Лазерная генерация на плазмонных модах в квантовых ямах на основе теллурида ртути / Капралов К.Н., Алымов Г.В., Свинцов Д.А.

Частота излучения полупроводниковых лазеров ограничена шириной запрещенной зоны, в связи с чемполучение излучения дальнего инфракрасного диапазона затруднительно в полупроводниковых соединенияхAIIIBV. Данная проблема может быть потенциально разрешена с помощью бесщелевых полупроводников иквантовых ям (КЯ) на их основе, например, теллурида кадмия-ртути (CdHgTe). Перспективность данных КЯобусловлена квази-релятивистским законом дисперсии электронов и дырок, который способствует подавлениюбезызлучательной оже-рекомбинации [1]. Недавние эксперименты подтвердили возможность лазернойгенерации в КЯ CdHgTe на фотонных модах с длиной волны до 20 мкм при оптической накачке [2]. Посравнению с генерацией на фотонных модах, генерация на плазмонных модах (surface plasmon lasing) позволитсоздавать сверхкомпактные лазеры с субволновым размером. Однако достижение плазмонной генерациизатруднено из-за внутризонного поглощения плазмонов (затухания Ландау).В работе теоретически исследуется возможность усиления поверхностных плазмонов в КЯ CdHgTe смежзонной инверсной населенностью. Показано, что отношение величины затухания Ландау к межзонномуусилению для плазмонов мало по параметру 2 * exp[ / / 2 ] m kT , где и k – частота и волновой векторплазмона, T - электронная температура, * m - эффективная масса носителей.Необходимым условием усиленияповерхностных плазмонов является отрицательностьдействительной части проводимости квантовой ямы,Re , 0 k . Расчет проводимости былвыполнен по правилу Ферми с учетом реалистичнойзонной структуры КЯ. Последняя была вычисленапутем квантования шестизонной модели Кейна [3].Граничные частота и волновой вектор, при которыхвозможны межзонные переходы, ограниченызаконами сохранения энергии и импульса. При этомконечный волновой вектор плазмона сужаетдиапазон частот, в котором достижимо усиление.Удается вычислить пороговую концентрациюn неравновесных электронов и дырок, при которойначинается межзонное усиление поверхностныхплазмонов. При низких температурах даннаяконцентрация определяется касанием законадисперсии плазмонов и области отрицательноймежзонной проводимости. При повышении температуры пороговаяконцентрация определяется условием обнуления действительной части проводимости на частоте плазмона. В реалистичных квантовых ямах Cd0.7Hg0.3Te/HgTe/ Cd0.7Hg0.3Te, выращенных внаправлении [013], пороговая концентрация имеет порядок 1011 см-2, что является достижимой величиной примежзонной накачке.