Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2951
Main Title: MOVPE growth and characterization of (In,Ga)N quantum structures for laser diodes emitting at 440 nm
Translated Title: MOVPE-Wachstum und Charakterisierung von (In,Ga)N Quantenstrukturen für Laserdioden, welche bei 440 nm emittieren
Author(s): Hoffmann, Veit
Advisor(s): Kneissl, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Arbeit beschreibt die Herstellung von nitrid-basierten Laserheterostrukturen im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 450 nm mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie. Um Bauelemente mit niedrigen Schwellstrom bzw. – leistungsdichten zu realisieren, wurden die Materialeigenschaften der Indiumgalliumnitrid (InGaN) Multi-Quantenfilme (MQW)s in der aktiven Zone untersucht und mit den Bauelementeigenschaften prozessierter optisch gepumpter Laserstrukturen und elektrisch gepumpter Laserdioden (LD)s korreliert. Weiterhin wurde untersucht, welchen Einfluss die Schichtstruktur der aktiven Zone und des umgebenden Wellenleiters auf die Materialverstärkung und die Verstärkung der Mode in der Laserstruktur hat. Zunächst wurden 15 nm – 100 nm dicke InGaN Einzelschichten auf GaN/Saphir abgeschieden und analysiert, um das InGaN Wachstum und die Entstehung von Materialdefekten zu verstehen. Das spiralförmige Winden der Wachstumsfronten um bestehende Schraubenversetzungen und die Bildung von zusätzlichen v-förmigen Oberflächendefekten wurden als hauptsächliche Ursachen für die Abnahme der kristallinen Perfektion in den InGaN Schichten identifiziert. Die Abkehr vom Stufenflusswachstum und die Bildung von stabilen Facetten mit erhöhtem Indiumeinbau führt zu einer lateralen Variation der Indiumkonzentration in den Schichten, was mittels dynamischer Elastizitätstheorie und der Untersuchung des InGaN- Wachstums auf unterschiedlich orientierten GaN/Saphir Proben erklärt wird. Anhand von Laserstrukturen mit Emissionswellenlängen um die 400 nm wurden die Materialeigenschaften der InGaN- Quantenfilme mit den Bauelementeigenschaften korreliert: In den dünnen InGaN Quantenfilmen führt die laterale Variation der Indiumkonzentration und der InGaN- Schichtdicke aufgrund des dreidimensionalen Wachstums zu starken lateralen Variationen der Bandlücke. Systematische Untersuchungen von optisch gepumpten Laserstrukturen mit unterschiedlichen Bandkantenfluktuationen zeigten, dass mit zunehmender Variation der Bandkante die Schwellenleistungsdichte der Laser steigt. Die damit einhergehende Verbreitung der Lumineszenzlinienbreite bei niedriger Anregungsdichte ist ein guter Indikator für die Abnahme der Materialverstärkung bei der Emissionswellenlänge. Mittels des gefundenen Zusammenhangs wurden die Wachstumsbedingungen der InGaN Quantenfilme optimiert und elektrisch gepumpte Laser mit Emissionswellenlängen um die 400 nm mit Schwellstromdichten um 6 kA/cm² realisiert. Anschließend an die Optimierung der InGaN- Wachstumsbedingungen zur Verbesserung der InGaN- Materialverstärkung wurde der Einfluss der Schichtstruktur der aktiven Zone und des GaN Wellenleiterkerns auf die modale Verstärkung des Lasers untersucht. Dafür wurden die Strukturen mit verschiedenen Lasersimulationsprogrammen modelliert und die Ergebnisse mit optischen Pumpexperimenten verglichen. Es zeigte sich, dass die Wellenleiterschichtdicke mit zunehmender Emissionswellenlänge erhöht werden muss, um die Abstrahlung der Mode insbesondere ins Substrat zu vermindern. Neben den Anpassungen des Wellenleiters und der Optimierung der Wachstumsbedingungen erfordert die Realisierung von Lasern mit höheren Indiumgehalten in den Quantenfilmen für Emissionswellenlängen um die 440 nm eine Anpassung der Heterostruktur der aktiven Zone und einen Wechsel zu defektarmen GaN-Substraten. Mittels Messungen an optisch gepumpten Laserstrukturen und Bauelementsimulationen wird gezeigt, dass durch diese Maßnahmen die Indiumkonzentrationsfluktuationen in den Quantenfilmen reduziert, das Oszillatormoment erhöht und die Ladungsträgerinjektion in die einzelnen Quantenfilme verbessert werden kann. Eine erste elektrisch betriebene Laserstruktur, gewachsen auf GaN- Substrat mit Emission um 440 nm, zeigte eine Schwellstromdichte von ~ 10 kA/cm2.
The presented work describes the metal organic vapor phase epitaxy and characterization of nitride-based quantum structures which are used in laser heterostructures emitting in the wavelength range between 400 nm and 440 nm. Aiming at current injection and optically pumped laser structures with low threshold current or respectively threshold power densities, the device properties were correlated with the material properties of the indium gallium nitride (InGaN) active region. Furthermore, the influence of the active region and waveguide heterostructure layout on the material gain as well as the modal gain was investigated. In order to understand the InGaN growth process and the formation of structural imperfections, 15 nm - 100 nm thick InGaN single layers were deposited on gallium nitride (GaN) on sapphire substrates and analyzed subsequently. It turned out that the spiral pattern of the growth edges around screw dislocations, threading from the substrate to the growth surface, and the formation of additional v-shaped surface defects are the main cause for the deterioration of the crystal perfection of the InGaN. As a result of the transition from a layer-by-layer to a 3D growth regime stable facets with preferred indium incorporation are formed that increase the lateral variation of the indium mole fraction in the layer. The higher indium incorporation at the facets is explained by dynamical elasticity theory and proven by the growth and characterization of InGaN layers on differently oriented GaN. The material properties of the InGaN quantum wells were correlated with laser device properties using 400 nm laser structures: In the case of thin quantum wells the 3D growth results in a lateral variation of the band gap due to variations of the indium mole fraction and the well width. Systematical investigations of laser structures with different band gap fluctuations show an increase of the threshold power density as the lateral variation of the band gap increases. It turned out that the corresponding increase of the line width at low excitation density is a good figure of merit for the decrease of the peak material gain. Using this correlation the growth conditions of the InGaN quantum wells were optimized and current injection laser diodes emitting around 400 nm with threshold current densities around 6 kA/cm² could be fabricated. In an next step, the influence of the active region and the waveguiding layer heterostructure on the modal gain of the laser were investigated. Therefore, laser heterostructures characteristics were modeled and compared with those of optically pumped laser structures. It could be shown that the substrate leakage of the mode is reduced as the waveguide layer thickness is increased - especially for emission at longer wavelengths. Additionally, the active region heterostructure needs to be adjusted and GaN substrates with low defects densities are required in order to realize laser diodes with emission around 440 nm. Using optical pump experiments and device simulations the lateral indium mole fraction variations in the quantum wells were decreased, the oscillator strength was increased and the carrier injection into the quantum wells could be improved. As a first result a GaN-substrate-based current injection laser diode with emission around 440 nm and a threshold current density of ~ 10 kA/cm² is presented.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-32152
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3248
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2951
Exam Date: 18-Apr-2011
Issue Date: 1-Sep-2011
Date Available: 1-Sep-2011
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Epitaxie
Galliumnitrid
Halbleiter
Indiumgalliumnitrid
Laserdiode
Epitaxy
Gallium nitride
Indium gallium nitride
Laser diode
Semiconductor
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