Terahertz-Quantenkaskadenlaser für spektroskopische Anwendungen

Halbleiterlaser sind im THz-Spektralbereich, anders als im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich, erst seit wenigen Jahren verfügbar. Diese THz-Quantenkaskadenlaser (QCL, englisch: quantum cascade laser) sind vielversprechende Strahlungsquellen für die hochauflösende Spektroskopie. Halbleiterlaser mit Heterostrukturen bieten Eigenschaften, die sie besonders attraktiv für derartige Anwendungen machen. Dazu gehören etwa ihre kompakte Bauform, Ausgangsleistungen > 100 mW, eine vergleichsweise niedrige Betriebstemperatur und schmale intrinsische Linienbreite. Bislang gibt es jedoch weltweit noch keinen QCL, der alle Leistungsparameter in sich vereint und sich für die Spektroskopie eignet. Ziel des laufenden ProFIT-Projektes "Terahertz-Quantenkaskadenlaser für spektroskopische Anwendungen" (01.04.2012 – 30.09.2013) ist daher deren kommerzielle Umsetzung. Die Arbeiten konzentrieren sich dabei auf zwei Zielfrequenzen: 3,1 und 4,7 THz, die sowohl für konkrete Demonstrationsexperimente als auch für direkte Anwendungen in der Spektroskopie genutzt werden. Partner im Projekt sind eagleyard Photonics, DLR, Humboldt-Universität zu Berlin und das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI).

Dieses Projekt baut auf dem gleichnamigen Vorläufer- ProFIT-Projekt (1.7.2010 – 31.12.2011) auf, das auf die Entwicklung einer Technologie für den Herstellungsprozess von QCL mit Rippenwellenleiterstruktur zielte. Dabei bestand die Herausforderung darin, eine 10 µm hohe Mesastruktur zu ätzen und diese Ätzung reproduzierbar zu stoppen – und zwar durch den ca. 10 µm dicken Epitaxiestapel in der etwa 700 nm dünnen unteren n⁺-GaAs-Kontaktschicht. Dazu wurden verschiedene nass- und trockenchemische Ätzverfahren entwickelt und erprobt. Anschließend wurden QCL auf Epitaxiestrukturen des PDI gefertigt.

Für die Fertigung der QCL wurde ein Prozessablauf entwickelt, der mit dem existierenden Verfahren am PDI kompatibel ist und eine für Tieftemperaturbetrieb optimierte Montage erlaubt. In enger Abstimmung mit dem PDI wurden das Laserdesign entworfen und funktionsfähige QCL hergestellt. Erste Ergebnisse von gepulsten Tieftemperatur-Messungen an QCL, die am PDI und am FBH auf der identischen Laserstruktur prozessiert wurden, sind in Abb. 1 dargestellt. Die PDI-Messungen zeigen, dass der FBH-Prozess funktionsfähige QCL bei einer Frequenz von 4,29-4,50 THz erzeugt und zu vergleichbaren Ergebnissen wie der etablierte Prozess des PDI führt.

Durch ihr spezielles Kontaktdesign erlauben die Laserstrukturen des FBH die angestrebte „Epi-down“ Montage der Chips. Dazu wurde zunächst der Wärmefluss in den QCL-Chips simuliert, um die optimale Montagevariante zu ermitteln. Die Projektpartner entschieden sich für die in Abb. 2 dargestellte Aufbauvariante, bei der die Epitaxieseite des Laserchips zwecks besserer Entwärmung direkt mit der Wärmesenke (Submount) in Kontakt gebracht wird:"Epi-down" oder "Flip-Chip" (FC)-Montage.

Diese Konfiguration der QCLs auf Submounts (SM) erlaubt eine beidseitige Wärmeabfuhr aus dem aktiven QCL-Gebiet. Bei dieser Variante lässt sich der SM durch relativ einfache Verfah­ren strukturieren und der Chip darauf montieren. Die planaren SM verfügen über einen geringen thermischen Widerstand.  Verglichen mit nichtplanaren QCL-Chips bieten sie größere Montagetoleranzen (geringeres Ausfallrisiko). Im Rahmen des Projektes war eine Montagetechnologie zu entwickeln, die einen Laserbetrieb bei Temperaturen von 80-130 K erlaubt. Erste Tests wurden an damit aufgebauten Modulen (siehe Abb. 3) durchgeführt – derzeit werden entsprechende Optimierungen durchgeführt.