Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-693
Main Title: Metalorganic Chemical Vapor Deposition of High-Performance GaAs-Based Quantum-Dot Lasers
Translated Title: Metallorganische Gasphasenepitaxie GaAs-basierter Quantenpunktlaser hoher Güte
Author(s): Sellin, Roman
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: 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.
In this work, Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) of novel GaAs-based semiconductor laser structures with self-organized InGaAs/GaAs Stranski-Krastanow quantum dots (QDs) as active medium was advanced with regard to the laser characteristics. The three-dimensional morphology of self-organized QDs leads to a significant roughening of thin cap layers on top of QD sheets. Smoother QD cap layers are required, however, to reduce the distance between stacked QD layers and thus to increase the QD volume density for larger modal gain of QD lasers. Hence, the growth of QD lasers was complemented by an in-situ annealing step flattening such corrugated surfaces. The strain of lattice-mismatched self-organized QDs and the untypically low QD deposition temperatures around 500°C lead to dislocations and point defects in QD heterostructures. The density of such defects was strongly reduced by in-situ annealing. Lasers with in-situ annealed QDs exhibit room-temperature transparency current densities around 6 A/cm^2 per QD sheet at emission wavelengths between 1.14 and 1.16 µm. The internal quantum efficiency was increased to beyond 90%. Lasers based on 6-fold stacks of such in-situ annealed QDs show room-temperature peak output powers of 11.7 W in quasi-continuous-wave mode and 4.7 W under continuous-wave operation. This was the first demonstration of optical output powers of QD lasers beyond 10 W. The characteristics of such QD lasers did not exhibit significant changes during lifetime measurements of more than 3000 h at 50°C and output powers of 1.0 - 1.5 W. Arsine, widely used as arsenic precursor in MOCVD, is strongly toxic and was therefore replaced in the course of this work by the alternative precursor tertiarybutylarsine (TBAs). The growth of QDs had to be recalibrated as the physical and chemical properties of TBAs differ from those of arsine. The worldwide first QD laser grown using alternative-precursor MOCVD could be demonstrated. Different techniques to grow QDs emitting at the commercially important data communication wavelength of 1.3 µm were developed and evaluated. Such QD structures were investigated using photoluminescence spectroscopy and transmission electron microscopy. Using InGaAs QDs overgrown with gallium-rich InGaAs quantum films, the room-temperature lasing wavelength could be extended to 1.24 µm. The growth of laser structures for the fabrication of QD-based surface emitting lasers (VCSELs) with Al(Ga)Ox/GaAs oxide mirrors and nine-fold stacks of InGaAs/GaAs QDs as active region was implemented. A VCSEL with a 3.5 µm aperture and four top-mirror pairs exhibited a maximum output power of 0.68 mW at 1.1 µm, a threshold current of 280 µA, and a differential efficiency of 43%.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-5940
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/990
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-693
Exam Date: 2-Jul-2003
Issue Date: 29-Sep-2003
Date Available: 29-Sep-2003
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Defektreduzierung
GaAs
Laser
MOCVD
Quantenpunkte
VCSEL
Defect reduction
GaAs
Laser
MOCVD
Quantum dots
VCSEL
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