Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Innovation and Globalization Policy in Small Transition Countries ; Case study: Macedonia and Slovenia

Diese Arbeit befasst sich mit der Innovations- und Globalisierungspolitik in kleinen Transformationsländern am Beispiel Mazedoniens; diese wurde mit der Lage in Slowenien verglichen, einem Land von ungefähr gleicher Größe und mit gemeinsamer Vergangenheit als Teilrepublik der Jugoslawischen Föderation, aber mit einem wesentlich höheren ökonomischen Entwicklungsstand. Innovation wird dabei verstanden als „Herstellung, Anpassung und Ausnutzung von Neuerungen“, und sie wird durch das Umfeld, in dem sie stattfindet, beeinflusst. Anpassung und Ausnutzung sind gerade für kleine Transformationsländer von erheblicher Bedeutung, da ihre Fähigkeit zu Herstellung von Neuerungen sehr begrenzt sind. Die Rolle der Innovationspolitik besteht hierbei darin, institutionelle und organisationelle Regulierungen einzuführen, die ein günstiges Umfeld sowohl für Innovationen als auch für die Entwicklung eines nationalen Innovationssystems schaffen. Die Rolle der Politik besteht also nicht in der Innovation als solcher, sondern in der Herstellung der notwendigen Bedingungen für die Industrie und die Forschungseinrichtungen dahingehend zu schaffen, dass sie ihr Wissen, ihre Fertigkeiten und ihre praktischen Erfahrungen für innovative Tätigkeiten einsetzen können. Auf der einen Seite gibt es Institutionen und Organisationen, ohne die die Unternehmen rückständig und wenig leistungsstark wären (etwa das Patentamt oder Institutionen höherer Bildung), und auf der anderen Seite gibt es Institutionen und Organisationen, welche die Unternehmen dabei unterstützen, dass sie ihre Tätigkeit weiter unterstützen (z.B. durch Technologietransfer-Zentren und Netzwerke). Die Leistungen dieser Institutionen und Organisationen sind von großer Bedeutung für die nationalen Innovationssysteme und sollten ihrerseits durch Innovationspolitik unterstützt werden; dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Leistungen vom Staat bereitgestellt werden, vielmehr sollte die Wirtschaftspolitik Möglichkeiten für die öffentlich/private oder sogar rein private Bereitstellung solcher Leistungen in Erwägung ziehen; dies würde nicht nur die Kosten für den Staat senken, sondern auch die Effizienz bei der Erstellung dieser Leistungen steigern. Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das größte Problem der Innovationspolitik in Mazedonien darin besteht, dass es sie gar nicht gibt, und zwar nicht als Folge einer bewussten Entscheidung darüber. Tatsächlich müssen Ressourcen und Zeit für die Schaffung eines nationalen Innovationssystems eingesetzt werden mit Hilfe einer Politik, die sich auf die wesentlichen Umrisse konzentriert, wobei die Nachfrage nach Technologie im Unternehmensbereich gesteigert wird und das Wissen und das Informationsangebot restrukturiert wird. Dieses System muss offen sein, unter beständigem Verbesserungsdruck stehen und fähig sein, sich an Veränderungen anzupassen. Damit eine solche Politik erfolgreich ist, muss es einen Konsens darüber zwischen allen beteiligten Akteuren geben und darüber hinaus auch eine Kohärenz zwischen den verschiedenen politischen Institutionen. Das ist deswegen wichtig, weil der Innovationsprozess komplex ist und verschiedene Politikbereiche berührt. Ziel sollte die Schaffung eines Systems sein, das einerseits auf Autonomie und Kooperation aufbaut, andererseits aber auch Wettbewerb zwischen den beteiligten Institutionen und Organisationen fördert. Eine wichtige Bedingung für ein positives Investitionsklima im Bereich der Innovation ist die Erreichung von makroökonomischer Stabilität. Die gegenwärtige Situation ist gekennzeichnet durch Instabilität des Rechtswesens, durch Korruption und Probleme des Vertragsschutzes, die sowohl ausländische als auch inländische Akteure davon abhält, sich in wirtschaftlichen Aktivitäten in Mazedonien zu engagieren. Bei der Suche nach einem Ausweg aus diesen Problemen ist es wichtig für Mazedonien, von anderen Ländern wie Slowenien zu lernen, die ähnliche Probleme haben, aber auch schon Erfahrungen in der Problemlösung. Man muss dabei beachten, dass der Entwicklungsstand, das wirtschaftliche und das politische Umfeld in beiden Vergleichsländern sich erheblich unterscheiden, so dass die Lektionen, die Mazedonien von Slowenien lernen könnte, nicht direkt übertragen und kopiert werden können, sondern entsprechend angepasst werden müssen. Die vorliegende Arbeit liefert Einsichten in die Probleme der Innovationspolitik in Transformationsländern und liefert daher sowohl einen Anreiz als auch eine Quelle von Informationen für künftige Analysen der wirtschaftlichen Bedingungen und vor allem Innovationspolitik in Transformationsländern.

Farmers’ knowledge and perceptions of potato pests and their management in Uganda

As we initiate entomological research on potato (Solanum tuberosum L.) in Uganda, there is need to understand farmers’ knowledge of existing insect pest problems and their management practices. Such information is important for designing a suitable intervention and successful integrated pest management (IPM) strategy. A farm household survey using a structured questionnaire was conducted among 204 potato farmers in six districts of Uganda (i.e., Kabale, Kisoro, Mbale, Kapchorwa, Mubende, and Kyegegwa) during August and September 2013. Diseases, insect pests, price fluctuations, and low market prices were the four highest ranked constraints in potato production, in order of decreasing importance. Cutworms (Agrotis spp.), aphids (Myzus persicae (Sulzer)), and potato tuber moth (Phthorimaea operculella (Zeller)) were the three most severe insect pests. Ants (Dorylis orantalis Westwood), whiteflies (Bemisia tabaci (Gennadius)), and leafminer flies (Liriomyza huidobrensis (Blanchard)) were pests of moderate importance. Major yield losses are predominantly due to late blight (Phytophthora infestans (Mont.) de Bary) and reached 100% without chemical control in the districts of Kabale, Kisoro, Mbale, and Kapchorwa. On average, farmers had little to moderate knowledge about pest characteristics. The predominant control methods were use of fungicides (72% of respondents) and insecticides (62% of respondents). On average, only 5% of the 204 farmers knew about insect pests and their natural enemies. This lack of knowledge calls for training of both farmers and extension workers in insect pest identification, their biology, and control. Empowering farmers with knowledge about insect pests is essential for the reduction of pesticide misuse and uptake of more environmentally friendly approaches like IPM. Field surveys would need follow-up in order to assess the actual field infestation rates and intensities of each insect pest and compare the results with the responses received from farmers.