Mixed group V compound semiconductors for intersubband devices

Abstract

Für viele Anwendungen im mittleren und fernen Infrarotbereich sind Quantenkaskadenlaser von großem Interesse. Nach dem ersten experimentellen Nachweis der Funktionsfähigkeit diese Konzeptes setzte eine rasche Weiterentwicklung ein, wodurch bald nahezu im gesamten mittleren Infrarotbereich Laser im Dauerstrichbetrieb und bei Raumtemperatur betrieben werden konnten. Im fernen Infrarotbereich sind Quantenkaskadenlaser jedoch bis heute auf Kryotechnik angewiesen. So liegt die höchste bis heute gezeigte Betriebtemperatur eines Quantenkaskadenlasers im Teraherz Bereich bei unter 200 K. In der Literatur finden sich jedoch Hinweise darauf, dass die Verwendung von Quantentopfmaterialien mit niedriger effektiver Elektronenmasse, wie GaxIn1-xAs oder InAs, zu besseren Ergebnissen führen kann. Da für einen Quantenkaskadenlaser zumindest ein zweites Material als Barriere benötigt wird, steigt das Interesse an exotischeren As-Sb Verbindungshalbleitern, welche mit diesen beiden Quantentopfmaterialen kompatibel sind. Zwar hat sich für Quantenkaskadenlaser mit InAs Quantentöpfen, welche im mittleren Infrarotbereich emittieren, AlAs1-xSbx als geeignetes Barrierenmaterial erwiesen, jedoch verlangt die exorbitante Barrierenhöhe diese Materialsystems im THz Bereich die Verwen dung extrem dünner Schichten deren Züchtung nur sehr schwer handhabbar ist, weswegen ein solcher Laser bis heute nicht gezeigt werden konnte. Zur Nutzbarmachung der Vorteile von InAs auch für den THz Bereich ist also ein dazu gitterangepasstes Material mit geringerer Barrierenhöhe notwendig. Hier bietet sich der quaternäre Verbindungshalbleiter AlxIn1-xAsySb1-y an, da durch die richtige Wahl seiner Zusammensetzung Barrierenhöhe und Gitterkonstante unabhängig von einander justiert werden können. Die vereinzelt in der Literatur zu findenden Artikel, welche sich mit der Züchtung dieses Materials beschäftigen, berichten häufig von schlechter Materialqualität wenn versucht wird einen Aluminiumanteil von etwa 10 % bis 15 % zu überschreiten. Um jedoch das volle Potential diese Materials ausnutzen, seine Eigenschaften also über einen möglichst großen Bereich einstellen zu können, ist es notwendig sein Verhalten während der Züchtung genau zu verstehen. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Parameter Substrattemperatur, sowie Arsen- und Antimondruck, auf Zusammensetzung und Schichtqualität von AlxIn1-xAsySb1-y mit einem Aluminiumanteil von x=0.462 mittels Röntgenstrukturanalyse und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Untersuchungen zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit der Einbaurate von Sb in Al0.462In0.538AsySb1-y wodurch eine niedrige Substrattemperatur für das Erreichen der Gitteranpassung unum gänglich ist. Bei einer Substrattemperatur von 410 °C konnten auf InAs gitterangepasste Al0.462In0.538AsySb1-y Schichten mit hoher Kristallqualität gezüchtet werden. Die oben erwähnten Ergebnisse zeigen, dass die Züchtung von hochqualitativen Dünnschichten von Verbindungshalbleitern in welchen Arsen und Antimon gemischt auftreten durch das komplexe Zusammenspiel der beiden Gruppe-V-Elemente großen Optimierungs- aufwandes Bedarf. Das Verständnis dieses Zusammenspiels ist für diese Optimierung von großem Interesse. Als Modellsystem, anhand dessen diese Familie von Verbindungshalbleitern untersucht werden soll bietet sich die ternäre Verbindung GaAs1-xSbx an, da die Gegenwart nur eines einzelnen Gruppe-III-Elements Mehrdeutigkeiten in der Interpretation der Ergebnisse verringert. Um die Interaktion von Arsen und Antimon besser zu verstehen wurden Zusammensetzung und Kristallqualität von GaAs1-xSbx in Abhängigkeit von Substrattemperatur, Wachstumsrate, sowie Arsen- und Antimondruck untersucht und die gefundenen Ergebnisse mit Berichten in der Literatur verglichen.Die Ergebnisse zeigen, dass die Wachstumsrate signifikanten Einfluss sowohl auf die Zusammensetzung also auch auf die Kristallqualität hat und zwei, von unterschiedlichen Mechanismen dominierte Bereiche, unterschieden werden müssen. Bei niedrigen Wachstumsraten ist die Antimonkonzentration direkt mit der Wachstumsrate verknüpft, ihre Verringerung führt also zu einem geringeren Antimonanteil. Bei hohen Wachstumsraten ist hingegen das Gegenteil der Fall. Das beschriebene Verhalten lässt sich dadurch erklären, dass bei hohen Wachstumsraten eine Verknappung von Antimon auftritt, wohingegen bei niedrigen Wachstumsraten ein Prozess dominiert bei welchem Antimon durch Arsen ersetzt wird, was die Antimonkonzentration in der Schicht verringert. Darüber hinaus zeigt sich, dass verspannte Schichten bei niedrigen Wachstumsraten früher relaxieren und so geringere Kristallqualität aufweisen. Bei niedrigen Wachstumstemperaturen und hohen Wachstumsraten kann hingegen ausgezeichnete Kristallqualität erreicht werden. Da die oben erwähnten Ergebnisse darauf hindeuten, dass niedrige Wachstumstemperaturen, bei welchen tendenziell schlechtere optische sowie elektrische Eigenschaften von Dünnfilmen zu erwarten sind, notwendig sind um hohe Kristallqualität zu erreichen wurden InAs basierte Halbleiterstrukturen mit AlAs1-xSbx-Barrieren bei einer Substrattemperatur von 400 °C gezüchtet und auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft. An einem, unterdiesen Bedingungen hergestellten Quantenkaskadendetektor konnte eine spezifische Detektivität von 2.7 × 107 cm °Hz W°1 bei 300 K und einer Mittenwellenlänge von 4.84 µm gezeigt werden. Darüberhinaus war es erstmals möglich einen InAs basierten Quantenkas kadenlaser, welcher im THz-Bereich emittiert, zu zeigen. Unter Anwendung eines senkrecht zur Wachstumsrichtung ausgerichteten Magnetfeldes und Kühlung mittels Flüssighelium zeigte der, auf einem 3-Topf-Konzept basierende Laser, Emission bei 3.8 THz. Diese Ergebnisse zeigen, dass antimonidisch arsenidische Verbindungshalbleiter großes Potential haben um Durchbrüche im Bereich der Intersubbandoptoelektronik zu ermöglichen.

Coherent light sources in the mid and far infrared are of great interest for chemical sensing in the mid infrared fingerprint region, free-space optical communication in the atmospheric transparency windows as well as imaging applications. After their first experimental demonstration in 1994, quantum cascade lasers have undergone rapid development and are now reliable and highly customizable coherent light sources in the mid-infrared regime. Despite their great success in this region, cryogenic cooling techniques are still required to enabled QCL operation at THz frequencies. The highest pulsed operation temperature of a THz quantum cascade laser so far has been shown using devices based on the GaAs/AlGaAs material system. There are, however, reports that suggest that the use of well materials with a lower effective electron mass can improve their performance. GaxIn1-xAs lattice matched to InP and InAs are well material candidates which feature an effective mass lower than that of GaAs. With the increasing interest in these low effective mass materials for intersubband devices, mixed As-Sb compounds, like GaAs1-xSbx or AlxIn1-xAsySb1-y, gain more and more attention. For InAs based mid-infrared devices, AlAs1-xSbx was proven to be a well suited barrier material. In the THz regime, however, the extremely high conduction band offset of this material system requires the growth of sub-monolayer thin barriers which are difficult to control in terms of growth. Despite reports about electroluminescence, from these structures, no laser operation has been reported so far. Finding a barrier material which is much better suited for the design and growth of THz quantum cascade lasers may help to exploit the beneficial properties of InAs as a well material for devices operating in this region. AlxIn1-xAsySb1-y, which can be grown lattice matched to InAs, should exhibit a tunable band-offset and thus allow for the use of thicker, and hence easily controllable barriers, making it a promising candidate as a barrier material. Reports on the growth of this material by MBE are sparse in literature. This work provides a detailed study on the growth of AlxIn1-xAsySb1-y lattice-matched to InAs by Molecular Beam Epitaxy. In order to find the conditions which lead to high crystal quality deep within the miscibility gap, AlxIn1-xAsySb1-y with x=0.462 was grown at different growth temperatures as well as As2 and Sb2 beam equivalent pressures. The crystal quality of the grown layers was examined by high-resolution X-ray diffraction and atomic force microscopy. It was found that the incorporation of Sb into Al0.462In0.538AsySb1-y is strongly temperature dependent and reduced growth temperatures are necessary in order to achieve significant Sb mole fractions in the grown layers. At 480 °C lattice matching to InAs could not be achieved. At 410 °C lattice matching was possible and high quality films of Al0.462In0.538AsySb1-y were obtained. The results on the growth of AlxIn1-xAsySb1-y illustrate that the growth of mixed As-Sb compounds materials, still provides significant challenges due to the complex interaction between the group V species. Since in GaAs1-xSbx only one group III species is present it is an ideal model system to study this interaction. In order to find a better understanding of the involved processes, the literature on the growth of this material is evaluated and compared to the results obtained within this work. It was found that the growth rate has a strong influence on the composition of the layer, and that two regimes can be identified in which different effects dominate the incorporation of Sb. While a shortage of Sb leads to a lowering of the Sb content at high growth rates, at low growth rates the As-for-Sb exchange reaction prohibits incorporation of Sb. Moreover, this effect deteriorates the quality of strained layers since it leads to early relaxation. These experiments show that low growth temperatures and moderately high growth rates lead to excellent crystal quality. The experimental data presented in this work show that low Tg is beneficial for the crystal quality of mixed As-Sb compounds. Since the optical properties and interface quality of MBE grown materials are strongly dependent on the growth conditions, InAs-based devices using AlAsSb barriers were designed and grown at a Tg of 400 °C to ensure that grown at low Tg does not prevent the realization of inter-subband devices. Using a semi-classical Monte-Carlo approach a quantum cascade detector structure was designed, and processed into a mesa structure. The QCD showed a peak specific detectivity 2.7 × 107 cm °Hz W°1 at 300 K and a center detection wavelength of 4.84 µm. Moreover, it was possible for the first time to show laser performance in the THz regime for InAs-based structures. By applying a magnetic field at liquid helium temperature, an InAs/AlAs1-xSbx based THz QCL structure employing a 3-well resonant phonon depletion design showed laser emission at 3.8 THz. These results indicate that mixed As-Sb materials are promising candidates for the use in intersubband devices.