Laserdioden - Wiley-VCH

GRUNDLAGEN
Laserdioden
Komplexe Bauelemente mit vielen Vorteilen
502005
LTJWILEY-VCH
März Verlag
2005GmbH
Nr.
1 KGaA, Weinheim
©
& Co.
GÜNTHER TRÄNKLE
Günther Tränkle ist seit
1996 Direktor des Ferdinand-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-Halbleitertechnologie, in der Mikro- und Millimeterwellenelektronik sowie bei Hochleistungs-Diodenlasern.
●●
Prof. Dr.Günther Tränkle
Ferdinand-Braun-Institut für
Höchstfrequenztechnik
Gustav-Kirchhoff-Straße 4
12489 Berlin
Tel.: 030.6392-2601
Fax: 030.6392-2602
E-Mail: [email protected]
Internet: www.fbh-berlin.de
gen bis typisch 1 W, multimodige Breitstreifenlaser bis typisch 10 W, Laserbarren – die
parallele Anordnung von Breitstreifen-Laserdioden – 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 Leistungsklasse 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 mikroelektronischen Massenfertigung und damit
grundsätzlich sehr preiswert herstellen.
3,0
2,5
AlP
GaP
500
Al0,45Ga0,55As
AlAs
Ga0,51In0,49P
2,0
650
1,5
800
InP
GaAs
1000
Wellenlänge in nm
Abbildung 1 zeigt den Wellenlängenbereich, der sich mit „klassischen“ III/V-Verbindungshalbleitern grundsätzlich erreichen
lässt. Dies sind Materialien, die aus einer
Kombination von (InGaAl)(AsP) aufgebaut
sind.
Für die Anwendung als Lichtquelle in optischen 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 Abmessungen von 1 x 0,5 x 0,1 mm3 (Länge x
Breite x Höhe für eine Breitstreifen-Laserdiode).
● 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 geringer Linienbreite von unter 1 MHz.
● Sie können für die Emission hoher Leistungen optimiert werden: Monomodige
Rippenwellenleiter-Laser (die Laserdiode ist
nur etwa 5 µm breit) emittieren Lichtleistun-
DER AUTOR
Energie der Bandlücke in eV
Laserdioden sind komplexe Bauelemente aus direkten Halbleitern, die
im pn-Übergang einer Diode elektrische
Energie in Licht wandeln. Sie sind damit
in vielen Aspekten mit Leuchtdioden vergleichbar. Infrarote und rote Laserdioden
realisiert man aus einkristallinen Halbleiterschichten – so genannten Halbleiter-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.
1,0
In0.47Ga0.53As
0,5
0,52
0,54
0,56
0,58
InAs
0,60
0,62
Gitterkonstante in nm
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 hergestellt werden. (Quelle: FBH)
© 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
GRUNDLAGEN
Optischer Wellenleiter
Die Realisierung beruht auf vier
Elementen
In Abbildung 2 ist eine typische Rippenwellenleiter-Laserdiode mit Blick auf die Frontfacette dargestellt. Wie bei allen Typen von
Laserdioden beruht ihre Realisierung auf vier
Elementen [1].
Aktives Medium
Das aktive Medium wandelt die elektrische 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 Halbleitermaterialien mit einer größeren Bandlücke, die
zudem p- bzw. n-dotiert sind, eingebettet
ist. Abbildung 3a zeigt die Energieverhältnisse – 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 Ladungsträgerdichten (typisch > 1018 cm–2)
tritt Inversion auf: Die Verstärkung von Licht
und damit die Lasertätigkeit durch die stimulierte Emission zwischen Leitungs- und Valenzband wird möglich. Optischer Gewinn
(negative Absorption) mit einem typischen
Wert von 500–1000 cm–1 tritt in einem Wellenlängenbereich über der Bandlücke auf,
der durch die dichteabhängige Höhe der
ABBILDUNG 2: REM-Aufnahme einer
Rippenwellenleiter-Laserdiode. Das
Laserlicht wird auf der Frontfacette unterhalb der Halbleiterrippe aus einer Apertur
von 3 x 1 µm2 emittiert. (Quelle: FBH)
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 Verstärkung 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 Emissionswellenlänge eines Volumenhalbleiters
nur durch die über die Materialzusammensetzung bedingte Bandlücke bestimmt wird,
hängt die Emissionswellenlänge eines Quantenfilms durch Quanteneffekte zusätzlich
von seiner Schichtdicke ab. Die Emissionswellenlänge kann durch die exakte Einstellung der Schichtdicke maßgeschneidert und
gegenüber der Wellenlänge des Volumenmaterials blauverschoben werden. Dabei ist
die Vergrößerung der Bandlücke ungefähr
umgekehrt proportional zum Quadrat der
Dicke des Quantenfilms (∆Eg ~ 1/L2).
Löcher
Valenzband
Position x
Ein Resonator gewährleistet die optische
Rückkopplung des Lichts. Für den Laserbetrieb muss ein wesentlicher Teil des durch
die stimulierte Emission verstärkten Lichts
in einem optischen Resonator in die aktive
E
c
Elektrisches Feld
Brechungsindex
E
Elektronenenergie
Eg,cl
Eg
Elektronen Leitungsband
d
Resonator
b
n
a
Ein optischer Wellenleiter führt das Laserlicht in der aktiven Zone der Laserdiode. Der
Aufbau eines Halbleiterlasers als pin-Diode
führt senkrecht zu den Halbleiterschichten
(vertikal) zu einem dielektrischen Wellenleiter. Dieser besteht aus einer Kernschicht
mit einem höheren Brechungsindex, die
in Mantelschichten mit niedrigerem Brechungsindex 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 fundamentale Mode mit einer nahezu gaussförmigen Feldverteilung ausbreiten (Abb. 3c).
Sie spürt bei dieser Ausbreitung einen
effektiven Brechungsindex neff, der zwischen 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 separaten, dickeren Wellenleiterstruktur geführt
werden (SCH – separate confinement heterostructure; Dicke etwa 1 µm).
d
∆n
ncl
nf
Position x
Position
x
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 der
optischen Grundwelle, die in der Doppelheterostruktur geführt wird. (Quelle: FBH)
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www.laser-journal.de LTJ 51
L = mλ0/2neff
0
λp
∆λFP
Wellenlänge
ABBILDUNG 4: Verstärkungsspektrum
(modaler Gewinn) und Fabry-PerotModen einer Laserdiode an der
Laserschwelle. (Quelle: FBH)
DAS INSTITUT
Ferdinand-Braun-Institut für
Höchstfrequenztechnik (FBH)
Berlin
Das FBH ist eines der führenden Institute
für anwendungsorientierte und industrienahe Forschung in der Mikrowellentechnik und Optoelektronik. Auf der Basis von
III/V-Verbindungshalbleitern realisiert es
Hochfrequenz-Bauelemente und Schaltungen für die Kommunikationstechnik und Sensorik sowie hochbrillante
Diodenlaser für Materialbearbeitung,
Lasertechnologie, Medizintechnik und
Präzisionsmesstechnik. Das Institut beschäftigt 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
ABBILDUNG 5: Schema der Lateralstruktur
einer Laserdiode. Durch Isolatorschichten
wird der Stromfluss auf den Kontakt auf
der Oberfläche der Laserrippe beschränkt.
(Quelle: FBH)
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-PerotResonator ausgebildet, sondern der Diodenstrom 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 pKontakt 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 Brechungsindex 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 Intensitätsverteilung ist nahezu gaussförmig. Breitstreifen-Laserdioden mit wesentlich breiteren
6
1,0
5
0,8
4
1,0
3
2
0,5
0,0
0
1
2
3
4
Strom in A
5
0,6
0,4
1
0,2
0
0,0
Konversionseffizienz
1,5
Leistung in W
Γgt
,
wobei m die Anzahl der Knoten der stehenden Welle (Ordnungszahl der longitudinalen
Mode), L die Länge des Lasers und λ0 seine
Wellenlänge ist. Abbildung 4 zeigt das Verstärkungsspektrum und die Fabry-Perot-Moden 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 Ladungsträgerdichten und damit höheren Verstärkungen mehrere longitudinale Lasermoden im
Resonator anschwingen.
52 LTJ März 2005 Nr. 1
Spannung in V
Schicht zurückgekoppelt werden. Bei Laserdioden wird in den meisten Fällen ein
Fabry-Perot-Resonator durch präzise gespaltene Kristallfacetten gebildet, die durch die
Differenz der Brechungsindizes zwischen
Halbleitermaterial und Luft eine Reflektivität
von etwa 30 % aufweisen. Perfekte Kristallfacetten entstehen in III/V-Halbleitern, wenn
man diese in <110>-Kristallrichtung spaltet.
Die Reflektivität der Facetten kann mit dünnen 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 (longitudinale Moden) zwischen den Facetten
aus. Es gilt
Modaler Gewinn
GRUNDLAGEN
ABBILDUNG 6: Charakteristik einer
Breitstreifenlaserdiode mit einer
Wellenlänge von 940 nm. (Quelle: FBH)
Kontaktflächen (20–400 µm) sind lateral
multimodig.
Bei kleinem Diodenstrom arbeitet eine Laserdiode unterhalb der Laserschwelle wie
eine LED. Mit zunehmendem Diodenstrom
nehmen die Ladungsträgerdichte in der
aktiven Schicht und damit der optische Gewinn 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 festgelegt werden. Die optischen Verluste αi sind
im Wesentlichen durch die Kristallqualität
und Dotierung der Halbleiterschichten bestimmt. Mit modernen Epitaxieverfahren
können sehr niedrige Werte von rund 1 cm–1
erreicht werden.
Über der Laserschwelle bleibt die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht konstant.
Die über den Diodenstrom injizierten Elektronen und Löcher rekombinieren dann
praktisch vollständig in die Laserstrahlung.
Abbildung 6 zeigt als Beispiel die LichtStrom- und die Strom-Spannungs-Kennlinien einer Breitstreifen-Laserdiode. Unterhalb 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 Quantenwirkungsgrad im Wesentlichen durch die
Steigung dP/dI der Licht-Strom-Kennlinie
bestimmt:
ηd = hν/q dP/dI
.
dP/dI liegt in optimierten Laserdioden über
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GRUNDLAGEN
1 W/A; der innere Wirkungsgrad, der ein
Maß für den Anteil der strahlenden Rekombination 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 gezeigte 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
Ausblick
– 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
Aktuell werden die vielfältigen Bauformen
von Laserdioden optimiert. Im Vordergrund
steht dabei – neben der Erweiterung des
Wellenlängenbereichs – insbesondere die
Steigerung von Ausgangsleistung, Konversionseffizienz und Strahlqualität. Dabei muss
eine hohe Zuverlässigkeit für den praktischen Einsatz gesichert sein.
.
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; Aufweitung etwa 15°).
Literatur
[1] eine ausführliche Einführung findet sich
in R. Diehl (Ed.), High-Power Diode Lasers:
Fundamentals, Technology, Applications;
Springer, Berlin, Heidelberg, New York,
2000.
www.raylase.com
Das Wirtschaftswunder
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Cold
cold
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