Growth and Optimisation of Ga(N,As,P,Sb)/(B,Ga)(As,P) Heterostructures for Laser Applications on Si(001)

In den vergangenen Jahren hat das Feld der integrierten Optik (photonic integrated circuits) in der wissenschaftlichen und industriellen Gemeinschaft zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Die Integration optischer Bauelemente in die CMOS Technologie (complementary metal-oxide-semiconductor), d.h. Si-Chipfertigung, bietet sehr viel Raum für Fortschritt bezüglich größerer Bandbreiten-Dichte in der Datenübertragung, aber auch bezüglich Gas-Sensorik oder für biomedizinische Anwendungen als günstige und tragbare, Chip-große Geräte. Insbesondere im Bereich der Datenübertragung werden dabei effiziente und zuverlässige Laser-Lichtquellen benötigt, deren Emission im nahinfraroten Spektralbereich liegt. Aufgrund des Mangels einer effizienten Si-basierten Lichtquelle ist die Integration eines Lasers auf CMOS kompatiblen Si(001) 300 mm Wafern, welche in der Si-Industrie standardisiert sind, bis heute eine große Herausforderung.. Diese Arbeit zielt auf diese Realisierung eines Lasers ab, der per Metalloraganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gitterangepasst auf exakt orientierten Si(001) Substraten abgeschieden wird. Für dieses Ziel werden im Zuge der Arbeit Ga(N,As,P,Sb)/(B,Ga)(As,P) Heterostrukturen mit dem Ziel, Lasing bei Raumtemperatur zu erreichen, optimiert. Dies umfasst neben dem Wachstum per MOVPE selbst auch deren Charakterisierung mittels hochauflösender Röntgenbeugung (HR-XRD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), elektrochemischen Kapazitäts- Spannungsmessungen (ECV) und Photolumineszenzspektroskopie (PL). Da für on-Chip integrierte Bauteile eine laterale Strominjektion gefordert ist, werden Breitstreifenlaser in dieser entsprechenden Geometrie prozessiert. Die Laserstrukturen werden dann via Elektrolumineszenzspektroskopie (EL) analysiert. Die gitterangepassten Volumenschichten der gewachsenen Elektrolumineszenzstrukturen basieren auf dem indirekten Halbleiter (B,Ga)(As,P). Bei Untersuchungen von entsprechnenden Strukturen zeigt sich, dass, verglichen mit z.B. GaAs Schichten in etablierten Lasern, die (B,Ga)(As,P) Schichten zu erhöhter Einsatzspannung sowie erhöhtem differentiellen Widerstand führt. In dieser Arbeit wird das (B,Ga)(As,P) Materialsystem eingehend bezüglich unterschiedlicher Wachstumsbedingungen und Dotierungen untersucht, um die Schichten für Laseranwendungen zu optimieren. Eine deutliche Verbesserung der Einsatzspannung von 4.5(1.5) V auf 1.6(1) V wird dabei erreicht, was mit einer erheblichen Reduktion von Energie- und Wärmeverlusten einhergeht. Damit sind diese Bauelemente elektrisch bereits mit industriell etablierten Lasern auf anderen Substraten konkurrenzfähig. Die optisch aktiven Quantentopf (QW v. engl. quantum well) Ga(N,As,P,Sb) Schichten werden unter diversen MOVPE Bedingungen gewachsen und hinsichtlich glatter Grenzflächen mit den umgebenden Barrieren und verstärkter Lumineszenz optimiert. Ausgedehnte Defekte, die sich hauptsächlich durch das Überwachsen der modulierten oberen QW Grenzfläche ausbilden, können sich bis zur Probenoberfläche ausdehnen und in AFM Topographien als 3 dimensionale Platelets auf den Oberflächen der Heterostrukturen sichtbar werden. Ga(N,As,Sb) wird bei einer Wachstumstemperatur von 575°C optimiert, bei der angenommen wird, dass Sb hauptsächlich als Surfactant wirkt. In entsprechenden Teststrukturen, die ca. 9.5% N im QW enthalten, wird eine verringerte Defektbildung im Vergleich zu Sb-freien Strukturen erzielt, wobei sie gleichzeitig in hohen optischen Ausgangsleistungen sowohl in PL- als auch EL-Strukturen resultieren. Bei N-Gehältern von ca. 11% können die Oberflächen der Teststrukturen, also an überwachsenen QWs, gemessen als RMS Rauigkeit der AFM Topographien, auf 0.25 nm Rauigkeit reduziert werden. Die Plateletbildung wird dabei komplett unterdrück. Die optischen Ausgangsleistungen von Strukturen, die 11% N oder mehr enthalten, reduziert sich allerdings gegenüber Strukturen, die 9.5% N enthalten, was vermutlich auf nicht-strahlende Rekombination von N-korrelierten Zuständen durch beispielsweise N-Ketten oder N-Clusterkonfigurationen im QW zurückzuführen ist. Anhand des Wachstums von Ga(N,As,P) QW Schichten werden der standard MOVPE Präkursor für N-Einbau unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMHy) und der neuartige N-As Prükursor Ditärtiärbutylaminoarsan (DTBAA) detailliert miteinander verglichen. Mit beiden werden in Elektrolumineszenzstrukturen fast gleiche optische Ausgangsleistungen erreicht, was das große Potential des DTBAA als N-Präkursors, auch wegen seiner hohen N-Einbaueffizienz, aufzeigt. Desweiteren wird in der Arbeit grundlegende Forschung zum Wachstum von gitterangepassten Ga(N,P) und Ga(N,As,P) Schichten auf Si(001) Substrat, zu Ga(P,Sb) QW Schichten und deren Untersuchung einer möglichen direkten Bandlücke und zu Ga(P,Sb) Quantenpunkten (QD v. engl. quantum dot) mit hohen Sb-Gehältern auf den gleichen Substraten präsentiert.