(AlGaIn)(AsPSb)-basierte Heterostrukturen für Lichtemission im Bereich von 1.3-3.5 µm

In der vorliegenden Arbeit wurden (AlGaIn)(AsPSb)-basierte Heterostrukturen mittels metallorganischer Niederdruck-Gasphasenepitaxie (MOVPE) kristallin auf InP-Substraten abgeschieden, strukturell, elektrisch und optisch charakterisiert und erfolgreich in oberflächenemittierende Laser- (VCSEL) bzw. Leuchtdioden mit reso- nanter Kavität (RC-LED) implementiert, so dass eine elektrisch gepumpte Emission im Wellenlängenbereich von 1.3 - 3.5 µm demonstriert werden konnte.
Vorteil dieser Bauelemente ist, dass sie in ihren Anwendungsgebieten, beispielsweise der Glasfaser-Datenübertragung bzw. Telekommunikation (Fiber to the Home) und der Gassensorik, am derzeit energieeffizientesten operieren und zudem sehr kompakt, sowie kostengünstig herstellbar sind [1, 2].
Schwerpunkt dieser Arbeit war dabei geeignete, herstellbare Materialkombinationen zu entwickeln und mit hoher kristalliner Qualität abzuscheiden, um darauf basierende VCSEL- und RC-LED-Strukturen realisieren zu können. Die genauen Prozessschritte der Planartechnologie sind dabei in den Dissertationen von Michael Müller [3] und Tobias Gründl [4] beschrieben.
Für die Entwicklung der Schichtstrukturen wurde zunächst ein Formalismus zur Berechnung der physikalischen Materialeigenschaften, wie Bandlücke, thermi- scher/elektrischer Widerstand, Rekombinationsraten und Mischungslücke aufgestellt. Anhand dieser Berechnungen wurde eine VCSEL-Struktur mit einer AlGaInAsP- basierten aktiven Zone und einem strukturierten, vergrabenen Tunnelkontakt
(BTJ = Buried Tunnel Junction“) mit einer Typ-II GaAsSb/GaInAs-Heterostruktur als Stromapertur realisiert. Vorteil der Typ-II-Bandanordnung ist dabei, dass die
effektive, energetische Potentialbarriere zwischen Leitungs- und Valenzband im Vergleich zu homogenem GaInAs bzw. GaAsSb um 60% reduziert und dementspre- chend die Tunnelwahrscheinlichkeit erhöht ist. Zugleich wurde zur Reduktion des Heterobarrierenwiderstands fu¨r die Injektion der Ladungsträger in die aktive Zone ein quinternäres AlGaInAsSb-Grading entwickelt, mit dem eine Stufung in 80 meV Schritten der über 400 meV hohen Banddiskontinuität möglich ist.
Auf diese Weise konnte erstmals ein komplett mittels MOVPE hergestellter VCSEL
im sog. Short-Cavity“-Design (SC) demonstriert werden, bei dem durch den Einsatz amorpher dielektrischer Spiegelmaterialien aufgrund der mehr als doppelt so hohen
Brechzahldifferenz die Kavitätslänge gegenüber epitaktischen Bragg-Spiegeln gleicher Reflektivität um bis zu 30% reduziert wird und damit höhere elektrische Modulations-
bandbreiten ermöglicht werden. Da der Typ-II-GaAsSb/GaInAs-Tunnelkontakt nur einen spezifischen Flächenwiderstand von 7×10-7 Ωcm2 aufweist, tritt am kompletten SC-VCSEL mit einem BTJ-Durchmesser von 8 µm ein elektrischer Widerstand von nur
24 Ω auf, welcher weniger als halb so groß ist wie bei vergleichbaren mittels MOVPE
hergestellten VCSELn [5]. Durch die damit sehr niedrigen RC-Zeitkonstanten und aufgrund des SC-Designs erreichte bereits der erste realisierte VCSEL eine elektrische Modulationsbandbreite von 7.5 GHz, womit trotz des hohen Schwellenstroms von
4.2 mA (T = 20◦C) eine 10 Gbit/s Datenübertragungsgeschwindigkeit möglich ist.
Die Emissionswellenlänge von 1.3 µm mit einer Seitenmodenunterdrückung von über 30 dB und eine Ausgangsleistung im Milliwatt-Bereich (Dauerstrichbetrieb) legen
eine FTTH-Anwendung nahe. Zudem wurde eine Überwachsungstechnik entwickelt,
die aufgrund ihrer planarisierenden Wirkung innovative optische Konzepte wie beispielsweise Antiguiding ermöglicht, welche die optische Ausgangsleistung noch weiter steigern können. Außerdem erreicht man aufgrund der Bildung von radikalem Wasserstoff bei der Zerlegung der als Ausgangsmaterialien genutzten Hydride eine in-situ-Reinigung während des Wachstums, wodurch das Sperrverhältnis der vergra-
benen Stromapertur um zwei Größenordnungen gegenber Molekularstrahlepitaxie verbessert werden konnte.
Die Typ-II-Bandanordnung der Heterostruktur GaAsSb/GaInAs eröffnete außerdem die Möglichkeit, die erreichbare Emissionswellenlänge von InP-basierten Bauelementen ins mittlere Infrarot zu erweitern, wo starke Absorptionslinien wichtiger industrieller Gase wie Methan oder CO2 liegen. Dazu wurde diese Materialkombination
in zwei verschiedenen Designs, Superlattice“- (Perioden der Form GaAsSb/GaInAs) und W“-Design (Perioden der Form GaInAs/GaAsSb/GaInAs mit einer zuätzlichen
Barrierenschicht), als aktive Zone in RC-LEDs implementiert. Zur Designoptimierung
der Typ-II aktiven Zone wurde ein Algorithmus entwickelt, der zwischen Quantisie- rungsenergie (möglichst dicke Quantentöpfe) und Wellenfunktionsüberlapp (möglichst dünne Töpfe) durch den Einsatz von kristalliner Verspannung (Materialzusammensetzung) die optimale Schichtstruktur für die jeweilige Zielwellenlänge berechnet. Dadurch wurde eine elektrische gepumpte Lichtemission von 3.5 µm im Dauerstrichbetrieb bis zu 80◦C Wärmesenkentemperatur erreicht.
Dies ist die längste Emissionswellenlänge, die bisher mit InP-basierten Materialien weltweit erzielt wurde. Zudem wurde theoretisch und experimentell belegt, dass mit
demW“-Design aufgrund der Entkopplung der Wellenfunktionen durch dicke Bar-
rierenschichten schmalere Linienbreiten erreichbar sind als mit aktiven Zonen im Su- perlattice“-Design und diese damit für Laserdioden besser geeignet sind. Durch” n
Einsatz gestapelter aktiver Zonen, die mit dem bereits entwickelten GaAsSb/GaInAs- Tunnelkontakt befüllt werden können, ist eine Lösung für den aufgrund des Wellen- funktionsüberlapps reduzierten Gewinns aufgetan. Das in dieser Arbeit entwickelte AlGaInAsPSb-Materialsystem ist damit geeignet, Laseremission in Form von VCSELn
in einem Wellenlängenbereich von 1.3-3.5 µm abzudecken. Somit könnten erstmals InP-basierte VCSEL für Telekommunikations- (λ =1.3 & 1.55 µm) und Gassensorik- Anwendung (λ =2-3.5 µm) mit einem Materialsystem realisiert werden, was insbeson-
dere für eine kostengünstige, industrielle Produktion sehr vielversprechend ist.