一种具有漩涡光控制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，具体涉及一种具有漩涡光控制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。激光器的种类很多，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。

2、氮化物半导体激光器存在以下问题：1)光波导吸收损耗高，固有碳杂质在p型半导体中会补偿受主、破坏p型等，p型掺杂的离化率低，大量未电离的mg受主杂质会导致内部光学损耗上升，且激光器的折射率色散，高浓度载流子浓度起伏影响有源层的折射率，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；2)激光光波的型态可分为横模和纵横；垂直于光轴截面内的横模光强分布是由半导体激光器的波导结构决定，若横模复杂不稳定，输出光的相干性差；纵模在谐振腔传播方向上是驻波分布，很多纵模同时激射或存在模间变化，则不能获得很高时间上的相干性，远场图像ffp质量差。3)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，而电压的大小直接影响激光器的表现情况，较高的电压会增加激光器的温度，进而影响它的光学性能，并且电压过高会使电场增强，从而影响电子穿越过激光器，导致较高的失真、光学波前谐波和线性扭曲，此时激光器的输出功率会下降，甚至停止工作。

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、一种具有漩涡光控制层的半导体激光元件，包括由下至上依次相连的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上限制层，所述衬底至电子阻挡层之间每两组相邻的结构层之间均增设有漩涡光控制层。

4、作为本发明的进一步优化方案，所述漩涡光控制层为kp15@n i ps3、li p15@zrte5、w18o49@pbs、lacoo3@wo6、nap15@fe2si中的任意一种或任意组合的二维应变莫尔超晶格结构。

5、作为本发明的进一步优化方案，所述漩涡光控制层的任意组合包括以下二元组合的二维应变莫尔超晶格结构：

6、kp15@n i ps3/li p15@zrte5、kp15@n i ps3/w18o49@pbs、kp15@n i ps3/lacoo3@wo6、kp15@n i ps3/nap15@fe2si、li p15@zrte5/w18o49@pbs、li p15@zrte5/lacoo3@wo6、li p15@zrte5/nap15@fe2si、w18o49@pbs/lacoo3@wo6、w18o49@pbs/nap15@fe2si、lacoo3@wo6/nap15@fe2si。

7、作为本发明的进一步优化方案，所述漩涡光控制层的任意组合包括以下三元组合的二维应变莫尔超晶格结构：

8、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/w18o49@pbs、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/lacoo3@wo6、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/nap15@fe2si、li p15@zrte5/w18o49@pbs/lacoo3@wo6、li p15@zrte5/w18o49@pbs/nap15@fe2si、w18o49@pbs/lacoo3@wo6/nap15@fe2si。

9、作为本发明的进一步优化方案，所述漩涡光控制层的任意组合包括以下四元组合的二维应变莫尔超晶格结构：

10、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/w18o49@pbs/lacoo3@wo6、

11、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/w18o49@pbs/nap15@fe2si、

12、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/lacoo3@wo6/nap15@fe2si、

13、kp15@n i ps3/w18o49@pbs/lacoo3@wo6/nap15@fe2si、

14、li p15@zrte5/w18o49@pbs/lacoo3@wo6/nap15@fe2si。

15、作为本发明的进一步优化方案，所述漩涡光控制层的任意组合包括以下五元组合的二维应变莫尔超晶格结构：

16、kp15@n i ps3/li p15@zrte5/w18o49@pbs/lacoo3@wo6/nap15@fe2si。

17、作为本发明的进一步优化方案，所述下限制层为i ngan、i nn、gan、a l i ngan、al n、a l gan、a l i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga i np、i ngaas、al i nas、a l i np、a l gap、i ngap、s i c、ga2o3、bn的任意一种或任意组合；

18、所述下波导层和上波导层为i ngan、i nn、gan、a l i ngan、a l n、a l gan、a li nn、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga i np、i ngaas、a l i nas、a l inp、a l gap、i ngap、si c、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

19、作为本发明的进一步优化方案，所述电子阻挡层和上限制层为i ngan、i nn、gan、a l i ngan、a l n、a l gan、a l i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga inp、i ngaas、a l i nas、a l i np、a l gap、i ngap、si c、ga2o3、bn的任意一种或任意组合。

20、作为本发明的进一步优化方案，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述阱层为i ngan、i nn、a l i nn、gan的任意一种或任意组合，所述垒层为gan、a l gan、a li ngan、a l n、a l i nn的任意一种或任意组合。

21、作为本发明的进一步优化方案，所述衬底为蓝宝石、硅、ge、si c、a l n、gan、gaas、i np、蓝宝石/sio2复合衬底、蓝宝石/a l n复合衬底、蓝宝石/si nx、蓝宝石/s io2/si nx复合衬底、镁铝尖晶石mga l2o4、mgo、zno、zrb2、lia l o2和li gao2复合衬底的任意一种。

22、本发明的有益效果在于：本发明通过增设漩涡光控制层对激光进行多维度的螺旋相位和轨道角动量操纵，在上波导层和下波导层间形成几乎无串扰的不同拓扑数和不同自旋阶数的漩涡光，降低光波导吸收损耗和未电离mg受主杂质导致的内部光学损耗，从而提升激光元件的模式增益。