第31卷第11期 2014年11月
吉林化
工
学院
学报
JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY
文章编号：1007-2853(2014)11-0006-04
Vol.31 No. 11 Nov.2014
四能级AIGaN/GaN量子级联激光器性能
的影响因素研究孙京南，孙文军2
（1.吉林化工学院石油化工学院，吉林吉林132022；2.哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150025）
摘要：在研究了三能级AIGaN/GaN量子级联激光器性能影响因素的理论之上，进一步采用了严格的计算方法对此材料量子级联激光器的四能级系统实现太赫兹波的辐射进行了可能性分析.利用传递矩阵法，计算得到了基于AIGaN/GaN材料的四能级量子级联激光器体系中的导带电子子能级与波函数的分布，详细地分析了AIGaN/GaN材料所待有的极化效应所产生的极化场，得出了在近共振条件下外加电场、垒层AI组分及导带子能级能级差之间的关系，并研究了它们对激光器性能的影响.分析结果表明，实现受激辐射的条件非常严格，AI组分取0.15，同时外加电场取57kV/cm时，对激光器的性能较为有利，可以为激光器构造较好的有源区
关键调：量子级联激光器；有源区；极化；A1组分；外加电场；传递矩阵法
中图分类号：0043
文献标志码：A
量子级联激光器（QCLQuantumCascadeLa-ser)[1-3]是基于导带子能级间跃迁的半导体材料激光器，其激射是通过量子阱的限制效应使得导带内激发态间粒子数反转来实现的.自上个世纪 90年代以来，在科研工作者的不断努力下，激光器的激射频域已由中红外扩展到了太赫兹频段，然而，通过材料生长技术已经实现的GaAs/Al-GaAs材料和AlInAs/GalnAs材料的量子级联激光器自身都存在着缺点，这两种材料的纵向光学（L0longitudinaloptical）声子能量分别是36meV（GaAs）34meV（InGaAs），而这两个能量值与室温状态下的热激发能量（26meV）相差的比较小，降低了电子从基态向下一级激发态抽运的效率，导致激光器在室温下不易实现受激辐射.然而AI-GaN/GaN材料(45}克服了这一缺点，其LO声子能量为90meV，利用AIGaN/GaN材料量子耕中超快的LO声子散射[]能够迅速减少激发低能态上的粒子数，进而容易实现室温状态下的粒子数反转，有利于激光器性能的提高，
量子级联激光器的有源区是其重要的核心部分，有源区内部能否实现粒子数反转的决定性因
素就是导带中子带能级和电子波函数的分布，所以必须严格计算出子能级和波函数，才能进一步实现受激辐射.本文以四能级AIGaN/GaN材料体系的量子级联激光器为研究对象，并考了该材料所特有的极化效应.应用传递矩阵法[9]，通过 Matlab软件编程运算求解出该激光器的一维薛定方程，得到了各阱层内的子带能级位置以及其波函数的分布，并探讨了外加电场强度、A1组分这两个参数对激光器性能的影响
理论分析 1
AIGaN/GaN材料为IⅢI族氮化物半导体，呈六方结构，具有显著的极化效应特征，包含自发极化和压电极化[7-0].自发极化PSP是由AIGaN、 GaN材料自身的晶格常数不匹配造成的，其方向是材料生长方向的反向，且AIGaN的自发极化强
度与其内Al组分的大小有关，其表达式为： PM,con-v = - 0. 090x - 0. 034(1 - x)
+
0.019x(1 = x)
(1)
压电极化PPE（PiezoelectricPolarization）是由
收稿日期：2014-10-02
作者简介：孙京南（1986-），女，吉林长春人，吉林化工学院助教，硕士，主要从事物理教学、量子级联激光器方面的
研究，
万方数据