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Optimierung Ga(NAsP)-basierender Heterostrukturen auf Si-Substrat für Laseranwendungen
Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Optimierung Ga(NAsP)-basierter Laserstrukturen auf Si-Substrat und der dafür erforderlichen Materialien. Die maximale Betriebstemperatur solcher Strukturen lag bisher bei 160 K, jedoch wird durch Steigerung der Effizienz ein Betrieb bei Raumtemperatur ange...
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| 1. Verfasser: | |
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| Beteiligte: | |
| Format: | Dissertation |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Philipps-Universität Marburg
2013
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| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | PDF-Volltext |
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| Zusammenfassung: | Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Optimierung Ga(NAsP)-basierter Laserstrukturen auf Si-Substrat und der dafür erforderlichen Materialien. Die maximale Betriebstemperatur solcher Strukturen lag bisher bei 160 K, jedoch wird durch Steigerung der Effizienz ein Betrieb bei Raumtemperatur angestrebt.
Die Betrachtung der Prozessierung zeigte ein Optimierungspotenzial auf, das eine größere Homogenität der elektrischen und optischen Kennlinien entlang eines Laserbarrens ermöglicht. Durch eine verbesserte Spaltprozedur mit Spalten über einer Glasfaser konnte die Qualität der Laserfacetten gesteigert werden.
Aus Untersuchungen des Kontaktwiederstandes konnte geschlossen werden, dass die Kontaktierung einer (BGa)P-Schicht mit dem n-Kontakt schlecht reproduzierbare Ergebnisse liefert. Durch Einführung einer verbesserten Ätzprozedur konnte die Homogenität der elektrischen Kennlinie entlang eines Laserbarrens erheblich verbessert werden.
Da die Bestimmung von Komposition und Wachstumsrate der verwendeten Mischkristalle nicht trivial möglich ist, wurde eine Abschätzung der Genauigkeit unterschiedlicher Charakterisierungsmethoden angestrebt. Der Schwerpunkt lag bei der Charakterisierung des aktiven Materials Ga(NAsP) mittels hochauflösender Röntgenbeugung (XRD) sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Da Materialkomposition und Schichtdicke einen Einfluss auf die Photolumineszenz (PL) ausüben, wurde mithilfe eines theoretischen Modells die zu erwartende Wellenlänge der PL errechnet.
Der bei der Ermittlung der Materialkomposition zu erwartende Fehler konnte abgeschätzt werden. Die Bestimmung der Schichtdicke und somit der Wachstumsrate erfolgte erstmals sowohl mittels TEM als auch mittels XRD, sodass entsprechende Abweichungen quantifiziert werden konnten.
Zur Optimierung der elektrischen Injektion wurde eine umfangreiche Charakterisierung aller stromführenden Schichten vorgenommen. Insbesondere für (BGa)(AsP):Te-Schichten konnte bei einer Messung nach der van-der-Pauw Methode eine unerwartet niedrige Leitfähigkeit gemessen werden. Es konnte ein deutlicher positiver Effekt von thermischem Ausheizen (Annealing) auf Leitfähigkeit und Ladungsträgerdichte an diesen Schichten nachgewiesen werden. Als alternative Methode zur Bestimmung von Schicht- und Kontaktwiderstand kam die Transferlängen-Methode (TLM) zum Einsatz. Der Gesamtwiderstand einer kompletten Laserstruktur konnte mit Hilfe der Beiträge der einzelnen Schichten erfolgreich abgeschätzt werden.
Die Auswertung mehrerer Annealing-Prozeduren in einem eigens dafür konzipierten schnellen Ausheizofen (RTA) ermöglichte ein optimiertes Annealing. Mit Hilfe von TEM-Aufnahmen wurden erstmals durch die Annealing-Prozedur induzierte Defekte im aktiven Material beobachtet. Zusammen mit den Ergebnisse weiterer Charakterisierungsmethoden muss eine Ausdiffusion von As aus den Ga(NAsP)-Schichten angenommen werden.
Die zuvor entwickelten Ansätze zur Optimierung von Laserstrukturen wurden abschließend durch Messung der EL an kompletten Laserstrukturen geprüft. Es konnten keine Verlustprozesse gefunden werden, die speziell im Falle elektrischer Injektion die Leistungsfähigkeit einer Laserstruktur begrenzen. Verbesserte Annealing-Prozeduren ermöglichten die Steigerung der Elektrolumineszenz um den Faktor 2,6. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Spannung U0, ab der ein signifikanter Pumpstrom durch eine Laserstruktur fließt, und der Dicke sowie der Zusammensetzung von Bor-haltigen Schichten in der Struktur hergestellt werden. Durch Variation von Dicke und Zusammensetzung von (BGa)(AsP) konnte die elektrische Kennlinie der Strukturen wesentlich verbessert werden, sodass die Spannung U0 um bis zu 7 V und der differentielle Widerstand Rdiff um bis zu 2,6 Ω gesenkt werden konnten. Gegenüber nicht optimierten Vergleichsstrukturen konnte die optische Effizienz um einen Faktor 1,6 gesteigert werden. Dieses Verhalten kann als Beleg dafür gewertet werden, dass der Einbau einer (BGa)(AsP)-Schicht in eine Laserstruktur zur Ausbildung einer Raumladungszone in Sperrrichtung führt.
Um einen mangelhaften elektrischen Ladungsträgereinschluss als Ursache für eine geringe strahlende Effizienz unter elektrischer Injektion auszuschließen, wurden Strukturen mit modifizierten Hetero-Offsets konzipiert und untersucht. Die Interpretation von PL- bzw. EL-Spektren lieferte keine Hinweise auf einen schlechten elektrischen Einschluss für eine Ladungsträgerspezies.
Insgesamt konnten die Elektrolumineszenz der betrachteten Laserstrukturen deutlich verbessert und Verlustprozesse minimiert werden. Darüber hinaus erlaubt die erhebliche Verbesserung der notwendigen Charakterisierungsmethoden nunmehr verlässlichere Aussagen über die Beschaffenheit der betrachteten Strukturen. Es konnten Vorschläge zur weiteren Verbesserung der elektrischen Kennlinie erarbeitet werden, insbesondere durch eine optimierte n-Dotierung von (BGa)(AsP). |
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| DOI: | 10.17192/z2013.0726 |