Two-step MOVPE, in-situ etching and buried implantation: applications to the realization of GaAs laser diodes
| dc.contributor.advisor | Weyers, Markus | |
| dc.contributor.author | Della Casa, Pietro | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Kneissl, Michael | |
| dc.contributor.referee | Jetter, Michael | |
| dc.contributor.referee | Weyers, Markus | |
| dc.date.accepted | 2021-01-25 | |
| dc.date.accessioned | 2021-03-23T18:51:34Z | |
| dc.date.available | 2021-03-23T18:51:34Z | |
| dc.date.issued | 2021 | |
| dc.description.abstract | This work concerns the use of two-steps epitaxial growth, realized with metalorganic vapor-phase epitaxy (MOVPE), combined with in-situ etching and buried ion implantation, for the realization of GaAs-based edge emitting laser diodes, emitting in the near infrared region around 1 µm wavelength. The fabricated devices fall into two categories: tunable lasers (milliwatt range, monomodal) and high-power lasers (watt range, multimodal). In the first case, the use of multi-step epitaxy is a requisite, and the task is that of making now this kind of process feasible with GaAs-based materials, similarly to what has been realized in the past with InP-based materials in the 1.3-1.5 µm wavelength range. In the second case, a multi-step epitaxy is only an option, which can be exploited to introduce additional elements – as buried electrical and optical confinement structures – in the devices. Common for both cases is the requirement that surface contamination - particularly that due to oxygen - is removed before regrowth. This is more challenging than in the case of InP/GaInAsP structures, because here the ternary AlGaAs is used as cladding and waveguide material, and aluminum forms very strong bonds with oxygen. In turn, oxygen forms deep levels inside the bandgap which are effective non-radiative recombination centers. Thus, in-situ etching with carbon tetrabromide (CBr4) is first studied. The utilization of the in-situ etching is discussed in relation to the reduction of residual surface contamination and enabling in-situ pattern transfer. These investigations pave the way to devices based on 2-step epitaxy, combined with in-situ etching. The successful fabrication of thermally-tuned SG-DBR lasers operating around 975 nm is first described: a tuning range of 21 nm is demonstrated. The possibility of using electronic injection for the tuning (which would allow a faster wavelength shift) is then explored, and the related issues discussed. High-power broad-area lasers have also been realized, using a two-step epitaxy combined with ex-situ + in-situ etching, to create a buried, shallow “mesa” containing the active zone. This approach allows introducing lateral electrical and optical confinement, and – simultaneously - non-absorbing mirrors at the laser facets. This is reflected in performance and reliability improvements, but at the current state of development, the energy efficiency is still penalized by the two-step process with respect to a single epitaxy because of additional non-radiative recombination paths. Finally, a different strategy to create deep lateral current confinement in broad-area lasers, based on ion implantation followed by epitaxial regrowth, is presented. Implantation into the p-cladding allows the improvement of device performance and the simultaneous introduction of non-absorbing mirrors at the facets, with corresponding improvement of the reliability. Here no pre-regrowth patterning through selective wet-etching is required and no etch-stop layers are inserted, so that the optimized layer sequence can be used. Thus, this approach represents a straightforward means to improve the performance of high-power broad-area devices. | en |
| dc.description.abstract | Diese Arbeit behandelt die Verwendung von zweistufigen Epitaxieprozessen, realisiert mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), kombiniert mit in-situ-Ätzen und vergrabener Ionenimplantation, für die Realisierung von GaAs-basierten kantenemittierenden Laserdioden, die im nahen Infrarotbereich um ≈1 μm Wellenlänge emittieren. Die hergestellten Bauelemente lassen sich in zwei Kategorien einteilen: abstimmbare Laser (Milliwatt-Bereich, monomodal) und Hochleistungslaser (Watt-Bereich, multimodal). Im ersten Fall ist der Einsatz von mehrstufiger-Epitaxie eine Voraussetzung für die Realisierung der entsprechenden Bauelemente. Die Aufgabe besteht darin, solche Prozesse auch mit GaAs-basierten Materialien möglich zu machen, ähnlich wie sie bisher mit InP-basierten Materialien im Wellenlängenbereich von 1,3-1,5 μm realisiert werden. Im zweiten Fall ist eine mehrstufige Epitaxie nur eine Option, die genutzt werden kann, um zusätzliche Elemente – wie vergrabene elektrische und optische Einschlussstrukturen – in die Bauelemente einzubringen. Gemeinsam ist in beiden Fällen die Forderung, dass die Kontamination der Oberfläche - insbesondere durch Sauerstoff - vor dem Wachstum entfernt werden muss. Dies ist anspruchsvoller als bei InP/GaInAsP-Strukturen, da hier das ternäre AlGaAs als Material für Wellenleiter- und Mantelschicht verwendet wird und Aluminium sehr starke Bindungen mit Sauerstoff bildet; Sauerstoff wiederum bildet im Halbleiter tiefe Störstellen innerhalb der Bandlücke, die effektive nicht-strahlende Rekombinationszentren sind. Deswegen wird zunächst das in-situ Ätzen mit Tetrabromkohlenstoff (CBr4) untersucht. Der Einsatz des in-situ Ätzens im Zusammenhang mit der Verringerung der Oberflächen Restkontamination und der Ermöglichung der in-situ Musterübertragung ist diskutiert. Die Untersuchungen zum in-situ Ätzen ebnen den Weg zu Bauelementen, die auf 2-stufiger Epitaxie, kombiniert mit in-situ Ätzen, basieren. Die erfolgreiche Herstellung von thermisch abgestimmten SG DBR Lasern mit einem Arbeitsbereich um 975 nm wird zunächst beschrieben: ein Abstimmbereich von 21 nm wird demonstriert. Anschließend wird die Möglichkeit der Verwendung elektronischer Injektion für die Abstimmung (was eine schnellere Wellenlängenverschiebung ermöglichen würde) untersucht. Hochleistung-Breitstreifenlasern wurden ebenfalls realisiert, wobei eine zweistufige Epitaxie in Verbindung mit ex-situ + in-situ Ätzen verwendet wurde, um eine vergrabene, flache «Mesa» zu erzeugen, die die aktive Zone umfasst. Dieser Ansatz ermöglicht die Einführung eines lateralen elektrischen und optischen Einschlusses und gleichzeitig nicht-absorbierenden Spiegeln an den Laserfacetten. Dies spiegelt sich in Leistungs- und Zuverlässigkeitsverbesserungen wider, aber beim aktuellen Entwicklungsstand wird die Energieeffizienz immer noch durch das zweistufige Verfahren im Vergleich zu Wachstum in einem einzigen Schritt aufgrund zusätzlicher nichtstrahlender Rekombinationswege beeinträchtigt. Schließlich wird eine andere Strategie zur Schaffung eines tiefen lateralen Stromeinschlusses in Breitstreifenlasern vorgestellt, die auf Ionenimplantation mit anschließendem epitaktischem Überwachsen basiert. Implantation in die p-Mantelschicht ermöglicht eine Verbesserung der Ausgangsleistung und die gleichzeitige Einführung nicht-absorbierender Spiegel an den Facetten mit einer entsprechenden Erhöhung der Zuverlässigkeit. Hier ist keine Vorwachstumsstrukturierung durch selektives Nassätzen erforderlich und es werden keine Ätzstopp Schichten eingefügt, sodass die optimierten Schichtenfolgen genutzt werden können. Dieser Ansatz stellt somit einen einfachen Weg dar, die Leistungsfähigkeit von Hochleistungs-Breitstreifenlasern zu verbessern. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12694 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11494 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene | de |
| dc.subject.other | laser | en |
| dc.subject.other | semiconductor | en |
| dc.subject.other | epitaxy | en |
| dc.subject.other | MOVPE | en |
| dc.subject.other | Laser | de |
| dc.subject.other | Halbleiter | de |
| dc.subject.other | Epitaxie | de |
| dc.title | Two-step MOVPE, in-situ etching and buried implantation: applications to the realization of GaAs laser diodes | en |
| dc.title.translated | Zweistufige MOVPE, in-situ Ätzen und vergrabene Ionenimplantation: Verwendungen zur Realisierung von GaAs-Laserdioden | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Festkörperphysik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Festkörperphysik | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |