Dissertation
GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen
(Physikalische Grundlagen, epitaktische Herstellung und Charakterisierung)
Abstract
Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse.
Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik.
Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen.
Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter.
Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen.
Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen.
Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt.
Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert.
Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte.
Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.
Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik.
Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen.
Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter.
Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen.
Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen.
Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt.
Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert.
Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte.
Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.
Compound semiconductors have continued to arouse great interest, particularly in the field of optoelectronics and in general of telecommunication devices, where III-V compound semiconductors have been used as light sources as well as receivers in high capacity optical communication systems. InP-based materials in particular became fundamental for optoelectronic applications in the 1.3-1.55 mm wavelength region. InGaAsP/InP material system has been extensively investigated for long-wavelength lasers. This material system opens up many applications in the area of telecom, datacom and optical sensorics.
This thesis presents the GaInAsP/InP-based epilayers design, growth, characterization and device fabrication for optoelectronic applications. The main emphasis of the work was GaInAsP/InP-based epilayers growth and optimization using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) systems. In this work, a systematic structural design procedure and tailored epilayer structures which provide clear guidelines in the device design. Experiments were carried out to characterise material quality, and characteristic of the devices.
Based on the optimized epilayer parameters a Fabry-Perot filter structures was fabricated. The filter consists of multiple InP membranes and air-gaps. An electro-mechanical actuation is possible. The GaInAs(P) material is used as a sacrificial layer of just several hundred nanometers and has to be removed by using highly selective etching procedures. It determines the quality of the InP interface layer and the cavities and therefore the mechanical stability of the system. The filter is designed for a wavelength of 1550 nm and shows a tuning range of 221 nm. This value has been obtained by developing and using a consistent model of all strain parts and the optimised strain control during the epitaxial process. This device is promising for usage in the field of optical communication like wavelength division multiplexing (WDM) applications.
Additionally another resonator structure using an asymmetric coupled quantum well (ACQW) in the optical active region has realised and characterised to evaluate the potential for high broadband emission and to compare with other designs. An edge emitting super luminescent light emitting diode design has been used. The gain curve shows a FWHM of 100 nm and is nearly independent from the injection current (between 200 and 500 mA). This is a major advantage compared with other layer structures of the active region. The quantum mechanical principles especially the coupling of the wave functions regarding the asymmetric quantum wells were analyzed.
In summary, the presented results concerning methods, materials and devices have high importance for the fundamental mechanical, optical and quantum mechanical principles of the optoelectronic device physics due to their conceptual design and careful experimental results. The GaInAsP material has high potential for novel resonator structures. Moreover, the shown concepts for resonators are highly useful for both, fundamental research and future technological applications.
This thesis presents the GaInAsP/InP-based epilayers design, growth, characterization and device fabrication for optoelectronic applications. The main emphasis of the work was GaInAsP/InP-based epilayers growth and optimization using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) systems. In this work, a systematic structural design procedure and tailored epilayer structures which provide clear guidelines in the device design. Experiments were carried out to characterise material quality, and characteristic of the devices.
Based on the optimized epilayer parameters a Fabry-Perot filter structures was fabricated. The filter consists of multiple InP membranes and air-gaps. An electro-mechanical actuation is possible. The GaInAs(P) material is used as a sacrificial layer of just several hundred nanometers and has to be removed by using highly selective etching procedures. It determines the quality of the InP interface layer and the cavities and therefore the mechanical stability of the system. The filter is designed for a wavelength of 1550 nm and shows a tuning range of 221 nm. This value has been obtained by developing and using a consistent model of all strain parts and the optimised strain control during the epitaxial process. This device is promising for usage in the field of optical communication like wavelength division multiplexing (WDM) applications.
Additionally another resonator structure using an asymmetric coupled quantum well (ACQW) in the optical active region has realised and characterised to evaluate the potential for high broadband emission and to compare with other designs. An edge emitting super luminescent light emitting diode design has been used. The gain curve shows a FWHM of 100 nm and is nearly independent from the injection current (between 200 and 500 mA). This is a major advantage compared with other layer structures of the active region. The quantum mechanical principles especially the coupling of the wave functions regarding the asymmetric quantum wells were analyzed.
In summary, the presented results concerning methods, materials and devices have high importance for the fundamental mechanical, optical and quantum mechanical principles of the optoelectronic device physics due to their conceptual design and careful experimental results. The GaInAsP material has high potential for novel resonator structures. Moreover, the shown concepts for resonators are highly useful for both, fundamental research and future technological applications.
Citation
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Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente. Compound semiconductors have continued to arouse great interest, particularly in the field of optoelectronics and in general of telecommunication devices, where III-V compound semiconductors have been used as light sources as well as receivers in high capacity optical communication systems. InP-based materials in particular became fundamental for optoelectronic applications in the 1.3-1.55 mm wavelength region. InGaAsP/InP material system has been extensively investigated for long-wavelength lasers. This material system opens up many applications in the area of telecom, datacom and optical sensorics. This thesis presents the GaInAsP/InP-based epilayers design, growth, characterization and device fabrication for optoelectronic applications. The main emphasis of the work was GaInAsP/InP-based epilayers growth and optimization using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) systems. In this work, a systematic structural design procedure and tailored epilayer structures which provide clear guidelines in the device design. Experiments were carried out to characterise material quality, and characteristic of the devices. Based on the optimized epilayer parameters a Fabry-Perot filter structures was fabricated. The filter consists of multiple InP membranes and air-gaps. An electro-mechanical actuation is possible. The GaInAs(P) material is used as a sacrificial layer of just several hundred nanometers and has to be removed by using highly selective etching procedures. It determines the quality of the InP interface layer and the cavities and therefore the mechanical stability of the system. The filter is designed for a wavelength of 1550 nm and shows a tuning range of 221 nm. This value has been obtained by developing and using a consistent model of all strain parts and the optimised strain control during the epitaxial process. This device is promising for usage in the field of optical communication like wavelength division multiplexing (WDM) applications. Additionally another resonator structure using an asymmetric coupled quantum well (ACQW) in the optical active region has realised and characterised to evaluate the potential for high broadband emission and to compare with other designs. An edge emitting super luminescent light emitting diode design has been used. The gain curve shows a FWHM of 100 nm and is nearly independent from the injection current (between 200 and 500 mA). This is a major advantage compared with other layer structures of the active region. The quantum mechanical principles especially the coupling of the wave functions regarding the asymmetric quantum wells were analyzed. In summary, the presented results concerning methods, materials and devices have high importance for the fundamental mechanical, optical and quantum mechanical principles of the optoelectronic device physics due to their conceptual design and careful experimental results. The GaInAsP material has high potential for novel resonator structures. Moreover, the shown concepts for resonators are highly useful for both, fundamental research and future technological applications. open access Physikalische Grundlagen, epitaktische Herstellung und Charakterisierung Hasse, Andreas Kassel, Universität, FB 18, Naturwissenschaften, Institut für Physik Hillmer, Hartmut (Prof. Dr.) Reithmaier, Johann Peter (Prof. Dr.) 61.82.Fk MOCVD-Verfahren Galliumarsenid-Bauelement MEMS Mikrooptik Quantenwell 2006-10-25 </resource>
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