Quantum cascade lasers (QCLs) are compact sources that have demonstrated high output powers at terahertz (THz) frequencies. To date, all THz QCLs have been realized in III-V materials. Results are presented from Si1xGex quantum cascade superlattice designs emitting at around 3 THz which have been grown in two different chemical vapor deposition systems. The key to achieving successful electroluminescence at THz frequencies in a p-type system has been to strain the light-hole states to energies well above the radiative subband states. To accurately model the emission wavelengths, a 6-band kp tool which includes the effects of nonabrupt heterointerfaces has been used to predict the characteristics of the emitters. X-ray diffraction and transmission electron microscopy have been used along with Fourier transform infrared spectroscopy to fully characterize the samples. A number of methods to improve the gain from the designs are suggested.

1.
R. M.
Woodward
,
B. E.
Cole
,
V. P.
Wallace
,
R. J.
Pye
,
D. D.
Arnone
,
E. H.
Linfield
, and
M.
Pepper
,
Phys. Med. Biol.
47
,
3853
(
2002
).
2.
M. C.
Kemp
,
P. F.
Taday
,
B. E.
Cole
,
J. A.
Cluff
,
A. J.
Fitzgerald
, and
W. R.
Tribe
,
Proc. SPIE
5070
,
44
(
2003
).
3.
A. J.
Fitzgerald
,
B. E.
Cole
, and
P. F.
Taday
,
J. Pharm. Sci.
94
,
177
(
2005
).
4.
P. H.
Siegel
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
50
,
910
(
2002
).
5.
M.
Tonouchi
,
Nat. Photonics
1
,
97
(
2007
).
6.
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 (London)
417
,
156
(
2002
).
7.
B. S.
Williams
,
Nat. Photonics
1
,
517
(
2007
).
8.
G.
Scalari
,
C.
Walther
,
M.
Fischer
,
R.
Terazzi
,
H.
Beere
,
D.
Ritchie
, and
J.
Faist
,
Laser Photonics Rev.
3
,
45
(
2009
).
9.
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Electron. Lett.
42
,
89
(
2006
).
10.
M. A.
Belkin
,
J. A.
Fan
,
S.
Hormoz
,
F.
Capasso
,
S. P.
Khanna
,
M.
Lachab
,
A. G.
Davies
, and
E. H.
Linfield
,
Opt. Express
16
,
3242
(
2008
).
11.
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
131105
(
2009
).
12.
D. J.
Paul
,
Semicond. Sci. Technol.
19
,
R75
(
2004
).
13.
D. J.
Paul
,
Laser Photonics Rev.
(in press).
14.
S. A.
Lynch
,
S. S.
Dhillon
,
R.
Bates
,
D. J.
Paul
,
D. D.
Arnone
,
D. J.
Robbins
,
Z.
Ikonic
,
R. W.
Kelsall
,
P.
Harrison
,
D. J.
Norris
,
A. G.
Cullis
,
C. R.
Pidgeon
,
P.
Murzyn
, and
A.
Loudon
,
Mater Sci. Eng., B
89
,
10
(
2002
).
15.
S. A.
Lynch
,
R.
Bates
,
D. J.
Paul
,
D. J.
Norris
,
A. G.
Cullis
,
Z.
Ikonic
,
R. W.
Kelsall
, and
P.
Harrison
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
1543
(
2002
).
16.
R.
Bates
,
S. A.
Lynch
,
D. J.
Paul
,
Z.
Ikonic
,
R. W.
Kelsall
,
P.
Harrison
,
S. L.
Liew
,
D. J.
Norris
,
A. G.
Cullis
,
W. R.
Tribe
, and
D. D.
Arnone
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
4092
(
2003
).
17.
S. A.
Lynch
,
D. J.
Paul
,
P.
Townsend
,
G.
Matmon
,
Z.
Suet
,
R. W.
Kelsall
,
Z.
Ikonic
,
P.
Harrison
,
J.
Zhang
,
D. J.
Norris
,
A. G.
Cullis
,
C. R.
Pidgeon
,
P.
Murzyn
,
B.
Murdin
,
M.
Bain
,
H. S.
Gamble
,
M.
Zhao
,
W. -X.
Ni
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
12
,
1570
(
2006
).
18.
P.
Murzyn
,
C. R.
Pidgeon
,
J. -P. R.
Wells
,
I. V.
Bradley
,
Z.
Ikonic
,
R. W.
Kelsall
,
P.
Harrison
,
S. A.
Lynch
, and
D. J.
Paul
,
D. D.
Arnone
,
D. J.
Robbins
,
D.
Norris
, and
A. G.
Cullis
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
1456
(
2002
).
19.
R. W.
Kelsall
,
Z.
Ikonic
,
P.
Murzyn
,
C. R.
Pidgeon
,
P. J.
Phillips
,
D.
Carder
,
P.
Harrison
,
S. A.
Lynch
,
P.
Townsend
,
D. J.
Paul
,
S. L.
Liew
,
D. J.
Norris
, and
A. G.
Cullis
,
Phys. Rev. B
71
,
115326
(
2005
).
20.
C. R.
Pidgeon
,
P. J.
Phillips
,
D.
Carder
,
B. N.
Murdin
,
T.
Fromherz
,
D. J.
Paul
,
W. -X.
Ni
, and
M.
Zhao
,
Semicond. Sci. Technol.
20
,
L50
(
2005
).
21.
M.
Califano
,
N. Q.
Vinh
,
P. J.
Phillips
,
Z.
Ikonic
,
R. W.
Kelsall
,
P.
Harrison
,
C. R.
Pidgeon
,
B. N.
Murdin
,
D. J.
Paul
,
P.
Townsend
,
I. M.
Ross
, and
A. G.
Cullis
,
Phys. Rev. B
75
,
045338
(
2007
).
22.
P.
See
,
D. J.
Paul
,
B.
Hollander
,
S.
Mantl
,
I. V.
Zozoulenko
, and
K. -F.
Bergren
,
IEEE Electron Device Lett.
22
,
182
(
2001
).
23.
P.
See
and
D. J.
Paul
,
IEEE Electron Device Lett.
22
,
582
(
2001
).
24.
J.
Faist
,
M.
Beck
,
T.
Aellen
, and
E.
Gini
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
147
(
2001
).
25.
D. J.
Paul
,
G.
Matmon
,
P.
Townsend
,
J.
Zhang
,
M.
Zhao
, and
W. -X.
Ni
,
Inst. Electron. Telecommun. Eng. J. Res.
53
,
285
(
2007
).
26.
L.
Diehl
,
S.
Menteşe
,
E.
Müller
,
D.
Grützmacher
,
H.
Sigg
,
U.
Gensser
,
I.
Sagnes
,
Y.
Campidelli
,
O.
Kermarrec
,
D.
Bensahel
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
4700
(
2002
).
27.
Z.
Ikonić
,
P.
Harrison
, and
R. W.
Kelsall
,
J. Appl. Phys.
96
,
6803
(
2004
).
28.
L.
Lever
, in
Proceedings of the Ninth International Conference on Intersubband Transitions in Quantum Wells
, edited by
D.
Indjin
,
Z.
Ikonic
,
P.
Harrison
, and
R. W.
Kelsall
(
IOP
, London,
2007
), Vol.
9
, p.
19
.
29.
M.
Meduna
,
J.
Novák
,
G.
Bauer
,
V.
Holý
,
C. V.
Falub
,
S.
Tsujino
, and
D.
Grützmacher
,
Semicond. Sci. Technol.
22
,
447
(
2007
).
30.
I. M.
Ross
,
M.
Gass
,
T.
Walther
,
A.
Bleloch
,
A. G.
Cullis
,
L.
Lever
,
Z.
Ikonic
,
M.
Califano
,
R. W.
Kelsall
,
J.
Zhang
, and
D. J.
Paul
, in
Springer Proceedings in Physics
, edited by
A. G.
Cullis
and
P. A.
Midgley
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2008
), Vol.
120
, pp.
269
272
.
31.
G.
Isella
,
Solid-State Electron.
48
,
1317
(
2004
).
32.
Z.
Suet
,
D. J.
Paul
,
J.
Zhang
, and
S. G.
Turner
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
203501
(
2007
).
33.
C.
Sirtori
,
F.
Capasso
,
J.
Faist
,
A. L.
Hutchinson
,
D. L.
Sivco
, and
A. Y.
Cho
,
IEEE J. Quantum Electron.
34
,
1722
(
1998
).
34.
S. A.
Lynch
,
P.
Townsend
,
G.
Matmon
,
D. J.
Paul
,
M.
Bain
,
H. S.
Gamble
,
J.
Zhang
,
Z.
Ikonic
,
R. W.
Kelsall
, and
P.
Harrison
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
101114
(
2005
).
35.
C.
Worral
,
J.
Alton
,
M.
Haughton
,
S.
Barbieri
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
, and
C.
Sirtori
,
Opt. Express
14
,
171
(
2006
).
36.
K.
Driscoll
and
R.
Paiella
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
191110
(
2006
).
37.
A.
Valavanis
,
L.
Lever
,
C. A.
Evans
,
Z.
Ikonic
, and
R. W.
Kelsall
,
Phys. Rev. B
78
,
035420
(
2008
).
38.
A.
Valavanis
,
Z.
Ikonić
, and
R. W.
Kelsall
,
J. Opt. A, Pure Appl. Opt.
11
,
054012
(
2009
).
39.
M.
Bonfanti
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
,
M.
Virgilio
,
G.
Grosso
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
H.
von Känel
, and
A.
Neels
,
Phys. Rev. B
78
,
041407
(R) (
2008
).
40.
C.
Lange
,
N. S.
Köster
,
S.
Chatterjee
,
H.
Sigg
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
H.
von Känel
,
M.
Schäfer
,
M.
Kira
, and
S. W.
Koch
,
Phys. Rev. B
79
,
201306
(R) (
2009
).
41.
Y. H.
Kuo
,
Y. K.
Lee
,
Y.
Gee
,
S.
Ren
,
J. E.
Roth
,
T. I.
Kamins
,
D. A. B.
Miller
, and
J. S.
Harris
,
Nature (London)
437
,
1334
(
2005
).
42.
S.
Tsujino
,
H.
Sigg
,
G.
Mussler
,
D.
Chrastina
, and
H.
von Känel
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
262119
(
2006
).
43.
M.
Virgilio
,
M.
Bonfanti
,
D.
Chrastina
,
A.
Neels
,
G.
Isella
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
,
G.
Grosso
,
H.
Sigg
, and
H.
von Känel
,
Phys. Rev. B
79
,
075323
(
2009
).
You do not currently have access to this content.