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LaserdiodenKomplexe Bauelemente mit vielen Vorteilen

Laserdioden sind komplexe Bau-elemente aus direkten Halbleitern, die im pn-Übergang einer Diode elektrische Energie in Licht wandeln. Sie sind damit in vielen Aspekten mit Leuchtdioden ver-gleichbar. Infrarote und rote Laserdioden realisiert man aus einkristallinen Halb-leiterschichten – so genannten Halblei-ter-Heterostrukturen – auf der Basis von Indiumphosphid und Galliumarsenid, blaue Laserdioden aus Halbleitern auf der Basis von Galliumnitrid. Zur Realisierung von grünen Laserdioden laufen intensive Forschungsarbeiten.

Abbildung 1 zeigt den Wellenlängenbe-reich, der sich mit „klassischen“ III/V-Verbin-dungshalbleitern grundsätzlich erreichen lässt. Dies sind Materialien, die aus einer Kombination von (InGaAl)(AsP) aufgebaut sind.Für die Anwendung als Lichtquelle in opti-schen Systemen sind Laserdioden vor allem durch die folgenden Eigenschaften sehr interessant, die in spezifischen Bauformen maßgeschneidert und optimiert werden müssen:● Sie sind sehr kompakt mit typischen Ab-messungen von 1 x 0,5 x 0,1 mm3 (Länge x Breite x Höhe für eine Breitstreifen-Laserdi-ode).● Ihre Emissionswellenlänge lässt sich durch die Wahl des Halbleitermaterials und der Dicke der kristallinen Schichten in weiten Bereichen einstellen (auf der Basis der Halbleitermaterialien Galliumnitrid, Galliumarsenid und Indiumphosphid im Wellenlängenbereich von blau bis infrarot (ungefähr 400 nm–1,6 µm). Spezifische Typen wie DFB- bzw. DBR-Laser emittieren eine monomodige Strahlung mit sehr gerin-ger Linienbreite von unter 1 MHz. ● Sie können für die Emission hoher Leis-tungen optimiert werden: Monomodige Rippenwellenleiter-Laser (die Laserdiode ist nur etwa 5 µm breit) emittieren Lichtleistun-

GÜNTHER TRÄNKLE Günther Tränkle ist seit 1996 Direktor des Ferdi-nand-Braun-Instituts für Höchstfrequenztechnik in Berlin. 2002 wurde er außerdem zum Professor an der Technischen Universität Berlin für das Fachgebiet Mikrowellen- und Optoelektronik berufen. Seine derzeitigen Forschungsgebiete liegen in der III/V-Halb-leitertechnologie, in der Mikro- und Milli-meterwellenelektronik sowie bei Hochleis-tungs-Diodenlasern.

DER AUTOR

●●Prof. Dr.Günther Tränkle

Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik

Gustav-Kirchhoff-Straße 412489 Berlin

Tel.: 030.6392-2601Fax: 030.6392-2602

E-Mail: guenther.traenkle@fbh-berlin.deInternet: www.fbh-berlin.de

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In0.47Ga0.53As

Ga0,51In0,49P

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ABBILDUNG 1: Energielücke über der Gitterkonstante von III/V-Verbindungshalbleitern. Die durchgezogenen Linien repräsentieren ternäre direkte Halbleiter. Im Wellenlängenbereich von 630–1100 nm können Laserdioden auf GaAs-Substrat herge-stellt werden. (Quelle: FBH)

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gen bis typisch 1 W, multimodige Breitstrei-fenlaser bis typisch 10 W, Laserbarren – die parallele Anordnung von Breitstreifen-Laser-dioden – bis über 100 W.● Sie wandeln elektrische Energie mit einer sehr hohen Effizienz in Licht um, wobei der Konversionswirkungsgrad typischerweise größer als 50 % ist.● Sie emittieren Licht aus einer sehr kleinen Fläche. Monomodige Laserdioden weisen eine sehr gute Strahlqualität auf. Sie lassen sich sehr gut fokussieren und in Glasfasern einkoppeln.● Sie arbeiten sehr zuverlässig und weisen eine hohe Lebensdauer auf – je nach Leis-tungsklasse von 10 000 Stunden bis zu 10 Jahren.● Kompakte monomodige Streifenlaser können sehr schnell moduliert werden – Grenzfrequenzen von über 20 GHz sind möglich.● Sie lassen sich mit Methoden der mikro-elektronischen Massenfertigung und damit grundsätzlich sehr preiswert herstellen.

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Die Realisierung beruht auf vier Elementen

In Abbildung 2 ist eine typische Rippenwel-lenleiter-Laserdiode mit Blick auf die Front-facette dargestellt. Wie bei allen Typen von Laserdioden beruht ihre Realisierung auf vier Elementen [1].

Aktives Medium

Das aktive Medium wandelt die elektri-sche Energie des Diodenstromes durch stimulierte Emission in Licht um. Diesen Vorgang nennt man optische Verstärkung. Das optisch aktive Medium besteht in einer Laserdiode aus der undotierten Schicht eines direkten Halbleitermaterials (aktive Schicht), die zwischen Schichten aus Halbleiterma-terialien mit einer größeren Bandlücke, die zudem p- bzw. n-dotiert sind, eingebettet ist. Abbildung 3a zeigt die Energieverhält-nisse – die Bandstruktur – für eine derartige Doppel-Heterostruktur-Laserdiode in einem einfachen Schema. Mit der Polung dieser pin-Diode in Vorwärtsrichtung werden Elektronen und Löcher in die aktive Schicht injiziert (Abb. 3a). Elektronen besetzen Energieniveaus im Leitungsband, Löcher (Defektelektronen) besetzen Energieniveaus im Valenzband. Durch die Rekombination dieser Elektronen und Löcher wird wie in einer LED Licht emittiert. Die Dichte der Elektronen im Leitungsband und der Löcher im Valenzband hängt vom Strom durch die Diode ab. Für größere La-dungsträgerdichten (typisch > 1018 cm–2)tritt Inversion auf: Die Verstärkung von Licht und damit die Lasertätigkeit durch die stimu-lierte Emission zwischen Leitungs- und Va-lenzband wird möglich. Optischer Gewinn (negative Absorption) mit einem typischen Wert von 500–1000 cm–1 tritt in einem Wel-lenlängenbereich über der Bandlücke auf, der durch die dichteabhängige Höhe der

Besetzung der Bänder mit Elektronen und Löchern bestimmt ist. Die Potentialbarrieren an den Grenzflächen der GaAs-Schicht zu den umgebenden Kristallschichten, die z. B. aus AlGaAs bestehen können, konzentrieren die Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht. Bei festem Strom durch die Diode steigt dadurch die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht – die optische Verstär-kung nimmt zu.Die aktive Schicht der Laserdiode kann aus einem Volumenhalbleiter mit einer typischen Schichtdicke von rund 100 nm bis 1 µm oder aus einem oder mehreren Quantenfilmen mit typischen Schichtdicken von 10 nm bestehen. Während die Emissi-onswellenlänge eines Volumenhalbleiters nur durch die über die Materialzusammen-setzung bedingte Bandlücke bestimmt wird, hängt die Emissionswellenlänge eines Quan-tenfilms durch Quanteneffekte zusätzlich von seiner Schichtdicke ab. Die Emissions-wellenlänge kann durch die exakte Einstel-lung der Schichtdicke maßgeschneidert und gegenüber der Wellenlänge des Volumen-materials blauverschoben werden. Dabei ist die Vergrößerung der Bandlücke ungefähr umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke des Quantenfilms (∆Eg ~ 1/L2).

Optischer Wellenleiter

Ein optischer Wellenleiter führt das Laser-licht in der aktiven Zone der Laserdiode. Der Aufbau eines Halbleiterlasers als pin-Diode führt senkrecht zu den Halbleiterschichten (vertikal) zu einem dielektrischen Wellen-leiter. Dieser besteht aus einer Kernschicht mit einem höheren Brechungsindex, die in Mantelschichten mit niedrigerem Bre-chungsindex eingebettet ist. Abbildung 3b illustriert den Wellenleiter für das Beispiel der Doppelheterostruktur-Laserdiode. Die aktive Schicht mit der Dicke d ~ 100 nm, der Bandlücke Eg und dem Brechungsindex nf ist zwischen den Mantelschichten mit der Bandlücke Eg,cl und dem Brechungsindex ncl eingebettet. Durch die Totalreflexion an den Heterogrenzflächen wird die optische Welle im Wellenleiterkern geführt. Wenn die Differenz der Brechungsindizes ∆n = nf – ncl

und die Dicke der Kernschicht klein genug sind, kann sich im Wellenleiter nur eine fun-damentale Mode mit einer nahezu gaussför-migen Feldverteilung ausbreiten (Abb. 3c). Sie spürt bei dieser Ausbreitung einen effektiven Brechungsindex neff, der zwi-schen den Brechungsindizes der Kern- und Mantelschichten liegt (ncl ≤ neff ≤ nf). In der Doppelheterostruktur wird die Lichtwelle wie die Ladungsträger in der aktiven Schicht geführt. In Laserdioden mit ultradünnen Quantenfilmen als aktiven Schichten für die stimulierte Emission mit Elektronen und Löchern muss die Lichtwelle in einer sepa-raten, dickeren Wellenleiterstruktur geführt werden (SCH – separate confinement hete-rostructure; Dicke etwa 1 µm).

Resonator

Ein Resonator gewährleistet die optische Rückkopplung des Lichts. Für den Laserbe-trieb muss ein wesentlicher Teil des durch die stimulierte Emission verstärkten Lichts in einem optischen Resonator in die aktive

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ABBILDUNG 3: Einschluss von Elektronen, Löchern und elektrischem Feld durch eine Doppelheterostruktur in vertikaler Richtung x einer Laserdiode: (a) Energiediagramm mit Leitungs- und Valenzband, (b) Profil des Brechungsindexes und (c) die Feldverteilung deroptischen Grundwelle, die in der Doppelheterostruktur geführt wird. (Quelle: FBH)

ABBILDUNG 2: REM-Aufnahme einer Rippenwellenleiter-Laserdiode. Das Laserlicht wird auf der Frontfacette unter-halb der Halbleiterrippe aus einer Apertur von 3 x 1 µm2 emittiert. (Quelle: FBH)

a b c

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DAS INSTITUT

Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)Berlin

Das FBH ist eines der führenden Institute für anwendungsorientierte und industrie-nahe Forschung in der Mikrowellentech-nik und Optoelektronik. Auf der Basis von III/V-Verbindungshalbleitern realisiert es Hochfrequenz-Bauelemente und Schal-tungen für die Kommunikationstech-nik und Sensorik sowie hochbrillante Diodenlaser für Materialbearbeitung, Lasertechnologie, Medizintechnik und Präzisionsmesstechnik. Das Institut be-schäftigt 150 Mitarbeiter und hat einen Etat von 14 Millionen Euro. Es ist Teil des Forschungsverbundes Berlin e.V. (FVB) und gehört zur Leibniz-Gemeinschaft.Weitere Infos unter: www.fbh-berlin.de

Metall- und Isolatorstreifen

Metall- und Isolatorstreifen führen Strom und Licht in lateraler Richtung. Für den Laserbetrieb wird die pin-Diode nicht nur in longitudinaler Richtung als Fabry-Perot-Resonator ausgebildet, sondern der Dio-denstrom und das Laserlicht werden durch Metall- und Isolatorstreifen oder durch Halbleiter-Rippen in lateraler Richtung geführt. Abbildung 5 zeigt als Beispiel den schematischen Aufbau einer Laserdiode, der sich auch in Abbildung 2 erkennen lässt. Der Diodenstrom kann nur durch eine Öffnung im Isolator auf der Halbleiterrippe in den p-Kontakt fließen. Dadurch wird die Injektion von Elektronen und Löchern in die aktive Schicht in etwa auf den Bereich unterhalb der Halbleiterrippe begrenzt; nur dort ist Inversion und optische Verstärkung durch stimulierte Emission möglich. Der effektive Brechungsindex unter der Halbleiterrippe ist größer als in den Gebieten seitlich von ihr. Der typische Unterschied im Brechungs-index beträgt ∆n ~ 5x10–3. Die Rippe wirkt deshalb als lateraler Wellenleiter für das emittierte Licht (Indexführung). Für eine Breite der Rippe von 2–5 µm und bei nicht zu großen Lichtleistungen ist ein derartiger Wellenleiter monomodig; die Intensitätsver-teilung ist nahezu gaussförmig. Breitstrei-fen-Laserdioden mit wesentlich breiteren

Kontaktflächen (20–400 µm) sind lateral multimodig.Bei kleinem Diodenstrom arbeitet eine La-serdiode unterhalb der Laserschwelle wie eine LED. Mit zunehmendem Diodenstrom nehmen die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht und damit der optische Ge-winn zu. An der Laserschwelle kompensiert der optische Gewinn Γgth die Lichtemission durch die Laserfacetten (Spiegelverluste) und die übrigen optischen Verluste αi im Resonator:

Γgth = αm + αi = 1/2L ln(1/R1R2) + αi .

Die Spiegelverluste αm können durch die Wahl der Facettenreflektivitäten R1R2 und die Laserlänge L in weiten Bereichen festge-legt werden. Die optischen Verluste αi sind im Wesentlichen durch die Kristallqualität und Dotierung der Halbleiterschichten be-stimmt. Mit modernen Epitaxieverfahren können sehr niedrige Werte von rund 1 cm–1

erreicht werden.Über der Laserschwelle bleibt die Ladungs-trägerdichte in der aktiven Schicht konstant. Die über den Diodenstrom injizierten Elek-tronen und Löcher rekombinieren dann praktisch vollständig in die Laserstrahlung. Abbildung 6 zeigt als Beispiel die Licht-Strom- und die Strom-Spannungs-Kenn-linien einer Breitstreifen-Laserdiode. Un-terhalb der Laserschwelle mit dem Strom Ith kann die Lichtemission vernachlässigt werden. Über der Schwelle nimmt die Lichtleistung linear zu (bei Vernachlässigung thermischer Effekte):

P = ηi αm/(αi + αm) hν/q (I – Ith) = ηd hν/q (I – Ith) .

Dabei ist der differentielle Quantenwir-kungsgrad im Wesentlichen durch die Steigung dP/dI der Licht-Strom-Kennlinie bestimmt:

ηd = hν/q dP/dI .

dP/dI liegt in optimierten Laserdioden über

Schicht zurückgekoppelt werden. Bei La-serdioden wird in den meisten Fällen ein Fabry-Perot-Resonator durch präzise gespal-tene Kristallfacetten gebildet, die durch die Differenz der Brechungsindizes zwischen Halbleitermaterial und Luft eine Reflektivität von etwa 30 % aufweisen. Perfekte Kristall-facetten entstehen in III/V-Halbleitern, wenn man diese in <110>-Kristallrichtung spaltet. Die Reflektivität der Facetten kann mit dün-nen Al2O3- und Ti2O-Schichten auf nahezu 100 % erhöht oder auf fast Null erniedrigt werden.Der Fabry-Perot-Resonator der Laserdiode mit der Länge L bildet stehende Wellen (lon-gitudinale Moden) zwischen den Facetten aus. Es gilt

L = mλ0/2neff ,

wobei m die Anzahl der Knoten der stehen-den Welle (Ordnungszahl der longitudinalen Mode), L die Länge des Lasers und λ0 seine Wellenlänge ist. Abbildung 4 zeigt das Ver-stärkungsspektrum und die Fabry-Perot-Mo-den einer Laserdiode an der Laserschwelle. Laserbetrieb tritt auf, wenn die Verstärkung für eine Mode den Schwellengewinn Γgth

überschreitet. Da das Gewinnspektrum im Halbleitermaterial viele Resonatormoden umfasst, können bei höheren Ladungsträ-gerdichten und damit höheren Verstärkun-gen mehrere longitudinale Lasermoden im Resonator anschwingen.

Mod

aler

Gew

inn

Wellenlänge0

Γgt

λp ∆λFP

ABBILDUNG 4: Verstärkungsspektrum (modaler Gewinn) und Fabry-Perot-Moden einer Laserdiode an der Laserschwelle. (Quelle: FBH)

ABBILDUNG 5: Schema der Lateralstruktur einer Laserdiode. Durch Isolatorschichten wird der Stromfluss auf den Kontakt auf der Oberfläche der Laserrippe beschränkt. (Quelle: FBH)

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ABBILDUNG 6: Charakteristik einer Breitstreifenlaserdiode mit einer Wellenlänge von 940 nm. (Quelle: FBH)

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AusblickAktuell werden die vielfältigen Bauformen von Laserdioden optimiert. Im Vordergrund steht dabei – neben der Erweiterung des Wellenlängenbereichs – insbesondere die Steigerung von Ausgangsleistung, Konversi-onseffizienz und Strahlqualität. Dabei muss eine hohe Zuverlässigkeit für den prakti-schen Einsatz gesichert sein.

Literatur[1] eine ausführliche Einführung findet sich in R. Diehl (Ed.), High-Power Diode Lasers: Fundamentals, Technology, Applications; Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2000.

1 W/A; der innere Wirkungsgrad, der ein Maß für den Anteil der strahlenden Rekom-bination der Elektronen und Löchern ist, beträgt weit über 90 %.Der Konversionswirkungsgrad ηc misst den Anteil der elektrischen Energie, die in einer Laserdiode in Laserlicht umgewandelt wird. Die restliche Energie wird hauptsächlich im ohmschen Widerstand der Kontakte und der Zuleitungsschichten zur aktiven Schicht in Wärme umgesetzt. Über der Laserschwelle steigt ηc stark an; für die in Abbildung 6 ge-zeigte Laserdiode überschreitet er 60 % bei einem Strom von rund 2,5 A.Wenn das Laserlicht den Resonator verlässt und aus dem Wellenleiter in den freien Raum tritt, weitet sich der Strahl durch Beugung auf. In einiger Entfernung von der Facette

– ungefähr ab einer Entfernung von w2/λ0(w: Breite der Facette) – spricht man vom Fernfeld der Laserdiode. Ab dort breitet sich das Licht in einem Lichtkegel aus, dessen Öffnungswinkel Θ im Wesentlichen durch die Dicke des Wellenleiters w0 und durch die Wellenlänge λ0 bestimmt ist:

Θ = λ0 /πw0 .

Da ein typischer Wellenleiter in vertikaler Richtung eine Dicke von rund 1 µm hat, in lateraler Richtung aber etwa zwischen 5 µm und 200 µm breit ist, ist der Laserstrahl einer Diode nicht rund. In vertikaler Richtung (fast axis) weitet er sich deutlich stärker auf (etwa 90°) als in lateraler Richtung (slow axis; Auf-weitung etwa 15°).

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