Stimulated emission (SE) from waveg

Stimulated emission (SE) from waveguide HgCdTe structures with several quantum wells inside waveguide core is demonstrated at wavelengths up to 9.5 µm. Photoluminescence line narrowing down to kT energy, as well as superlinear rise in its intensity evidence the onset of the SE, which takes place under optical pumping with intensity as small as ~ 0.1 kW/cm2 at 18K and 1 kW/cm2 at 80K. One can conclude that HgCdTе structures potential for long-wavelength lasers is not exhausted.


At present, compact semiconductor lasers for infrared spectroscopy are available for almost any wavelength in the entire infrared range. While the near infrared range is covered by diode lasers, unipolar quantum cascade lasers (QCLs) prevail in the long-wavelength region. Having celebrated their 20th anniversary in 2014, QCLs deliver radiation in 3 – 20 µm range1 at room temperature. They also provide terahertz radiation up to 5 THz2. However, the performance of the majority of QCLs drops at wavelengths longer than 20 µm where lattice absorption in GaAs and InP, which are typically used in QCLs, becomes strong. In particular, operation of QCLs has been demonstrated in literature only for several specific wavelengths3 in 20 – 25 µm range. Bahriz, et al. 4 have recently reported room temperature emission near λ = 20 µm wavelength, however, it has been achieved in a state-of-the-art QCL that requires advanced and expensive technology.
Alternatively, lead salt diode lasers can cover the very long wavelength infrared region (VLWIR, λ = 15 – 30 µm). Emission wavelengths up to 46 µm have been reported for this type of semiconductor lasers5,6, but their figures of merit, in particular output power, are limited due to growth technology problems.
On the other hand, the technology of another narrow-gap material, HgCdTe, is very well developed nowadays due to its paramount importance for the infrared detector industry. HgCdTe provides variable bandgap in conjunction with optical phonon frequencies low enough for furthering the wavelength of radiation emission to the VLWIR range. At the same time, modern molecular beam epitaxy (MBE) delivers high quality HgCdTe epitaxial structures not only for CdZnTe substrates, which are typically used for HgCdTe production, but also for “alternative” GaAs substrates. Remarkable figures of merit of the HgCdTe epitaxial structures grown on GaAs(013) substrates have been confirmed by photoconductivity (PC) and photoluminescence (PL) studies in the VLWIR range7,8. In addition, GaAs(013) substrates allow epitaxial growth with quite a high rate of 2 - 3 microns/hour9. Aside from bulk epilayers with high uniformity and low residual carrier density (~1014 cm-3), MBE can also provide HgCdTe heterostructures with quantum wells (QWs). The energy spectrum of HgCdTe QW heterostructures can be flexibly adjusted by changing QW width and Cd content in the well10,11. A special approach to the in situ ellipsometry of HgCdTe epitaxial structures has been developed, which allows reproducible growth of thin QWs, as well as bulk epitaxial films11,12.
Previously, lasing in HgCdTe was studied at shorter wavelengths (2 – 5 µm)13,14,15. Arias, et al. 16 achieved emission wavelength of 5.3 µm at 45K in diode laser that did not exploit QWs in its design. Ref. 17 has demonstrated that it is necessary to implement QW structures when furthering the emission wavelength to the VLWIR region. This letter experimentally confirms that placing QWs inside HgCdTe waveguide structures enhances superluminescence properties compared to bulk epilayers. In particular, we demonstrate stimulated emission (SE) from HgCdTe waveguide structures at wavelengths up to 9.5 µm with a low threshold of 0.12 kW/cm2.
Structures under study were grown on semi-insulating GaAs(013) substrates with ZnTe and CdTe buffers using ellipsometric control of the layer content and thickness11,12. The structures had typical dislocation density of ~ 106 cm-2. Samples under study were cleaved from the as-grown wafers. The structures were not intentionally doped and no annealing or processing of wafers was performed after growth.

Results (Russian) 1:

Вынужденное излучение (SE) от структур HgCdTe волновода с несколькими квантовых ямах внутри ядра волновода проявляется на длинах волн до 9,5 мкм. Фотолюминесценция линии сужение до kT энергии, а также нелинейные расти в своей интенсивности доказательств наступления SE, который проходит под оптической накачки с интенсивностью, как малые, как ~ 0,1 кВт/см2 на 18 K и 1 кВт/см2 на 80 K. Можно сделать вывод о том, что потенциал структуры HgCdTе на длинноволновых лазеры не исчерпаны. В настоящее время, компактная полупроводниковых лазеров для инфракрасной спектроскопии доступны для почти любой волны в всем инфракрасном диапазоне. В то время как ближнего инфракрасного диапазона покрыта диодных лазеров, в регионе длинноволновых преобладают однополярного квантовой Каскад лазеры (перечислением). Отметивший свое 20-летие в 2014 году, перечислением поставляют радиацию в 3 – 20 мкм range1 при комнатной температуре. Они также обеспечивают терагерцового излучения до 5 THz2. Однако производительность большинства перечислением падает на волнах длиннее 20 мкм где решетки поглощения в GaAs и InP, которые обычно используются в перечислением, становится сильным. В частности операция перечислением была продемонстрирована в литературе только для нескольких конкретных wavelengths3 в диапазоне 20 – 25 мкм. Bahriz, et al. 4 недавно сообщили комнатной температуре выбросов вблизи λ = 20 мкм волны, однако, он был достигнут в ЛКК искусства, требующий дорогостоящей технологии. Кроме того, ведущий соли диодные лазеры могут охватывать очень длинные волны инфракрасной области (VLWIR, λ = 15 – 30 мкм). Длин волн выбросов до 46 мкм поступили для этого типа полупроводниковых lasers5, 6, однако их показатели, в частности Выходная мощность, ограничены из-за проблемы технологии роста. On the other hand, the technology of another narrow-gap material, HgCdTe, is very well developed nowadays due to its paramount importance for the infrared detector industry. HgCdTe provides variable bandgap in conjunction with optical phonon frequencies low enough for furthering the wavelength of radiation emission to the VLWIR range. At the same time, modern molecular beam epitaxy (MBE) delivers high quality HgCdTe epitaxial structures not only for CdZnTe substrates, which are typically used for HgCdTe production, but also for “alternative” GaAs substrates. Remarkable figures of merit of the HgCdTe epitaxial structures grown on GaAs(013) substrates have been confirmed by photoconductivity (PC) and photoluminescence (PL) studies in the VLWIR range7,8. In addition, GaAs(013) substrates allow epitaxial growth with quite a high rate of 2 - 3 microns/hour9. Aside from bulk epilayers with high uniformity and low residual carrier density (~1014 cm-3), MBE can also provide HgCdTe heterostructures with quantum wells (QWs). The energy spectrum of HgCdTe QW heterostructures can be flexibly adjusted by changing QW width and Cd content in the well10,11. A special approach to the in situ ellipsometry of HgCdTe epitaxial structures has been developed, which allows reproducible growth of thin QWs, as well as bulk epitaxial films11,12.Ранее, генерации в HgCdTe изучался на коротких волнах (2-5 мкм) 13,14, 15. Arias, et al. 16 достигнутые выбросов волны 5.3 мкм на 45K в лазерный диод, который не эксплуатировать КЯ в его дизайн. Ссылка 17 продемонстрировала, что это необходимо для реализации QW структур при содействии длина волны излучения в VLWIR регионе. Это письмо экспериментально подтверждает, что размещение КЯ внутри HgCdTe волноводных структурах повышает superluminescence свойства, по сравнению с массового протравленых. В частности мы демонстрируем простимулированное излучение (SE) от HgCdTe волноводных структурах на длинах волн до 9,5 мкм с низким порогом 0,12 кВт/см2.Структуры исследуемых выращивались на полуизолирующего GaAs(013) субстратов с ZnTe и CdTe буферов, используя эллипсометрических контроля содержимого слоя и thickness11, 12. Структуры был типичный дислокации плотность ~ 106 см-2. Образцов исследуемых были расщепляется от пластин, как выросли. Структуры не были намеренно легированных и без отжига или обработки пластин была выполнена после роста.

Results (Russian) 2:

Вынужденное излучение (SE) от волновода HgCdTe структур с несколькими квантовыми ямами внутри ядра волновода демонстрируется на длинах волн до 9,5 мкм. Фотолюминесценции сужение линии до энергии кТ, а также суперлинейному подъеме в своих доказательств интенсивности наступление SE, который проходит под оптической накачки с интенсивностью, как малые, как ~ 0,1 кВт / см2 при 18К и 1 кВт / см2 при 80К. Можно сделать вывод, что HgCdTе структуры потенциальные для длинноволновых лазеров не исчерпывается. В настоящее время компактные полупроводниковые лазеры для инфракрасной спектроскопии имеются практически любой длины волны во всем инфракрасном диапазоне. Хотя ближней инфракрасной области покрыта диодных лазеров, униполярные квантовые каскадные лазеры (ЛКК) преобладают в длинноволновой области. Отпраздновав свое 20-летие в 2014 году, ЛКК доставить излучение в 3 - range1 20 мкм при комнатной температуре. Они также обеспечивают терагерцового излучения до 5 THz2. Тем не менее, производительность большинства ЛКК падает на длинах волн длиннее 20 мкм, где поглощение решетки в GaAs и InP, которые обычно используются в ЛКК становится сильным. В частности, работа ЛКК была продемонстрирована в литературе только для нескольких конкретных wavelengths3 в 20 - диапазоне 25 мкм. Bahriz и др. 4 недавно сообщили выбросов комнатной температуры вблизи λ = длина волны 20 мкм, однако, этот результат был достигнут в ККЛ государством в самых современных, который требует передовой и дорогостоящей технологии. В качестве альтернативы, свинцовые соли диодные лазеры могут покрыть очень длинные волны инфракрасного область (VLWIR, λ = 15 - 30 мкм). Длин волн излучения до 46 мкм было зарегистрировано для данного типа полупроводникового lasers5,6, но их добротности, в частности выходной мощности, ограничены из-за технологических проблем роста. С другой стороны, технология другом узкощелевом материала , КРТ, очень хорошо развита в настоящее время из-за его огромное значение для инфракрасного детектора промышленности. КРТ обеспечивает переменную запрещенной в сочетании с оптическими фононных частот достаточно низких для содействия волны излучения эмиссии с диапазоном VLWIR. В то же время, современные молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) обеспечивает высокое качество КРТ эпитаксиальных структур не только для CdZnTe субстратов, которые обычно используются для производства КРТ, но и для «альтернативных» GaAs подложках. Замечательные добротности эпитаксиальных структур КРТ, выращенных на GaAs (013) подложки были подтверждены фотопроводимости (ПК) и фотолюминесценции (ФЛ) исследований в range7,8 VLWIR. Кроме того, GaAs (013) подложки позволяют эпитаксиальный рост с довольно высокой скоростью 2 - 3 мкм / hour9. Помимо объемных эпитаксиальных с высокой однородностью и низкой плотности остаточной несущей (~ 1014 см-3), MBE может также обеспечить КРТ гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ). Энергетический спектр КРТ КЯ гетероструктур можно гибко регулировать путем изменения ширины КЯ и содержание Cd в well10,11. Особого подхода к месте эллипсометрии КРТ эпитаксиальных структур в была разработана, который позволяет воспроизводимый рост тонких квантовых ямах, а также основная эпитаксиального films11,12. Ранее генерация в HgCdTe изучалась на более коротких волнах (2 - 5 мкм) 13 , 14,15. Ариас и др. 16 достигается волны излучения 5,3 мкм при 45K в диодного лазера, что не эксплуатировать КЯ в своей конструкции. Ссылка 17 показал, что это необходимо осуществить QW структур при содействии длину волны излучения к VLWIR регионе. Это письмо экспериментально подтверждает, что размещение КЯ внутри КРТ волноводных структур повышает свойства суперлюминесценция сравнению с объемных эпитаксиальных. В частности, показано, вынужденное излучение (SE) от КРТ волноводных структур на длинах волн до 9,5 мкм с низким порогом 0,12 кВт / см2. Изучаемых структур были выращены на полуизолирующих GaAs (013) подложки с ZnTe и CdTe буферов, используя эллипсометрический контроль содержимого слоя и thickness11,12. Структуры имели типичный плотность дислокаций ~ 106 см-2. Изучаемые образцы были вырезали из, как выращенных пластин. Структуры не были преднамеренно легированных и ни отжига или обработки пластин не проводили после роста.