Anschlussprojekte

Prof. Dr.-Ing. Markus-Christian Amann
Technische Universität München
Walter Schottky Institut


Prof. Dr. Constance Chang-Hasnain
University of California, Berkeley
EECS - Electrical Engineering and Computer Science

Innovative hoch kontrastreiche Subwellenlängengitter für langwellige Laserdioden

Die Forschungsgruppen von Prof. M.-C. Amann (Walter Schottky Institut, TUM) und Prof. C. Chang-Hasnain (University of California, Berkeley) entwickeln im Rahmen dieser Kooperation langwellige oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL) mit neuartigen Subwellenlängengittern. Wegen ihrer hohen und polarisationsabhängigen Reflektivität, versprechen diese Subwellenlängengitter, sich ideal als extrem dünne Spiegel für polarisationsstabile einmodige Laserdioden zu eignen. Diese Gitter könnten somit die zurzeit benutzten dicken dielektrischen DBRs ersetzen. Das komplette Design der Bauelemente wird von beiden Gruppen gemeinsam entwickelt. Die neuartigen VCSEL mit Emissionswellenlängen über 2 µm werden dann in München hergestellt. Danach werden die Subwellenlängengitter in Berkeley gefertigt und in die VCSEL integriert. Wegen ihrer geringeren Dicke, wird außerdem erwartet, dass der Einsatz dieser Gitter die Temperaturperformance der Bauteile verbessern wird.

 

Ausgangsprojekt: Neuartige, breitbandige Sub-Wellenlängen-Gitter Data-Com Laser (VCSEL)

 

Abschlussbericht

Während der Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Halbleitertechnologie, Walter Schottky Institut, Technische Universität München und Abteilung für Elektrotechnik und Informatik, Universität von Kalifornien, Berkeley, die Realisierbarkeit und das Design von oberflächenemittierenden Laserdioden (VCSEL) mit Subwellenlängengitter für den Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 μm wurden untersucht. Subwellenlängengitter mit einem hohen Brechungsindexkontrast zu den umgebenden Medien (hoch kontrastreiche Gitter (HCG)) können eine hohe Breitbandreflektivität bereitstellen und sind daher ein berechtigter Kandidat, um herkömmliche Mehrschicht-Bragg-Reflektoren (DBR) als Spiegel für VCSEL zu ersetzen. Ein weiterer Vorteil des HCG ist die Polarisationsstabilität und der verbesserte Single-Mode-Betrieb, die für langwellige VCSEL-Anwendungen, zum Beispiel für die Gasspektroskopie, von großem Interesse sind.

Die Gruppe von Prof. Connie Chang-Hasnain (Universität von Kalifornien, Berkeley) entwarf die notwendigen hoch kontrastreichen Subwellenlängengitter. Zuerst wurde das in einem früheren BaCaTeC-Projekt verwendete Konzept (Neuartige, breitbandige Sub-Wellenlängen-Gitter Data-Com Laser (VCSEL)) mit aufgedampften Gittermaterialien in Betracht gezogen. Diese Idee wurde jedoch zugunsten eines innovativeren und ehrgeizigeren Ansatzes verworfen, bei dem eine frei hängende Membran mit geätztem Subwellenlängengitter hergestellt wird. Die Gruppe von Prof. Amann (Technische Universität München) evaluierte und adaptierte ihre bestehenden VCSEL-Konzepte, um die Herstellung des gewünschten Gitters zu ermöglichen. Als Substrat für die Laserdioden wurde InP wegen seiner überragenden thermischen Leistungsfähigkeit und relativ leichten Laser- Herstellung gewählt (beispielsweise im Vergleich zu GaSb). Nach sorgfältiger Abwägung wurde das kürzlich entwickelte Low-Optical-Loss-Konzept für den VCSEL gewählt.

Die ursprünglichen Bauteile wurden dann von beiden Gruppen für die Wellenlänge von 2.1, 2.3 und 2.5 μm mitentwickelt. Das Ziel war es, so weit wie möglich ein universelles Design für mehrere Bauteile zu schaffen, daher sind nur die aktive Zone und die Kavitätslänge bei den verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich.

Das endgültige Bauteil besteht aus dem undotierten epitaktischen DBR (Materialien InP und InGaAs), gefolgt von der unteren Kontaktschicht n-InGaAs und den InP-Stromverbreitungsschichten. Als die aktive Zone werden InPbasierte Typ I oder Typ II Quantentöpfe verwendet und die Stromapertur wird unter Verwendung eines Buried-Tunnel-Junction erreicht. Der Tunnelübergang wird dann epitaktisch überwachsen, um die oberen Stromverbreitungsschichten und die notwendigen Schichten für die Gitterherstellung zu erzeugen: eine n-InGaAs-Opferschicht, die auch als die obere Kontaktschicht dient, und die eigentliche InP-Gitterschicht. Darüber hinaus wurde ein Herstellungsablauf entwickelt, um trotz der Notwendigkeit, die Proben zwischen den beiden Gruppen zu transportieren, eine höchstmögliche Ausbeute zu gewährleisten.

Insgesamt wurden neuartige und anspruchsvolle Konzepte für VCSEL und HCG in dem Bauteildesign implementiert, was die Komplexität des Projekts erheblich erhöhte. Leider war es nicht möglich, die Herstellung der oben genannten Bauteile im Zeitrahmen dieses Projekts abzuschließen. Aufgrund unvorhergesehener technologischer Versagen konnte nur die Basis des Bauteils hergestellt werden und die weitere Fertigung musste ausgesetzt werden. Nichtsdestotrotz wurden während dieser Kooperation einzigartige, hochmoderne VCSEL entworfen und eine solide Basis für weitere Kollaborationen für die beiden Gruppen geschaffen.

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