{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:2458"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:2458","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Herstellung und Charakterisierung von Gruppe III-Nitrid Laserdioden","abstract":"Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von violett-emittierenden Rippenwellenleiterdiodenlasern auf der Basis der Gruppe III-Nitride. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von freitragendem GaN-Substrat in ausreichender Qualität trägt die Wahl des Fremdsubstrats für das defektarme Wachstum von (AlGaIn)N-Schichtstrukturen entscheidend zu Verbesserung der Laserkenndaten bei. In dieser Arbeit wurden die gleiche Laserschichtstruktur auf der Basis von drei Ga0,93In0,07N-Quantenfilmen mit GaN-Barrieren mittels MOCVD auf verschiedenen Substraten aufgewachsen. Neben Saphir-Substraten wurden sogenannte GaN-Quasisubstrate und ein freitragendes GaN-Substrat zur Herstellung der (AlGaIn)N-Laserschichtstruktur verwendet. Um die Auswirkungen der Defektreduktion durch die verschiedenen Substrate auf die Laserkenndaten zu betrachten, wurden Rippenwellenleiterlaserdioden mit geätzten Spiegelfacetten und lateralem Stromfluß hergestellt. Durch die Reduktion der Defektdichte um fast zwei Größenordnungen durch den Übergang von Saphir (2-109cm-2) auf sog. GaN ULD Templates (1-10E8cm-2) konnte die Einsatzspannung um 15% auf 11,0V gesenkt werden. Die Schwellenstromdichte konnte gleichzeitig von 215mA auf 150mA reduziert werden, was einer Verbesserung von 30% entspricht.
Um die für GaN-basierte Laserdioden benötigten hohen Stromdichten zu realisieren, wurde im zweiten Teil dieser Arbeit ein Herstellungsprozeß entwickelt, der die Realisierung von Rippenwellenleiterdiodenlasern mit einer minimalen Rippenbreite von 2µm ermöglichte. Die Verringerung der minimalen Rippenbreite von 4µm auf 2µm führte zu einer Verbesserung des Schwellenstromes von 500µm langen Laserdioden von 205mA auf 115mA. Durch eine schonendere Prozeßführung konnte die Betriebspannung der Laserdioden um 30% auf 13,1V verbessert werden. Diese Ergebnis läßt sich auf die Verbesserung der p- und n-Kontakt- und Schichtwiderstände zurückführen. Darüber hinaus konnten Laserdioden auf einem freistehendem GaN-Substrat hergestellt werden. Dazu wurde ein Prozeß zur Herstellung von Laserdioden mit gespaltenen Laserfacetten und rückseitigem n-Kontakt mit vertikalen Stromfluß entwickelt. Durch die vertikale Stromführung und die gespaltenen Facetten konnte die Schwellenstromdichte von 42 kA/cm² um 60% auf 24,5 kA/cm² reduziert werden.
Im dritten Teil wurde die Entstehung von lateralen Fernfeldern dieses Materialsystems simuliert und mit Messungen verglichen.
Durch die Verwendung von defektreduzierten Substraten, der Optimierung der Schichtstruktur und der Prozeßführung und der Möglichkeit, die Rippenbreite auf 2µm zu reduzieren, konnte der elektrische Schwellenstrom, der zu Beginn dieser Arbeit bei 290mA auf 120mA gesenkt werden. Die elektrische Verlustleistung sank dabei von 6,5W auf 1,4W.","abstract_html":"Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von violett-emittierenden Rippenwellenleiterdiodenlasern auf der Basis der Gruppe III-Nitride. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von freitragendem GaN-Substrat in ausreichender Qualität trägt die Wahl des Fremdsubstrats für das defektarme Wachstum von (AlGaIn)N-Schichtstrukturen entscheidend zu Verbesserung der Laserkenndaten bei. In dieser Arbeit wurden die gleiche Laserschichtstruktur auf der Basis von drei Ga0,93In0,07N-Quantenfilmen mit GaN-Barrieren mittels MOCVD auf verschiedenen Substraten aufgewachsen. Neben Saphir-Substraten wurden sogenannte GaN-Quasisubstrate und ein freitragendes GaN-Substrat zur Herstellung der (AlGaIn)N-Laserschichtstruktur verwendet. Um die Auswirkungen der Defektreduktion durch die verschiedenen Substrate auf die Laserkenndaten zu betrachten, wurden Rippenwellenleiterlaserdioden mit geätzten Spiegelfacetten und lateralem Stromfluß hergestellt. Durch die Reduktion der Defektdichte um fast zwei Größenordnungen durch den Übergang von Saphir (2-109cm-2) auf sog. GaN ULD Templates (1-10E8cm-2) konnte die Einsatzspannung um 15% auf 11,0V gesenkt werden. Die Schwellenstromdichte konnte gleichzeitig von 215mA auf 150mA reduziert werden, was einer Verbesserung von 30% entspricht. <br>Um die für GaN-basierte Laserdioden benötigten hohen Stromdichten zu realisieren, wurde im zweiten Teil dieser Arbeit ein Herstellungsprozeß entwickelt, der die Realisierung von Rippenwellenleiterdiodenlasern mit einer minimalen Rippenbreite von 2µm ermöglichte. Die Verringerung der minimalen Rippenbreite von 4µm auf 2µm führte zu einer Verbesserung des Schwellenstromes von 500µm langen Laserdioden von 205mA auf 115mA. Durch eine schonendere Prozeßführung konnte die Betriebspannung der Laserdioden um 30% auf 13,1V verbessert werden. Diese Ergebnis läßt sich auf die Verbesserung der p- und n-Kontakt- und Schichtwiderstände zurückführen. Darüber hinaus konnten Laserdioden auf einem freistehendem GaN-Substrat hergestellt werden. Dazu wurde ein Prozeß zur Herstellung von Laserdioden mit gespaltenen Laserfacetten und rückseitigem n-Kontakt mit vertikalen Stromfluß entwickelt. Durch die vertikale Stromführung und die gespaltenen Facetten konnte die Schwellenstromdichte von 42 kA/cm² um 60% auf 24,5 kA/cm² reduziert werden. <br>Im dritten Teil wurde die Entstehung von lateralen Fernfeldern dieses Materialsystems simuliert und mit Messungen verglichen. <br>Durch die Verwendung von defektreduzierten Substraten, der Optimierung der Schichtstruktur und der Prozeßführung und der Möglichkeit, die Rippenbreite auf 2µm zu reduzieren, konnte der elektrische Schwellenstrom, der zu Beginn dieser Arbeit bei 290mA auf 120mA gesenkt werden. Die elektrische Verlustleistung sank dabei von 6,5W auf 1,4W.","abstract_has_math":false,"creators":["Vollrath, Frank"],"institution":null,"degree_name":null,"degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":["Wagner, Joachim"],"advisors":[],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":null,"date_issued":"","date_published":null,"updated_at":"2026-07-24T02:22:46Z","subjects":["InGaN","Defektdichte","Prozessierung, Quasisubstrate","defect density","processing, Quasisubstrates"],"languages":[],"rights":[],"rights_urls":[],"identifier_entries":[]},"links":{"outbound_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/data/2458","outbound_label":"Repository record","outbound_source":"source_url"},"metadata_groups":[{"id":"people","label":"People","entries":[{"key":"dc:contributor","label":"Contributor","values":["Wagner, Joachim"]},{"key":"dc:creator","label":"Author","values":["Vollrath, Frank"]}]},{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["DoctoralThesis"]}]},{"id":"subjects_keywords","label":"Subjects and Keywords","entries":[{"key":"dc:subject","label":"Dc Subject","values":["InGaN","Defektdichte","Prozessierung, Quasisubstrate","defect density","processing, Quasisubstrates"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description.abstract","label":"Abstract","values":["Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von violett-emittierenden Rippenwellenleiterdiodenlasern auf der Basis der Gruppe III-Nitride. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von freitragendem GaN-Substrat in ausreichender Qualität trägt die Wahl des Fremdsubstrats für das defektarme Wachstum von (AlGaIn)N-Schichtstrukturen entscheidend zu Verbesserung der Laserkenndaten bei. In dieser Arbeit wurden die gleiche Laserschichtstruktur auf der Basis von drei Ga0,93In0,07N-Quantenfilmen mit GaN-Barrieren mittels MOCVD auf verschiedenen Substraten aufgewachsen. Neben Saphir-Substraten wurden sogenannte GaN-Quasisubstrate und ein freitragendes GaN-Substrat zur Herstellung der (AlGaIn)N-Laserschichtstruktur verwendet. Um die Auswirkungen der Defektreduktion durch die verschiedenen Substrate auf die Laserkenndaten zu betrachten, wurden Rippenwellenleiterlaserdioden mit geätzten Spiegelfacetten und lateralem Stromfluß hergestellt. Durch die Reduktion der Defektdichte um fast zwei Größenordnungen durch den Übergang von Saphir (2-109cm-2) auf sog. GaN ULD Templates (1-10E8cm-2) konnte die Einsatzspannung um 15% auf 11,0V gesenkt werden. Die Schwellenstromdichte konnte gleichzeitig von 215mA auf 150mA reduziert werden, was einer Verbesserung von 30% entspricht.
Um die für GaN-basierte Laserdioden benötigten hohen Stromdichten zu realisieren, wurde im zweiten Teil dieser Arbeit ein Herstellungsprozeß entwickelt, der die Realisierung von Rippenwellenleiterdiodenlasern mit einer minimalen Rippenbreite von 2µm ermöglichte. Die Verringerung der minimalen Rippenbreite von 4µm auf 2µm führte zu einer Verbesserung des Schwellenstromes von 500µm langen Laserdioden von 205mA auf 115mA. Durch eine schonendere Prozeßführung konnte die Betriebspannung der Laserdioden um 30% auf 13,1V verbessert werden. Diese Ergebnis läßt sich auf die Verbesserung der p- und n-Kontakt- und Schichtwiderstände zurückführen. Darüber hinaus konnten Laserdioden auf einem freistehendem GaN-Substrat hergestellt werden. Dazu wurde ein Prozeß zur Herstellung von Laserdioden mit gespaltenen Laserfacetten und rückseitigem n-Kontakt mit vertikalen Stromfluß entwickelt. Durch die vertikale Stromführung und die gespaltenen Facetten konnte die Schwellenstromdichte von 42 kA/cm² um 60% auf 24,5 kA/cm² reduziert werden.
Im dritten Teil wurde die Entstehung von lateralen Fernfeldern dieses Materialsystems simuliert und mit Messungen verglichen.
Durch die Verwendung von defektreduzierten Substraten, der Optimierung der Schichtstruktur und der Prozeßführung und der Möglichkeit, die Rippenbreite auf 2µm zu reduzieren, konnte der elektrische Schwellenstrom, der zu Beginn dieser Arbeit bei 290mA auf 120mA gesenkt werden. Die elektrische Verlustleistung sank dabei von 6,5W auf 1,4W.","In the present thesis the processing and characterisation of violet-emitting laser diodes based on group III-nitride were studied. Because of limitting quality and availability of freestanding GaN-substrate the choice of foreign substrates for defect density reducing of the epitaxial (AlGaIn)N-layers is very important to improve the laser properties. By growing identical laser structures by MOCVD on sapphire substrates, GaN templates and freestanding GaN substrates the influence of the defect density in the epitaxial layers on the diode laser properties was studied. Laser diodes with etched mirror facets and lateral current flow were fabricated. As a result of reducing the defect density from 2x10E9cm-2 for growth on sapphire substrates to 1x10E8cm-2 for growth on GaN ULD templates, the threshold voltage and current were decreased by 15 % to 11,0V. and 30% to 150mA respectivly. In the second part different processes for laser diode fabrication with minimum ridge width of 2µm were presented. The reduction of ridge width from 4µm to 2µm led to a reduction in the threshold current of 205mA to 115mA. The new developed process lead to a threshold voltage of 30% to 13,1V. This result were attributed to the advantage of low p- and n- contact- and sheet resistances by a more gentle fabrication process. Furthermore a process were developed for laser diodes with cleaved mirror facets and vertical current flow. As a result of this process the threshold current density was reduced by 60% to 24,5 kA/cm-2.
The third part deals with the with an in-depth analysis of the lateral far-field of differently fabricated laser diodes.
By using defect reduced substrates, optimizing the layer structure and reducing the minimal ridge width to 2µm with a gentle processing sequence the threshold current were reduced from beginning of this work from 290mA to 120mA at the end. The electrical power dissipation decreased from 6,5W to 1,4W."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Herstellung und Charakterisierung von Gruppe III-Nitrid Laserdioden","Fabrication and characterisation of Group III-nitrid laser diodes"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Wagner, Joachim"],"dc:creator":["Vollrath, Frank"],"dc:description.abstract":["Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von violett-emittierenden Rippenwellenleiterdiodenlasern auf der Basis der Gruppe III-Nitride. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von freitragendem GaN-Substrat in ausreichender Qualität trägt die Wahl des Fremdsubstrats für das defektarme Wachstum von (AlGaIn)N-Schichtstrukturen entscheidend zu Verbesserung der Laserkenndaten bei. In dieser Arbeit wurden die gleiche Laserschichtstruktur auf der Basis von drei Ga0,93In0,07N-Quantenfilmen mit GaN-Barrieren mittels MOCVD auf verschiedenen Substraten aufgewachsen. Neben Saphir-Substraten wurden sogenannte GaN-Quasisubstrate und ein freitragendes GaN-Substrat zur Herstellung der (AlGaIn)N-Laserschichtstruktur verwendet. Um die Auswirkungen der Defektreduktion durch die verschiedenen Substrate auf die Laserkenndaten zu betrachten, wurden Rippenwellenleiterlaserdioden mit geätzten Spiegelfacetten und lateralem Stromfluß hergestellt. Durch die Reduktion der Defektdichte um fast zwei Größenordnungen durch den Übergang von Saphir (2-109cm-2) auf sog. GaN ULD Templates (1-10E8cm-2) konnte die Einsatzspannung um 15% auf 11,0V gesenkt werden. Die Schwellenstromdichte konnte gleichzeitig von 215mA auf 150mA reduziert werden, was einer Verbesserung von 30% entspricht.
Um die für GaN-basierte Laserdioden benötigten hohen Stromdichten zu realisieren, wurde im zweiten Teil dieser Arbeit ein Herstellungsprozeß entwickelt, der die Realisierung von Rippenwellenleiterdiodenlasern mit einer minimalen Rippenbreite von 2µm ermöglichte. Die Verringerung der minimalen Rippenbreite von 4µm auf 2µm führte zu einer Verbesserung des Schwellenstromes von 500µm langen Laserdioden von 205mA auf 115mA. Durch eine schonendere Prozeßführung konnte die Betriebspannung der Laserdioden um 30% auf 13,1V verbessert werden. Diese Ergebnis läßt sich auf die Verbesserung der p- und n-Kontakt- und Schichtwiderstände zurückführen. Darüber hinaus konnten Laserdioden auf einem freistehendem GaN-Substrat hergestellt werden. Dazu wurde ein Prozeß zur Herstellung von Laserdioden mit gespaltenen Laserfacetten und rückseitigem n-Kontakt mit vertikalen Stromfluß entwickelt. Durch die vertikale Stromführung und die gespaltenen Facetten konnte die Schwellenstromdichte von 42 kA/cm² um 60% auf 24,5 kA/cm² reduziert werden.
Im dritten Teil wurde die Entstehung von lateralen Fernfeldern dieses Materialsystems simuliert und mit Messungen verglichen.
Durch die Verwendung von defektreduzierten Substraten, der Optimierung der Schichtstruktur und der Prozeßführung und der Möglichkeit, die Rippenbreite auf 2µm zu reduzieren, konnte der elektrische Schwellenstrom, der zu Beginn dieser Arbeit bei 290mA auf 120mA gesenkt werden. Die elektrische Verlustleistung sank dabei von 6,5W auf 1,4W.","In the present thesis the processing and characterisation of violet-emitting laser diodes based on group III-nitride were studied. Because of limitting quality and availability of freestanding GaN-substrate the choice of foreign substrates for defect density reducing of the epitaxial (AlGaIn)N-layers is very important to improve the laser properties. By growing identical laser structures by MOCVD on sapphire substrates, GaN templates and freestanding GaN substrates the influence of the defect density in the epitaxial layers on the diode laser properties was studied. Laser diodes with etched mirror facets and lateral current flow were fabricated. As a result of reducing the defect density from 2x10E9cm-2 for growth on sapphire substrates to 1x10E8cm-2 for growth on GaN ULD templates, the threshold voltage and current were decreased by 15 % to 11,0V. and 30% to 150mA respectivly. In the second part different processes for laser diode fabrication with minimum ridge width of 2µm were presented. The reduction of ridge width from 4µm to 2µm led to a reduction in the threshold current of 205mA to 115mA. The new developed process lead to a threshold voltage of 30% to 13,1V. This result were attributed to the advantage of low p- and n- contact- and sheet resistances by a more gentle fabrication process. Furthermore a process were developed for laser diodes with cleaved mirror facets and vertical current flow. As a result of this process the threshold current density was reduced by 60% to 24,5 kA/cm-2.
The third part deals with the with an in-depth analysis of the lateral far-field of differently fabricated laser diodes.
By using defect reduced substrates, optimizing the layer structure and reducing the minimal ridge width to 2µm with a gentle processing sequence the threshold current were reduced from beginning of this work from 290mA to 120mA at the end. The electrical power dissipation decreased from 6,5W to 1,4W."],"dc:format.medium":["application/pdf"],"dc:subject":["InGaN","Defektdichte","Prozessierung, Quasisubstrate","defect density","processing, Quasisubstrates"],"dc:title":["Herstellung und Charakterisierung von Gruppe III-Nitrid Laserdioden","Fabrication and characterisation of Group III-nitrid laser diodes"],"dc:type":["DoctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T02:22:46Z"}