Entwurf und Charakterisierung von Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen

Autor: Herrle, Thomas
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2007
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Popis: Quantenkaskadenlaser (QCLs) stellen kompakte kohärente Lichtquellen im Spektralbereich des mittleren Infrarot dar. Trotz erheblicher Fortschritte besitzen QCLs im Vergleich zu Interbanddiodenlasern hohe Schwellenstromdichten aufgrund des geringen Materialgewinns und kurzer Intersubbandlebenszeiten. Theoretische Berechnungen sagen in QCLs eine Verringerung der nichtstrahlenden Streuraten bei Reduzierung der Dimensionalität der aktiven Region voraus. Der optische Übergang findet dann nicht mehr zwischen Zuständen in gekoppelten Quantentöpfen, sondern in Quantendrähten oder -punkten statt. In dieser Arbeit wurden daher Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen entworfen und sowohl elektrisch als auch spektral charakterisiert. Die Herstellung dieser Proben erfolgte mit der Methode des Überwachsens von Spaltflächen (engl. cleaved-edge overgrowth, CEO). Dabei diente eine konventionelle undotierte Quantenkaskadenlaserstruktur gemäß Sirtori et al. im AlGaAs/GaAs-Materialsystem als Grundlage. Solche Proben wurden gespalten und danach wird in einem zweiten Wachstumsschritt durch eine Modulationsdotierung ein zusätzliches Einschlusspotential für die eingebrachten Elektronen entlang der [110]-Richtung erzeugt. Es konnte gezeigt werden, dass sich dadurch zusammen mit dem Einschluss der Elektronen durch die Quantentöpfe entlang der [001]-Richtung quantendrahtartige Zustände an der Spaltfläche ausbilden. Die Einschränkung der Dimensionalität des Elektronensystems in dem Quantendrahtsystem führt im Vergleich zu einem Quantenfilmsystem sowohl zu einer Verringerung der Übergangszeiten zwischen Zuständen, die energetisch wesentlich weiter als die Energie eines longitudinal optischen (LO-) Phonons auseinander liegen, als auch zu einer Erhöhung der Besetzungsinversion. Aufgrund des schwachen Einschlusspotentials der Elektronen entlang der [110]-Richtung bilden sich allerdings eine Vielzahl angeregter Zustände zwischen dem oberen und unteren Laserniveau aus, in die Elektronen aus dem oberen Niveau heraus streuen können. Dadurch wird in der betrachteten Quantendrahtstruktur die Gesamtlebenszeit des oberen Laserzustands verringert und zwar derart, dass sie sogar geringer als in der zugrunde liegenden Quantenfilmstruktur ist. In dieser Arbeit wurde der zu erwartende Materialgewinn in Quantendrahtsystemen berechnet, wobei gezeigt werden konnte, dass dieser aufgrund der geringeren Lebenszeit des oberen Laserniveaus geringer ist als im Quantenfilmsystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch das Lösen der skalaren Wellengleichung in zwei Dimensionen ein T-förmiger Wellenleiter für die Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen entwickelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Wellenleiterverluste gegenüber einem konventionellen QCL reduziert sind. Allerdings ist aufgrund der viel kleineren optisch aktiven Region an der Spaltfläche, wo sich die Quantendrähte befinden, der Füllfaktor sehr viel kleiner als dies in einem konventionellen QCL der Fall ist. Es konnte gezeigt werden, dass dies zu Schwellenstromdichten führt, die wesentlich größer als für einen konventionellen QCL sind und deshalb Laseraktivität in den hier betrachteten Quantendrahtstrukturen verhindern. Neben der strukturellen Charakterisierung der Quantendrahtstrukturen mittels Rasterkraftmikroskopie und konfokaler Mikro-Ramanspektroskopie wurden die Proben auch auf ihre elektrischen und spektralen Eigenschaften hin untersucht. Hierzu diente die stromkontrollierte und gepulste Aufnahme von Strom-Spannungs- (I-U) Kennlinien bei unterschiedlichen Temperaturen und Tastverhältnissen. Die Elektrolumineszenzspektren wurden mithilfe von Fourier-Spektroskopie ermittelt. Für den ersten Wachstumsschritt, der eine konventionelle undotierte QCL-Struktur darstellt, konnte ein strominduziertes Aufheizen des Bauteils festgestellt und erklärt werden. Dies hat sowohl Auswirkungen auf die I-U-Kennlinien als auch auf die Elektrolumineszenzspektren. Das Aufheizen der Probe liegt in einem hohen Probenwiderstand begründet, der durch die Modulationsdotierung entlang der [110]-Richtung reduziert wird, und daher bei den Quantendrahtintersubbandemittern weniger stark ausgeprägt ist. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der Konzentration in der Modulationsdotierung auf die I-U-Kennlinien und das strominduzierte Aufheizen der Proben untersucht. Messungen in Abhängigkeit vom Tastverhältnis untermauern die Theorie zum Einfluss des strominduzierten Aufheizens. Die erhaltenen Ergebnisse werden ebenso durch temperaturabhängige Messungen gestützt. Polarisationsabhängige Messungen konnten allerdings nicht klären, ob die beobachtete Intersubbandelektrolumineszenz aus dem Quantendrahtsystem oder dem zugrunde liegenden Quantenfilmsystem stammt. Diese Arbeit diskutiert die Herausforderungen bei der Realisierung von QCLs mit Quantendrähten im Detail. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern Erkenntnisse, die für zukünftige Entwürfe niederdimensionaler QCLs wertvoll sind.
Quantum cascade lasers (QCLs) represent a new class of coherent light sources in the mid infrared spectral range. Despite considerable improvements, QCLs still exhibit high threshold current densities in comparison to interband diode lasers due to a low material gain and short intersubband lifetimes. However, theoretical calculations predict a decrease of non-radiative transition rates when the active region is of lower dimensionality. Then, the optical transition does not take place between states in coupled quantum wells anymore, but between coupled quantum wires or dots. Therefore, in this work quantum wire intersubband laser structures were designed and examined electrically as well as spectrally. The samples were fabricated by means of the cleaved-edge overgrowth (CEO) technique. The basis of each sample was an undoped conventional QCL-structure according to Sirtori et al. in the AlGaAs/GaAs-material system. These samples were cleaved and in a second growth step an additional confinement potential was created by a modulation doping along the [110] crystal direction. It could be shown that together with the confinement potential of the quantum wells along the [001]-direction, quantum wire like states are formed at the cleavage plane. The reduction of the dimensionality of the electron system in the quantum wire system leads to a decrease in the transition rates between states which are separated energetically much wider than the energy of a longitudinal optical (LO-) phonon. Additionally, the population inversion is increased in these structures compared to quantum well systems. The weak confinement potential along the [110]-direction leads to the creation of many excited states between the upper and lower laser level to which electrons can scatter non-radiatively out of the upper laser level. This causes a reduction of the upper state lifetime in the considered quantum wire intersubband laser structure which turns out to be even lower than in the underlying QCL-structure. In this work, the material gain in quantum wire intersubband laser structures has been calculated and it could be shown that it is lower than in conventional QCL-structures due to the lower intersubband lifetime of the upper laser level. In the framework of this thesis, a T-shaped waveguide was designed for the quantum wire intersubband laser structures by solving the scalar wave equation in two dimensions. It turns out that the waveguide losses are reduced compared to a conventional QCL-structure. However, the optical confinement factor is much smaller due to the much smaller optically active region at the cleavage plane where the quantum wire like states reside. It could be shown that this leads to threshold current densities which are considerably higher than in conventional QCLs and therefore prevent laser activity in the presented quantum wire intersubband laser structures. Besides the structural characterization of the samples by atomic force microscopy (AFM) and micro-Raman-spectroscopy, the samples were investigated concerning their electrical and spectral properties. Current-voltage- (I-V) characteristics were taken in pulsed mode operation in a current controlled measurement for different temperatures and duty-cycles. The electroluminescence spectra were recorded by Fourier-spectroscopy. For the first growth heterostructure, which represents an undoped conventional QCL-structure, a current induced heating of the sample was found. This influences the I-V-characteristics as well as the electroluminescence spectra. The heating of the sample has its origin in a high sample resistance which is reduced by the modulation doping along the [110]-direction and is therefore diminished in the quantum wire intersubband emitters. The influence of the modulation doping concentration on the I-V-characteristics as well as on the current induced heating has been examined for these structures. Duty-cycle dependent measurements confirm the influence of a current induced heating of the samples. The obtained results are also supported by temperature dependent measurements. However, polarization dependent measurements could not clarify whether the observed electroluminescence is due to the quantum wire or the underlying quantum well system. This work discusses in detail the arising challenges when realizing QCLs with an electron system consisting of quantum wires in detail. However, the obtained results are expected to be valuable for the future design of lower dimensional QCLs.
Databáze: OpenAIRE
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