InGaAs-AlAs and InGaAs-InGaP strain-compensated heterostructures for short wavelength intersubband transitions and lasers [Elektronische Ressource] / von Mykhaylo Semtsiv

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 32
• Langue: English
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Extrait

InGaAs-AlAs and InGaAs-InGaP
Strain-Compensated Heterostructures
for Short-Wavelength
Intersubband Transitions and Lasers
D i s s e r t a t i o n
zur Erlangung des akademischen Grades
d o c t o r r e r u m n a t u r a l i u m
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Diplom-Physiker Mykhaylo Semtsiv
geboren am 01.04.1973 in Laskiwzi (Ukraine)
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. J. Mlynek
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Thomas Buckhout PhD
Gutachterinnen und Gutachter: 1. Prof. Dr. K. Ploog
2. Prof. Dr. W. T. Masselink
3. Prof. Dr. C. Gmachl
Tag der mündlichen Prüfung: 08. September 2004InGaAs-AlAs and InGaAs-InGaP
Strain-Compensated Heterostructures
for Short-Wavelength
Intersubband Transitions and Lasers
Mykhaylo Semtsiv
September 21, 2004Contents
Zusammenfassung iv
1 Introduction 1
2 Introduction into physics of intersubband devices 5
2.1 Theoretical modelling of intersubband transitions in semi-
conductor quantum wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Envelope function approximation . . . . . . . . . 5
2.1.2 Conduction band states in quantum wells . . . . . 7
2.1.3ion band states in quantum well superlat-
tices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Effectofthestrainontheconductionbandofquan-
tum wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.5 Effect of magnetic field on the conduction band
states of QW and SL . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Intersubband spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Interminiband transitions . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Line broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 Oscillator strength and sum rules . . . . . . . . . 22
2.2.4 Many body effects on the intersubband transition 23
2.2.5 Band nonparabolicity effects in semiconductor
quantum wells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.6 Selection rules for conduction band intersubband
transitions in (001)-grown quantum wells . . . . . 30
2.3 Vertical transport and carrier dynamics . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Miniband transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Wannier-Stark hopping . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Sequential resonant tunnelling . . . . . . . . . . . 36
2.3.4 Inter/intra-subband carrier dynamics . . . . . . . 37
2.4 Introduction into intersubband QCLs design . . . . . . . 40
2.4.1 QCL design outlook . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.2 Depopulation of the lower state via the resonant
LO-phonon scattering . . . . . . . . . . . . . . . 40
iContents
2.4.3 Constant population inversion design . . . . . . . 42
2.4.4 Local k -space population inversion . . . . . . . . 44z
2.4.5 Lower state depopulation via miniband transport
carrier escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.6 Local k -space population inversion . . . . . . . 46x,y
2.4.7 QCL injector region. . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Summary of chapter 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 InGaAs-InAlAs material system for short-wavelength
QCLs 51
3.1 Material growth and basic characterization . . . . . . . . 52
3.2 Short-wavelength intersubband transitions engineering . 55
3.2.1 Near-infrared ISBT in InGaAs-AlAs QWs and SLs 55
3.2.2 Near Infrared ISBT in InGaAs-AlAs DQWs . . . 62
3.3 Growth and characterization of QCL test-structures . . . 67
3.3.1 Analysis of the active region design . . . . . . . . 68
3.3.2 Basic characterization of QCL structure . . . . . 70
3.3.3 Laser cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.4 Laser performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Short-wavelength InGaAs-AlAs QCL . . . . . . . . . . . 75
3.4.1 Outlook of short wavelength QCLs . . . . . . . . 75
3.4.2 Design of short-wavelength InGaAs-AlAs QCL . . 76
3.4.3 Growth and characterization of InGaAs-AlAs
QCL-structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.4 Performance of InGaAs-AlAs QCL . . . . . . . . 82
3.4.5 Application outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5 Summary of chapter 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 InGaAs-InGaP material system for QCLs application 91
4.1 Material growth and basic characterization . . . . . . . . 92
4.1.1 Post-growth annealing study of In Ga As-0.32 0.68
In Ga P superlattices . . . . . . . . . . . . . 920.32 0.68
4.1.2 Heterointerfaceprofileandalloydis-orderinlattice
matched InGaP on GaAs . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.3 Heterointerface profile in strain-compensated
InGaP-InGaAs SL on GaAs . . . . . . . . . . . . 104
4.1.4 Magnetoluminescence study of In Ga As-0.32 0.68
In Ga P QWs . . . . . . . . . . . . . . . . . 1080.32 0.68
4.2 Conduction band offset determination for InGaP-GaAs
and InAlP-GaAs interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.1 Determination of small conduction band offset in
highly strained heterosystems . . . . . . . . . . . 112
iiContents
4.2.2 Conduction band edge offset on In Ga P-0.32 0.68
GaAs interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.3 ConductionbandedgeoffsetonIn Al P-GaAs0.58 0.42
interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.4 Conduction band edge offset on In Ga P-0.48 0.52
GaAs interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2.5 Discussion of obtained CBO values . . . . . . . . 116
4.3 Mid-infrared intersubband absorption in InGaP-InGaAs
superlattices on GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.1 Sample design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3.2 Intersubband absorption measurements . . . . . . 119
4.3.3 Theoretical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3.4 Summary of ISB absorption and CBO study . . . 122
4.4 Intersubband relaxation dynamics in InGaAs-InGaP-
InAlP model samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4.1 Experimental details . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.5 Design and characterization of InGaAs-InGaP cascade
test-structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.5.1 InGaAs-InGaP/GaAs test-structure . . . . . . . . 130
4.5.2GaAs QC-structure characterization132
4.5.3 Performance of InGaAs-InGaP/GaAs QC-structure 133
4.6 Summary of chapter 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5 Conclusions 137
References 139
Acknowledgments 155
Publications in conjunction with this thesis 157
Conference contributions in conjunction with this thesis159
Curriculum Vitae 161
Selbstständigkeitserklärung 163
iiiZusammenfassung
DerQuantenkaskadenlaser(QCL)isteinunipolaresIntersubbandbauele-
ment dessen Funktionsweise auf Übergängen zwischen dem ersten an-
geregten Zustand und dem Grundzustand in einem Quantentopf (quan-
tumwell,QW)beruht. ErwurdeimJahre1974vonKazarinovundSuris
theoretisch vorhergesagt (1) und erstmals 1994 von Faist et al. exper-
imentell realisiert (2). Das Elektron verlässt nach dem Laserübergang
nicht das Leitungsband und kann somit durch ein angelegtes elektrisches
FeldindienächsteaktiveZonetransferiertwerden,woeswiederumeinem
Laserübergang untergehen kann. Schliesslich, nach einer Reihe solcher
Kaskadenprozesse, emittiert ein einzelnes Elektron viele Photonen; dies
definiert die hohe Quanteneffizienz der QCLs.
Das Hauptproblem bei der kaskadierten Benutzung von aktiven Re-
gionen ist ein schneller Elektronentransport zwischen den emittierenden
QWs mithilfe des sogenannten Injektors. Ein schneller Transport der
Ladungsträger ist notwendig um das obere Laserniveau zu populieren
und das untere zu depopulieren, womit die für die stimulierte Emission
notwendige Besetzungsinversion erreicht werden kann. Zur Gewährleis-
tung des schnellen Transports im Injektor ist die Verwendung von Ma-
terialien mit einer geringen effektiven Masse naheliegend. Unter den
technologisch wichtigen III-V Verbindungen besitzt InAs die geringste
elektronischeeffektiveMassevon0.023m (wobeim dieMassedesfreien0 0
Elektronsist). DiebinäreVerbindungmitdernächstgrössereneffektiven
∗Masse ist GaAs mit m =0.067m . Bisher wurden QCLs in beiden, InAs0e
undGaAsundweiterhinimternärenInGaAsbasiertenQWMaterialsys-
tem realisiert (2; 3; 4). Gegenwärtig zeigen QCLs einen hohen Grad der
Reife; hohe Lichtleistung, Dauerstrichbetrieb und Betrieb bei Raumtem-
peratur sowie Oberflächenemission wurden erzielt. Der von den QCLs
abgedeckte spektrale Bereich erstreckt sich von 3.5 μm bis zu 87 μm
(5; 6).
TrotzdeshohenReifegradesistderQuantenkaskadenlaserimmernoch
in der Entwicklung. Speziell die Erweiterung des spektralen Bereichs
ist für viele Anwendungen essentiell. Enorme Fortschritte bei der Er-
weiterung hin zu grösseren Wellenlängen wurden in den letzten Jahren
erzielt, dennoch ist der kurzwellige Rekord von 3.5 μm aus dem Jahre
ivZusammenfassung
1998 (5) bisher ungebrochen. Nichtsdestotrotz besitzt der QCL auch
im nahen Infrarot das Potential den konventionellen Interbandlaser zu
übertreffen. Neben dem Wettstreit um Schwellströ