Исследования волноводных структур с квантовыми ямами на основе HgCdTe для получения длинноволнового стимулированного излучения

Abstract

Исследуются фотолюминесценция и стимулированное излучение на межзонных переходах в квантовых ямах на основе HgCdTe, помещенных в диэлектрический волновод из широкозонного твердого раствора CdHgTe. Гетероструктуры с квантовыми ямами на основе HgCdTe представляют интерес для создания длин-новолновых лазеров на диапазон 25−60 мкм, к настоящему времени недоступный для квантово-каскадных лазеров. В работе обсуждаются оптимальные дизайны квантовых ям для достижения длинноволнового стимулированного излучения при оптической накачке. Показано, что узкие квантовые ямы из чистого HgTe оказываются перспективнее для длинноволновых лазеров по сравнению с широкими (потенциальными) ямами из твердого раствора за счет подавления оже-рекомбинации. Продемонстрировано, что технология молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет получать структуры для локализации излучения с длиной волны вплоть до 25 мкм при высокой скорости роста. Получено стимулированное излучение на длинах волн 14−6 мкм с пороговой интенсивностью накачки в диапазоне 100−500 Вт/см 2 при 20 K.DOI: 10.21883/FTP.2017.12.45174.37 ВведениеВ настоящее время разработка компактных полу-проводниковых лазеров для спектроскопии в дальнем инфракрасном (ИК) и терагерцовом диапазонax остает-ся актуальной задачей. В среднем ИК диапазоне наи-лучшие характеристики демонстрируют униполярные квантово-каскадные лазеры (ККЛ): в диапазоне длин волн 5−16 мкм данные приборы способны обеспечивать генерацию в непрерывном режиме даже при комнатной температуре [1]. Активно развиваются и терагерцовые ККЛ [2]. Тем не менее существует достаточно широкий спектральный диапазон (длины волн 20−60 мкм, часто-ты 5−15 ТГц), который до сих пор остается недоступ-ным для ККЛ ввиду сильного решеточного поглощения в материалах GaAs и InP, которые обычно используются для изготовления ККЛ, в этом диапазоне. Использование ККЛ на основе InAs [3,4] позволило достичь длин волн ∼ 20 мкм при комнатной температуре, однако в более длинноволновой области 20−25 мкм на данный момент существуют ККЛ лишь для отдельных частот, отвечаю-щих минимумам фононного поглощения в соответству-ющих материалах [5][6][7]. Таким образом, спектральный диапазон 25−60 мкм в настоящее время перекрыт толь-ко инжекционными лазерами на основе халькогенидов свинца PbSnSe(Te), которые обеспечивают генерацию на длинах волн до 46.5 мкм [8,9], однако характеризуются низкой выходной мощностью и рабочей температурой ниже температуры жидкого азота.Как и твердые растворы на основе халькогенидов свинца и олова, твердый раствор HgCdTe (кадмий− ртуть−теллур, КРТ) обладает возможностью изменения ширины запрещенной зоны и достаточно низкими часто-тами оптических фононов для создания длинноволновых лазеров (энергия CdTe-подобных оптических фононов в узкозонных составах КРТ лежит вблизи 20 мэВ, а HgTe-подобных -около 15 мэВ [10]). Преимуществом материалов на основе HgCdTe по сравнению со струк-турами на основе PbSnSe(Te) является более развитая технология роста. На настоящий момент молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) позволяет получать высо-кокачественные эпитакси...