title: Wachstum und Charakterisierung von verdünnt Bismut-haltigen GaAs basierten Verbindungen für hoch effiziente infrarot Laserdioden
title: Growth and characterization of dilute bismide GaAs based alloys for high efficiency infra red laser diodes
Creators: name: Ludewig, Peter
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: MOCVD-Verfahren
Physik
infra red laser diodes
Drei-Fünf-Halbleiter
Bismut
dilute bismides
GaNAsBi
Laserdiode
Epitaxie
verdünnte Bismide
MOVPE
GaAsBi

description: A lot of energy in today's optical
      communication is wasted due to the inefficiency of
      optoelectronic devices operating at the telecommunication
      wavelength of 1.55 µm. The novel Ga(AsBi) material system is
      very promising to address this as it could enable the
      fabrication of high efficiency IR photonic devices such as
      laser diodes and EAM. In this work the growth of Ga(AsBi) and
      Ga(NAsBi) on GaAs substrates using MOVPE was investigated,
      and thereby MQW as well as bulk-like structures were
      deposited. Several growth parameters were varied
      systematically applying pulsed as well as continuous
      precursor flows. Structural analysis such as HR-XRD, AFM,
      SEM, (S)TEM of the crystals were performed and PL
      spectroscopy has been carried out. Furthermore, the first
      electrically pumped Ga(AsBi) containing laser diode was
      demonstrated. The surface of the first Ga(AsBi) samples were
      covered by metallic droplets consisting either of Ga, Bi or
      both in phase separated droplets. Drastically reducing the
      amounts of TMBi offer and carefully adjusting the TBAs/TEGa
      ratio enabled the growth of droplet free samples with
      measurable Bi fractions applying pulsed as well as continuous
      precursor flow. Bi segregates to the surface and it was found
      that the Bi incorporation depends on the Bi surface coverage
      during growth. In the case the coverage is too small, Bi only
      floats at the surface and does not get incorporated. At
      higher amounts the Bi fraction scales with the surface
      coverage up to a certain maximum and when it becomes too high
      Bi droplets begin to form. The maximum Bi fraction was found
      to increase with decreasing growth temperature that was
      varied in the range of 350 °C to 475 °C. However, at lower
      temperatures more defects occur and the precursor
      decomposition is reduced. Thus, 375 °C and 400 °C were stated
      to be most suitable for the MOVPE growth of Ga(AsBi) so far
      and maximum Bi fractions of about 7% and 5% were realized,
      respectively. The incorporation efficiency also increases
      with the growth rate and is inversely proportional to the
      TBAs/TEGa ratio within a range around unity were droplet free
      growth of Ga(AsBi) is possible. What makes the optimization
      and investigation of the growth conditions more complicated
      is that the before mentioned parameters are not independent.
      For example, the presence of Bi or the not fully decomposed
      TMBi at the surface reduces the growth rate, which is a hint
      that it hinders either the decomposition of the TEGa or its
      approach to the surface. Furthermore, lowering the growth
      temperature reduces the decomposition of the precursors and,
      hence, has an impact on the optimum TBAs/TEGa and TMBi/V
      ratios and reduces the growth rate. However, chemically
      homogenous Ga(AsBi) samples were realized and, if the
      subsequent layer was grown at temperatures as high as 625 °C,
      sharp hetero interfaces were found. The Bi floating at the
      surface acts as surfactant that quenches the unintentional C
      incorporation that usually occurs at the low applied
      temperatures in MOVPE and it reduces the point defect
      density. Hence, strong bandgap PL was found for samples that
      are grown in the regime at which the Bi saturation sets in.
      The PL peak fits perfectly to the prediction from theory with
      linewidths (FWHM) of about 80 to 90 meV that are related to
      the disorder in dilute bismides. To investigate whether the
      dilute bismides are suitable for optoelectronic devices,
      broad area Ga(AsBi) QW lasers were fabricated with Bi
      fractions of 2.2% and 4.4%. Electrical injection lasing of
      dilute bismides was demonstrated for the first time on a
      Ga(AsBi0.022) SQW laser with (AlGa)As barriers and cladding
      layers that showed room temperature lasing operation. The
      lowest achieved threshold current density of Ith=1.0 kA/cm²
      at pulsed current injection is very promising for such a new
      material system, however about 80% of Ith is lost by
      non-radiative recombination through defects. For devices with
      4.4% Bi lasing was only found at low temperatures up to 180 K
      showing the necessity of further improving the growth of
      Ga(AsBi), especially when increasing the Bi fraction. For the
      growth of Ga(NAsBi) it was stated that at constant Bi
      fraction the N fraction can easily be controlled by the UDMHy
      supply. Samples containing up to 4% Bi and N were realized,
      however, it was not possible to observe room temperature PL
      from those structures. Hence, photo reflection measurements
      were carried out, showing that at constant Bi fraction the
      bandgap reduction due to N is about 140 meV/%N confirming
      that N and Bi act independently on the band structure of
      GaAs.
description: Ein Großteil der Energie in der
      optischen Datenübertragung geht in Form von Wärme verloren,
      insbesondere auf Grund von ineffizienten optischen
      Bauelementen im Wellenlängenbereich von 1.55 µm. Der Einsatz
      des neuartigen Ga(AsBi) Halbleiters könnte die Realisierung
      von hocheffizienten optischen Bauelementen wie Laserdioden im
      infraroten Bereich ermöglichen und damit zu einer deutlichen
      Reduzierung dieser Verluste beitragen. In dieser Arbeit wurde
      das Wachstum von Ga(AsBi) und Ga(NAsBi) auf GaAs Subtraten
      mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie untersucht. Die
      abgeschiedenen Kristalle wurden strukturell mittels HR-XRD,
      AFM, SEM, (S)TEM und optisch mittels PL Spektroskopie
      charakterisiert. Darüber hinaus konnten die ersten auf
      Ga(AsBi) basierenden Laserdioden demonstriert werden. Die
      Oberflächen der Ga(AsBi) Proben waren zunächst von
      metallischen Tropfen übersät, die entweder aus Ga oder Bi
      bestanden oder aus einer Phasenseparation der beiden
      entstanden waren. Eine deutliche Reduzierung des TMBi
      Angebots und eine Feinjustierung des TBAs/TEGa Verhältnisses
      ermöglichten die Abscheidung von tropfenfreien Schichten mit
      messbarem Bi Gehalt. Es wurde festgestellt, dass Bi während
      des Wachstums an der Oberflächen segregiert und der Bi Einbau
      im Wesentlichen von der Oberflächenbedeckung abhängt. Ist
      diese zu gering, schwimmt das Bi lediglich an der Oberfläche
      auf und wird nicht in den Kristall eingebaut. Erst mit
      steigender Oberflächenbelegung kann eine lineare Abhängigkeit
      des Bi Gehalts zum angebotenen Bi festgestellt werden, wobei
      der Bi Einbau auf Grund der Metastabilität des Ga(AsBi) bei
      einem bestimmten Wert sättigt, was dann zur Bildung der
      Tropfen an der Oberfläche führt. Der maximale Bi Gehalt kann
      erhöht werden wenn die Temperatur reduziert wird. Bei
      niedrigeren Temperaturen bilden sich allerdings vermehrt
      Kristalldefekte und die Zerlegung der Precursoren ist
      geringer, sodass sich Temperaturen von 375 °C und 400 °C als
      am geeignetsten für das Wachstum von Ga(AsBi) herausgestellt
      haben. Hier wurden bisher Bi Konzentrationen von bis zu 7%
      bzw. 5% erreicht. Die Einbaueffizienz steigt ebenfalls mit
      steigender Wachstumsrate und mit sinkendem TBAs Angebot im
      Bereich des TBAs/TEGa Verhältnisses, in dem tropfenfreies
      Ga(AsBi) Wachstum möglich ist. Die Schwierigkeit bei der
      Optimierung und Untersuchung der Wachstumsbedingungen liegt
      darin, dass die zuvor genannten Parameter nicht zwingend
      unabhängig voneinander sind. So sinkt beispielsweise die
      Wachstumsrate durch die Anwesenheit von Bi oder des nicht
      vollkommen zerlegten TMBi an der Oberfläche, was darauf
      hinweist, dass entweder die Zerlegung von TEGa reduziert wird
      oder dessen Anhaftung an die Oberfläche. Darüber hinaus
      ändern sich die Zerlegungsraten der Precursoren im
      betrachteten Temperaturbereich mit der Temperatur und damit
      auch die Wachstumsrate und die optimalen TMBi/V und TBAs/TEGa
      Verhältnisse. Dennoch konnten chemisch homogene Ga(AsBi)
      Proben mit scharfen Hetero-Grenzflächen realisiert werden,
      sofern die auf das Ga(AsBi) folgende Schicht bei 625 °C
      abgeschieden wurde. Das aufschwimmende segregierte Bi agiert
      als Surfactant, was den unbeabsichtigten Einbau von C, der
      bei den tiefen Wachstumstemperaturen auftritt, unterdrückt
      und zusätzlich die Defektdichte im Kristall reduziert. Daher
      konnte insbesondere bei den Proben, die in dem
      Wachstumsregime indem die Bi Sättigung einsetzt abgeschieden
      wurden, eine starke Bandlücken PL beobachtet werden. Die
      Emissionswellenlänge zeigt dabei eine nahezu perfekte
      Übereinstimmung mit der Theorie. Die Linienbreiten liegen bei
      80 bis 90 meV, was auf die Unordnung in verdünnten Bismiden
      zurückzuführen ist. Um die Eignung von Ga(AsBi) für
      optoelektronische Bauelemente zu untersuchen wurden
      Breitstreifen Ga(AsBi) QW Laser mit Bi Konzentrationen von
      2.2% und 4.4% hergestellt. Elektrisch injizierte Verstärkung
      bei diesem Materialsystem konnte zum ersten Mal anhand eines
      Ga(AsBi0.022) SQW Lasers mit (AlGa)As Barrieren gezeigt
      werden. Die Schwellstromdichte von Ith=1.0 kA/cm² bei
      Raumtemperatur unter gepulster Stromzuführung ist
      vielversprechend für ein derartiges neues Material.
      Allerdings gehen etwa 80% des Schwellstroms durch
      nichtstrahlende Rekombination aufgrund von Defekten im
      Ga(AsBi) verloren. Laserdioden mit 4.4% Bi funktionierten
      bislang nur bei Temperaturen unterhalb von 180 K. Dies zeigt
      die Notwendigkeit die Wachtsumsbedingungen von Ga(AsBi)
      weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die
      angestrebten Bi Konzentrationen von mehr als 10%. Beim
      Wachstum von Ga(NAsBi) wurde festgestellt, dass bei
      konstanter Bi Konzentration der N Gehalt einfach über das
      UDMHy Angebot kontrolliert werden kann. Proben mit bis zu 4%
      Bi und N wurden hergestellt. Photo-Reflektionsmessungen
      zeigten, dass bei konstantem Bi Gehalt die Bandlücke um etwa
      140 meV/%N verringert wird was die Annahme, dass Bi und N
      unabhängig auf die Bandlücke von GaAs wirken,
      bestätigt.