n-type Ge/SiGe terahertz quantum cascade lasers are investigated using non-equilibrium Green's functions calculations. We compare the temperature dependence of the terahertz gain properties with an equivalent GaAs/AlGaAs quantum cascade laser design. In the Ge/SiGe case, the gain is found to be much more robust to temperature increase, enabling operation up to room temperature. The better temperature robustness with respect to III–V is attributed to the much weaker interaction with optical phonons. The effect of lower interface quality is investigated and can be partly overcome by engineering smoother quantum confinement.

1.
R.
Köhler
,
A.
Tredicucci
,
F.
Beltram
,
H. E.
Beere
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
,
D. A.
Ritchie
,
R. C.
Iotti
, and
F.
Rossi
,
Nature
417
,
156
(
2002
).
2.
L.
Ajili
,
G.
Scalari
,
N.
Hoyler
,
M.
Giovannini
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
141107
(
2005
).
3.
C.
Deutsch
,
A.
Benz
,
H.
Detz
,
P.
Klang
,
M.
Nobile
,
A. M.
Andrews
,
W.
Schrenk
,
T.
Kubis
,
P.
Vogl
,
G.
Strasser
 et al,
Appl. Phys. Lett.
97
,
261110
(
2010
).
4.
C.
Deutsch
,
M.
Krall
,
M.
Brandstetter
,
H.
Detz
,
A.
Andrews
,
P.
Klang
,
W.
Schrenk
,
G.
Strasser
, and
K.
Unterrainer
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
211117
(
2012
).
5.
M.
Brandstetter
,
M. A.
Kainz
,
T.
Zederbauer
,
M.
Krall
,
S.
Schönhuber
,
H.
Detz
,
W.
Schrenk
,
A. M.
Andrews
,
G.
Strasser
, and
K.
Unterrainer
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
011109
(
2016
).
6.
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
131105
(
2009
).
7.
S.
Fathololoumi
,
E.
Dupont
,
C.
Chan
,
Z.
Wasilewski
,
S.
Laframboise
,
D.
Ban
,
A.
Mátyás
,
C.
Jirauschek
,
Q.
Hu
, and
H.
Liu
,
Opt. Express
20
,
3866
(
2012
).
8.
M.
Franckié
,
L.
Bosco
,
M.
Beck
,
C.
Bonzon
,
E.
Mavrona
,
G.
Scalari
,
A.
Wacker
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
021104
(
2018
).
9.
B. S.
Williams
,
Nat. Photonics
1
,
517
(
2007
).
10.
K.
Wang
,
T.
Grange
,
T.-T.
Lin
,
L.
Wang
,
Z.
Jéhn
,
S.
Birner
,
J.
Yun
,
W.
Terashima
, and
H.
Hirayama
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
061109
(
2018
).
11.
L.
Friedman
,
G.
Sun
, and
R. A.
Soref
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
401
(
2001
).
12.
S. A.
Lynch
,
R.
Bates
,
D.
Paul
,
D.
Norris
,
A.
Cullis
,
Z.
Ikonic
,
R.
Kelsall
,
P.
Harrison
,
D.
Arnone
, and
C.
Pidgeon
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
1543
(
2002
).
13.
L.
Lever
,
A.
Valavanis
,
Z.
Ikonić
, and
R.
Kelsall
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
021124
(
2008
).
14.
G.
Matmon
,
D.
Paul
,
L.
Lever
,
M.
Califano
,
Z.
Ikonić
,
R.
Kelsall
,
J.
Zhang
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
H.
Von Känel
 et al,
J. Appl. Phys.
107
,
053109
(
2010
).
15.
K.
Driscoll
and
R.
Paiella
,
J. Appl. Phys.
102
,
093103
(
2007
).
16.
A.
Valavanis
,
L.
Lever
,
C.
Evans
,
Z.
Ikonić
, and
R.
Kelsall
,
Phys. Rev. B
78
,
035420
(
2008
).
17.
A.
Valavanis
,
T.
Dinh
,
L.
Lever
,
Z.
Ikonić
, and
R.
Kelsall
,
Phys. Rev. B
83
,
195321
(
2011
).
18.
M.
De Seta
,
G.
Capellini
,
Y.
Busby
,
F.
Evangelisti
,
M.
Ortolani
,
M.
Virgilio
,
G.
Grosso
,
G.
Pizzi
,
A.
Nucara
, and
S.
Lupi
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
051918
(
2009
).
19.
Y.
Busby
,
M.
De Seta
,
G.
Capellini
,
F.
Evangelisti
,
M.
Ortolani
,
M.
Virgilio
,
G.
Grosso
,
G.
Pizzi
,
P.
Calvani
,
S.
Lupi
 et al,
Phys. Rev. B
82
,
205317
(
2010
).
20.
M.
De Seta
,
G.
Capellini
,
M.
Ortolani
,
M.
Virgilio
,
G.
Grosso
,
G.
Nicotra
, and
P.
Zaumseil
,
Nanotechnology
23
,
465708
(
2012
).
21.
M.
Ortolani
,
D.
Stehr
,
M.
Wagner
,
M.
Helm
,
G.
Pizzi
,
M.
Virgilio
,
G.
Grosso
,
G.
Capellini
, and
M.
De Seta
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
201101
(
2011
).
22.
M.
Virgilio
,
M.
Ortolani
,
M.
Teich
,
S.
Winnerl
,
M.
Helm
,
D.
Sabbagh
,
G.
Capellini
, and
M.
De Seta
,
Phys. Rev. B
89
,
045311
(
2014
).
23.
D.
Sabbagh
,
J.
Schmidt
,
S.
Winnerl
,
M.
Helm
,
L.
Di Gaspare
,
M.
De Seta
,
M.
Virgilio
, and
M.
Ortolani
,
ACS Photonics
3
,
403
(
2016
).
24.
M.
Virgilio
,
G.
Grosso
,
G.
Pizzi
,
M.
De Seta
,
G.
Capellini
, and
M.
Ortolani
,
Phys. Rev. B
86
,
205317
(
2012
).
25.
C.
Ciano
,
M.
Virgilio
,
M.
Montanari
,
L.
Persichetti
,
L. D.
Gaspare
,
M.
Ortolani
,
L.
Baldassarre
,
M. H.
Zoellner
,
O.
Skibitzki
,
G.
Scalari
,
J.
Faist
,
M. S. D. J.
Paul
,
G.
Nicotra
,
S. B. T.
Grange
,
G.
Capellini
, and
M. D.
Seta
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014003
(
2019
).
26.
L.
Lever
,
A.
Valavanis
,
C.
Evans
,
Z.
Ikonić
, and
R.
Kelsall
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
131103
(
2009
).
27.
T.
Dinh
,
A.
Valavanis
,
L.
Lever
,
Z.
Ikonić
, and
R.
Kelsall
,
Phys. Rev. B
85
,
235427
(
2012
).
28.
M. I.
Amanti
,
G.
Scalari
,
R.
Terazzi
,
M.
Fischer
,
M.
Beck
,
J.
Faist
,
A.
Rudra
,
P.
Gallo
, and
E.
Kapon
,
New J. Phys.
11
,
125022
(
2009
).
29.
S.-C.
Lee
and
A.
Wacker
,
Phys. Rev. B
66
,
245314
(
2002
).
30.
R.
Nelander
and
A.
Wacker
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
081102
(
2008
).
31.
T.
Kubis
,
C.
Yeh
,
P.
Vogl
,
A.
Benz
,
G.
Fasching
, and
C.
Deutsch
,
Phys. Rev. B
79
,
195323
(
2009
).
32.
33.
34.
T.-T.
Lin
,
L.
Wang
,
K.
Wang
,
T.
Grange
, and
H.
Hirayama
,
Appl. Phys. Express
11
,
112702
(
2018
).
35.
D. O.
Winge
,
M.
Franckié
,
C.
Verdozzi
,
A.
Wacker
, and
M. F.
Pereira
,
J. Phys.: Conf. Ser.
696
,
012013
(
2016
).
36.
F.
Stern
and
W. E.
Howard
,
Phys. Rev.
163
,
816
(
1967
).
37.
M.
Rösch
,
G.
Scalari
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Nat. Photonics
9
,
42
(
2015
).
38.
M.
Califano
,
N.
Vinh
,
P.
Phillips
,
Z.
Ikonić
,
R.
Kelsall
,
P.
Harrison
,
C.
Pidgeon
,
B.
Murdin
,
D.
Paul
,
P.
Townsend
 et al,
Phys. Rev. B
75
,
045338
(
2007
).
39.
Y.
Bai
,
N.
Bandyopadhyay
,
S.
Tsao
,
E.
Selcuk
,
S.
Slivken
, and
M.
Razeghi
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
251104
(
2010
).
40.
M.
Semtsiv
,
Y.
Flores
,
M.
Chashnikova
,
G.
Monastyrskyi
, and
W.
Masselink
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
163502
(
2012
).
41.
G.
Sun
,
H. H.
Cheng
, and
J.
Menendez
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
251105
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.