Entwicklung von GaN-basierten Laserdioden für den nahen UV-Bereich
Abb. 1: Minimale Schwellenstromdichte in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge von 40x1300 µm BA-LDs im gepulsten Betrieb. Inset: typische L-I-V-Charakteristika für beide Heterostrukturdesigns.
Abb. 2: Schwellenstromdichte von 380-400 nm BA-LDs, die nacheinander prozessiert wurden. Testfelder identischer Proben wurden unterschiedlich prozessiert, um den Herstellungsprozess zu optimieren.
Am FBH werden kantenemittierende Laserdioden (LD)s für den nahen ultravioletten Spektralbereich entwickelt, die auf Galliumnitrid (GaN) basieren. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Realisierung von 386 nm LDs für den Dauerstrichbetrieb (cw) für Anwendungen in der Spektroskopie, Metrologie und Lithographie. Basierend auf cw-fähigen 420 nm Laserstrukturen konnten Breitstreifen (BA)-Laser mit Emission unterhalb 390 nm und geringen Schwellenstromdichten um 2 kA/cm² im Pulsbetrieb hergestellt werden.
Abb. 1 zeigt die minimale Schwellenstromdichte der gepulsten BA-LDs für verschiedene Wellenlängen mit den früher entwickelten Lasern nahe 420 nm und den neuentwickelten Lasern im UV-A-Bereich. Die Schichtstruktur der kurwelligen LDs wurde dabei in zwei Schritten angepasst: Zuerst wurde der Indiumgehalt in der aktiven Zone reduziert, um die Emissionswellenlänge zu verringern. Die hergestellten Strukturen zeigen zwar noch eine etwas höhere Schwellenstromdichte im Vergleich zu den etablierten 420 nm LDs; Laserbetrieb wird aber schon zwischen 2 und 3 kA/cm² erreicht. Würden 420 nm LDs mit derartigen Kenndaten als Rippenwellenleiter (RW) prozessiert, könnten diese im Dauerstrichmodus betrieben werden. Als nächster Schritt soll die Wellenführung an die kleinere Wellenlänge angepasst werden, um den optischen Einschluss der Lasermode zu erhöhen und die Schwellenstromdichten zu reduzieren.
Da die Entwicklung von RW-Strukturen für den Einmoden- und Dauerstrichbetrieb stabile und reproduzierbare Prozesse erfordert, wurde die Stabilität der Epitaxie und der Chipprozessierung untersucht. Es wurden Serien von identischen Schichtstrukturen hergestellt und mehrmalig als BA-LDs prozessiert. Abb. 2 zeigt die Variation des Minimums und des Medians der Schwellenstromdichte dieser Serie von Strukturen. Gleiche Schichtstrukturen wurden außerdem auf verschiedene Art prozessiert, um die Stabilität und Ausbeute des Prozesses zu erhöhen. Zum Beispiel wurde bei Probe D das Diamantritzen des Wafers (D:TF3) durch ein neu entwickeltes Laserritzverfahren (D:TF1-2) ersetzt, um die Qualität der Laserfacetten zu verbessern. Die Daten zeigen, dass LDs mit Emission unter 390 nm mit niedrigen Laserschwellen reproduzierbar in allen Prozessdurchläufen hergestellt werden konnten.
FBH-Forschung: 19.01.2015