scieee Science in your language
[en] (orig)
Oberflächenemittierende
Quantenpunktlaser:
Design, Technologie und Charakterisierung
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Friedhelm Hopfer
aus Potsdam
Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr.rer.nat.
vorgelegte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. A. Hese
Berichter/Gutachter: Prof. Dr. D. Bimberg
Berichter/Gutachter: Prof. Dr. M. Grundmann
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 7.12.2004
Berlin 2005
D 83
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurden weltweit erstmalig elektrisch gepumpte MOCVD-basierte
oberflächenemittierende InGaAs-Quantenpunkt-Laser (QP-VCSEL) realisiert, die
zudem im ungekühlten Dauerstrichbetrieb arbeiten. Die Laser besitzen Oxidspiegel
und Intrakavitätskontakte, und emittieren bei 1.1 µm. Die kleinsten gemessenen
Schwellströme waren 85 µA. Weiterhin wurden thermisch limitierte optische Aus-
gangsleistungen von 1.45 mW realisiert. Im Pulsbetrieb waren bei
6 mW nur geringe Anzeichen einer Leistungssättigung erkennbar. Die maxima-
le externe Ausbeute betrug 45 % bei einer gleichzeitigen Konversionseffizienz von
14 %. Dominierender leistungslimitierender Faktor ist die Temperaturabhängig-
keit der internen Quantenausbeute. QP-VCSEL mit 9 QP-Schichten waren im
Dauerstrichbetrieb nicht durch Gewinnsättigung verbunden mit einem räumlichen
und spektralen Lochbrennen begrenzt. Die sehr niedrigen Schwellströme basierten
neben den intrinsischen Eigenschaften der QPe auf niedrigsten optischen Verlus-
ten von 0.06 % pro Umlauf in der Kavität. Dieser Wert ist vergleichbar mit den
weltweit niedrigsten, an VCSELn jemals gemessenen Verlusten. Weiterhin wur-
den dynamische Untersuchungen durchgeführt. Diese ergaben eine maximale 3dB
Kleinsignal-Modulationsbandbreite von 2 GHz bei einer RC-Grenzfrequenz von
1.1 GHz. Die RC-Bandbreite ist hier noch durch den hohen differentiellen Wi-
derstand auf Grund des geringen Dotierniveaus dominiert. Über die Großsignal-
Modulation ergab sich eine durch Gewinnsättigung begrenzte Frequenz der Rela-
xationsoszillationen von 1.7 GHz. Es konnten weiterhin weltweit erstmalig MBE-
basierte QP-VCSEL bei 1.3 µm mit dotierten Halbleiterspiegeln demonstriert wer-
den. Die besten Laser besaßen 17 p-modulationsdotierte QP-Schichten. Es wurden
Dauerstrich-Ausgangsleistungen von 1.5 mW sowie gepulste Ausgangsleistungen
von 8 mW erzielt. Die p-Modulations-Dotierung erwies sich als Schlüssel, alle QP-
Schichten homogen zu pumpen.
Zur Realisierung der MOCVD QP-VCSEL wurde ein hochfrequenztaugliches
Design entwickelt, welches an die Anforderungen von MOCVD-QPen angepasst
ist. Im Verlauf der Arbeiten wurden verschiedene Modellierungswerkzeuge zur Si-
mulation optischer Eigenschaften entwickelt.
Das gewählte Konzept mit Oxidspiegeln und Intrakavitätskontakten erfordert
eine komplexe Prozessierung. Die VCSEL-Technologie wurde von Grund auf ent-
wickelt. Dieses umfasste die Entwicklung vieler Einzelprozesse, insbesondere der
selektiven Nassoxidation, sowie eine umfangreiche Prozess-Integration.
Teile dieser Arbeit wurden veröffentlicht in
•Quantum dots for GaAs-based surface emitting lasers at 1300 nm,M.Grund-
mann, N.N. Ledentsov, F. Hopfer, F. Heinrichsdorff,F.Guffarth, D. Bimberg,
V.M.Ustinov,A.E.Zhukov,A.R.Kovsh,M.V.Maximov,Yu.G.Musikhin,
Zh.I.Alferov,J.A.Lott,N.D.ZhakharovandP.Werner,AdvancesinSolid
State Physics (Festkörperprobleme) 39, 589 (2000)
•Long-wavelength quantum-dot lasers, M. Grundmann, N. N. Ledentsov, F.
Hopfer, F. Heinrichsdorff,F.Guffarth,D.Bimberg,V.M.Ustinov,A.E.
Zhukov,A.R.Kovsh,M.V.Maximov,Yu.G Musikhin,Zh.I.Alferov,
J. A. Lott, N. D. Zhakharov and P. Werner, Journal of Materials Science:
Materials in Electronics, vol.13, no.11, p.643 (Nov. 2002)
•Micro-Raman studies of vertival-cavity surface-emitting lasers with
AlxOy/GaAs distributed Bragg reflectors, V. A. Haisler, F. Hopfer, R. L.
Sellin, A. Lochmann, K. Fleischer, N. Esser, W. Richter, N. N. Ledentsov,
C. Möller, N. Grote, and D. Bimberg: Appl.Phys.Lett. 81 (14), 2544, Sept.
2002
•Alternative precursor growth of quantum dot based VCSELs and edge emitters
for near infrared wavelengths,I.N.Kaiander,F.Hopfer,T.Kettler,U.W.
Pohl and D. Bimberg, J. Cryst. Growth, 272, 154 (2004)
•Online control of quantum dot laser growth, U.W. Pohl, I. Kaiander, K.
Pötschke,F.Hopfer,J.-T.Zettler,D.Bimberg,Proc.16thIPRM,p.74,
May 2004, Kagoshima, p. 74 (2004)
•1.3 micron Quantum Dot Lasers grown by production-scale Molecular Beam
Epitaxy, I. L. Krestnikov, A. R. Kovsh, S. S. Mikhrin, A. V. Kozhukhov, D. A.
Livshtis,N.N.Ledentsov,Yu.M.Shernyakov,M.V.Maximov,V.M.Ustinov,
F. Hopfer, V. A. Haisler, and D. Bimberg, Compound Semiconductor Week
2004, Technical Digest
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Quantenpunkt-VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ZieleundMethodik........................... 4
2 Quantenpunkt-VCSEL Design 7
2.1 Quantenpunkt-Gewinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Maximaler modaler Gewinn einer QP-Schicht für
Kantenemitter.......................... 7
2.1.2 Ein‡uss angeregter Zustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Optische Simulation - 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Oxidspiegel ........................... 12
2.2.2 Modaler Gewinn in Vertikalemittern . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Material-Schwellgewinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.4 Optimierung der Schichtstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Optische Simulation - 3D mit CAMFR . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Entwicklung nach Eigenmoden . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Ein‡uss der Apertur auf die Modenführung . . . . . . . . . 24
2.4 Elektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 Drift-Di¤usionsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 2D-Simulation mit WIAS-TESCA ................ 29
3 Alternativ-Precursor MOCVD 35
3.1 Wachstum von InGaAs-Quantenpunkten . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Spiegel und QP-VCSEL-Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Ein‡uss von Grenz‡ächenrauigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
i
INHALTSVERZEICHNIS ii
4 Halbleiter-Prozesstechnologie 47
4.1 Einzelprozesse.............................. 47
4.1.1 Mesaätzungen.......................... 47
4.1.2 Selektive Nassoxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.3 Raman-Spektroksopie an AlxOy/GaAs-Spiegeln . . . . . . . 48
4.1.4 Ein‡uss einer SiNx-Deckschicht . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Prozessintegration............................ 54
4.2.1 Optimiertes Schema 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Maskenlayout .............................. 59
5 MOCVD QW-VCSEL 61
6 MOCVD QP-VCSEL statische Eigenschaften 64
6.1 Dreifach-QP-Stapel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Sechsfach QP-Stapel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3 Neunfach QP-Stapel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.3.1 Maximale CW-Ausgangsleistung . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.3.2 QP-VCSEL mit kleinen Aperturen . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3.3 Externe Ausbeute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.3.4 Bestimmung der internen Ausbeute und Verluste . . . . . . 77
6.3.5 Vergleich zwischen symmetrischer und asymmetrischer Kon-
taktierung............................ 80
6.4 Wärmeleitfähigkeit der Oxidspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7 MOCVD QP-VCSEL dynamische Eigenschaften 83
7.1 Kleinsignal-Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 RC-Parameter.............................. 85
7.3 Großsignal-Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8 MBE 1.3 m QP-VCSEL mit dotierten Spiegeln 90
8.1 Allgemeines ............................... 90
8.2 Wachstum, Prozessierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.3 Modulationsdotierter QP-VCSEL mit 17 QP-Schichten . . . . . . . 92
8.3.1 Struktur............................. 92
8.3.2 Charakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9 Zusammenfassung 99
A MOCVD Epitaxie-Struktur 102
Danksagung 121
Kapitel 1
Einleitung
1.1 Quantenpunkt-VCSEL
Halbleiterlaser gehören heute zu den wichtigsten Bauelementen in hochbitratigen
optischen Kommunikationsnetzen. Unter ihnen nimmt der Anteil der Ober‡ächene-
mitter jährlich superlinear zu. Getrieben vom Anwendungspotential und der Größe
des Marktes verlief die Entwicklung von VCSELn seit der ersten Demonstration
eines Dauerstrichbetriebes bei Raumtemperatur 1988 rasant [1–3]. Ihre Vorteile,
verglichen mit Kantenemittern, liegen nicht nur in den geringeren Herstellungs-
kosten und der Möglichkeit, aus ihnen Arrays zu bilden. Sie sind longitudinal
monomodig (transversal nicht immer), besitzen ein rundes Strahlpro…l und sehr
geringe Schwellströme.
Der Erfolg von Quanten…lm-VCSELn bei den Kommunikationswellenlängen
850 nm und 980 nm für Übertragungswege bis 300 m (LAN) ist in den guten Ei-
genschaften der GaAs/AlGaAs-Spiegel sowie dem Temperaturverhalten des GaAs-
Materialsystems begründet. Für mittlere Übertragungswege bis 10 km (MAN)
und Datenraten größer 2.5 Gb/s werden 1300 nm und 1550 nm benutzt. Hier do-
minieren derzeit InP-basierte monomodige Fabry-Perot-Laser sowie DFB-Laser.
In diesem Materialsystem existiert jedoch keine mit GaAs/AlGaAs-Spiegeln kon-
kurrenzfähige Spiegeltechnologie, da der maximale Brechungsindexunterschied zur
Verfügung stehender Materialien zu gering und die Wärmeleitfähigkeit darauf ba-
sierender Spiegel nicht ausreichend ist [4]. Das Bonden von Wafern mit aktiven
1
KAPITEL 1. EINLEITUNG 2
Schichten aus InGaAsP an GaAs/AlGaAs-Spiegel [5] verursacht an den Bond‡ä-
chen hohe Spannungsabfälle und ist für eine industrielle Massenfertigung ungeeig-
net. Der größte Nachteil InP-basierter VCSEL liegt in ihrer schlechten Tempera-
turstabilität [6]. Eine Zusammenfassung verschiedener Materialsysteme und ihrer
Eignung für1.3 m und 1.55 m Ober‡ächenemitter …ndet sich in [7].
Bei Verfügbarkeit können GaAs-basierte 1.3 m VCSEL den gesamten LAN-
und MAN-Bereich abdecken. Der Hauptgrund für die prognostizierte Verdrängung
von Kantenemittern sind vor allem deutlich geringere Packungs- und Integrations-
kosten. 1.3 m-VCSEL haben zudem gegenüber 850 nm VCSELn eine erhöhte
Augensicherheit infolge einer höheren kritischen optischen Leistung, und sind da-
mit auch für längere Übertragungsstrecken geeignet.
Im Jahre 2000 gelang es, GaAs-basierte VCSEL bei 1.3 m herzustellen. Diese
arbeiteten mit Quantenpunkten [8] sowie GaInNAs-Quanten…lmen [9], und besa-
ßen undotierte Spiegel. Erste GaAs-basierte 1.3 m VCSEL mit dotierten Spiegeln
wurden 2002 in [10] vorgestellt und besaßen GaInNAsSb-Quanten…lme. Inzwischen
konnten die 1.3 m-VCSEL deutlich verbessert werden [11–14]. Trotz erster schnel-
ler Erfolge des GaInNAs- sowie GaInNAsSb-Materials existieren oftmals Lebens-
dauerprobleme darauf basierender Laser, viele Entwicklungen wurden inzwischen
eingestellt. Nicht zuletzt aus diesem Grund werden 1.3 m QP-VCSEL als mög-
liche Alternative zu sticksto¤haltigen Quanten…lmlasern gesehen. Die Ausfallrate
von VCSELn ist neben anderen Ausfallmechanismen u. a. proportional zu J3.
Die Schwellströme sowie externe Ausbeuten von QP-VCSELn sind denen von N-
basierten QW-VCSELn bei 1.3 m überlegen [12]. Ein defektfreies QP-Wachstum
vorausgesetzt, könnten sich hieraus durch die geringeren Betriebsströme bessere
Lebensdauern ergeben.
Ein großer Vorteil des Quantenpunkt-Konzepts besteht darin, daßinnerhalb ei-
nes Materialsystems ein großer Emissionsbereich abgedeckt werden kann. So wur-
den GaAs-basierte Kantenemitter nahe 1500 nm unter Verwendung von metamor-
phen Pu¤erschichten realisiert [15]. Die Temperaturstabilität von p-modulations-
dotierten QP-Lasern bei 1300 nm übertri¤t die anderer Materialsysteme bei wei-
tem [16].
Derzeit wird der Standard IEEE 802.3ah “Ethernet in the First Mile” ent-
wickelt. Er sieht moderate optische Ausgangsleistungen, monomodigen Betrieb
KAPITEL 1. EINLEITUNG 3
GaAs Substrate
Quantum Dot µ-Cavity
1.75λ (n)GaAs
Metal contacts
Laser light
DBR
1.75λ (p)GaAs
GaAs
AlGaAs
Al(Ga)Ox
InGaAs
Quantum Dots
p
n
Abbildung 1.1: Schematische Darstellung eines QP-VCSELs mit Intrakavitätskontak-
ten, selektiv oxidierten Spiegeln und Oxidaperturen.
und eine bi-direktionale Datenübertragung bei 1310 nm und 1490 nm vor [14].
Ein weiterer zukünftiger Wachstumsmarkt für Ober‡ächenemitter sind optische
Inter-Chip oder Bord-zu-Bord Übertragungen in Rechnersystemen. Dabei werden
die VCSEL dicht gepackt in ein - oder zweidimensionalen Feldern angeordnet. Es
genügen Ausgangsleistungen von ca. 100 W, hier sind niedrigste Schwellströme
und minimale Wärmeentwicklung entscheidend. QP-VCSEL scheinen auf Grund
ihrer intrinsisch niedrigen Schwellströme hierfür eine ideale Lösung zu sein.
Der erste elektrisch gepumpte QP-Laser wurde 1994 realisiert [17], erste QP-
VCSEL folgten 1996. Diese waren bei 77 K optisch gepumpt [18], oder arbeiteten
im Dauerstrichbetrieb bei 20Cauf angeregten QP-Übergängen [19]. 1997 wurde
Grundzustands-Lasing im Pulsbetrieb bei 20Cund minimalen Schwellströmen
von 560 A für eine Einfach QP-Schicht erzielt [20]. Kurz darauf konnten mittels
eines Dreifach-Stapels vertikal gekoppelter QPe [21] sowie von Oxidspiegeln [22–24]
bei 20Cim Dauerstrichbetrieb Schwellströme <200 A und eine Konversionsef-
…zienz von 10 % erreicht werden [25]. In Abb. 1.1 ist das verwendete Design sche-
matisch dargestellt. Neben den Oxidspiegeln wurden Oxidaperturen zur Strom -
und optischen Indexführung [26] verwandt. Die Kontaktierung für p und n wird
direkt in die Kavität geführt. Auch in der hier vorgestellten Arbeit wird dieses
Konzept für die MOCVD QP-VCSEL benutzt.
KAPITEL 1. EINLEITUNG 4
Prinzipielle Vorteile von Quantenpunkten für ihre Verwendung in Halbleiterla-
ser sind von Bimberg et al. in [27,28], von Grundmann et al. in [29] sowie speziell
für VCSEL von Deppe in [30] zusammengefasst.
Die für QP-Kantenemitter typischen sehr niedrigen Schwellströme lassen sich
auf VCSEL nur übertragen, wenn der Schwellgewinn unterhalb des Einsetzens der
QP-Gewinnsättigung liegt. In [31] konnten für vertikal gekoppelte QPe mit einem
sehr schmalen Gewinnspektrum Schwellströme von 70 A für VCSEL mit einer
Apertur von 1 m realisiert werden.
Gelangen Ladungsträger in Quanten…lme, können sie auf Grund der hohen Be-
weglichkeit innerhalb dieser Schichten mehrere m di¤undieren. In QP-Schichten
ist dieser Vorgang durch den Einfang der Ladungsträger in die QPe unterdrückt.
Dadurch werden zum Einen nichtstrahlende Rekombinationen in Ober‡ächenzu-
ständen an Halbleiter-Luft - oder Halbleiter-Oxid-Grenz‡ächen deutlich vermin-
dert1. Zum Anderen lässt sich damit das aktive Volumen auf ein Minimum re-
duzieren. Um in VCSELn ultimativ geringe Schwellströme zu erzielen, muss das
Modenvolumen sowie das aktive Volumen reduziert und ihr Überlapp maximiert
werden. Die Strombegrenzung erfolgt durch Oxidaperturen. Das aktive Volumen
weitet sich bei Quanten…lmen bedingt durch die laterale Ladungsträgerdi¤usion
um einige m auf. Dabei werden Leckströme und optische Verluste erhöht [7],
was für Aperturen kleiner 3m bedeutsam ist. Mit QPen wird dieses jedoch
vermieden [31], [34].
Ist die QP-VSCEL Technologie hinreichend entwickelt, können darauf aufbau-
end Themen der Kavitäts-Quantenelektrodymanik, wie die Koppelung der QPe
mit den optischen Moden einer Mikrokavität, untersucht werden [35–40].
1.2 Ziele und Methodik
Alle bisher realisierten elektrisch gepumpten QP-VCSEL basierten auf MBE-Quan-
tenpunkten. In der MBE lassen sich leichter eine hohe QP-Flächendichte, eine ge-
ringe Defektdichte sowie eine geringe Anzahl In-reicher Cluster miteinander kom-
1Darauf basierend wurden optisch aktive Mikro-Mesen und photonische Kristalle gescha¤en,
bei denen durch die aktive Zone geätzt wurde [32, 33] . Für Schmalstreifen-QP-Kantenemitter
wird dieses inzwischen in der Arbeitsgruppe standardmäßig durchgeführt.
KAPITEL 1. EINLEITUNG 5
binieren. Um Laser zu realisieren, muss der aktive Bereich defekt - und cluster-
frei sein, da sonst nichtstrahlende Rekombinationen dominieren und Kristallde-
fekte im Laserbetrieb wachsen können. In der MOCVD existieren deutlich mehr
Wachstumsparameter, weshalb bisher die Realisierung von MOCVD-QP-Lasern
zeitlich verzögert zu den MBE-QP-Lasern erfolgte. Insbesondere für die VCSEL-
Herstellung mit teilweise mehreren hundert Schichten und komplexen Schichtüber-
gängen besitzt die MOCVD jedoch viele Vorteile und hat sich als Standardmethode
in weiten Bereichen der Optoelektronik etabliert.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Realisierung von elektrisch gepump-
ten, mit der Alternativ-Precursor-MOCVD hergestellten QP-VCSELn. Die Laser
sollten zudem hochfrequenztauglich sein. Das Konzept wurde zunächst bei einer
Wellenlänge der MOCVD-Laser von 1100 nm erprobt. Parallel dazu wurden ex-
plorativ MBE-basierte 1.3 m QP-VCSEL prozessiert und charakterisiert.
Für die Untersuchungen konnte auf Vorarbeiten zurückgegri¤en werden, die
bereits vom Autor in [41] entwickelt wurden. Hierunter fallen ein optisches 1D-
Programm zur Berechnung von Re‡ektionsspektren und longitudinalen Feldvertei-
lungen beliebig gegradeter Vielschichtsysteme sowie eine ortsaufgelöste Re‡ektions-
Messanordnung. Ebenso existierten bereits erste Erfahrungen in der selektiven
Nassoxidation von AlGaAs-Schichten.
Zum optischen Design der VCSEL-Schichtstruktur wurde das 1D-Programm
weiterentwickelt. Für die Vorhersage modaler Eigenschaften konnte ein vektorielles
3D-System2verwendet werden. Elektrische Eigenschaften wurden mit den ein - und
dreidimensionalen2Systemen SimWin [42] und WIAS-TESCA [43] modelliert.
Für die VCSEL-Herstellung wurden zuerst verschiedene Einzelprozesse ent-
wickelt bzw. optimiert, wie die selektive Nassoxidation oder p-Kontakt-Ätzungen
mit einer Präzision von 5-10 nm. Da für die gesamte Technologie über 50 Pro-
zesschritte notwendig sind, war für jeden Einzelschritt eine ausreichende Prozess-
Sicherheit zu garantieren. Das größte Gewicht lag jedoch in der Prozess-Integration.
Durch die Verwendung von selektiv oxidierten Spiegeln und Aperturen mußte eine
Kompatibilität nachfolgender Schritte mit den Oxid-Schichten garantiert werden.
Zuerst wurde das Laser-Design sowie die Technologie an QW-VCSELn erprobt.
Darauf aufbauend konnten MOCVD-QP-VCSEL realisiert werden. Der Herstel-
2in Zylindersymmetrie
KAPITEL 1. EINLEITUNG 6
lungsprozess wurde dabei stetig weiterentwickelt.
Die QP-VCSEL wurden hinsichtlich ihrer grundlegenden statischen und dyna-
mischen Parameter charakterisiert.
Kapitel 2
Quantenpunkt-VCSEL Design
2.1 Quantenpunkt-Gewinn
Gewinnmessungen an kantenemittierenden Strukturen ergeben für Einfachschich-
ten mit Stranski-Krastanow InAs/GaAs-Quantenpunkten einen niedrigen moda-
len Gewinn für den Grundzustandsübergang [44–46]. Dieses ist zum einen bedingt
durch den geringen Überlapp der Quantenpunkte mit der Lichtwelle, zum ande-
ren pyramidalen Quantenpunkten mit geringer Symmetrie inhärent, da auf Grund
des piezoelektrischen E¤ekts der Überlapp der Elektron- und Lochwellenfunktio-
nen verringert wird. Jedoch lassen sich wesentlich mehr QP-Schichten stapeln und
homogen pumpen als Quanten…lme, wodurch der geringe modale Gewinn einer
Einfachschicht teilweise kompensiert wird.
2.1.1 Maximaler modaler Gewinn einer QP-Schicht für
Kantenemitter
Bei Kantenemittern ergibt sich für einen Übergang vom i-ten Elektronzustand in
den j-ten Lochzustand des Quantenpunktes der maximale modale Gewinn einer
Einzelschicht entsprechend [47,48] zu
gmax
ij =
4ij
pij 2
dij
1
QD
ij
}
(")inhom;ij
ij
aNs:(2.1)
7
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 8
Abbildung 2.1: Spektrum des Maximalgewinns einer InAs/GaAs-QP-Einzelschicht.
Die gestrichelten Kurven representieren die höheren Übergänge, entnommen aus [50].
Die inhomogene Verbreiterung des Grundzustand-Übergangs beträgt 16 meV, und für
die angeregten Übergänge 23-25 meV. Weitere Parameter …nden sich in [50], Tab.1.
Er wird bestimmt durch die inhomogene Verbreiterung auf Grund der QP-Größen-
verteilung (")inhom;ij ;die Entartung des Übergangs dij (die Spinentartung wird
in QD
ij berücksichtigt), die Ober‡ächendichte der QPe Ns, die spontane strahlen-
de Lebensdauer QD
ij , sowie den modalen optischen Überlapp ij bei der Über-
gangsenergie Eij. Dabei gilt = 1= für eine lorenzförmige oder = 1=p2
für eine gaußförmige QP-Größenverteilung, ij ist die dielektrische Konstante und,
ij =hc=Eij,aist die mittlere QP-Basislänge. Die reziproke spontane Lebensdauer
ist
1
QD
ij
=8
3pij
Eij
}P
}c2
Iij;(2.2)
und wird durch das Überlappintegral der Elektron - und Lochwellenfunktionen
Iij dominiert, =e2=}cist die Feinstrukturkonstante, Pist ein Kane-Parameter
des QP-Materials. Zur Berechnung von Iij müssen pseudomorphe Verspannungen
in den QP-Pyramiden und daran gekoppelte piezoelektrische E¤ekte berücksich-
tigt werden [49]. Diese führen dazu, dass die Elektron - und Lochwellenfunktionen
in unterschiedliche Richtungen ausgedehnt werden, was deren Überlapp verklei-
nert. In Abb. 2.1 ist ein berechnetes Spektrum des modalen Maximalgewinns
(ij = 0:027) einer InAs/GaAs-QP-Schicht für den Grundzustandsübergang sowie
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 9
1.08 1.10 1.12 1.14 1.16 1.18
-35
-28
-21
-14
-7
0
7
14
21
35 A/cm2
37 A/cm2
38 A/cm2
40 A/cm2
168 A/cm2
250 A/cm2
gmod -α (cm-1)
Photon energy (eV)
3 x InGaAs/GaAs, 300 K
Abbildung 2.2: Gemessener modaler Gewinn für einen MOCVD Dreifach-QP-Stapel
in Kantenemitter-Geometrie [51]. Es wurden in den QP-VCSELn nominell identische
Quantenpunkte mit einer Flächendichte von 4*1010 cm2verwendet .
für höhere Übergänge und deren Überlagerung, entnommen aus [50], dargestellt.
Der Grundzustand (e000 !h000) besitzt das größte Überlappintegral. Auf Grund
des piezoelektrischen E¤ekts sind die angeregten Zustände in pyramidalen QPen
nicht mehr entartet. Die Überlagerung der angeregten (e010 !h010; e100 !h100
sowie e100 !h010; e010 !h100;) Übergänge liefert jedoch einen größeren Maxi-
malgewinn bei einer höheren Energie.
Im Beispiel aus Abb. 2.1 ist die Summe der inhomogenen Verbreiterung der
Übergänge kleiner als der Abstand zwischen dem Grundzustand und den angereg-
ten Übergängen.
2.1.2 Ein‡uss angeregter Zustände
Die inhomogene Verbreiterung des Grundzustandes der hier verwendeten
MOCVD-QPe beträgt (")inhom;ij = 33 meV , die Überlagerung der ersten ange-
regten Übergänge ist prinzipiell breiter. Der Abstand zwischen dem Grundzustand
und den ersten angeregten Übergängen ist 60 meV , also mit der Summe der zu-
gehörigen inhomogenen Verbreiterungen vergleichbar (siehe Kap. 3.1).
Ein an einem Dreifach-Stapel von Alternativ-Precursor MOCVD-QPen gemes-
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 10
senes modales Gewinnspektrum ist in Abb. 2.2 dargestellt [51]. Auf Grund der in-
homogenen Verbreiterung lassen sich die spektralen Bereiche des Grundzustandes
sowie der angeregten Zustände nicht deutlich trennen. Oberhalb einer Stromdichte
von 40 A/cm2beginnt der Grundzustands-Gewinn zu sättigen. Trotzdem erhöht er
sich noch mit zunehmender Anregung weiter. Bei 1.15 eV sind ab 168 A/cm2An-
sätze erster angeregter Zustände erkennbar. Der Maximalgewinn der Überlagerung
dieser Übergänge ist größer als der maximale Grundzustandsgewinn.
In der Arbeitsgruppe wurde vom M. Grundmann auf der Grundlage von 8-
Band kp-Rechnungen für die elektronische Struktur und die Oszillatorstärken
[49] sowie eines erweiterten MEM-Modells [52] für die Besetzung der Zustände
ein Gewinnmodell entwickelt [53]. Hierin wurden verschiedene Streumechanismen
zum Ladungsträgereinfang sowie zur Relaxation integriert, zusätzlich beschreibt es
eine inhomogene Verbreiterung, indem das System für QPe verschiedener Größen
innerhalb dieser Verbreiterung gelöst, und die einzelnen QPe über eine gemeinsame
Ladungsträgerdichte in der Barriere miteinander gekoppelt werden.
Ein mit diesem System berechnetes Gewinnspektrum zeigt Abb. 2.3. Die An-
regung variiert von 0.2 bis 19.7 Excitonen pro Quantenpunkt und Lebensdauer.
Es wurden hier die ersten angeregten Zustände als ein dementsprechend entarte-
ter Zustand zusammengefasst. Die Normierung erfolgte in der Art, das für den
QP-Grundzustand bei einer Befüllung mit 2 Excitonen der Gewinn eins ist. Das
Energieniveau des Resevoirs wurde auf Null gesetzt, die Lokalisierungsenergie des
Excitons im Grundzustand beträgt 215 meV, die inhomogene Verbreiterung beider
Zustände ist 30 meV, ihr Abstand beträgt 58 meV. Man erkennt, daßbei höheren
Besetzungen der Gewinn auf der höherenergetischen Flanke des Grundzustands
größer als eins wird. Mit einer QP-Flächendichte von 5E10 cm2und einer spon-
tanen Rekombinationszeit von 1 ns entspricht hier 1 X/QD/t einer Stromdichte
von 16 A/cm2je QP-Schicht, 19.7X/Qd/t analog 315 A/cm2. In VCSELn werden
im zentralen Bereich der aktiven Zone ohne weiteres Stromdichten von mehreren
kA/cm2erreicht. Der aus dem Grundustand sowie den ersten angeregten Zustän-
den resultierende Gewinn läßt sich also problemlos sättigen.
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 11
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
E2-E1= 58 meV
300 K
Excitation 0,2 - 19,7 X/QD/t
∆εinhom=30 meV
Rel. Energy (meV)
Normalized gain
Abbildung 2.3: Berechnetes 300 K QP-Gewinnspektrum für verschiedene Befüllungen
der QPe. Die inhomogene Verbreiterung beträgt 30 meV, der Abstand zwischen dem
Grundzustand sowie dem ersten angeregten Zustand ist 58 meV [51].
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 12
2.2 Optische Simulation - 1D
Optische Parameter werden eindimensional mit der Transfermatrix-Methode be-
rechnet [54], [55]. Das Grundgerüst des Programms wurde bereits in [41] entwickelt,
und in dieser Arbeit insbesondere um Gewinnberechnungen, die Berücksichtigung
von Grenz‡ächenrauigkeiten und ein Modul zur Schichtdickenkalibration erweitert.
2.2.1 Oxidspiegel
Neben den für VCSEL verbreiteten GaAs/AlGaAs-Spiegeln mit 20 -35 Paaren
wurden in dieser Arbeit AlOx/GaAs Spiegel verwendet. Die für eine geforderte
Re‡ektivität notwendige Anzahl an Spiegelpaaren hängt maßgeblich vom Index-
kontrast der verwendeten Materialien ab. Für GaAs/AlAs beträgt dieser ~0:5.
AlOxbesitzt einen Brechungsindex von 1:51:7, der Indexkontrast zu GaAs
mit nGaAs~3:5ist also nahezu 2. Demzufolge wird bereits mit vier AlOx/GaAs-
Spiegelpaaren eine Re‡ektivität >99.9 % erreicht. Diese Spiegel werden erzeugt,
indem epitaktisch gewachsene AlxGa1xAs/GaAs-Paare mit einem Al-Gehalt x >
98 % nassthermisch oxidiert werden. Dabei wird das AlGaAs zu AlOxumgewan-
delt, die Schichtdicke der Oxides ist um 5-10 % geringer als die der AlGaAs-Schicht.
Der genaue Brechungsindex und die Kontraktion hängen von der Ga-Komposition
des AlGaAs sowie den Oxidationsparametern ab [41,56–58].
Unsicherheiten bei der optischen Dicke der Oxidschichten bis zu 10 % sind
für die Resonanzwellenlänge und die Güte der Kavität vernachlässigbar, da die
Änderung der Phase der Re‡ektion bei Abweichungen von der optischen Solldicke
gering ist. Die Phasen bei der Re‡ektion am oberen und unteren Spiegel DBR1;2
gehen in die Resonanzbedingung entsprechend
2nLcav
+DBR1+DBR2= 2q; qZ;(2.3)
ein. Für einen Oxidspiegel bestehend aus 5 Paaren ist der Amplituden - und Pha-
senre‡ektionsverlauf in Abb. 2.4 dargestellt. Jedes Spiegelpaar besteht aus 10 nm
Al0:2Ga0:8As, 137 nm AlOx, 10 nm Al0:2Ga0:8As und 79 nm GaAs. Die AlGaAs-
Schichten dienen als Pu¤er, um die vertikale Oxidation des GaAs zu verhin-
dern. Das Re‡ektionsmaximum ist bei 1100 nm, der Nulldurchgang der Phase bei
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 13
1000 1200 1400 1600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1000 1100 1200 1300
0.9994
0.9996
0.9998
1.0000
Reflectivity
Wavelenght (nm)
5 pairs AlOx/GaAs DBR
1000 1200 1400 1600
-4
-2
0
2
4
Reflected field phaseφ (rad)
Wavelength (nm)
Abbildung 2.4: Amplitude und Phase der Re‡ektivität für einen 5x AlOx/GaAs-
Spiegel. Unterhalb des Spiegels be…ndet sich GaAs, oberhalb Luft.
1170 nm. Diese Abweichung liegt jedoch deutlich unter den experimentellen Schwan-
kungen, da die Oxiddicke mit der Oxidationszeit zunimmt [59], und kann vernach-
lässigt werden.
2.2.2 Modaler Gewinn in Vertikalemittern
Bei Fabry-Perot Kantenemittern ist die Kenntnis des stromdichteabhängigen Ge-
winnspektrums für die Vorhersage von Laserparametern notwendig, für Vertikale-
mitter ist jedoch der modale Gewinn bei der Resonanzwellenlänge bestimmend.
Auf Grund der kurzen Kavitätslänge bildet sich in VCSELn durch die Überla-
gerung der vor - und zurücklaufenden Felder eine ausgeprägte stehende Welle aus,
wie im Ausschnitt des longitudinalen Intensitätspro…ls in Abb. 2.5 dargestellt ist.
Der Gewinn ist proportional zur Feldintensität. Wenn beide Felder sich phasen-
richtig überlagern, kann sich die Gesamtfeldstärke verdoppeln, der Gewinn ist vier
mal so großwie für eine einzelne propagierende Welle. Da sich aber zwei Wellen
überlagerten, ist damit der Gewinn verdoppelt. Der longitudinale Verstärkungs-
faktor = 2 wird nur annähernd erreicht, wenn das aktive Medium im Intensi-
tätsmaximum liegt, bei Kantenemittern ist = 1. Für den modalen Gewinn ggilt
damit [60]
g=gmat = gmatxyz=gmatxy
La
Leff
; (2.4)
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 14
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
Field intensity (a.u.)
Longitudinal axis z (µm)
top DBR
bottom DBR QD layer
Refractice index
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
aperture
4λ cavity
Field intensity (a.u.)
Longitudinal axis z (µm)
Refractive index
Abbildung 2.5: Longitudinale Intensitätsverteilung in einer 4 Kavität, die durch
AlOx/GaAs -Spiegel begrenzt ist. Die aktive Zone besteht aus 9 QP-Schichten, welche
in 3 Gruppen verteilt sind.
gmat ist der Materialgewinn, xy ist der transversale Füllfaktor, Laund Leff sind
die Dicke der aktiven Zone und die e¤ektive Kavitätslänge. Leff berücksichtigt
den abklingenden Intensitätsverlauf in den Spiegeln:
Leff =dDBR1+Lcav +dDBR2;(2.5)
Lcav ist die Kavitätslänge, dDBR1;2sind die e¤ektiven Energie-Eindringtiefen in
die Spiegel (diese müssen nicht den Phasen-Eindringtiefen entsprechen [61]). Für
dDBR1;2ergibt sich mit dem Amplituden-Re‡exionskoef…zienten rund dem Index-
Kontrast n, [62]
dDBR
4nr: (2.6)
Innerhalb der Kavität lässt sich die Feldstärke durch eine Sinusfunktion annä-
hern, damit ergibt sich bei einer einzelnen aktiven Schicht für [63]
= 1 + cos 2kzs
sin kLa
kLa
:(2.7)
Hier ist k= 2~n= die reelle axiale Ausbreitungskonstante mit dem e¤ektiven Bre-
chungsindex des Modes ~n,zsist die Di¤erenz zwischen dem Zentrum der aktiven
Schicht und dem Maximum der stehenden Welle. Für eine dünne aktive Schicht im
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 15
Intensitätsmaximum mit kLa1ist 2. Auf Grund der Aperturschicht inner-
halb der Kavität sind nicht immer alle Intensitätsmaxima gleich hoch. Zur exak-
ten Berechnung des Schwellgewinns wird im weiteren die Transfermatrix-Methode
(TMM) angewandt. Werden dabei durchgängig komplexe Brechungsindizes in den
Propagations- und Übergangsmatrizen benutzt, wird der longitudinale Verstär-
kungsfaktor korrekt berücksichtigt [64]. Im Beispiel aus Abb. 2.5 ergibt sich damit
für 9 QP-Schichten, platziert in 3 Intensitätsmaxima, bei einer Dicke von 2 nm, und
einem Abstand von 39.5 nm zwischen den QP-Schichten innerhalb einer Gruppe
mit
=Leff
LaRLajE(z)j2dz
RLeff jE(z)j2dz (2.8)
ein Wert von = 1:55. Die e¤ektive Eindringtiefe in die Spiegel bei 1100 nm
beträgt nur dDBR 140nm, da der Indexkontrast zwischen GaAs und AlOxmit
n2sehr hoch ist. Mit einer Kavitätslänge von Lcav = 1270nm ist damit
Leff = 1550nm und z= 1:8102.
Das e¤ektive Wechselwirkungsvolumen zwischen QPen und Photonen ist nicht
genau genug bekannt, ebenso der Materialgewinn und die Bedeckung der Schicht
mit QPen. Für optische Simulationen müssen die Dicken der aktiven Schichten an-
gegeben werden, um dafür einen Material-Schwellgewinn zu ermitteln. Unsicher-
heiten im Bereich von 2-8 nm haben nur einen vernachlässigbaren Ein‡uss auf
und damit auf den modalen Gewinn g.Der im Folgenden benutzte Materialgewinn
ist damit vorerst nur als Rechengröße aufzufassen.
2.2.3 Material-Schwellgewinn
Die Transfermatrix Teines Systems ist wie folgt de…niert [65]:
"Ein
1
Eout
1#="T11 T12
T21 T22 #"Eout
2
Ein
2#:(2.9)
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 16
0100 200 300 400 500
10-7
10-5
10-3
10-1
101
103
105
107
gth=457 cm-1
9 active layer in 3 groups
7 bottom / 5 top DBR pairs
Reflectivity
Material Gain cm-1
Abbildung 2.6: Re‡ektivität eines VCSELs in Abhängigkeit des Materialgewinns bei
der Resonanzwellenlänge.
Sie beschreibt das elektrische Feld auf der linken Seite durch das Feld auf der
rechten Seite der Struktur, und lässt sich in die Streumatrix Sumformen:
"Eout
1
Eout
2#="S11 S12
S21 S22 #"E1in
Ein
2#="T21
T11 T22 T21T12
T11
1
T11 T12
T11 #"Ein
1
Ein
2#:(2.10)
Letztere beschreibt die ausgehenden Felder als Funktion der eingehenden. Eine
Formulierung der Laser-Schwellbedingung ist die Emission von Strahlung, ohne
das Strahlung in die Kavität eingeht. Für T11 !0wird dieses realisiert, es ist also
eine zweidimensionale Nullstellensuche durchzuführen:
RefT11(; g)g= 0,ImfT11(; g)g= 0:(2.11)
Da für die Re‡ektivität von beiden Seiten gilt: r12 =T21
T11 ;r21 =T21
T11 , konvergieren
an der Laserschwelle rij gegen 1bei der Resonanzwellenlänge. Diese lässt sich
leicht aus dem Re‡exionsspektrum bestimmen, wonach nun nur noch der Gewinn
variiert werden muss. Die simulierte Re‡ektivität in Abhängigkeit des Materialge-
winns für eine VCSEL-Struktur mit 9 aktiven Schichten und AlOx/GaAs Spiegeln
entsprechend Abb. 2.5 ist exemplarisch in Abb. 2.6 dargestellt. Die Dicke jeder ak-
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 17
150 200 250 300 350
10-6
10-4
10-2
100
102
104
106
internal
losses
Reflectivity
Material gain (cm-1)
# oxide DBR pairs top/bottom
10x/10x
6x/7x
7x/7x
10x/7x
Abbildung 2.7: Re‡ektivität bei der Resonanzwellenlänge in Abhängigkeit des Mate-
rialgewinns für verschiedene Spiegel.
tiven Schicht beträgt 2 nm. Die Laserschwelle wird bei einem Materialgewinn von
457 cm1erreicht. Die Re‡ektivitäten oberhalb der Schwelle sind bedeutungslos,
da ein Gewinn darüber nicht existiert.
Die gleiche Struktur wurde mit verschiedenen Spiegeln berechnet, siehe Abb.
2.7. Für 10x/10x Oxidspiegelpaare (obere/untere Paare) sind die Spiegelverluste
vernachlässigbar, der Material-Schwellgewinn entspricht damit den internen Ver-
lusten von 248 cm1. Die Abnahme der Maximalre‡ektivität hin zu höheren Spie-
gelre‡ektivitäten ist nur ein numerischer Artefakt, da die Kavitätsresonanz immer
schmalbandiger wird. Z.B. muss für einen 10x/10x-Spiegel die Resonanzwellenlän-
ge auf 1E-5 nm genau bestimmt werden. Die Material-Schwellgewinne für VCSEL
mit neun aktiven Schichten entsprechend Abb. 2.5 mit verschiedenen Oxidspiegeln
sind in Tab. 2.1 zusammengefasst. Hier wurden realistische dotierungsbedingte
Absorptionsverluste berücksichtigt.
Spiegelpaare oben/unten 3/7 4/7 5/7 6/7 7/7 10/10
Material-Schwellgewinn (cm1)3665 1045 457 321 289 248
(Tabelle 2.1: Berechneter Material-Schwellgewinn)
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 18
2.2.4 Optimierung der Schichtstruktur
Innerhalb eines Designs können folgende Größen variiert werden:
1. Anzahl und Lage der aktiven Schichten innerhalb einer Gruppe in einem
Intensitätsmaximum, Anzahl der aktiven Gruppen
2. Anzahl der oberen und unteren Spiegelpaare sowie deren Schichtfolge
3. Höhe der Dotierungen, Lage und Dicke der dotierten Schichten, Lage der
Kontakt‡ächen
4. Lage, Form und Dicke der Apertur
Hierbei müssen technologische und epitaktische Randbedingungen berücksich-
tigt werden. Je nach Anwendung unterscheiden sich die optimalen Lösungen. Ein
auf Modulation optimiertes Design wird auf Grund der hohen Dotierungen keine
niedrigsten Schwellströme liefern.
1. - 3. können eindimensional mit der TMM optimiert werden, die zu minimie-
rende Größe ist der Material-Schwellgewinn. Der Ein‡uss der Oxidapertur auf das
Modenverhalten wird in Kap. 2.3 mit einem vektoriellen 3D-Modell beschrieben.
Anzahl und Lage der aktiven Schichten
Für den in Abb. 2.5 dargestellten Laser mit 7 unteren und 5 oberen Oxid-Spiegel-
paaren sowie einer realistischen Dotierung wurde die Anzahl der QP-Gruppen zwi-
schen 1 und 4 variiert, wobei die Kavitätslänge um jeweils =2verändert wurde.
Der longitudinale Verstärkungsfaktor bleibt annähernd konstant, der Material-
Schwellgewinn halbiert sich wie erwartet beim Übergang von einer Gruppe zu
zwei und vier Gruppen entsprechend 1377 cm1, 687 cm1und 342 cm1:Verein-
fachend kann xy = 1 angenommen werden. Damit ergibt sich für den modalen
Schwellgewinn jeweils 10.4 cm1, 9.2 cm1und 7.5 cm1. Bei einer Verdopplung
der Gruppen vergrößert sich hier nur um den Faktor 1:7, da sich auch die
Kavitätslänge vergrößert.
Abb. 2.8 zeigt den Überlapp der aktiven Schicht mit der Feldintensität für
verschiedene Abstände zwischen den Schichten innerhalb einer QP-Gruppe. Alle
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 19
Abbildung 2.8: Longitudinale Intensitätsverteilung und Position der aktiven Schichten
für verschiedene Abstände innerhalb einer Gruppe.
weiteren Details der Struktur waren mit denen im oberen Beispiel identisch. Der
modale Schwellgewinn variierte nur geringfügig mit den Abständen, siehe Tab. 2.2.
Dafür unterschieden sich jedoch der Überlapp, sowie der notwendige Material-
gewinn deutlich. Aus wachstumstechnischen Gründen verwenden alle realisierten
MOCVD-VCSEL einen Abstand von 39.5 nm zwischen den 3 QP-Schichten. Dieser
Wert ergab sich durch Fits von Re‡ektionsspektren gemessen an Test-Kavitäten,
wenn für die Dicke der QP-Schichten 2 nm angenommen wird (dieses muss nicht
der tatsächlichen Gewinn-Dicke entsprechen, siehe auch Kap. zum modalen Ge-
winn). Aus Abb. 2.8 ist auch ersichtlich, daßsich die Anzahl der QP-Schichten je
Gruppe bei diesem Abstand nicht vergrößern lässt: zusätzliche Schichten würden
im Intensitätsknoten liegen und gering mit dem Feld wechselwirken.
Abstand (nm) 29.5 39.5 49.5
g(cm1)10.2 10.4 10.8
1.86 1.59 1.3
gmat(cm1)1148 1378 1712
(Tabelle 2.2)
Dotierungen, Kontaktschichten, Absorption
Dotierungen erzeugen neben der Lichtauskopplung durch die Spiegel die größten
optischen Verluste. Absorption energetisch unterhalb der Bandkante erfolgt durch
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 20
Intraband-Übergänge (indirekt durch freie Ladungsträgerabsorption FCA) sowie
Intervalenzband-Übergänge [66], [67]. Für GaAs sind die Absorptionskoe¢ zienten
annähernd linear in der Elektron - oder Lochkonzentration. Bei Löchern ergibt sich
eine 3-Abhängigkeit für aus der FCA. Für 980 nm ist
d=dp = 7cm1=1018cm3, bei 1300 nm ergibt sich d=dp = 15cm1=1018cm3,
bei 1550 nm ist d=dp = 29cm1=1018cm3[66], [68]. Für n-Dotierungen ist zwi-
schen 1 und 2 m nur gering wellenlängenabhängig (eine ebenfalls vorhandene 3-
Abhängigkeit wird erst ab 5 m signi…kant), die Literaturangaben schwanken zwi-
schen d=dn = 3:3cm1=1018cm3[68] und 6cm1=1018cm3[69]. In dieser Arbeit
wurden für 1100 nm d=dp = 12cm1=1018cm3sowie d=dn = 5cm1=1018cm3
gewählt. Entsprechende Absorptionsdaten für AlGaAs sind weitgehend unbekannt.
Da dieses bei undotierten Spiegeln nur die dünnen Aperturschichten betri¤t, wur-
den dafür die GaAs-Werte übernommen.
Zusätzlich zu den obigen Mechanismen können durch Dotierungen verursachte
DX-Zentren schmalbandig Licht absorbieren. Der Einbau der Dotieratome hängt
stark von den Wachstumsparametern ab. Dieses kann z.B. für Si-dotierte 1.3 m-
VCSEL bedeutsam sein (unverö¤entlicht).
Um den Ein‡uss der Absorption auf die optischen Verluste zu verdeutlichen,
wird der Material-Schwellgewinn für die entsprechend Abb. 2.9 bereits optimierte
dotierte Struktur mit 3 QP-Gruppen (siehe auch Anhang B) für eine identische,
aber undotierte Struktur berechnet. Die Laser besitzen eine 7/4/5-Kavität (7 un-
tere Spiegelpaare, 4Kavität, 5 obere Spiegelpaare). Auf der n-Seite wurde nur
die Kontaktschicht 1E18 cm3dotiert. Die hohen p-Dotierungen von 3E18 cm3
beschränken sich auf den oberen Bereich der p-Kontaktschicht, um ohmsche Kon-
takte realisieren zu können, sowie die Apertur, um den Spannungsabfall am linear
über 10 nm gegradeteten GaAs-Al0:9Ga0:1As-Heteroübergang zu minimieren. Für
diese dotierte Struktur ergab sich ein Material-Schwellgewinn von gmat=457 cm
1. Ohne Dotierung ergab sich gno loss
mat =209 cm1.D.h. ca. 60 % der optischen
Verluste entstehen durch Absorption. Von diesen sind 80 % durch die p-Dotierung
verursacht. Die Absorption wird minimiert, indem hoch dotierte Schichten in Be-
reiche niedriger Feldintensität gelegt werden. Um noch einen Dauerstrichbetrieb
zu gewährleisten, lassen sich die Dotierungen jedoch nicht weiter reduzieren.
Aus obiger Berechnung lässt sich die interne optische Ausbeute opt berechnen,
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 21
1.5 2.0 2.5 3.0
bottom
DBR
current
spread.
layer
p-cont.
n-cont.
etch stop
aperture
QDs
Longitudinal axis z (µm)
Field intensity (a.u.)
0
1
2
3
Refractive index
0
1
2
3
4
p, n doping E-18 cm-3
n p
Abbildung 2.9: Verteilung der Feldintensität sowie der Dotierung innerhalb einer durch
Oxidspiegel begrenzten Kavität. Der Bereich um die QPe ist undotiert.
sowie ein Maximalwert für die externe Ausbeute ext abschätzen:
ext =intopt;(2.12)
opt =gno loss
mat
gmat
:(2.13)
Für opt ergibt sich damit 46 % (9 % aus der Unsicherheit der Absorptions-
koe¢ zienten). Bei Messungen an Breitstreifen-Kantenemittern mit vergleichbaren
QP-Stapeln wurden interne Quantenausbeuten int von 92 % im Pulsbetrieb er-
mittelt [70]. Bei geringen Leckströmen sollte dieser Wert auch in VCSELn erreicht
werden, solange sich die Laser nicht zu stark aufheizen. Damit ergibt sich eine ma-
ximale externe Quantenausbeute ext von 42 %. Höhere Ausbeuten sind nur durch
geringere Re‡ektivitäten des oberen Spiegels möglich. Von 1.1 m auf 1.3 m er-
höhen sich die Absorptionsverluste ca. um den Faktor 1.5, da d=dp,d=dn sowie
die Absorptionslängen zunehmen.
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 22
2.3 Optische Simulation - 3D mit CAMFR
2.3.1 Entwicklung nach Eigenmoden
Die oben benutzte Transfermatrix-Methode setzt die Ausbreitung ebener Wellen
voraus, die in der radialen Spiegelebene unendlich ausgedehnt sind. Alle mit ihr be-
rechneten Parameter gelten für Lasermoden, die kleine Komponenten des radialen
Ausbreitungsvektors besitzen. Experimentell wird die Größe der Modes über die
Oxidapertur eingestellt (vergl. Abb. 2.9), die neben der Stromführung auch eine
laterale Indexführung erzeugt. Mit kleiner werdendem Aperturdurchmesser nimmt
die Krümmung des Modenpro…ls zu, für Aperturdurchmesser nahe der Lichtwellen-
länge im Medium kann man von dreidimensional lokalisierten Moden sprechen, die
in radialer sowie z-Richtung ähnlich ausgedehnt sind. Dabei nimmt der Anteil der
Energie innerhalb des Grundmodes, die nicht in axialer Richtung abgestrahlt wird,
zu. Ebenfalls steigen die Streuverluste auf Grund von Moden-Fehlanpassungen,
welche direkt durch die Apertur verursacht werden [71]. Der Ein‡uss einer late-
ralen Führung kann nur mit mehrdimensionalen Modellen berechnet werden. Ein
verbreitetes skalares 2D-Modell ist die e¤ektive Indexmethode von Hadley [72],
diese versagt jedoch bei dünnen Aperturen und kleinen Durchmessern. Es gibt ei-
ne Vielzahl von skalaren 2D und 3D Modellen sowie einige vektorielle 3D-Modelle.
Zur Beschreibung oben genannter E¤ekte sind jedoch nur 3D-Modelle geeignet [73].
Ein Vergleich verschiedener optischer VCSEL-Modelle …ndet sich in [74].
Im Folgenden wurde das frei verfügbare Simulationsprogramm CAMFR be-
nutzt [75,76]. Mit diesem System lassen sich in zylindersymmetrischen VCSELn
die Felder 3D vektoriell berechnen sowie optische Laserparameter bestimmen [77].
Es basiert auf der Entwicklung des Feldes nach vektoriellen Eigenmoden und er-
möglicht absorbierende Randbedingungen (PML, perfectly matched layers). Die
Entwicklung nach Eigenmoden lässt sich in VCSELn sehr e¤ektiv anwenden, da
für diese Methode die Zerlegung der Struktur in Schichten mit konstantem Bre-
chungsindex notwendig ist. Diese müssen nur in den Apertur - und Gewinnschich-
ten radial unterteilt werden, was die Gesamtzahl der Teilgebiete gering hält, siehe
Abb. 2.10.
Die Grundzüge der obigen Methode, angewandt auf zylindersymmetrische
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 23
Abbildung 2.10: Zerlegung der Struktur in z-invariante Schichten [78].
VCSEL, lassen sich verkürzt folgendermaßen beschreiben: In einem verlustfrei-
en z-invarianten Medium1existiert ein vollständiger Satz aus Eigenmoden. Jedes
elektromagnetische Feld kann durch eine im Allgemeinen unendliche Summe die-
ser Basis dargestellt werden. Sind Verluste vorhanden, ist diese Basis nicht mehr
vollständig, nach ihr entwickelte Moden beschreiben das Feld aber annähernd.
Die zweite Näherung besteht in der Annahme einer nur endlichen Summe. Je-
der Eigenmode kist durch seine komplexe Ausbreitungskonstannte ksowie seine
z-unabhängigen Feldverteilungen Ek(r; '); Hk(r; ')vollständig charakterisiert.
Details zu den Simulationen, insbesondere zur Konstruktion der Laserstruktur,
den Randbedingungen und der Konvergenz, …nden sich in [79]. Hier wurde u.A.
auch der Ein‡uss des -Faktors sowie der Kavitätslänge auf den Schwellgewinn
untersucht. Die Laser-Grundstruktur war mit der in Abb. 2.5 beschriebenen iden-
tisch (7/4/6-Kavität, 9 aktive-Schichten in drei Gruppen, siehe auch Anhang B).
Da die Verluste durch Dotierungen additiv sind und nichts am Modenverhalten
ändern, wurden sie bei diesen Rechnungen nicht berücksichtigt.
1der Brechungsindex ist unabhängig von der z-Koordinate
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 24
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Aperture thickness 40 nm
node position
|E| (a.u.)
Radial axis (µm)
r (µm)
1
2
3
4
(b)(a)
r (µm)
1
2
3
4
Aperture thickness 30 nm
node position
|E| (a.u.)
Radial axis (µm)
Abbildung 2.11: Radiale Feldverteilung für eine (a) 30 nm und (b) 40 nm dicke Apertur
in Abhängigkeit des Aperturradius. Die Mitte der Apertur befand sich im Knoten der
Feldintensität.
2.3.2 Ein‡uss der Apertur auf die Modenführung
Der Ein‡uss der Oxidapertur auf den optischen Mode hängt von der Position der
Apertur innerhalb der longitudinalen Intensitätsverteilung [80], der Aperturdicke
[72] sowie des Index-Kontrastes und damit der Breite des Stoppbandes der Spiegel
ab [81]. Mechanismen für durch Aperturen verursachte optische Verluste sind in
[82] beschrieben.
Die durch eine Apertur bedingte Wellenführung nimmt zu, je dichter diese an
einem Intensitätsmaximum der longitudinalen Feldverteilung liegt, und je dicker
sie ist. Es steigen damit aber auch Streuverluste, die sich durch eine Koppelung
des Lasermodes an ein Kontinuum von parasitären lateralen Wellenleitermoden
ergeben. Wird der Aperturradius verkleinert, reduziert sich der Modenradius nur
bis zu einer minimalen Größe. Kleinere Aperturen führen zu einer Reduktion der
Wellenführung, und damit zu einem größeren Modendurchmesser. Dieses Verhal-
ten ist in Abb. 2.11 verdeutlicht. Hier ist für zwei verschieden dicke Aperturen
die simulierte radiale Feldverteilung an der Grenz‡äche der Kavität zum oberen
Spiegel in Abhängigkeit vom Aperturradius dargestellt. Die Aperturen befanden
sich im Knoten der Feldintensität. Für eine Aperturdicke von 30 nm ist der mini-
male Modenradius 4 m (entsprechend der halben Intensität) und verändert sich
nur gering für 3 und 4 m Aperturen. Die Wellenführung verringert sich hingegen
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 25
Abbildung 2.12: Mit CAMFR berechnete Feldverteilungen für VCSEL mit Oxidspie-
geln und einer Aperturdicke von 40 nm. Die Symmetrieachse be…ndet sich am linken
Bildrand. Der Aperturradius ist 1 m (oben) und 4 m (unten). Die Apertur wurde im
Intensitätsknoten plaziert (graue Linie jeweils in Bildmitte).
bei einem Aperturradius von 2 m, was zu einem größeren Modenradius führt. Bei
einer Aperturdicke von 40 nm wird ein minimaler Modenradius von 2.7 m für
einen Aperturradius von 2 m erreicht. Die Feldverteilungen für 40 nm Aperturen
entsprechend Abb. 2.11 (b) mit den Radien 1 und 4 m sind in Abb. 2.12 gezeigt.
Die Farbskalierung lässt sich aus der im unteren Bild eingezeichneten Verteilung
für den Betrag der Feldintensität bei r=0 entnehmen. Die oberen grauen Berei-
che symbolisieren Luft, die unteren schwarzen das Substrat. Die Apertur ist als
graue Linie innerhalb der Kavität erkennbar. Die Symmetrieachse liegt am linken
Bildrand.
Die in dieser Arbeit verwendeten Aperturen besitzen eine Oxiddicke von ca.
40 nm. Diese wurden durch die Oxidation von 10 nm Al0:9Ga0:1As/10 nm AlAs
/40 nm Al0:9Ga0:1As gebildet, das Al0:9Ga0:1As oxidiert beginnend von der AlAs-
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 26
0 1 2 3 4 5 6 7
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2 Np654, 9QD layer
Tranverse mode distance (nm)
Aperture radius (µm)
Abbildung 2.13: Spektraler transversaler Modenabstand für einen QP-VCSEL in Ab-
hängigkeit des Aperturradius.
Schicht nicht vollständig vertikal durch. Die geringe Abhängigkeit der optischen
Eigenschaften vom Aperturradius für kleine Aperturen zeigt sich auch später bei
der Lasercharakterisierung. Eine indirekte Möglichkeit zur experimentellen Über-
prüfung des obigen Sachverhalts bietet der spektrale Abstand benachbarter Trans-
versalmoden. Mit kleiner werdendem Modenradius nimmt der radiale Wellenvektor
krzu, damit auch die Modenenergie und der Abstand zwischen den Moden. Im
Vorgri¤ auf Kap. 6 ist dieses für einen entsprechend der hier berechneten Struktur
realisierten QP-VCSEL in Abb. 2.13 dargestellt. Für Aperturradien kleiner 2 m
nimmt der transversale Modenabstand nicht mehr zu, in Übereinstimmung mit
den Ergebnissen aus Abb. 2.11 (b).
Der optischen Indexführung ist im realen Laser eine thermische Indexführung
überlagert, welche den Modenradius geringfügig reduziert.
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 27
2.4 Elektrische Eigenschaften
2.4.1 Drift-Di¤usionsgleichungen
Elektrische Eigenschaften in Halbleitern werden durch die Drift-Di¤usionsgleichun-
gen [83], [73] beschrieben. Diese bestehen aus der Poisson-Gleichung, sowie den
Elektronen- und Löcher- Kontinuitätsgleichungen:
r"rV=e(C+pn);(2.14)
@n
@t =1
erjn+ (GR);(2.15)
@p
@t =1
erJp+ (GR):(2.16)
Hierbei sind "die ortsabhängige Dielektrizitätskonstante, Vdas elektrostatische
Potential, nund pdie Elektronen - und Löcherdichte, Cdie Nettodotierungsdichte
C=N+
DN
Amit den ionisierten Donator - und Akzeptor-Konzentrationen N+
D
und N
A,GRist die Generations-Rekombinationsrate sowie jn,jpdie Strom-
dichtevektoren für Elektronen und Löcher. Bei Halbleiterlasern wird die Beziehung
zwischen dem elektrostatischen Potential und den Ladungsträgerdichten durch die
Fermi-Statistik beschrieben:
n=niexp [e(Vn+Vn)=kBT];(2.17)
p=niexp e(Vp+Vp)=kBT;(2.18)
niist die intrinsische Ladungsträgerkonzentration, kBdie Boltzmann-Konstante,
nund psind die Quasi-Fermipotentiale für Elektronen und Löcher. Vnund Vp
sind Bandparameter, welche die Änderung der Bandkante in Abhängigkeit der Do-
tierung, Komposition und Form der Bandstruktur berücksichtigen. Die Ladungs-
trägerdichten für Elektronen und Löcher setzen sich aus Drift- und Di¤usionskom-
ponenten zusammen:
jn=enrV+eDnrn+eDT
nrT; (2.19)
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 28
jp=eprV+eDprpeDT
prT: (2.20)
Hierbei beschreiben ; D und DTdie Beweglichkeit, den Di¤usionskoe¢ zienten so-
wie den thermischen Di¤usionskoe¢ zienten. Für die Berechnung von dünnen He-
terostrukturen müssen die Transport-Gleichungen 2.19, 2.20 zur Berücksichtigung
der thermionischen Emission, des Tunnelns sowie Mechanismen des Ladungsträ-
gereinfangs modi…ziert werden.
Für die Lösung dieses Systems wurden die Programme SimWin [42, 84] so-
wie WIAS-TeSCA [43] benutzt, in denen noch weitere hier nicht genannte E¤ek-
te berücksichtigt werden. SimWin löst die Gleichungen eindimensional. TeSCA
ist ein 2D/3D-Bauelementesimulator, in dem dieses Gleichungssystem an eine
Wärmetransport-Gleichung gekoppelt ist [85]. Zusätzlich wird das optische Feld
über eine skalare Helmholtz-Gleichung berücksichtigt, die Photonendichte ist über
eine Balance-Gleichung an das Ladungsträger-Reservoir gekoppelt [86,87]. Da die
hier implementierten Helmholtzgleichungen 2-dimensional sind, das optische Pro-
blem bei VCSELn mit kleinen Aperturen aber nicht separierbar in die radiale und
die z-Komponente ist, wurde der optische Teil deaktiviert. Neben stationären Sy-
stemen lassen sich mit TeSCA auch zeitabhängige Probleme lösen, und darüber
z.B. Modulationseigenschaften oder RC-Konstanten von Lasern simulieren.
Da hier VCSEL mit Intrakavitätskontakten benutzt werden (mit Ausnahme
der MBE-VCSEL), liegen im Strompfad nur die Heteroübergänge des zentralen,
unoxidierten Bereichs der p-Apertur sowie der aktiven Schichten. Der mit der
Apertur verbundene Spannungsabfall hat jedoch eine große Auswirkung auf den
di¤erentiellen Widerstand bei kleinen (?<10 m) Aperturen und kann den Ge-
samtwiderstand des Lasers dominieren [88]. Die Apertur besteht von oben gesehen
aus 40 nm Al0:9Ga0:1As, 10 nm AlAs und 10 nm Al0:9Ga0:1As. Um den Span-
nungsabfall an den GaAs/Al0:9Ga0:1As-Übergängen zu minimieren, wurden diese
über 10 nm linear gegradet sowie die gesamte Apertur 3E18 cm3C-dotiert. Die
umliegenden GaAs-Schichten hatten eine C-Dotierung von 1E18cm3.
Die Bandkante des Oxides wurde mit 9 eV angesetzt, der Leitungsband-O¤set
zu GaAs mit 4 eV, die Oxid-Beweglichkeit wurde Null gesetzt. Die Materialpa-
rameter und Modelle für GaAs, AlGaAs und InGaAs wurden aus [83,89–92] ent-
nommen. Grenz‡ächenrekombinationen am Halbleiter-Oxidübergang wurden nicht
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 29
Abbildung 2.14: Verteilung der Löcherstromdichte innerhalb der zylindersymmetri-
schen Struktur bei 1.8 V. Rechts im Bild ist die Dotierung gezeigt, ein positiver Wert
bedeutet n-dotiert. Die linke Ordinate bildet die Symmetrieachse.
berücksichtigt.
2.4.2 2D-Simulation mit WIAS-TESCA
Stromverteilung
Zur Übersicht über die Ladungsträgerverteilung sowie zur qualitativen Kontrolle
der Rechnungen ist der Betrag der Löcherstromdichte innerhalb einer vereinfachten
Struktur in Abb. 2.14 mit logarithmischer Farbcodierung dargestellt. Die Zylinder-
Symmetrieachse be…ndet sich auf der linken Seite bei x=0. Es wurde eine aktive
Zone oberhalb von z0.6 m angenommen, der intrinsische Bereich der Kavität
ist 1E16 cm3p-dotiert. Die Apertur be…ndet sich oberhalb von z0.8 m und
hat einen Radius von 2.5 m. Im zentralen unoxidierten Bereich besteht sie aus
AlAs. Bei z1.2 m liegt die hoch dotierte p-Kontaktschicht, der n-Kontakt erfolgt
seitlich bei z0.4 m. Die Schichtdicken entsprechen ungefähr denen eines VCSELs
mit einer 4Kavität. Als Arbeitspunkt wurde 1.8 V gewählt. Abb. 2.15 zeigt einen
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 30
Abbildung 2.15: Ausschnitt aus dem zentralen Bereich nahe der Apertur der in Abb.
2.14 dargestellten Struktur. Es sind der Betrag und die Richtung der Löcherstromdichte
(oben) sowie der Elektronstromdichte (unten) dargestellt.
Ausschnitt aus dem zentralen Bereich nahe der Apertur. Es sind oben der Betrag
und die Richtung der Löcherstromdichte, unten der Betrag und die Richtung der
Elektronstromdichte dargestellt. Die Aufweitung des Elektron - und Löcherstroms
unterhalb der Apertur ist erkennbar. Für die gleiche Struktur ist in Abb. 2.16 die
radiale Verteilung der Lochdichte exemplarisch 100 nm oberhalb der aktiven Zone
dargestellt. Dieses Pro…el unterscheidet sich jedoch an verschiedenen z-Positionen
z.T. sehr stark.
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 31
0 2 4 6 8 10
0.0
2.0x1017
4.0x1017
6.0x1017
8.0x1017
1.0x1018
p-density cm
-3
Radial axisµm
Aperture radius 2.5 µm
z=100 nm above active region
Abbildung 2.16: Radiale Verteilung der Lochdichte 100 nm oberhalb der aktiven Zone.
Di¤erentieller Widerstand
Zur Optimierung des di¤erentiellen Widerstandes wurden für ein Grunddesign
mit Intrakavitätskontakten der Aperturdurchmesser, die p-Dotierungen und die
Art der p-dotierten Heteroübergänge (diskrete Stufe, einzelne Zwischenschichten,
Rampe) variiert.
Die Rechnungen zur Auslegung der Heteroübergänge wurden jedoch eindimen-
sional mit SimWin durchgeführt, es ergaben sich die aus der Literatur bereits
bekannten Ergebnisse [84]: für p-dotierte GaAs-AlGaAs-Übergänge lässt sich der
Spannungsabfall durch ein Grading der Komposition am besten minimieren, für
n-dotierte Übergänge ist eine Zwischenschicht mit einer Al-Komposition von 28%
optimal. Sie liefert bessere Resultate als ein linear gegradeter Übergang. Dieses
war unabhängig davon, ob der Übergang modulationsdotiert war, oder die Struk-
tur konstant dotiert wurde.
Für die realisierten QP-VCSEL wurde für die Aperturen ein lineares Grading
der Al-Komposition verwandt. In den folgenden Rechnungen wurde jedoch zur Re-
duktion der Dreieckselemente bei der Diskretisierung der Struktur mittels …niter
Elemente ein diskreter Übergang angenommen. Trotz eines dem Potentialverlauf
weitgehend angepassten Gitters wurde eine schnelle Konvergenz bei geö¤neter Di-
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 32
1.0 1.2 1.4 1.6
0.0000
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
0.0025
450 Ω
113 Ω
d(Aperture) = 5 µm Rdiff~85 Ω
(1.52 V)
Current (A)
Voltage (V)
p-doping
E18 cm-3
5
3
2
1
0.5
Abbildung 2.17: Ein‡uss der p-Dotierung der oberen Apertur auf die I-U-Charak-
teristik für einen VCSEL mit Intrakavitätskontakten und einem Aperturdurchmesser
von 5 m.
ode erst mit über 60.000 Dreieckselementen erzielt.
Der di¤erentielle Widerstand wird maßgeblich durch den Durchmesser und die
Dotierung der Apertur bestimmt [64], [88]. In Abb. 2.17 ist der Widerstand ver-
schiedener VCSEL für einen Aperturdurchmesser von 5 m bei einer Variation der
Aperturdotierung dargestellt. Der Widerstand verhält sich in etwa umgekehrt pro-
portional zur Aperturdotierung: Bei p=1E18 cm3beträgt er 450 , bei p=5E18
cm3hingegen 85 . Man erkennt, daßdie Diode bei der maximalen Spannung
erst für maximale Dotierung vollständig geö¤net ist, bei den anderen Dotierungen
verkleinert sich der di¤erentielle Widerstand noch mit zunehmender Spannung.
Abb. 2.18 zeigt die I-U-Charakteristik für verschiedene Aperturdurchmesser bei
fester Aperturdotierung von p=3E18 cm3. Für einen Durchmesser von 5 m erhält
man 94 , bei 7 m hingegen nur 67 . Dieser Aperturbereich ist besonders inter-
essant, da hier für 1300 nm VCSEL die Grenze zwischen lateral monomodig und
mehrmodig liegt. Um bei größeren Aperturdurchmessern Monomodigkeit zu reali-
sieren, kann die Apertur hin zum Maximum der Feldintensität verschoben werden.
Weiterhin sind zusätzliche Mechanismen zur Modenselektion wie auf der Ober‡ä-
che be…ndliche Moden…lter möglich [93], [94]. Bei großen Aperturen verstärkt sich
das current crowding, der Ab‡uss der Ladungsträger erfolgt überwiegend am Rand
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 33
1.0 1.2 1.4 1.6
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
Aperture doping p 3E18 cm-3
Current (A)
Voltage (V)
aperture
µm
2: 208 Ω
3: 147 Ω
5: 94 Ω
7: 67 Ω
8: 57 Ω
10: 43Ω
Rdiff (1.6 V)
Abbildung 2.18: I-U-Charakteristik und di¤erentieller Widerstand für eine Apertur-
dotierung von p=3E18 cm3, in Abhängigkeit des Aperturdurchmessers.
der Aperturen. Dieser E¤ekt lässt sich durch Stromglättungsschichten unterhalb
der Kontaktschichten minimieren [64], ist aber eine prinzipielle Eigenschaft bei der
Verwendung von Intrakavitätskontakten mit einer rotationssymmetrischen Strom-
zuführung. Abhilfe kann hier eine asymmetrische Kontaktierung scha¤en. Hierfür
müssen aber die Dotierungen sehr gut bekannt sein, damit die Ladungsträger auch
im Zentrum des optischen Modes in die aktiven Schichten injiziert werden, und
nicht seitlich davon. Über das Anpassen der unterschiedlichen lateralen Abstände
der p- und n-Kontakte zur Modenmitte sowie der Dotierungen wird dieses erreicht.
In Abb. 2.19 ist indirekt der Ein‡uss der Apertur auf die laterale Homogenität
der Stromverteilung entsprechend der Daten aus Abb. 2.18 dargestellt. Bei einer
homogenen Stromverteilung müsste der di¤erentielle Widerstand umgekehrt pro-
portional zur Fläche der Apertur sein. Tatsächlich bewirken aber current crowding
und current spreading ein komplexeres Verhalten. Der e¤ektiv gepumpte Bereich
in der aktiven Zone ist bei kleinen Aperturdurchmessern deutlich größer als die
Apertur. Bei einer Apertur im Knoten der Feldintensität tri¤t dieses jedoch auch
für den optischen Mode zu.
KAPITEL 2. QUANTENPUNKT-VCSEL DESIGN 34
2 4 6 8 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1 / (Rdiff*A) (µm2 kΩ)-1
Aperture diameter (µm)
Aperture doping p: 3E18 cm-3
Abbildung 2.19: Ein‡uss des Aperturdurchmessers auf die laterale Homogenität der
Stromverteilung. Eine homogene Stromverteilung würde nahezu eine durch die Mate-
rialparameter bestimmte waagerechte Gerade ergeben. Für kleine Aperturdurchmesser
wird der di¤erentielle Widerstand maßgeblich durch den Aperturradius bestimmt.
Kapitel 3
Alternativ-Precursor MOCVD
Zu Beginn der Arbeiten wurden die Strukturen auf einer AIX200 MOCVD-Anlage
mit dem konventionellen Precursor Arsin gewachsen, und InGaAs-QW-VCSEL
mit Oxidspiegel realisiert. An ihnen erfolgte die Optimierung der Oxidationstech-
nologie sowie die strukturelle Charakterisierung von Oxidspiegeln. Alle weiteren
Wachstums-Läufe wurden auf einer neuen AIX200/4 MOCVD-Anlage unter Nut-
zung des alternativen Precursors Tertiärbutylarsin (TBAs) durchgeführt. Verant-
wortlich für die Epitaxie waren die Kollegen R. Sellin und I. Kaiander.
3.1 Wachstum von InGaAs-Quantenpunkten
Halbleiter-Quantenpunkte können sich spontan bilden, wenn wenige Monolagen ei-
ner Halbleiterschicht auf einem Substrat mit einer geringen Gitter-Fehlanpassung
abgeschieden werden. Die in dieser Arbeit verwendeten QPe wurden im Stranski-
Krastanow-Wachstumsmodus hergestellt [95]. Die Verspannungsenergie in der Epi-
Schicht auf Grund der verschiedenen Gitterkonstanten kann sich unter bestimm-
ten Umständen elastisch abbauen, indem dreidimensionale Inseln gebildet wer-
den. Dieses geschieht nur, wenn die Gesamtenergie des neu gebildeten Systems
kleiner als die eines verspannten Quanten…lms ist [96]. Es können sich beim In-
GaAs/GaAs Materialsystem aber auch viele In-reiche Cluster bilden. Um de-
fektfreie Quantenpunkt-Schichten mit einer QP-Flächendichte zwischen 1010 und
1011zu erhalten, wie sie für Laser notwendig sind, bedarf es einer sehr genauen
35
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 36
9.7 x 10 cm
10 -2
Np92
Abbildung 3.1: TEM Aufsicht-Dunkelfeldaufnahme einer defektfreien InGaAs/GaAs-
QP-Schicht mit einer QP-Flächendichte von 1011cm2.
Kontrolle der Wachstumsparameter sowie optimierter Defekt-Reduktionstechniken
[97], [98]. Die Emissionswellenlänge der InGaAs-QPe lässt sich über deren Größe,
den In-Gehalt oder das Überwachsen mit InGaAs-Quanten…lmen modi…zieren.
Durch alle Maßnahmen ändert sich immer innerhalb der QPe die Verteilung der
Komposition, der Verspannung und z.T. der Form. Alle Größen gehen in die elek-
tronische Struktur ein und bestimmen die Emissionswellenlängen der verschiede-
nen exzitonischen Übergänge sowie deren Matrixelemente [99].
Für die Realisierung erster MOCVD QP-VCSEL wurden QPe gewählt, die in
Kantenemittern die weltweit besten Ergebnisse erbrachten [100]. Abb. 3.1 zeigt die
TEM-Aufnahme einer defektfreien Quantenpunktschicht, die bei 470C gewachsen
wurde und eine QP-Flächendichte von nahezu 1011 cm2aufweist. In den VCSEL-
Strukturen wurde AFM-Messungen zufolge eine QP-Flächendichte von 4-51010 je
QP-Schicht realisiert. Die maximale Grundzustands-PL-Intensität dieser QPe liegt
bei 1.1 m. Zum Erhöhen des modalen Gewinns werden die QPe in Gruppen zu
je drei QP-Lagen gestapelt, jede Gruppe wird in ein Maximum der Feldintensität
platziert. Der Abstand zwischen den QP-Schichten in einer Gruppe sollte dabei mi-
nimal sein, für 39.5 nm ergab sich keine Verschlechterung der QP-Schichtqualität.
PL-Spektren für niedrige sowie hohe Anregungsintensitäten, gemessen an verschie-
denen QP-Stapeln, werden in Abb. 3.2 gezeigt. Bei kleinen Anregungsdichten er-
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 37
0
1x104
2x104
3x104
4x104QP low exitation
1 QD layer
3 QD layer
2x3 QD layer
3x3 QD layer
800 900 1000 1100 1200
0
1x106
2x106
3x106high exitation
PL intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
GaAs WL
QP*
Abbildung 3.2: Raumtemperatur-PL-Spektren für Anregungsdichten von 5W/cm2und
5kW/cm2, gemessen an verschiedenen Stapeln identisch gewachsener QP-Schichten [101].
Die PL-Halbwertsbreite bei niedriger Anregung ist für alle Gruppen mit (74 2) nm
nahezu konstant.
folgt die Emission aus dem Grundzustand der QPe, bei hoher Anregung emittieren
zusätzlich angeregte Zustände, es erfolgt weiterhin eine Emission aus der Benet-
zungsschicht (wetting layer) sowie der GaAs-Matrix. Eine Verschlechterung der
QP-Schichtqualität durch Stapeln würde nichtstrahlende Rekombinationszentren
erzeugen und die -PL-Intensität bei niedriger Anregung reduzieren. Dieses wird je-
doch nicht beobachtet. Ebenso bleibt die PL-Halbwertsbreite konstant und beträgt
72 2 nm. Für 2x3 und 3x3 QP-Schichten ist der Abstand der Gruppenmitten
=2n=158 nm.
3.2 Spiegel und QP-VCSEL-Strukturen
Für die Herstellung von Ober‡ächenemittern ist eine Reproduzierbarkeit der
Schichtdicken besser als 1 % sowie die sehr genaue Kalibrierung der Wachstums-
raten notwendig. Letzteres wird mit optischen Methoden durchgeführt. Zu die-
sem Zweck werden Teststrukturen bestehend aus 6 =4AlAs/GaAs-Spiegelpaaren
sowie einer zusätzlichen =4Schicht GaAs hergestellt. Von dieser Struktur wird
ortsaufgelöst das Re‡ektionsspektrum gemessen. Durch eine selektive Ätzung lässt
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 38
1000 1200 1400 1600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(b)(a) 1000 1200 1400 1600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Reflectivity
Wavelength (nm)
Np537
measurement
target simulation
Np527, thicknes calibration
Reflectivity
Wavelength (nm)
6x AlAs/GaAs+ λ/4 GaAs
5x AlAs/GaAs
Abbildung 3.3: (a) Re‡ektionsspektren einer Schichtdicken-Kalibrationsstruktur vor
und nach dem Entfernen der oberen =2GaAs- und =4AlAs-Schicht. Die dünnen
Kurven sind die Fits. (b) Re‡ektionsspektrum einer unoxidierten VCSEL-Struktur mit
7 unteren und 6 oberen Spiegelpaaren.
sich die obere =2Schicht GaAs sowie die darunter liegende AlAs-Schicht entfer-
nen. Nach erneutem Vermessen des Re‡ektionsspektrums an der gleichen Position
liegen damit zwei Spektren zur Bestimmung der GaAs- und AlAs-Schichtdicken
vor. Über die Einbettung der Transfermatrix-Methode in einen robusten Multipara-
meter-Fit [102] lassen sich damit die GaAs- und AlAs-Schichtdicken unabhängig
voneinander und mit einer Genauigkeit von bis zu 0.2% bestimmen. In Abb. 3.3
(a) sind die gemessenen und simulierten Re‡ektionsspektren für eine solche Test-
struktur vor und nach dem Entfernen der oberen Schichten dargestellt. Die in
der Simulation verwendeten Brechungsindizes sind natürlich fehlerbehaftet, damit
auch zusätzlich die eben bestimmten Schichtdicken. Solange jedoch zum Design
der VCSEL-Struktur das gleiche Brechungsindex-Modell benutzt wird [41,64,103],
ist dieser Fehler unerheblich. Das gemessene und vorher simulierte Re‡exionsspek-
trum einer unoxidierten VCSEL-Struktur ist in Abb. 3.3 (b) gezeigt.
Wie aus Abb. 3.3 (b) ersichtlich, besitzt die Kavität nach dem Wachstum nur
eine geringe Güte, mit einer Kavitätsresonanz bei 1500 nm. Da die Spiegel für eine
selektive Oxidation der AlGaAs-Schichten ausgelegt sind, stellt sich die korrekte
optische Dicke der Spiegelschichten erst nach diesem Prozess ein. Das im unoxidier-
ten Fall nicht angepasste Phasenverhalten bei der Re‡ektion führt zu einer e¤ekti-
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 39
Abbildung 3.4: Oxidationsrate von AlxGa1xAs für verschiedene Al-Kompositionen
und einer Schichtdicke von 100 nm bei einer Oxidationstemperatur von 420 C(a) sowie
für verschiedene AlAs-Schichtdicken bei 400C(b), aus [56].
ven Kavitätsverlängerung und damit zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz.
Bei der selektiven Oxidation werden die AlGaAs-Schichten im unteren und oberen
Spiegel sowie die Aperturschicht gleichzeitig oxidiert. Da die Oxidationslängen für
diese Gruppen verschieden sind, müssen drei Oxidationsraten auf ca. 10 % ge-
nau angepasst werden. Diese hängen sehr emp…ndlich von der Ga-Komposition im
AlxGa1xAs, sowie für dünne AlGaAs-Schichten von deren Schichtdicke ab, wie in
Abb. 3.4 [56] gezeigt wird. Diese Abhängigkeiten konnten hier experimentell qua-
litativ bestätigt werden. Zu diesem Zweck wurden Teststrukturen mit AlGaAs-
Schichten verschiedener Al-Kompositionen und Dicken gewachsen, daran Mesen
strukturiert und Oxidationen durchgeführt. Versuche an Spaltkanten liefern hin-
gegen reaktionskinetisch bedingt [104] fehlerhafte Ergebnisse durch eine andere
Gewichtung der Di¤usion sowie anderer Temperaturen im Vergleich zum mittle-
ren Bereich einer Probenober‡äche. Eine FE-REM-Aufnahme für einen Test zeigt
Abb. 3.5. Die dunklen Bereiche sind AlOx. Die Struktur besteht aus 2 Paaren
152 nm Al0:98Ga0:02As/ 79 nm GaAs für einen unteren Spiegel, einer Apertur
mit 10 nm Al0:9Ga0:1As/10 nm AlAs/ 40 nm Al0:9Ga0:1As sowie 6 Paaren 152
nm Al0:95Ga0:05As/ 79 nm GaAs für einen oberen Spiegel. Zwischen den AlGaAs-
und GaAs-Spiegelschichten wurden jeweils 10 nm Al0:2Ga0:8As eingefügt, die aber
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 40
Abbildung 3.5: FE-REM-Aufnahme einer Teststruktur zur Anpassung der Ga-
Komposition in den gleichzeitig zu oxidierenden AlGaAs-Schichten der Spiegel und Aper-
tur. Die dunklen Bereiche sind AlOx.
nahezu keinen Ein‡uss auf die Oxidationsraten haben. Die Oxidationszeit wird
durch die Oxidationslänge der Aperturschicht gegeben. In diesem Beispiel sind die
Oxidationsraten beider Spiegel noch zu gering. Im Gegensatz zur Schichtdicken-
kalibration muss der Ga-Gehalt im AlGaAs nicht vor jedem VCSEL-Wachstum
nachgeregelt werden, da die Komposition in der AIX200/4-Anlage sehr reprodu-
zierbar ist.
Die Querschnitts-FE-REM-Aufnahme einer VCSEL-Kavität und Teile der Spie-
gel sind in Abb. 3.6 zu sehen. AlGaAs-Schichten oxidierten für 10 Minuten an der
Luft und erzeugen dadurch einen stärkeren Materialkontrast. Im linken Bereich
der Aufnahme mit einer rauen Spalt‡äche zeichnen sich deutlich die einzelnen
QP-Schichten ab. Durch die Verspannungen in den QP-Schichten bricht der Kri-
stall hier nicht homogen, die QPe sind dann als Topologiekontrast zu erkennen.
Dieses gelingt so nicht an einer perfekten Spalt‡äche [105]. Über den gesamten
Bereich ist die obere Apertur sowie die 10 nm Al0:9Ga0:1As-Ätzstoppschicht 40 nm
unterhalb des oberen Spiegels sichtbar.
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 41
Abbildung 3.6: FE-REM-Aufnahme einer VCSEL-Kavität sowie einiger Spiegelpaa-
re. Die 9 QP-Schichten, die Aperturschichten sowie die Ätzstoppschicht unterhalb des
oberen Spiegels sind sichtbar [105].
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 42
3.3 Ein‡uss von Grenz‡ächenrauigkeiten
Optische Verluste in Spiegeln treten auf durch a) Absorption, b) Streuverluste auf
Grund gekrümmter Wellenfronten, sowie c) Streuverluste durch Grenz‡ächenrau-
igkeiten. Zur Berechnung optischer Parameter der Spiegel und Kavitäten wird die
Transfermatrix-Methode benutzt. Bei diesem eindimensionalen Modell wird das
elektromagnetische Feld durch ebene Wellen ausgedrückt. Die maximale Re‡ekti-
vität von Bragg-Spiegeln ist bei dieser Näherung durch a) und c) limitiert. Durch
Rauigkeiten kleiner 2 nm verursachte optischen Streuverluste sind für VCSEL
mit mittleren Spiegelre‡ektivitäten oftmals vernachlässigbar [106], [107]. Werden
hingegen höchstre‡ektierende Spiegel verwendet, bestehend z.B. aus fünf Paaren
AlOx/GaAs, so sind die Streuverluste mit der Transmission vergleichbar und müs-
sen berücksichtigt werden. Grenz‡ächenrauigkeiten können verursacht sein durch
1. Epitaxie: Um glatte GaAs/AlGaAs-Grenz‡ächen mit Rauigkeiten im Mono-
lagenbereich zu erhalten, müssen optimale Wachstumsbedingungen für die
jeweiligen Schichten eingehalten werden. Das Wachstum des oberen Spiegels
der QP-VCSEL kann in der MOCVD jedoch nicht bei optimalen Temperatu-
ren (700 C)durchgeführt werden: Um ein Durchmischen der QP-Schichten
und die damit verbundene Blauverschiebung der Emissionswellenlänge zu
vermeiden, werden die Schichten oberhalb der QPe bei 625 Cgewachsen. In
Abb. 3.7 ist der resultierende Unterschied in der Grenz‡ächenmorphologie
sichtbar: (a) zeigt für den unteren Spiegel Monolagenstufen, die Rauigkeit
bei (b) ist im nm-Bereich mit einer RMS-Rauigkeit von = 0:4nm. Das
Stapeln von vielen QP-Schichten (bisher MOCVD: 9, MBE: 17) kann trotz
Glättungsprozeduren zu einer Verschlechterung der Schichtmorphologie für
die oberen QP-Schichten führen. Die folgenden Grenz‡ächen lassen sich wäh-
rend des Wachstums des oberen Spiegels glätten. Jedoch sind die der Kavität
nächsten Spiegelpaare am bedeutsamsten.
2. Selektive Oxidation: Die Struktur des gebildeten Oxids ist nicht homogen
über die Schichtdicke, sondern tritt in verschiedenen Phasen auf. Diese un-
terscheiden sich nicht nur in der Morphologie, sondern z.T. auch in der
chemischen Zusammensetzung. Im Inneren der Schicht entsteht eine porö-
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 43
(a) (b)
Abbildung 3.7: Ober‡ächen-AFM-Aufnahmen von 6-fachen Al0:98Ga0:02As/GaAs-
DBRs mit optimierten Wachstumsparametern für untere (a) und obere (b) Spiegel. Die
Wachstumstemperaturen betrugen 700 C(a) sowie 625 C(b). In beiden Spiegeln wur-
den 20 nm Al0:2Ga0:8As Pu¤erschichten zwischen GaAs und Al0:98Ga0:02As eingefügt,
welche für die spätere Oxidation der Spiegel notwendig sind [108].
se Al2O3-Phase mit einer Korngröße von 4 nm [109]. Diese ist umrandet
von einer Übergangsschicht, die dicker als 10 nm ist. Die genaue Dicke die-
ser Schicht hängt vom AlGaAs/GaAs-Übergang sowie den Oxidationsbedin-
gungen ab. Zusätzlich können bei einer zu langen Oxidation und fehlenden
Pu¤erschichten zwischen GaAs und dem zu oxidierenden AlGaAs die an-
grenzenden GaAs-Schichten vertikal oxidieren. Dieses lässt sich durch eine
Optimierung der Schichtstruktur sowie des Oxidationsprozesses vermeiden.
Werte für die Grenz‡ächenrauigkeiten optimal oxidierter AlOx/GaAs-DBRs
sind schwer zu bestimmen, da dieser Übergang nicht diskret ist.
3. Prozessierung: Um die Re‡ektivität des oberen Spiegels zu variieren, werden
durch eine Kombination aus Trocken - und selektiver Nassätzung Spiegel-
paare entfernt. Für direkte GaAs/AlGaAs-Übergänge legt diese Methode die
Epitaxiegrenz‡ächen frei, oft mit sichtbaren Monolagen-Stufen. Werden aber
gegradete Übergänge zwischen GaAs/AlAs verwendet, z.B. bei elektrisch lei-
tenden Spiegeln, erzeugt die selektive Ätzung eine zusätzliche Ober‡ächen-
rauigkeit. Bei der Rückstrukturierung von SiNx auf den oberen Spiegeln in
der RIE kann eine während der Ätzung entstehende Mikromaskierung durch
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 44
Polymer - und Oxidbildung in den Halbleiter übertragen werden. Wird die
Ätzung noch im SiNx gestoppt, weist diese Schicht ebenfalls eine erhöhte
Rauigkeit auf.
Raue Grenz‡ächen lassen sich näherungsweise durch eine Zwischenschicht mit
einem e¤ektiven Brechungsindex beschreiben. Die Schichtdicke kann dann als Fit-
parameter benutzt werden [110]. Ist die Mikrorauigkeit1durch selektive Ätzun-
gen und nachfolgende AFM-Messungen, verbunden mit einer statistischen Ober-
‡ächenanalyse bekannt, lässt sich die damit verbundene Verringerung der Re‡ekti-
vität näherungsweise durch einen Streuparameter direkt berechnen. Dieser drückt
die Amplituden-Verluste an jedem Übergang aus [106,111–114].
Der Ein‡uss einer Grenz‡ächenrauigkeit wird im eindimensionalen Transferma-
trix-Modell durch verallgemeinerte Fresnel-Koe¢ zienten berücksichtigt. Die Modi-
…zierungen beschreiben dabei die Phasendi¤erenz der re‡ektierten und transmit-
tierten Felder auf Grund einer gaussförmig verteilten Grenz‡ächenrauigkeit mit
einer RMS-Fluktuation von der mittleren Lage der Grenz‡äche (). Für
die Re‡ektivität an einer rauen Grenz‡äche gilt dann [111]
Rs=R0exp((4n=)2):(3.1)
Dabei ist nder Brechungsindex des einfallenden Mediums und R0die Re‡ektivität
einer glatten Grenz‡äche.
Die Implementierung der verallgemeinerten Transfermatrix-Methode erfolg-
te hier identisch zu [114], aufbauend auf bereits entwickeltem klassischen Programm-
Code [41] entsprechend [54,55,65].
Der Ein‡uss der Grenz‡ächenrauigkeit auf die Güte einer Kavität wurde in
[106] für GaAlAs/AlAs Halbleiterspiegel sowie in [115] für Oxidspiegel untersucht.
In beiden Fällen war die nominelle Breite der Kavitätsresonanz großim Vergleich
zur streuungsbedingten Verbreiterung. Bei VCSELn mit fünf und mehr Oxidspie-
gelpaaren ist hingegen die Breite der Kavitätsresonanz deutlich kleiner als bei
obigen Kavitäten. Abb. 3.8 zeigt die mittels der veralgemeinerten Transfermatrix-
Methode simulierte Abhängigkeit der Breite der Kavitätsresonanz sowie des
1Die Größe der Rauigkeit parallel zur Grenz‡äche ist mit im Einfallsmedium vergleichbar -
oder kleiner.
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 45
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
300
400
500
600
700
800
900
1000
Np654, 9 QD layer
Resonance linewidth (nm)
RMS Roughness στ (nm)
5 pairs top DBR
6 pairs top DBR
Material threshold gain (cm-1)
Abbildung 3.8: Resonanzbreite und Material-Schwellgewinn einer VCSEL-Struktur in
Abhängigkeit von der RMS Rauigkeit der Grenz‡ächen oberhalb der aktiven Zonen für
5 und 6 obere sowie 7 untere Spiegelpaare. Die Rauigkeit des unteren Spiegels beträgt
b=0.1 nm.
Material-Schwellgewinns für eine vollständige dotierte VCSEL-Struktur von der
RMS-Grenz‡ächenrauigkeit der Schichten oberhalb der aktiven Zone. Die Resonanz-
Breite und der Material-Schwellgewinn wurden unabhängig voneinander bestimmt.
Zwischen ihnen besteht aber ein direkter Zusammenhang, da die Resonanzbreite
ein Maßfür die gesamten Verluste in der Kavität sind. Der untere Spiegel besitzt 7
AlOx/GaAs-Spiegelpaare, für ihn wurde eine konstante Grenz‡ächenrauigkeit von
=0.1nm entsprechend der AFM-Messung in Abb.3.7 angenommen. Untersuchun-
gen an unprozessierten VCSEL-Wafern, die für eine Emissionswellenlänge von 1.1
m ausgelegt waren, haben auf dem oberen Spiegel in Übereinstimmung mit Abb.
3.7 eine RMS-Rauigkeit von t=0.4 nm ergeben.
Aus Abb. 3.8 ist ersichtlich, daßdiese Rauigkeit nur einen geringen Ein‡uss
auf die Güte der Kavität bzw. den Schwellgewinn hat. Für 5 obere Spiegelpaare
erhöht sich der Material-Schwellgewinn um 4% von 458 cm1auf 477 cm1. Hin-
gegen wächst der Schwellgewinn bei t=1 nm und t= 2 nm um 26% sowie 100%.
Die relativen Änderungen sind für 6 obere Spiegelpaare auf Grund der kleineren
KAPITEL 3. ALTERNATIV-PRECURSOR MOCVD 46
Ausgangswerte noch größer.
Im Gegensatz dazu hat die Rauigkeit einer einzelnen Schicht nur einen gerin-
gen Ein‡uss auf den Schwellgewinn. Die obige Struktur mit 5/7 Spiegelpaaren und
t=0.4 nm, b=0.1 nm wurde um eine 10 nm dicke SiNx-Deckschicht mit einer
Ober‡ächenrauigkeit von t=4 nm ergänzt. Der Schwellgewinn, berechnet für eine
glatte SiNx-Schicht, beträgt 480 cm1, und erhöht sich nur um 1 cm1bei Be-
rücksichtigung der Rauigkeit. Die gleiche minimale Erhöhung des Schwellgewinns
ergab sich auch für eine raue GaAs-Schicht des obersten Spiegelspaares mit eben-
falls t=4 nm. Diese Tatsache ist aus technologischer Sicht bedeutsam, wenn z.B.
die Rauigkeit der Spiegelober‡äche durch Trockenätzschritte vergrößert wird.
Kapitel 4
Halbleiter-Prozesstechnologie
4.1 Einzelprozesse
Das gewählte Konzept mit Oxidspiegeln und Intrakavitätskontakten erfordert eine
komplexe Prozessierung. Einzelprozesse wie die selektiven Nassoxidation von hoch
Al-haltigen AlGaAs-Schichten, Ätzungen von GaAs-basierten Materialien mit ei-
ner Präzision von wenigen nm, sowie temperaturstabile Metallisierungen mit ge-
ringsten Kontakwiderständen auf sehr dünnen Kontaktschichten wurden am FHI-
Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut entwickelt. Im Zuge der entscheiden-
den Integration der Einzelprozesse zum Gesamtprozess konnte auf eine Vielzahl
von existierenden zuverlässigen Prozessen zurückgegri¤en werden, einige mussten
auf die Anforderungen von GaAs angepasst werden. Der Gesamtprozess konnte
soweit optimiert werden, dass damit eine über den Wafer homogene reproduzier-
bare VCSEL-Herstellung mit Oxidspiegeln ohne eine prozessbedingte Reduktion
der Anzahl funktionsfähiger Laser pro Wafer realisiert wurde. MBE-basierte QP-
VCSEL mit Halbleiterspiegeln konnten darauf aufbauend problemlos aus einzelnen
Segmenten des obigen Prozesses hergestellt werden, bei denen nur geringfügige An-
passungen notwendig waren.
4.1.1 Mesaätzungen
Um senkrechte Ätz‡anken und eine sehr genaue Kontrolle der Ätztiefe zu erzielen,
wurden die Mesen für die Spiegel und Kavität mit einem chemisch unterstütz-
47
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 48
ten Ionenstrahlätzer strukturiert (Chemical Assisted Ion Beam Etching, Oxford
Plasma Ionfab 300 Plus). Als Ätzgase wurden Cl2und Ar verwendet, der Prozess
erfolgte bei 79 Cund einer Ionenenergie von 400 V. Bei diesem Verfahren werden
Ar-Ionen mittels einer Ionenstrahl-Quelle auf die Probenober‡äche beschleunigt.
Nahe der Halbleiterober‡äche wird das Ätzgas Cl2zugeleitet, welches ionisiert und
mit dem Halbleiter reagiert. Dabei bilden sich stark ‡üchtige Reaktionsprodukte.
Auf der Halbleiterober‡äche …nden im Zusammenspiel mit den Ar-Ionen komple-
xe Wechselwirkungen statt, so das sich beide Ätzkomponenten, die chemische und
die Sputter-Ätzkomponente, gegenseitig verstärken können. Reines Sputterätzen
ist isotrop und wenig selektiv, die chemische Komponente ätzt hingegen anisotrop
und selektiv. Durch Einstellen von Gleichgewichten zwischen beiden Komponenten
durch die Wahl der Gas‡üsse, der Ätztemperatur, der Ionenenergie, des Ionenstro-
mes, oder des Ioneneinfallwinkels lassen sich damit die Ätzeigenschaften über einen
weiten Bereich gestalten.
Bei GaAs-Ätzungen ist für das hier verwendete Rezept die Selektivität zwi-
schen Halbleiter und Photolack 10/1, die Ätz‡ächen sind sehr glatt und weisen
eine sehr geringe Ober‡ächenschädigung auf. Wird AlGaAs geätzt, muss sicherge-
stellt werden, daßdie Anlage vollkommen sauersto¤frei ist, sonst bildet sich eine
Mikromaskierung durch die Oxidation des Aluminiums.
4.1.2 Selektive Nassoxidation
Die Oxidation von hoch-aluminiumhaltigen AlGaAs-Schichten zu Al(Ga)Ox [22],
[56] wurde vom Autor bereits in [41] untersucht. Durch apparative Änderungen
sowie eine modi…zierte Prozessführung konnte die Reproduzierbarkeit der Oxida-
tion deutlich verbessert werden. Einen großen Ein‡uss auf die Reproduzierbarkeit
haben Passivierungen, die sich bei Hochheizen des Ofens bei Temperaturen ober-
halb von 250Cauf den exponierten AlGaAs-Luft-Grenz‡ächen bilden. Solange
dabei Wasserdampf angeboten wird, ist das entstehende Oxid porös, und stellt
keine Di¤usionsbariere für die nachfolgende Oxidation dar [116].
4.1.3 Raman-Spektroksopie an AlxOy/GaAs-Spiegeln
Die Messungen der Ramanspektren erfolgten federführend durch V. Haisler.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 49
Selektiv oxidiertes AlxOyverwenden wir in den Aperturschichten sowie oberen
und unteren Spiegeln, siehe Abb. 4.1. Bei der Oxidation verringert sich die Dicke
der oxidierten Schicht im Vergleich zur AlGaAs-Schicht um 5-10 %. Die Oxid-
aperturen sind überwiegend sehr dünn, typisch sind 30 nm. Dadurch lassen sich
Spannungen in den Aperturschichten und am Halbleiter-Oxid-Übergang minimie-
ren. Die /4-AlxOy-Schichten der Bragg-Spiegel besitzen jedoch Dicken von ca. 200
nm. Die beim Umwandlungsprozess von AlAs zu AlxOyauftretenden Spannungen
können sich hier akkumulieren und zu stark verspannten Strukturen führen. Ne-
ben diesem mechanischen Aspekt ist die Oxidationskinetik von Interesse: Während
der Oxidation werden u.a. die ‡üchtigen Komponenten As und As2O3gebildet. Die
thermische Stabilität und optische Qualität von AlxOy/GaAs-Spiegeln ist stark an
das Entfernen dieser ‡üchtigen Komponenten gekoppelt. Es wurden spektroskopi-
sche Untersuchungen mittels Mikro-Raman an AlOx-Teststrukturen sowie erstmals
an kompletten VCSELn durchgeführt [117]. Hieraus konnten genaue Informatio-
nen über die Zusammensetzung der Oxidschichten, deren As-Restgehalt sowie über
mechanische Spannungen in den Spiegelschichten gewonnen werden. Die hieraus
gewonnenen Informationen wurden zur Optimierung des Oxidationsprozesses so-
wie des Spiegeldesigns verwendet.
Ramanspektren wurden in Rückstreuanordnung mit einer Ortsau‡ösung von
2.5 m gemessen, die Anregung erfolgte mit einem 647.1 nm-Kr+-Laser. Es wur-
den obere und untere Spiegel analysiert. Zur Untersuchung der unteren Spiegel
wurden spezielle Mesen mit entfernten oberen Spiegeln und Kavitäten benutzt.
Ein Raman-Spektrum eines oberen unoxidierten Spiegels ist in Abb. 4.2 darge-
stellt. Die Peaks bei 293 cm1und 404 cm1sind longitudinal optischen LO-GaAs-
und LO-AlAs-Phononen zuzuordnen, bezeichnet mit LO1und LO2. Peaks bei 270
cm1und 362 cm1gehören zu transversal optischen TO-GaAs- und TO-AlAs-
Phononen, bezeichnet mit TO1und TO2. Zwischen den TO- und LO-Peaks werden
zwei relativ intensive Peaks bei 280 cm1und 380 cm1beobachtet, bezeichnet mit
B1und B2. Diese lassen sich als LO-GaAs-artige und LO-AlAs-artige Phononen
der Al0:3Ga0:7As-Pu¤erschichten identi…zieren. Durch die simultane Beobachtung
der TO2-, LO2-, B1- und B2-Peaks in Raman-Spektren können nun klare Infor-
mationen zur Oxidationskinetik in hoch Al-haltigen AlxGa1xAs-Schichten sowie
AlxGa1xAs-Pu¤erschichten mit niedrigem Al-Gehalt gewonnen werden.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 50
Abbildung 4.1: a) Schematische Darstellung des VCSELs, b) unoxidiert, c) teilweise
oxidiert. Die Oxidationsfront ist in c) mit Pfeilen gekennzeichnet.
Die während der Nassoxidation von AlxGa1xAs gebildeten ‡üchtigen Zwi-
schenprodukte wie As und As2O3können ebenfalls mittels Raman-Spektroskopie
detektiert werden. Das Raman-Spektrum einer 70 nm AlAs/50 nm GaAs Test-
struktur ist in 4.2 (b) dargestellt. Die breite Struktur zwischen 180 cm1und
280 cm1entsteht durch Überlagerung verschiedener Peaks, die kristallinem und
amorphem As zuzuordnen sind. Ein breiter und ‡acher Peak bei 475 cm1lässt
sich As2O3zuordnen (nicht dargestellt in Abb. 4.2). Um die Konzentration von As
und As2O3in den oxidierten Schichten zu minimieren, wurde die Ofentemperatur
nach Beendigung des Oxidationsprozesses für mindestens 15 min bei über 300 C
gehalten, das Abkühlen erfolgte sehr langsam (0.1 C/s). Alle Raman-Spektren
(4.2 (c)-(i)) von Proben, die in dieser Weise oxidiert wurden, belegen die E¢ zienz
dieser Prozedur zur Reduzierung der As-Reaktionsprodukte im Oxid. Die Inten-
sität der As-Peaks und folglich die Konzentration der As-Produkte ist deutlich
reduziert. In den Abb. 4.2 (c)-(f) sind Raman-Spektren dargestellt, die an oxidier-
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 51
150 200 250 300 350 400
TO1
Raman shift, cm-1
Raman intensity, a.u.
LO2
B2
TO2
LO1
B1
As
(i)
(h)
(g)
(f)
(e)
(d)
(c)
(b)
(a)
Abbildung 4.2: Raman-Spektren eines unoxidierten VCSELs (a) sowie oxidierter
Strukturen (b)-(i).
ten oberen Spiegeln mit einem Durchmesser von d1=36 m gemessen wurden. Die
Oxidationslänge betrug nach 10 min 15 m. Die Spektren in Abb. 4.2 (c) bis (f)
wurden im Abstand von 2, 6, 9 und 13 m von der Oxidationsfront aufgenommen.
Es ist deutlich das Verschwinden der LO2- und TO2-Peaks zu sehen. Daraus folgt,
dass die hoch Al-haltigen AlxGa1xAs-Schichten komplett oxidiert sind. Die noch
vorhandenen B1- und B2-Peaks lassen auf unvollständig oxidierte Pu¤erschichten
schließen. Die Intensitätsänderung dieser B1- und B2-Peaks in den Abb. 4.2 (c)-(f)
zeigt die Oxidationskinetik in diesen Pu¤erschichten. Nahe der Oxidationsfront
sind die Pu¤erschichten nur wenig oxidiert [Abb. 4.2 (c)], nahe der Mesakante
[Abb. 4.2 (f)] hingegen fast vollständig.
Die Abb. 4.2 (g)-(i) zeigt nahe dem Zentrum von oxidierten oberen Spiegeln
gemessene Raman-Spektren. Die Oxidationszeiten waren 10, 30 und 80 min. Nach
10 min [Abb. 4.2 (g)] sind die hoch Al-haltigen Schichten vollständig oxidiert. Die
zu den Pu¤erschichten gehörenden Peaks B1und B2sind hingegen noch sichtbar.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 52
290 295 300 020 40 60 80
294.0
294.2
294.4
294.6
294.8
295.0
295.2
295.4
0
50
100
150
200
4
3
2
(a)
LO1 intensity, a.u.
Raman shift,cm -1
14
3
2
1
(b)
Stress
σ
xx, MPa
LO1 Raman shift, cm -1
Oxidation time, min
Abbildung 4.3: (a) LO1-Raman-Peak, gemessen an oberen Spiegeln für verschiedene
Oxidationszeiten (1: unoxidiert, 2: 10 min, 3: 30 min, 4: 80 min), (b) Abhängigkeit der
kompressiven Verspannung in den GaAs-Schichten von der Oxidationszeit.
Nach 30 min Oxidation [Abb. 4.2 (h)] sind auch die Pu¤erschichten komplett
oxidiert. Nach einer Oxidation von 80 min [Abb. 4.2 (i)] ist die Intensität des GaAs-
LO1-Peaks drastisch reduziert. Dieses lässt auf eine Verschlechterung der GaAs-
Kristallqualität in den Spiegelschichten nach einer zu langen Oxidation schließen.
GaAs-LO1-Peaks in den oxidierten Spiegeln [Abb. 4.2 (c)-(i)] weisen eine Ver-
schiebung zu höheren Frequenzen auf, verglichen mit der LO1-Peak-Position in
unoxidierten Strukturen [Abb. 4.2 (a)]. Diese Verschiebung deutet auf eine kom-
pressive Verspannung in den GaAs-Spiegelschichten hin, welche sich auf Grund
der starken Kompression der AlGaAs-Schichten während der Oxidation ausbildet.
In Abb. 4.3 (a) ist die Verschiebung des LO1-Peaks, gemessen an einem oberen
Spiegel, dargestellt. Aus dieser Verschiebung lässt sich die Verspannung in den
GaAs-Spiegelschichten bestimmen [Abb. 4.3 (b)], [118]. Nach 10 min Oxidation
konnte eine kompressive Verspannung von =50 MPa bestimmt werden. Nach 80
min Oxidation betrug die Verspannung =200 MPa. Dieses führt zur Generati-
on von Defekten und Degradation der GaAs-Schichten, was an der Intensität des
Raman-Signals sichtbar ist.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 53
050 100 150 200
400
500
600
700
800
900 9 QD layer
5 pairs top,
7 pairs bottom DBR
Material threshold gain (cm-1)
Thickness SiNx cap layer (nm)
Abbildung 4.4: Abhängigkeit des Material-Schwellgewinns von der Dicke einer SiNx-
Deckschicht auf dem oberen Spiegel. Die Kavität besitzt 7 untere und 5 obere
GaAs/AlOx-Spiegel.
4.1.4 Ein‡uss einer SiNx-Deckschicht
Aus prozesstechnischer Sicht ist es notwendig, die Oxidspiegel mit einer SiNx-
Schicht abzudecken. Eine Schichtdicke von =2nhätte keinen Ein‡uss auf die Re-
‡ektivität bei der Resonanzwellenlänge. Für eine Emission bei 1.1 m ist jedoch
eine 302 nm dicke SiNx-Schicht auf Grund möglicher Verspannungen und größerer
Unsicherheiten bei der Rückstrukturierung nicht praktikabel.
Bei Oxidspiegeln sind die Änderungen der optischen Verluste oder der Material-
Schwellgewinne beim Entfernen eines Spiegelpaares oft zu groß, was ein Optimieren
der di¤erentiellen Ausbeute erschwert. Abhilfe kann hier die SiNx-Deckschicht lei-
sten. Mit einem Brechungsindex von n1.82 ist SiNxals Antire‡exschicht geeignet.
Durch Anpassen der Schichtdicke lässt sich damit die Re‡ektivität des Gesamtsy-
stems genügend variieren. In Abb. 4.4 ist die simulierte Änderung des Material-
Schwellgewinns für verschiedene Dicken einer SiNx-Schicht auf dem oberen Spiegel
bestehend aus 5 Paaren AlOx/GaAs gezeigt. Für eine Dicke von =4n=151nm
wird eine maximale Antire‡ex-Wirkung erzielt, der Material-Schwellgewinn hat
sich dann nahezu verdoppelt. Zum Vergleich: bei 4 Spiegelpaaren beträgt der
Material-Schwellgewinn ohne SiNx-Schicht 1045 cm1.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 54
4.2 Prozessintegration
Der Prozess wird entsprechend dem Schema 3 beschrieben, welches sich aus den
beiden vorherigen entwickelt hat. Da später auch Laserdaten vorgestellt werden,
die über die Prozesse 1 und 2 erzielt wurden, werden diese auch verkürzt darge-
stellt. Der wesentliche Unterschied zwischen ihnen liegt in der Anzahl der Oxi-
dationen sowie dem Zeitpunkt der Metallisierungen. Diese scheinbar kleinen Un-
terschiede haben jedoch einen enormen Ein‡uss auf die Bauelement-Ausbeute je
Wafer sowie die Lasereigenschaften.
4.2.1 Optimiertes Schema 3:
1. Entfernen von 1 und 2 oberen Spiegelpaaren in Teilbereichen durch selek-
tive Nassätzung. Hierfür werden lithographisch verschiedene Ö¤nungen ge-
ringfügig kleiner als der erste Mesadurchmesser an verschiedenen Positionen
de…niert.
2. Ätzung der ersten Mesa für den oberen Spiegel. Dieses geschieht durch eine
Kombination von CAIBE mit nasschemischer selektiver Ätzung. Die CAIBE
wird in der Mitte der 155 nm dicken Al0:97Ga0:03As-Schicht des letzten Spie-
gelpaares gestoppt. Der verbleibende Rest der
Al0:97Ga0:03As-Schicht lässt sich selektiv nass entfernen. Auf diese Weise wer-
den Inhomogenitäten in den Schichtdicken sowie der Ätzung über den 2-Zoll-
Wafer ausgeglichen, die neben der Epitaxie maßgeblich durch die Temperatu-
rankoppelung an die He-Rückseitenkühlung beim Ätzen bedingt sind. Durch
Re‡ektionen von Ionen an den Lack- und Mesakanten entstehende Ätzgrä-
ben (trenching) lassen sich damit ebenfalls entfernen. 1 % Variation in den
Schichtdicken sowie der Homogenität der Ätzung können sich zu einem Feh-
ler von 40 nm in der Ätzung summieren. Das trenching kann ebenfalls in etwa
50 nm betragen und hängt komplex vom Zustand der CAIBE, sowie des Pho-
tolacks ab. Danach erfolgt eine kurze GaAs-Ätzung in die 50 nm dicke p++-
Kontaktschicht mittels CAIBE. Zur Tiefenkontrolle dient eine 10 nm dicke
Al0:9Ga0:1As-Ätzmarkerschicht über der p++-GaAs-Schicht als Stoppsignal
während der In situ-Kontrolle mittels Massenspektrometer. Eventuell noch
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 55
verbleibende Reste der Al0:9Ga0:1As-Schicht werden selektiv nasschemisch
entfernt. Über eine Vier-Spitzen-Messung wird die Durchbruchspannung auf
der Ober‡äche überprüft. Sie sollte kleiner als 3 V sein.
3. Bildung des Ti/Pt/Au p-Kontaktes.
4. Zweite Mesaätzung in die n-Kontaktschicht mittels CAIBE. Die Ätztiefen-
kontrolle kann über das In-Signal der aktiven Zone erfolgen. Über eine Vier-
Spitzen-Messung wird die Durchbruchspannung auf der Ober‡äche über-
prüft. Sie sollte kleiner als 6 V sein.
5. Bildung des Ni/Au-Ge/Au n-Kontaktes. Die p-und n-Kontakte müssen tem-
peraturstabil sein.
6. Dritte Mesaätzung durch die unteren Spiegel in das Substrat.
7. Zweistu…ge selektive Nassoxidation bei 400 Cund ca. 50 min sowie 300
Cund 30 min. Alle Temperaturänderungen nach der Oxidation erfolgen
langsamer als 0.1C/min. Es wurden beide Spiegel und die Aperturschicht
oxidiert.
8. Planarisierung mittels photoemp…ndlichem BCB bis auf die Höhe der n-
Kontakte.
9. Vollständige Bedeckung mit PECVD SiNx zum Schutz der Oxidspiegel gegen
Photolack-Entwickler sowie des BCBs gegen nachfolgende Plasmaprozesse.
10. Ö¤nen von Bereichen der p-und n-Kontakte durch die SiNx-Schicht mittels
‡uorbasierter RIE.
11. Aufdampfen und Aufsputtern der Bondpad-Metallisierung: 50 Cr/100Au
mittels e-beam, Cr sorgt für eine bessere Haftung auf dem SiNx ohne zusätz-
liches Tempern, Ti/Pt/Au mittels Magnetron-Sputtern zur besseren Seiten-
belegung.
12. Galvanische Verstärkung der Bondpads durch 4 m Au. Hierfür wird ein
Stütz - und Abdecklack, eine 100 nm Ti/Au Plating Base sowie ein 8 m
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 56
Galvaniklack benutzt. Die plating base wird in der CAIBE nach der Galvanik
und dem Entfernen des Galvaniklacks durchätzt, zur Ätzkontrolle wird das
Ti-Signal im Massenspektrometer benutzt. Nach dem Entfernen des Stütz-
und Abdecklacks sind die Laser fertig.
CAIBE top mirror selective oxidation SiNx (PECVD, 4)λ/
RIE SiNx CAIBE cavity CAIBE bottom mirror
selective oxidation photo-BCB planarization RIE SiNx contact openings
contact pads
pn
SiNx (PECVD, 4)λ/
(1)
Abbildung 4.5: Prozeß-Schema 1: Oxidation in zwei Schritten.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 57
(2)
Dry and selective wet etching of top mirror, cavity, bottom mirror
Wet thermal oxidation Planarization (photo-BCB) SiNx (PECVD)
RIE SiN to open contact surfaces
p, n contact metalizations, coplanar pads
x
Abbildung 4.6: Prozeß-Schema 2: einstu…ge Oxidation.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 58
Etching of top mirror, cavity, bottom mirror, metal deposition
Wet thermal oxidation Planarization (photo-BCB) SiNx (PECVD)
RIE SiN open contacts,
bond pad metalization,
Au plating
x
(3)
Abbildung 4.7: Prozess-Schema 3 mit gleichzeitiger Oxidation der Spiegel und Aper-
turen sowie Tempern der Kontakte.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 59
Abbildung 4.8: Wafer-Ausschnitt nach Prozessende entsprechend dem optimierten
Schema 3. Im oberen und unteren Bereich sind Justiermarken sowie verschiedene Test-
felder sichtbar.
4.3 Maskenlayout
In Abb. 4.8 ist ein Ausschnitt aus einem entsprechend dem Schema 3 prozessierten
Wafer gezeigt. In der linken Spalte be…nden sich symmetrisch kontaktierte, in der
rechten Spalte asymmetrische Laser. Die 12 Zeilen je Spalte sind in Gruppen zu
jeweils 4 Zeilen mit 7 Lasern je Zeile unterteilt, 28 Laser bilden eine Grundzelle.
Die drei Grundzellen in jeder Spalte besitzen 4, 5 und 6 obere Spiegelpaare. Zwi-
schen den Spalten be…nden sich Oxidations-Teststrukturen - siehe Abb. 4.9, sowie
LEDs ohne obere Spiegel. Neben den Justiermarken am unteren Rand sind mittig
Felder für p - und n-Kontakttests angeordnet. Rechts davon be…ndet sich entspre-
chend [119] eine Zelle mit VCSELn für Polarisationsuntersuchungen, bei denen die
Richtung der asymmetrischen Stromzufuhr um 90 gedreht werden kann.
KAPITEL 4. HALBLEITER-PROZESSTECHNOLOGIE 60
Abbildung 4.9: Zelle zur Kontrolle der (teilweise anisotropen) Oxidationsrate der Aper-
tur sowie der oberen und unteren Spiegel. Die Ober‡ächen der Strukturen für die drei
Gruppen be…nden sich auf einem unterschiedlichen Niveau.
Abbildung 4.10: VCSEL für Polarisationsuntersuchungen entsprechend [119]. Die
Stromzufuhr erfolgt von links nach rechts oder von unten nach oben (rechtes Bild).
Die Aperturduchmesser sind 2-6 m.
Kapitel 5
MOCVD QW-VCSEL
Die Laserstruktur wurde in einer AIX200 Anlage mit konventionellen Precur-
sorn gewachsen. Wachstumsparameter oberhalb des Einfach-Quanten…lms wurden
so gewählt, daßsie für QPe geeignet sind, und später beim Wachstum nur die
aktive Zone ausgetauscht wird. Die maximale RT-PL des 5 nm dicken InGaAs-
Quanten…lms lag bei 1050 nm. Die Struktur besaß7 untere sowie 6 obere Spie-
gelpaare mit identischer Al-Komposition im AlGaAs, die zur selektiven Oxida-
tion vorgesehen waren. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität während
der Oxidation wurden zwischen den GaAs- und Al0:98Ga0:02As-Schichten 10 nm
AlxGa1xAs-Pu¤erschichten eingefügt, in denen der Al-Gehalt linear von 0.3 auf
0.9 in Richtung der Al0:98Ga0:02As-Schicht erhöht wurde. Oberhalb und unter-
halb des Quanten…lms befand sich eine Apertur im Knoten der Feldintensität. Die
Kontaktschichten für die Intrakavitäts-Kontakte wurden jeweils 1E18 dotiert, um
optische Verluste minimal zu halten.
Die Oxidation der Spiegel und Aperturen wurde entsprechend dem Prozess-
Schema 1 in 2 Schritten durchgeführt. Trotz einer SiNx-Schichtdicke von 200 nm
auf den im ersten Oxidationsschritt hergestellten oberen Spiegeln oxidierten die-
se bei der zweiten Oxidation nach, was deren Qualität verschlechterte und die
Ausbeute deutlich reduzierte.
Trotzdem konnte Lasen bei vielen verschiedenen Mesagrößen erzielt werden.
Auf Grund der geringen Dotierung der p-Kontaktschicht sowie der Aperturen ö¤-
nete die Diode erst ab 3.5 V, so daßnur ein Pulsbetrieb möglich war. In Abb. 5.1
61
KAPITEL 5. MOCVD QW-VCSEL 62
0 2 4 6 8 10 12 1040 1045 1050
Slope efficiency
ηs=0.16 mW/mA
Ith=2mA
Pout
=1.6mW
Pulsed
0.8µs / 10kHz
Output(a.u.)
Current, mA
aperture 25 µm
FWHM=0.25nm
6Ith
3Ith
1.5Ith
0.8Ith
Ith
1.05Ith
x1
x1
x3
x100
x100
x100
Output(a.u.)
λ,nm
Abbildung 5.1: L-I-Charakteristik sowie Spektren nahe und oberhalb der Laserschwel-
le für einen QW-Laser mit einer 25 m Apertur. Die Schwellstromdichte beträgt 400
A/cm2:
ist die L-I-Charakteristik sowie Spektren nahe und oberhalb der Schwelle für einen
Laser mit einem Aperturdurchmesser von 25 m dargestellt, der Schwellstrom ist
2 mA. Abb. 5.2 a) zeigt das Re‡ektions –und Lasingspektrum desselben Lasers.
Andeutungsweise ist im Re‡ektionsspektrum die Lage der Kavitätsresonanz zu
erkennen. Die spektrale Gesamtau‡ösung der Re‡ektions-Messanordnung beträgt
1-2 nm und wird durch die Apertur der ein- und auskoppelnden Mikrolinse am
Faserende begrenzt [41].
Das Bild eines QW-VCSELs mit einer 25 m Apertur sowie die Nahfeldvertei-
lung ist in Abb. 5.2 b) zu sehen. Für eine 25 m Apertur wird eine sehr inhomoge-
ne Strominjektion erwartet, bei der die Ladungsträger überwiegend am Rand der
Apertur ab‡ießen (current crowding). Ein Lasen nur in den Randbereichen wäre
denkbar. Das CCD-Bild zeigt jedoch, das auch im Zentrum Intensitätsmaxima exi-
stieren. Durch die äußerst geringe Dotierung unterhalb der p-Kontaktschicht (die
Kavität zwischen den Aperturen war nominell undotiert) wird eine gute radiale
Ladungsträgerverteilung und damit hinreichende Ladungsträgerdichte im Zentrum
des optischen Modes erzielt.
KAPITEL 5. MOCVD QW-VCSEL 63
1000 1200 1400 1600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 1043 nm
reflexion
wavelenght (nm)
EL(a.u.)
(a)
(b)
Abbildung 5.2: (a) Re‡ektions –und EL-Spektrum eines Lasers mit einer 25 m Aper-
tur und Oxidspiegeln. Die Kavitätsresonanz im Re‡ektionsspektrum ist andeutungsweise
sichtbar. (b) Bild eines QW-VCSELs mit einer 25 m Apertur und Nahfeldverteilung
bei einer gemittelten Ausgangsleistung von 13 W (Tastverhältnis 0.8 %). Das Nahfeld
wurde mit einem Si-CCD aufgenommen, welches bei 1050 nm nur eine geringe Emp…nd-
lichkeit besitzt.
Kapitel 6
MOCVD QP-VCSEL statische
Eigenschaften
Um die optimale Anzahl der QP-Schichten in der Kavität für einen maximalen
modalen Gewinn zu bestimmen, wurden Versuche mit 3, 6 und 9 QP-Schichten,
durchgeführt. Nicht bekannt war, ob bei einer großen Anzahl von QP-Schichten alle
QPe homogen gepumpt werden (vergl. Kap. elektrische Eigenschaften). Weiterhin
sollten die optischen 3D-Simulationen überprüft werden, wonach die Streuverlu-
ste mit zunehmender Kavitätslänge nur geringfügig anwachsen. Alle Wafer wurden
entsprechend dem Design in den Abb. 2.5 und 2.9 mit 7 unteren und 6 oberen Spie-
gelpaaren gewachsen. Wenn nicht anders angegeben, wurden die Messungen bei ei-
ner Chuck-Temperatur von 20Cim Dauerstrichbetrieb mit ungedünnten Substra-
ten durchgeführt. Mit Ausnahme der Tieftemperatur-Untersuchungen an VCSELn
mit einem Dreifach-Stapel erfolgten alle Messungen on-wafer.
Für VCSEL mit 3 und 6 QP-Schichten werden nur ausgewählte Laserparameter
vorgestellt. Eine ausführliche Diskussion erfolgt für VCSEL mit 9 QP-Schichten.
Viele designspezi…schen Ergebnisse sind auf die Laser mit 3 und 6 QP-Schichten
übertragbar, da nominell lediglich die Anzahl der QP-Gruppen variiert wurde.
64
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 65
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
Voltage (V)
Current (mA)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
(a) cw, 170 K
6 pairs AlOx/ GaAs on top
6 µm Aperture
ηs=0.014 mW/mA
Ith=0.4 mA
Output Power (µW)
984 986 988 990 992 994 996
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5 (b)
200 K, 2 mA
6 µm aperture
Relative Intensity (dB)
Wavelength (nm)
Abbildung 6.1: (a) L-I-V Charakteristik des QP-VCSEL, (b) Dauerstrich-Laserspek-
trum bei 200 K.
6.1 Dreifach-QP-Stapel
Elektrisch gepumptes Lasing eines MOCVD-QP-VCSELs wurde erstmals erzielt.
Die Herstellung erfolgte entsprechend dem Prozess-Schema 2. Die Laser arbeiteten
bis maximal 240 K auf dem ersten angeregten QP-Zustand, der bei dieser Tem-
peratur im Vergleich zum Grundzustand bei RT einen mindestens 4-fachen Maxi-
malgewinn liefert Durch Herunterkühlen wurde der erste angeregte Zustand mit
dem nächsten kürzerwelligen Longitudinalmode in Resonanz gebracht. Die Abb.
6.1 zeigt die resultierende CW-Lasercharakteristik sowie das Spektrum. Bei 170 K
betrug der Schwellstrom 0.4 mA bei 2.3 V. Die geringe di¤erentielle Ausbeute von
0.014 mW/mA ist auf die hohe Re‡ektivität zurückzuführen. Es konnte Lasing bis
hinunter zu einem Aperturdurchmesser von 4 m beobachtet werden. Die maxi-
male Betriebstemperatur betrug 240 K. Der errechnete Material-Schwellgewinn für
den nächsten kürzerwelligen Longitudinalmode ist im Vergleich zum Mode bei der
Designwellenlänge um den Faktor 2.3 höher, da sich der Überlapp des Modes mit
den drei QP-Schichten verschlechtert. An der Position der mittleren QP-Schicht
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 66
800 900 1000 1100 1200 1300 1400
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7 3 QD layer, edge emission
RT EL intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
I (mA)
0.05
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
6.0
8.0
Abbildung 6.2: EL-Spektren aufgenommen an der Kante einer gespaltenen LED mit
einem Durchmesser von 26 m.
be…ndet sich dann ein Intensitätsknoten.
EL-Spektren, aufgenommen an der Kante einer in der Mitte gespaltenen LED
sind in Abb. 6.2 abgebildet. Bei niedriger Anregung ist die Maximalintensität am
Grundzustand bei 1100 nm, und verschiebt sich mit zunehmendem Strom zu den
angeregten Zuständen. Zu erkennen ist ebenfalls die schnelle Sättigung des Grund-
zustandes bei ca. 1 mA, was 350 A/cm2entspricht. Die Spektren wurden bei
Spannungen kleiner 3 V gemessen, so daßdie Temperaturerhöhung im Bauelement
gering war. In den Spektren ist keine thermische Rot-Verschiebung des Grundzu-
stands erkennbar. Ein bei Raumtemperatur aufgenommenes EL-Spektrum einer
LED mit einer 20 m-Apertur ist in Abb. 6.3 zu sehen. Zusätzlich dargestellt sind
das gemessene sowie simulierte Re‡ektionsspektrum. Gemessene Re‡ektivitäten
größer als eins sind nur ein Mess-Artefakt, der Absolutwert der Re‡ektivität lässt
sich auf ca. 2% genau bestimmen. Die Longitudialmoden in der Simulation spiegeln
sich im EL-Signal mit einem Abstand von 100 nm wieder.
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 67
1000 1200 1400 1600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1100 1105 1110 1115
Reflectivity
Wavelenght (nm)
R measured
R simulated
3 QD layer
20 µm aperture
EL
RT EL intensity (a.u.)
RT EL intensity
Wavelength
Abbildung 6.3: RT EL- sowie Re‡ektionsspektren einer QP LED mit einer 20 m-
Apertur. Die verschiedenen Transversalmoden bei 1100 nm sind in der Einfügung dar-
gestellt.
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 68
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
(d)
(c) 1085 1090 1095 1100 1105
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
1085 1090 1095 1100 1105
-70
-60
-50
-40
-30
-20 Np651-m0-s
6 QD-layer
6x top DBR
11 µm aperture
0.22 mA, 3 V
Rel. intensity (dB)
Wavelength (nm)
Np651-m0-s
6 QD-layer
6x top DBR
2 µm aperture
0.13 mA, 3 V
Rel. intensity (dB)
Wavelength (nm)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Np651-m1-s
6 QD layer
5x top DBR
cw, RT
P
out
(mW)
Current (mA)
aperture
µm
2
3
5
7
9
11
(b)(a)
Pout (mW)
Current (mA)
aperture
µm
2
3
5
7
9
11
Np651-m0-s
6 QD layer
6x top DBR
cw, RT
Abbildung 6.4: (a) L-I-Charakteristik für QP-VCSEL mit 2x3 QP-Schichten, Aper-
turdurchmesser von 2-11 m und 6 oberen Spiegelpaare, (b) 5 obere Spiegelpaare. (c)
, (d) zugehörige Spektren für 2 und 11 m Aperturen und 6 obere Spiegelpaare. Die
resonante Blauverschiebung des Modes bei einer 2m Apertur beträgt über 6 nm.
6.2 Sechsfach QP-Stapel
Entsprechend dem Prozess-Schema 3 wurden Laser realisiert, die im Dauerstrich-
betrieb bei 20Cim Bereich des Grundzustands-Übergangs arbeiteten.
L-I-Kennlinien für symmetrisch kontaktierte QP-VCSEL mit 6 und 5 oberen
Spiegelpaaren, Aperturdurchmesser von 2-11 m sowie zugehörige Spektren sind in
Abb. 6.4 (a) - (d) dargestellt. Strukturen mit einem oberen 4-fach-Spiegel zeigten
kein Lasing. Die maximale di¤erentielle Ausbeute nahe der Schwelle beträgt bei
6 oberen Spiegelpaaren 0.14 W/A für 2 m Aperturen, für 5 obere Spiegelpaare
ist sie bei 3 m maximal und beträgt 0.3 W/A. Sie nimmt mit zunehmendem
Aperturradius z.T. aus thermischen Gründen ab. Strukturen mit 9 und 11 m
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 69
Aperturen zeigten aus dem gleichen Grund für 5 obere Spiegelpaare kein Lasing
(vergl. Kap. 15.3.3). Der di¤erentielle Widerstand ist durch das geringe Dotier-
Niveau auf der p-Seite bedingt, und beträgt bei 3 V für 9 und 11 m Aperturen
600 sowie 460 . Für eine 2 m-Apertur ist er bei 3 V 2.4 k, bei 4 V 1.1 k. Der
Anteil der Kontaktwiderstände am Gesamtwiderstand ist hier vernachlässigbar.
Bemerkenswert ist, das auch Strukturen mit einem Aperturdurchmesser von 2
m bei 5 oberen Spiegelpaaren Lasing gezeigt haben. Der kleinste Schwellstrom
war bei 6 Paaren 110 A, die maximale externe Ausbeute betrug 8 %.
6.3 Neunfach QP-Stapel
Zwei nominell identische Wafer wurden entsprechend dem Prozess-Schema 3 her-
gestellt (Np654, Np800). Diese unterschieden sich geringfügig in den Schichtdicken
(Np 800 ist 0.5% dicker als Np654), der p-Dotierung der Apertur (Np654: 7E18
cm3, Np800: 3E18 cm3) sowie der Grenz‡ächenrauigkeit (Np654: = 0:4nm,
Np800: > 1:5nm). Kantenemitter, die zeitnah zum Wafer Np800 gewachsen
wurden, zeigten im Vergleich zu Lasern aus der Np6XX-Serie erhöhte Schwell-
stromdichten. An beiden Wafern wurden QP-VCSEL realisiert, die bei 20Cim
Dauerstrichbetrieb arbeiten. Auf allen oberen Spiegeln befanden sich herstellungs-
bedingt 109 nm SiNx, welches zur Anpassung der Re‡ektivität ggf. entfernt wur-
de. In Abb. 6.5 sind L-I-Kennlinien für verschiedene QP-VCSEL, prozessiert aus
Np654 und Np800, sowie die Abhängigkeit der Schwellströme vom Aperturdurch-
messer dargestellt. Die Laser wurden innerhalb einer Zelle vermessen, und besitzen
Aperturen zwischen 1 und 12 m. Im Vergleich zu den Lasern aus Np654 haben
sich die Schwellströme für VCSEL aus Np800 bei kleinen Aperturen in etwa ver-
dreifacht, bei größeren verdoppelt.
Für Laser, bei denen die Apertur kleiner als der obere Spiegel war, beträgt die
Bauelement-Ausbeute bei 5 und 6 oberen Spiegelpaaren im Dauerstrichbetrieb bei
20Cannähernd 100 %.
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 70
012345678
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
(c) 0 2 4 6 8 10 12
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4 9 QD layer
5x top DBR
symmetric
Ith (mA)
Aperture diameter (µm)
Np654
Np800
(b)(a) 0 1 2 3 4 5 6 7 8
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
aperture
µm
Np800-m1-s
5x top DBR
9 QD layer
Pout (mW)
Current (mA)
1
2
3
4
5
6
7
8
10
12
Np654-m1-s
5x top DBR
9 QD layer
Pout (mW)
Current(mA)
aperture
µm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
Abbildung 6.5: L-I-Kennlinien für benachbarte QP-VCSEL mit Aperturen von 1-12
m, prozessiert aus Np654 (a), und Np800 (b), sowie zugehörige Schwellströme (c). Alle
Laser besitzen 5 obere Spiegelpaare.
6.3.1 Maximale CW-Ausgangsleistung
Die Abb. 6.6 (a) und (b) zeigen L-I-U-Kennlinien für an beiden Wafern realisier-
te QP-VCSEL, die Messungen erfolgten an vergleichbaren Wafer-Positionen. Die
Laser besaßen 5 obere Spiegelpaare und Aperturen von 8-10 m. Bei gleicher Laser-
Geometrie sind die externen Ausbeuten sowie die maximale CW-Ausgangsleistung
für beide Wafer identisch, es wurden für 9 und 10 m-Aperturen 1.45 mW erzielt.
Der Schwellstrom ist hingegen für die Laser aus dem Wafer Np800 annähernd dop-
pelt so groß. Dieses kann z.T. durch die Rotverschiebung der Emissionswellenlänge
um 15 nm zu 1120 nm bedingt sein. Dadurch wurden die Kavitätsresonanz und das
Maximum des QP-Gewinns verstimmt - der Grundzustands-Gewinn ist für niedrige
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 71
0 1 2 3 4 5 6 7
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0
1
2
3
4
0 1 2 3 4 5 6 7
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0
1
2
3
4
1100 1105 1110 1115 1120 1125
-60
-40
-20 9 µm aperture
4 mA
Rel. intensity (dB)
Wavelength (nm)
Rdiff= 300 - 260 Ω
ηext= 32%
Np800-m1-s
5x top DBR
9 QD layer
Pout (mW)
Current (mA)
aperture (µm)
8
9
10
Voltage (V)
(b)
(a)
Rdiff~360 Ω
1090 1095 1100 1105 1110
-70
-60
-50
-40
-30 2.2 mA
Rel. intensity (dB)
Wavelength (nm)
Np654-m1-s, 5x top DBR
9 QD layer
10 µm aperture
ηext= 32 %
Pout (mW)
Current (mA)
Voltage (V)
Abbildung 6.6: L-I-Kennlinien für QP-VCSEL mit einem 9-fach QP-Stapel und 5
oberen Spiegelpaaren. (a) Aperturdurchmesser 10 m, p-Apertur-Dotierung 7E17 cm3.
(b) Aperturdurchmesser 8-10 m, p-Apertur-Dotierung 3E18 cm3.
Anregungsdichten bei 1100 nm maximal. Bei höheren Injektionsströmen heizt sich
der Laser auf, dadurch verkleinert sich die Bandkante und der Grundzustands-
Gewinn verschiebt sich hin zu größeren Wellenlängen. Jedoch tragen jetzt auch
höhere QP-Übergänge maßgeblich zum Gewinn bei, wodurch sich der Maximal-
Gewinn hin zu kleineren Wellenlängen verschiebt, beide E¤ekte kompensieren sich
teilweise.
Der di¤erentielle Widerstand der Np800-VCSEL ist auf Grund der höheren
Aperturdotierung geringer, für eine 10 m-Apertur beträgt er oberhalb von 2.5 V
260 , im Vergleich zu 360 für einen Laser gleicher Geometrie aus Np654. Die
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 72
0100 200 300 400 500
0
10
20
30
40
50
60
70
(a) (b)
0100 200 300 400 500
0
10
20
30
40
50
60
70 Np654, 6x top DBR
9 QD layer,RT, cw
Pout (µW)
Current (µA)
aperture
µm
1
2
3
4
5
1090 1095 1100 1105
-80
-60
-40
-20
300 µA
Rel. Intensity (dB)
Wavelength (nm)
Ith = 85 µA
ηext = 16%
Np654, 6x top DBR
9 QD layer,RT, cw
1 µm aperture
Pout (µW)
Current (µA)
Abbildung 6.7: (a) L-I-Kennlinie für einen QP-VCSEL mit einem Aperturdurchmesser
von 1 m. Die Laser-Schwelle beträgt 85 A, die maximale externe Ausbeute 16 %. (b)
L-I-Kennlinien benachbarter VCSEL mit Aperturdurchmesser von 1-5 m. Die Schwelle
erhöht sich nur geringfügig auf 110 A für 5 m.
zusätzliche Absorption auf Grund der höheren Aperturdotierung der Np800-Laser
ist vernachlässigbar, da die Apertur im Intensitätsknoten liegt - der berechnete
Material-Schwellgewinn steigt nur um 3 %. In beiden Fällen ist der Anteil des
Kontaktwiderstands am Gesamtwiderstand kleiner als 20 . Die maximale Aus-
gangsleistung der Laser ist hier thermisch begrenzt. Bei der optischen Maximallei-
stung wird in obigen Lasern annähernd die gleiche elektrisch Leistung umgesetzt
(25 mW). Dieses ist deutlich an der Position der Maxima der optischen Leistung
für die drei Aperturen in Abb. 6.6 (b) erkennbar. Das Überrollen der Leistung setzt
bei 8 m schneller ein als bei 10 m, da hier bei gleichem Strom die notwendige
Spannung größer ist.
6.3.2 QP-VCSEL mit kleinen Aperturen
Abb. 6.7 (a) zeigt die L-I-Kennlinie für einen Laser mit 6 oberen Spiegelpaaren und
einem Aperturdurchmesser von 1 m. Der Schwellstrom ist 85 A, die maxima-
le externe Ausbeute beträgt 16 %. In Abb. 6.7 (b) werden die Laserschwellen für
Aperturdurchmesser von 1-5 m benachbarter QP-VCSEL verglichen. Der Schwell-
strom steigt nur geringfügig, für 2-4 m ist er nahezu konstant bei 100 A, für 5
m beträgt er 110 A. Da sich die Ladungsträgerverteilung unterhalb der Aper-
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 73
1090 1092 1094 1096 1098 1100 1102 1104
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0.0 0.5 1.0 1.5
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
SSR>30 dB
Relative intensity (dB)
Wavelength (nm)
0.5 mA
1.5 mA
Pout (mW)
mA
Np654, 5 pairs top DBR, 4µm aperture
Abbildung 6.8: Singlemode-Spektren eines QP-VCSELs mit einem Aperturdurchmes-
ser von 4 m und 5 oberen Spiegelpaaren bei verschiedenen Strömen. Die Seitenmoden-
unterdrückung ist >30 dB, die maximale Singlemode-Ausgangsleistung 0.4 mW.
tur auf Grund der geringen Dotierung der Kavität lateral stark aufweitet, und
nicht alle QP-Schichten gleich gepumpt werden, wird hier auf die Angabe einer
Schwellstromdichte verzichtet.
Singlemode-Spektren für einen QP-VCSEL mit einer 4 m Apertur werden
in Abb. 6.8 gezeigt. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 0.4 mW bei einer
Seitenmodenunterdrückung SSR>30 dB. Das frühe Anschwingen höherer lateraler
Moden lässt auf ein ebenfalls frühes Einsetzen der Gewinnkompression schließen.
Die höchsten di¤erentiellen Ausbeuten im Dauerstrichbetrieb wurden bei klei-
nen Aperturen erzielt. Für 2 und 4 m Aperturen und 5 obere Spiegelpaare sind
in Abb. 6.9 L-I-Kennlinien und deren Ableitung dargestellt. Die 100 nm SiNx-
Schicht auf dem oberen Spiegel wurde hier entfernt. Es konnte eine maximale
externe Ausbeute von 46 % erzielt werden, in guter Übereinstimmung mit den
Vorhersagen der Transfermatrix-Simulationen - hier wurden 42 % berechnet. Die
maximale Leistungs-Konversionse¢ zienz beträgt 14 %. Bei einer 2 m-Apertur exi-
stieren erhebliche Streuverluste, die im TMM-Modell nicht berücksichtigt wurden.
Der Vergleich beider Werte legt nahe, daßdie verwendeten dotierungsabhängigen
Absorptionskoe¢ zienten im Modell zu großsind. Die externe Ausbeute in Abb.
6.9 (a) ist zu Beginn an der Schwelle maximal, nimmt danach ab und steigt ab
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 74
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
P
out
(mW)
Current (mA)
η
diff
η
conv
=14 %
U=2.3 V
U=2.6 V
(b)
(a) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
5x top DBR
SiNx removed
2 µm aperture
Pout (mW)
Current(mA)
ηext=46 %
Diff. Efficiency W/A
η
ext
=45 %
Np654-m1-s, 9 QD layer, 5x top DBR
4 µm aperture, SiN
x
removed
Diff. Eff. (W/A) / Power conversion Eff. (%)
Abbildung 6.9: L-I-Charakteristik und di¤erentielle Ausbeute für QP-VCSEL im Dau-
erstrichbetrieb mit Aperturen von (a) 4 m und (b) 2 m. Beide Laser haben oben 5
Spiegelpaare.
0.7 mA wieder an. Dieses Verhalten lässt sich durch die Abnahme der modalen
Stabilität z.B. auf Grund thermischer E¤ekte und das Anwachsen eines zweiten
Modes erklären.
6.3.3 Externe Ausbeute
Grundlagen
In die externe Ausbeute gehen die Spiegelre‡ektivitäten, die interne Ausbeute
sowie interne optische Verluste ein. Da die Aperturen im Intensitätsknoten des
elektrischen Feldes liegen, ist der Modendurchmesser deutlich größer als der Aper-
turdurchmesser. Unterhalb der Apertur weitet sich der Strompfad auf Grund der
großen Kavitätsdicke sowie ihrer nur intrinsischen Dotierung sehr stark auf. Für
kleine Aperturen wird damit ein optimaler Überlapp zwischen Grundmode und
Gewinnmedium erzielt, bei großen Aperturen erfahren die Moden jedoch Absorp-
tionsverluste in lateral unzureichend gepumpten Bereichen. Zudem ‡ießt hier ein
großer Teil der Ladungsträger am Rand der Apertur ab. Dieser E¤ekt verstärkt sich
oberhalb der Schwelle mit abnehmendem Diodenwiderstand bei größeren Strömen.
Die interne Ausbeute ist von vielen Faktoren abhängig. Hierbei muss man un-
terscheiden zwischen geometrieabhängigen E¤ekten auf Grund der Ladungsträ-
gerverteilung (laterale Leckströme, ungleichmäßiges Pumpen der einzelnen aktiven
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 75
Schichten) oder hohen Feldstärken nahe der aktiven Zone auf Grund hoher Schicht-
widerstände z.B. in niedrig dotierten p-Bereichen (Drift-Leckströme) [120], ver-
stärkte Ober‡ächenrekombinationen am Oxid-Halbleiterübergang [121], sowie int-
rinsischen Eigenschaften des aktiven Mediums bzw. E¤ekten, die durch die Koppe-
lung des aktiven Mediums an das Ladungsträger-Reservoir bedingt sind [122,123].
Viele Faktoren sind stark von der Dotierung abhängig. Zur Reduktion der inter-
nen Ausbeute tragen nur solche Leckströme bei, die sich oberhalb der Laserschwelle
erhöhen. Auch in der aktiven Zone kann sich die Ladungsträgerdichte oberhalb
der Schwelle erhöhen, da nicht die Ladungsträgerdichte, sondern der Gewinn fest
steht [65]. Eine mögliche nicht lineare Ursache ist räumliches Lochbrennen bei für
VCSEL typischen hohen Photonendichten.
Intrinsische interne Ausbeute von QP-Lasern
Im Dauerstrichbetrieb ist auf Grund der Selbstaufheizung des Lasers insbeson-
dere bei hohen Serienwiderständen die Temperaturabhängigkeit der intrinsischen
internen Quantenausbeute bedeutsam. Für InGaAs-QPe wurde dieses umfangreich
in [124] sowie in der Arbeitsgruppe von M. Grundmann untersucht (vergl. Kap.
2.1.2).
Die hier verwendeten Quantenpunkte besitzen mehrere Elektron- und Lochni-
veaus, die genaue energetische Struktur hängt von vielen Faktoren ab. Der energe-
tische Abstand zwischen dem Elektron-Grundzustand und dem ersten angeregten
Zustand beträgt 50-100 meV, hingegen betragen die Abstände zwischen den Loch-
zuständen nur ca. 10 - 30 meV [49,125–127]. Für niedrige Temperaturen sind die
einzelnen Quantenpunkte isoliert, da die Rekombinationszeit dann kürzer ist als
die Zeit für Ladungsträger-Emission und Einfang. Alle QPe sind gleichbesetzt.
Dieses ändert sich hin zu höheren Temperaturen. Bei Raumtemperatur entspricht
die MEM-Statistik näherungsweise einer Fermi-Statistik. Bei der thermischen La-
dungsträgerverteilung werden zuerst die größeren QPe mit niedrigerem Grundzu-
stand besetzt. Zudem sind die Löcher über energetisch dicht liegende Zustände
verteilt, was neben der Temperaturstabilität insbesondere dynamische Gewinnei-
genschaften beeinträchtigt [128]. Weiterhin können jetzt auch höherenergetische
Zustände in der Benetzungsschicht oder einer Barriere besetzt werden, wodurch
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 76
0 2 4 6 8 10 12
0
10
20
30
40
50
pulsed: 200 ns, 1 kHz
4x DBR 5x DBR
6x DBR
Np654, 9 QD layer, 20 °C
symmetric
External efficiency (%)
Aperture (µm)
pulsed
cw
Abbildung 6.10: Maximale externe Ausbeute für einen 9-fach QP-VCSEL in Abhän-
gigkeit des Aperturdurchmessers für 4, 5 und 6 obere Spiegelpaare im gepulsten sowie
im Dauerstrichbetrieb.
sich die Leckströme erhöhen. Für eine Rekombination von 5 % der Ladungsträger
in der Barriere konnte mit obigem Modell eine charakteristische Temperatur T0
mit jth(T)exp(T=T0)von 54 K vorhergesagt werden [53].
Messungen
QP-VCSEL mit 4 oberen Spiegelpaaren arbeiteten hier nur im Dauerstrichbetrieb
bei Aperturen von 2 bis 5 m, da bei kleinen Aperturen die Wärme e¤ektiver
abgeführt wird. Auf Grund des höheren Schwellstroms im Vergleich zu 5 und 6
Spiegelpaaren und der damit verbundenen Einsatzspannung ist die interne Aus-
beute bereits an der Laserschwelle deutlich thermisch reduziert.
Abb. 6.10 zeigt die maximale externe Ausbeute für QP-VCSEL in Abhängigkeit
der Aperturdurchmesser für 4, 5 und 6 obere Spiegelpaare im gepulsten sowie im
Dauerstrichbetrieb. Es ist zu erkennen, das für 5 und 6 obere Spiegelpaare die
Aufheizung nahe der Laserschwelle1deutlich geringer ist als für 4 Paare.
1Im Singlemode- sowie beim Multimode-Betrieb mit großen Aperturen ist im Dauerstrichbe-
trieb die externe Ausbeute nahe der Laserschwelle maximal.
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 77
0 5 10 15
0
2
4
6
0
2
4
6
8
(b)
(a) 0246810
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0
2
4
6
8
cw
pulsed
200 ns, 1 kHz
Np654, 9 QD layer, 4x top DBR
4 µm aperture
20 °C
P
out
(mW)
Current (mA)
Voltage (U)
Np654, 9 QD layer, 4x top DBR
9 µm aperture
20 °C, pulsed
200 ns, 1 kHz
Pout (mW)
Current (mA)
R=560 Ω
R=360 Ω
ηext=42%
ηext=47%
Voltage (V)
Abbildung 6.11: L-U-I-Kennlinien für QP-VCSEL mit 4 oberen Spiegelpaaren im Puls-
betrieb, (a) 9 m Apertur, (b) 4 m Apertur. In (b) ist ebenfalls die cw-Charakteristik
dargestellt.
Für QP-VCSEL mit 4 oberen Spiegelpaaren und 9 m sowie 4 m Apertu-
ren sind L-U-I-Kennlinien für den gepulsten Betrieb in Abb. 6.11 dargestellt. Zu-
sätzlich zeigt Abb. 6.11 (b) die CW-Kennlinie. Die Nichtlinearität der optischen
Leistungs-Kennlinie des monomodigen Lasers in (b) kann durch den Ladungsträ-
gerab‡uss am Rand der Apertur erklärt werden. Der Multimode-VCSEL aus (a)
reagiert weniger emp…ndlich auf diesen E¤ekt, da er auch Moden verstärkt, die am
Rand der Apertur eine hohe Intensität besitzen [64]. In (b) werden zudem höhere
Stromdichten, über 20 kA/cm2, erreicht, was hier für eine Reduktion der internen
Ausbeute auf Grund einer erhöhten Ladungsträgerdichte im Resevoir und damit
einer Zunahme nichtstrahlender Rekombinationen spricht [122].
Aus Abb. 6.11 (a) lässt sich abschätzen, das eine Reduktion des di¤erentiellen
Widerstandes von 360 auf 120 zu einer Verdopplung der maximalen CW-
Ausgangsleistung führen kann.
6.3.4 Bestimmung der internen Ausbeute und Verluste
Die interne Ausbeute isowie die internen Verluste ikönnen ermittelt werden,
indem die externe Ausbeute für verschiedene Spiegelre‡ektivitäten ermittelt wird.
Dieses setzt voraus, daßdabei die interne Ausbeute konstant bleibt. Aus obigen
Gründen werden dazu Daten gepulster Messungen an Multimode-VCSELn ver-
wendet. Es gilt
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 78
0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
1
2
3
4
5
Al0.2Ga0.8As-cap
10 nm
without
109 nm SiNx on top DBRs
σtop= 0.4 nm, σbottom = 0
ηint= 55 %
L = 0.056 %
4 pairs
5 pairs
6 pairs
Np654, 9 QD layer
aperture 9 µm
symmetric
pulsed, 20 °C
1/ηext, corr
1/ln(1/R)
Abbildung 6.12: Bestimmung der internen Ausbeute sowie der internen Verluste für
QP-VCSEL mit 9 m Aperturen. Die externe Ausbeute wurde jeweils unter Einbezie-
hung der substratseitigen Emission korrigiert. Für die Re‡ektivitäten wurde die re‡ek-
tionsmindernde Wirkung einer 10 nm AlGaAs-Schicht für 4 und 5 Paare, der SiNx-
Deckschicht sowie eine Grenz‡ächenrauigkeit top berücksichtigt.
d=i
ln(1=R)
iLeff + ln(1=R);(6.1)
1
d
=1
i
+1
i
iLeff
ln(1=R);(6.2)
mit R=jr1r2j,r1;2sind die Amplituden-Re‡ektionskoe¢ zienten des unteren und
oberen Spiegels, iLeff beschreiben die Verluste in der Kavität und den Spiegeln
bei einem Umlauf. Eine Grenz‡ächenrauigkeit von top = 0:4nm für r2wird be-
rücksichtigt, der Ein‡uss ist aber gering. Die SiNx-Schicht auf dem oberen Spiegel
verringert hingegen r2deutlich und wird ebenfalls berücksichtigt. Beim selektiven
Entfernen von ein bzw. zwei Spiegelpaaren zu Beginn der Prozessierung kann die
10 nm Al0:2Ga0:8As-Pu¤erschicht auf dem 4-fach- sowie 5-fach-Spiegel verbleiben,
welche ebenfalls zu berücksichtigen ist. Der untere 7-fach-Spiegel wird mit GaAs
abgeschlossen. Infolge dessen entspricht seine Re‡ektivität in etwa der eines perfek-
ten oberen 6-fach-Spiegels. Die nur von der Oberseite gemessene externe Ausbeute
muss demzufolge um die substratseitig emittierten Anteile korrigiert werden. Ta-
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 79
belle 6.3 zeigt die entsprechenden Faktoren 1+(1R1)/(1R2), R1;2=r2
1;2, sowie
die Re‡ektivitäten.
Anzahl der oberen Spiegelpaare 4 5 6
Korrekturfaktor für ext 1.0144 1.0604 1.283
R=jr1r2j0.99577 0.99894 0.99968
(6.3)
Der Fit entsprechend Gl. 6.2, siehe Abb. 6.12, liefert mit Berücksichtigung aller
E¤ekte eine interne Ausbeute von i= (55 2) %, die Verluste bei einem Umlauf
sind L=iLeff = (0:056 0:006) %:Ebenfalls dargestellt sind die Daten ohne
Berücksichtigung der Al0:2Ga0:8As-Deckschicht für 4 und 5 Spiegelpaare. Die noch
zu korrigierenden externen Ausbeuten wurden aus Abb. 6.14 für 9 m-Aperturen
entnommen. Die niedrigsten bisher publizierten Verluste in VCSELn wurden in
[129] mit L= 0:07 % für Halbleiterspiegel erzielt, in der gleichen Arbeitsgruppe
sind für Oxidspiegel L= 0:163 % ermittelt worden [57].
Die vergleichsweise geringe interne Ausbeute von 55 % lässt sich zum Teil auf
laterale Leckströme, verursacht durch eine Ladungsträgerdi¤usion unterhalb der
p-Apertur, zurückführen. Auf eine n-Apertur wurde verzichtet, da das Risiko einer
C-Kompensation im AlGaAs bei der Alternativ-Precursor-MOCVD bestand. Die
n-Apertur wäre dann möglicherweise gering n- oder sogar intrinsisch p-dotiert.
Generell stellt sich die Frage nach der Zulässigkeit der Annahme einer konstan-
ten internen Ausbeute für die verschiedenen Spiegelpaare. Da in den Strukturen
ersichtlich größere Leckströme vorhanden sind, die sich auch oberhalb der Schwelle
erhöhen, und die Stromdichten mehrere kA/cm2betragen, ist hier die Verringerung
der internen Ausbeute mit zunehmendem Strom nicht zu vernachlässigen [122].
Dieses erklärt auch, warum trotz sorgfältiger Spiegel-Ätzung in Abb. 6.12 die Da-
tenpunkte für 4 Spiegelpaare oberhalb der Geraden liegen. Werden nur Daten für
5 und 6 Spiegelpaare berücksichtigt, erhält man i= (61 3) % sowie L= 0:062
%, für 4 und 5 Paare entsprechend i= (51 2) % und L= 0:034%:Die externe
Ausbeute ist im Pulsbetrieb bei 6, 5 und 4 Paaren für 9 m Aperturen jeweils bei
1.3 mA, 3 mA und 6 mA maximal. Das entspricht Stromdichten von ca. 2, 5 und 10
kA/cm2(ohne laterale Aufweitung). Die Schwellströme sind 0.2 mA, 0.45 mA so-
wie 3.7 mA. Auch wenn sich die Ladungsträger über die 9 QP-Schichten verteilen,
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 80
existieren Bereiche mit sehr hoher, nicht feststehender Ladungsträgerdichte.
Interne Ausbeuten von über 90 % bei 20C, die an Kantenemittern mit ver-
gleichbaren QPen bestimmt wurden [100], basierten auf gepulsten Messungen an
100 m Breitstreifen-Lasern. Die Schwellstromdichten der in den Fit eingehenden
Messpunkte für 3-fach QP-Stapel waren hier zwischen 50 und 100 A/cm2.
6.3.5 Vergleich zwischen symmetrischer und asymmetri-
scher Kontaktierung
Entsprechend Abb. 6.13 wurden die p-Kontakte als geschlossener Kreisring (sym-
metrisch) oder als Halbring (asymmetrisch) ausgeführt. Die n-Kontakt‡äche wur-
de beim asymmetrischen Design ebenfalls verkleinert. Wie zu erwarten, hatten
die asymmetrischen Laser höhere di¤erentielle Widerstände, was alle daran gekop-
pelten Kenngrößen verschlechterte. Die verdoppelten Kontaktwiderstände hatten
an der Erhöhung nur einen kleinen Anteil. Das Ziel war eine Reduktion des RC-
Produkts, um damit verbesserte Hochfrequenz-Eigenschaften zu erhalten, was auch
realisiert wurde (Kap. 7).
Im Pulsbetrieb zeigten die asymmetrischen VCSEL entsprechend Abb. 6.14 hö-
here externe Ausbeuten für kleine Aperturdurchmesser als die symmetrisch kontak-
tierten. Mögliche Ursachen können geringere Leckströme oder ein besserer Über-
lapp zwischen dem Mode und der Gewinnzone sein.
Abbildung 6.13: (a) Symmetrisch kontaktierter sowie (b) asymmetrisch kontaktierter
QP-VCSEL
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 81
0 2 4 6 8 10 12
0
10
20
30
40
50
6x DBR
5x DBR
4x DBR
pulsed
200 ns, 1 kHz
20°C
Np654, 9 QD layer
External efficiency (%)
Aperture (µm)
symmetric
asymmetric
Abbildung 6.14: Externe Ausbeute im Pulsbetrieb in Abhängigkeit des Aperurdurch-
messers für symmetrische und asymmetrische Kontaktierung.
6.4 Wärmeleitfähigkeit der Oxidspiegel
Untersuchungen zur Wärmeleitfähigkeit von Oxidspiegeln wurden bisher ausschließ-
lich in [130] publiziert. Da die Wärmeabfuhr bei VCSELn maßgeblich über den
Erfolg eines Designs entscheidet, wurde dieses auch an unseren QP-VCSELn un-
tersucht. Dabei konnten die Ergebnisse aus [130] bestätigt werden. Die Wärme-
leitfähigkeit von Oxidspiegeln ist mit der von GaAs/AlAs-Spiegeln vergleichbar.
Die Methode ist in [64], [88] beschrieben. Um sicher zu stellen, daßder über-
wiegende Teil der Wärme innerhalb der Kavität umgesetzt wird, müssen die Kon-
taktwiderstände gering sein. Der größte Teil der Wärme entsteht im p-dotierten
Bereich.
Zuerst wurden VCSEL-Spektren knapp oberhalb der Schwelle bei verschiede-
nen Temperaturen der Wärmesenke aufgenommen und daraus der Verlauf der La-
serwellenlänge in Abhängigkeit der Temperatur entsprechend 6.15 (a) bestimmt.
Die Wellenlänge ändert sich mit 0.08 nm/C. Nachfolgend wurde die Wellenlänge
in Abhängigkeit der elektrischen Leistung bestimmt, entsprechend Abb. 6.15 (b).
Sie ändert sich um 0.33 nm je mW. Aus beiden Koe¢ zienten ergibt sich ein ther-
mischer Widerstand von 4.1 C=mW für einen Aperturdurchmesser von 4 m. Bei
KAPITEL 6. MOCVD QP-VCSEL STATISCHE EIGENSCHAFTEN 82
20 30 40 50 60 70
1098
1099
1100
1101
1102
1103
0 1 2 3 4 5 6
1099.5
1100.0
1100.5
1101.0
1101.5
1102.0
0.33 nm/mW
Np654
Wavelength (nm)
Electrical power - optical power (mW)
(b)
(a)
4 µm aperture
Np654
Wavelength (nm)
Chuck temperature (°C)
Fit: 0.08 nm/K
Abbildung 6.15: Wellenlängenverschiebung infolge der Erhöhung der Chuck-
Temperatur (a) sowie auf Grund der Selbstaufheizung über einen Strom (b).
einer Konversionse¢ zienz von 10% und einer optischen Ausgangsleistung von 1
mW erhöht sich also die mittlere Temperatur um 41 C. Bei einem Aperturdurch-
messer von 2 m ist der thermische Widerstand 5.3 C=mW. Die geringere Wär-
meleitfähigkeit des Oxides in den Spiegeln wird durch die geringere Spiegeldicke
kompensiert. Für Halbleiterspiegel wurde in [131] ein thermischer Widerstand von
2.5 C=mW bei einem Aperturdurchmesser von 7 m ermittelt. Der Laser besaß
eine Konversionse¢ zienz von 50%.
Der hier bestimmte thermische Widerstand wird etwas zu gering abgeschätzt.
Ein Großteil des di¤erentillen Widerstandes wird durch die Aperturschicht ver-
ursacht. Diese liegt zwar auch innerhalb der Kavität, die Temperaturverteilung
auf Grund der Selbstaufheizung und damit die Brechungsindexänderung ist aber
nicht homogen. Sie unterscheidet sich von der durch externes Heizen verursachten,
und hängt stark vom Laserdesign ab [132]. Der temperaturbedingten Erhöhung
des Brechungsindexes wirkt seine Verringerung mit steigender Ladungsträgerdich-
te entgegen. Da die VCSEL hohe Leckströme im CW-Betrieb besitzen, erhöht sich
in der Barriere geringfügig die Ladungsträgerdichte. Die genaue Quanti…zierung
ist jedoch komplex [123], der E¤ekt wird hier vernachlässigt.
Kapitel 7
MOCVD QP-VCSEL dynamische
Eigenschaften
Die derzeit schnellsten QW-VCSEL erzielen eine Modulationsbandbreite von 21
GHz [133] (Oxidapertur sowie Implantation zur Reduktion der Kapazität). Ohne
Implantation wurden bisher 16 GHz realisiert [134,135]. Begrenzende Faktoren sind
hier die RC-Bandbreite, das gleichzeitige Anschwingen mehrerer Moden (mode
competition) bei größeren Aperturen, nichtlineare Gewinnsättigung, die Dämpfung
sowie Selbstaufheizung.
Die dynamischen Eigenschaften von QP-VCSELn sind hingegen bisher unbe-
kannt. Alle hier durchgeführten Messungen erfolgten an Lasern mit einem 9-fach
QP-Stapel bei 20Con-wafer.
7.1 Kleinsignal-Modulation
Zur Kleinsignal-Modulation wurden mit einem Netzwerkanalysator HP8122C S21-
Messungen durchgeführt [136]. Die Ankopplung der Laser erfolgte über einen HF-
Tastkopf sowie die als GSG-Koplanarleitung ausgelegten Bondpads. Abb. 7.1 (a)
und (b) zeigen die frequenzabhängige Modulationsantwort [65] in Abhängigkeit des
Arbeitspunktes für QP-VCSEL mit einer 8 m-Apertur und 5 oberen Spiegelpaa-
ren. Der Laser in (a) ist symmetrisch, in (b) asymmetrisch. Die 3 dB-Bandbreite
sättigt bei 1.5 GHz und einer Ausgangsleistung von 1 mW. Die resonanzartige
83
KAPITEL 7. MOCVD QP-VCSEL DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN 84
0.1 110
0
2
4
6
8
10
0.1 110
0
1
2
3
1 mA
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
Np800, #109_31, 6x top DBR, s
Modulation response [a.u.]
Frequency [GHz]
0.1 110
0
1
2
3
4
5
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
Np800, #88_31, 5x top DBR, as
Modulation response [a.u.]
Frequency [GHz]
(c)
(b)
(a)
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
Np800, #85_31, 5x top DBR, s
Modulation response [a.u.]
Frequency [GHz]
Abbildung 7.1: Kleinsignal-Modulationsantwort für (a) s- und (b) as-kontaktierte
Multimode-VCSEL mit einer 8 m-Apertur und 5 oberen Spiegelpaaren, sowie s-
Kontaktierung und 6 oberen Spiegelpaaren (c) [137].
Überhöhung bei 1 GHz ist nicht intrinsisch, sondern durch die Beschaltung be-
dingt. Der Ein‡ußeines elektrischen Verstärkers hinter dem Detektorsignal ließ
sich hier nicht vollständig herauskalibrieren. Für 6 obere Spiegelpaare entspre-
chend Abb. 7.1 (c) ergibt sich eine geringfügige Erhöhung der 3dB-Bandbreite auf
2 GHz. Die maximale Ausgangsleistung war hier hingegen nur 0.2 mW. Da der
Schwellstrom geringer und die interne Quantenausbeute hier höher sind, ist der
di¤erentielle Gewinn größer.
KAPITEL 7. MOCVD QP-VCSEL DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN 85
01234
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 3 4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2 medium
Np800, #118, asymmetric
RC increases
with aperture
small
RC bandwidth [GHz]
Current [mA]
(b)
(a)
Np800, #119, symmetric
RC increases
with aperture
medium
small
RC bandwidth [GHz]
Current [mA]
Abbildung 7.2: Stromabhängigkeit der RC-Bandbreite für symmetrisch (a) und asym-
metrisch (b) kontaktierte VCSEL verschiedener Apertur- Mesa- und Kontaktgrößen
[137].
7.2 RC-Parameter
Zusätzlich zu den S21-Messungen wurden zur Bestimmung des RC-Tiefpasses S11-
Messungen durchgeführt. An diese Daten wurde ein Ersatzschaltbild des Lasers
ge…ttet, und daraus die RC-Parameter bestimmt [138]. Es zeigte sich, das die RC-
Bandbreite der asymmetrischen VCSEL um den Faktor 1.3 höher ist als die der
symmetrisch kontaktierten. Die Reduktion der Kapazitäten hat damit die höhe-
ren di¤erentiellen Widerstände überkompensiert, was auch das Ziel war. Abb. 7.2
zeigt die Stromabhängigkeit der RC-Bandbreite für Aperturen von 2-13 m und
verschiedene Mesagrößen. Die Durchmesser der unteren Spiegel waren hier 70 m
- small, 80 m -medium sowie 90 m -large. Der Durchmesser der Mesa, welche die
Kavität bildet, variiert im selben Maße wie die Apertur, er ist jeweils 30 m grö-
ßer als die Apertur. Maximalwerte für die RC-Bandbreite sind 0.85 GHz für eine
symmetrische sowie 1.1 GHz für eine asymmetrische Stromzuführung. Bei gleicher
Größe des unteren Spiegels (und damit ähnlicher n-Kontaktgeometrie) ergibt sich
die Bandbreitenerhöhung aus der Abnahme des Widerstandes mit dem Apertur-
durchmesser, entsprechend Abb. 7.3. Die Kapazität ist hier keine direkte Größe,
sondern ein Fitparameter im vereinfachten Ersatzschaltbild. Sie setzt sich zusam-
men aus den Kapazitäten der Kontaktringe, der Oxidkapazität, sowie der Kapa-
KAPITEL 7. MOCVD QP-VCSEL DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN 86
0 1 2 3 4
0
200
400
600
800
1000
0 1 2 3 4
0
200
400
600
800
1000
medium
Np800, #118, asymmetric
R decreases
with aperture
small
Serial resistance [Ω]
Current [mA]
(b)
(a)
Np800, #119, symmetric
R decreases
with aperture
medium
small
Serial resistance [Ω]
Current [mA]
Abbildung 7.3: Abhängigkeit des di¤erentiellen Widerstandes von der Mesa - Kontakt
- und Aperturgröße für symmetrische (a) und asymmetrische (b) Kontaktierung. Die
Aperturdurchmesser variieren zwischen 2 und 13 m [137].
zität der aktiven Zone. Letztere wird durch die Ladungsträger-Relaxationszeiten
vom Reservoir (z.B. der Benetzungsschicht) in die Quantenpunkte, die Anzahl der
QP-Schichten sowie die Dotierung zwischen den QP-Schichten bestimmt. Sie darf
nicht vernachläsigt werden, da es einen signi…kanten Spannungsabfall zwischen
der ersten und letzten QP-Schicht mit einem Abstand größer als 0,5 m und nur
geringster Dotierung zwischen den QP-Schichten gibt. Die einzelnen Kapazitäten
ließen sich jedoch auch nicht mit Hilfe detailierterer Ersatzschaltbilder eindeutig
aus den Messungen bestimmen.
Die Kapazität ist nur gering abhängig vom Aperturdurchmesser, sie wird durch
die Kontakt - und Mesageometrie dominiert, siehe Abb. 7.4. Im einfachsten Modell
eines GaAs-Plattenkondensators mit einem Plattenabstand von 650 nm (dieses ent-
spricht hier dem undotierten Bereich in der Kavität) und einem Mesadurchmesser
von 50 m ergibt sich eine Kapazität von 0.35 pF. Das die ermittelten Kapazi-
täten darüber liegen, deutet darauf hin, das in der Kavität in einigen Schichten
Ladungsträger akkumuliert werden und an Widerstände gekoppelt sind.
KAPITEL 7. MOCVD QP-VCSEL DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN 87
0 1 2 3 4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 1 2 3 4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
large
medium
Np800, #118, asymmetric
small
Capacitance [pF]
Current [mA]
(b)
(a)
small
Np800, #119, symmetric
medium
large
Capacitance [pF]
Current [mA]
Abbildung 7.4: Kapazität in Abhängigkeit der Mesa - Kontakt - sowie Aperturgröße
für eine symmetrische (a) und asymmetrische (b) Kontaktierung [137].
7.3 Großsignal-Modulation
Die intrinsische Dynamik wurde mittels Streak-Kamera-Messungen untersucht.
Wie bei QP-Kantenemittern waren die Relaxationsoszillationen stark gedämpft
[16,139,140]. Um den di¤erentiellen Gewinn maximal zu halten, wurden die Mes-
sungen mit sechs oberen Spiegelpaaren durchgeführt. Abb. 7.5 zeigt den integrier-
ten und spektral aufgelösten Verlauf der RO eines Multimode-VCSELs mit einer
9m Apertur bei einem Anregungspuls von 2 V und 5 ns. In Abb. 7.5 (b) sind die
verschiedenen Transversalmoden zu sehen. Sie unterscheiden sich in ihrer Dyna-
mik geringfügig, was i.A. die Modulationsrate von Multimode-VCSELn reduziert.
Aus der noch erkennbaren zweiten Oszillation in Abb. 7.5 (a) läßt sich über den
Abstand zur ersten Oszillation eine RO-Frequenz von 1.7 GHz ermitteln. Für be-
ste Alternativprecursor-MOCVD QP-Kantenemitter wurden in der Arbeitsgruppe
bisher 3 GHz gemessen [141]. Der hier geringere Wert ist durch die früh ein-
setzende Gewinnsättigung sowie den damit verbundenen geringen di¤erentiellen
Gewinn begrenzt. Thermische E¤ekte sind in Abb. 7.5 (b) nicht erkennbar. Für
QP-VCSEL mit einer 7 m Apertur wurde neben dem Lasing auf dem longitudi-
nalen Grundmode ein kurzzeitiges Anschwingen eines höheren Longitudinalmodes
beobachtet. Trotz des um den Faktor 0.43 kleineren longitudinalen Füllfaktors für
den kürzerwelligeren Mode genügt der modale Gewinn hier auf Grund angeregter
KAPITEL 7. MOCVD QP-VCSEL DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN 88
0.0 0.5 1.0 1.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
(b)
(a) 0.0 0.5 1.0 1.5
1100
1105
1110
1115
1120 2V, 5 ns
Time [ns]
Wavelength [nm]
Np800, #118_22, 6x top DBR, asymmetric, 9 µm aperture
Integrated Output [a.u.]
Time [ns]
Abbildung 7.5: Integrierter (a) und spektral aufgelöster (b) Verlauf der Großsignal-
Modulationsantwort für einen Multimode-QP-VCSEL mit 6 oberen Spiegelpaaren und
einer 9 m Apertur [137].
QP-Übergänge bei hohen Ladungsträgerdichten, um den geringeren Überlapp zu
kompensieren. Für Datenübertragungen ist dieses Verhalten nicht akzeptabel. Es
kann durch die Verwendung von GaAs/AlAs-Spiegeln mit einem schmalen Stopp-
band unterbunden werden.
KAPITEL 7. MOCVD QP-VCSEL DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN 89
0.5 1.0 1.5 2.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0 0.5 1.0 1.5
1000
1020
1040
1060
1080
1100
1120
Dispersive shift in
50 m multimode fiber
3V, 5 ns
Time [ns]
Wavelength [nm]
Np800, #88_31, 6x top DBR, asymmetric, 7 µm aperture
longitudinal
ground state 1110 nm
excited state 1000 nm
Laser Output [a.u.]
Time [ns]
Abbildung 7.6: Großsignalverhalten eines QP-VCSELs mit 6 oberen Spiegelpaaren und
einer 7 m Apertur. Nach 0.5 ns schwingt für kurze Zeit ein weiterer Longitudinalmode
im Abstand von 100 nm an [137].
Kapitel 8
MBE 1.3 m QP-VCSEL mit
dotierten Spiegeln
8.1 Allgemeines
Die Möglichkeit, bei 1.3 m VCSELn Intrakavitätskontakte durch eine Dotierung
der Spiegel zu ersetzen, hat viele Vorteile: Die Prozessierung wird enorm erleichtert
und auf ca. 1/4 der Schritte reduziert. Wichtiger als deren Anzahl ist aber, das
die verbleibenden Schritte eine sehr hohe Prozess-Sicherheit aufweisen, wie es für
eine industrielle Verwertung notwendig ist. Dieser Vorteil wird jedoch mit deutlich
erhöhten Absorptionsverlusten in den Spiegeln erkauft. Dotierniveaus der p-Spiegel
an den Heteroübergängen von einigen 10E18 cm3, wie sie für kommerzielle 980
nm VCSEL realisiert werden, sind hier auf Grund des geringeren modalen Gewinns
und der deutlich erhöhten Absorption undenkbar.
Für eine schnelle Modulierbarkeit der Laser genügt es nicht, wenn der erreich-
bare Maximalgewinn nur geringfügig größer als der Schwellgewinn ist, da dann im
Arbeitspunkt ein ungenügender di¤erentieller Gewinn vorliegt. Aus diesem Grund
werden derzeitige GaInNAs-VCSEL für Modulationsraten von 10 G mit Intraka-
vitätskontakten gefertigt [11]. Sollte sich dieses auch für die derzeitigen 1.3 m
QP-VCSEL mit dotierten Spiegeln herausstellen, so besteht dennoch der Vorteil,
das der Iterationszyklus zwischen Wachstum und Laserergebnis enorm verkürzt,
und dadurch eine schnellere Optimierung des aktiven Bereichs möglich ist.
90
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 91
8.2 Wachstum, Prozessierung
Die Laser wurden auf einer Riber 49 MBE-Anlage gewachsen [142]. Die dotierten
Spiegel besaßen an den GaAs/Al0:9Ga0:1As-Grenz‡ächen digital gegradete Über-
gänge zur Glättung der Bandstruktur. Für die 33 unteren Spiegelpaare wurde Si
als n-Dotand benutzt, die 26 oberen Spiegelpaare waren mit C p-dotiert. Die Güte
aller Kavitäten war entsprechend der Breite der spontanen Emission bei niedriger
Anregung von 0.1 nm größer als 12700. Zum Wachstum der QP-Schichten wurde
die aktivierte Phasentrennung (AAPS) angewandt [143], [144]. Bei Raumtempera-
tur besaßen die Quantenpunkte ein PL-Maximum bei 1280 nm.
Zur Prozessierung wurden zunächst die Kontakte gebildet: auf der p-Seite wur-
den Kontaktringe de…niert und Ti/Pt/Au aufgedampft, unmittelbar danach erfolg-
te das Aufdampfen der Ni/AuGe/Au-Kontakte ganz‡ächig auf der n-Rückseite.
Hiernach wurde das Metall auf der p-Seite geliftet und eine Mesa für die Aper-
turätzung de…niert. Diese erfolgte mittels CAIBE bis unter die letzte QP-Schicht,
eine Ätztiefenkontrolle wurde über das Ga - und In-Signal im angeschlossenen
Massenspektrometer realisiert. Nach dem Entfernen der Lackmaske wurden die
Proben zur Herstellung der Aperturblenden für ca. 30 min bei 400Cnassther-
misch oxidiert. Da der Ga-Gehalt in der zu oxidierenden AlGaAs-Schicht über
eine binäre Übergitterstruktur kontrolliert wird, ist die Oxidationsrate verschiede-
ner Wafer mit der gleichen Apertur sehr reproduzierbar. Bei der Oxidation erfolgt
das Tempern der Kontakte. Die Laser sind damit fertig und können direkt auf
dem oberen Metallring kontaktiert werden. Diese Art der Kontaktierung ist für
statische Messungen hinreichend. Müssen mehrere Spiegelpaare entfernt werden,
um die Auskoppelverluste zu erhöhen, sind nach den Metallisierungen für jede Va-
riation der Spiegelzahl zusätzliche Lithographie- und Ätzschritte notwendig. Zum
Entfernen von mehr als 2 Paaren werden kombinierte Trocken - und Nass-Ätzungen
verwendet.
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 92
0246810 12
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Refractive index
Longitudinal coordinate z (µm) 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Refractive index
Longitudinal coordinate z (µm)
3λ cavity
aperture
17 QD layer
Field intensity (a.u.)
QDs 26x top DBR
33x bottom DBR
Field intensity (a.u.)
Abbildung 8.1: Longitudinale Intensitätsverteilung in einer 3 Kavität, die durch
GaAs/Al0:9Ga0:1As -Spiegel begrenzt ist. Die aktive Zone besteht aus 17 QP-Schichten.
8.3 Modulationsdotierter QP-VCSEL mit 17 QP-
Schichten
8.3.1 Struktur
Die longitudinale Feldverteilung sowie die Kavitätsstruktur für einen 1.3 m QP-
VCSEL mit Halbleiterspiegeln ist in Abb. 8.1 dargestellt. Innerhalb der Kavität
wurden 17 QP-Schichten in verschiedene Intensitätsmaxima platziert. Man beachte
die deutlich größere Eindringtiefe der Feldintensität in die Spiegel, vergl. mit Abb.
2.5. Die einzelnen QP-Schichten sind p-modulationsdotiert [128].
8.3.2 Charakteristik
Dauerstrichbetrieb
Abb. 8.2 (a) und (b) zeigen für Laser mit 23 und 20 oberen Spiegelpaaren sowie
verschiedenen Aperturen die L-I-Kennlinien. In Abb. 8.2 (c) sind Spektren für eine
5m-Apertur an der Grenze zum Monomodebetrieb bei zwei Strömen dargestellt.
Die maximale Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb ist 1.5 mW und wurde für
eine 23 m-Apertur erzielt. Für 20 Spiegelpaare beträgt die di¤erentielle Ausbeute
13%. Die nur geringe Zunahme der di¤erentiellen Ausbeute bei einer Verringerung
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 93
0 5 10 15 20 25 30
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
(b)
(c)
(a)
1266 1268 1270 1272 1274 1276 1278 1280
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10 DO-188
5 µm aperture
Relative intensity (dB)
Wavelength (nm)
1.5x Ith
3.5x Ith
0 5 10 15 20
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ηdiff=0.13 W/A
DO-188, cw, 20°C
20 pairs top DBR
Pout (mW)
Current (A)
aperture
µm
14
12
10
DO-188, cw, 20 °C
23 pairs top DBR
ηdiff=0.12 W/A
Pout (mW)
Current (mA)
aperture
µm
23
19
9
5
Abbildung 8.2: L-I-Kennlinien für verschieden große QP-VCSEL mit (a) 23 oberen
Spiegelpaaren und (b) 20 oberen Spiegelpaaren. In (c) sind Laserspektren für eine 5
m-Apertur an der Grenze zwische Monomode - und Multimodebetrieb gezeigt.
der Anzahl der oberen Spiegelpaare lässt sich durch hohe Absorptionsverluste in
den Spiegeln erklären. Für alle oberen Spiegel ist die externe Ausbeute nur sehr
gering vom Aperturdurchmesser abhängig. Dieses ist durch die Aufweitung des
Strom‡usses unterhalb der Apertur bedingt, das tatsächliche aktive Volumen vari-
iert nur gering mit dem Aperturradius. Ebenso besitzt der Schwellstrom aus diesem
Grund keine einfache quadratische Abhängigkeit vom Aperturradius.
Abb. 8.3 zeigt die L-U-I-Charakteristik für einen QP-VCSEL mit einer 13 m
Apertur und 24 oberen Spiegelpaaren. Der di¤erentielle Widerstand beträgt 100
bei 3.5 V, die maximale CW-Ausgangsleistung ist 1.2 mW. Diese Daten sind mit
denen bester 1.3 m GaInNAs-VCSEL, ebenfalls basierend auf dotierten Halblei-
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 94
0 5 10 15 20
0
1
2
3
4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
aperture 13 µm
24 pairs top DBR
ηdiff=0.11 W/A
Rdiff~100 Ω @ 3.5 V
Voltage (V)
Current (mA)
Pout (mW)
Abbildung 8.3: L-U-I-Charakteristik für einen QP-VCSEL mit einer 13 m Apertur
und 24 oberen Spiegelpaaren. Der di¤erentielle Widerstand beträgt ca. 100 :
terspiegeln, vergleichbar [145].
Gepulst
Die maximale Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb ist bei allen Lasern ther-
misch limitiert. L-I-Kennlinien für den Puls- und Dauerstrichbetrieb eines QP-
VCSELs mit einer 23 m Apertur sind in Abb. 8.4 dargestellt. Das Abknicken
der Intensität oberhalb von 60 mA ist thermisch bedingt. Im Vergleich zu den
gepulsten Messungen an MOCVD QP-VCSELn ist zu erkennen, das die maximale
di¤erentielle Ausbeute im Dauerstrichbetrieb hier nicht thermisch limitiert ist. Die-
ses lässt sich durch die bessere Temperaturstabilität von p-modulationsdotierten
Quantenpunktlasern erklären [16].
Temperaturverhalten
Für verschiedene Chuck-Temperaturen ist in Abb. 8.5 die gemessene CW-Ausgangs-
leistung dargestellt. Die maximale Arbeitstemperatur des Lasers betrug ca. 50 C.
Auf Grund der Selbstaufheizung des VCSELs im CW-Betrieb und der damit ver-
bundenen Brechungsindex-Änderung ist die Emissionswellenlänge rotverschoben.
Durch den Vergleich der CW-Wellenlängen mit gepulsten Messungen bei verschie-
denen Temperaturen lässt sich die Selbstaufheizung bestimmen. Dieses ist in Abb.
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 95
020 40 60 80 100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Pout (mW)
Current (mA)
DO-188
λ=1276 nm
23 pairs top DBR
Aperture 23 µm
20 °C pulsed
1kHz, 800 ns
cw
Abbildung 8.4: L-I-Kennlinien im Puls- und CW-Betrieb für einen QP-VCSEL mit
einer 23 m Apertur.
8.6 für einen VCSEL mit einem Aperturdurchmesser von 19 m bei 3.7 V dar-
gestellt. Die Temperaturdi¤erenz bertägt hier (kurz oberhalb des Abknickpunktes
der optischen Leistung bei 20 C) 40 C. An Kantenemittern mit vier gespaltenen
Facetten wurde mit einem p-dotierten 10-fach QP-Stapel bis zu 50 C eine cha-
rakteristische Temperatur T0= 260 C erziehlt, siehe Abb. 8.7. Die QPe je Schicht
waren nominell mit den in den VCSELn verwendeten QPen identisch. Oberhalb
von 50 C sinkt die interne Quantenausbeute jedoch deutlich, was auch das Ab-
knicken der optischen Leistung der QP-VCSEL im CW-Betrieb bei einer internen
Temperatur von ca. 60 C erklärt.
Neben dem p-modulationsdotierten VCSEL wurden auch Wafer mit einer un-
dotierten Kavität und 9 QP-Schichten, sowie mit 13 QP-Schichten prozessiert. Die
Güte der unprozessierten Wafer sowie die Lage der Kavitätsresonanz relativ zum
Gewinnmaximum waren mit dem p-modulationsdotierten Wafer vergleichbar. Mit
9 QP-Schichten konnte kein Lasing erzielt werden. Für 13 QP-Schichten wurde ei-
ne di¤erentielle Ausbeute von nur 0.048 W/A sowie eine optische Maximalleistung
von 0.1 mW bei einer 12 m-Apertur erreicht.
Die Unterschiede lassen sich durch die p-Modulations-Dotierung der Barrieren
und den damit verbundenen Coulomb-E¤ekt [147] sowie die bessere Befüllung
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 96
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5 DO-188
Aperture 23 µm,cw
23 pairs top DBR
Pout (mW)
Current (mA)
T (°C)
- 20
0
20
30
40
45
50
Abbildung 8.5: CW-Temperaturverhalten der Ausgangsleistung für einen QP-VCSEL
mit einer 23 m Apertur.
der Lochzustände in den QPen erklären. Bei Raumtemperatur sind die meisten
Akzeptoren in der Barriere ionisiert und wirken abstoßend auf die Elektronen in
den QPen. Damit wird das thermische Entweichen der Elektronen aus den QPen
sowie die Di¤usion in die Barrieren verringert. Ob bei einem QP-Stapel mit einer
Gesamtdicke kleiner der Di¤usionslänge der Löcher durch die p-Dotierung der
Barrieren tatsächlich die Besetzung der dicht liegenden QP-Lochzustände deutlich
verbessert wird, ist derzeit noch ungeklärt.
In unseren VCSEL-Strukturen werden jedoch ohne Dotierung die einzelnen
QP-Schichten auf Grund der geringen Di¤usionslänge der Löcher nicht homogen
gepumpt. Der maximale Abstand zwischen den QP-Schichten beträgt 0.5 bzw.
0.7 m für 9 und 13 QP-Schichten. Die Breite der Rekombinationszone ist hier
bei gleicher Verteilung der QP-Schichten in erster Näherung durch die Dotierung
sowie die Elektron - und Lochzustandsdichten des 6 nm dicken In0:15Ga0:85As-
Quanten…lms gegeben1. Die Zustandsdichte im Quanten…lm ist deutlich höher als
1Dieser wird beim AAPS-Wachstum zur e¤ektiven Vergrößerung der Quantenpunkte durch
spannungsinduziertes Entmischen des In sowie zur Reduktion der hydrostatischen Vespannung
über die InAs/GaAs-QPe gewachsen, um die Übergangsenergie zu verringern.
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 97
-20 020 40 60 80
1270
1272
1274
1276
1278
1280
1282
∆T~40 °C at ~ 3.7 V, 30 mA
(3.6 nm / (0.0867 nm/K))
DO-188
Aperture 19 µm
Wavelength (nm)
Temperature (°C)
cw
pulsed
Abbildung 8.6: Wellenlängen im CW - sowie gepulsten Betrieb bei verschiedenen
Chuck-Temperaturen. Die Selbstaufheizung am Arbeitspunkt bei 3.7 V beträgt 40 C.
in den Quantenpunkten. Gelangen QP-Schichten nicht zumindest bis zur Trans-
parenz, absorbieren sie auf Grund ihrer Lage sehr e¤ektiv, und unterbinden damit
das Lasing. Für 1.1 m MOCVD-QPe ist auch ohne p-Dotierung eine homogenere
QP-Befüllung zu erwarten, da hier nach der Stranski-Krastanow-QP-Bildung kein
Überwachsen mit Quanten…lmen statt…ndet. Die Benetzungsschicht der MOCVD-
QPe ist dünner als der In0:15Ga0:85As-Quanten…lm der AAPS-QPe, und besitzt
damit eine kleinere Zustandsdichte. Zur genauen Behandlung dieser Frage sind in-
des Rechnungen notwendig, welche die genaue elektronische Struktur der AAPS-
Quantenpunkte sowie verschiedene Transport-, Einfangs- und Emissions-Mechanis-
men der Ladungsträger ähnlich der Arbeiten in [53], erweitert um ein stochastisches
Modell, berücksichtigen.
KAPITEL 8. MBE 1.3 M QP-VCSEL MIT DOTIERTEN SPIEGELN 98
020 40 60 80 100 120
100
1000
∆λ = 0.5 nm/°C
T0 = 260 K
DO-075, 10 QD layer
4 side cleaved
Threshold Current Density (A/cm2)
Heatsink Temperature (0C)
300
1280
1290
1300
1310
1320
1330
1340
Wavelength (nm)
Abbildung 8.7: Thermische Eigenschaften eines 10-fach InGaAs/InAs QP-
Kantenemitters mit vier gespaltenen Facetten und einer Fläche von 650x600 m2[146].
Die QPe waren p-modulationsdotiert .
Kapitel 9
Zusammenfassung
In der Arbeit wurden weltweit erstmalig elektrische gepumpte MOCVD-basierte
ober‡ächenemittierende InGaAs-Quantenpunkt-Laser realisiert, die zudem im un-
gekühlten Dauerstrichbetrieb arbeiten. Die Laser besitzen Oxidspiegel und Intra-
kavitätskontakte, und emittieren bei einer Laserwellenlänge von 1100 nm. Für das
Wachstum wurden alternative Precursor mit reduziertem Gefahrenpotential ver-
wand.
Es wurden VCSEL mit drei, sechs und neun QP-Schichten realisiert, Laser mit
neun QP-Schichten zeigten in allen Bereichen die besten Daten. Die kleinsten ge-
messenen Schwellströme im Dauerstrichbetrieb bei 20Cwaren 85 A. Bei gleichen
Bedingungen wurden thermisch limitierte optische Ausgangsleistungen von 1.45
mW realisiert. Im Pulsbetrieb waren bei 6 mW nur geringe Anzeichen einer Lei-
stungssättigung erkennbar. Die maximale externe Ausbeute betrug 45% bei einer
gleichzeitigen Konversionse¢ zienz von 14%. Dominierender leistungslimitierender
Faktor ist hier die Temperaturabhängigkeit der internen Quantenausbeute. Die
Ausgangsleistung der Laser mit 9 QP-Schichten war im Dauerstrichbetrieb nicht
durch Gewinnsättigung verbunden mit einem räumlichen und spektralen Loch-
brennen begrenzt. Die durchweg sehr niedrigen Schwellströme resultieren aus den
intrinsischen Eigenschaften der Quantenpunkte und ihrer hohen optischen Quali-
tät sowie aus niedrigsten optischen Verlusten von 0.06% pro Umlauf in der Kavi-
tät. Dieser Wert ist vergleichbar mit den weltweit niedrigsten, an VCSELn jemals
gemessenen Verlusten. Das verwendete Konzept mit Oxidspiegeln und Intrakavi-
99
KAPITEL 9. ZUSAMMENFASSUNG 100
tätskontakten ist hierin eines der kompromisslosesten, da es optische Absorptions-
und Streuverluste auf ein Minimum reduziert.
Neben statischen Messungen wurden auch dynamische Untersuchungen durch-
geführt. Diese ergaben eine maximale 3 dB Kleinsignal-Modulationsbandbreite von
2 GHz bei einer RC-Grenzfrequenz von 1.1 GHz. Die RC-Bandbreite ist hier noch
durch den hohen di¤erentiellen Widerstand auf Grund des geringen Dotierniveaus
sowie Kontaktring-Kapazitäten bestimmt. Über die Großsignal-Modulation ergab
sich eine durch Gewinnsättigung begrenzte Frequenz der Relaxationsoszillationen
von 1.7 GHz. Damit waren die Laser nur geringfügig RC-limitiert.
Weiterhin wurden MBE-basierte QP-VCSEL bei 1300 nm hergestellt. Hier
konnten weltweit erstmalig QP-VCSEL mit dotierten Halbleiterspiegeln für die-
se Emissionswellenlänge demonstriert werden. Die Laser mit den besten Parame-
tern besaßen 17 p-modulationsdotierte Quantenpunktschichten, welche mittels der
aktivierten Phasentrennung (AAPS) gewachsen wurden. Es wurden Dauerstrich-
Ausgangsleistungen von 1.5 mW sowie gepulste Ausgangsleistungen von 8 mW
erzielt. Die p-Modulations-Dotierung nahe den Quantenpunkten erwies sich als
Schlüssel, um alle 17 QP-Schichten hinreichend homogen zu pumpen sowie die
durch Selbstaufheizung bedingte Reduktion der internen Quantenausbeute zu mi-
nimieren.
Sowohl bei den MOCVD-basierten als auch bei den MBE-basierten QP-VCSELn
sind die Leckströme sehr hoch. Hier lässt sich eine deutliche Verbesserung durch
Hinzunahme einer n-Apertur erwarten.
Um obige MOCVD QP-VCSEL zu realisieren, wurde mittels optischer und
elektrostatischer Simulationen ein Design entwickelt, welches an die Anforderungen
von MOCVD-Quantenpunkten als aktives Medium angepasst ist. Quantenpunkte
für Wellenlängenbereiche zwischen 1100 nm und 1300 nm besitzen im Vergleich
zu Quanten…lmen, die bei 980 nm emittieren, einen geringeren modalen Maximal-
gewinn pro Schicht. Das gewählte Design realisiert einen Kompromiss zwischen
minimalen optischen Verlusten und einer für den Dauerstrichbetrieb ausreichen-
den Dotierung.
Zur postepitaktischen Charakterisierung von VCSEL-Wafern wurde ein opti-
sches Simulationsprogramm entwickelt, mit dem der Ein‡uss von Ober‡ächen-
rauigkeiten auf den Laser-Schwellgewinn berechnet werden kann. Im gleichen Pro-
KAPITEL 9. ZUSAMMENFASSUNG 101
grammsystem sind automatisierte Fit-Module enthalten, mit denen Schichtdicken-
kalibrationen für GaAs und AlAs-Schichten unabhängig voneinander an einer spe-
ziellen Teststruktur mit einer Genauigkeit von bis zu 0.2% schnell realisiert werden
können.
Das gewählte Konzept mit Oxidspiegeln und Intrakavitätskontakten erfordert
eine komplexe Prozessierung. Einzelprozesse wie die selektiven Nassoxidation von
hoch Al-haltigen AlGaAs-Schichten, Ätzungen von GaAs-basierten Materialien mit
einer Präzision von wenigen nm, sowie temperaturstabile Metallisierungen mit ge-
ringsten Kontakwiderständen auf sehr dünnen Kontaktschichten wurden am FHI-
Nachrichtentechnik Heinrich-Hertz-Institut entwickelt. Im Zuge der entscheiden-
den Integration der Einzelprozesse zum Gesamtprozess konnte auf eine Vielzahl
von existierenden zuverlässigen Prozessen zurückgegri¤en werden, einige mussten
auf die Anforderungen von GaAs angepasst werden.
Der Gesamtprozess konnte soweit optimiert werden, daßdamit eine über den
Wafer homogene reproduzierbare VCSEL-Herstellung mit Oxidspiegeln ohne eine
prozessbedingte Reduktion der Anzahl funktionsfähiger Laser pro Wafer realisiert
wurde. MBE-basierte QP-VCSEL mit Halbleiterspiegeln konnten darauf aufbau-
end problemlos aus einzelnen Segmenten des obigen Prozesses hergestellt werden,
bei denen nur geringfügige Anpassungen notwendig waren.
Anhang A
MOCVD Epitaxie-Struktur
1.1m QP-VCSEL (1 Oxidapertur, p-Ätzstop-Schicht, 3 QP-Gruppen mit je 3 QP-
Schichten)
Nr. Composition: AlxGa1xAs Thickness, nm Doping Note
End
82 End of period
62 X=0 79 Undoped
61 X=0.2 10 Undoped
60 X=0.98 137 Undoped To be oxidized
59 X=0.2 10 Undoped
Period (!) 6x 6 periods
58 X=0 40 Undoped
57 X=0.9 10 Undoped Etch stop-layer
56 X=0 50 C: 3e18
55 X=0 265 C: 1e18
54 X=0.9 40 C: 3e18
53 X=0.995 10 C: 3e18 To be oxidized
52 X=0.9 10 C: 3e18
51 X=0 128 C: 1e17
50 X=0 40 Undoped
102
ANHANG A. MOCVD EPITAXIE-STRUKTUR 103
Nr. Composition: AlxGa1xAs Thickness, nm Doping Note
49 QDots 2 Undoped QD
48 X=0 39.5 Undoped
47 QDots 2 Undoped QD
46 X=0 39.5 Undoped
45 QDots 2 Undoped QD
44 X=0 74 Undoped
43 QDots 2 Undoped QD
42 X=0 39.5 Undoped
41 QDots 2 Undoped QD
40 X=0 39.5 Undoped
39 QDots 2 Undoped QD
38 X=0 74 Undoped
37 QDots 2 Undoped QD
36 X=0 39.5 Undoped
35 QDots 2 Undoped QD
34 X=0 39.5 Undoped
33 QDots 2 Undoped QD
32 X=0 50 Undoped
31 X=0 13 Si: 1e17
30 X=0 200 Si: 1e18
29 X=0 10 Undoped
End of period
4 X=0.2 10 Undoped
3 X=0.99 137 Undoped To be oxidized
2 X=0.2 10 Undoped
1 X=0 79 Undoped
Period (!) 7x 7 periods
Bu¤er 500 Undoped
GaAs (001) substr. i-type
Literaturverzeichnis
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[146] N. N. Ledentsov, mit freundlicher Genehmigung.
[147] H. Dery and G. Eisenstein, to be published.
Danksagung
Da diese Arbeit sehr viele verschiedene Teilgebiete umfasste, war ich auf die Hilfe
von um so mehr Mitarbeitern angewiesen.
VCSEL sind für mich auch nach einigen Jahren noch ein sehr spannendes The-
ma. Ich möchte Prof. Dieter Bimberg dafür danken, dass er mir die Möglichkeit
gab, dieses Thema in seiner Arbeitsgruppe aufzubauen und nicht die Geduld verlor,
als über fast ein Jahr lang lediglich die Integration des ”letzten”Prozess-Schritts
misslang. Seit seinem ersten Aufenthalt vor drei Jahren am Institut hat sich Prof.
Vladimir Haisler zu einem Mentor unserer VCSEL-Gruppe entwickelt. Er hat ganz
wesentlich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen. Weite Teile unserer derzeitigen
Arbeiten basieren auf Grundlagen, die von Prof. Marius Grundmann, Prof. Alois
Krost , Robert Heitz, Frank Heinrichsdor¤und Oliver Stier teilweise erst vor weni-
gen Jahren erbracht wurden. Die Epitaxie spielt bei VCSELn eine besondere Rolle.
Ich möchte Roman Sellin, Ilia Kaiander und Katrin Schatke dafür danken, dass sie
mit ihren Wafern die Grundlagen für die Ergebnisse geliefert haben. Mein Dank gilt
besonders Udo Pohl, der vor lauter Bauelementen nicht die Physik aus dem Auge
verliert. In grundlegenden Laserfragen war Dieter Huse stets ein verlässlicher An-
laufpunkt. Die langen Diskussionen zu TESCA-Simulationen mit Matthias Kuntz
waren für beide sehr aufschlussreich. Ich möchte ihm u.a. auch für die dynamischen
Messungen danken, die wie immer unter hohem Zeitdruck durchgeführt wurden.
Ohne die Hilfe von Sebastian Bognar hätten bestimmt einige Praktikumsversuche
verspätet begonnen, ich glaube, er hält den Rekord für die schnellste Program-
mierung einer Messgeräte-Ansteuerung. Ohne seine Gewinnuntersuchungen würde
mir zudem eine sichere Grundlage für ein VCSEL-Design fehlen. Anatol Lochmann
und Alex Mutig als weitere Mitarbeiter des VCSEL-Teams waren ebenfalls maß-
geblich an diesen Arbeiten beteiligt. Sven Rodt sei für die Hilfe in der Not bei
121
DANKSAGUNG 122
größeren Computerproblemen gedankt, Oliver Schulz für die Organisation vieler
Dinge, die einem oft selbstverständlich erscheinen.
Die Diskussionen mit Prof. Nikolai Ledentsov waren immer sehr hilfreich, ihm
sei hier nachdrücklich gedankt.
Die VCSEL-Entwicklung wäre ohne eine verlässliche technologische Basis nicht
möglich gewesen. Hier gilt mein besonderer Dank Dr. Nobert Grote sowie Dr. Udo
Niggebrügge vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik, die
mir das Arbeiten in ihrem Reinstraum ermöglichten. Hier wurde ich zum ersten
Mal mit Halbleitertechnologie vertraut, und konnte vom umfangreichen Erfah-
rungsschatz der Mitarbeiter pro…tieren. Eigentlich ist hier jeder Anlagenbetreuer
zu nennen. Ganz besonders viel Unterstützung habe ich von Hans-Jürgen Hensel
sowie Klemens Janiak erfahren. Sie halfen mir insbesondere bei vielen Trockenätz-
Problemen. Christiane Weinmann hat viele FE-REM-Aufnahmen gemacht, Detlev
Schmidt half bei der Nitrid-Abscheidung. Bärbel Reinsberger und Christian Schulz
waren verlässliche Hilfen bei verschiedenen Litographie-Fragen, Tom Gärtner half
bei Metallisierungen. Willi Ebert sei für die Konstruktion der ersten Version des
Oxidationsofens gedankt. Mein besonderer Dank gilt Carsten Möller, der am HHI
an VCSELn zeitgleich promovierte. Auf diese Weise mussten wir zumindest hier
nicht das Rad teilweise neu er…nden, sondern konnten voneinander pro…tieren.
Dr. Harald Künzel als Leiter der MBE-Gruppe betreute mich organisatorisch und
moralisch - der Oxidationsofen steht in der Nähe seines Büros. Auf diese Weise
verbrachte ich dort viele Stunden.
Prof. Jürgen Christen und Dr. Hempel von der Universität Magdeburg danke
ich für die FE-REM-Bilder der VCSEL-Strukturen.
Prof. Marius Grundmann danke ich für die schnelle Erstellung des Zweitgut-
achtens.
Ohne die Unterstützung meiner Eltern sowie meiner Freundin Diane wäre vieles
nicht möglich gewesen. Ihnen gilt mein größter Dank.