[论文解读] 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 6

一句话总结

该论文提出在窄带隙 HgTe/CdHgTe 量子阱中，通过空间色散和各向异性载流子动力学，实现具有倒带能级分布的耦合等离子体-LO 声子模式的受激辐射。在 GaAs Reststrahlen 带（25–50 meV）中，对于 6-nm HgTe/CdTe 和 5-nm HgTe/Cd₀.₇Hg₀.₃Te 量子阱，实现了高达 10⁵ cm⁻¹ 的巨大放大，其中 [03-1] 方向因各向异性色散而表现出最佳增益。

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.

研究动机与目标

• 研究在窄带隙 HgTe/CdHgTe 量子阱中，具有倒带能级分布的耦合等离子体-LO 声子模式实现受激辐射的可行性。
• 分析电子和空穴极化率中的空间色散对等离子体模式色散和放大特性的影响。
• 评估电子和空穴能带-动量色散关系中的各向异性对等离子体-LO 模式增益和方向性的影响。
• 确定在 GaAs Reststrahlen 带（25–50 meV）中实现高放大系数的条件，以用于实际远红外光源。

提出的方法

• 采用自洽方法处理极化率和介电响应，对二维电子-空穴系统中的耦合等离子体-LO 声子模式进行理论建模。
• 在电子和空穴气极化率中引入空间色散，以准确描述 ω(q) 依赖关系，用线性 ω ∝ q 行为替代简化的 ω ∝ √q 行为。
• 使用包含晶格光学声子贡献的频率依赖介电函数，以模拟 Reststrahlen 带效应。
• 利用从介电函数虚部和粒子数反转推导出的增益公式计算放大系数。
• 分析由于空穴有效质量非球形引起的色散关系各向异性，重点关注 [100] 和 [03-1] 传播方向。
• 在不同载流子浓度（n = p = 1–8×10¹¹ cm⁻²）和温度（4.2 K 和 77 K）下，对 6-nm HgTe/CdTe 和 5-nm HgTe/Cd₀.₇Hg₀.₃Te 量子阱进行增益谱模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有倒带能级分布的 HgTe/CdHgTe 量子阱中，能否实现等离子体-LO 模式的受激辐射？
• RQ2 电子和空穴极化率中的空间色散如何影响等离子体-LO 模式的 ω(q) 依赖关系？
• RQ3 空穴色散定律中的各向异性在等离子体-LO 模式的方向性和增益中起什么作用？
• RQ4 在实际 HgTe/CdHgTe 量子阱结构中，GaAs Reststrahlen 带内的最大可实现放大系数是多少？
• RQ5 哪些晶向（如 [03-1]）能最大化增益并最小化阈值载流子浓度？

主要发现

• 在 GaAs Reststrahlen 带（25–50 meV）范围内，6-nm HgTe/CdTe 和 5-nm HgTe/Cd₀.₇Hg₀.₃Te 量子阱中均可实现等离子体-LO 模式的受激辐射。
• 在极化率中引入空间色散后，高频等离子体-LO 模式呈现出线性 ω ∝ q 依赖关系，与简化模型中的 ω ∝ √q 行为形成对比。
• [03-1] 方向由于各向异性色散表现出最高增益和最低阈值载流子浓度，因此是生成等离子体-LO 模式的最优方向。
• 在载流子浓度为 2×10¹¹ cm⁻² 和温度为 4.2 K 时，最大放大系数超过 10⁵ cm⁻¹，表明其在紧凑型太赫兹光源中的可行性。
• 增益谱强烈依赖于载流子浓度和温度，在 77 K 时仍观察到显著放大，表明可在较高温度下实现实际应用。
• 结果表明，HgTe/CdHgTe 量子阱可作为高效、无需波导的远红外辐射源，波长范围为 19–24 μm，且有潜力扩展至 50 μm。