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Epitaxial Growth of Highly Mismatched Alloys on GaAs Substrates
Die globale Erwärmung der Erde verlangt eine Reduktion unseres Energieverbrauchs und einen Wechsel der Energiequellen hin zu erneuerbaren Energien. Der Stromverbrauch des Internets liegt 2020 bei etwa 10 % des globalen Strombedarfs mit steigender Tendenz. Eines der Probleme ist die geringe Effizienz...
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Beteiligte: | |
| Format: | Dissertation |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Philipps-Universität Marburg
2022
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| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | PDF-Volltext |
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| Zusammenfassung: | Die globale Erwärmung der Erde verlangt eine Reduktion unseres Energieverbrauchs und einen Wechsel der Energiequellen hin zu erneuerbaren Energien. Der Stromverbrauch des Internets liegt 2020 bei etwa 10 % des globalen Strombedarfs mit steigender Tendenz. Eines der Probleme ist die geringe Effizienz der verwendeten Laser auf InP-Basis für die Kommunikation via Glasfaserkabel. Die Entwicklung effizienterer Laser, basierend auf der GaAs-Plattform stellen eine lang ersehnte Alternative dar. Die vorliegende Arbeit könnte in der Zukunft einen Beitrag dazu leisten, den Energieverbrauch der Glasfaserkommunikationssysteme zu senken. Basierend auf verdünnt Bismuth-haltigen Halbleitern wurden zwei unterschiedliche Ansätze, für die Anwendung in Laserbauelementen auf GaAs Substraten, verfolgt.
Die Untersuchungen zum Wachstum von (Ga,In)(As,Bi) auf GaAs zeigten, dass die erreichbare Gitterfehlanpassung von (Ga,In)(As,Bi) limitiert ist. Die kompressive Gitterfehlanpassung erhöhte sich nicht durch den Einbau von In, stattdessen sank der Bi Einbau, während die Gitterfehlanpassung konstant blieb. Das überschüssige Bi segregierte an der Oberfläche, wodurch sich metallische Tropfen ausbildeten. Die beabsichtigte Rotverschiebung der Wellenlänge im Vergleich zum ternären Ga(As,Bi) wurde deshalb nicht erreicht.
In Zukunft sollten sich die Experimente auf ein tieferes Verständnis des Ga(As,Bi)-Wachstums fokussiert werden, vor allem bei niedrigen Temperaturen, bevor Ga(As,Bi) mit weiteren Materialien vermischt wird. Die Entwicklung neuer Präkursoren für das metallorganische Gasphasenepitaxie-Wachstum bei niedrigen Temperaturen könnte dabei helfen.
Das Wachstum der Typ-II-Strukturen zeigte einen erfolgsversprechenden Pfad für weitere Untersuchungen zu Lasern mit Emissionswellenlängen um 1.55 µm auf GaAs Substraten. Eine wesentliche Herausforderung bei der Herstellung dieser Strukturen waren die Grenzflächen zwischen den verwendeten Materialien, welche signifikante Anpassungen der Wachstumsbedingungen erfordern. Für eine optimale optische Qualität der Ga(As,Bi) Schichten wurde eine Benetzung der Oberfläche mit Bi für 60 s vor dem Ga(As,Bi)-Wachstum eingeführt.
Die Dauer dieser Benetzung sollte in Zukunft auf der Ga(N,As)-Oberfläche untersucht und optimiert werden, um eine ausreichende optische Qualität der WQW-Heterostrukturen zu garantieren.
An der zweiten Grenzfläche muss das überschüssige Bi vor dem Wachstum des zweiten Ga(N,As)-QW von der Oberfläche desorbiert werden, damit der gewünschte N-Einbau erreicht werden kann. Deshalb wurde auf der Ga(As,Bi)-Oberfläche die Temperatur auf 625 °C erhöht und das Bi für 120 s desorbiert.
In weiteren Experimenten sollten die Konzentrationen und Dicken der Schichten optimiert werden, um spezielle Wellenlängen, wie 1.55 µm oder länger, zu erreichen. Die größte Herausforderung wird vermutlich die Optimierung der Benetzung der Oberfläche mit Bi sein, welche mit dem RAS in situ untersucht werden kann.
Die Laseremission bei Raumtemperatur einer (Ga,In)As/Ga(As,Bi)/(Ga,In)As WQW Laserdiode ist ein bedeutsamer Durchbruch für Ga(As,Bi) basierte Typ-II Strukturen. Es wurde eine Struktur mit einer Emissionswellenlänge von 1037 nm in Kombination mit einer optischen Effizienz von 48 mW/A hergestellt. Der Machbarkeitsbeweis rechtfertigt weitere Forschung in diesem Bereich. Ausgehend von diesem Prototyp lassen sich in Zukunft, durch ausgeklügeltes Anpassen der Kompositionen und Dicken der einzelnen Schichten, langwelligere Laser realisieren.
Obwohl kein Laser mit einer Emissionswellenlänge nahe den technologisch interessanten Wellenlängen von 1.3 µm und 1.55µm hergestellt werden konnte, zeigt die vorliegende Arbeit aussichtsreiche Möglichkeiten für Ga(As,Bi) basierte Typ-II Strukturen, um das lang ersehnte Ziel langwelliger Laser auf GaAs Substraten zu erreichen. |
|---|---|
| Umfang: | 1 Seiten |
| DOI: | 10.17192/z2022.0076 |