Quanten Kaskaden Detektoren (Quantum Cascade Detectors - QCDs) sind eine junge Technologie, welche dazu verwendet wird Infrarotstrahlung zu messen. QCDs heben sich von anderern Detektoren durch ihre Kompaktheit, ihre hohe Detektionsgeschwindigkeit, und ihre flexibel designbare Absorptionsfrequenz ab. Da an QCDs erst einige Jahre geforscht wird, gibt es noch viel Optimierungspotential, bis man das theoretische Limit dieser Bauelemente erreicht. Im Zuge dieser Arbeit wurden QCDs untersucht und ihre Verbesserungsmöglichkeiten erforscht. In einem ersten Schritt wurden QCDs nach dem aktuellen Stand der Technik analysiert. Dabei wurde herausgefunden, dass der am stärksten limitierende Prozess die Extraktion angeregter Elektronen ist. Bei diesen Bauelementen findet der optische übergang zwischen zwei gebundenen Zuständen innerhalb eines Quantentopfs statt. Daraus ergibt sich ein groß es Dipol-Matrixelement, aber auch eine groß es überlapp-Integral zwischen den Dichtefunktionen der beteiligten Zustände. Das bewirkt eine signifikante Reduktion der Lebenszeit der Elektronen im höheren Zustand, welche die Extraktionseffizients limitiert. Um diese Einschränkung zu umgehen, wurde ein neues Designkonzept für QCDs entwickelt. Beim sogenannten diagonal-transition QCD findet der optische übergang zwischen zwei Zuständen in benachbarten Quantentöpfen statt, woraus ein signifikant kleineres überlapp-Integral resultiert. Dadurch wird einerseits die Extraktionseffizients erhöht, aber auch andere wesentliche Parameter, wie das Rauschverhalten, verbessert. Ein weiterer Vorteil dieses Designkonzepts ist, da{ß} im Gegensatz zu bisherigen Designs, die Extraktion nicht mehr von einem resonanten übergang abhängig ist. Es wurde gezeigt, dass dadurch das Bauelement wesentlich robuster gegen Wachstumsinstablitäten wird. Der erste QCD basierend auf dem diagonal-transition Konzept zeigte eine zehn Mal bessere Responsivität als bisherige QCDs bei einer ähnlichen Absorptionsfrequenz. Um diese Technologie weiter zu verbesseren, war es notwendig, die Absorptionsgeometrie zu verändern. Dazu wurden Resonatoren mit hohem Gütefaktor verwendet um die Lebenszeit der Photonen innerhalb des QCDs zu erhöhen. Um mit dieser Kombination eine hohe Effizienz zu erzielen ist es notwendig, QCD und Resonator aufeinander abzustimmen. Ein Weg besteht darin, die Dotierdichte im QCD zu verringern, welches als zusätzlichen Vorteil auch das Rauschverhalten verbessert. Eine elegantere Methode die beiden Technologien an einander anzupassen, wurde mit dem diagonal-transition QCD eingeführt. Wenn man die Dicke der Barriere zwischen den beiden am optischen übergang beteiligten Zuständen variiert, ändert sich sowohl das überlapp-Integral, als auch das Dipol-Matrixelement. Der große Vorteil dieser Herangehensweise besteht darin, beim Anpassen des QCDs an den Resonator, automatisch alle Eigenschaften des Detektors verbessert werden. Um dieses Konzept bis ans Limit zu treiben, wurde eine umfangreiche Analyse der Anpassungsmöglichkeiten durchgeführt. Das Ergebnis ist ein Bauelement, bei dem sowohl die Dotierdichte, als auch die Barrierendicke optimiert wurden. Für einen solchen Detektor wurde eine mögliche Responsivität von 95 mA/W und eine spezifische Detektivität von 109 Jones bei T = 300K berechnet.
The quantum cascade photodetector (QCD) is a rather new technology which provides high-speed detection of infrared radiation in a flexibly designable spectral range. Since QCDs have been researched for only some years, there is still room for a performance increase in orders of magnitude, until they reach their theoretical limit. In the course of this work quantum cascade detectors were investigated and their improvement capabilities were analyzed. By analyzing state of the art QCDs, the extraction of excited electrons was found to be the most limiting factor for the device performance. In those QCD designs the optically active transition took place between two energy states within one quantum well. The result is a high dipole matrix element, but as high overlap between the wavefunctions, reducing the lifetime of electrons in the upper state and thus limiting the extraction efficiency. To circumvent these limitations, a new design concept, the diagonal-transition QCD, was demonstrated. Here, the optical transition takes place between two energy states in different, but adjacent quantum wells. The result is a significantly smaller overlap-integral between the two optically active energy states. This increases both the extraction efficiency and the device resistance, and leads to a significant overall performance increase, despite the smaller dipole-matrix-element. Another advantage of this design scheme is, that, opposite to previous designs, the extraction is not based on resonant tunneling, which makes it fundamentally more robust against growth instabilities. The first demonstrated QCD based on this design scheme showed an almost 10 times higher responsivity than the previous record QCDs at a similar detection frequency. In order to further improve the performance of QCDs and make them competitive to commercially available photodetectors such as MCTs, the absorption geometry needs to be changed. By fabricating the QCD in a high quality cavity configuration the photon lifetime can be significantly improved. However, the lifetime enhancement is only efficient if the cavity and the QCD are optimized for each other. One way to match the QCD to a high-Q cavity is reducing its absorption coefficient, e.g. by reducing the doping level. The consequence is an improvement of the noise behaviour. A more sophisticated way to match the QCD to a high-Q cavity was introduced with the diagonal-transition QCD. By adjusting the thickness of the barrier separating the two optically active states, their overlap integral and their dipole matrix element can be controlled. The major advantage of this approach is that by matching the absorption coefficient to the cavity all other properties of the QCD are improved. In order to fully exploit the increased design freedom and pushing device performance to its limits, extensive theoretical studies were performed. An optimal device design, in terms of doping and diagonality of the optical transition was found. Additionally, the devices robustness against mismatch of Q-factors and losses was investigated. The calculation predicts a possible responsivity of 95 mA/W and a specific detectivity of approximately 109 Jones at T = 300 K for QCDs with a diagonal optically active transition and optimized Q-factors.
