GaN-Laser

Ein GaN-Laser (Galliumnitridlaser) ist eine Halbleiterlaserdiode, die Galliumnitrid und dessen Legierungen (wie Indiumgalliumnitrid, InGaN, oder Aluminiumgalliumnitrid, AlGaN) als aktives Lasermedium verwendet. Diese Laser sind für ihre Fähigkeit bekannt, Licht im ultravioletten (UV), violetten, blauen und grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu emittieren, typischerweise im Bereich von 375 nm bis 530 nm.

Funktionsprinzipien

GaN-Laser arbeiten nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz und stimulieren die Emission in einem Halbleiter-p-n-Übergang.

1. Ladungsträgerinjektion: Wenn eine elektrische Vorwärtsspannung angelegt wird, werden Elektronen aus der n-Schicht und Löcher aus der p-Schicht in den aktiven Bereich (den „Quantentopf“) injiziert.
2. Rekombination: Wenn Elektronen und Löcher im aktiven Bereich rekombinieren, setzen sie Energie in Form von Photonen frei. Die große Bandlücke des GaN-Materialsystems führt dazu, dass diese Photonen eine hohe Energie besitzen, die kurzen Wellenlängen (Blau/UV) entspricht.
3. Stimulierte Emission: Ein optischer Resonator, der typischerweise durch die als Spiegel wirkenden Spaltflächen des Halbleiterkristalls gebildet wird, reflektiert die Photonen hin und her. Dadurch wird die stimulierte Emission ausgelöst, bei der ein Photon die Emission identischer Photonen anregt und das Licht zu einem kohärenten Laserstrahl verstärkt.

Physischer Aufbau

Der Aufbau eines GaN-Lasers ist äußerst komplex und beruht auf epitaktischen Wachstumsverfahren wie der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD). Die grundlegende physische Struktur umfasst:

• Substrat: Traditionell wurden Saphir oder Siliziumkarbid (SiC) verwendet. Zunehmend kommen jedoch native, freistehende GaN-Substrate zum Einsatz, um die Defektdichte zu verringern und das Wärmemanagement zu verbessern.
• Mantelschichten: AlGaN-Schichten umgeben den Wellenleiterbereich. Ihr Brechungsindex ist niedriger, wodurch das Licht vertikal im aktiven Bereich eingeschlossen wird.
• Wellenleiterschichten: Diese Schichten bestehen typischerweise aus GaN oder InGaN und führen das Licht in horizontaler Richtung.
• Aktive Region: Eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW), die gewöhnlich aus abwechselnden, sehr dünnen Schichten aus InGaN und GaN besteht. Hier findet die Elektron-Loch-Rekombination statt.
• Kontakte: Metallelektroden auf der Oberseite (p-Kontakt) und Unterseite (n-Kontakt) des Chips zur Stromeinspeisung.

Wichtige optische Kenngrößen

Bei der Spezifikation eines GaN-Lasers für ein optisches System werden mehrere wichtige Kenngrößen bewertet:

• Zentrale Wellenlänge (λ_c): Die Wellenlänge der Emissionsspitze, die stark vom Indiumgehalt der InGaN-Quantentöpfe abhängt (z. B. 405 nm, 450 nm, 520 nm).
• Schwellenstrom (I_th): Der minimale elektrische Strom, der zum Einsetzen der stimulierten Emission (Laserbetrieb) erforderlich ist.
• Optische Ausgangsleistung: Reicht von wenigen Milliwatt (mW) für Unterhaltungselektronik bis zu mehreren Watt (W) für industrielle Anwendungen.
• Strahldivergenz: Halbleiterlaser weisen von Natur aus einen elliptischen, divergenten Strahl auf. Sie wird sowohl für die schnelle Achse (senkrecht zum Übergang) als auch für die langsame Achse (parallel zum Übergang) in Grad gemessen.
• Spektrale Breite (∆λ): Die Breite des emittierten Lichtspektrums, die bei kantenemittierenden Fabry-Perot-Lasern typischerweise wenige Nanometer beträgt.

Klassifizierungen und Typen

• Kantenemittierende Laser (EELs): Der häufigste Typ. Der Laserstrahl wird an der Kante des Halbleiterchips emittiert. Sie können eine hohe optische Ausgangsleistung liefern.
• Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL): Der Laserstrahl wird senkrecht zur Oberseite des Chips emittiert. GaN-VCSEL sind bekanntermaßen schwierig herzustellen, da die Fertigung hochreflektierender Spiegel (verteilter Bragg-Reflektoren) im GaN-Materialsystem eine Herausforderung darstellt. Sie bieten jedoch Vorteile wie ein kreisförmiges Strahlprofil und die Möglichkeit, sie in dichten 2D-Arrays zu fertigen.
• Singlemode und Multimode: Singlemode-Laser liefern hochkohärente, beugungsbegrenzte Strahlen, die sich ideal für die Präzisionsoptik eignen. Multimode-Laser werden dagegen eingesetzt, wenn eine hohe Leistung die wichtigste Anforderung ist, beispielsweise in Laserprojektoren.

Anwendungen

Aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge sind GaN-Laser unverzichtbar für Anwendungen, die eine hohe Auflösung, hohe Energie oder spezifische Wechselwirkungen mit Materialien erfordern:

• Optische Speicherung mit hoher Datendichte: Der violette 405 nm-Laser ist die Kerntechnologie hinter Blu-ray-Discs.
• Laserprojektion & Displays: Leistungsstarke blaue und grüne GaN-Laser werden mit roten Lasern kombiniert, um brillante Laserprojektoren mit hohem Lichtstrom zu realisieren.
• Medizinische & biomedizinische Instrumente: Einsatz in der Durchflusszytometrie, Fluoreszenzspektroskopie und konfokalen Mikroskopie.
• Materialbearbeitung: Mikrobearbeitung und 3D-Druck (insbesondere Stereolithografie/SLA, bei der UV-/violettes Licht Photopolymerharze aushärtet).

Praxisbeispiel: Optische Abtasteinheit (OPU) eines Blu-ray-Laufwerks

Eine klassische praktische Anwendung einer GaN-Laserdiode mit 405 nm ist die optische Abtasteinheit (Optical Pickup Unit, OPU) eines Blu-ray-Players. Da die Wellenlänge von 405 nm deutlich kürzer ist als die des in DVDs verwendeten roten Lasers mit 650 nm, lässt sie sich auf einen wesentlich kleineren Lichtfleck fokussieren. Dadurch können deutlich kleinere Datenvertiefungen auf der Disc gelesen werden.

1. Lichtquelle: Die GaN-Laserdiode emittiert einen divergenten, elliptisch geformten 405 nm-Strahl.
2. Strahlformung: Das Licht durchläuft eine Kollimationslinse, die die Strahlen parallel ausrichtet, und häufig ein anamorphotisches Prismenpaar, das den elliptischen Strahl in ein kreisförmiges Profil umwandelt.
3. Strahlführung: Der Strahl durchläuft einen polarisierenden Strahlteiler (PBS) und eine Viertelwellenplatte, die später die Führung des zurückkehrenden Lichts unterstützen.
4. Fokussierung: Ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur (NA = 0.85) fokussiert das Licht eng auf die Datenschicht der rotierenden Blu-ray-Disc.
5. Rückweg: Das Licht wird an der Disc reflektiert, läuft durch das Objektiv zurück und seine Polarisation wird von der Viertelwellenplatte gedreht. Aufgrund dieser Drehung reflektiert der PBS nun den zurückkehrenden Strahl, anstatt ihn gerade hindurchzulassen.
6. Detektion: Das reflektierte Licht wird auf ein Fotodiodenarray geleitet, das die unterschiedlichen Lichtintensitäten aus den Datenvertiefungen der Disc in ein digitales elektrisches Signal umwandelt.