Kurzfassung
Ein elektrisch gepumpter Quantenkaskadenlaser (QCL) ist ein unipolarer Halbleiterlaser dessen Funktionsweise auf Intersubbandübergängen und Tunneleffekt beruht. Photonen werden aufgrund von elektronischen Intersubbandübergängen innerhalb des Leitungsbandes emittiert. Die dazugehörige Wellenlänge ist abhängig von der Lage der Energieniveaus und diese von den Breiten der Quantentöpfe und Barrieren in der Heterostruktur. QCLs haben viele Anwendungsmöglichkeiten im mittleren und fernen Infrarot Bereich.
Eine detaillierte Einführung in die Modellierung des Transports in QCLs wird präsentiert. Für die Modellierung des Ladungstransports in QCLs kann ein semi-klassischer Ansatz verwendet werden. Basierend auf der Monte Carlo Methode wurde ein Simulator entwickelt, der eine semi-klassische Transportgleichung löst. Die Zustände der Elektronen werden mittels eines selbstkonsistenten Schrödinger-Poisson Solvers ermittelt. Es werden folgende Streuprozesse berücksichtigt: Elektronstreuung durch polar-optische und akustische Phononen, optische Deformationspotentialstreuung, Zwischentalstreuung, Grenzflächenstreuung, und Legierungsstreuung.
Im Allgemeinen kann der Simulator für die Untersuchung des Ladungstransports und grundsätzlicher Eigenschaften von QCLs verwendet werden. Im Speziellen wird der Einfluss der Γ-X Zwischentalstreuung auf den Ladungstransport eines GaAs/AlGaAs QCL untersucht. Es wird gezeigt, dass die Stromdichte signifikant ansteigt, wenn ein grösserer Überlapp zwischen dem oberen X-Zustand und dem unteren Γ-Zustand benachbarter Stufen erzielt wird. Dies wir mittels einer Modifikation des Al Gehalts und der Breite der Sammelbarriere erreicht. In diesem Zusammenhang wird der dominante Einfluss des Γ-X Zwischentalstreumechanismus identifiziert und die Wichtigkeit des Zwischental-Ladungstransports für Design Überlegungen von QCLs demonstriert. Darüber hinaus wird ein kürzlich entwickelter InGaAs/GaAsSb QCL mithilfe des Simulators untersucht. Ein Verleich zwischen den ermittelten Simulationsresultaten und Messergebnissen wird präsentiert. Die errechnete Strom-Spannungs Kennlinie ist in guter Übereinstimmung mit den Messwerten und es ist ein dominanter Einfluss seitens der polar-optischen Streuung, sowie der Legierungs- und Grenzflächenstreuung zu beobachten.