Verlustmechanismen und Degradation von blauen (Al,In)GaN Laserdioden

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist es, das Degradationsverhalten, sowie Verlustmechanismen von Laserdioden auf SiC- oder GaN-Substrat zu klassifizieren und somit die Lebensdauer der Laserdioden zu erhöhen. Dazu möchte ich zuerst die verwendeten Materialsysteme vorstellen und auf einzelne Probleme beim Wachstum der Schichten eingehen. Danach gehe ich auf die Funktionsweise der GaN-Laserdioden ein und stelle ...

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist es, das Degradationsverhalten, sowie Verlustmechanismen von Laserdioden auf SiC- oder GaN-Substrat zu klassifizieren und somit die Lebensdauer der Laserdioden zu erhöhen.
Dazu möchte ich zuerst die verwendeten Materialsysteme vorstellen und auf einzelne Probleme beim Wachstum der Schichten eingehen. Danach gehe ich auf
die Funktionsweise der GaN-Laserdioden ein und stelle den Zusammenhang zwischen optischen und elektrischen Eigenschaften der Laserdioden her. Im
Anschluss zeige ich den konkreten Aufbau der Laserdioden, die uns von OSRAM Opto Semiconductors zur Verfügung gestellt wurden, und gehe auf die
Unterschiede in den verschiedenen Prozessierungs- und Montierungsarten ein. Ausgehend von diesem Schichtaufbau der GaN-Laserdioden stelle ich eine
Möglichkeit der Simulation der optischen Mode vor, mit der sich bereits vorab Verlustmechanismen, wie z. B. parasitäre Wellenleitermoden, identifizieren lassen.
Im experimentellen Teil dieser Arbeit zeige ich zuerst die Möglichkeiten, die sich mit Messungen nach der Hakki-Paoli-Methode realisieren lassen.
Weiter gehe ich dann auf die Messung der internen Verluste ein und zeige, wie man mit dem Hakki-Paoli-Aufbau die Besonderheiten in der
Strom-optische Leistung-Kennlinie einiger Laserdioden nachweisen und diese Modensprünge klassifizieren kann. Es zeigt sich, dass diese Unregelmäßigkeiten longitudinale Modensprünge sind, und durch temperaturinduzierte Brechungsindexänderungen verursacht werden.
Der größte Teil dieser Arbeit befasst sich mit Alterungsexperimenten der GaN-Laserdioden, wobei ich besonders auf Zusammenhänge mit bekannten
Problemen aus GaAs-Laserdiodensystemen eingehe. Ein ebenfalls großer Teil der Alterungsexperimente befasst sich mit dem Degradationsverhalten
unbeschichteter Laserdioden auf SiC-Substrat in unterschiedlichen Atmosphären, die aufgrund der unbehandelten Facetten eine wichtige Rolle für
kommende Laserdioden auf GaN-Substrat spielen. Man kann in wasserdampfhaltigen Atmosphären eine schnelle Degradation beobachten. Die beschleunigte Degradation wird durch das Aufwachsen einer Oxidschicht auf der Facette verursacht, die zu erhöhter Absorption führt. Dieser selbstbeschleunigende Prozess kann durch ein theoretisches Modell beschrieben werden, das die Entwicklung der Laserschwelle und der internen Quanteneffizienz vorhersagen kann. Es wird ebenfalls auf die schnelle Degradation in reinem Stickstoff eingegangen, bei der ebenfalls auf der Facette ein Belag gebildet wird. Dieser belag ist aber im Gegensatz zur Alterung in Atmosphären mit Wasserdampf kein permanenter Schaden, sondern lässt sich durch Betrieb bei hohen optischen Ausgangsleistungen oder bei Betrieb in sauerstoffhaltigen Atmosphären wieder entfernen.

Translation of the abstract (English)

Goal of this work is to classify the degradation and loss mechanisms of blue laserdiodes on GaN and SiC substrates. First I introduce a method to calculate the nearfield of the optical mode with the Transfer-matrix-method. With this method it is possible to improve the epitactical structure of the laserdiode and suppress loss modes in the substrate. Further I explain the advantages of ...

Translation of the abstract (English)

Goal of this work is to classify the degradation and loss mechanisms of blue laserdiodes on GaN and SiC substrates.
First I introduce a method to calculate the nearfield of the optical mode with the Transfer-matrix-method. With this method it is possible to improve the epitactical structure of the laserdiode and suppress loss modes in the substrate.
Further I explain the advantages of measurements with the Hakki-Paoli-Method and compare the results of the theoretical simulations with the experimental results. With this Hakki-Paoli-Method it is also possible to measure kinks in the I-P-chraracteristics. I have shown, that these kinks are related to temperature induced index changes and lead to longitudinal mode jumps.
The main part of this work deals with the degradation behaviour of laserdiodes based on SiC- and GaN-substrates. First principal degradation behaviours in cw- and pulsed mode are shown. Then the degradation of uncoated laser diodes in different atmospheres is observed. One can see, that a fast degradation occurs in atmospheres with water vapour. This mechanism can be described theoretically and the development of the threshold current and the internal quantum efficiency can be calculated. This fast degradation is related to the buildup of a oxid layer on the facet, which leads to higher absorption and to a self-enhanced degradation. Similar to the degradation in atmospheres with water vapour, the degradation of uncoated laserdiodes in nitrogen shows also the buildup of a layer on the facet. Unlike the oxide layer this layer can be removed with high optical intensities or the operation in atmospheres with oxygen.

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