Pengaruh Dominan Hamburan Kekasaran Antarmuka pada Kinerja Laser Kaskade Kuantum Terahertz GaN

Hasil dan Diskusi

Gambar 1c menunjukkan kepadatan pembawa yang dihitung dari struktur ini pada bias operasi 84.5 kV/cm. Kami mengamati anti-persilangan antara periode sebelumnya dan keadaan penguat atas 1. Kami juga melihat bahwa keadaan penguat bawah 2 diisi oleh fonon resonansi di keadaan 3 dan 4. Untuk menganalisis dan membandingkan pengaruh IFR, nid, dan AD, kami menghitung penguatan optik GaN THz QCL dan karakteristik arus untuk beberapa konfigurasi:konfigurasi referensi dengan mempertimbangkan IFR, nid, dan AD, konfigurasi tanpa IFR, konfigurasi lain tanpa nid, dan konfigurasi terakhir tanpa AD. Gambar 2 menunjukkan penguatan optik maksimum vs frekuensi (a) dan rapat arus vs medan listrik yang diterapkan (b) untuk setiap konfigurasi yang dihitung pada suhu 10 K. Struktur referensi menunjukkan penguatan puncak 142 cm ⁻¹ pada 8.7 THz, frekuensi tidak terjangkau untuk bahan arsenida. Mari kita lihat bagaimana nid mempengaruhi kinerja QCL kita. Tanpa n.i.d, gain puncaknya adalah 127 cm ⁻¹ pada 8.46 THz. Gain drop disebabkan oleh penurunan konsentrasi pembawa di keadaan penguat atas setelah mengambil elektron yang datang dari n.i.d. Memang, dalam konfigurasi referensi, konsentrasi elektron dari keadaan penguat atas dan bawah adalah ∆N = T ₁ – T ₂ = 5.43 ×10 ¹² cm ⁻² , sedangkan tanpa n.i.d menjadi ∆N = T ₁ – T ₂ = 5,06 ×10 ¹² cm ⁻² . Medan listrik yang diterapkan bergeser dari 84.5 ke 81.6 kV/cm. Ambang batas saat ini turun dan bergeser dari 25,11 kA/cm ² pada 84,49 kV/cm hingga 17,11 kA/cm ² pada 93,24 kV/cm. Penurunan kerapatan arus dapat dikaitkan dengan pengurangan hamburan pengotor elektron yang meningkatkan transpor elektron dalam perhitungan tanpa n.i.d. Petunjuk lain dari hipotesis ini adalah puncak pada 64 kV/cm yang kita lihat dalam kasus tanpa karakteristik densitas arus n.i.d. Ini adalah terowongan resonansi antar periode antara 4' dan 3 (tidak ditampilkan di sini). Fenomena ini disembunyikan oleh hamburan pengotor elektron dalam karakteristik saat ini dengan mempertimbangkan n.i.d. Ambang arus dan pergeseran medan listrik yang diterapkan dikaitkan dengan misalignment pita konduksi antara konfigurasi dengan atau tanpa n.i.d. Menariknya, meskipun puncak penguatan lebih besar dalam kasus n.i.d, kami mengamati perluasan spektrum penguatan, tanda tangan pengaruh pengotor bermuatan [31] Doping yang tidak disengaja harus tetap pada konsentrasi yang wajar 10 ¹⁷ cm ⁻³ untuk mencegah degradasi hamburan pengotor elektron dan absorpsi pembawa bebas. Dalam konfigurasi tanpa hamburan AD, gain puncak adalah 147 cm ⁻¹ pada 8.7 THz. Kami mengamati bahwa gain puncak berada pada frekuensi yang sama dengan atau tanpa hamburan AD. Gain optik hanya mendapatkan peningkatan marjinal sebesar 3% ketika hamburan AD tidak dimasukkan dalam perhitungan. Karakteristik saat ini juga hampir identik. Karena desain kami menggunakan kandungan aluminium rendah 15% dan penghalang yang cukup tipis (1–1,5 nm), pengaruh hamburan AD di QCL ini dapat diabaikan.

Simulasi penguatan optik maksimum vs frekuensi dan simulasi medan arus-listrik untuk proses hamburan yang berbeda. a Gain optik yang disimulasikan vs frekuensi dengan mempertimbangkan proses hamburan yang berbeda. b Simulasi medan listrik saat ini dari GaN THz QCL dengan mempertimbangkan parameter hamburan yang berbeda. Suhu disetel pada 10 K

Sebaliknya, pengaruh hamburan IFR dalam kinerja perangkat penting. Tanpa hamburan IFR, kami mengamati gain puncak 191 cm ⁻¹ pada 8.7 THz. Ambang kerapatan arus adalah 24,08 kA/cm ² . Peningkatan gain ini sebesar 34% dan penurunan ambang kerapatan arus mencerminkan fakta bahwa banyak elektron diangkut melalui hamburan IFR. Semakin banyak hamburan IFR, semakin sedikit hamburan radiasi yang ada untuk penguat. Saat membandingkan populasi elektron konfigurasi referensi dari keadaan penguat atas dan bawah ∆N = T ₁ – T ₂ = 6,6 ×10 ¹² – 1,27 ×10 ¹² = 5.43 ×10 ¹² cm ⁻² dengan yang tanpa IFR ∆N = T ₁ – T ₂ = 7,4 ×10 ¹² – 1,17 ×10 ¹² = 6.23 ×10 ¹² cm ⁻² , orang dapat melihat bahwa populasi elektron keadaan atas lebih tinggi. Hal ini disebabkan masa pakai keadaan penguat atas yang meningkat karena tidak adanya hamburan IFR. Dibandingkan dengan kasus tanpa nid, dalam karakteristik kepadatan arus perangkat tanpa hamburan IFR, kami mengamati puncak pada 67 kV/cm, tanda terowongan resonansi antar-periode antara 4' dan 3. Fenomena ini lebih terlihat dalam kasus tanpa memperhitungkan proses hamburan IFR. Ini adalah bukti keunggulannya atas tunneling resonansi. Dengan pengamatan tersebut, kami menyoroti dominasi pengaruh hamburan IFR dalam kinerja THz GaN QCL.

Setelah memperhatikan pentingnya hamburan IFR dalam kinerja THz. Kami menyelidiki lebih lanjut dengan memvariasikan ukuran IFR. Kami menambahkan ke dalam penelitian kami kasus IFR = 0.5 nm dan 0.75 nm. Panjang korelasi dijaga pada 1 nm. Pada Gambar 3, kami menunjukkan penguatan maksimum vs frekuensi (a) dan kerapatan arus vs karakteristik medan listrik yang diterapkan (b). Pertama, kami mengamati bahwa untuk IFR = 0.5 nm, penguatan optik maksimum berkurang menjadi 47,9 cm ⁻¹ dan bahkan turun drastis menjadi 8,8 cm ⁻¹ kehilangan penguatan optik untuk IFR = 0,75 nm. Perluasan penguatan sebagai fungsi dari panjang IFR juga terbukti. Seperti yang dapat kita lihat dalam karakteristik I-V, ketika ukuran IFR meningkat, perannya dalam hamburan elektron meningkat, meningkatkan kerapatan arus dan mengurangi terowongan resonansi dan proses hamburan radiasi di perangkat. Efek ini menjadi jelas ketika membandingkan konfigurasi referensi IFR = 0.25 nm dengan kasus ekstrim IFR = 0.75 nm, populasi elektron dari keadaan penguat atas dan bawah turun dari ∆N = 5.43 ×10 ¹² cm ⁻² ke ∆N = T ₁ – T ₂ = 3,71 ×10 ¹² cm ⁻² .

Simulasi penguatan optik maksimum vs frekuensi dan simulasi medan arus-listrik untuk IFR yang berbeda. a Gain optik maksimum yang disimulasikan vs frekuensi untuk IFR yang berbeda. b Simulasi medan listrik saat ini dari GaN THz QCL dengan mempertimbangkan IFR yang berbeda. Suhu disetel pada 10 K

Yang terakhir menurun ke titik di mana kita tidak dapat melihat penguat di perangkat lagi. Seperti yang telah ditunjukkan dalam penelitian sebelumnya menggunakan THz QCL berbasis GaAs [25, 34,35,36], kami menyoroti pentingnya mempertimbangkan ukuran IFR selama epitaksi dan menjaganya lebih kecil dari 0,5 nm untuk fabrikasi GaN THz QCL agar dapat untuk memberikan penguatan optik positif.

Keuntungan untuk GaN THz QCL adalah potensinya untuk beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada THz QCL berbasis GaAs. Pada bagian ini, kami menganalisis kinerja perangkat kami sebagai fungsi dari suhu operasi. Kami terus menggunakan perangkat referensi kami dengan IFR = 0.25 nm, n.i.d, dan AD termasuk dalam perhitungan. Gambar 4 menunjukkan penguatan optik maksimum untuk suhu kisi yang berbeda. Nilai penguatan stabil dari 10 hingga 150 K pada sekitar 142 cm ⁻¹ , itu mulai berkurang antara 150 dan 250 K, untuk turun menjadi 61 cm ⁻¹ pada 300 K. Memang, saat suhu meningkat, inversi populasi menurun karena penimbunan termal dan peningkatan hamburan LO-phonon menginduksi perluasan penguatan. Nilai penguatan optik ini sebesar 61 cm ⁻¹ masih lebih tinggi daripada hilangnya pandu gelombang logam ganda GaN THz QCL (30 cm ⁻¹ ), menunjukkan bahwa desain GaN THz QCL ini harus dapat beroperasi pada suhu kamar. Kami juga menyebutkan bahwa selain dapat beroperasi pada suhu kamar, THz QCL berbasis GaN memiliki keunggulan lain:karena konsentrasi doping yang lebih tinggi, indeks bias yang lebih rendah, dan panjang periode yang lebih tipis, mereka memiliki potensi untuk memberikan penguatan optik yang jauh lebih tinggi daripada di rekan GaAs mereka. Desain kami memberikan nilai penguatan optik yang cukup tinggi yaitu 142 cm ⁻¹ di 10 K, yang merupakan contoh yang bagus.

Karakteristik gain maksimum yang dihitung vs suhu kisi