Hybrid complex-coupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with organic active materials in the UV-range
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens war die Zielsetzung hybride, komplex-gekoppelte VCSEL für den UV-Bereich zu simulieren, herzustellen und zu charakterisieren. Der gewählte Ansatz zur Realisierung solcher Laser-Strukturen sah die Erstellung von Mehrfach-Luftspaltstrukturen und anschließende Infiltration der Luftspalte mit dem aktiven Material vor. Als aktive Materialien wurden verschiedene Derivate von Spiroquaterphenylen eigens synthetisiert und charakterisiert, und durch gezielte Anpassungen der Randgruppen hinsichtlich optischer und morphologischer Eigenschaften variiert. In frühen Untersuchungen stellte sich das ursprünglich gewählte laterale Design gegenüber intrinsischen Schichtspannungen als zu empfindlich heraus. Nach Entfernen der Opferschicht bis zu einer gewissen Tiefe deformierten sich aufgrund hoher Druckverspannungen die verbleibenden Luftspaltfilter derart stark, dass ein Laserbetrieb unmöglich wird. Das laterale Design ist daraufhin geändert worden, so dass die VCSEL nun zylindersymmetrisch aufgebaut sind und durch einen transparenten Haltepfosten an der Symmetrieachse fixiert werden. Zur Bestimmung der Materialverstärkung der Spiroquaterphenyle wurde ein Messplatz nach der Variablen-Streifen-Methode aufgebaut. Ein Vergleich mit den Simulationsergebnissen zeigt, dass die für den Laserbetrieb notwendigen Materialverstärkungen für die komplex-gekoppelten VCSEL von den synthetisierten Materialien erfüllt werden. Die technologische Realisierbarkeit dieses Ansatzes konnte im Projekt bereits gezeigt werden. Eine auf das abschließend zu infiltrierende organische aktive Material abgestimmte Multischichtstruktur wurde mittels Ionenstrahldeposition erstellt und anschließend zu Luftspaltfiltern sehr geringer Dicken und Abstände (<50 nm) prozessiert. Hierbei wurde insbesondere auf geringe Schichtspannungen und geeignete Trocknungsmethoden geachtet. Die abschließende Infiltration mit den Spiro-Quaterphenylverbindungen erwies sich in dem Projekt als besondere Herausforderung. Die Infiltration aus der Schmelze ergab eine gleichmäßige Infiltration der Luftspaltfilter. Die Entfernung des verbleibenden Restmaterials mittels Sauerstoffplasma konnte für reine Spiro-Quaterphenylverbindungen durchgeführt werden, nicht jedoch für die angestrebten Host/Guest-Mischungen.
Publications
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“Coupled electro-Opto-Thermal VCSEL Simulation”, MASOMO workshop, April 2013, Berlin, Germany
B. Witzigmann
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“Optical Characterization of Organic Gain Materials for UV-emitting Hybrid Complex Coupled VCSEL,” Dissertation, Universität Kassel, 2013
M. Abdel-Awwad
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“Deep single step vertical ICP–RIE etching of ion beam sputter deposited SiO2/Si multilayer stacks,” Microelectron. Eng., vol. 113, pp. 70–73, 2014
F. Messow, C. Welch, A. Eifert, W. C. Ang, N. S. Hoe, T. Kusserow, and H. Hillmer
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“Hybride, ultraviolett emittierende Vertical-Cavity Surface- Emitting Laser mit komplexer Rückkopplung,” Dissertation, Universität Kassel, 2015
F. Messow
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“Optical amplification and photodegradation in films of spiro-quaterphenyl and its derivatives,” J. Lumin., vol. 159, pp. 47–54, Mar. 2015
M. Abdel-Awwad, H. Luan, F. Messow, T. Kusserow, A. Wiske, A. Siebert, T. Fuhrmann-Lieker, J. Salbeck, and H. Hillmer
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“Optical amplification and stability of Spiro- Quaterphenyl compounds and blends,” J. Eur. Opt. Soc. - Rapid Publ., vol. 10, no. 15007, 2015
T. Fuhrmann-Lieker, J. Lambrecht, N. Hoinka, M. Kiurski, A. Wiske, G. Hagelstein, N. Yurttagül, M. A. H. Abdel-Awwad, H. Wilke, F. J. Messow, H. Hillmer, and J. Salbeck
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“Hybrid Vertical Cavity Surface-Emitting Laser in the Ultraviolet Spectral Range,” IEEE Interantional Conf. Opt. MEMS Nanophotonics, pp. 115–116, 2016
H. Wilke, C. Heume, S. Alfihed, N. Hoinka, T. Fuhrmann-Lieker, T. Kusserow, and H. Hillmer
