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Warum degradieren Halbleiterlaser?

05.11.1999 - (idw) Forschungsverbund Berlin e.V.

Zu oft und zu früh sterben Halbleiterlaser den Hitzetod.Am Berliner Max-Born-Institut (MBI) werden die Ursachen untersucht. Eine Erkenntnis lautet: Man muß die Aufbautechnologie optimieren.

Halbleiterlaser sind Alleskönner, auf einer Vielzahl von Technologiefeldern. Aufgebaut aus einzelnen Atomlagen, soll der Schichtverbund auch unter Extrembedingungen Lebensdauern von zehn- bis hunderttausend Stunden aufweisen. Davon ist man noch weit entfernt. Zum Crash des Bauelements kommt es entschieden früher. Der Hersteller steht oft vor einem Rätsel: Was stimmte nicht?

Forscher aus dem Max-Born-Institut (MBI) kamen Degradationsmechanismen von Hochleistungshalbleiterlasern auf die Schliche. Mit der Photostrom-Spektroskopie konnten sie die gefürchteten Verspannungen im Halbleiterlaser nicht nur lokalisieren und ihre Entstehung interpretieren. Sie können den Hersteller nunmehr auch bei der Optimierung seiner Aufbautechnologie beraten.

Seit 1962 über den ersten Galliumarsenid (GaAs)-Halbleiterlaser berichtet wurde, hat eine stürmische Entwicklung von Laserdioden eingesetzt, die aus Technik und Wirtschaft heute nicht mehr wegzudenken sind. Optische Nachrichtenübertragung und CD-Spieler sind ihre bekanntesten Anwendungsfelder. In dem Bauelement verbinden sich hohe Effizienz, schmale spektrale Linienbreite und gute Modulierbarkeit mit weiteren Vorzügen wie Kompaktheit, Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer.

Verfeinerte Strukturen erschließen dem Halbleiterlaser neue Anwendungsbereiche, wie optische Speicherung, Medizin und Materialbearbeitung. Zugleich steigen die Anforderungen an Hochleistungsdiodenlaser, denen eine Schlüsselstellung als Bauelement in kompakten Festkörperlasern zukommt, man denke an Pumpquellen für Laser in der Materialbearbeitung oder für kompakte Femtosekunden-Laser (1 fs = 10-15 s).

Langlebigkeit erwünscht
Sorge bereitet im praktischen Betrieb der kleinen Lichtquellen nach wie vor der hohe Leistungsverlust. Zwar wurden aus einem monolithischen Laserbarren schon mehr als 200 Watt optische Ausgangsleistung im kontinuierlichen Betrieb demonstriert. Doch rund die Hälfte der elektrischen Leistung geht verloren, weil die Diode sich aufheizt, was ihre Lebensdauer drastisch verkürzt.
Im Berliner Max-Born-Institut (Bereich C, Prof. T. Elsässer) laufen erfolgreiche Untersuchungen, um herauszufinden, wie sich Laserdioden unter Extrembedingungen verhalten und was physikalisch passiert, wenn sie ihren Dienst quittieren. Fernziel der Physiker wären Leistungen, die dem physikalisch Möglichen nahe kämen. "In der Praxis", erläutert Professor Thomas Elsässer die Situation, "erlebt man viel Überraschendes zwischen Lebensdauern von schwachen 500 bis zu immerhin 6 000 Stunden." Der Direktor des Max-Born-Instituts, der die Arbeiten leitet, will sich mit dieser Art Glücksspiel nicht abfinden. Dass es für zuverlässige Vorhersagen bislang keine Analyseverfahren gibt, empfindet er als Lücke, die es zu schließen gilt.

Verspannungen beherrschen
Deshalb hat das MBI-Team (Dr. J. W. Tomm, Dr. R. Müller, Dr. C. Lienau, Dr. A. Bärwolff) Laserdioden im "Grenzregime" getestet und interessante Ergebnisse erhalten. So wurden am Lichtaustrittsfenster des Lasers, der sogenannten Facette, extreme Hitzestaus bis zu 500 C nachgewiesen. Die "Dünne" der Schicht und das kleine Volumen (laterale örtliche Auflösung 1µm; Tiefenauflösung 0.1µm) führen zu einem Hitzestreß, der das gesamte Bauelement in Mitleidenschaft zieht. Dabei verspannt sich das aus verschienden Schichten aufgebaute Material, die optischen Eigenschaften verändern sich negativ (Emissionswellenlänge der Laserdiode), im Kristallgitter entstehen Störstellen, welche wiederum Laserlicht absorbieren, was neue Störstellen und weitere Erwärmung verursacht. In diesem Teufelskreis stirbt schließlich das Bauelement den Hitzetod.

Daß man aus der Not eine Tugend machen und über Verspannungen auch erwünschte Laserparameter (Schwellenstrom, Emissionswellenlänge, Modulationsfrequenz) beeinflussen kann, löst das Problem nicht. Vielmehr geht es darum, die "aufbaubedingten" Verspannungen von vornherein möglichst gering zu halten. Denn gerade für leistungsfähige Laserdioden-Pumpmodule sind spannungsarme Schichtaufbauten ein wichtiges technologisches Ziel. Die im Max-Born-Institut eingesetzte Photostrom-Spektroskopie liefert zur Optimierung der Aufbautechnologie einen wichtigen Beitrag, kann sie doch die (durch Auflöten auf die Wärmesenke) in den Laser eingebrachte Verspannung sehr genau messen. Zugleich ist die Methode geeignet, beim Betrieb des Bauelements dessen "Verspannungsbiografie" zu verfolgen. Sie zeigt an, wie ein Wachsen oder Abnehmen der Verspannung mit dem Defektverhalten korreliert.

Durch Kombination mit der optischen Nahfeldmikroskopie haben die MBI-Physiker der konventionellen Technik eine neue Dimension erschlossen, mit der sie lokalen Änderungen im Submikrometer-Bereich auf die Spur kommen konnten.

Das MBI Wissenschaftler-Team ist mit seinen Arbeiten auch in den BMBF-Verbund NOVALAS eingebunden und gehört dem Kompetenzzentrum NanOp an, wo es zu verwandten Fragestellungen eine wissenschaftliche Zusammenarbeit mit weiteren Institutionen gibt.

Ansprechpartner im MBI: Prof. Dr. Thomas Elsässer, Tel. 030/6392 1401; e-mail elsaesser@mbi-berlin.de

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