Entwicklung neuer optischer Methoden für die Charakterisierung des Halbleiters Ga(NAsP) – welche Perspektiven bieten holographische Verfahren? (PDF)

Die Transistordichte auf einem Computerchip verdoppelt sich in etwa alle 2 Jahre, wie es das Mooresche Gesetz vorhersagt. Diese Miniaturisierung führt zu immer schnelleren und effizienteren Mikroprozessoren, welche das Leben in allen möglichen Bereichen maßgeblich beeinflussen. Früher oder später wird diese, auf elektrischer Datenübertragung basierende Technologie, an den Punkt kommen, an dem physikalische Grenzen wie Leckströme oder Wärmeentwicklung einer weiteren Miniaturisierung im Wege stehen. Um dann weitere Verbesserung gewährleisten zu können, müssen alternative Technologien genutzt werden. Ein Ansatz dafür besteht darin, die Datenübertragung auf optischem Wege zu realisieren. Dafür muss die auf Silizium basierende Elektronik mit der Lasertechnik kombiniert werden. Dies gestaltet sich jedoch schwierig, da Silizium selbst kein Lasermaterial ist und obendrein im Vergleich zu allen gängigen Lasermaterialien eine stark unterschiedliche Gitterkonstante besitzt, wodurch verhindert wird, dass diese auf Silizium gewachsen werden können. Seit kurzem wird verstärkt an dem neuen Halbleitermaterialsystem Ga(NAsP) geforscht, welches gitterangepasst auf Silizium gewachsen werden kann und in dem elektrisch gepumptes Lasing bis 160 K nachgewiesen wurde. Das zeigt, dass das Materialsystem, bereits zu diesem frühen Entwicklungszeitpunkt großes Potenzial besitzt, den Durchbruch hin zu sogenannten Optoelectronic Integrated Circuits (OEICs) zu schaffen.

Meine Dissertation befasst sich mit der optischen Charakterisierung und der Optimierung dieses neuen Halbleiter-Lasermaterials. Dafür wurden zeit-, temperatur- und energieaufgelöste Photolumineszenzmessungen durchgeführt um eine Vielzahl von Proben zu analysieren. Somit konnte der Einfluss verschiedenster Parameter auf die optische Qualität des Materials durch gezielte Vergleiche der Messreihen untersucht werden. Zusätzlich wurde die optische Strichlängenmethode angewendet, um die Verstärkungsfähigkeit der Proben zu ermitteln, welche die wichtigste Eigenschaft eines Lasermaterials darstellt. Die gemessenen Verstärkungswerte bei Raumtemperatur von bis zu 100 cm-1 liegen in der Größenordnung der heute kommerziell erhältlichen Laser. Das unterstreicht das enorme Potenzial von Ga(NAsP).

Für die weitere Optimierung sind Messungen an fertig prozessierten Laserdioden wichtig, um zum Beispiel den α-Faktor zu bestimmen, welcher das Zusammenspiel zwischen Verstärkung und Brechungsindex beschreibt und eine sehr wichtige Größe darstellt. Da für diese Messungen keine funktionierenden Dioden vorlagen, wurden in dieser Arbeit alternative Messmethoden gesucht, und insbesondere die möglichen Ansätze der Holographie zur Halbleitercharakterisierung analysiert. Die digitale Holographie ist ein herausragendes Werkzeug, wenn es darum geht, Oberflächen zu vermessen. Die Hologramme werden mittels einer digitalen Kamera aufgenommen und im Folgenden numerisch rekonstruiert, wodurch sie, wegen der holographischen Natur der Aufnahme, direkten Zugang zur Amplitude und Phase des Wellenfeldes bieten. Dies eröffnet die Möglichkeit den α-Faktor zu bestimmen, da die Detektion der Amplitude und der Phase Rückschlüsse auf die Verstärkung und den Brechungsindex bietet. Exemplarische Messungen wurden an einer Trapezverstärkerdiode durchgeführt und es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die digitale Holographie mehr als geeignet für diese Messung ist.

Wird in Reflexion gemessen, so ermöglicht die Phaseninformation, Tiefenauflösungen im nm-Bereich. Diese Eigenschaft wurde ausgenutzt, um durch thermische Effekte erzeugte Deformationen bzw. die Entstehung von thermischen Linsen während eines optischen Pumpvorganges an Ga(NAsP) Halbleiterstücken zu analysieren. Die erfolgreichen Vorexperimente belegen die Eignung der digitalen Holographie zur Halbleitercharakterisierung. Im nächsten Schritt sind nun weitere Untersuchungen und vor allem Simulationen und Kalibrierungen nötig, um diese hier getesteten Methoden quantitativ einsetzen zu können.

Die digitale Holographie hat allerdings auch einige Schwächen. Soll zum Beispiel eine Struktur dargestellt werden, die sich unter mehreren Schichten befindet, so kann die Auswertung, vor allem der Phase, durch die Überlagerung der Reflexionen an den verschiedenen Schichten, drastisch erschwert bis sogar verhindert werden.
Messungen an solchen vergrabenen Strukturen sind allerdings oft wichtig, um zum Beispiel die Qualität von Grenzschichten zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde dafür mit der tiefengefilterten digitalen Holographie eine mögliche Lösung formuliert. Diese kombiniert die full-field swept-source optischen Kohärenztomographie (FF-SS-OCT) mit der digitalen Holographie und erlaubt es durch geeignete Filterung und Weiterbearbeitung des Tiefenprofils ein synthetisches Interferenzmuster zu erzeugen, welches nur Informationen aus einem begrenzten Tiefenbereich enthält. Zusätzlich wurde mit der Einzelschussholographie ein Konzept entwickelt, welches es erlaubt, mit nur einer Belichtung alle nötigen Daten für die tiefengefilterte digitale Holographie in einen photorefraktiven Kristall zu speichern.

Ein weiteres Problem der digitalen Holographie entsteht wenn ein Objekt durch ein streuendes Medium aufgenommen werden soll. Das gestreute Licht kann dazu führen, dass die Kamera sättigt und die Interferenzmuster nicht mehr detektiert werden können. Als mögliche Lösung dieses Problems wurde in dieser Arbeit untersucht, ob die herausragende Eigenschaft photorefraktiver Kristalle mittels Zweiwellenmischen, Licht kohärent filtern und verstärken zu können, mit der digitalen Holographie kombiniert werden kann. Es konnte dabei erfolgreich nachgewiesen werden, dass diese Kombination, zumindest unter bestimmten Voraussetzungen, diese Problematik lösen und dadurch die Anwendbarkeit der digitalen Holographie erweitern kann.