Гетероструктуры с квантовыми ямами HgTe/CdHgTe для лазеров терагерцового диапазона
В настоящее время для многих приложений, например газоанализа (анализа выдыхаемого воздуха для медицинской диагностики, мониторинга окружающей среды, обнаружения взрывчатых веществ), требуются источники когерентного излучения в различных участках инфракрасного (ИК) диапазона. Особенно важными являются так называемые «сверхдлинноволновый» диапазон, то есть область длин волн 15–30 мкм, и терагерцовый (ТГц) диапазон, примыкающий к сверхдлинноволновому с низкочастотной стороны. В этих областях спектра, которые часто называют областью «отпечатков пальцев», большое количество соединений обладают уникальным набором линий поглощения, что позволяет однозначно их идентифицировать.
В среднем ИК диапазоне лидирующее место среди полупроводниковых лазеров занимают униполярные квантовые каскадные лазеры (ККЛ), но их продвижение в диапазон длин волн больше 20 мкм наталкивается на фундаментальные ограничения из-за фононного поглощения в арсениде галлия и фосфиде индия (GaAs и InP), традиционно используемых в ККЛ, в этом диапазоне. Очевидно, что для решения этой проблемы следует использовать материалы с более низкими или более высокими частотами оптических фононов, однако изготовление ККЛ требует совершенных технологий роста, которые пока доступны лишь для некоторых полупроводников группы А3В5.
Одним из путей решения данной проблемы является использование не ККЛ, а межзонных лазеров на основе альтернативных материалов, таких как халькогениды PbSnSe(Te) или графен. Важнейшим фактором, определяющим возможность достижения инверсии населенностей в данных материалах является предполагаемое подавление безызлучательной оже-рекомбинации за счёт особенностей энергетического спектра носителей. Так, линейный спектр носителей, реализуемый в графене, является предельным случаем релятивистского закона дисперсии, для которого выполнить законы сохранения энергии и импульса для трёх частиц, участвующих в оже-процессе невозможно, в силу чего оже-рекомбинация оказывается полностью запрещена. Именно это обстоятельство было отправной точкой для разработки ТГц лазеров на основе графена. Тем не менее, дальнейшие экспериментальные исследования показали, что оже-рекомбинация в графене достаточно эффективна, что вскоре получило и теоретическое обоснование. Из-за «безмассовости» носителей в графене многочастичные эффекты, такие как электрон-электронные столкновения, играют важную роль при описании оже-рекомбинации и существенно увеличивают её темп.
Одним из способов подавления данного эффекта является модификация зонного спектра, при которой закон дисперсии остаётся близким к дираковскому, а в окрестности экстремумов зон возникает ненулевая энергетическая щель. Подобного закона дисперсии можно добиться, в частности, в гетероструктурах c квантовыми ямами (КЯ) на основе теллуридов кадмия и ртути HgTe/CdHgTe. В отличие от объёмного твёрдого раствора кадмий-ртуть-теллур HgCdTe, при некоторой критической толщине КЯ из теллурида ртути (равной приблизительно 6,3 нм для «нулевой» температуры) спектр носителей в данной системе становится «графеноподобным» (рис. 1). При этом изменением толщины КЯ можно варьировать ширину запрещённой зоны, а тонкую подстройку энергетической щели осуществлять перестройкой температуры. Технология роста для HgCdTe структур к настоящему времени хорошо отработана (по сравнению, например, с халькогенидами свинца) благодаря тому, что HgCdTe является основным материалом для высокочувствительных охлаждаемых фотоприёмников и матриц среднего ИК диапазона. По сравнению с графеном, узкозонные структуры с КЯ на основе HgTe/CdHgTe представляются более гибкой и «технологически развитой» системой.
В ИФМ РАН было получено стимулированное излучение (СИ) из таких структур вплоть до длин волн 20 мкм (рис. 2) [1], что в 4 раза улучшает результаты работ, выполненных другими группами. Порог возникновения СИ при температуре 20 К в пересчёте для токовой накачки (для структуры с p-n-переходом) лежит в диапазоне 12-600 А/см2, что означает возможность создания инжекционных лазеров, работающих в непрерывном режиме. Времена жизни неравновесных носителей в КЯ с шириной запрещённой зоны 25 мэВ [2], измеренные методом накачка-зондирование с использованием терагерцового лазера на свободных электронах, показали, что возможно дальнейшее «продвижение» СИ до длин волн порядка 30 мкм (где ещё отсутствует двухфононное решёточное поглощение в HgCdTe), а в локальных минимумах двухфононного поглощения – до области остаточных лучей (λ ~60 мкм) с реалистичными значениями интенсивности накачки: не более 12 кВт/см2. Было также показано, что модификацией энергетического спектра носителей в валентной зоне за счёт введения цинка в барьерные слои структуры можно добиться увеличения рабочей температуры значительно выше температуры жидкого азота, в отличие от лазеров на основе халькогенидов свинца и олова.
Таким образом, проведённые в ИФМ РАН исследования позволили получить в гетероструктурах с КЯ HgTe/CdHgTe стимулированное излучение на рекордно большой для этой системы длине волны 20 мкм, и продемонстрировать возможность создания лазеров, работающих в «запрещённом» для квантовых каскадных лазеров диапазоне длин волн 25–60 мкм.
Владимир Румянцев, научный сотрудник ИФМ РАН
[1] S. V. Morozov, V. V. Rumyantsev, M. A. Fadeev, M. S. Zholudev, K. E. Kudryavtsev, A. V. Antonov, A. M. Kadykov, A. A. Dubinov, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretsky, and V. I. Gavrilenko. Stimulated emission from HgCdTe quantum well heterostructures at wavelengths up to 19.5 μm // Applied Physics Letters, 111, 192101 (2017).
[2] S. Ruffenach, A. Kadykov, V. V. Rumyantsev, J. Torres, D. Coquillat, D. But, S. S. Krishtopenko, C. Consejo, W. Knap, S. Winnerl, M. Helm, M. A. Fadeev, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, V. I. Gavrilenko, S. V. Morozov, and F. Teppe. HgCdTe-based heterostructures for terahertz photonics // APL Materials, 5, 035503 (2017).