一种具有光场限制效应增强上波导层的半导体激光器的制作方法

本发明属于半导体光电器件，具体涉及一种具有光场限制效应增强上波导层的氮化镓基半导体激光器。

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。激光器的分类很多，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。

2、氮化物半导体激光器存在以下问题：氮化镓激光器的光波在侧向和横向的导引机制复杂以及模式调控复杂，光场限制效应弱，会出现同质氮化镓外延衬底的侧漏模，侧漏模会导致光波从主波导泄漏出去，而不是集中在所需的传输路径中，从而降低了光束的质量，光束的空间模式会变得不规则，不再是所期望的高斯光束，这影响了光束的聚焦能力和功率密度分布，而且部分光能量会损失在不需要的方向或位置上，而不是有效地传输到所需的输出端口，导致效率的降低和能量的浪费。

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，设计合理的具有光场限制效应增强上波导层的氮化镓基半导体激光器。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种具有光场限制效应增强上波导层的氮化镓基半导体激光器，从下至上依次包括衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上包覆层，所述上波导层为光场限制效应增强上波导层，所述光场限制效应增强上波导层的晶格常数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为α，所述光场限制效应增强上波导层的晶格常数的谷值位置往有源层方向的上升角度为β，其中：5°≤α≤β≤90°；

4、其中，所述光场限制效应增强上波导层的共价键能的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为γ，所述光场限制效应增强上波导层的饱和电子漂移速率的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为θ，所述光场限制效应增强上波导层的价带有效态密度的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为δ，所述光场限制效应增强上波导层的轻空穴有效质量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为σ，其中：10°≤σ≤δ≤γ≤θ≤90°；

5、其中，所述光场限制效应增强上波导层的共价键能的峰值位置往有源层方向的下降角度为φ，所述光场限制效应增强上波导层的饱和电子漂移速率的谷值位置往有源层方向的上升角度为ψ，所述光场限制效应增强上波导层的价带有效态密度的谷值位置往有源层方向的上升角度为μ，所述光场限制效应增强上波导层的轻空穴有效质量的峰值位置往有源层方向的下降角度为υ，其中：20°≤υ≤μ≤φ≤ψ≤90°。

6、所述光场限制效应增强上波导层的晶格常数、饱和电子漂移速率、价带有效态密度的峰值位置往上包覆层方向的下降角度，所述光场限制效应增强上波导层的共价键能、轻空穴有效质量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度，所述光场限制效应增强上波导层的晶格常数、饱和电子漂移速率、价带有效态密度的谷值位置往有源层方向的上升角度，所述光场限制效应增强上波导层的共价键能、轻空穴有效质量的峰值位置往有源层方向的下降角度具有如下关系：5°≤α≤β≤σ≤δ≤γ≤θ≤υ≤μ≤φ≤ψ≤90°。

7、所述光场限制效应增强上波导层为i ngan、gan、i nn、al i ngan、al i nn的任意一种或任意组合，厚度为10～800nm。

8、所述光场限制效应增强上波导层的晶格常数分布具有函数y＝l ogax曲线分布，其中，a＞1。

9、所述光场限制效应增强上波导层的共价键能分布具有函数y＝arccothx第一象限曲线分布；所述光场限制效应增强上波导层的饱和电子漂移速率分布具有函数y＝arccoshx曲线分布。

10、所述光场限制效应增强上波导层的价带有效态密度分布具有函数y＝x-b/x第一四象限曲线分布，其中，0＜b＜1；所述光场限制效应增强上波导层的轻空穴有效质量分布具有函数y＝cosx/x第一四象限曲线分布。

11、所述有源层为阱层与垒层组成的周期性结构，有源层的阱层为gan、i ngan、i nn、al i nn、al gan、al i ngan、al n、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al gai np、ingaas、i ngaasn、al i nas、al i np、al gap、i ngap、gasb、i nsb、i nas、i nassb、algasb、al sb、i ngasb、al gaassb、i ngaassb、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～150埃米，有源层的垒层为gan、i ngan、i nn、al i nn、al gan、al i ngan、al n、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、i ngaasn、al i nas、ali np、al gap、i ngap、gasb、i nsb、i nas、i nassb、al gasb、al sb、i ngasb、al gaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10～200埃米。

12、所述下包覆层、下波导层、电子阻挡层、上包覆层为gan、i ngan、i nn、al i nn、algan、al i ngan、al n、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、ingaasn、al i nas、al i np、al gap、i ngap、gasb、i nsb、i nas、i nassb、al gasb、al sb、i ngasb、al gaassb、i ngaassb、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合。

13、所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、al n、gan、gaas、i np、i nas、gasb、蓝宝石/sio2复合衬底、mo、tiw、cuw、cu、蓝宝石/al n复合衬底、金刚石、石墨烯、蓝宝石/sinx、蓝宝石/sio2/sinx复合衬底、蓝宝石/si nx/sio2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。

14、本发明的有益效果在于：本发明将上波导层设置为光场限制效应增强上波导层，通过调控光场限制效应增强上波导层的晶格常数、饱和电子漂移速率、价带有效态密度的峰值位置往上包覆层方向的下降角度及其谷值位置往有源层方向的上升角度，控制上波导层的光场限制分布及变化趋势，使光场远离高损耗的掺杂区，降低光场被杂质吸收和载流子吸收，减少内部光学吸收损耗，同时，控制所述光场限制效应增强上波导层的共价键能、轻空穴有效质量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度及其峰值位置往有源层方向的下降角度，调制上波导层的共价键能和轻空穴有效质量分布及变化趋势，调控上波导层的载流子吸收分布，增强氮化镓激光器的模式调控效应，避免漏模产生，提升限制因子和光束质量因子。