CN117239544A - 一种具有离散势垒层的半导体激光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有离散势垒层的半导体激光元件。该具有离散势垒层的半导体激光元件，该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，所述上波导层与上限制层之间和/或下限制层与下波导层之间设置有离散势垒层，所述离散势垒层的厚度为5～500nm；该具有离散势垒层的半导体激光元件，增加了激光元件的模式增益、峰值增益、光功率和斜率效率，这些性能参数的提升使得激光器在各种应用中都能表现出更卓越的性能和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光元件技术领域，具体涉及一种具有离散势垒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)有源层晶格失配与应变大诱导产生强压电极化效应，产生较强的QCSE量子限制Stark效应限制了激光器电激射增益的提高；2)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；3)p型半导体的Mg受主激活能大、离化效率低，空穴浓度远低于电子浓度、空穴迁移率远小于电子迁移率，且量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，导致量子阱中的电子空穴严重不对称不匹配，电子泄漏和载流子去局域化，空穴在量子阱中输运更困难，载流子注入不均匀，增益不均匀，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低；4)激光器价带带阶差增加，空穴在量子阱中输运更困难，载流子注入不均匀，增益不均匀。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的具有离散势垒层的半导体激光元件。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种具有离散势垒层的半导体激光元件，该元件从下至上依次包括衬底100、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，所述上波导层与上限制层之间和/或下限制层与下波导层之间设置有离散势垒层，所述离散势垒层的厚度为5～500nm。
作为本发明的进一步优化方案，所述有源层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。
作为本发明的进一步优化方案，所述离散势垒层与上限制层、上波导层的连接界面形成不对称的离散势垒，和/或所述离散势垒层与下限制层、下波导层的连接界面形成不对称的离散势垒。
作为本发明的进一步优化方案，所述离散势垒层为2D-MoS2@3D-LiFePO4、2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8、2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8、2D-WTe2@3D-CoSe2、2D-CdSe@3D-CdS的任意一种或任意组合的多维拓扑核壳结构。
作为本发明的进一步优化方案，所述离散势垒层的任意组合包括以下二元组合的多维拓扑核壳结构：2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8，
2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，
2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，
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作为本发明的进一步优化方案，所述离散势垒层的任意组合包括以下三元组合的多维拓扑核壳结构：2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2 ，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-CdSe@3D-CdS ，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2 ，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS ，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
作为本发明的进一步优化方案，所述离散势垒层的任意组合包括以下四元组合的多维拓扑核壳结构：
2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
作为本发明的进一步优化方案，所述离散势垒层的任意组合包括以下五元组合的多维拓扑核壳结构:2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
作为本发明的进一步优化方案，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。
作为本发明的进一步优化方案，所述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。
作为本发明的进一步优化方案，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1E18～1E20cm-3。
作为本发明的进一步优化方案，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。
本发明的有益效果在于：本发明离散势垒层的引入与其他层形成了非对称的离散势垒结构，这降低了价带带阶差，从而提高了载流子在器件内的输运效率。这意味着电子和空穴更容易在激光元件内自由传播，减少了输运损耗；该方案的离散势垒层还增强了电子在带内和带间的跃迁相互作用。这一相互作用提高了激子的形成和复合效率，从而有效增加了电子和空穴的复合率，有助于提升激光器的性能；离散势垒层的特性还有助于提高电子的迁移率和非平庸拓扑表面态密度。这些改进进一步增加了载流子的活动性，从而提高了器件的性能和效率；通过改善载流子的输运和跃迁特性，这个方案还提高了注入有源层的效率。这有助于减少能量浪费，提高了激光元件的整体效能；上述所有优势共同作用下，这一方案降低了激光元件的激发阈值。这意味着在较低的激发能量下就能实现激射，从而降低了激光器的功耗和能源消耗；该方案还增加了激光元件的模式增益、峰值增益、光功率和斜率效率。这些性能参数的提升使得激光器在各种应用中都能表现出更卓越的性能和稳定性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：100、衬底；101、下限制层；102、下波导层层；103、有源层；104、上波导层，105、电子阻挡层，106、上限制层，107、离散势垒层。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
参考图1所示结构，一种具有离散势垒层的半导体激光元件，该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，所述上波导层104与上限制层106之间和/或下限制层101与下波导层102之间设置有离散势垒层107，所述离散势垒层的厚度为5～500nm。
进一步需要说明的是，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。
具体的，所述离散势垒层107与上限制层106、上波导层104的连接界面形成不对称的离散势垒，和/或所述离散势垒层107与下限制层101、下波导层102的连接界面形成不对称的离散势垒。
通过设置的离散势垒层107，使其与其它层形成不对称的离散势垒，降低价带带阶差，提升载流子的输运效率和隧穿几率，同时，增强电子带内和带间跃迁相互作用，增强电子迁移率和非平庸拓扑表面态密度，提升电子和空穴的输运效率及注入有源层的效率，从而提升激光元件有源层的辐射复合效率，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的模式增益、峰值增益、光功率和斜率效率。
在其中一个实施例中，所述离散势垒层107为2D-MoS2@3D-LiFePO4、2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8、2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8、2D-WTe2@3D-CoSe2、2D-CdSe@3D-CdS的任意一种或任意组合的多维拓扑核壳结构。
在其中一个实施例中，所述离散势垒层107的任意组合包括以下二元组合的多维拓扑核壳结构： 2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8 ，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
在其中一个实施例中，所述离散势垒层107的任意组合包括以下三元组合的多维拓扑核壳结构：2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2 ，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-CdSe@3D-CdS ，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2 ，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS ，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
在其中一个实施例中，所述离散势垒层107的任意组合包括以下四元组合的多维拓扑核壳结构：
2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
在其中一个实施例中，所述离散势垒层107的任意组合包括以下五元组合的多维拓扑核壳结构:
2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
需要补充的是，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。
所述下波导层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1E16～5E19 cm-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。
本申请具体实施时，将本发明激光器是与传统激光器进行对比，其结果可以参照下表：
可以发现，本发明激光器是的斜率效率更高，阈值电流密度更低，光功率更高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于，该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，所述上波导层与上限制层之间和/或下限制层与下波导层之间设置有离散势垒层。
2.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：所述离散势垒层与上限制层、上波导层的连接界面形成不对称的离散势垒，和/或所述离散势垒层与下限制层、下波导层的连接界面形成不对称的离散势垒。
3.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，所述离散势垒层的厚度为5～500nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：所述离散势垒层为2D-MoS2@3D-LiFePO4、2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8、2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8、2D-WTe2@3D-CoSe2、2D-CdSe@3D-CdS的任意一种或任意组合的多维拓扑核壳结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：所述离散势垒层的任意组合包括以下二元组合的多维拓扑核壳结构：2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
6.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：所述离散势垒层的任意组合包括以下三元组合的多维拓扑核壳结构：2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
7.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：所述离散势垒层的任意组合包括以下四元组合的多维拓扑核壳结构：
2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS，2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS，2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
8.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：所述离散势垒层的任意组合包括以下五元组合的多维拓扑核壳结构:2D-MoS2@3D-LiFePO4/2D-WS2@3D-Ta2Pd3Se8/2D-MnO3@3D-Ta2Pt3Se8/2D-WTe2@3D-CoSe2/2D-CdSe@3D-CdS。
9.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：
所述有源层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。
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；
所述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1E18～1E20cm-3。
10.根据权利要求1所述的一种具有离散势垒层的半导体激光元件，其特征在于：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。
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