Verbessertes thermisches Management für Terahertz-Quantenkaskadenlaser

Quantenkaskadenlaser (QCL) zur Erzeugung von Terahertz-Frequenzen (THz) sind kompakte Halbleiterlaser und schmalbandige Quellen für THz-Strahlung. Sie sind vielversprechende Strahlungsquellen für verschiedene Anwendungen wie z.B. bildgebende Verfahren in der Materialdiagnostik, drahtlose Kommunikation, Spektroskopie und Astrophysik sowie Biologie, Atmosphärenforschung und Medizin.

In einem Verbundvorhaben mit dem Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Humboldt-Universität zu Berlin und der eagleyard Photonics GmbH sollen die technologischen Grundlagen für die Kommerzialisierung von THz-QCLs entwickelt werden. Als erster Schritt ist die Implementierung von abstimmbaren THz-QCL in das Spektrometer GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) für raumschiff- und flugzeuggestützte Einsätze, wie z.B. SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), vorgesehen. Allerdings liegt die Betriebstemperatur von THz-QCL im Dauerstrich(cw)-Betrieb gegenwärtig noch weit unterhalb der Zimmertemperatur und der Aufwand für die notwendige Kühlung schränkt eine wirtschaftliche Nutzung von diesen THz-Quellen ein. Daher ist die Erhöhung der Betriebstemperatur in Richtung Zimmertemperatur zwingend erforderlich.

Am FBH werden die Vorteile einer effizienten Entwärmung durch epitaxieseitigen ("epi-down") Kontakt mit der Wärmesenke (im Gegensatz zum substratseitigen "epi-up" Kontakt) untersucht. Obwohl diese Konfiguration der Lasermontage bei Hochleistungs-Diodenlasern bereits lange etabliert ist, wurde sie bislang noch nicht auf THz-QCL angewendet. Wir haben GaAs/Al_xGa_1-xAs THz QCL epitaxieseitig mit Indium-Lot auf Saphir-Zwischenträger (submounts) montiert. Der verspannungsarme Aufbau ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung bei kryogenen Temperaturen und gewährleistet eine hohe Stabilität gegenüber Temperaturzyklen. Die Submounts wurden in einem Waferprozess auf polierten 2" Saphirsubstraten hergestellt. Indium-Lot wurde in einem optimierten Prozess aufgedampft, so dass eine sehr glatte Schicht mit guten Benetzungseigenschaften für das nachfolgende Löten entsteht.

Die GaAs/Al_xGa_1-xAs-QCL-Strukturen mit einem Al-Gehalt von x = 0,18 wurden am PDI mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Auf diesem Material wurden am FBH Single-Plasmon-Rippenwellenleiterstrukturen hergestellt. Die Wafer wurden in einzelne QCL gespalten, die dann mit ihrer Epitaxieseite auf die Zwischenträger gelötet wurden. Ein Querschnitt des Chip-Aufbaus auf dem Zwischenträger ist in Abb. 1 schematisch gezeigt. Schließlich wurde dieser Verbund aus Chip und Zwischenträger mittels Au/Sn auf Kupfer-Kühlkörper gelötet (Abb. 2). Der Laser arbeitet im Bereich von 3,1 ‑ 3,3 THz und zeigt monomodige Emission nahe der Laserschwelle.

Abb. 3 zeigt die Licht-Strom-Spannungs(LIV)-Charakteristik bei Dauerstrichbetrieb von Lasern in zwei Aufbauvarianten: epi-down (Laser A) und epi-up (Laser B). Bei gleichen Temperaturen des Kühlkörpers erreicht die epi-down aufgebaute Probe immer signifikant höhere cw-Ausgangsleistungen als die epi-up Variante. Im cw-Betrieb sind die maximalen Betriebstemperaturen 55 K für Probe A und 45 K für Probe B. Im Pulsbetrieb erzielen beide Laseraufbauten eine Ausgangsleistung von 15 mW bei 5 K sowie eine maximale Betriebstemperatur von ca. 95 K. Folglich sind die größere Ausgangsleistung und die höhere Betriebstemperatur von Probe A unter cw-Betrieb auf das verbesserte thermische Management der epi-down Montage zurückzuführen. Die Ursache für die bei epi-down aufgebauten Lasern beobachtete höhere Betriebsspannung und die damit resultierende größere Ohmsche Erwärmung wird noch untersucht, und ein verbessertes Layout ist in Arbeit.

Das Vorhaben wird im Rahmen des ProFIT-Programmes der Investitionsbank Berlin durch die Europäische Gemeinschaft gefördert.

FBH-Forschung: 04.03.2013