Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Rys. 15. Kaskada laserowa wewnątrzpasmowego lasera kaskadowegoSi-Ge [68]Fig. 15. Intersubband Si-Ge quantum cascade laser [68]Rys. 16. Zależności dyspersyjne dla pasm dziurowych, w konstrukcjiz odwróconą masą efektywną [71]Fig. 16. The hole dispersion relations for inverted effective massconstruction [71]Rys. 17. Kaskada z odwróconą masą efektywną, tworząca pierwszyterahercowy laser na materiale Si/SiGe. Mechanizm A jest to tunelowanierezonansowe, natomiast B oznacza straty spowodowanerozpraszaniem na fononachFig. 17. Inverted mass cascade from the first Si/SiGe terahertzlaser. The transition A denotes resonant tunneling, B refers to lossesdue to phonon scatteringtoczonej pracy przejścia laserowe w obszarze czynnym zachodziłyz dala od środka strefy Brillouina w przestrzeni wektorafalowego. Projektując studnie kwantowe należałozapewnić, aby podpasmo lekkich dziur (LH1), było usytuowaneenergetycznie nad pasmem dziur ciężkich (HH1). Naskutek oddziaływania pomiędzy podpasmami, blisko centrumstrefy Brillouina tworzy się obszar odwróconej masy efektywnej(widoczny na rys. 16), co objawia się elektronopodobnązależnością dyspersyjną dla pasma lekkich dziur LH1 [56].Dziury tunelują na pasmo LH1 w pobliżu centrum strefyBrillouina, gdzie dzięki rozpraszaniu (głównie z udziałem fononówakustycznych i nośnik-nośnik) są wstrzykiwane nad lokalneminimum w paśmie HH1 i zachodzi przejście laserowena to właśnie pasmo. Następnie dziury są rozpraszane w kierunkucentrum strefy Brillouina, gdzie tunelują do pasma LH1w następnym okresie. Aby uzyskać odwróconą masę efektywną,studnie kwantowe muszą być stosunkowo szerokie(powyżej 60 Ǻ), aby pasma ciężkich i lekkich dziur leżaływ niedużej odległości energetycznej. Odległość ta jest mniejszaod energii fononu optycznego, dzięki czemu znaczniespada liczba niekorzystnych przejść niepromienistych. Niestetyutrzymanie stanu odwróconej masy efektywnej jest problematyczne.Efekt ten łatwo otrzymać w naprężonymkrzemie, jednak jest prawie całkowicie znoszony w momencieprzyłożenia pola elektrycznego. Schemat przykładowego laserawykorzystującego kaskadę z odwróconą masą efektywnąprzedstawia rys. 17.W 2002 r. badano możliwości budowy obszaru czynnegoze sprzężonymi studniami kwantowymi, w których przejściapromieniste zostały przewidziane w rozważaniach teoretycznych[57]. Ta praca umożliwiła stworzenie w 2003 r. lasera,wykorzystującego przejścia skośne wspomagane fotonamipomiędzy ciężkimi dziurami i lekkimi dziurami w sąsiednichstudniach [58].Zalety konstrukcji wykorzystujących materiały krzemowesą bardzo duże, przede wszystkim są to aspekty finansowe.Koszty produkcji warstw krzemowych są mniejsze niż warstwpółprzewodnikowych z grupy III-V. Kolejną zaletą jest to, iżdzisiaj większość elektroniki wykonana jest właśnie z materiałówkrzemowych. Integracja obwodów scalonychz urządzeniami optycznymi bazujących na krzemie mogłabyznacznie poprawić np. prędkość przesyłu danych. Materiałyz grupy III-V są polarne, co stanowi dużą przeszkodę przyotrzymywaniu laserów terahercowych pracujących w temperaturachpokojowych oraz uniemożliwia działanie w paśmiezabronionym w zakresie 8...12 THz.Ponieważ związki krzemu i germanu są niepolarne, to rozpraszaniez udziałem fononu optycznego jest znikome. Kiedyzostanie wyeliminowane to rozpraszanie, które jest bardzo silnieuzależnione od temperatury, rosną czasy życia nośnikóww odpowiednich podpasmach i są niemalże stałe aż do 300K[59]. Daje to nadzieje na uzyskanie pracy laserów w temperaturzepokojowej. Kolejną zaletą jest to, że przewodnośćcieplna krzemu jest 3 razy większa niż GaAs. Dzięki temupodłoże krzemowe znacznie lepiej będzie odprowadzaćciepło, co ostatecznie poprawi wydajność całej struktury.W kwestii optycznej, należy podkreślić, że krzem jest jednymz najbardziej przezroczystych materiałów dla fal z dalekiejpodczerwieni. Prowadzi to do mniejszych strat optycznychoraz zmniejszonego wymaganego wzmocnienia i prądu progowego.Ostatnią zaletą omawianych laserów jest to, że podczaswytwarzania warstw krzemowych, znacznie łatwiejszejest wytwarzanie zagrzebanej heterostruktury BH. Strukturata ma jedne z najlepszych właściwości cieplnych z całej grupydotychczasowych konstrukcji laserów kaskadowych.38 ELEKTRONIKA 5/2009