一种具有双曲色散层的半导体激光元件的制作方法

1.本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种具有双曲色散层的半导体激光元件。


背景技术：

2.激光器有固体、气体、液体、半导体和染料等类型，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、光谱分析等领域。
3.现有技术中的全固态半导体激光器如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)光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等，p型掺杂的离化率低，大量未电离的mg受主杂质会导致内部光学损耗上升；3)下限制层的厚度增加，可降低限制层的折射率，但下限制层的厚度增加又会导致组分调控范围受限制，易产生开裂、弯曲和质量下降等问题；同时，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；4)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。
4.基于此，我们提出了一种具有双曲色散层的半导体激光元件。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种具有双曲色散层的半导体激光元件。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种具有双曲色散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，所述下限制层和下波导层之间、下波导层和有源层之间，以及上波导层和有源层之间均设置有双曲色散层；
8.所述双曲色散层为zinisn、mnte、cri3、bisbte、cosb3、cr2ge2te6中的一种，或者为包括异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格结构的二元组合、三元组合、四元组合、五元组合和六元组合中的一种；
9.所述双曲色散层的厚度为0.5～500nm。
10.优选地：所述双曲色散层的二元组合包括以下结构：zinisn/mnte、zinisn/cri3、zinisn/bisbte、zinisn/cosb3、zinisn/cr2ge2te6、mnte/cri3、mnte/bisbte、mnte/cosb3、mnte/cr2ge2te6、cri3/bisbte、cri3/cosb3、cri3/cr2ge2te6、bisbte/cosb3、bisbte/cr2ge2te6、cosb3/cr2ge2te6。
11.优选地：所述双曲色散层的三元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3、zinisn/mnte/bisbte、zinisn/mnte/cosb3、zinisn/mnte/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte、zinisn/
cri3/cosb3、zinisn/cri3/cr2ge2te6、zinisn/bisbte/cosb3、zinisn/bisbte/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte、mnte/cri3/cosb3、mnte/cri3/cr2ge2te6、mnte/bisbte/cosb3、mnte/bisbte/cr2ge2te6、mnte/cosb3/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cosb3、cri3/bisbte/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cr2ge2te6、bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
12.优选地：所述双曲色散层的四元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte、zinisn/mnte/cri3/cosb3、zinisn/mnte/cri3/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte/cosb3、zinisn/cri3/bisbte/cr2ge2te6、zinisn/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte/cosb3、mnte/cri3/bisbte/cr2ge2te6、mnte/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
13.优选地：所述双曲色散层的五元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte/cosb3、
14.zinisn/mnte/cri3/bisbte/cr2ge2te6、
15.zinisn/mnte/cri3/cosb3/cr2ge2te6、
16.zinisn/mnte/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、
17.zinisn/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、
18.mnte/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6；
19.所述双曲色散层的六元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
20.优选地：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/sio2/sinx复合衬底、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底中的一种。
21.优选地：所述下限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn中的一种或任意组合；
22.所述下限制层的厚度为5～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
23.优选地：所述下波导层和上波导层均为gan、ingan、alingan中的一种或任意组合；
24.所述下波导层和上波导层的厚度均为5～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
。
25.优选地：所述电子阻挡层和上限制层均为gan、algan、alingan、aln、alinn等中的一种或任意组合；
26.所述电子阻挡层和上限制层的厚度均为2～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
27.优选地：所述有源层是由阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn等中的一种或任意组合；
28.所述有源层的周期数为m：4≥m≥1。
29.本发明的有益效果为：
30.1.本发明中的双曲色散层具有负折射率和有效霍金辐射，可调控二维极化子波包的双曲色散，降低光场模式泄漏到衬底，抑制衬底模式，改善激光远场图像ffp中出现的波纹，形成单模激光发射，并减少上波导层及下波导层的光吸收，降低内部光学损耗，增强空穴注入效率，提升电激射增益，降低激光元件的激发阈值和增益均匀性，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
附图说明
31.图1为本发明提出的一种具有双曲色散层的半导体激光元件的结构示意图。
32.图中：1衬底、2下限制层、3下波导层、4有源层、5上波导层、6电子阻挡层、7上限制层、8双曲色散层。
具体实施方式
33.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
34.下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
35.实施例1：
36.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，如图1所示，从下至上依次包括衬底1、下限制层2、下波导层3、有源层4、上波导层5、电子阻挡层6和上限制层7，所述下限制层2和下波导层3之间、下波导层3和有源层4之间，以及上波导层5和有源层4之间均设置有双曲色散层8。
37.所述衬底1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复合衬底等中的一种。
38.所述下限制层2为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn等中的一种或任意组合，下限制层2的厚度为5～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
39.所述下波导层3和上波导层5均为gan、ingan、alingan等中的一种或任意组合，下波导层3和上波导层5的厚度均为5～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
。
40.所述电子阻挡层6和上限制层7均为gan、algan、alingan、aln、alinn等中的一种或任意组合，电子阻挡层6和上限制层7的厚度均为2～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
41.所述有源层4是由阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn等中的一种或任意组合，有源层的周期数为m：4≥m≥1。
42.所述双曲色散层8为zinisn、mnte、cri3、bisbte、cosb3、cr2ge2te6等中的一种或任意组合；
43.所述双曲色散层8的厚度为0.5～500nm。
44.本实施例在下限制层2和下波导层3之间、下波导层3和有源层4之间，以及上波导层5和有源层4之间均设置有双曲色散层8，双曲色散层8具有负折射率和有效霍金辐射，可调控二维极化子波包的双曲色散，降低光场模式泄漏到衬底，抑制衬底模式，改善激光远场图像ffp中出现的波纹，形成单模激光发射，并减少上波导层5及下波导层3的光吸收，降低内部光学损耗，增强空穴注入效率，提升电激射增益，降低激光元件的激发阈值和增益均匀性，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
45.实施例2：
46.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，如图1所示，本实施例在实施例1的基础上作出以下改进：所述双曲色散层8包括二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构，但不限于以下结构：zinisn/mnte、zinisn/cri3、zinisn/
bisbte、zinisn/cosb3、zinisn/cr2ge2te6、mnte/cri3、mnte/bisbte、mnte/cosb3、mnte/cr2ge2te6、cri3/bisbte、cri3/cosb3、cri3/cr2ge2te6、bisbte/cosb3、bisbte/cr2ge2te6、cosb3/cr2ge2te6。
47.本实施例在使用时，本实例中的双曲色散层层8为二元组合。
48.实施例3：
49.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，如图1所示，本实施例在实施例1的基础上作出以下改进：所述双曲色散层8包括三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构，但不限于以下结构：zinisn/mnte/cri3、zinisn/mnte/bisbte、zinisn/mnte/cosb3、zinisn/mnte/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte、zinisn/cri3/cosb3、zinisn/cri3/cr2ge2te6、zinisn/bisbte/cosb3、zinisn/bisbte/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte、mnte/cri3/cosb3、mnte/cri3/cr2ge2te6、mnte/bisbte/cosb3、mnte/bisbte/cr2ge2te6、mnte/cosb3/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cosb3、cri3/bisbte/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cr2ge2te6、bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
50.本实施例在使用时，本实例中的双曲色散层层8为三元组合。
51.实施例4：
52.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，如图1所示，本实施例在实施例1的基础上作出以下改进：所述双曲色散层8包括四元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构，但不限于以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte、zinisn/mnte/cri3/cosb3、zinisn/mnte/cri3/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte/cosb3、zinisn/cri3/bisbte/cr2ge2te6、zinisn/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte/cosb3、mnte/cri3/bisbte/cr2ge2te6、mnte/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
53.本实施例在使用时，本实例中的双曲色散层层8为四元组合。
54.实施例5：
55.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，如图1所示，本实施例在实施例1的基础上作出以下改进：所述双曲色散层8包括五元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构，但不限于以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte/cosb3、zinisn/mnte/cri3/bisbte/cr2ge2te6、
56.zinisn/mnte/cri3/cosb3/cr2ge2te6、
57.zinisn/mnte/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、
58.zinisn/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、
59.mnte/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
60.本实施例在使用时，本实例中的双曲色散层层8为五元组合。
61.实施例6：
62.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，如图1所示，本实施例在实施例1的基础上作出以下改进：所述双曲色散层8包括六元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构，但不限于以下结构：
63.zinisn/mnte/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。
64.本实施例在使用时，本实例中的双曲色散层层8为六元组合。
65.比较例1：
66.以下为采用实施例1-6方案进行绿光激光器实验得到的各项数据平均值与采用传统激光器进行绿光激光器实验得到参数对比数据：
[0067][0068]
由上表可知：本发明激光元件相比较传统激光器的光束质量因子上提52％，斜率效率上提61％，阈值电流密度下降63％，光功率上提63％，限制因子上提29％，内部光学损耗下降46％。
[0069]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有双曲色散层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底(1)、下限制层(2)、下波导层(3)、有源层(4)、上波导层(5)、电子阻挡层(6)和上限制层(7)，其特征在于，所述下限制层(2)和下波导层(3)之间、下波导层(3)和有源层(4)之间，以及上波导层(5)和有源层(4)之间均设置有双曲色散层(8)；所述双曲色散层(8)为zinisn、mnte、cri3、bisbte、cosb3、cr2ge2te6中的一种，或者为包括异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格结构的二元组合、三元组合、四元组合、五元组合和六元组合中的一种；所述双曲色散层(8)的厚度为0.5～500nm。2.根据权利要求1所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述双曲色散层(8)的二元组合包括以下结构：zinisn/mnte、zinisn/cri3、zinisn/bisbte、zinisn/cosb3、zinisn/cr2ge2te6、mnte/cri3、mnte/bisbte、mnte/cosb3、mnte/cr2ge2te6、cri3/bisbte、cri3/cosb3、cri3/cr2ge2te6、bisbte/cosb3、bisbte/cr2ge2te6、cosb3/cr2ge2te6。3.根据权利要求2所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述双曲色散层(8)的三元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3、zinisn/mnte/bisbte、zinisn/mnte/cosb3、zinisn/mnte/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte、zinisn/cri3/cosb3、zinisn/cri3/cr2ge2te6、zinisn/bisbte/cosb3、zinisn/bisbte/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte、mnte/cri3/cosb3、mnte/cri3/cr2ge2te6、mnte/bisbte/cosb3、mnte/bisbte/cr2ge2te6、mnte/cosb3/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cosb3、cri3/bisbte/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cr2ge2te6、bisbte/cosb3/cr2ge2te6。4.根据权利要求3所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述双曲色散层(8)的四元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte、zinisn/mnte/cri3/cosb3、zinisn/mnte/cri3/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte/cosb3、zinisn/cri3/bisbte/cr2ge2te6、zinisn/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte/cosb3、mnte/cri3/bisbte/cr2ge2te6、mnte/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。5.根据权利要求4所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述双曲色散层(8)的五元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte/cosb3、zinisn/mnte/cri3/bisbte/cr2ge2te6、zinisn/mnte/cri3/cosb3/cr2ge2te6、zinisn/mnte/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、zinisn/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6、mnte/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6；所述双曲色散层(8)的六元组合包括以下结构：zinisn/mnte/cri3/bisbte/cosb3/cr2ge2te6。6.根据权利要求1所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述衬底(1)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复合衬底中的一种。7.根据权利要求6所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述下
限制层(2)为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn中的一种或任意组合；所述下限制层(2)的厚度为5～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。8.根据权利要求7所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述下波导层(3)和上波导层(5)均为gan、ingan、alingan中的一种或任意组合；所述下波导层(3)和上波导层(5)的厚度均为5～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
。9.根据权利要求8所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子阻挡层(6)和上限制层(7)均为gan、algan、alingan、aln、alinn等中的一种或任意组合；所述电子阻挡层(6)和上限制层(7)的厚度均为2～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。10.根据权利要求9所述的一种具有双曲色散层的半导体激光元件，其特征在于，所述有源层(4)是由阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn等中的一种或任意组合；所述有源层的周期数为m：4≥m≥1。

技术总结
本发明公开了一种具有双曲色散层的半导体激光元件，涉及半导体光电器件技术领域；为了解决现有技术中全固态半导体激光器存在缺陷问题；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，所述下限制层和下波导层之间、下波导层和有源层之间，以及上波导层和有源层之间均设置有双曲色散层。本发明可调控二维极化子波包的双曲色散，降低光场模式泄漏到衬底，抑制衬底模式，改善激光远场图像FFP中出现的波纹，形成单模激光发射，并减少上波导层及下波导层的光吸收，降低内部光学损耗，增强空穴注入效率，提升电激射增益，降低激光元件的激发阈值和增益均匀性，增强限制因子。增强限制因子。增强限制因子。


技术研发人员：李水清 请求不公布姓名 王星河 胡志勇 陈婉君 张江勇 刘紫涵 蔡鑫 陈三喜 蒙磊 季徐芳 黄军
受保护的技术使用者：安徽格恩半导体有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/21