一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件制造技术

本发明专利技术提供了一种设有量子限制斯塔克调控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，有源层与上波导层之间和有源层与下波导层之间设有量子限制斯塔克调控层；量子限制斯塔克调控层利用电流诱导铁电相变极化效应，使激光器在电流注入条件下产生磁致伸缩和铁谷耦合效应调控应变场和极化方向翻转，调制激光器的压电极化和自发极化场，减少量子限制斯塔克效应，降低激光元件的价带带阶，提升空穴注入的均匀性和激光增益均匀性，提升激光器有源层的电子空穴波函数的交叠几率，增强激光元件的受激辐射，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的峰值增益。增益。增益。

【技术实现步骤摘要】
一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件


[0001]本专利技术涉及半导体光电器件
，具体而言，涉及一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件。

技术介绍

[0002]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，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，限制了激光器电激射增益的提高；2.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；3.量子阱In组分增加会产生In组分涨落和应变，激光器增益谱变宽，峰值增益下降；量子阱In组分增加，热稳定性变差，高温p型半导体和限制层生长会使有源层产生热退化，降低有源层的质量和界面质量；有源层内部缺陷密度高、InN与GaN互溶隙较大、InN相分离偏析、热退化、晶体质量不理想，导致量子阱质量和界面质量不理想，增加非辐射复合中心。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的的问题。
[0004]一种设有量子限制斯塔克调控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，有源层与上波导层之间和有源层与下波导层之间设有量子限制斯塔克调控层。
[0005]作为本专利技术优选的技术方案，所述量子限制斯塔克调控层利用电流诱导铁电相变极化效应，使激光器在电流注入条件下产生磁致伸缩和铁谷耦合效应调控应变场和极化方向翻转，调制激光器的压电极化和自发极化场，减少量子限制斯塔克效应，降低激光元件的价带带阶，提升空穴注入的均匀性和激光增益均匀性，提升激光器有源层的电子空穴波函数的交叠几率，增强激光元件的受激辐射，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的峰值增益，同时，量子限制斯塔克调控层产生畴壁运动和晶格位移诱导的反铁电
‑
铁电相变，抑制有源层InN相分离和偏析，降低In组分涨落，改善界面质量，降低非辐射复合中心，提升激光功率和斜率效率。
[0006]作为本专利技术优选的技术方案，所述量子限制斯塔克调控层为ZrW2O8、ScF3、CoSe2、Fe3C、LaCu3Fe4O
12
、Yb8Ge3Sb5的任意一种或任意组合。
[0007]作为本专利技术优选的技术方案，所述量子限制斯塔克调控层的任意组合包括以下二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：
[0008]ZrW2O8/ScF3,ZrW2O8/CoSe2,ZrW2O8/Fe3C,ZrW2O8/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/Yb8Ge3Sb5,ScF3/CoSe2,ScF3/Fe3C,ScF3/LaCu3Fe4O
12
,ScF3/Yb8Ge3Sb5,CoSe2/Fe3C,CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,CoSe2/Yb8Ge3Sb5,Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,Fe3C/Yb8Ge3Sb5,LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5。
[0009]作为本专利技术优选的技术方案，所述量子限制斯塔克调控层的任意组合包括以下三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：
[0010]ZrW2O8/ScF3/CoSe2,ZrW2O8/ScF3/Fe3C,ZrW2O8/ScF3/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/ScF3/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/CoS e2/Fe3C,ZrW2O8/CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/CoSe2/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/Fe3C/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5,ScF3/CoSe2/Fe3C,ScF3/CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,ScF3/CoSe2/Yb8Ge3Sb5,ScF3/Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,ScF3/Fe3C/Yb8Ge3Sb5,ScF3/LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5,CoSe2/Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,CoSe2/Fe3C/Yb8Ge3Sb5,CoSe2/LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5,Fe3C/LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5。
[0011]作为本专利技术优选的技术方案，所述量子限制斯塔克调控层的任意组合包括以下四元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：
[0012]ZrW2O8/ScF3/CoSe2/Fe3C,ZrW2O8/ScF3/CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/ScF3/CoSe2/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/CoS e2/Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,ZrW本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种设有量子限制斯塔克调控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)与上波导层(104)之间和有源层(103)与下波导层之间设有量子限制斯塔克调控层(107)。2.如权利要求1所述的一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件，其特征在于，所述量子限制斯塔克调控层(107)利用电流诱导铁电相变极化效应，使激光器在电流注入条件下产生磁致伸缩和铁谷耦合效应调控应变场和极化方向翻转，调制激光器的压电极化和自发极化场，减少量子限制斯塔克效应，降低激光元件的价带带阶，提升空穴注入的均匀性和激光增益均匀性，提升激光器有源层的电子空穴波函数的交叠几率，增强激光元件的受激辐射，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的峰值增益，同时，量子限制斯塔克调控层产生畴壁运动和晶格位移诱导的反铁电
‑
铁电相变，抑制有源层InN相分离和偏析，降低In组分涨落，改善界面质量，降低非辐射复合中心，提升激光功率和斜率效率。3.如权利要求2所述的一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件，其特征在于，所述量子限制斯塔克调控层(107)为ZrW2O8、ScF3、CoSe2、Fe3C、LaCu3Fe4O
12
、Yb8Ge3Sb5的任意一种或任意组合。4.如权利要求3所述的一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件，其特征在于，所述量子限制斯塔克调控层(107)的任意组合包括以下二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：ZrW2O8/ScF3,ZrW2O8/CoSe2,ZrW2O8/Fe3C,ZrW2O8/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/Yb8Ge3Sb5,ScF3/CoSe2,ScF3/Fe3C,ScF3/LaCu3Fe4O
12
,ScF3/Yb8Ge3Sb5,CoSe2/Fe3C,CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,CoSe2/Yb8Ge3Sb5,Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,Fe3C/Yb8Ge3Sb5,LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5。5.如权利要求3所述的一种设有量子限制斯塔克调控层的半导体激光元件，其特征在于，所述量子限制斯塔克调控层(107)的任意组合包括以下三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：ZrW2O8/ScF3/CoSe2,ZrW2O8/ScF3/Fe3C,ZrW2O8/ScF3/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/ScF3/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/CoS e2/Fe3C,ZrW2O8/CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/CoSe2/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,ZrW2O8/Fe3C/Yb8Ge3Sb5,ZrW2O8/LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5,ScF3/CoSe2/Fe3C,ScF3/CoSe2/LaCu3Fe4O
12
,ScF3/CoSe2/Yb8Ge3Sb5,ScF3/Fe3C/LaCu3Fe4O
12
,ScF3/Fe3C/Yb8Ge3Sb5,ScF3/LaCu3Fe4O
12
/Yb8Ge3Sb5,Co...

【专利技术属性】
技术研发人员：李水清，王星河，蔡鑫，刘紫涵，张江勇，马斯特，白怀铭，陆恩，刘鑫建，周进泽，牧立一，徐浩翔，韩霖，
申请(专利权)人：安徽格恩半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：