Long wavelength GaInNAs Quantum Wells and Quantum Dots for GaAs based lasers up to 1.6 µm
Final Report Abstract
Das neue Materialsystem GaInNAs bietet großes Potential für die Anwendung als aktiver Bereich von Halbleiterlasern, die als Lichtquelle im Telekom-Wellenlängenbereich bei 1.55 µm dienen. Die Vorteile basieren im Wesentlichen darauf, dass das Material auf GaAs-Substrat hergestellt werden kann. Gegenüber der etablierten auf InP-Substrat basierenden Technologie bedeutet dies im Wesentlichen kommerzielle Vorteile durch die Verfügbarkeit von billigeren und größeren Substraten, eine verbesserte Temperaturstabilität über einen verbesserten Ladungsträgereinschluss durch einen erhöhten Leitungsbandunterschied, sowie reduzierte Ladungsträgerverluste durch reduzierte Auger-Rekombination. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Kompatibilität zum etablierten GaAs/AlAs-Bragg- Spiegelsystem für die Herstellung von vertikal-emittierenden Lasern. Während GaInNAs-QF- Laser im Wellenlängenbereich bei 1.31 µm bereits konkurrenzfähig sind, ist dies im Bereich um 1.55 µm noch nicht der Fall. Im Rahmen des Projektes wurden grundlegende Untersuchungen zur Optimierung der GaInNAs-Schichten für den potentiellen Einsatz in 1.55 µm VCSELn gemacht. Einerseits wurden (Ga)InAsN-QPe als aktive Schicht untersucht. Dabei konnte die Emissionswellenlänge im Rahmen von Raumtemperatur-PL-Untersuchungen bis zu knapp 1.7 µm erweitert werden. Allerdings war die optische Qualität dieser langwelligen Proben zu niedrig um Laserbetrieb zu erreichen. Die maximale Wellenlänge, bei der Lasertätigkeit auf Basis von (Ga)InAsN-QPen gezeigt werden konnte lag mit ca. 1.4 µm unterhalb des Ziel-Bereichs. Weiterhin wurden GaInNAs-QFe als aktives Material untersucht. Hiermit konnte mit kanten-emittierenden Lasern Lasertätigkeit bis 1.6 µm erreicht werden. Erstmalig wurde im Rahmen des Projektes Dauerstrichbetrieb von GaInNAs-basierenden monomodigen DFB-Lasern im Wellenlängenbereich um 1.5 µm gezeigt. Ebenfalls konnte erstmals Dauerstrich-Betrieb von GaInNAs-basierenden Lasern jenseits von 1.5 µm gezeigt werden. Umfangreiche Untersuchungen zum Ausheilen der Strukturen zeigten, dass das während dem Überwachsen der QFe stattfindende in-situ-Ausheilen gerade für die Anwendung in VCSELn problematisch sein kann, da die Strukturen nach dem Überwachsen bereits überausgeheilt sein können. Durch eine systematische Untersuchung wurden Wachstumsparameter identifiziert, mit denen das Ausheilverhalten der QF angepasst werden kann. Somit ließ sich ein Überausheilen effizient vermeiden. Erst hiermit wird die Anwendung von GaInNAs- Quantenfilmen in VCSELn möglich. Die im Rahmen des Projektes hergestellten Kantenemitter zeigten sehr gute und international konkurrenzfähige Schwellenstromdichten bis hinunter in den Bereich von 1 kA/cm². Insbesondere im sehr langwelligen Bereich bei 1.6 µm wurden Schwellstromdichten erreicht, die zu denen des technisch aufwendigeren quinären Materialsystems GaInNAsSb, für welches die bisher besten Schwellenstromdichten publiziert wurden, vergleichbar sind.
Publications
- “Influence of arsenic-flux on the annealing of the 1.6 µm laser structures containing GaInNAs quantum wells”, 3rd Workshop on Physics and Technology of semiconductor lasers”, Goldopiwo Lake, Polen
D. Pucicki, D. Bisping
- "InGaNAs Quantum Dot Lasers at 1.36 µm“, International Semiconductor Laser Conference (ISLC), Kohala Coast, Hawaii, USA, 2006
M. Fischer, D. Bisping, B. Marquardt, A. Forchel
- “GaInNAs-Quantum-Dot-Lasers grown by RF-MBE“, DPG Frühjahrstreffen, Dresden, 2006
B. Marquardt, D. Bisping, M. Fischer, A. Forchel
- "Growth optimization of 1.5- 1.6 µm GaInNAs quantum wells for telecommunication lasers”, Deutscher MBE- Workshop, Zürich, Schweiz, 2008
D. Bisping, D. Pucicki, M. Fischer, S. Höfling, A. Forchel
- "Influence of arsenic-flux on the annealing properties of GaInNAs quantum wells for long-wavelength laser applications around 1.6 µm”, International Conference on Molecular Beam Epitaxy, Vancouver, Kanada, 2008
D. Bisping, D. Pucicki, M. Fischer, S. Höfling, A. Forchel
- "Room-temperature singlemode continuous-wave operation of distributed feedback GaInNAs laser diodes at 1.5 µm”, Electronics Letters 44 (12), p. 737-728, 2008
D. Bisping, S. Höfling, D. Pucicki, M. Fischer, A. Forchel
- "Influence of arsenic flux on the annealing properties of GaInNAs quantum wells for long wavelength laser applications around 1.6 µm”, Journal of Crystal Growth 311 (7), p. 1715-1718, 2009
D. Bisping, D. Pucicki, M. Fischer, S. Höfling, A. Forchel
- "Photoreflectance and microphotoluminescence of GaInNAs quantum wells and InNAs quantum dots embedded in GaInNAs quantum wells”, European Molecular Beam Epitaxy Workshop, Zakopane, Polen, 2009
R. Kudrawiec, D. Pucicki, M. Latkowska, M. Baranowski, M. Syperek, M. Motyka, G. Sek, J. Misiewicz, D. Bisping, B. Marquardt, M. Fischer, A. Forchel
- “Time resolved photoluminescence of In(N)As quantum dots embedded in GaIn(N)As/GaAs quantum well”, Applied Physics Letters 96 (4), Art.-No. 041911, 2009
M. Syperek, R. Kudrawiec, M. Baranowski, G. Sek, J. Misiewicz, D. Bisping, B. Marquardt, A. Forchel, M. Fischer
