一种具有伊辛自旋层的半导体激光元件

技术领域

本发明属于半导体光电器件的技术领域，具体涉及一种具有伊辛自旋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/cm

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，从而使激光器的模式增益降低，导致激光器输出功率下降、激光束质量变差、阈值电流增加、稳定性和一致性变差；2)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，光场有耗散，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，从而影响远场图像的远场强度分布变化，造成远场图像的主瓣宽度增加、旁瓣电平升高，降低光束的定向性和聚焦能力，衬底模式抑制效率低，还会导致光束质量下降、远场图像中模式分布不均匀，出现非对称性或模式偏斜等现象，而远场图像中模式分布不均匀又会影响光束在远场的传播特性和光学系统的整体性能。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的半导体激光元件。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种具有伊辛自旋层的半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述上波导层和电子阻挡层之间以及下波导层和下限制层之间均具有伊辛自旋层。

作为本发明的进一步优化方案，所述伊辛自旋层为CeRh I n

作为本发明的进一步优化方案，所述伊辛自旋层的任意组合包括以下二元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

作为本发明的进一步优化方案，所述伊辛自旋层的任意组合包括以下三元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

CeRh I n

CeRh I n

Ca

Ca

CoO

作为本发明的进一步优化方案，所述伊辛自旋层的任意组合包括以下四元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

作为本发明的进一步优化方案，所述伊辛自旋层的任意组合包括以下五元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

作为本发明的进一步优化方案，所述伊辛自旋层的厚度为5～5000埃米。

作为本发明的进一步优化方案，所述下限制层为I nGaN、I nN、GaN、Al I nGaN、AlN、Al GaN、Al I nN、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al I nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、SiC、Ga

所述电子阻挡层和上限制层为I nGaN、I nN、GaN、Al I nGaN、Al N、Al GaN、Al InN、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al I nGaAs、A l GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、AlGaP、I nGaP、SiC、Ga

作为本发明的进一步优化方案，所述下波导层和上波导层为I nGaN、I nN、GaN、AlI nGaN、Al N、Al GaN、A l I nN、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al I nGaAs、Al GaI nP、InGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、SiC、Ga

作为本发明的进一步优化方案，所述阱层为I nGaN、I nN、Al I nN、GaN的任意一种或任意组合，其厚度为10～80埃米；

所述垒层为GaN、Al GaN、Al I nGaN、Al N、Al I nN的任意一种或任意组合，其厚度为10～120埃米；

所述衬底包括蓝宝石、硅、Ge、Si C、A l N、GaN、GaAs、I nP、蓝宝石/SiO

本发明的有益效果在于：本发明通过设置伊辛自旋层利用一维量子自旋链和简并的频率转换获得伊辛二值自旋形成相干光振荡，结合波分复用和光延时线形成伊辛二值自旋耦合，调控激光光子自旋的任意耦合，提升远场图像FFP质量、光束质量因子和激光相干性，同时，伊辛自旋层可调整激光相位和幅度状态，使激光在光波导中以最小能量损耗进行振荡，降低激光阈值电压。

附图说明

图1是本发明的一种具有伊辛自旋层的半导体激光元件的结构示意图。

图中：100、衬底；101、下限制层；102、下波导层；103、有源层；104、上波导层；105、电子阻挡层；106、上限制层；107、伊辛自旋层。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，一种具有伊辛自旋层107的半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底100、下限制层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105、上限制层106，所述有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，其周期数为3≥m≥1，所述上波导层104和电子阻挡层105之间以及下波导层102和下限制层101之间均具有伊辛自旋层107。

需要说明的是，伊辛自旋层107利用一维量子自旋链和简并的频率转换获得伊辛二值自旋形成相干光振荡，结合波分复用和光延时线形成伊辛二值自旋耦合，调控激光光子自旋的任意耦合，降低激光光场耗散，抑制光场模式泄漏到衬底100形成驻波，提升远场图像FFP质量、光束质量因子和激光相干性；同时，伊辛自旋层107可调整激光相位和幅度状态，形成大规模的自旋寄存，使激光在光波导中以最小能量损耗进行振荡，降低光波导吸收损耗，提升激光增益和稳定振荡，降低激光阈值电压。

进一步的，所述伊辛自旋层107为CeRh I n

需要说明的是，六边形纳米片是一种具有特殊结构和性能的纳米材料，它具有六个相等的边和六个相等的角，形状类似于蜂窝状的结构，其具有较大的表面积、优异的机械性能、独特的电子性能、热导性能以及光学性能。

进一步的，所述伊辛自旋层107的任意组合包括以下二元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

进一步的，所述伊辛自旋层107的任意组合包括以下三元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

CeRh I n

CeRh I n

Ca

Ca

CoO

进一步的，所述伊辛自旋层107的任意组合包括以下四元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

进一步的，所述伊辛自旋层107的任意组合包括以下五元组合的六方纳米片结构：

CeRh I n

进一步的，所述伊辛自旋层107的厚度为5～5000埃米。

进一步的，所述下限制层101为I nGaN、I nN、GaN、Al I nGaN、Al N、Al GaN、Al InN、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al I nGaAs、A l GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、A lGaP、I nGaP、SiC、Ga

所述电子阻挡层105和上限制层106为I nGaN、I nN、GaN、Al I nGaN、Al N、AlGaN、Al I nN、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al I nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al InP、Al GaP、I nGaP、SiC、Ga

进一步的，所述下波导层102和上波导层104为I nGaN、I nN、GaN、Al I nGaN、AlN、Al GaN、Al I nN、GaAs、GaP、I nP、Al GaAs、Al I nGaAs、Al GaI nP、I nGaAs、Al I nAs、Al I nP、Al GaP、I nGaP、SiC、Ga

进一步的，所述阱层为I nGaN、I nN、Al I nN、GaN的任意一种或任意组合，其厚度为10～80埃米；

所述垒层为GaN、Al GaN、Al I nGaN、Al N、Al I nN的任意一种或任意组合，其厚度为10～120埃米；

所述衬底100包括蓝宝石、硅、Ge、SiC、Al N、GaN、GaAs、I nP、蓝宝石/SiO

以绿光激光器为例，本发明的激光器与传统激光器的对比数据如下表所示：

如此表所示，相对于传统激光器，本发明激光器的光束质量因子由2.12M

需要进一步说明的是，光束质量因子是衡量激光光束质量的一个重要参数，光束质量因子接近1意味着激光光束接近于理想的高斯模式，具体的，光束质量因子接近1，则激光光束的聚焦性能越好，能够保持较好的光束质量和聚焦能力，在精密加工领域，能够提高加工精度和表面质量，能够实现更高的功率密度，能够实现更精确的能量控制和定位，从而减小热影响区(HAZ)，其激光源可以获得更清晰、对比度更高的图像；

激光器内部的光学损耗是指在激光器工作过程中，由于材料吸收、散射、衍射等因素造成的光能量损失，内部的光学损耗的降低意味着更多的光能量被有效转换为输出激光，而不是在激光器内部被无效消耗，这直接导致激光器的输出功率增加，使激光器在相同的输入能量下更加高效，还可以显著提高激光器的整体转换效率，即将电能或其他形式的能量转换为激光能量的效率，并且高效率的激光器在能源利用上更为经济，尤其对于需要连续或长时间运行的应用场合，降低内部光学损耗有助于减少启动激光振荡所需的最小电流(阈值电流)，这意味着激光器可以在更低的电流下开始工作，进一步降低能耗并延长激光器的使用寿命。

阈值电压的降低可以直接减少激光器的工作电压，从而降低激光器的能耗，可以使激光器产生更多的光输出，即提高了转换效率，可以减少激光器内部的热应力和电应力，这有助于延长激光器的使用寿命，可以使用更小的电源和控制电路，这有助于减小整体设备的体积，还可以提高激光器的响应速度，因为达到激发状态所需的能量更少，激光器可以更快地开始发光。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。