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High-power GaAs-based diode lasers with novel lateral designs for enhanced brightness, threshold and efficiency
Elattar, Mohamed
In an ever-growing multi-billion-dollar laser device market, semiconductor diode lasers continue to be in high demand as one of the most widely-used device types, generating a large share of the total revenue. GaAs-based broad-area diode lasers (BALs) operating in the 9xx nm wavelength range offer the highest optical power (Popt) among diode lasers and the highest power conversion efficiency (ηE) among all light sources. This makes them ideal for high-power material processing applications such as metal cutting and welding, where they are either utilized directly or as pump sources for solid-state and fiber lasers. In addition to high Popt and ηE, these applications also benefit from high beam quality, which is offered by BALs along the vertical (fast) axis but less so along the lateral (slow) axis, corresponding to relatively high lateral beam parameter product (BPPlat) and low lateral brightness (Blat = Popt / BPPlat). To enhance material-processing systems and enable new applications, BALs with ever-higher Popt, ηE and Blat are highly desirable, with high degree of polarization (DoP) as an additional requirement that enables Popt doubling with no BPPlat penalty via polarization beam combining. Such performance enhancements are dependent on identifying the thermal and non-thermal mechanisms that limit different aspects of BAL performance, and implementing design changes to minimize their negative impacts. In this dissertation, novel designs based on lateral structuring are devised and developed, aiming to address various performance-limiting mechanisms acting along the lateral axis, thereby enabling enhanced BAL performance.
The first novel lateral design is the enhanced self-aligned structure (eSAS), an improved version of the established self-aligned structure, based on integrating laterally-structured current-blocking layers outside the BAL stripe. By confining current (and charge carriers) to the center, it aims to enhance BAL performance by minimizing two non-thermal performance-limiting mechanisms, namely lateral current spreading and lateral carrier accumulation (LCA) at the stripe edges. A detailed and comprehensive eSAS study constitutes the main part of this dissertation, starting with developing and optimizing two eSAS design variants using device modeling and simulation tools, which are then realized in trial and full wafer processes with quality control tests used to verify their correct implementation, followed by test device mounting and characterization under continuous-wave operation at 25 °C, and finally performance analysis and benchmarking. In comparison to gain-guided reference BALs, eSAS BALs are found to have strongly reduced threshold current with power-current slope and series resistance roughly unchanged, leading to an increase in peak ηE by up to 1.5 percentage points, reaching up to 69%. They also demonstrate strong narrowing of the near-field width with the far-field angle roughly unchanged, leading to a Blat increase by up to 13.5%, reaching up to 3.43 W/(mm·mrad). In addition, they exhibit very high DoP (~99% on average), showing no degradation resulting from the lateral structuring. Overall, eSAS BALs are shown to exhibit state-of-the-art performance, demonstrating simultaneously high ηE, Blat and DoP up to high Popt levels.
The second novel lateral design is based on confining heat flow under the central stripe and limiting its dissipation outside it, with the aim of flattening the lateral temperature profile around the active zone, corresponding to reduced thermal lens curvature, which is associated with reduced far-field blooming and enhanced beam quality. This is achieved by laterally structuring p-side epitaxial layers, replacing them outside the stripe with heat-blocking materials with low thermal conductivity (k), with examples including InGaP or InGaAsP (lattice-matched to GaAs), a superlattice of alternating InGaP and InGaAsP layers, photonic crystals with air holes, porous oxides or nitrides, or simply air in a mesa configuration. Similar approaches have previously been implemented outside the semiconductor chip (structuring p-side metallization), exhibiting Blat enhancement, but their impact is expected to be limited by the experimentally-observed thermal barrier at the p-side semiconductor–metal interface, thus motivating this alternative chip-internal approach. Using a detailed two-dimensional mounted BAL model, finite-element thermal simulations, calibrated against thermal camera images, are carried out to compare heat distribution within different lateral design variants in comparison to the gain-guided reference. Significant reduction of thermal lens curvature is demonstrated using the novel design, reaching up to 13%, 17% and 73% using InGaP, superlattice, and air, respectively, coming at the expense of increased process complexity (in case of InGaP and superlattice), or increased thermal resistance and risk of DoP degradation (in case of air). The simulation results nonetheless demonstrate that this novel lateral design is a promising approach for enhancing beam quality and increasing Blat, thereby motivating its practical realization as an exciting topic for future studies.
In einem ständig wachsenden, mehrere Milliarden Dollar schweren Markt für Laserbauelemente sind Halbleiterdiodenlaser nach wie vor sehr gefragt, da sie zu den am weitesten verbreiteten Bauelementen gehören und einen großen Anteil am Gesamtumsatz ausmachen. GaAs-basierte Breitstreifen-Diodenlaser (BAL), die im Wellenlängenbereich von 9xx nm arbeiten, bieten die höchste optische Leistung (Popt) unter den Diodenlasern und die höchste Leistungsumwandlungseffizienz (ηE) unter allen Lichtquellen. Damit sind sie ideal für Hochleistungs-Materialbearbeitungsanwendungen wie Metallschneiden und -schweißen, wo sie entweder direkt oder als Pumpquelle für Festkörper- und Faserlaser eingesetzt werden. Zusätzlich zu den hohen Popt- und ηE-Werten profitieren diese Anwendungen auch von der hohen Strahlqualität, die BAL entlang der vertikalen (schnellen) Achse bieten, aber weniger entlang der lateralen (langsamen) Achse, was einem relativ hohen lateralen Strahlparameterprodukt (BPPlat) und einer geringen lateralen Brillanz (Blat = Popt / BPPlat) entspricht. Um Materialbearbeitungssysteme zu verbessern und neue Anwendungen zu ermöglichen, sind BAL mit immer höheren Popt-, ηE- und Blat-Werten äußerst wünschenswert, wobei ein hoher Polarisationsgrad (DoP) eine zusätzliche Voraussetzung ist, die eine Popt-Verdoppelung ohne BPPlat-Nachteil durch Polarisationskopplung ermöglicht. Solche Leistungsverbesserungen hängen von der Identifizierung der thermischen und nicht-thermischen Mechanismen ab, die verschiedene Aspekte der BAL-Leistung einschränken, und von der Implementierung von Designänderungen, um deren negative Auswirkungen zu minimieren. In dieser Dissertation werden neuartige, auf der lateralen Strukturierung basierende Designs entworfen und entwickelt, die darauf abzielen, verschiedene leistungsbegrenzende Mechanismen entlang der lateralen Achse anzugehen und dadurch eine verbesserte BAL-Leistung zu ermöglichen.
Das erste neuartige laterale Design ist die „enhanced self-aligned“-Struktur (eSAS), eine verbesserte Version der etablierten „self-aligned“-Struktur, die auf der Integration lateral strukturierter stromsperrender Schichten außerhalb des BAL-Streifens basiert. Durch die zentrale Begrenzung von Strom (und Ladungsträgern) soll die BAL-Leistung verbessert werden, indem zwei nichtthermische leistungsbegrenzende Mechanismen minimiert werden, nämlich die laterale Stromausbreitung und die laterale Ladungsträgerakkumulation (LCA) an den Streifenkanten. Eine detaillierte und umfassende eSAS-Studie bildet den Hauptteil dieser Dissertation, beginnend mit der Entwicklung und Optimierung von zwei eSAS-Designvarianten unter Verwendung von Bauelementemodellierungs- und Simulationssoftware, die dann in Versuchs- und Vollwafer-Prozessen mit Qualitätskontrolltests zur Verifizierung ihrer korrekten Implementierung realisiert werden, gefolgt von der Montage und Charakterisierung von Testbauelementen im Dauerstrichbetrieb bei 25 °C und schließlich der Leistungsanalyse und dem Benchmarking. Im Vergleich zu verstärkungsgesteuerten Referenz-BAL weisen eSAS-BAL einen stark verringerten Schwellenstrom auf, wobei der Leistungs-Strom-Anstieg und der Serienwiderstand in etwa unverändert bleiben, was zu einer Steigerung des Spitzen-ηE um bis zu 1,5 Prozentpunkte auf bis zu 69% führt. Sie zeigen auch eine starke Verengung der Nahfeldbreite bei ungefähr unverändertem Fernfeldwinkel, was zu einem Blat-Anstieg um bis zu 13,5% auf bis zu 3,43 W/(mm·mrad) führt. Darüber hinaus weisen sie eine sehr hohe DoP auf (~99% im Durchschnitt), die durch die laterale Strukturierung nicht beeinträchtigt wird. Insgesamt zeigt sich, dass die Leistung der eSAS-BAL dem neuesten Stand der Technik entspricht, und dass sie bis zu hohen Popt-Werten gleichzeitig hohe ηE-, Blat- und DoP-Werte aufweisen.
Das zweite neuartige laterale Design basiert auf der Begrenzung des Wärmeflusses unter dem zentralen Streifen und der Minimierung der Wärmeableitung außerhalb des Streifens mit dem Ziel, das laterale Temperaturprofil um die aktive Zone herum abzuflachen, was einer geringeren thermischen Linsenkrümmung entspricht, die mit einem geringeren Fernfeld-Blooming und einer verbesserten Strahlqualität verbunden ist. Dies wird durch die laterale Strukturierung der p-seitigen Epitaxieschichten erreicht, die außerhalb des Streifens durch wärmeblockierende Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit (k) ersetzt werden. Beispiele hierfür sind InGaP oder InGaAsP (gitterangepasst an GaAs), ein Übergitter aus abwechselnden InGaP- und InGaAsP-Schichten, photonische Kristalle mit Luftlöchern, poröse Oxide oder Nitride, oder einfach Luft in einer Mesa-Konfiguration. Ähnliche Ansätze wurden bereits außerhalb des Halbleiterchips implementiert (Strukturierung der p-seitigen Metallisierung) und zeigten einen Blat-Anstieg, aber ihre Wirkung dürfte durch die experimentell beobachtete thermische Barriere an der p-seitigen Halbleiter-Metall-Grenzfläche begrenzt sein, was die Motivation für diesen alternativen chipinternen Ansatz ist. Anhand eines detaillierten zweidimensionalen Modells eines montierten BALs werden thermische Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, die anhand von Wärmekamerabildern kalibriert werden, um die Wärmeverteilung innerhalb verschiedener lateraler Designvarianten im Vergleich zur verstärkungsgesteuerten Referenz zu vergleichen. Mit dem neuartigen Design wird eine erhebliche Verringerung der thermischen Linsenkrümmung nachgewiesen, die bei InGaP, Übergitter und Luft bis zu 13%, 17% bzw. 73% beträgt, was jedoch auf Kosten einer erhöhten Prozesskomplexität (im Falle von InGaP und Übergitter) bzw. eines erhöhten thermischen Widerstands und des Risikos einer DoP-Degradation (im Falle von Luft) geht. Die Simulationsergebnisse zeigen jedoch, dass dieses neuartige laterale Design ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Strahlqualität und zur Erhöhung der Blat ist, was seine praktische Umsetzung zu einem interessanten Thema für zukünftige Studien macht.
