Plasmaätzanlage mit ICP-Anregung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Schwerpunkt der Forschungsarbeiten des Lehrstuhls für Halbleitertechnologie (Leitung: Prof. M.-C. Amann) sind die Abscheidung von III-V-Verbindungshalbleitern und basierend darauf die Herstellung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente. Die apparative Ausstattung des Lehrstuhls umfasst eine komplette Fertigungslinie im institutseigenen Reinraum der Klasse 100, die von der Synthese des Materials (Epitaxie) über Mikro- und Nanostrukturtechnologie bis zur Charakterisierung der fertigen Bauelemente reicht. Die beschafften Anlagen sind dabei ein zentraler Bestandteil aller Prozesse zur Realisierung neuartiger Bauelemente, da trockenchemische Ätzprozesse, im Gegensatz zu nasschemischen, die Herstellung von Strukturen mit sehr hoher Anisotropie ermöglichen (d.h. senkrechte Ätzflanken, entscheidend für die Herstellung von Photonischen Kristallen), eine exakte Kontrolle der Prozesse erlauben (in situ-Analytik mittels Massenspektrometrie und optischer Emissionsspektroskopie) und häufig erst die reproduzierbare Strukturierung einiger Materialien (z.B.: auf Antimon basierende Halbleiterheterostrukturen oder dielektrische Materialien wie SiO2 und Si3N4) möglich machen. Die beiden Anlagen wurden dabei so ausgelegt, dass die Strukturierung von III/V-Halbleitern mittels Cl-basierter Prozesse und die von Dielektrika mittels F-Verbindungen in getrennten Anlagen stattfinden kann, um eine Beeinflussung der Prozesse untereinander auszuschließen. Der Einsatz dieser Anlagen zum trockenchemischen Strukturieren ist am WSI immer auf die Realisierung vollständiger, teils sehr komplexer Bauelemente ausgerichtet, was reproduzierbare und auf höchstem Niveau kontrollierbare Prozessschritte erfordert. Die Untersuchung der Eigenschaften des Plasmas selbst war bisher noch weniger Gegenstand der Forschung. Die Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls für Halbleitertechnologie konzentrieren sich auf folgende drei Themengebiete: Die Konzeption und Realisierung oberflächenemittierender Laser-Dioden (VCSEL) für das nahe bis mittlere Infrarot (1,3 bis ca. 2,5 µm), die Erforschung des Materialsystems (AlGaIn)(AsSb) und basierend darauf die Herstellung von Lasern mit Emissionswellenlängen bis 4 µm und mehr, sowie die Erzeugung von Licht im Wellenlängenbereich von ca. 4 bis 100 µm mittels Quantenkaskaden-Lasern. Im Berichtszeitraum ist es gelungen, am kurzwelligen Ende des Spektralbereichs InP-basierte VCSEL mit einer Emissionswellenlänge von 1,3 µm herzustellen, deren Halbleitermaterial vollständig mittels des MOVPE-Verfahrens (Metallorganische Gasphasenepitaxie) synthetisiert wurde. Diese Laser erlaubten die Übertragung von Daten über eine 10 km lange Glasfaser (single-mode) mit einer Rate von 30 Gb/s. Im Rahmen eines von der EU-geförderten Projekts mit dem Ziel der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung bei 1,55 µm konnten durch eine neue Prozessentwicklung polarisationsstabilisierte VCSEL-Arrays monolithisch realisiert werden, die eine parallel Übertragung von optischen Signalen in integrierten photonischen Systemen (SOI) erlauben. Zusätzlich wurde mit 8 mW ein neuer Rekord für die Ausgangsleistung von VCSELn bei dieser Wellenlänge aufgestellt. Zur Erweiterung des Wellenlängenbereichs auf dem Substratmaterial InP wurden unter Verwendung von Antimon erstmals erfolgreich Type-II-Quantentopfstrukturen für die Herstellung von oberflächenemittierenden Lasern bei 2,5 µm eingesetzt. Mit Hilfe ähnlicher aktiver Zonen konnten in kantenemittierenden Bauelementen sogar Wellenlängen bis 3,5 µm erreicht werden. Im Gegensatz zu diesen bipolaren Bauelementen basiert die Lichterzeugung in Quantenkaskaden-Lasern (QCL) auf Inter-Band-Übergängen bei denen die Emissionswellenlänge weniger vom Material als vielmehr von der genauen Abfolge der Halbleiterschichten abhängt. Die Herstellung solcher Bauelemente für Wellenlängen von ca. 6 bis 12 µm wird am Institut seit Jahren beherrscht. Durch die Abscheidung von Halbleitermaterial mit zwei unterschiedlichen Kaskadenstrukturen (verschiedene Emissionswellenlängen) innerhalb einer Bauelementstruktur und den Einsatz eines zusätzlichen Quantentopfes, der als optische Nichtlinearität fungiert, ist es gelungen die Differenzfrequenz der beiden einzelnen QCLs und damit THz-Strahlung zu erzeugen. Am Lehrstuhl für Semiconductor Quantum Nanosystems des Walter Schottky Instituts (Leitung: Prof. J. J. Finley) wurden im Berichtszeitraum photonische Nanostrukuren mittels einer Kombination von Elektronenstrahl-Lithographie und trockenchemischem Ätzen (ICP-RIE) hergestellt. Hierbei wurden insbesondere qualitativ hochwertige, zweidimensionale Photonische Kristalle auf III-V-Verbindungshalbleitern realisiert, wobei eine 180 nm dicke Halbleiter-Membran mit einer periodischen Anordnung von Luftlöchern perforiert wurde. Weiterhin wurden in diesen Photonischen Kristallen optische Resonatoren und Wellenleitern integriert, um damit mittels optischer Spektroskopie die Licht-Materie-Wechselwirkung mit künstlichen Atomen, sogenannten Halbleiter-Quantenpunkten, zu untersuchen. Hierbei wurde unter anderem die Erzeugung einzelner Photonen, die Ausbildung von neuen Quasiteilchen im Regime der Starken Kopplung, sowie kohärente Lichtemission in Nano-Lasern mit wenigen Quantenpunkten nachgewiesen. Neben dem Verständnis von grundlegenden physikalischen Zusammenhängen in solch neuartigen Quantensystemen, finden derartige photonische Nanostrukturen insbesondere Anwendungen in der Quanten-Kryptographie und der Quanteninformationsverarbeitung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A waveguide-coupled on-chip single-photon source. Physical Review X, 2, 011014 (2012)
A. Laucht, S. Pütz, T. Günthner, N. Hauke, R. Saive, S. Frédérick, M. Bichler, M.-C. Amann, A.W. Holleitner, M. Kaniber, J. J. Finley
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevX.2.011014) - InP-based 2.8-3.5 µm resonant-cavity light emitting diodes based on type-II transitions in GaInAs/GaAsSb heterostructures. Applied Physics Letters, Vol. 101, No. 22, pp. 221107 (2012)
C. Grasse, P. Wiecha, T. Gruendl, S. Sprengel, R. Meyer, M. C. Amann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4768447) - Terahertz sources based on Cerenkov difference-frequency generation in quantum cascade lasers. Applied Physics Letters, Vol. 100, No. 25, pp. 251104 (2012)
K. Vijayraghavan, R. W. Adams, A. Vizbaras, M. Jang, C. Grasse, G. Boehm, M. C. Amann, M. A. Belkin
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4729042) - 960-km SSMF transmission of 105.7-Gb/s PDM 3-PAM using directly modulated VCSELs and coherent detection. Optics Express, Vol. 21, No. 9, pp. 11585 - 11589 (2013)
C. Xie, P. Dong, P. Winzer, C. Gréus, M. Ortsiefer, C. Neumeyr, S. Spiga, M. Mueller, M. C. Amann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.21.011585) - Broadly Tunable Terahertz Generation in Mid-Infrared Quantum Cascade Lasers. Nature Communications, Vol. 4, 2021 (2013)
K. Vijayraghavan, Y. Jiang, M. Jang, K. Choutagunta, A. Vizbaras, F. Demmerle, G. Boehm, M. C. Amann, M. Belkin
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms3021) - High-Speed 1550 nm VCSEL Data Transmission Link Employing 25 GBd 4-PAM Modulation and Hard Decision Forward Error Correction. Journal of Lightwave Technology, Vol. 31, No. 4, pp. 689 - 695 (2013)
R. Rodes, M. Mueller, B. Li, J. Estaran, J. B. Jensen, T. Gruendl, M. Ortsiefer, C. Neumeyr, J. Rosskopf, K. J. Larsen, M. C. Amann, I. T. Monroy
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/JLT.2012.2224094) - InP-Based Type-II Quantum Well Lasers and LEDs. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 19, No. 4, pp. 1900909 (2013)
S. Sprengel, C. Grasse, P. Wiecha, A. Andrejew, T. Gruendl, G. Boehm, R. Meyer, M. C. Amann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/JSTQE.2013.2247572) - Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions. Nature, Vol. 511, 65-69 (2014)
J. Lee, M. Tymchenko, C. Argyropoulos, P. Y. Chen, F. Lu, F. Demmerle, G. Boehm, M. C. Amann, A. Alu, M. A. Belkin
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature13455) - Highly directed emission from self-assembled quantum dots into guided modes in disordered photonic crystal waveguides. Physical Review B, Vol. 90, 115310 (2014)
T. Reichert, S. Lichtmannecker, G. Reithmaier, M. Zeitlmair, J. Wembacher, A. Rauscher, M. Bichler, K. Müller, M. Kaniber, J. J. Finley
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115310) - Dynamic acousto-optic control of a strongly coupled photonic molecule. Nature Communications, Vol. 6, 6840 (2015)
S. Kapfinger, T. Reichert, S. Lichtmannecker, K. Müller, J. J. Finley, A. Wixforth, M. Kaniber, H. J. Krenner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms9540)
