Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1233
Main Title: Elektrolumineszenzuntersuchungen an In(Ga)As/GaAs Quantenpunkten - Gewinn und Polarisation von Kantenemittern
Translated Title: Elektroluminescence measurements on In(Ga)As/GaAs quantum dots - gain and polarisation
Author(s): Bognár, Sebastian
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Der optische Gewinn, die Polarisation und die Oszillatorstärke sind fundamental wichtige Eigenschaften von 0-dimensionalen Quantenpunktstrukturen für ihren Einsatz in Halbleiterlasern und -verstärkern. Anstatt der Messung des Gewinns der Kantenemission der Quantenpunkte unter optischer Anregung beziehungsweise am fertigen Halbleiterlaser, wurde anwendungsrelevant der Gewinn für InGaAs/GaAs-Quantenpunkte unter elektrischer Injektion mittels der eigens entwickelten elektrischen Strichlängenmethode bestimmt, ohne dass dafür die Funktionalität der untersuchten Proben als Laser gegeben sein musste. Detaillierte Modellierungen der physikalischen Prozesse von der Ladungsträgerinjektion über die Lichtausbreitung im Halbleiter bis zur Einkopplung ins Detektionssystem zeigen, dass die Untersuchung mit optischen Methoden - wie z.B. der Photolumineszenz - für die Bestimmung der Polarisation bezüglich der Kantenemission von 0-dimensionalen Strukturen im Halbleiter nicht geeignet ist. Im Gegensatz dazu konnte bei Anregung unter elektrischer Injektion die intrinsische Polarisation der Quantenpunkte in der Kantenemission direkt bestimmt werden. Die hier untersuchten Quantenpunkte emittierten unabhängig von der Wachstumsmethode und ihrer Größe dominant mit TE-polarisiertem Licht. Die Polarisation des vom Grundzustandsübergang emittierten Lichtes beträgt zwischen 10 und 20 (10-13 dB). Dies stimmt mit den mittels der 8-Band-kp-Methode berechneten Werten für die angenommenen Struktureigenschaften überein. Die mittels MBE gewachsenen Quantenpunkte zeigten eine etwas stärkere Polarisation von 15 bis 22 (12-14 dB). Die angeregten Zustände weisen geringere Werte von 5 bis 2 (7-3dB) auf, was zusammen mit entsprechend aufgebauten Wellenleitern den Aufbau polarisationsinsensitiver Quantenpunktverstärker ermöglicht. Der optische Gewinn wurde für verschiedene Quantenpunktstrukturen mittels elektrischer Strichlängenmethode bestimmt. Es wurde sowohl theoretisch als auch experimentell gezeigt, dass über die Interlevelabstände der optischen Übergänge in den Quantenpunkten eine Steigerung des Gewinns eines Quantenpunkt-Ensembles möglich ist, ohne die Quantenpunktdichte erhöhen zu müssen. Dabei konnte bei Temperaturen bis zu 200 K eine Erhöhung des Gewinns auf 20 reziproke cm pro Quantenpunktschicht nachgewiesen werden. Der Vergleich mit den am Markt etablierten Quantenfilm-Lasern zeigt, dass Quantenpunkt-Laser nicht nur das Potential haben, mit kleineren Schwellstromdichten, sondern auch beim absoluten Schwellstrom den Quantenfilm-Laser zu unterbieten. Ein Laserdesign mit besonders kleinen Wellenleiter- und Spiegelverlusten unterstützt dies zusätzlich, insbesondere für die in der Glasfaserkommunikation bedeutende Emissionswellenlänge von 1300 nm. Neben der absoluten Größe des Gewinns wird durch das Laserdesign auch die Struktur des Gewinnprofils eines Quantenpunktlasers bestimmt. Dabei konnten zwei verschiedene interagierende Modulationsmechanismen nachgewiesen werden, deren Einfluss sich über die Höhe des Steges kontrollieren lässt. Bei Lasern mit flachen Stegen treten bevorzugt ausufernde Moden auf, welche eine hohe Temperaturabhängigkeit (4 nm/K) und eine Amplitude von einigen Zehntel reziproke cm besitzen. Tief geätzte Stege fördern die Ausbildung von Quermoden, welche sich als Minima im Gewinnspektrum widerspiegeln. Sie haben eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit(0,4 nm/K), welche durch die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes bestimmt wird. Der Abstand der Minima lässt sich über die Stegbreite und ihre Amplitude (einige reziproke cm) über die Ätztiefe kontrollieren.
The optical gain, the polarization and the oscillator strength are fundamental and important properties of 0-dimensional quantum dot structures for their application in semiconductor lasers and amplifiers. Instead of measuring the gain for edge emission of the quantum dots under optical excitation or a complete laser device, here it is measured under electrical injection by the electrical stripe length method, that was developed for it. Detailed modeling of the physical processes like the injection of the carriers, the propagation of the light in the semiconductor and the coupling into the detection system shows, that the investigation with optical methods – like photoluminescence spectroscopy – is not suitable for the determination of the polarization of the edge emission of 0-dimensional structures in a semiconductor. On the contrary it is possible to measure the intrinsic polarization of the edge emission of the quantum dots directly under electrical injection. The investigated quantum dots dominantly emitted TE-polarized light, independent of their size and the method they where grown by. The polarization of the light emitted by the ground-state transition was about 10-20 (10-13 dB). This agrees well with values for the assumed structural properties as calculated by the 8-band k·p method. The quantum dots grown by MBE show a slightly larger polarization of 15-22 (12-14 dB). Light emitted by the transitions of excited states shows a less strong polarization of 5-2 (7-3 dB). That can be used, together with an optimized wave guide design, to realize polarisation insensitive quantum dot amplifiers. The optical gain was measured by the newly developed electrical stripe length method for various quantum dot structures. Theoretically and experimentally it was shown, that the design of the inter-level separation of the optical transitions in the quantum dots can enlarge the gain, while the quantum dot density remains constant. At temperatures up to 200 K an enhancement of the gain of up to 20 reciprocal cm per quantum dot sheet was found. Compared to the quantum well lasers that are well established on the market, the quantum dot laser has not only the potential for a lower threshold current density, but also for a lower threshold current. A laser design with very small waveguide and mirror losses supports this, especially for emission wavelengths around 1300 nm, that are important for fiber communication. Besides the absolute value of the gain the waveguide determines the structure of the gain profile of a quantum dot laser, too. Two interacting modulation mechanisms, controllable by the height of the mesa, are found. Leaky modes exist predominantly in shallow mesa devices. They have an extraordinary high temperature dependence (4 nm/K) and an amplitude of some tenths reciprocal cm. In deep etched mesas the existence of modes perpendicular to the direction of the mesa results in minima in the gain spectrum. The temperature dependence is smaller (0,4 nm/K) here and defined by the temperature dependence of the refractive index of the semiconductor. The energetic separation of the minima is controllable by the width of the mesa and their amplitude (some reciprocal cm) depends on the mesas height.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11411
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1530
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1233
Exam Date: 23-Apr-2005
Issue Date: 8-Nov-2005
Date Available: 8-Nov-2005
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Elektrolumineszenz
Gewinn
Laser
Polarisation
Quantenpunkte
Electroluminescence
Gain
Laser
Polarization
Quantum dot
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