AlGaN-basierte Halbleiterlaser mit Emission im tiefen ultravioletten Spektralbereich
Abb. 1: (l.) Typische Schichtstruktur UV-Laser, (r.) Photolumineszenz-Spektren von AlGaN-Quantenfilmen, bei verschiedenen Epitaxie-Temperaturen abgeschieden - Strukturen zeigen unter optischer Anregung nur bei optimaler Abscheidetemperatur Laseremission.
Abb. 2: Emissionsspektrum (l.) und optische Leistung als Funktion der Pumpleistungsdichte (r.) einer optisch gepumpten Laserstruktur mit 237 nm Wellenlänge.
Kompakte Halbleiterlaser, die im ultravioletten (UV) Spektralbereich bevorzugt im Wellenlängenbereich ≤ 280 nm (UV-C) emittieren, können z.B. für die medizinische Diagnostik, in der Materialbearbeitung, zum Nachweis biologischer Kampfstoffe, für hochdichte Speichermedien oder in der hochaufgelösten Drucktechnik eingesetzt werden. Die Realisierung solcher Laser auf Basis des Materialsystems AlGaN ist jedoch aus vielerlei Hinsicht schwierig. Zum einen müssen Quantenfilme mit hoher interner Effizienz für die strahlende Rekombination von Ladungsträgern hergestellt werden. Dies ist angesichts hoher Versetzungsdichten im Bereich 109-1010 cm-2 bei konventionellem epitaktischen Wachstum auf Saphirsubstraten schwierig. Zum anderen müssen für einen Injektionslaser sowohl auf der p- als auch der n-Seite der Diode hinreichend hohe Leitfähigkeiten in hoch aluminiumhaltigen AlGaN-Schichten erreicht werden. Im Rahmen der Joint Labs GaN-Optoelektronik ist es dem FBH in Zusammenarbeit mit der TU Berlin nunmehr gelungen, AlGaN-Heterostrukturen herzustellen, die bei optischem Pumpen Laseremission bis hinunter zu 237 nm zeigen. Dies ist die kürzeste jemals mit diesem Material demonstrierte Lasingwellenlänge.
Voraussetzung für den Erfolg war die Herstellung von Schichtstrukturen mit geringen Versetzungsdichten. Dafür wurden entweder der am FBH etablierte Prozess des lateralen epitaktischen Wachstums (ELO) von AlN auf Saphirsubstraten oder die Homoepitaxie auf hochqualitativen AlN-Volumenkristallen des Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin verwendet. Auf diese Weise konnten glatte, rissfreie Schichtsysteme mit Versetzungsdichten im Bereich 108 cm-2 oder gar um Größenordnungen darunter realisiert werden. Weiterhin wurden AlGaN/AlGaN-Vielfachquantenfilme bezüglich der Rauigkeit der Grenzflächen und der Homogenität der Zusammensetzungt optimiert. So wurden beim Wachstum auf ELO-AlN-Schichten Makrostufen auf der Oberfläche beobachtet, die aus dem Koaleszenzprozess des AlN resultieren und zur Ausbildung von AlGaN-Schichten mit lateral variierender Zusammensetzung führen. Wie Abb. 1 zeigt, war insbesondere die Wachstumstemperatur genau anzupassen, um Strukturen herzustellen, die Laseremission zeigen. Wafer mit optimierten Schichtstrukturen wurden in Riegel verschiedener Breite (0,6 bis 1,4 mm) zerlegt und mit einem ArF-Excimerlaser von der Epitaxieseite gepumpt. Abb. 2 zeigt das Emissionsspektrum und die Leistungskennlinie der kurzwelligsten Laserstruktur mit einer Emission bei 237 nm. Gegenwärtig werden dotierte Laserstukturen untersucht, um den bislang nicht erreichten UV-C-Halbleiterlaser im Injektionsbetrieb zu realisieren.
Publikationen:
M. Martens, F. Mehnke, C. Kuhn, C. Reich, V. Kueller, A. Knauer, C. Netzel, C. Hartmann, J. Wollweber, J. Rass, T. Wernicke, M. Bickermann, M. Weyers, and M. Kneissl, "Performance Characteristics of UV-C AlGaN-Based Lasers Grown on Sapphire and Bulk AlN Substrates", IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 26, no. 4, pp. 342-345 (2014).
V. Kueller, A. Knauer, U. Zeimer, M. Kneissl, M. Weyers, "Controlled coalescence of MOVPE grown AlN during lateral overgrowth", J. Cryst. Growth, vol. 368, pp. 83-86 (2013).
FBH-Forschung: 04.06.2014