GaN Terahertz 양자 캐스케이드 레이저의 성능에 대한 인터페이스 거칠기 산란의 지배적인 영향

결과 및 토론

그림 1c는 - 84.5 kV/cm의 작동 바이어스에서 이 구조의 계산된 캐리어 밀도를 보여줍니다. 우리는 이전 기간과 상위 레이저 상태 1 사이의 교차 방지를 관찰했습니다. 또한 하위 레이저 상태 2가 상태 3과 4에서 공진 포논에 의해 제거되었음을 알 수 있습니다. IFR, nid, 및 AD, 우리는 IFR, nid 및 AD를 고려한 참조 구성, IFR이 없는 구성, nid가 없는 또 다른 구성 및 AD가 없는 마지막 구성과 같은 여러 구성에 대한 GaN THz QCL 광 이득 및 전류 특성을 계산했습니다. 그림 2는 10 K의 온도에서 계산된 각 구성에 대한 최대 광 이득 대 주파수(a) 및 전류 밀도 대 인가 전계(b)를 보여줍니다. 기준 구조는 142 cm ^{−1 8.7 THz에서 비소 물질에 도달할 수 없는 주파수. n.i.d가 QCL 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. n.i.d가 없으면 최대 이득은 127 cm −1 입니다. 8.46 THz에서. 게인 강하는 n.i.d.에서 오는 전자를 제거한 후 상위 레이저 상태에서 캐리어 농도가 감소하기 때문입니다. 실제로 기준 구성에서 상부 및 하부 레이징 상태의 전자 농도는 ∆N =N ₁ – N ₂ =5.43 ×10 12 cm −2 , n.i.d가 없으면 ∆N이 됩니다. =N ₁ – N ₂ =5.06 ×10 12 cm −2 . 적용된 전기장은 − 84.5에서 − 81.6 kV/cm로 이동합니다. 현재 임계값이 25.11kA/cm 2 에서 감소 및 이동합니다. − 84.49 kV/cm ~ 17.11kA/cm 2 에서 - 93.24 kV/cm에서. 전류 밀도 강하는 n.i.d. 없이 계산에서 전자 수송을 증가시키는 전자 불순물 산란의 감소에 기인할 수 있습니다. 이 가설의 또 다른 힌트는 n.i.d 전류 밀도 특성이 없는 경우에 볼 수 있는 − 64 kV/cm의 피크입니다. 이것은 4'와 3 사이의 주기 간 공진 터널입니다(여기에는 표시되지 않음). 이 현상은 n.i.d.를 고려한 전류 특성에서 전자-불순물 산란에 의해 숨겨집니다. 전류 임계값 및 적용된 전기장 이동은 n.i.d가 있거나 없는 구성 사이의 전도대 오정렬에 기인합니다. 흥미롭게도 n.i.d의 경우 이득 피크가 더 크지만 이득 스펙트럼이 넓어지는 것을 관찰할 수 있으며 하전된 불순물의 서명 영향 [31] 비의도적 도핑은 10 17 의 합리적인 농도를 유지해야 합니다. cm −3 전자 불순물 산란 분해 및 자유 캐리어 흡수를 방지합니다. AD 산란이 없는 구성에서 최대 이득은 147 cm −1 입니다. 8.7 THz에서. 우리는 피크 이득이 AD 산란이 있거나 없는 동일한 주파수에 있음을 관찰합니다. AD 산란이 계산에 포함되지 않은 경우 광학 이득은 3%의 약간만 증가합니다. 전류 특성도 거의 동일합니다. 우리의 설계는 15%의 낮은 알루미늄 함량과 상당히 얇은 장벽(1–1.5 nm)을 사용하기 때문에 이 QCL에서 AD 산란 영향은 무시할 수 있습니다.}

다양한 산란 프로세스에 대한 최대 광 이득 대 주파수 및 전류-전기장 시뮬레이션을 시뮬레이션했습니다. 아 다양한 산란 프로세스를 고려한 시뮬레이션된 광학 이득 대 주파수. ㄴ 다양한 산란 매개변수를 고려한 GaN THz QCL의 전류-전기장 시뮬레이션. 온도가 10 K

반대로 IFR 산란이 장치의 성능에 미치는 영향은 중요합니다. IFR 산란 없이 191 cm ⁻¹ 의 피크 이득을 관찰합니다. 8.7 THz에서. 전류 밀도 임계값은 24.08kA/cm ² 입니다. . 34%의 이득 증가와 전류 밀도 임계값 강하는 많은 전자가 IFR 산란을 통해 전달된다는 사실을 반영합니다. IFR 산란이 많을수록 레이저에 대한 복사 산란이 적습니다. 상부 및 하부 레이징 상태의 기준 구성 전자 수를 비교할 때 ∆N =N ₁ – N ₂ =6.6 ×10 ¹² – 1.27 ×10 ¹² =5.43 ×10 ¹² cm ⁻² IFR ∆N이 없는 것 =N ₁ – N ₂ =7.4 ×10 ¹² – 1.17 ×10 ¹² =6.23 ×10 ¹² cm ⁻² , 상위 상태 전자 인구가 더 높다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 IFR 산란이 없기 때문에 증가하는 상부 레이저 상태 수명 때문입니다. nid가 없는 경우와 비교하여 IFR 산란이 없는 장치의 전류 밀도 특성에서 우리는 4'와 3 사이의 주기 간 공진 터널의 시그니처인 - 67 kV/cm에서 피크를 관찰합니다. 이 현상이 더 잘 보입니다. IFR 산란 과정을 고려하지 않은 경우. 이것은 공진 터널링보다 우세하다는 증거입니다. 이러한 관찰을 통해 우리는 THz GaN QCL의 성능에서 IFR 산란 영향의 우위를 강조합니다.

THz 성능에서 IFR 산란의 중요성을 알게 된 후. 우리는 IFR 크기를 다양화하여 추가로 조사했습니다. IFR =0.5 nm 및 0.75 nm의 경우를 연구에 추가했습니다. 상관 길이는 1 nm로 유지됩니다. 그림 3에서 최대 이득 대 주파수(a) 및 전류 밀도 대 인가 전계 특성(b)을 보여줍니다. 먼저 IFR =0.5 nm의 경우 최대 광학 이득이 47.9 cm ⁻¹ 로 감소하는 것을 관찰했습니다. − 8.8 cm ⁻¹ 까지 급격히 떨어집니다. IFR =0.75 nm에 대한 광학 이득 손실. IFR 길이의 함수로 확장되는 이득도 분명합니다. I-V 특성에서 볼 수 있듯이 IFR 크기가 증가함에 따라 전자 산란에서의 역할이 증가하여 전류 밀도가 증가하고 장치에서 공진 터널 및 복사 산란 프로세스가 감소합니다. 이 효과는 IFR =0.25 nm의 기준 구성과 IFR =0.75 nm의 극단적인 경우를 비교할 때 분명해지며, ∆N에서 상위 및 하위 레이저 상태의 전자 수 감소 =5.43 ×10 ¹² cm ⁻² ∆N으로 =N ₁ – N ₂ =3.71 ×10 ¹² cm ⁻² .

다양한 IFR에 대한 최대 광 이득 대 주파수 및 전류-전기장 시뮬레이션을 시뮬레이션했습니다. 아 다양한 IFR에 대한 최대 광 이득 대 주파수를 시뮬레이션했습니다. ㄴ 다른 IFR을 고려한 GaN THz QCL의 전류-전기장 시뮬레이션. 온도가 10 K

후자는 더 이상 장치에서 레이저 광선을 볼 수 없을 정도로 감소합니다. GaAs 기반 THz QCL을 사용한 이전 연구[25, 34,35,36]에서 이미 지적했듯이, 우리는 에피택시 동안 IFR 크기를 고려하고 GaN THz QCL 제조를 위해 0.5nm보다 작게 유지하는 것의 중요성을 강조합니다. 양의 광학 이득을 제공합니다.

GaN THz QCL의 장점은 GaAs 기반 THz QCL보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있다는 것입니다. 이 부분에서는 작동 온도의 함수로 장치 성능을 분석했습니다. IFR =0.25 nm, n.i.d 및 AD가 계산에 포함된 참조 장치를 계속 사용했습니다. 그림 4는 다양한 격자 온도에 대한 최대 광학 이득을 보여줍니다. 게인 값은 약 142 cm ⁻¹ 에서 10~150 K에서 안정적입니다. , 61 cm ⁻¹ 로 떨어지기 위해 150에서 250 K 사이에서 감소하기 시작합니다. 300 K에서. 실제로, 온도가 증가함에 따라 열 백필로 인한 인구 역전이 감소하고 LO-포논 산란 증가가 이득 확장을 유도합니다. 이 광학 이득 값은 61 cm ⁻¹ 입니다. GaN THz QCL 이중 금속 도파관의 손실보다 여전히 높습니다(30 cm ⁻¹ ), 이 GaN THz QCL 설계가 실온에서 작동할 수 있어야 함을 보여줍니다. 우리는 또한 실온에서 작동할 수 있는 것 외에도 GaN 기반 THz QCL이 또 다른 이점이 있다고 언급합니다. 도핑 농도가 더 높고 굴절률이 낮고 주기 길이가 더 얇기 때문에 그들의 GaAs 대응. 우리의 설계는 142 cm ⁻¹ 의 상당히 높은 광학 이득 값을 제공합니다. 10 K에서 이는 좋은 예입니다.

계산된 최대 이득 대 격자 온도의 특성