Influencia dominante de la dispersión de la rugosidad de la interfaz en el rendimiento de los láseres de cascada cuántica de Terahercios de GaN

Resultados y discusión

La Figura 1c muestra las densidades de portadora calculadas de esta estructura con el sesgo de funcionamiento de - 84,5 kV / cm. Observamos el anti-cruce entre el período anterior y el estado láser superior 1. También vemos que el estado láser inferior 2 está despoblado por fonón resonante en el estado 3 y 4. Para analizar y comparar la influencia de IFR, nid, y AD, calculamos nuestra ganancia óptica y características de corriente GaN THz QCL para varias configuraciones:la configuración de referencia teniendo en cuenta IFR, nid y AD, una configuración sin IFR, otra sin nid y una última sin AD. La figura 2 muestra la ganancia óptica máxima frente a la frecuencia (a) y las densidades de corriente frente al campo eléctrico aplicado (b) para cada configuración calculada a una temperatura de 10 K. La estructura de referencia muestra una ganancia máxima de 142 cm ⁻¹ a 8,7 THz, frecuencia inalcanzable para el material arseniuro. Veamos cómo influye n.i.d en nuestro rendimiento de QCL. Sin n.d., la ganancia máxima es de 127 cm ⁻¹ a 8,46 THz. La caída de ganancia se debe a que la concentración del portador disminuye en el estado de láser superior después de quitar los electrones provenientes de n.i.d. De hecho, en la configuración de referencia, la concentración de electrones del estado láser superior e inferior es ∆N = N ₁ - N ₂ =5,43 × 10 ¹² cm ⁻² , mientras que sin n.i.d se convierte en ∆N = N ₁ - N ₂ =5,06 × 10 ¹² cm ⁻² . El campo eléctrico aplicado cambia de - 84,5 a - 81,6 kV / cm. El umbral de corriente cae y cambia de 25,11 kA / cm ² a - 84,49 kV / cm a 17,11 kA / cm ² a - 93,24 kV / cm. La caída de la densidad de corriente se puede atribuir a la reducción de la dispersión de impurezas de electrones, lo que aumenta el transporte de electrones en el cálculo sin n.d. Otro indicio de esta hipótesis es el pico a - 64 kV / cm que vemos en el caso sin características de densidad de corriente n.d. Este es un túnel resonante entre períodos entre 4 'y 3 (no se muestra aquí). Este fenómeno está oculto por la dispersión de impurezas de electrones en las características actuales teniendo en cuenta n.i.d. El umbral de corriente y el cambio de campo eléctrico aplicado se atribuyen a la desalineación de la banda de conducción entre la configuración con o sin n.i.d. Curiosamente, aunque el pico de ganancia es mayor en el caso n.i.d, observamos un ensanchamiento del espectro de ganancia, la firma de la influencia de las impurezas cargadas [31] El dopaje no intencional debe permanecer en una concentración razonable de 10 ¹⁷ cm ⁻³ para evitar la degradación por dispersión de impurezas de electrones y la absorción de portadores libres. En la configuración sin dispersión de AD, la ganancia máxima es de 147 cm ⁻¹ a 8,7 THz. Observamos que la ganancia máxima está en la misma frecuencia con o sin dispersión AD. La ganancia óptica solo obtiene un aumento marginal del 3% cuando la dispersión AD no se incluye en el cálculo. Las características actuales también son casi idénticas. Dado que nuestro diseño utiliza un bajo contenido de aluminio del 15% y barreras bastante delgadas (1–1,5 nm), la influencia de la dispersión de AD en este QCL es insignificante.

Ganancia óptica máxima simulada frente a simulaciones de campo eléctrico de corriente y frecuencia para diferentes procesos de dispersión. un Ganancia óptica simulada frente a frecuencia teniendo en cuenta los diferentes procesos de dispersión. b Simulaciones de campo eléctrico de corriente del GaN THz QCL teniendo en cuenta diferentes parámetros de dispersión. La temperatura se establece en 10 K

Por el contrario, la influencia de la dispersión IFR en el rendimiento del dispositivo es importante. Sin dispersión IFR, observamos una ganancia máxima de 191 cm ⁻¹ a 8,7 THz. El umbral de densidad de corriente es 24,08 kA / cm ² . Este aumento de ganancia del 34% y la caída del umbral de densidad de corriente reflejan el hecho de que muchos electrones se transportan a través de la dispersión IFR. Cuanto más dispersión IFR, menos dispersión radiativa hay para el láser. Al comparar la población de electrones de configuración de referencia del estado láser superior e inferior ∆N = N ₁ - N ₂ =6,6 × 10 ¹² - 1,27 × 10 ¹² =5,43 × 10 ¹² cm ⁻² al que no tiene IFR ∆N = N ₁ - N ₂ =7,4 × 10 ¹² - 1,17 × 10 ¹² =6.23 × 10 ¹² cm ⁻² , se puede ver que la población de electrones del estado superior es mayor. Esto se debe a la vida útil del estado de láser superior, que aumenta debido a la ausencia de dispersión IFR. En comparación con el caso sin nid, en las características de densidades de corriente del dispositivo sin dispersión IFR, observamos un pico a - 67 kV / cm, firma del túnel resonante entre períodos entre 4 'y 3. Este fenómeno es más visible en el caso sin tener en cuenta el proceso de dispersión IFR. Ésta es una prueba de su predominio sobre la tunelización resonante. Con esas observaciones, destacamos el predominio de la influencia de la dispersión IFR en el rendimiento de THz GaN QCL.

Después de notar la importancia de la dispersión IFR en el rendimiento de THz. Investigamos más a fondo variando el tamaño de IFR. Agregamos a nuestro estudio el caso de IFR =0.5 nm y 0.75 nm. La longitud de correlación se mantiene a 1 nm. En la figura 3, mostramos la ganancia máxima frente a la frecuencia (a) y las densidades de corriente frente a las características del campo eléctrico aplicado (b). Primero, observamos que para IFR =0.5 nm, la ganancia óptica máxima disminuye a 47.9 cm ⁻¹ e incluso se reduce drásticamente a - 8,8 cm ⁻¹ perdiendo ganancia óptica para IFR =0,75 nm. También es evidente el aumento de ganancia en función de la longitud de IFR. Como podemos ver en las características I-V, a medida que aumenta el tamaño de IFR, aumenta su papel en la dispersión de electrones, aumentando las densidades de corriente y disminuyendo el túnel resonante y el proceso de dispersión radiativa en los dispositivos. Este efecto se hace evidente cuando se compara la configuración de referencia de IFR =0.25 nm con el caso extremo de IFR =0.75 nm, la población de electrones del estado láser superior e inferior cae de ∆N =5,43 × 10 ¹² cm ⁻² a ∆N = N ₁ - N ₂ =3,71 × 10 ¹² cm ⁻² .

Ganancia óptica máxima simulada frente a simulaciones de campo eléctrico de frecuencia y corriente para diferentes IFR. un Ganancia óptica máxima simulada frente a frecuencia para diferentes IFR. b Simulaciones de campo eléctrico de corriente del GaN THz QCL teniendo en cuenta diferentes IFR. La temperatura se establece en 10 K

Este último disminuye hasta el punto de que ya no podemos ver el láser en los dispositivos. Como ya se señaló en estudios previos utilizando THz QCL basado en GaAs [25, 34,35,36], destacamos la importancia de considerar el tamaño de IFR durante la epitaxia y de mantenerlo por debajo de 0.5 nm para la fabricación de GaN THz QCL para poder para proporcionar una ganancia óptica positiva.

Una ventaja de GaN THz QCL es su potencial para operar a una temperatura más alta que el THz QCL basado en GaAs. En esta parte, analizamos el rendimiento de nuestro dispositivo en función de la temperatura de funcionamiento. Continuamos usando nuestros dispositivos de referencia con IFR =0.25 nm, n.d. y AD incluidos en el cálculo. La Figura 4 muestra la ganancia óptica máxima para diferentes temperaturas de celosía. El valor de ganancia es estable de 10 a 150 K a alrededor de 142 cm ⁻¹ , comienza a disminuir entre 150 y 250 K, para bajar a 61 cm ⁻¹ a 300 K. De hecho, a medida que aumenta la temperatura, la inversión de la población disminuye debido al relleno térmico y el aumento de la dispersión del fonón LO induce el ensanchamiento de la ganancia. Este valor de ganancia óptica de 61 cm ⁻¹ es aún mayor que la pérdida de una guía de ondas de metal doble GaN THz QCL (30 cm ⁻¹ ), lo que demuestra que este diseño de GaN THz QCL debería poder funcionar a temperatura ambiente. También mencionamos que además de poder operar a temperatura ambiente, el THz QCL basado en GaN tiene otra ventaja:debido a su mayor concentración de dopaje, menor índice de refracción y menor duración del período, tienen el potencial de proporcionar una ganancia óptica mucho mayor que en su contraparte de GaAs. Nuestro diseño proporciona un valor de ganancia óptica bastante alto de 142 cm ⁻¹ a 10 K, que es un buen ejemplo.

Características de la ganancia máxima calculada frente a la temperatura de la red

Conclusiones

En conclusión, informamos un diseño de QCL de GaN THz que opera a 8,7 THz. La simulación muestra una ganancia óptica de 142 cm ⁻¹ a 10 K y 60 cm ⁻¹ a temperatura ambiente. Entre los fenómenos no deseados que se originan en la epitaxia, hemos calculado la influencia de la rugosidad de la interfaz, el dopaje no intencional y el desorden de la aleación en el rendimiento de la ganancia de GaN THz QCL. La influencia del desorden de la aleación es despreciable:la ganancia óptica solo cae de 147 a 142 cm ⁻¹ al agregar dispersión por desorden de aleación en la simulación. El dopaje no intencional debe tenerse en cuenta en el diseño para evitar la desalineación de la banda de conducción. Observamos un cambio de campo eléctrico aplicado de - 84,5 a - 81,6 kV / cm inducido por n.i.d en nuestro estudio. Finalmente, observamos una gran disparidad en la ganancia óptica para diferentes valores de rugosidad de la interfaz:191, 142, 47,9 y - 8,8 cm ⁻¹ para una rugosidad de la interfaz igual a 0, 0,25, 0,5 y 0,75 nm, respectivamente. Es por eso que identificamos la influencia dominante de la dispersión de la rugosidad de la interfaz en la degradación de la ganancia óptica. Este trabajo proporciona rutas para la optimización del rendimiento de la futura fabricación de GaN THz QCL.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos generados durante y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

AD:

Desorden de aleación

IFR:

Rugosidad de la interfaz

ISB:

Intersubbanda

n.i.d:

Dopaje no intencional

NEGF:

Funciones de Nonequilibrium Green

QCL:

Láser de cascada cuántica

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