AlGaN/GaN太赫兹量子级联激光器有源区结构的模拟设计方法

摘要

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。

主权项

1.AlGaN/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，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$-\frac{h^2}{2}\frac{d}{\mathrm{dz}}\left(\frac{1}{m^{*}\left(z\right)}\frac{d{\psi }_i}{\mathrm{dz}}\right)+[\mathrm{\Delta U}+\mathrm{eFz}]{\psi }_i=E_i{\psi }_i$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；其中的ΔU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m₀、e、ε₀、a₀、x、E_g(0)、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ΔE₂₁、ΔE₃₂和ΔE_1′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ΔE₂₁ΔE₂₁＝E₂-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ΔE₃₂ΔE₃₂＝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ΔE_1′3ΔE_1′3＝E_1′-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≥ΔE₂₁≥90meV且2meV≥ΔE_1′3≥0meV，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F₀的变化范围，Al的百分含量x的变化范围；运行程序，搜索出满足步骤四并且同时满足ΔE₂₁＝min和ΔE_1′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F₀，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。