Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1285
Main Title: MOCVD growth of InGaAs/GaAs QDs for long wavelength lasers and VCSELs
Translated Title: MOCVD Wachstum von InGaAs/GaAs QP für langwelligen Laser und VCSEL
Author(s): Kaiander, Ilia
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In Rahmen dieser Arbeit wurden das Wachstum und die Eigenschaften von selbstorganisierten InGaAs Quantenpunkten (QP) auf GaAs Substraten untersucht. Das Ziel war die QP mit guter optischer Qualität herzustellen, um sie als aktives Medium für kanten- und oberflächenemitierende Laser nutzen zu können. Die QP wurden mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) hergestellt. Der Einfluss von verschiedenen Wachstumsparametern, wie Wachstumstemperatur, V/III Verhältniss, Zusamensetzung u.a., auf optische und strukturelle Eigenschaften von QP wurde untersucht. Dabei wurde der Standard Arsen-Vorläufer Arsin durch das weniger toxische Tertiärbutylarsin (TBAs) ersetzt. QP mit Emissionswellenlängen von 1100 nm bis 1400 nm sind hergestellt worden. Der Bereich der Emissionswellenlängen schließt den für Datenübertragung in Glasfasern wichtigen Bereich in der Nähe von 1.3 µm ein. Diese langwelligen InGaAs QP enthalten oft strukturelle Defekte, die durch starke elastische Verspannung verursacht werden. Diese Defekte mindern somit die Perfektion von Bauelementen. Es wurde ein spezielles Verfahren entwickelt um die Defekte zu eliminieren. Die QP werden bei dieser Methode mit einer dünnen Schicht abgedeckt und ausgeheilt. Das führt zum Abdampfen der Defekte. Es wurde gezeigt, dass ein derartiges in-situ Tempern von QP ihre optische Effizienz verbessert und sich positiv auf die Lasereigenschaften auswirkt. Das Wachstum von QP wurde auch bei InGaAs Deposition auf InGaAs und InGaP untersucht. Eine InGaAs Unterschicht verursacht einen wesentlichen Anstieg der QP Dichte, aber auch die Reduktion der Größe der QP und entsprechend der Emissionswellenlänge. Eine InGaP Unterschicht verursacht den Übergang von einer monomodalen zu einer bimodalen Größeverteilung der QP mit sehr großem energetischem Abstand von etwa 150-200 meV zwischen unterschiedlichen QP-Ensembles. Kantenemittierende Laser im langwelligen Bereich wurden im Rahmen dieser Arbeit realisiert. Der Laser mit der längsten Wellenlange bei Raumtemperatur ist mit 1243 nm gemessen worden. Oberflächenemittierende Laser (VCSEL) wurden auf Basis von InGaAs QP mit einer Emissionswellenlänge von 1.1 µm realisiert. Die höchsten gemessenen Leistungen waren 1.36 mW im Multimode- und 0.68 mW im Monomodebetrieb bei konstantem Strom. Die Nutzung von kurzen Pulsen ermöglicht Ausgangsleistungen bis 6.26 mW beziehungsweise 3.3 mW.
Within this work a growth of self-assembled InGaAs QDs on GaAs substrates was studied. The growth was performed using metal organic vapour phase epitaxy. QDs formed in the Stranski-Krastanow mode were investigated with the purpose of implementation as an active zone of light emitting devices, namely edge emitting lasers and vertical cavity lasers (VCSEL). Highly toxic arsine, a typical arsenic precursor in MOCVD of V-III semiconductors, was substituted with an alternative less toxic, liquid precursor tertiarybutylarsine (TBAs). The safety of work is improved, since TBAs has relative low vapour pressure at room temperature in contrast to arsine, which is kept under high pressure. TBAs was proven to be better suitable for low temperature growth, such as growth of QDs, thanks to low decomposition temperature comparing with arsine. The QD growth was investigated from a point of view how different growth parameters, such as growth temperature, V/III ratio, composition and others influence the optical and structural properties of QDs. A significant difference was found between MBE and MOCVD growth concerning the evolution of a QD array by changing the deposition thickness. The composition of QDs was found to have a great impact on QD parameters such as size and density. InGaAs QDs have generally better structural quality and a monomodal size distribution, whereas InAs QDs have a bimodal size distribution and often contain dislocated clusters. A modification of QD growth was investigated by deposition of QDs on different surfaces, namely InGaAs and InGaP templates. A strong influence of a chemical composition of an underlayer on properties of QDs was found. An InGaAs template increases the density of QDs, what was also observed by other research groups. High QD density allows to reach high modal gain and stable operation of lasers based on QDs. A bimodal size distribution of InGaAs QDs deposited on InGaP template was observed. The separation of ground state energy levels of QDs with different size was found to be about 150-200 meV being the largest separation to our knowledge reported for multimodal distributed QDs. An in-situ annealing was developed in order to reduce the density of structural defects in a QD array. TEM images and PL show a disappearance of plastically relaxed clusters in the samples subjected to in-situ annealing. Lasers based on different types of InGaAs QDs were fabricated. A correlation of structural perfection of QDs and laser performance was observed. Lasers based on InGaAs QDs demonstrate in general better characteristics than lasers based on InAs QDs. A minimal threshold current of 55 A/cm2 was demonstrated using 3-fold stacked InGaAs QDs. A long wavelength lasing near 1.24 µm at room temperature was demonstrated using 10-fold stacked InGaAs QDs and InAs QDs on InGaAs template both overgrown with strain-reducing 5 nm InGaAs QW. It was found that the defect reduction is crucial for stable operation of long wavelength lasers. Vertical-cavity surface-emitting lasers based on InGaAs QDs were demonstrated. Devices based on 6 and 9 QD-stacks showed a lasing at room temperature. The maximal output power as high as 1.42 mW in multimode operation and up to 0.68 mW in single mode operation in CW mode were achieved with the device based on 9 QD stacks. Pulse current operation eliminates the overheating of the active zone providing the output power up to 6.26 mW and 3.3 mW in multimode and single mode respectively.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12069
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1582
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1285
Exam Date: 20-Dec-2005
Issue Date: 27-Jan-2006
Date Available: 27-Jan-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Laser
MOCVD
Quantenpunkten
Laser
MOCVD
Quantum dots
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