Epitaxial growth and characterization of GaAs-based type-II (GaIn)As/Ga(AsSb)/(GaIn)As “W”-quantum well heterostructures and lasers

Unsere heutige Telekommunikation basiert auf der optischen Übertragung von Daten mit Hilfe von Halbleiterlasern, welche typischerweise auf Indiumphosphid-Substraten hergestellt werden. Die Materialschichten, in denen das emittierte Licht generiert wird, sind typischerweise wenige Nanometer dick und werden daher als Quantenfilme bezeichnet. Obwohl dieser Ansatz die Herstellung von Halbleiterlasern in den technologisch wichtigen Wellenlängenbereichen um 1.3 μm und 1.55 μm ermöglicht, ist die Erforschung von alternativen Konzepten von großem Interesse, da die Effizienz der bestehenden Halbleiterlaser durch nichtstrahlende Verlustprozesse limitiert ist. Eine mögliche Alternative stellen Galliumarsenid-basierte Typ-II Heterostrukturen dar, in denen Elektronen und Löcher räumlich voneinander getrennt sind. Daher werden die elektronischen Eigenschaften der beiden Ladungsträgerspezies von unterschiedlichen Materialien dominiert und können unabhängig voneinander angepasst werden, wodurch eine gezielte Reduktion der nichtstrahlenden Verlustprozesse ermöglicht werden könnte. Um sicherzustellen, dass die räumliche Trennung der Elektronen und Löcher in diesen Systemen nicht zu einer ineffizienten strahlenden Rekombination der Ladungsträgerspezies führt, werden diese oft als sogenannte “W”-Struktur angeordnet. Dabei wird ein Lochquantenfilm in zwei Elektronenquantenfilme eingebettet, wodurch der räumliche Überlapp erhöht wird. Die vorliegende Dissertation thematisiert die die Herstellung von Typ-II “W”-Strukturen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie und deren Verwendung als aktives Medium in Nahinfrarot-Lasern. Dabei dient das Galliumarsenid-basierte (GaIn)As/Ga(AsSb)/(GaIn)As Materialsystem als Modellsystem. Da jegliche Folgeuntersuchungen an Typ-II Heterostrukturen und Lasern auf deren Herstellung in hinreichend hoher Qualität aufbauen, wird zunächst die Herstellung mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie untersucht. Die Metallorganika Triethylgallium (TEGa), Trimethylindium (TMIn), Tertiärbutylarsin (TBAs) und Triethylantimon (TESb) dienen in dieser Studie als Präkursoren. Aufgrund der Vielzahl an möglichen Kompositions- und Schichtdickenkombinationen wurden der Indiumgehalt auf 20 %, die (GaIn)As Schichtdicken auf 6 nm und die Ga(AsSb) Schichtdicke auf 4 nm festgelegt. Entsprechend verbleibt die Antimonkonzentration als letzter freier Parameter, was eine Untersuchung der Wachstumsbedingungen von Ga(AsSb) ermöglicht. Als Grundlage für diese Herangehensweise diente eine theoretische Studie zur Optimierung des Materialgewinns basierend auf den vorliegenden Strukturen. Dafür wurden Proben bei einer Wachstumstemperatur von 550 °C mit V/III Gasphasenverhältnissen zwischen 2.0 und 7.5 abgeschieden. Weiterhin wurde das TESb/V Gasphasenverhältnis variiert, um die maximal erreichbare Antimonkonzentration festzustellen und somit den maximal erreichbaren Wellenlängenbereich zu bestimmen. Im Rahmen dieser Studie konnten strukturell hochwertige Typ-II Heterostrukturen mit Antimonkonzentrationen zwischen 19.3 % und 30.2 % demonstriert werden. Diese Konzentrationen entsprachen Photolumineszenzmaxima zwischen 1.22 μm und 1.47 μm, welche eine hohe spektrale Flexibilität dieser Heterostrukturen implizieren. Die Ergebnisse der Wachstumsstudie werden im Folgenden genutzt, um Injektionslaser abzuscheiden, wobei eine Emissionswellenlänge von 1.2 μm eingestellt wird. Elektrolumineszenzmessungen unterhalb der Laserschwelle offenbaren eine Blauverschiebung als Funktion der Injektionsstromdichte von (93 ± 14) meV/(kA/cm2). Diese Blauverschiebung endet mit dem Einsetzen der stimulierten Emission, welche durch die Verringerung der Linienbreite des Elektrolumineszenzspektrums sowie ein deutliches Schwellverhalten der Laserkennlinie angedeutet wird. Die Auswertung der Laserkennlinie ergibt außerdem eine Schwellstromdichte von 0.4 kA/cm2, eine optische Effizienz von 0.35 W/A pro Facette, welche einer differenziellen Effizienz von 66 % entspricht und einer maximalen gepulsten optischen Ausgangsleistung von 1.4 W pro Facette, welche durch den verwendeten Messaufbau limitiert ist. Die temperaturabhängige Charakterisierung eines Einzel- und eines Doppel-“W”-Quantenfilmlasers zeigt, dass auch Typ-II Übergänge höherer Ordnung das Emissionsspektrum dominieren können. Übergänge höherer Ordnung werden jedoch nur im Fall des Einzel-“W”-Quantenfilmlasers beobachtet, was die Wichtigkeit des Betriebs bei hinreichend niedrigen Ladungsträgerdichten hervorhebt. Weiterhin wird die Temperaturstabilität der Schwellstromdichte sowie der differenziellen Effizienz, im Rahmen dieser Studie untersucht und mit einem exponentiellen Modell beschrieben. Dabei dienen die sogenannten charakteristischen Temperaturen T0 und T1 als Parameter, welche eine Aussage über die Temperaturstabilität ermöglichen. Die Untersuchung ergibt charakteristische Temperaturen von T0 = (56 ± 2) K und T1 = (105 ± 6) K für den Einzel-“W”-Quantenfilmlaser sowie T0 = (60 ± 2) K und T1 = (107 ± 12) K für den Doppel-“W”-Quantenfilmlaser. Diese verhältnismäßig niedrigen T0-Werte führen in Kombination mit der zuvor beschriebenen Blauverschiebung zu einer Modifikation der temperaturinduzierten Verschiebungsrate der Emissionswellenlänge, wodurch sogar negative Verschiebungsraten demonstriert werden können. Diese Modifikation kann als fundamentaler Unterschied zu Typ-I Lasern verstanden werden und ermöglicht als solcher die Untersuchung von neuartigen Bauelementkonzepten und könnte zur Optimierung bestehender Bauelementkonzepte beitragen. Neben den bereits thematisierten Injektionslasern konnte auch ein weiteres Halbleiterlaserkonzept mit “W”-Quantenfilmen als aktives Medium realisiert werden. Es handelt sich dabei um optische gepumpte vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL). Dabei konnte eine maximale Ausgangsleistung von 4 W im Dauerstrichbetrieb demonstriert werden. Die charakteristische Blauverschiebung spielt auch bei diesen Bauelementen eine wichtige Rolle und erfordert eine positive Verstimmung des Resonators und der Emissionswellenlänge bei niedrigen Anregungsleistungen. Während die zuvor genannten Ergebnisse vielversprechend sind und das Anwendungspotenzial von Typ-II Heterostrukturen in Halbleiterlasern unterstreichen, wurde bisher eine wichtige Eigenschaft von Halbleiterlasern vernachlässigt. Ihre spektrale Flexibilität ist ein wichtiges Argument für ihre Verwendung, da dadurch die Anpassung der Emissionswellenlänge an die jeweilige Aufgabe möglich ist. Ein wichtiges Wellenlängenfenster ist dabei der Bereich um 1.3 μm, welcher für Telekommunikationsanwendungen genutzt wird. Die theoretische Optimierung der “W”-Struktur für diese Emissionswellenlänge führt zur erfolgreichen Demonstration eines Doppel-“W”-Quantenfilmlasers bei 1.3 μm. Dieser kann bis mindestens 100 °C betrieben werden und Elektroluminszenzmessungen zeigen, dass der Laserbetrieb auch bei 100 °C auf dem fundamentalen Typ-II Übergang basiert. Die temperaturabhängige Charakterisierung ergibt charakteristische Temperaturen von T0 = (132 ± 3) K und T1 = (109 ± 12) K. Weiterhin werden bei 20 °C eine Schwellstromdichte von 1.0 kA/cm2, eine differenzielle Effizienz von 41 % und eine maximale gepulste optische Ausgangsleistung von 0.68 W pro Facette beobachtet, wobei diese wiederum durch den verwendeten Messaufbau limitiert ist.