Interband cascade lasers and detectors : from active region design to devices

Abstract

Der mittlere Infrarotbereich bietet unvergleichliche Möglichkeiten für die Spektroskopie einer Vielzahl von Molekülen, die in diesem Wellenlängenbereich ihre fundamentalen Absorptionsbanden aufweisen. Die sich rasch entwickelnde Technologie der Interbandkaskadenlaser und -detektoren findet sowohl in der Forschung als auch in der Industrie zunehmend Beachtung, da sie eine ideale Plattform für neuartige integrierte photonische Sensoren darstellt. Interbandkaskadenlaser werden besonders wegen ihrer niedrigen Schwellenstromdichte und dem geringen Stromverbrauch geschätzt und beschleunigen so die Entwicklung von tragbaren, kompakten und batteriebetriebenen Spurengassensoren. Sie können als Kombination aus konventionellen Diodenlasern und Quantenkaskadenlasern gesehen werden. Als solche zeichnen sie sich durch lange obere Zustandslebensdauern und eine spannungseffiziente Reihenschaltung mehrerer aktiver Bereiche aus. Diese Laser weisen einen Leistungs-Sweetspot bei 3-4 μm auf und der Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur wurde bei Wellenlängen von 2.8-5.6 μm im GaSb-Materialsystem nachgewiesen. Die Ausweitung dieses Wellenlängenbereichs hat sich jedoch als schwierig erwiesen, was teilweise auf ein noch unzureichendes Verständnis der internen Physik des Bauelements zurückzuführen ist. Die vorliegende Arbeit stellt eines der fehlenden Puzzlestücke zum Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Funktionsprinzipien von Interbandkaskadenlasern dar, indem sie den ursächlichen Mechanismus beleuchtet, der die Leistung der Bauelemente außerhalb des Sweetspot-Bereichs beeinträchtigt. Zunächst liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Intersubbandabsorption im aktiven Bereich von Interbandkaskadenlasern. Mit Hilfe von Simulationen und Experimenten wird ein Leitfaden zur Abschwächung dieser Verluste vorgestellt. Ein kausaler Zusammenhang zwischen der GaInSb Loch-Quantentopf-Dicke und der Valenz-Intersubbandabsorption wird eindeutig nachgewiesen. Im Bereich von 4-5 μm führt eine Verringerung der Schichtdicke zu einer verbesserten Leistung, was experimentell bestätigt wird. Bei einer Wellenlänge von 4.35 μm werden alle Leistungskennzahlen, insbesondere die charakteristische Temperatur, die Schwellenstromdichte, die Steigungseffizienz und die Ausgangsleistung verbessert. Diese Erkenntnisse werden in einem zweiten Schritt angewandt, um die Grenze des Dauerstrichbetriebs bei Raumtemperatur von GaSb-basierten Interbandkaskadenlasern über 6 μm hinaus zu erweitern. Das zweite Thema, das in dieser Arbeit untersucht wird, ist die Realisierung von vertikal emittierenden Single-Mode-Ring-Interbandkaskadenlasern. Obwohl Frequenzkämme immer mehr an Bedeutung gewinnen, ist für die überwiegende Mehrheit empfindlicher spektroskopischer Messverfahren die Emission in einer einzigen spektralen Mode eine wesentliche Voraussetzung. Darüber hinaus bietet dieses Bauelementekonzept aufgrund der vertikalen Lichtemission die Möglichkeit des Testens auf Waferebene. Zudem wird die Integration der Bauelemente in einem 2D-Array ermöglicht. Die Realisierung dieser Bauelemente, einschließlich der Herstellung und der erzielten Leistung, wird diskutiert. Single-Mode-Emission wird im Dauerstrichbetrieb bis zu einer Temperatur von 38 °C erreicht. Dies ist für die Miniaturisierung der Sensoren von entscheidender Bedeutung, um sperrige Komponenten zur Kühlung zu vermeiden. Diese Ergebnisse legen somit eine solide Grundlage für die Implementierung der Geräte in kompakten, möglicherweise batteriebetriebenen Sensoren. Photodetektoren sind unverzichtbare Komponenten für die Spektroskopie, die optische Kommunikation und sind auch für die Charakterisierung von Lasern unabdingbar. Das dritte Thema dieser Arbeit dreht sich um Interbandkaskaden-Infrarot-Photodetektoren. Diese aufstrebende Klasse von Detektoren für das mittlere Infrarot zeichnet sich durch eine große spektrale Bandbreite, hohe Empfindlichkeit und hohe Geschwindigkeit aus. Es wurden Bauelemente mit InAs/GaSb-Übergitterabsorbern realisiert und untersucht. Ihr enormes Potenzial für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb wird durch die Implementierung vollständig gehäuster Detektoren, die im Rahmen dieser Arbeit für zwei Anwendungen realisiert wurden, unbestreitbar bestätigt: optische Freiraumkommunikation und die Charakterisierung der zeitlichen Wellenform und Phasenkohärenz von Halbleiter-Frequenzkämmen.

The mid-infrared spectral region presents unrivaled opportunities for the spectroscopy of a vast variety of molecules that exhibit their fundamental roto-vibrational absorption lines in this wavelength range. The rapidly advancing technology of interband cascade devices – lasers and detectors – is attracting increasing attention from both researchers and industry, as it constitutes an ideal platform for novel integrated photonic sensors. Interband cascade lasers (ICLs) are especially appreciated for their low threshold current densities and low power consumption, accelerating the development of portable, compact, and battery-driven trace gas sensors. They can be seen as a combination of conventional diode lasers and quantum cascade lasers (QCLs), featuring long upper state lifetimes and a voltage-efficient series connection of multiple active regions. These lasers show a performance sweet spot around 3-4 μm and continuous wave (cw) operation at room temperature has been demonstrated at wavelengths from 2.8-5.6 μm in the GaSb material system. However, extending this range towards longer wavelengths has proven difficult, partly originating from a still insufficient understanding of the internal device physics. The presented thesis fills in one of the missing puzzle pieces of understanding the underlying physical operation principles of ICLs, shedding light on the causative mechanism degrading device performance outside of the sweet spot region. First, the focus lies on the investigation of intersubband absorption in the active region of ICLs. With the help of simulations and experiments a guideline for mitigating these losses is presented. A causal relationship between the GaInSb hole quantum well (h-QW) thickness and the valence intersubband absorption is unambiguously proven. In the 4-5 μm region, reducing the layer thickness results in improved performance, which is experimentally confirmed. At a wavelength of 4.35 μm, all performance metrics, in particular the characteristic temperature, threshold current density, slope efficiency, and output power are enhanced. These findings, in a second step, are applied to push the room temperature cw operation limit of GaSb-based ICLs beyond 6 μm. The second topic explored in this thesis is the realization of vertically emitting single-mode ring ICLs. Although frequency combs are gaining momentum, for the vast majority of sensitive sensing schemes lasing in a single spectral mode is an essential prerequisite. Moreover, this device concept offers the possibility of wafer-level testing due to the vertical light emission, which furthermore allows for the integration of the devices in a 2D array. The realization of these devices, including fabrication and achieved performance is discussed. Single-mode emission is observed in cw operation up to a temperature of 38 °C. This is imperative for sensor miniaturization, avoiding bulky components for cooling. Hence, these results lay a solid foundation for the implementation of devices in compact, possibly battery-powered sensors. Photodetectors are essential components for spectroscopy, optical communication, and are also imperative for laser characterization. The third topic of this thesis revolves around interband cascade infrared photodetectors (ICIPs). This newly emergent class of mid-infrared detectors features a broad spectral bandwidth, high sensitivity as well as high-speed performance. Devices employing InAs/GaSb superlattice absorbers are realized and investigated. Their tremendous potential for high-speed operation is indisputably confirmed by implementing fully-packaged ICIPs realized during the course of this thesis for two applications: free-space optical communication and the characterization of the temporal waveform and phase-coherence of semiconductor frequency combs.