Präzise Messungen mit hoher räumlicher Auflösung zur Optimierung von violett-blauen GaN-Laserdioden
(a) Fotolumineszenz-Linienscan an der Frontfacette einer Laserdiode entlang der Wachstumsrichtung y, Schrittweite 50 nm, (b) Rasterelektronenmikroskop-Abbildung mit rückgestreuten Elektronen im selben Maßstab wie (a), helle Schicht bei y = 0 stammt von indiumhaltigen Quantenfilmen, (c) einzelnes Spektrum im Bereich der Quantenfilme (weiße Linie bei y = 0 in (a))
GaN-basierte Laser, die im blauen und violetten Spektralbereich emittieren, zeigen im Vergleich zu Lasern im infraroten Spektralbereich noch immer eine geringere Ausgangsleistung und Effizienz. Um die Laserparameter zu verbessern, ist die Untersuchung der optischen Eigenschaften sowie der Defektstruktur der aktiven Schichten dieser Laser von großer Bedeutung. Da diese Schichten Dicken im Nanometerbereich haben, sind sie optischen Untersuchungen an der Frontfacette mit herkömmlichen Methoden schwer zugänglich.
In Kooperation mit dem Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Spektroskopie wurden erstmals violett-blaue Laserdioden (Wellenlänge = 420 nm) aus dem FBH mit der Rasternahfeldmikroskopie (engl. Scanning nearfield optical microscopy- SNOM) mit sehr hoher räumlicher Auflösung untersucht. Durch eine Glasfaser mit einer Spitze, deren Durchmesser kleiner als 50 nm ist, wird dabei über die Frontfacette die Schichtstruktur des blauen Lasers lokal optisch angeregt. Die optische "Antwort" der Halbleiterschichten, die Fotolumineszenz, wird durch dieselbe Glasfaser detektiert. Somit können die optischen Eigenschaften einzelner Schichten sowohl entlang der Wachstumsrichtung als auch senkrecht dazu vermessen werden. Aus der zweidimensionalen Intensitäts- und Wellenlängenverteilung können Rückschlüsse auf die Homogenität, z.B. der Schichtzusammensetzung, sowie die Verteilung von Defekten im Schichtstapel gezogen werden. Durch elektrische Kontakte am Laser kann zusätzlich zum optischen Signal auch die elektrische "Antwort", der Fotostrom, gemessen werden. Diese Messung wird zeitgleich zur Fotolumineszenz an der gleichen Stelle auf der Frontfacette durchgeführt.
Aus beiden Messungen gewinnt man Informationen über das in die aktive Zone des Lasers eingebaute Potentialprofil, über Wellenleitermoden und den Einfluss von Defekten auf die Ladungsträgerverteilung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zur Optimierung der Schichtstruktur der violett-blauen Laserdioden eingesetzt.
Publikation:
S. Friede, S. Kuehn, J.W. Tomm, V. Hoffmann, U. Zeimer, M. Weyers, M. Kneissl, T. Elsaesser, "Nano-optical analysis of GaN-based diode lasers", Semicond. Sci. Technol., vol. 29, no. 112001 (2014).
FBH-Forschung: 07.10.2014