[논문 리뷰] Feasibility of lasing in the GaAs Reststrahlen band with HgTe multiple quantum well laser diodes

А. А. Афоненко, Д. В. Ушаков외 5명|Digital Library of the Belarusian State University (Belarusian State University)|2020. 10. 27.

Spectroscopy and Laser Applications참고 문헌 51인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 Cd₀.₆Hg₀.₄Te 장벽 매트릭스에 내장된 다중 HgTe 양자우물 기반 전기적 펌프 레이저 다이오드를 제안하며, 26–30 μm에서 레이저 작동을 위해 어져 재결합을 억제하도록 설계되었다. 운반자 이동, 재결합 및 열 효과를 포함하는 종합적인 모델을 사용하여, 퉁성 출력 전력이 8 mW에 도달하는 90 K 이하에서 실현 가능한 레이저 작동을 입증하였다.

ABSTRACT

Operation of semiconductor lasers in the 20--50 $μ$m wavelength range is hindered by strong non-radiative recombination in the interband laser diodes, and strong lattice absorption in GaAs-based quantum cascade structures. Here, we propose an electrically pumped laser diode based on multiple HgTe quantum wells with band structure engineered for Auger recombination suppression. Using a comprehensive model accounting for carrier drift and diffusion, electron and hole capture in quantum wells, Auger recombination, and heating effects, we show the feasibility of lasing at $λ= 26...30$ $μ$m at temperatures up to 90 K. The output power in the pulse can reach up to 8 mW for microsecond-duration pulses.

연구 동기 및 목표

• GaAs 기반 QCL의 격자 흡수 및 이중극자 레이저의 비복사 재결합으로 인해 발생하는 20–50 μm 범위의 밀도 높은 원거리 적외선 소스의 부족을 해결한다.
• HgTe 양자우물의 고유한 밴드 구조를 활용하여 협편 간섭재료에서 우세한 어져 재결합의 주요 제한 요소를 극복한다.
• 어져 재결합이 억제된 HgTe 다중 양자우물 구조를 사용하여 GaAs Reststrahlen 대역에서 전기적 펌프 레이저 작동의 실현 가능성을 입증한다.
• 온도 성능과 출력 전력에 영향을 주는 주요 제한 요인인 잔류 어져 재결합 및 드루드 흡수를 규명하고 분석한다.

제안 방법

• 26–30 μm 방출을 위한 밴드 갭을 조정하기 위해 5.2 nm 두께의 HgTe 양자우물을 Cd₀.₆Hg₀.₄Te 장벽에 내장한 이종구조를 설계한다.
• 운반자 이동, 장벽층 내에서의 확산, 양자우물로의 포획, 복사 및 비복사 재결합을 포함한 종합적인 수치 모델을 구현한다.
• 시간에 따라 변화하는 모드 이득, 내부 손실 및 줄열 열에 의한 열 생성을 고려한 2D 비율 방정식 모델을 사용하여 광자 및 운반자 역학을 모델링한다.
• 성장 방향(z축)에 따라 열 확산을 고려하여 그린 함수를 사용하여 열 효과를 모델링한다. 기판, 클래딩 및 열 싱크 층을 포함한다.
• 비평탄한 밴드에 대해 포물선 밴드 근사법을 사용하여 2D 어져 계수를 계산하고, 유한한 양자우물 두께에 대한 보정으로 K₂D/₃D 요소를 적용한다.
• 열 방정식을 수치적으로 해결하여 마이크로초 전류 펄스 동안의 온도 상승을 결정한다. 열 확산 길이는 1 μs 동안 약 13 μm이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HgTe 다중 양자우물 구조를 사용하여 GaAs Reststrahlen 대역(20–50 μm)에서 전기적 펌프 레이저 작동이 가능할 수 있는가?
• RQ2 기존의 반도체와 비교할 때 HgTe 양자우물의 밴드 구조는 어져 재결합을 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ3 이 HgTe 기반 구조에서 레이저 작동의 최대 작동 온도는 얼마이며, 무엇이 그 한계를 정하는가?
• RQ4 펄스 동작 조건에서 어떤 출력 전력 수준을 달성할 수 있으며, 열 효과는 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 doping된 영역에서 잔류 어져 재결합과 드루드 흡수의 영향은 고온에서 레이저 작동의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 26–30 μm에서 90 K 이하의 작동 온도에서 레이저 작동이 가능하며, 이는 Reststrahlen 대역에서 전기적 펌프 FIR 방출의 잠재력을 입증한다.
• 마이크로초 지속 시간의 전류 펄스에서 퉁성 출력 전력이 최대 8 mW에 도달하여, 소형 FIR 소스에 실용적인 전력 수준을 제공한다.
• 70 K에서 2D 어져 계수는 8.3×10⁻¹² cm⁴/s, 90 K에서 8.7×10⁻¹² cm⁴/s이며, 이에 해당하는 3D 등가 값은 각각 9.0×10⁻²⁵ cm⁶/s 및 9.4×10⁻²⁵ cm⁶/s이다.
• 양자우물 내 잔류 어져 재결합과 고도로 도핑된 주입 영역에서의 드루드 흡수를 온도 성능의 주요 제한 요인으로 규명하였다.
• 1 μs 펄스 동안의 열 확산 길이는 약 13 μm이며, 활성 영역 두께(~0.2 μm)보다 훨씬 크므로 성장 방향에 따른 1D 열 모델링이 타당하다고 판단된다.
• 블로흐 파동함수의 겹침 적분 계산 결과는 0.3이며, K₂D/₃D 요소는 0.4로, 이는 사인파형의 환경 근사와의 심각한 이격을 나타내며, 이는 어져 계수의 정확도에 영향을 준다.