一种具有三维高阶拓扑绝缘体层的半导体激光元件的制作方法

本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种具有三维高阶拓扑绝缘体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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到有源层或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。

7、氮化物半导体激光器存在以下问题：

8、1)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。

9、2)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。

10、3)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，容易产生漏电和esd击穿。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种具有三维高阶拓扑绝缘体层的半导体激光元件。

2、本发明实施例提供了一种具有三维高阶拓扑绝缘体层的半导体激光元件，包括从下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层，其特征在于，所述上限制层与上波导层之间和/或下限制层与下波导层之间设置有三维高阶拓扑绝缘体层，所述三维高阶拓扑绝缘体层为3d-bi2te3@3d-sb2te3、3d-sb2te3@3d-snte、3d-snte@3d-bi2te2se、3d-bi2te2se@3d-bi2se2te、3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3、3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3的任意一种或任意组合的多维高阶范德华异质结构。

3、优选地，所述三维高阶拓扑绝缘体层包括以下二元组合的多维高阶范德华异质结构：

4、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte,

5、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-snte@3d-bi2te2se,

6、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te,

7、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

8、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

9、3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se,

10、3d-sb2te3@3d-snte/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te,

11、3d-sb2te3@3d-snte/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

12、3d-sb2te3@3d-snte/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

13、3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te,

14、3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

15、3d-snte@3d-bi2te2se/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

16、3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

17、3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

18、3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3。

19、优选地，所述三维高阶拓扑绝缘体层包括以下三元组合的多维高阶范德华异质结构：

20、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se,

21、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te,

22、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

23、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

24、3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te,

25、3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

26、3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

27、3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

28、3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3。

29、优选地，所述三维高阶拓扑绝缘体层包括以下四元组合的多维高阶范德华异质结构：

30、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te,

31、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

32、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

33、3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

34、3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

35、3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3。

36、优选地，所述三维高阶拓扑绝缘体层包括以下五元组合的多维高阶范德华异质结构：

37、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3,

38、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

39、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

40、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

41、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

42、3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3,

43、3d-bi2te3@3d-sb2te3/3d-sb2te3@3d-snte/3d-snte@3d-bi2te2se/3d-bi2te2se@3d-bi2se2te/3d-bi2se2te@3d-pb(c6h5)3/3d-pb(c6h5)3@3d-bi(c6h5)3。

44、优选地，所述三维高阶拓扑绝缘体层的厚度为5nm至500nm。

45、优选地，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；

46、阱层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10埃米至80埃米；

47、垒层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10埃米至120埃米。

48、优选地，所述下限制层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为50nm至5000nm，si掺杂浓度为1e18 cm-3至1e20cm-3；

49、所述电子阻挡层和上限制层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为20nm至1000nm，mg掺杂浓度为1e18 cm-3至1e20 cm-3。

50、优选地，所述下波导层和上波导层为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为50nm至1000nm，si掺杂浓度为1e16 cm-3至5e19 cm-3。

51、优选地，所述衬底包括蓝宝石、硅、金刚石、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。

52、本发明的有益效果如下：本发明中，通过在上限制层与上波导层之间和/或下限制层与下波导层之间设置有三维高阶拓扑绝缘体层，该三维高阶拓扑绝缘体层在上限制层、上波导层以及下限制层、下波导层的界面打破体边对应关系，产生高阶拓扑角态、非线性角态旋转效应，在界面处形成被拓扑保护的电子态，防止界面载流子被杂质散射，抑制背向散射，构成低电阻的界面，降低激光元件的功耗，提升载流子注入有源层的效率。并且，三维高阶拓扑绝缘体层的界面态电子、表面态电子还具有自旋结构，产生能带反转、自旋轨道耦合，可调控自旋向上或向下电子流，提升霍尔电导特性，降低激光串联电阻和电压，提升激光元件的增益。同时，三维拓扑绝缘层内部具有绝缘特性，可抑制缺陷相关的漏电，提升抗esd性能，从而提升激光元件有源层的辐射复合效率，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。