Theory and design of quantum cascade lasers in (111)n-type Si/SiGe

Abstract

Although most work towards the realization of group IV quantum cascade lasers (QCLs) has focused on valence band transitions, there are many desirable properties associated with the conduction band. We show that the commonly cited shortcomings of n-type Si/SiGe heterostructures can be overcome by moving to the (111) growth direction. Specifically, a large band offset and low effective mass are achievable and subband degeneracy is preserved. We predict net gain up to lattice temperatures of 90 K in a bound-to-continuum QCL with a double-metal waveguide, and show that a Ge interdiffusion length of at least 8 Å across interfaces is tolerable.

Излучательная рекомбинация и туннелирование носителей заряда в гетероструктурах SiGe/Si с двойными квантовыми ямами

“…Такого рода лазеры, использующие меж-подзонные оптические переходы, созданы на основе соединений A III B V [6], однако каскадный лазер на основе кремний-германиевых гетероструктур пока не реали-зован. В квантово-каскадных гетероструктурах GeSi/Si p-типа наблюдалась лишь электролюминесценция [1,2], а для кремний-германиевых гетероструктур n-типа имеют-ся пока только теоретические предложения [3][4][5]. В ка-честве одного из вариантов создания таких квантово-кас-кадных лазеров было предложено использование селек-тивно-легированных структур с туннельно-связанными квантовыми ямами (КЯ), использующими оптические переходы между состояниями мелких примесных цен-тров и двумерных подзон размерного квантования в КЯ [7].…”

“…Одним из направлений развития кремниевой опто-электроники является использование внутризонных оп-тических переходов для создания квантово-каскадных лазеров [1][2][3][4][5]. Такого рода лазеры, использующие меж-подзонные оптические переходы, созданы на основе соединений A III B V [6], однако каскадный лазер на основе кремний-германиевых гетероструктур пока не реали-зован.…”

Extended density-matrix model applied to silicon-based terahertz quantum cascade lasers

“…Several theoretical studies of Si-based QCLs exist, [6][7][8][10][11][12][13] but none have accounted for coherent transport effects (i.e., quantum tunneling and interactions with optical fields). Although semiclassical scattering-transport models can give good agreement with experimental results, 1,14 they neglect tunneling across barriers, and can predict unrealistically large spikes in current density and gain when electrons scatter between spatially-extended subbands.…”

Growth variation effects in SiGe-based quantum cascade lasers

“…[13,14] A one-band effective mass approximation was used to calculate the band structure for n-type heterostructures, whereas a 6×6 k · p calculation [8] was used to account for the coexistence of LH and HH states in p-type systems.…”