一种具有手性双重拓扑态层的半导体激光元件的制作方法

本发明属于半导体光电器件，具体涉及一种具有手性双重拓扑态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)量子缺陷和量子效率不为1的热损耗：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，以及泵浦能级到激光上能级的耦合率不为1的能量损失转换为热量，两者共同产生大量废热，使激光器温度分布不均匀，引起热膨胀和热应力分布不均匀，产生温度淬灭、激光器断裂、热透镜效应和应力双折射效应；热透镜在空间中产生类似透镜现象，而应力双折射效应改变入射光的偏振状态，使激光光束去极化和失真。2)激光器使用电流大，电流密度大产生热量大，且器件的散热不佳，温度特性差，激光器传输信号距离更短，数据传输速率和质量相对较为低下，同时激光器的功耗和热量产生较大，激光器的寿命短，并且激光器在使用过程中运行成本高。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的具有手性双重拓扑态层的半导体激光元件。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种具有手性双重拓扑态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，其中，下波导层上下至少有一处设置有手性双重拓扑态层，其中，手性双重拓扑态层通过打破镜面对称性和空间反转对称性形成动量空间手性相反成对外尔点的双重拓扑态。

4、进一步地，手性双重拓扑态层为nbrhte4@wp2、mop2@nbirte4、crsite3@tairte4、tarhte4@crgete3、mop2@wp2的任意一种或任意组合的三维拓扑莫尔超晶格结构，厚度为0.5～500nm。

5、作为本发明的进一步优化方案，有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，其中，阱层为ingan、inn、alinn、gan的任意一种或任意组合，垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合。

6、进一步地，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的任意一种或任意组合。

7、进一步地，下波导层和上波导层均为ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

8、进一步地，电子阻挡层和上限制层均为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合。

9、进一步地，手性双重拓扑态层的任意组合包括以下二元组合的三维拓扑莫尔超晶格结构：

10、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4，nbrhte4@wp2/crsite3@tairte4，

11、nbrhte4@wp2/tarhte4@crgete3，nbrhte4@wp2/mop2@wp2，

12、mop2@nbirte4/crsite3@tairte4，mop2@nbirte4/tarhte4@crgete3，

13、mop2@nbirte4/mop2@wp2，crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3，

14、crsite3@tairte4/mop2@wp2，tarhte4@crgete3/mop2@wp2。

15、进一步地，手性双重拓扑态层的任意组合包括以下三元组合的三维拓扑莫尔超晶格结构：nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/crsite3@tairte4，

16、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/tarhte4@crgete3，

17、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/mop2@wp2，

18、nbrhte4@wp2/crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3，

19、nbrhte4@wp2/crsite3@tairte4/mop2@wp2，

20、nbrhte4@wp2/tarhte4@crgete3/mop2@wp2，

21、mop2@nbirte4/crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3，

22、mop2@nbirte4/crsite3@tairte4/mop2@wp2，

23、mop2@nbirte4/tarhte4@crgete3/mop2@wp2，

24、crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3/mop2@wp2。

25、进一步地，手性双重拓扑态层的任意组合包括以下四元组合的三维拓扑莫尔超晶格结构：

26、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3，

27、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/crsite3@tairte4/mop2@wp2，

28、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/tarhte4@crgete3/mop2@wp2，

29、nbrhte4@wp2/crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3/mop2@wp2，

30、mop2@nbirte4/crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3/mop2@wp2。

31、进一步地，手性双重拓扑态层的任意组合包括以下五元组合的三维拓扑莫尔超晶格结构：

32、nbrhte4@wp2/mop2@nbirte4/crsite3@tairte4/tarhte4@crgete3/mop2@wp2。

33、进一步地，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、本发明的有益效果在于：本发明设置的手性双重拓扑态层，通过打破镜面对称性和空间反转对称性形成动量空间手性相反成对外尔点的双重拓扑态，使载流子的自旋运动严格绕质心平动方向进行，在外加电场作用下，手性相反外尔点产生极低的散射，双重拓扑态调控热辐射偏振和热辐射自旋分裂，从而降低载流子输运过程中非弹性散射的废热量，降低激光器的热膨胀、热应力和热失配，提升激光器的温度分布均匀性，改善热透镜问题和应力双折射效应，最终增强激光元件受激辐射效率、光功率和斜率效率，降低激光器的阈值电流，改善激光光束失真和去极化，提高激光元件的性能以及使用寿命。