Transversal monomodige Ga(As)Sb-Quantenpunkt-Antimonid-Breitstreifenlaser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Breitstreifenlaser (’broad area laser’, BAL) sind Halbleiterlaser mit breiter aktiver Zone. Sie können eine relativ hohe Ausgangsleistung emittieren, haben aber den Nachteil, dass diese Leistung – ohne weitere Maßnahmen – auf viele Transversalmoden verteilt ist und deswegen oft nicht optimal genutzt werden kann. Die Gegenmaßnahmen fallen unter den Begriff Transversalmodenselektion (TMS) und haben mit der Bevorzugung der Grundmode zu tun. Unsere Methode basiert auf einer Chip-internen Fourier-optischen Tiefpass-Raumfrequenz- Filterung, wobei der Chip als Fourier-optischer 4f-Aufbau (2x2f) ausgelegt ist (monolithische BAL-TMS-Kombination). In diesem Vorhaben wurde zum einen der Übergang auf Quantenpunkt (QD)-Lagen als aktives Material vollzogen. Zum anderen wurden diverse Veränderungen am Chip-internen TMS-Design vorgenommen. Früher als gedacht wurde der geknickte Resonator zugunsten eines linearen aufgegeben, bei dem der zweite Arm nicht „auf“-, sondern „eingeklappt“ wurde. Das Konzept erzwang den Übergang von einem Zylinderspiegel als Fourier-Transformations-Element zu einer Filmwellenleiter-Linse. Die 16 nm-genaue Kontrolle der Filmlinsendicke in-situ beim Trockenätzen war nur durch die gleichzeitige Entwicklung und den Einsatz einer neuen Technologie möglich, der Reflektivitätsanisotropie-Spektroskopie (RAS) beim Trockenätzen (statt wie bisher nur bei der Epitaxie). Das Vorgehen war erfolgreich: die gewünschte Selektion der transversalen Grundmode konnte nachgewiesen werden, gut allerdings nur dicht oberhalb der Laserschwelle. Und es gibt Hinweise, dass die unregelmäßig in der Ebene liegenden Quantenpunkte das Problem der Filamentation der Verstärkung von Breitstreifenlasern zumindest abschwächt. Ein Nebenziel war, Laser unseres Schichtdesigns im kontinuierlichen Betrieb (cw, ‘continuous wave‘) bei Raumtemperatur (RT) zu realisieren. Dieses Ziel wurde knapp erreicht; die differentiellen Quantenwirkungsgrade sind noch nicht zufriedenstellend. Hieran soll weiter gearbeitet werden. Eine Verbesserung könnte eventuell eine Verkürzung des Laserresonators bringen; sie stünde aber den Erfordernissen der Fourier-optischen Raumfrequenz-Tiefpassfilterung und Lithographie entgegen. Ein Schwenk auf einen anderen Ansatz (mit eingeschnürter aktiver Zone in der Resonatormitte) könnte hier evtl. weitere Abhilfe schaffen. Dabei würde es sich auch um eine Raumfrequenz-Tiefpass-Filterung, aber ohne 4f-Anordnung handeln. Die horizontale und vertikale Kopplung der Quantenpunkte wurde untersucht. Rechnerisch zeigt sich bis hinauf zu 12 nm horizontalem (Rand-) Abstand der typischen pyramidenförmigen flachen Quantenpunkte, dass die Kopplung stark ist, sich hinsichtlich der Emissionswellenlänge aber auch noch bis etwa hinauf zu 27 nm Abstand bemerkbar macht. Für die von uns realisierten Lagen mit den am dichtesten liegenden Quantenpunkten ergab sich rechnerisch ein Quantenpunktabstand von 13,2 nm, so dass eine Kopplung vorhanden ist und berücksichtigt werden muss. Für die vertikale Kopplung zeigt sich in Rechnungen, dass sie für Lagenabstände von mehr als 20 nm nur noch schwach ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ga(As)Sb/GaAs quantum dots for emission around 1300 nm. Tagungsband CLEO Europe (2013)
J. Richter, J. Strassner, Th.H. Loeber, H. Fouckhardt
- GaSb quantum dots on GaAs with high localization energy of 710 meV and an emission wavelength of 1.3 μm. J. Crystal Growth 404 (2014) 48-53
J. Richter, J. Strassner, Th.H. Loeber, H. Fouckhardt, T. Nowozin, L. Bonato, D. Bimberg, D. Braam, A. Lorke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2014.06.045) - Monitoring of (reactive) ion etching (RIE) with reflectance anisotropy spectroscopy (RAS). Tagungsband Arbeitstagung Oberflächenanalytik (AOFA 2014) 116-121
L. Barzen, J. Richter, H. Fouckhardt, M. Wahl, M. Kopnarski
- Influence of plasma composition on reflectance anisotropy spectra for in situ III-V semiconductor dry-etch monitoring. Appl. Surf. Sc. 357 (2015) 530-538
L. Barzen, A.-K. Kleinschmidt, J. Strassner, Chr. Doering, H. Fouckhardt, W. Bock, M. Wahl, M. Kopnarski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.09.040) - Monitoring of (reactive) ion etching (RIE) with reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) equipment. Appl. Surf. Sc. 328 (2015) 120-124
L. Barzen, J. Richter, H. Fouckhardt, M. Wahl, M. Kopnarski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.12.038) - Precise in situ etch depth control of multilayered III-V semiconductor samples with reflectance anisotropy spectroscopy (RAS). Beilstein J. Nanotechnology 2016; 7: 1783–1793
A.-K. Kleinschmidt, L. Barzen, J. Strassner, Chr. Doering, H. Fouckhardt, W. Bock, M. Wahl, M. Kopnarski
(Siehe online unter https://doi.org/10.3762/bjnano.7.171)
