Tutorial · chr is top h.l ien au @ un io lde nb ur g.d e ...

67
Breaking the diffraction limit: Analysis of diode lasers by nearfield scanning optical microscopy (NSOM) Jens W. Tomm a and Christoph Lienau b a MaxBornInstitut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie Berlin, MaxBornStr. 2 A, D12489 Berlin, Germany b Institut für Physik, Fk. V, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Ammerländer Heerstraße 114118, D26129 Oldenburg, Germany [email protected] WWW.BRIGHTER.EU Tutorial 1 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Transcript of Tutorial · chr is top h.l ien au @ un io lde nb ur g.d e ...

Breaking the diffraction limit:  Analysis of diode lasers by nearfield scanning 

optical microscopy (NSOM) 

Jens W. Tomm a and Christoph Lienau b 

a  Max­Born­Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie Berlin, Max­Born­Str. 2 A, D­12489 Berlin, Germany 

b  Institut für Physik, Fk. V, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Ammerländer Heerstraße 114­118, D­26129 Oldenburg, Germany christoph.lienau@uni­oldenburg.de 

WWW.BRIGHTER.EU Tutorial 

1 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Outline 

1.  Introduction NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

2.  Methodology Laser emission, spontaneous emission and PL 

3.  NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 4.  Experimental setups and equipment 5.  Analysis of waveguides and determination of mode profiles 6.  VCSEL 7.  Surface recombination velocity at facets 8.  Defect creation during device operation 9.  Summary 10.  Acknowledgement 

2 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Introduction 

10 µm  1 µm  100 nm  10 nm  1 nm  0.1 nm 

Far­field Optical Microscopy 

Near­Field Nano­Optics 

Semiconductor Nanostructures 

... 

Nanostructures and Nanoanalytical Tools 

Optoelectronic devices 

3 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Scanning probe microscopy 

Disc players for atoms 

Compare: If 1 atom had the size of an orange, the cantilever would be 100 km long 

Introduction 

4 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

1ns 

100 pm 

1 nm 

10 nm 

100 nm 

1 µm 

10 µm 

100 µm 

10ps 100ps  1ps  100fs  1fs  Time 10fs 

Space 

Electronic motion in semiconductor nanostructures 

Quantum transport 

Energy transport in polymers + large biomolecules 

Physical phenomena happen on ultrashort length and time scales 

Electronic motion in atoms + molecules 

Nuclear motion in molecules 

Surface plasmon dynamics in metallic nanostructures 

Introduction 

5 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

1ns 

100 pm 

1 nm 

10 nm 

100 nm 

1 µm 

10 µm 

100 µm 

10ps 100ps  1ps  100fs  1fs  Time 10fs 

Space 

Ultrafast nano­scale physics: Imaging tools 

Ultrafast nano­optics 

Electron microscopy Cathodoluminescence 

Ultrafast far­field optical microscopy 

Introduction 

6 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Intensity  Sum 

Spot 2 Spot 1 

x 0.61 / N.A. λ ∆ ≈ Rayleigh limit: 

The resolution in optical microscopy is limited by the wavelength of light 

Introduction 

7 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Intensity  Sum 

Spot 2 Spot 1 

x 0.61 / N.A. λ ∆ ≈ Rayleigh limit: 

The resolution in optical microscopy is limited by the wavelength of light 

Introduction 

8 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Breaking the resolution limit in microscopy Near­field scanning optical microscopy 

Diffraction­unlimited resolution 

Introduction 

9 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Spatial resolution in near­field microscopy 

Electromagnetic­field distribution: superposition of monochromatic plane waves: 

E  E  ik  r  i  t = − 0  0 exp(  ) exp(  ) r r ω = + − E  i  k  x  k  y  ik  z  i  t x  y  z 0 exp( (  )exp(  )exp(  ) ω 

k  k  k  k  k x  y  z 0  0 2  2  2 = = + +

for given k  k x  y ,  :  two solutions: 

(a) propagating waves: 

(b) evanescent waves: 

k  k  k  k lat  x  y = + < 2  2 0  k  real z  . 

k  k  k  k lat  x  y = + > 2  2 0 

k  imaginary z  . 

Consequence: Intensity of evanescent waves decreases exponentially with increasing z 

How to get optical super­resolution ?: ∆ ∆ k  x x ≥ 1 

Use evanescent modes! 

Introduction 

10 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Diffraction by 1­dimensional slit (Kirchhoff Approximation) 

Introduction 

Diffraction by 1­dimensinal slit (Kirchhoff Approximation) 

11 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0  50  100  150  200 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

Diffraction by 1­Dimensional Slit (Kirchhoff Approximation) 

z =0 nm z = 10 nm z = 20 nm z = 40 nm z = 80 nm z = 160 nm 

Powe

r Spectrum (a

.u.) 

Lateral Wavevector k lat  (1/µm) ­200  ­100  0  100  200 

100 

80 

60 

40 

20 

0

λ = 800 nm d = 50 nm n r = 3.4 

z Position (nm) 

Lateral Position (nm) 

Monochromatic plane wave (k 0 = 2πn r /λ ­ λ = 800 nm) incident on slit (width d = 50 nm) 

Propagating waves: k lat < k 0 = 2πn r /λ ­   k z 2 = (k 0 

2  ­ k lat 2 )  > 0   ­   k z  real 

Evanescent waves:  k lat > k 0 = 2πn r /λ ­   k z 2 = (k 0 

2  ­ k lat 2 )  < 0   ­   k z  imaginary 

Diffraction by 1­dimensinal slit (Kirchhoff Approximation) 

Introduction 

12 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0  20  40 

20 

40  z = 0 nm 

­40  ­20  0 

­40 

­20 

0  0 

20 

40 

|E x (x,y,z)/E 0 | 

z = 1 nm 

­40  ­20  0 

­40 

­20 

0  20  40 

20 

40 

y (nm) 

z = 2 nm 

0  20  40 ­40  ­20  0 

­40 

­20 

0  0 

20 

40  z = 5 nm 

0  20  40 ­40  ­20  0 

­40 

­20 

20 

40  z = 10 nm 

0  20  40 ­40  ­20  0 

­40 

­20 

0  20  40 

x (nm) ­40  ­20  0 

­40 

­20 

0 0 

20 

40  z = 40 nm 

Two­dimensional field distribution E x (x,y) behind a r=30 nm aperture in a perfect metal film 

Introduction 

13 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Aperture­based near­field microscopy 

+  excellent rejection of propagating waves 

­  low transmission efficiency (10 ­4 ­ 10 ­3 for 100 nm apertures) 

Introduction 

14 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Aperture­based near­field microscopy 

Introduction 

15 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Near­field Reflectance Spectroscopy with Uncoated Fiber Probes 

Illumination/Collection Mode 

1000  500  0 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

Reflectance (a

.u.) 

Distance (nm) 

Transmission efficiency close to 1 Extremely high collection efficiency 

Sensitive probing of near­field reflectance 

Resolution down to λ/5 (150 nm) 

Experiment:  F. Intonti et al, PRL 87, 076801 (2001), PRB 63, 075313 (2001) Theory:  R. Müller and C. Lienau, Appl. Phys. Lett. 76, 3367 (2000). 

Introduction 

16 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

­2  ­1  0  1 0 

Propagation through Uncoated Fiber Probes 

1.0 0.5 0.0 

40fs 

­2  ­1  0  1  2 2 

z exit 

Y (µm) 

Y (µm) 

52fs 

Z(µm

z = z exit 

|Ê  x | 2

  /A  0 2 

260nm 

­1  0  1  2 

z = z exit +25nm 

285nm 

R. Müller Appl. Phys. Lett. 76, 3367 (2000) and J. Microscopy 202, 339 (2001). 

Pulse propagation through uncoated fiber probes 

2D modelling color­code represents │E│ 2 A 0 2 

Introduction 

17 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

30  40  50  60  70  80 0.0 

0.5 

1.0 

720  760  800  840  880 0.0 

0.5 

1.0 

10 4  |Ê

  x | 2  /A  0 2  z=z 

exit +25nm z =z 

exit 

10 4  |Ê

  x | 2  /A  0 2 

(b) 

Delay Time (fs) 

(c) 

Wavelength(nm) 

Power Density (n

orm.) 

­0.50  ­0.25  0.00  0.25  0.50 0 

10 0.1 0.001 

Z exit  (a) 

Y(µm) 

Z(µm

) ­0.1  0.1 

Y (µm) ­0.1  0.1 Y (µm) 

Pulse propagation through metal­coated fiber probes 

R. Müller and C. Lienau Appl. Phys. Lett. 76, 3367 (2000) J. Microscopy 202, 339 (2001). 

2D modelling color­code represents 

│E│ 2 A 0 2 

│E│ 2 A 0 2 of a 10 fs Gaussian pulse at the 100 nm aperture 

____ input pulse ____ output pulse 

Introduction 

18 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Application: Raman spectroscopy of Carbon Nanotubes 

A. Hartschuh et al., Phys. Rev. Lett. (2003) 

Introduction 

19 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Nanophotoluminescence of single localized excitons 

790  792  794  796  798  800 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

Intensity (a

.u.) 

Wavelength (nm) 

T = 15 K  500 nm 

F. Intonti et al., Phys. Rev. Lett. 87, 076801 (2001). 

Introduction 

20 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Apertureless Near­field Scanning Optical Microscopy 

+ Strong field enhancement (10 x) at ultrasharp metal tips + Spatial resolution limited by radius of curvature of the tip + Spatial resolution down to 10 nm (and beyond?) 

Introduction 

21 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Outline 

1.  Introduction NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

2.  Methodology, Laser emission, spontaneous emission and PL 3.  NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 4.  Experimental setups and equipment 5.  Analysis of waveguides and determination of mode profiles 6.  VCSEL 7.  Surface recombination velocity at facets 8.  Defect creation during device operation 9.  Summary 10.  Acknowledgement 

22 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Analysis of laser emission 

W. D. Herzog, M. S. Ünlü, B. B. Goldberg, G. H. Rhodes, and C. Harder,   (1997). Appl. Phys. Lett. 65 688 

RW laser ~10 nm  1 µm 

2 µm  3 µm  4 µm 

5 µm  6 µm  7 µm 

23 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Analysis of laser emission VCSEL 

I=7 mA  I=10 mA  I=15 mA 

VCSEL aperture (blue) 

Emission intensity (color) 

Van der Rhodes et al. Appl. Phys. Lett. 72,1811 (1998) 

24 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Analysis of laser emission 

Such work at devices is extremely useful, 

1.  if confocal microscopy fails 

2.  if the fiber tip does not influence the emission 

These statements hold in general for the application of NSOM ! 

if not, you waste your resources 

unfortunately, this is the case when investigating lasing devices 

25 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

What is better? 

­ Spontaneous emission ­ Photoluminescence ­ Absorption (Photocurrent) 

fiber tip 

heat sink 

Substrate AR­coating 

cladding 

waveguide DQW 

heat sink 

cladding lock­in amplifier 

26 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

What is better? 

­ Spontaneous emission ­ Photoluminescence ­ Absorption (Photocurrent) 

fiber tip 

heat sink 

Substrate AR­coating 

cladding 

waveguide DQW 

heat sink 

cladding lock­in amplifier 

27 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

What is better? 

­ Spontaneous emission ­ Photoluminescence ­ Absorption (Photocurrent) NOBIC 

fiber tip 

heat sink 

Substrate AR­coating 

cladding 

waveguide DQW 

heat sink 

cladding lock­in amplifier 

28 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

NOBIC 

NOBIC signal (a.u.) 

NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 

Buratto et al. (AT&T Bell Lab.) Appl. Phys. Lett. 65, 2654 (1994) 

Excitation at 633 nm (2 mW in, ~2 nW out) 

NOBIC 

29 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Outline 

1.  Introduction NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

2.  Methodology Laser emission, spontaneous emission and PL 

3.  NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 4.  Experimental setups and equipment 5.  Analysis of waveguides and determination of mode profiles 6.  VCSEL 7.  Surface recombination velocity at facets 8.  Defect creation during device operation 9.  Summary 10.  Acknowledgement 

30 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Experimental setups and equipment 

31 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Fiber­tip distance control 

Experimental setups and equipment 

32 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Experimental setups and equipment 

Fiber­tip distance control 

33 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Home­built Scanning Near­field Optical Microscopes Set­up with cryostat for 

Measurements at 10 ­ 300 Kelvin 

"Customers:"  Uni Magdeburg, D KTH Stockholm, Sweden Forschungszentrum Jülich, D University of Arkansas, USA 

G. Behme et al., Rev. Sci. Instrum. 68, 3458 (1997) 

Experimental setups and equipment 

34 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

NSOM data 

PC­signal (R)  topography 

Experimental setups and equipment 

35 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Outline 

1.  Introduction NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

2.  Methodology Laser emission, spontaneous emission and PL 

3.  NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 4.  Experimental setups and equipment 5.  Analysis of waveguides and determination of mode profiles 6.  VCSEL 7.  Surface recombination velocity at facets 8.  Defect creation during device operation 9.  Summary 10.  Acknowledgement 

36 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Analysis of waveguides 

Heat sink  Substrate 

LOC waveguide  Cladding layer 

Double quantum well 

AR coating AR coating AR coating 

Modulator (1.2 kHz) 

AR coating 

Excitation laser Lock­in amplifier 

Lock­in amplifier 

PC 

Setup 

37 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Results obtained at single symmetric and asymmetric waveguides 

resonant NSOM Photocurrent (Absorption) 

Step INdex SIN 

Large Optical Cavity LOC symmetric waveguide 

Large Optical Cavity LOC asymmetric waveguide 

0  1  2  3  4  5 

potential 

x (µm) 

0  1  2  3  4  5 

potential 

x (µm) 

0  1  2  3  4  5 

potential 

x (µm) 

Analysis of waveguides 

38 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

­1  0  1 0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

PC Signal (a.u.) 

Tip Position (µm) ­1  0  1 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

1.2 

PC Signal (a.u.) 

Tip Position (µm)  ­1  0  1 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

1.2 

PC Signal (a.u.) 

Tip Position (µm) 

Step INdex SIN 

Large Optical Cavity LOC symmetric waveguide 

Large Optical Cavity LOC asymmetric waveguide 

­1  0  1 

m=2 

m=1 

m=0 

Position (µm) ­1  0  1 

m=2 

m=1 

m=0 

Position (µm) 

­1  0  1 

Position (µm) 

Analysis of waveguides 

39 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Comparison of the guided modes in a waveguide and the wavefunctions in a quantum well 

Analysis of waveguides 

40 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Step INdex SIN 

Large Optical Cavity LOC symmetric waveguide 

Large Optical Cavity LOC asymmetric waveguide 

­1  0  1 0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

PC Signal (a.u.) 

Tip Position (µm) ­1  0  1 0.0 

0.5 

1.0 

PC Signal (a.u.) 

Tip Position (µm) ­1  0  1 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

1.2 

PC Signal (a.u.) 

Tip Position (µm) 

­ NSOM Photocurrent reveals mode structure of waveguides ­ asymmetric waveguides have a specific NSOM Photocurrent signature 

Analysis of waveguides 

41 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

­2  ­1  0  1  2 0,0 

0,5 

1,0 

1,5 

2,0 

2,5 

excitation photon energy: 2.8 eV 

absolute value phase 

NOBIC line scans from the symmetric LOC structure 

Absolute Value,Φ, and E  g 

(a.u., °, and eV) 

x (µm) ­2  ­1  0  1  2 

0,0 

1,0 

2,0 

3,0 

NOBIC line scans from the asymmetric LOC structure 

(117+­24) nm excitation photon energy: 2.8 eV 

absolute value phase 

Absolute value,

Φ, and E  g 

(a.u., °, and eV) 

x (µm) 

NOBIC contrast from the photocurrent phase for non­ resonant (surface) excitation 

Analysis of waveguides 

42 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Single waveguides ­ Resonant excitation (coupling into the 

waveguide modes) ­  NOBIC reveals mode structure of waveguides ­  asymmetric waveguides have a specific NOBIC 

signature ­ Non­resonant excitation (pure carrier­pair creation) ­  detection of the QW within the waveguide 

T. Guenther et al. „Near­Field Photocurrent Imaging of the Optical Mode Profiles of Semiconductor Laser Diodes“ Appl. Phys. Lett. 78 1463­1465 (2001). 

Analysis of waveguides 

43 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

­2  0  2  4  6  8  10 1.4 

1.6 

1.8 

2.0 

2.2 

Energy gap (e

V) 

Local position in growth direction (µm) 

Nanostacks ­  interband cascade diode laser 

n  n p  p ­  + J. P. van der Ziel and W. T. Tsang, Appl. Phys. Lett. 41, 499­501 (1982). 

J. Ch. Garcia, E. Rosencher, Ph. Collot, N. Laurent, J. L. Guyaux, B. Vinter, and J. Nagle, Appl. Phys. Lett. 71, 3752­3754 (1997). 

S. G. Patterson, G. S. Petrich, R. J. Ram, and L. A. Kolodziejski, Electron Lett. 35, 395 (1999). 

C. Hanke, L. Korte, B. D. Acklin, M. Behringer, G. Herrmann, J. Luft, B. De Odorico, M. Marchiano, J. Wilhelmi, Proc. SPIE 3947, 50­57(2000). 

http://www.osram­os.com/news/news_power.html 

‘regular’ high­power diode laser array 

Nanostack

Analysis of waveguides 

44 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

1  2  3  4  5  6  7  8 

y (µm) 

x (µm) 

­ Photoluminescence ­ Photocurrent (Absorption) ­ Device emission 

Detailed analysis of Nano­ stacks by NSOM­based 

spectroscopy 

Analysis of waveguides 

45 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Results from Nanostacks with two vertically stacked asymmetric waveguides 

0  2  4  6  8  10 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

x (µm) 

Electroluminescence (a. u.) 

0  2  4  6  8  10 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

x (µm) 

Laser signal (a.u.) 

NSOM Device Emission 

Substrate  duty cycle: 2x10 ­5 no thermal load 

Analysis of waveguides 

46 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

NSOM PL Emission 

0  2  4  6  8  10 0.00 

0.25 

0.50 

0.75 

1.00 

x (µm) 

PL signal (a

. u.) 

0  2  4  6  8  10 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

11 µW 160 nW 16 nW 

x (µm) 

PL signal (a

. u.) 

excitation photon energy: 2.8 eV detection photon energy:  1.5 eV 

excitation photon energy: 1.69 eV detection photon energy:  1.5 eV 

PL­signal ~ δn 

Analysis of waveguides 

47 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

resonant and non­resonant NSOM Photocurrent (Absorption) 

0  2  4  6  8  10 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

x (µm) PC Signal (a. u.) 

0  2  4  6  8  10 0.0 

0.2 

0.4 

0.6 

0.8 

1.0 

x (µm) 

PC signal (a. u.) 

excitation photon energy: 1.69 eV  excitation photon energy: 2.8 eV 

Photocurrent­signal ~ δn×grad(V) 

Analysis of waveguides 

V. Malyarchuk et al. "Uniformity tests of individual segments of interband cascade diode laser nanostacks " J. Appl. Phys. 92, 2729­2733 (2002). 

48 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.4  0.6  0.8  1.0  1.2  1.4  1.6  1.8 10 ­5 10 ­4 10 ­3 10 ­2 10 ­1 10 0 

onset of the Bragg­mirror absorption at about 1.62 eV 

'barrier absorption' due to the Al 0.25 Ga 0.75 As barriers 

'QW region' 'defect region' 

VCSEL emission energy 

Photocurre

nt (a.u.) 

Photon energy (eV) 

NOBIC at VCSELS 

49 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Outline 

1.  Introduction NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

2.  Methodology Laser emission, spontaneous emission and PL 

3.  NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 4.  Experimental setups and equipment 5.  Analysis of waveguides and determination of mode profiles 6.  VCSEL 7.  Surface recombination velocity at facets 8.  Defect creation during device operation 9.  Summary 10.  Acknowledgement 

50 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Reflection PL experiment ­  uncoated fiber tip ­  spatial resolution: 150 nm 

Surface  Recombination Velocity 

v s 

V. Malyarchuk, J. W. Tomm, V. Talalaev, Ch. Lienau, F. Rinner, and M. Baeumler Appl. Phys. Lett. 81 346 (2002). 

L D 

51 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

­1  0  1  2  3 0 

PL 

x (µm) 

y (µm) 

0  0.5  1.0 

­1  0  1  2  3 0 

PL 

x (µm) 

y (µm) 

0  0.5  1.0 

­1  0  1  2  3 0 

2

∆PL 

x (µm) 

y (µm) 

­0.06  0  0.06 

­1  0  1  2  3 0 

2

∆PL 

x (µm) 

y (µm) 

­0.06  0  0.06 

P = 10 µW  P = 300 µW 

QW PL collected through the fiber and detected by a single photon counting system 

Line­leveled images 

Surface  Recombination Velocity 

52 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.0  1.0  2.0 0.0 

0.5 

1.0 

300 µW 100 µW 30 µW R 

Signal (a.u.) 

x (µm) 

Surface  Recombination Velocity 

53 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.0  1.0  2.0 0.0 

0.5 

1.0 

PL v s = 0.5 x 10 6 cm/s 

v s = 1.0 x 10 6 cm/s 

v s = 3.0 x 10 6 cm/s 

PL (a.u.) 

x (µm) 

D = 15 cm 2 /s τ = 1.7 ns 

D rec L D τ = 

2 2 

0 0 2 2 ( ) ( , ) 0 a rec 

n D n n g x y x y

∂ ∂ ∂ ∂ τ

+ − + = 

2 2 0 0 

2 ( ) ( ) 

2 0 0 

1 ( , ) 2 

x x y y 

g x y e σ

πσ

− + − −

x=0: 0 

v s x 

n D n x

∂ ∂ =

= ⋅

diffusion length L D and the product (v ) s rec τ ⋅ can be deduced 

Surface  Recombination Velocity 

Example calculated for: 

54 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.0  1.0  2.0 0.0 

0.5 

1.0 

300 µW 100 µW 30 µW R 

Signal (a.u.) 

x (µm) 

L D 

v s *☺ 

Surface  Recombination Velocity 

55 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

1  10  100  1000 0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

3.0 L  D

 (µm) 

Power (µW)

τ QW (n

s) 

Additional ps­ PL­experiment provides τ

Surface  Recombination Velocity 

56 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

10 

20 

30 

1  10  100  1000 0.0 

2.0 

4.0 

6.0 

8.0 v  s

 (10 6

  cm/s) 

Power (µW) 

D (cm 2  /s) 

Surface  Recombination Velocity 

V. Malyarchuk, J. W. Tomm, V. Talalaev, Ch. Lienau, F. Rinner, and M.Baeumler Appl. Phys. Lett. 81 346 (2002). 

57 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

Outline 

1.  Introduction NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

2.  Methodology Laser emission, spontaneous emission and PL 

3.  NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current 4.  Experimental setups and equipment 5.  Analysis of waveguides and determination of mode profiles 6.  VCSEL 7.  Surface recombination velocity at facets 8.  Defect creation during device operation 9.  Summary 10.  Acknowledgement 

58 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

1.0  1.5  2.0  2.5  3.0 

10 ­2 

10 ­1 

10 0 

10 1 

10 2 

10 3 

10 4 PC  FTIR Spectra Red LD OSRAM 510­3­11 

PC signal (a.u.) 

Energy (eV) 

Before Aging 9h Aging 30h Aging 55h Aging 

0.0  0.2  0.4  0.6  0.8 0 

20 

40 

60 

80 

100 

120 

140 

160 

180 

200 

0.0 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 Osram (BRIGHT) 510­11+3 

Pow

er (m

W) 

Current (A) 

0h 0.5h 1.5h 3h 9h 15h 31h 55h 

Voltage (V

Defect creation during device operation 

Result from the BRIGHT project 

59 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

1.0  1.2  1.4  1.6  1.8 

10 ­2 

10 ­1 

10 0 

PC  FTIR Spectra Red LD OSRAM 510­3­11 

PC signal (a.u.) 

Energy (eV) 

Before Aging 9h Aging 30h Aging 55h Aging 

Defect­to­Band­ Transitions? 

Where are the ‘defects’ located? 

Active region??? 

At 1.7 eV (730 nm), there is a threefold increase of the signal within 55 h of aging. 

Defect creation during device operation 

60 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

1. Laterally, i.e., where along the device… 

0.0  0.2  0.4  0.6 0.00 

0.05 

0.10 

0.15 

0.20 

Osram (BRIGHT) 510­11+3 

pristine device 3h 9h 

LBIC signal (a.u.) 

y (mm) LBIC (Laser Beam Induced Current) excited resonantly to the defects reveals them to be underneath the metalized emitter stripe. 

Front view of the laser structure 

substrate 

epi­layer sequence 

active region 

Defect creation during device operation 

61 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

2. Vertically, i.e., where along the layer sequence … 

aged area 

‘Pristine’ reference area 

Front view of the laser structure  substrate 

~ 1.5 µm 

Defect creation during device operation 

62 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

633 nm  730 nm  topography 

pristine device region 

1000 nm  1000 nm  1000 nm 

NOBIC­Data: (Nearfield Optical Beam Induced Current) 

Defect creation during device operation 

63 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.0  0.5  1.0  1.5  2.0 10 ­2 

10 ­1 

10 0 

10 1 633 nm 730 nm 

aged region Signal (a

.u.) 

x  (µm) 

633 nm  730 nm  topography 

aged device region 

1000 nm  1000 nm  1000 nm 

Defect creation during device operation 

64 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

0.0  0.5  1.0  1.5  2.0 

10 ­2 

10 ­1 

10 0 

10 1 

633 nm 730 nm 

Signal (a.u.) 

x  (µm) 

pristine region 

0.0  0.5  1.0  1.5  2.0 

10 ­2 

10 ­1 

10 0 

10 1 

633 nm 730 nm 

aged region 

Signal (a.u.) 

x  (µm) 1.5 µm  1.5 µm 

There is a threefold increase of the 730 nm­ signal with respect to the 633 nm­signal 1.5 µm away from the active region (towards the heat sink), there is no photosensitivity. 

The creation of deep levels takes place at a location that allows interaction with the laser emission. 

There are additional 3 sets of data couples from different regions, which confirm the result. 

Defect creation during device operation 

Claus Ropers et al. Appl. Phys. Lett. 88, 133513 (2006). 

65 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

NSOM = Nearfield Scanning Optical Microscopy Principles and opportunities Spatial resolution 

Methodology, Laser emission, spontaneous emission and PL NOBIC = Nearfield Optical Beam Induced Current Experimental setups and equipment Analysis of waveguides and determination of mode profiles VCSEL Surface recombination velocity at facets Defect creation during device operation 

Summary 

NSOM is extremely useful if you need a spatial resolution beyond the diffraction limit. 

NOBIC allows optical analysis at devices along growth direction. 

66 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008

•  Christoph Lienau 

•  Alexander Richter, Tobias Günther, Viktor Malyarchuk, Roland Müller, Claus Ropers, Thomas Elsässer 

•  Martin Behringer, Johannes Luft, Peter Brick, Norbert Linder, Bernd Mayer, Martin Müller, Sönke Tautz, Wolfgang Schmid, Götz Erbert, Jürgen Sebastian, Siegfried Gramlich, Eberhard Richter, Heiko Kissel, Frank Brunner, Markus Weyers, Günter Tränkle 

Acknowledgement 

67 WWW.BRIGHTER.EU Plenary Meeting at Tyndall, Cork 2008