Hochleistungsdiodenlaser. Martin Kamp, Technische Physik Universität Würzburg

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1 Hochleistungsdiodenlaser Martin Kamp, Technische Physik Universität Würzburg

2 Hochleitungsdiodenlaser Diodenstacks en-laser-stack Einzelne Emitter: W Barren (10-20 Emitter): W Stacks (mehrere 100 Emitter): W

3 Pumpen von Festkörperlasern IR Diodenlaser pumpt Festkörperlaser z.b. Nd:YVO 4 Frequenzverdopplung im Resonator ermöglicht Emission im grünen/blauen Spektralbereich Vorteile - kompakte Bauform - Hohe Wirkungsgrade - Lange Lebensdauer

4 Pumpquellen für Faserlaser

5 Konversionseffizienz P opt hv hv m e ( I Ith ) i ( I Ith ) e e m i Ausgangsleistung P elekt. UI U d I RS I 2 Elektrische Kennlinie Konversionseffizienz oder Wall plug efficiency WP P P opt elekt. I i I I th e hv m U d RS I m i Auskoppeleffizienz OL Interne Quanteneffizienz i Stromeffizienz th Spannungseffizienz V

6 Interne Quanteneffizienz WP P P opt elekt. I i I I th e hv m U d RS I m i Interne Quanteneffizienz = Anzahl von durch stimulierte Emission erzeugten Photonen pro Ladungsträgerpaar Verluste durch - Ladungsträgerleckage - Rekombination im Cladding - Rekombination im Wellenleiter Bestwerte für 9xx nm Laser i 0.95

7 Stromeffizienz WP P P opt elekt. I i I I th e hv m U d RS I m i Kleine Laserschwelle durch - Einzelquantenfilme mit hoher Verspannung - Kleine Flächen - Großer Füllfaktor Begrenzung des Maximalstroms durch - Facettenbelastung - Thermisches Überrollen Betrieb typischerweise bei 10*I th => th 0.9

8 Spannungseffizienz WP P P opt elekt. I i I I th e hv m U d RS I m i Spannungsverluste durch - Heterobarrieren - Serienwiderstand - Dotierung der Schichten - Materialzusammensetzung - Verluste steigen mit Strom Energie [ev] Position [nm] Typische Werte für Breitstreifenlaser: V 0.9

9 Auskoppeleffizienz WP P P opt elekt. I i I I th e hv m U d RS I m i Interne Verluste durch - Absorption an freien Ladungsträgern - Dotierung - Ladungsträgerdichte im Quantenfilm - Lichtleckage durch die Mantelschichten - Streuverluste Verhältnis von Spiegelverlusten zu Gesamtverlusten: OL 0.9

10 Konversionseffizienz WP P P opt elekt. I i I I th e hv m U d RS I m i Interne Quanteneffizienz > 0.95 Stromeffizienz > 0.9 Spannungsffizienz > 0.9 Auskoppeleffizienz > 0.9 wp > 0.95 * 0.9 * 0.9 *

11 Design für hohe Effizienz Immer wichtig - Materialqualität - Schichtdicken so gering wie möglich Kompromisse bei Dotierprofile - interne Absorption vs. Serienwiderstand Aktive Zone - Kleine Laserschwelle (SQW) vs. T 0 und T 1 (MQW)

12 Design für hohe Effizienz Wellenleiter Großer Füllfaktor vs. Strahlqualität (+ höhere Moden) Resonator (Länge und Verspiegelung) Kleine elektrische und thermische Widerstände vs. Schwellenstrom (+ externe Effizienz) Barrierenhöhe Großes T 0 und T 1 vs. Materialqualität, Spannung und Serienwiderstand

13 Materialparameter: Wärmeleitfähigkeit Streuung von Phononen an Legierungsfluktuationen => Kleinere Wärmeleitfähigkeit Simulation of Heterojunction Bipolar Transistors, V. Palankovski, Wien 2000

14 Löcherbeweglichkeit in Al x Ga 1-x As M. Sotoodeh, J. Appl. Phys. 87, 2890 (2000) GaAs AlAs Streuung an Legierungsfluktuationen reduziert Beweglichkeit

15 Elektronenbeweglichkeit in Al x Ga 1-x As M. Sotoodeh, J. Appl. Phys. 87, 2890 (2000) - Streuung von Ladungsträgern ins Tal am L- und X-Punkt -Al x Ga 1-x As wird ab x=0.45 indirekt - Streuung an Legierungsfluktuationen

16 Bandstruktur von GaAs und AlAs GaAs AlAs Semiconductor material parameters,

17 Optimale Al-Konzentration Kleine Al-Konzentration - Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit - Kleine Barrieren, nur für >1000 nm Mittlere Al-Konzentrationen - Schlechte elektrische und thermische Leitfähigkeit - Hohe Barrieren, gut für Laser mit <1000 nm Hohe Al-Konzentration - Schlechte elektrische, aber gute thermische Leitfähigkeit - Probleme mit Oxidation und Defekten

18 Beispiel: 940 nm Laserschicht InGaAs/GaAsP Einzelquantenfilm 2 µm undotierter Wellenleiterkern => geringe interne Absorption => schmales Fernfeld => Reduktion der Facettenbelastung Al 0.7 Ga 0.3 As Mantelschichten Struktur und Laserdaten vom Ferdinand-Braun-Institut, Berlin

19 Bestimmung interner Parameter i = 0.99 i = 0.9 cm -1 - Dicker Wellenleiter => kleiner Füllfaktor, kleine modale Verstärkung - hohe interne Quanteneffizienz, geringe interne Absorption

20 Kennlinien Laserbarren 1cm Barren, 19 Emitter 150μm Streifenbreite 1.5mm Resonatorlänge Ausgangsleistung: 70 W Wall-plug-efficiency: 0.73

21 Catastrophic optical damage Catastrophic optical damage (COD) Catastrophic optical mirror damage (COMD) => Irreversible Zerstörung einer Facette Tutorial Mirror heating and COMD, BRIGHTER meeting Lund University, Sweden, June 27-29, 2007

22 Catastrophic optical damage Metallisierung p-kontakt Leistungsdichten an der Facette > 10 MW/cm 2

23 Laserfacette Facette bricht Symmetrie des Halbleiterkristalls Oberflächenrekonstruktion Freie Bindungen Adsorbate und Oxide => Zustände in der Bandlücke

24 Was führt zum COD? Absorption an Facette Generation von Ladungsträgern Nichtstrahlende Rekombination Erwärmung COD Defektbildung Stromkonzentration Reduktion der Bandlücke Oxidation der Facetten

25 Absorption an heißen Facetten Bandlücke wird mit zunehmender Temperatur kleiner

26 Temperaturmessung durch µ-raman Raman-Streuung durch Absorption oder Emission eines Phonons (Stokes und Anti-Stokes Linien) Bestimmung der Temperatur aus Linienintensitäten

27 Alterung eines Lasers - Facettentemperatur steigt mit zunehmender Betriebsdauer an - COMD Schwelle sinkt, aber kein Einfluss in Kennlinie sichtbar

28 Temperatur als Funktion des Stroms Messung von Facettenund Volumentemperatur als Funktion des Stroms Starker Anstieg der Facetten-temperatur ab 2.5 A Strom COD bei I=3 A

29 Maßnahmen gegen COD: Passivierung Unpassivierte Facette Passivierte Facette Passivierung durch: - Spalten im UHV + Deposition von Si, Ge oder Sb - Sättigung der offenen Bindungen mit Schwefel - Passivierung mit Stickstoff (Bildung von GaN) - Deposition von ZnSe, Si 3 N 4, Ga 2 O 3, - Ionenimplantation und Durchmischung

30 Kontaktlücke F. Rinner et al., J. Appl. Phys. 93, 1848 (2003) µm des Lasers vor der Facette werden nicht gepumpt Reduktion der Rekombination an der Facette Ähnliche Wirkung bei Quantenpunkten (Unterdrückung der Ladungsträgerdiffusion

31 Einfluss auf Facettentemperatur Normaler Laser Laser mit 30 µm Kontaktlücke Facette Volumen Reduktion der Facettenerwärmung um Faktor 3-4 F. Rinner et. al J. Appl. Phys. 93, , (2003).

32 Strahlqualität Gauss scher Strahl exp ), ( w y x y x P Intensitätsprofil in der Taille exp ), ( y x y x w P Fernfeld / w 0 Beugungsbegrenzter Strahl:

33 Messung der Strahlqualität M 2 > 1 M 2 =1 M 2 : Maß für die Strahlqualität beugungsbegrenzter Strahl: M 2 =1 2 w / 0 M

34 Strahlqualität vs. Bauform Rippenwellenleiter Intensität im Resonator Nahfeld Breitstreifenlaser Rippenwellenleiter: gutes Strahlprofil, aber Leistung begrenzt Breitstreifenlaser: hohe Leistung, aber mehrere laterale Moden

35 Breitstreifenlaser Intensität im Resonator Trapezlaser Nahfeld Kombination aus Rippenwellenleiter (Modenfilter) und Trapez (Verstärker) => hohe Leistung und gutes Strahlprofil

36 Optimierung der Strahlqualität - Gute Entspiegelung der vorderen Facette - Lange Bauelemente

37 Vergleich Breitstreifen - Trapezlaser

38 Zusammenfassung Halbleiterlaser erlauben extrem effiziente Konversion von elektrischer in optische Energie (Effizienzen bis 80%) Ausgangsleistungen bis in den kw-bereich (Arrays) Facettenpassivierung zur Vermeidung von COD erforderlich Trapezlaser kombinieren gute Strahlqualität mit hoher Ausgangsleistung