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

Die Transistordichte auf einem Computerchip verdoppelt sich in etwa alle 2 Jahre, wie es das Mooresche Gesetz vorhersagt. Diese Miniaturisierung fhrt zu immer schnelleren und effizienteren Mikroprozessoren, welche das Leben in allen mglichen Bereichen mageblich beeinflussen. Frher oder spter wird diese, auf elektrischer Datenbertragung basierende Technologie, an den Punkt kommen, an dem physikalische Grenzen wie Leckstrme oder Wrmeentwicklung einer weiteren Miniaturisierung im Wege stehen. Um dann weitere Verbesserung gewhrleisten zu knnen, mssen alternative Technologien genutzt werden. Ein Ansatz dafr besteht darin, die Datenbertragung auf optischem Wege zu realisieren. Dafr 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 gngigen Lasermaterialien eine stark unterschiedliche Gitterkonstante besitzt, wodurch verhindert wird, dass diese auf Silizium gewachsen werden knnen. Seit kurzem wird verstrkt 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 frhen Entwicklungszeitpunkt groes 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. Dafr wurden zeit-, temperatur- und energieaufgelste Photolumineszenzmessungen durchgefhrt um eine Vielzahl von Proben zu analysieren. Somit konnte der Einfluss verschiedenster Parameter auf die optische Qualitt des Materials durch gezielte Vergleiche der Messreihen untersucht werden. Zustzlich wurde die optische Strichlngenmethode angewendet, um die Verstrkungsfhigkeit der Proben zu ermitteln, welche die wichtigste Eigenschaft eines Lasermaterials darstellt. Die gemessenen Verstrkungswerte bei Raumtemperatur von bis zu 100 cm-1 liegen in der Grenordnung der heute kommerziell erhltlichen Laser. Das unterstreicht das enorme Potenzial von Ga(NAsP). Fr die weitere Optimierung sind Messungen an fertig prozessierten Laserdioden wichtig, um zum Beispiel den α-Faktor zu bestimmen, welcher das Zusammenspiel zwischen Verstrkung und Brechungsindex beschreibt und eine sehr wichtige Gre darstellt. Da fr diese Messungen keine funktionierenden Dioden vorlagen, wurden in dieser Arbeit alternative Messmethoden gesucht, und insbesondere die mglichen Anstze der Holographie zur Halbleitercharakterisierung analysiert. Die digitale Holographie ist ein herausragendes Werkzeug, wenn es darum geht, Oberflchen 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 erffnet die Mglichkeit den α-Faktor zu bestimmen, da die Detektion der Amplitude und der Phase Rckschlsse auf die Verstrkung und den Brechungsindex bietet. Exemplarische Messungen wurden an einer Trapezverstrkerdiode durchgefhrt und es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die digitale Holographie mehr als geeignet fr diese Messung ist. Wird in Reflexion gemessen, so ermglicht die Phaseninformation, Tiefenauflsungen im nm-Bereich. Diese Eigenschaft wurde ausgenutzt, um durch thermische Effekte erzeugte Deformationen bzw. die Entstehung von thermischen Linsen whrend eines optischen Pumpvorganges an Ga(NAsP) Halbleiterstcken zu analysieren. Die erfolgreichen Vorexperimente belegen die Eignung der digitalen Holographie zur Halbleitercharakterisierung. Im nchsten Schritt sind nun weitere Untersuchungen und vor allem Simulationen und Kalibrierungen ntig, um diese hier getesteten Methoden quantitativ einsetzen zu knnen. Die digitale Holographie hat allerdings auch einige Schwchen. Soll zum Beispiel eine Struktur dargestellt werden, die sich unter mehreren Schichten befindet, so kann die Auswertung, vor allem der Phase, durch die berlagerung 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 Qualitt von Grenzschichten zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde dafr mit der tiefengefilterten digitalen Holographie eine mgliche Lsung formuliert. Diese kombiniert die full-field swept-source optischen Kohrenztomographie (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 enthlt. Zustzlich wurde mit der Einzelschussholographie ein Konzept entwickelt, welches es erlaubt, mit nur einer Belichtung alle ntigen Daten fr 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 fhren, dass die Kamera sttigt und die Interferenzmuster nicht mehr detektiert werden knnen. Als mgliche Lsung dieses Problems wurde in dieser Arbeit untersucht, ob die herausragende Eigenschaft photorefraktiver Kristalle mittels Zweiwellenmischen, Licht kohrent filtern und verstrken zu knnen, mit der digitalen Holographie kombiniert werden kann. Es konnte dabei erfolgreich nachgewiesen werden, dass diese Kombination, zumindest unter bestimmten Voraussetzungen, diese Problematik lsen und dadurch die Anwendbarkeit der digitalen Holographie erweitern kann.

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