四能級(jí)AlGaN/GaN量子級(jí)聯(lián)激光器性能的影響因素研究

孫京南，孫文軍

(1.吉林化工學(xué)院石油化工學(xué)院，吉林 吉林 132022;2.哈爾濱師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150025)

量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL Quantum Cascade Laser)［1-3］是基于導(dǎo)帶子能級(jí)間躍遷的半導(dǎo)體材料激光器，其激射是通過量子阱的限制效應(yīng)使得導(dǎo)帶內(nèi)激發(fā)態(tài)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的.自上個(gè)世紀(jì)90年代以來，在科研工作者的不斷努力下，激光器的激射頻域已由中紅外擴(kuò)展到了太赫茲頻段.然而，通過材料生長技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的GaAs/Al-GaAs材料和AlInAs/GaInAs材料的量子級(jí)聯(lián)激光器自身都存在著缺點(diǎn)，這兩種材料的縱向光學(xué)(LO longitudinal optical)聲子能量分別是36 meV(GaAs)、34 meV(InGaAs)，而這兩個(gè)能量值與室溫狀態(tài)下的熱激發(fā)能量(26 meV)相差的比較小，降低了電子從基態(tài)向下一級(jí)激發(fā)態(tài)抽運(yùn)的效率，導(dǎo)致激光器在室溫下不易實(shí)現(xiàn)受激輻射.然而Al-GaN/GaN材料［4-5］克服了這一缺點(diǎn)，其LO聲子能量為90 meV，利用AlGaN/GaN材料量子阱中超快的LO聲子散射［6］能夠迅速減少激發(fā)低能態(tài)上的粒子數(shù)，進(jìn)而容易實(shí)現(xiàn)室溫狀態(tài)下的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，有利于激光器性能的提高.

量子級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)是其重要的核心部分，有源區(qū)內(nèi)部能否實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的決定性因素就是導(dǎo)帶中子帶能級(jí)和電子波函數(shù)的分布，所以必須嚴(yán)格計(jì)算出子能級(jí)和波函數(shù)，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)受激輻射.本文以四能級(jí)AlGaN/GaN材料體系的量子級(jí)聯(lián)激光器為研究對(duì)象，并考慮了該材料所特有的極化效應(yīng).應(yīng)用傳遞矩陣法［9］，通過Matlab軟件編程運(yùn)算求解出該激光器的一維薛定諤方程，得到了各阱層內(nèi)的子帶……