[发明专利]一种设有量子自旋电子层的半导体激光元件

说明书

本发明提供了一种设有量子自旋电子层的半导体激光元件，涉及半导体光电器件技术领域，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和有源层与下波导层之间设有量子自旋电子层；量子自旋电子层具有较强的超导性和铁磁性，抑制折射率色散和散射，提升模式增益，同时，量子自旋电子层存在边缘导电通道，产生无损自旋极化电流注入，提升电子和空穴的输动和注入效率，增强有源层电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴的对称性匹配性，提升增益均匀性，加速激光元件的受激辐射，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的激射功率和斜率效率。

技术领域

本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体而言，涉及一种设有量子自旋电子层的半导体激光元件。

背景技术

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。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，且激光器的折射率色散，高浓度载流子浓度起伏影响有源层的折射率，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；2.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，且量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，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，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低。3.激光器价带带阶差增加，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设有量子自旋电子层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的的问题。

一种设有量子自旋电子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和有源层与下波导层之间设有量子自旋电子层。

作为本发明优选的技术方案，所述量子自旋电子层(107)具有较强的超导性和铁磁性，抑制折射率色散和散射，提升模式增益，同时，量子自旋电子层(107)存在边缘导电通道，产生无损自旋极化电流注入，提升电子和空穴的输动和注入效率，增强有源层(103)电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴的对称性匹配性，提升增益均匀性，加速激光元件的受激辐射，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的激射功率和斜率效率。

作为本发明优选的技术方案，所述量子自旋电子层为MnBi₂Te₄、VS₂、VS、CsMnF₃、CsMnCl₃的任意一种或任意组合。