Dominante invloed van verstrooiing van de ruwheid van de interface op de prestaties van GaN Terahertz Quantum Cascade Lasers

Resultaten en discussie

Figuur 1c toont de berekende dragerdichtheden van deze structuur bij de operationele bias van − 84,5 kV/cm. We hebben de anti-kruising waargenomen tussen de vorige periode en de bovenste lasertoestand 1. We zien ook dat de onderste laserende toestand 2 wordt ontvolkt door resonerende fononen in toestand 3 en 4. Om de invloed van IFR te analyseren en te vergelijken, nid, en AD, hebben we onze GaN THz QCL optische versterking en huidige kenmerken berekend voor verschillende configuraties:de referentieconfiguratie waarbij rekening wordt gehouden met IFR, nid en AD, een configuratie zonder IFR, een andere zonder nid en een laatste zonder AD. Figuur 2 toont de maximale optische versterking versus frequentie (a) en stroomdichtheden versus aangelegd elektrisch veld (b) voor elke configuratie berekend bij een temperatuur van 10 K. De referentiestructuur toont een piekversterking van 142 cm ⁻¹ bij 8,7 THz, frequentie onbereikbaar voor arsenidenmateriaal. Laten we eens kijken hoe n.i.d onze QCL-prestaties beïnvloedt. Zonder n.i.d is de piekversterking 127 cm ⁻¹ op 8.46 THz. De winstdaling is te wijten aan die dragerconcentratie die afneemt in de bovenste lasertoestand na het wegnemen van elektronen afkomstig van n.i.d. In de referentieconfiguratie is de elektronenconcentratie van de bovenste en onderste lasertoestand inderdaad ∆N = N ₁ – N ₂ = 5.43 ×10 ¹² cm ⁻² , terwijl het zonder n.i.d ∆N . wordt = N ₁ – N ₂ = 5.06 ×10 ¹² cm ⁻² . Toegepast elektrisch veld verschuift van -84,5 naar 81,6 kV/cm. Huidige drempel daalt en verschuift van 25,11 kA/cm ² bij − 84,49 kV/cm tot 17,11 kA/cm ² bij − 93,24 kV/cm. De daling van de stroomdichtheid kan worden toegeschreven aan de vermindering van de verstrooiing van elektronen-onzuiverheden, waardoor het elektronentransport in de berekening toeneemt zonder n.i.d. Een andere hint van deze hypothese is de piek bij − 64 kV/cm die we zien in het geval zonder n.i.d stroomdichtheden. Dit is een inter-periode resonantietunnel tussen 4' en 3 (hier niet getoond). Dit fenomeen wordt verborgen door de verstrooiing van elektronen-onzuiverheden in de huidige kenmerken, rekening houdend met n.i.d. De stroomdrempel en de toegepaste elektrische veldverschuiving worden toegeschreven aan een verkeerde uitlijning van de geleidingsband tussen de configuratie met of zonder n.i.d. Interessant is dat, hoewel de versterkingspiek groter is in het n.i.d-geval, we een verbreding van het versterkingsspectrum waarnemen, de signatuur van geladen onzuiverheden beïnvloedt [31] Niet-opzettelijke doping zou op een redelijke concentratie van 10 ¹⁷ moeten blijven cm ⁻³ om verstrooiing van elektronenonzuiverheden en absorptie van vrije dragers te voorkomen. In de configuratie zonder AD-verstrooiing is de piekversterking 147 cm ⁻¹ op 8,7 THz. We zien dat de piekversterking dezelfde frequentie heeft met of zonder AD-verstrooiing. Optische winst krijgt slechts een marginale toename van 3% wanneer AD-verstrooiing niet in de berekening wordt meegenomen. De huidige kenmerken zijn ook bijna identiek. Aangezien ons ontwerp gebruik maakt van een laag aluminiumgehalte van 15% en vrij dunne barrières (1-1,5 nm), is de invloed van AD-verstrooiing in deze QCL verwaarloosbaar.

Gesimuleerde maximale optische versterking versus frequentie en stroom-elektrisch veldsimulaties voor verschillende verstrooiingsproces. een Gesimuleerde optische versterking versus frequentie rekening houdend met verschillende verstrooiingsproces. b Stroom-elektrisch veldsimulaties van de GaN THz QCL rekening houdend met verschillende verstrooiingsparameters. De temperatuur is ingesteld op 10 K

Integendeel, de invloed van IFR-verstrooiing op de prestaties van het apparaat is belangrijk. Zonder IFR-verstrooiing zien we een piekversterking van 191 cm ⁻¹ op 8,7 THz. Stroomdichtheidsdrempel is 24,08 kA/cm ² . Deze toename van de versterking van 34% en de daling van de stroomdichtheidsdrempel weerspiegelt het feit dat veel elektronen door IFR-verstrooiing worden getransporteerd. Hoe meer IFR-verstrooiing, hoe minder stralingsverstrooiing er is voor laseren. Bij het vergelijken van de referentieconfiguratie elektronenpopulatie van de bovenste en onderste lasertoestand ∆N = N ₁ – N ₂ = 6,6 ×10 ¹² – 1,27 ×10 ¹² = 5.43 ×10 ¹² cm ⁻² naar degene zonder IFR ∆N = N ₁ – N ₂ = 7.4 ×10 ¹² – 1.17 ×10 ¹² = 6.23 ×10 ¹² cm ⁻² , kan men zien dat de elektronenpopulatie in de hogere staat hoger is. Dit komt door de levensduur van de bovenste lasertoestand die toeneemt door de afwezigheid van IFR-verstrooiing. In vergelijking met het geval zonder nid, zien we in de huidige dichtheden van het apparaat zonder IFR-verstrooiing een piek bij -67 kV/cm, signatuur van de inter-periode resonantietunnel tussen 4' en 3. Dit fenomeen is beter zichtbaar in het geval zonder rekening te houden met het IFR-verstrooiingsproces. Dit is een bewijs van zijn overwicht op resonante tunneling. Met die waarnemingen benadrukken we het overwicht van IFR-verstrooiingsinvloed in de prestaties van THz GaN QCL.

Na het opmerken van het belang van IFR-verstrooiing in THz-prestaties. We hebben verder onderzoek gedaan door de IFR-grootte te variëren. We hebben aan onze studie het geval van IFR = 0.5 nm en 0.75 nm toegevoegd. De correlatielengte wordt op 1 nm gehouden. In figuur 3 toonden we de maximale versterking versus frequentie (a) en stroomdichtheden versus aangelegde elektrische veldkenmerken (b). Ten eerste hebben we waargenomen dat voor IFR = 0.5 nm de maximale optische versterking afneemt tot 47,9 cm ⁻¹ en zelfs dramatisch daalt tot − 8,8 cm ⁻¹ optische winst verliezen voor IFR = 0.75 nm. De versterkingsverbreding als functie van de IFR-lengte is ook duidelijk. Zoals we kunnen zien aan de IV-karakteristieken, neemt de rol van de IFR in de elektronenverstrooiing toe naarmate de IFR-grootte toeneemt, de stroomdichtheden toenemen en het resonantietunnel- en stralingsverstrooiingsproces in de apparaten afnemen. Dit effect wordt duidelijk wanneer de referentieconfiguratie van IFR = 0,25 nm wordt vergeleken met het extreme geval van IFR = 0,75 nm, waarbij de elektronenpopulatie van de bovenste en onderste lasertoestand daalt van ∆N = 5.43 ×10 ¹² cm ⁻² naar ∆N = N ₁ – N ₂ = 3.71 ×10 ¹² cm ⁻² .

Gesimuleerde maximale optische versterking versus frequentie en stroom-elektrisch veldsimulaties voor verschillende IFR. een Gesimuleerde maximale optische versterking versus frequentie voor verschillende IFR. b Stroom-elektrisch veldsimulaties van de GaN THz QCL rekening houdend met verschillende IFR. De temperatuur is ingesteld op 10 K

Dit laatste neemt af tot het punt dat we geen lasering meer in de apparaten zien. Zoals al is aangegeven in eerdere studies met behulp van op GaAs gebaseerde THz QCL [25, 34,35,36], benadrukken we het belang van het overwegen van de IFR-grootte tijdens epitaxie en om deze kleiner te houden dan 0,5 nm voor de fabricage van GaN THz QCL om te kunnen om positieve optische versterking te bieden.

Een voordeel voor GaN THz QCL is het potentieel om bij een hogere temperatuur te werken dan op GaAs gebaseerde THz QCL. In dit deel hebben we de prestaties van ons apparaat geanalyseerd als een functie van de bedrijfstemperatuur. We bleven onze referentieapparaten gebruiken met IFR = 0,25 nm, n.i.d en AD in de berekening. Figuur 4 toont de maximale optische winst voor verschillende roostertemperaturen. De versterkingswaarde is stabiel van 10 tot 150 K rond de 142 cm ⁻¹ , het begint af te nemen tussen 150 en 250 K, om te dalen tot 61 cm ⁻¹ bij 300 ° K. Inderdaad, naarmate de temperatuur stijgt, neemt de populatie-inversie af als gevolg van thermische opvulling en veroorzaakt toename van de LO-fononverstrooiing versterking van de versterking. Deze optische versterkingswaarde van 61 cm ⁻¹ is nog steeds hoger dan het verlies van een GaN THz QCL dubbele metalen golfgeleider (30 cm ⁻¹ ), waaruit blijkt dat dit GaN THz QCL-ontwerp bij kamertemperatuur zou moeten kunnen werken. We vermelden ook dat naast de mogelijkheid om bij kamertemperatuur te werken, op GaN gebaseerde THz QCL nog een ander voordeel heeft:vanwege hun hogere dopingconcentratie, lagere brekingsindex en dunnere periodelengte, hebben ze het potentieel om een ​​veel hogere optische versterking te bieden dan in hun GaAs-tegenhanger. Ons ontwerp biedt een redelijk hoge optische versterkingswaarde van 142 cm ⁻¹ bij 10 K, wat een goed voorbeeld is.

Kenmerken van de berekende maximale versterking versus roostertemperatuur