【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體光電器件，尤其涉及一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件。
技術(shù)介紹
1、激光器廣泛應(yīng)用于激光顯示、激光電視、激光投影儀、通訊、醫(yī)療、武器、制導(dǎo)、測距、光譜分析、切割、精密焊接、高密度光存儲等領(lǐng)域。激光器的各類很多，分類方式也多樣，主要有固體、氣體、液體、半導(dǎo)體和染料等類型激光器；與其他類型激光器相比，全固態(tài)半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、重量輕、穩(wěn)定性好、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、小型化等優(yōu)點。
2、激光器與氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管存在較大的區(qū)別：1)激光是由載流子發(fā)生受激輻射產(chǎn)生，光譜半高寬較小，亮度很高，單顆激光器輸出功率可在w級，而氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管則是自發(fā)輻射，單顆發(fā)光二極管的輸出功率在mw級；2)激光器的使用電流密度達ka/cm2，比氮化物發(fā)光二極管高2個數(shù)量級以上，從而引起更強的電子泄漏、更嚴(yán)重的俄歇復(fù)合、極化效應(yīng)更強、電子空穴不匹配更嚴(yán)重，導(dǎo)致更嚴(yán)重的效率衰減droop效應(yīng)；3)發(fā)光二極管自發(fā)躍遷輻射，無外界作用，從高能級躍遷到低能級的非相干光，而激光器為受激躍遷輻射，感應(yīng)光子能量應(yīng)等于電子躍遷的能級之差，產(chǎn)生光子與感應(yīng)光子的全同相干光；4)原理不同：發(fā)光二極管為在外界電壓作用下，電子空穴躍遷到量子阱或p-n結(jié)產(chǎn)生輻射復(fù)合發(fā)光，而激光器需要激射條件滿足才可激射，必須滿足有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布，受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回振蕩，在增益介質(zhì)中的傳播使光放大，滿足閾值條件使增益大于損耗，并最終輸出激光。
3、氮化物半導(dǎo)體激光器存在以下問題：量子阱極化電場提升空穴注入勢壘、空穴溢出有源層等問題，
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)提出一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，使量子自旋輸運層形成多個拓撲表面態(tài)共存的低維拓撲結(jié)構(gòu)，形成狄拉克表面態(tài)，構(gòu)建多重拓撲保護下長距離自旋輸運，協(xié)同調(diào)控有源層和波導(dǎo)層的拓撲能帶與自旋輸運，提升自旋流-電荷流轉(zhuǎn)換效率，提升載流子注入有源層的均勻性，提升有源層的量子復(fù)合效率，提升激光器的斜率效率和光功率。
2、本專利技術(shù)提供的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，從下至上依次包括襯底、下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、上波導(dǎo)層、上限制層，所述有源層和下波導(dǎo)層之間設(shè)有量子自旋輸運層；所述量子自旋輸運層為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、co3o4、mnbi2te4、vs2、vs、csmnf3、csmncl3的任意一種或任意組合。
3、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的電子遷移率分布具有函數(shù)y＝a+b*sinx/ex曲線分布；所述量子自旋輸運層的電子遷移率≤下波導(dǎo)層的電子遷移率≤有源層的電子遷移率。
4、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的電子有效質(zhì)量分布具有函數(shù)y＝c+d*x2sinx第一象限曲線分布；所述有源層的電子有效質(zhì)量≤下波導(dǎo)層的電子有效質(zhì)量≤量子自旋輸運層的電子有效質(zhì)量。
5、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的禁帶寬度分布具有函數(shù)y＝e+f*exsinx曲線分布；所述有源層的禁帶寬度≤下波導(dǎo)層的禁帶寬度≤量子自旋輸運層的禁帶寬度。
6、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的介電常數(shù)分布具有函數(shù)y＝g+h*x2+j*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層的介電常數(shù)≤下波導(dǎo)層的介電常數(shù)≤有源層的介電常數(shù)。
7、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的in元素濃度分布具有函數(shù)y＝k+l*x2+m*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層的in元素濃度≤下波導(dǎo)層的in元素濃度≤有源層的in元素濃度。
8、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的in/h元素比例分布具有函數(shù)y＝n+p*x2+q*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層的in/h元素比例≤下波導(dǎo)層的in/h元素比例≤有源層的in/h元素比例；
9、所述量子自旋輸運層的in/c元素比例分布具有函數(shù)y＝r+s*x2+t*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層的in/c元素比例≤下波導(dǎo)層的in/c元素比例≤有源層的in/c元素比例；
10、所述量子自旋輸運層的in/o元素比例分布具有函數(shù)y＝u+v*x2+w*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層的in/o元素比例≤下波導(dǎo)層的in/o元素比例≤有源層的in/o元素比例。
11、優(yōu)選地，所述量子自旋輸運層的電子遷移率分布、電子有效質(zhì)量分布、禁帶寬度分布、介電常數(shù)分布具有如下關(guān)系：c≤e≤g≤a；所述量子自旋輸運層的in元素濃度分布、in/h元素比例分布、in/c元素比例分布、in/o元素比例分布具有如下關(guān)系：n≤u≤r≤k。
12、優(yōu)選地，所述有源層為阱層和壘層組成的周期結(jié)構(gòu)，周期數(shù)為3≥m≥1，阱層為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的任意一種或任意組合，厚度為10～120埃米，壘層為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的任意一種或任意組合，厚度為10～200埃米。
13、優(yōu)選地，所述下限制層、下波導(dǎo)層、上波導(dǎo)層、上限制層為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的任意一種或任意組合的任意一種或任意組合。
14、優(yōu)選地，所述襯底包括藍寶石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，從下至上依次包括襯底(100)、下限制層(101)、下波導(dǎo)層(102)、有源層(103)、上波導(dǎo)層(104)、上限制層(105)，其特征在于，所述有源層(103)和下波導(dǎo)層(102)之間設(shè)有量子自旋輸運層(106)；所述量子自旋輸運層(106)為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、Co3O4、MnBi2Te4、VS2、VS、CsMnF3、CsMnCl3的任意一種或任意組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的電子遷移率分布具有函數(shù)y＝A+B*sinx/ex曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的電子遷移率≤下波導(dǎo)層(102)的電子遷移率≤有源
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的電子有效質(zhì)量分布具有函數(shù)y＝C+D*x2sinx第一象限曲線分布；所述有源層(103)的電子有效質(zhì)量≤下波導(dǎo)層(102)的電子有效質(zhì)量≤量子自旋輸運層(106)的電子有效質(zhì)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的禁帶寬度分布具有函數(shù)y＝E+F*exsinx曲線分布；所述有源層(103)的禁帶寬度≤下波導(dǎo)層(102)的禁帶寬度≤量子自旋輸運層(106)的禁帶寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的介電常數(shù)分布具有函數(shù)y＝G+H*x2+J*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的介電常數(shù)≤下波導(dǎo)層(102)的介電常數(shù)≤有源層(103)的介電常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的In元素濃度分布具有函數(shù)y＝K+L*x2+M*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的In元素濃度≤下波導(dǎo)層(102)的In元素濃度≤有源層(103)的In元素濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的In/H元素比例分布具有函數(shù)y＝N+P*x2+Q*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的In/H元素比例≤下波導(dǎo)層(102)的In/H元素比例≤有源層(103)的In/H元素比例；
8.根據(jù)權(quán)利要求2-7任一項所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的電子遷移率分布、電子有效質(zhì)量分布、禁帶寬度分布、介電常數(shù)分布具有如下關(guān)系：C≤E≤G≤A；所述量子自旋輸運層(106)的In元素濃度分布、In/H元素比例分布、In/C元素比例分布、In/O元素比例分布具有如下關(guān)系：N≤U≤R≤K。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述有源層(103)為阱層和壘層組成的周期結(jié)構(gòu)，周期數(shù)為3≥m≥1，阱層為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的任意一種或任意組合，厚度為10～120埃米，壘層為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的任意一種或任意組合，厚度為10～200埃米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述下限制層(101)、下波導(dǎo)層(102)、上波導(dǎo)層(104)、上限制層(105)為GaN、InGaN、InN、AlInN、AlGaN、AlIn...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，從下至上依次包括襯底(100)、下限制層(101)、下波導(dǎo)層(102)、有源層(103)、上波導(dǎo)層(104)、上限制層(105)，其特征在于，所述有源層(103)和下波導(dǎo)層(102)之間設(shè)有量子自旋輸運層(106)；所述量子自旋輸運層(106)為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、co3o4、mnbi2te4、vs2、vs、csmnf3、csmncl3的任意一種或任意組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的電子遷移率分布具有函數(shù)y＝a+b*sinx/ex曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的電子遷移率≤下波導(dǎo)層(102)的電子遷移率≤有源層(103)的電子遷移率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的電子有效質(zhì)量分布具有函數(shù)y＝c+d*x2sinx第一象限曲線分布；所述有源層(103)的電子有效質(zhì)量≤下波導(dǎo)層(102)的電子有效質(zhì)量≤量子自旋輸運層(106)的電子有效質(zhì)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的禁帶寬度分布具有函數(shù)y＝e+f*exsinx曲線分布；所述有源層(103)的禁帶寬度≤下波導(dǎo)層(102)的禁帶寬度≤量子自旋輸運層(106)的禁帶寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的介電常數(shù)分布具有函數(shù)y＝g+h*x2+j*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的介電常數(shù)≤下波導(dǎo)層(102)的介電常數(shù)≤有源層(103)的介電常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的in元素濃度分布具有函數(shù)y＝k+l*x2+m*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的in元素濃度≤下波導(dǎo)層(102)的in元素濃度≤有源層(103)的in元素濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于，所述量子自旋輸運層(106)的in/h元素比例分布具有函數(shù)y＝n+p*x2+q*sinx曲線分布；所述量子自旋輸運層(106)的in/h元素比例≤下波導(dǎo)層(102)的i...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄧和清，鄭錦堅，尋飛林，藍家彬，蔡鑫，劉紫涵，張會康，黃軍，張江勇，李水清，
申請(專利權(quán))人：安徽格恩半導(dǎo)體有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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