一种设有范德瓦斯非线性层的半导体激光元件的制作方法

本发明涉及半导体光电器件，具体而言，涉及一种设有范德瓦斯非线性层的半导体激光元件。

背景技术：

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.量子阱in组分增加会产生in组分涨落和应变，激光器增益谱变宽，峰值增益下降；量子阱in组分增加，热稳定性变差，高温p型半导体和限制层生长会使有源层产生热退化，降低有源层的质量和界面质量；有源层内部缺陷密度高、inn与gan互溶隙较大、inn相分离偏析、热退化、晶体质量不理想，导致量子阱质量和界面质量不理想，增加非辐射复合中心；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.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，远场图像ffp质量差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种设有范德瓦斯非线性层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的的问题。

2、一种设有范德瓦斯非线性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，下波导层与下限制层之间和下波导层与有源层之间设有范德瓦斯非线性层。

3、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层(107)将非拓扑变换路径转变为拓扑变换路径，抑制有源层的in组分涨落和应变，提升峰值增益，改善热稳定性和热退化，提升界面质量，降低非辐射复合中心，提升激光元件的激射功率和斜率效率；范德瓦斯非线性层使有源层的顶部和底部形成不对称势垒，提升载流子的隧穿几率，提升空穴在有源层的输运和注入均匀性，增强限制因子并降低阀值，同时，产生非线性极化诱导的谐波效应、共振位移和受激拉曼效应，降低光场耗散，抑制光场泄漏到衬底，提升远场图像ffp质量。

4、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层为3r-mos2、linbo3、lufe2o4、cr2ce2te6、fe3gete2、insno2n的任意一种或任意组合。

5、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层的任意组合包括以下二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：3r-mos2/linbo3,3r-mos2/lufe2o4,3r-mos2/cr2ce2te6,3r-mos2/fe3gete2,3r-mos2/insno2n,linbo3/lufe2o4,linbo3/cr2ce2te6,linbo3/fe3gete2,linbo3/insno2n,lufe2o4/cr2ce2te6,lufe2o4/fe3gete2,lufe2o4/insno2n,cr2ce2te6/fe3gete2,cr2ce2te6/insno2n,fe3gete2/insno2n。

6、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层的任意组合包括以下三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：

7、3r-mos2/linbo3/lufe2o4,

8、3r-mos2/linbo3/cr2ce2te6,

9、3r-mos2/linbo3/fe3gete2,

10、3r-mos2/linbo3/insno2n,

11、3r-mos2/lufe2o4/cr2ce2te6,

12、3r-mos2/lufe2o4/fe3gete2,

13、3r-mos2/lufe2o4/insno2n,

14、3r-mos2/cr2ce2te6/fe3gete2,

15、3r-mos2/cr2ce2te6/insno2n,

16、3r-mos2/fe3gete2/insno2n,

17、linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6,

18、linbo3/lufe2o4/fe3gete2,

19、linbo3/lufe2o4/insno2n,

20、linbo3/cr2ce2te6/fe3gete2,

21、linbo3/cr2ce2te6/insno2n,

22、linbo3/fe3gete2/insno2n,

23、cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n。

24、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层的任意组合包括以下四元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：

25、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6,

26、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/fe3gete2,

27、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/insno2n,

28、3r-mos2/lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2,

29、3r-mos2/lufe2o4/cr2ce2te6/insno2n,

30、3r-mos2/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n,

31、linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2,

32、linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6/insno2n,

33、linbo3/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n,

34、lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n。

35、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层的任意组合包括以下五元、六元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构:

36、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2,

37、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6/insno2n,

38、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/fe3gete2/insno2n,

39、3r-mos2/linbo3/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n,

40、3r-mos2/lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n,

41、linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n,

42、3r-mos2/linbo3/lufe2o4/cr2ce2te6/fe3gete2/insno2n。

43、作为本发明优选的技术方案，所述范德瓦斯非线性层的厚度为5～500nm。

44、作为本发明优选的技术方案，所述下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层包括gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn、sic、ga2o3、bn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap的任意一种或任意多元组合。

45、作为本发明优选的技术方案，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。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果：

47、在本发明的方案中：

48、有源层与上波导层之间和有源层与下波导层之间设有范德瓦斯非线性层；所述范德瓦斯非线性层为3r-mos2、linbo3、lufe2o4、cr2ce2te6、fe3gete2、insno2n的任意一种或任意组合；范德瓦斯非线性层(107)将非拓扑变换路径转变为拓扑变换路径，抑制有源层的in组分涨落和应变，提升峰值增益，改善热稳定性和热退化，提升界面质量，降低非辐射复合中心，提升激光元件的激射功率和斜率效率；范德瓦斯非线性层使有源层的顶部和底部形成不对称势垒，提升载流子的隧穿几率，提升空穴在有源层的输运和注入均匀性，增强限制因子并降低阀值，同时，产生非线性极化诱导的谐波效应、共振位移和受激拉曼效应，降低光场耗散，抑制光场泄漏到衬底，提升远场图像ffp质量。