[論文レビュー] Stimulated emission of plasmon-LO mode in narrow gap HgTe/CdHgTe quantum wells

V. Ya. Aleshkin, А. А. Дубинов+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、逆転したバンド構造を有する狭帯ギャップ HgTe/CdHgTe 量子井戸において、空間分散および異方性キャリア動態を活用して、結合プラズモン–LOフォノンモードの誘導放出を提案する。6-nm HgTe/CdTe および 5-nm HgTe/Cd₀.₇Hg₀.₃Te QW において、ガリウム砒素 Reststrahlen 帯（25–50 meV）で最大 10⁵ cm⁻¹ の巨大増幅が実現され、[03-1] 方向が異方性分散のおかげで最適な増幅を示す。

ABSTRACT

We calculate the dispersion of the plasmon-LO modes taking into account the spatial dispersion of the electronic polarizability. It is shown that stimulated emission of the plasmon-LO mode is possible in the frequency range corresponding to the Reststrahlen band of GaAs both in a 6 nm wide HgTe/CdTe QW and in a 5 nm wide HgTe/Cd0.7Hg0.3Te QW grown on the (013) plane. Due to the anisotropy of the dispersion law for the plasmon-LO mode, the [03-1] direction appears to be optimal for generation.

研究の動機と目的

• 逆転したバンド構造を有する狭帯ギャップ HgTe/CdHgTe 量子井戸における結合プラズモン–LO フォノンモードの誘導放出の可能性を調査すること。
• 電子およびホールの誘電率の空間分散がプラズモンモード分散および増幅に与える影響を分析すること。
• 電子およびホールのエネルギー運動量分散における異方性が、プラズモン–LO モードの増幅および指向性に果たす役割を評価すること。
• 実用的な遠赤外光源としてのガリウム砒素 Reststrahlen 帯（25–50 meV）における高増幅を達成する条件を特定すること。

提案手法

• 自己無撞着な誘電率および誘電応答のアプローチを用いた2次元電子・ホール系における結合プラズモン–LO フォノンモードの理論的モデリング。
• 空間分散を電子およびホールガスの誘電率に組み込み、ω(q) の依存性を正確に記述し、簡略化された ω ∝ √q の代わりに線形な ω ∝ q の依存性を導出する。
• 格子光学フォノン寄与を含む周波数依存誘電関数を用いて、Reststrahlen 帯効果をモデル化する。
• 誘電関数の虚数部およびキャリア反転を用いて、増幅係数を導出する。
• 非球形ホール有効質量に起因する分散関係の異方性に注目し、[100] および [03-1] 伝搬方向を対象とする。
• 6-nm HgTe/CdTe および 5-nm HgTe/Cd₀.₇Hg₀.₃Te QW における、キャリア濃度（n = p = 1–8×10¹¹ cm⁻²）および温度（4.2 K および 77 K）を変化させた増幅スペクトルのシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆転したバンド構造を有する HgTe/CdHgTe 量子井戸において、プラズモン–LO モードの誘導放出が達成可能か？
• RQ2 電子およびホールの誘電率における空間分散が、プラズモン–LO モードの ω(q) 依存性に与える影響は何か？
• RQ3 ホール分散則における異方性が、プラズモン–LO モードの指向性および増幅に果たす役割は何か？
• RQ4 実用的 HgTe/CdHgTe QW 構造において、ガリウム砒素 Reststrahlen 帯で達成可能な最大増幅係数は何か？
• RQ5 結晶学的方向（例：[03-1]）のうち、増幅を最大にし、しきい値キャリア濃度を最小化するのはどれか？

主な発見

• 6-nm HgTe/CdTe および 5-nm HgTe/Cd₀.₇Hg₀.₃Te 量子井戸において、ガリウム砒素 Reststrahlen 帯（25–50 meV）内でのプラズモン–LO モードの誘導放出が可能である。
• 誘電率に空間分散を組み込むと、高周波数プラズモン–LO モードが線形な ω ∝ q 依存性を示す一方、簡略化モデルでは ω ∝ √q の依存性を示す。
• [03-1] 方向が異方性分散のおかげで最大の増幅および最小のしきい値キャリア濃度を示し、プラズモン–LO モード生成に最適である。
• キャリア濃度 2×10¹¹ cm⁻²、温度 4.2 K 時に最大増幅係数が 10⁵ cm⁻¹ を超えることが判明し、コンactなテラヘルツ光源としての実現可能性が示された。
• 増幅スペクトルはキャリア濃度および温度に強く依存しており、77 K でも顕著な増幅が観察されたことから、より高い温度でも実用的な運用が可能であると考えられる。
• 本結果により、HgTe/CdHgTe QW が、19–24 μm 範囲の効率的で波ガイドを必要としない遠赤外放射源として機能可能であり、50 μm への拡張も可能性を有することが示された。