Entwicklung von optisch pumpbaren UVC-Lasern auf AlGaN-Basis

In dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Aspekte des epitaktischen Wachstums und des Heterostrukturdesigns auf optisch gepumpte AlGaN-Laser mit Emissionswellenlängen im Bereich von 240 nm untersucht. Dabei wurden neue Erkenntnisse über elektrische und optische Verlustmechanismen gewonnen, die über den konkreten Anwendungsfall hinaus für AlGaN-Heterostrukturen relevant sind. Außerdem wurde eine Verringerung der Laserschwellen von mehr als 10 MW/cm² auf weniger als 700 kW/cm² erreicht. In Studien zum Einfluss der Temperatur, des Drucks und des V/III-Verhältnisses auf das Wachstum von Al0.7Ga0.3N-Schichten wurde gezeigt, dass sich Silizium aus den SiC-Beschichtungen des MOVPE-Reaktors in die nominell undotierten Schichten einbaut und dass dies durch die Wahl geeigneter Wachstumsbedingungen oder durch die Verwendung von TaC-Beschichtungen deutlich verringert werden kann. Auch eine Erhöhung der Photolumineszenzintensität durch die Si-Dotierung war zu beobachten. Laserstrukturen wurden auf epitaktisch lateral überwachsenen (ELO) AlN/Saphir-Templates gewachsen. In Abhängigkeit vom Substratfehlschnitt kommt es durch die Strukturierung der Templates auf der Probenoberfläche entweder zu ausgeprägten Stufen von bis zu 15 nm Höhe oder nur zu einer leichten Welligkeit. An den Makrostufen sammelt sich während des Wachstums Gallium an, sodass sich eine inhomogene Emissionswellenlänge in den Quantenfilmen (Quantum Wells, QWs) ergibt. Außerdem können die Stufen in den Lasern als Streuzentren wirken und die optischen Verluste erhöhen. Andererseits führen sie aber auch zum Abknicken von Versetzungen und damit zu einer insgesamt reduzierten Versetzungsdichte, was sich positiv auf die Ladungsträgerrekombination auswirkt. Die Daten deuten außerdem darauf hin, dass die Versetzungen auch als optische Streuzentren wirken. Es wird gezeigt, dass der resultierende Einfluss auf die Laserschwellen unvorhersehbar sowohl positiv als auch negativ sein kann und daher eine Abkehr von derart strukturierten ELO-AlN/Saphir-Templates empfehlenswert scheint. Die Untersuchung des Einflusses von QW-Dicke und -anzahl ergab, dass die Trennung der Ladungsträgerwellenfunktionen durch den Quantum Confined Stark Effect (QCSE) nur bei geringen Ladungsträgerdichten zu einer verringerten Emissionsrate führt. Im Laserbetrieb hingegen werden die Polarisationsfelder ausreichend abgeschirmt. Simulationen deuten allerdings darauf hin, dass die nichtstrahlende Rekombination an Grenzflächen eine entscheidende Rolle spielt, da die Laserschwelle mit abnehmender QW-Anzahl sank. Aufgrund der an AlGaN-Schichten gewonnenen Erkenntnisse wurden in Laserstrukturen die QWs, die Barrieren oder die gesamte Heterostruktur mit Siliziumkonzentrationen zwischen 1 × 10^17 cm^−3 und 1 × 10^19 cm^−3 dotiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Abnahme der Gruppe-III-Vakanzen für Siliziumkonzentrationen bis 5 × 10^17 cm^−3 gefolgt von ihrer anschließenden Zunahme sich direkt auf die Laserschwellen auswirkt. Bei einer Siliziumkonzentration von 1 × 10^19 cm^−3 zeigte sich dessen Wirkung als Antisurfactant deutlich und es kam zu einem stark verzögerten, verringerten Galliumeinbau und dadurch zu inhomogenen QWs mit blauverschobener Emission. Die gefundenen Ergebnisse sind zu großen Teilen auf andere AlGaN-Bauelemente übertragbar. Die Identifikation des SiC im Reaktor als Quelle für die Siliziumkontamination ist darüber hinaus auch für die MOVPE anderer Materialsysteme bei hohen Temperaturen relevant.

Author dc:creator

• Jeschke, Jörg

Advisors dc:contributor.advisor

• Kneissl, Michael
• Weyers, Markus

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7279

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/8118