CN118315932A - 一种具有连续域束缚态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连续域束缚态层的半导体激光元件。该半导体激光元件包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，其特征在于，所述上波导层与上限制层之间以及下波导层与下限制层之间均增设有连续域束缚态层；该半导体激光元件通过增设连续域束缚态层操纵激光导带和价带能带的光力分布，本征态形成多个连续域束缚态奇点，产生激光的拓扑型元激发涡旋和斯格明子，诱导形成远场辐射偏振矢量的涡旋中心，使激光形成具有一定拓扑荷的涡旋光束，提升激光光子简并度，减少激光模数，降低噪声，提升激光相干性、远场FFP质量和光束质量因子。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件的技术领域，具体涉及一种具有连续域束缚态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。激光器的种类很多，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)激光模数越少，越有利于受激辐射，越有利于提高光子的简并度，越有利于使受激辐射超过自发辐射；激光光波的型态可分为横模和纵横；垂直于光轴截面内的横模光强分布是由半导体激光器的波导结构决定，若横模复杂不稳定，输出光的相干性差；纵模在谐振腔传播方向上是驻波分布，很多纵模同时激射或存在模间变化，则不能获得很高时间上的相干性，远场图像FFP质量差，使光束能量在远场区域分散，导致激光束在远场区域能量损失增加，从而产生光束强度减弱、成像质量下降、光束发散度增加和光学器件损坏风险增加等问题。2)光场有耗散，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，较差的远场图像FFP质量可能导致激光器的光束质量下降，还会影响激光器的聚焦效果，导致激光器的光束在远场区域无法有效聚焦、聚焦点模糊或者聚焦效果不理想，这对于需要精确聚焦的应用，如激光切割、激光打标等，会造成影响。
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：
一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、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以及下波导层与下限制层之间均增设有连续域束缚态层。
作为本发明的进一步优化方案，所述连续域束缚态层为CrS i Te3@CrGeTe3、CrF3@KTaO3、CrBr3@LaCoO3、Cr I 3@CrSi Te3、CrC l 3@CsPb I 3的任意一种或任意组合的二维拓扑范德华异质结构。
作为本发明的进一步优化方案，所述连续域束缚态层的任意组合包括以下二元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3、CrSi Te3@CrGeTe3/CrBr3@LaCoO3、CrS i Te3@CrGeTe3/Cr I 3@CrSi Te3、CrSi Te3@CrGeTe3/CrC l 3@CsPb I 3、CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3、CrF3@KTaO3/Cr I 3@CrSi Te3、CrF3@KTaO3/CrC l 3@CsPb I 3、CrBr3@LaCoO3/Cr I3@CrSi Te3、CrBr3@LaCoO3/CrC l 3@CsPb I 3、Cr I 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I 3。
作为本发明的进一步优化方案，所述连续域束缚态层的任意组合包括以下三元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3、
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/Cr I 3@CrSi Te3、
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrC l 3@CsPb I 3、
CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3、
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CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I 3。
作为本发明的进一步优化方案，所述连续域束缚态层的任意组合包括以下四元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3、CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrC l 3@CsPb I 3、CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrI 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I 3、CrS i Te3@CrGeTe3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrS i Te3/CrC l 3@CsPb I 3、CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I 3。
作为本发明的进一步优化方案，所述连续域束缚态层的任意组合包括以下五元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I3。
作为本发明的进一步优化方案，所述下限制层为GaN、A l GaN、I nGaN、A l InGaN、A l N、I nN、A l I nN的任意一种或任意组合；
所述下波导层和上波导层为GaN、I nGaN、A l I nGaN的任意一种或任意组合。
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、A l GaN、A lI nGaN、A l N、A l I nN的任意一种或任意组合。
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，所述阱层为I nGaN、I nN、A l I nN、GaN的任意一种或任意组合，所述垒层为GaN、A l GaN、A lI nGaN、A l N、A l I nN的任意一种或任意组合。
作为本发明的进一步优化方案，所述衬底为蓝宝石、硅、Ge、Si C、A l N、GaN、GaAs、I nP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/A l N复合衬底、蓝宝石/Si Nx、蓝宝石/S iO2/Si Nx复合衬底、镁铝尖晶石MgA l2O4、MgO、ZnO、ZrB2、LiA l O2和Li GaO2复合衬底的任意一种。
本发明的有益效果在于：本发明通过增设连续域束缚态层操纵激光导带和价带能带的光力分布，本征态形成多个连续域束缚态奇点，产生激光的拓扑型元激发涡旋和斯格明子，诱导形成远场辐射偏振矢量的涡旋中心，使激光形成具有一定拓扑荷的涡旋光束，提升激光光子简并度，减少激光模数，降低噪声，提升激光相干性、远场FFP质量和光束质量因子。
附图说明
图1是本发明的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件的结构示意图。
图中：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、连续域束缚态层。
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。
如图1所示，一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底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，上波导层104与上限制层106之间以及下波导层102与下限制层101之间均增设有连续域束缚态层107，连续域束缚态层的厚度为5～5000埃米。
进一步的，连续域束缚态层107为CrSi Te3@CrGeTe3、CrF3@KTaO3、CrBr3@LaCoO3、CrI 3@CrSi Te3、CrC l 3@CsPb I 3的任意一种或任意组合的二维拓扑范德华异质结构。
需要说明的是，连续域束缚态层107具有拓扑光力作用，可操纵激光导带和价带能带的光力分布，本征态形成多个连续域束缚态奇点，产生激光的拓扑型元激发涡旋和斯格明子，诱导形成远场辐射偏振矢量的涡旋中心，使激光形成具有一定拓扑荷的涡旋光束，提升激光光子简并度，减少激光模数，降低噪声，提升激光相干性、远场FFP质量和光束质量因子；同时，连续域束缚态层107实现对光子与载流子在垂直方向限制和禁带反射结构的横向限制，使其处于光锥以上连续域的谐振态，增强连续束缚态的模式与动量匹配，提升垂直方向的光限制和激光Q值，进而限制光在上波导层104和下波导层102传播，提升激光的光场局域能力和品质因素，并增强光与物质相互作用的非线性谐波，降低力学损耗和光场耗散，抑制光场模式泄漏到衬底100，进一步提升远场图像FFP质量，提升激光频谱纯度和光束质量因子。
需要进一步说明的是，激光相干性是指，一个脉冲激光的光子的波长和幅度不会衰减，能够在空间和时间上保持相一致，这样就可以建立出一定规律的相干性状态，通常激光器可以产生相干性状态，可以用来衡量激光束的相干性程度，激光相干性可以用几个间接度量技术来分析，它们是相位相关性、光形像中心度量、谱宽度等；
频谱纯度是评估连续波信号质量好坏的其中一个重要指标，它指的是输出信号的理想程度，频谱纯度差的激光不但会带来相位噪声，同样也会导致原子干涉过程中引入光频移相移，导致系统误差，甚至会激发原子的自发辐射，破坏原子干涉过程的相干性；
光子简并度是处于同一光子态的平均光子数；
激光Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标，即品质因数，而调Q技术是一种获得高能量短脉冲的有效方法，它是将一般输出的连续激光压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率提升几个数量级的一种技术。
进一步的，连续域束缚态层107的任意组合包括以下二元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3、CrSi Te3@CrGeTe3/CrBr3@LaCoO3、CrS i Te3@CrGeTe3/Cr I 3@CrSi Te3、CrSi Te3@CrGeTe3/CrC l 3@CsPb I 3、CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3、CrF3@KTaO3/Cr I 3@CrSi Te3、CrF3@KTaO3/CrC l 3@CsPb I 3、CrBr3@LaCoO3/Cr I3@CrSi Te3、CrBr3@LaCoO3/CrC l 3@CsPb I 3、Cr I 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I 3。
进一步的，连续域束缚态层107的任意组合包括以下三元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3、
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/Cr I 3@CrSi Te3、
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrC l 3@CsPb I 3、
CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3、
CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrC l 3@CsPb I 3、
CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3/CrC l 3@CsPb I 3。
进一步的，连续域束缚态层107的任意组合包括以下四元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I 3@CrSi Te3、CrS i Te3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrC l 3@CsPb I 3、CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrI3@CrSiTe3/CrC l3@CsPb I3、CrSiTe3@CrGeTe3/CrBr3@LaCoO3/Cr I3@CrSiTe3/CrC l3@CsPbI3、CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I3@CrSiTe3/CrC l3@CsPb I3。
进一步的，连续域束缚态层107的任意组合包括以下五元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/Cr I3@CrSiTe3/CrC l3@CsPb I3。
进一步的，下限制层101为GaN、Al GaN、I nGaN、Al I nGaN、Al N、I nN、Al I nN的任意一种或任意组合，其厚度为50～5000nm；
下波导层102和上波导层104为GaN、I nGaN、Al I nGaN的任意一种或任意组合，下波导层102和上波导层104的厚度为50～1000nm。
进一步的，电子阻挡层105和上限制层106为GaN、Al GaN、A l I nGaN、Al N、Al InN的任意一种或任意组合，其厚度为20～1000nm。
进一步的，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、I nN、Al I nN、GaN的任意一种或任意组合，其厚度为10～80埃米，垒层为GaN、AlGaN、Al I nGaN、A l N、Al I nN的任意一种或任意组合，其厚度为10～120埃米。
进一步的，衬底100为蓝宝石、硅、Ge、SiC、Al N、GaN、GaAs、I nP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/A l N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。
以绿光激光器为例，可得到如下表所示的本发明激光器与传统激光器的对比数据：
| 绿光激光器-项目 | 传统激光器 | 本发明激光器 | 变化幅度 |
| 光束质量因子M2 | 1.89 | 1.09 | 73％ |
| 内部光学损耗(cm-1) | 10.9 | 7.2 | -34％ |
相对于传统激光器，本发明激光器的光束质量因子由1.89M2降低至1.09M2，提升了73％，内部光学损耗由10.9cm-1降低至7.2cm-1，降低了34％。
需要说明的是，激光器的光束质量因子是衡量激光束品质的一个参数，通常用来描述激光束的聚焦能力、光学散射、波前畸变等特性，光束质量因子越接近于1，表示光束质量高，意味着光束的空间结构更加稳定，不容易受到外部环境因素的影响，可靠性更高，高质量的光束还能够减少光学散射和波前畸变，从而降低光学系统的损耗，提高光束的传输效率，并且更接近于理想高斯光束，对应着更好的远场图像FFP质量，使得光束在远场的聚焦性更好，光斑更小且更集中；内部光学损耗的降低，意味着输入的光能更多地被转化为高质量的输出光束，因此可以改善激光器的光束质量和稳定性。
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)
1.一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，其特征在于，所述上波导层与上限制层之间以及下波导层与下限制层之间均增设有连续域束缚态层。
2.根据权利要求1所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述连续域束缚态层为CrSiTe3@CrGeTe3、CrF3@KTaO3、CrBr3@LaCoO3、CrI 3@CrSiTe3、CrCl 3@CsPbI 3的任意一种或任意组合的二维拓扑范德华异质结构。
3.根据权利要求2所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述连续域束缚态层的任意组合包括以下二元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3、CrSiTe3@CrGeTe3/CrBr3@LaCoO3、CrSiTe3@CrGeTe3/CrI3@CrSiTe3、CrSiTe3@CrGeTe3/CrCl 3@CsPbI 3、CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3、CrF3@KTaO3/CrI3@CrSiTe3、
CrF3@KTaO3/CrCl 3@CsPbI 3、CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3、
CrBr3@LaCoO3/CrCl 3@CsPbI 3、CrI 3@CrSiTe3/CrCl 3@CsPbI 3。
4.根据权利要求2所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述连续域束缚态层的任意组合包括以下三元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3、
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrI 3@CrSiTe3、
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrCl 3@CsPbI 3、
CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3、
CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrCl 3@CsPbI 3、
CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3/CrCl 3@CsPbI 3。
5.根据权利要求2所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述连续域束缚态层的任意组合包括以下四元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3、
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrCl 3@CsPbI 3、
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrI 3@CrSiTe3/CrCl 3@CsPbI 3、
CrSiTe3@CrGeTe3/CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3/CrCl 3@CsPbI 3、
CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3/CrCl 3@CsPbI 3。
6.根据权利要求2所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述连续域束缚态层的任意组合包括以下五元组合的二维拓扑范德华异质结构：
CrSiTe3@CrGeTe3/CrF3@KTaO3/CrBr3@LaCoO3/CrI 3@CrSiTe3/CrCl 3@CsPbI 3。
7.根据权利要求1所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述下限制层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、Al InN的任意一种或任意组合；
所述下波导层和上波导层为GaN、InGaN、Al InGaN的任意一种或任意组合。
8.根据权利要求1所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述电子阻挡层和上限制层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、Al InN的任意一种或任意组合。
9.根据权利要求1所述的一种具有连续域束缚态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，所述阱层为InGaN、InN、AlInN、GaN的任意一种或任意组合，所述垒层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合。
10.根据权利要求1所述的一种具有连续域束缚态层的半导体激光元件，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、硅、Ge、Si C、A lN、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。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118315932A true CN118315932A (zh) | 2024-07-09 |
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