Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1623
Main Title: Einfluss lokaler Materialmodifikationen auf die Eigenschaften von Halbleiterlaser
Translated Title: Influence of local material modifications on the properties of semiconductor lasers
Author(s): Schulz, Oliver
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit stellt verschiedene Konzepte zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaften von Halbleiterlasern vor, welche durch lokale Materialmodifikationen erfolgen. Einen Schwerpunkt bildet die Realisierung langlebiger, im grünen Spektralbereich emittierender Laserdioden auf Basis von ZnSe. Diese besitzen ein hohes Anwendungspotential in Laserdisplays und in der kurzreichweitigen Datenkommunikation über Polymerfasern. Der Fokus bei den Untersuchungen an In(Ga)As-Quantenpunktlasern liegt auf der Realisierung eines sättigbaren Absorbers, wie er für passiv modengekoppelte Halbleiterlaser erforderlich ist. Aufgrund der erreichbaren Emissionswellenlängen von 1,3 µm bzw. 1,55 µm sind derartige Bauelemente von großem Interesse für die Glasfaserdatenkommunikation. Durch die Entwicklung einer neuartigen Kontaktstruktur für ZnSe-basierte Laser (international patentiert) konnte die freie Lochkonzentration um eine Größenordnung auf 7×10^18 cm^-3 erhöht werden. Zusätzlich gelang es die Eindiffusion von Lithiumnitrid auf das Gebiet unterhalb des p-Kontaktstreifens lokal zu begrenzen. Eine um 80% reduzierte Schwellstromdichte, welche mit einer Absenkung der Schwellspannung um 30% einhergeht, war die Folge. Aufgrund der deutlichen Verringerung der thermischen Belastung der Laserdioden, zu der der um den Faktor 10 verringerte spezifische Kontaktwiderstand einen zusätzlichen Beitrag liefert, konnte eine um das 20 bis 40-fache gesteigerte Bauelementlebensdauer erzielt werden. Durch die Herstellung von indexgeführten II-VI-Halbleiterlasern mittels implantationsinduzierter Durchmischung ließ sich im Vergleich mit gewinngeführten Laserdioden eine fünfmal höhere Lebensdauer erzielen. Die Ionenimplantation in die in lateraler Richtung an den Laserstreifen angrenzenden Bereiche führt zur Generation einer Stromführung, die eine Reduzierung der Schwellstromdichte um den Faktor 3 und der Schwellspannung um 25% nach sich zieht. Über die verbesserten elektrischen Eigenschaften hinaus zeigten diese Baulemente ein deutlich verbessertes Fernfeld. Letzteres ist eine Folge der Durchmischung der einzelnen Halbleiterschichten in den implantierten Bereichen und der daraus resultierenden optischen Wellenführung in lateraler Richtung. Im gepulsten Hochleistungsbetrieb konnte mit ZnSe-basierten Laserdioden erstmalig eine Ausgangleistung von 1,5 W erreicht werden. Bei diesen Leistungen konnte die Zerstörung der Facetten als dominierender Degradationsmechanismus beobachtet und untersucht werden. Für In(Ga)As-Quantenpunktlaser konnte gezeigt werden, dass der Ionenbeschuss einer Teilsektion der Laserkavität ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines sättigbaren Absorbers ist. Für die Implantation von 1,8 MeV Stickstoffionen mit einer Dosis von 1×10^11 cm^-2 konnten die generierte Verluste von 264 cm^-1 ermittelt werden. Hierzu wurden zwei verschiedene Verfahren untersucht, die Implantation über die Facette und die Implantation über die Stegwellenleiteroberfläche.
This thesis presents several different concepts on manipulation of semiconductor laser characteristics due to local material modifications. The highlight of this work is the fabrication of long-living laser diodes based on ZnSe with emission wavelengths in the green spectral range. Potential applications of these devices are laser displays and the shortrange data transmission via polymer fibres. Quantum dot lasers based on In(Ga)As with saturable absorber sections were produced for passive mode-locking. Since the emission wavelengths of these devices are in the 1.3 to 1.55 micrometer range, long-range data transmission would be the primary application of interest. Due to the development of a novel, internationally patented contact structure for ZnSe-based lasers, the net hole concentration was increased by more than one order of magnitude, to 7×10^18 cm^-3. The local diffusion of lithium nitride below the p-contact stripe led to a reduction of a threshold current density by 80%, which in turn lowered the threshold voltage by 30%. Reduced thermal stress, due to a ten times lower specific contact resistance, led to an increase of the device lifetime by a factor 20 to 40. A fivefold increase in lifetime was observed for index-guided II-VI lasers, which were processed using implantation induced disordering (IID). The ion bombardment of the substrate areas adjacent to the p-contact stripe in lateral direction generates a current distribution that lowers the threshold current density by a factor of 3 and the threshold voltage by 25%. Besides an improved electrical performance, the devices show a superior far-field pattern. This is a result of intermixing of the different layers in the implanted section of the semiconductor structure producing a lateral waveguide. For the first time an output power of 1.5 W was achieved under pulsed high power conditions. At these elevated output powers, catastrophic optical mirror damage (COMD) was observed as the dominating degradation mechanism of the laser diodes. For In(Ga)As quantum dot lasers it was shown that implantation of certain parts of the laser cavity is an appropriate method to generate a saturable absorber section for passive mode-locking lasers. For nitrogen ions with energies of 1.8 MeV and implantation fluences of 1×10^11 cm^-2, losses of 264 cm^-1 were measured. Two different techniques were investigated: implantation via the laser facet and implantation through the ridge waveguide surface.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15970
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1920
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1623
Exam Date: 5-Jun-2007
Issue Date: 26-Jun-2007
Date Available: 26-Jun-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiterlaser
II-VI-Halbleiter
III-V-Halbleiter
Ionenimplantation
Lebensdauer
II-VI semiconductor
III-V semiconductor
Ion implantation
Lifetime
Semiconductor laser
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