Nonlinearities in quantum cascade lasers (QCL¡¯s) have wide applications in wavelength tunability and ultra-short pulse generation. In this thesis, optical nonlinearities in InGaAs/AlInAs-based mid-infrared (MIR) QCL¡¯s with quadruple resonant levels are investigated. Design optimization for the second-harmonic generation (SHG) of the device is presented. Performance characteristics associated with the third-order nonlinearities are also analyzed. The design optimization for SHG efficiency is obtained utilizing techniques from supersymmetric quantum mechanics (SUSYQM) with both material-dependent effective mass and band nonparabolicity. Current flow and power output of the structure are analyzed by self-consistently solving rate equations for the carriers and photons. Nonunity pumping efficiency from one period of the QCL to the next is taken into account by including all relevant electron-electron (e-e) and longitudinal (LO) phonon scattering mechanisms between the injector/collector and active regions. Two-photon absorption processes are analyzed for the resonant cascading triple levels designed for enhancing SHG. Both sequential and simultaneous two-photon absorption processes are included in the rate-equation model. The current output characteristics for both the original and optimized structures are analyzed and compared. Stronger resonant tunneling in the optimized structure is manifested by enhanced negative differential resistance. Current-dependent linear optical output power is derived based on the steady-state photon populations in the active region. The second-harmonic (SH) power is derived from the Maxwell equations with the phase mismatch included. Due to stronger coupling between lasing levels, the optimized structure has both higher linear and nonlinear output powers. Phase mismatch effects are significant for both structures leading to a substantial reduction of the linear-to-nonlinear conversion efficiency. The optimized structure can be fabricated through digitally grading the submonolayer alloys by molecular beam epitaxy (MBE). In addition to the second-order nonlinearity, performance characteristics brought by the third-order nonlinearities are also discussed, which include third-harmonic generation (THG) and intensity dependent (Kerr) refractive index. Linear to third-harmonic (TH) conversion efficiency is evaluated based on the phase-mismatched condition. The enhanced self-mode-locking (SML) effect over a typical three-level laser is predicted, which will stimulate further investigations of pulse duration shortening by structures with multiple harmonic levels.

The nonlinear optical properties of semiconductor heterostructures, such as GaAsAl/GaAs alloys, are studied with analytic and numerical methods on the basis of quantum mechanics. Particularly, second and third-order nonlinear optical properties of quantum wells described by the various types of confining potentials are considered within the density matrix formalism. We consider a P&ouml / schl-Teller type potential which has been rarely considered in this area. It has a tunable asymmetry parameter, making it a good candidate to investigate the effect of the asymmetry on the nonlinear optical properties. The calculated nonlinear quantities include nonlinear absorption coefficient, second-harmonic generation, optical rectification, third-harmonic generation and the intensity-dependent refractive index. The effects of the DC electric field on the corresponding nonlinearities are also studied. The results are in good agreement with the results obtained in other types of quantum wells, such as square and parabolic quantum wells. The effects of the Coulomb interaction among the electrons on the nonlinear intersubband absorption are considered within the rotating wave approximation. The result is applied to a Si-delta-doped, square quantum well in which the Coulomb interaction among the electrons are relatively important, since there has been no work on the nonlinear absorption spectrum of the Si-delta-doped quantum well. The results are found to be new and interesting, especially when a DC electric field is included in the calculations.

<p>  </p> <p>Research that seeks to understand and develop the growth of III-nitride materials by molecular beam epitaxy (MBE) is beneficial to a broad range of the device community. MBE and the III-nitrides have been used to develop transistors, diodes, electroacoustic devices, solar cells, LEDs, LDs, intersubband devices, and quantum-cascade lasers. In this work we focus on the growth of III-nitride materials specifically for applications in near-infrared intersubband (NIR ISB) optical devices, however all this work is broadly applicable. </p> <p><br></p> <p>We begin by investigating the reduced indium incorporation in non-polar m-plane InGaN films. We find that InGaN grown on m-plane GaN has an effective activation energy for thermal decomposition of 1 eV, nearly half that reported for similar c-plane films. We produce high quality m-plane In0.16Ga0.84N and utilize it in AlGaN/InGaN devices designed for near-infrared ISB absorption measurements. We continue this work by exploring the growth of low-temperature AlGaN, necessary for these devices. We find that the utilization of an indium surfactant during low-temperature AlGaN growth enhances adatom diffusion, resulting in smoother surface morphologies, sharper interfaces, and reduced defects within the material. This growth method also prevents the anomalous suppression of the AlGaN growth rate, which we link to a reduction in the formation of high-aluminum containing defects. These investigations result in the demonstration of an Al0.24Ga0.76N/In0.16Ga0.84N heterostructure with a conduction band offset large enough to enable NIR ISB transitions.</p> <p><br></p> <p>Lastly, we explore the novel material ScAlN. This material’s large bandgap, large spontaneous polarization, ferroelectricity, and ability to be lattice matched to GaN at ~18% scandium composition make it an ideal candidate for a variety of devices, including NIR ISB devices. We investigate the reported temperature dependence of ScAlN’s <em>c</em>-lattice constant and confirm this dependence is present for high growth-temperature ScxAl1-xN with 0.11 < x < 0.23. We find that this temperature dependence is no longer present below a certain composition-dependent growth temperature. This finding, coupled with observations that samples grown at lower temperatures exhibit lower defect densities, smoother surfaces, and homogeneous chemical compositions suggest that high growth temperatures lead to defect generation that may cause the observed change in lattice parameters. We demonstrate lattice-matched, 50 repeat Sc0.18Al1-xN/GaN heterostructures with ISB absorption in excess of 500 meV with FWHM as little as 45 meV. </p>

Les transitions intersousbandes dans les hétérostructures de nitrure d’éléments III ont été intensément étudiées dans le proche infrarouge pour des applications télécoms. L’accordabilité dans le proche infrarouge est rendu possible grâce à la discontinuité de potentiel en bande de conduction qui peut atteindre 1.75 eV pour le système GaN/AlN. Les matériaux nitrures suscitent actuellement un grand intérêt à plus grande longueur d'onde infrarouge. C'est par exemple le développement de détecteurs et d'imageurs rapides à cascade quantique dans la gamme 2-5 µm. C'est aussi l'extension des dispositifs intersousbandes dans le domaine de fréquences THz. Ce travail de thèse porte sur l’étude des transitions intersousbandes dans les puits quantiques GaN/Al(Ga)N épitaxiés par jets moléculaires. Le but est d’accorder ces transitions dans une gamme spectrale très large allant du proche au lointain infrarouge. Je montre que les transitions ISB peuvent être accordées dans la gamme 1-12 µm dans les puits quantiques GaN/AlGaN en phase hexagonale synthétisés selon l'axe polaire c [0001]. Ceci impose l'ingénierie du champ électrique interne, dont la valeur peut atteindre dans le GaN 10 MV/cm. Une solution alternative consiste à utiliser une orientation particulière, dite semipolaire, qui conduit à une réduction du champ électrique interne le long de l'axe de croissance [11-22]. J’ai montré que cette réduction du champ interne permet d’accorder les résonances intersousbandes des puits quantiques GaN/AlN dans le proche infrarouge et j’ai pu estimer le champ en comparant les résultats de spectroscopie et simulations. J’ai d’autre part étudié les propriétés interbandes et intersousbandes des puits quantiques de symétrie cubique, qui par raison de symétrie, ne présentent pas de champ électrique interne. Finalement j’ai mis en évidence les premières transitions intersousbandes aux fréquences THz dans les puits quantiques GaN/AlGaN polaires mais aussi cubiques. / Most of the research on GaN-based intersubband transitions has been focused on near-infrared applications, benefiting from the large conduction band offset between GaN and AlN1.75 eV. Devices such as all-optical switches, electro-optical modulators, quantum cascadedetectors, or light emitters have been demonstrated at short infrared wavelengths. Nitridematerials are currently attracting a great interest at longer infrared wavelengths, for example, forthe development of high-speed quantum cascade detectors and imagers in the range 2-5 µm. Inaddition, there is a great interest to extend the operation of nitride intersubband devices to theTHz frequency range especially for the development of quantum cascade lasers operating at non-cryogenic temperature.This work is focused on the study of intersubband transitions in GaN/Al(Ga)N quantumwells grown by molecular beam epitaxy. The goal is to tune these transitions in a broad spectralrange, from near to far infrared. I show that intersubband transitions may be tuned withinthe range 1-12 µm in the polar GaN/AlGaN quantum wells. This requires the engineering of theinternal electric fields, which can be as high as 10 MV/cm in GaN/AlN quantum wells. Analternative approach is to use a particular orientation, known as semipolar, which leads toa reduction of the internal electric field along the growth axis [11-22]. I show that this reductionof the internal field induces a redshift of the intersubband energy allowing to reach the mid-infrared domain. I was able to estimate the electric field in semi-polar structures by comparingthe results of spectroscopy and simulations. I also investigate interband andintersubband optical properties of cubic GaN/AlN quantum wells, for which the internal field isabsent due to the high symmetry of the cubic crystal. Finally, I report the first observation of theintersubband absorption at terahertz frequencies in polar GaN/AlGaN step quantum wells andin cubic quantum wells.

Le lointain infrarouge (16 µm < λ < 30 µm) est un domaine important pour des applications telles que la détection de large molécules organiques (dont les empreintes d'absorption tombe dans cette gamme de longueur d'onde) et pour la radio-astronomie (oscillateurs locaux pour la détection hétérodyne). Malheureusement, cette fenêtre de transparence atmosphérique, communément appelé la 4eme fenêtre de transparence, est un domaine quasi inexploré.Les LCQ sont des sources de lumière cohérentes, couvrant une gamme allant du moyen infrarouge jusqu'au THz, basées sur l'ingénierie de structures de bandes de matériaux semi-conducteurs. Ils démontrent d'excellentes performances dans le domaine du proche infrarouge mais leur efficacité diminue dans la 4ème fenêtre et au-delà.L'un des buts de cette thèse est le développement d'une nouvelle génération de LCQ capable de couvrir cette zone spectral avec de bonnes performances, en terme de puissance de sortie du dispositif et de température maximale d'opération. Un point clé dans cette optique est l'utilisation d'un nouveau système de matériaux pour ces longueurs d'onde : l'InAs/AlSb. L'avantage de cette solution réside dans sa très faible masse effective : 0,023 m0 (comparée à 0,043 m0 dans les puits d'InGaAs), qui permet d’obtenir un gain plus élevé, résultant dans l'amélioration significative des performances.Une autre approche fondamentalement différente réside dans le régime de couplage fort. L'utilisation d'un temps caractéristique ultra-rapide, associé aux oscillations de Rabi, peut permettre dans un premier temps de réaliser des sources électroluminescentes avec un meilleur rendement quantique (comparé à une transition inter-sous-bandes nue). Les pseudos particules qui découlent du régime de couplage fort dans les transitions inter-sous-bandes (appelés polaritons inter-sous-bandes) peuvent sous certaines limites se comporter comme des bosons. On entrevoit alors la possibilité de réaliser des sources cohérentes basées sur la relaxation d'un condensat polaritonique. / The far infrared (16 µm < λ < 30 µm) is an important area for applications such as detecting wide organic molecules (whose absorption fingerprints falls in this wavelength range) and for radio-astronomy (local oscillator for the heterodyne detection). Unfortunately, the atmospheric transparency window, commonly called the 4th transparency window is almost unexplored.QCL are coherent light sources, covering a range from infrared to THz, based on the engineering of band structures of semiconductors. They have excellent performances in the mid infrared but their effectiveness diminishes in the 4th window and beyond.One aim of this thesis is the development of a new generation of QCL able to cover this spectral region with good performance in terms of output power and maximum operating temperature. A key point in this context is the use of a new material system for these wavelengths: InAs / AlSb. The advantage of this solution is its very small effective mass : 0.023 m0 (compared to 0.043 m0 in the InGaAs wells), which provides a higher gain, resulting in significant performances improvement.Another fundamentally different approach lies in the strong coupling regime. Using an ultra-fast characteristic time associated with Rabi oscillations, can allow the realization of emitting sources with improved quantum efficiency (compared to an bare inter-subband transition). pseudo particles arising from the strong coupling regime in the inter-subband transitions (called polaritons inter-sub-bands) may under certain limits behave as bosons. One then sees the possibility of coherent sources based on the relaxation of a polariton condensate.

Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zu mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisierten Materialkonzepten für ultra-schnelle Anwendungen in der Photonik. Nominell undotierte und Be dotierte GaInAs/AlInAs Vielfach-Quantenfilm Strukturen (MQW) wurden auf semi-isolierenden InP Substraten bei Wachstumstemperaturen bis zu 100°C mittels MBE (LT-MBE) abgeschieden. Untersucht wurden die kristallinen, elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Schichtstrukturen im unbehandelten und ausgeheilten Zustand. Die elektrischen und optischen Eigenschaften der LT-MQWs sind auf Zustände nahe der Leitungsbandkante von GaInAs zurückzuführen. Die Dynamik der Ladungsträgerrelaxation wurde durch Anrege- und Abtastexperimente bestimmt. Messungen der differentiellen Transmission mit zusätzlicher Dauerstrichanregung, sowie Messungen mit zwei kurz aufeinander folgenden Anregepulsen, belegen das Potential von Be dotierten unbehandelten (ausgeheilten) LT GaInAs/AlInAs MQW Strukturen für die Verwendung in optischen Schaltern mit Schaltfrequenzen in der Größenordnung von 1 Tbit/s (250 Gbit/s). Die spannungsinduzierten Änderung der Interband-Transmission von Quantenkaskadenlaser (QCL) im gepulsten Betrieb wurde anhand von 8 Band k*p Berechnungen analysiert. Die Auswirkungen unterschiedlicher Ladungsträgerverteilungen und Probenerwärmung sind gegenüber dem dominierenden Effekt des elektrischen Feldes auf die Interband Transmission zu vernachlässigen. Der Einfluss von MBE Wachstumsparameter auf die Grenzflächenqualität von AlAsSb/GaInAs Heterostrukturen wurde anhand von Hall Messungen, temperatur- und intensitätsabhängigen PL Messungen, spektralen Messungen der Interband- und Intersubbandabsorption bestimmt. Bandstruktur-Näherungsrechnungen ermöglichten, den Einfluss von In Segregation und Sb Diffusion auf die Intersubbandabsorption zu analysieren. Intersubband Übergänge bei Wellenlängen von ca. 1800 nm (1550 nm) wurden in MQW (gekoppelten QW) Strukturen realisiert. / The present work describes investigation of new material concepts accomplished using molecular-beam-epitaxy (MBE) growth for application in ultra-fast photonic components. Nominally undoped and Be doped GaInAs/AlInAs multiple-quantumwell structures (MQW) were grown by MBE at growth temperatures down to 100 °C (LT-MBE) on semi-insulating InP substrates. Crystalline, electric and optical properties of as-grown and annealed structures were investigated. Energy states near the conduction band of GaInAs determine the electrical and optical properties of LT-MQWs. The dynamics of charge carrier relaxation was studied by means of pump and probe experiments. Measurements of the differential transmission when excited by an additional cw laser and measurements utilizing two closely sequenced pump pulses support the capability of Be doped as-grown (annealed) LT GaInAs/AlInAs MQW structures for use in optical switches at switching frequencies in the 1 Tbit/s (250 Gbit/s) range. The voltage-induced change of interband transmission of InP based quantum-cascade-lasers (QCL) during pulsed mode operation was analyzed by means of 8 band k*p calculations. The impacts of varying charge carrier distributions and of electrically heated samples can be neglected compared to the dominating effect of the electrical field on the interband transmission. The impact of MBE growth parameters on the interface quality of AlAsSb/ GaInAs heterostructures were determined by means of Hall measurements, temperature- and intensity-dependent PL measurements and spectral measurements of the interband- and intersubband-absorption. The impact of In segregation and Sb diffusion on the intersubband absorption was analyzed on the basis of bandstructure calculations. Intersubband transitions at wavelengths of about 1800 nm (1550 nm) were successfully achieved in MQW (coupled QW) structures.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) für die Anwendung als Lokaloszillator in THz-Heterodyndetektoren, insbesondere für die Detektion der astronomisch wichtigen Sauerstoff (OI) Linie bei 4.75 THz. Hierfür wurden zunächst unterschiedliche QCL-Heterostrukturen untersucht. Basierend auf einer Heterostruktur, welche schnelle Intersubbandübergänge über Streuung an Phononen ausnutzt, konnten QCLs mit hoher Ausgangsleistung und niedriger Betriebsspannung bei 3 THz erzielt werden. Während diese Laser auf dem Materialsystem GaAs/Al_xGa_(1-x)As mit $x=0.15$ basieren, führt die Erhöhung des Al-Anteils auf x=0.25 für ähnliche Strukturen zu sehr niedrigen Schwellstromdichten. Durch schrittweise Optimierungen gelang es, QCLs zu realisieren, die bei 4.75 THz emittieren. Mit Hilfe von lateralen Gittern erster Ordnung für die verteilte Rückkopplung (DFB) konnten Einzelmoden-Dauerstrichbetrieb mit hoher Ausgangsleistung, sowie Einzelmoden-Betrieb innerhalb des spezifizierten Frequenzbereichs bei 4.75 THz erzielt werden. Eine allgemeine Methode zur Bestimmung der DFB-Kopplungskonstanten erlaubt eine gute Beschreibung der Laser innerhalb der etablierten Theorie der gekoppelten Moden für DFB-Laser mit reflektiven Endfacetten. Oft steht das Auftreten negativer differentieller Leitfähigkeit bei höheren Feldstärken und die damit verbundenen Bildung von elektrischer Felddomänen (EFDs) im Konflikt mit einem stabilen Betrieb der THz-QCLs. Es wird gezeigt, dass stationäre EFDs mit Diskontinuitäten in der statischen Licht-Strom-Spannungskennlinie verbunden sind, während Selbstoszillationen, verursacht durch nicht-stationäre EFDs, eine zeitliche Modulation der Ausgangsleistung bewirken. Mit Hilfe einer effektiven Driftgeschwindigkeit für QCLs lassen sich viele der beobachteten Phänomene durch die nichtlinearen Transportgleichungen für schwach gekoppelte Übergitter beschreiben. / This thesis presents the development and optimization of terahertz quantum-cascade lasers (THz QCLs) as sources for heterodyne receivers. A particular focus is on single-mode emitters for the heterodyne detection of the important astronomic oxygen (OI) line at 4.75 THz. Various active-region designs are investigated. High-output-power THz QCLs with low operating voltages and emission around 3 THz are obtained for an active region, which involves phonon-assisted intersubband transitions. While these QCLs are based on a GaAs/Al_xGa_(1-x)As heterostructure with x=0.15, similar heterostructures with x=0.25 allowed for very low threshold current densities. By successive modifications of the active-region design, THz QCLs have been optimized toward the desired frequency at 4.75 THz. To obtain single-mode operation, first-order lateral distributed-feedback (DFB) gratings are investigated. It shows that such gratings allow for single-mode operation in combination with high continuous-wave (cw) output powers. A general method is presented to calculate the coupling coefficients of lateral gratings. In conjunction with this method, the lasers are well described by the coupled-mode theory of DFB lasers with two reflective end facets. Single-mode operation within the specified frequency bands at 4.75 THz is demonstrated. Stable operation of THz QCLs is often in conflict with the occurrence of a negative differential resistance (NDR) regime at elevated field strengths and the formation of electric-field domains (EFDs). Stationary EFDs are shown to be related to discontinuities in the cw light-current-voltage characteristics, while non-stationary EFDs are related to current self-oscillations and cause a temporal modulation of the output power. To model such effects, the nonlinear transport equations of weakly coupled superlattices are adopted for QCLs by introducing an effective drift velocity-field relation.

Il existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ). / Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect.

Der Quantenkaskadenlaser (QCL) ist ein unipolares Intersubbandbauelement dessen Funktionsweise auf Übergängen zwischen dem ersten angeregten Zustand und dem Grundzustand in einem Quantentopf (quantum well, QW) beruht. Er wurde im Jahre 1974 von Kazarinov und Suris theoretisch vorhergesagt und erstmals 1994 von Faist et al. experimentell realisiert. Das Elektron verlässt nach dem Laserübergang nicht das Leitungsband und kann somit durch ein angelegtes elektrisches Feld in die nächste aktive Zone transferiert werden, wo es wiederum einem Laserübergang untergehen kann. Schliesslich, nach einer Reihe solcher Kaskadenprozesse, emittiert ein einzelnes Elektron viele Photonen; dies definiert die hohe Quanteneffizienz der QCLs. Das Hauptproblem bei der kaskadierten Benutzung von aktiven Regionen ist ein schneller Elektronentransport zwischen den emittierenden QWs mithilfe des sogenannten Injektors. Ein schneller Transport der Ladungsträger ist notwendig um das obere Laserniveau zu populieren und das untere zu depopulieren, womit die für die stimulierte Emission notwendige Besetzungsinversion erreicht werden kann. Zur Gewährleistung des schnellen Transports im Injektor ist die Verwendung von Materialien mit einer geringen effektiven Masse naheliegend. Unter den technologisch wichtigen III-V Verbindungen besitzt InAs die geringste elektronische effektive Masse von 0.023m0 (wobei m0 die Masse des freien Elektrons ist). Die binäre Verbindung mit der nächst grösseren effektiven Masse ist GaAs mit m*=0.067m0. Bisher wurden QCLs in beiden, InAs und GaAs und weiterhin im ternären InGaAs basierten QW Materialsystem realisiert. Gegenwärtig zeigen QCLs einen hohen Grad der Reife; hohe Lichtleistung, Dauerstrichbetrieb und Betrieb bei Raumtemperatur sowie Oberflächenemission wurden erzielt. Der von den QCLs abgedeckte spektrale Bereich erstreckt sich von 3.5 Mikrometer bis zu 87 Mikrometer. Trotz des hohen Reifegrades ist der Quantenkaskadenlaser immernoch in der Entwicklung. Speziell die Erweiterung des spektralen Bereichs ist für viele Anwendungen essentiell. Enorme Fortschritte bei der Erweiterung hin zu grösseren Wellenlängen wurden in den letzten Jahren erzielt, dennoch ist der kurzwellige Rekord von 3.5 Mikrometer aus dem Jahre 1998 bisher ungebrochen. Nichtsdestotrotz besitzt der QCL auch im nahen Infrarot das Potential den konventionellen Interbandlaser zu übertreffen. Neben dem Wettstreit um Schwellströme und Ausgangsleistungen, ist aufgrund der andersartigen Physik des Laserüberganges eine verbesserte Anwendungsmöglichkeit im Bereich des schnellen optischen Schaltens zu erwarten. Die Herausforderung im Bereich der kurzwelligen QCLs liegt in der beschränkten Leitungsbanddiskontinuität (CBO) zwischen Quantentopf- und Quantenbarrierenmaterial. Um zwei gebundene elektronische Eigenzustände innerhalb der Quantentöpfe der aktiven Zone zu gewährleisten, wird eine grosse Leitungsbanddiskontinuität benötigt. Weiterhin kann nur so eine ausreichend hohe Barriere zwischen den angeregten Zuständen und dem klassischen Zustandskontinuum bei angelegtem elektrischen Feld erreicht werden. Neben der Notwendigkeit des grossen CBO sollte das Barrierenmaterial eine direkte Bandlücke aufweisen oder zumindest der angeregte Zustand in der aktiven Zone unterhalb des niedrigsten Leitungsbandes des Barrierenmaterials liegen. Mit der Einschränkung bezüglich der Gitterkonstanten von Quantentopf und -barrierenmaterial für ein koh ärentes Wachstum auf einem bestimmten Substrat, endet man bei nur einer Hand voll vielversprechender Materialkombinationen für die Anwendung in QCLs. Das grösste CBO für Materialien mit direkter Bandlücke findet man bei InGaAs/InAlAs. Wir erzielen 520 meV für die ternäre an InP gitterangepasste und 740 meV für die spannungskompensierte In(0.70)Ga(0.30)As/In(0.40)Al(0.60)As Kombination. Unter den Barrierenmaterialien mit indirekter Bandlücke ist die Kombination InAs/AlSb auf GaSb oder InAs mit 2.1 eV CBO im Gamma-valley sehr vielversprechend. Quantenkaskadenlaser basierend auf diesem Materialsystem mit Emission bei 10 Mikrometer wurden kürzlich von Ohtani and Ohno realisiert. Jedoch wurde im kurzwelligen Bereich um 4 und 3 Mikrometer in diesem System bisher nur spontane Emission beobachtet. Damit ist es bis heute ein offene Frage, welches Materialsystem tatsächlich das geeignetste für die Anwendung in kurzwelligen QCLs sein wird und ob es überhaupt möglich sein wird, ihren Wellenlängenbereich auf die Telekommunikationswellenlänge von 1.55 Mikrometer auszuweiten, was zweifellos die grösste Herausforderung darstellt. Oberflächenemission von QCLs ist bisher mittels der Aufbringung einer Rippenstruktur mit kurzer Periode auf der Oberfläche der Laserstreifen erreicht worden. Die Möglichkeit einer Polarisation in der Fläche mithilfe selbstorganisierter Quantenpunktstrukturen innerhalb der aktiven Zone ist ein aktuelles Thema innerhalb der QCL-Gemeinschaft, aber bisher noch unerreicht. Die Kombination aus feldinduzierten Minibändern aus elektronischen Zuständen in konventionellen QCLs und diskreten atomartigen Zuständen in Quantenpunkten ist eine kreative und gleichzeitig widersprüchliche Idee. Dennoch vereint dieses Thema ein gewaltiges Interesse sowohl von theoretischer als auch experimenteller Seite innerhalb der QCL-Gemeinschaft. Diese Arbeit ist der Erweiterung der Materialvielfalt für die Herstellung von Quantenkaskadenlasern gewidmet. Die Mission dieser Forschungsarbeit ist - die Grenzen im Gebrauch des spannungskompensierten Designs des klassischen InGaAs/InAlAs Materialsystems auf InP für kurzwellige Emission auszuloten; - die Möglichkeiten kurzwelliger Intersubbandemission in einer der extraordinären Materialkombinationen für die QCL-Anwendung zu erforschen: spannungskompensiertes InGaAs/InGaP auf GaAs; Die Quintessenz der gesamten Forschungsarbeit besteht in der spannungskompensierten Herangehensweise und den InGaAs enthaltenden Materialsystemen für die Anwendung in Quantenkaskadenlasern. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert: Kapitel 1: Die vorliegende Einführung. Kapitel 2: Kurzer überblick der Eigenschaften von Intersubbandübergängen und der Grundlagen der QCL-Funktionsweise. In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Eigenschaften von Intersubbandübergängen und den Minibandtransport gegeben. Dieses Kapitel unterstreicht den physikalischen Unterschied von Intersubbandübergängen und Transport zum Fall der Interbandübergnge und gibt eine Einführung in die vorteilhaften Eigenschaften der Intersubbandbauelemente. Weiterhin wird eine Einführung in die Physik des Quantenkaskadenlasers und eine übersicht der Designvielfalt der aktiven Zone gegeben. Im Speziellen wird auf die unterschiedlichen Strategien bei der Erzielung der Besetzungsinversion eingegangen. Kapitel 3: Experimentelles Kapitel. Das 3. Kapitel fasst die erzielten eigenen Ergebnisse innerhalb des InGaAs/InAlAs Materialsystems auf InP zusammen. Dabei konzentriert es sich auf extreme Fälle des spannungskompensierten Designs welche die Realisierung kurzwelliger übergänge zum Ziel haben. Kapitel 4: Experimentelles Kapitel. Im 4. Kapitel werden die erzielten eigenen Ergebnisse innerhalb des InGaAs/InGaP Materialsystems dargestellt. Das InGaAs/InGaP Materialsystem auf GaAs wurde unseres Wissens zuvor füür Intersubbandbauelemente weder benutzt noch vorgeschlagen. Das Kapitel beschreibt den gesamten Verlauf, beginnend mit dem Probenwachstum über grundlegende Materialstudien, bis hin zum Design der QC-Teststruktur und deren Fabrikation. Kapitel 5: Hierin wird die Zusammenfassung der erzielten eigenen Ergebnisse und daraus resultierenden Schlussfolgerungen gegeben. / Quantum cascade lasers, QCL, are unipolar intersubband devices, which work on transitions between the first excited and the ground state in quantum wells, QW. They where predicted theoretically by Kazarinov and Suris 1974, and realized experimentally for the first time by Faist et al. 1994. Electron does not leave the conduction band after the lasing transition in QCL. And therefore it can be used again in the next active region, where it can be transferred due to applied electric field. Finally, after a number of such cascade processes, single electron emits many photons, which defines a high quantum efficiency of QCLs. The key issue in use of cascaded active regions is a fast electron transport in between the emitting QWs (so called, injector region). Fast carrier transfer is needed on the one hand to effectively populate the upper lasing state in active region QW and on the other hand to quickly depopulate the lower lasing state. So that population inversion, necessary for stimulated emission, is achieved. To provide the fast transport in injector region it is likely to deal with materials with a low effective mass. Among the variety of technologically important III-V compounds InAs has the lowest electron effective mass of 0.023m0 (where m0 is the free electron mass). Next low effective mass binary material after InAs is GaAs with m*=0.067m0. Up to now QCLs are realized on both, InAs- and GaAs- as well as ternary InGaAs-based-QW material systems. Currently QCLs show a high level of maturity. High power, cw-operation and room temperature operation as well as surface emission are achieved. Spectral range, covered by QCLs, extends from 3.5 micrometer up to 87 micrometer. Despite of the high level of maturity, QCLs are still under development. In particular, extension of the spectral range of operation is likely for many applications. Tremendous progress was achieved last years in long wavelength range extension of QCLs. However, the short wavelength record of 3.5 micrometer has not been beaten since 1998. Nevertheless, QCLs has a potential to outperform conventional interband lasers also in near infrared spectral range. Apart from competition in threshold current densities and output power, QCLs are expected to be better in fast optical switching operation due to different physics of lasing transitions. The challenge of short wavelength QCLs is a limited conduction band edge offset, CBO, between the quantum well and barrier material. High CBO is needed to confine two quantized electron states in active region QW and to provide sufficient barrier between the excited state and classical continuum of states above the barrier material conduction band edge under applied electric field. More over, despite of high CBO demand, barrier should be the direct band gap material, or at least, the upper lasing state in active region should lay below the lowest conduction band valley in the barrier material. Together with restriction on the lattice constant of both, well and barrier materials, for coherent growth on a certain substrate, we end up with very few promising material combinations for QCL application. The highest CBO for direct band gap materials combination we find in InGaAs/InAlAs. We obtain 520 meV for lattice matched to InP ternaries and about 740 meV for strain-compensated In(0.70)Ga(0.30)As/In(0.40)Al(0.60)As combination. Among the indirect barrier material combinations, very promising is InAs/AlSb on GaSb or InAs with 2.1 eV CBO in gamma-valley. QCL emitting at 10 micrometer has been recently realized on this material system by Ohtani and Ohno. However, at short wavelength, 4 and 3 micrometer, only spontaneous emission is obtained in this material system up to now experimentally. So up to now, it is still an open question, which material system is going to be most suitable for short wavelength QCL application. And it is still an open question, if it is possible at all to extend the operation wavelength of QCLs to the most challenging 1.55 micrometer telecommunication wavelength. Surface emission is achieved in QCLs up to now by manufacturing of the short period grating on the top of the planar laser stripe. The possibility of in-plane polarized emission involving self organized quantum dot structures into the QCL active region is a hot topic in QCL community, but it is not achieved experimentally up to now. Combining the field induced minibands of electron states in conventional QCLs together with discrete atom-like states in QDs is a creative and at the same time contradictive idea. Nevertheless, this topic attracts a huge interest from both, theoretical and experimental, side of QCL community. This work is dedicated to make a step forward in extension of material variety used for QCL fabrication. The mission of this research is - to find out the limits of use of strain-compensated designs on classical InGaAs/InAlAs material system on InP to achieve the short wavelength generation; - to discover the possibilities of short wavelength intersubband generation in one of extraordinary material combinations for QCL application: strain-compensated InGaAs/InGaP on GaAs; The bottom line of the whole research is strain compensation approach and InGaAs containing material systems for QCL application. Present work consist of: Chapter 1: The current introduction. Chapter 2: Brief overview of intersubband transitions properties and the basics of QCL action. In the overview-chapter an introduction into the properties of intersubband transitions and miniband transport is given. This chapter underlines the difference in physics of intersubband transitions and transport comparing to the case of interband transitions; and gives an introduction into the advantageous properties of intersubband devices. This chapter gives an introduction into the quantum cascade laser physics and overview on variety of active region designs. This chapter is, specially, dedicated to point out different ways of achieving the population inversion in each QCL active region approach. Chapter 3: Experimental chapter. Third chapter describes obtained original results on InGaAs/InAlAs material system on InP during the present work. It concentrates on extreme cases of strain-compensated designs for achieving the short wavelength transitions. Chapter 4: Experimental chapter. Forth chapter describes obtained original results on InGaAs/InGaP material system. InGaAs/InGaP material system on GaAs was never before, up to our knowledge, proposed or used for intersubband devices. So, the chapter describes all the way from the sample growth issues and basic study of this material up to QC test-structure design and fabrication. Chapter 5: Here, the summary of obtained original results and conclusions are given.