太赫兹量子级联激光器及其它半导体辐射源研究

【摘要】：太赫兹技术是近年来十分热门的一个研究领域，2004年被评为影响未来世界的十大科技之一。能否制造出体积小巧、使用方便的半导体太赫兹源决定了太赫兹技术能否得到广泛的应用。在电磁波谱中，太赫兹波段位于微波和红外之间，所以我们可以用电子学的方法，也可以用光子学的方法来探索产生太赫兹辐射的新途径。本论文前一部分研究了基于共振声子散射的太赫兹量子级联激光器的热电子和声子输运过程，发现热声子效应以及各种散射机制对器件性能的影响；后一部分研究了其它利用电子学的方法来产生太赫兹振荡的可能途径。本论文的主要内容和结论包括： 1．发展了基于蒙特卡洛方法的太赫兹量子级联激光器模拟程序，研究了共振声子辅助的太赫兹量子级联激光器中的载流子输运性质，重点研究了激光器工作过程中的热声子效应以及杂质散射对器件性能的影响。这种设计的量子级联激光器依靠共振的LO声子散射来实现低能级的电子抽取，从而实现粒子数反转。连续释放的LO声子转化为其它模式的声子所需要的时间较长，所以器件中的热声子效应比其它设计的量子级联激光器要明显，忽略热声子效应而得到的器件电流密度会比实际值小。而杂质散射提供了新的电子注入的途径，它与电子-电子相互作用一样，在太赫兹量子级联激光器中起到非常重要的作用。这一套蒙特卡洛模拟程序为太赫兹量子级联激光器的设计和性能的改进提供了理论指导。 2．根据ab-initio方法而得到的闪锌矿结构的GaN的能带结构，提出了利用其Γ带内反射点导致的负微分电导效应来产生太赫兹振荡的理论可能性。我们把研究传统的庚氏器件的方法进行了扩展，利用漂移-扩散模型研究了闪锌矿结构GaN n~+nn~+结构中的电场畴随时间和空间的演变，以及产生的太赫兹振荡；并且进一步研究了器件在太赫兹交流电场作用下的非线性动力学特性，其中包括各种周期，准周期和混沌现象。这一效应可以用于研制基于电子学的太赫兹振荡器。 3．研究了宽禁带半导体材料(GaN)准二维电子气系统中，电子在流输运区域的稳态输运特性以及高频小信号扰动下的动态输运特性。重点考虑了一直被人