Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Kwantowe lasery kaskadowe na zakres średniejpodczerwienidr KAMIL KOSIEL, dr inż. ANNA SZERLING, prof. dr hab. MACIEJ BUGAJSKI,mgr inż. Piotr Karbownik, mgr inż. Emilia Pruszyńska-Karbownik,dr Iwona Sankowska, mgr inż. Justyna Kubacka-Traczyk,dr inż. Anna Wójcik-Jedlińska, mgr inż. Piotr Gutowski, mgr inż. Anna Barańska,dr inż. Dorota Pierścińska, dr inż. Kamil PierścińskiInstytut Technologii Elektronowej, Centrum Nanofotoniki, WarszawaLasery kaskadowe QCLs (ang. Quantum-Cascade Lasers) topółprzewodnikowe, unipolarne emitery promieniowania koherentnego,których zasada działania polega na wewnątrzpasmowychprzejściach promienistych nośników oraz tunelowaniu przez wielobarierowyukład kwantowomechaniczny [1].Warunkiem poprawnego działania tego typu przyrządu jestprecyzyjne wykonanie heterostruktury epitaksjalnej, dające poprzyłożeniu odpowiedniej zewnętrznej polaryzacji elektrycznejzaprojektowane wartości prawdopodobieństwa przejść wewnątrzpasmowychoraz tunelowych. Obszar aktywny laserakaskadowego ma budowę wielowarstwową i wielomodułową.W ogólności, w każdym z modułów QCL generowany jest układpoziomów laserowych oraz możliwość tunelowego przejściaelektronów do kolejnego modułu. Dzięki temu każdy z elektronówwstrzykniętych do obszaru aktywnego ma szansę wzięciaudziału w serii wewnątrzpasmowych przejść promienistych.Spektrum emisyjne QCLs to szeroki zakres od średniej MIR(ang. Mid Infrared ) do dalekiej podczerwieni FIR (ang. Far Infrared). Lasery kaskadowe są lub mogą być szeroko stosowane,np. w układach detekcji gazów (np. CO 2, NO, CH 4) [2], diagnostycemedycznej [3] oraz w monitorowaniu zanieczyszczeńśrodowiska [4].Ścisłe wymogi precyzji dotyczą technologii heterostruktur epitaksjalnychw zakresie założonej konstrukcji i jej jednorodnościw obszarze płytki epitaksjalnej oraz powtarzalności osadzaniaw serii procesów. Dla działania lasera krytyczna jest zgodnośćgeometrii pasma przewodnictwa obszaru aktywnego z założeniamikonstrukcyjnymi, determinowana przez grubości i składywarstw. Wielomodułowość obszaru aktywnego komplikuje to zagadnienie.Zespół nasz od paru lat pracuje nad laserami kaskadowymi Al-GaAs/GaAs na zakres MIR [5–9]. Rozwój naszej technologii pozwoliłotrzymać przyrządy, które pozytywnie przeszły próbę w ramachprototypowego układu detekcji śladowych ilości substancjigazowych, wykonanego w Wojskowej Akademii Technicznej.Poniżej zaprezentowano wyniki naszych prac nad wykonaniemi stałym udoskonalaniem laserów pracujących w temperaturzepokojowej.Technologia MBE i właściwości heterostrukturlaserowychRysunek 1 przedstawia schemat heterostruktury lasera, wykonanejmetodą epitaksji z wiązek molekularnych MBE (ang. Molecular-BeamEpitaxy).Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pomiarów wysokorozdzielczejdyfraktometrii rentgenowskiej HRXRD (ang. High-ResolutionX-Ray Diffractometry), przeprowadzone z zastosowaniempromieniowania synchrotronowego na wykonanych strukturachQCL. Dzięki tym pomiarom otrzymano krzywe dyfrakcyjne zawierającepo kilkadziesiąt pików satelitarnych. Ich wysoka liczbapotwierdza wysoki stopień regularności supersieciowychobszarów aktywnych QCL oraz wysoką dokładność wykonaniazaprojektowanej konstrukcji (nie gorszą niż ~ 2% grubościmodułu).Rys. 1. Schemat heterostruktury lasera QCL wykonanego w ITEFig. 1. A scheme of heterostructure of quantum-cascade laser fabricatedin Institute of Electron TechnologyRys. 2. Wysokorozdzielcze rentgenowskie profile dyfrakcyjne otrzymanez zastosowaniem promieniowania synchrotronowegoFig. 2. High-resolution X-ray diffraction 2θ/ω profiles obtained withuse of synchrotron radiationElektronika 10/2011 15