@phdthesis{Bisping2010,
  author    = {Bisping, Dirk},
  title     = {Wachstum und Charakterisierung von GaInNAs-basierenden Halbleiterstrukturen f{\"u}r Laseranwendungen in der optischen Telekommunikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-77538},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Molekularstrahlepitaxie GaInNAs-Strukturen f{\"u}r m{\"o}gliche Anwendungen in der Telekommunikation als GaAs-basierende Alternative f{\"u}r herk{\"o}mmliche Laser auf InP-Substrat hergestellt und untersucht. Zun{\"a}chst wurden durch Optimierung der Substrattemperaturmessung und RF-Plasmaquelle die Voraussetzungen f{\"u}r gutes GaInNAs-Wachstum geschaffen. Thermisches Ausheilen ist essentiell, um eine gute optische Qualit{\"a}t von GaInNAs-Strukturen zu erzielen. Man beobachtet einen signifikanten Einfluss von Ausheildauer und -temperatur. Exzessives Ausheilen bei zu hohen Temperaturen bzw. zu langen Zeiten f{\"u}hrt, neben einer ebenso unerw{\"u}nschten Blauverschiebung der Emission, wiederum zu einer Degradation der optischen Qualit{\"a}t, die sich in einer deutlichen Reduktion der Photolumineszenz(PL)-Intensit{\"a}t {\"a}ußert. GaInNAs-Quantenfilm(QF)-Laser mit Emission um 1240 nm mit m{\"o}glicher Anwendung als Pumplaser f{\"u}r Ramanverst{\"a}rker wurden hergestellt und charakterisiert. Durch eine Optimierung des in-situ-Ausheilens dieser Laserstrukturen konnten Laser mit sehr niedrigen Schwellenstromdichten von deutlich unter 200 A/cm^2 hergestellt werden. F{\"u}r eine m{\"o}glichst hohe Ausgangsleistung wurde der Wirkungsgrad der Bauteile durch eine Optimierung der internen Verluste erh{\"o}ht. Eine Reduktion der internen Verluste konnte durch eine Anpassung des Dotierprofils und die Verwendung von sogenannten Large-Optical-Cavities (LOCs) erreicht werden. Mit Hilfe des LOC-Designs konnten sehr niedrige interne Verluste von nur 0,5 1/cm bei einer internen Quanteneffizienz von nahezu 80 \% erreicht werden. Mit optimierten Strukturen wurde stabiler Dauerstrichbetrieb bei Ausgangsleistungen von mehreren Watt {\"u}ber 1000~h ohne sichtbare Degradation demonstriert. Mit auf dem LOC-Design basierenden Lasern konnte schließlich eine sehr hohe Ausgangsleistung von ca. 9 W gezeigt werden. Anschließend wurden Untersuchungen zu Quantenpunkten (QPen) im Materialsystem GaInNAs vorgestellt. Mit steigendem Stickstoffgehalt beobachtet man eine Rotverschiebung der Emission bis auf 1,43 µm, allerdings gleichzeitig eine deutliche Degradation der optischen Qualit{\"a}t. Eine Untersuchung der QP-Morphologie ergibt eine Reduktion der Homogenit{\"a}t der QP-Gr{\"o}ßenverteilung, die sich im Auftreten zweier unterschiedlich großer QP-Ensembles {\"a}ußert. Um diese Degradation der QPe zu vermeiden, wurde weiterhin auf den N-Einbau in den QPen verzichtet. Wider Erwarten f{\"u}hrt der Verzicht auf N in den QPen nicht zu einer Blauverschiebung der Emission. Dieses Resultat konnte auf die ver{\"a}nderte QP-Morphologie zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Durch eine Erh{\"o}hung des N-Gehaltes im die QP {\"u}berwachsenden QF wurde eine weitere deutliche Rotverschiebung der Emission erreicht. So konnte PL-Emission bei Raumtemperatur mit einem Emissionsmaximum bei 1600 nm demonstriert werden. Weiterhin wurden GaInNAs-QF-Strukturen f{\"u}r Laser im Wellenl{\"a}ngenbereich um 1550 nm untersucht. Da das Wachstum hier auf Grund des deutlich h{\"o}heren, notwendigen N-Gehaltes wesentlich schwieriger wird, erfolgte zun{\"a}chst eine detaillierte Untersuchung der wesentlichen Wachstumsparameter. Hierbei ist es essentiell, auch das Ausheilverhalten der jeweiligen Strukturen genau zu betrachten. Bei einer Untersuchung des Einflusses der Wachstumstemperatur auf GaInNAs-Teststrukturen wurden signifikante Unterschiede auch bei nur sehr geringen {\"A}nderungen in der Substrattemperatur von nur 10 °C festgestellt. Die beobachteten Effekte wurden vor dem Hintergrund des Modells der QP-{\"a}hnlichen Emitter diskutiert. Eine Variation des Arsen-Flusses zeigte einen deutlichen Einfluss auf die PL-Emission und vor allem auf das Ausheilverhalten. Das Ausheilverhalten l{\"a}sst sich durch eine Anpassung des Arsen-Flusses maßgeschneidert anpassen. W{\"a}hrend dem {\"U}berwachsen der aktiven Schicht mit Mantel- und Kontaktschicht kann es bereits zu einem {\"U}berausheilen der Strukturen kommen. Es wurden Laser mit niedrigen Schwellenstromdichten um 1 kA/cm^2 bis zu einer Wellenl{\"a}nge von 1500 nm hergestellt. F{\"u}r h{\"o}here Wellenl{\"a}ngen steigt die Schwellenstromdichte in den Bereich von 2 bis 3 kA/cm^2. Maximal wurde Laseremission bei {\"u}ber 1600 nm erreicht. Bei der Untersuchung der bei 1600 nm emittierenden Laserdioden wurde eine Verbreiterung der Laseremission zur hochenergetischen Seite auf bis zu 150 nm Bandbreite bei steigendem Betriebsstrom beobachtet. Dieser Effekt kann mit Hilfe des Modells der QP-{\"a}hnlichen Emitter verstanden werden. Unter Ausnutzung dieses Effekts wurden auf dem selben epitaktischen Material monomodige Distributed-Feedback(DFB)-Laser {\"u}ber einen Wellenl{\"a}ngenbereich von ca. 1500 nm bis 1600 nm gezeigt. Auf Basis der zuvor vorgestellten langwelligen Laserstrukturen mit niedrigen Schwellenstromdichten wurde erstmals Dauerstrichbetrieb von monomodigen DFB-Lasern im Bereich um 1500 nm und von multimodigen Stegwellenleiter-Lasern {\"u}ber 1500 nm im Materialsystems GaInNAs gezeigt.},
  subject      = {Halbleiterlaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Loeffler2008,
  author    = {L{\"o}ffler, Andreas},
  title     = {Selbstorganisiertes Wachstum von (Ga)InAs/GaAs-Quantenpunkten und Entwicklung von Mikroresonatoren h{\"o}chster G{\"u}te f{\"u}r Experimente zur starken Exziton-Photon-Kopplung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-30323},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Als erster Schritt wurde der dreidimensionale optische Einschluss der Mikroresonatoren verbessert. Eine h{\"o}here G{\"u}te der Strukturen konnte vor allem durch Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses erzielt werden. Der {\"A}tzprozess der T{\"u}rmchen wurde so optimiert, um m{\"o}glichst glatte und senkrechte Seitenw{\"a}nde der Resonatoren zu erreichen. Dies reduziert Streu- und Beugungsverluste an den Seitenw{\"a}nden der Mikroresonatoren und verbessert deren optischen Einschluss. Des Weiteren wurde der epitaktische Schichtaufbau der Resonatoren sowie die Wachstumsparameter der einzelnen Halbleiterschichten optimiert. Somit konnte der Q-Faktor der Resonatoren zum Beispiel durch die Verwendung von Spiegeln mit einer h{\"o}heren Reflektivit{\"a}t und einem angepassten V/III-Verh{\"a}ltnis bei den verschiedenen Epitaxieschichten weiter erh{\"o}ht werden. F{\"u}r einen aktiven Mikroresonator mit 26 (30) Spiegelpaaren im oberen (unteren) DBR und einem Durchmesser von 4 µm wurden somit Rekordwerte f{\"u}r den Q-Faktor von ca. 90000 erreicht. Parallel hierzu wurden Analysen zum Wachstum von selbstorganisierten GaInAs-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten angestellt. Hierbei war sowohl die Entstehung der dreidimensionalen Wachstumsinseln als auch deren optische Eigenschaften Gegenstand der Untersuchungen. Die morphologischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde mittels Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert, womit die optischen Eigenschaften durch Photolumineszenz- und Photoreflexionsmessungen untersucht wurden. Die optischen und vor allem die geometrischen Eigenschaften der selbstorganisiert gewachsenen GaInAs-Quantenpunkte konnten entscheidend verbessert werden. Durch die Verwendung von einer gering verspannten Nukleationsschicht mit einem Indiumgehalt von 30 \% konnte die Fl{\"a}chendichte der Quantenpunkte auf 6 - 9 x 10^9 cm^-2 verringert und ihre geometrischen Abmessungen auf typische L{\"a}ngen von 50 - 100 nm und Breiten von ca. 30 nm erh{\"o}ht werden. Durch den reduzierten Indiumgehalt wird die Gitterfehlanpassung zwischen den Quantenpunkten und der umgebenden Matrix verkleinert. Die verringerte Verspannung beim Quantenpunktwachstum f{\"u}hrt zu einer erh{\"o}hten Migrationsl{\"a}nge der abgeschiedenen Atome auf der Oberfl{\"a}che, was wiederum zur Bildung von gr{\"o}ßeren Quantenpunkten mit geringerer Fl{\"a}chendichte f{\"u}hrt. Schließlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse {\"u}ber das MBE-Wachstum von Mikroresonatoren, ihre Prozessierung und das selbstorganisierte Inselwachstum von GaInAs auf GaAs als Basis f{\"u}r die Herstellung weiterer Proben verwendet. Es wurden nun beide Bereiche miteinander verkn{\"u}pft und gering verspannte GaInAs-Quantenpunkte in die Mikroresonatoren eingewachsen. Die hohen G{\"u}ten der realisierten Mikrokavit{\"a}ten in Kombination mit Quantenpunkten mit vergr{\"o}ßerten Abmessungen und geringen Dichten machen diese Strukturen zu idealen Kandidaten f{\"u}r die Grundlagenforschung im Bereich der Quantenelektrodynamik. Als H{\"o}hepunkt erm{\"o}glichten diese Strukturen zum ersten Mal den Nachweis einer starken Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in einem Halbleiter. F{\"u}r den Fall der gering verspannten vergr{\"o}ßerten Quantenpunkte im Regime der starken Kopplung konnte eine Vakuum-Rabi-Aufspaltung von ca. 140 µeV zwischen der Resonatormode und dem Quantenpunkt-Exziton beobachtet werden. Durch die verbesserten G{\"u}ten der Kavit{\"a}ten konnte das Regime der starken Wechselwirkung ebenfalls f{\"u}r kleinere Quantenpunkte erreicht werden. Eine Rabi-Aufspaltung von ca. 60 µeV wurde zum Beispiel f{\"u}r kreisrunde GaInAs-Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 \% und Durchmessern zwischen 20 und 25 nm gemessen. Das Regime der starken Kopplung erm{\"o}glicht es weiterhin, R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Oszillatorst{\"a}rke der eingewachsenen Quantenpunkte zu ziehen. So konnte zum Beispiel f{\"u}r die vergr{\"o}ßerten Quantenpunktstrukturen eine Oszillatorst{\"a}rke von ca. 40 - 50 abgesch{\"a}tzt werden. Dagegen weisen die leicht verkleinerten Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 \% nur eine Oszillatorst{\"a}rke von ca. 15 - 20 auf. Des Weiteren wurden f{\"u}r einen sp{\"a}teren elektrischen Betrieb der Bauteile dotierte Mikroresonatoren hergestellt. Die hohen G{\"u}ten der dotierten T{\"u}rmchen erm{\"o}glichten ebenso die Beobachtung von klaren quantenelektrodynamischen Effekten im elektrischen Betrieb. Die untersuchten elektrisch gepumpten Mikroresonatoren mit kleinen GaInAs-Quantenpunkten in der aktiven Schicht operierten im Regime der schwachen Kopplung und zeigten einen deutlichen Purcell-Effekt mit einem Purcell-Faktor von ca. 10 im Resonanzfall. Durch den Einsatz von vergr{\"o}ßerten GaInAs-Quantenpunkten konnte ebenfalls im elektrischen Betrieb das Regime der starken Wechselwirkung mit einer Rabi-Aufspaltung von 85 µeV erreicht werden.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}