Towards cryogenic free terahertz quantum cascade lasers

Abstract

Der Terahertzfrequenzbereich (THz) ist ein sich schnell entwickelndes Forschungsgebiet. Quantenkaskadenlaser (QCLs) sind ein vielversprechendes Instrument, um den Mangel an ezienten und kompakten Terahertzlichtquellen zu beheben. Das Quanten- Engineering ermoglicht die Festlegung der Emissionsfrequenz vom mittleren Infrarot bis zum Terahertz-Spektralbereich. Fur Terahertzstrahlung ist der Energieabstand zwischen oberem und unterem Laserniveau weitaus geringer als die Raumtemperaturenergie und beschrankt daher den Betrieb von Terahertz-QCLs auf kryogene Systeme. Das Uberwinden dieser Einschrankung ist fur die Entwicklung von kompakten, ezienten und insbesondere handlichen Terahertzsystemen von entscheidender Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit ist die Designverbesserung des aktiven Mediums von Terahertz- QCLs, um deren maximale Betriebstemperatur zu erhohen. Eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Leistung von Standart GaAs/AlGaAs Terahertz-QCLs ist die Verwendung von Materialsystemen mit geringerer eektiver Elektronenmasse, da diese eine hohere optische Verstarkung aufweisen. Solche Materialien basieren auf InGaAs sowie InAs Materialsystemen. In dieser Arbeit wird der Ein uss von unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen auf die maximale Betriebstemperatur sowie auf die optische Ausgangsleistung fur InGaAs/InAlAs Terahertz-QCLs untersucht. Fur die hochste Dotierungskonzentration wird ein Rekord der Ausgangsleistung in gepulstem Betrieb von fast 600mW fur einen QCL mit einem Doppelmetallwellenleiter, gekoppelt an eine GaAs- Linse, erreicht. Dieses Ergebnis zeigt die hohe optische Verstarkung durch die Verwendung von Materialien mit niedriger eektiver Masse. Bei einer mittleren Dotierungskonzentration wird ein Temperaturrekord von 155K erreicht. Der hohe Leitungsbandversatz im InAs/AlAsSb Materialsystem fuhrt zu anspruchsvollen Wachstum von Barrieren mit Dicken von bis zu einer halben Monolage. Wir konnten fur dieses Materialsystem die erste Laseremission im Terahertzbereich zeigen, indem ein Magnetfeld von mehr als 4.3T senkrecht zur Schichtstruktur anlegt wurde. Eine weitere Strategie zur Verbesserung der maximalen Betriebstemperatur von Terahertz- QCLs besteht in der Optimierung von Standard GaAs/AlGaAs Designs. Durch die Anpassung der Aluminiumkonzentration im Barrierematerial andert sich der Leitungsbandversatz. Unsere Studien zeigen, dass hohere Barrieren bei erhohten Betriebstemperaturen aufgrund des verringerten Elektronenverlusts in das Leitungsbandkontinuum vorteilhaft sind. Fur eine Aluminumkonzentration von 21% konnte ein Rekord von kBTmax/~! =1.36 (186.5K bei 2.86THz) fur eine aktive Zone, bestehend aus drei Quantentopfen pro Periode, gezeigt werden. Die Optimierung eines Designs fur hohere Temperaturen fuhrte zu einer maximalen Betriebstemperatur von 191 K, die bislang hochste gemessene Temperatur fur einen Gold-Gold-Wellenleiter. Bei Kupfer-Kupfer- Wellenleitern wurde eine maximale Betriebstemperatur von 196K erreicht. Bei erhohten Temperaturen sollen angemessene Betriebszyklen die durchschnittliche optische Ausgangsleistung erhohen. Dies erfordert eine gute Warmeleitfahigkeit der Heterostruktur, um einen starken Anstieg der Temperatur des aktiven Mediums zu vermeiden. Unsere Messungen zeigen, dass hohere Aluminumkonzentrationen dieWarmeleitfahigkeit verringern. Wenn jedoch die Dicke der Barrieren verringert wird, wird die Warmeleitf ahigkeit erhoht und somit der Betrieb bei hoheren Betriebszyklen ermoglicht. Bei hohen Betriebstemperaturen ist ein schmales Verstarkungspro l von Vorteil, welches durch die Verteilung von Elektronen in verschiedene quantisierte Zustande bestimmt wird. Wir fuhren Magnetfeldmessungen durch, sowohl um die elastische Elektronenstreuung zwischen verschiedenen oberen Laserzustanden zu untersuchen als auch zu zeigen, dass mit einem halbwegs geringen Magnetfeld die Besetzungsinversion fur zwei Laser ubergange beein usst werden kann. Dies ermoglicht das Umschalten zwischen zwei Frequenzbereichen. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit wird die erste kryogenfreie Laseremission eines QCLs im Terahertzfrequenzbereich demonstriert, indem ein auf GaAs basierender Terahertz-QCL mit einer maximalen Betriebstemperatur von 196K mit einem thermoelektrischen Hochleistungskuhler kombiniert wird. Die Warmeleitfahigkeit des aktiven Mediums ermoglicht Betriebszyklen von bis zu 5% und maximale gemittelte Ausgangsleistungen von 120 μW. Mit einer derart hohen THz-Intensitat konnten wir die ersten Absorptionsmessungen im Terahertz-Frequenzbereich mit einem thermoelektrisch gekuhlten THz-QCL durchfuhren.

The terahertz (THz) frequency range is a fast developing research area. Quantum cascade lasers (QCLs) are a very promising tool to ll the lack of ecient and compact terahertz light sources. Quantum engineering enables to design the emission frequency, covering a range from the mid-infrared up to the terahertz spectral region. For terahertz radiation, the energy separation between the upper and lower laser level is far smaller than room temperature energy and thus restricts the operation of terahertz QCLs to cryogenic cooled systems. Overcoming this limitation is essential for the development of compact, ecient, and in particular, portable terahertz systems. The main eort of this work is to improve the active region design of terahertz QCLs to increase their maximum operating temperature. A promising strategy to enhance the performance of standard GaAs/AlGaAs terahertz QCLs is to use material systems with lower eective electron masses, because they bene t from a higher optical gain. Such materials include InGaAs-based as well as InAs-based material systems. In this thesis, the eect of dierent doping concentrations on the maximum operating temperature and the optical output power is investigated for InGaAs/InAlAs terahertz QCLs. For the highest doping concentration, a record pulsed power of almost 600mW for a QCL with a double metal waveguide and an attached GaAs lens is achieved. This result demonstrates the high gain by using low eective mass materials. For a moderate doping density, a record operating temperature of 155K is reached. In case of the InAs/AlAsSb material system, the very high conduction band oset demands the challenging growth of barriers down to only half a monolayer thickness. We were the rst to show terahertz lasing for this material system, by applying a magnetic eld higher than 4:3T perpendicular to the layered structure. A further strategy to improve the maximum operating temperature of terahertz QCLs is to optimize standard GaAs/AlGaAs designs. By adapting the aluminum concentration in the barrier material, the conduction band oset changes as well. Our studies demonstrate, that higher barriers are bene cial at raised operating temperatures, because of the reduced electron leakage into the conduction band continuum. We could show a record ratio of kBTmax/~! = 1:36 (186:5K at 2:86 THz) for a three-well active region design with 21% aluminum barriers. Optimizing a design for higher temperatures resulted in a maximum operating temperature of 191 K, which is, so far, the highest reported temperature for a gold-gold waveguide. For copper-copper waveguides the maximum operating temperature is further increased to 196 K. At elevated operating temperatures, reasonable duty cycles are intended to increase the average optical output power. This requires a good thermal conductivity of the heterostructure to avoid a strong increase of the active region temperature. Our measurements show that higher Al concentrations reduce the thermal conductivity. However, if the thickness of the barriers is reduced, the thermal conductivity is increased, which enables operation at higher duty cycles. For high operating temperatures a narrow gain pro le is bene cial. The optical gain distribution is determined by the spreading of electrons into dierent quantized states. We perform magnetic eld measurements to study elastic electrons scattering between dierent upper laser states and show, that with a decent magnetic eld the population inversion for two lasing transitions can be tuned, which enables the switching between two frequency ranges. In the nal section of this work, the rst cryogenic-free lasing of a QCL device in the terahertz frequency range is demonstrated by combining a GaAs-based terahertz QCL, operating up to a temperature of 196 K, and a high performance thermoelectric cooler. The reasonable thermal conductivity of the active region allows duty cycles up to 5% and enables maximum average output powers of 120 μW. With such high THz intensity we were able to perform the rst absorption measurements in the terahertz frequency range using a thermoelectrically cooled THz QCL.