DE102004009531A1

DE102004009531A1 - Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur

Info

Publication number: DE102004009531A1
Application number: DE102004009531A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dressler; William Ted Masselink; Mykhaylo Petrovych Semtsiv; Nikolai Georgiev; Manfred Helm; Thomas Dekorsy; Mathias Ziegler
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: HUMBOLDT-UNIVERSITAET ZU BERLIN, 10099 BERLIN, DE; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE102004009531B4; US20050213627A1; US20090034570A1; US7848376B2

Abstract

Eine Erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur umfasst eine Anzahl Kaskaden (100), welche jeweils eine Anzahl im Wechsel angeordneter Quantentopfschichten (110a-110j) und Barrierenschichten (105-105j) umfassen. Sowohl das Material mindestens einer Quantentopfschicht (110a-110j) als auch das Material mindestens einer Barrierenschicht (105-105j) steht unter mechanischer Spannung, wobei die jeweilige Spannung eine Zug- oder Druckspannung sein kann. Die Quantentopfschichten (110a-110j) und Barrierenschichten (105-105j) sind in der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur derart aufeinander abgestimmt, dass sich vorhandene Spannungen innerhalb einer Kaskade (100) weitgehend kompensieren. In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur weist das Material der Quantentopfschichten (110a-110j) jeweils nur eine Materialkomponente und das Material mindestens einer der Barrierenschichten (105d, 105e, 105f) mindestens zwei Materialkomponenten (111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur (engl. Quantum Cascade Laser Structure), insbesondere eine Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, welche die Herstellung von Quanten-Kaskaden-Lasern auf der Basis von Intersubbandübergängen ermöglicht, die bei Zimmertemperatur (ca. 300 K) Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 4 μm emittieren können. Die Erfindung betrifft außerdem einen Quanten-Kaskaden-Laser (Quantum Cascade Laser, QCL).
Das Vorhandensein und die Konzentration einer Anzahl von Molekülen, etwa von CO₂, kann detektiert werden, indem man die Absorption von Strahlung im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich bei einer Wellenlänge von ca. 4 μm misst. Zudem ist die Atmosphäre für Strahlung im Wellenlängenbereich von 2,9 μm bis 5,3 μm durchlässig. Insbesondere sind so die Detektion und die Konzentrationsbestimmung einer Reihe luftverschmutzender Gase und industrieller Chemikalien möglich. Das Messen der Absorptionsspektren erfordert jedoch intensive Strahlungsquellen, wie etwa einen im geeigneten Wellenlängenbereich emittierenden Laser, sowie geeigneten Detektoren.
Es existieren mehrere Klassen von Lasern, die in der Lage sind, Strahlung im in Frage kommenden Wellenlängenbereich zu emittieren. Eine erste Klasse von Lasern sind die sog. Bleisalz-Laser (Lead-Salt-Laser), die bei ihrem Betrieb jedoch eine Kühlung auf eine tiefe Temperatur benötigen. Eine zweite Klasse sind die sog. Antimonid-Dioden-Laser, die ebenfalls eine Kühlung auf eine tiefe Temperatur benötigen und von denen bisher noch nicht nachgewiesen werden konnte, dass sie Strahlung im Wellenlängenbereich um etwa 4 μm emittieren können. Eine dritte Klasse von Lasern sind die sog. „B-Klassen-Laser" (Class-B Laser) wie etwa OPOs (Optic Parametric Oscillator) und DFG-Laser (Difference Frequency Generation Laser), die beide auf einer Frequenzkonversion von im nahen Infrarotbereich emittierte Laserstrahlung mittels nichtlinearer Erzeugung von Differenzenergien beruhen. Die in B-Klassen-Laser notwendigen optischen Komponenten sind jedoch sehr viel aufwändiger und teuerer als die optischen Komponenten von Lasern, die Laserstrahlung direkt im geeigneten Wellenlängenbereich emittieren.

Eine attraktive Alternative für die genannten Laser stellen Quanten-Kaskaden-Laser dar. Ein Quanten-Kaskaden-Laser (QCL) umfasst als Kernbestandteil eine Anzahl sog. Kaskaden, die jeweils eine Anzahl Quantentopfschichten (Quantum Wells) und eine Anzahl Barrierenschichten umfassen, welche im Wechsel angeordnet sind und aus Halbleitermaterialien bestehen. Typischerweise weist ein Quanten-Kaskaden-Laser ca. 20 bis 100 solcher Kaskaden auf. Der grundsätzliche Aufbau eines Quanten-Kaskaden-Lasers ist bspw. dem Artikel von J. Faist et al., Science, Vol. 264, 22. April 1994 zu entnehmen. Einen Überblick über verschiedene Entwurfsansätze für Quanten-Kaskaden-Laser enthält J. Faist et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 38, No. 6, Juli 2002.

Zum besseren Verständnis der Struktur und der Funktionsweise von Quanten-Kaskaden-Lasern werden nachfolgend kurz einige Eigenschaften von Halbleitermaterialien beschrieben.

Das elektrische Verhalten eines Halbleitermaterials lässt sich mit dem sog. Bändermodell beschreiben. Dieses besagt, dass den Elektronen des Halbleitermaterials verschiedene Energiebereiche, die sog. Energiebänder, zur Verfügung stehen, innerhalb derer sie im Wesentlichen beliebige Energiewerte annehmen können. Verschiedene Bänder können durch eine Bandlücke, d.h. einen Energiebereich mit Energiewerten, welche die Elektronen nicht annehmen können, voneinander getrennt sein. Wenn ein Elektron von einem energetisch höher gelegenen Energieband in ein energetisch niedriger gelegenes Energieband überwechselt, wird eine Energie freigesetzt, die der Differenz aus den Energiewerten des Elektrons vor und nach dem Wechsel, der auch als „Übergang" bezeichnet wird, entspricht. Die Differenzenergie kann dabei in Form von Lichtquanten (Photonen) freigesetzt werden. Für ein Halbleitermaterial sind das energetisch höchstliegende bei einer Temperatur von 0 Kelvin mit Elektronen voll besetze Band, das sog. Valenzband, und das energetisch über dem Valenzband liegende, bei 0 Kelvin leere Leitungsband sowie die Bandlücke zwischen ihnen von besonderer Bedeutung.

In den Kaskaden von Quanten-Kaskaden-Lasern sind die Halbleitermaterialien für die Barrierenschichten und die Quantentopfschichten so gewählt, dass die untere Leitungsbandkante des Barrierenmaterials energetisch höher liegt als die obere Leitungsbandkante des Quantentopfmaterials. Die untere/obere Leitungsbandkante stellt dabei den niedrigsten bzw. höchsten Energiewert dar, den ein Elektron innerhalb des Leitungsbandes annehmen kann. Der energetische Unterschied zwischen der Energie der unteren Leitungsbandkante des Barrierenmaterials und der oberen Leitungsbandkante des Quantentopfmaterials wird auch als Leitungsband-Diskontinuität (engl. Conduction Band Discontinuity) bezeichnet. Diese Wahl führt dazu, dass die Elektronen der Quantentopfschicht nicht ohne weiteres in die Barrierenschichten eindringen können, so dass sie in der Quantentopfschicht eingeschlossen sind. Sie können lediglich in einem quantenmechanischen Prozess durch eine Barrierenschicht in eine benachbarte Quantentopfschicht „tunneln", wobei die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Tunnelvorganges von der Höhe der Leitungsband-Diskontinuität und der Dicke der Barrierenschicht zwischen den beiden Quantentopfschichten abhängt.

In der Quantentopfschicht wird das Verhalten der in ihr eingeschlossenen Elektronen aufgrund der geringen Dicke der Schicht (wenige Nanometer) durch quantenmechanische Effekte bestimmt. Ein wesentlicher Effekt ist dabei, dass die Elektronen in einem Energieband der Quantentopfschicht nicht mehr jeden beliebigen Energiewert innerhalb des Energiebereiches des Bandes annehmen können, sondern auf die Energiewerte bestimmter Energieniveaus, sog. Subbänder, festgelegt sind. Die energetischen Abstände zwischen den einzelnen Subbändern sind dabei besonders groß, wenn die Quantentopfschicht sehr dünn ist und die Leitungsband-Diskontinuität groß ist. Eine Änderung der Elektronenenergie erfolgt nicht kontinuierlich, sondern sprunghaft von einem Subband zu einem anderen. Nur dann, wenn der Energiezuwachs oder die Energieabgabe, die ein Elektron erfährt, genau der Differenz der Energiewerte zweier Subbänder entspricht, kann es von einem zum anderen Energieniveau wechseln. Übergänge von einem Energieniveau zu einem anderen innerhalb ein und desselben Bandes werden Intersubbandübergänge genannt. In den Kaskaden des Quanten-Kaskaden-Lasers findet die Emission von Laserstrahlung bei solchen Intersubbandübergängen statt.

In J. Faist et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 38, No. 6, Juli 2002 ist ein Quanten-Kaskaden-Laser beschrieben, der bei Zimmertemperatur Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 5,3 μm emittieren kann. Die Kaskaden des darin beschriebenen Quanten-Kaskaden-Lasers sind auf ein InP-Substrat (InP: Indium-Phosphid) aufgebracht. Seine Quantentopfschichten bestehen aus In_0,6Ga_0,4As (Indium-Gallium-Arsenid mit 60% Indium und 40% Gallium) und seine Barrierenschichten aus In_0,44Al_0,56As (Indium-Aluminium-Arsenid mit 44% Indium und 56% Gallium). Aufgrund der Verhältnisse der Indiumanteile zu den Galliumanteilen in den Quantentopfschichten bzw. der Verhältnisse der Indiumanteile zu den Aluminiumanteilen in den Barrierenschichten weisen die Materialien dieser Schichten, die alle eine kristalline Struktur besitzen, andere Gitterkonstanten auf, als das InP-Substrat (die Gitterkonstante kann als ein Maß dafür angesehen werden, wie weit die Atome in einem kristallinen Material, in dem die Atome im Wesentlichen an Knotenpunkten eines gedachten Gitters angeordnet sind, voneinander entfernt sind). Beim Herstellen einer Schichtstruktur für die Kaskaden des Quanten-Kaskaden-Lasers passen sich benachbarte Schichten aneinander an, was wegen der unterschiedlichen Gitterkonstanten zu Spannungen führt. Die Anpassung kann daher nur bis zu einer bestimmten kritischen Dicke der Schichtstruktur aufrechterhalten werden, sofern keine Kompensation der Spannungen erfolgt. Um die in den Schichten entstehenden Spannungen innerhalb einer Kaskade zu kompensieren, sind die Anteile der Materialbestandteile in den In_0,6Ga_0,4As-Qauntentopfschichten so gewählt, dass in diesen Schichten Kompressionsspannungen entstehen, wohingegen die Anteile der Materialbestandteile in den In_0,44Al_0,56As-Barrierenschichten so gewählt sind, dass in diesen Zugspannungen entstehen. Außerdem sind die Dicken der einzelnen Schichten derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Kompressions- und die Zugspannungen innerhalb einer Kaskade weitgehend kompensieren (sog. Spannungskompensation oder engl. Strain Compensation).

Zwar ist es gelungen, mit Intersubbandübergängen in Quanten-Kaskaden-Lasern Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 3,5 bis 100 μm zu emittieren, bei Zimmertemperatur konnte bisher jedoch keine Emission von Strahlung im Wellenlängenbereich unter 4,6 μm erzielt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur mit Intersubbandübergängen zur Verfügung zu stellen, welche die Herstellung von Quanten-Kaskaden-Lasern, die bei Zimmertemperatur, also ca. 300 K, Strahlung im Wellenlängenbereich von 2,9–5,3 μm, insbesondere im Bereich von 3,1 bis 4,6 μm emittieren können, ermöglicht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Quanten-Kaskaden-Laser zur Verfügung zu stellen.

Die erste Aufgabe wird durch eine Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Quanten-Kaskaden-Laser nach Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Eine erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur umfasst eine Anzahl Kaskaden, d.h. mindestens zwei Kaskaden und vorzugsweise 20 bis 50 Kaskaden, welche jeweils eine Anzahl im Wechsel angeordneter Quantentopfschichten und Barrierenschichten umfassen. Sowohl das Material mindestens einer Quantentopfschicht als auch das Material mindestens einer Barrierenschicht steht unter mechanischer Spannung, wobei die jeweiligen Spannungen insbesondere Zug- oder Druckspannungen sein können. Die Quantentopfschichten und Barrierenschichten sind in der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur derart aufeinander abgestimmt, dass sich vorhandene Spannungen innerhalb einer Kaskade weitgehend kompensieren. Weitgehend kompensieren ist dabei derart zu verstehen, dass die Kompensation nicht notwendigerweise vollständig sein muss, sondern lediglich soweit, dass keine Spannungen auftreten, die ein pseudomorphes Wachstum unmöglich machen. Unter pseudomorphem Wachstum versteht ein Fachmann ein Wachstum, bei dem eine gezüchtete kristalline Schicht, die eine andere kristalline Struktur und/oder eine andere Gitterkonstante als die Unterlage aufweist, die kristalline Struktur und die Gitterkonstante der Unterlage annimmt. In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur weist das Material der Quantentopfschichten jeweils nur eine Materialkomponente und das Material mindestens einer der Barrierenschichten mindestens zwei Materialkomponenten auf, wobei die beiden Materialkomponenten verschiedene Materialbestandteile oder dieselben Materialbestandteile in unterschiedlichen Mengenverhältnissen aufweisen können. Als Materialbestandteile können die Materialkomponenten einer Schicht bspw. die Elemente Al (Aluminium), Ga (Gallium), As (Arsen) oder In (Indium) umfassen. Im Folgenden wird für Materialien, welche nur eine Materialkomponente aufweisen, der Begriff Materialkomponente synonym für das Material der entsprechenden Schichten verwendet.

Gegenüber Quanten-Kaskaden-Laser-Strukturen mit Spannungskompensation, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, weist die erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur mehr Flexibilität beim Einstellen der Bandstruktur, dem sog. „Band Structure Engineering", auf. Wichtige Parameter beim Einstellen der Bandstruktur sind die Größe der Leitungsband-Diskontinuität, die Dicke der Quantentopfschichten und die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Elektron die Barrierenschicht durchdringen kann, die sog. Tunnelwahrscheinlichkeit. Die Größe der Leitungsband-Diskontinuität hängt dabei in den spannungskompensierten Quanten-Kaskaden- Laser-Strukturen nach Stand der Technik von den relativen Verhältnissen der Materialbestandteile in den Materialkomponenten, die in den Barrierenschichten und Quantentopfschichten Verwendung finden, ab. Die Tunnelwahrscheinlichkeit hängt dagegen sowohl von der Größe der Leitungsband-Diskontinuität, d.h. von den relativen Verhältnissen der Materialbestandteile, als auch von der Barrierendicke ab. Beim Band Structure Engineering stehen in den spannungskompensierten Quanten-Kaskaden-Laser-Strukturen nach Stand der Technik somit zum Einstellen der Barrierendicke, der Leitungsband-Diskontinuität und der Tunnelwahrscheinlichkeit nur zwei weitgehend unabhängige voneinander zu variierende Parameter zur Verfügung. Wenn bspw. die relativen Verhältnisse der Materialbestandteile in den Materialkomponenten zum Einstellen der Leitungsband-Diskontinuität herangezogen werden und dann die Dicke der Schichten zur Spannungskompensation angepasst werden, so ist damit auch bereits die Tunnelwahrscheinlichkeit festgelegt. Insbesondere lässt sich nicht gleichzeitig die Leitungsband-Diskontinuität maximieren und eine gute Spannungskompensation realisieren, da die Tunnelwahrscheinlichkeit ein wichtiger Parameter für den Laserprozess, also die Emission der Laserstrahlung darstellt.

In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur steht darüber hinaus noch die Zusammensetzung der mindestens einen Barrierenschicht mit zwei Materialkomponenten als variierbarer Parameter zur Verfügung. So ist es bspw. möglich, eine der Materialkomponenten dieser Barrierenschicht so zu wählen, dass die Größe der Leitungsband-Diskontinuität auf einen gewünschten Wert eingestellt – bspw. maximiert – wird, während die Barrierendicke so gewählt wird, dass für den eingestellten Wert der Leitungsband-Diskontinuität die Tunnelwahrscheinlichkeit den gewünschten Wert erreicht. Die relativen Verhältnisse der Materialbestandteile in der zweiten Materialkomponente der Barrierenschicht können dann so gewählt werden, dass mit der bereits festgelegten Barrierendicke die Spannungskompensation erfolgt.

Zum Erzielen der Spannungskompensation kann insbesondere das relative Verhältnis der Materialbestandteile der Materialkomponente und/oder die Dicke mindestens einer der Quantentopfschichten derart gewählt sein, dass die in mindestens einer der Barrierenschichten vorhandene Spannung durch eine Spannung mit im Wesentlichen demselben Betrag wie die Spannung der mindestens einen Barrierenschicht, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen kompensiert wird.

In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur kann die Kaskade eine Injektionszone, eine Relaxationszone und eine zwischen diesen beiden Zonen angeordnete aktive Zone, in der die eigentliche Emission der Laserstrahlung erfolgt, umfassen, wobei jede Zone mindestens eine Barrierenschicht umfasst und mindestens eine der Barrierenschichten in der aktiven Zone und/oder der Injektionszone mindestens zwei Materialkomponenten aufweist. Wenn diese Barrierenschicht die an die Injektionszone angrenzende Barrierenschicht der aktiven Zone, die sog. Injektionsbarriere ist, lassen sich durch geeignetes Einstellen der Dicke der Injektionsbarriere, und damit auch der Tunnelwahrscheinlichkeit durch die Injektionsbarriere, Quanten-Kaskaden-Laser realisieren, die wahlweise so betrieben werden können, dass sie Laserstrahlung mit mehreren Wellenlängen (Multiple Wavelength Emission) oder Laserstrahlung mit nur einer Wellenlänge (Single Wavelength Emission) Emittieren.

In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur müssen nicht alle Barrierenschichten mindestens zwei Materialkomponenten umfassen, um die genannten Vorteile zu erzielen. In einer Ausgestaltung weist daher das Material mindestens einer der Barrierenschichten nur eine Materialkomponente auf. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die Materialkomponente der nur eine Materialkomponente aufweisenden Barrierenschichten derart gewählt, dass die Leitungsband-Diskontinuität in der Kaskade maximiert wird. Eine große Leitungsband-Diskontinuität ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Laser bei Zimmertemperatur eingesetzt werden soll.

Die Dicken und die Materialbestandteile der Materialkomponenten der Quantentopfschichten und der Barrierenschichten sowie die Zusammensetzung des Materials der mindestens einen Barrierenschicht mit mindestens zwei Materialkomponenten können in der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur derart gewählt sein, dass die Laserwellenlänge im Bereich von 2,9 bis 5,3 μm, vorzugsweise im Bereich 3,5 bis 4,5 μm, und insbesondere im Bereich von 3,7 bis 4,2 μm, liegt. Dieser Wellenlängenbereich ist außer für das Detektieren von Molekülen auch für die Kommunikationsübertragung, für Kollisionsüberwachungs-Radaranlagen, für automatisierte Lenksysteme, für die Zielerfassung sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich, und für das Blenden von Infrarotdetektoren und Infrarotkameras von Bedeutung. Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser, durch geeignete Wahl der Temperatur, bei der er betrieben wird, und/oder der Stromstärke des durch den Laser fließenden Stromes die Emissionswellenlänge innerhalb des angegebenen Bereiches zu variieren. Zum Einstellen der Wellenlänge kann auch eine sog. External Cavity oder eine andere Tuning Strategie Verwendung finden.

Folgende Materialkomponenten, in denen Al, As, Ga und In als Materialbestandteile enthalten sind, eignen sich besonders für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur:

– In_xGa_1–xAs (Indium-Gallium-Arsenid) mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere In_0,73Ga_0,27As, als Materialkomponente der Quantentopfschichten,
– In_yAl_1–yAs (Indium-Aluminium-Arsenid) mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6 und In_zAl_1–zAs mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere In_0,55Al_0,45As und AlAs (Aluminiumarsenid), als Materialkomponenten der mindestens einen Barrierenschicht mit mindestens zwei Materialkomponenten und
– In_sAl_1–sAs mit 0 ≤ s ≤ 0,4, insbesondere AlAs, als Materialkomponente der übrigen Barrierenschichten.

Die Materialkomponenten müssen dabei nicht notwendigerweise in reiner Form vorliegen. Vielmehr können sie in geringen Mengen, insbesondere in Mengenanteilen von nicht mehr als ca. 5%, auch andere Stoffe wie bspw. Sb (Antimon) oder P (Phosphor) enthalten. Wenn im Rahmen dieser Beschreibung von In_xGa_1–xAs, In_0,73Ga_0,27As, In_yAl_1–yAs, In_0,55Al_0,45As, In_zAl_1–zAs, AlAs oder anderen Materialkomponenten oder Materialien die Rede ist, soll daher auch immer der Fall mit umfasst sein, dass diese Materialkomponenten bzw. Materialien in geringen Mengen weitere Bestandteile enthalten.

Mit den genannten Materialkomponenten lässt sich insbesondere eine große Leitungsband-Diskontinuität zwischen dem AlAs der Barrieren und dem InGaAs in der Quantentopfschichten erzielen, wodurch bei Zimmertemperatur die Emission von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 2,9 und 5,3 μm, insbesondere zwischen 3,5 und 4,5 μm, und weiter insbesondere mit einer Wellenlänge zwischen 3,8 und 4,2 μm, möglich wird.

Die Dicken der Quantentopfschichten und/oder die Dicken der Barrierenschichten und/oder die Zusammensetzung der mindestens einen Barrierenschicht mit mindestens zwei Materialkomponenten können in der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, insbesondere in der aktiven Zone der Struktur, derart gewählt sein, dass der laseraktive Übergang von einer Anzahl energetisch eng benachbarter höherer Zustände in einen energetisch tiefer liegenden Zustand oder in eine Anzahl energetisch tiefer liegender und energetisch eng benachbarter Zustände erfolgt, so dass Multiple Wavelength Emission stattfindet. Insbesondere durch Variieren des Verhältnisses der In_yAl_1–yAs-Komponente zur In_zAl_1–zAs-Komponente in der Injektionsbarriere lässt sich die Subbandstruktur in der benachbarten Quantentopfschicht der aktiven Zone, in welcher der Emissionsprozess stattfindet, derart einstellen, dass sowohl Multiple Wavelength Emission als auch Single Wavelength Emission möglich ist.

Multiple Wavelength Emission lässt sich dabei insbesondere dann erzielen, wenn die Injektionsbarriere eine Dicke von weniger als ca. 4 bis 5 nm, insbesondere eine Dicke von weniger als ca. 4,5 nm und weiter insbesondere eine Dicke von weniger als 4 nm besitzt.

In der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur kann eine Kaskade insbesondere die folgenden Schichten mit den angegebenen Materialkomponenten und Schichtdicken in der angegebenen Reihenfolge aufweisen:

– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,6 bis 0,8 nm, insbesondere von 0,75 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 3,2 bis 3,6 nm, insbesondere von 3,4 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 1,2 bis 1,4 nm, insbesondere von 1,3 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 2,8 bis 3,2 nm, insbesondere von 3,0 nm, und einer n-Dotierung;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 2,4 bis 2,8 nm, insbesondere von 2,6 nm, und einer n-Dotierung;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 2,1 bis 2,3 nm, insbesondere von 2,2 nm, und einer n-Dotierung;
– eine In_yAl_1–yAs-Schicht mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6, insbesondere eine In_0,55Al_0,45As-Schicht, mit einer Dicke von 1,3 bis 1,5 nm, insbesondere von 1,4 nm, und einer n-Dotierung;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 1,9 bis 2,1 nm, insbesondere von 2,0 nm;
– eine In_yAl_1–yAs-Schicht mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6, insbesondere eine In_0,55Al_0,45As-Schicht, mit einer Dicke von 1,3 bis 1,5 nm, insbesondere von 1,4 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 1,7 bis 1,9 nm, insbesondere von 1,8 nm;
– eine In_yAl_1–yAs-Schicht mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6, insbesondere eine In_0,55Al_0,45As-Schicht, mit einer Dicke von 2,8 bis 3,2 nm, insbesondere von 3,0 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 1,7 bis 1,9 nm, insbesondere von 1,8 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 4,7 bis 5,3 nm, insbesondere von 5,0 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 1,6 bis 1,8 nm, insbesondere von 1,7 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 4,0 bis 4,4 nm, insbesondere von 4,2 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 2,0 bis 2,2 nm, insbesondere von 2,1 nm;
– eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 3,6 bis 4,0 nm, insbesondere von 3,8 nm;
– eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,6 bis 0,8 nm, insbesondere von 0,75 nm.

Zur n-Dotierung kann in die jeweiligen Schichten bspw. Si eingebracht sein.

Statt InAlAs bzw. AlAs kann die erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur InAlAsSb (Indium-Aluminium-Arsenantimonid) oder AlAsSb (Aluminium-Arsenantimonid) als Materialkomponente der mindestens einen Barrierenschicht mit mindestens zwei Materialkomponenten und/oder als Materialkomponente der übrigen Barrierenschichten aufweisen.

Ein erfindungsgemäßer Quanten-Kaskaden-Laser umfasst eine untere Wellenleiterschicht, eine obere Wellenleiterschicht und eine zwischen den beiden Wellenleiterschichten angeordnete erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur. Insbesondere kann er eine Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur aufweisen, die Laserstrahlung in mehreren Wellenlängen emittieren kann, und mit einer Einrichtung zum Selektieren der Wellenlänge des emittierten Laserlichtes ausgestattet sein. Als Einrichtung zum Selektieren der Wellenlänge kommt bspw. eine sog. External Cavity oder ein Beugungsgitter (Grating) in Frage. Auch eine Kombination einer External Cavity mit einem Beugungsgitter ist möglich.

Zum Abführen von beim Betrieb des Quanten-Kaskaden-Lasers entstehender Wärme kann ein erfindungsgemäßer Quanten-Kaskaden-Laser mit einer Wärmesenke, die bspw. als sog. vergrabene Heterostruktur (buried heterostructure) oder als sog. Epilayer-Down Mounting realisiert sein kann, in Verbindung stehen. Durch die Abfuhr von überschüssiger Wärme in die Wärmesenke kann die Leistungsfähigkeit des Quanten-Kaskaden-Lasers insbesondere beim Betrieb bei Temperaturen im Bereich von 300 K verbessert werden.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
1 zeigt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser in einer schematischen Schnitt-Ansicht.
2 zeigt eine Kaskade der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur des Lasers aus 1.
3 zeigt das Leitungsbanddiagramm der Kaskade aus 2.
4 zeigt ein erstes Emissionsspektrum eines Quanten-Kaskaden-Lasers mit einer Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, bei Zimmertemperatur und bei 8 K.
5 zeigt ein zweites Emissionsspektrum eines Quanten-Kaskaden-Lasers mit einer Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, bei Zimmertemperatur und bei 8 K.
6 zeigt die Ausgangsleistung eines Quanten-Kaskaden-Lasers mit einer Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, als Funktion der gepulsten Stromstärke des durch den Laser fließenden Stromes sowie die Stromdichte in Abhängigkeit von der Vorspannung (Bias) des Lasers.
7 zeigt die maximale Spitzenleistung eines Quanten-Kaskaden-Lasers mit einer Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, als Funktion der Temperatur, bei der der Laser betrieben wird.
8 zeigt die Schwellenstromdichte J_th eines Quanten-Kaskaden-Lasers mit einer Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, wie sie in den 2 und 3 dargestellt ist, als Funktion der Temperatur.
Ein erfindungsgemäßer Quanten-Kaskaden-Laser 10 ist schematisch in 1 in einer Schnittansicht dargestellt. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Schichten in 1 nicht maßstabsgerecht wiedergegeben, da die Unterschiede in den Dicken der einzelnen Schichten sehr groß sind und sich daher nicht maßstabsgerecht darstellen lassen. Die lateralen Abmessungen von bisher hergestellten Exemplaren des Quanten-Kaskaden-Lasers 10 betragen 1,5 mm × 34 μm bzw. 2,0 mm × 28 μm und 2,0 mm × 39 μm. Der Quanten-Kaskaden-Laser 10 kann jedoch auch in anderen Abmessungen gefertigt werden.
Der im Ausführungsbeispiel beschriebene Quanten-Kaskaden-Laser lässt sich insbesondere derart betreiben, dass er in einem gepulsten Betriebsmodus bei 20°C Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von ca. 3,8 bis ca. 4,2 μm mit einer Ausgangsleistung von über 240 mW pro Facette, d.h. in zwei verschiedene und insbesondere entgegengesetzte Abstrahlrichtungen des Lasers, emittiert. Wenn der Quanten-Kaskaden-Laser bei tiefen Temperaturen (8 K) betrieben wird, lässt sich im gepulsten Betriebsmodus eine Spitzen-Ausgangsleistung von bis zu 6 Watt pro Facette erzielen.
Der Quanten-Kaskaden-Laser 10 ist in Form eines vertikalen Schichtstapels 11 aus Halbleitermaterialien hergestellt und umfasst ein Substrat 20, welches gleichzeitig die untere Mantelschicht (Cladding layer) des Quanten-Kaskaden-Lasers 10 darstellt. Das Substrat 20 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus InP (Indiumphosphid) und ist mit Sn (Zinn) in einer Konzentration von 2 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert (von Dotierung spricht man, wenn in ein Halbleitermaterial Atome eines anderen Materials, sog. Fremdatome oder Dotierstoffe, eingebracht werden) und dient auch als unterer elektrischer Kontakt des Lasers.
Auf das Substrat 20 folgt eine untere Wellenleiterschicht 30 aus In_0,52Ga_0,48As, welche mit Si (Silizium) dotiert ist, und zwar mit einer Konzentration von 5 × 10¹⁶ cm^–3. Die untere Wellenleiterschicht 30 hat einen höheren Brechungsindex als das Substrat 20 und eine Dicke von 220 nm. Sie dient zusammen mit einer zweiten, oberen Wellenleiterschicht 40, die ebenfalls aus In_0,52Ga_0,48As hergestellt ist und eine Siliziumdotierung mit einer Konzentration von 5 × 10¹⁶ cm^–3 sowie eine Dicke von 220 nm aufweist, zum Einschließen der in der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur 100 erzeugten Photonen. Die Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur 100 mit dreißig Kaskaden und einer Dicke von 1400 nm ist zwischen den beiden Wellenleiterschichten 30, 40 angeordnet. Sie wird später mit Bezug auf 2 im Detail beschrieben.
Über der zweiten Wellenleiterschicht befindet sich ein sog. vierperiodiges abgestuftes Übergitter 50 (engl.: four-period graded superlattice), d.h. eine Schicht, in der einer Gitterstruktur eine andere Gitterstruktur in abgestufter Weise überlagert ist. Das Übergitter 50 ist aus Si-dotiertem In_0,52Ga_0,48As und Si-dotiertem In_0,52Al_0,48As hergestellt und weist eine Dicke von 18 nm auf. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten von In_0,52Ga_0,48As und In_0,52Al_0,48As bildet sich das vierperiodige Übergitter 50 aus, in dem die Gitterpositionen der beiden Gitter alle vier Gitterperioden miteinander übereinstimmen.
Dem Übergitter 50 schließen sich zwei obere Mantelschichten 60, 70 mit einer Gesamtdicke 3300 nm an, die jeweils aus InP hergestellt und Si-dotiert sind, sich aber in ihren Si-Konzentrationen unterscheiden. Während die sich direkt an das Übergitter 50 anschließende erste obere Mantelschicht 60 eine Dicke von 2500 nm und eine Si-Konzentration von 1 × 10¹⁷ aufweist, beträgt die Dicke der zweiten oberen Mantelschicht 70 800 nm und ihre Si-Konzentration 4 × 10¹⁸. Statt aus InP könnte die oberen Mantelschichten 60, 70 auch aus anderen geeigneten Materialien, bspw. InAlAs oder InGaAlAs (Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid), hergestellt sein.
Die oberste Schicht des Quanten-Kaskaden-Lasers 10 bildet eine 130 nm dicke und mit einer Konzentration von 1 × 10¹⁹ cm^–3 Si-dotierte Kontaktschicht 80, welche den oberen elektrischen Kontakt des Lasers darstellt In 2 ist eine Kaskade der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur 100 aus 1 im Detail dargestellt. Sie umfasst elf Barrierenschichten 105–105j sowie zehn zwischen je zwei Barrierenschichten angeordnete Quantentopfschichten 110a–110j.
Die Quantentopfschichten 110a–110j sind jeweils aus In_0,73Ga_0,27As als einziger Materialkomponente hergestellt, wobei die Quantentopfschichten 110b, 110c und 110d zudem n-dotiert sind, und zwar mit einer Si-Konzentration von 5 × 10¹⁷. Die Dicken der Quantentopfschichten 110a–110j liegen im Bereich von 1,8 bis 5,0 nm und können der nachstehenden Tabelle entnommen werden. Die Quantentopfschichten 110a–110j dürfen jedoch eine bestimmte Mindestdicke nicht unterschreiten, damit die Energieniveaus der Subbänder nicht aus dem Quantentopf der Schicht hinausgedrängt werden.
Die Barrierenschichten 105a–105c und 15g–105j sind jeweils aus AlAs hergestellt. Ihre Dicken variieren zwischen 0,9 und 2,1 nm und können ebenfalls der nachstehenden Tabelle entnommen werden. Im Unterschied zu den Barrierenschichten 105a–105c und 15g–105j sind die Barrierenschichten 105d, 105e und 105f jeweils aus zwei Materialkomponenten zusammengesetzt, nämlich aus AlAs als erster Materialkomponente 111a, 112a, 113a und In_0,55Al_0,45As als zweiter Materialkomponente 111b, 112b, 113b. Die Materialkomponente 111b der Barrierenschicht 105d ist zudem mit Si in einer Konzentration von 5 × 10¹⁷ n-dotiert.
Die Barrierenschichten 105a bis 105c, 105i, 105j und Quantentopfschichten 110a bis 110c, 110i, 110j bilden die sog. Relaxationszone, die Barrierenschichten 105f bis 105h und Quantentopfschichten 110g und 110h die sog. aktive Zone und die Barrierenschichten 105d und 105e und Quantentopfschichten 110d bis 110f die sog. Injektionszone der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur (siehe 3).
3 zeigt das Leitungsbanddiagramm der in 2 dargestellten Kaskade bei einem anliegenden elektrischen Feld der Feldstärke 7,6 V/μm. Das Leitungsbanddiagramm gibt den energetischen Verlauf der Leitungsbandkante K wider. Die Barrierenschicht 105j stellt hierbei die Grenze zwischen zwei Kaskaden, von denen eine in 2 dargestellt ist, dar. Der sich von der Barrierenschicht 105j aus in 3 nach links erstreckende Abschnitt des Leitungsbanddiagramms gehört daher in einer Darstellung wie in 2 einer anderen Kaskade an, als der sich nach rechts erstreckende Abschnitt. Die Barrierenschicht 105j (Dicke 1,5 nm) gehört dann mit einer Hälfte der einen Kaskade und der anderen Hälfte der anderen Kaskade an. In 2 entspricht die Schicht 105 der einen Hälfte und die Schicht 105j der anderen Hälfte der Barrierenschicht 105j aus 3.
In den Quantentopfschichten 110a–110j liegt die Leitungsbandkante K energetisch niedrig, wohingegen sie in den Barrierenschichten 105a–105j energetisch hoch liegt. Das Verwenden von AlAs in allen Barrierenschichten und InGaAs-Quantentopfschichten maximiert die Leitungsband-Diskontinuität, welche die energetische Differenz zwischen der Leitungsbandkante K in den Barrierenschichten 105a–105j und den Quantentopfschichten 110a–110j widerspiegelt, in der gesamten Kaskade. Die große Leitungsband-Diskontinuität verhindert beim Betreiben der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur bei Zimmertemperatur insbesondere, dass Elektronen durch die Aufnahme von thermischer Energie die Barrierenschichten 105a–105j überwinden und in das Leitungsband des Barrierenmaterials übergehen können. Solche Übergänge könnten zu einer sog. thermischen Depopulation der Energieniveaus einer Quantentopfschicht führen, mit der Folge, dass die entsprechenden Elektronen für den Laserprozess verloren gingen. Ein Verwenden des Lasers bei Zimmertemperatur wäre dadurch verhindert. Daher ermöglicht es die große Leitungsband-Diskontinuität der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, Laserstrahlung im Bereich zwischen 2,9 und 5,3 μm, insbesondere im Bereich zwischen 3,5 und 4,5 μm und weiter insbesondere im Bereich von 3,7 bis 4,2 μm, bei höheren Temperaturen zu emittieren, als dies mit Quanten-Kaskaden-Laser- Strukturen nach Stand der Technik möglich ist. Insbesondere ist mit der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur auch eine Emission bei Zimmertemperatur möglich.
Ebenfalls in 3 eingezeichnet sind die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen in verschiedenen Energieniveaus, nämlich in einem oberen Laserniveau 2, einem unteren Laserniveau 1 sowie in weiteren Energieniveaus, welche in Gruppen derart eng beieinander liegen, dass jede Gruppe als ein Energieband, ein sog. Miniband, angesehen werden kann. Die Minibänder sind in 3 mit I, II und III bezeichnet. Elektronen können sich auf einem der Energieniveaus befinden. Sie halten sich dabei hauptsächlich in den Quantentopfschichten 110a–110j auf, können jedoch auch durch eine Barrierenschicht 105–105j hindurch von einer Quantentopfschicht 110a –110j in die nächste tunneln. Die Wahrscheinlichkeit für das Durchtunneln einer Barrierenschicht 105a–105j hängt sowohl von Höhe als auch von der Breite der Schicht ab.
Weiterhin können die Elektronen auch von einem höher gelegenen Energieniveau zu einem niedriger gelegenen Energieniveau übergehen. Dabei geben sie Energie bspw. in Form von Lichtquanten (Photonen) ab, wobei die abgegebene Energie der Differenzenergie zwischen den beiden Energieniveaus entspricht. Bei einem solchen Übergang, nämlich beim Übergang vom Laserniveau 2 zum Laserniveau 1 findet die Emission der Laserstrahlung statt. Die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung wird dabei von der Energiedifferenz zwischen den beiden Laserniveaus 1, 2 bestimmt. Da sich diese Energiedifferenz insbesondere durch die Breite der Quantentopfschichten 110g und 110h justieren lässt, kann durch die geeignete Wahl dieser Breite beim Herstellen des Quanten-Kaskaden-Lasers die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung eingestellt werden. Aber auch bei einer bereits bestehenden Struktur kann die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung eingestellt werden. Die Wellenlänge, mit der die Emission der Laserstrahlung stattfindet, kann bspw. durch geeignetes Einstellen der Temperatur und/oder der Stromstärke des durch den Quanten-Kaskaden-Laser fließenden Stromes und/oder des elektrischen Feldes variiert werden.
Ein hergestelltes Exemplar der beschriebenen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur mit lateralen Abmessungen von 1,5 mm × 34 μm emittierte bei einer Temperatur 8 K und einer Stromstärke von 0,59 A Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von ca. 4,005 μm (siehe 4), wohingegen es bei einer Temperatur von 296 K und einer Stromstärke von 2,58 A Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 4,06 μm emittierte. Die Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur wurde zum Aufnehmen der Spektren mit Strompulsen der Länge von 100 ns und einer Wiederholfrequenz für die Strompulse von 5 kHz betrieben.
Für die Emission von Laserstrahlung von Bedeutung ist außerdem der Grad an Überlapp zwischen den verschiedenen Energieniveaus der Minibänder I und II mit den Laserniveaus 1 bzw. 2 in den Quantentopfschichten 110g und 110h, welcher eng mit der Tunnelwahrscheinlichkeit verknüpft ist. Ein hoher Grad an Überlapp bedeutet dabei, dass Laserstrahlung zu einem gewissen Anteil nicht aus einem Übergang vom Laserniveau 2 in das Laserniveau 1 resultiert, sondern von einem Übergang von einem Energieniveau des Minibands II in das Laserniveau 1 oder in Energieniveaus des Minibandes I. Ebenso können bei einem großen Überlapp Übergänge vom Laserniveau 2 in ein Energieniveau des Minibandes I stattfinden. Da sich die Energieniveaus eines Minibandes geringfügig voneinander unterschieden, unterscheiden sich auch die Wellenlängen der bei den entsprechenden Übergängen emittierten Laserstrahlung geringfügig voneinander, so dass statt Strahlung einer einzigen Wellenlänge Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittiert wird. Ist der Grad an Überlapp zwischen den verschiedenen Energieniveaus der Minibänder I und II mit den Laserniveaus 1 und 2 in den Quantentopfschichten 110g und 110h dagegen gering, so spielen Übergänge aus einem Energieniveau des Minibandes II oder in ein Energieniveau des Minibandes I beim Emittieren der Laserstrahlung kaum eine Rolle, so dass lediglich Laserstrahlung mit einer einzigen Wellenlänge, welche durch die Energiedifferenz zwischen dem Laserniveau 2 und dem Laserniveau 1 bestimmt ist, emittiert wird.
In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur kann durch geeignetes Einstellen der Dicke insbesondere der Barrierenschicht 105f, welche die Injektionsbarriere der Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur, also diejenige Barriere, durch die die Elektronen in die aktive Zone der Kaskade „injiziert" werden, bildet, sowie der relativen Anteile der Materialkomponenten 113a und 113b in der Barrierenschicht 105f der Grad an Überlapp zwischen den verschieden Energieniveaus der Minibänder I und II mit den Laserniveaus 1 bzw. 2 in den Quantentopfschichten 110g und 110h eingestellt werden. Es lassen sich Quanten-Kaskaden-Laser-Strukturen erzeugen, die sowohl im Multiple Wavelength Emission Modus als auch im Single Wavelength Emission Modus zu betreiben sind. Dabei eignen sich insbesondere dünne Barrierenschichten 105f wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Herstellen von Quanten-Kaskaden-Lasern, welche im Multiple Wavelength Emission Modus betrieben werden können.
5 zeigt das Emissionsspektrum eines Quanten-Kaskaden-Lasers, wie er im Ausführungsbeispiel beschrieben ist, bei Multiple Wavelength Emission. Der Laser besitzt eine Länge von 2,0 mm. Wird er mit einer Pulsfrequenz von 5 kHz und einer Pulsdauer von 100 ns bei einer Temperatur von 8 K betrieben, so deckt die Emission der Laserstrahlung bei verschiedenen Stromstärken des durch den Laser fließenden Stromes einen Wellenlängenbereich von 3,9 bis 4,1 μm ab. Dargestellt ist das Emissionsspektrum bei einer Stromstärke von 0,8 A, das eine Emission im Bereich von 4,0 bis 4,1 μm aufweist (durchgezogene Linie). Bei einer Temperatur von 296 K und einer Stromstärke von 3,6 A (gepunktete Linie) erstreckt sich das Emissionsspektrum von ca. 4,0 bis ca. 4,2 μm. Die erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur kann, wenn sie im Multiple Wavelength Emission Modus betrieben wird, insbesondere mit einer Einrichtung zum Selektieren der Wellenlänge des emittierten Laserlichtes, bspw. einem Beugungsgitter oder einer externen Kavität, betrieben werden, um die Selektion einer Wellenlänge aus dem emittierten Spektrum zu ermöglichen.
Einige weitere experimentell ermittelte Leistungsdaten des erfindungsgemäßen Lasers werden nachfolgend anhand der 6 bis 8 beschrieben.
Die mit einem Quanten-Kaskaden-Laser, wie er im Ausführungsbeispiel beschrieben ist, experimentell ermittelte Ausgangsleistung ist in 6 dargestellt. Der im Experiment verwendete Laser besaß laterale Abmessungen von 2,0 mm × 28 μm. Er wurde gepulst betrieben, wobei die Pulsfrequenz 5 kHz und die Pulsdauer 100 ns betrugen. In 6 sind die Leistungswerte für 296 K mit einem Faktor 5 und die Leistungswerte bei 328 K mit einen Faktor 100 multipliziert, um sie besser darstellen zu können. Die experimentell ermittelte maximale Ausgangsleitungsleitung des Lasers bei 296 K (Zimmertemperatur) tritt bei einer Stromstärke von ca. 4,4 A auf und beträgt 240 mW. Die bei Zimmertemperatur erreichte Ausgangsleistung ist bspw. für die Detektion und die Konzentrationsbestimmung von Gasen ausreichend. In der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur wird die gemessene Ausgangsleistung von 240 mW pro Facette bereits ohne hochentwickelte Wärmesenke erreicht. Durch das Verwenden einer Wärmesenke lässt sich die Ausgangsleistung des Lasers bei Zimmertemperatur daher weiter steigern. Die hohe Ausgangsleistung der erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur bei Zimmertemperatur beruht auf der Verwendung von AlAs in den Barrierenschichten 105–105j und der damit verbundenen großen Leitungsband-Diskontinuität, was die thermische Depopulation unterbindet.
Aus 6 ist zu erkennen, dass die die maximale Ausgangsleistung immer bei einer Stromdichte von 70–90 A/m² (was einer Stromstärke von ca. 4–5 A entspricht) auftritt und mit abnehmender Temperatur des Lasers zunimmt. Die Abhängigkeit der maximalen Ausgangsleistung von der Temperatur, bei welcher der Laser betrieben wird, ist in 7 logarithmisch dargestellt.
Ebenfalls dargestellt ist in 6 die mit demselben Laser experimentell ermittelte Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie), welche die Stromdichte des durch den Laser fließenden Stromes in Abhängigkeit von der angelegten Spannung darstellt. 6 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie bei einer Betriebstemperatur des Lasers von 8 K.
8 zeigt die Schwellenstromdichte J_th als Funktion der Temperatur für einen erfindungsgemäßen Quanten-Kaskaden-Laser mit der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur mit lateralen Abmessungen von 2,0 mm × 28 μm, welcher in der oben beschriebenen Weise gepulst betrieben wurde. Die gestrichelte Linie zeigt eine im Temperaturbereich von 120 K bis 328 K an die experimentellen Daten angepasste Kurve, mit der die sog. charakteristische Temperatur T₀ des Quanten-Kaskaden-Lasers ermittelt wurde. Als charakteristische Temperatur T₀ wurde 117 K ermittelt. Die ermittelten Schwellenstromdichten sind niedriger als bei Quanten-Kaskaden-Lasern nach Stand der Technik, die im Bereich zwischen 3,5 und 5,0 μm emittieren, und vergleichbar mit den besten Ergebnissen von Quanten-Kaskaden-Lasern mit Emissionswellenlängen, welche geringfügig über 5,0 μm liegen.
Im Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur sind die Barrierenschichten mit zwei Materialkomponenten derart aufgebaut, dass die Materialkomponenten jeweils eine eigene Teilschicht bilden. Die beiden Komponenten können jedoch auch in anderer Art und Weise miteinander kombiniert werden, bspw. können sie eine sog. Pseudolegierung mit einer Übergitterstruktur (superlattice pseudo alloy) bilden. Auch ist der erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser nicht auf das im Ausführungsbeispiel beschrieben Quanten-Kaskaden-Laser-Design beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur auch in anderen Quanten-Kaskaden-Laser-Designs zur Anwendung kommen. Eine Übersicht über die verschiedenen Quanten-Kaskaden-Laser-Designs enthält J. Faist et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 38, No. 6, Juli 2002.

Claims

Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur mit einer Anzahl Kaskaden (100), welche jeweils eine Anzahl im Wechsel angeordneter Quantentopfschichten (110a–110j) und Barrierenschichten (105–105j) umfassen, in welchem – das Material mindestens einer Quantentopfschicht (110a–110j) unter mechanischer Spannung steht, – das Material mindestens einer Barrierenschicht (105–105j) unter mechanischer Spannung steht, – die Quantentopfschichten (110a–110j) und Barrierenschichten (105–105j) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die vorhandenen mechanischen Spannungen sich innerhalb einer Kaskade (100) weitgehend kompensieren, – das Material der Quantentopfschichten (110a–110j) jeweils nur eine Materialkomponente aufweist, und – das Material mindestens einer der Barrierenschichten (105d, 105e, 105f) mindestens zwei Materialkomponenten (111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b) aufweist.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 1, bei der die Materialkomponenten jeweils eine Anzahl Materialbestandteile umfassen und die Zusammensetzung der Materialkomponenten der Quantentopfschichten (110a–110j) und der Barrierenschichten (105–105j) aus den Materialbestandteilen und/oder die Dicken der Quantentopfschichten (110a–110j) und der Barrierenschichten (105–105j) derart aufeinander abgestimmt sind, dass vorhandene mechanische Spannungen sich innerhalb einer Kaskade (100) weitgehend kompensieren.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 2, bei der das relative Verhältnis der Materialbestandteile der Materialkomponente und/oder die Dicke mindestens einer der Quantentopfschichten (110a–110j) derart gewählt ist bzw. sind, dass die in mindestens einer der Barrierenschichten (105–105j) vorhandene Spannung durch eine mechanische Spannung mit im Wesentlichen demselben Betrag wie die mechanische Spannung der mindestens einen Barrierenschicht (105–105j), aber entgegengesetztem Vorzeichen kompensiert wird.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Kaskade (100) eine Injektionszone, eine Relaxationszone und eine zwischen der Injektionszone und der Relaxationszone angeordnete aktive Zone umfasst, wobei jede Zone mindestens eine Barrierenschicht (105–105j) umfasst und mindestens eine der Barrierenschichten (105d–105h) in der aktiven Zone und/oder in der Injektionszone mindestens zwei Materialkomponenten (111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b) aufweist.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 4, bei der die an die Injektionszone angrenzende Barrierenschicht (105f) der aktiven Zone mindestens zwei Materialkomponenten (113a, 113b) aufweist.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Material mindestens einer der Barrierenschichten (105–105j) nur eine Materialkomponente aufweist.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 6, bei der die Materialkomponente der mindestens einen nur eine Materialkomponente aufweisenden Barrierenschicht (105a–105c und 105g bis 105j) derart gewählt ist, dass die Leitungsband-Diskontinuität in dr Kaskade (100) maximiert wird.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei der die Dicken und die Materialbestandteile der Materialkomponenten der Quantentopfschichten (110a–110j) und der Barrierenschichten (105a–105j) sowie die Zusammensetzung des Materials der mindestens einen Barrierenschicht (105d, 105e, 105f) mit mindestens zwei Materialkomponenten (111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b) derart gewählt sind, dass die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung im Bereich zwischen 2,9 und 5,3 μm liegt.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit – In_xGa_1–xAs mit 0,6 ≤ x ≤ 1 als Materialkomponente der Quantentopfschichten (110a–110j), – In_yAl_1–yAs mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6 und In_zAl_1–zAs mit 0 ≤ z ≤ 0,4 als Materialkomponenten der mindestens einen Barrierenschicht (105d, 105e, 105f) mit mindestens zwei Materialkomponenten (111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b) und – In_sAl_1–sAs mit 0 ≤ s ≤ 0,4 als Materialkomponente der übrigen Barrierenschichten (105a–105c und 105g bis 105j).
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 9, mit – In_0,73Ga_0,27As als Materialkomponente der Quantentopfschichten (110a–110j), – In_0,55Al_0,45As und AlAs als Materialkomponenten der mindestens einen Barrierenschicht (105d, 105e, 105f) mit mindestens zwei Materialkomponenten (111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b) und – AlAs als Materialkomponente der übrigen Barrierenschichten (105a –105c und 105g bis 105j).
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Quantentopfschichten (110a–110j) und/oder die Dicken der Barrierenschichten (105–105j) und/oder die die Zusammensetzung der mindestens einen Barrierenschicht mit mindestens zwei Materialkomponenten insbesondere in der aktiven Zone derart gewählt ist bzw. sind, dass der laseraktive Übergang von einer Anzahl energetisch eng benachbarter höherer Zustände (II) in einen energetisch tiefer liegenden Zustand (1) oder eine Anzahl energetisch tiefer liegender und energetisch eng benachbarter Zustände (I) erfolgt.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach Anspruch 11, bei der die an die Injektionszone angrenzende Barrierenschicht (105f) der aktiven Zone eine Dicke von 5 nm oder weniger besitzt.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Kaskade die folgenden Schichten mit den angegebenen Materialkomponenten und Schichtdicken in der angegebenen Reihenfolge umfasst: – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,6 bis 0,8 nm, insbesondere von 0,75 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 3,2 bis 3,6 nm, insbesondere von 3,4 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 1,2 bis 1,4 nm, insbesondere von 1,3 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 2,8 bis 3,2 nm, insbesondere von 3,0 nm, und einer n-Dotierung; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 2,4 bis 2,8 nm, insbesondere von 2,6 nm, und einer n-Dotierung; – eine In_zA_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm; – eine In_xGa_1-xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 2,1 bis 2,3 nm, insbesondere von 2,2 nm, und einer n-Dotierung; – eine In_yAl_1–yAs-Schicht mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6, insbesondere eine In_0,55Al_0,45As-Schicht, mit einer Dicke von 1,3 bis 1,5 nm, insbesondere von 1,4 nm, und einer n-Dotierung; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 1,9 bis 2,1 nm, insbesondere von 2,0 nm; – eine In_yAl_1–yAs-Schicht mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6, insbesondere eine In_0,55Al_0,45As-Schicht, mit einer Dicke von 1,3 bis 1,5 nm, insbesondere von 1,4 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 1,7 bis 1,9 nm, insbesondere von 1,8 nm; – eine In_yAl_1–yAs-Schicht mit 0,4 ≤ y ≤ 0,6, insbesondere eine In_0,55Al_0,45As-Schicht, mit einer Dicke von 2,8 bis 3,2 nm, insbesondere von 3,0 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 1,7 bis 1,9 nm, insbesondere von 1,8 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,8 bis 1,0 nm, insbesondere von 0,9 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 4,7 bis 5,3 nm, insbesondere von 5,0 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 1,6 bis 1,8 nm, insbesondere von 1,7 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 4,0 bis 4,4 nm, insbesondere von 4,2 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 2,0 bis 2,2 nm, insbesondere von 2,1 nm; – eine In_xGa_1–xAs-Schicht mit 0,6 ≤ x ≤ 1, insbesondere eine In_0,73Ga_0,27As-Schicht, mit einer Dicke von 3,6 bis 4,0 nm, insbesondere von 3,8 nm; – eine In_zAl_1–zAs-Schicht mit 0 ≤ z ≤ 0,4, insbesondere eine AlAs-Schicht, mit einer Dicke von 0,6 bis 0,8 nm, insbesondere von 0,75 nm.
Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit InAlAsSb oder AlAsSb als einer ersten Materialkomponente (111a, 112a, 113a) der mindestens einen Barrierenschicht (105d, 105e, 105f) mit mindestens zwei Materialkomponenten und/oder mit InAlAsSb in einer anderen Zusammensetzung als in der ersten Materialkomponente als einer zweiten Materialkomponente (111b, 112b, 113b) der mindestens einen Barrierenschicht (105d, 105e, 105f) mit mindestens zwei Materialkomponenten und/oder mit InAlAsSb oder AlAsSb als Materialkomponente der übrigen Barrierenschichten (105a–105c und 105g bis 105j).
Quanten-Kaskaden-Laser mit einer unteren Wellenleiterschicht (30), einer oberen Wellenleiterschicht (40) und einer zwischen den beiden Wellenleiterschichten (30, 40) angeordneten Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Quanten-Kaskaden-Laser nach Anspruch 15 mit einer Einrichtung zum Selektieren der Wellenlänge des emittierten Laserlichtes.
Quanten-Kaskaden-Laser nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, welcher mit einer Wärmesenke zum Abführen von beim Betrieb des Lasers entstehender Wärme in Verbindung steht.