一种半导体激光器的制作方法

本发明涉及半导体光电器件的，特别是涉及一种半导体激光器。

背景技术：

1、半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件，工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带之间，或半导体物质的能带与杂质能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。全固态半导体紫外激光器具有体积小、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、极化效应更强以及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。

3、氮化物半导体紫外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)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；传统方式可提升电子阻挡层的势垒高度来减少电子溢流，但会导致空穴带阶提升，减少空穴注入有源层的效率；传统另一种方式则是降低电子阻挡层的势垒高度，提升空穴的注入效率，但会导致电子势垒下降，电子溢流变大，大电流注入情况下的激光器效率下降。

技术实现思路

1、为应对上述问题，本技术提出了一种半导体激光器。

2、本发明提供的一种半导体激光器，包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、上限制层，所述上限制层和所述下限制层构成空穴与电子平衡结构，所述空穴与电子平衡结构为alingan、algan、ingan、aln、alinn、ingan、gan的任意一种或任意组合。

3、进一步的，所述上限制层和所述下限制层均具有特定设计的mg掺杂浓度分布、al元素分布、in元素分布、si掺杂浓度分布、c元素分布、h元素分布和o元素分布以及变化角度，所述上限制层的所述al元素分布呈函数y＝exsinx曲线分布，所述mg掺杂浓度分布呈函数y＝ex-x曲线分布，所述h元素分布呈函数y＝(ax-1)/(ax+1)曲线分布，所述o元素分布呈y＝sinx/x2曲线分布，所述c元素分布呈y＝ex/cosx的第三象限曲线分布。

4、进一步的，所述下限制层的所述al元素分布呈函数y＝lnx/ex曲线分布，所述si掺杂浓度分布呈函数y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布，所述c元素分布和所述o元素分布呈函数y＝(ex-e-x)/(ex+e-x)曲线分布，所述in元素分布呈函数y＝ex/lnx曲线分布，所述上限制层的厚度为20nm～2000nm，下限制层厚度为500nm～10um。

5、进一步的，所述上限制层的所述al元素分布的峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为α：90°≥α≥45°；所述上限制层的mg掺杂浓度分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为β：80°≥β≥35°；所述上限制层的h元素分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为γ：70°≥γ≥25°；所述上限制层的o元素分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为φ:70°≥φ≥20°；所述上限制层的c元素分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为θ:85°≥θ≥40°。

6、进一步的，所述上限制层的所述mg掺杂浓度分布、al元素分布、in元素分布、si掺杂浓度分布、c元素分布、h元素分布和o元素分布的变化角度呈如下关系：α≥θ≥β≥γ≥φ。

7、进一步的，所述下限制层的al元素分布的峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为ρ：90°≥ρ≥45°；所述下限制层的所述in元素分布的峰值位置往所述下限制层方向呈下降趋势，下降角度为δ：90°≥δ≥40°；所述下限制层的所述si掺杂浓度分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为ψ：90°≥ψ≥35°；所述下限制层的o元素分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为ω:75°≥ω≥15°；所述上限制层的c元素分布峰值位置往所述有源层方向呈下降趋势，下降角度为σ:65°≥σ≥10°；

8、进一步的，所述下限制层的所述si掺杂浓度分布、al元素分布、in元素分布、si掺杂浓度分布、c元素分布和o元素分布的变化角度呈如下关系：ρ≥δ≥ψ≥ω≥σ。

9、进一步的，所述空穴与电子平衡结构的所述上限制层和所述下限制层的所述mg掺杂浓度分布、al元素分布、in元素分布、si掺杂浓度分布、c元素分布、h元素分布和o元素分布的变化角度具有如下关系：ρ≥δ≥ψ≥α≥θ≥β≥γ≥φ≥ω≥σ。

10、进一步的，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，所述阱层为ingan、alingan、algan、gan、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～200埃米，所述垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～500埃米；所述有源层发出的激光波长为200～420nm的紫外和深紫外波长；所述上波导层和所述下波导层的厚度为20埃米～1000埃米。

11、进一步的，所述下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层包括gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn、sic、ga2o3、bn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap的任意一种或任意组合，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、镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2复合衬底的任意一种。

12、与现有技术相比，本发明的有益成果在于：本发明的一种半导体激光器能够有效降低mg激活能并提升mg离化效率，提升空穴注入有源层的效率和电子注入有源层的效率，进而提升有源层电子空穴浓度的平衡性和均匀性，提升紫外激光器的斜率效率和激光效率。