láser de cascada interbanda

En cada etapa de cascada, las capas delgadas de InAs actúan como capas de pozos cuánticos (QW) confinados para electrones y barreras para huecos . Las capas de GaSb (o GaInSb) actúan, por el contrario, como QW para huecos y barreras para electrones, mientras que las capas de AlSb sirven como barreras tanto para electrones como para huecos. La característica clave que permite la realización de la cascada dentro de un diodo interbanda es la llamada alineación de bandas de "tipo II" o brecha rota, entre InAs y GaSb. Mientras que en la clase más común de QW de tipo I tanto los electrones como los huecos están confinados dentro de la misma capa de material, el sistema InAs-GaSb es de tipo II porque el mínimo de la banda de conducción de InAs se encuentra a una energía más baja que el máximo de la banda de valencia de GaSb. Esta disposición menos común hace que sea fácil reinyectar electrones desde la banda de valencia de una etapa del ICL a la banda de conducción de la siguiente etapa a través de una simple dispersión elástica .

Cada etapa en cascada actúa efectivamente como un generador de fotones individual. Una sola etapa se compone de un inyector de electrones, un inyector de huecos y una región de ganancia activa que consta de un pozo cuántico de huecos y uno o dos pozos cuánticos de electrones. ^{[ 7 ]} Cuando el dispositivo está polarizado, se generan electrones y huecos en exceso que fluyen hacia la región activa , donde se recombinan y emiten luz. Para minimizar las pérdidas ópticas en la interfaz semimetálica que forma el límite entre los inyectores de electrones y huecos, se coloca una capa de AlSb entre las capas de InAs y GaSb para evitar la reabsorción interbanda de los fotones generados.

Una región activa típica emplea la configuración de pozo cuántico en forma de "W". En este diseño, el pozo cuántico de huecos de GaInSb se encuentra intercalado entre dos pozos cuánticos de electrones de InAs, que a su vez están rodeados por dos capas barrera de AlSb. Esta disposición maximiza la ganancia óptica al aumentar la superposición espacial entre las funciones de onda de electrones y huecos , que nominalmente se encuentran separadas en capas diferentes. La longitud de onda de emisión láser, determinada por la banda prohibida creada entre los niveles de energía del estado fundamental de electrones y huecos, puede variarse simplemente modificando el espesor del pozo cuántico de electrones de InAs (mientras que es mucho menos sensible al espesor del pozo cuántico de huecos).

Las dos regiones inyectoras están diseñadas para transferir eficientemente sus respectivos portadores (electrones o huecos) desde la interfaz semimetálica a la región activa. También deben funcionar como barreras rectificadoras para el tipo opuesto de portador, con el fin de evitar corrientes de fuga entre etapas. El inyector total (inyector de electrones más inyector de huecos) debe tener un grosor suficiente para evitar que los campos eléctricos generados bajo polarización alcancen la magnitud necesaria para provocar la ruptura dieléctrica del material. El inyector de electrones suele ser más largo debido a la mayor velocidad de dispersión entre pozos cuánticos de los electrones en comparación con la de los huecos. Esto garantiza una menor contribución de la resistencia en serie al transporte total del inyector. El inyector de huecos está compuesto por pozos cuánticos de GaSb/AlSb. Su grosor es el justo (normalmente con uno o dos pozos) para asegurar una supresión efectiva del efecto túnel de electrones desde la región activa al inyector de electrones de la siguiente etapa. El inyector de electrones suele consistir en una serie más larga de pozos cuánticos de InAs/AlSb. Para maximizar el ancho de banda de la minibanda de la superred InAs/AlSb, se varían los espesores de las capas de InAs a lo largo del inyector de manera que sus energías del estado fundamental se alineen casi por completo cuando el dispositivo está polarizado. Las brechas de energía de los pozos cuánticos en el inyector deben ser lo suficientemente grandes como para evitar la reabsorción de los fotones generados por los pozos cuánticos activos.

Una característica adicional que diferencia al ICL de todos los demás diodos láser es su provisión para operación bombeada eléctricamente sin una unión pn . Esto es posible porque los inyectores funcionan como barreras rectificadoras que mantienen la corriente fluyendo en una sola dirección. Sin embargo, es altamente ventajoso dopar ciertas capas en cada etapa de cascada como un medio para controlar las densidades activas de electrones y huecos, a través de una técnica de diseño llamada "reequilibrio de portadores". ^{[ 6 ]} Si bien la combinación más favorable de poblaciones de electrones y huecos depende de las fuerzas relativas de varios procesos de absorción de portadores libres y recombinación Auger, los estudios realizados hasta ahora indican que el rendimiento del ICL es óptimo cuando en el umbral las dos concentraciones son aproximadamente iguales. ^{[ 6 ]} Dado que la población de huecos tiende a exceder sustancialmente la población de electrones en ICL sin dopar o moderadamente dopados, el reequilibrio de portadores se logra mediante un fuerte dopaje n del inyector de electrones (típicamente, con Si ) para agregar electrones a los QW activos.

La ganancia dentro de una guía de ondas determinada necesaria para alcanzar el umbral de láser viene dada por la ecuación:

${\displaystyle g_{th}={\frac {\alpha _{wg}+\alpha _{mirr}}{\Gamma }}}$

donde α _wg es la pérdida de la guía de onda, α _mirr es la pérdida del espejo y Γ es el factor de confinamiento óptico. La pérdida del espejo se debe a los fotones que escapan a través de los espejos del resonador óptico . Las pérdidas de la guía de onda pueden deberse a la absorción en el confinamiento activo, separado, los materiales del revestimiento óptico y los contactos metálicos (si los revestimientos no son lo suficientemente gruesos), o resultar de la dispersión en las paredes laterales de la cresta. El factor de confinamiento es el porcentaje de la energía óptica concentrada en las etapas de la cascada. Al igual que con otros láseres semiconductores, los ICL tienen una compensación entre la pérdida óptica en la guía de onda y Γ. El objetivo general del diseño de la guía de onda es encontrar la estructura adecuada que minimice la ganancia umbral.

La elección del material de la guía de ondas depende del sustrato utilizado. Para los ICL cultivados en GaSb, las capas de confinamiento separadas suelen ser de GaSb con bajo dopaje, mientras que las capas de revestimiento óptico son superredes de InAs/AlSb con coincidencia de red con el sustrato de GaSb. El revestimiento inferior debe ser bastante grueso para evitar la fuga del modo guiado hacia el sustrato, ya que el índice de refracción del GaSb (aproximadamente 3,8) es mayor que el índice efectivo del modo láser (típicamente 3,4-3,6).

Una configuración de guía de onda alternativa adecuada para el crecimiento en sustratos de InAs utiliza InAs altamente dopado con n para el revestimiento óptico. ^{[ 8 ]} La alta densidad electrónica en esta capa reduce el índice de refracción de acuerdo con el modelo de Drude . En este enfoque, la estructura epitaxial se cultiva en un sustrato de InAs de tipo n y también utiliza InAs para las capas de confinamiento separadas. Para el funcionamiento de longitud de onda más larga, las ventajas incluyen la conductividad térmica mucho mayor del InAs masivo en comparación con una superred de InAs/AlSb de período corto, así como una capa de revestimiento mucho más delgada debido a su mayor contraste de índice con la región activa. Esto acorta el tiempo de crecimiento MBE y también mejora aún más la disipación térmica. Sin embargo, la guía de onda debe diseñarse cuidadosamente para evitar pérdidas excesivas por absorción de portadores libres en las capas fuertemente dopadas.