Thermography of semiconductor lasers [Elektronische Ressource] : from thermal emission of semiconductors towards a novel analytical tool for optoelectronic devices / von Mathias Ziegler

Ziegler Mathias

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• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: English
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Extrait

Thermography of Semiconductor Lasers
From Thermal Emission of Semiconductors towards a Novel
Analytical Tool for Optoelectronic Devices
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Mathias Ziegler
geboren am 16.11.1977 in Berlin
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. Thomas Elsässer
2. Prof. Dr. W. Ted Masselink
3. Prof. Dr. Joachim Wagner
eingereicht am: 24.02.2009
Tag der mündlichen Prüfung: 19.06.2009iiAbstract
Semiconductor lasers are unequaled efficient light sources, reaching efficien-
cies of more than 70%. Nevertheless, thermal limits govern their reliable
application, in particular in the field of high power densities. The analysis
of thermal properties and degradation processes in such devices contributes
essentially to the understanding of these limits. This work exploits thermog-
raphy as an innovative analytical technique for such purpose. Starting from
measurements of the thermal emission from semiconductor laser structures,
thethermographicmethodologyisdiscussed, takingintoaccountthephysical
properties of the semiconductor materials. Basing on these considerations,
experimental studies on thermal characterization of high-power laser diodes
are presented.
Planck’s law allows for a radiometric detection of temperatures. In this
work, the important physical parameter emissivity is measured spectrally
resolved for both semiconductors and semiconductor laser structures and is
related to fundamental physical properties. Based on that, methodological
aspects are discussed, which are affected on the one hand by the omnipresent
thermal radiation and on the other hand by the partial transparency of the
semiconductor materials. The resulting analytical capacities allow, for in-
stance, forthedeterminationofthethermalpropertiesofcomplexhigh-power
lasers of a wide range of different designs in a spatio-temporally resolved
fashion. Furthermore, does the knowledge of the involved thermal time con-
stants allow for an extraction of localized peaks of the infrared emission
that is analyzed for its relationship with device degradation. The output
power of high-power devices is fundamentally limited by the catastrophic
optical damage, an abrupt degradation process that is induced significantly
by reabsorption of laser radiation at the front facet. This process is ana-
lyzed spatio-temporally resolved with help of a combined thermography and
optical near-field technique. Extending the detection range down to shorter
wavelengths allows for imaging of radiative transitions that are related to de-
fect centers. Such additional luminescence components are characterized and
interpreted as radiative signatures of gradual device degradation processes.
Keywords:
Thermography, Semiconductor Lasers, High-Power Laser Diodes, Infrared
Spectroscopy, Emissivity, Reliability, Catastrophic Optical Mirror Damage,
DegradationZusammenfassung
Halbleiterlaserstellenmitüber70%WirkungsgradeinzigartigeffizienteLicht-
quellen dar. Dennoch ist ihre zuverlässige Nutzung, insbesondere im Be-
reich hoher Leistungsdichten, von thermischen Limitierungen geprägt. Einen
grundlegenden Beitrag zu deren physikalischen Verständnis leistet die Analy-
se der thermischen Eigenschaften und Degradationsprozesse solcher Bauele-
mente. In dieser Arbeit wird hierzu die Thermographie als innovative Analy-
semethode untersucht. Ausgehend von Messungen der thermischen Emission
von Halbleiterlaserstrukturen wird die Methodik der Thermographie unter
Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien
diskutiert. Darauf aufbauend werden experimentelle Studien zur thermischen
Charakterisierung von Hochleistungslaserdioden vorgestellt.
Das Plancksche Strahlungsgesetz erlaubt die radiometrische Ermittlung
der Temperatur. Die wichtige physikalische Kenngröße Emissivität wird in
dieser Arbeit für Halbleiter und Halbleiterlaserstrukturen spektral aufgelöst
gemessen und auf fundamentale physikalische Eigenschaften zurückgeführt.
AufdieserGrundlagewerdenmethodischeAspektederThermographiedisku-
tiert, welche einerseits durch die omnipräsente thermische Strahlung und an-
dererseits durch die teilweise Transparenz der Halbleitermaterialien geprägt
sind. Die daraus folgenden analytischen Fähigkeiten erlauben unter ande-
rem die orts- und zeitaufgelöste Bestimmung der thermischen Eigenschaften
von komplexen Hochleistungslasern unterschiedlichster Bauart. Darüber hin-
aus ermöglicht die Kenntnis der beteiligten thermischen Zeitkonstanten die
Extraktion von lokalen Überhöhungen in der Infrarotemission, deren Zusam-
menhang zur Degradation der Bauelemente untersucht wird. Eine grundsätz-
liche Begrenzung der Ausgangsleistung ist durch einen abrupten Degradati-
onsprozess gegeben, welcher maßgeblich durch eine Reabsorption der Laser-
strahlung an der Frontfacette verursacht wird. Mithilfe einer kombinierten
Thermographie-Nahfeld-Messung wird dieser Prozess orts- und zeitaufgelöst
analysiert. Die Erweiterung des Messfensters zu kürzeren Wellenlängen hin
erlaubt die Detektion strahlender Übergänge unter Einbeziehung von De-
fektzentren. Diese zusätzlichen Lumineszenzbeiträge werden charakterisiert
und mithin wird gezeigt, daß sie als strahlende Signaturen von graduellen
Degradationsprozessen aufzufassen sind.
Schlagwörter:
Thermographie, Halbleiterlaser, Hochleistungslaserdioden,
Infrarot-Spektroskopie, Emissivität, Zuverlässigkeit, COMD, DegradationContents
1 Introduction 1
2 Basic Concepts and Methods 5
2.1 Quantum-Well Laser Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Thermal Effects in Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . 10
2.3 High-Power Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Physical Aspects of Laser Degradation . . . . . 18
2.5 Description of the Laser Samples . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Thermal Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Spectroscopic Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Thermal Emission from Semiconductor Lasers 37
3.1 Determination of the Emittance of Semiconductors . . . . . . 37
3.2 Emittance Enhancement due to the Laser Cavity . . . . . . . 47
4 Thermography of Semiconductor Lasers: Methodology 55
4.1 Measurement Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Setup and Acquisition Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Light Propagation Effects and Resolution Constraints . . . . . 67
5 Thermography of Semiconductor Lasers: Applications 77
5.1 Transient Thermal Behavior of High-Power Laser Diodes . . . 77
5.2 Thermography as Analytical Tool in Reliability Studies . . . . 87
5.3 Real-Time Imaging of the Catastrophic Optical Damage . . . 95
5.4 Infrared Emission from Laser Substrates . . . . . . . . . . . . 102
5.5 as Degradation Probe . . . . . . . . . . . . 109
6 Conclusions 117
Bibliography 120
vAppendix 143
A. Emittance of Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
B. Quantitative Lock-In Correlation . . . . . . . . . . . . . . . 146
C. Lumped Capacitance Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
D. Correlation of Hot-Spots with Facet Damages . . . . . . . . 148
E. Spatial Model for IR Substrate Emission . . . . . . . . . . 152
F. Abbreviations and Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Publications 156
Acknowledgement - Danksagung 162
Selbständigkeitserklärung 164
viChapter 1
Introduction
Semiconductor lasers have made their way to everyday life and serve as in-
dispensable, efficient, compact, and reliable light sources in numerous ap-
plications. A novel class of these lasers aims at boosting the available out-
put power towards the kilowatt range. The successful development of such
high-power laser sources will lead to novel applications in terms of a wider
penetration of photonic technologies into the society. Currently, high-power
laser diodes serve as the pump source for solid state lasers or are applied
directly with increasing importance. Application is found, e.g., in material
processing, medicine, display, and printing systems.[1–4]
The huge electrical and optical power densities that are turned over in
these devices lead to a substantial heating. Since the crystal lattice tempera-
ture is a key parameter in all optoelectronic devices, all materials parameters
and processes in semiconductor lasers depend on it. Consequently, heating
directly influences the spectral properties and the efficiency of the device;
and the ability to control it eventually decides about the applicability of the
device.
Although high-power laser diodes already show impressive output-power
levels up to 1 kW from one single monolithic laser device,[5–8] and electrical-
to-optical power conversion efficiencies of better than 70%,[9–11] one key
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