Terahertz Uygulamaları için Sıcaklığı Yükseltilmiş Kuantum Kademeli Lazerler

Abstract

Kimyasal ve biyolojik illegal maddelerin saptanması, tıbbi ve güvenlik uygulamaları, astrofizik, uzaktan algılama ve izleme, ultra-hızlı sinyal işleme gibi birçok potansiyel uygulama alanı bulunan Terahertz (THz) frekans aralığının (0.1-10 THz, Lamda 0.03-3 mm) gelişmesine, güçlü, kompakt ve tek fazlı ışıma kaynaklarının eksikliği engel olmaktadır. Milliwattan çok daha fazla ortalama optik güç seviyelerine sahip, tek katıhal THz kaynağı olan kuantum kademeli lazerler (QCL), THz biliminde en popüler konulardan biridir. QCL'lerde, THz ışıması kuantum kuyusu GaAs/AlGaAs heteroyapılarda bant içi ışınımlı geçişlerden elde edilir. Bant içi optik geçişler doğal olarak tek kutupludur ve tamamen iletim bandının (ya da valans bandının) alt bantları arasında gerçekleşir. Bu, bir taşıyıcı başına çok sayıda foton elde etmek için süperörgü (lattice) heteroyapıların (modül) birçok kez tekrarlanmasını sağlar. Işığın dalgaboyu malzemenin bant aralığı tarafından belirlenmediğinden QCL'ler genellikle bant mühendisliğinin başlıca örneği olarakta adlandırılır. Ancak, çalışma sıcaklığı (Tmax ~ 200 K), lazer verimi ve gücü, ışığın kalitesi, frekans kararlılığı ve frekans ayarlanması konusunda daha fazla araştırma yapılmasına gerek vardır. THz QCL'lerin kroyojenik olarak soğutulması gerekmektedir ve QCL'ler için düşük kayıplı dalga kılavuzu tasarımı önemlidir. Gerçekleştirilen bu projede, GaAs/AlGaAs QCL'lerin birleştirme teknolojisi geliştirilerek yüksek sıcaklıklarda çalışmaları araştırılmıştır. Düşük iletim bant ofset değerleri nedeniyle, GaAs/AlGaAs heteroyapılar bu çalışmada aktif katman olarak kullanılmıştır. MBE ile büyütülmüş çok katmanlı kuantum kuyuları Sandia Ulusal Laboratuvarından temin edilmiştir. GaAs/AlGaAs QCL'lerin sıcaklık performansı dalga kılavuz kaybı düşük olan Cu-Cu dalga kılavuzları kullanılarak geliştirilmiştir. Yüksek termal iletken ve düşük sıcaklıkta bağ yapma yeteneği bakımından cazip bir seçenek olduğu için Cu kullanılmıştır. Sıcaklık performansının daha da iyileştirilmesi için öncelikle mıknatıssal saçtırma sistemi içerisinde yeni bir ısılbaskı (thermocompression) tasarlanmış ve dalga kılavuzu tasarımı için gerekli metal katmanlar mıknatıssal saçtırma ve ısıl buharlaştırma tekniğiyle ard arda kaplanarak, vakumdan çıkarılmadan aynı vakum odacığı içerisinde yapıştırılmıştır (bonding). Bu şekilde bakır oksit ve birleştirilen ara yüzeyde boşlukların oluşumu önlenmiş ve bu sayede üstün bir termal iletim sağlanmıştır. GaAs/AlGaAs kuantum kademeli lazerler, geliştirilmiş birleştirme teknolojisi ile cihazların performansının arttırılması için çalışmalar yapılmıştır. Polonya grubu aynı pullar uzerine tüm proses parametreleri aynı olmak üzere standart yöntemler kullanarak yani Cu-Cu yapıştırmayı havada yaparak numuneleri hazırlamıştır. Bu sayede in-situ ile havada yapıştırma prosesleri karşılaştırılmıştır. THz QCL?lerin üretiminden sonra oluşturulan ara yüzlerin düzgünlüğü yani Cu-Cu yapıştırma kalitesi ve yapısal karakterizasyonu optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir.