Physics and technology of nitride lasers

Abstract

This work approaches the realization of the group-III nitride laser diodes using SiC as substrate from the device processing and characterization point of view. The work is structured in 5 parts. After a short introduction in chapter 1, in chapter 2 there are presented some basic properties of the III-nitride laser diodes. Chapter 3 presents the investigations done for establishing a process technology for fabrication of nitride laser diodes on SiC. Together with some basic contacts theory and literature considerations, there are presented the experiments done for realization of the electrical contacts as well as regarding the Mg (p-type dopant in GaN) activation procedure. Once established a reliable procedure for obtaining the electrical contacts it was possible to further process and characterize complete devices. A first approach (presented in chapter 4) was to realize by a simple processing a fast feedback tool to epitaxy. Using a shadow-mask approach it was obtained an electroluminiscent diode that was used for studying and optimisation of different growth parameters as regard their influences on the electrical and optical device characteristics. From electrical point of view there were investigated and compared different approaches related to the p-contact and n-side buffer layers growth, as well as optimised an InGaN cap layer with respect to the gas flows, growth temperature and layer thickness. The epitaxial growth parameters adjusted in this manner, together with the improvements obtained by the electrical contacts process development were finally leading to a significant voltage drop reduction on the fabricated laser diodes and the obtaining of a very low differential resistivity. The shadow-mask devices were also used for optical characterizations of the epitaxially grown structures. Using a multi-segment device approach there were done both electroluminiscence spectra and optical loss measurements, being also investigated their dependence of Mg doping profile in the region close to the active zone. Chapter 5 presents the results obtained as regard the multiple quantum well nitride laser diodes processing and characterization. The first part of this chapter deals with the Fabry-Perot lasers. After describing the fabrication procedure and measurements done for the devices characterization, there are then presented and discussed the obtained results regarding the threshold current value and its characteristic temperature, as well as the characteristic temperature of lasing wavelength. There are evidenced and discussed the effects of the incompletely screened internal electric fields which are present in these structures, leading to increased wavelength stability against temperature variations. On the obtained laser diodes there were done also current spreading investigations. By comparing diodes with different contact geometry as well as different ridge waveguide height, it was concluded that while a significant current spreading effect it is present in the n-side of the epitaxial structure, such a effect is negligible in the p-one –down to the active zone – therefore not affecting the threshold current of the fabricated diodes. The processed laser diodes were also investigated with respect to their thermal resistance properties. Because the found values of this parameter were relatively high ones, there also were tested, with promising results, some possible improvements. The chapter 5.2 presents the realization and characterization of a laterally coupled DFB nitride laser diode with second order grating. This approach, a new one for this material system, allows a simple fabrication procedure, avoiding the need of the epitaxial overgrowth step, typically employed in case of such lasers. The obtained DFB diodes were allowing the measurement of the structure's refractive index and, using different grating periods, also of its dispersion relation. Furthermore, it was confirmed the previously evidenced presence of the incompletely screened internal electric fields in case of the electrically injected nitride lasers, which were leading to the obtaining in case of this device of an extremely small wavelength shift with temperature. Finally, in chapter 5.3 it is presented a successfully test for realization of a nitride surface emitting laser diode. Employing a second order grating incorporated in a DBR laser structure it was obtained a vertical emitting laser diode, avoiding altogether the mirror realization step.

Diese Arbeit beschreibt die Realisierung von Gruppe-III Nitrid Laserdioden mit SiC als Substrat aus der Sicht der Bauteilprozessierung und -charakterisierung. Die Arbeit ist in 5 Teile gegliedert. Nach einer kurzen Einführung in Kapitel 1, werden in Kapitel 2 einige grundlegende Eigenschaften der III-Nitrid Laserdioden präsentiert. Kapitel 3 präsentiert Untersuchungen, die für die Etablierung einer Prozeßtechnologie zur Herstellung von Nitrid Laserdioden auf SiC gemacht wurden. Gemeinsam mit einigen grundlegenden Kontakttheorie- und Literaturbetrachtungen werden die Experimente präsentiert, die zur Realisierung der elektrischen Kontakte gemacht wurden, sowie der Vorgang der Mg-Aktivierung (p-Dotierung in GaN) betrachtet. Nachdem ein verläßliches Vorgehen zur Herstellung der elektrischen Kontakte eingeführt wurde, war es möglich komplette Bauteile weiter zu prozessieren und zu charakterisieren. Als erstes wurde ein einfacher Prozeß realisiert, um ein schnelles Feedbackmittel für die Epitaxie zu erhalten (präsentiert in Kapitel 4). Durch Benützen einer Schattenmaske erhielt man Elektroluminiszenzdioden, die zur Untersuchung und Optimierung von verschiedenen Wachstumsparametern hinsichtlich ihres Einflusses auf die elektrischen und optischen Bauteilkennlinien benutzt wurden. In elektrischer Hinsicht wurden verschiedene Ansätze des p-Kontakts und des Wachstums der n-Seiten Bufferschichten untersucht und verglichen, sowie eine InGaN Deckschicht bezüglich der Gasflüsse, Wachstumstemperatur und Schichtdicke optimiert. Die auf diese Weise angepaßten epitaktischen Wachstumsparameter führten schließlich zusammen mit den Verbesserungen, die bei der Prozeßentwicklung der elektrischen Kontakte erhalten wurden, zu einer bedeutenden Erniedrigung des Spannungsabfalls an den hergestellten Laserdioden und zu einem sehr niedrigen differentiellen Widerstand. Zur optischen Charakterisierung der epitaktischen Schichtstrukturen wurden ebenfalls die durch Schattenmaskentechnologie hergestellten Bauteile herangezogen. Mit Multisegmentbauteilen wurden sowohl Elektrolumineszenzspektren und optische Verlustmessungen durchgeführt, um ihre Abhängigkeit vom Magnesium Dotierprofil im Bereich dicht an der aktiven Zone zu untersuchen. Kapitel 5 stellt die Ergebnisse vor, die aus der Prozessierung und Charakterisierung von Nitrid Laserdioden mit Multiquantenwellstruktur gewonnen wurden. Im ersten Abschnitt dieses Kapitels werden Fabry-Perot Laser betrachtet. Zuerst werden Herstellung und Messungen, die zur Charakterisierung der Bauteile durchgeführt wurden, beschrieben. Danach erfolgt die Präsentation und Diskussion der Ergebnisse, die sowohl aus dem Schwellstromwert und seiner charakteristischen Temperatur, als auch aus der charakteristischen Temperatur der Laserwellenlänge, ermittelt wurden. Es werden die Auswirkungen der in diesen Strukturen vorhandenen unvollständig abgeschirmten internen elektrischen Felder, die zu einer Wellenlängenstabilisierung gegenüber Temperaturvariationen führen, diskutiert. An den hergestellten Laserdioden wurden außerdem Untersuchungen zur Verteilung des Stromes durchgeführt. Hierfür wurden Dioden mit verschiedenen Kontaktgeometrien und unterschiedlichen Höhen der Rippenwellenleiter miteinander verglichen. Es konnte gefolgert werden, dass in der n-seitigen Region der epitaktischen Schichtstrukturen eine signifikante Aufteilung des Stromes erfolgt, während in der p-seitigen Region bis zur aktiven Zone ein solcher Effekt vernachlässigbar ist und deshalb die Schwellspannung der hergestellten Dioden nicht beeinflusst. Da sich bei Untersuchungen zu den Eigenschaften bezüglich des Wärmewiderstand relativ hohe Werte ergaben, wurden auch einige Verbesserungen mit vielversprechenden Ergebnissen ausprobiert. Abschnitt 5.2 enthält die Realisierung und Charakterisierung einer lateral gekoppelten DFB Nitrid Laserdiode mit einem Gitter zweiter Ordnung. Diese Methode, erstmals in diesem Materialsystem realisiert, ermöglicht einen einfachen Herstellungsprozeß, der die Notwendigkeit eines epitaktischen Überwachstumsschritt vermeidet. Der normalerweise für diese Art von Lasern herangezogen wird. Die erhaltenen DFB Dioden erlaubten die Messung des Brechungsindexes der Struktur und durch die Wahl verschiedener Gitterperioden auch die ihrer Dispersionsrelation. Desweiteren wurde das Anzeichen des unvollständig abgeschirmten internen elektrischen Feldes im Falle von elektrisch angeregten Nitrid Lasern bestätigt. Das zu einer extrem kleinen Wellenlängenverschiebung in Abhängigkeit von der Temperatur führt. Zum Schluß wird in Abschnitt 5.3 ein erfolgreicher Test für die Realisation einer oberflächenemittierenden Nitrid Laserdiode präsentiert. Durch ein Gitter zweiter Ordnung in einer DBR Laserstruktur konnte eine vertikal emittierende Laserdiode hergestellt werden, bei der gänzlich auf Spiegel verzichtet werden konnte.