AlGaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法，它涉及太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法。方法：一、确定一维有效质量薛定谔方程中所需的参数；二、求解薛定谔方程；三、计算ΔE21、ΔE32、和ΔE1′3；四、判断；五、搜索最佳结构；六、输出结构。本发明专利技术的有源区由n个周期构成，每个周期由三个势垒层和三个势阱层构成。本发明专利技术能够应用于太赫兹量子级联激光器有源区的设计上。本发明专利技术的优点在于充分利用纵向光学声子散射原理与隧穿原理，同时可以搜索出最佳的有源区结构。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法。
技术介绍
太赫兹波是指频率在0. ITHz-lOTHz，介于微波和红外光之间的电磁波。太赫兹技术在材料表征、医学诊断、环境检测、宽带无线通信以及短距离无线保密通信等领域都有广泛的应用前景。太赫兹辐射源是太赫兹技术的关键器件。基于多量子阱级联结构的太赫兹量子级联激光器是一种全固态、相干的THz辐射源。它是一种单极器件，电子在导带子能级之间的跃迁发射光子。1994年贝尔实验室第一次实现了中红外量子级联激光器之后，意大利和英国的科学家于2002年又合作研制成功了世界是第一个太赫兹量子级联激光器。在短短的几年内，太赫兹量子级联激光器经历了快速的发展，包括更宽的激射频率，更高的工作温度以及更低的阈值电流密度。目前，太赫兹的频率范围为1. 2-4. 8THz，最高工作温度为 200K左右，最高输出功率为M8mW。另外，在太赫兹研制过程中，材料生长是第一个需要解决的问题。因为太赫兹量子级联激光器的有源区厚度要比中红外量子级联激光器更厚，而单个量子阱的厚度更薄。所以精确控制材料生长的厚度以及界面质量显得尤为重要。最近有很多太赫兹量子级联激光器有源区的研究工作正在开展，其中大部分是通过分子束外延技术和金属有机化学气相沉积方法来生长有源区结构。高质量的量子级联激光器有源区材料是实现大功率、高工作温度和低阈值电流密度量子级联激光器的基础。盲目的生产，只能浪费材料、损耗生产设备和延长研发时间，以至于最后生产的失败。可见有源区各层的材料厚度、掺杂浓度及外加电场的前期精确计算、模拟设计更为重要。该领域的许多专利技术专利都只是涉及有源区材料的生长技术、太赫兹波导技术、太赫兹成像技术及太赫兹检测技术，如中国专利号为ZL03804757. 8，为“产生太赫兹辐射的装置以及半导体元件”的专利；中国专利号为ZL03U9509. 6，名称为“半导体太赫兹相干光源器件”的专利；中国专利号为ZL2007100438228，名称为“单面金属波导太赫兹量子级联激光器及制作方法”的专利。目前，尚未研制出基于GaN/AlGaN材料的量子级联激光器，关于GaAs/AlGaAs和硅材料的太赫兹激光器已经研制成功，如申请号为2008100361273，名称为“工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法”，申请号为2008100340775，名称为“半导体硅太赫兹激光源器件”。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种AWaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法。本专利技术AWaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法，实现该方法的步骤如下步骤一、确定一维有效质量薛定谔方程中所需的参数含有效质量的薛定谔方程为权利要求1.，其特征在于，实现该方法的步骤如下步骤一、确定一维有效质量薛定谔方程中所需的参数 含有效质量的薛定谔方程为-V^-Mm ^Tl + [組 + eFz^' = Ε'ψ ‘ 2 dz、m [ζ) az J其中的ζ为材料的生长方向，Ei为电子的第i个本征能量，&为与Ei相对应的电子波函数，ιΑζ)为电子的有效质量，在量子阱GaN中nf(z)为< =0.22m。，而在势垒AlGaN中 m*(z)为< =0.3 + 0.22(1-χ)，其中χ为AlGaN中Al的原子百分含量；其中的Δυ为两种半导体材料的导带势能偏移量，F为外加电场与内建电场强度的总和；步骤二、求解薛定谔方程设定有源区单周期的初始结构，同时设定步骤一中所涉及的参数A、％、e、ε o> a0, χ、 Eg(O)、F0 ；利用MATLAB软件编程求解出有源区双周期中各势阱所对应的电子能级和波函数，求解出的电子能级为各势阱中电子的第一量子能级； 步骤三、计算ΔΕ21、和AE1, 3 电子的第2个本征能量与电子的第1个本征能量的能级差Δ E21Δ E21 — E^E1 ；电子的第3个本征能量与电子的第2个本征能量的能级差A E32 — E3-E2 ；电子的第1'个本征能量减去电子的第3个本征能量的能级差AE1, 3 AE1, 3 = E1, -E3 ； 步骤四、判断若步骤三中求得各势阱中电子的能级之间满足92meV ^ AE21 ^ 90meV且 2meV彡AE1, 3彡OmeV,即所求解的有源区结构满足受激辐射原理； 步骤五、搜索最佳结构设定有源区结构中每层的厚度变化范围，外加电场Ftl的变化范围，Al的百分含量χ的变化范围；运行程序，搜索出满足步骤四并且同时满足Δ E21 = min和AE1, 3 = min的有源区结构，即该结构为最佳有源区结构； 步骤六、输出结构运行程序，输出满足步骤四及步骤五的有源区结构，同时输出结构所对应的Al的原子百分含量X，外加电场强度Ftl，辐射波长及频率；即完成AlGaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计。2.根据权利要求1所述的MGaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法，其特征在于步骤一中AU的计算公式为AU = 0.7Eg(x)-Eg(0)]，其中χ为AKiaN中 Al的原子百分含量，而I(X)为AWaN的带隙能，其计算公式如下Eg (x) = XEg(AlN)+ (l-x)Eg (GaN) -χ(1-χ) 1. OeV0 =x6. 13eV+(l-x) 3. 42eV_x (l_x) 1. OeV3.根据权利要求1所述的，其特征在于步骤一中F的计算公式为F = Fc^Fp，其中Ftl为外加电场强度，而Fp为材料的内部极化电场强度，因材料的不同，其内部极化电场强度的计算不同，量子阱中的内部极化电场强度计算为 =4 (Pji+T^iJ，而势全中的内部极化电场强度计算为K =々fc-i^/h(A^+A^)l，其中LjnLb分别为量子阱层与势垒层的厚度，ε 0 为真空中的介电常数，％和ε 别为量子阱层与势垒层的有效介电常数，和分别为量子阱层和势垒层的内部总极化电场强度，其计算分别为^=巧+^和^ +<，其中巧；和^:分别为量子阱层的自发极化和压电极化，<和」$分别为势垒层的自发极化强度和压电极化强度，自发极化强度的计算如下P^lfiai ^n = -0.090x - 0.034(1 - χ)+ 0.019x(l - χ)压电极化强度的计算如下i5/^ =-1.808s(x) + 5.624s(x)2 s(x)<0=1.808s(x)-7.888s(x)2 s(x)>0Ρ^=-0.91%ε(χ) + 9Μ\ε(χ)2ε (χ) = /a (χ) a(χ) = (0· 3112χ-0. 3189)nm其中的Ai为AlN的压电极化强度，GaN的压电极化强度。PaU AlGaN的压电极化强度，χ仍然为Al的原子百分含量，ε (χ)为随χ变化的有效介电常数，SGaN沿 a轴方向的晶格常数，a (χ)为AWaN沿a轴方向的晶格常数。4.根据权利要求1所述的，其特征在于步骤二中有源区由η个周期构成，每个周期由3个势垒层(AKiaN)和3个势阱层(GaN)构成，其中η彡20。5.根据权利要求1所述的，其特征在于步骤四中判断AWaN/GaN太赫兹量子级联激光器的有源区必须满足①纵向光学声子散射原理本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张迪，赵立萍，孙文军，孙京南，李孟洋，支洪武，李娟，
申请(专利权)人：哈尔滨师范大学，
类型：发明
国别省市：
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