Quantenkaskadenlaser (QCLs) wurden vor gerade zwanzig Jahren erfunden und haben seitdem stetig im weltweiten Markt der optoelektronischen Bauelemente für den Infrarot an Bedeutung gewonnen. Anwendungsbeispiele für aktuelle und potenzielle Einsatzgebiete von QCLs sind photoakustische Spektroskopie, Umweltüberwachung, Simulation von heißen Körpern, und optische Freiraumdatenübertragung. Rekord optische Leistungen von 14 W und Leistungseffizienzen zwischen 15-35 % wurden bei mittelinfraroten QCLs für Betriebstemperaturen zwischen 80-300 K erreicht. Die weitere Verbesserung dieser Eigenschaften hängt nicht nur von Aspekten wie Wärmemanagement und Chip-Packaging ab, sondern auch von Verbesserungen im Laserdesign zwecks der Reduzierung des Ladungsträgerleckstroms. Dennoch sind die verschiedenen Mechanismen und Komponenten des Leckstroms in Quantenkaskadenlasern leider noch nicht gründlich untersucht worden. Die vorliegende Arbeit liefert a realistische Beschreibung der Ladungsträgertransports in QCLs. Wir beschreiben u.a. Leckströme vom Quantentopf- in höhere Zustände und diskutieren elastische und inelastische Streumechanismen von Ladungsträgern bei mittelinfraroten Quantenkaskadenlasern. Wir illustrieren außerdem die Notwendigkeit zur Berücksichtigung der Elektronentemperatur für eine vollständigere Analyse der Ladungsträgertransporteigenschaften von Quantenkaskadenlasern. Methoden zur experimentellen Ermittlung des temperaturabhängigen Leckstroms in Quantenkaskadenlasern werden präsentiert. Unser Ansatz liefert eine Methode zur effektiven Analyse von der QCL-Leistung und Vereinfacht die Optimierung von QCL aktive Regionen. / Two decades after their invention in 1994, quantum-cascade lasers (QCLs) become increasingly important in the global infrared optoelectronics market. Photoacoustic spectroscopy, environment monitoring, hot object simulation, and free-space communication systems are selected examples of the current and potential applications of QCLs. Record optical powers as large as 14 W and power-conversion efficiencies ranging between 15-35 % have been reported for MIR QCLs for temperatures 80-300 K. Further improvement of these characteristics depends not only of aspects as heat management and chip-packaging, but also on improving the active-region design to reduce several leakage channels of charge carriers. However, mechanisms through which leakage of charge carriers affects QCLs performance have not been thoroughly researched. A better understanding of the several (non-radiative) scattering mechanisms involved in carrier transport in QCLs is needed to design new structures and optimize their performance. This work provides a realistic description of charge carriers transport in QCLs. We discuss in particular carrier leakage from QCL quantum-well confined states into higher and lower states. The two main mechanisms for non-radiative intersubband scattering in MIR QCLs are electron-longitudinal-optical-phonon scattering and interface roughness-induced scattering. We present methods for the experimental determination of the leakage current in QCLs at and above laser threshold, which allowed us to estimate the sheet distributions of conduction band states and better understand the impact of temperature activated leakage on QCLs characteristics. We found that even at temperatures low enough to neglect ELO scattering, carriers leakage due to IFR becomes significant for devices operating at high electron temperatures. Altogether, this approach offers a straightforward method to analyze and troubleshoot new QCL active region designs and optimize their performance.

Seit ihrer Erfindung in 1994 haben sich Quantenkaskadenlaser (QCL) zu der Standard-Halbleiterlaserquelle im mittleren und weiten Infrarotspektrum entwickelt. Diese unipolaren Laser basieren auf der Populations-Inversion zwischen quantisierten sub-Bändern in Halbleiterheterostrukturen. Ein gutes theoretisches Modell ist essenziell für die Optimierung und weitere Entwicklung von neuen QCL Laserquellen. Eine einfache Methode, Elektronentransport in QCL zu beschreiben, stützt sich auf ein phänomenologisches Modell für die Streuraten zwischen elektronischen sub-Bändern. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kompakten Ansatzes für Streuraten für die effiziente Vorhersage der temperaturabhängigen Charakteristika von QCLs im mittleren Infrarotspektrum. Die Arbeit beginnt mit einem kurzen Überblick über Halbleiterheterostrukturen und die wichtigsten Streumechanismen für Übergänge zwischen sub-Bändern in QCLs. Dabei sind elastische Übergänge sowie Phononenstreuung für die Übergangsraten zwischen verschiedenen sub-Bändern relevant. Außerdem werden die notwendigen Modellierungstechniken für Simulationsprozesse in QCLs mit einem selbst-konsistenten Streuraten-Modell vorgestellt. In dieser Arbeit wurde ein vereinfachtes Modell für vertikalen Elektronentransport zwischen sub-Bändern bei der Temperatur von Flüssigstickstoff entwickelt. Die Übergangsrate ist in diesem Ansatz das Produkt des Überlappintegrals der quadrierten Moduli der einhüllenden Funktion und einem phänomenologischen Faktor, der von der Übergangsenergie abhängt. Der Übergangsfaktor wird für verschiedene Übergangsmechanismen einzeln hergeleitet, und eine Erweiterung des Modells auf einen breiten Temperaturbereich wird vorgestellt. Schließlich analysieren wir die sogenannte T0-Charakteristik für einige Designs der aktiven Region, die aus Rechnungen mit vorhandenen temperaturabhängigen Modellen und experimentellen Daten gewonnen wurden. / Since their invention in 1994, quantum cascade lasers (QCLs) have become the standard semiconductor laser source for the mid- and far-infrared spectral range. These unipolar devices are based on the population inversion between quantized subbands in biased semiconductor heterostructures. A useful theoretical model is essential for the optimization and further development of new QCL sources. A simple method for describing the electron transport in QCL is based on scattering rates between electron subbands. These can be described easiest using a phenomenological model with experimental or empirical parameters. The main goal of this work is development of compact description of scattering processes in the frame of scattering-rate approach for the reliable prediction of temperature dependent characteristics of mid-infrared quantum cascade lasers. We start this work with a brief overview of semiconductor heterostructures and main intersubband scattering mechanisms for quantum cascade lasers. The resulting transition rates from initial states to another subbands are described by phonons and elastic scattering. Additionally, necessary modeling techniques are considered for simulation processes in QCLs using self-consistent scattering-rate model. Based on original work we introduce a simplified model for vertical electron transport between separated subbands at liquid nitrogen temperatures. In this approach the transition rate is written as the product of the overlap integral for the squared moduli of the envelope functions and a phenomenological factor that depends on the transition energy. The approach is reviewed and extended for a broad temperature range. There, the transition factor is derived and written for different scattering mechanisms separately. Then we analyze “so-called” T0 characteristic for a number of active region designs received from the calculations by present temperature dependent model and the experimental data.