Fundamental Limits to Far-Infrared Lasing in Auger-Suppressed HgCdTe Quantum Wells

Abstract

A challenge of bridging the terahertz gap with semiconductor lasers faces an inevitable problem of enhanced non-radiative Auger recombination with reduction of photon energy. We show that this problem can be mitigated in mercury-cadmium-telluride quantum wells (HgCdTe QWs) wherein the Auger process is suppressed due to formation of quasi-relativistic electron-hole dispersion imposing strong energy-momentum restrictions on recombining carriers. Such dispersion is formed upon interaction of topological states at the two QW interfaces. We characterize the lasing properties of HgCdTe QWs quantitatively by constructing a microscopic theory for recombination, absorption, and gain, and show the feasibility of lasing down to ∼ 50 µm at liquid nitrogen temperature with threshold currents two orders of magnitude lower than in existing lasers. Our findings comply with recent experimental data on stimulated far-infrared emission from HgCdTe QWs and show the directions toward achievement of maximum possible lasing wavelength.

Оптимизация диэлектрического волновода для лазерных структур дальнего инфракрасного диапазона на основе HgTe/CdHgTe

“…На настоящий момент структуры с КЯ HgTe/HgCdTe позволили получить стимулированное излучение (СИ) при оптической накачке на длинах волн до 20 мкм [7]. Теоретические же оценки показывают, что генерация СИ возможна на длинах волн до 60 мкм при криогенных температурах [8]. Следует, однако, уточнить, что в [8]…”

“…Теоретические же оценки показывают, что генерация СИ возможна на длинах волн до 60 мкм при криогенных температурах [8]. Следует, однако, уточнить, что в [8]…”

“…где G -коэффициент усиления активной среды, α aкоэффициент потерь в активной среде, Ŵ -фактор оптического ограничения, α p и α m -коэффициенты поглощения в пассивных слоях и потерь на зеркалах соответственно. Расчеты, приведенные в[8], касаются случая G = α a (без учета α p и α m ).…”

Экспресс-характеризация волноводных гетероструктур с квантовыми ямами HgCdTe/CdHgTe с квазирелятивистcким законом дисперсии носителей методом спектроскопии фотолюминесценции при комнатной температуре

“…Подобные особенности зонной структуры определяют возможность реализации в энергетическом спектре носителей в структурах c КЯ на основе HgCdTe ряда фундаментальных физических эффектов [5][6][7]. С точки зрения же лазерных приложений квазирелятивистский закон дисперсии носителей приводит к подавлению безызлучательной оже-рекомбинации [8], что является определяющим моментом для возможности реализации на основе структур с КЯ HgTe/HgCdTe эффективных межзонных источников длинноволнового излучения.…”

“…За счет неоднородного уширения спектра усиления пороговая интенсивность возбуждения для структуры 150121 при 10 K более чем на порядок превышает таковую для структуры 150120 (5 kW/cm 2 против 120 W/cm 2 ). Мы считаем, что это определяется приближением разброса энергии излучательного перехода (∼ 12 meV) к ширине спектрального окна, в котором возможно усиление при максимальной концентрации неравновесных носителей ∼ 8 • 10 10 cm −2 , достижимой до включения оже-процессов [8]. Отметим, что в более однородной структуре 170127 СИ было получено на длине волны 14.2 µm при 20 K с пороговой интенсивностью 500 W/cm 2 [10].…”