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Modulationsdynamik von rot oberflächenemittierenden Halbleiterlasern
(2007) Ballmann, Tabitha; Schweizer, Heinz (Prof. Dr.)
Zusammenfassung: Oberflächenemittierende Laser mit Vertikalresonator (VCSEL), die bei einer Wellenlänge von 650-670 nm emittieren, sind insbesondere für optische Datenverbindungen mit Plastikfasern geeignet, die ein Absorptionsminimum bei dieser Wellenlänge besitzen. Hier wird das Bauteildesign, die Herstellung und die Charakterisierung im stationären und modulierten Betrieb von selektiv oxidierten VCSEL beschrieben. Ein Herstellungsprozeß mit parasitätsarmem Bauteildesign wurde entwickelt. Die VCSEL-Geometrie wurde im Hinblick auf eine hohe optische Leistung, Betrieb bis zu hohen Temperaturen und eine schnelle Modulation untersucht. Wärmeerzeugung und -abfuhr und Ladungsträgertransport sollen dabei verstanden werden. Die Absorption bzw. Photonenlebensdauer im VCSEL kann direkt aus den Meßwerten des externen Quantenwirkungsgrads extrahiert werden. Für Aperturen >13 µm ergibt sich eine Absorption von 13 cm-1, was hauptsächlich der Lichtabsorption durch freie Ladungsträger der Dotieratome zugeordnet werden kann. Zu kleineren Aperturen hin ergeben sich kürzere Photonenlebensdauern (statt 2.59 ps nur 1.52 ps bei einer Apertur von 3.5 µm). Zusätzliche optische Verluste treten auf, indem die Ausläufer der Gaußmode an einer kleinen Apertur gestreut werden. Im Gleichstrombetrieb wurde die Temperatur im VCSEL-Inneren und die optische Ausgangsleistung abhängig von den Betriebsbedingungen (zugeführter Strom, Außentemperatur) und der Bauteilgeometrie (Mesa-, Aperturbreite) gemessen und mit einem Temperaturbilanzmodell rechnerisch nachvollzogen. Die Degradation der Stromschwelle und nicht die Degradation der Quantenausbeute legt den Wert in der Licht-Strom Kennlinie fest, an dem der Laser ausgeht. Durch die spektrale Verschiebung der Emissionswellenlänge ist die Temperatur im VCSEL-Inneren bekannt. Sie steigt für kleine Verhältnisse von Apertur- zu Mesabreite am wenigsten mit der Stromdichte an. Das Mesahalbleitermaterial über der engen Oxidapertur sorgt für eine Querverteilung der Wärme und des Stroms. Gleichzeitig hält die Apertur den als Heizquelle wirkenden Pumpschwellstrom klein. Für maximale optische Leistung ist dagegen eine mittlere Aperturgröße am besten. Zu kleinen Aperturen hin begrenzt die schlechtere Wärmeabfuhr über die thermische Leitfähigkeit die Ausgangsleistung. Zu großen Aperturen und damit auch großen Pumpströmen hin dominiert die dissipierte elektrische Leistung mit ihrer Wärmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand. Im gepulsten Betrieb erhält man eine maximal mögliche Umgebungstemperatur von 150°C für das Materialsystem des 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP mit einer Banddiskontinuität von ca. 400 meV. Bei höheren Temperaturen gehen zu viele Elektronen den Quantenfilmen verloren. Dieser Wert entspricht den Innentemperaturwerten, bis zu denen im Gleichstrombetrieb Laseremission zu sehen war. Mißt man die VCSEL-Antwort auf eine Kleinsignalmodulation der Stromamplitude und paßt eine Drei-Pol-Transferfunktion aus den Laserratengleichungen an, ist es möglich, die relative Wichtigkeit der vier bandbreitenlimitierenden Effekte in einem Halbleiterlaser zu bestimmen. Das ist die intrinsische Dämpfung der Resonanzspitze (0.17 ns K-Faktor -> 52 GHz Bandbreite), die thermische Sättigung der Resonanzfrequenz, das parasitäre und das transportbedingte parasitätsähnliche Absinken der Antwortfunktion (33 ps diffusive Transportzeit der Ladungsträger über die Einbettungs- und Barrierenschicht der 1-lambda-cavity -> 18 GHz Bandbreite). Durch eine dickere Passivierungsschicht reduzierten wir die Kontaktflächenkapazität und damit das parasitäre RC-Produkt und erreichen Modulationsbandbreiten von 4 GHz für einen 650 nm VCSEL. Beseitigt man das parasitäre Abfallen der Antwort zu hohen Frequenzen hin, ist das eigentliche Limit im roten VCSEL ein thermisches Limit - wie im Gleichstrombetrieb. Mit höherem Arbeitsstrom nimmt die Bauteilerwärmung zu und Photonendichte und Bandbreite sättigen. Der kleine Apertur-VCSEL mit dem besseren Temperaturbudget erreicht deutlich höhere Resonanzfrequenzen und zwar 6.3 GHz bei 4.5 mA mit einer Apertur von 3.5 µm (bei 657.9 nm). Aus den Modulationsmessungen läßt sich zudem über die Verstärkungskompression die lokale Einfangzeit von der Barrierenregion in den Quantenfilm als maximal 2 ps lang abschätzen. Die digitale Großsignalantwort des VCSELs ist durch Ein- und Ausschaltverzögerungen weiter begrenzt. Die numerische Simulation der Antwort liefert für die Ladungsträgerlebensdauer an der Schwelle 0.39 ns (Apertur 7 µm) (wie auch aus der Schwellstromdichte des stationären Betriebs und aus der Kleinsignalmodulation). Bei einem Vorstrom über der Schwelle wird die Einschaltverzögerung mit steigender Kleinsignal-Resonanzfrequenz kürzer. Aber auch die RC-Aufladekurve durch die dünne Oxidschicht beeinflußt die Einschaltverzögerung noch. Es wurde ein Augendiagramm bei einer Datenrate von 1.25 Gb/s mit dem 650 nm VCSEL aufgenommen.
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Physics and technology of nitride lasers
(2004) Dumitru, Viorel; Schweizer, Heinz (Prof. Dr.)
This work approaches the realization of the group-III nitride laser diodes using SiC as substrate from the device processing and characterization point of view. The work is structured in 5 parts. After a short introduction in chapter 1, in chapter 2 there are presented some basic properties of the III-nitride laser diodes. Chapter 3 presents the investigations done for establishing a process technology for fabrication of nitride laser diodes on SiC. Together with some basic contacts theory and literature considerations, there are presented the experiments done for realization of the electrical contacts as well as regarding the Mg (p-type dopant in GaN) activation procedure. Once established a reliable procedure for obtaining the electrical contacts it was possible to further process and characterize complete devices. A first approach (presented in chapter 4) was to realize by a simple processing a fast feedback tool to epitaxy. Using a shadow-mask approach it was obtained an electroluminiscent diode that was used for studying and optimisation of different growth parameters as regard their influences on the electrical and optical device characteristics. From electrical point of view there were investigated and compared different approaches related to the p-contact and n-side buffer layers growth, as well as optimised an InGaN cap layer with respect to the gas flows, growth temperature and layer thickness. The epitaxial growth parameters adjusted in this manner, together with the improvements obtained by the electrical contacts process development were finally leading to a significant voltage drop reduction on the fabricated laser diodes and the obtaining of a very low differential resistivity. The shadow-mask devices were also used for optical characterizations of the epitaxially grown structures. Using a multi-segment device approach there were done both electroluminiscence spectra and optical loss measurements, being also investigated their dependence of Mg doping profile in the region close to the active zone. Chapter 5 presents the results obtained as regard the multiple quantum well nitride laser diodes processing and characterization. The first part of this chapter deals with the Fabry-Perot lasers. After describing the fabrication procedure and measurements done for the devices characterization, there are then presented and discussed the obtained results regarding the threshold current value and its characteristic temperature, as well as the characteristic temperature of lasing wavelength. There are evidenced and discussed the effects of the incompletely screened internal electric fields which are present in these structures, leading to increased wavelength stability against temperature variations. On the obtained laser diodes there were done also current spreading investigations. By comparing diodes with different contact geometry as well as different ridge waveguide height, it was concluded that while a significant current spreading effect it is present in the n-side of the epitaxial structure, such a effect is negligible in the p-one –down to the active zone – therefore not affecting the threshold current of the fabricated diodes. The processed laser diodes were also investigated with respect to their thermal resistance properties. Because the found values of this parameter were relatively high ones, there also were tested, with promising results, some possible improvements. The chapter 5.2 presents the realization and characterization of a laterally coupled DFB nitride laser diode with second order grating. This approach, a new one for this material system, allows a simple fabrication procedure, avoiding the need of the epitaxial overgrowth step, typically employed in case of such lasers. The obtained DFB diodes were allowing the measurement of the structure's refractive index and, using different grating periods, also of its dispersion relation. Furthermore, it was confirmed the previously evidenced presence of the incompletely screened internal electric fields in case of the electrically injected nitride lasers, which were leading to the obtaining in case of this device of an extremely small wavelength shift with temperature. Finally, in chapter 5.3 it is presented a successfully test for realization of a nitride surface emitting laser diode. Employing a second order grating incorporated in a DBR laser structure it was obtained a vertical emitting laser diode, avoiding altogether the mirror realization step.