一种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，尤其是涉及一种半导体激光元件。


背景技术：

2.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、金属加工切割、精密焊接、高密度光存储、海底通信、原子钟、量子传感器等领域。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、亮度高、方向性好、重量轻、稳定性好、寿命长、结构简单紧凑、小型化等优点。
3.激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，1)激光器是受激辐射原理，而发光二极管为自发辐射原理；激光是由载流子发生受激辐射产生，光谱半宽窄，极佳单色性，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，光谱半宽大，不具有单色性，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。
4.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，且激光器的折射率色散，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；3)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。4)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；激光器激射后，多量子阱有源区载流子浓度饱和，双极性电导效应减弱，激光器的串联电阻增加，导致激光器电压上升。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种半导体激光元件，以解决上述技术问题，通过在有源层上形
成斜率效率提升结构，以降低有源层的应力失配，降低量子限制stark效应，进而提升激光元件的载流子注入效率和均匀性，使激光元件的增益谱变窄，提升热稳定性，进而提升斜率效率。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体激光元件，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；所述上波导层与电子阻挡层之间设置有拓扑狄拉克电子点层，以及所述电子阻挡层与上限制层之间设置有拓扑狄拉克电子点层。
7.上述方案中，通过设置的拓扑狄拉克电子点层的笼目晶格结构可产生电子与电子间的非局域效应，抑制电荷密度波和量子限制斯塔克stark效应。
8.进一步的，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，其中，周期数为3≥m≥1；还需要补充说明的是，阱层为ingan、inn、alinn、gan的任意一种或任意组合，厚度为10～80埃米；垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为10～120埃米。
9.进一步的，所述拓扑狄拉克电子点层为csv3sb5@bas、kv3sb5@bas、rbv3sb5@bas、lafe4sb
12
@bas、asp@mos2、pbse@mos2的任意一种或任意组合的二维笼目超晶格。
10.上述方案中，所述拓扑狄拉克电子点层的任意组合包括以下二元组合的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，kv3sb5@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，rbv3sb5@bas/asp@mos2，rbv3sb5@bas/pbse@mos2，lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，asp@mos2/pbse@mos2。
11.上述方案中，还可以进行如下设置，所述拓扑狄拉克电子点层107的任意组合包括以下三元组合的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2。
12.上述方案中，还可以如下设置，所述拓扑狄拉克电子点层的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2。
13.进一步的，所述拓扑狄拉克电子点层的厚度为5～5000埃米。
14.上述方案中，所述下限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意
一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
15.上述方案中，所述下波导层和上波导层为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
。
16.进一步的，所述电子阻挡层和上限制层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
17.进一步的，所述衬底包括蓝宝石、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复合衬底的任意一种。
18.上述方案中，通过在上波导层与电子阻挡层之间、电子阻挡层与上限制层之间设置拓扑狄拉克电子点层，可以诱导产生电子平带引起强烈的电荷涨落，增强空穴的注入效率，增强有源层中的电子空穴波函数的辐射复合效率，以及引入能带拓扑的狄拉克电子点，提升限制因子，减少内损耗，从而降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
附图说明
19.图1为本发明一实施例提供的一种半导体激光元件结构示意图；
20.其中：100、衬底；101、下限制层；102、下波导层层；103、有源层；104、上波导层；105、电子阻挡层；106、上限制层；107、拓扑狄拉克电子点层。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.请参见图1，本实施例提供一种半导体激光元件，从下至上依次包括衬底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；所述上波导层104与电子阻挡层105之间设置有拓扑狄拉克电子点层107，以及所述电子阻挡层105与上限制层106之间设置有拓扑狄拉克电子点层107。
23.在本实施例中，通过设置的拓扑狄拉克电子点层107的笼目晶格结构可产生电子与电子间的非局域效应，抑制电荷密度波和量子限制斯塔克stark效应。
24.进一步需要说明的是，所述有源层103为阱层和垒层组成的周期结构，其中，周期数为3≥m≥1；还需要补充说明的是，阱层为ingan、inn、alinn、gan的任意一种或任意组合，厚度为10～80埃米；垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为10～120埃米。
25.进一步需要说明的是，所述拓扑狄拉克电子点层107为csv3sb5@bas、kv3sb5@bas、rbv3sb5@bas、lafe4sb
12
@bas、asp@mos2、pbse@mos2的任意一种或任意组合的二维笼目超晶格。
26.具体的，所述拓扑狄拉克电子点层107的任意组合包括以下二元组合的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，
csv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，kv3sb5@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，rbv3sb5@bas/asp@mos2，rbv3sb5@bas/pbse@mos2，lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，asp@mos2/pbse@mos2。
27.具体的，还可以进行如下设置，所述拓扑狄拉克电子点层107的任意组合包括以下三元组合的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2。
28.具体的，还可以如下设置，所述拓扑狄拉克电子点层107的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2。
29.进一步限定的是，所述拓扑狄拉克电子点层107的厚度为5～5000埃米。
30.具体的，所述下限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
31.具体的，所述下波导层和上波导层为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
。
32.还需要说明的是，所述电子阻挡层和上限制层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
33.还需要补充的是，所述衬底包括蓝宝石、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复合衬底的任意一种。
34.在本实施例中，通过在上波导层104与电子阻挡层105之间、电子阻挡层105与上限制层106之间设置拓扑狄拉克电子点层107，可以诱导产生电子平带引起强烈的电荷涨落，增强空穴的注入效率，增强有源层中的电子空穴波函数的辐射复合效率，以及引入能带拓扑的狄拉克电子点，提升限制因子，减少内损耗，从而降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。
35.进一步地，为了凸显本技术方案的技术优势，本实施例将本发明提出的激光元件与传统的激光元件各项性能进行横向比对，比对结果可参见表1。
36.表1本发明激光元件与传统激光元件的性能比对表
[0037][0038]
通过对比发现，本发明提出的激光元件可以有效的提升激光元件的光功率和斜率效率，将斜率效率提升百分之九十，将光功率提升至百分之九十八，同时提升限制因子，减少内损耗，从而降低激光元件的激发阈值，抑制电荷密度波和量子限制斯塔克stark效应，各有益性能均得到极大的提高，各损耗得到了有效的改善，便于行业内推广使用。
[0039]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种半导体激光元件，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，所述上波导层与电子阻挡层之间设置有拓扑狄拉克电子点层，以及所述电子阻挡层与上限制层之间设置有拓扑狄拉克电子点层。2.根据权利要求1所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1；阱层为ingan、inn、alinn、gan的任意一种或任意组合，厚度为10～80埃米；垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为10～120埃米。3.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述拓扑狄拉克电子点层为csv3sb5@bas、kv3sb5@bas、rbv3sb5@bas、lafe4sb
12
@bas、asp@mos2、pbse@mos2的任意一种或任意组合。4.根据权利要求3所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述拓扑狄拉克电子点层的结构为二维笼目超晶格。5.根据权利要求3或4所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述拓扑狄拉克电子点层的任意组合包括以下二元组合的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，kv3sb5@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，rbv3sb5@bas/asp@mos2，rbv3sb5@bas/pbse@mos2，lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，asp@mos2/pbse@mos2。6.根据权利要求3或4所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述拓扑狄拉克电子点层的任意组合包括以下三元组合的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
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@bas，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/lafe4sb
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@bas/asp@mos2，kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，kv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
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@bas/asp@mos2，rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，rbv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2。7.根据权利要求3所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述拓扑狄拉克电子点层的二维笼目超晶格：csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2，kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
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@bas/asp@mos2/pbse@mos2，csv3sb5@bas/kv3sb5@bas/rbv3sb5@bas/lafe4sb
12
@bas/asp@mos2/pbse@mos2。8.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述下限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；所述下波导层和上波导层为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19 cm-3
。
9.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述电子阻挡层和上限制层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20 cm-3
。10.根据权利要求2所述的一种半导体激光元件，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、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复合衬底的任意一种。

技术总结
本发明提供了一种半导体激光元件，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、电子阻挡层、上限制层；所述上波导层与电子阻挡层之间设置有拓扑狄拉克电子点层，以及所述电子阻挡层与上限制层之间设置有拓扑狄拉克电子点层。所述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、AlInN、GaN的任意一种或任意组合，厚度为10～80埃米；垒层为GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、AlInN的任意一种或任意组合，厚度为10～120埃米。本发明提供的一种半导体激光元件，通过设置的拓扑狄拉克电子点层的笼目晶格结构可产生电子与电子间的非局域效应，抑制电荷密度波和量子限制斯塔克Stark效应。度波和量子限制斯塔克Stark效应。度波和量子限制斯塔克Stark效应。


技术研发人员：李水清 王星河 陈婉君 张会康 黄军 胡志勇 蔡鑫 刘紫涵
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：2023.05.31
技术公布日：2023/9/20