Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3879
Main Title: Design and fabrication of GaN-based laser diodes for single-mode and narrow-linewidth applications
Translated Title: Design und Herstellung von monomodigen Laserdioden mit schmaler Linienbreite auf der Basis von GaN
Author(s): Redaelli, Luca
Advisor(s): Tränkle, Günther
Referee(s): Tränkle, Günther
Kneissl, Michael
Schwarz, Ulrich T.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte der Physik und Technologie von (In,AlGa)N-Laserdioden mit geringer spektraler Linienbreite betrachtet, die für Anwendungen in der Spektroskopie konzipiert sind. Ein Prozess für die Herstellung schmaler Rippenwellenleiter (RW) auf der Halbleiteroberfläche wurde entwickelt und untersucht. Dabei wurden Rippenbreiten unter 2 μm realisiert, wie sie in Galliumnitrid-basierten Laserdioden typischerweise für eine laterale Monomodigkeit des Laserbetriebs erforderlich sind. Neben Standardtechnologien wurde ein sogenannter "Selbstjustierender" Prozess entwickelt. Ferner wurde die Herstellung ohmscher Kontakte auf der stickstoffpolaren Waferrückseite studiert. Da diese Kontakte erst am Schluss des Fertigungsprozesses abgeschieden werden dürfen, wurde die Kontakttechnologie so konzipiert, dass vorher auf der Wafervorderseite aufgebrachte Strukturen nicht beschädigt werden. Für die Herstellung glatter reflektierender Facetten wurden mehrere Ansätze verfolgt. Zum einen wurde ein Laserritzverfahren untersucht, welches jedoch zu einerWiederablagerung von Galliumoxiden auf der Waferrückseite führte und so die spätere Kontaktierung und Lötung der Bauelemente erschwerte. Zum anderen wurde ein Prozess des automatisierten Diamantritzens und Spaltens entwickelt. Dabei wurden diverse Ritz- und Spaltmethoden betrachtet, die glatte Facetten auch im Falle einer stark gestörten und defektreichen Waferoberfläche ermöglichen sollen. Mithilfe der entwickelten Prozesstechnologie konnten blau-violett emittierende RW-Laserdioden realisiert werden, die in TO-Gehäuse montiert eine Emissionsleistung von über 50 mW im Dauerstrichbetrieb erreichten. Zur Realisierung von Lasern geringer spektraler Linienbreite wurden Laserdioden entwickelt, die in externen Resonatoren mit dispersiven Elementen arbeiten können. Zur Unterdrückung von Fabry-Perot-Moden wurden die Frontfacetten der Laser antireflexionsbeschichtet und die optische Rückkopplung im externen Resonator durch ein Reflexionsgitter in Littman-Metcalf-Anordnung realisiert. Die so aufgebauten Laser konnten über den Wellenlängenbereich 435 nm – 444 nm durchgestimmt werden, wobei eine maximale optische Leistung von über 27mW bei 439 nm demonstriert wurde. Im Hinblick auf eine monolithische Integration eines Gitters in einen Laser in Gestalt eines DFB-Lasers wurde außerdem eine Prozesstechnologie etabliert, mit Hilfe derer V-förmige Oberflächengitter mit einer Periodenlänge von 801 nm und Tastverhältnissen größer als 0,9 realisiert werden können. Als eine Besonderheit von (In,Al,Ga)N-Laserdioden mit schmalen Rippenwellenleitern wurde festgestellt, dass der Schwellenstrom stark von der Rippenätztiefe abhängt. Dieses Phänomen wurde in dieser Arbeit detailliert untersucht, in dem Laserdioden verschiedener Rippenätztiefe hergestellt und charakterisiert wurden. Flach geätzte Laserdioden zeigten Schwellenströme, die um mehr als einen Faktor 2,5 größer als die von vergleichbaren tief geätzten Laserdioden sind. Nebenpeaks in den lateralen Fernfeldern flach geätzter Laserdioden deuteten außerdem darauf hin, dass die laterale Eingrenzung der Mode schwach ist und Index-Gegenführung („index-antiguiding“) für die hohen Schwellen verantwortlich sein könnte. Das Modenverhalten wurde anhand eines vereinfachten Gewinn- und Wellenleitungsmodells simuliert. Die Rechnungen zeigten, dass die ladungsträgerinduzierte Brechzahländerung in den Quantentrögen die laterale Brechungsindexstufe im Falle eines starken Antiguidings und einer flachen Rippenwellenleiterätzung kompensieren kann. Dieser Effekt weitet die Mode lateral auf und erhöht die Laserschwelle. Durch Messung der Änderung der effektiven Modenbrechzahl wurde ein Antiguiding-Faktor von ungefähr 10 experimentell bestimmt, was gut mit den Simulationen übereinstimmt. Schlussendlich konnte der vorgeschlagene Antiguiding-Effekt durch selbst-konsistente elektrooptische Simulationen bestätigt werden. Den Ergebnissen zufolge wird die laterale Verbreiterung der Ladungsträgerverteilung durch das starke Antiguiding gefördert und trägt somit ebenso zur Erhöhung der Laserschwelle bei.
In this work, several aspects concerning (In,Al,Ga)N laser diodes with high spectral purity, designed for applications in spectroscopy, were studied. A fabrication process for the definition of narrow ridges on the wafer surface was investigated. In GaN devices, ridge-waveguide widths below 2 μm are typically needed in order to achieve lateral-single-mode lasing, which is challenging on currently available GaN epitaxial wafers. Besides investigating the standard technologies, a self-aligning approach was proposed. The fabrication of ohmic n-contacts on the nitrogen-polar wafer backside was studied as well. Specific resistances below 1 x 10-3 Ohm cm2 after annealing for one minute at moderate temperatures, i.e. 450 °C or 500 °C, were obtained. Furthermore, several approaches to fabricate smooth mirror facets were investigated. Laser scribing is found to contaminate the device backside because of oxides redeposition, which hinders proper soldering and packaging. In this insight, wafer thinning and machine-assisted diamond scribing and cleaving are better suitable. Alternative cleaving methods were proposed as well, which may help achieving smooth facets when the crystal perfection of the GaN wafers is low and the stress induced by the epitaxial layers is large. Based on these developments of the chip technologies, blue and violet narrow-ridge laser diodes suitable for packaging in TO-case and continuous-wave (CW) operation up to above 50 mW were fabricated. A process for controlling the facet reflectivity through deposition of dielectric mirrors was investigated as well. Applying an antireflective coating on the front facet and providing optical feedback by an external diffraction grating, a Littman-Metcalf external cavity diode laser (ECDL) was realized. This laser could be tuned over the spectral range 435 nm – 444 nm and provided a peak emission power of more than 27 mW CW at 439 nm. As an alternative approach to obtain a narrow spectral linewidth, the feasibility of monolithically integrated Bragg-gratings was studied. Different device designs were discussed, and the most suitable options for the realization of GaN-based DFB laser diodes identified. A technological process was then developed, which allows the fabrication of 10th order Bragg-gratings (Bragg period 801 nm) with standard i-line projection lithography. High duty cycles of more than 0.9 were achieved by etching deep V-shaped grooves. A peculiar property of (In,Al,Ga)N laser diodes is that, when the ridge is narrow, the threshold current strongly depends on the ridge etch depth. This phenomenon was investigated, in this work, by fabricating, characterizing and comparing laser diodes with different etch depths. For ridge widths below 2 μm, the threshold current of shallow-ridge devices was more than two times larger than that of comparable deep-ridge devices. Moreover, in the lateral far-field patterns of shallow-ridge laser diodes side-lobes were observed. This feature supports the hypothesis of strong index-antiguiding effects, which were studied by simulations. The mode behavior was investigated first using a 2D mode solver and a simplified gain model. The results confirmed the plausibility of the hypothesis: if antiguiding is strong and the ridge is shallow, the carrier-induced index change in the quantum wells can compensate the lateral index step. This, in turn, reduces the lateral optical confinement, which increases the threshold current and generates side lobes in the far-field patterns. By measuring the change of the mode effective index by increasing current, an antiguiding factor larger than 10 was experimentally determined, which is compatible with the value assumed in the simulations. Finally, the results were confirmed by self-consistent electro-optical simulations based on a more accurate device model. According to the results, in shallow-ridge devices the lateral diffusion of the charge carriers is enhanced due to antiguiding, and may have a large influence on the threshold current, as well.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-44878
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4176
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3879
Exam Date: 22-Nov-2013
Issue Date: 13-Dec-2013
Date Available: 13-Dec-2013
DDC Class: 530 Physik
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Galliumnitrid
Index-Gegenführung
Laserdiode
Prozesstechnologie
DFB
GaN
Index-antiguiding
Laser diode
Process technology
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