Optimizacija kvantnih kaskadnih lasera u srednjoj infracrvenoj i terahercnoj oblasti spektra u jakom magnetnom polju

Abstract

Napredna oblast nano- i opto-elektronike se zasniva na razumevanju i kontroli unutarzonskih prelaza u sistemima nanometarskih dimenzija. Kvantno kaskadne strukture predstavljaju generalni koncept optoelektronskih uređaja baziranih na radijativnim prelazima između kvantizovanih energetskih nivoa u strukturama koje sačinjavaju višestruke kvantne jame. Danas, kvantni kaskadni laseri imaju mogućnost rada na frekvencijama srednjeg infracrvenog i terahercnog dela spektra, predstavljaju reprezentativne primere inţinjeringa unutarzonskih prelaza, i obezbeđuju moderni model struktura koji se koristi za proučavanje osnovnih osobina poluprovodničkih sistema. Ova disertacija se bavi formulisanjem detaljnog modela i odgovarajućim numeričkim simulacijama za proračun brzina rasejanja elektrona (usled rasejanja na neravninama površina, rasejanja elektrona sa longitudinalnim optičkim i akustičnim fononima), kao i optičkog pojačanja izračunatog za četiri različite strukture kvantnih kaskadnih lasera baziranih na GaAs, koje rade kako u srednjem infracrvenom, tako i u terahercnom opsegu, a sve pod dejstvom jakog spoljašnjeg magnetnog polja. Kada je magnetno polje primenjeno u pravcu paralelnom na ravan slojeva, svaka energetska podzona se cepa na serije diskretnih Landauovih nivoa, kojima se moţe manipulisati podešavanjem magnetnog polja, pa se na taj način moţe kontrolisati promena stepena inverzne populacije, a samim tim i optičko pojačanje. Simulacije su sprovedene uzimajući u obzir dizajn kvantnih kaskadnih lasera koje čine dve ili tri jame, i koji emituju svetlost na 4.6THz i 3.9THz, respektivno, a obe strukture su implementirane u GaAs/Al0.15Ga0.85As, dok primeri koji se tiču srednjeg infracrvenog opsega emituju na 7.3μm i 10.3μm, i implementirani su na GaAs/Al0.38Ga0.62As platformi. Predstavljeni su numerički rezultati za vrednosti spoljašnjeg polja od 1.5T do 20T u slučaju terahercnih struktura (20T do 60T u slučaju struktura srednje infracrvene oblasti), a zonska neparaboličnost je uzeta u obzir. Pokazano je koji su mehanizmi rasejanja nosilaca dominantni u kom tipu struktura (u zavisnosti od dela elektromagnetnog spektra za koji su namenjene). Takođe je istaknuto kako se magnetno polje moţe koristiti kao moćna spektroskopska alatka, jer se menjanjem jačine polja moţe uticati na poloţaje energetskih nivoa, time omogućujući rad lasera na određenoj talasnoj duţini, pogodnoj za detekciju štetnih gasova u vazduhu

The rapidly emerging field of nano-optoelectronics is based on the understanding and control of intersubband transitions in nanodimensional systems. A quantum cascade (QC) structure is a general concept of an optoelectronic device based on a cascade of radiative transitions between size-quantized energy levels in a multi-quantum-well structure. Today, Quantum Cascade Lasers (QCL), being able to operate from the mid-infrared (MIR) to the THz range of frequencies, represent one of the most striking outcomes of intersubband structure engineering, and provide a state-of-the-art model structure to study the basic properties of semiconductor systems. This dissertation concerns the formulation of a comprehensive model and corresponding numerical simulationsfor calculating the electron relaxation rates (due to interface roughness, electron – longitudinal optical phonon and electron-acoustic phonon scattering), as well as the optical gain of four different GaAs quantum cascade structures that operate in both MIR and THz spectral range placed in a strong external magnetic field. When the magnetic field is applied in the direction perpendicular to the plane of the layers, each energy subbandis split into series of discrete Landau levels, which are magnetically tunable and it is therefore possible to control the modulation of the population inversion, and consequently the optical gain. The simulations are performed on two- and three-well designsof quantum cascade lasers that operate at 4.6THz and 3.9THz, respectively, both implemented in GaAs/Al0.15Ga0.85As, while the structures concerning the MIR spectral range operate at 7.3μm and 10.3μm, and are implemented in GaAs/Al0.38Ga0.62As. Numerical results are presented for magnetic field values from 1.5T up to 20T for structures emitting in the THz range (20T up to 60T in the case of MIR structures), while the band nonparabolicity is taken into account. It has been shown which scattering mechanism can be considered dominant in different types of structures (according to the part of the electromagnetic spectrum they are designed for). It has alsobeen pointed out that external magnetic field can be used as powerful spectroscopic tool,because by changing the field value one can influence the positions of the split energy levels, therefore enabling the laser emission at specific wavelengths, suitable for detection of pollutant gases in the ambient air.