Terahertz quantum-cascade lasers: carrier transport and photonic crystal cavities

Abstract

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Elektronentransport in der aktiven Zone von Terahertz (THz) Quanten-Kaskaden Lasern (QCLs) und der Realisierung von Resonatoren basierend auf Photonischen Kristallen (PhC) für diese Laser. Die aktive Zone unseres THz-QCLs basiert auf dem longitudinalen optischen (LO) Phonon Design. Der untere Laserzustand wird mit Hilfe eines LO-Phonons entleert, wodurch eine extrem kurze Lebensdauer erreicht wird. Die aktive Zone besitzt ein Verstärkungsmaximum bei 2.8 THz, das entspricht einer Wellenlänge von 110 mm oder einer Übergangsenergie von 10 meV.<br />Auf Grund der energetisch sehr dichten Subbänder, ist es notwendig den Elektronentransport sehr genau zu verstehen. Die durchgeführte Dotierungsstudie zeigt, dass der dominierede Parameter für einen emittierenden THz-QCL das angelegte Feld ist. Der Schwellenstrom kann mit Hilfe der Dotierung linear variiert werden, bis zu einer Konzentration von 1.9e10 cm-2. Die Dotierung verändert die elektrische Leitfähigkeit der Struktur, ohne die optischen Eigenschaften zu verändern. Die Elektron-Elektron Streuung, welche für Systeme mit vergleichbaren Subband Abständen ein Problem ist, kann auf Grund der niedrigen Dotierung in THz-QCLs vernachlässigt werden.<br />Photonische Kristalle sind ausgezeichnete Systeme für Laserresonatoren, da ihre Dispersion vollständig designt werden kann. Wir präsentieren zwei verschiedene Resonatorkonzepte basierend auf isolierten Säulen. Die PhCs beider Konzepte werden aus der aktiven Zone hergestellt und im Double-Metal Wellenleiter eingebettet. Der erste Resonatortyp besteht aus einem zentralen Verstärkungsbereich, welcher von einem PhC-Spiegel umgeben ist. Diese Laser emittieren in der Bandlücke des PhCs. Beim zweiten Typ wird der zentrale Verstärkungsbereich entfernt, er besteht nur noch aus dem PhC. Die Verstärkung basiert auf einer extrem flachen Dispersionsrelation in der Nähe von Symmetriepunkten des PhCs. Beide Konzepte erlauben es die Emissionsfrequenz lithographisch im gesamten Verstärkungsbereich der aktiven Zone von etwa 400 GHz durchzustimmen.<br />

The focus of this work is the electron transport in the active region of terahertz (THz) quantumcascade lasers (QCLs) and the realization of photonic crystal (PhC) resonators for these lasers. The active region of our THz-QCLs is based on the longitudinal optical (LO) phonon depopulation mechanism. This scheme utilizes a LO phonon scattering process for the depopulation of the lower laser. Thereby, an extremely short life time in the lower laser state is achieved. The active region is designed to show the gain maximum around 2.8 THz, corresponding to a wavelength of 110 mm or a transition energy of 10 meV.<br />Due to the small subband spacing in the active region, it is necessary to understand the transport processes precisely. The performed doping study shows clearly that the crucial parameter for a lasing THz-QCL is the alignment field. The threshold current can be controlled linearly by the doping concentration up to a sheet density of 1.9e10 cm-2. The doping changes the electrical conductivity of the structure, the optical properties are almost unaffected.<br />The electron-electron scattering, which normally is problem for systems with a small sub-band spacing, is negligible due to the low concentration in THz-QCLs.<br />Photonic crystals are an excellent system for laser resonators as their dispersion relation is defined purely by design. We present two different concepts for resonators based on isolated pillars. The PhCs for both concepts are fabricated directly from the active region and embedded into the double-metal waveguide. The first type of devices consists of a bulk gain region which is surrounded by a PhC mirror.<br />These lasers are designed to lase in the bandgap of the PhC. The second type of devices consists of only the PhC, the bulk gain region is removed. These devices rely on so-called flat-band regions at high symmetry points of the PhC. Both PhC concepts offer a lithographic tuning of the emission frequency within almost the entire gain bandwidth of the active region of more than 400 GHz.