Metalorganic Chemical Vapor Deposition of High-Performance GaAs-Based Quantum-Dot Lasers

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Verbesserung der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOCVD) neuartiger GaAs-basierter Halbleiter-Laserstrukturen mit selbstorganisierten InGaAs/GaAs Stranski-Krastanow-Quantenpunkten (QPen) als aktivem Medium hinsichtlich der Lasereigenschaften erzielt. Die dreidimensionale QP-Morphologie führt zu einer Aufrauhung dünner Bedeckungsschichten auf den Quantenpunkten. Glatte Bedeckungsschichten sind jedoch für kleine Abstände zwischen gestapelten QP-Schichten erforderlich, um die Volumendichte an QPen und damit den modalen Gewinn von QP-Lasern zu erhöhen. Daher wurde ein in-situ Temperverfahren zur Glättung solch rauer Oberflächen eingeführt. Die Verspannung von QP-Strukturen und die niedrigen QP-Wachstumstemperaturen um 500°C führen zu Versetzungen und Punktdefekten. Durch den Temperschritt wurde die Dichte solcher Defekte drastisch reduziert. Laser mit getemperten QPen zeigen bei Raumtemperatur Transparenzstromdichten um 6 A/cm^2 pro QP-Schicht bei Emissionswellenlängen zwischen 1.14 und 1.16 µm. Die interne Quanteneffizienz solcher Laser liegt über 90%. Laserdioden mit Sechsfachstapeln getemperter QPe zeigen Ausgangsleistungen von 11.7 W im Quasi-Dauerstrichbetrieb und 4.7 W im Dauerstrichbetrieb. Damit konnten für QP-Laser erstmalig Ausgangsleistungen von über 10 W erreicht werden. Die Charakteristik solcher Laser blieb während einer über 3000-stündigen Lebensdauermessung bei 50°C und 1.0-1.5 W optischer Ausgangsleistung unverändert. Das als Arsen-Vorläufer weit verbreitete Arsin ist hochtoxisch und wurde daher im Laufe dieser Arbeit durch den alternativen Vorläufer Tertiärbutylarsin (TBAs) ersetzt. Das Wachstum von QPen musste daraufhin neu kalibriert werden, da TBAs andere physikalische und chemische Eigenschaften als Arsin besitzt. Weltweit wurden erstmals QP-Laser mit dem alternativen Precursor TBAs hergestellt. Verschiedene Verfahren zum Wachstum von QPen wurden entwickelt, die bei der kommerziell wichtigen Telekommunikations-Wellenlänge von 1.3 µm emittieren. Solche QP-Strukturen wurden mit Photolumineszenzspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Mit InGaAs/GaAs QPen, die mit Gallium-reichen InGaAs Quantenfilmen überwachsen wurden, konnte die Raumtemperatur-Lasingwellenlänge zu 1.24 µm ausgedehnt werden. Des weiteren wurden Verfahren zum Wachstum von QP-Strukturen für die Herstellung von oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL) mit Al(Ga)Ox/GaAs-Oxidspiegeln entwickelt. Ein VCSEL mit einer 3.5 µm breiten Apertur und vier oberen Spiegelpaaren zeigte eine maximale Ausgangsleistung von 0.68 mW bei 1.1 µm und eine differenzielle Effizienz von 43%. Der Schwellstrom betrug 280 µA.

Author dc:creator

• Sellin, Roman

Advisor dc:contributor.advisor

• Bimberg, Dieter

Licence dc:rights.uri

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

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-5940
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-693

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/990