Fundamental analysis and optimization of barrier-pumped GaAs-based VECSELs

Im Jahr 1960 berichten T. H. Maiman et al. von dem ersten Laser, ein mit einer Blitzlampe optisch gepumpter Rubinlaser [1]. Die Demonstration dieses ersten Lasers war ein großer Erfolg für ein neues Wissenschaftsgebiet. Noch im selben Jahr wird der elektrisch gepumpte Helium-Neon-Laser demonstriert, der auch heute noch in Laboren zu finden ist und oft als Beispielmodell in Vorlesungen präsentiert wird [2]. Im weiteren Verlauf der 60er Jahre rücken auch Halbleiterlaser immer mehr in den Fokus. Pionierarbeit leisten hier H. Krömer und Z. I. Alferov, die die Entwicklung von Halbleiterlasern mit Doppelheterostruktur nachhaltig geprägt haben und dafür im Jahr 2000 den Nobelpreis erhielten [3]. Die nächste Entwicklung bei den Halbleiterlasern war die Realisierung von Quantenfilmen als optisches Gewinnmedium in den 70er Jahren [25]. Dieser Entwicklungsschritt war zudem auch eng mit den großen Fortschritten in der Wachstumstechnologie von Halbleiterschichten verknüpft. Im Jahr 1975 wird schließlich der erste optisch gepumpte Quantenfilm-Laser von J. P. van der Ziel realisiert [4]. Das Gewinnmedium beinhaltet dabei 50 GaAs/(AlGa)As Quantenfilme, musste zu der Zeit aber noch auf 15 K gekühlt werden und das Erreichen der Laserschwelle erforderte hohe optische Pumpintensitäten von 36 kW/cm². Erste elektrische Quantenfilm-Laser wurden ebenfalls in den 70er Jahren demonstriert, hier lag der Schwellenstrom aber bereits in Größenordnungen, die nicht fernab von heutigen Lasern sind. Bis heute wurden Halbleiterlaser stetig weiterentwickelt. Insbesondere konnten nicht nur die Laserschwelle, -Effizienz und Ausgangsleistung verbessert werden, sondern es wird mittlerweile auch ein sehr großer Wellenlängenbereich durch Halbleiterlaser abgedeckt, der sich vom ultravioletten über den gesamten sichtbaren und nah- bis ferninfraroten Bereich erstreckt. Weiterhin wird heutzutage mit Diodenlasern ein Massenmarkt bedient. Sie sind, oft unmerklich, in den Alltag integriert. Typische Anwendungen finden sich in Computermäusen, in Bar-Code-Scannern, in CD-, DVD- oder Blu-ray-Laufwerken und in Smartphones [6]. Hervorzuheben ist allerdings die Verwendung als Transmitter in glasfasergestützten Netzwerken für Telekommunikation und Datentransfer. Der mit Abstand am weitesten verbreitete Halbleiterlaser ist der VCSEL (englisch: vertical-cavity surface-emitting laser). Im Jahr 2014 wird die Zahl der verkauften VCSEL, seit der Erfindung in den 80ern, auf über eine Milliarde geschätzt [7]. Das Akronym VCSEL beschreibt wesentliche Merkmale dieses Lasers. Gleichzeitig dient es als Abgrenzung von einem Kantenemitter, bei dem die Laser-Strahlung in der Ebene der Quantenfilme propagiert und senkrecht zu den Bruchkanten der Halbleiterstruktur austritt. Ein VCSEL besitzt hingegen monolithisch gewachsene Laserspiegel, die einen Resonator (Kavität) senkrecht, bzw. vertikal, zu den Quantenfilmebenen bilden. Die Laserstrahlung tritt demzufolge vorzugsweise aus der Oberfläche anstatt aus den Kanten der Struktur aus. Diese Arbeit befasst sich mit einem dem VCSEL sehr ähnlichen Laser, dem VECSEL (englisch: vertical-external-cavity surface-emitting laser). Im Vergleich zum VCSEL besitzt der VECSEL nur einen monolitisch gewachsenen Spiegel. Der nun fehlende zweite Resonatorspiegel wird dafür durch einen externen Laserspiegel ersetzt. Zudem werden die meisten VECSEL mittels eines anderen Lasers optisch gepumpt. Die resultierende Anordnung entspricht somit der eines Scheibenlasers, weswegen der VECSEL alternativ auch oft SDL (englisch: semiconductor disk laser) oder OPSL (english: optically pumped semiconductor laser) genannt wird [8, 9]. Auch wenn VECSEL bereits kommerziell erhältlich sind, ist der Markt bei weitem nicht vergleichbar mit dem der VCSEL. Gründe dafür sind unter anderem höhere Produktionskosten und das durch die Erfordernis des Pumplasers auch komplexere und größere Produkt. Dafür hat der VECSEL aber andere vorteilhafte Eigenschaften, die sich in einzigartiger Weise kombinieren lassen. Beispielsweise eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten durch den externen Resonator. Zum einen können Variationen der Spiegel genutzt werden, um den Laserstrahl in seiner Strahlqualität zu optimieren. Andererseits können aber auch optische Elemente in dem Resonator arrangiert werden, wie etwa doppelbrechende Filter, um schmale Linienbreiten zu erzwingen, nichtlineare optische Kristalle für die hocheffiziente intra-kavitäre Frequenzverdopplung oder auch sättigbare Absorber-Spiegel für Modenkopplung. Diese Vielfalt trifft nun auf den bereits erwähnten großen Wellenlängenbereich, der durch Halbleiterlaser erreicht wird. Entsprechend wurde seit der ersten Demonstration des VECSELs im Jahr 1997 von M. Kuznetsov et al. [10] eine Vielzahl unterschiedlicher VECSEL Systeme präsentiert. Einen sehr guten Überblick über die bisher realisierten Emissionswellenlängen und Lasereigenschaften geben die bereits (zu unterschiedlichen Themen) erschienenen Reviews [8–9, 11–14]. In Abhängigkeit von der Anwendung ist die Erfordernis der optischen Pumpquelle im Gegensatz zu elektrischem Pumpen nicht zwingend ein Nachteil. Ein VECSEL kann als ein Konverter von dem Pumplicht zu der eigentlich emittierten VECSEL Strahlung gesehen werden. Diese Umwandlung betrifft aber nicht nur die Strahlqualität oder beispielsweise die Linienbreite, sondern insbesondere auch die Wellenlänge. Dies ermöglicht die Wahl eines Pumplasers, der nicht zwingend eine bestimmte Wellenlänge besitzen muss, aber dafür kosteneffizient sein kann. Eine ausgereifte und kosteneffiziente Lasertechnologie ist beispielsweise in Form von (AlGa)As/GaAs Diodenlasern mit einer Emissionswellenlänge bei 808 nm verfügbar. Viele der bisher erforschten VECSEL sind daher auf diese Pumpwellenlänge optimiert. Um einen effizienten Laser zu erhalten, muss ein möglichst großer Teil des Pumplichts von dem VECSEL Chip absorbiert und in Ladungsträger umgewandelt werden, die dann für den Laserprozess zur Verfügung stehen. Durch die geringe Schichtdicke von nur einigen Nanometern absorbieren die Quantenfilme allerdings nur einen Bruchteil des Pumplichts. Das führt zu dem häufig verwendeten Prinzip des Barrierepumpens, also des Pumpens der Schichten, welche die Quantenfilme umschließen und um ein vielfaches dicker als die Quantenfilme sind. Die Bandlücke des Barrierenmaterials kann zudem so gewählt werden, dass eine hinreichende Absorption des Pumplichts vorhanden ist. Mit dieser Methode konnte beispielsweise eine Lasereffizienz von 60 % erreicht werden [15]. Der alternative Ansatz, das direkte Pumpen der Quantenfilme, ist also mit einer deutlich geringeren Lasereffizienz verbunden und wurde daher auch weitaus weniger erforscht [8, 16–18 ]. In der vorliegenden Arbeit, werden 808 nm barrierengepumpte VECSEL auf GaAs-Basis untersucht. Ein etabliertes Quantenfilmdesign ist das (GaIn)As/GaAs Materialsystem. Hiermit wurden bisher Emissionswellenlängen zwischen 920 nm – 1.2 μm realisiert. Dieser Bereich ist allerdings auf der kurzwelligen und langwelligen Seite fundamental begrenzt. Je kurzwelliger die Emissionswellenlänge etwa wird, desto flacher werden die Potentialtöpfe für die Elektronen und Löcher in den Quantenfilmen. Dies kann zu einer erheblichen Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer führen, die dann nicht mehr strahlend über den Laserübergang rekombinieren. Auf der langwelligen Seite ist das System hingegen durch die Kristallverspannung begrenzt, die das Wachstum von hochqualititativen Quantenfilmen nur bis zu einer gewissen Indiumkonzentration ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung von VECSELn in drei verschiedenen Wellenlängenbereichen aus dem genannten Spektrum zwischen 920 nm – 1.2 μm. Zunächst werden dafür VECSEL bei 1 μm Emissionswellenlänge untersucht. Bei dieser Wellenlänge wurden die effizientesten und leistungsstärksten VECSEL demonstriert. Die Rekordausgangsleistung liegt bei über 100 W [20, 21]. Die maximale Ausgangsleistung bei 920 nm hingegen ist 12 W [15], und bei 1180 nm 50 W [19]. Daher dient die bereits ausführlich untersuchte Schichtkonfiguration für 1 μm Emissionswellenlänge in dieser Arbeit als Referenz. In Kapitel 2 werden hierfür zunächst die Grundlagen des VECSELs zusammengefasst. Anschließend, in Kapitel 3, wird ein experimentelles Analyseverfahren entwickelt, um eine vollständige Charakterisierung von VECSEL Chips zu ermöglichen. Eine besondere Größe eines VECSELs ist das sogenannte Detuning. Kapitel 3 widmet sich ebenfalls der experimentellen Bestimmung dieses Parameters anhand von temperatur-abhängigen Reflexions- und Photolumineszenzmessungen. Der Einfluss des Detunings auf die Lasereffizienz wird insbesondere in Kapitel 4 untersucht. Hierfür wird ein Experiment entwickelt, in dem das Detuning gezielt manipuliert werden kann. Mit einer für dieses Experiment ausgewählten Probe wird so der starke Einfluss des Detunings auf die Lasereffizienz quantifiziert. Kapitel 5 befasst sich mit VECSELn für Emissionwellenlängen zwischen 920 nm – 950 nm. Dafür werden zwei verschiedene Quantenfilmdesigns und die damit verbundenen Quantentopftiefen diskutiert und experimentell untersucht. Der entscheidende Parameter, bei dem sich die Designs unterscheiden, ist daher die Zusammensetzung der Barriere. Als Resultat können leistungslimitierende Faktoren identifiziert werden, auf dessen Grundlage in Zukunft optimierte VECSEL für diesen Wellenlängenbereich realisiert werden können. Der letzte Teil der Arbeit, Kapitel 6, befasst sich mit VECSELn für Emissionswellenlängen um 1.2 μm. Im Speziellen wird hier ein Typ-II Quantenfilmdesign untersucht, das sogar Emissionswellenlängen über 1.4 μm ermöglicht. In einem solchen Design sind Elektronen und Löcher räumlich voneinander getrennt. Das hier vorgestellte Design besteht aus zwei (GaIn)As Quantenfilmen, die einen Ga(AsSb) Quantenfilm umschließen. Der Verlauf des Leitungsbands über die drei Quantenfilme gleicht einem „W“, worin der Name „W“-Quantenfilm seinen Ursprung hat. Dementsprechend ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in den beiden äußeren (GaIn)As Quantenfilmen konzentriert, wohingegen sie im mittleren Ga(AsSb) Quantenfilm deutlich reduziert ist. Genau der gegenteilige Verlauf liegt im Valenzband vor, d.h. die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Löcher ist in dem Ga(AsSb) Quantenfilm konzentriert. Insgesamt ist aber ein ausreichender Überlapp der Elektron- und Lochwellenfunktionen vorhanden, sodass die Ladungsträger bildlich gesprochen über die Grenzfläche der Quantenfilme rekombinieren können. Die Energie dieses räumlich indirekten Übergangs ist aber, wie in Kapitel 6 gezeigt wird, deutlich kleiner als die der direkten Übergänge in den separaten Quantenfilmen. Dieses Prinzip ermöglicht es, Materialien mit großer Bandlücke zu kombinieren, um eine langwellige Emission zu erhalten. Das Konzept ist besonders attraktiv für Emissionswellenlängen im mittleren Infrarotbereich, für den es ursprünglich auch konzipiert wurde. Obwohl bereits einige Laser mit solch einem Quantenfilmdesign demonstriert wurden, ist dessen Anwendung für VECSEL noch unerforscht. Der erste VECSEL mit dem beschriebenen Quantenfilmdesign wird in dieser Arbeit demonstriert. Die Methoden aus Kapitel 3 werden angewandt, um das neue Lasersystem vollständig zu charakterisieren. Es wird offengelegt, dass ein Typ-II VECSEL fundamental andere Funktionsmechanismen im Vergleich zu Typ-I VECSELn besitzt. Dies bezieht sich insbesondere auf die Abhängigkeit der Lasereffizienz vom Detuning. Das Ergebnis des Kapitels sind Optimierungsvorschläge für künftige Typ-II VECSEL, mit denen die Entwicklung effizienter Typ-II VECSEL mit Emissionswellenlängen über 1.2 μm als erfolgversprechend angesehen werden kann.