Blau/Violett-Laserdioden

TELEKOM/IT
Blau/Violett-Laserdioden
Jahrelang hat z. B. die Kfz-Elektronik auf den Ersatz der „blauen“ Fernlichtanzeige durch
eine LED warten müssen, nachdem es lange Zeit bereits rote, grüne und gelbe LEDs gab.
Heute sind die blauen Strahler in Form von LEDs allgegenwärtig, wenn auch etwas teurer als ihre farbigen Mitstreiter. Im Folgenden ein Update zu blau/violetten Laserdioden (LDs) von unserem Chefredakteur
Siegfried W. Best, der selbst die Entwicklung der einzelnen LED-Farben und Laserdioden während der 70er Jahre bei einem großen deutschen Halbleiterhersteller mitgestalten durfte.
Die Erfindung der LED geht auf die frühen
60er Jahre zurück. Nick Holonyak, Schüler
von John Bardeen,der den Transistor erfand,
präsentierte 1962 in den Labors von General
Electric die erste LED. Die strahlte als Verbundhalbleiter (GaAsP) in roter Farbe und
Jahre später entwickelte Nick die erste Laserdiode,die sichtbares Licht abstrahlte. Der
Entdecker blau strahlender Halbleiter ist
Jack Pankove, der 1970 herausfand, dass
Gallium Nitrid (GaN) in dieser Farbe leuchtete. Erste LEDs gab es dann von Matsushita
nachdem Professor Isamu Akasaki in den
80er Jahren die Erzeugung qualitativ
brauchbarer GaN-Schichten im Labor gelang. Die ersten kommerziell erhältlichen
blauen LEDs und Laserdioden lieferte in
den 90er Jahren Nichia. Ein wichtiger Schritt
gelang da Shuji Nakamura von Nichia mit
der Anwendung des Two-Flow MOCVDProzesses zum Wachsen von GaN-Schichten (siehe später). Dieses Verfahren war
Grundlage für die kommerzielle Fertigung
von blauen LDs.
Warum blaue Halbleiterstrahler?
Der heutige Stand zeigt blaustrahlende
LEDs auf Basis SiC und InGaN für den Einsatz im Kfz und in Anzeigetafeln, zur Erzeugung weißen Lichts (mittels Transferschicht) und in Echtfarben-Displays. Das
Haupteinsatzgebiet von blau/violetten
LDs, diese auf der Basis von InGaN/AlGaN
oder GaN, sind die DVD-Recorder, DVDMastering und andere optische Speicher
(Computer to Plate). Die kurzwelligen Laserdioden versprechen eine massive Kapazitätssteigerung bei optischen Spei-
˘ AUTOR
Siegfried W. Best,
Redaktion
elektronik industrie
elektronik industrie 5 - 2005
Bild 1: Blaue LDs werden kommerziell von Nichia
und Sanyo im 5,6-mm-Metal-CAN Gehäuse mit
oder ohne Monitordiode angeboten.
chern. Je kürzer die Wellenlänge, desto
kleiner der Flächenbedarf pro Informationseinheit.
Mit einer blauen Laserdiode (400...420 nm)
kann z. B. die Speicherkapazität in DVDs von
gegenwärtig 4,7 Gigabyte (640 nm einer
roten Laserdiode) auf bis zu 50 Gigabyte gesteigert werden. Weitere Anwendungen
der bauen LDs sind Drucker, Kopierer und
die Medizinelektronik. Gerade in der Medizinelektronik besteht ein hohes Interesse an violett/blauen LDs z. B. für den Einsatz in konfokalen Mikroskopen. Hier sollen
die bislang als Lichtquellen verwendeten
Argon-Ionen-Laser in einer Reihe von auf
Floureszenz-basierten Bildverarbeitungssystemen verwendet werden. InGaN war
das Material der ersten Violet/Blau LD, die
1995 von Nichia vorgestellt wurde. Die Herstellmethode war MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition), diese
wird heute für alle kommerziellen LDs und
auch LEDs verwendet. Seit dem Beginn
der 90er Jahre wurde MBE (Molecular
Beam Epitaxie) als Alternative zu MOCVD
untersucht. Heute werden MBE und
MOCVD auch bei anderen Verbundhalbleitern als GaAs angewandt. Aber bei Nitrid-Halbleitern für optische Anwendungen
hat MBE verglichen mit MOCVD einige
Nachteile. Z. B. ist die Ausgangsleistung
von LEDs nur <0,2 mW und blaue LDs waren nicht machbar. Da aber MBE auch Vorteile hat (z. B. höhere Fertigungszuverlässigkeit,präziseres Epi-Wachstum,geringerer
Materialverbrauch in der Fertigung), wurde weltweit weiter daran geforscht und
Sharp hat im Sommer 2004 die erste blaue
LD auf MBE-Basis vorgestellt. Haupteinsatzgebiet blauer Laserdioden werden
Blue-Ray bzw. das Konkurrenzsystem HDDVD sein. Hier werden blaue InGaN- und
GaN-LDs verwendet um bis zu 50 GByte auf
einer Scheibe zu speichern. Aber auch für
blauen LEDs gibt es einen wachsenden
Markt, so kommen z. B. im Handy SGHE310 von Samsung 18 LEDs in der Tastatur
zum Einsatz, von denen die meisten blau
strahlen.
Blaue LDs
Die größten Anstrengungen zur Realiserung
blauer Laserdioden unternahmen die japanischen Anbieter von DVD-Spielern und
-Recordern, die bislang rote Laserdioden
in ihren Geräten verwendeten, jedoch nach
höheren Speicherdichten mittels blauer
LDs strebten. Blaue LDs erfordern die Beherrschung einer Halbleitergruppe, deren
prominentester Vertreter das schon genannte Galliumnitrid ist. Es ist sehr ˘
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Quelle: Sharp
Blaue Strahler
˙
KOMPAKT
Mit einer blauen Laserdiode (400...420 nm)
kann die Speicherkapazität in DVDs von gegenwärtig 4,7 Gigabyte (640 nm einer roten Laserdiode) auf bis zu 50 Gigabyte
gesteigert werden. Deshalb forschen seit
Jahren einige Halbleiterhersteller an diesen blauen Strahlern. Wegen Problemen
beim Kristallaufbau war es ein langer Weg
zu kommerziell erhältlichen Laserdioden
in dieser Farbe, einzig Nichia und Sanyo liefern derzeit in Massenstückzahlen. Sie
strahlen bei 395 bis 415 nm mit Leistungen
von bis zu 200 mW und arbeiten bei 4,6
bis 5,9 V mit Strömen von 55 bis 100 mA.
Untergebracht sind sie im 5,5-mm-Metall
CAN-Standardgehäuse.
Bild 2: Spektrale Eigenschaften der blauen LD NDHV310APC von Nichia.
schwierig zu handhaben, da es nicht als
massiver Einkristall vorliegt. Es muss ein anderes Material (Saphir oder Siliziumkarbid) als Unterlage dienen, um den Kristall
gezielt Schicht für Schicht wachsen zu lassen.
Auch in Europa wurde an der blauen LD geforscht und bereits im November 2001 verkündeten Osram Opto Semiconductor und
das Fraunhofer Institut für Halbleiterphysik eine ersten Erfolg bei blauen LDs. Es
gelang die Demonstration einer bei 420 nm
strahlenden LD auf Basis InGaN mit einer
Ausgangsleistung von 20 mW und einem
Schwellenstrom von 110 mA. Die LD nutzte ein SiC-Substrat von Cree.
Das Projekt blaue Laserdiode wurde dann
bei Osram Opto Semiconductor im Juli
2004 erfolgreich abgeschlossen. Die mit
dem BMBF vereinbarten Ziele wurden erfüllt, dies waren eine Lebensdauer größer
100 Std. und optische Leistungen mit
>150 mW/CW bzw. > 300 mW/gepulst. Diese Ziele wurden aber sogar übererfüllt,
d.h.so konnten im CW-Betrieb 300 mW und
gepulst 560 mW erreicht werden. Strukturen auf Silizium Carbid sind aber sehr defektreich (aufgrund der nichtangepassten
Gitter). Inzwischen stehen Gallium-NitridSubstrate zur Verfügung. Die Strukturen
darauf sind wesentlich weniger (Faktor
1000) defektreich. Osram Opto Semicon-
ductors arbeitet deshalb seit einiger Zeit
mit GaN-Substraten und hat bereits eine
Reihe von Optimierungen erreicht. Aktuell
liegen die Schwellströme im Bereich von
40 mA. Derzeit konnten auch bei Ausgangsleistungen mit mehr als 10 mW mehr
als 1000 Stunden Lebensdauer erzielt werden. Die optische Leistung wurde im CWBetrieb auf mehr als 500 mW und im Pulsbetrieb auf mehr als 2800 mW gesteigert.
Wann Produkte aus der Massenfertigung
zur Verfügung stehen, steht noch nicht
fest. Als erste Universität in Europa präsentierte im März 2002 die Uni Bremen
eine blaue LD,die im Bereich 400 bis 420 nm
strahlte, aber eine Lebensdauer von nur
einigen Minuten bei RT hatte.
Die erste blaue LD auf Saphier-Substrat
mittels MBE wurde 2004 von Sharp aufgebaut und sie zeigte Eigenschaften wie
eine MOCVD-basierte LD. Die Laserstruktur zeigt Bild 3, die Basisstruktur ist vergleichbar mit MOCVD-Bauteilen. Das Herz
der Struktur ist die InGaN Quantum Well
(QW) aktive Zone mit 1...5 QWs, von denen
derzeit drei verwendet werden. Auf beiden Seiten der I-Region befinden sich optische Guides mit p- und n-Regionen Cladding Layers aus AlGaN, die die bislang
bestehenden Bruchprobleme (Cracks) nicht
mehr haben. Auch ist mit MBE Annealing
nicht mehr notwendig. Die blauen MBE-LDs
auf Basis InGaN arbeiten bei Raumtemperatur (RT), mit impulsförmiger Strominjektion und einer Schwellstromdichte
von etwa 30 kAcm2 (1,5A). Das ist für eine
Kommerzialisierung der LD noch zu wenig.
Die Emissionswellenlänge liegt bei etwa
400...405 nm (violett) bzw. 415...420 nm
(blau). Sharp arbeitet daran, CW-LDs auf
MBE mit hoher Lebensdauer zu präsentieren, die einen verringerten Schwellenstrom bieten, geringere Betriebsspannung
und einen optimierten Wellenleiter.
Etwa 20 weitere Firmen beschäftigen sich
heute mit der Forschung an blauen LDs
(z. B. Cree, Lumileds, Samsung, Sony,Toshiba
u. a. m.).
Kommerziell erhältliche
blau/violette Laserdioden
Das Jahr 2005 wird wohl das Jahr der blauen Laserdioden werden. Nach den vielen
Forschungsprojekten werden auf die zwei
derzeit am Markt tätigen Anbieter kommerziell erhältlicher blauer LDs Nichia und
Sanyo wohl dieses Jahr weitere folgen. So
Massenproduktion
Typenbezeichnung
Wellenlänge
(Peak, nm)
Opt. Ausgangsleistung
(CW, mW)
Schwellenstrom (mA)
Betriebsstrom (mA)
Betriebsspannung (V)
Monitorstrom (mA)
Monitordiode
Gehäuse
Nichia NDHV310APC
400 - 415
60
40
85
4,6
0,3
Ja
Nichia NDHV310APA
400 - 415
60
40
85
4,6
0,3
Nein
Sanyo DL-LS 5000
395 - 415
5
50
58
5,5
0,06
Ja
Sanyo DL-5146-351
395 - 415
35
50
85
5,5
0,06
Nein
Ø 5,6 CAN
Sanyo DL-6146-301
405
50 bzw.
100 gepulst
50
100
5,9
0,06
Nein
Ø 5,6 CAN
Nichia NDHV220APAE1
400 - 415
200
100
230
4,2
0,1
Ja
Ø 5,6 CAN gemeinsame Kathode
Nichia NDHB210APAE1
435 - 445
20
40
75
5,0
0,1
Ja
Ø 5,6 CAN gemeinsame Kathode
Nichia NDHA500APAE1
468 - 478
5
40
55
5,0
0,1
Ja
Ø 5,6 CAN gemeinsame Kathode
Ø 5,6 CAN gemeinsame Kathode
Ø 5,6 CAN
Ø 5,6 CAN gemeinsame Kathode
Muster
Tabelle: Wesentliche technische Daten der kommerziell erhältlichen blauen Laserdioden von Nichia und Sanyo.
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z. B. Mitsubishi, die bei Laserdioden für
DVD (mit 658 nm) einen großen Marktanteil von rund 60 % haben. Misubishi
möchte sich sicher vom Blu-Ray und HD
DVD-Kuchen auch ein großes Stück abschneiden. Als weitere Anbieter werden
Bild 3: Struktur der blauen MBE LD von Sharp.
Der Basis-Aufbau ist vergleichbar mit MOCVD,
Sharp, Toshiba und NEC folgen.
als Substrat kommt 10 µm GaN (MOCVD) auf SaVon Nichia ist eine blaue LD mit der Typhir zum Einsatz. Die aktive Zone ist InGaN
penbezeichnung NDHV310APC in StückMQW mit 1 bis 5 Quantum Wells, von denen
zahlen erhältlich. Sie wird nicht gepulst
derzeit drei verwendet werden.
betrieben, sondern liefert im
Dauerbetrieb (CW) bei 400 bis
415 nm (408 nm typ.) 60 mW.
Bild 1 zeigt das Gehäuse und
das Schaltbild mit der LD und der
Monitordiode (weitere Daten
siehe Tabelle). Die NDHV310
gibt es als Version 310 ACA auch
ohne Monitordiode. Das in Bild
2 gezeigte Spektrum gilt für beide erhältlichen blauen LDs von
Bild 4: Sofort einsetzbar sind die blauen Laserdioden-Module
Nichia. Als Engineering-Muster
von Omicron Laserage, links LDM405 als Singledioden-Mowerden weitere vier blaue LDs dul mit analoger Modulation bis 350 MHz, rechts ein Dopangeboten, deren Daten eben- peldioden-Modul mit digitale Modulation bis 500 MHz.
falls die Tabelle zeigt.
Nichia arbeitet im Rahmen einer Kreuzverfügt über eine Monitordiode. Ohne Molizenz mit Sony zusammen an blauen LDs
nitordiode werden die Typen DL-5146-351
für die Blu-Ray DVD und für das profesund DL-6146-301 angeboten, die ebenfalls
sionelle XDCAM-Speichersystem.
bei 405 nm leuchten, aber 35 mW bzw.
Sanyo bietet mit der DL-LS5000 eine
50 mW liefern.
blau/violett strahlende LD an, die ebenBlaue Laserdiodenmodule
falls im CW-Betrieb betrieben werden kann
Eine blaue Laserdiode für sich kann nicht
und dabei 5 mW liefert bei der Spitzeneingesetzt werden, sie benötigt auf der
wellenlänge von 405 nm typ. Auch diese LD
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elektrischen Seite eine Ansteuerelektronik und die Temperaturregelung sowie auf
der optischen Seite einen Kollimator mit
Strahlformungsoptik und Astigmatismusausgleich. Da nicht alle Anwender diese
Fachgebiete beherrschen, gibt es Spezialfirmen, die fertige LD-Module anbieten
wie z. B. die Omicron Laserage GmbH.
Die Omicron Laserage GmbH entwickelt
und produziert Diodenlaser-Module auf
der Basis von LDs der Firma Nichia. Das
LDM405D.100 ist das derzeit stärkste
405-nm-Laserdioden-Modul mit rundem
Strahlprofil. In ihm kommen zwei blaue
Nichia LDs vom Typ 310 ACA zum Einsatz.
Bild 4 zeigt links das Modul LDM405, es ist
mit einer Nichia-Diode ausgestattet und
wird analog moduliert mit bis zu 350 MHz.
Rechts im Bild ist das Modul LDM High
Power mit Doppeldiode und digitale Modulation bis 500 MHz.
˙
KONTAKT
Nichia
Kennziffer 420
www.nichia.com
Sanyo
Kennziffer 423
www.sanyo.com
Omicron Laserage
Kennziffer 425
www.lasersystem.de
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