一种具有应变诱导激子响应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的，特别是涉及一种具有应变诱导激子响应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。

2、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。

3、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)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；3)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，导致远场图案ffp不佳。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有应变诱导激子响应层的半导体激光元件，该半导体激光元件的的应变诱导激子响应层为kv3sb5、wse2、reo3、rbv3sb5、csv3sb5、ksbo3的一种或两种以上的组合；所述应变诱导激子响应层通过在电子阻挡层与上波导层的界面施加局部应变，创建应变场，降低量子阱极化电场和量子限制stark效应，降低空穴注入势垒，提升有源层电子和空穴波函数的交叠比率，提升电激射增益；同时，该应变诱导激子响应层可改变电子向列性，使应变诱导激子响应层消除光谱重叠的亚带隙发射态，抑制垂直方向上的模跳，产生单模激光，获得良好的ffp远场图案，并增强有源层的激子响应，降低激光元件的驱动电压和激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种具有应变诱导激子响应层的半导体激光元件，结构上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，在所述上波导层和电子阻挡层之间设置有应变诱导激子响应层，所述应变诱导激子响应层为kv3sb5、wse2、reo3、rbv3sb5、csv3sb5、ksbo3中任意两种以上的组合形成的特定结构，所述特定结构为异质结结构、超晶格结构、量子阱结构、核壳结构、量子点结构中的任意一种或两种以上的组合。

3、作为具有应变诱导激子响应层的半导体激光元件进一步的改进：

4、优选的，所述应变诱导激子响应层的厚度为5-500nm。

5、优选的，所述下限制层和上限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的一种或两种以上的组合，厚度为50-5000nm，si掺杂浓度为1e18-1e20cm-3。

6、优选的，所述下波导层和上波导层为gan、ingan、alingan的一种或两种以上的组合，厚度为50-1000nm。

7、优选的，所述有源层为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn的一种或两种以上的组合，周期数m满足4≥m≥1。

8、优选的，所述电子阻挡层为gan、algan、alingan、aln、alinn的一种或两种以上的组合，厚度为20-1000nm。

9、优选的，所述衬底为蓝宝石、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。

10、优选的，所述下限制层为algan层，厚度为50-5000nm，si掺杂浓度为1e18-1e20cm-3；所述上限制层为alingan层，厚度为50-5000nm，si掺杂浓度为1e18-1e20cm-3；所述下波导层为gan层，厚度为50-1000nm；所述上波导层为ingan层，厚度为50-1000nm；所述有源层为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，周期数m满足4≥m≥1。

11、优选的，所述应变诱导激子响应层为以下二元组合形成的特定结构：kv3sb5/wse2，kv3sb5/reo3，kv3sb5/rbv3sb5，kv3sb5/csv3sb5，kv3sb5/ksbo3，wse2/reo3，wse2/rbv3sb5，wse2/csv3sb5，wse2/ksbo3，reo3/rbv3sb5，reo3/csv3sb5，reo3/ksbo3，rbv3sb5/csv3sb5，rbv3sb5/ksbo3，csv3sb5/ksbo3。

12、优选的，所述应变诱导激子响应层为以下三元组合形成的特定结构：kv3sb5/wse2/reo3，kv3sb5/wse2/rbv3sb5，kv3sb5/wse2/csv3sb5，kv3sb5/wse2/ksbo3，kv3sb5/reo3/rbv3sb5，kv3sb5/reo3/csv3sb5，kv3sb5/reo3/ksbo3，kv3sb5/rbv3sb5/csv3sb5，kv3sb5/rbv3sb5/ksbo3，kv3sb5/csv3sb5/ksbo3，wse2/reo3/rbv3sb5，wse2/reo3/csv3sb5，wse2/reo3/ksbo3，wse2/rbv3sb5/csv3sb5，wse2/rbv3sb5/ksbo3，wse2/csv3sb5/ksbo3，reo3/rbv3sb5/csv3sb5，reo3/rbv3sb5/ksbo3，reo3/csv3sb5/ksbo3，rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3。

13、优选的，所述应变诱导激子响应层为以下四元组合形成的特定结构：kv3sb5/wse2/reo3/rbv3sb5，kv3sb5/wse2/reo3/csv3sb5，kv3sb5/wse2/reo3/ksbo3，kv3sb5/reo3/rbv3sb5/csv3sb5，kv3sb5/reo3/rbv3sb5/ksbo3，kv3sb5/rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3，wse2/reo3/rbv3sb5/csv3sb5，wse2/reo3/rbv3sb5/ksbo3，wse2/rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3，reo3/rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3。

14、优选的，所述应变诱导激子响应层为以下五元或六元组合形成的特定结构：kv3sb5/wse2/reo3/rbv3sb5/csv3sb5，

15、kv3sb5/wse2/reo3/rbv3sb5/ksbo3，kv3sb5/wse2/reo3/csv3sb5/ksbo3，kv3sb5/reo3/rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3，wse2/reo3/rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3，kv3sb5/wse2/reo3/rbv3sb5/csv3sb5/ksbo3。

16、本发明相比现有技术的有益效果在于：

17、1)本发明提供一种具有应变诱导激子响应层的半导体激光元件，结构上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，其中在下限制层和下波导层之间设置有应变诱导激子响应层，该半导体激光元件的的应变诱导激子响应层为kv3sb5、wse2、reo3、rbv3sb5、csv3sb5、ksbo3中的一种或两种以上的组合；所述应变诱导激子响应层通过在电子阻挡层与上波导层的界面施加局部应变，创建应变场，降低量子阱极化电场和量子限制stark效应，降低空穴注入势垒，提升有源层电子和空穴波函数的交叠比率，提升电激射增益；同时，该应变诱导激子响应层可改变电子向列性，使应变诱导激子响应层消除光谱重叠的亚带隙发射态，抑制垂直方向上的模跳，产生单模激光，获得良好的ffp远场图案，并增强有源层的激子响应，降低激光元件的驱动电压和激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。

18、2)本发明具有应变诱导激子响应层的半导体激光元件在蓝光激光器应用上，斜率效率提升至1.4w/a以上，光功率从3.5w提升至4.7w，达到商业应用水平。