title: Analyses of AlGaInN based laser diodes within the visible spectral range
title: Untersuchungen an AlGaInN-basierten Laserdioden im sichtbaren Spektralbereich
Creators: name: Hager, Thomas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Laser
Ladungsträgertransport
Elektronischer Transport
carrier transport
InGaN
Nitride
Physik

description: Ziel dieser Arbeit war die
      physikalischen Ursachen des unterschiedlichen Verhaltens
      grüner Laserdioden im Vergleich zu blauen Bauelementen zu
      identifizieren. Aus diesem Grund wurden zunächst die
      elektro-optischen Eigenschaften von blauen und grünen
      InGaN-basierten Laserdioden mit Hilfe gepulster
      L-I-Kennlinien analysiert und miteinander verglichen. Dabei
      zeigte sich, dass der grüne Laser Abweichungen von dem
      idealen Verhalten eines Halbleiterlasers aufweist. Während
      weder die internen Verluste noch die Injektionseffizienz
      (ηinj) beider Lasertypen eine explizite
      Temperaturabhängigkeit im Bereich von 10-90°C aufweisen,
      zeigt sich im Bezug auf die Stromabhängigkeit der
      Injektionseffizienz ein unterschiedliches Verhalten. Bei
      blauen InGaN-Laserdioden kann die Injektionseffizienz als
      konstant angesehen werden, wohingegen ηinj bei grünen
      Bauteilen eine stromabhängige Abnahme aufweist. Diese konnte
      mit einem unzureichenden Einfang der Ladungsträger in die
      Quantenfilme korreliert werden. Anschließend wurde mit Hilfe
      von Teststrukturen untersucht, ob die Reduktion der
      Injektionseffizienz durch ein Überschießen von Elektronen
      oder Löchern verursacht wird. Durch die Variation des
      Aluminiumgehaltes in der Elektronenbarriere (EBL) wurde der
      unzureichende Einfang von Elektronen in die Quantenfilme
      nachgewiesen. Obwohl die Qualität der EBL einen drastischen
      Einfluss auf die Absolutwerte der Injektionseffizienz hat,
      zeigte sich jedoch keine Auswirkung auf die relative Abnahme
      von ηinj als Funktion des Stroms. Stattdessen konnte durch
      eine Teststruktur mit n-seitiger InGaN-Detektionsschicht ein
      stromabhängiges Überschießen von Löchern nachgewiesen werden.
      Um den Einfluss der stromabhängigen Injektionseffizienz auf
      die Laserschwelle, insbesondere den temperaturabhängigen
      Anstieg, zu analysieren, wurden die entsprechenden
      Einflussgrößen im weiteren Verlauf der Arbeit experimentell
      quantifiziert und es wurde ein empirisches Modell für die
      Laserschwelle hergeleitet. Die optische Verstärkung wurde für
      unterschiedliche Temperaturen und Betriebsströme mit Hilfe
      von Hakki-Paoli-Messungen untersucht. Für die Herleitung
      einer Schwellbedingung ist jedoch die Verstärkung als
      Funktion der Ladungsträgerdichte notwendig. Die für die
      Umrechnung des Stroms in Ladungsträgerdichte erforderlichen
      Rekombinationsparameter wurden für Temperaturen von 25 bis
      80°C bestimmt. Die experimentellen Daten der
      Hakki-Paoli-Messungen wurden genutzt, um die physikalischen
      Parameter eines linearen Gewinnmodells zu bestimmen,
      insbesondere die Temperaturabhängigkeit der
      Transparenzladungsträgerdichte und des differentiellen
      Gewinns. Auf der Grundlage dieses Parametersatzes wurden dann
      die Einflussgrößen des temperaturabhängigen Schwellanstiegs
      anhand der Schwellbedingung, basierend auf dem linearen
      Gewinnmodell, hergeleitet. Somit konnte die
      Ladungsträgerlebensdauer, welche in dem betreffenden
      Operationsregime maßgeblich durch Auger-Verluste dominiert
      ist, als Hauptursache für den temperaturabhängigen
      Schwellstromanstieg identifiziert werden. Um die
      Langzeitstabilität der Injektionseffizienz zu untersuchen,
      wurden zunächst die Beschleunigungsfaktoren der Degradation
      grüner Laserdioden untersucht. Es zeigte sich, dass die
      Alterung der Bauteile elektro-thermisch aktiviert ist und
      sich damit vergleichbar zu dem Degradationsmechanismus von
      Blu-Ray Lasern verhält. Durch die Alterung einer grünen
      Laserdiode im Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen
      Betriebszuständen, bei denen die Temperatur der aktiven Zone
      konstant gehalten wurde, konnte der Strom als dominierender
      Einflussfaktor identifiziert werden. Während des elektrischen
      Betriebs zeigt die Schwelle einen wurzelförmigen Anstieg,
      welcher bereits von blauen Laserdioden bekannt ist. Die
      Steilheit und damit auch die Injektionseffizienz oberhalb der
      Schwelle nehmen jedoch während der Degradation nicht ab. Auch
      die optische Verstärkung, welche durch Hakki-Paoli-Messungen
      vor bzw. nach Degradation charakterisiert wurde, bleibt
      unverändert. Allerdings konnte nachgewiesen werden, dass die
      Ladungsträgerdichte in den Quantenfilmen während des Betriebs
      abnimmt. Basierend auf den im Rahmen dieser Arbeit bestimmten
      Rekombinationsparametern konnte abgeschätzt werden, dass sich
      die Rate der defekt-assistierten Rekombinationsprozesse in
      den Quantenfilmen verdreifachen müsste, um die experimentell
      beobachtete Zunahme der Schwelle um 20% zu erklären. Dies ist
      unwahrscheinlich und konnte durch einen Vergleich des
      experimentell bestimmten EL-Verhaltens einer grünen
      Laserdiode unterhalb der Schwelle vor bzw. nach der Alterung
      mit berechneten Kennlinien als Ursache ausgeschlossen werden.
      In den Untersuchungen des Ladungsträgertransportes wurde
      gezeigt, dass auch außerhalb der Quantenfilme eine nicht zu
      vernachlässigende Ladungsträgerdichte existiert. Die
      Degradation muss somit nicht auf die Quantenfilme beschränkt
      sein.
description: The intention of this work was to
      identify the physical reasons for the different behavior of
      green laser diodes compared to blue devices. Therefore the
      electro-optical properties of blue and green InGaN-based
      laser diodes were analyzed, based on a comparison of pulsed
      L-I-characteristics. In doing so, a deviation of the behavior
      of a perfect semiconductor laser diode was observed for the
      green laser. Although no explicit temperature dependence of
      the internal losses and the injection efficiency (ηinj) was
      observed in the range of 10-90°C, a variation, concerning the
      current dependence of the injection efficiency, was revealed.
      The injection efficiency of blue laser diodes can be taken as
      constant whereas ηinj decreases as a function of current for
      the green device. This reduction was correlated with an
      insufficient capture of carriers into the quantum wells. In
      the following the question whether the decreasing injection
      efficiency was caused by overflow of electrons or holes was
      examined by the use of test structures. By varying the
      aluminum content of the electron blocking layer (EBL) the
      insufficient capture of electrons by the green quantum wells
      was proven. Although the quality of the EBL has an enormous
      influence on the absolute values of the injection efficiency,
      there was no impact on the relative decrease of ηinj as a
      function of current. Instead of that a current dependent
      overshoot of holes was observed by the use of test structures
      with InGaN-detection layers on the n-side. To analyze the
      influence of the current dependent injection efficiency on
      laser threshold, especially with regard to temperature
      dependent increase, the key parameters were quantified in the
      course of this work. These values were combined with an
      empirical model for laser threshold. The optical gain was
      analyzed by Hakki-Paoli-measurements for varying case
      temperatures and operation currents. However, for the
      derivation of laser threshold condition the optical gain is
      required as a function of carrier density. The recombination
      coefficients that are necessary for the translation of
      current to carrier density were determined for case
      temperatures from 25 to 80°C. The experimental data of the
      Hakki-Paoli-analysis was used to determine the physical
      parameters of a linear gain model especially with regard to
      temperature dependence of transparency carrier density and
      differential gain. Based on this set of parameters, the
      determining factors for the temperature dependent increase of
      laser threshold was evaluated using a linear gain model. This
      way the carrier lifetime which is dominated by
      Auger-recombination processes in the corresponding operation
      regime was identified as the root cause for the temperature
      dependent increase of laser threshold. In order to
      investigate the long-term stability of the injection
      efficiency, the acceleration factors of the degradation of
      green laser diodes were determined primarily. It was shown
      that the device degradation is electro-thermally activated
      and therefore comparable to the degradation behavior of
      Blu-Ray laser diodes. Current was identified to be the root
      cause for degradation of green laser diodes. For the
      corresponding analysis, a green laser diode was alternating
      operated in two different operation conditions that were
      chosen to keep the temperature of the active region constant
      throughout the experiment. In electrical operation, the
      threshold current of green laser diodes show a square-root
      like increase which is known from blue laser diodes. However,
      the slope efficiency and therefore also the injection
      efficiency above threshold show no decrease in degradation.
      Optical gain was analyzed before and after degradation by
      Hakki-Paoli-measurements, but no change could be detected.
      However, it was shown that the carrier density within the
      quantum wells decreases during operation. Based on the
      recombination coefficients for green laser diodes that were
      determined within the framework of this thesis, it was
      estimated that the rate of defect-assisted recombination
      processes would have to increase by a factor of three in
      order to explain the experimentally observed 20 per cent
      increase of laser threshold. This unreasonable hypothesis was
      excluded by comparing the EL-behavior of a green laser diode
      below threshold before and after degradation. As an outcome
      of the investigations done on carrier transport, the
      existence of non-negligible carrier densities outside the
      green quantum wells is known. Therefore the degradation of
      green laser diodes is not necessarily limited to the quantum
      wells, but can also take place within the wave-guiding
      layers.