Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7512
Main Title: Optical gain and modal loss in AlGaN based deep UV lasers
Translated Title: Optischer Gewinn und modale Verluste in AlGaN-basierten UVC Laserdioden
Author(s): Martens, Martin Georg Rudolf
Advisor(s): Kneissl, Michael
Referee(s): Lehmann, Michael
Kneissl, Michael
Russell, D. Dupuis
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Because of its direct bandgap covering the ultraviolet (UV) spectral region from 360 nm to 200 nm, the AlGaN material system is a promising candidate for the realization of deep UV laser diodes emitting below 300 nm, being an alternative for bulky and energy consuming excimer or frequency multiplied lasers. Possible applications cover e.g. medical detection, gas sensing, material processing, and water purification. However, no AlGaN based laser diode emitting below 336 nm could have been demonstrated so far. Critical aspects about the fabrication of deep UV laser diodes include material quality, optical confinement, carrier confinement, and hole injection. In this work, each of the aforementioned aspects is analyzed individually in order to systematically improve laser performance and identify limiting factors. By investigating optically pumped laser heterostructures, the optical gain characteristics can be separated from electrical issues. The influence of the defect density of the epitaxial layers on laser threshold and optical gain is investigated by studying multiple quantum wells (MQWs) grown on different substrates. Lasing was observed with comparable laser threshold densities for MQWs grown on bulk AlN and epitaxially laterally overgrown (ELO) AlN/sapphire substrate with threading dislocation densities (TDD) in the range of 10^(4) cm^(-2) and 5x10^(8) cm^(-2), respectively. Lasers grown on planar AlN/sapphire substrates with TDD of 10^(10) cm^(-2), on the other hand, do not reach laser threshold even for high pumping up to 50 MW/cm^/(2), indicating that a critical value for non radiative recombination rates is reached. This observation is supported by temperature dependant PL measurements, showing that MQWs on bulk AlN and ELO AlN/sapphire substrates have comparable internal quantum efficiencies (IQEs) in the range of 20 % while the IQE of MQWs on planar AlN/sapphire substrates is about one order of magnitude lower. Additionally, it is found that scattering processes at macrosteps resulting from ELO process leads to an increase of the internal losses of 25 cm^(-1) and increased laser threshold. For AlGaN MQW laser heterostructures on optimized ELO AlN/sapphire substrates, laser threshold power densities of below 1 MW/cm^(2) for emission wavelength at around 270 nm is obtained. By studying MQWs with different design, i.e. QW number, thickness, and composition, the influence of the optical as well as carrier confinement and carrier distribution on the optical gain and losses is investigated. The results suggest that best performance can be obtained for lasers with active regions consisting of a QW number in the range of three in matter of low laser thresholds, reduced modal losses, and high differential gain. For optically pumped lasers, an active region consisting of a threefold MQW with QW thicknesses of more than 4 nm seems to be preferable in order to achieve low threshold power densities as they combine low optical losses, high confine-ment factor, and comparably homogeneous carrier distribution among the single QWs within the MQW. In order to achieve current injection deep UV lasing from AlGaN based MQWs high Al content p-side cladding layers are required. However, due to the high ionization energies of Mg acceptors in high Al content AlGaN, conductivity of those layers is limited resulting in low hole densities and high operation voltages. The use of AlGaN short period super lattices has proven to efficiently lower the effective ionization energy. With an optimized SPSL deep UV AlGaN MQW separate confinement heterostructures with high optical confinement of 4.6 % was designed withstanding current densities of almost 5 kA/cm^(2) in pulsed operation. However, carrier density is still too low to achieve lasing. One limiting factor inhibiting laser operation is high modal losses in Mg-doped regions. In order to design efficient laser diode heterostructures combining low optical losses and high injection efficiencies, the Mg-induced absorption is quantified by comparing the optical losses in optically pumped AlGaN laser heterostructures with different depth of Mg-doping in the upper waveguide layer. As a result, the Mg-induced absorption in AlGaN based deep UV lasers can be quantified by 50 cm^(-1) x (Gamma)Mg with (Gamma)Mg being the mode overlap with the Mg-doped layers. This for the first time allows conducting reliable device simulations in order to optimize the laser heterostructure design and give an approximation for the expected laser threshold current density.
Das AlGaN Materialsystem ist aufgrund seiner direkten Bandlückenergie, die den ultravioletten (UV) Spektralbereich von 360 nm bis 200 nm abdeckt, ein vielversprechender Kandidat für die Realisierung von UVC Laserdioden mit Emissionswellenlängen unterhalb von 300 nm. Diese können eine kleine, kostengünstige und energiesparsame Alternative zu derzeit für diesen Spektralbereich genutzte Laserquellen wie Exzimer oder frequenzvervielfachte Halbleiterlaser darstellen. Mögliche Anwendungen umfassen beispielsweise Gasdetektion, medizinische Anwendungen, Materialprozessierung und Wasseraufbereitung. Bisher konnten jedoch keine AlGaN-basierten Laserdioden mit Emissionswellenlängen unter 336 nm realisiert werden. Zu den kritischen Aspekten bei der Herstellung von UVC Laserdioden zählen die Materialqualität, das optische Confinement, das Ladungsträgerconfinement und die Löcherinjektion in die aktive Zone. In dieser Arbeit wird jeder dieser Themenbereiche analysiert, um die Lasereigenschaften systematisch zu verbessern und limitierende Faktoren zu identifizieren. Die Untersuchung optisch gepumpter Laserheterostrukturen ermöglicht dabei eine separate Betrachtung der optischen Eigenschaften unabhängig von elektrischen Eigenschaften. Der Einfluss der Defektdichte in den epitaktisch hergestellten Halbleiterschichten auf die Laserschwelle und den optischen Gewinn wird anhand von Mehrfachquantentopfstrukturen (engl. multiple quantum wells, MQWs) untersucht. MQWs, die auf monokristallinen AlN- und auf epitaktisch lateral überwachsenen (engl. epitaxially laterally overgrown, ELO) AlN/Saphir-Substraten mit Versetzungsdichten (threading dislocation densities, TDD) im Bereich von 10^(4) cm^(-2) beziehungsweise 5x10^(8) cm^(-2) hergestellt wurden, zeigen vergleichbare Schwelleistungsdichten. Auf planaren AlN/Saphir-Substraten gewachsene Laser mit TDDs im Bereich 10^(10) cm^(-2) dagegen erreichen selbst bei hohen Anregungsleistungsdichten von bis zu 50 MW/cm^(2) nicht die Laserschwelle, was auf das Erreichen eines kritischen Werts für nichtstrahlende Rekombinationsraten hinweist. Diese Beobachtung wird durch temperaturabhängige Photolumineszenzmessungen bestätigt, in denen für MQWs auf AlN- und ELO AlN/Saphir-Substraten eine vergleichbare interne Quantenausbeute (engl. internal quantum efficiencies, IQE) im Bereich von 20 % ermittelt wurde, während die IQE von MQWs auf planaren AlN/Saphir-Substraten etwa eine Größenordnung geringer ist. Desweiteren wird gezeigt, dass Streuprozesse an Makrostufen, die sich während des ELO-Prozesses bilden, die internen Verluste um bis zu 25 cm^(-1) erhöhen können und in der Folge zu einer erhöhten Laserschwelle führen. Mit AlGaN MQW Laserheterostrukturen auf optimierten ELO AlN/Saphir-Substraten werden Laserschwelldichten von unter 1 MW/cm^(2) bei Emissionswellenlängen von etwa 270 nm erreicht. Der Einfluss des optischen wie auch des Ladungsträgerconfinements auf den optischen Gewinn und die Verluste wird anhand von MQWs mit verschiedenem Design, d.h. QW-Anzahl, -Dicke und Materialzusammensetzung, untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die beste Laserperformance in Bezug auf niedrige Laserschwelle, reduzierte modale Verluste und hohem differentiellen Gewinn mit einer QW-Anzahl im Bereich von drei in der aktiven Zone erzielt werden kann. In Hinblick auf geringe Laserschwelldichten optisch gepumpter Laser scheint eine aktive Zone mit einem Dreifachquantentopf und QW-Dicken von mehr als 4 nm vorteilhaft zu sein, da sie geringe optische Verluste, einen hohen Confinementfaktor und vergleichsweise homogene Ladungsträgerverteilung zwischen den einzelnen QWs innerhalb der MQW-Struktur vereinen. Für Injektionslaserdioden für den UVC Bereich auf Basis von AlGaN MQWs werden in den Laserheterostrukturen p-seitige Mantelschichten mit hoher Aluminiumkonzentration benötigt. Die Leitfähigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund der hohen Ionisierungsenergien von Mg-Akzeptoren in AlGaN mit hohen Aluminiumkonzentrationen begrenzt, was zu geringen Löcherdichten und hohen Betriebsspannungen führt. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von kurzperiodigen AlGaN Übergittern (engl. short period super lattices, SPSL) die effektive Ionisationsenergie wirksam reduziert. Mit einem optimierten SPSL wurden UVC AlGaN MQW Heterostrukturen mit getrenntem optischen und elektrischem Confinement (sog. „separate confinement heterostructures”) mit hohem optischem Confinement von 4,6 % entworfen, die Stromdichten von fast 5 kA/cm^(2) in gepulstem Betrieb standhalten. Die damit verbundene Ladungsträgerdichte ist jedoch noch immer zu gering, um Laseremission zu erreichen. Ein entscheidender die Laserfunktion unterdrückender Faktor sind die hohen modalen Verluste in Mg-dotierten Schichten. Um effiziente Laserdiodenheterostrukturen zu entwerfen, die geringe optische Verluste mit hohen Injektionseffizienzen verbinden, wird die Mg-induzierte Absorption quantifiziert, indem die optischen Verluste in optisch gepumpten AlGaN Laserheterostrukturen mit verschiedenen Mg-Dotierung in der oberen Wellenleiterschicht verglichen werden. Im Ergebnis kann die Mg-induzierte Absorption in AlGaN-basierten UVC Lasern auf 50 cm^(-1) x (Gamma)Mg quantifiziert werden, wobei (Gamma)Mg den Modenüberlapp mit den Mg-dotierten Schichten darstellt. Dies ermöglicht zum ersten Mal eine Durchführung verlässlicher Bauelementsimulationen zur Optimierung des Laserheterostrukturdesigns und Abschätzung der zu erwartenden Laserschwellstromdichten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8363
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7512
Exam Date: 2-Mar-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 17-Oct-2018
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): AlGaN
loss
gain
MOVPE
UV
laser diode
Verluste
Gewinn
Laserdiode
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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