8.3 ТГц квантово-каскадный лазер на основе квантовых ям HgCdTe для работы при комнатной температуре / Дубинов А.А., Афоненко А.А., Ушаков Д.В., Алешкин В.Я., Хабибуллин Р.А.

В настоящее время очень востребованы компактные источники излучения терагерцовогодиапазона частот. Наибольшего прогресса в этой области достигли квантово-каскадные лазеры (ККЛ)на основе гетеросистем полупроводников GaAs/AlGaAs и InGaAs/InAlAs/InP [1]. Однако генерацияизлучения в области частот 6 – 10 ТГц в ККЛ на их основе невозможна из-за резонансногопоглощения на оптических фононах в этом диапазонечастот.В гетероструктурах HgCdTe частота оптическихфононов почти в два раза меньше (3.6 – 5 ТГц). Поэтомусоздание ККЛ на основе HgCdTe открывает перспективыдля освоения диапазона 6 – 10 ТГц. Кроме того, вузкозонном материале HgCdTe эффективная массаэлектрона в 2 – 3 раза меньше, чем в гетеросистеме наоснове GaAs/AlGaAs, что должно благоприятно сказаться наувеличении дипольного матричного элемента для лазерныхуровней [2].В настоящей работе проведено моделирование ичисленная оптимизация терагерцового ККЛ на основекаскада из двух узкозонных квантовых ям (КЯ) HgCdTe и вычислены его характеристики. Из-замалой ширины запрещенной зоны существенно влияние непараболичности зон. Поэтому расчетыволновых функций, матричных элементов дипольных переходов и энергий состояний проводились сиспользованием 3-х зонного kp – метода [3]. Степень заполнения уровней энергий находились путемчисленного решения системы балансных уравнений [4]. Коэффициент усиления длявнутриподзонных переходов в зависимости от частоты излучения находился в многоуровневомприближении согласно [5, 6]. Для выбора структуры с максимальным усилением были перебранытолщины барьерных слоев Hg0.4Cd0.6Te в диапазоне 1.3 – 3.9 нм и КЯ Hg0.7Cd0.3Te в диапазоне 5.2 – 14.9 нм. Приведены расчеты спектров усиления для одной из оптимальных структур,слои которой составляют 1.9/12.9/1.9/14.9 нм. Подчеркнутым шрифтом обозначены толщины слоевКЯ. Верхним лазерным выступает основной уровень структуры. Нижним лазерным уровнем являетсявторой уровень структуры через два периода решетки. Проведенное моделирование показало, чтоусиление оптимизированной структуры ККЛ на основе узкозонных КЯ HgCdTe достигает 50 см–1 начастоте 8.3 ТГц при комнатной температуре. Отметим, что вычисленная величина усилениядостаточна для преодоления потерь в двойном металлическом волноводе, обычно используемом длятерагерцовых ККЛ [7].