Рассеяние на шероховатостях интерфейса: ключевой фактор производительности GaN терггерцовых квантовых каскадных лазеров

Аннотация

Исследовано влияние шероховатостей интерфейса, не преднамеренного легирования и беспорядка сплава на оптические усиление GaN-основанных терггерцовых квантовых каскадных лазеров (QCL) с использованием формализма неравновесных функций Грина (NEGF). Моделирование показывает, что беспорядок сплава незначительно влияет на усиление, в то время как не преднамеренное легирование должно быть ниже 1×10¹⁷ см⁻³ для избежания рассеяния электронов на примесях и свободно-носительной абсорбции. Наиболее критично, что рассеяние на шероховатостях интерфейса доминирует в деградации оптического усиления, подчеркивая необходимость точного контроля при фабрикации. Модель предсказывает пиковое усиление 60 см⁻¹ при 300 К, демонстрируя возможность комнатнотемпературных GaN THz QCL.

Введение

Терггерцовый (THz) спектральный диапазон перспективен для контрольных систем, медицинской визуализации и высокоскоростных коммуникаций, но компактные практичные источники остаются редкими. Квантовые каскадные лазеры (QCL) — ведущие кандидаты для твердотельных THz излучателей. В то время как GaAs-базированные QCL достигают максимальной рабочей температуры ~200 К, высокая энергия продольных оптических (LO) фононов GaN (92 мэВ) открывает путь к комнатной температуре и более широкому доступному частотному диапазону (1–15 THz). Недавние успехи GaN THz QCL продемонстрировали межсуббандное (ISB) поглощение при 10–13 THz и теоретические модели подчеркивали взаимодействия LO-фононов как ключевое ограничение. Однако влияние дефектов роста — шероховатостей интерфейса (IFR), не преднамеренного легирования (n.i.d.) и беспорядка сплава (AD) — не было полностью количественно оценено. Расширяем существующие работы, количественно определяя влияние этих механизмов рассеяния на оптические усиление и идентифицируя IFR как доминирующий фактор деградации.

Методы

Высококачественные GaN THz QCL требуют толстых активных регионов с низкой долей дислокаций, что сложно из-за несоответствия решеток GaN/AlGaN. Эпитаксиальный рост вводит дополнительные источники рассеяния: IFR от шероховатостей поверхности, n.i.d. от остаточных примесей (в основном кислород), AD от сегрегации Ga на поверхности и подвижности Al адтомов. Использовали NEGF формализм, реализованный в пакете Nextnano QCL, для моделирования трехквантовой-колодезной резонанс-фононовой конструкции — текущей конфигурации с наивысшей рабочей температурой для GaN THz QCL. Последовательность слоев (в нм) для одного периода: 1,6/6,2/1,6/3,4/1,0/3,4, с 6,2 нм колодезом n-дированным 5×10¹⁷ см⁻³. Рис. 1 иллюстрирует спроектированную структуру, профиль зоны проводимости, огибающие функции и концентрации носителей при смещении –84,5 кВ/см при 10 К.

В симуляциях использовали реалистичные параметры для PAMBE-выращенных GaN/AlGaN: амплитуда IFR 0,25 нм, длина корреляции 1 нм; концентрация n.i.d. 1×10¹⁷ см⁻³; AD рассеяние также включено. Эти значения отражают типичные экспериментальные условия.

Результаты и обсуждение

Рис. 2(a) показывает расчетные спектры оптического усиления для четырех конфигураций: полная референсная модель (IFR, n.i.d., AD) и три модели, каждая без одного механизма рассеяния. При 10 К референсная структура дает пиковое усиление 142 см⁻¹ при 8,7 THz. Удаление n.i.d. снижает пик до 127 см⁻¹ (8,46 THz), так как популяция верхнего состояния падает при удалении дополнительных донорских электронов. Однако пороговый ток также снижается, указывая, что примесное рассеяние препятствует переносу зарядов. Исключение AD дает незначительный эффект: пик усиления растет всего на 3% до 147 см⁻¹ на той же частоте, отражая скромную роль беспорядка сплава в нашем низко-алюминиевом (15%) дизайне. В контрасте, удаление IFR повышает пик до 191 см⁻¹ (8,7 THz) и снижает пороговый ток, 34% прирост усиления. IFR следовательно доминирует в потере оптического усиления, рассеивая электроны из лазерного перехода.

Для изучения чувствительности к IFR варьировали амплитуду шероховатости до 0,5 нм и 0,75 нм при постоянной длине корреляции 1 нм. Рис. 3 показывает драматичное снижение: пиковое усиление падает до 47,9 см⁻¹ при 0,5 нм и становится отрицательным (–8,8 см⁻¹) при 0,75 нм, эффективно подавляя генерацию. Вольт-амперные характеристики показывают увеличение плотностей тока и уменьшение резонансного туннелирования при росте IFR, подтверждая, что IFR рассеяние перевешивает резонансное туннелирование при реалистичных условиях. Результаты согласуются с предыдущими GaAs исследованиями и подчеркивают необходимость удержания IFR ниже 0,5 нм при эпитаксии.

Наконец, оценили температурную зависимость для референсной модели (IFR=0,25 нм, n.i.d., AD). Рис. 4 показывает, что пиковое усиление остается стабильным (~142 см⁻¹) до 150 К, затем падает до 61 см⁻¹ при 300 К. Снижение вызвано термическим обратным заполнением и усиленным LO-фононным рассеянием, но усиление остается выше потерь 30 см⁻¹ GaN двойного металлического волновода, подтверждая возможность работы при комнатной температуре. По сравнению с GaAs THz QCL, более высокое легирование, более низкий показатель преломления и более тонкий период GaN дают более высокое оптические усиление, что подтверждается пиком 142 см⁻¹ при 10 К.

Заключение

Представлено комплексное NEGF исследование GaN THz QCL, работающего при 8,7 THz. Дизайн дает 142 см⁻¹ усиление при 10 К и 60 см⁻¹ при 300 К, подтверждая возможность комнатной температуры. Беспорядок сплава имеет незначительный эффект (<5% изменение усиления). Не преднамеренное легирование должно быть ограничено ≤1×10¹⁷ см⁻³ для избежания смещения зон и избыточного примесного рассеяния. Шероховатость интерфейса доминирует в деградации оптического усиления; поддержание IFR ниже 0,5 нм критично для положительного усиления. Эти выводы дают конкретные рекомендации для оптимизации фабрикации GaN THz QCL к практичным высокотемпературным приборам.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, сгенерированные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Аббревиатуры

AD

Беспорядок сплава

IFR

Шероховатость интерфейса

ISB

Межсуббандный

n.i.d.

Не преднамеренное легирование

NEGF

Неравновесные функции Грина

QCL

Квантовый каскадный лазер