Fabrication of electrically pumped vertical cavity surface emitters employing GaN:Mg/GaN:Ge tunnel junction contacts

Abstract

This thesis investigates novel concepts for the realization of vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) for the blue spectral range. Among them are the p-doping scheme at the p++-contact layer for low contact resistance, different lithographic processing strategies for homogeneous current injection as well as GaN tunnel junctions. Further, conducting AlInN/GaN Bragg mirrors were developed for application in vertical cavity devices. Parameters were first optimized in conventional LED structures with and without additional GaN:Ge tunnel junction layers to be then applied in VCSEL structures. For p-type doping in MOVPE, improved conditions were determined for contact formation to p-GaN layers and for tunneling contacts. The best scheme as applied to LEDs had to be modified for VCSEL structures with GaN tunnel junctions in order to allow an efficient acceptor activation and to avoid surface roughening. GaN tunnel junctions were also compared to an established ITO-layer as a current spreading layer on top of p-doped GaN:Mg. ITO layers absorb significantly more light than the GaN based tunnel junction. For p-side current injection, current confinement schemes based on a lateral injection, overgrown TJ structures and selectively deposited ITO layers were compared. In these approaches, the spontaneous light emission intensity increased up to 10 times for TJ-GaN VCSEL structures as compared to a reference ITO-VCSEL. Injection current densities of up to 30 kA/cm2 were demonstrated even with tunnel junctions at moderate bias. Yet, lasing could not be achieved but the relevant issues are addressed in this work. Besides further improvements on current injection by better acceptor activation techniques, an improved interface quality of the dielectric DBR forming the upper mirror is required. Moreover, the reproducibility of the InGaN/GaN active region must be revised in order to maximize the internal quantum efficiency. A concept of conducting Bragg mirrors was investigated in order to enable electron injection into the active region through the epitaxial mirror which is expected to homogenize current distribution across the active region. Highly conductive and reflective AlInN/GaN DBRs with ohmic current-voltage characteristic, a vertical specific resistance of 5x10-4 Ωcm2 and a maximum reflectivity of 99 % were demonstrated. While heavy Ge-doping within the GaN layers is helpful to reduce vertical resistance of the DBRs, structural degradation of the AlInN layers by such heavy doping leads to significantly reduced mirror quality.

Diese Arbeit untersucht neuartige Konzepte zur Realisierung von oberflächenemittierenden Laserdioden (VCSEL) für den blauen Spektralbereich. Dazu zählen die Dotierung der p++-Kontaktschicht für die Realisierung eines geringen Kontaktwiderstands, verschiedene Ansätze zur lithographischen Prozessierung für eine homogene Strominjektion sowie die Implementierung von GaN-basierten Tunnelübergängen. Außerdem wurden elektrisch leitende AlInN/GaN-Bragg Spiegel entwickelt, die in vertikalen Resonatorbauelementen angewendet werden können. Zunächst wurden die Parameter in konventionellen LED-Strukturen mit und ohne zusätzliche GaN:Ge-Tunnelübergangsschichten optimiert, bevor diese dann bei der Herstellung von VCSEL-Strukturen verwendet wurden. Bei der p-Dotierung wurden verbesserte Bedingungen für die Erzeugung von niederohmigen Metallkontakten zur p-GaN-Schicht und für Tunnelkontakte ermittelt. Der beste Ansatz, der für LED angewendet werden konnte, musste für VCSEL-Strukturen mit GaN-Tunnelübergängen modifiziert werden, um eine effiziente Akzeptoraktivierung zu ermöglichen und eine Oberflächenaufrauhung zu vermeiden. GaN-Tunnelübergänge wurden auch mit einer etablierten ITO-Schicht als Stromverteilungsschicht auf p-dotiertem GaN:Mg verglichen. ITO-Schichten absorbieren dabei deutlich mehr Licht als der GaN-basierte Tunnelübergang. Auf der p-dotieren Seite wurde ein Ansatz zur Erzeugung einer Stromapertur basierend auf einer lateralen Strominjektion mit anderen Ansätzen wie überwachsenen Tunnelübergangs-Strukturen sowie selektiv abgeschiedenen ITO-Schichten verglichen. Bei diesen Ansätzen erhöhte sich die spontane Lichtemissionsintensität für GaN-VCSEL-Strukturen mit Tunnelübergang im Vergleich zu einer Referenz-ITO-VCSEL-Struktur um das 10-fache. Injektionsstromdichten von bis zu 30 kA/cm2 wurden sogar mit Tunnelübergängen bei moderaten Betriebsspannungen erzielt. Lasertätigkeit konnte bisher nicht beobachtet werden, aber die relevanten Fragenstellungen und verbleibenden Probleme werden in dieser Arbeit diskutiert. Neben weiteren Verbesserungen der Strominjektion durch bessere Aktivierung der Akzeptoren, ist eine verbesserte Grenzflächenqualität des dielektrischen DBR erforderlich, welcher als oberer Spiegel fungiert. Darüber hinaus muss die Reproduzierbarkeit der aktiven InGaN/GaN-Region verbessert werden, um die interne Quanteneffizienz zu maximieren. Es wurde ein Konzept zur Realisierung von elektrisch leitenden Bragg-Spiegeln untersucht, um eine Strominjektion in den aktiven Bereich durch den epitaktischen Spiegel zu ermöglichen. Dies lässt eine homogenere Stromverteilung über den aktiven Bereich erwarten. Demonstriert wurden hochleitfähige und reflektierende AlInN/GaN-DBRs mit ohmscher Strom-Spannungs-Kennlinie, einem vertikalen spezifischen Widerstand von 5x10-4 Ωcm2 und einer maximalen Reflektivität von 99 %. Während eine hohe Ge-Dotierung innerhalb der GaN-Schichten hilfreich ist, um den vertikalen Widerstand der DBRs zu reduzieren, kann diese zur strukturellen Degradation der AlInN-Schichten und damit zu einer deutlich reduzierten Spiegelqualität führen.