FBH-Forschung: 31.01.2012

GaN-Laserdioden mit niedriger Schwelle

Strom-Lichtleistungs-Kennlinien RW-Laserdiode
Abb. 1: Strom-Lichtleistungs-Kennlinien einer 44x nm RW-Laserdiode mit einer Rippenbreite von 1,5 µm im Dauerstrichbetrieb.
Schwellenstromdichte RW-Laserdiode
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).