CN116667144A - 一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，涉及半导体光电器件技术领域，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，有源层与上波层之间和上波导层与电子阻挡层之间设有等离激元耦合层，有源层与上波层之间和上波导层与上限制层之间设有等离激元耦合层，等离激元耦合层在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，降低内部光学损耗，并改善折射率色散，降低光场模式泄漏到衬底，提升远场图像质量，从而增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体而言，涉及一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件。
背景技术
激光器广泛应用于激光显示、激光电视、激光投影仪、通讯、医疗、武器、制导、测距、光谱分析、切割、精密焊接、高密度光存储等领域。激光器的各类很多，分类方式也多样，主要有固体、气体、液体、半导体和染料等类型激光器；与其他类型激光器相比，全固态半导体激光器具有体积小、效率高、重量轻、稳定性好、寿命长、结构简单紧凑、小型化等优点。激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，1)激光是由载流子发生受激辐射产生，光谱半高宽较小，亮度很高，单颗激光器输出功率可在W级，而氮化物半导体发光二极管则是自发辐射，单颗发光二极管的输出功率在mW级；2)激光器的使用电流密度达KA/cm2，比氮化物发光二极管高2个数量级以上，从而引起更强的电子泄漏、更严重的俄歇复合、极化效应更强、电子空穴不匹配更严重，导致更严重的效率衰减Droop效应；3)发光二极管自发跃迁辐射，无外界作用，从高能级跃迁到低能级的非相干光，而激光器为受激跃迁辐射，感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生光子与感应光子的全同相干光；4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到量子阱或p-n结产生辐射复合发光，而激光器需要激射条件满足才可激射，必须满足有源区载流子反转分布，受激辐射光在谐振腔内来回振荡，在增益介质中的传播使光放大，满足阈值条件使增益大于损耗，并最终输出激光。氮化物半导体激光器存在以下问题：1)光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等，p型掺杂的离化率低，大量未电离的Mg受主杂质会导致内部光学损耗上升，且激光器的折射率色散，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；2)下限制层的厚度增加，可降低限制层的折射率，但下限制层的厚度增加又会导致组分调控范围受限制，易产生开裂、弯曲和质量下降等问题；同时，光场模式泄漏到衬底形成驻波会导致衬底模式抑制效率低，远场图像FFP质量差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的问题。
一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，有源层与上波层之间和上波导层与电子阻挡层之间设有等离激元耦合层。
作为本发明优选的技术方案，所述等离激元耦合层为Fe3O4@Au、Mo2TiC2O2、TiC2F2、Mo2Ti2C3O2、Ti3AlCl2、Sb2S3-In2S3CdS的任意一种或任意组合的三维魔角多层结构。
作为本发明优选的技术方案，所述等离激元耦合层的任意组合包括以下二元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2,Fe3O4@Au/TiC2F2,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/TiC2F2,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2,Mo2TiC2O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/Sb2S3-In2S3CdS,TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,TiC2F2/Ti3AlCl2,TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
作为本发明优选的技术方案，所述等离激元耦合层的任意组合包括以下三元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,
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作为本发明优选的技术方案，所述等离激元耦合层的任意组合包括以下四元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
作为本发明优选的技术方案，所述等离激元耦合层的任意组合包括以下五元、六元组合的三维魔角多层结构:Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,
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Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
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Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
作为本发明优选的技术方案，有源层与上波层之间和上波导层与上限制层之间设有等离激元耦合层，等离激元耦合层在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
作为本发明优选的技术方案，所述等离激元耦合层107的厚度为5～500nm。
作为本发明优选的技术方案，所述下限制层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层和上波导层为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19 cm-3；所述电子阻挡层和上限制层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
作为本发明优选的技术方案，所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
在本发明的方案中：
相比于现有技术，有源层与上波层之间和上波导层与上限制层之间设有等离激元耦合层，在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件的结构示意图。
图中标示：
100：衬底；101：下限制层；102：下波导层；103：有源层；104：上波导层，105：电子阻挡层，106：上限制层，107：等离激元耦合层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底100、下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106，有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107。
所述等离激元耦合层107为Fe3O4@Au、Mo2TiC2O2、TiC2F2、Mo2Ti2C3O2、Ti3AlCl2、Sb2S3-In2S3CdS的任意一种的三维魔角多层结构。
所述有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107，等离激元耦合层107在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
所述等离激元耦合层107的厚度为5～500nm。
所述下限制层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层102和上波导层104为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19cm-3；所述电子阻挡层105和上限制层106为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
实施例2
请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底100、下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106，有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107。
所述有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107，等离激元耦合层107在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
所述等离激元耦合层107的厚度为5～500nm。
所述等离激元耦合层的任意组合包括以下二元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2,Fe3O4@Au/TiC2F2,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/TiC2F2,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2,Mo2TiC2O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/Sb2S3-In2S3CdS,TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,TiC2F2/Ti3AlCl2,TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
所述下限制层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层102和上波导层104为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19cm-3；所述电子阻挡层105和上限制层106为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
实施例3
请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底100、下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106，有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107。
所述有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107，等离激元耦合层107在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
所述等离激元耦合层107的厚度为5～500nm。
所述等离激元耦合层107的任意组合包括以下三元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,
Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,
Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,
Mo2TiC2O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,
TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,TiC2F2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
所述下限制层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层102和上波导层104为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19cm-3；所述电子阻挡层105和上限制层106为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
实施例4
请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底100、下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106，有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107。
所述有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107，等离激元耦合层107在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
所述等离激元耦合层107的厚度为5～500nm。
所述等离激元耦合层107的任意组合包括以下四元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
所述下限制层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层102和上波导层104为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19cm-3；所述电子阻挡层105和上限制层106为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
实施例5
请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底100、下限制层101、下波导层102，有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106，有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107。
所述有源层103与上波层104之间和上波导层104与电子阻挡层105之间设有等离激元耦合层107，等离激元耦合层107在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
所述等离激元耦合层107的厚度为5～500nm。
所述等离激元耦合层107的任意组合包括以下五元、六元组合的三维魔角多层结构:Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
所述下限制层101为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层102和上波导层104为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19cm-3；所述电子阻挡层105和上限制层106为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
实验例1：
采用实施例1中的技术方案进行绿光激光器实验，等离激元耦合层采用Fe3O4@Au进行实验；
实验例2：
采用实施例2中的技术方案进行绿光激光器实验，等离激元耦合层采用Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2进行实验；
实验例3：
采用实施例3中的技术方案进行绿光激光器实验，等离激元耦合层采用Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2进行实验；
实验例4：
采用实施例4中的技术方案进行绿光激光器实验，等离激元耦合层采用
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2进行实验；
实验例5：
采用实施例5中的技术方案进行绿光激光器实验，等离激元耦合层采用Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2进行实验；
实验例1-5的各项数据如下:
| 绿光激光器-项目 | 实验例1 | 实验例2 | 实验例3 | 实验例4 | 实验例5 | 平均值 |
| 光束质量因子M2 | 2.2 | 2.2 | 2.0 | 2.3 | 2.3 | 2.2 |
| 斜率效率(W/A) | 0.73 | 0.75 | 0.75 | 0.74 | 0.78 | 0.75 |
| 阈值电流密度(kA/cm2) | 0.91 | 0.88 | 0.9 | 0.89 | 0.92 | 0.9 |
| 光功率(W) | 1.1 | 1.3 | 1.4 | 1.0 | 1.2 | 1.2 |
| 限制因子(％) | 2.48 | 2.48 | 2.52 | 2.53 | 2.49 | 2.50 |
| 内部光学损耗(cm-1) | 13.7 | 13.1 | 13.7 | 13.6 | 13.3 | 13.5 |
实验例1-5的各项数据平均值与传统激光元件的对比数据如下：
| 绿光激光器-项目 | 传统激光元件 | 本发明激光元件 | 变化幅度 |
| 光束质量因子M2 | 4.2 | 2.2 | -91％ |
| 斜率效率(W/A) | 0.43 | 0.75 | 74％ |
| 阈值电流密度(kA/cm2) | 3.6 | 0.9 | -75％ |
| 光功率(W) | 0.65 | 1.2 | 85％ |
| 限制因子 | 1.50％ | 2.50％ | 67％ |
| 内部光学损耗(cm-1) | 46.5 | 13.5 | -71％ |
绿光激光元件的光束质量因子M2从4.2降低至2.2，降低91％；斜率效率由0.43(W/A)提升至0.75(W/A)，提升74％，阈值电流密度从3.6kA/cm2降低到0.9kA/cm2，降低75％，光功率从0.65W提升至1.2W，提升85％；限制因子从1.50％提升至2.50％，提升67％，内部光学损耗从46.5cm-1降低到13.5cm-1，降低71％。
相比于现有技术，有源层与上波层之间和上波导层与上限制层之间设有等离激元耦合层，在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底(100)、下限制层(101)、下波导层(102)，有源层(103)、上波导层(104)、电子阻挡层(105)、上限制层(106)，其特征在于：有源层(103)与上波层(104)之间和上波导层(104)与电子阻挡层(105)之间设有等离激元耦合层(107)；所述有源层(103)为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为InGaN、InN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合，厚度为10～80埃米，垒层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为10～120埃米；上波导层(104)为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm；所述电子阻挡层(105)为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm。
2.如权利要求1所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)为Fe3O4@Au、Mo2TiC2O2、TiC2F2、Mo2Ti2C3O2、Ti3AlCl2、Sb2S3-In2S3CdS的任意一种或任意组合的三维魔角多层结构。
3.如权利要求2所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)的任意组合包括以下二元组合的三维魔角多层结构：Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2,Fe3O4@Au/TiC2F2,Fe3O4@Au/Mo2Ti2C3O2,Fe3O4@Au/Ti3AlCl2,Fe3O4@Au/Sb2S3-In2S3CdS,
Mo2TiC2O2/TiC2F2,Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2,Mo2TiC2O2/Ti3AlCl2,Mo2TiC2O2/Sb2S3-In2S3CdS,
TiC2F2/Mo2Ti2C3O2,TiC2F2/Ti3AlCl2,TiC2F2/Sb2S3-In2S3CdS,Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
4.如权利要求2所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)的任意组合包括以下三元组合的三维魔角多层结构：BaTiO3/BAs/PbTiO3,BaTiO3/BAs/FAPbI3,BaTiO3/BAs/CsPbI3,BaTiO3/BAs/Bi2O2Se,BaTiO3/PbTiO3/FAPbI3,
BaTiO3/PbTiO3/CsPbI3,BaTiO3/PbTiO3/Bi2O2Se,BaTiO3/FAPbI3/CsPbI3,BaTiO3/FAPbI3/Bi2O2Se,BaTiO3/CsPbI3/Bi2O2Se,BAs/PbTiO3/FAPbI3,BAs/PbTiO3/CsPbI3,BAs/PbTiO3/Bi2O2Se,
BAs/FAPbI3/CsPbI3,BAs/FAPbI3/Bi2O2Se,BAs/CsPbI3/Bi2O2Se,PbTiO3/FAPbI3/CsPbI3,PbTiO3/FAPbI3/Bi2O2Se,PbTiO3/CsPbI3/Bi2O2Se,FAPbI3/CsPbI3/Bi2O2Se。
5.如权利要求2所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)的任意组合包括以下四元组合的三维魔角多层结构：
BaTiO3/BAs/PbTiO3/FAPbI3,BaTiO3/BAs/PbTiO3/CsPbI3,BaTiO3/BAs/PbTiO3/Bi2O2Se,
BaTiO3/PbTiO3/FAPbI3/CsPbI3,BaTiO3/PbTiO3/FAPbI3/Bi2O2Se,BaTiO3/FAPbI3/CsPbI3/Bi2O2Se,BAs/PbTiO3/FAPbI3/CsPbI3,BAs/PbTiO3/FAPbI3/Bi2O2Se,BAs/FAPbI3/CsPbI3/Bi2O2Se,PbTiO3/FAPbI3/CsPbI3/Bi2O2Se。
6.如权利要求2所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)的任意组合包括以下五元、六元组合的三维魔角多层结构:
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS,
Fe3O4@Au/Mo2TiC2O2/TiC2F2/Mo2Ti2C3O2/Ti3AlCl2/Sb2S3-In2S3CdS。
7.如权利要求1所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)在激光元件诱导产生等离激元与有源层的激光耦合放大，放大有源层的激光能量和光输出效率，增强上波导层和下波导层的光封闭效果，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
8.如权利要求1所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述等离激元耦合层(107)的厚度为5～500nm。
9.如权利要求1所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述下限制层(101)为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，Si掺杂浓度为1E18～1E20cm-3；下波导层(102)为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19 cm-3；上限制层(106)为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3。
10.如权利要求1所述的一种设有等离激元耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述衬底(100)包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复合衬底、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底的任意一种。
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