Entwurf und Charakterisierung von Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen

Quantenkaskadenlaser (QCLs) stellen kompakte kohärente Lichtquellen im Spektralbereich des mittleren Infrarot dar. Trotz erheblicher Fortschritte besitzen QCLs im Vergleich zu Interbanddiodenlasern hohe Schwellenstromdichten aufgrund des geringen Materialgewinns und kurzer Intersubbandlebenszeiten. Theoretische Berechnungen sagen in QCLs eine Verringerung der nichtstrahlenden Streuraten bei Reduzierung der Dimensionalität der aktiven Region voraus. Der optische Übergang findet dann nicht mehr zwischen Zuständen in gekoppelten Quantentöpfen, sondern in Quantendrähten oder -punkten statt. In dieser Arbeit wurden daher Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen entworfen und sowohl elektrisch als auch spektral charakterisiert. Die Herstellung dieser Proben erfolgte mit der Methode des Überwachsens von Spaltflächen (engl. cleaved-edge overgrowth, CEO). Dabei diente eine konventionelle undotierte Quantenkaskadenlaserstruktur gemäß Sirtori et al. im AlGaAs/GaAs-Materialsystem als Grundlage. Solche Proben wurden gespalten und danach wird in einem zweiten Wachstumsschritt durch eine Modulationsdotierung ein zusätzliches Einschlusspotential für die eingebrachten Elektronen entlang der [110]-Richtung erzeugt. Es konnte gezeigt werden, dass sich dadurch zusammen mit dem Einschluss der Elektronen durch die Quantentöpfe entlang der [001]-Richtung quantendrahtartige Zustände an der Spaltfläche ausbilden. Die Einschränkung der Dimensionalität des Elektronensystems in dem Quantendrahtsystem führt im Vergleich zu einem Quantenfilmsystem sowohl zu einer Verringerung der Übergangszeiten zwischen Zuständen, die energetisch wesentlich weiter als die Energie eines longitudinal optischen (LO-) Phonons auseinander liegen, als auch zu einer Erhöhung der Besetzungsinversion. Aufgrund des schwachen Einschlusspotentials der Elektronen entlang der [110]-Richtung bilden sich allerdings eine Vielzahl angeregter Zustände zwischen dem oberen und unteren Laserniveau aus, in die Elektronen aus dem oberen Niveau heraus streuen können. Dadurch wird in der betrachteten Quantendrahtstruktur die Gesamtlebenszeit des oberen Laserzustands verringert und zwar derart, dass sie sogar geringer als in der zugrunde liegenden Quantenfilmstruktur ist. In dieser Arbeit wurde der zu erwartende Materialgewinn in Quantendrahtsystemen berechnet, wobei gezeigt werden konnte, dass dieser aufgrund der geringeren Lebenszeit des oberen Laserniveaus geringer ist als im Quantenfilmsystem. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch das Lösen der skalaren Wellengleichung in zwei Dimensionen ein T-förmiger Wellenleiter für die Quantendrahtintersubbandlaserstrukturen entwickelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Wellenleiterverluste gegenüber einem konventionellen QCL reduziert sind. Allerdings ist aufgrund der viel kleineren optisch aktiven Region an der Spaltfläche, wo sich die Quantendrähte befinden, der Füllfaktor sehr viel kleiner als dies in einem konventionellen QCL der Fall ist. Es konnte gezeigt werden, dass dies zu Schwellenstromdichten führt, die wesentlich größer als für einen konventionellen QCL sind und deshalb Laseraktivität in den hier betrachteten Quantendrahtstrukturen verhindern. Neben der strukturellen Charakterisierung der Quantendrahtstrukturen mittels Rasterkraftmikroskopie und konfokaler Mikro-Ramanspektroskopie wurden die Proben auch auf ihre elektrischen und spektralen Eigenschaften hin untersucht. Hierzu diente die stromkontrollierte und gepulste Aufnahme von Strom-Spannungs- (I-U) Kennlinien bei unterschiedlichen Temperaturen und Tastverhältnissen. Die Elektrolumineszenzspektren wurden mithilfe von Fourier-Spektroskopie ermittelt. Für den ersten Wachstumsschritt, der eine konventionelle undotierte QCL-Struktur darstellt, konnte ein strominduziertes Aufheizen des Bauteils festgestellt und erklärt werden. Dies hat sowohl Auswirkungen auf die I-U-Kennlinien als auch auf die Elektrolumineszenzspektren. Das Aufheizen der Probe liegt in einem hohen Probenwiderstand begründet, der durch die Modulationsdotierung entlang der [110]-Richtung reduziert wird, und daher bei den Quantendrahtintersubbandemittern weniger stark ausgeprägt ist. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der Konzentration in der Modulationsdotierung auf die I-U-Kennlinien und das strominduzierte Aufheizen der Proben untersucht. Messungen in Abhängigkeit vom Tastverhältnis untermauern die Theorie zum Einfluss des strominduzierten Aufheizens. Die erhaltenen Ergebnisse werden ebenso durch temperaturabhängige Messungen gestützt. Polarisationsabhängige Messungen konnten allerdings nicht klären, ob die beobachtete Intersubbandelektrolumineszenz aus dem Quantendrahtsystem oder dem zugrunde liegenden Quantenfilmsystem stammt. Diese Arbeit diskutiert die Herausforderungen bei der Realisierung von QCLs mit Quantendrähten im Detail. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern Erkenntnisse, die für zukünftige Entwürfe niederdimensionaler QCLs wertvoll sind