一种设有二维莫尔超晶格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，涉及一种设有二维莫尔超晶格层的半导体激光元件。

背景技术：

1、激光元件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。激光元件的各类很多，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元件；与其他类型激光元件相比，全固态半导体激光元件具有体积小、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。激光元件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，单颗激光元件输出功率可在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)激光元件的使用电流密度达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，而激光元件为受激跃迁辐射，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，而激光元件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。氮化物半导体激光元件存在以下问题：1)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，激光元件增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光元件阈值电流增大且斜率效率降低。2)热损耗：泵浦光与振荡光之间的光子能量差形成的斯托克斯频移损耗转换为热量产生大量废热，使激光元件温度分布不均匀，引起热膨胀和热应力分布不均匀，产生热透镜效应和应力双折射效应，使激光光束去极化和失真。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种设有二维莫尔超晶格层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的的问题。

2、1、一种设有二维莫尔超晶格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(103)与下波导层(102)之间，和/或下波导层(102)与下限制层(101)之间，和/或下限制层(101)与衬底(100)之间设有二维莫尔超晶格层。

3、作为本发明优选的技术方案，所述二维莫尔超晶格层为mg2c-mos2、ws2-wse、mg2c-tise2、nife2o4-nite、tise-fe3gete3、mg2c-mnbi2te4的任意一种或任意两种以上组合二维莫尔超晶格。

4、作为本发明优选的技术方案，所述二维莫尔超晶格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：mg2c-mos2/ws2-wse,mg2c-mos2/mg2c-tise2,mg2c-mos2/nife2o4-nite,mg2c-mos2/tise-fe3gete3,mg2c-mos2/mg2c-mnbi2te4,ws2-wse/mg2c-tise2,ws2-wse/nife2o4-nite,ws2-wse/tise-fe3gete3,ws2-wse/mg2c-mnbi2te4,mg2c-tise2/nife2o4-nite,mg2c-tise2/tise-fe3gete3,mg2c-tise2/mg2c-mnbi2te4,nife2o4-nite/tise-fe3gete3,nife2o4-nite/mg2c-mnbi2te4,tise-fe3gete3/mg2c-mnbi2te4。

5、作为本发明优选的技术方案，所述二维莫尔超晶格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：

6、mg2c-mos2/ws2-wse/mg2c-tise2,mg2c-mos2/ws2-wse/nife2o4-nite,

7、mg2c-mos2/ws2-wse/tise-fe3gete3,mg2c-mos2/ws2-wse/mg2c-mnbi2te4,

8、mg2c-mos2/mg2c-tise2/nife2o4-nite,mg2c-mos2/mg2c-tise2/tise-fe3gete3,

9、mg2c-mos2/mg2c-tise2/mg2c-mnbi2te4,mg2c-mos2/nife2o4-nite/tise-fe3gete3,

10、mg2c-mos2/nife2o4-nite/mg2c-mnbi2te4,mg2c-mos2/tise-fe3gete3/mg2c-mnbi2te4,

11、ws2-wse/mg2c-tise2/nife2o4-nite,ws2-wse/mg2c-tise2/tise-fe3gete3,

12、ws2-wse/mg2c-tise2/mg2c-mnbi2te4,ws2-wse/nife2o4-nite/tise-fe3gete3,

13、ws2-wse/nife2o4-nite/mg2c-mnbi2te4,ws2-wse/tise-fe3gete3/mg2c-mnbi2te4,

14、mg2c-tise2/nife2o4-nite/tise-fe3gete3,mg2c-tise2/nife2o4-nite/mg2c-mnbi2te4,mg2c-tise2/tise-fe3gete3/mg2c-mnbi2te4,nife2o4-nite/tise-fe3gete3/mg2c-mnbi2te4。

15、作为本发明优选的技术方案，所述二维莫尔超晶格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：hfte5/pdte2/bi2se3/cd3as2,hfte5/pdte2/bi2se3/taas,hfte5/bi2se3/cd3as2/taas,pdte2/bi2se3/cd3as2/taas，hfte5/pdte2/bi2se3/taas，hfte5/pdte2/cd3as2/taas。

16、作为本发明优选的技术方案，所述二维莫尔超晶格层的任意组合包括以下五元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构:

17、hfte5/pdte2/bi2se3/cd3as2/taas。

18、作为本发明优选的技术方案，有源层(103)与下波导层(102)之间，下波导层(102)与下限制层(101)之间，以及下限制层(101)与衬底(100)之间设有二维莫尔超晶格层，二维莫尔超晶格层具有量子态-激子绝缘态耦合和ii型能带分布，其强库仑相互作用和束缚电子空穴对可提升有源层的电子空穴载流子的复合效率，从而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，同时，二维莫尔超晶格的强极性面内共价键和共振键以及莫尔激子，改善声子非简谐性，降低斯托克斯频移损耗的废热，提升热导率，改善热膨胀和热应力分布不均匀，降低热透镜效应和应力双折射效应引起的激光光束去极化和失真，提升激光光束质量因子。

19、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。

20、作为本发明优选的技术方案，所述下限制层(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)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；；所述半导体激光元件包括发光波长为200nm～300nm的半导体深紫外激光器，发光波长为300nm～420nm的半导体紫外激光器，发光波长为420nm～480nm的半导体蓝光激光器，发光波长为500nm～550nm的半导体绿光激光器，发光波长为550nm～700nm的半导体红光与黄光激光器，发光波长为800nm～1000nm的半导体红外激光器，发光波长为1000nm～1600nm的半导体远红外激光器。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果：

22、在本发明的方案中：

23、相比于现有技术，1、有源层(103)与下波导层(102)之间，和/或下波导层(102)与下限制层(101)之间，和/或下限制层(101)与衬底(100)之间设有二维莫尔超晶格层，二维莫尔超晶格层具有量子态-激子绝缘态耦合和ii型能带分布，其强库仑相互作用和束缚电子空穴对可提升有源层的电子空穴载流子的复合效率，从而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，同时，二维莫尔超晶格的强极性面内共价键和共振键以及莫尔激子，改善声子非简谐性，降低斯托克斯频移损耗的废热，提升热导率，改善热膨胀和热应力分布不均匀，降低热透镜效应和应力双折射效应引起的激光光束去极化和失真，提升激光光束质量因子。