title: Optimization of Ga(NAsP) based heterostructures on Si-substrate for laser applications
title: Optimierung Ga(NAsP)-basierender Heterostrukturen auf Si-Substrat für Laseranwendungen
Creators: name: Zimprich, Martin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: MOCVD-Verfahren , Röntgendiffraktometrie
(BGa)P, (BGa)(AsP)
Durchstrahlungselektronenmikroskopie
Photolumineszenz , Photolumineszenzspektroskopie
silicon photonics
Laser ,
Ga(NAsP)
Physik
integrierter Halbleiterlaser
OEIC
Tempern

description: Zielsetzung der vorliegenden Arbeit
      war die Optimierung Ga(NAsP)-basierter Laserstrukturen auf
      Si-Substrat und der dafür erforderlichen Materialien. Die
      maximale Betriebstemperatur solcher Strukturen lag bisher bei
      160 K, jedoch wird durch Steigerung der Effizienz ein
      Betrieb bei Raumtemperatur angestrebt. Die Betrachtung der
      Prozessierung zeigte ein Optimierungspotenzial auf, das eine
      größere Homogenität der elektrischen und optischen Kennlinien
      entlang eines Laserbarrens ermöglicht. Durch eine verbesserte
      Spaltprozedur mit Spalten über einer Glasfaser konnte die
      Qualität der Laserfacetten gesteigert werden. Aus
      Unter­suchungen des Kontaktwiederstandes konnte geschlossen
      werden, dass die Kontaktierung einer (BGa)P-Schicht mit dem
      n-Kontakt schlecht reproduzierbare Ergebnisse liefert. Durch
      Einführung einer verbesserten Ätzprozedur konnte die
      Homogenität der elektrischen Kennlinie entlang eines
      Laserbarrens erheblich verbessert werden. Da die Bestimmung
      von Komposition und Wachstumsrate der verwendeten
      Mischkristalle nicht trivial möglich ist, wurde eine
      Abschätzung der Genauigkeit unterschied­licher
      Charakterisierungsmethoden angestrebt. Der Schwerpunkt lag
      bei der Charakterisierung des aktiven Materials Ga(NAsP)
      mittels hochauflösender Röntgenbeugung (XRD) sowie
      Transmissionselektronen­mikroskopie (TEM). Da
      Materialkomposition und Schichtdicke einen Einfluss auf die
      Photolu­mineszenz (PL) ausüben, wurde mithilfe eines
      theoretischen Modells die zu erwartende Wellenlänge der PL
      errechnet. Der bei der Ermittlung der Materialkomposition zu
      erwartende Fehler konnte abgeschätzt werden. Die Bestimmung
      der Schichtdicke und somit der Wachstumsrate erfolgte
      erstmals sowohl mittels TEM als auch mittels XRD, sodass
      entsprechende Abweichungen quantifiziert werden konnten. Zur
      Optimierung der elektrischen Injektion wurde eine
      umfangreiche Charakteri­sierung aller stromführenden
      Schichten vorgenommen. Insbesondere für
      (BGa)(AsP):Te-Schichten konnte bei einer Messung nach der
      van-der-Pauw Methode eine unerwartet niedrige Leitfähigkeit
      gemessen werden. Es konnte ein deutlicher positiver Effekt
      von thermischem Ausheizen (Annealing) auf Leitfähigkeit und
      Ladungsträgerdichte an diesen Schichten nachgewiesen werden.
      Als alternative Methode zur Bestimmung von Schicht- und
      Kontaktwiderstand kam die Transferlängen-Methode (TLM) zum
      Einsatz. Der Gesamtwiderstand einer kompletten Laserstruktur
      konnte mit Hilfe der Beiträge der einzelnen Schichten
      erfolgreich abgeschätzt werden. Die Auswertung mehrerer
      Annealing-Prozeduren in einem eigens dafür konzipierten
      schnellen Ausheizofen (RTA) ermöglichte ein optimiertes
      Annealing. Mit Hilfe von TEM-Aufnahmen wurden erstmals durch
      die Annealing­-Prozedur induzierte Defekte im aktiven
      Material beobachtet. Zusammen mit den Ergebnisse weiterer
      Charakterisierungsmethoden muss eine Ausdiffusion von As aus
      den Ga(NAsP)-Schichten angenommen werden. Die zuvor
      entwickelten Ansätze zur Optimierung von Laserstrukturen
      wurden abschließend durch Messung der EL an kompletten
      Laserstrukturen geprüft. Es konnten keine Verlustprozesse
      gefunden werden, die speziell im Falle elektrischer Injektion
      die Leistungsfähigkeit einer Laserstruktur begrenzen.
      Verbesserte Annealing-Prozeduren ermöglichten die Steigerung
      der Elektrolumineszenz um den Faktor 2,6. Es konnte ein
      deutlicher Zusammenhang zwischen der Spannung U0, ab der ein
      signifi­kanter Pumpstrom durch eine Laserstruktur fließt, und
      der Dicke sowie der Zusammen­setzung von Bor-haltigen
      Schichten in der Struktur hergestellt werden. Durch Variation
      von Dicke und Zusammensetzung von (BGa)(AsP) konnte die
      elektrische Kennlinie der Strukturen wesentlich verbessert
      werden, sodass die Spannung U0 um bis zu 7 V und der
      differentielle Widerstand Rdiff um bis zu 2,6 Ω gesenkt
      werden konnten. Gegenüber nicht optimierten
      Vergleichsstrukturen konnte die optische Effizienz um einen
      Faktor 1,6 gesteigert werden. Dieses Verhalten kann als Beleg
      dafür gewertet werden, dass der Einbau einer
      (BGa)(AsP)-Schicht in eine Laserstruktur zur Ausbildung einer
      Raumla­dungszone in Sperrrichtung führt. Um einen
      mangelhaften elektrischen Ladungsträgereinschluss als Ursache
      für eine geringe strahlende Effizienz unter elektrischer
      Injektion auszuschließen, wurden Strukturen mit modifizierten
      Hetero-Offsets konzipiert und untersucht. Die Interpretation
      von PL- bzw. EL-Spektren lieferte keine Hinweise auf einen
      schlechten elektrischen Einschluss für eine
      Ladungsträgerspezies. Insgesamt konnten die
      Elektrolumineszenz der betrachteten Laserstrukturen deutlich
      verbessert und Verlustprozesse minimiert werden. Darüber
      hinaus erlaubt die erhebliche Verbesserung der notwendigen
      Charakterisierungsmethoden nunmehr verlässlichere Aussagen
      über die Beschaffenheit der betrachteten Strukturen. Es
      konnten Vorschläge zur weiteren Verbesserung der elektrischen
      Kennlinie erarbeitet werden, insbesondere durch eine
      optimierte n-Dotierung von (BGa)(AsP).
description: It was the objective of this work,
      to optimize Ga(NAsP)-Laser structures on Si-substrate and the
      materials required for their growth. An improvement of
      optical efficiency as well as laser operation at higher
      temperatures were expected. Up to now, laser operation for
      Ga(NAsP)/Si has been limited to temperatures below
      160 K, but operation at room-temperature is desired. The
      inspection of laser processing showed a potential for
      optimization. An improved procedure for processing yields
      structures with an enhanced homogeneity of electrical and
      optical characteristic lines across an entire laser bar. The
      quality of laser facets was improved by application of an
      advanced cleaving procedure. The homogeneity of the
      electrical characteristic lines across a laser bar turned out
      to be not satisfactory. The contact resistivity suffered from
      poor reproducibility due to heavy lateral fluctuations in
      thickness of the (BGa)P layer. An improved etching procedure
      has been introduced, so that the n-contacts are deposited
      directly onto silicon and the homogeneity of electrical
      characteristic lines across a laser bar has been increased.
      As the determination of composition and growth rate of the
      active material is not a trivial task, an estimation of the
      accuracy of the characterization methods available has been
      attempted. Ga(NAsP) was characterized by means of high
      resolution x-ray diffraction (XRD) and transmission electron
      microscopy (TEM). As it is known that material composition
      and quantum well (QW) thickness both have an influence on the
      photoluminescence (PL)-signal, a theoretical approach for the
      prediction of PL for various material composition has been
      discussed. The error in determination of the material
      compositions has been estimated. It was possible to quantify
      the resulting deviations between thickness determination
      using TEM and XRD. In order to optimize the electrical
      injection, an extensive characterization of all the
      conducting layers has been performed. Especially for
      (BGa)(AsP):Te layers the van-der-Pauw method yielded a
      surprisingly low conductivity. A significantly positive
      effect of thermal annealing on conductivity and carrier
      concentration has been observed on tellurium doped boron
      containing layers. As an alternative method for determination
      of layer resistivity, the transfer length method (TLM) was
      used. The results allowed to estimate the overall electric
      resistivity of a laser structure. An optimized annealing
      procedure using a rapid thermal annealer (RTA) has been
      defined by comparison of a set of different procedures. A
      clearly positive effect of the RTA procedure in comparison to
      a procedure using the MOVPE reactor has been observed. Using
      TEM analysis, it was possible to directly observe annealing
      induced defects in the active material for the first time.
      Together with additional characterization results, an
      diffusion of As out of the Ga(NAsP)-layer has to be assumed.
      The previously developed approaches for optimization of laser
      structures were tested using electroluminescence (EL)
      measurements on appropriate laser structures. There was no
      evidence for additional radiative loss mechanisms that have a
      negative influence on current laser structures. It has been
      demonstrated that an improved annealing procedure boosts the
      electroluminescence by a factor of 2.6. The voltage U0, which
      is the minimum voltage required for a current flow through a
      laser structure, was also subject of investigation. It has
      been proven that both the thickness as well as the
      composition of boron containing layers in the structure have
      a significant influence on U0. By variation of thickness and
      composition of the (BGa)(AsP) layers, the electrical
      charac­teristic curve has been substantially improved. U0 has
      been decreased by up to 7 V and Rdiff has been decreased
      by up to 2.6 Ω. Compared to non-optimized structures, an
      enhancement of the optical efficiency by a factor of 1.6 has
      been demonstrated. This finding gives another evidence for
      the existence of an additional depletion region within the
      laser structures, introduced by unexpected doping of a
      (BGa)(AsP) layer. To eliminate poor carrier confinement as a
      source of poor optical efficiency under electrical injection,
      structures with modified hetero-offsets have been developed
      and characterized. The interpretation of PL and EL spectra
      provided no evidence for the presence of a poor electrical
      confinement. Altogether, the electroluminescence of the laser
      structures under examination has been improved significantly
      and loss processes have been minimized. The enhancement of
      the according characterization methods yields reliable
      statements about the quality of the structures observed. In
      addition to that, it was possible to give proposals for a
      further improvement of the electrical characteristic line.
      Especially the proper n-doping of (BGa)(AsP) could lead to a
      major improvement of this predicate.