Halbleiterlaser

Die ersten Halbleiterlaser

Das Prinzip der Halbleiterlaser ist eine logische Kombination aus der Festkörperlaser^4.1-Technik und der Halbleitertechnik im Zuge der Miniaturisierung.

Daher wurde Laserlicht aus Halbleitern das erste mal schon 1962, kurz vor dem ersten Farbstofflaser^4.2 erzeugt. Damals gelang aber nur ein gepulster^4.3Betrieb bei einer Temperatur von $77\ K$ und einer Lebensdauer von wenigen Minuten.

Durch die rasanten Fortschritte in der Halbleitertechnik haben auch die Halbleiterlaser stark an Bedeutung gewonnen, und heutzutage ist ein cw-Betrieb^4.4 mit einer Lebensdauer von mehreren tausend Stunden möglich.

In den 80er-Jahren wurde die CD in den Massenmarkt eingeführt; dadurch stieg die Nachfrage nach kleinen, schwachen und langlebigen Lasern und die Halbleiterlaser kamen aus den Labors auf den Massenmarkt.

Seither konzentriert sich die Entwicklung auf stärkere Laser, andere Wellenlängen und eine größere Zuverlässigkeit und Lebensdauer. [11]

Grundlagen

Eine Halbleiterlaserdiode ist ein Bauelement mit den Abmessungen von etwa $125\ \mu m \cdot 300\ \mu m \cdot 250\ \mu m$, die aktive Zone hat normalerweise eine Dicke von etwa $3\ nm$. [5]

Ein Gehäuse von $500\ mm^3$ kann ohne weiteres einen $200\ mW$ single-mode^4.5-Halbleiterlaser beherbergen. [11]

Energieschema einer GaAlP-Laserdiode; Skizze nach [4] Die aktive Zone ist zwischen einer p- und einer n-dotierten^4.6-Schicht eingeschlossen. Legt man nun an diesen Schichten eine Spannung in der Größenordnung der Bandlücke^4.7 (Bandabstand) in Durchlassrichtung an, so fliesst ein Injektionsstrom, und in den dotierten Schichten werden Elektronen bzw. Löcher erzeugt. Diese rekombinieren in der aktiven Zone (Rekombinationszone) unter der Aussendung von Photonen.

Oberhalb eines Schwellenstroms (siehe Meßergebnis, Abbildung 5.5, Seite ) setzt stimulierte Emission ein und die Laserintensität steigt abrupt stark an. [5]

Der Bandabstand der passiven Zonen muss größer sein, als die Ferminiveaus^4.8 der aktiven Zone, sonst können keine Elektronen bzw. Löcher in diese injiziert werden.

Die Photonenenergie entspricht in etwa dem Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials. Für eine Wellenlänge von $\lambda = 670\ nm$ wird ein Bandabstand von ca. $1,84\ eV$ benötigt. [4] Eine Übersicht über die Bandabstände findet sich in Abbildung 4.3, Seite .

Die Endflächen der aktiven Schicht werden meist verspiegelt, so dass die aktive Zone selbst der Laserresonator ist. Für bestimmte Anwendungen will man natürlich auch einen externen Resonator (z.B. ein Gitter) verwenden, dann wird eine Endfläche entspiegelt. Die Reflektivität von z.B. GaAs liegt bei $32\%$, so dass eine Verspiegelung meist nicht notwendig ist.

Aufbau einer grünen II-VI-Laserdiode [21] Der genaue Aufbau (in Abbildung 4.2 ist eine grüne II-VI^4.9-Laserdiode dargestellt) ist natürlich komplexer als hier dargestellt, doch haben die meisten Schichten keinen unmittelbaren Einfluß auf die Laseremission; sie sind nur notwendig um den Laser ausreichend mit Energie zu versorgen, zu kühlen, die Handhabung und Herstellung zu vereinfachen.
Der Laserstrahl wird aus der dünnen Schicht in der Mitte (durch den Pfeil gekennzeichnet) emittiert.

Kennzeichen einer Laserdiode

Verstärkungsprofil

Eine Laserdiode hat sehr hohe Verstärkungswerte von einigen $100\ \frac{1}{cm}$ in einem Frequenzbereich von einigen $10\ nm$. Wegen diesem breiten Profil können mehrere Laserresonatormoden^4.10 gleichzeitig anschwingen, da deren Abstand im Nanonmeterbereich liegt. [5]

Rote Laserdioden haben typischerweise ein Verstärkungsprofil von $5\ nm$ und einen Modenabstand von $0.14\ nm$.

Durchstimmbarkeit von Laserdioden

Durchstimmbarkeit bezeichnet die Möglichkeit, den Laser auf jede gewünschte Frequenz einzustellen (siehe Anhang A.2.4, Seite ).

Die Wellenlänge einer Laserdiode wird von der Bandlücke^4.11 der aktiven Zone, der Temperatur und der Stromdichte bestimmt:
Die Frequenz variiert mit der Temperatur, da sich sowohl die Resonatorlänge als auch das Verstärkungsprofil verändert. Diese Temperaturabhängigkeiten sind jedoch gegenläufig; dadurch kann nicht jede Frequenz innerhalb des durch die Bandlücke vorgegebenen Bereichs erreicht werden, sondern es treten Modensprünge^4.12 auf.

Mit der Abhängigkeit der Wellenlänge vom Strom sieht es ähnlich aus: Es ändert sich nicht nur die Ladungsträgerdichte, sondern auch gleichzeitig die Temperatur des p-n-Übergangs.

Diese Abhängigkeiten versucht man mit aktiven Regelkreisen zur Strom- und Temperaturstabilisierung zu vermeiden.

Stabilisierung durch einen Externen Resonator

Die Verwendung eines externen Resonators bringt zwar einen Verlust bei der Laserleistung mit sich, gleichzeitig wird aber die Resonatorlänge von der Temperatur weitgehend unabhängig.

Damit ein externer Resonator verwendet werden kann, muss die natürliche Reflektivität der aktiven Schicht durch Entspiegelung aufgehoben werden. (Dazu wird meist $SiO_2$ in $\lambda / 2$-Schichten aufgedampft, bis die Laserleistung minimal ist, d.h. praktisch keine Resonanz ohne einen externen Resonator auftritt.)

Die Antireflex-Beschichtung unterliegt jedoch einem natürlichen Verschleiß; dies vermindert die nutzbare Lebensdauer der Laserdiode für physikalische Messungen.

Ist die Restreflektivität der Endfläche zu gross und übersteigt einen kritischen Wert, so wird der Laser instabil und läuf auf mehreren Moden gleichzeitig. Die Laserdiode wirkt dann nicht mehr nur als verstärkendes Medium, sondern bestimmt die Eigenschaften des externen Resonators.

Daher soll die Restreflektivität der Laserdiode möglichst gering sein. Dies wird um so wichtiger, je länger der externe Resonator ist. [5]

Die Besonderheiten von Diodenlasern

Diodenlaser sind eine billige, kostengünstige, energiesparende, einfach zu betreibende und vor allem kleine Alternative zu den herkömmlichen Lasern.

Ihre größten Probleme sind die Anforderungen an Temperatur- und Stromstabilität, die meistens geforderte kontinuierliche Durchstimmbarkeit^4.13, die typischen Linienbreiten^4.14 von einigen zehn bis einigen hundert MHz sowie die Empfindlichkeit für optische Rückkopplung.

Ihr Frequenzspektrum ist relativ stark eingeschränkt: Sie benötigen eine Bandlücke, die etwa der gewünschten Frequenz entspricht. Abbildung 4.3 zeigt eine Übersicht mit den wichtigsten Materialien für Halbleiterlaser und der entsprechenden Bandlücke.

Entwicklungsstand

Rote Laserdioden sind bereits billig erhältlich und finden schon Einsatz (siehe Kapitel 4.6, Seite ). Eine Lebensdauer von $50.000$ Stunden ist dabei nicht unüblich. [11]

Blaugrüner Halbleiterlaser an der Universität Würzburg [19] Daher konzentriert sich die Entwicklung jetzt auf die kurzwelligeren Laserdioden. Das menschliche Auge ist im grünen Spektralbereich empfindlicher als im roten, ein grüner Laser muss also, um gleich hell zu wirken, nur eine geringere Leistung erbringen. Mit der kürzeren Wellenlänge wird aber auch der Strahl präziser. Mit einem blauen Laser kann man also die Speicherkapazität von (DVD)-CD-ROMs [27] und Hologrammen deutlich erhöhen. Sony [23] hat bereits im Januar 1996 einen grünen Halbleiterlaser im cw-Betrieb^4.15 für 100 Stunden bei Zimmertemperatur, Nichia Chemical Industries hat im September 1997 [24] einen blauen Halbleiterlaser schon 300 Stunden bei Zimmertemperatur betrieben. Ebenfalls 1997 gelang es Sony, grüne ZnSe-Laserdioden etwa 400 Stunden zu betreiben, Nichia erreichte bei ultravioletten GaN-Laserdioden über 3000 Stunden, beides bei cw-Betrieb und Raumtemperatur.

1998 berichtet Nichia von über 5000 Stunden cw-Betrieb bei ca. 400 nm (GaN) während Sony etwa 500 Stunden im Grünen (ZnSe) erreicht.

Das Ziel ist momentan, blaugrüne Halbleiterlaser mit einer Lebensdauer von 100.000 Stunden herzustellen, die dann von der Industrie gut verwendet werden können. Gleichzeitig wollen sie die Leistung natürlich auch deutlich steigern. Während die Leistung von Nichia bei dem 300 Stunden-Rekord noch $2\ mW$ war, soll dieser Laser schon bis zu $50\ mW$ im Labor erbringen. Kommerziell erhältlich sind bereits Module (mehrere Halbleiterlaser, die von einem ,,Master`` auf eine gemeinsame Frequenz gezwungen werden) mit über $20\ W$ bei $804-810\ nm$ (Infrarot). [35]

Im Laufe des Jahres 1999 sollen blaugrüne und ultraviolette Laserdioden dann kommerziell auf den Markt kommen. [16]

Einsatzgebiet von Diodenlasern

InGaAlP-Laserdioden bei $670\ nm$, GaAlAs-Laserdioden bei $750\ nm$ bis $870\ nm$, InGaAs-Laserdioden bei $950\ nm$ und InGaAsP-Laserdioden bei $1300\ nm$ und $1550\ nm$ finden z.B. bei der Spektroskopie Einsatz. [5]

Laserdioden bei $850\ nm$ und $1300\ nm$ mit einigen hundert $mW$ finden in der Nachrichtentechnik Anwendung. Letzterer ist ein Wellenlängenbereich bei dem Glasfaserkabel besonders dämpfungsarm sind. [5]

Zudem lassen sich Laserdioden sehr gut modulieren^4.16; man kann also auf dem Laserstrahl Daten in hohem Tempo zu übertragen.

Leistungsstarke Laserdioden sind nun auch im sichtbaren (roten) Bereich von $670\ nm$ erhältlich. Mit den gerade in Entwicklung befindlichen Laserdioden im grünen und blauen Bereich [15,16,17] wäre z.B. ein ,,Lasermonitor`` oder -fernseher denkbar, wo mittels drei farbiger Laser (oder eines dreifarbigen) das Bild auf die Wand projeziert wird (in der Telekommunikation, z.B. für Terrabit-Router, werden schon Halbleiterlaser entwickelt, die auf mehreren Frequenzen senden).

Besonders bei den neuen DVD-CD-ROMs werden Halbleiterlaser verwendet [26]:
Ihre Stärken, der geringe Energie- und Platzverbrauch, kommen dabei voll zum Tragen, während ihre Nachteile (fehlende Frequenzstabilität, Durchstimmbarkeit und Leistung) hier unwichtig sind.

Abstandsmessung und Temporegulierung durch Laser [17] Auch in der Automobil-Elektronik werden Halbleiterlaser bereits eingesetzt: Eine Geschwindigkeits- und Abstandssteuerung für das Auto (insbesondere auf Autobahnen) kann das Unfallrisiko deutlich verringern. [17]

In der Lasermedizin sind Halbleiterlaser praktisch um z.B. Korrekturen an der Netzhaut des Auges durchzuführen - hier werden Laser mit weniger als $1\ mW$ benötigt - ab da kann das Auge ernsthaft geschädigt werden, wie es bei zu starken Laserpointern möglich ist:

Fehlerhafte Laserdioden werden dabei gerne eingesetzt:
Leichte Fehler im Strahlenbild werden durch die Linse ausgeglichen, und der erzeugte Lichtpunkt muss ja keine besonderen Eigenschaften aufweisen - nicht einmal rund muss er sein, lediglich gut sichtbar und klein. Laserpointer sind also eine sinnvolle Art, Ausschuß-Produktion ebenfalls zu verwenden.

Leider sind viele Laserpointer in der Leistung stärker, als sie deklariert sind (oder sie tragen nur die amerikanische Deklaration ,,IIIA``, was meist dem deutschen Standard ,,3B`` entspricht, bei dem Schutzbrillen getragen werden müssen!) und können daher das Auge schädigen! [14]

Fußnoten

... Festkörperlaser^4.1

Laser mit einem soliden Lasermedium wie einem Kristall, meist durch Blitzlampen gepumpt

... Farbstofflaser^4.2

Ein Laser strahlt in einen Farbstoff und bringt diesen dazu, selbst zu lasern. Mit Farbstofflasern lässt sich fast jede gewünschte Wellenlänge erreichen, sie sind hervorragend durchstimmbar.

... gepulster^4.3

kurze Lichtblitze, vgl. Kapitel A.1.2, Seite

... cw-Betrieb^4.4

continuous-wave, ,,Dauerstrich``-Betrieb, vgl. Kapitel A.1.3, Seite

... single-mode^4.5

emittiert nur auf einer Wellenlänge

... n-dotierten^4.6

mit Verunreinigungen versehen, siehe Kapitel 3.3, Seite

... Bandlücke^4.7

siehe Kapitel 3.2, Seite

... Ferminiveaus^4.8

siehe Anhang A.2.6, Seite

... II-VI^4.9

Die römischen Ziffern bezeichnen die chemischen Hauptgruppen im Periodensystem, aus dem die im Halbleiter verwendeten Elemente stammen.

... Laserresonatormoden^4.10

Frequenzen, deren halbe Wellenlänge $\lambda / 2$ ganzzahlig in den Resonator passt. Auf diesen Frequenzen kann der Laser gleichzeitig emittieren

... Bandlücke^4.11

siehe Kapitel 3.2, Seite

... Modensprünge^4.12

schlagartiger Wechsel der Wellenlänge, siehe Anhang A.2.5, Seite

... Durchstimmbarkeit^4.13

Kann auf jede gewünschte Frequenz eingestellt werden, siehe Kapitel 4.3.2, Seite sowie Anhang A.2.4, Seite

... Linienbreiten^4.14

Freuqenzbereich um die gewünschte Wellenlänge, in dem der Laser emittiert

... cw-Betrieb^4.15

continuos-wave, ,,Dauerstrich``-Betrieb, siehe Kapitel A.1.3, Seite

... modulieren^4.16

sie reagieren sehr schnell auf Stromschwankungen u.Ä.