Untersuchung von Degradationsmechanismen an (Al/In)GaN-basierenden Laserdioden (PDF)

Das vorliegende Buch beschäftigt sich mit der Analyse verschiedener Degradationsmechanismen von blau-violetten III-V-Halbleiterlaserdioden. Diese kantenemittierenden Laserdioden werden mittels MOVPE aus Aluminium, Indium, Gallium und Stickstoff (AlInGaN) von der OSRAM Opto Semiconductors GmbH aus Regensburg hergestellt.
In dieser Dissertation werden (Al/In)GaN-basierende Laserdioden bei einer Wellenlänge um 405 nm vorgestellt. Als Bestwerte werden z.B. ein Schwelle von 30 mA, eine Steilheit von 1,5 W/A, eine maximale Ausgangsleistung von 3,4 W aus einer Facette bei einer Pulslänge von 200 ns, was einem COD von 71 MW/cm2 entspricht, sowie eine Lebensdauer von über 1300 h bei einer optischen Ausgangsleistung von 10 mW erreicht.

Im ersten Teil der Arbeit wird näher auf das Materialsystem der Gruppe III-Nitride eingegangen, wobei ein Schwerpunkt auf die Wahl eines geeigneten Substrates und die daraus resultierende Dichte von Linienversetzungen in den epitaktischen Schichten gelegt wird.
Es folgt eine kurze Beschreibung von vertikalem Schichtaufbau, lateraler Strukturierung und der Montage der Laserdioden. Um die gemessenen Licht-Strom-Kennlinien der Laserdioden besser deuten zu können, werden die grundlegenden Formeln kantenemittierender Halbleiterlaser hergeleitet sowie die benötigten physikalischen Größen für das GaN-System angegeben. Des Weiteren wird das Ersatzschaltbild eines verlustbehafteten pn-Übergangs vorgestellt, mit dessen Hilfe reale Kleinstromkennlinien modelliert werden können.

Der zweite Teil dieses Buches stellt einige Messmethoden und die entsprechenden Messplätze zur Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer von Laserdioden vor.

Im dritten Teil der Dissertation werden die Messungen, Analysen und Ergebnisse in drei Kapiteln vorgestellt.
Anhand von Kleinstromkennlinien, bei denen der Strom über der Spannung auch unterhalb der Bandlücke gemessen wird, können z.B. elektrische Defekte der Laserdioden erkannt und analysiert werden. Durch die Untersuchung von Kleinstromkennlinien während der Alterung von Laserdioden auf SiC- und GaN-Substrat kann auf die Bildung von nichtstrahlenden Rekombinationszentren (NRZ) geschlossen werden.

Sehr ausführlich wird das Phänomen der korrelierten Spannungs- und Lichtalterung analysiert. Bei diesem Alterungsmechanismus steigt die Betriebsspannung, während gleichzeitig die optische Ausgangsleistung der Laserdiode abnimmt. Als Ursache hierfür konnte ein partiell degradierender p-Kontakt, der zu einer inhomogenen Strominjektion führt und so die Laserschwelle erhöht, ermittelt werden.

Durch Designvarianten wird versucht, die Epitaxiealterung zu verbessern. Die Analyse wird aber erschwert durch die Ausbildung von höheren optischen Moden und Filamenten in den Laserdioden, die Kinks in den Licht-Strom-Kennlinien verursachen, was ebenfalls einen starken Einfluss auf den Alterungsverlauf hat.