Abstract
Nonequilibrium Green's function (NEGF) calculations of mid-infrared quantum cascade laser (QCL) that preserve real-space basis have been performed. The approach developed in this paper relies on two improvements introduced to nonequilibrium Green's functions/Poisson computational scheme. First, the boundaries of single laser stage were carefully designed as to maintain its periodicity with the whole quantum cascade structure. Second, the NEGF/Poisson solver was equipped with several controlling features that enable the restoration of convergence of the method for quite complex structures with many resonances and boundary conditions for Poisson equation set inside the structure. With this simulation tool, calculations for an anticrossed diagonal design of mid-infrared QCL have been performed. Results agree with experimental data (threshold current of ~4.2 kA/cm2 at material gain of ~70/cm) and the current understanding of carrier transport in such devices
چکیده
در این مقاله محاسبه توابع گرین غیرتعادلی در لیزر سری کوانتمی مادون قرمز که مبنای فضای حقیقی را حفظ می کند، انجام شده است. روش توسعه داده شده در این مقاله متکی بر دو بهبود عملکرد معرفی شده جهت توابع گرین غیرمتعادل/روش محاسباتی پواسون است. در ابتدا، مرزهای سطح یک لیزر جهت حفظ خاصیت متناوب بودن آن با کل ساختار سری کوانتمی، طراحی می شود. سپس یک حل کننده پواسون/NEGF با چندین ویژگی کنترلی که همگرایی روش را برای ساختارهای کاملاً پیچیده با منابع زیاد تضمین کرده و شرایط مرزی را برای مجموعه معادلات پواسون در داخل ساختار، قادر به بازسازی می کند، استفاده می شود. با استفاده از ابزار شبیه سازی، محاسبات لازم برای یک طراحی قطری ضدعبور در QCL مادون قرمز انجام شده است. نتایج به دست آمده با داده های تجربی(آستانه جریان 4.2 کیلوآمپر/سانتی متر در بهره ماده تقریبا 70 سانتی متر) و جریان عبوری حامل در چنین تجهیزاتی تطابق دارد.
1- 1-مقدمه
روش تابع گرین غیرتعادلی برای مطالعه پدیده انتقال کوانتمی توسط (Keldysh(1 شرح و بسط داده شده و Kadanoff و (Baym(2 اثبات کردند که این یک روش قدرتمند جهت تحلیل های فیزیکی است. افزایش ظرفیت و سرعت در کامپیوترهای امروزی سبب موثر بودن این روش در تحلیل های کمّی در مسائل دنیای حقیقی شده است، یک مثال مهم در این حوزه، مدلسازی تجهیزات نانوالکترونیک است. تحقیقات بسیار موفقی توسط Lake و همکارانش در فرموله کردن تابع گرین غیرتعادلی انجام شده است. به عنوان مثال دیودهای تونل رزونانس(4)، ترانزیستور اثر میدانی(5)، نانولوله های کربنی(6)، دیودهای انتشار نور(9)، و لیزرهای سری کوانتمی(10-19)، با موفقیت به مدل اعمال شده است. برای حالت دوم موضوع مهم شرایط مرزی اعمال شده به ساختار شبیه سازی شده است که باید از متناوب بودن وسیله حقیقی پیروی کند...