Terahertz Quantenkaskadenlaser auf Basis von Manipulation der Grenzschichtenrauigkeiten in InGaAs/InAlAs Heterostrukturen auf InP

• Antragsteller: Professor Dr. William Ted Masselink
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248490517

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Realisierung und Untersuchung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) mit einem neuen Design basierend auf einem InGaAs Materialsystem in der aktiven Region. Bisherige Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Quantenkaskadenlaser dieses Designs auch bei Zimmertemperatur einsetzbar sind. Da diese Eigenschaft bisher noch nicht gezeigt werden konnte stellt dieser Durchbruch einen revolutionären Fortschritt im Bereich der Terahertz-Anwendungen dar und eröffnet neue Wege in der Terahertz-Forschung.Das verwendete Materialsystem ist eine auf InP gewachsene und an Verspannungen angepasste InGaAs/InGaAs Struktur. Die beiden Komponenten des Materialsystems gehören der etablierten InGaAs Legierungsfamilie auf InP Basis an. Die Druckspannung von InGaAs mit einem In-Anteil von mehr als 0,53 wird mit der Zugspannung von InGaAs mit einem In-Anteil unter 0,53 ausgeglichen und ermöglicht so Strukturen beliebig kleiner Leitungsbandversetzung. Die Strukturen werden mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die entsprechende Verwendung dieses Materialsystems in THz-QCLs wurde als Patent angemeldet.Der Vorteil des InGaAs/ InGaAs gegenüber dem GaAs/AlGaAs Materialsystems ist die geringere effektive Masse der Elektronen in den Quantentöpfen. Damit einhergehend wird eine um einen Faktor 2,3 größere Laserverstärkung erwartet. Diese Verstärkung ermöglicht eine um 100K höhere Betriebstemperatur des THz-QCLs im Vergleich zu den fortschrittlichsten auf GaAs/Al0.15Ga0.85As basierenden Lasern. Zusätzlich bedeutet eine geringere effektive Masse der Elektronen eine kleinere nicht-strahlende Streurate und eine höhere Beweglichkeit der Elektronen, was erwartungsgemäß die Leistung der Laser noch weiter steigern wird. Das Ausnutzen der Verspannungen im InGaAs Materialsystems auf InP in THz-QCLs hat den Vorteil, dass eine passende Leitungsbandversetzung im Bereich 130-150 meV gewählt werden kann. Im Gegensatz dazu ist man mit den hohen Leitungsbandversetzungen von 520 meV in dem an die InP-Gitterkonstante angepassten InGaAs/InAlAs Materialsystem oder 320 meV in dem InGaAs/GaAsSb System in dieser Hinsicht nicht variabel. Wir erwarten, dass diese Vorteile uns die Realisierung von THz-Halbleiterlasern ermöglichen, die nahe Zimmertemperatur funktionieren. Abschließend wollen wir nochmals hervorheben, dass im Vergleich zu anderen Methoden zur Verbesserung der Leistung von THz-QCLs bei hohen Temperaturen unsere Herangehensweise grundlegend verschieden ist von den üblichen Ansätzen, aber den Vorteil hat, dass wir auf etablierte Techniken im Wachstum und bekannte Materialsysteme zurückgreifen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen