Lang lebe der Laser!

Diodenlaser mit Emissionswellenlängen von 650 Nanometern haben vielfältige Einsatzgebiete, beispielsweise in der Medizin zur photodynamischen Krebstherapie oder in der Augenheilkunde, zum Pumpen von Femtosekundenlasern oder in der Displaytechnologie.

Im Vergleich zu Lasern im NIR-Bereich zwischen 730 und 1100 Nanometern weisen rote Diodenlaser eine geringere interne Effizienz, eine höhere Temperaturempfindlichkeit von Schwellenstrom und Wirkungsgrad und eine schlechtere Wärmeabfuhr auf. Dies resultiert aus den geringeren Barrierenhöhen für Elektronen und Löcher im Materialsystem (Al)GaInP sowie der geringeren Wärmeleitfähigkeit dieses quaternären Materials im Vergleich zu AlGaAs. Damit werden hohe Anforderungen an Schichtdesign, Herstellungsprozess und eine Montage mit minimalem Wärmewiderstand gestellt.

Die am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) entwickelten roten Breitstreifenlaser (100 Mikrometer x 1,5 Millimeter) mit einem GaInP Quantentrog, Al_0,36Ga_0,16In_0,48P-Wellenleiterschichten, einer AlInP n-Mantelschicht und Al_0,85Ga_0,15As-p-Mantelschicht erreichen bei 15 Grad Celsiu eine Ausgangsleistung von 2,5 Watt bei einem Konversionswirkungsgrad von 35 Prozent.

AlGaAs kann als p-Mantelschicht mit Kohlenstoff sehr hoch dotiert werden. Während die p-Dotierung von AlGaInP mit Zink auf maximal 5 x 10¹⁷ cm^-3 begrenzt ist, führt und die Dotierung mit Magnesium zu erheblichen Erinnerungseffekten. Al_0.85Ga_0.15As als p-Mantelschicht hat aber nicht nur einen geringeren elektrischen sondern auch einen geringeren thermischen Widerstand. Bei Aufbau mit der p-Seite nach unten auf Diamantträger mit AuSn-Lot wird ein thermischer Widerstand von nur 5 Kelvin pro Watt erreicht.

Aus Alterungstests über 20.000 Stunden bei bis zu 1,2 Watt lässt sich mit der ermittelten Degradationsrate von 3x10^-6 pro Stunde eine mittlere Betriebsdauer bis zum Ausfall von über 80.000 Stunden bei 1,2 Watt extrapolieren. Dies übertrifft die bisher veröffentlichten Werte deutlich.

FBH / PH