Forschung
FBH-Forschung: 13.02.2012
- Abb. 1: Analytik-Tool zur Charakterisierung von Degradationsprozessen.
- Abb. 2: Hochauflösende Abbildung der vertikalen und lateralen Struktur eines Lasers mit integriertem Bragg-Gitter.
- Abb. 3: 20 µm dicke HVPE-GaN-Schicht auf strukturiertem Saphir-Substrat: (a) Kathodolumineszenz (Defektdichte:1,3 x 108 cm-2), (b) Oberflächenstruktur mit regelmäßigen Wachstumsterrassen und Durchstoßpunkten.
Im Rahmen des "Anwendungszentrums Höchstfrequenztechnologien" wurde am FBH ein Analytik-Tool zur Charakterisierung von Degradationsprozessen in Halbleiterbauelementen (siehe Abb. 1) beschafft und in der Abteilung Materialtechnologie in Betrieb genommen. Herzstück des aus EFRE-Mitteln finanzierten Gerätes ist ein Rasterelektronenmikroskop mit thermischem Feldemitter der Firma Zeiss (Ultra Plus) zur hochauflösenden Abbildung von Oberflächen. Bei der Inbetriebnahme konnte eine laterale Auflösung von 1 nm nachgewiesenen werden.
Dieses Mikroskop ist mit verschiedenen Systemen zur Analyse der strukturellen und optischen Eigenschaften von Halbleiterschichten und Chips ausgerüstet. Dazu zählen ein energiedispersives Röntgenspektrometer (EDX) der Firma Bruker mit einer Energieauflösung von 125 eV zur ortsaufgelösten Charakterisierung von Elementzusammensetzungen und ein System zur Detektion von Elektronenstrahl-induzierten Strömen (EBIC), mit dem Fehler in der Funktionalität von Transistoren und Halbleiterlasern ermittelt werden können.
Darüber hinaus wurde das Mikroskop mit einem Kathodolumineszenz-System der Firma Gatan ausgestattet. Dieses ermöglicht es, die optischen Eigenschaften von Chips vor und nach Lebensdauertests bis hinunter zu 80 K zu untersuchen. Das System Mono-CL4 eignet sich zur Aufnahme von schnellen spektralen Mappings der Emissionswellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1100 nm mit einer lateralen Auflösung im Bereich von einigen 10 nm sowie zur Aufnahme von Intensitäts-Mappings bei bestimmten Wellenlängen. Damit können die Bereiche, in denen sich beim Betrieb der Bauelemente durch besonders hohe Belastung die Materialeigenschaften verändert haben, mit hoher Präzision bestimmt werden.
Anwendungsbeispiele belegen die Leistungsfähigkeit des neuen Gerätes, das die apparativen Möglichkeiten zur Charakterisierung von Halbleiterschichtstrukturen und Bauelementen am FBH qualitativ deutlich verbessert. So zeigt Abb. 2 die vertikale und laterale Struktur eines Lasers mit integriertem Bragg-Gitter in hoher Auflösung. Die Kontraste sind bedingt durch die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen von geätztem Gitter und der in einem zweiten Epitaxieschritt eingefüllten Wellenleiterschicht. Das neue Mikroskop ermöglicht einen verbesserten ordnungszahlabhängigen Kontrast bei gleichzeitig sehr guter lateraler Auflösung. In Abb. 3 ist eine 20 µm dicke HVPE-GaN-Schicht auf strukturiertem Saphir-Substrat zu sehen, wobei (a) eine Kathodolumineszenzabbildung mit dunklen, nicht leuchtenden Punkten an Versetzungen (Defektdichte:1,3 x 108 cm-2) zeigt. In Abb. 3(b) ist die Oberflächenstruktur mit regelmäßigen Wachstumsterrassen und Durchstoßpunkten der auch in Abb. 3(a) sichtbaren Versetzungen zu sehen.
FBH-Forschung: 31.01.2012
- Abb. 1: Strom-Lichtleistungs-Kennlinien einer 44x nm RW-Laserdiode mit einer Rippenbreite von 1,5 µm im Dauerstrichbetrieb.
- Abb. 2: Schwellenstromdichte in Abhängigkeit von der Rippenbreite für Laserdioden mit zwei unterschiedlichen Ätztiefen der Rippe.
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).
FBH-Forschung: 18.01.2012
- Rot emittierendes Lasermodul für Displayanwendungen
Rot emittierende Diodenlaser werden als kompakte Lichtquellen nicht nur für die Displaytechnologie, sondern auch für die Medizin- und die Messtechnik benötigt. Eine wichtige Eigenschaft ist dabei die Strahldichte. Dem FBH ist es im Rahmen der InnoProfile-Initiative "Hybride Diodenlasersysteme" gelungen, eine Laserstrahlquelle zu entwickeln, die > 500 mW Leistung bei einer Wellenlänge von 636 nm emittiert. Das Modul bietet zudem einen nahezu beugungsbegrenzten, kollimierten Strahl. Dank dieser Eigenschaften konnte eine Strahldichte von über 19 MW/cm²/sr erzeugt werden. Das entspricht bei 636 nm einer Leuchtdichte von über 27 TCd/m² [1] und ist damit mehr als 10.000-mal heller als die Sonne (1,6 GCd/m²). Dieses Ergebnis stellt zugleich einen Weltbestwert für rote Laserdioden dar.
Dazu wurden im Hause entwickelte rot emittierende Trapezlaser auf Diamant-Wärmespreizer mit zwei Kontakten montiert. Diese ermöglichen einerseits eine gute Entwärmung des Laserchips und erlauben andererseits eine getrennte Ansteuerung der Rippenwellenleiter- und der Trapezsektion des Lasers. Zusätzlich wurde der Strahl des Lasers mit Mikrolinsen so geformt, dass das Abstrahlverhalten des Lasermoduls es erlaubt, mehr als 75% des Laserlichtes in eine Lichtleitfaser mit einem geringen Kerndurchmesser von 16 µm einzukoppeln. Mit Hilfe dieser Lichtleitfaser ist es möglich das Licht zum entsprechenden Einsatzort, z.B. zu einem Laserprojektorkopf zu transportieren.
Publikation:
[1] G. Blume, C. Kaspari, D. Feise, A. Sahm, B. Sumpf, B. Eppich, and K. Paschke, "Tapered diode laser modules at 638 nm with efficient fiber coupling", IEEE Phot. Technol. Lett. (submitted 05.01.2012).
FBH-Forschung: 13.01.2012
- Abb. 1: Vervielfacherschaltung mit passiven Elementen (links) und durch Ports ersetzten aktiven Transistoren (rechts)
- Abb. 2: S-Parameter S21 als Funktion der Frequenz: EM-Simulation im Vergleich zu Messungen und einer SpectreRF-Simulation mit Hersteller-Modellen
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.