Untersuchungen an AlGaInN-basierten Laserdioden im sichtbaren Spektralbereich

Ziel dieser Arbeit war die physikalischen Ursachen des unterschiedlichen Verhaltens grüner Laserdioden im Vergleich zu blauen Bauelementen zu identifizieren. Aus diesem Grund wurden zunächst die elektro-optischen Eigenschaften von blauen und grünen InGaN-basierten Laserdioden mit Hilfe gepulster L-I...

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Main Author: Hager, Thomas
Contributors: Koch, Martin (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2014
Physik
Subjects:
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Description
Summary:Ziel dieser Arbeit war die physikalischen Ursachen des unterschiedlichen Verhaltens grüner Laserdioden im Vergleich zu blauen Bauelementen zu identifizieren. Aus diesem Grund wurden zunächst die elektro-optischen Eigenschaften von blauen und grünen InGaN-basierten Laserdioden mit Hilfe gepulster L-I-Kennlinien analysiert und miteinander verglichen. Dabei zeigte sich, dass der grüne Laser Abweichungen von dem idealen Verhalten eines Halbleiterlasers aufweist. Während weder die internen Verluste noch die Injektionseffizienz (ηinj) beider Lasertypen eine explizite Temperaturabhängigkeit im Bereich von 10-90°C aufweisen, zeigt sich im Bezug auf die Stromabhängigkeit der Injektionseffizienz ein unterschiedliches Verhalten. Bei blauen InGaN-Laserdioden kann die Injektionseffizienz als konstant angesehen werden, wohingegen ηinj bei grünen Bauteilen eine stromabhängige Abnahme aufweist. Diese konnte mit einem unzureichenden Einfang der Ladungsträger in die Quantenfilme korreliert werden. Anschließend wurde mit Hilfe von Teststrukturen untersucht, ob die Reduktion der Injektionseffizienz durch ein Überschießen von Elektronen oder Löchern verursacht wird. Durch die Variation des Aluminiumgehaltes in der Elektronenbarriere (EBL) wurde der unzureichende Einfang von Elektronen in die Quantenfilme nachgewiesen. Obwohl die Qualität der EBL einen drastischen Einfluss auf die Absolutwerte der Injektionseffizienz hat, zeigte sich jedoch keine Auswirkung auf die relative Abnahme von ηinj als Funktion des Stroms. Stattdessen konnte durch eine Teststruktur mit n-seitiger InGaN-Detektionsschicht ein stromabhängiges Überschießen von Löchern nachgewiesen werden. Um den Einfluss der stromabhängigen Injektionseffizienz auf die Laserschwelle, insbesondere den temperaturabhängigen Anstieg, zu analysieren, wurden die entsprechenden Einflussgrößen im weiteren Verlauf der Arbeit experimentell quantifiziert und es wurde ein empirisches Modell für die Laserschwelle hergeleitet. Die optische Verstärkung wurde für unterschiedliche Temperaturen und Betriebsströme mit Hilfe von Hakki-Paoli-Messungen untersucht. Für die Herleitung einer Schwellbedingung ist jedoch die Verstärkung als Funktion der Ladungsträgerdichte notwendig. Die für die Umrechnung des Stroms in Ladungsträgerdichte erforderlichen Rekombinationsparameter wurden für Temperaturen von 25 bis 80°C bestimmt. Die experimentellen Daten der Hakki-Paoli-Messungen wurden genutzt, um die physikalischen Parameter eines linearen Gewinnmodells zu bestimmen, insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Transparenzladungsträgerdichte und des differentiellen Gewinns. Auf der Grundlage dieses Parametersatzes wurden dann die Einflussgrößen des temperaturabhängigen Schwellanstiegs anhand der Schwellbedingung, basierend auf dem linearen Gewinnmodell, hergeleitet. Somit konnte die Ladungsträgerlebensdauer, welche in dem betreffenden Operationsregime maßgeblich durch Auger-Verluste dominiert ist, als Hauptursache für den temperaturabhängigen Schwellstromanstieg identifiziert werden. Um die Langzeitstabilität der Injektionseffizienz zu untersuchen, wurden zunächst die Beschleunigungsfaktoren der Degradation grüner Laserdioden untersucht. Es zeigte sich, dass die Alterung der Bauteile elektro-thermisch aktiviert ist und sich damit vergleichbar zu dem Degradationsmechanismus von Blu-Ray Lasern verhält. Durch die Alterung einer grünen Laserdiode im Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen Betriebszuständen, bei denen die Temperatur der aktiven Zone konstant gehalten wurde, konnte der Strom als dominierender Einflussfaktor identifiziert werden. Während des elektrischen Betriebs zeigt die Schwelle einen wurzelförmigen Anstieg, welcher bereits von blauen Laserdioden bekannt ist. Die Steilheit und damit auch die Injektionseffizienz oberhalb der Schwelle nehmen jedoch während der Degradation nicht ab. Auch die optische Verstärkung, welche durch Hakki-Paoli-Messungen vor bzw. nach Degradation charakterisiert wurde, bleibt unverändert. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass die Ladungsträgerdichte in den Quantenfilmen während des Betriebs abnimmt. Basierend auf den im Rahmen dieser Arbeit bestimmten Rekombinationsparametern konnte abgeschätzt werden, dass sich die Rate der defekt-assistierten Rekombinationsprozesse in den Quantenfilmen verdreifachen müsste, um die experimentell beobachtete Zunahme der Schwelle um 20% zu erklären. Dies ist unwahrscheinlich und konnte durch einen Vergleich des experimentell bestimmten EL-Verhaltens einer grünen Laserdiode unterhalb der Schwelle vor bzw. nach der Alterung mit berechneten Kennlinien als Ursache ausgeschlossen werden. In den Untersuchungen des Ladungsträgertransportes wurde gezeigt, dass auch außerhalb der Quantenfilme eine nicht zu vernachlässigende Ladungsträgerdichte existiert. Die Degradation muss somit nicht auf die Quantenfilme beschränkt sein.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2014.0588