Neuartiger Diamant-gekühlter Membran-Laser

Neue Generation von Halbleiterlasern

  • © StuartMiles, www.freerangestock.com© StuartMiles, www.freerangestock.com
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  • Abb. 1: Bild einer prozessierten Halbleiter-Membran, festgeklebt auf einen Silizium-Träger
  • Abb. 2: Elektronenmikroskopaufnahme einer Halbleiter-Membran in Schrägansicht mit erkennbaren fünf QW-Paketen. Die Oberfläche ist nach dem beschriebenen Prozess atomar glatt, bis auf einige Prozessverunreinigungen, die mechanisch entfernt werden können.
  • Abb. 3: Fotografie eines 1mm2 kleinen Membranstücks zwischen zwei Diamantscheibchen.
  • Abb. 4: Bild des Diamant-Membran-Sandwich im Probenhalter innerhalb des Laserresonators. Im Hintergrund ist einer der Resonatorspiegel zu erkennen.
  • Abb. 5: Fotografie des MECSELs im Laserbetrieb. Im rechten Drittel sitzt die Halbleitermembran, die von dem 532 nm Pumplaser angeregt wird. In der Mitte wurde der doppelbrechende Filter zur Wellenlängendruchstimmung platziert.
  • Abb. 6: Leistungskurve des Membranlasers bei einer Temperatur von 10°C. Die erzielte Ausgangsleistung lag bei diesem Experiment bei 600 mW. Bei 4 W Pumpleistung wird die Membran aufgrund eines nicht perfekten thermischen Kontaktes der Membran mit dem Diamant zerstört.
Physikern der Universität Stuttgart gelang jetzt ein technologischer Durchbruch, der die zur Verfügung stehende Auswahl an Laserwellenlängen drastisch erweitert und dadurch neue Anwendungen ermöglicht.
 
Im Gegensatz zu konventionellen Festkörperlasern eignen sich Halbleiterlaser wegen ihrer Kompaktheit besonders gut zum Einbau in komplexe Geräte. Jedoch besitzen klassische Laserdioden einige Nachteile: Leistungen im Wattbereich werden kaum erreicht und die Intensitätsverteilung des emittierten Strahls weicht vom optimalen Gauß-Strahl stark ab, was die Einkopplung von Licht in Glasfasern schwierig gestaltet. Die Erfindung des Festkörper-Scheibenlasers in der Mitte der 90er Jahre befruchtete jedoch auch den Halbleiterbereich. Das Scheibenlaser-Konzept verbesserte die Wärmeabfuhr aus dem Laser-Medium heraus drastisch und verhinderte eine frühzeitige Überhitzung oder sogar dessen Zerstörung. Dadurch wurden die Betriebsgrenzen solcher Systeme zu weit höheren Leistungen verschoben. Durch die Realisierung von Halbleiter-Scheibenlasern stehen heute diese Halbleiterlaser konventionellen Systemen wie Yttrium-Aluminium-Granat-Lasern oder Helium-Neon-Lasern bezüglich der Strahlqualität in nichts nach.
 
Wie können nun Halbleiter-Scheibenlaser in ihrer Ausgangsleistung verbessert werden, ohne ihre wunderbaren Eigenschaften zu verlieren? Dieser Frage gingen Wissenschaftler vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen um Prof. Dr. Peter Michler und Dr. Michael Jetter und vom Institut für Strahlwerkzeuge um Prof. Dr. Thomas Graf und Dr. Uwe Brauch nach. Die entscheidende Lösung klingt simpel und ist konsequent, jedoch wie so oft in der Praxis eine Herausforderung. Da Halbleiter selbst eher schlechte Wärmeleiter darstellen, lässt man einfach alle Bestandteile der Halbleiterstruktur weg, die nicht unbedingt für den Laser benötigt werden: Das Trägersubstrat, auf dem die Halbleiterschichten abgeschieden werden, hat im Laserbetrieb keine Funktion und kann entfernt werden, ebenso der bei Halbleiter-Scheibenlasern stets in das Bauteil integrierte Halbleiterspiegel (engl.: distributed Bragg reflector, DBR), der durch externe Spiegel ersetzt werden kann.

Übrig bleibt einzig die nur wenige hundert Nanometer dicke laseraktive Zone des Halbleiterbauteils, die zur mechanischen Stabilisierung, vor allem aber zur besseren Wärmeabfuhr zwischen zwei Diamantscheibchen gepresst wird. Diamant – als bester verfügbarer Wärmeleiter (fünfmal besser als Kupfer) und zusätzlich transparent – eignet sich hervorragend als integrierter Kühlkörper. Für eine verbesserte Lasercharakteristik muss die Wärmeabfuhr maximiert werden. Essentiell ist daher auch ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen Halbleiter-Membran und Diamant, was eine optimierte Halbleiter-Prozessierung erfordert. Hier kommt es besonders darauf an im Submikrometerbereich glatte Oberflächen herzustellen und diese auf die Diamantscheibchen zu fixieren.

 
Herstellung
 
Die laseraktive Zone wird mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie hergestellt. Auf ein Galliumarsenid (GaAs)-Trägersubstrat wird eine 200 nm-Ablöseschicht aus Aluminiumarsenid (AlAs) abgeschieden, auf die wiederum die entscheidenden laseraktiven Halbleiterschichten mit einer Gesamtdicke von ungefähr 600 nm folgen. Die AlAs-Schicht wurde gewählt, da sie hochselektiv von der laseraktiven Zone mit den nachfolgenden nasschemischen Prozessen entfernt werden kann und somit eine äußerst glatte Oberfläche der Membran erreicht wird. Diese beinhaltet 20 Gallium-Indium-Phosphid-Quantenfilme (engl.: quantum well, QW), die das rote Laserlicht erzeugen und effizient verstärken. Sie sind von Halbleitermaterialien mit größerer Bandlücke (Barrieren) umgeben, die für die Absorption des Pumplichts sorgen (> 90 %). Die QWs sind dabei in Paketen jeweils im Maximum des elektrischen Stehwellenfeldes in der Halbleiterstruktur positioniert, was zu einer Erhöhung der Verstärkung und zu einer Verringerung der Schwellenleistung des Halbleiter- Membranlasers führt.
 
Membran-Prozessierung
 
Nach der Epitaxie liegt bereits eine Fläche der aktiven Zone frei und weist aufgrund des homogenen Wachstums keine Unebenheiten auf. Zum Schutz vor den folgenden nasschemischen Ätzverfahren und zur besseren Handhabung der Probe wird diese Seite daher mit einem Prozessharz (Crystalbond) auf einen Silizium-Träger geklebt.
 
Das nun obenliegende GaAs-Substrat wird bei Raumtemperatur mit einer Ammoniumhydroxid-Ätzlösung (NH4OH:H2O2) entfernt. Dabei ist eine weiß-graue Verfärbung der sonst anthrazitfarbenen matten GaAs-Oberfläche auszumachen. Durch kontinuierliches Rühren werden angelöste Schichten nacheinander abtransportiert. Dieser Vorgang wird bei der rötlich schimmernden, transparenten Reststruktur bestehend aus der AlAs-Ablöseschicht und der aktiven Zone unterbrochen.
 
Ein restloses Entfernen der AlAs-Schicht wird durch kurzes Eintauchen in eine verdünnte Flusssäure-Lösung erreicht. Zurück bleibt einzig die 600 nm dünne, freigelegte aktive Zone, welche nur noch auf dem Silizium-Träger klebt (siehe Abb. 1). Nun kann zur Kontrolle des nasschemischen Verfahrens ein kleiner Teil des Trägersubstrats mit Membran darauf im Elektronenmikroskop untersucht werden (siehe Abb.2). Spezielles Augenmerk ist dabei auf die Oberfläche, etwaige Rückstände oder Beschädigungen der aktiven Region, zu richten. Fällt die Qualitätskontrolle positiv aus, kann mit dem übrigen Material weiter wie folgt verfahren werden: Das Prozessharz wird in Aceton aufgelöst, sodass die rötlich transparente Membran, bestehend aus der laseraktiven Region, in der Lösung schwimmt. Das Aceton wird danach vorsichtig durch sauberes Aceton, und danach durch Isopropanol ersetzt um Verunreinigungen der Membran und der Lösung zu minimieren.
 
Im nächsten Schritt wird ein kleines Membranstück (ca. 1mm2) aus der Isopropanollösung entnommen und auf einen der Diamantwärmespreizer platziert. Das zweite Diamantscheibchen wird nun so auf die Membran positioniert, dass die Adhäsionskräfte der Lösung für ein glattes Aufliegen sorgen. Das Diamant-Membran-Diamant-Sandwich (siehe Abb. 3) wird in einen dafür gefertigten Halter gelegt. Über ein Schraubgewinde wird die Halbleitermembran zwischen die Diamanten verpresst, was zur Fixierung des Sandwichs und gleichzeitig zu einer Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen Diamantscheibchen und Membran führt (siehe Abb. 4).
 
Laseraufbau
 
Dieser Membranhalter kann nun in einen Laserresonator eingebaut werden. Die Membran wird in der Strahltaille der sich ausbildenden Mode positioniert. Über ein Peltier-Kühlelement wird der gesamte Membranhalter auf 10 °C gekühlt. Die optische Anregung der roten Membran erfolgt mit einem Festkörperlaser bei 532 nm. Zusätzlich können optische Komponenten wie ein doppelbrechender Filter (siehe Abb. 5) zur Wellenlängendurchstimmung oder ein nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung eingebaut werden.
 
Der Membranlaser ist aufgrund der besseren Wärmeabfuhr effizienter als ein konventioneller Scheibenlaser mit integriertem Halbleiterspiegel, was letztendlich bei einer Schwellenleistung von 1 W zu einer höheren Ausgangsleistung von 600 mW führt (siehe Abb. 5). Die Wellenlänge kann bei gleichbleibend hoher Strahlqualität um 26 nm durchgestimmt werden. 
 
Fazit
 
Die bisherigen Ergebnisse verdeutlichen, dass ein attraktives, neuartiges Lasersystem entwickelt wurde, das einige Vorteile im Vergleich zu konventionellen Halbleiter-Scheibenlasern birgt. Dadurch dass der integrierte Halbleiterspiegel nicht mehr benötigt wird, verschwindet einerseits die leistungshemmende Wärmebarriere, sodass auf Anhieb eine hohe Leistung erzielt werden konnte. In Zukunft sind weitere Leistungssteigerungen zu erwarten, hauptsächlich aufgrund verbesserter Verfahren zur Verbindung von Diamant und Halbleitermembran und somit weiter verbesserter Wärmeabfuhr aus der laseraktiven Region heraus.
 
Andererseits erweitern sich auch die als Halbleiter-Membranlaser realisierbaren Emissionswellenlängen, da Absorptionseffekte, die den Materialien der integrierten Halbleiterspiegel zugrunde liegen, ebenfalls verschwinden.
 
In Zukunft können auf Basis dieser Technologie neue Laser realisiert werden, die bisher als kompakter Halbleiterlaser undenkbar waren und in neuen Farben wie Gelb oder Orange arbeiten.
 
Autoren
Raffael Pecoroni1, Hermann Kahle1, Cherry May N. Mateo2, Uwe Brauch2, Roman Bek1, Michael Jetter1, Thomas Graf2, Peter Michler1
 
Zugehörigkeiten
1IHFG und SCoPE, Universität Stuttgart, Deutschland
2IFSW und SCoPE, Universität Stuttgart, Deutschland
 
Kontakt 
Michael Jetter
Institut für Halbleiteroptik und 
Funktionelle Grenzflächen-IHFG
Stuttgart
 
 

Referenzen:
Semiconductor membrane external-cavity surface-emitting laser (MECSEL)
Hermann Kahle, Cherry May N. Mateo, Uwe Brauch, Philipp Tatar-Mathes, Roman Bek, Michael Jetter, Thomas Graf, and Peter Michler,
Optica 3, 1506-1512 (2016).
URL: https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-3-12-1506&id=356211

The optically pumped semiconductor membrane external-cavity surface-emitting laser (MECSEL): a concept based on a diamond-sandwiched active region
Hermann Kahle, Cherry May N. Mateo, Uwe Brauch, Roman Bek, Michael Jetter, Thomas Graf, and Peter Michler
Proc. SPIE 10087, Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) VII, 100870J (February 27, 2017);
URL: http://dx.doi.org/10.1117/12.2252182 

 

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