[发明专利]AlGaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz，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248mW。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。

该领域的许多发明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，专利名称为“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ZL03129509.6，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”。

发明内容

本发明的目的是提供一种AlGaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法。

本发明AlGaN/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

-h22ddz(1m*(z)dψidz)+[ΔU+eFz]ψi=Eiψi]]>

其中的z为材料的生长方向，E_i为电子的第i个本征能量，ψ_i为与E_i相对应的电子波函数，m^*(z)为电子的有效质量，在量子阱GaN中m^*(z)为而在势垒AlGaN中m^*(z)为其中x为AlGaN中Al的原子百分含量；