Plasmaätzanlage mit ICP-Anregung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Schwerpunkt der Forschungsarbeiten 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 im Rahmen dieser Anträge 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 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 Mikrometer), die Erforschung des Materialsystems (AlGaIn)(AsSb) und basierend darauf die Herstellung von Lasern mit Emissionswellenlängen bis 4 Mikrometer und mehr, sowie die Erzeugung von Licht im Wellenlängenbereich von ca. 4 bis 100 Mikrometer mittels Quantenkaskaden-Lasern. Im Berichtszeitraum ist es gelungen, am kurzwelligen Ende des Spektralbereichs InP-basierte VCSEL mit einer Emissionswellenlänge von 1,3 Mikrometern 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 des von der EU-geförderten Projekts MIRAGE mit dem Ziel der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung bei 1,55 Mikrometern 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 Mikrometer eingesetzt. Mit Hilfe ähnlicher aktiver Zonen konnten in kantenemittierenden Bauelementen sogar Wellenlängen bis 3,5 Mikrometer 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 Mikrometern 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 wurden im Berichtszeitraum photonische Nanostrukuren mittels einer Kombination von Elektronenstrahl-Lithographie und trockenchemischem Ätzen (ICP-RIE) hergestellt. Hierbei wurden insbesondere qualitativ hochwertige, zwei-dimensionale 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 Wellenleiter 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.
