Development of optically pumped UVC lasers based on AlGaN

In dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Aspekte des epitaktischen Wachstums und des Heterostrukturdesigns auf optisch gepumpte AlGaN-Laser mit Emissionswellenlängen im Bereich von 240 nm untersucht. Dabei wurden neue Erkenntnisse über elektrische und optische Verlustmechanismen gewonnen, die über den konkreten Anwendungsfall hinaus für AlGaN-Heterostrukturen relevant sind. Außerdem wurde eine Verringerung der Laserschwellen von mehr als 10 MW/cm² auf weniger als 700 kW/cm² erreicht. In Studien zum Einfluss der Temperatur, des Drucks und des V/III-Verhältnisses auf das Wachstum von Al0.7Ga0.3N-Schichten wurde gezeigt, dass sich Silizium aus den SiC-Beschichtungen des MOVPE-Reaktors in die nominell undotierten Schichten einbaut und dass dies durch die Wahl geeigneter Wachstumsbedingungen oder durch die Verwendung von TaC-Beschichtungen deutlich verringert werden kann. Auch eine Erhöhung der Photolumineszenzintensität durch die Si-Dotierung war zu beobachten. Laserstrukturen wurden auf epitaktisch lateral überwachsenen (ELO) AlN/Saphir-Templates gewachsen. In Abhängigkeit vom Substratfehlschnitt kommt es durch die Strukturierung der Templates auf der Probenoberfläche entweder zu ausgeprägten Stufen von bis zu 15 nm Höhe oder nur zu einer leichten Welligkeit. An den Makrostufen sammelt sich während des Wachstums Gallium an, sodass sich eine inhomogene Emissionswellenlänge in den Quantenfilmen (Quantum Wells, QWs) ergibt. Außerdem können die Stufen in den Lasern als Streuzentren wirken und die optischen Verluste erhöhen. Andererseits führen sie aber auch zum Abknicken von Versetzungen und damit zu einer insgesamt reduzierten Versetzungsdichte, was sich positiv auf die Ladungsträgerrekombination auswirkt. Die Daten deuten außerdem darauf hin, dass die Versetzungen auch als optische Streuzentren wirken. Es wird gezeigt, dass der resultierende Einfluss auf die Laserschwellen unvorhersehbar sowohl positiv als auch negativ sein kann und daher eine Abkehr von derart strukturierten ELO-AlN/Saphir-Templates empfehlenswert scheint. Die Untersuchung des Einflusses von QW-Dicke und -anzahl ergab, dass die Trennung der Ladungsträgerwellenfunktionen durch den Quantum Confined Stark Effect (QCSE) nur bei geringen Ladungsträgerdichten zu einer verringerten Emissionsrate führt. Im Laserbetrieb hingegen werden die Polarisationsfelder ausreichend abgeschirmt. Simulationen deuten allerdings darauf hin, dass die nichtstrahlende Rekombination an Grenzflächen eine entscheidende Rolle spielt, da die Laserschwelle mit abnehmender QW-Anzahl sank. Aufgrund der an AlGaN-Schichten gewonnenen Erkenntnisse wurden in Laserstrukturen die QWs, die Barrieren oder die gesamte Heterostruktur mit Siliziumkonzentrationen zwischen 1 × 10^17 cm^−3 und 1 × 10^19 cm^−3 dotiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Abnahme der Gruppe-III-Vakanzen für Siliziumkonzentrationen bis 5 × 10^17 cm^−3 gefolgt von ihrer anschließenden Zunahme sich direkt auf die Laserschwellen auswirkt. Bei einer Siliziumkonzentration von 1 × 10^19 cm^−3 zeigte sich dessen Wirkung als Antisurfactant deutlich und es kam zu einem stark verzögerten, verringerten Galliumeinbau und dadurch zu inhomogenen QWs mit blauverschobener Emission. Die gefundenen Ergebnisse sind zu großen Teilen auf andere AlGaN-Bauelemente übertragbar. Die Identifikation des SiC im Reaktor als Quelle für die Siliziumkontamination ist darüber hinaus auch für die MOVPE anderer Materialsysteme bei hohen Temperaturen relevant.This work discusses the influence of growth parameters and heterostructure design on optically pumped AlGaN-lasers emitting around 240 nm. Important electrical and optical loss mechanisms are identified, which are relevant for AlGaN heterostructures beyond the specific samples analyzed here. Additionally, the laser threshold power densities were sucessfully reduced by more than an order of magnitude from over 10 MW/cm² to less than 700 kW/cm². Studies of the influence of temperature, pressure, and V/III ratio on the growth of nominally undoped Al0.7Ga0.3N layers show that silicon from SiC reactor coatings is incorporated in the layers leading to an unintentional doping. The incorporation can be reduced either by choosing appropriate growth conditions or by replacing the SiC coatings with TaC. However, the Si doping also increased the photoluminescence intensity of the AlGaN layers, which is discussed more deeply in a later part of this thesis. Laser samples have been grown on epitaxially laterally overgrown (ELO) AlN/sapphire templates. Depending on the substrate offcut the patterned template induces either pronounced macrosteps on the sample surface with a height of up to 15 nm or just slight height undulations. Gallium accumulates at the macrosteps, leading to an inhomogeneous quantum well emission wavelength. Additionally, the steps act as scattering centers in the lasers increasing optical losses. On the other hand, they induce a tilt of the threading dislocations improving their mutual annihilation. Also, the data indicate that threading dislocations themselves can act as optical scattering centers. It is shown that the resulting influence of the offcut on the laser thresholds is unpredictable and can be positive as well as negative. From this perspective, replacement of the ELO templates should be considered. Analyses of the influence of quantum well thickness and number reveal that the separation of the charge carrier wave functions due to the Quantum Confined Stark Effect (QCSE) only reduces the radiative emission rate for low carrier densities, while during lasing, the polarisation fields are screened sufficiently. In contrast, the laser thresholds are reduced with decreasing quantum well number, which is attributed to nonradiative recombination at heterointerfaces in accordance with simulations. The observed influence of silicon on the photoluminescence intensity was taken as a starting point to analyze doped laser structures. By doping either quantum wells, barriers or the whole heterostructure with silicon concentrations between 1 × 10^17 cm^−3 and 1 × 10^19 cm^−3, it is shown that the reduction of group III vacancies up to a silicon concentration of 5 × 10^17 cm^−3 followed by its subsequent increase are directly reflected by the laser thresholds. Furthermore, at a concentration of 1 × 10^19 cm^−3, silicon acts as an antisurfactant during growth, reducing and delaying the gallium incorporation and thus causing inhomogeneous quantum wells with a strongly blue-shifted emission wavelength. No lasing was observed due to this deterioration of the material quality. Many of the presented results can be applied to other AlGaN based devices. The identification of the SiC in the reactor as a significant source for silicon contamination is also relevant for the epitaxy of other material systems which require high growth temperatures