Entwicklung von optisch pumpbaren UVC-Lasern auf AIGaN-Basis (PDF)

Halbleiterlaser sind für vielfältige Anwendungen in vielen Wellenlängen kommerziell verfügbar. Im tiefen UV mit Wellenlängen < 300 nm jedoch konnten bisher keine elektrisch pumpbaren Laserdioden realisiert werden – trotz einer Fülle interessanter Applikationen.
Um dies langfristig zu ändern, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Realisierung und Optimierung optisch pumpbarer Laserstrukturen auf Basis von Aluminiumgalliumnitrid.
Durch die Analyse dieser einfacheren Bauelemente soll ein besseres Verständnis der relevanten physikalischen Parameter erreicht werden.
Dazu wird in der Arbeit zunächst das Wachstum der Halbleiter-Heterostrukturen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie in Simulationen und experimentell untersucht. Es zeigt sich, dass Silizium je nach Wachstumsbedingungen unterschiedlich stark aus den Reaktorteilen ausdampft und in die Halbleiterschichten eingebaut wird. Die ersten realisierten Laser zeigten aufgrund einer sehr dicken AlN-Deckschicht hohe Schwellen von > 10 MW/cm², dafür aber auch die kürzeste bisher demonstrierte Emissionswellenlänge im verwendeten Materialsystem.
Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die Einflüsse von Quantenfilmdicke und -anzahl, Substratfehlschnitt und Siliziumdotierung in verschiedenen Schichten auf die Laserschwellen sowie die interne Quanteneffizienz untersucht. Es zeigt sich, dass eine geringere Quantenfilmanzahl die nichtstrahlende Rekombination an Heterogrenzflächen verringert und dass Silizium in Abhängigkeit von der Dotierkonzentration die Dichte der Gruppe-III-Vakanzen sowie die Häufigkeit von Bandlückenfluktuationen beeinflusst. Dank der dabei gewonnenen Erkenntnisse konnten die Laserschwellen auf < 1 MW/cm² mit einem Bestwert von 640 kW/cm² reduziert werden.