Filamentierung und Strahlinhomogenität bei GaN-Breitstreifenlasern
Abb. 1: Laserdiode (schematisch) mit Intensitätsverteilung auf der Facette, laterale Filamentierung ist in der Vergrößerung deutlich erkennbar
Abb. 2: Laterale Intensitätsverteilungen verschiedener 40 µm breiter Laserdioden von Barren 1 (a) und 2 (b), sowie gemittelte Laserparameter Schwellenstromdichte jth, Steilheit S, Emissionswellenlänge λ und spektrale Halbwertsbreite FWHM (c)
Abb. 3: Über Kathodulmineszenz-Messungen bestimmte Verteilung der Quantenfilm-Emissionswellenlängen an zwei exemplarischen Positionen von Barren 1 und 2 (a) mit zugehörigen Histogrammen (b)
Blaue (Al,In)GaN-basierte Laserdioden sind in vielfältigen Anwendungen kommerziell nutzbar. Dioden hoher Leistung zeigen jedoch aufgrund ihres breiten emittierenden Bereichs häufig ausgeprägte Intensitätsschwankungen im lateralen Strahlprofil (vgl. Abb. 1). Diese werden durch Inhomogenitäten im Brechungsindex verursacht, etwa aufgrund einer inhomogenen Ladungsträgerdichte oder Temperatur. Am FBH wurde dieses Filamentierung genannte Phänomen an verschiedenen Laserbarren von demselben Epitaxiewafer untersucht.
Es wurde gezeigt, dass bei Lasern von einem Barren, d.h. von demselben Bereich des Wafers, Breite und Anzahl der Intensitätsmaxima und -minima ähnlich sind. Laser von verschiedenen Bereichen des Wafers hingegen zeigen deutliche Unterschiede in der Homogenität des Strahlprofils. Um diese qualitative Beobachtung zu quantifizieren, wird der DOF (degree of filamentation, Grad der Filamentierung) als die Anzahl der Intensitätsmaxima je 40 µm definiert. Barren 1 in Abb. 2a hat einen DOF von 12±2 im Gegensatz zu einem DOF von 6±1 bei Barren 2 (Abb. 2b).
Es wurde beobachtet, dass eine stärkere Filamentierung (höherer DOF, wie in Abb. 2c zu sehen) mit einer höheren Schwellenstromdichte jth, einer geringeren Steilheit S der Strom-Leistungs-Kennlinie, einer rotverschobenen Emissionswellenlänge λ und einem breiteren Emissionsspektrum FWHM (full width at half maximum) einhergeht.
Mithilfe von spektral und räumlich aufgelösten Kathodolumineszenz-Messungen kann die Peakemissions-Wellenlänge der Quantenfilme an verschiedenen Positionen und auf verschiedenen Barren verglichen werden. Abb. 3 zeigt, dass bei Barren 1 die Wellenlänge im gemessenen Bereich (50 × 50 µm) deutlich stärker variiert, als bei Barren 2. Die beobachteten Unterschiede in der Homogenität der Quantenfilm-Bandkanten erklären sämtliche zuvor beschriebenen Effekte. Der Einfluss auf die Basisparameter (jth, S, λ, FWHM) wurde bereits 1997 von Vurgaftman et al. (IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 3, 475 (1997)) durch Simulationen vorhergesagt. Die Ursachen sind im Wesentlichen ein geringerer differenzieller Gewinn (jth), eine verstärkte Absorption von hochenergetischen Photonen in Gebieten mit geringerer Bandlücke (S, λ), die Diffusion von Ladungsträgern in Gebiete geringerer Bandlücke (λ) sowie die Verbreiterung des Gewinnspektrums (FWHM). Die verstärkte Filamentierung ist hier erstmals wissenschaftlich untersucht worden und ergibt sich durch eine geringere Ladungsträger-Diffusionslänge bei erhöhten Bandkanten-Fluktuationen.
Die Ergebnisse erlauben ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen von Inhomogenitäten der emittierenden Quantenfilme, der Strahlqualität und grundlegenden Laserparametern. Sie stellen damit einen wichtigen Schritt hin zur Verbesserung (Al,In)GaN-basierter Breistreifenlaserdioden dar.
Publikation
J. Jeschke, U. Zeimer, L. Redaelli, S. Einfeldt, M. Kneissl, and M. Weyers, "Effect of quantum well non-uniformities on lasing threshold, linewidth, and lateral near field filamentation in violet (Al,In)GaN laser diodes", Appl. Phys. Lett., vol. 105, no. 17, 173501 (2014).