PL203033B1 - Urządzenie na kropkach kwantowych do generacji koherentnego promieniowania w dalekiej podczerwieni i sposób wytwarzania inwersji obsadzeń w matrycy kropek kwantowych zadawanych polem elektrycznym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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)

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.

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.

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.

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.

P r z y 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 niedo4

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.

P r z y 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.

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.

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.

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 inwersji

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.

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.

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.

Claims (9)

1. Urządzenie na kropkach kwantowych do generacji koherentnego promieniowania w dalekiej podczerwieni, które ma strukturę warstwową wykonaną głównie z arsenku galu i dwie elektrody, znamienne tym, że struktura warstwowa jest osadzona pomiędzy metalowymi elektrodami (1, 2), z których elektroda dolna (1) wykonana jest w postaci warstwy przewodzącej ciągłej, natomiast elektroda górna (2) jest wykonana w postaci warstwy metalowej perforowanej, przy czym struktura warstwowa z elektrodami (1, 2) stanowi kondensator.

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura warstwowa osadzona 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).

3. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że podłoże (3) wykonane jest z arsenku galowo-glinowego Al_0]3Ga_0]7As domieszkowanego chromem Cr.

4. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że bariera dolna (4) wykonana jest z warstwy niedomieszkowanego arsenku galowo-glinowego w postaci Al0,3Ga0,7As.

5. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że bariera górna (5) wykonana jest z warstwy niedomieszkowanego arsenku galowo-glinowego w postaci Al0,3Ga0,7As.

6. Urządzenie, według zastrz. 2, znamienne tym, że studnia kwantowa (6) wykonana jest z warstwy arsenku galu GaAs.

7. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że kształt i rozmiary otworków elektrody górnej (2) określają potencjał wiążący elektrony w małych nanometrowych obszarach studni kwantowej (6), które stanowią kropki kwantowe (7).

8. Sposób wytwarzania inwersji obsadzeń w matrycy kropek kwantowych zadawanych polem elektrycznym, znamienny tym, że cyklicznie włącza się i wyłącza napięciowy sygnał sterujący doprowadzony do elektrod (1) i (2), pomiędzy którymi jest umieszczona półprzewodnikowa heterostruktura z cienką studnią kwantową (6), w której przestrzennie zmodulowane pole elektryczne, elektrodą perforowaną (2), wiąże elektrony (15) w małych obszarach kropek kwantowych (7), w wyniku czego uzyskuje się inwersję obsadzeń stanów elektronowych w tych kropkach (7), po czym emituje się koherentne fotony (13) w zakresie dalekiej podczerwieni, o długości fali odpowiadającej odległości energetycznej między stanami w kropkach kwantowych (7), przy czym napięciowy sygnał sterujący włącza się szybko i nieadiabatycznie.

9. Sposób, według zastrz. 8, znamienny tym, że sygnałem sterującym, którym włącza się i wyłącza cyklicznie matrycę kropek kwantowych (7), wytwarza się cyklicznie inwersję obsadzeń poziomów i w konsekwencji narastającą liczbę koherentnych fotonów (13) promieniowania podczerwonego w przestrzeni pomiędzy lustrami rezonatora optycznego (14) aż do uzyskania w rezonatorze promieniowania koherentnego o pożądanej mocy.