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

efektywnej nośników, co zmniejsza absorpcję na swobodnychnośnikach i dzięki temu możliwe jest wykonywanie laserówpracujących w dalekiej podczerwieni w paśmie terahercowym.Oprócz podłoży fosforkowych i arsenkowych bardzo dużymzainteresowaniem cieszą się heterostruktury na Si/SiGe orazInAs/AlSb. Lasery na drugiej z wymienionych heterostrukturdziałają impulsowo w temperaturze pokojowej dla długości fali4,5 µm [65]. Przyrządy wytwarzane z tych materiałów są bardzoobiecujące z dwóch powodów. Pierwszym jest duża wartośćnieciągłości pasma przewodnictwa (ok. 2 eV) oraz małamasa efektywna w InAs. Wszystko to jest korzystne dla emisjifal w zakresie bliskiej podczerwieni oraz zapewnia dużewzmocnienie optyczne. Problemem w wytwarzaniu tych strukturjest słabiej jak na razie poznana technologia wytwarzaniatych materiałów.Prace nad laserami na krzemogermanie są obecniemniej zaawansowane. Pierwsza elektroluminescencja z obszaruczynnego emitera na podłożu Si 0.5 Ge 0.5 pochodzącaz przejść wewnątrzpasmowych była zaobserwowana w roku2002 [66]. Realizacja lasera na Si/SiGe byłaby wielkimprzełomem w dziedzinie przyrządów wykorzystujących zjawiskokaskady nośników, choćby ze względu na obecny poziomtechnologii krzemowej, prostotę i niskie koszty jegowytwarzania. Podstawową trudnością jest to, że opis teoretycznyprzejść w pasmie walencyjnym jest jak na razie jeszczebardzo niedojrzały.Obecnym problemem laserów kaskadowych jest mocwiązki oraz wysokie prądy progowe. W temperaturach kriogenicznych,osiągane progowe gęstości prądu dla lasera emitującegofalę o długości 9 µm są nawet tak niskie jak 1 kA/cm 2[67], natomiast dla wyższych temperatur dla GaAs wartościte mogą sięgać nawet kilkunastu kA/cm 2 . Aby obniżyć te wartościpotrzebne jest jeszcze dokładniejsze zrozumienie zjawiskzachodzących w obszarze czynnym tych przyrządów.W tym celu konieczne jest stworzenie odpowiednich modeliopisujących przejścia laserowe, procesy rozpraszania fononóworaz uwzględnienie różnych źródeł absorpcji promieniowania.Trzeba wziąć dodatkowo pod uwagę takie zjawiska,jak ucieczka nośników na wyższe poziomy energetyczne i dokontinuum lub do dolin X i L w obrębie tej samej lub sąsiadującejstudni kwantowej.Pracę laserów można ulepszać na drodze optymalizacjiparametrów technicznych. Spośród trzech konstrukcji, najlepszeto BH (dla laserów na InP) oraz DC (dla laserów naGaAs). Odpowiednio dobierając takie parametry jak szerokośćridge’a, grubość warstwy złota lub szerokość kanałów,można znacznie poprawić pracę tych przyrządów. Właśniedzięki takim zabiegom została osiągnięta praca CW w temperaturachpokojowych dla laserów na InP [68] oraz w temperaturze150K dla lasera QCL na GaAs [26]. W pierwszymprzypadku zostało to osiągnięte poprzez zamontowanie laserawarstwami epitaksjalnymi w kierunku chłodnicy (epidown).W drugim natomiast, wynik został osiągnięty dziękidobremu dobraniu współczynnika W/D (stosunek szerokościapertury elektrycznej do szerokości ridgea) oraz zastosowaniupowłok HR (high-reflectivity) o dużym współczynniku odbiciana tylnym zwierciadle lasera.Duże zainteresowanie oraz bardzo szerokie możliwościzastosowań laserów kaskadowych owocują licznymi pracamina temat tej grupy przyrządów. W pracach tych są poruszanetakie tematy jak lasery kaskadowe z emisją powierzchniową[69] lub z zewnętrznym rezonatorem (tzw. EC-QCL, ExternalCavity - Quantum Cascade Lasers) [70]. Lasery QCL obecniesprzęga się z kryształami fotonicznymi [71] i sprawdza sięich przydatność jako rezonatorów. Te oraz inne możliwe zastosowanialaserów kaskadowych mogłyby być bardziej komercyjne,gdyby dla wszystkich podłóż osiągalna była pracaCW w temperaturach pokojowych.PodsumowanieLasery kaskadowe są obecnie bardzo szybko rozwijającą sięgrupą urządzeń optoelektronicznych. Zakres emitowanychprzez nie długości fal umożliwia wykorzystanie ich w bardzowielu dziedzinach nauki oraz przemysłu. Lasery te wymagajądo poprawnego działania bardzo precyzyjnych metod technologiiwytwarzania warstw półprzewodnikowych. Dzięki rozwojowitechnik wzrostu epitaksjalnego osiągnięcie materiałówwysokiej jakości jest dziś znacznie łatwiejsze niż było w momenciepowstawania pierwszych laserów kaskadowych.Prace nad ulepszaniem laserów kaskadowych polegajągłównie na modyfikacjach obszaru czynnego oraz parametrówkonstrukcyjnych całego lasera. Dzięki wykorzystaniu konstrukcjiobszaru czynnego, takich jak bound-to-continuum lubz podwójnym rezonansem fononowym możliwe było osiągnięciepracy na fali ciągłej w temperaturach pokojowych. Jednocześniew celu poprawy stosunkowo niskiej sprawności tegotypu urządzeń prowadzone są bardzo liczne badania, o czymświadczy liczba prac naukowych dotyczących tej grupy przyrządów.Z drugiej strony dzięki modyfikacjom parametrówtechnicznych oraz zastosowaniu takich konstrukcji jak BH(Buried Heterostructure) lub DC (Double Channel) równieżmożliwa była znaczna poprawa parametrów eksploatacyjnychlaserów kaskadowych.Praca była finansowana z Programu Badawczego ZamawianegoZaawansowane technologie dla półprzewodnikowej optoelektronikipodczerwieni PBZ-MNiSW-02/I/2007Literatura[1] J. Faist, D. Hofstetter, M. Beck, T. Aellen, M. Rochat, S. Blaser:Bound-to-Continuum and Two-Phonon Resonance Quantum-Cascade Lasers for High Duty Cycle, High-Temperature Operation.IEEE Journal Of Quantum Electronics, vol. 38, no 6,553-545, 2002.[2] J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, D. Sivco, A. Cho: Quantum cascadelasers. Intersubband Transitions in QuantumWells: Physicsand Device Applications II, H. Liu, F. Capasso, Eds. New York:Academic,vol. 66, ch. 1, pp. 1-83. 2000.[3] F. Capasso, A. Tredicucci, C. Gmachl, D. Sivco, A. Hutchinson,A. Cho, G. Scamarcio: High-performance superlattice quantumcascade lasers. IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol.5, 792-807, 1999.[4] J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, A. L. Hutchinson, S-N. G. Chu,A. Y. Cho: Short wavelength (λ ~3.4 µm) quantum cascade laserbased on strained compensated InGaAs/AlInAs. Appl. Phys. Lett.72, 680-684, 1998.[5] D. G. Revin, J. W. Cockburn, M. J. Steer, R. J. Airey, M. Hopkinson,A. B. Krysa, L. R. Wilson, S. Menzel: InGaAs/AlAsSb/InPquantum cascade lasers operating at wavelength close to 3 µm.Appl. Phys. Lett. 90, 021108-021111, 2007.[6] M. P. Semtsiv, M. Wienold, S. Dressler, and W. T. Masselink: Shortwavelength(λ ~3.05 µm) InP-based strain compensated quantumcascade laser. Appl. Phys. Lett. 90, 051111 - 051114, 2007.[7] J. Devenson, D. Barate, O. Cathabard, R. Teissier, A.N. Baranov:Very short wavelength (λ = 3.1 - 3.3 µm) quantum cascadelasers. Appl. Phys. Lett. 89, 191115-191117, 2006.[8] J. Devenson, R. Teissier, O. Cathabard, A. N. Baranov:InAs/AlSb quantum cascade lasers emitting below 3 µm. Appl.Phys. Lett. 90,111118-111121, 2007.[9] J. Devenson, R. Teissier, O. Cathabard, and A. N. Baranov:InAs/AlSb quantum cascade lasers emitting at 2.75 - 2.97 µm.Appl. Phys. Lett. 91, 251102-251105, 2007.[10] H. M. Ng, C. Gmachl, S. N. G. Chu, A. Y. Cho: Molecular beam epitaxyof GaN/AlxGa1-xN superlattices for 1.52 - 4.2 µm intersubbandtransitions. Journal of Crystal Growth 220 (2000) 432-438.ELEKTRONIKA 5/2009 41