PL203033B1

PL203033B1 - Quantum point apparatus for generating coherent far red radiation and method of producing inversion of fixing quantum points in a die by means of electric field

Info

Publication number: PL203033B1
Application number: PL355071A
Authority: PL
Inventors: Lucjan Jacak; Jurij Krasnyj; Dorota Jacak; Liliana Bujkiewicz
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2009-08-31
Also published as: PL355071A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie na kropkach kwantowych do generacji koherentnego promieniowania w dalekiej podczerwieni i sposób wytwarzania inwersji obsadzeń w matrycy kropek kwantowych zadawanych polem elektrycznym w wąskiej studni kwantowej w heterostrukturze półprzewodnikowej.The present invention relates to a quantum dot device for the generation of coherent far infrared radiation and a method for producing inversion of occupations in an electric field infused quantum dot matrix in a narrow quantum well in a semiconductor heterostructure.

Znane jest z opisu patentowego USA nr 6346431 urządzenie na kropkach kwantowych pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni oraz sposób jego wytwarzania. Urządzenie to stanowi diodę i ma strukturę warstwową, a używane tam kropki kwantowe to tzw. samo-rosnące kropki GaAs/InAs. Wytwarza się je w ten sposób, że na podłoże z arsenku galu nanosi się pierwszą warstwę zwilżającą z arsenku indu, a następnie warstwę arsenku galu mocno domieszkowaną indem In(x)Ga(1-x)As, która na skutek niedopasowania sieciowego ulega samorzutnie przemianie w małe grudki nametrowych rozmiarów nazywane kropkami kwantowymi samo-rosnącymi GaAs/InAs. Następnie nanosi się warstwę buforową, na którą nakłada się warstwę zaporową z niedomieszkowanego arsenku galowoglinowego w postaci Al(y)Ga(1-y)As. Po obu stronach struktury warstwowej nanosi się elektrody, z których każda jest wykonana na podłożu domieszkowanej warstwy kontaktowej. Elektrody połączone są ze źródłem zasilania. Emisja promieniowania podczerwonego (w bliskiej podczerwieni) zachodzi wówczas, gdy elektrody podłączy się do źródła zasilania (w układzie diody fotoluminescencyjnej), lub naświetli się warstwę arsenku galu stanowiącą podłoże. W celu wytwarzania koherentnych fotonów wykorzystuje się tam ekscytony, tj. pary elektronowo-dziurowe w samo-rosnących kropkach kwantowych. Samo-rosnące kropki kwantowe wiążą równocześnie i elektrony i dziury, zaś w przypadku lasera ekscytonowego światło powstaje w wyniku rekombinacji promienistej pary elektron-dziura w kropce kwantowej. Energia fotonu jest wtedy rzędu przerwy wzbronionej półprzewodnika, co odpowiada promieniowaniu czerwonemu lub bliskiej podczerwieni dla kropek GaAs/InAs.From US Patent No. 6,346,431, a quantum dot device operating in the near infrared range and a method for its production are known. This device is a diode and has a layered structure, and the quantum dots used there are called self-growing GaAs / InAs dots. They are produced in such a way that the first indium arsenide wetting layer is applied to the gallium arsenide substrate, and then the gallium arsenide layer heavily doped with indium In (x) Ga (1-x) As, which undergoes spontaneous transformation due to the network mismatch. into small lumps of large size called GaAs / InAs self-growing quantum dots. Thereafter, a buffer layer is applied to which a barrier layer of undoped gallovaluminum arsenide in the form of Al (y) Ga (1-y) As is applied. On both sides of the layer structure, electrodes are applied, each of which is made on a substrate of the doped contact layer. The electrodes are connected to a power source. The emission of infrared (near infrared) radiation occurs when the electrodes are connected to a power source (in a photoluminescent diode system) or the substrate is irradiated with gallium arsenide. In order to produce coherent photons, excitons, i.e. electron-hole pairs in self-growing quantum dots, are used there. Self-growing quantum dots simultaneously bind both electrons and holes, while in the case of an exciton laser, light is created as a result of recombination of the radiant electron-hole pair in the quantum dot. The energy of the photon is then of the semiconductor's band gap, which corresponds to the red or near infrared radiation of the GaAs / InAs dots.

Znany z opisu patentowego USA nr 6346431, laser ekscytonowy na kropkach kwantowych samo-rosnących, charakteryzuje się niskim poziomem prądu wstrzykiwania i wyższą temperaturą pracy w porównaniu ze zwykłymi laserami półprzewodnikowymi, co wynika z osłabienia oddziaływania nośników związanych w kropkach kwantowych z fononami krystalicznymi. Lepsze parametry laserów na kropkach kwantowych wynikają też generalnie z dyskretyzacji poziomów kwantowych prowadzącej do korzystnej koncentracji gęstości stanów.The exciton laser on self-growing quantum dots, known from US Patent No. 6,346,431, is characterized by a low injection current level and a higher operating temperature compared to conventional semiconductor lasers, which results from the weakening of the interaction of carriers bound in quantum dots with crystalline phonons. Better performance of quantum dot lasers is also generally due to the discretization of quantum levels leading to a favorable concentration of the density of states.

Istota urządzenia polega na tym, że struktura warstwowa jest osadzona pomiędzy metalowymi elektrodami, z których elektroda dolna wykonana jest w postaci warstwy przewodzącej ciągłej, natomiast elektroda górna jest wykonana w postaci warstwy metalowej perforowanej. Struktura warstwowa z elektrodami stanowi kondensator, w którym pomię dzy metalowymi elektrodami na podł o ż u ma naniesioną barierę dolną oraz barierę górną, przy czym pomiędzy barierami jest studnia kwantowa. Kształt i rozmiary otworków elektrody górnej, określają potencjał wiążący elektrony w małych nanometrowych obszarach studni kwantowej, które stanowią kropki kwantowe.The essence of the device is that the layered structure is embedded between metal electrodes, the bottom electrode of which is made of a continuous conductive layer, while the upper electrode is made of a perforated metal layer. The layer structure with electrodes is a capacitor in which between the metal electrodes on the substrate there is a lower barrier and an upper barrier, and between the barriers there is a quantum well. The shape and size of the upper electrode holes determine the electron-binding potential in the small nanometer-sized regions of the quantum well that constitute quantum dots.

Korzystnie podłoże wykonane jest z arsenku galowo-glinowego Al0,3Ga0,7As domieszkowanego chromem Cr, bariera dolna i górna z warstwy niedomieszkowanego arsenku galowo-glinowego w postaci Al0,3Ga0,7As, natomiast studnia kwantowa z warstwy arsenku galu GaAs.Preferably, the substrate is made of Al0.3Ga0.7As gallium arsenide doped with Cr chromium, the lower and upper barrier is made of an undoped layer of gallium aluminum arsenide in the form of Al0.3Ga0.7As, while the quantum well is made of a GaAs gallium arsenide layer.

Istota sposobu polega na tym, że cyklicznie włącza się i wyłącza napięciowy sygnał sterujący doprowadzony do elektrod, pomiędzy którymi jest umieszczona półprzewodnikowa heterostruktura z cienką studnią kwantową , w której przestrzennie zmodulowane pole elektryczne, elektrod ą perforowaną, wiąże elektrony w małych obszarach kropek kwantowych, w wyniku czego uzyskuje się inwersję obsadzeń stanów elektronowych w tych kropkach. Po czym emituje się koherentne fotony w zakresie dalekiej podczerwieni, o długości fali odpowiadającej odległości energetycznej między stanami w kropkach kwantowych, przy czym napię ciowy sygnał sterujący włącza się szybko i nieadiabatyczne.The essence of the method is that the voltage control signal fed to the electrodes is cyclically switched on and off, between which a semiconductor heterostructure with a thin quantum well is placed, in which a spatially modulated electric field, with a perforated electrode, binds electrons in small areas of quantum dots, in as a result, an inversion of the occupations of electron states in these dots is obtained. Coherent far-infrared photons with a wavelength corresponding to the energy distance between states in quantum dots are then emitted, with the voltage control signal being turned on quickly and nonadiabatically.

Sygnałem sterującym, którym włącza się i wyłącza cyklicznie matrycę kropek kwantowych, wytwarza się narastającą liczbę koherentnych fotonów promieniowania podczerwonego w przestrzeni pomiędzy lustrami rezonatora optycznego aż do uzyskania w rezonatorze promieniowania koherentnego o pożądanej mocy.The control signal, which turns the quantum dot matrix on and off cyclically, generates an increasing number of coherent photons of infrared radiation in the space between the mirrors of the optical resonator until the resonator is coherent with the desired power.

W urzą dzeniu wedł ug wynalazku wykorzystuje się cał kowicie inne kropki kwantowe, a mianowicie kropki kwantowe wytwarzane przy pomocy pola elektrycznego, tzn. przy pomocy elektrostatycznego ogniskowania elektronów w cienkiej studni kwantowej typu Ga(Al)As. Grubość studni jest rzędu 2 nm, co zapewnia quasi-dwuwymiarowy ruch elektronów w studni. Wielowarstwową strukturę studni kwantowej wytwarza się w standardowy sposób, tzn. metodami epitaksji z wiązki molekularnej (MBI)The device according to the invention uses completely different quantum dots, namely quantum dots produced by means of an electric field, i.e. by electrostatic focusing of electrons in a thin Ga (Al) As quantum well. The thickness of the well is on the order of 2 nm, which provides a quasi-two-dimensional movement of electrons in the well. The multilayer structure of a quantum well is produced in a standard way, i.e. by molecular beam epitaxy (MBI) methods

PL 203 033 B1 nakłada się warstwy barier Al0,3Ga0,7As, między którymi znajduje się cienka warstwa GaAs. Na skutek przesunięć krawędzi pasm w obu materiałach warstwa GaAs tworzy studnię kwantową, do której spływają elektrony z dodatkowej warstwy Al0,3Ga0,7As domieszkowanej chromem Cr w stopniu zależnym od potrzeb gęstości elektronów w studni. Pod strukturą studni umieszcza się cienką ciągłą elektrodę metalową, zaś nad studnią umieszcza się elektrodę perforowaną wykonaną metodą litografii jonowej lub elektronowej z cienkiej warstwy metalowej. Elektrody te, po podłączeniu napięcia elektrycznego, wytwarzają odpowiednio zmodulowany przestrzennie rozkład pola elektrycznego związany z perforacją górnej elektrody, prowadzący do bocznego potencjału wiążącego dla elektronów w studni kwantowej, który jest równocześnie potencjałem odpychającym dla dziur. W przeciwieństwie do kropek samo-rosnących, puste kropki zadawane polem elektrycznym wiążą, zatem tylko elektrony, a nie ekscytony.Al0.3Ga0.7As barrier layers are applied with a GaAs thin layer between them. As a result of the shifts of the band edges in both materials, the GaAs layer forms a quantum well into which electrons flow from the additional Al0.3Ga0.7As layer doped with Cr chromium to the extent depending on the needs of electron density in the well. A thin continuous metal electrode is placed under the well structure, and a perforated electrode made by ion or electron lithography from a thin metal layer is placed above the well. These electrodes, when connected to an electric voltage, generate an appropriately modulated electric field distribution related to the perforation of the upper electrode, leading to a side binding potential for electrons in the quantum well, which is also a repulsive potential for holes. In contrast to the self-growing dots, empty dots caused by an electric field bind only electrons, not excitons.

Najistotniejszym elementem zgłaszanego wynalazku jest tutaj zupełnie nowy i oryginalny sposób pompowania układu, czyli uzyskiwania inwersji obsadzeń i wytwarzania koherentnych fotonów. Inwersję obsadzeń generuje to samo pole, które wytwarza kropki. Włączając, bowiem i wyłączając przyłożone do elektrod napięcie, w periodyczny sposób tworzymy i niszczymy matrycę kropek w studni kwantowej. Oznacza to, że wytwarzane cyklicznie kropki będą zalewane elektronami ze studni kwantowej, i w czasie tego procesu automatycznie wytwarzana będzie inwersja obsadzeń poziomów elektronowych w kropkach: wyższe poziomy w kropkach zostaną zajęte wcześniej i w ten sposób przez pewien czas będzie większe zapełnienie elektronami wyższego poziomu niż niższego, czyli wytworzy się inwersja obsadzeń, niezbędna dla generacji koherentnego promieniowania. Wymuszona emisja z takiego układu umieszczonego w rezonatorze prowadzi do akcji laserowej, czyli do wymuszonego przeskoku elektronów w kropkach na niższy poziom, i w tym przypadku, do wytwarzania koherentnego promieniowania w zakresie dalekiej podczerwieni, odpowiadającej odległości energetycznej między stanami elektronów w kropkach kwantowych zadawanych polem elektrycznym.The most important element of the proposed invention is a completely new and original method of pumping the system, i.e. obtaining inversion of occupations and producing coherent photons. The inversion of the fillings is generated by the same field that produces the dots. By switching on and off the voltage applied to the electrodes, we periodically create and destroy the matrix of dots in the quantum well. This means that the cyclically produced dots will be flooded with electrons from the quantum well, and during this process, an inversion of electron levels in the dots will be generated automatically: higher levels in dots will be occupied earlier and thus for some time there will be more electrons of a higher level than a lower one, that is, an inversion of occupations necessary for the generation of coherent radiation will be created. Forced emission from such a system placed in the resonator leads to a laser action, i.e. a forced jump of electrons in the dots to a lower level, and in this case, to the production of coherent far-infrared radiation, corresponding to the energy distance between the electron states in the quantum dots injected with the electric field.

Światło podczerwone ma duże zastosowanie w każdym z trzech swoich obszarów: w bliskiej podczerwieni 0,7-2,5 μm - szczególnie ważnej w praktyce światłowodowej ze względu na tzw. okno telcomu, w średniej podczerwieni 2,5-50 μm i w dalekiej podczerwieni 50-2000 μm. Laser pracujący w dalekiej podczerwieni generuje fale w zakresie, w którym mieszczą się widma rotacyjne i wibracyjne molekuł. Zatem spójne światło w dalekiej podczerwieni znajdzie zastosowanie np. w rozmaitych analizatorach materiałowych układów molekularnych, takich jak gazy i ciecze, między innymi do badań zanieczyszczeń atmosfery, gdzie wykorzystując silnie selektywny charakter pochłaniania przez różne substancje w zakresie dalekiej podczerwieni, można zdalnie analizować lokalny skład atmosfery używając spójnej wiązki odpowiedniego światła podczerwonego.Infrared light is widely used in each of its three areas: in the near infrared 0.7-2.5 μm - especially important in fiber optic practice due to the so-called telcom window, mid-infrared 2.5-50 μm and far-infrared 50-2000 μm. A far-infrared laser generates waves within the range of the rotational and vibration spectra of molecules. Thus, coherent far infrared light will find application, for example, in various material analyzers of molecular systems, such as gases and liquids, including research on atmospheric pollutants, where by using the highly selective nature of absorption by various substances in the far infrared range, it is possible to remotely analyze the local composition of the atmosphere using a coherent beam of appropriate infrared light.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie na kropkach kwantowych do generacji koherentnego promieniowania w dalekiej podczerwieni w ujęciu schematycznym, fig. 2 - przykładową warstwową heterostrukturę półprzewodnikową ze studnią kwantową, fig. 3 - cykl wytwarzania kropek kwantowych w studni przez włączanie i wyłączanie pola elektrycznego oraz zapełnianie ich poziomów energetycznych prowadzące do powstania inwersji obsadzeń matrycy kropek kwantowych w ujęciu schematycznym, fig. 4 - charakterystykę sygnału sterującego włączanie nieadiabatyczne i wyłączanie matrycy kropek kwantowych w pojedynczym cyklu, a fig. 5 - kinetykę narastania liczby rezonansowych koherentnych fotonów związanych z wymuszoną emisją z wyższego stanu kropek po wielokrotnym powtórzeniu cyklu włączania i wyłączania matrycy kropek kwantowych dla trzech różnych czasów utrzymywania kropek.The subject of the invention in an exemplary embodiment is reproduced in the drawing, in which Fig. 1 shows a quantum dot device for generating coherent far infrared radiation in a schematic view, Fig. 2 - an exemplary layered semiconductor heterostructure with a quantum well, Fig. 3 - a dot production cycle quantum wells in the well by switching the electric field on and off and filling their energy levels leading to the inversion of the quantum dot matrix matrix in a schematic view, Fig. 4 - the characteristics of the control signal non-adiabatic switching on and off of the quantum dot matrix in a single cycle, and Fig. 5 - kinetics the build-up of the number of resonant coherent photons associated with the stimulated emission from the higher dot state after repeating the quantum dot matrix on and off cycle for three different dot holding times.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Urządzenie na kropkach kwantowych do generacji koherentnego promieniowania w dalekiej podczerwieni zrealizowane jako laser podczerwony, ma strukturę warstwową, która jest osadzona pomiędzy metalowymi elektrodami 1, 2. Elektroda dolna 1 wykonana jest w postaci warstwy przewodzącej ciągłej ze złota Au o grubości 5 nm, natomiast elektroda górna 2 jest wykonana w postaci warstwy metalowej perforowanej ze złota Au o grubości 5 nm. Struktura warstwowa z elektrodami 1, 2 stanowi kondensator, który pomiędzy metalowymi elektrodami 1, 2 ma na podłożu 3 naniesioną barierę dolną 4 oraz barierę górną 5, przy czym pomiędzy barierami jest studnia kwantowa 6. Podłoże 3 struktury warstwowej jest wykonane z warstwy arsenku galowo-glinowego Al0,3Ga0,7As o grubości 20 nm domieszkowanej chromem Cr, co zapewnia donorowe elektrony dla studni kwantowej 6. Na tę warstwę z jednej strony jest naniesiona elektroda dolna 1, natomiast z drugiej strony metodą epitaksji, są naniesione kolejno warstwy: warstwa bariery dolnej 4 z niedomieszkowanego arsenku galowoglinowego w postaci Alo^GaojAs o grubości 10 nm, warstwa właściwej studni kwantowej 6 w postaci warstwy czystego arsenku galu GaAs o grubości 2 nm, następnie warstwa bariery górnej 5 z niedo4The quantum dot device for the generation of coherent far infrared radiation, implemented as an infrared laser, has a layer structure that is embedded between metal electrodes 1, 2. The lower electrode 1 is made in the form of a continuous 5 nm thick Au gold conductive layer, while the electrode the upper 2 is made of a 5 nm thick Au gold perforated metal layer. The layer structure with electrodes 1, 2 is a capacitor, which between the metal electrodes 1, 2 has a lower barrier 4 and an upper barrier 5 on the substrate 3, with a quantum well 6 between the barriers. The substrate 3 of the layer structure is made of a gallium arsenide layer. of aluminum Al0.3Ga0.7As with a thickness of 20 nm, doped with Cr chromium, which provides donor electrons for the quantum well 6. This layer is on one side covered with the lower electrode 1, while on the other side by epitaxy, the following layers are applied: the lower barrier layer 4 from undoped aluminum gallium arsenide in the form of Alo ^ GaojAs with a thickness of 10 nm, a quantum well layer 6 in the form of a GaAs pure gallium arsenide layer with a thickness of 2 nm, then an upper barrier layer 5 with a deficiency

PL 203 033 B1 mieszkowanego arsenku galowo-glinowego w postaci Al0,3Ga0,7As o grubości 10 nm. Na skutek względnego przesunięcia krawędzi pasm walencyjnego i przewodnictwa w półprzewodnikach GaAs i Al₀,₃Ga₀,₇As, do cienkiej warstwy studni kwantowej 6 spływają elektrony z podłoża 3 domieszkowanego chromem Cr i nie mogą wydostać się z tej studni kwantowej 6 poprzez bariery 4 i 5. W ten sposób powstaje dwuwymiarowy gaz elektronowy zamknięty w cienkiej 2 nm studni kwantowej 6. W elektrodzie górnej 2 są wykonane przy pomocy technik litograficznych nanometrowe otworki, które ogniskują potencjał wiążący elektrony 15 w podobnych nanometrowych obszarach znajdujących się niżej studni kwantowej 6. Te obszary lokalizacji elektronów 15 w studni kwantowej 6 nazywamy kropkami kwantowymi 7 zadawanymi polem elektrycznym.There was a compounded aluminum gallium arsenide in the form of Al0.3Ga0.7As with a thickness of 10 nm. Due to the relative shift of the edges of the valence bands and the conductivity in GaAs and Al semiconductors ₀ , ₃ Ga ₀ , ₇ As, electrons from the substrate 3 doped with Cr chromium flow into the thin layer of quantum well 6 and cannot escape from this quantum well 6 through barriers 4 and 5. This produces a two-dimensional electron gas enclosed in a 2 nm thin quantum well 6. In the upper electrode 2, nanometer-sized holes are made by lithographic techniques, which focus the electron-binding potential 15 in similar nanometer-wide regions below the quantum well 6. These the areas of the location of 15 electrons in the quantum well 6 are called quantum dots 7 caused by the electric field.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób wytwarzania inwersji obsadzeń w matrycy kropek kwantowych zadawanych polem elektrycznym polega na tym, że pomiędzy elektrody 1 i 2, z których jedna jest elektrodą perforowaną 2, z układu zasilającego 8, poprzez układ sterujący 9 cyklicznie włącza się i wyłącza napięciowy sygnał sterujący. Pomiędzy elektrodami 1 i 2 jest umieszczona heterostruktura półprzewodnikowa zawierająca cienką studnię kwantową 6 z GaAs umieszczoną pomiędzy warstwami barier 4 i 5 z arsenku galowo-glinowego Al₀,₃Ga₀,₇As. Sygnał sterujący doprowadzony do elektrod 1 i 2, wytwarza przestrzennie zmodulowane pole elektryczne zależne od kształtu, rozmiarów i gęstości perforacji elektrody górnej 2, w wyniku czego wytwarza się i wiąże elektrony w małych nanometrowych obszarach studni kwantowej 6, w postaci kropek kwantowych 7, które tworzą matrycę kropek kwantowych 7, gęstość powierzchniowa kropek 7 w przykładowej matrycy jest rzędu 10¹⁰ na 1 cm².The method of producing the inversion of occupations in the matrix of quantum dots applied by the electric field consists in that between the electrodes 1 and 2, one of which is a perforated electrode 2, from the supply system 8, the voltage control signal is cyclically switched on and off through the control system 9. Between electrodes 1 and 2 is placed a semiconductor heterostructure containing a thin GaAs quantum well 6 sandwiched between the Al ₀ , ₃ Ga ₀ , ₇ As aluminum gallium arsenide layers 4 and 5. The control signal applied to electrodes 1 and 2 generates a spatially modulated electric field depending on the shape, size and density of the perforation of the upper electrode 2, as a result of which electrons are produced and bound in small nanometer areas of the quantum well 6, in the form of quantum dots 7 that form the quantum dot matrix 7, the surface density of the dots 7 in the exemplary matrix is of the order of 10 ¹⁰ by 1 cm ² .

Inwersję obsadzeń stanów elektronowych w kropkach kwantowych 7 uzyskuje się w wyniku nagłego to znaczy nieadiabatycznego, włączenia napięcia pomiędzy elektrody 1 i 2. Wytworzone kropki kwantowe 7 są energetycznymi dołkami dla elektronów 15 w studni kwantowej 6 i są natychmiast zalewane przez elektrony 15 z tej studni 6. Większe prawdopodobieństwo zalania górnego poziomu kropki 7, tj. dla poziomu energetycznego wzbudzonego ε1, któremu odpowiada stan kwantowy o charakterystyce kwadratu modułu funkcji falowej elektronu 15 na górnym, czyli wzbudzonym poziomie kropki kwantowej 10, niż poziomu energetycznego podstawowego s₀, któremu odpowiada stan kwantowy o charakterystyce kwadratu modułu funkcji falowej elektronu na dolnym, czyli podstawowym poziomie kropki kwantowej 11, powoduje powstanie inwersji obsadzeń tych stanów w matrycy kropek kwantowych 7. Wymuszona emisja w układzie z inwersją obsadzeń prowadzi następnie do wzrostu liczby rezonansowych koherentnych fotonów 13 o energii równej odległości energetycznej sn-sa i odpowiadającej różnicy pomiędzy poziomem energetycznym wzbudzonym S1 i poziomem energetycznym podstawowym s₀. Proces wzmacniania koherentnego promieniowania uzyskuje się pomiędzy lustrami rezonatora 14 dostosowanego do światła podczerwonego o długości fali odpowiadającej odległości energetycznej sj-sri· Proces wzmacniania promieniowania ustaje, gdy wszystkie elektrony 15 w kropkach 7 spadną na stan podstawowy kropek kwantowych 7. Wtedy należy kropki 7 wyłączyć i wszystkie elektrony 15 znowu znajdą się w studni kwantowej 6. Ponowne włączenie kropek kwantowych 7 pozwala powtórzyć cykl i zwiększyć liczbę rezonansowych koherentnych fotonów 13 pomiędzy lustrami rezonatora 14. Po wielokrotnym włączeniu i wyłączeniu matrycy kropek 7 uzyskuje się znaczną gęstość koherentnych fotonów 13, które następnie emituje się jako wiązkę promieniowania laserowego w zakresie dalekiej podczerwieni, o długości fali odpowiadającej odległości energetycznej s₁-s₀ między stanami energetycznymi wzbudzonym i podstawowym w kropkach kwantowych 7.The inversion of the occupations of electron states in quantum dots 7 is obtained as a result of a sudden, i.e. non-adiabatic, voltage between electrodes 1 and 2. The quantum dots 7 produced are energy wells for electrons 15 in quantum well 6 and are immediately flooded by electrons 15 from this well 6 Higher probability of flooding the upper level of the dot 7, i.e. for the energy level of the excited ε1, which corresponds to the quantum state with the square characteristic of the wave function module of electron 15 at the upper, i.e. the excited level of the quantum dot 10, than the energy level s ₀ , which corresponds to the quantum state. characteristic of the square of the wave function module of the electron at the lower, i.e. the fundamental level of the quantum dot 11, causes the inversion of the occupations of these states in the quantum dot matrix 7. The forced emission in the system with inversion of the occupancy then leads to an increase in the number of resonant coherent photons 13 with an energy equal to the energy distance sn-sa and the corresponding difference between the excited energy level S1 and the base energy level s ₀ . The process of amplifying the coherent radiation is obtained between the mirrors of the resonator 14 adapted to infrared light with a wavelength corresponding to the energy distance sj-sri. The radiation amplification process stops when all the electrons 15 in the dots 7 fall to the ground state of the quantum dots 7. Then the dots 7 should be turned off and all the electrons 15 will be back in the quantum well 6. Re-turning on the quantum dots 7 allows you to repeat the cycle and increase the number of resonant coherent photons 13 between the mirrors of the resonator 14. After switching the dot matrix 7 on and off, a significant density of coherent photons 13 is obtained, which then emits as a beam of laser radiation in the far infrared range, with a wavelength corresponding to the energy distance s ₁ -s ₀ between the excited and fundamental energy states in quantum dots 7.

Zmodulowane przestrzennie pole elektryczne, definiuje cyklicznie pojawiający się, a następnie znikający boczny potencjał wiążący dla elektronów, czyli kropki kwantowe 7. Wielkości otworków w elektrodzie 2 oraz sygnał sterujący dobiera się tak, aby uzyskać pożądany rozmiar kropek 7, czyli ich średnicę geometryczną i głębokość energetyczną. W przykładzie parametry te zostały dobrane w taki sposób, aby każda kropka 7 miała dokładnie tylko dwa stany związane podstawowy i wzbudzony. Kropki te 7 mają średnicę rzędu 30 nm i głębokość energetyczną około 8 meV. Przejście między dwoma poziomami w takich kropkach kwantowych 7, w których odległość energetyczna s1zsa poziomów jest około 3 meV, odpowiada promieniowaniu w dalekiej podczerwieni o długości fali rzędu 0,1 mm.The spatially modulated electric field defines the cyclically appearing and then disappearing side binding potential for electrons, i.e. quantum dots 7. The size of the holes in the electrode 2 and the control signal are selected to obtain the desired size of the dots 7, i.e. their geometric diameter and energy depth . In the example, these parameters have been chosen such that each dot 7 has exactly only two ground and excited related states. These dots 7 have a diameter on the order of 30 nm and an energy depth of approximately 8 meV. The transition between the two levels in such quantum dots 7, in which the energy distance s1zsa of levels is about 3 meV, corresponds to far infrared radiation with a wavelength of 0.1 mm.

Nieadiabatyczne włączanie kropek 7 zapewnia inwersję obsadzeń, gdyż tylko przy dostatecznie szybkim włączaniu kropek 7 poziom energetyczny wzbudzony S1 zalewany jest przez elektrony 15 ze studni kwantowej 6 z większym prawdopodobieństwem niż poziom energetyczny podstawowy sęOgraniczenie czasowe wymusza kształt sygnału napięciowego, w przykładowym rozwiązaniu stosuje się prawie prostokątną charakterystykę sygnału sterującego 12. Dla spełnienia warunku nieadiabatyczności, czas włączania kropek kwantowych 16 powinien być rzędu 10^-12 s. Powstawanie inwersjiThe nonadiabatic inclusion of the dots 7 ensures the inversion of the fillings, because only when the dots are turned on quickly enough, the energy level S1 is flooded by electrons 15 from the quantum well 6 with a greater probability than the basic energy level s? The time constraint forces the shape of the voltage signal, in the example solution an almost rectangular characteristic of the control signal 12. To meet the non-adiabatic condition, the switching time of 16 quantum dots should be in the order of 10 ^-12 s. Inversion formation

PL 203 033 B1 obsadzeń poziomów energetycznych w kropkach kwantowych 7 zachodzi, ponieważ prawdopodobieństwo zapełniania poziomu energetycznego wzbudzonego ε1 kropki 7 jest ponad dwukrotnie większe niż zapełniania poziomu energetycznego podstawowego §0, czyli spełniony jest warunek dla zachodzącego tu przypadku, gdy poziom energetyczny wzbudzony §·) kropki 7 jest dwukrotnie zdegenerowany. Zysk optyczny wyrażający się przyrostem koherentnych fotonów 13 we wnęce rezonatorowej, wzrasta gwałtownie w początkowym odcinku czasu emisji wymuszonej, następnie osiąga maksimum, po czym powoli zanika. Kropki 7 należy zatem wyłączyć po czasie utrzymywania kropek kwantowych 17 nie dłuższym niż czas odpowiadający osiąganiu maksimum zysku optycznego. Następnie należy je ponownie włączyć i proces powtórzyć. Czas wyłączania kropek kwantowych 18 oraz odległość czasową między kolejnymi cyklami 19 dobiera się tak, by pozwolić elektronom 15 uwolnionym z kropek 7 osiągać równowagę termiczną w studni kwantowej 6, co umożliwia odtworzenie stanu wyjściowego jednakowego przed każdym kolejnym włączeniem matrycy kropek 7. Dojście do równowagi termicznej wśród elektronów 15 uwolnionych z kropek 7 po ich wyłączeniu, następuje w studni kwantowej 6 stosunkowo szybko, zwłaszcza w wyższych temperaturach, kiedy istotny jest udział fononów w termalizacji elektronów 15. W studni kwantowej 6, w temperaturze 300 K po czasie kilku 10^-12 s występuje równowagowy rozkład Stanów energetycznych. Szybkie procesy termalizacji elektronów 15 w studni kwantowej 6 występują na skutek oddziaływania z fononami, szczególnie efektywny jest kanał oddziaływania z podłużnymi fononami optycznymi. Odległość czasowa między kolejnymi cyklami 19 musi być w szczególności dłuższa niż czas termalizacji elektronów 15 uwolnionych z kropek 7 po ich wyłączeniu. Czas wyłączania kropek kwantowych 18 również może być dłuższy, gdyż wyłączanie nie musi być nieadiabatyczne. Czas termalizacji elektronów związanych w kropkach 7 z powodu lokalizacji, jest korzystnie, co najmniej o rząd dłuższy niż w studni kwantowej, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia uniknięcia niepromienistego rozładowywania inwersji obsadzeń w kropkach 7 przy udziale fononów w czasie utrzymywania kropek kwantowych 17. Po osiągnięciu równowagi termicznej elektronów 15 w studni kwantowej 6, cały układ jest gotowy do kolejnego cyklu włączenia kropek 7 i kolejnego przekazania energii do koherentnych fotonów 13 w rezonatorze wykorzystując inwersję obsadzeń matrycy kropek 7, tak jak w poprzednim cyklu. Tempo wymuszonej emisji jest proporcjonalne do gęstości koherentnych fotonów 13, zatem rośnie z każdym z kolejnych cykli, co prowadzi do skracania czasu osiągania maksimum zysku optycznego w kolejnych cyklach. Przy dostatecznie krótkim czasie utrzymywania kropek kwantowych 17 pomiędzy włączeniem a wyłączeniem matrycy kropek 7 dla charakterystyki sygnału sterującego 12, obserwuje się wzrost liczby fotonów p, po wielu kolejnych cyklach w funkcji czasu t, dla trzech różnych czasów utrzymywania kropek kwantowych 17. Wzrost liczby fotonów p dla czasu utrzymywania kropek kwantowych równego 10^-10 s 21 w skali logarytmicznej wynosi około 7, wzrost liczby fotonów p dla czasu utrzymywania kropek kwantowych równego 10^-9 s 22 w skali logarytmicznej wynosi około 6 a wzrost liczby fotonów p dla czasu utrzymywania kropek kwantowych równego 10^-8 s 23 w skali logarytmicznej wynosi około 5.PL 203 033 B1 of filling energy levels in quantum dots 7 occurs because the probability of filling the energy level of the excited ε1 dot 7 is more than twice as high as filling the energy level of the base §0, i.e. the condition for the case where the excited energy level § ·) is fulfilled dots 7 is degenerate twice. The optical gain, expressed by the increase of coherent photons 13 in the resonator cavity, increases rapidly in the initial period of the stimulated emission time, then it reaches its maximum, and then it slowly decays. The dots 7 should therefore be turned off after the quantum dots 17 are held for no longer than the time corresponding to the maximum optical gain. Then turn them back on and repeat the process. The off time of quantum dots 18 and the time distance between successive cycles 19 are chosen so as to allow the electrons 15 released from the dots 7 to reach thermal equilibrium in the quantum well 6, which makes it possible to restore the initial state equal before each successive switch on of the dot matrix 7. Reaching thermal equilibrium of the electrons 15 released from the dot 7 after their shutdown, occurs in the quantum well 6 relatively quickly, especially at higher temperatures when a significant part of phonons in termalizacji electron quantum well 15. 6, at 300 K after a period of several 10 to ¹² s there is an equilibrium distribution of energy states. Fast electron thermalization processes in quantum well 6 occur as a result of interaction with phonons, the interaction channel with elongated optical phonons is particularly effective. The time distance between successive cycles 19 must in particular be longer than the thermalization time of the electrons 15 released from the dots 7 after they have been switched off. The shutdown time of the quantum dots 18 may also be longer, as shutdown need not be non-adiabatic. The thermalization time of the electrons bound in the dots 7 due to their location is preferably at least an order longer than in the quantum well, which is important to avoid non-radiative discharging of the inversion of occupations in the dots 7 with the participation of phonons while holding the quantum dots 17. After reaching the thermal equilibrium of electrons 15 in quantum well 6, the whole system is ready for the next cycle of dots 7 inclusion and another energy transfer to the coherent photons 13 in the resonator using the inversion of the dot matrix 7 occupations, as in the previous cycle. The rate of the stimulated emission is proportional to the density of the coherent photons 13, so it increases with each of the successive cycles, which leads to a shortening of the time to reach the maximum optical gain in subsequent cycles. With a sufficiently short holding time of the quantum dots 17 between the turning on and off of the dot matrix 7 for the characteristics of the control signal 12, an increase in the number of photons p is observed after many successive cycles as a function of time t, for three different holding times of the quantum dots 17. Increase in the number of photons p for the holding time of 10 ^-10 s 21 on a logarithmic scale is approximately 7, the increase in the number of p photons for the holding time of 10 ^-9 s 22 on a logarithmic scale is approximately 6 and the increase in the number of photons p for the holding time of quantum dots equal to ^10-8s23 on a logarithmic scale is approximately 5.

Praca lasera składa się, zatem z kolejno powtarzanych cykli, w czasie których włączane są kropki kwantowe 7, zapełniane elektronami 15 i automatycznie uzyskiwana jest inwersja obsadzeń uruchamiająca akcję laserową w rezonatorze, a następnie kropki 7 są wyłączane, po czym ponawiamy cykl. Za każdym kolejnym cyklem wzrasta liczba koherentnych fotonów 13, odpowiadających przejściu między stanem wzbudzonym a podstawowym w kropkach 7 i po dostatecznie dużej ilości cykli, natężenie fali podczerwonej w rezonatorze osiąga pożądaną dla impulsu laserowego wartość. Nałożone wymagania czasowe na sygnał sterujący włączaniem i wyłączaniem matrycy kropek kwantowych 6 poprzez przyłożony zmienny napięciowy sygnał sterujący do elektrod 1 i 2 prowadzą do wysokoczęstotliwościowych technik przełączania. Wysokoczęstotliwościowe zachowanie układu kondensatorowego jest odmienne od statycznego i w celu uniknięcia niejednorodnych poprawek rezonansowych, powierzchnia elektrod 1 i 2 nie powinna przekraczać 3,5 10⁴ μτπ. Inne ograniczenie to czas RC ładowania kondensatora, który nie powinien być większy niż kilka 10^-12 s.The work of the laser consists, therefore, of successively repeated cycles, during which quantum dots 7 are turned on, filled with 15 electrons and an inversion of occupants is automatically obtained, which triggers the laser action in the resonator, and then the dots 7 are turned off, and then the cycle is repeated. With each successive cycle, the number of coherent photons 13, corresponding to the transition between the excited and ground states in dots 7 increases, and after a sufficiently large number of cycles, the intensity of the infrared wave in the resonator reaches the value desired for the laser pulse. The time requirements imposed on the control signal for turning on and off the quantum dot matrix 6 via the applied variable voltage control signal to electrodes 1 and 2 lead to high frequency switching techniques. The high-frequency behavior of the capacitor system is different from the static one and in order to avoid inhomogeneous resonance corrections, the surface of electrodes 1 and 2 should not exceed 3.5 10 ⁴ μτπ. Another limitation is the RC time of charging the capacitor, which should not be more than a few 10 ^-12 s.

Pracę lasera przeanalizowano w temperaturze 300 K, ale maksimum inwersji obsadzeń, a zatem i maksimum zysku optycznego występuje przy niższej temperaturze około 180 K, dla której współczynnik inwersji obsadzeń obliczony jako różnica pomiędzy prawdopodobieństwem zapełniania stanu wzbudzonego (podwójnie zdegenerowanego) a zdwojonym prawdopodobieństwem zapełniania stanu podstawowego, wynosi 0,000748, natomiast dla temperatury 300 K współczynnik ten wynosi 0,000176 przy gęstości powierzchniowej kropek 10¹⁰ na 1 cm² i podobnej gęstości elektronów w studni kwantowej 6.The laser operation was analyzed at a temperature of 300 K, but the maximum of the occupancy inversion, and thus the maximum of the optical gain, occurs at a lower temperature of about 180 K, for which the occupancy inversion factor is calculated as the difference between the probability of filling the excited state (doubly degenerate) and the double probability of filling the ground state , is 0.000748, while for a temperature of 300 K, this coefficient is 0.000176 with an area density of 10 ¹⁰ dots per 1 cm ² and a similar electron density in quantum well 6.

Claims

1. Quantum dot device for the generation of coherent far infrared radiation, which has a layer structure made mainly of gallium arsenide and two electrodes, characterized in that the layer structure is embedded between metal electrodes (1, 2), of which the lower electrode (1 ) is made in the form of a continuous conductive layer, while the upper electrode (2) is made in the form of a perforated metal layer, the layer structure with electrodes (1, 2) being a capacitor.

2. The device according to claim 1 A lower barrier (4) and an upper barrier (5) are applied to the substrate (3), characterized in that the sandwich structure sandwiched between the metal electrodes (1, 2), and a quantum well (6) between the barriers.

3. The device according to claim 1 2. The method of claim 2, characterized in that the substrate (3) is made of Al _{0] 3} Ga _{0] 7} As aluminum gallium arsenide doped with Cr.

4. The device according to claim 1 2. The method of claim 2, characterized in that the lower barrier (4) is made of a layer of undoped gallium aluminum arsenide in the form of Al0.3Ga0.7As.

5. The device according to claim 1 The method of claim 2, characterized in that the upper barrier (5) is made of a layer of undoped gallium aluminum arsenide in the form of Al0.3Ga0.7As.

6. The device according to claim 1 The method of claim 2, characterized in that the quantum well (6) is made of a GaAs gallium arsenide layer.

7. The device according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the shape and size of the openings of the upper electrode (2) define the electron-binding potential in small nanometer regions of the quantum well (6) that are quantum dots (7).

8. A method of producing inversion of occupations in a matrix of quantum dots applied with an electric field, characterized in that the voltage control signal supplied to the electrodes (1) and (2) is cyclically switched on and off, between which a semiconductor heterostructure with a thin quantum well (6) is placed , in which a spatially modulated electric field, with a perforated electrode (2), binds electrons (15) in small areas of quantum dots (7), as a result of which an inversion of electron state occupations in these dots (7) is obtained, and then coherent photons are emitted (13) in the far infrared range, with a wavelength corresponding to the energy distance between states in quantum dots (7), the voltage control signal being activated quickly and nonadiabatically.

9. The method according to p. 8. The method of claim 8, characterized in that the control signal, which switches the quantum dot matrix (7) on and off cyclically, produces cyclical inversion of the level occupancy and, consequently, an increasing number of coherent photons (13) of infrared radiation in the space between the mirrors of the optical resonator (14) up to obtaining coherent radiation of the desired power in the resonator.