Epitaxial growth and characterization of vertical cavity surface emitting lasers

Abstract

The vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is an optoelectronic laser device that emits light vertically. VCSELs use distributed Bragg reflectors (DBR) as mirrors, and quantum confined active regions, for example quantum wells (QW), for light emission. The DBRs are repeating alternating layers of low and high refractive index materials to achieve a high reflectance. VCSELs are used in sensing, imaging and short distance data transfer applications, for example in LIDAR, facial recognition, and data centers.

The goal of this thesis is to understand the epitaxial growth and characterization process of VCSELs. In this thesis the physics and structure of VCSELs, epitaxy, required calibrations and sample characterizations are studied. The used epitaxial growth method is molecular beam epitaxy (MBE). The MBE growth chamber is an ultra-high vacuum environment, where the source materials enter the chamber as molecular beams, and the growth takes place on a heated substrate. VCSEL and calibration sample characterizations were carried out using photoluminescence (PL), reflectance, and Hall measurements, and microscope imaging.

Prior to VCSEL growth, a test DBR sample was grown. In addition, the p- and n-doping levels, the PL of the active area with InGaAs QWs, and the growth rates of DBR AlGaAs layers with high Al-% and AlGaAs barrier layers with low Al-% were calibrated. This epitaxial growth and characterization process was then used to grow a VCSEL structure that was very close to the targeted structure, thus indicating that the proposed process can be used in future VCSEL projects.

Vertikaalikaviteetti-pintaemittoiva laser (engl. vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) on optoelektroninen laser, joka emittoi valoa pystysuunnassa. VCSEL koostuu DBR-peileistä (engl. distributed Bragg reflector) ja kvanttirajoitetuista aktiivialueista, kuten kvanttikaivoista. DBR-peilit ovat toistuvia peräkkäisiä korkean ja matalan taitekertoimen materiaaleja saavuttaakseen korkean heijastavuuden. VCSEL-laitteita käytetään havaitsemisessa, kuvantamisessa ja lyhyen matkan tiedonsiirrossa esimerkiksi LIDAR-järjestelmissä, kasvojentunnistuksessa ja datakeskuksissa.

Tämän työn tavoitteena on ymmärtää VCSEL:n epitaksiaalinen kasvatus- ja karakterisointiprosessi. Tässä työssä tutkitaan VCSEL:n rakennetta ja fysiikkaa, epitaksiaa, tarvittavia kalibrointeja ja näytteiden karakterisointia. Työssä epitaksiaalisena kasvatustekniikkana käytetään molekyylisuihkuepitaksiaa. Molekyylisuihkuepitaksian kasvatuskammiossa on erittäin korkea tyhjiö, ja kasvatettavat materiaalit tulevat molekyylisuihkuna lämmitetylle kasvatusalustalle. Käyttämällä molekyylisuihkuepitaksiaa voidaan kasvattaa erilliskiteitä, joilla on sama kidesuuntautuminen kuin kasvatusalustalla. VCSEL:n ja kalibrointinäytteiden karakterisoinnit suoritettiin fotoluminesenssi-, heijastavuus- ja Hall-mittauksilla, sekä näytteiden pintojen mikroskooppikuvauksilla.

Ennen varsinaisen VCSEL:n kasvatusta koepeili kasvatettiin. Sen lisäksi kalibroitiin p- ja n-douppaukset, aktiivialueen fotoluminesenssi sekä kasvunopeudet DBR:n korkean alumiiniprosentin AlGaAs-kerroksille ja aktiivialueen matalan alumiiniprosentin AlGaAs-estekerroksille. Douppausten kalibraatiot suoritettiin Hall-mittauksilla. Aktiivialueen huoneenlämmön 910 nanometrin fotoluminesenssin signaali optimoitiin 11,3 prosentin nimellisellä indium-osuudella, 8,5:n V/III-suhteella sekä 605 celsiusasteen kasvatuslämpötilalla. Edellä mainittujen AlGaAs-kerrosten kasvunopeuksien kalibrointi suoritettiin heijastusmittausten perusteella. Tätä epitaksiaalista kasvatus- ja karakterisointiprosessia sitten käytettiin VCSEL rakenteen kasvattamiseen, jonka rakenne oli hyvin lähellä tavoiteltua rakennetta. Tämän perusteella tätä ehdotettua prosessia voidaan käyttää myös tulevissa VCSEL projekteissa.