一种具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件制造技术

本发明专利技术涉及半导体光电器件的技术领域，特别是涉及一种具有层间相干空穴隧穿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/或有源层与下波导层之间具有层间相干空穴隧穿层；所述层间相干空穴隧穿层构建高度周期性的静电势，调谐Feshbach分子共振来增强激光器中驻留在不同层的激子和空穴相互作用，从而诱导激光器的空穴产生层间相干空穴隧穿注入有源层，提升有源层的空穴注入效率，提升有源层电子和空穴的匹配度和均匀性，降低电子泄漏，增强有源层的载流子局域化，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子和峰值增益，提升激光元件的光功率和斜率效率。率效率。率效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件


[0001]本专利技术涉及半导体光电器件的
，特别是涉及一种具有层间相干空穴隧穿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。
[0003]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。
[0004]氮化物半导体激光器存在以下问题：1)内部晶格失配大、应变大引起极化效应强，QCSE量子限制Stark效应强限制激光器电激射增益的提高；2)内部缺陷密度高、晶体质量不理想，量子阱发光效率低，高位错密度会降低激光器的寿命；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，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，激光器增益谱变宽，峰值增益下降。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，该层间相干空穴隧穿层构建高度周期性的静电势，调谐Feshbach分子共振来增强激光器中驻留在不同层的激子和空穴相互作用，从而诱导激光器的空穴产生层间相干空穴隧穿注入有源层，提升有源层的空穴注入效率，提升有源层电子和空穴的匹配度和均匀性，降低电子泄漏，增强有源层的载流子局域化，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子和峰值增益，提升激光元件的光功率和斜率效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，结构上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，所述下波导层和有源层之间设置有第一层间相干空穴隧穿层，和/或有源层和上波导层之间设置有第二层间相干空穴隧穿层，所述第一层间相干空穴隧穿层和第二层间相干空穴隧穿层相同或相异，且均为BaSrCuO、KAg3Se2、NiFeSe、CrGeTe3、Na4Mn4Ti5O
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、CrTe4的任意两种或两种以上组合形成的特定结构，所述特定结构为异质结结构、超晶格结构、量子阱结构、核壳结构、量子点结构、二维莫尔超晶格结构中的任意一种或两种以上的组合。
[0007]作为具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件进一步的改进：
[0008]优选的，所述第一层间相干空穴隧穿层和第二层间相干空穴隧穿层的厚度为5
‑
500nm。
[0009]优选的，所述下限制层为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN、AlInN的任意一种或两种以上的组合，厚度为50
‑
5000nm，Si掺杂浓度为1E18
‑
1E20cm
‑3。
[0010]优选的，所述下波导层和上波导层为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或两种以上的组合，厚度为50
‑
1000nm，Si掺杂浓度为1E16
‑
5E19cm
‑3。
[0011]优选的，所述电子阻挡层和上限制层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或两种以上的组合，厚度为20
‑
1000nm，Mg掺杂浓度为1E18
‑
1E20cm
‑3。
[0012]优选的，所述有源层为阱层和垒层组成的周期性结构，所述阱层为InGaN阱层，垒层为GaN、AlInGaN、AlGaN、AlInN的任意一种或两种以上的组合，所述有源层的周期数为m：4≥m≥1。
[0013]优选的，所述衬底为蓝宝石、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
[0014]/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。
[0015]优选的，所述下限制层为AlGaN层，厚度为50
‑
5000nm，Si掺杂浓度为1E18
‑
1E20cm
‑3；所述上限制层为AlInGaN层，厚度为50
‑
5000nm，Si掺杂浓度为1E18
‑
1E20cm
‑3；所述下波导层为GaN层，厚度为50
‑
1000nm；所述上波导层为InGaN层，厚度为50
‑
1000nm；所述有源层为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为InGaN阱层，周期数m满足4≥m≥1。
[0016]优选的，所述第一层间相干空穴隧穿层和第二层间相干空穴隧穿层为以下二元组合形成的特定结构：KV3Sb5/WSe2，KV3Sb5/ReO3，KV3Sb5/RbV3Sb5，KV3Sb5/CsV3Sb5，KV3Sb5/KSbO3，WSe2/ReO3，WSe2/RbV3Sb5，WSe2/CsV3Sb5，WSe2/KSbO3，ReO3/RbV3Sb5，ReO3/CsV3Sb5，ReO3/KSbO3，RbV3Sb5/CsV3Sb5，RbV3Sb5/KSbO3，CsV3Sb5/KSbO3。
[0017]优选的，所述第一层间相干空穴隧穿层和第二层间相干空穴隧穿层为以下三元组合形成的特定结构：KV3Sb5/WSe2/ReO3，KV3Sb5/WSe2/RbV3Sb5，KV3Sb5/WSe2/CsV3Sb5，KV3Sb5/WSe2/KSbO3，KV3Sb5/ReO3/RbV3Sb5，KV3Sb5/ReO3/CsV3Sb5，KV3Sb5/ReO3/KSbO3，KV3Sb5/RbV3Sb5/CsV3Sb5，KV3Sb5/Rb本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，结构上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，所述下波导层(102)和有源层(103)之间设置有第一层间相干空穴隧穿层(1071)，和/或有源层(103)和上波导层(104)之间设置有第二层间相干空穴隧穿层(1072)，所述第一层间相干空穴隧穿层(1071)和第二层间相干空穴隧穿层(1072)相同或相异，且均为BaSrCuO、KAg3Se2、NiFeSe、CrGeTe3、Na4Mn4Ti5O
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、CrTe4的任意两种或两种以上组合形成的特定结构，所述特定结构为异质结结构、超晶格结构、量子阱结构、核壳结构、量子点结构、二维莫尔超晶格结构中的任意一种或两种以上的组合。2.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，其特征在于，所述第一层间相干空穴隧穿层(1071)和第二层间相干空穴隧穿层(1072)的厚度为5
‑
500nm。3.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿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的任意一种或两种以上的组合，厚度为50
‑
5000nm，Si掺杂浓度为1E18
‑
1E20cm
‑3。4.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，其特征在于，所述下波导层(102)和上波导层(104)为GaN、InGaN、AlInGaN的任意一种或两种以上的组合，厚度为50
‑
1000nm，Si掺杂浓度为1E16
‑
5E19cm
‑3。5.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子阻挡层(105)和上限制层(106)为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或两种以上的组合，厚度为20
‑
1000nm，Mg掺杂浓度为1E18
‑
1E20cm
‑3。6.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，其特征在于，所述有源层(103)为阱层和垒层组成的周期性结构，所述阱层为InGaN阱层，垒层为GaN、AlInGaN、AlGaN、AlInN的任意一种或两种以上的组合，所述有源层(103)的周期数为m：4≥m≥1。7.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，其特征在于，所述衬底(100)为蓝宝石、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。8.根据权利要求1所述的具有层间相干空穴隧穿层的半导体激光元件，其特征在于，所述第一层间相干空穴隧穿层(1071)和第二层间相干空穴隧穿层(1072)为以下二元组合或三元组合形成的特定结构：BaSrCuO/KAg3Se2，BaSrCuO/NiFeSe，BaSrCuO/CrGeTe3，BaSrCuO/Na4Mn4Ti5O
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，BaSrCuO/CrTe4，KAg3Se2/NiFeSe，KAg3Se2/CrGeTe3，KAg3Se2/Na4Mn4Ti5O
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，KAg3Se2/CrTe4，NiFeSe/CrGeTe3，NiFeSe/Na4Mn4Ti5O
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，NiFeSe/CrTe4，CrGeTe3/Na4Mn4Ti5O
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，CrGeTe3/CrTe4，Na4Mn4Ti5O
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/CrTe4，BaSrCuO/KAg3Se2/NiFeSe，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李水清，请求不公布姓名，王星河，黄军，蔡鑫，陈婉君，胡志勇，张江勇，
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：