Stabilerer RW-Prozess dank Analyse des Antiguiding-Effekts in Laserdioden auf der Basis von GaN
Abb. 1: Vereinfachtes Modell für Verstärkung und Brechungsindex, wie es für die Simulationen verwendet wurde.
Abb. 2: Simulierte Schwellenstromdichten (Kreise, Quadrate) in Abhängigkeit der Rippenwellenleiterätztiefe. Die Messdaten (Sterne) stimmen gut mit der Simulation überein.
Blau und violett emittierende Laserdioden auf der Basis von GaN sind nunmehr seit einer Reihe von Jahren kommerziell verfügbar. Dennoch sind zahlreiche Aspekte der Bauelemente-Physik nach wie vor nicht ausreichend verstanden. So haben zahlreiche Forschungsgruppen einschließlich des FBH beobachtet, dass die Laserschwelle stark von der Tiefe des Rippenwellenleiters (RW) abhängt, ohne diesen Effekt zufriedenstellend erklären zu können. Vor kurzem haben wir vorgeschlagen, dass das Index-Antiguiding in den Bauelementen ungewöhnlich stark ist, d.h. dass eine hohe Ladungsträgerdichte im Quantenfilm unterhalb der Rippe den Brechungsindex merklich reduziert. Sind die Größenordnungen der ladungsträgerinduzierten Änderung des Brechungsindexes und der durch Rippenätzung eingebaute Sprung des effektiven Brechungsindexes Δneff gleich, dann wird der laterale Modeneinschluss deutlich reduziert und die Schwellenstromdichte steigt an. Da eine flache Rippe einem geringen Wert Δneff entspricht, ist zu erwarten, dass Bauelemente mit flacher Rippe bei Weitem empfindlicher gegenüber Index-Antiguiding sind als tiefgeätzte.
Mit einem vereinfachten Verstärkungsmodell, wie es in Abb. 1 gezeigt ist, waren wir in der Lage, unsere Laserdioden mit einem 2D-Modenfinder zu simulieren. Damit konnten wir eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und experimentellen Daten erzielen. Das Verhalten der Mode wurde untersucht, indem die Modellparameter, insbesondere die Verstärkung und die Absorption im Quantenfilm sowie die Stromspreizung, variiert wurden. Der Einfluss eines jeden Parameters wurde im Detail analysiert, so dass schließlich ein realistischer Materialparametersatz gefunden wurde, mit dem die gemessenen Laserdioden-Charakteristika reproduziert werden konnten. Der große Wert, der in den Simulationen für den Antiguiding-Parameter R angenommen werden musste, wurde durch Messungen bestätigt – diese wurden in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) durchgeführt. Wie Abb. 2 zeigt, wurde mir unserem Modell die Abhängigkeit der Schwellenstromdichte jth von der Rippenätztiefe berechnet. Die Ergebnisse belegen, dass durch das starke Antiguiding eine tiefe Ätzung bis in den p-Wellenleiter hinein erforderlich ist, um in Laserdioden auf der Basis von GaN geringe Schwellen zu erzielen. Diese Arbeiten ermöglichen es uns, unseren RW-Prozess im Hinblick auf eine reproduzierbar geringe Laserschwelle künftig stabiler zu gestalten.
Veröffentlichungen:
L. Redaelli, H. Wenzel, T. Weig, G. Lükens, S. Einfeldt, U.T. Schwarz, M. Kneissl, G. Tränkle, "Effect of index-antiguiding on the threshold of GaN-based narrow ridge-waveguide laser diodes", Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO), Technical Digest p. CF1F.3 (2013).
L. Redaelli, H. Wenzel, M. Martens, J. Piprek, S. Einfeldt, M. Kneissl, G. Tränkle, "Index antiguiding in narrow ridge-waveguide (In,Al)GaN based laser diodes", zur Veröffentlichung angenommen im Journal of Applied Physics (2013).
FBH-Forschung: 20.08.2013