Epitaxy of InGaAs/GaAsSb heterostructures for intersubband optoelectronics

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wurden InGaAs/GaAsSb Halbleiterheterostrukturen, welche gitterangepasst zu InP Substraten sind, als neues Materialsystem für intersubband Bauelemente, im Besonderen für Quantenkaskadenlaser (QCLs) und Resonante Tunneldioden (RTDs) untersucht. Verglichen mit anderen etablierten Materialsystemen, wie GaAs/AlGaAs oder InGaAs/InAlAs, zeichnet sich die Kombination von InGaAs Potentialtöpfen und GaAsSb Barrieren durch eine niedrige effektive Elektronenmasse in beiden Verbindungen aus. Dies erlaubt das Entwerfen von verbesserten aktiven Zonen mit höheren optischen Matrixelementen.<br />Die Strukturen, welche in dieser Arbeit beschrieben werden, wurden in einer Molekularstrahlepitaxie (MBE) Anlage mit festen Quellmaterialien gewachsen, wobei Arsen in Tetramerform und thermisch dissoziiertes Antimon bei einer Substrattemperatur zwischen 450 und 480°C verwendet wurden. Das Umschalten zwischen den einzelnen Materialien wurde nur durch die Bewegung mechanischer Blenden durchgeführt. Korrekte Zusammensetzung und Schichtdicken wurden durch Röntgenbeugungsmessungen (XRD) sichergestellt. Gute Kristallqualität und scharfe Grenzflächen wurden durch Bilder am Transmissionselektronenmikroskop bestätigt.<br />Anfänglich wurde das Material durch intersubband Absorptionsmessungen an dotierten Multi-Potentialtopf Proben mit Dicken zwischen 4.5 und 12 nm für die Verwendung in intersubband Bauelementen charakterisiert. Die experimentellen Absorptionspunkte zwischen 213 und 107 meV wurden durch eine selbstkonsistente Schrödinger-Poisson Rechnung basierend auf der Envelope-Function Näherung berechnet. Dadurch wurden der Leitungsbandversatz zu 0.36 eV sowie die effektiven Elektronenmassen und die effektiven Bandlücken bestimmt. Zusätzlich wurde das Verhalten von Si Dotieratomen in GaAsSb untersucht. Dabei wurde donorartiges Verhalten für Dotierkonzentrationen zwischen 8.5e15 und 1.7e18 /cm³ gemessen, allerdings war die Effizienz verglichen mit der Si Dotierung in GaAs reduziert.<br />Quantenkaskadenlaser (QCLs) mit Emissionswellenlängen im mittleren Infrarot (MIR) von ungefähr 11 µm und im Terahertz Bereich (THz) bei 75 µm wurden in diesem Materialsystem hergestellt. Verbesserte aktive Zonen, basierend auf vier Potentialtöpfen für das mittlere Infrarot erreichten eine maximale optische Ausgangsleistung von 1.2 W und eine Schwellstromdichte von 0.6 kA/cm² bei 78 K. Im Terahertzbereich wurde eine maximale Betriebstemperatur von 135 K demonstriert. Resonante Tunneldioden, basierend auf einer Doppelbarriere, und symmetrische THz QCL Strukturen wurden verwendet, um die Grenzschichtqualität und den Einfluss der MBE Wachstumsrichtung auf die Bauelemente zu charakterisieren.<br />

In this work InGaAs/GaAsSb heterostructures lattice-matched to InP substrates were introduced as a novel material system for intersubband devices, in particular quantum cascade lasers (QCLs) and resonant tunneling diodes (RTDs). Compared to other established material systems, like GaAs/AlGaAs or InGaAs/InAlAs, the combination of InGaAs quantum wells and GaAsSb barriers offers low effective electron masses in both compounds. This fact allows the design of improved active regions with higher optical matrix elements.<br />The structures, discussed in this work, were grown by solid-source molecular beam epitaxy (MBE) using tetrameric arsenic and cracked antimony at substrate temperatures between 450 and 480°C. Switching between the materials was done by shutter operations only. To ensure correct compositions and thicknesses, all structures were investigated with high-resolution X-ray diffraction (XRD) measurements. Good crystal quality and interface sharpness were corroborated with transmission electron microscope images. Initial material characterization for intersubband devices was done with intersubband absorption measurements on doped multi-quantum well samples with well widths between 4.5 and 12 nm. The experimental absorption peaks, ranging from 213 to 107 meV, were fitted by the use of a self-consistent Schrödinger-Poisson solver within the envelope function approximation. From this, a conduction band offset of 0.36 eV as well as the effective masses and effective gaps in both materials were determined. Additionally, Si doping in GaAsSb was investigated. Donor-like behavior was found for doping levels between 8.5e15 and 1.7e18 /cm³, although at a reduced efficiency, compared to Si in GaAs.<br />QCLs for mid-infrared (MIR) wavelengths around 11 µm and terahertz (THz) wavelengths around 75 µm were realized in this material system. Improved four-well MIR active regions reached a peak optical output power of 1.2 W and a threshold current density of 0.6 kA/cm² at 78 K. For THz devices, a maximum operation temperature of 135 K was demonstrated.<br />Double barrier RTDs and symmetric THz QCLs were used to investigate the interface quality and reveal influences from the MBE growth direction on the device performance.<br />