一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件制造技术

技术编号：40117815 阅读：6 留言：0更新日期：2024-01-23 20:11

本发明专利技术涉及半导体光电器件技术领域，具体说是一种具有狄拉克自旋零带隙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、电子阻挡层和上限制层，所述上限制层与电子阻挡层之间以及下限制层中间具有狄拉克自旋零带隙层，所述狄拉克自旋零带隙层的厚度为5～5000埃米；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。本发明专利技术形成自旋向上的价带和自旋向下的导带，提升注入激光元件有源层的电子空穴浓度的匹配性和均匀性，提升激光增益均匀性，降低双极性电导效应，降低激光元件的电压，从而提升激光元件受激辐射效率，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。

全部详细技术资料下载

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电器件，具体说是一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件。

技术介绍

1、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。

2、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。

3、氮化物半导体激光器存在以下问题：1)p型半导体的mg受主激活能大、离化效

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，本专利技术提出了一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。

2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本专利技术所述的一种具有狄拉克自旋零带隙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、电子阻挡层和上限制层，所述上限制层与电子阻挡层之间以及下限制层中间具有狄拉克自旋零带隙层，所述狄拉克自旋零带隙层的厚度为5～5000埃米；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。

4、优选的，所述狄拉克自旋零带隙层可去除激光元件下限制层中间电子的有效质量，以及去除上限制层与电子阻挡层之间空穴的有效质量，获得完全自旋极化的无质量电子和无质量空穴，同时，狄拉克自旋零带隙层的抛物线分布的能带可形成狄拉克锥，可调控导带的价带的自旋极化，形成自旋向上的价带和自旋向下的导带，提升注入激光元件有源层的电子空穴浓度的匹配性和均匀性。

5、优选的，所述狄拉克自旋零带隙层为luptbi@mn2coal,yptbi@hgte:mn,ceptbi@znvcos,prptbi@zncrfes,ndptbi@vo2中的任意一种或多种组合。

6、优选的，所述狄拉克自旋零带隙层的任意组合包括以下二元组合的核壳纳米球结构：

7、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn,

8、luptbi@mn2coal/ceptbi@znvcos,

9、luptbi@mn2coal/prptbi@zncrfes,

10、luptbi@mn2coal/ndptbi@vo2,

11、yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos,

12、yptbi@hgte:mn/prptbi@zncrfes,

13、yptbi@hgte:mn/ndptbi@vo2,

14、ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes,

15、ceptbi@znvcos/ndptbi@vo2,

16、prptbi@zncrfes/ndptbi@vo2。

17、优选的，所述狄拉克自旋零带隙层的任意组合包括以下三元组合的核壳纳米球结构：

18、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos,

19、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/prptbi@zncrfes,

20、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/ndptbi@vo2,

21、yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes,

22、yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos/ndptbi@vo2,

23、ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes/ndptbi@vo2。

24、优选的，所述狄拉克自旋零带隙层的任意组合包括以下四元组合的核壳纳米球结构：

25、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes,

26、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos/ndptbi@vo2,

27、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/prptbi@zncrfes/ndptbi@vo2,

28、luptbi@mn2coal/ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes/ndptbi@vo2,

29、yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes/ndptbi@vo2。

30、优选的，所述狄拉克自旋零带隙层的任意组合包括以下五元组合的核壳纳米球结构：

31、luptbi@mn2coal/yptbi@hgte:mn/ceptbi@znvcos/prptbi@zncrfes/ndptbi@vo2。

32、优选的，所述阱层为i ngan、i nn、gan、al i ngan、al n、al gan、al i nn、gaas、gap、i np、al gaas、a l i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、al i np、al gap、ingap、sic、ga2o3、bn中的任意一种或多种组合，厚度为10～80埃米，所述垒层为i ngan本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种具有狄拉克自旋零带隙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)和上限制层(106)，其特征在于：所述上限制层(106)与电子阻挡层(105)之间以及下限制层(101)中间具有狄拉克自旋零带隙层(107)，所述狄拉克自旋零带隙层的厚度为5～5000埃米。

2.根据权利要求1所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)可去除激光元件下限制层(101)中间电子的有效质量，以及去除上限制层(106)与电子阻挡层(105)之间空穴的有效质量，获得完全自旋极化的无质量电子和无质量空穴，同时，狄拉克自旋零带隙层(107)的抛物线分布的能带可形成狄拉克锥，可调控导带的价带的自旋极化，形成自旋向上的价带和自旋向下的导带，提升注入激光元件有源层(103)的电子空穴浓度的匹配性和均匀性。

3.根据权利要求2所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)为LuPtBi@

4.根据权利要求3所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)的任意组合包括以下二元组合的核壳纳米球结构：

5.根据权利要求3所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)的任意组合包括以下三元组合的核壳纳米球结构：

6.根据权利要求3所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)的任意组合包括以下四元组合的核壳纳米球结构：

7.根据权利要求3所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)的任意组合包括以下五元组合的核壳纳米球结构：

8.根据权利要求1所述的一种具有狄拉克自旋零带隙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结构，周期数为3≥m≥1；所述阱层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN中的任意一种或多种组合，厚度为10～80埃米，所述垒层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN中的任意一种或多种组合，厚度为10～120埃米。

9.根据权利要求1所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述下限制层(101)为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN中的任意一种或多种组合，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InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN中的任意一种或多种组合，厚度为50～1000nm，Si掺杂浓度为1E16～5E19 cm-3。

10.根据权利要求1所述的一种具有狄拉克自旋零带隙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InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN中的任意一种或多种组合，厚度为20～1000nm，Mg掺杂浓度为1E18～1E20 cm-3；所述衬底(100)采用蓝宝石、硅、Ge、SiC、AlN、GaN、GaAs、InP、蓝宝石/SiO2复合衬底、蓝宝石/AlN复...

【技术特征摘要】

3.根据权利要求2所述的一种具有狄拉克自旋零带隙层的半导体激光元件，其特征在于：所述狄拉克自旋零带隙层(107)为luptbi@mn2coal,yptbi@hgte:mn,ceptbi@znvcos,prptbi@zncrfes,ndptbi@vo2中的任意一种或多种组合。

8.根据权利要求1所述的一种具有狄拉克自旋零带隙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结构，周期数为3≥m≥1；所述阱层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、...

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

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人