Herstellung und Analyse optoelektronischer Interbandkaskadenbauteile und deren Komponenten für gassensorische Systeme im mittleren Infrarot

Aufgrund der industriellen und umwelttechnischen Relevanz gassensorischer Verfahren zur Messung verschiedener Gase im mittleren Infrarot spielt das Zusammenwirken verschiedener optoelektronischer Bauelemente von Lichtquellen bis hin zu Detektoren eine grundlegende Bedeutung zur Bildung von Gesamtsystemen. Im mittleren infraroten Wellenlängenbereich setzen sich ab 3µm bis ca. 5µm für Lichtquellen und im Wellenlängenbereich ab ca. 2,5µm bis über 10µm für Detektoren vermehrt optoelektronische Bauelemente auf Basis des Interbandkaskadenansatzes zur Verwendung in solchen Systemen durch. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene Aspekte der einzelnen Interbandkaskaden-Bauelemente aufgegriffen, um noch vorhandene Schwachstellen der Bauteile zu analysieren und wo möglich zu überwinden. Zunächst wurde für Interbandkaskadenlaser ein Design für Wellenlängen im Bereich von 6µm entwickelt, um für gassensorische Anwendungen auch einen höheren Wellenlängenbereich zukünftig möglich zu machen, wie beispielsweise für die Messung von Stickoxiden. Dazu wurde zunächst das Wellenleiterdesign auf Basis bestehender Strukturen mit kürzerer Emissionswellenlänge optimiert, um Verluste durch das größere Modenvolumen bei höheren Wellenlängen zu reduzieren. Hierfür wurden die Seperate-Confinement-Layer auf eine Dicke von jeweils 600nm angepasst, um einen größeren Überlapp der optischen Mode mit dem verlustarmen GaSb-Volumen-Material der SCLs und der aktiven Zone zu erzielen und den Überlapp mit dem hochdotierten Übergitter des Wellenleiters zu minimieren. Zusätzlich wurde die Gesamtdicke des InAs/AlSb Übergitters des unteren Wellenleiters auf 2365nm im Vergleich zu kurzwelligeren Designs erhöht um Reflexionen der optischen Mode im Substrat zu verhindern. Anschließend an das Wellenleiterdesign wurde die aktive Zone für eine Wellenlänge von 6µm neu aufgebaut und in einem ersten Optimierungsschritt die Anzahl der InAs/AlSb Elektroninjektorquantenfilmpaare in einer Dreierserie von vier über drei zu zwei reduziert. Hierbei wurde bei einer Quantenfilmanzahl von zwei eine Schwellstromdiche von \(375 A/cm^2\) mit einer Einsatzspannung \(U_0 =3,7V\) für einen durchgeätzten Breitstreifenlaser mit einer Dicke von 100µm und einer Länge von 2,4mm und somit zum Wachstumszeitpunkt auf GaSb-Basis die geringste Schwellstromdichte bei 6µm erzielt. Damit liegen die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse nur noch knapp oberhalb des kurzwelligeren Arbeitsbereichs und zeigen deutlich, dass durch weitere Optimierungsschritte durchaus Potential zur weiteren Leistungserweiterung besteht und somit der Sweet-Spot der ICLs auch auf GaSb-Basis zu höheren Wellenlängen hin erweitert werden kann. Die in dieser Arbeit erzielte charakteristische Temperatur von 52K weist zusätzlich auf eine sehr gute Temperaturstabilität der GaSb-basierten ICLs im Vergleich zu InAs-basierten ICLs bei gleicher Wellenlänge hin. Die anschließenden Messungen an DFB Laserstegen auf dem gleichen epitaktischen Material zeigen im cw-Betrieb monomodige Emission bis -20 °C. Es konnte ein breiter Einstellbereich von 0,11nm/mA und 0,14nm/mA für Laser mit 2,4mm oder 1,8mm Länge und 16µm Breite mit einer Temperaturstabilität von 0,55nm/K gezeigt werden. Eine zukünftige Optimierung der Spannungsabfälle unter anderem an der semimetallischen Grenzfläche kann hier das cw-Verhalten weiter verbessern. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Augenmerk auf den Ersatz konventioneller DBR Spiegel für optische Resonatoren für die Verwendung in breitbandigen Lichtquellen wie Interbandkaskaden-LEDs gelegt, da nicht alle gassensorische Anwendungen im mittleren Infrarot kostenintensive, monochromatische Lichtquellen benötigen. Hierbei wurde der Ansatz von monolithischen Hochkontrastgittern in das GaSb-Materialsystem überführt, um bei optischen Resonatoren im mittleren Infrarot den oberen DBR durch eine kostengünstigere und in der Herstellung einfachere und flexiblere Alternative zu ersetzen. Hierbei wurde in eine einfache epitaktische Struktur bestehend aus 452nm gitterangepasstem AlAsSb und 764nm GaSb verschiedene Gitter mit einer Periodenlänge von 2,6µm und unterschiedlichen Stegbreiten von 220-984nm 532nm tief geätzt und deren Reflexionsverhalten, generiert aus Transmissionsmessungen, analysiert. Die Reflexionsspektren zeigen deutlich breitbandige Bereiche hoher Reflexion. Die Variation der Stegbreiten zeigt bereits sehr große Flexibiliät im resultierenden Reflexionsverhalten und indiziert somit kombiniert mit der einstellbaren Ätztiefe ein hohes Maß an Flexibilität in Prozessschritten, die dem Wachstum nachgelagert sind. Maximale Reflektivitäten von 0,92 für unpolarisiertes Licht, eingestrahlt über die Rückseite der Probe und somit auf die Probenseite der Gitter, wurden für ein Gitter mit einer Stegbreite von 785nm bei einer Wellenlänge von 4µm erzielt. Darüber hinaus wurden polarisationsabhängige Transmissionsmessungen in 15 °-Schritten von TE zu TM Polarisation durchgeführt, die zeigen, dass eine klare Polarisationsselektion der Gitter besteht. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass MHCGs für breitbandige Lichtquellen wie beispielsweise IC-LEDs ein kostengünstiger Ersatz des oberen DBRs darstellen, da sie eine hohe Flexibilität nach dem Wachstum und deutlich geringere Schichtdicken als DBRs aufweisen. Nachdem sich die vorherigen Teile dieser Arbeit mit lichtemittierenden Bauelementen und deren Aufbau beschäftigt haben, wurde im letzten Teil der Arbeit der Fokus auf lichtdetektierende Interbandkaskadendetektoren mit InAs/GaSb Typ-II- Übergitter Absorbern gelegt, da ein gassensorisches Gesamtsystem vor allem im portablen Bereich auch die Detektion von Photonen bei Raumtemperatur effzient gewährleisten muss. Hierbei wurden aufgrund der Neuartigkeit der Bauteile grundlegende Untersuchungen und Optimierungspotentiale betrachtet. Erste optische Untersuchungen an Proben mit unterschiedlicher Kaskadenanzahl von 1, 3, 5, 7 und 9 bei gleichbleibendem Kaskadenaufbau zeigen, dass die Empfindlichkeit von Detektoren mit 200µm Durchmesser mit zunehmender Kaskadenanzahl bei leistungsabhängigen Photostrommessungen bei 2330nm eine Abnahme von 0,42A/W bei einer Kaskade zu 0,12A/W bei neun Kaskaden zeigen. Bei wellenlängenabhängigen Photostrommessungen ist ein Einbruch des Photostroms bei \(CO_2\) Absorptionslinien erkennbar, was bereits die Möglichkeit für den Einsatz in gassensorischen Anwendungen zeigt. Die Auswertung der durch thermisches Rauschen limitierten spezifischen Detektivität mithilfe des durch Dunkelstrommessungen ausgewerteten differentiellen Widerstandes bei U=0 V zeigt im Gegensatz zur Empfindlichkeit ein Maximum bei 3 und 5 Kaskaden von \(0,82* 10^9 cmHz^{1/2}W^{-1}\) bzw. \(0,81*10^9 cmHz^{1/2}W^{-1}\), was durch den gegenläufigen Trend des steigenden differentiellen Widerstands \(R_0\) bei höheren Kaskadenanzahlen verursacht wird. Dies zeigt allerdings auch, dass wie vorhergesagt, das thermische Rauschen mit zunehmender Kaskadenanzahl sinkt. Nachfolgend wurde der Absorptionskoeffzient des verwendeten InAs/GaSb bei gleichbleibender InAs-Quantenfilmdiche von 2,12nm über die Veränderung der Dicke der GaSb-Quantenfilme von 2,44nm auf 2,04nm optimiert und in Detektoren mit 5 Kaskaden gewachsen. Dadurch konnte die Empfindlichkeit von Detektoren mit 200µm Durchmesser bei 2330nm von 0,164A/W auf 0,248A/W erhöht werden. Durch die gleichzeitige Erhöhung von \(R_0\) von \(1184\Omega\) auf \(526\Omega\) ist die spezifische Detektivität unverändert geblieben. Dies zeigt den starken Zusammenhang zwischen elektronischen und optischen Eigenschaften und dem benötigten Kompromiss zwischen hoher Sensitivität und hoher Detektivität. Untersuchungen an Loch- und Elektronenextraktor zeigen, dass durch eine Dotierung des Elektronenextraktors die spezifische Detektivität von Detektoren mit 200µm Durchmesser und 3 Kaskaden von \(0,81*10^9 cmHz^{1/2}W^{-1}\) auf \(0,97*10^9 cmHz^{1/2}W^{-1}\) erhöht werden kann. Durch Bestimmung der Aktivierungsenergie mithilfe von temperaturabhängigen Dunkelstrommessungen wurde erkannt, dass die verwendete Passivierung aufgrund vorhandener Randkanalströme ein weiteres Optimierungspotential der bestehenden Strukturen darstellt. Die in dieser Arbeit untersuchten Detektoren weisen den Weg in Richtung effizienter Photodetektoren im mittleren Infrarot für einen möglichen Einsatz in gassensorischen Gesamtsystemen. Im Rahmen der Arbeit konnten ausgehend von der Erweiterung von GaSb-basierten ICLs auf den Wellenlängenbereich von 6µm über die experimentelle Realisierung von breitbandigen MHC-Gittern zur Verwendung in Interbandkaskaden-LEDs bis hin zu fundamentalen Untersuchungen an Interbandkaskadendetektoren Erweiterungen und Optimierungspotentiale von Interbandkaskaden-Strukturen für den gassensorischen Einsatz erforscht werden, um diese Systeme zukünftig noch effizienter, flexibler und kostengünstiger gestalten zu können.