Epitaxy of Advanced GaSb-based Semiconductor Light Sources

Abstract

Uusien puolijohdemateriaalien kehittäminen mahdollistaa optoelektroniikan komponenttien suorituskyvyn parantamisen sekä uusien toiminnallisuuksien toteuttamisen. Tässä työssä käsitellään kahden uudenlaisen materiaalijärjestelmän kehitystä erilaisiin infrapunavaloa tuottaviin sovelluksiin. Työn ensimmäisessä osassa tutkitaan GaSbBi-yhdisteiden valmistusta molekyylisuihkuepitaksia-menetelmällä sekä näiden yhdisteiden eri fysikaalisia ominaisuuksia. Työn toisessa osassa kehitetään GaSb-kvanttipisteiden valmistusprosessia pohjautuen niin kutsuttuun paikalliseen pisaraetsaus-menetelmään. Menetelmän avulla työssä valmistetaan GaSb-kvanttipisteitä sekä tutkitaan niiden ominaisuuksia. Molempien materiaalijärjestelmien käytännön soveltuvuutta tutkitaan valmistamalla ja karakterisoimalla niitä hyödyntäviä puolijohdekomponentteja. Työssä valmistetaan 2,1 µm aallonpituudella toimiva reunasäteilevä laserdiodi sekä saturoituva puolijohdepeili, jotka hyödyntävät GaSbBi-kvanttikaivorakenteita. GaSb-kvanttipisteiden soveltuvuus epäklassisena valonlähteenä osoitetaan niiden kyvyllä säteillä yksittäinen fotoni kerrallaan tärkeällä 1,47 µm:n tietoliikenne aallonpituusalueella.

Työn tärkeimmät havainnot ovat seuraavat. Korkeiden Bi-seostuksien ja hyvän rakenteellisen laadun omaavien GaSbBi-yhdisteiden valmistus on rajoitettu pieneen kasvuparametri-ikkunaan. Vain noin 15%Bi:tä saadaan seostettua GaSb:iin ilman merkittävää materiaalin laadun heikkenemistä. Tutkitut materiaaliominaisuudet sekä sovelluksien suorituskyvyt viittaavat siihen että optimiolosuhteissa valmistetun materiaalin laatu on edelleen heikko. GaSb-kvanttipisteiden osalta työssä osoitetaan paikallisen pisaraetsausprosessin olevan GaSb-yhdisteille hyvin hallittava ja laajasti säädettävä. Valmistettujen kvanttipisteiden kokojakaumalle osoitetaan huipputason yhdenmukaisuus. Mitatut yksittäisen kvanttipisteen säteilyominaisuudet ovat erittäin lupaavia aallonpituuden kapeuden, yksittäisen fotoniemission sekä korkean symmetrian perusteella. Kvanttipisteiden tarkassa geometriassa sekä kompositiossa on kuitenkin edelleen varaa kehitykseen niin valmistusprosessin optimoinnin kuin kvanttipisteiden integraation kannalta.

The development of advanced compound semiconductors is at the forefront of technological innovation enabling improved and new device functionalities for a range of photonics applications. In this thesis, two advanced III-V heterostructure systems based on GaSb alloys are developed for emerging light emitting applications. The first part of this thesis covers the development of GaSbBi epitaxy and investigation of its unique material properties. The motivation here is to enable more advanced band gap engineering capability for type-I quantum well (QW) heterostructures. The second part of this thesis covers the development of local droplet etching (LDE) process in the GaSb-system enabling the fabrication of high- quality quantum dots (QDs). This work is positioned in the field of rapid innovation of addressing the need for non-classical light sources for quantum technology systems operating at telecommunication wavelengths around 1.5 µm. Proof-of- concept devices for both materials systems are demonstrated. For GaSbBi, an edge-emitting laser diode and a saturable absorber mirror utilizing GaSbBi QWs operating at around 2.1 µm wavelength are demonstrated. For GaSb QDs, a single-photon source emitting at 1.47 µm wavelength (telecom S-band) is demonstrated for the first time.

The main findings of this work expands over three categories: (i) epitaxial processes, (ii) physical properties of semiconductor heterostructures, and (iii) proof-of-concept devices. The optimal growth parameter space for GaSbBi is identified and a maximum Bi incorporation of ~15%Bi is demonstrated while maintaining moderate structural quality. The investigated properties and performance of devices indicate that material quality of GaSbBi is likely hindered by defects. Regarding GaSb QDs, the LDE process is shown to work extremely well for the antimonide system with a high degree of control and tunability. The fabricated QDs exhibit state-of-the-art uniformity in emission wavelength. Moreover, the single QD emission properties are very promising in terms of narrow excitonic emission, single-photon emission purity, and low QD asymmetry. However, room for further optimization exists concerning the QD geometry and composition, as well as for integration into quantum photonic systems.