【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体光电器件，尤其是涉及一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器。
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。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，极化效应也更强、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、然而，现有氮化物半导体激光器存在以下问题：有源层晶格失配与应变大诱导产生强压电极化效应，
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，以解决上述技术问题，通过在激光器中设置载流子限制层，以形成载流子限制效应，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，包括从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层，在所述下限制层与下波导层之间设置有第一载流子限制层，在所述上限制层与上波导层之间设置有第二载流子限制层；所述第一载流子限制层和第二载流子限制层构成载流子限制层。
3、上述方案中，通过在激光器中设置载流子限制层，以形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏，同时阻挡电子往上波导和上限制层一侧泄漏，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，并降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率、温度稳定性和器件寿命。
4、进一步地，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量为α，所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量为β，其中：0.5≤α≤β≤15，单位为m0。
5、上述方案中，通过控制载流子限制层的空穴有效质量及其分布，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏。
6、进一步地，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))第二象限的曲线分布，0＜a＜1，m＞0；所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
7、上述方案中，通过控制载流子限制层的空穴有效质量及其精确分布，形成载流子限制效应，阻止空穴往下波导层和上限制层一侧泄漏，提升受激辐射效率，降低阈值电流密度，提升激光器的发光功率。
8、进一步地，所述第一载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))第二象限的曲线分布，0＜c＜1，p＞0；所述第二载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logd((q+x)/(q-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
9、上述方案中，通过控制载流子限制层的价带有效态密度及其精确分布，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激射阈值所需的载流子浓度，降低阈值电流密度和俄歇非辐射复合，提升激光器的发光功率。
10、进一步地，所述第一载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝loge((r+x)/(r-x))第三象限的曲线分布，e＞1，r＞0；所述第二载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝logf((s+x)/(s-x))第四象限的曲线分布，0＜f＜1，s＞0。
11、上述方案中，通过控制载流子限制层的空穴迁移率及其精确分布，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，提升价带中的空穴态密度和增加跃迁概率，降低激光器的内部自由载流子吸收损耗，使高度简并的电子空穴复合产生激光辐射在光学谐振腔内振荡并放大，提升受激辐射效率，产生相干激光输出，提升激光器的温度稳定性和器件寿命。
12、进一步地，所述第一载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logg((t+x)/(t-x))第二象限的曲线分布，0＜g＜1，t＞0；所述第二载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logh((u+x)/(u-x))第一象限的曲线分布，h＞1，u＞0。
13、上述方案中，通过控制载流子限制层的光子能量吸收系数及其精确分布，降低极化效应，降低空穴注入和迁移势垒，提升空穴注入效率和减少电子泄漏，降低激射阈值所需的载流子浓度，提升受激辐射效率，降低阈值电流密度，提升激光器的发光功率和器件寿命。
14、进一步地，所述第一载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜g＜a＜c＜e＜100。所述第二载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜f＜h＜b＜d＜500。
15、上述方案中，通过控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，包括从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层，其特征在于，在所述下限制层与下波导层之间设置有第一载流子限制层，在所述上限制层与上波导层之间设置有第二载流子限制层；所述第一载流子限制层和第二载流子限制层构成载流子限制层。
2.根据权利要求1所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量为α，所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量为β，其中：0.5≤α≤β≤15，单位为m0。
3.根据权利要求2所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))第二象限的曲线分布，0＜a＜1，m＞0；所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
4.根据权利要求3所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝l
5.根据权利要求4所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝loge((r+x)/(r-x))第三象限的曲线分布，e＞1，r＞0；所述第二载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝logf((s+x)/(s-x))第四象限的曲线分布，0＜f＜1，s＞0。
6.根据权利要求5所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logg((t+x)/(t-x))第二象限的曲线分布，0＜g＜1，t＞0；所述第二载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logh((u+x)/(u-x))第一象限的曲线分布，h＞1，u＞0。
7.根据权利要求6所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜g＜a＜c＜e＜100。
8.根据权利要求6所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第二载流子限制层的分布曲线系数具有如下关系：0＜f＜h＜b＜d＜500。
9.根据权利要求1～8任一项所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层和第二载流子限制层为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和金刚石的任意一种或任意组合。
10.根据权利要求9所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数m：3≥m≥1；阱层为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和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～100埃米；垒层为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和金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～150埃米；
...【技术特征摘要】
1.一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，包括从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层和上限制层，其特征在于，在所述下限制层与下波导层之间设置有第一载流子限制层，在所述上限制层与上波导层之间设置有第二载流子限制层；所述第一载流子限制层和第二载流子限制层构成载流子限制层。
2.根据权利要求1所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量为α，所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量为β，其中：0.5≤α≤β≤15，单位为m0。
3.根据权利要求2所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝loga((m+x)/(m-x))第二象限的曲线分布，0＜a＜1，m＞0；所述第二载流子限制层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝logb((n+x)/(n-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
4.根据权利要求3所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logc((p+x)/(p-x))第二象限的曲线分布，0＜c＜1，p＞0；所述第二载流子限制层的价带有效态密度分布具有函数y＝logd((q+x)/(q-x))第一象限的曲线分布，b＞1，n＞0。
5.根据权利要求4所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝loge((r+x)/(r-x))第三象限的曲线分布，e＞1，r＞0；所述第二载流子限制层的空穴迁移率分布具有函数y＝logf((s+x)/(s-x))第四象限的曲线分布，0＜f＜1，s＞0。
6.根据权利要求5所述的一种具有载流子限制层的氮化镓半导体激光器，其特征在于，所述第一载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logg((t+x)/(t-x))第二象限的曲线分布，0＜g＜1，t＞0；所述第二载流子限制层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝logh((u+x)/(u-x))第一象限的曲线分布，h＞1，u＞0。
7....
【专利技术属性】
技术研发人员：郑锦坚，寻飞林，李水清，邓和清，李晓琴，张会康，黄军，蔡鑫，
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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。