Quantum design of mid-infrared semiconductor lasers

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung von Quanten Kaskaden Lasern, die im mittleren infraroten Spektralbereich emittieren. Diese elektrisch gepumpten Halbleiterlaser basieren auf Intersubbandübergängen in gekoppelten Quantentöpfen oder Übergittern. Die Wellenlänge als auch das Leistungsverhalten dieser Laser ist durch das Design der involvierten Quantentöpfen kontrolliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der erste GaAs/AlGaAs Quanten Kaskaden Laser basierend auf einem optischen Übergang zwischen einem gebundenen Zustand und einem Miniband hergestellt. Diese Quanten Kaskaden Laser arbeiteten im gepulsten Betrieb bis zu einer Wärmesenken-Temperatur von 100°C, was bisher demonstrierte Betriebstemperaturen für Quanten Kakaden Laser, hergestellt im GaAs Material System, deutlich übertrifft. Neben der aktiven Zone, in der die optischen Übergänge stattfinden, trägt auch die Wellenleiterstruktur maßgeblich zur Arbeitsweise von Lasern bei. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Quanten Kaskaden Laser mit verteilter Rückkopplung hergestellt. Die emittierte Leistung über die Oberfläche erreichte Werte von 1W bei Raumtemperatur, für Laser die auf im InGaAs/InAlAs/InP Material System hergestellt wurden, und 3W bei 78K, für auf dem GaAs-basierenden Quanten Kaskaden Laser.<br />

The purpose of this work was the improvement of mid-infrared quantum cascade lasers. These are semiconductor injection lasers based on intersubband transitions in a multiple-quantum-well heterostructure, designed by means of band-structure engineering. By quantum design the wavelength as well as the performance of these devices can be tailored.<br />Within this work, the first GaAs-based quantum cascade lasers utilizing a bound-to-continuum transition were realized. This design strategy led to the demonstration of the highest working temperature of GaAs-based quantum cascade lasers operating in pulsed mode, so far. Continuous wave operation of GaAs-based quantum cascade lasers at elevated temperatures however is still a problem due to the strong current-induced self-heating of the devices during operation. To get insight in the thermal characteristics of these structures, the thermal dynamics were investigated by means of an interferometric thermal mapping technique.<br />The results showed that the heat conductivity in the multilayered active region is strongly anisotropic. On the basis of the obtained results methods how to improve the devices concerning their thermal characteristics are discussed. Beside the active region design, also the resonator structure strongly determines the performance and characteristics of a laser. In this work, distributed feedback quantum cascade lasers were designed and fabricated. This yielded in the demonstration of the highest output power via the surface reported for quantum cascade lasers. High power tunable single-mode surface emission was demonstrated for GaAs-based and InP-based quantum cascade lasers.