Optically pumped lead-chalcogenide mid infrared lasers grown on Si and BaF₂-substrates

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1 Research Collection Doctoral Thesis Optically pumped lead-chalcogenide mid infrared lasers grown on Si and BaF₂-substrates Author(s): Kellermann, Klaus Marzell Publication Date: 2004 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH NO OpticallyPumped Lead-ChalcogenideMid Infrared Lasers Grown on Si and BaF2-Substrates A dissertationsubmitted to the SWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHNOLOGYZÜRICH for the degree of Doctor of Natural Sciences presentedby Klaus Marzell Kellermann Diplom Physiker, Universität Konstanz born Citizen of the Federal RepublicofGermany accepted on the recommendationof Prof. Dr. M. W. Sigrist, examiner Prof. Dr. B. Batlogg, co-examiner PD Dr. H. Zogg, co-examiner 2004

3 Summary Today semiconduetor lasers become more and more important because of their compaetness, wide wavelength coverage and high efficiency (-50%). While the majority of semiconduetor lasers emits in the near-infrared to visible wavelength ränge, narrow gap semiconductors with direct band gap such as lead-chalcogenides and their Compounds are suited for the mid-infrared 3-30 pm wavelength ränge, an important ränge for gas sensing. In this thesis IV-VI lead chalcogenidesemiconduetor lasers with PbSe active and Pb^Eu^Se barrier layers are developed and investigated. In contrast to conventional electrical excitation of edge-emitting IV-VI lead chalcogenide lasers, optical pumping with low-cost, compact and high power lll-v diode lasers is pursued. The advantage of optically pumped lasers is the high design freedom and lackof elaborate p-n junetion designs. Furthermore,the achievement of higher operating temperatures than possible with electrically excited devices is emphasized. The ultimate goal is an operating temperature at or near room temperature. The laser structures have been epitaxially grown with the molecular beam epitaxy (MBE) technique both on Silicon (Si) and on barium fluoride (BaFj Substrates. These Substrates are much lower in cost compared to the conventional IV-VI Substrates,and in addition thermal conduetivity is much higher in Si and BaF2 than in IV-VI semiconductors. Optically pumped broad stripe edge emitting Fabry-Perot IV-VI lasers have been developed and different types of laser structures have been characterized and compared in view of their Performance. These include (loo)-oriented quantum wellhomostrueture- (QW-HS), (ioo)-and(m)-oriented double heterostrueture- (DH) and quantum well-double heterostrueture- (QW-DH) lasers. The (loo)-oriented laser

4 Summary structures are lifted off from the Substrates,cleaved to form Fabry-Perot laser cavities, and clamped between a heat sink and a piece of glass. These structures are compared with (in)-oriented structures on Si and on BaF2 where the cavity mirrors are etched. Peak pump power densities used are up to ~io5 W/cm2. For ease of comparison, the investigated IV-VI lasers are characterized using nearly identical pump parameters. For (ioo)-oriented QW-HS-, DH- and QW-DH (oneqw) lasers typical operating temperatures (Top) of up to ~i8o K and operatingpeak powers (Ppeak) of up to -45 mw are found. Even better values are obtained for (loo)-oriented QW-DH lasers with a higher number of QWs, where the highest values achieved are 7"op~228K and Ppeak~^5 mw. With an improved illumination,a maximum peak power of -200 mw corresponding to a quantum efficiency of about 20%, and maximum operating temperature of -250 K is reached. This is achieved with QW-DH lasers on BaF2(m) Substrates as well as with clamped (ioo)-oriented structures despite a limited illumination peak power of 7.5 W, which correspondsto an average pump power of only 9 mw. A further important aspect concerns stability and degradationof these devices. It was found that the device lifetime of laser structures on BaF2(m) Substrates is longer than for similar laser structures on Si(m) Substrates, when illuminated with similar pump power densities(107 kw/cm2). Furthermore, the cavity losses have been estimated by comparing the calculated external cavity loss with the experimentally determined intrinsic cavity loss for a QW- DH laser on Si(m). For a 300 pm long cavity an external cavity loss of ~i6cm"1 and an internal cavity loss of - 53 cm"1 is measured at T= 105 K. While the external cavity loss can be controlled and kept low by both the geometrical design and the mirror caused by free carrier reflectivitiesofthe Fabry-Perot cavity, the intrinsic cavity loss is absorption, and scattering dominates. The scattering losses can be reduced by the reduction of lattice defects such as dislocations. In that respect (m)-oriented layers with a typical dislocation density of -107 cm'2 exhibit lower losses and are thus better suited for laser Operation than (loo)-oriented layers with a typical dislocationdensity of ~io8cm'2. Finally, suggestions for an improved design ofthe laser structures with enhanced Performance are discussed. A laser Operation temperature significantly

5 8 Summary above 250 K seems feasible by a further improvement of the material quality of the layers in the active region and by an optimized design ofthe layer configuration. Two aspects need to be considered: First, most ofthe pump power must be absorbed in the active region and second, the more the carriers generated in the absorber layers (mainly barriers) diffuse to the QWs the higher the effective gain. Henee the carrier mean diffusion length should be longer than the barrier width. This can be achieved by a better material quality with a higher Hall mobility and by longer lifetime of the generated electron-hole pairs.

6 Zusammenfassung Heute gewinnen Halbleiterlaserdank ihrer Kompaktheit, ihrem weiten Wellenlängen bereich den sie abdecken und dem hohen Wirkungsgrad (-50%) immer mehr an Bedeutung. Während die Mehrheit der Halbleiterlaser im nahen Infrarot bis in den sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren, sind Schmalbandhalbleitermit direkter Bandlücke wie die Blei-Chalkogenide und ihre Verbindungen geeignetfür das mittlere Infrarot im Wellenlängenbereich3-30 pm, einem wichtigen Bereich für die Gasanalyse. In dieser Arbeit werden IV-VI Blei-Chalkogenid Halbleiterlaser mit aktiver Schicht aus PbSe und Barrierenaus Pb^Eu^e entwickelt und untersucht. Im Gegensatz zu herkömmlicher elektrischer Anregung von kanten-emittierenden IV-VI Blei-Chalkogenid Halbleiterlaser werden hier mit preisgünstigen, kompakten Hochleistungs lll-v Diodenlasern optisch gepumpte IV-VI Laser vorgestellt. Der Vorteil von optisch gepumpten Lasern ist deren grosse Konstruktions-Freiheitund das Fehlen von aufwendig herzustellenden p-n Übergängen. Darüber hinaus wird das mögliche Erreichen von höheren Betriebstemperaturen gegenüber elektrisch gepumpten Lasern betont. Das Endziel ist eine Betriebs temperatur bei oder nahe Raumtemperatur. Die Laserstrukturen wurden mit der Molekularstrahepitaxie (MBE) Technik epitaktisch auf Silizium (Si) und auf Bariumfluorid (BaF2) Substrate gewachsen. Diese Substrate sind bedeutend billiger als herkömmlicheiv-vi Substrate, und zusätzlich haben Si und BaF2 eine viel grössere thermische Leitfähigkeit als die IV-VI Halbleiter. Es wurden optisch gepumpte Breitstreifen kanten-emittierendefabry-perot IV-VI Laser entwickelt und in Bezug auf unterschiedlich aufgebaute Laserstrukturen charakterisiert und verglichen. Diese beinhalten (loo)-orientierte Quantentopf-Homostruktur- (QW- HS), (100)- und (m)-orientierte doppel Heterostruktur- (DH) und Quantentopf-

7 10 Zusammenfassung Doppelheterostruktur- (QW-DH) Laser. Die (loo)-orientierten Laser werden vom Substrat abgelöst, gespalten und anschliessend zwischen eine Wärmesenkeund einem Glasplättchen eingeklemmt um Fabry-Perot Resonatoren zu bilden. Diese Strukturen werden verglichen mit (m)-orientierten Strukturen auf Si und auf BaF2 bei denen die Resonatorspiegel geätzt sind. Es werden Spitzen-Pumpleistungsdichten bis zu ~io5w/cm2 benutzt. Um die untersuchten IV-VI Laser besser vergleichen zu können werden sie mit nahezu identischen Pumpparametern charakterisiert. Für (ioo)-orientierte QW-HS-, DH-, and QW-DH (ein QW) Laser werden typische Betriebstemperaturen(Top) von bis zu ~i8o K und Betriebspulsspitzenleistungen [Ppeak) von bis zu -45 mw gefunden. Dagegen werden noch bessere Werte für (ioo)- orientierte QW-DH Laser mit einer grösseren Anzahl von QWs erzielt, hier sind die höchsten erreichten Werte Top -228 K und Ppeak -150 mw. Mit einer verbesserten Beleuchtung wurde eine maximale Peakleistung von -200 mw erreicht, das entspricht in ungefähr einem Quantenwirkungsgrad von 20% und einer maximalen Betriebstemperatur von -250 K. Diese Werte wurden mit QW-DH Lasern auf BaF2(ni) Substraten sowie mit eingeklemmten (loo)-orientierten Strukturen erreicht. Dies trotz begrenzter Beleuchtungsspitzenleistung von 7.5 W, was einer Durchschnittsleistung von nur 9 mw entspricht. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Stabilität und die Degradationdieser Bauteile. Es wurde herausgefunden,dass die Lebensdauer der Bauteile von Laserstrukturen bei Beleuchtung mit ähnlichen Pumpleistungsdichten (107 kw/cm2) auf BaF2 Substraten höher ist als für vergleichbare Laserstrukturen auf Si. Darüber hinauswurden die Resonatorverluste für einen QW-DH Laser auf Si durch den Vergleich der berechneten äusseren Resonatorverluste mit dem experimentell bestimmten intrinsischen Resonatorverlust abgeschätzt. Für einen 300 pm langen Resonator wurde ein äusserer Resonatorverlust von -16 cm"1 und ein intrinsischer ~ Resonatorverlust von 53 cm"1 bei T iosk gefunden. Während der äussere = Resonatorverlust durch das geometrische Design und die Reflexion der Spiegel des Fabry-Perot Resonators gegeben ist und klein gehalten werden kann, wird der spezifische Resonatorverlust durch freie Ladungsträgerabsorptionverursacht, wobei Streuverluste dominieren. Die Streuverluste können durch Reduzierung von

8 Zusammenfassung n Gitterdefekten wie Versetzungen vermindert werden. In dieser Beziehung zeigen (um orientierte Schichten mit typischen Versetzungsdichten von -io7cm'2 geringere Verluste. Sie sind daher besser geignet für den Laserbetrieb als (loo)-orientierte Schichten mit typischen Versetzungsdichten von ~ io8 cm'2. Zum Abschlusswerden Vorschläge für ein verbessertes Design der Laserstrukturen mit verbesserter Leistung diskutiert. Laserbetriebstemperaturenbedeutend höher als 250 K erscheinen möglich durch eine weitere Verbesserung der Materialqualität der Schichten im aktiven Bereich und durch ein optimiertere Anordnung der Schichtstruktur. Zwei Punkte müssen hierzu betrachtet werden: Erstens, nahezu die gesammte Pumpleistung muss in der aktiven Schicht absorbiert werden und zweitens, je mehr generierte Ladungsträger in den absorbierenden Schichten (hauptsächlich in Barrieren) zu den QWs diffundieren desto höher wird die effektive Verstärkung. Daher muss die mittlere Diffusionslänge der Ladungsträger grösser sein als die Breite der Barrieren. Dieses kann durch eine bessere Materialqualität mit einer höheren Hall Beweglichkeit und somit grösserer Lebensdauer der generierten Elektron-Loch Paare erreicht werden.