Design and realization of novel GaAs based laser concepts vorgelegt von Diplom-Physiker Tim David Germann aus Berlin Von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Michael Lehmann Berichter/Gutachter: Prof. Dr. Dieter Bimberg Berichter/Gutachter: Prof. Shun Lien Chuang, PhD Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 21.12.2011 Berlin 2012 D 83 Meinem geliebten Sohn Emil Malo Zusammenfassung Halbleiterlaser stellen die Grundlage für eine zunehmende Vielzahl von Anwen- dungen dar, die von der Informationsspeicherung und digitalen Kommunikation bis hin zur Materialbearbeitung reichen. Neuartige Konzepte überwinden bisherige Limitierungen und erschließen neue Anwendungsgebiete. Viele dieser Anwendungsgebiete verlangen nach kostengünstigen Bauelementen, die maximale Brillanz und hohe Ausgangsleistungen oder höchste Geschwindigkeiten erreichen. Diese Arbeit stellt dar, wie essentielle Leistungsmerkmale von Halbleiterlasern durch das Design von Nanostrukturen und epitaktischen Wachstumsprozessen maßgeschneidert werden können. Hierbei wird auf alle Schritte der Laserherstellung eingegangen, vom Design über das Wachstum der Nanostrukturen mittels metallorganischer Gasphasene- pitaxie (MOVPE), bis hin zur Herstellung und Charakterisierung kompletter Bauelemente. Durch die Nutzung industrieller Standards können alle entwickelten Prozesse auch auf die Massenproduktion übertragen werden. Gepulster Hochleistungslaserbetrieb bis zu 8 W und eine extrem niedrige Schwell- stromdichte von nur 66 A/cm2 wird mit Quantenpunkt (QP)-basierten Kantenemittern bei 1.25 µm durch das verbesserte Verständnis des QP-Wachstumsprozesses erreicht. Dieser neue Wachstumsprozess ermöglicht Kantenemitter bei 1.3 µm für Telekommunikations- anwendungen auf Basis des etablierten InGaAs=GaAs Materialsystems. Im Zentrum dieses Fortschritts steht die detaillierte Untersuchung und Optimierung von nahezu allen Einzelschichten der Laserstruktur. Verschiedene Wellenleiterdesigns werden durch die Ver- wendung von AlGaAs oder InGaP Mantelschichten und verschiedenen Dotierprofilen präzise den unterschiedlichen Anforderungen angepasst, entwickelt und realisiert. Sogenannte vertical external-cavity surface-emitting lasers (VECSEL) ermöglichen Laserbetrieb im Dauerstrichmodus (CW) mit extrem hoher Leistung, perfekt zirkularsym- metrischer Strahlqualität und direkten Zugang zur Laserkavität. Das Konzept ist ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, allerdings weisen konventionelle, quantenfilmbasierte VECSEL im Betrieb stets eine hohe Temperaturabhängigkeit auf. Hier werden erstmals VECSEL auf Basis von Submonolagenstrukturen und QP mittels MOVPE realisiert. Mit diesen optisch gepumpten VECSEL wird eine sehr große spektrale Bandbreite von 950 nm bis 1210 nm abgedeckt, wobei ein extrem temperaturstabiler Betrieb, aufgrund der Nutzung von QP, und Ausgangsleistungen bis zu 1,4 W CW erreicht werden. Um die physikalische Limitierung von direkt modulierten, so genannten vertical-cavity surface-emitting lasers zu überwinden, wird ein neuartiges Design mit einem monolithisch IV integrierten elektro-optischen Modulator realisiert. Das Konzept zielt auf die Reflektivitäts- modulation des Auskoppelspiegels ab, um Limitierungen durch Ladungsträgertransport zu umgehen und höchste Modulationsgeschwindigkeiten zu erreichen. Schon erste Prototypen zeigen Leistungen geeignet für 6 Gb/s schnelle Datenübertragungen. Eine weiterführende Analyse der Modulationsmechanismen offenbart ein außerordentlich hohes, intrinsisches Bandbreitenpotential von bis zu 56 GHz. V Abstract Semiconductor lasers represent the backbone for an increasing variety of applica- tions ranging from information storage and communication, to material treatment. Novel concepts are pushing the limits and are enabling new application areas. Many of these areas demand low-cost laser devices with high-brilliance and high-power light output or high-speed performance. This thesis demonstrates how key performance characteristics of semiconductor lasers can be tailored using nanostructure design and epitaxial growth. All aspects of laser fabrication are discussed, from design to growth of nanostructures using metal-organic vapor-phase epitaxy (MOVPE), to fabrication and characterization of complete devices. By employing industrial tools, all developed processes are compatible with mass production. Pulsed high power laser operation up to 8 W and a ultra-low lasing threshold of 66 A/cm2 is achieved with electrically pumped quantum dots (QD)-based edge emitters at 1.25 µm due to an improved understanding of the QD growth process. This novel process enables 1.3 µm edge emitters for telecom applications in the established InGaAs=GaAs system. At the heart of these achievements is the careful investigation and optimization of nearly all layers of the laser device structure. Designs are altered and precisely tuned by employing AlGaAs or InGaP claddings and varied doping schemes in order to develop new waveguides to meet different requirements. High-power vertical external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs) promise continuous-wave (CW) lasing with perfect circular beam quality, plus direct access to the cavity. While the concept is ideal for a multitude of applications, conventional quantum- well based systems exhibit problematic temperature sensitivity during operation. Here, for the first time, VECSELs with sub-monolayer structures and QDs as active layers are realized by MOVPE. These optically pumped devices cover a wide spectral range from 950 nm to 1210 nm, and achieve excellent temperature-stable CW lasing due to the use of QDs and CW output powers of up to 1.4 W. In order to overcome the physical limitations of directly modulated vertical-cavity surface-emitting lasers, a novel concept with a monolithically integrated electro-optical modulator is realized. The concept investigates the possibility of modulating the reflectivity of the top mirror to achieve highest modulation speeds, which are not limited by carrier transport. First prototypes prove to be suitable for up to 6 Gb/s data transmission. Sub- sequent in-depth analysis of the modulation mechanisms reveals an outstanding intrinsic bandwidth potential of up to 56 Ghz. VI Publications Research, which has already been published: • A. Strittmatter, T. D. Germann, T. Kettler, K. Posilovic, U. W. Pohl, und D. Bimberg, Alternative precursor metal-organic chemical vapor deposition of InGaAs/GaAs quantum dot laser diodes with ultralow threshold at 1.25 µm, Applied Physics Letters 88, 262104 (2006) Selected for the Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, 14, 2 (2006) • R. Seguin, A. Schliwa, T. D. Germann, S. Rodt, K. Pötschke, A. Strittmat- ter, M. Winkelnkemper, T. Hammerschmidt, P. Kratzer, U. W. Pohl und D. Bimberg, Control of fine-structure splitting and excitonic binding energies in selected individual InAs/GaAs quantum dots, Applied Physics Letters 89, 263109 (2006) Selected for the Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, 15, 2 (2007) • T. D. Germann, A. Strittmatter, T. Kettler, K. Posilovic, U. W. Pohl, und D. 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Okhotnikov, 1040 nm vertical external cavity surface emitting laser based on InGaAs quantum dots grown in Stranski-Krastanow regime, Electronics Letters 44, 290-291 (2008) Selected for the Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, 17, 8 (2008) • T. D. Germann, A. Strittmatter, J. Pohl, U. W. Pohl, D. Bimberg, J. Rautiainen, M. Guina, and O. G. Okhotnikov, Temperature-stable operation of a quantum dot semiconductor disk laser, Applied Physics Letters 93, 051104 (2008) Selected for the Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, 18, 7 (2008) • A. Strittmatter, T. D. Germann, T. Kettler, K. Posilovic, J. Pohl, U. W. Pohl, and D. Bimberg, Suppression of the wavelength blue shift during overgrowth of InGaAs-based quantum dots, Journal of Crystal Growth 310, 5066-5068 (2008), (Proc. of the 14th International Conference on Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (ICMOVPE-XIV), Metz, France 2008) • T. D. Germann, A. Strittmatter, U. W. Pohl, D. Bimberg, J. Rautiainen, M. 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