基于AlGaN/GaN半导体材料量子级联激光器的理论研究

摘要

目前量子级联激光器的激射波长范围已经由中红外扩展到了太赫兹领域，且量子级联激光器是理想的太赫兹振荡源，其在很多领域有着重要的应用前景，所以对量子级联激光器的研究具有重要的社会和经济价值。本学位论文主要研究了AlGaN/GaN量子级联激光器的有源区设计，通过求解导带子能级的一维薛定谔方程，得到导带电子子能级和波函数的分布，研究了Al组分、外加电场、阱垒层厚度、生产误差对激光器性能的影响，论文的研究成果对提高激光器的性能具有一定的理论参考价值。
　　1.通过 Matlab软件利用传递矩阵法求解导带电子子能级所满足的一维有效质量薛定谔方程，得到导带电子子能级和波函数的分布。同时分析了AlGaN与GaN材料所特有的极化效应，该效应导致阱层与垒层的极化场（内建场）方向相反。
　　2.三能级与四能级系统的 AlGaN/GaN量子级联激光器都是利用纵向光学（LO）声子散射实现粒子数反转，通过隧穿实现“级联”的，这就需要电子在跃迁过程中满足近共振条件，进而实现粒子数反转产生受激辐射。
　　3.分析了在阱垒结构与Al组分确定时，外加电场对激光器性能的影响，发现在满足近共振条件的情况下，外加电场取恰当值时可以得到最大的偶极跃迁元，即得到最佳的外加电场；同样在阱垒结构与外加电场确定时，Al组分对激光器性能的影响，即确定最佳的 Al组分,以满足近共振条件实现粒子数反转。Al组分过小不能满足近共振条件，Al组分过大又会影响材料的生长误差，降低跃迁几率；改变有源区的阱垒结构时，就需要适当调整Al组分、外加电场，才能实现激光器在太赫兹频段的量子剪裁，实现受激辐射的条件也随之改变，最终激射出的太赫兹波的频率也不同。

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第1章 绪论

1.1 量子级联激光器

1.1.1 量子级联激光器

1.1.2 量子级联激光器的发展

1.1.3 量子级联激光器的应用

1.2 AlGaN/GaN材料量子级联激光器

1.2.1 AlGaN/GaN材料的性质

1.2.2 AlGaN/GaN材料量子级联激光器

1.3 太赫兹波

1.4 课题研究内容

第2章 AlGaN/GaN量子阱能量本征态及波函数的预测

2.1 量子阱中导带电子子能级的一维薛定谔方程

2.1.1 有效质量一维薛定谔方程

2.1.2 AlGaN/GaN材料的极化效应

2.2 应用Matlab模拟分析

2.3 小结

第3章 AlGaN/GaN量子级联激光器有源区的设计

3.1 AlGaN/GaN量子级联激光器有源区的实现

3.1.1 粒子数反转

3.1.2 近共振条件

3.2 影响AlGaN/GaN量子级联激光器性能的因素

3.2.1 垒层Al组分

3.2.2 外加电场

3.2.3 垒层及阱层厚度

3.2.4 生产误差

3.3 三能级AlGaN/GaN量子级联激光器有源区的设计

3.3.1 垒层Al组分对激光器性能影响的分析

3.3.2 外加电场对激光器性能的影响

3.3.3 整个结构对激光器性能的影响

3.3.4 生产误差对激光器性能的影响

3.3.5 设计三能级AlGaN/GaN量子级联激光器的有源区

3.4四能级AlGaN/GaN量子级联激光器有源区的设计

3.4.1 垒层Al组分对激光器性能影响的分析

3.4.2 外加电场对激光器性能的影响

3.4.3 整个结构对激光器性能的影响

3.4.4 生产误差对激光器性能的影响

3.4.5 设计四能级AlGaN/GaN量子级联激光器的有源区

3.5 小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与申请发明专利

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致谢