Titelaufnahme

Titel
Impact of doping density in short-wavelength indium phosphide quantum cascade lasers / von Elvis Mujagić
VerfasserMujagić, Elvis
Begutachter / BegutachterinStrasser, Gottfried
Erschienen2007
Umfang79 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2007
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Quantenkaskadenlaser/Dotierung/Indium Phosphid/kurze Wellanlänge
Schlagwörter (EN)Quanum cascade laser/doping density/indium phosphide/short wavelength
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-15791 Persistent Identifier (URN)
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Impact of doping density in short-wavelength indium phosphide quantum cascade lasers [1.83 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Quantenkaskaden Laser (QCLs) sind elektrisch gepumpte Halbleiterlaser für Wellenlängen im mittleren und fernen Infrarot. Im Gegensatz zu vielen Laserdioden bei den die Lichterzeugung durch Rekombination der Elektronen mit den Löchern über die Bandlücke erfolgt, werden bei den QCLs die Intersubband-Übergänge zwischen Zuständen innerhalb eines Leitungsbandes genutzt. Durch geignete Wahl der Halbleitermaterialien werden eindimensionale Heterostrukturen geschaffen. In den daraus resultierenden Quantentöpfen bilden sich Energiezustände aus deren energetische Lage durch die Dicke der Töpfe betimmt wird. Dieses ermöglicht einen enormen Freiheitsgrad bezüglich der Wahl der Emissionswellenlänge. Neben der Unabhängigkeit von der Bandlücke, bieten QCLs weitere Vorteile gegenüber anderer Laserdioden wie vergleichbar viel geringere Temperaturabhängigkeit sowie hohe optische Ausgangsleistung. Angetrieben durch eine Vielzahl von Anwendungen wie Gasanalyse sowohl für umwelttechnische als auch medizinische Zwecke, Kommunikation und Militär, wurden QCLs für kurze Wellenlängen (3-5 [mikro]m) demostriert.

Die besondere Herausforderung liegt in der Herstellung von Lasern die bei Zimmertemperatur im Dauerstrichbetrieb arbeiten.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Laser hergestellt deren Emissionslänge 3,8 [mikro]m beträgt. Der Zugang zu dieser kurzen Wellenlänge wird durch den auf dem spannungs-kompensierten InGaAs/InAlAs/As basiertem Heterostruktursytem ermöglicht, dass auf einem InP Substrat aufgewachsen wurde. Um den Stromtransport zu ermöglichen werden QCLs dotiert, was auch die Lestungsmerkmale bestimmt.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der Laser anhand ihrer elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Dotierungsdichte im Bereich von 0.7x10^17 cm-3 bis 3,9x10^17 cm-3.

Die Messungen ergaben eine maximale optische Ausgangsleistung bei einer Dotierung von 2.7x10^17 cm-3. Der höchste Betriebsstrom der den dynamischen Bereich eines Lasers bestimmt stieg linear mir der Dotierung an. Im gepulsten Betrieb wurde Laserfunktion bei Raumtemperatur beobachtet.

Zusammenfassung (Englisch)

Quantum cascade laser are electrically pumped semiconductor laser that emit in the mid- and far-infrared region. In contrast to other laser diodes where the light is generated by recombination of electrons and holes across the bandgap, in a QCL the intersubband transition between energy states within a conduction band is used. By means of diverse semiconductor materials onedimensional heterostructures can be formed where the location of the energy states can be influenced by the thickness of the quantum well. This provides a great freedom in tayloring the emission wavelength. Beside the bandgap independence also the comparable low temperature dependence and high optical power are further benefits of a QCL.

Development of QCLs operating at short wavelength (3-5 [mikro]m) is driven by a number of applications including gas sensing for both environmental and medical uses, communication, and military countermeasures. A room temperature as well as continuous wave operation has proved to be very challenging Within this work QCLs emitting at 3.8 [mikro]m were processed and investigated by means of electrical, optical and thermal characterization. These lasers are based on InGaAs/InAlAs/As heterostructures grown strain-compensated on a InP substrate. In general the active region of a QCL is doped in order to provide electron transport. This also determines the performance of a laser. So the characterization was focused on the influence of the doping density on lasing properties in the range of 0.7x10^17 cm-3 to 3,9x10^17 cm-3.

Different samples were characterized, showing a clear dependence of optical power and threshold current on doping density and stating a maximum of the optical power at doping level of 2.7x10^17 cm-3. Similarly, the maximum operating current increases linearly with doping concentration. Thus, the doping value determines the current laser's dynamic range. Under pulsed condition lasing at room temperature was observed.