Entwurf und Charakterisierung von Quantenkaskadenlasern

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der <br>Charakterisierung von GaInAs/AlInAs/InP-basierten Quantenkaskadenlasern. <br>Insbesondere wurde der Fragestellung nachgegangen, welche grundlegenden <br>physikalischen Mechanismen die Lasertätigkeit dieser unipolaren Bauelemente zu <br>kleinen Emissionswellenlängen hin beschränken. Dazu wurden unterschiedliche <br>Quantenkaskadenlaser (QC Laser) mit Emissionswellenlängen im für das verwendete <br>Materialsystem minimalen Bereich zwischen 4.9 µm und 5.4 µm realisiert. Zunächst <br>wurde der Einfluss von AlAs-Sperrbarrieren auf die Lasereigenschaften <br>untersucht. Weiterhin wurde die Leitungsbanddiskontinuität im Vergleich zum <br>gitterangepassten Materialsystem durch die Verwendung druckverspannter <br>Quantenfilme und zugverspannter Barrieren erhöht, wobei die individuellen <br>Schichtdicken und Gitterparameter so gewählt wurden, dass sich die akkumulierte <br>Gesamtverspannung kompensierte. Zusätzlich wurde die Anzahl der gekoppelten <br>Quantenfilme in den aktiven Bereichen variiert. <br> <br>Für den Entwurf der Bauelemente wurden die Eigenenergien und die <br>Wellenfunktionen der quantisierten Subbänder in den aktiven Bereichen und <br>Injektoren mit Hilfe der Transfermatrix-Methode berechnet. Mit den daraus <br>resultierenden Übergangsenergien, Übergangsmatrixelementen und <br>Intersubband-Lebensdauern wurde der Transport der Ladungsträger durch die <br>Strukturen im Rahmen eines Ratengleichungsmodells simuliert sowie der <br>Materialgewinn berechnet. Die Simulationen zeigten gute Übereinstimmungen mit <br>den experimentellen Ergebnissen. Bei der vergleichenden Untersuchung der <br>elektro-optischen Eigenschaften der realisierten QC Laser ergaben sich <br>Verbesserungen der charakteristischen Laserparameter (1) bei konstanter <br>Emissionswellenlänge mit zunehmender Leitungsbanddiskontinuität und (2) bei <br>konstanter Leitungsbanddiskontinuität mit zunehmender Emissionswellenlänge. <br>Diese Beobachtungen wurden auf die Erhöhung der Besetzungsinversion mit <br>zunehmender effektiver Barrierenhöhe der Elektronen im oberen Laserniveau <br>zurückgeführt. Die entscheidenden Verlustmechanismen in QC Lasern mit kleinen <br>Emissionswellenlängen sind die thermische Emission der Elektronen im oberen <br>Laserniveau in das Kontinuum der ungebundenen Zustände und das Tunneln dieser <br>Ladungsträger aus den aktiven Bereichen heraus. Wegen ihrer exponentiellen <br>Abhängigkeit konnten die Verlustraten beider Mechanismen durch die Vergrößerung <br>der effektiven Barrierenhöhe reduziert werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen <br>wurden die thermischen Eigenschaften von QC Lasern im Dauerstrichbetrieb <br>untersucht. Um die Emission in einer einzelnen longitudinalen Mode zu <br>ermöglichen, wurden neben Bauelementen mit Fabry-Perot-Resonatoren ebenfalls <br>indexgekoppelte DFB (engl. distributed feedback) QC Laser entworfen und <br>erfolgreich realisiert. <br> <br>Zur Demonstration ihres Anwendungspotentials wurden die im Rahmen dieser Arbeit <br>realisierten einmodigen QC Laser in der spektroskopischen Spurengasanalytik <br>eingesetzt. Als Beispiel wurden die in der Schadstoffüberwachung und in der <br>medizinischen Diagnostik relevanten Gase Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid <br>durch die Untersuchung fundamentaler Rotations-Schwingungs-Übergänge im <br>mittleren Infrarot mittels hochauflösender Absorptionsspektroskopie <br>nachgewiesen.

Author dc:creator

• Mann, Christian

Contributors dc:contributor

• Wagner, Joachim

• GaInAs
• AlInAs
• Sperrbarriere
• Verspannungskompensation
• Absorptionsspektroskopie
• blocking barrier
• strain-compensation
• absorption spectroscopy

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