[论文解读] Feasibility of lasing in the GaAs Reststrahlen band with HgTe multiple quantum well laser diodes

А. А. Афоненко, Д. В. Ушаков+5 more|Digital Library of the Belarusian State University (Belarusian State University)|Oct 27, 2020

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 51被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种基于Cd₀.₆Hg₀.₄Te势垒矩阵中多层HgTe量子阱的电泵浦激光二极管，通过抑制俄歇复合实现26–30 μm波段的激光发射。结合载流子输运、复合及热效应的综合模型，研究证明在90 K以内可实现可行的激光输出，脉冲输出功率最高达8 mW。

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.

研究动机与目标

• 解决20–50 μm波段紧凑太赫兹源的缺乏问题，该问题源于GaAs基QCL的晶格吸收以及间带激光器中的非辐射复合。
• 通过利用HgTe量子阱独特的能带结构，克服窄带隙半导体中主导的俄歇复合限制。
• 展示在GaAs Reststrahlen带中利用HgTe多量子阱实现电泵浦激光的可行性，且俄歇复合得到抑制。
• 识别并分析关键限制因素——残余俄歇复合与德鲁德吸收——对温度性能和输出功率的影响。

提出的方法

• 设计一种异质结构，其中5.2 nm厚的HgTe量子阱嵌入在Cd₀.₆Hg₀.₄Te势垒中，以实现26–30 μm发射波长的带隙调制。
• 实施一个综合数值模型，包含势垒层中的载流子漂移与扩散、载流子捕获进入量子阱，以及辐射与非辐射复合过程。
• 采用二维速率方程模型描述光子与载流子动力学，包括时间依赖的模态增益、内部损耗及焦耳加热引起的热生成。
• 使用格林函数方法对沿生长方向（z轴）的热扩散进行建模，考虑衬底、包层及热沉层的影响。
• 基于抛物带近似计算二维俄歇系数，对非抛物带进行修正，引入K₂D/₃D因子以考虑有限量子阱宽度的影响。
• 通过数值求解热方程，确定微秒级电流脉冲期间的温升，热扩散长度在1 μs内约为13 μm。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在GaAs Reststrahlen带（20–50 μm）中利用HgTe多量子阱实现电泵浦激光？
• RQ2 与传统半导体相比，HgTe量子阱的能带结构在多大程度上抑制了俄歇复合？
• RQ3 该HgTe基结构的激光最大工作温度是多少？其限制因素是什么？
• RQ4 在脉冲工作条件下可实现多高的输出功率？热效应如何影响性能？
• RQ5 残余俄歇复合与掺杂区域中的德鲁德吸收在高温下如何影响激光实现的可行性？

主要发现

• 在26–30 μm波段实现激光是可行的，工作温度最高可达90 K，证明了在Reststrahlen带中实现电泵浦远红外发射的潜力。
• 对于微秒级电流脉冲，脉冲输出功率最高可达8 mW，表明其具备实现紧凑远红外光源的实际功率水平。
• 在70 K时，二维俄歇系数为8.3×10⁻¹² cm⁴/s；在90 K时为8.7×10⁻¹² cm⁴/s，对应的三维等效值分别为9.0×10⁻²⁵ cm⁶/s和9.4×10⁻²⁵ cm⁶/s。
• 残余俄歇复合在量子阱中以及高度掺杂注入区中的德鲁德吸收被确定为限制温度性能的主要因素。
• 在1 μs脉冲期间，热扩散长度约为13 μm，远大于有源区厚度（约0.2 μm），因此沿生长方向采用一维热模型是合理的。
• 计算得到的布洛赫波函数重叠积分为0.3，K₂D/₃D因子为0.4，表明与正弦包络近似存在显著偏差，这影响了俄歇系数的计算精度。