepulster Stromzuführung ist vielversprechend für ein derartiges neues Material. Allerdings gehen etwa 80% des Schwellstroms durch nichtstrahlende Rekombination aufgrund von Defekten im Ga(AsBi) verloren. Laserdioden mit 4.4% Bi funktionierten bislang nur bei Temperaturen unterhalb von 180 K. Dies zeigt die Notwendigkeit die Wachtsumsbedingungen von Ga(AsBi) weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die angestrebten Bi Konzentrationen von mehr als 10%. Beim Wachstum von Ga(NAsBi) wurde festgestellt, dass bei konstanter Bi Konzentration der N Gehalt einfach über das UDMHy Angebot kontrolliert werden kann. Proben mit bis zu 4% Bi und N wurden hergestellt. Photo-Reflektionsmessungen zeigten, dass bei konstantem Bi Gehalt die Bandlücke um etwa 140 meV/%N verringert wird was die Annahme, dass Bi und N unabhängig auf die Bandlücke von GaAs wirken, bestätigt.