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Thomas Schwarzl - Diplomarbeit

Entwicklung von vertikal emittierenden Blei-Salz-Mikroresonatoren

Thomas Schwarzl
(Angefertigt an der Abteilung für Festkörperphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik)


      Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zum ersten Mal vertikale Mikroresonator-Strukturen auf Basis der halbleitenden Blei-Salze PbTe und PbEuTe hergestellt und daraus optisch angeregte Lasertätigkeit nachgewiesen.
      Mit Hilfe solcher Strukturen können sowohl vertikal emittierende Laser, sogenannte VCSELs (vertical cavity surface emitting lasers), als auch spezielle hocheffiziente Leuchtdioden (RCLEDs, resonant cavity light emitting diodes) hergestellt werden. Die dabei verwendete Anordnung zeichnet sich im wesentlichen durch zwei Punkte gegenüber herkömmlichen optoelektronischen Bauelementen aus: 1) die Abstrahlung erfolgt senkrecht zur Probenoberfläche, und 2) das Kernstück des Aufbaues, der vertikale Resonator, hat eine sehr geringe Länge, die vergleichbar mit der Wellenlänge des emittierten Lichtes ist (im Bereich von mm). Daher spricht man von einem "Mikroresonator". Es ergeben sich dadurch verschiedene Vorteile, wie die Möglichkeit einer hohen Integration vieler Einzellaser, die praktisch freie Wählbarkeit der Abstrahlfläche, oder eine einmodige Abstrahlcharakteristik.
      Derartige Strukturen sind bisher mit verschiedenen III-V- und II-VI-Halbleiter-verbindungen realisiert worden, jedoch noch nie mit IV-VI-Halbleitern, den sogenannten Blei-Salzen, die aufgrund ihrer Energielücke im mittleren Infrarot emittieren. Damit sind wichtige Anwendungen, wie z. B. die Gasanalyse oder die Detektion kleinster Mengen von Schadstoffen in der Luft, möglich.

      Die Herstellung der Vielschichtstrukturen erfolgt mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie, die das kontrollierte Aufdampfen mehrerer Schichten von gewünschten Materialien in kristalliner Form (Kristallwachstum) ermöglicht. Dabei ist die Dicke der einzelnen Schichten genau einstellbar.
      Der Querschnitt einer typischen Mikroresonator-Struktur ist in Abb.1 zu sehen. Der Mikroresonator kann nur durch zwei hochreflektierende Resonatorspiegel erzeugt werden. Diese Spiegel werden durch sogenannte Braggspiegel realisiert. Das sind Schichten mit bestimmter Dicke (einem Viertel der Wellenlänge des emittierten Lichtes) aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, die abwechselnd angeordnet sind. Die hohe Reflexion kommt dabei durch Interferenzeffekte zustande. Die Reflektivität ist um so höher, je mehr solche Schichtpaare verwendet werden, und damit wird auch die Güte des Resonators erhöht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Test-Braggspiegel aus PbEuTe mit unterschiedlichem Eu-Anteil hergestellt, die im Bereich der gewünschten Wellenlänge eine Reflektivität von über 99 % besitzen. In der Resonatorzone selbst zwischen den Spiegeln befindet sich das laser-aktive Material PbTe, das als Emissionsquelle dient.

      Um eine gute Auslegung und ein Verständnis für verschiedene Schichtanordnungen zu erhalten, wurden ausführliche Berechnungen der Reflexion und Transmission durchgeführt. Sie basieren auf einem Modell der dielektrischen Funktion der Blei-Salze sowie der Transfermatrixmethode, die es erlaubt Transmission und Reflexion von beliebigen Schichtstrukturen analytisch zu bestimmen. Es zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Funktionsweise eines Braggspiegels von der Schichtreihenfolge. Weiters konnte die Transmission der hochreflektierenden Testspiegel sehr gut simuliert werden.
      Für die laterale Strukturierung der IV-VI-Bauelemente wurde ein Plasmaätzvorgang mit der Gasmischung CH4/H2 untersucht. Dies ist bereits für II-VI- und III-V-Halbleiterverbindungen mit Erfolg angewendet worden, aber noch nie für die Blei-Salze. Es ergab sich eine starke Abhängigkeit der Ätzrate vom Eu-Gehalt der PbEuTe Schichten. Diese Selektivität wurde angewendet, um die gewachsenen Schichtformationen im Rasterelektronenmikroskop durch Anätzen der Bruchkanten sichtbar zu machen (siehe Abb.1).
      Die optische Charakterisierung der Strukturen erfolgte durch Photolumineszenz- und Transmissionsmessungen, die stimulierte Emission sowie das Vorhandensein von Resonanzen belegten.
 

Inzwischen habe ich obige Arbeit im Rahmen meiner Dissertation fortgesetzt. Die Emission wurde genauer untersucht, und es konnte bestätigt werden, daß es sich um einen VCSEL Laser handelt. Damit ist ein Durchbruch in der Lasertechnologie im mittleren Infrarot gelungen. Weiters wurde ein zweiter Laser auf Basis von PbTe/EuTe hergestellt, der viel weniger Schichten benötigt durch den großen Brechungsindexsprung zwischen PbTe und EuTe. Die Aussichten, bald einen elektrisch getriebenen IV-VI VCSEL zu demonstrieren, sind also sehr vielversprechend.