Forschung

Laserdioden auf der Basis von GaN sind heute nur für eine begrenzte Anzahl von Wellenlängen kommerziell verfügbar. Zusammen mit der TU Berlin und der Firma eagleyard Photonics hat das FBH begonnen, Laserdioden mit speziellen Wellenlängen für den Einsatz in der Atomspektroskopie zu entwickeln. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt derzeit auf den Quecksilberlinien bei 404,7 nm und 435,9 nm. Die Laserdioden sollen in einem externen Resonator mit einem Reflexionsgitter betrieben werden, um die Laserwellenlänge präzise einstellen zu können. Eine weitere Voraussetzung für diese Spektroskopie-Anwendung ist, dass die Laserdioden geringe Schwellenströme haben. Es wurden deshalb Rippenwellenleiter(RW)-Laserdioden mit einer kleinen Rippenbreite von 1,5 µm und einer Resonatorlänge von 600 µm hergestellt. Dank der schmalen Rippe lässt sich zudem eine optimale Strahlqualität erreichen. Für Bauelemente, die bei 41x nm emittieren, wurden Schwellenströme von nur 40 mA erreicht. Die Schwellenspannung und die Steilheit lagen im gepulsten Betrieb bei 7,5 V bzw. 0,5 W/A. Wie Abb. 1 zeigt konnte für Laser mit einer Emission bei 440 nm im Dauerstrichbetrieb (CW) eine maximale optische Leistung von 40 mW gemessen werden.

Systematische Untersuchungen zahlreicher Laserdioden haben gezeigt, dass die Laserschwelle sehr stark von der Geometrie des Rippenwellenleiters abhängt. Der im Querschnitt nahezu rechteckige Wellenleiter wird durch eine mehrere hundert Nanometer tiefe Ätzung in die Halbleiteroberfläche hinein hergestellt. Seine Aufgabe ist es, die optische Mode sowie den vertikalen Stromfluss lateral einzugrenzen. Abb. 2 zeigt die Schwellenstromdichte für zwei Gruppen von Laserdioden, deren Rippenätztiefe sich um nur 175 nm unterscheidet. Der Einfluss der Rippentiefe auf die Schwelle verschwindet zwar mit zunehmender Rippenbreite, für schmale Rippen zeigen die Bauelemente mit flacher Rippenätzung jedoch eine mehr als doppelt so hohe Schwelle. Systematische Untersuchungen der Nah- und Fernfelder sowie zweidimensionale elektrooptische Simulationen wurden in Kooperation mit dem NUSOD Institute begonnen. Dabei werden insbesondere eine Antiindexführung, die aus einer hohen Ladungsträgerdichte beim Laserbetrieb resultiert, die optische Absorption in den lateralen Ausläufern der optischen Mode sowie eine laterale Stromspreizung betrachtet. Auch wenn eine umfassende Erklärung des Effekts noch aussteht, scheint eine riesige Stromspreizung eher unwahrscheinlich zu sein. Bisherige Ergebnisse favorisieren daher eine Abschwächung der lateralen Wellenführung durch eine Antiindexführung.

Publikationen:

L. Redaelli, J. Piprek, M. Martens, H. Wenzel, C. Netzel, A. Linke, Y. V. Flores, S. Einfeldt, M. Kneissl and G. Tränkle, "Effect of ridge waveguide etch depth on laser threshold of InGaN MQW laser diodes", Proc. SPIE, to be published in 2012.

C. Netzel, S. Hatami, V. Hoffmann, T. Wernicke, A. Knauer, M. Kneissl and M. Weyers
"GaInN quantum well design and measurement conditions affecting the emission energy S-shape", phys. stat. sol. (c), vol. 8, no. 7-8, pp. 2151-2153 (2011).

Dank der rapiden Fortschritte bei der Miniaturisierung (Moore'sches Gesetz) sind Schaltungen, die mithilfe von High-End-CMOS-Prozessen hergestellt werden, heutzutage auch im Frequenzbereich über 10 GHz weit verbreitet. Im Gegensatz zu niederfrequenteren und den gängigen digitalen Schaltungen wird das Verhalten dieser CMOS-ICs nicht mehr primär durch die Transistorfunktionen bestimmt. Jedoch haben die passiven Elemente und die peripheren Effekte wie Verbindungsstrukturen etc. einen signifikanten Einfluss und müssen deshalb beim Entwurf detailliert modelliert werden.

Im Rahmen des CMOS-Prozesses werden die passiven Elemente in einem "Stack" von verschiedenen Metallisierungslagen, die durch Dielektrika getrennt sind, oberhalb des Halbleiters mit den Transistoren realisiert. Wichtige passive Elemente sind Induktivitäten, Kapazitäten und Leitungen. Diese Elemente haben teilweise Aufbauparameter, die sehr empfindlich auf Toleranzen reagieren, z.B. die dielektrische Schicht innerhalb einer Kapazität. Sie können zudem durch den platzsparenden Aufbau einen Einfluss auf benachbarte Elemente haben. Deshalb ist es wichtig, im Schaltungssimulator (z.B. SpectreRF) eine genaue Modellierung verfügbar zu haben und die entwickelte Schaltung am Schluss noch einmal hinsichtlich ihrer Funktion zu überprüfen. Dies geschieht mittels einer EM-Simulation der kompletten Schaltung. Aktive Elemente werden dabei durch Tore ersetzt, an deren Stelle später die Eigenschaften der aktiven Elemente implementiert werden. Ein Beispiel für eine solche CMOS-Schaltung ist die Vervielfacherschaltung in Abb. 1. Sie enthält passive Elemente unterschiedlichster Größen und erfordert deshalb eine detaillierte Betrachtung, die in der EM-Simulation allerdings einen hohen Aufwand erfordert. Typischerweise sind ca. 25 Mio. Rechenzellen für eine solche Schaltung notwendig. Abb. 2 zeigt beispielhafte Messdaten der hergestellten Schaltung zusammen mit Ergebnissen der Standardmodelle sowie denen der elektromagnetischen Simulation. Interessant ist dabei, dass bei Verwendung der Herstellermodelle die Schaltungssimulatorergebnisse (SpectreRF) deutlich abweichen.