Nobile, M. (2011). Intersubband devices based on the InGaAs/GaAsSb heterostructure operating in the midinfrared [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160754
Diese Arbeit ist dem Design, der Herstellung und der Charakterisierung von optoelektronischen Bauelementen gewidmet, welche den Prozess der optischen Intersubbandübergänge ausnutzen. Im Detail wurden Infrarot- Photodetektoren und Quantenkaskadenlaser untersucht, die mit InGaAs/GaAsSb Heterostrukturen auf InP Substraten hergestellt wurden. Die hergestellten Bauelemente arbeiteten im mittleren Infarrotbereich, also bei Wellenlängen von ~10mym.<br />Der Hauptvorteil des InGaAs/GaAsSb Systems liegt in der geringen effektiven Elektronenmasse der GaAsSb Barrieren (in etwa nur 50% im Vergleich zu anderen üblichen Heterostruktur Systemen), welche zu größeren optischen Matrixelementen und damit zu einer größeren optischen Verstärkung führt. Die zusätzliche Möglichkeit, wegen der geringen effektiven Elektronenmasse und der geringen Barrierenhöhen (360meV) dickere Barrieren verwenden zu können, ist von großer Wichtigkeit bei der Herstellung von Quantenkaskadenlasern die im THz Bereich arbeiten, da so die schwer kontrollierbaren Barrierendicken im Monolagenbereich vermieden werden können.<br /> In dieser Arbeit wurden zunächst Quantentröge aus kaskadierten InGaAs/GaAsSb Heterostrukturen mit Intersubband- Absorptionsexperimenten untersucht. Schon bei Raumtemperatur wurden auf allen Proben scharfe Lorentzlinien in der Absorption beobachtet. Wie erwartet, sieht man eine Rotverschiebung für größere Trogbreiten, mit der ein Wellenlängenbereich zwischen 5.8mym and 11.6mym abgedeckt werden kann. Als Anwendungsbeispiel wurde damit ein Infrarot-Photodetektor für eine Wellenlänge von 5.6µm realisiert.<br />Anschließend wurden InGaAs/GaAsSb Quantenkaskadenlaser hergestellt. Die Laser arbeiteten bei einer Wellenlänge von ~11mym und zeigen sehr niedrige Schwellströme bis hinunter zu 0.6kA/cm2. Die optische Leistung betrug mehr als ein Watt bei tiefen Temperaturen. Die maximale Betriebstemperatur lag bei 200K. Eine zweite Sorte von Lasern, die bei einer Wellenlänge von ~9.5mym arbeitete, erreichte Betriebstemperaturen nahe der Raumtemperatur (280K).<br />
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This work is devoted to the design, fabrication and characterization of intersubband devices, namely quantum well infrared photodetectors and quantum cascade lasers, based on the InGaAs/GaAsSb heterostructure lattice-matched to InP. The presented devices operate in the midinfrared range of the electromagnetic spectrum (~10mym).<br />The advantages offered by the low electron effective mass in the GaAsSb barriers (which is almost half the value in the more commonly used barrier materials) are in terms of higher optical matrix elements (i.e higher optical gain) and the need of thicker barriers. The possibility to use thicker barriers, due also to the moderate conduction band offset at the InGaAs/GaAsSb heterointerface (360meV), is of great importance especially for THz quantum cascade lasers, in order to avoid the ultrathin monolayer thick barriers which are common in the active region of InGaAs/InAlAs based THz quantum cascade lasers.<br />The InGaAs/GaAsSb heterostructure has been first studied through the intersubband absorption in multi-quantum well samples. Narrow, Lorentzian-shaped absorption peaks are observed at room temperature in all the samples under investigation. As expected, the intersubband resonance undergoes a red-shift by increasing the well width, covering the spectral range between 5.8mym and 11.6mym. The results of intersubband absorption experiments clearly indicate the possibility to exploit the InGaAs/GaAsSb heterostructure for the realization of intersubband devices.<br />As first example of such devices, a quantum well infrared photodetector operating at a wavelength of 5.6mym is demonstrated.<br />Subsequently, the InGaAs/GaAsSb based quantum cascade lasers are presented. The devices emitting at a wavelength of ~11mym show threshold current densities as low as 0.6kA/cm2 and optical output powers exceeding the watt at low temperature, but the maximum operating temperature is limited to ~200K in this case. On the other hand, the devices emitting at ~9.5mym show higher temperature operation, reaching almost room temperature operation (280K).<br />