Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1754
Main Title: Investigation of high-power diode lasers by spectroscopic techniques
Translated Title: Spektroskopische Untersuchungen an Hochleistungsdiodenlaser
Author(s): Tran, Tien Quoc
Advisor(s): Tränkle, Günther
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die optische Spektroskopie wird als Hauptwerkzeug zur Untersuchung von Hochleistungsdiodenlaser (HPDL) eingesetzt. Das schließt die Nutzung von Methoden wie der Photostromspektroskopie (PCS), Laserstrahl-induzierter Ströme (LBIC) und Nahfeld- induzierter Ströme (NOBIC) ein. Im experimentellen Teil zeigen wir, wie es gelang die PCS-Technik den Erfordernissen von Messungen an verschiedenen HPLDs anzupassen. Das schloss den Aufbau neuer Messplätze für Messungen an Bauelementen, die definierten externen Verspannungen ausgesetzt waren, Messung von unkonfektionierten Proben, sowie die Kalibrierung der PCS-Methode im Vergleich mit anderen Analysemethoden ein. 1. Mechanische Verspannungen in Halbleiterlasern wurden quantifiziert. Durch Analyse mehrer optischer Übergänge im QW war es sogar möglich, Aussagen zur Symmetrie der Deformation zu machen. Derartige Aussagen sind mit konkurrierenden Methoden, wie der Raman-Spektroskopie meist nicht möglich. Wesentliche neue Ergebnisse beinhalten: · Verspannungsuntersuchungen an HPDL-Stacks. · Die zeitliche Entwicklung von mechanischen Verspannungen während des Betriebes. · Die Beobachtung und Analyse von zusätzlichen Verspannungsbeiträgen, die in der Nähe von geätzten Separationsgräben auftreten. 2. Wir erforschten die thermischen Durchstimmeigenschaften von HPDLs am Arbeitspunkt. · Es wurde eine Temperaturabhängigkeit der Durchstimm-Rate gefunden. Zusätzlich gelang die Separation desjenigen Beitrages, der seine eigentliche Ursache im Abbau von uniaxialem, durch Konfektionierung eingebrachtem Druck, bei erhöhten Temperaturen hat. · Der Vergleich der Durchstimmeigenschaften von Standard- und ausdehnungs-angepassten (Cu und Cu-W) Wärmesenken zeigt eine substanzielle Verbesserung der Homogenität der thermischen Durchstimmeigenschaften beim Einsatz letzterer. 3. Mikroskopische Defekte spielen eine wichtige Rolle im Verständnis der Alterungsprozesse, die an HPDLs beobachtet werden. · Die Dynamik von Defektsignaturen während des Bauelementebetriebes deutet insbesondere bei solchen Bauelementen auf eine Konzentrationszunahme hin, in denen auch vor der Alterung Defekte nachweisbar waren. · Wir führten die ersten photoelektrischen Analysen an rot emittierenden Bauelementen aus. 4. Wir diskutieren die Wechselwirkung von Verspannungen und Defekten in HPDLs. Bei Erhöhung der Konzentration von Defektzentren in Einzelemittern wurde eine Zunahme kompressiver Verspannungen beobachtet. Zentren mit Niveaulagen in der Mitte der Bandlücke, flache Zentren und Zustände im Zustandsdichteschwanz zeigen völlig unterschiedliche funktionale Zusammenhänge zwischen ihrer Konzentration und der beobachteten mechanischen Deformation des Kristallgitters in ihrer Umgebung. Es gibt eine starke Korrelation zwischen dem Auftreten flacher Zentren und einer Gitterdeformation, während Zentren mit Niveaulagen nahe der Mitte der Bandlücke offenbar keinen nachweisbaren Einfluss auf die Gitterdeformation haben. Diese neue Art der Analyse sollte hilfreich dabei sein, Schwachstellen in Bauelementekonstruktionen aufzuspüren. Wir gehen davon aus, dass unsere experimentellen Ansätze auch auf die Analyse anderer optoelektronischer Bauelemente übertragbar sind.
The subject of the thesis focus on key issues of high-power diode lasers (HPDL) that are related to device reliability and fabrication processes: strain, thermal tuning properties, defects, and the interplay between strain and defects. These issues were investigated by spatially and spectrally resolved photoelectrical techniques (photocurrent spectroscopy - PCS, laser beam induced current - LBIC and near-field optical beam induced current - NOBIC). In the experimental part, we developed the PCS technique to fulfill all requirements of the measurements at HPDLs. The construction of new setups allows for measuring the devices that experience defined external stress, analysis of unpackaged samples as well as the cross-calibration and comparison between PCS and other optical techniques. 1. The mechanical strain had been quantified. By analyzing the whole sequence of QW optical transitions, we analyze - up to a certain degree - even strain symmetry, which is frequently not accessible by competing methods such as Raman-spectroscopy. The major novel results include: · strain investigation of HPDL stack. · evolutions of mechanical strain during operation. · the observation and analysis of additional strain contributions in the immediate vicinity of grooves separating emitters in HPDL arrays. 2. A study on thermal tuning properties of HPDL arrays in operation is presented: · the temperature dependences of the thermal tuning rate were presented and the contribution to the tuning rate of compressive packaging-induced strain (pressure-related tuning) was separated. · the comparison of the tuning properties of both standard and expansion-matched heat sinks (Cu and Cu-W) indicate an improvement of the tuning characteristics for expansion-matched heat sinks. 3. The microscopic defects play an important role in the understanding of aging processes and were observed in HPDLs. · the dynamic of defect signature during device operation shows a clear enhancement of defect concentration of the devices containing “initial” defects before aging. · for the first time, photoelectric analyses were applied for defect investigation of red-emitting lasers. 4. The interplay between defects and strain in HPDL arrays had been addressed. An enhancement of the concentration of defect levels in single-emitters is accompanied by compressive stress. The effects caused by midgap levels, shallow defects, and band tail states had been distinguished, the latter two of which are assigned to physically different defects, exhibit distinctively different strain-defect relationships. The analysis shows a strong correlation between defect concentration and strain for shallow defect levels and no correlation to midgap defect levels. This novel type of analysis provides knowledge about defect creation scenarios. The approach applied for studying HPDLs in this thesis can be extended to other semiconductor optoelectronic devices.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17375
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2051
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1754
Exam Date: 26-Nov-2007
Issue Date: 15-Jan-2008
Date Available: 15-Jan-2008
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Defekt
Hochleistungsdiodenlaser
Photostrom
Verspannung
Defect
Diode laser
High-power
Photocurrent
Strain
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