一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件及其单晶生长方法技术

技术编号：41456955 阅读：9 留言：0更新日期：2024-05-28 20:43

本发明专利技术涉及半导体光电器件技术领域，具体公开了一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件及其单晶生长方法，该具有单晶空穴费米面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、电子阻挡层与上波导层之间，以及上限制层与电子阻挡层之间均具有单晶空穴费米面调控层，所述单晶空穴费米面调控层布里渊区中心形成环形自旋共振峰和螺旋结构能带；该具有单晶空穴费米面调控层的半导体激光元件，可以提升p型掺杂的离化效率，减少未电离的Mg受主杂质，提升空穴浓度和降低内部光学损耗，降低器件功能损耗，提高期间使用寿命。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体光电器件，具体涉及一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件及其单晶生长方法。

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，激光器的种类很多，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。

2、氮化物半导体激光器存在以下问题：1）光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会

技术实现思路

1、本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件及其单晶生长方法。

2、本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件，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、电子阻挡层与上波导层之间，以及上限制层与电子阻挡层之间均具有单晶空穴费米面调控层，所述单晶空穴费米面调控层布里渊区中心形成环形自旋共振峰和螺旋结构能带。

4、进一步地，单晶空穴费米面调控层为zrte5@hfte5，nbocl2@ptse2，cd3as@bi2pd，taas@vte2，zrse2@pds2的任意一种或任意组合的二维扭转角超晶格结构。

5、进一步地，单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下二元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2，zrte5@hfte5/cd3as@bi2pd，zrte5@hfte5/taas@vte2，zrte5@hfte5/zrse2@pds2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd，nbocl2@ptse2/taas@vte2，nbocl2@ptse2/zrse2@pds2，cd3as@bi2pd/taas@vte2，cd3as@bi2pd/zrse2@pds2。

6、进一步地，单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下三元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/taas@vte2，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/zrse2@pds2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/zrse2@pds2，cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2。

7、进一步地，单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下四元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/zrse2@pds2，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/taas@vte2/zrse2@pds2，zrte5@hfte5/cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2。

8、进一步地，五元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2。

9、进一步地，下限制层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，厚度为50~5000纳米。

10、进一步地，下波导层和上波导层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，厚度为50~1000纳米。

11、进一步地，电子阻挡层和上限制层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，厚度为20~1000纳米；

12、有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合，厚度为10~80埃米，垒层为ingan、本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，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，其特征在于，有源层与上波导层之间、电子阻挡层与上波导层之间，以及上限制层与电子阻挡层之间均具有单晶空穴费米面调控层，所述单晶空穴费米面调控层在布里渊区中心形成环形自旋共振峰和螺旋结构能带；

2.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下二元组合的二维扭转角超晶格结构：ZrTe5@HfTe5/NbOCl2@PtSe2，ZrTe5@HfTe5/Cd3As@Bi2Pd，ZrTe5@HfTe5/TaAs@VTe2，ZrTe5@HfTe5/ZrSe2@PdS2，NbOCl2@PtSe2/Cd3As@Bi2Pd，NbOCl2@PtSe2/TaAs@VTe2，NbOCl2@PtSe2/ZrSe2@PdS2，Cd3As@Bi2Pd/TaAs@VTe2，Cd3As@Bi2Pd/ZrSe2@PdS2。

3.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述单晶空

4.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下四元组合的二维扭转角超晶格结构：ZrTe5@HfTe5/NbOCl2@PtSe2/Cd3As@Bi2Pd/TaAs@VTe2，ZrTe5@HfTe5/NbOCl2@PtSe2/Cd3As@Bi2Pd/ZrSe2@PdS2，ZrTe5@HfTe5/NbOCl2@PtSe2/TaAs@VTe2/ZrSe2@PdS2，ZrTe5@HfTe5/Cd3As@Bi2Pd/TaAs@VTe2/ZrSe2@PdS2，NbOCl2@PtSe2/Cd3As@Bi2Pd/TaAs@VTe2/ZrSe2@PdS2；五元组合的二维扭转角超晶格结构：ZrTe5@HfTe5/NbOCl2@PtSe2/Cd3As@Bi2Pd/TaAs@VTe2/ZrSe2@PdS2。

5.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述下限制层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为50~5000纳米。

6.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述下波导层和上波导层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为50~1000纳米。

7.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述电子阻挡层和上限制层为InGaN、InN、GaN、AlInGaN、AlN、AlGaN、AlInN、GaAs、GaP、InP、AlGaAs、AlInGaAs、AlGaInP、InGaAs、AlInAs、AlInP、AlGaP、InGaP、SiC、Ga2O3、BN的任意一种或任意组合，厚度为20~1000纳米；

8.根据权利要求1所述的一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述衬底为单晶衬底，所述单晶衬底采用HVPE氢化物气相外延、液相外延、提拉法等方法进行单晶生长，生长压强为200Torr~3800Torr，生长温度为600°C~3000°C；

9.一种GaN基单晶薄膜的半导体激光元件的单晶生长方法，其特征在于，所述单晶空穴费米面调控层通过多次外延方式进行生长，首先，使用MOCVD金属有机化学气相外延进行下限制层、下波导层、有源层的单晶薄膜生长，生长完成后传出反应室,采用转移方式或CVD或化学液相单晶生长方法生长有...

【技术特征摘要】

1.一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件，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，其特征在于，有源层与上波导层之间、电子阻挡层与上波导层之间，以及上限制层与电子阻挡层之间均具有单晶空穴费米面调控层，所述单晶空穴费米面调控层在布里渊区中心形成环形自旋共振峰和螺旋结构能带；

2.根据权利要求1所述的一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下二元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2，zrte5@hfte5/cd3as@bi2pd，zrte5@hfte5/taas@vte2，zrte5@hfte5/zrse2@pds2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd，nbocl2@ptse2/taas@vte2，nbocl2@ptse2/zrse2@pds2，cd3as@bi2pd/taas@vte2，cd3as@bi2pd/zrse2@pds2。

3.根据权利要求1所述的一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下三元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/taas@vte2，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/zrse2@pds2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/zrse2@pds2，cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2。

4.根据权利要求1所述的一种gan基单晶薄膜的半导体激光元件，其特征在于，所述单晶空穴费米面调控层的任意组合包括以下四元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/zrse2@pds2，zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/taas@vte2/zrse2@pds2，zrte5@hfte5/cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2，nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@pds2；五元组合的二维扭转角超晶格结构：zrte5@hfte5/nbocl2@ptse2/cd3as@bi2pd/taas@vte2/zrse2@p...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓和清，郑锦坚，寻飞林，李晓琴，张会康，曹军，蔡鑫，李水清，
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：

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