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

W kolejnym etapie charakteryzacji elektrooptycznej, wykonanoserie pomiarów charakterystyk spektralnych. Pomiary wykonanoprzy wykorzystaniu spektrometru Fourierowskiego NICO-LET 8700, z beamspliterem KBr i detektorem MCT. Rysunek 4przedstawia charakterystyki L-I-V w temperaturze T = 77K, dlalasera o wymiarach 15 × 2000 µm wraz z naniesionymi punktamipomiarowymi odpowiadającymi różnym wartością prądu płynącegoprzez laser. W punktach pomiarowych 1–5 wykonano pomiaryspektralne. Laser zasilany był impulsowo, długość impulsuτ = 200 ns i częstotliwość f = 5 kHz (dc = 0,01%).Zmianę charakterystyki spektralnej wraz z wartością płynącegoprądu (przyłożonego napięcia) przedstawia rys. 5. Dla prąduI = 2,4 A (punkt 1) obserwujemy pracę jednomodową, przy zwiększeniuprądu dochodzimy do reżimu wielodomowego gdzie obserwujemytzw: „Rabi splitting”. Charakterystyka spektralna zmierzonadla prądów 7,3 A (punkt 5) jest trudna do interpretacji zewzględu na skomplikowany charakter ośrodka wzmocnienia dlaktórego dla danych warunków pomiarowych trudno jednoznacznieokreślić pochodzenie przejść.Optymalizacja właściwości termicznych laserówkaskadowychJednym z głównych czynników, który ogranicza pracę na fali ciągłej(CW) w temperaturze pokojowej (RT) laserów kaskadowychjest bardzo duży wzrost temperatury we wnętrzu lasera podczasjego pracy, spowodowany wysokim prądem i napięciem progowym.Dlatego też, pomiar rozkładów temperatury na powierzchnizwierciadeł laserów QCL jest niezbędny w procesje optymalizacjitermicznej struktury lasera QCL.Pomiary rozkładów temperatury w strukturach QCL zostaływykonane przy wykorzystaniu spektroskopii termoodbiciowej.Spektroskopia termoodbiciowa jest techniką modulacyjną pozwalającąna zobrazowanie rozkładu temperatury na badanejpowierzchni i zlokalizowanie obszarów, które ulegają maksymalnemupodgrzaniu podczas pracy lasera [5, 6]. Wykorzystuje siętu zależność współczynnika odbicia od temperatury. Wiązka analizującajest odbijana od powierzchni próbki i mierzona jest jejintensywność. Zmiana współczynnika odbicia powiązana jest zezmianą temperatury zależnością:∆ R1∂R=∆T=CRR∂TTR∆gdzie C TRjest to współczynnik termoodbicia, który zależy od długościfali wiązki analizującej i badanego materiału, musi być wyznaczanyeksperymentalnie.Wykonano serie pomiarów badających wpływ geometrii (szerokościobszaru aktywnego i długości rezonatora) na temperaturęlaserów. Rysunek 6 przedstawia zależność przyrostu temperaturyw obszarze aktywnym (∆T) od gęstości prądu dla badanych laserówo różnej geometrii.Zaobserwowano kwadratową zależność przyrostu temperaturyw obszarze aktywnym lasera QCL od gęstości prądu. Efekt tenjest związany z wydzielaniem się ciepła Joule’a proporcjonalnegodo I 2 .Uzyskane w spektroskopii termoodbiciowej wartości przyrostutemperatury pokazują, że maksymalną/największą wartościąoporności termicznej (Rth = 33K/W) charakteryzuje się lasero geometrii 35 × 2000 µm. Najmniejsze wartości przyrostu temperaturyi oporności termicznej uzyskano dla lasera o geometrii 15× 2000 µm. Laser z wąskim obszarem aktywnym (15 µm) charakteryzujesię niższą opornością termiczną związaną z relatywniewiększym rozprowadzaniem w płaszczyźnie ciepła wygenero-TRys. 6. Zależność przyrostu temperatury w obszarze aktywnym laseraQCL (∆T) od gęstości prądu, dla badanych laserów o różnejgeometriiFig. 6. Maximal temperature incresses (∆T) in the active area of QCLvs current density for devices differing in the width and length of themesawanego w obszarze aktywnym. Dodatkowo zaobserwowano, żelaser o wymiarach 15 x 2000 µm, charakteryzuje się najwyższątemperaturą pracy T max= 260K, najwyższą temperaturą charakterystycznąT 0= 79K/W (rys. 2), najniższym przyrostem temperaturyw obszarze aktywnym 30K. Na podstawie przedstawionychwyników laser o konstrukcji/geometrii 15 × 2000 µm jest optymalnąkonstrukcją.PodsumowaniePrzedstawione eksperymentalne wyniki charakteryzacj laserówQCL obrazują, że jest to niezmiernie ważny i istotny elementw procesie optymalizacji technologii wzrostu, procesingu, jaki projektowania termicznego struktur w kierunku pracy CW.Rozwinięta charakteryzacja elektropotyczna, spektralna i termicznakwantowych laserów kaskadowych tworzy kompleksowenarzędzie pomiarowe, umożliwiające poprawę parametrów konstruowanychi wytwarzanych przyrządów.Praca finansowana była z projektu PBZ-MNiSW-02/I/2007.Literatura[1] Faist J., F. Capasso, C. Sirtori, D. Sivco, A. Cho: Quantum CascadeLasers. Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and DeviceApplications. H. Liu, F. Capasso, Eds. New York: Academic, vol.66, ch. 1, pp. 1–83. 2000.[2] Walther C., M. Fischer, G. Scalari, R. Terazzi, N. Hoyler, J. Faist:Quantum Cascade Lasers operatingfrom 1.2 to 1.6 Thz. Appl. Phys.Lett., vol. 91, no. 131122, pp. 1–3, 2007.[3] Lee A. W. M., Q. Qin, S. Kumar, B. S. Williams, Q. Hu, J. L. Reno:Real – time terahertz imaging over a standoff distance (> 25 meters).Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 141125, pp. 1–3, 2006.[4] Sirtori C., P. Kruck, S. Barbieri, P. Collot, J. Nagle, M. Beck, J. Faist,U. Oesterle: GaAs/AlxGa1 – xAs quantum cascade lasers. Appl.Phys. Lett. Vol. 73, pp. 3486–3488, 1998.[5] Bugajski M., T. Piwoński, D. Wawer, T. Ochalski, E. Deichsel, P. Unger,B. Corbett: Materials Science in Semiconductor Processing, 9,188 (2006).[6] Ochalski T., D. Pierścińska, K. Pierściński, M. Bugajski, J. W. Tomm,T. Grunske, A. Kozłowska: Appl. Phys. Lett. 89, 071104 (2006).34Elektronika 10/2011