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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-14088
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1408/


Mann, Christian

Entwurf und Charakterisierung von Quantenkaskadenlasern

Design and characterization of quantum cascade lasers

Dokument1.pdf (7.491 KB) (md5sum: 3f4f7c8f0d3947cf3266e4d000a2cbec)

Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der
Charakterisierung von GaInAs/AlInAs/InP-basierten Quantenkaskadenlasern.
Insbesondere wurde der Fragestellung nachgegangen, welche grundlegenden
physikalischen Mechanismen die Lasertätigkeit dieser unipolaren Bauelemente zu
kleinen Emissionswellenlängen hin beschränken. Dazu wurden unterschiedliche
Quantenkaskadenlaser (QC Laser) mit Emissionswellenlängen im für das verwendete
Materialsystem minimalen Bereich zwischen 4.9 µm und 5.4 µm realisiert. Zunächst
wurde der Einfluss von AlAs-Sperrbarrieren auf die Lasereigenschaften
untersucht. Weiterhin wurde die Leitungsbanddiskontinuität im Vergleich zum
gitterangepassten Materialsystem durch die Verwendung druckverspannter
Quantenfilme und zugverspannter Barrieren erhöht, wobei die individuellen
Schichtdicken und Gitterparameter so gewählt wurden, dass sich die akkumulierte
Gesamtverspannung kompensierte. Zusätzlich wurde die Anzahl der gekoppelten
Quantenfilme in den aktiven Bereichen variiert.

Für den Entwurf der Bauelemente wurden die Eigenenergien und die
Wellenfunktionen der quantisierten Subbänder in den aktiven Bereichen und
Injektoren mit Hilfe der Transfermatrix-Methode berechnet. Mit den daraus
resultierenden Übergangsenergien, Übergangsmatrixelementen und
Intersubband-Lebensdauern wurde der Transport der Ladungsträger durch die
Strukturen im Rahmen eines Ratengleichungsmodells simuliert sowie der
Materialgewinn berechnet. Die Simulationen zeigten gute Übereinstimmungen mit
den experimentellen Ergebnissen. Bei der vergleichenden Untersuchung der
elektro-optischen Eigenschaften der realisierten QC Laser ergaben sich
Verbesserungen der charakteristischen Laserparameter (1) bei konstanter
Emissionswellenlänge mit zunehmender Leitungsbanddiskontinuität und (2) bei
konstanter Leitungsbanddiskontinuität mit zunehmender Emissionswellenlänge.
Diese Beobachtungen wurden auf die Erhöhung der Besetzungsinversion mit
zunehmender effektiver Barrierenhöhe der Elektronen im oberen Laserniveau
zurückgeführt. Die entscheidenden Verlustmechanismen in QC Lasern mit kleinen
Emissionswellenlängen sind die thermische Emission der Elektronen im oberen
Laserniveau in das Kontinuum der ungebundenen Zustände und das Tunneln dieser
Ladungsträger aus den aktiven Bereichen heraus. Wegen ihrer exponentiellen
Abhängigkeit konnten die Verlustraten beider Mechanismen durch die Vergrößerung
der effektiven Barrierenhöhe reduziert werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen
wurden die thermischen Eigenschaften von QC Lasern im Dauerstrichbetrieb
untersucht. Um die Emission in einer einzelnen longitudinalen Mode zu
ermöglichen, wurden neben Bauelementen mit Fabry-Perot-Resonatoren ebenfalls
indexgekoppelte DFB (engl. distributed feedback) QC Laser entworfen und
erfolgreich realisiert.

Zur Demonstration ihres Anwendungspotentials wurden die im Rahmen dieser Arbeit
realisierten einmodigen QC Laser in der spektroskopischen Spurengasanalytik
eingesetzt. Als Beispiel wurden die in der Schadstoffüberwachung und in der
medizinischen Diagnostik relevanten Gase Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid
durch die Untersuchung fundamentaler Rotations-Schwingungs-Übergänge im
mittleren Infrarot mittels hochauflösender Absorptionsspektroskopie
nachgewiesen.


Kurzfassung in Englisch

In the present thesis GaInAs/AlInAs/InP-based quantum cascade lasers (QC lasers)
were designed and characterized. In particular the basic loss mechanisms
limiting lasing of these unipolar devices to short emission wavelengths were
investigated. For this reason different QC lasers emitting in the 4.9 µm to
5.4 µm wavelength range were realized. Firstly, the influence of AlAs blocking
barriers on the lasing properties was investigated. Furthermore, the conduction
band discontinuity was increased compared to the lattice-matched materials
system by employing compressively strained quantum wells and tensile strained
barriers. The individual layer thicknesses and lattice parameters were adjusted
such that the accumulated net strain was compensated. Additionally, the number
of coupled quantum wells in the active regions was varied.

For designing these devices the eigenenergies and wavefunctions of the quantized
subbands were calculated using a transfer matrix approach. The resulting
transition energies, transition matrix-elements and intersubband lifetimes
allowed for the simulation of the carrier transport across the structures within
the framework of a rate equation model as well as for the calculation of the
material gain. These simulations agreed favorably well with the experimental
results. The comparative investigation of the electro-optical properties of the
realized QC lasers showed improvements of characteristic laser parameters (1) at
constant emission wavelength with increasing conduction band discontinuity and
(2) at constant conduction band discontinuity with increasing emission
wavelength. These experimental results were attributed to the enhancement of the
population inversion with increasing effective barrier height of the electrons
in the upper lasing level. The dominating loss mechanisms of short-wavelength
QC lasers are thermionic carrier leakage from the upper lasing level to the
continuum of unbound states and tunneling of electrons in the upper lasing level
out of the active regions. Due to their exponential dependence both loss rates
could be reduced by increasing the effective barrier height. Furthermore,
thermal properties of QC lasers driven in continuous-wave operation were
investigated. To achieve emission into a single longitudinal mode index-coupled
distributed feedback (DFB) QC lasers were designed and successfully realized.

Finally, single-mode QC lasers were applied in spectroscopic trace-gas sensing
experiments. As an example the investigation of fundamental
rotational-vibrational transitions in the mid-infrared spectral range allowed
for the detection of carbon monoxide and nitric oxide by employing
high-resolution absorption spectroscopy.


SWD-Schlagwörter: Drei-Fünf-Halbleiter , Heterostruktur , Infrarot , Halbleiterlaser , Quantenkaskadenlaser , Dauerstrichbetrieb , DFB-Laser
Freie Schlagwörter (deutsch): GaInAs , AlInAs , Sperrbarriere , Verspannungskompensation , Absorptionsspektroskopie
Freie Schlagwörter (englisch): GaInAs , AlInAs , blocking barrier , strain-compensation , absorption spectroscopy
PACS Klassifikation 85.60.Bt , 81.07.St , 42.55.Px
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wagner, Joachim (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 05.08.2004
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