Modulationsdynamik von rot oberflächenemittierenden Halbleiterlasern

Zusammenfassung: Oberflachenemittierende Laser mit Vertikalresonator (VCSEL), die bei einer Wellenlange von 650-670 nm emittieren, sind insbesondere fur optische Datenverbindungen mit Plastikfasern geeignet, die ein Absorptionsminimum bei dieser Wellenlange besitzen. Hier wird das Bauteildesign, die Herstellung und die Charakterisierung im stationaren und modulierten Betrieb von selektiv oxidierten VCSEL beschrieben. Ein Herstellungsprozes mit parasitatsarmem Bauteildesign wurde entwickelt. Die VCSEL-Geometrie wurde im Hinblick auf eine hohe optische Leistung, Betrieb bis zu hohen Temperaturen und eine schnelle Modulation untersucht. Warmeerzeugung und -abfuhr und Ladungstragertransport sollen dabei verstanden werden. Die Absorption bzw. Photonenlebensdauer im VCSEL kann direkt aus den Meswerten des externen Quantenwirkungsgrads extrahiert werden. Fur Aperturen >13 µm ergibt sich eine Absorption von 13 cm-1, was hauptsachlich der Lichtabsorption durch freie Ladungstrager der Dotieratome zugeordnet werden kann. Zu kleineren Aperturen hin ergeben sich kurzere Photonenlebensdauern (statt 2.59 ps nur 1.52 ps bei einer Apertur von 3.5 µm). Zusatzliche optische Verluste treten auf, indem die Auslaufer der Gausmode an einer kleinen Apertur gestreut werden. Im Gleichstrombetrieb wurde die Temperatur im VCSEL-Inneren und die optische Ausgangsleistung abhangig von den Betriebsbedingungen (zugefuhrter Strom, Ausentemperatur) und der Bauteilgeometrie (Mesa-, Aperturbreite) gemessen und mit einem Temperaturbilanzmodell rechnerisch nachvollzogen. Die Degradation der Stromschwelle und nicht die Degradation der Quantenausbeute legt den Wert in der Licht-Strom Kennlinie fest, an dem der Laser ausgeht. Durch die spektrale Verschiebung der Emissionswellenlange ist die Temperatur im VCSEL-Inneren bekannt. Sie steigt fur kleine Verhaltnisse von Apertur- zu Mesabreite am wenigsten mit der Stromdichte an. Das Mesahalbleitermaterial uber der engen Oxidapertur sorgt fur eine Querverteilung der Warme und des Stroms. Gleichzeitig halt die Apertur den als Heizquelle wirkenden Pumpschwellstrom klein. Fur maximale optische Leistung ist dagegen eine mittlere Aperturgrose am besten. Zu kleinen Aperturen hin begrenzt die schlechtere Warmeabfuhr uber die thermische Leitfahigkeit die Ausgangsleistung. Zu grosen Aperturen und damit auch grosen Pumpstromen hin dominiert die dissipierte elektrische Leistung mit ihrer Warmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand. Im gepulsten Betrieb erhalt man eine maximal mogliche Umgebungstemperatur von 150°C fur das Materialsystem des 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP mit einer Banddiskontinuitat von ca. 400 meV. Bei hoheren Temperaturen gehen zu viele Elektronen den Quantenfilmen verloren. Dieser Wert entspricht den Innentemperaturwerten, bis zu denen im Gleichstrombetrieb Laseremission zu sehen war. Mist man die VCSEL-Antwort auf eine Kleinsignalmodulation der Stromamplitude und past eine Drei-Pol-Transferfunktion aus den Laserratengleichungen an, ist es moglich, die relative Wichtigkeit der vier bandbreitenlimitierenden Effekte in einem Halbleiterlaser zu bestimmen. Das ist die intrinsische Dampfung der Resonanzspitze (0.17 ns K-Faktor -> 52 GHz Bandbreite), die thermische Sattigung der Resonanzfrequenz, das parasitare und das transportbedingte parasitatsahnliche Absinken der Antwortfunktion (33 ps diffusive Transportzeit der Ladungstrager uber die Einbettungs- und Barrierenschicht der 1-lambda-cavity -> 18 GHz Bandbreite). Durch eine dickere Passivierungsschicht reduzierten wir die Kontaktflachenkapazitat und damit das parasitare RC-Produkt und erreichen Modulationsbandbreiten von 4 GHz fur einen 650 nm VCSEL. Beseitigt man das parasitare Abfallen der Antwort zu hohen Frequenzen hin, ist das eigentliche Limit im roten VCSEL ein thermisches Limit - wie im Gleichstrombetrieb. Mit hoherem Arbeitsstrom nimmt die Bauteilerwarmung zu und Photonendichte und Bandbreite sattigen. Der kleine Apertur-VCSEL mit dem besseren Temperaturbudget erreicht deutlich hohere Resonanzfrequenzen und zwar 6.3 GHz bei 4.5 mA mit einer Apertur von 3.5 µm (bei 657.9 nm). Aus den Modulationsmessungen last sich zudem uber die Verstarkungskompression die lokale Einfangzeit von der Barrierenregion in den Quantenfilm als maximal 2 ps lang abschatzen. Die digitale Grossignalantwort des VCSELs ist durch Ein- und Ausschaltverzogerungen weiter begrenzt. Die numerische Simulation der Antwort liefert fur die Ladungstragerlebensdauer an der Schwelle 0.39 ns (Apertur 7 µm) (wie auch aus der Schwellstromdichte des stationaren Betriebs und aus der Kleinsignalmodulation). Bei einem Vorstrom uber der Schwelle wird die Einschaltverzogerung mit steigender Kleinsignal-Resonanzfrequenz kurzer. Aber auch die RC-Aufladekurve durch die dunne Oxidschicht beeinflust die Einschaltverzogerung noch. Es wurde ein Augendiagramm bei einer Datenrate von 1.25 Gb/s mit dem 650 nm VCSEL aufgenommen. Abstract: Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) emitting at a wavelength of 650-670 nm are especially suited for optical data links with plastic fibre due to a minimum in transmission loss at this wavelength. The dissertation describes the device design, fabrication and characterization in constant and modulated operation of selectively oxidized VCSEL. A fabrication process with low-parasitics device design was developed. The VCSEL geometry was examined in view of high optical power, operation up to high temperatures and fast modulation. Heat generation and removal and carrier transport should be understood thereby. The absorption or photon lifetime in the VCSEL can be extracted directly from the measured values of the external quantum efficiency. Apertures >13 µm yield an absorption of 13 cm-1, which mainly can be attributed to the intensity absorption due to free carriers of the dopants. Apertures < 13 µm show shorter photon lifetimes as the aperture size is decreased (instead of 2.59 ps only 1.52 ps with an aperture of 3.5 µm). Additional optical losses occur by scattering excess of the Gaussian mode from small apertures. In direct current operation the temperature inside the VCSEL and the optical output power were measured dependent on the conditions of operation (supplied current, ambient temperature) and the device geometry (mesa width, aperture width). These measurements were duplicated mathematically by a temperature balance model. The degradation of the threshold current, not the degradation of the quantum efficiency, determines the value on the light-current characteristic, where the laser switches off. The temperature inside the VCSEL is known through the spectral shift of the emission wavelength. For small ratios of aperture to mesa width, it rises the weakest with current density. The mesa semiconductor material above the narrow oxide aperture provides for lateral distribution of heat and of current. Simultaneously the pump threshold current acting as heating source is kept small by the aperture. On the other hand a medium aperture size is best to achieve maximum optical power. Down to smaller apertures the poorer heat removal by thermal conductivity limits the output power. Up to large apertures and with it high pump currents the dissipated electrical power dominates with its heat generation by electrical resistance. In pulsed operation a maximum ambient temperature of 150°C is obtained for the material system of the 670 nm VCSEL GaInP/AlGaInP with a band offset of about 400 meV. At temperatures higher than this too many electrons escape the quantum wells. This value corresponds with the value of the internal temperature, up to which laser emission was observed during dc operation. Measuring the VCSEL response to small-signal modulation of the current amplitude and fitting a three-pole transfer function from laser rate equations to it, enables us to determine the relative importance of the four different bandwidth-limiting effects in a semiconductor laser. These are the intrinsic damping of the resonance peak (0.17 ns K-factor -> 52 GHz bandwidth), the thermal saturation of the resonance frequency, the parasitic, and the transport induced parasitic-like roll-off of the response function (33 ps diffusive carrier transport time across the spacer and barrier layer of the 1-lambda-cavity -> 18 GHz bandwidth). Through a thicker passivation layer we reduced the contact area capacitance and thereby the parasitic RC-product and achieve modulation bandwidths of 4 GHz for a 650 nm-VCSEL. When the parasitic response roll-off with increasing frequency is eliminated, the main limit in red VCSELs is a thermal limit - as for dc operation. With higher drive currents the device heating grows and photon density and bandwidth saturate. The small-aperture VCSEL with the better temperature budget reaches far higher resonance frequencies, that is 6.3 GHz at 4.5 mA with an aperture of 3.5 µm (at 657.9 nm). Moreover, the modulation measurements yield a gain compression factor, from which the local capture time from the barrier region into the quantum well can be estimated as maximally 2 ps long. The large-signal digital response of VCSELs is further limited by on- and off-switching delays. The numerical simulation of the response gives for the carrier lifetime at threshold a value of 0.39 ns (aperture 7 µm) (as results from threshold current densities of dc operation and from small-signal modulation). For biasing above threshold, the on-switching delay becomes shorter with increasing small-signal resonance frequency. But also the RC-charge curve due to the thin oxide layer still affects the on-switching delay. An eye-diagram at a data-rate of 1.25 Gb/s was recorded with the 650 nm VCSEL.