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Main Title: Metallorganische Gasphasenepitaxie und Laseranwendungen von CdSe/Zn(S,Se) Quantenpunkten
Translated Title: metal organic chemical vapor deposition and laser applications of CdSe/Zn(S,Se) quantum dots
Author(s): Engelhardt, Rolf
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals das selbstorganisierte Wachstum von CdSe Quantenpunkten (QPen) eingebettet in Zn(S,Se) Matrix mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) untersucht. Resultierend aus den Wachstumsuntersuchungen in dem CdSe/Zn(S,Se) Materialsystem konnte erstmalig mittels MOCVD ein bei Zimmertemperatur emittierender CdSe/Zn(S,Se) QP-Laser hergestellt werden. Voraussetzung für die Epitaxie der II-VI QP-Laser waren die Optimierungen der strukturellen und optischen Eigenschaften der verwendeten binären ZnSe-, ternären Zn(S,Se)- und (Zn,Cd)Se- sowie quaternären (Zn,Mg)(S,Se)-Halbleiterschichten bezüglich ihrer Epitaxieparameter. Die hohe Diffusivität des Cadmiums in den II-VI Halbleitern führt im Allgemeinen zu einer Eindiffusion des Cd schon während des Wachstums aus den (Zn,Cd)Se-Quantenstrukturen in benachbarte Schichten. Zusätzliche Wachstumsuntersuchungen an (Zn,Cd)Se/Zn(S,Se)-Übergittern zeigten aber, daß diese Cd-Interdiffusion durch die Wahl eines stöchiometrischen VI/II-Partialdruckverhältnis über der Substratoberfläche effektiv reduziert werden kann. In den mittels MOCVD gewachsenen CdSe/Zn(S,Se) QP-Schichten bilden sich die CdSe-QPe im Volmer-Weber Wachstumsmodus aus. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopieaufnahmen bestätigten, daß sich im Gegensatz zum Stranski-Krastanow Wachstum bei den III-V Halbleitern keine homogene Benetzungsschicht des CdSe auf der zum GaAs-Substrat gitterangepaßten Zn(S,Se)-Matrix ausbildet. Der Nachweis der 0-dimensionalen exzitonischen QP-Zuständen erfolgte mittels räumlich und spektral hochauflösenden Kathodolumineszenzmessungen an CdSe/Zn(S,Se) QP-Schichten mit CdSe-Schichtendicken von Sub- bis in den Monolagen (ML) Bedeckungsbereich (d = 0.5 - 3 ML CdSe). Die mittlere QP-Flächendichte betrug dabei ca. 5 x 10 11 cm -2 . Durch die Wahl der Wachstumstemperatur konnte zwischen einer monodispersiven und einer bimodalen QP-Verteilung selektiert werden. Die Eignung der CdSe QPe als effektives Gewinnmedium in einer Laserstruktur in Verbindung mit dem Konzept der exzitonischen Wellenführung wurde erfolgreich an verspannungskompensierten CdSe/Zn(S,Se)-Laserstrukturen unterschiedlicher vertikaler Kopplung demonstriert. Mit einer 16 fach gestapelten CdSe{3Å}/Zn(S,Se){50Å} QP-Laserstruktur konnte exzitonische Laseremission von den Grundzuständen des QP-Ensembles oberhalb Raumtemperatur (RT) bei Schwellwertdichten von 55 kW/cm 2 bei 300 Knachgewiesen werden. Die QP-Laserstruktur wies bei tiefen Temperaturen T ? 80 K außerordentlich niedrigere Schwellwertdichten deutlich unter 1 kW/cm 2, verbunden mit einer außerordentlich hohen Temperaturstabilität, beschrieben durch die charakteristischen Temperatur von T 0 = 750 K sowie eine extrem hohe optische Verstärkung von über g = 1.500 cm -1 auf. Anzumerken ist, daß der optische Gewinn der Laserstruktur bei RT mit g = 250 cm -1 noch das zehnfache der internen Kavitätsverlusten von a int = 19 cm -1 betrug. Diese Ergebnisse geben Anlaß zu der Hoffnung auf die kommerzielle Relevanz der II-VI Halbleiterlaser in dem schnell wachsenden Markt der im blauen und blaugrünen Spektralbereich emittieren Laserdioden.
In the framework this thesis self-organized metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) grown CdSe quantum dots (QD) embedded in Zn(S,Se) Matrix were investigated for the first time. Based on our growth investigations CdSe/Zn(S,Se) QD-laser operating at room-temperature were produced. The premise for the epitaxial growth of the II-VI QD-laser was the optimization of the structural and optical properties of the used binary ZnSe-, ternary Zn(S,Se)- and (Zn,Cd)Se layers as well as the quaternary (Zn,Mg)(S,Se) respect to there growth conditions. The known high diffusitivity of the Cd in II-VI semiconductors is responsible for the Cd interdiffusion from the (Zn,Cd)Se quantum structures into adjacent layers during the growth. Additionally growth investigations on (Zn,Cd)Se/Zn(S,Se) superlattices showed, that this Cd interdiffusion can be reduced effectively by choosing a stoichiometric VI/II partial-pressure-ratio over the substrat surface during growth. The MOCVD grown CdSe/Zn(S,Se) QD are formed in the Volmer-Weber growth modus. In contrast to the Stranski-Krastanow grown III-VI QD no evidence for a homogenous "wetting layer" were detected in high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) pictures of ultrathin CdSe layers grown on lattice matched Zn(S,Se) surfaces. The zero-dimensionally excitonic QD-states in CdSe/Zn(S,Se) QD layers with nominal CdSe-layer thickness from submonolayer (sub-ML) to the monolayer range (0.5 - 3 ML) were verified by spatial and spectral high resolution cathodoluminescence spectroscopy. The overall QD density was in the range of 5 x 10The applicability of the CdSe QD as effective gain medium in a laser structure was successful demonstrated using strain-compensated CdSe/Zn(S,Se) laser structures with different vertical coupling combined with the concept of excitonic waveguide. Excitonic laser emission from ground states of the QD ensemble of a 16 fold stacked CdSe{3Å}/Zn(S,Se){50Å}QD laser structure were achieve above room temperature. The threshold density were 55kW/cm 2 at 300 K. At low temperature T ? 80 K the laser structure had an extremely low threshold density below 1 kW/cm 2, high optical gain of g = 1.500 cm -1 combined with an extremely high temperature stability, as described by the critical temperature of T 0 = 750 K. We have to note, that the optical gain at room temperature with g = 250 cm-1 was at least ten times larger than the internal cavity losses of aint = 19 cm -1 This results add confidence to the commercial pertinence of the II-VI semiconductor in the fast-growing market of the blue and blue-green emitting laser diodes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-590
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/454
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-157
Exam Date: 24-Jan-2000
Issue Date: 17-May-2000
Date Available: 17-May-2000
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): CdSe
II-VI Halbleiter
Laser
MOCVD
Quantenpunkte
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