Optimization of quantum cascade laser operation by geometric design of cascade active band in open and closed models

Abstract

Using the effective mass and rectangular potential approximations, the theory of electron dynamic conductivity is developed for the plane multilayer resonance tunnel structure placed into a constant electric field within the model of open nanosystem, and oscillator forces of quantum transitions within the model of closed nanosystem. For the experimentally produced quantum cascade laser with four-barrier active band of separate cascade, it is proven that just the theory of dynamic conductivity in the model of open cascade most adequately describes the radiation of high frequency electromagnetic field while the electrons transport through the resonance tunnel structure driven by a constant electric field.

Role of Interface Phonons in the Functioning of an Injectorless Quantum Cascade Laser

“…The transformation to the representation of electron occupation numbers is carried out with the help of the quantized wave function (13). As a result, the Hamiltonian of electron-phonon interaction in the secondquantization representation for both the electron and phonon variables of the system has the form…”

“…The first injector [2,3,8] and injectorless [7,9] QCLs are known to have operated at low temperatures. Therefore, the applied and fundamental researches were directed at studying and improving the operational parameters of those nanodevices, their physical and geometric characteristics [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17], focusing no attention on the issues of electron-phonon interaction. With the appearance of QCLs, which are capable to function at high temperatures, the number of the works devoted to the research of the electron-phonon interaction in RTSs considerably increased [10,[18][19][20][21][22][23].…”

Role of Two-Photon Electronic Transitions in Operation of Quantum Cascade Lasers

“…За умов збе-реження когерентності електронного потоку робочі характеристики згаданих наноприла-дів, в значній мірі, визначаються геометрични-ми та фізичними параметрами РТС. Зокрема, вибір геометричного дизайну активної зони окремого каскаду ККЛ і ККД не лише визна-чає робочу частоту (енергію) цих наноприла-дів, але й дає ефективний метод оптимізації їх робочих характеристик [5][6][7], пов'язаних з під-силення величини активної динамічної про-відності, що виникає у РТС в електромагніт-ному полі внаслідок квантових переходів між електронними станами з випромінюванням чи поглинанням електромагнітного поля. Отже, для теоретичного опису фізичних процесів, що відбуваються у каскадах ККЛ чи ККД не-обхідно враховувати взаємодію електронних потоків з електромагнітним полем, що приво-дить до відомих математичних ускладнень.…”

“…Такий підхід, за-пропонований у роботах [5,7,14], до оптимі-зації геометричного дизайну активних зон і каскадів багатокаскадних наноприладів, що працюють у одномодовому режимі, може бути узагальнений на випадок оптимізації геоме-тричного дизайну робочого елемента ККЛ за умови реалізації двофотонної генерації.…”

Acoustic phonons in multilayer nitride-based AlN/GaN resonant tunneling structures

“…Theoretical results on the study of the acoustic phonons spectra in single-well nitride semiconductor nanostructures and nanowires, which were obtained in [10][11][12][13][14][15][16], cannot be applied to multilayer resonant tunneling structures (RTS) for the following reason: single-well nanostructures in [10][11][12] were considered to be placed in the external environment of the sapphire substrate, which made it possible to take the components of the elastic displacement vector u and the components of the stress tensor σ ij , i, j=1, 2, 3 equal to zero at the external boundaries of the nanostructure. Taking into account the fact, that the multilayer QCL cascades and QCD should be consistent with each other to ensure coherent tunneling mode [17], the above conditions cannot be used for the boundaries of the RTS with the external environment, and at the boundaries of its internal layers.…”