Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Ze względu na większą masę efektywną nośników orazmniejsze wartości ∆E c , lasery te są przeznaczone do pracyna większej długości fali niż lasery zbudowane na podłożu InP.Pierwszy taki laser pracował na długości fali 9,5 µm, obecniezaś podłoże GaAs oraz AlGaAs wykorzystuje się również dowytwarzania laserów terahercowych, które mogą emitowaćfalę o długości nawet 200 µm.Przewodność cieplna GaAs wynosi 44 W/mK, zaś przewodnościAl x Ga 1-x As dla x = 33 oraz 45% wynoszą odpowiednio11,7 oraz 10,9 W/mK. Wartości te są porównywalnedla In 0.52 Al 0.48 As (10,17 W/mK), natomiast zdecydowanielepsze od In 0.53 Ga 0.47 As (4,87 W/mK).Bardzo ważną zaletą tego zestawu materiałów jest teżbardzo dobrze opanowana technologia wytwarzania warstwGaAs oraz AlGaAs. Sam arsenek galu jest stosunkowo tanimi szeroko rozpowszechnionym materiałem stosowanym nietylko do wytwarzania laserów półprzewodnikowych. KryształyGaAs oraz warstwy tego materiału można znaczniełatwiej obrabiać. Są one również tańsze od swoich fosforkowychodpowiedników.W związku z opisanymi trudnościami wynikającymi z właściwościfizycznych materiału AlGaAs (mimo jego pewnychzalet) rozwój laserów na GaAs jest bardzo utrudniony. W rezultacie,parametry tych laserów oraz temperatury ich pracyciągle nie są w pełni zadowalające. Pracę impulsową w temperaturachpokojowych osiągnięto dopiero w 2001 r. [43], zaśpraca CW została do tej pory uzyskana jedynie do temperatury150K [44]. Moce CW emitowane z tego typu laserów sąstosunkowo niskie i wynoszą kilka mW (dla 150K) oraz80 mW dla 70K. Natomiast dla pracy impulsowej osiąga sięmoce rzędu 100 mW dla temperatury pokojowej. Obecnie obszarśredniej podczerwieni zostawia się do zagospodarowanialaserom na InP, ze względu na znacznie lepsze ichparametry. Materiały na arsenku galu stanowią natomiast podstawędziałania laserów terahercowych działających w dalekiejpodczerwieni.Inne rodzaje laserów kaskadowychLasery terahercoweNajważniejszą różnicą pomiędzy laserami terahercowymi,a laserami na średnią podczerwień opisywanymi wcześniejsą energie emitowanych fotonów. Energie te są mniejsze niżenergie fononów optycznych dla procesów relaksacyjnych występującychw poprzednio opisywanych laserach (dla fononuLO w GaAs jest to energia 36 meV). Prędkości rozpraszaniaRys. 14. Obszar czynny pierwszego terahercowego lasera kaskadowego.Przejścia laserowe mają miejsce między stanami 2 i 1 [59]Fig. 14. The active region of the first terahertz quantum cascadelaser. The laser transitions take place between the states 2 and 1 [59]i czasy życia nośników uzależnione są w tym wypadku od innychprocesów. Wykorzystuje się tu zjawiska rozpraszaniaelastycznego takie jak nośnik-nośnik i rozpraszanie na domieszkach.Ze względu na to, że lasery te emitują faleo długości większej niż 40 µm, bardzo duże znaczenie ma absorpcjana swobodnych nośnikach, która rośnie z kwadratemdługości fali. Pierwszy laser terahercowy (TASER) powstałw 2002 r. [45], a jego obszar czynny był typu bound-tocontinuum(rys.14). W konstrukcji tej lejkowy injektor w postacizmiennej supersieci sprowadza nośniki do stanu 2, ulokowanegona samym dole górnego minipasma obszaru aktywnego.Przejścia emisyjne zachodzą do stanu 1 w górnej części dolnegominipasma, po czym ma miejsce gwałtowne opróżnianiepoziomu do następnego injektora. Laser działał impulsowo nadługości fali 67 µm do temperatury otoczenia 50K, a moc wyjściowawynosiła 2 mW dla temperatury 8K. Aby zmniejszyćstraty w falowodzie spowodowane rozmiarami modów orazsłabym przekrywaniem się modu optycznego z obszarem aktywnym,Köhler wprowadził cienką domieszkowaną warstwępomiędzy obszarem aktywnym i podłożem.W 2003 r. przy projektowaniu laserów terahercowych postanowionowykorzystać rozwiązania z wcześniejszych konstrukcjilaserów kaskadowych, których obszar aktywnyzawierał 4 studnie kwantowe oraz wykorzystywał mechanizmrelaksacji drogą fononu optycznego [46]. Powstały według tejkoncepcji laser osiągnął do tej pory rekordowe wyniki temperaturowe,pracując impulsowo w 167K oraz z falą ciągłą w117K. Otrzymywana moc wiązki była jednak bardzo niska,rzędu 3 mW [47]. Z drugiej strony, największą moc otrzymano3 lata później [48]. Laser ten emitował światło o długości fali68 µm i mocy 248 mW (impulsowo). Niestety z powodu wysokichprądów i temperatury laser pracował tylko w temperaturze10K. Oprócz prac nad poprawą parametrów laserówterahercowych, trwają prace nad zwiększaniem zakresu emitowanychprzez nie częstotliwości (długości fali). Obecnie zakresten to fale o częstości od 1,2 THz [49] do 4,9 THz [50].Zaobserwowano także, że obecność pola magnetycznego obniżaten przedział do 0,83 THz [51]. Osiąganie coraz to większychdługości fali jest bardzo atrakcyjne ze względu namożliwość zastosowania ich w spektroskopii, badaniu materiałóworaz w systemach obrazujących.Lasery bazujące na krzemogermanie SiGePrzyrządy bazujące na SiGe zaczęły przybierać na znaczeniumniej więcej od roku 1983, kiedy to stworzono tranzystorMODFET (MOdulation Doped Field Effect Transistor) [52], wykorzystującysupersieć z tego materiału. W następnych latachdzięki temu materiałowi zbudowano tranzystor HBT (HeterojunctionBipolar Transistor) [53] oraz MOSFET (Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor).Dalsze badania supersieci Si/Ge doprowadziły do pomysłuzbudowania lasera kaskadowego na bazie tego materiału.W laserach tych, w przeciwieństwie do poprzednioopisanych, wykorzystuje się przejścia w paśmie walencyjnym.Teoria dotycząca tych przejść laserowych zostałaprzedstawiona w publikacji [54]. W pracy tej podano równieżmożliwe konstrukcje takiego lasera kaskadowego. Jednaz nich wykorzystuje rodzaj obszaru aktywnego typu boundto-continuum,zaprojektowana do emisji fali z przedziału8...30 µm (rys. 15).Drugą zaproponowaną konstrukcją był laser terahercowyemitujący falę o długościach z zakresu 30...100 µm w temperaturach4...10K. W 2000 r. powstał pierwszy QCE (QuantumCascade Emitter) na materiale Si/SiGe [55]. Opisane w przy-ELEKTRONIKA 5/2009 37