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Kantenemittierender elektrisch gepumpter Raumtemperatur-Spin-Laser

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2017 bis 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392782903
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im geförderten Projektzeitraum wurden kantenemittierende Spin-Laserproben gewachsen, prozessiert und charakterisiert. Aufgrund der reduzierten Förderdauer von lediglich 2 Jahren und der durch die Pandemie bedingten Verzögerungen konnten dabei allerdings noch nicht alle Projektziele erreicht werden. Die Laserstruktur ist eine GaAs/AlGaAs Doppelheterostruktur. Diese wurde gewählt, um nicht bereits durch die Halbleiterstruktur eine Polarisationsauswahl der Emission zu bewirken, wie es z.B. bei Quantenfilmlasern der Fall wäre. Zur Spininjektion dient ein 15 nm dicker Eisenfilm, der durch eine 3 nm dicke MgO Tunnelbarriere spinpolarisierte Elektronen injiziert. Zunächst wurde die Halbleiterstruktur in der Gruppe Wieck mit der GaAs-MBE epitaktisch gewachsen. Daraufhin wurde in der MBE unter As-Fluß die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei sich eine As-Bedeckung ausbildet, die so dick ist, dass sie die Probenoberfläche beim Nachfolgenden Belüften und Lagerung an Luft vor Verunreinigungen und vor allem einer H2O-Belegung schützt. Nach Transfer der Probe unter Luft nach Duisburg wurde die Probe in der Gruppe Wende in die dortige MBE eingeschleust und im UHV auf ca. 300°C geheizt, wobei die As-Bedeckung mit eventuellen darauf liegenden Verunreinigungen ab-sublimiert und die saubere Oberfläche den folgenden Epitaxieschritten zur Verfügung steht, was durch RHEED verifiziert wurde. Dann wurde der Spin-Injektor in der Gruppe Wende aufgebracht. Die Prozessierung erfolgte in der Gruppe Hofmann in Kooperation mit dem ZHO in Duisburg. Die Prozessentwicklung zur Definition des Wellenleiters war aufgrund des ungewöhnlichen n- Injektionskontaktes mit Ferromagnet und Tunnelbarriere herausfordernd. Nach Prozessierung des Wellenleiters müssen noch die Laserfacetten definiert werden. Aufgrund der Probendicke konnte aber nur eine glatte Bruchkante hergestellt werden. Für die zukünftige Prozessierung muss hier noch eine Dünnung des Substrates von 600µm auf ca. 100µm erfolgen, um auch die zweite glatte Bruchkante zur Definition des Laserresonators sicher definieren zu können. Aufgrund der noch fehlenden unteren Bruchkante bzw. zweiten Laserfacette wurde die Probe im LED-Betrieb elektrisch und optisch charakterisiert. Zunächst wurden die Proben kontaktiert. Aufgrund der dünnen Goldschicht von 10nm war es nicht möglich, die Probe zu bonden. Daher wurde eine Spitzenkontaktierung genutzt. Dann wurden Strom-Spannungs- und Strom- Lichtleistungskennlinien aufgenommen. Sie dokumentieren den korrekten elektrischen und elektrooptischen Betrieb der Diode, eine Laserschwelle ist aufgrund des fehlenden zweiten Spiegels jedoch noch nicht zu beobachten. Im Folgenden wurde die Probe auf Spininjektion untersucht. Die Polarisation wurde mit einem Stokes Polarimeter bestehend aus einem rotierenden Viertelwellenplättchen (QWP) und einem linear Polarisator (LP) gemessen. Es zeigte sich ein geringer, aber deutlich messbarer zirkularer Emissionsgrad (CPD) der Emission, der stromabhängig ist und sich mit der Magnetisierungsrichtung umkehrt und damit zweifelsfrei elektrische Spininjektion nachweist. Als Fazit der bisherigen Arbeiten lässt sich damit festhalten, dass erfolgreiche Konzepte für Probenwachstum und Prozessierung erarbeitet wurden, wobei die Prozessierung noch durch Dünnen des Substrates vor dem Brechen der Laserfacetten zu ergänzen ist. Die elektrooptische Charakterisierung bestätigt die korrekte Funktion des Injektors und die Charakterisierung mit dem Stokes-Polarimeter weist die Spininjektion nach.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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