界面粗糙散射：决定 GaN 太赫兹量子级联激光器性能的关键因素

摘要

我们利用非平衡格林函数（NEGF）形式，研究界面粗糙度（IFR）、非故意掺杂（n.i.d.）和合金无序（AD）对 GaN 基太赫兹量子级联激光器（QCL）光增益的影响。模拟显示：合金无序对增益影响可忽略；非故意掺杂须控制在 1×10¹⁷ cm⁻³ 以下以避免电子-杂质散射和自由载流子吸收；最关键的是，界面粗糙散射主导光增益退化，凸显制造过程中精确控制的必要性。模型预测 300 K 下峰值增益 60 cm⁻¹，证明室温 GaN THz QCL 可行性。

引言

太赫兹（THz）光谱窗口在安检、医学成像、高速通信等领域极具应用前景，但实用紧凑辐射源稀缺。量子级联激光器（QCL）是固态 THz 发射器的主要候选。GaAs 基 QCL 最高工作温度 ~200 K，而 GaN 高纵向光学（LO）声子能量（92 meV）为室温工作和更宽频率范围（1–15 THz）提供路径。近年 GaN THz QCL 取得 10–13 THz 亚能带（ISB）吸收进展，理论模型指出 LO-声子相互作用为关键限制。然而，生长相关缺陷——界面粗糙度（IFR）、非故意掺杂（n.i.d.）、合金无序（AD）——对光增益影响尚未完全量化。本工作在现有研究基础上，量化这些散射机制对光增益的影响，并确认 IFR 为主要退化因素。

方法

高质量 GaN THz QCL 需厚有源区和低位错密度，因 GaN/AlGaN 晶格失配极具挑战。外延生长引入额外散射源：表面粗糙度导致的 IFR、残余杂质（主要氧）导致的 n.i.d.、Ga 表面偏析和 Al 原子迁移率导致的 AD。我们采用 NEGF 形式，基于 Nextnano QCL 套件建模三量子阱共振声子设计——目前 GaN THz QCL 最高温配置。单周期层序列（nm）为 1.6/6.2/1.6/3.4/1.0/3.4，6.2 nm 量子阱 n 型掺杂 5×10¹⁷ cm⁻³。图 1 展示设计结构、导带轮廓、包络函数平方及 -84.5 kV cm⁻¹ 偏压下 10 K 载流子密度。

模拟采用 PAMBE 生长 GaN/AlGaN 典型参数：IFR 振幅 0.25 nm，相关长度 1 nm；n.i.d. 浓度 1×10¹⁷ cm⁻³；同时包含 AD 散射。这些值反映典型实验条件。

结果与讨论

图 2(a) 展示四种配置的计算光增益谱：完整参考模型（IFR、n.i.d.、AD），及各省略一种散射机制的模型。10 K 下参考结构在 8.7 THz 给出峰值增益 142 cm⁻¹。移除 n.i.d. 峰值降至 127 cm⁻¹（8.46 THz），因额外施主电子移除导致上态电子数减少。但阈值电流密度也下降，表明杂质散射阻碍载流子输运。消除 AD 影响微乎其微：峰值增益仅增 3% 至 147 cm⁻¹，同频率，反映低 Al 含量（15%）设计中合金无序作用微弱。相比之下，移除 IFR 峰值跃升至 191 cm⁻¹（8.7 THz）且降低阈值电流，增益提升 34%。IFR 因此通过将电子从激光跃迁散射出而主导光增益损失。

为探究 IFR 敏感性，我们在保持相关长度 1 nm 下将粗糙度振幅增至 0.5 nm 和 0.75 nm。图 3 显示剧烈下降：峰值增益降至 47.9 cm⁻¹（0.5 nm），在 0.75 nm 变负（–8.8 cm⁻¹），有效抑制激射。电流-电压曲线显示电流密度增加、共振隧穿减弱，确认 IFR 散射在现实条件下超越共振隧穿。结果与早期 GaAs 研究一致，强调外延生长中必须将 IFR 控制在 0.5 nm 以下。

最后，评估参考模型（IFR=0.25 nm、n.i.d.、AD）的温度依赖性。图 4 指出峰值增益在 150 K 前保持稳定（~142 cm⁻¹），随后下降至 300 K 时 61 cm⁻¹。下降由热回填和增强 LO-声子散射驱动，但增益仍高于 GaN 双金属波导 30 cm⁻¹ 损耗，确认器件可室温工作。与 GaAs THz QCL 相比，GaN 更高掺杂、更低折射率、更薄周期带来更高光增益，10 K 下 142 cm⁻¹ 峰值即为证。

结论

我们对 8.7 THz GaN THz QCL 进行了全面 NEGF 研究。设计在 10 K 产生 142 cm⁻¹ 增益，300 K 下 60 cm⁻¹，确认室温可行性。合金无序影响微乎其微（<5% 增益变化）。非故意掺杂须限制在 ≤1×10¹⁷ cm⁻³ 以避免能带错位和过度杂质散射。界面粗糙度主导光增益退化；维持 IFR <0.5 nm 对正增益至关重要。这些洞见为优化 GaN THz QCL 制造走向实用高温器件提供具体指导。

数据与材料可用性

本研究生成/分析的数据集可向通讯作者合理请求获取。

缩略语

AD

合金无序

IFR

界面粗糙度

ISB

亚能带

n.i.d.

非故意掺杂

NEGF

非平衡格林函数

QCL

量子级联激光器