摘要：量子级联激光器(QCL)是一种通过电子在导带量子阱中子能级之间跃迁发光的半导体激光器。它的出现打破了波长由禁带宽度限制的禁锢,弥补了传统半导体激光器在中远红外波段的不足,并且以其优良的性能和重要的运用价值在其出现之后的短短十几年内就得到迅速进展。QCL性能的不断提升,得益于其结构的不断优化,而半导体工艺和器件的数值模拟(TCAD)在此历程中发挥着至关重要的作用。通过对半导体工艺和器件的数值模拟我们不仅可以在实验之前对器件性能做出预测,还能获取许多实验无法观测到的数据,并对实验历程中的不足予以浅析。可靠的TCAD工具离不开准确的物理模型,准确的物理模型来自于对器件内部各种物理历程的深入探讨。作为一种复杂的量子器件,QCL的仿真策略多种多样,以速率方程模型,蒙特卡洛仿真到非平衡格林函数。本论文的探讨建立在与Crosspght公司合作的基础之上,借助该公司提供的半导体激光器仿真软件(LASTIP)中的基本模型框架,通过对原有模型的改善,获得了一套用于计算QCL光学特性和电学特性的综合仿真模型。目前该模型已被植入Crosspght的2D仿真软件LASTIP以及3D仿真软件PICS3D中。基于一系列微观和宏观的电学和光学模型,本论文提出了一个用于计算QCL电学特性和光学特性的综合仿真模型。在微观方面,利用量子计算得到了量子阱中的电子能级以及电子波函数分布,并通过求解速率方程得到了一定条件下子能级上的电子分布和有源区的光增益：在宏观方面,利用非局域化的载流子输运模型对量子隧穿、微带隧穿以及热载流子输运等载流子输运历程进行了等效,并利用载流子非局域化输运模型对传统的扩散-漂移方程(D-D方程)进行了矫正。通过对标量波动方程的求解,得到激光器腔中多个横向光学方式的分布。通过改善的D-D模型和多个横向光学方式的光子速率方程的自洽求解,便可计算得到QCL的光学特性和电学特性。本论文分两部分对上面陈述的综合仿真模型进行了验证。首先通过对两组基于InGaAlAs/InP材料系统的中红外QCL的计算,验证了载流子非局域化输运模型的准确性,并对仿真软件中原有的载流子输运模型进行了改善。同时,我们通过大量的仿真计算对载流子非局域化输运模型进行了进一步探讨。接着通过对一个经典的三量子阱激射区量子级联激光器的计算对QCL的光增益模型进行了验证,并在此历程中展示了一个完整的QCL仿真流程。最后,通过对两组不同结构的QCL的二维仿真,得到了量子级联激光器的电子浓度分布和横向光学方式分布等二维仿真计算结果。关键词：量子级联激光器论文建模论文仿真论文非局域化输运模型论文
摘要5-7
Abstract7-9
第一章 绪论9-18
1.1 引言9-11
1.2 QCL的工作原理和分类11-14
1.3 QCL的仿真模型14-16
1.4 本章小结以及文章结构安排16-18
第二章 半导体激光器数值模拟策略18-32
2.1 基本模型18-24
2.1.1 基本差分方程18-20
2.1.2 复合介电常数和受激发射速率20-21
2.1.3 SRH复合和俄歇复合21-22
2.1.4 载流子统计分布22-23
2.1.5 杂质不完全电离23-24
2.1.6 迁移率24
2.2 半导体量子阱激光器的光增益模型24-27
2.2.1 光增益模型的推导24-26
2.2.2 光增益谱展宽26-27
2.3 数值仿真策略介绍27-28
2.3.1 离散化策略27
2.3.2 牛顿迭代法27-28
2.4 商业仿真软件LASTIP介绍28-31
2.4.1 LASTIP介绍28-29
2.4.2 LASTIP利用29-31
2.5 本章小结31-32
第三章 量子级联激光器的综合仿真模型32-46
3.1 量子级联激光器的宏观载流子输运模型32-38
3.1.1 非局域化电流模型33-36
3.1.2 非局域化电子输运路径36-38
3.2 子级联激光器的微观载流子输运机制38-42
3.2.1 多量子阱中的子能级分布39
3.2.2 速率方程39-42
3.3 QCL的光增益模型42-45
3.3.1 理想情况下的光增益模型42-43
3.3.2 温度和电场调制对光增益的影响43-45
3.4 本章小结45-46
第四章 QCL载流子非局域化输运模型的验证46-56
4.1 简化的载流子非局域化输运模型46-49
4.2 改善的载流子非局域化输运模型的验证49-53
4.3 级数不同的QCL输运特性的仿真53-55
4.4 本章小结55-56
第五章 量子级联激光器光增益模型的验证56-66
5.1 QCL仿真流程介绍56-57
5.2 量子级联激光器的一维仿真57-63
5.3 量子级联激光器的二维仿真63-65
5.4 本章小结65-66
第六章 结论66-68
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