CN118315928A - 一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器 - Google Patents
一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118315928A CN118315928A CN202410377462.9A CN202410377462A CN118315928A CN 118315928 A CN118315928 A CN 118315928A CN 202410377462 A CN202410377462 A CN 202410377462A CN 118315928 A CN118315928 A CN 118315928A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- carrier
- carrier confining
- nitride semiconductor
- semiconductor laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 title claims abstract description 51
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 28
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 49
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 17
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 15
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 15
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 13
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N gallium(III) oxide Inorganic materials O=[Ga]O[Ga]=O QZQVBEXLDFYHSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 10
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910010092 LiAlO2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910007948 ZrB2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VWZIXVXBCBBRGP-UHFFFAOYSA-N boron;zirconium Chemical compound B#[Zr]#B VWZIXVXBCBBRGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 3
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 29
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 25
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 25
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 19
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 19
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 13
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 abstract description 10
- 230000005012 migration Effects 0.000 abstract description 9
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 18
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 9
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000005699 Stark effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 magnesium aluminate Chemical class 0.000 description 1
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000005701 quantum confined stark effect Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000005472 transition radiation Effects 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本发明提供了一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，包括从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层，在所述下限制层与下波导层之间设置有第一载流子限制层，在所述上限制层与上波导层之间设置有第二载流子限制层；所述第一载流子限制层和第二载流子限制层构成载流子限制层。本发明提出的氮化镓半导体激光器，通过在激光器中设置载流子限制层，以形成载流子限制效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其是涉及一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器。
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，极化效应也更强、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。
然而，现有氮化物半导体激光器存在以下问题：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，引起量子阱的能带倾斜，激光器价带带阶差增加，抑制空穴注入，空穴在量子阱中输运更困难，载流子注入不均匀，电子空穴波函数交叠几率减少，从而引起激光器增益不均匀、辐射复合效率下降，限制了激光器电激射增益的提高；p型半导体的Mg受主激活能大(大于160meV)、离化效率低(10％以下)，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。
发明内容
本发明旨在提供一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，以解决上述技术问题，通过在激光器中设置载流子限制层，以形成载流子限制效应，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，包括从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层，在所述下限制层与下波导层之间设置有第一载流子限制层，在所述上限制层与上波导层之间设置有第二载流子限制层；所述第一载流子限制层和第二载流子限制层构成载流子限制层。
上述方案中，通过在激光器中设置载流子限制层，以形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏，同时阻挡电子往上波导和上限制层一侧泄漏，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量为α，所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量为β，其中：0.5≤α≤β≤15，单位为m0。
上述方案中，通过控制载流子限制层的空穴有效质量及其分布，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏。
进一步地，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))第二象限的曲线分布，0＜a＜1，m＞0；所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
上述方案中，通过控制载流子限制层的空穴有效质量及其精确分布，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏，提升受激辐射效率，降低阈值电流密度，提升激光器的发光功率。
进一步地，所述第一载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))第二象限的曲线分布，0＜c＜1，p＞0；所述第二载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logd((q+x)/(q-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
上述方案中，通过控制载流子限制层的价带有效态密度及其精确分布，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率。
进一步地，所述第一载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝loge((r+x)/(r-x))第三象限的曲线分布，e＞1，r＞0；所述第二载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝logf((s+x)/(s-x))第四象限的曲线分布，0＜f＜1，s＞0。
上述方案中，通过控制载流子限制层的空穴迁移率及其精确分布，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，提升激光器的温度稳定性和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logg((t+x)/(t-x))第二象限的曲线分布，0＜g＜1，t＞0；所述第二载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logh((u+x)/(u-x))第一象限的曲线分布，h＞1，u＞0。
上述方案中，通过控制载流子限制层的光子能量吸收系数及其精确分布，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，降低激射阈值所需的载流子浓度，提升受激辐射效率，降低阈值电流密度，提升激光器的发光功率和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜g＜a＜c＜e＜100。所述第二载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜f＜h＜b＜d＜500。
上述方案中，通过控制载流子限制层的第一载流子限制层的各项参数及分布曲线，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏，同时，阻挡电子往上波导和上限制层一侧泄漏；同时，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层和第二载流子限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合。
进一步地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数m：3≥m≥1；阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～100埃米；垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～150埃米；
所述下限制层、下波导层、上波导层和上限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合；
所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、蓝宝石/SiO2复合衬底、Mo、TiW、CuW、Cu、蓝宝石/AlN复合衬底、金刚石、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。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器纵向剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器的SIMS二次离子质谱图；
其中：100、衬底；101、下限制层；102、下波导层；103、有源层；104、上波导层；105、上限制层；106、载流子限制层；106a、第一载流子限制层；106b、第二载流子限制层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
请参见图1，本实施例提供一种具有载流子限制层106的氮化镓半导体激光器，包括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和上限制层105，在所述下限制层101与下波导层102之间设置有第一载流子限制层106a，在所述上限制层105与上波导层104之间设置有第二载流子限制层106b；所述第一载流子限制层106a和第二载流子限制层106b构成载流子限制层106。
在本实施例中，通过在激光器中设置载流子限制层106，以形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层102和上限制层105一侧泄漏，同时阻挡电子往上波导和上限制层105一侧泄漏，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层106a的轻空穴有效质量为α，所述第二载流子限制层106b的轻空穴有效质量为β，其中：0.5≤α≤β≤15，单位为m0。
在本实施例中，通过控制载流子限制层106的空穴有效质量及其分布，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层102和上限制层105一侧泄漏。
进一步地，请参见图2，所述第一载流子限制层106a的轻空穴有效质量分布具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))第二象限的曲线分布，0＜a＜1，m＞0；所述第二载流子限制层106b的轻空穴有效质量分布具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
在本实施例中，通过控制载流子限制层106的空穴有效质量及其精确分布，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层102和上限制层105一侧泄漏，提升受激辐射效率，降低阈值电流密度，提升激光器的发光功率。
进一步地，所述第一载流子限制层106a的价带有效态密度分布具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))第二象限的曲线分布，0＜c＜1，p＞0；所述第二载流子限制层106b的价带有效态密度分布具有函数y＝logd((q+x)/(q-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
在本实施例中，通过控制载流子限制层106的价带有效态密度及其精确分布，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率。
进一步地，所述第一载流子限制层106a的空穴迁移率分布具有函数y＝loge((r+x)/(r-x))第三象限的曲线分布，e＞1，r＞0；所述第二载流子限制层106b的空穴迁移率分布具有函数y＝logf((s+x)/(s-x))第四象限的曲线分布，0＜f＜1，s＞0。
在本实施例中，通过控制载流子限制层106的空穴迁移率及其精确分布，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，提升激光器的温度稳定性和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层106a的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logg((t+x)/(t-x))第二象限的曲线分布，0＜g＜1，t＞0；所述第二载流子限制层106b的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logh((u+x)/(u-x))第一象限的曲线分布，h＞1，u＞0。
在本实施例中，通过控制载流子限制层106的光子能量吸收系数及其精确分布，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，降低激射阈值所需的载流子浓度，提升受激辐射效率，降低阈值电流密度，提升激光器的发光功率和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层106a的分布曲线系数具有如下关系：0＜g＜a＜c＜e＜100。所述第二载流子限制层106b的分布曲线系数具有如下关系：0＜f＜h＜b＜d＜500。
在本实施例中，通过控制载流子限制层106的第一载流子限制层106a的各项参数及分布曲线，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层102和上限制层105一侧泄漏，同时，阻挡电子往上波导和上限制层105一侧泄漏；同时，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
进一步地，所述第一载流子限制层106a和第二载流子限制层106b为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合。
进一步地，所述有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，周期数m：3≥m≥1；阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～100埃米；垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～150埃米；
所述下限制层101、下波导层102、上波导层104和上限制层105为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合；
所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、蓝宝石/SiO2复合衬底100、Mo、TiW、CuW、Cu、蓝宝石/AlN复合衬底100、金刚石、蓝宝石/SiNx、蓝宝石/SiO2/SiNx复合衬底100、镁铝尖晶石MgAl2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiAlO2和LiGaO2复合衬底100的任意一种。
为了进一步说明本发明的技术效果，本实施例提供传统激光器与本发明提供的具有载流子限制层106的氮化镓半导体激光器进行比对，具体可参见下表：
在本实施例中，通过在激光器中设置载流子限制层106，以形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层102和上限制层105一侧泄漏，同时阻挡电子往上波导和上限制层105一侧泄漏，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。而且，1000H老化光衰变小，说明器件的寿命变长；温度淬灭比例(PPM)说明器件的温度稳定性提升。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，包括从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层，其特征在于，在所述下限制层与下波导层之间设置有第一载流子限制层，在所述上限制层与上波导层之间设置有第二载流子限制层；所述第一载流子限制层和第二载流子限制层构成载流子限制层。
2.根据权利要求1所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量为α，所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量为β，其中：0.5≤α≤β≤15，单位为m0。
3.根据权利要求2所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))第二象限的曲线分布，0＜a＜1，m＞0；所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
4.根据权利要求3所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))第二象限的曲线分布，0＜c＜1，p＞0；所述第二载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logd((q+x)/(q-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
5.根据权利要求4所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝loge((r+x)/(r-x))第三象限的曲线分布，e＞1，r＞0；所述第二载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝logf((s+x)/(s-x))第四象限的曲线分布，0＜f＜1，s＞0。
6.根据权利要求5所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logg((t+x)/(t-x))第二象限的曲线分布，0＜g＜1，t＞0；所述第二载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logh((u+x)/(u-x))第一象限的曲线分布，h＞1，u＞0。
7.根据权利要求6所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜g＜a＜c＜e＜100。
8.根据权利要求6所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第二载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜f＜h＜b＜d＜500。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层和第二载流子限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合。
10.根据权利要求9所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，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m：3≥m≥1；阱层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～100埃米；垒层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～150埃米；
所述下限制层、下波导层、上波导层和上限制层为GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlInGaN、AlN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、InGaAsN、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、GaSb、InSb、InAs、InAsSb、AlGaSb、AlSb、InGaSb、AlGaAsSb、InGaAsSb、SiC、Ga2O3、BN和金刚石的任意一种或任意组合；
所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、InAs、GaSb、蓝宝石/SiO2复合衬底、Mo、TiW、CuW、Cu、蓝宝石/AlN复合衬底、金刚石、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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410377462.9A CN118315928A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410377462.9A CN118315928A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118315928A true CN118315928A (zh) | 2024-07-09 |
Family
ID=91732856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410377462.9A Pending CN118315928A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118315928A (zh) |
-
2024
- 2024-03-29 CN CN202410377462.9A patent/CN118315928A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116581643A (zh) | 一种半导体紫外激光器 | |
| CN116505377A (zh) | 一种半导体紫光紫外激光器 | |
| CN116345307A (zh) | 一种设有范德瓦斯非线性层的半导体激光元件 | |
| CN116191200A (zh) | 一种具有声子散射调控层的半导体激光元件 | |
| CN116131102A (zh) | 一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件 | |
| CN116759889A (zh) | 一种设有离子共轭层的半导体激光元件 | |
| CN118315928A (zh) | 一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器 | |
| CN219677770U (zh) | 一种半导体紫光紫外激光器 | |
| CN219779408U (zh) | 一种半导体紫外激光器 | |
| CN117498154A (zh) | 一种氮化镓基半导体激光器 | |
| CN118315930A (zh) | 一种氮化镓半导体激光元件 | |
| CN118117446A (zh) | 一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件 | |
| CN117394139A (zh) | 一种GaN基半导体激光元件 | |
| CN118054303A (zh) | 一种具有光吸收损耗抑制层的半导体激光器芯片 | |
| CN117394142A (zh) | 一种GaN基半导体激光芯片 | |
| CN118281697A (zh) | 一种具有渐变极化层的半导体激光器元件 | |
| CN118117444A (zh) | 一种具有三维自旋耦合电子层的半导体激光元件 | |
| CN116154615A (zh) | 一种设有量子自旋电子层的半导体激光元件 | |
| CN118156969A (zh) | 一种具有拓扑线性色散层的半导体激光元件 | |
| CN116316070A (zh) | 一种设有电流诱导自旋极化层的半导体激光元件 | |
| CN116316065A (zh) | 一种具有光场损耗控制层的半导体激光器 | |
| CN116914564A (zh) | 一种半导体激光器 | |
| CN117410831A (zh) | 一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件 | |
| CN116387981A (zh) | 一种具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件 | |
| CN117691467A (zh) | 一种氮化镓基半导体紫光紫外激光芯片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication |