一种III族氮化物半导体激光器的制作方法

本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种iii族氮化物半导体激光器。

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：氮化镓激光器的光场进入上包覆层区域和有源层、上波导层和下波导层会产生自由载流子吸收损耗，降低激光器的弛豫振动频率和激光器的响应度。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；有源层晶格失配与应变大诱导产生强压电极化效应，产生较强的qcse量子限制stark效应，激光器价带带阶差增加，抑制空穴注入，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，限制了激光器电激射增益的提高。

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iii族氮化物半导体激光器。

2、本发明实施例提供了一种iii族氮化物半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上包覆层，所述上波导层中具有禁带宽度特性、峰值速率电场特性、重空穴有效质量特性、光子能量吸收特性和辐射复合系数特性；

3、所述上波导层的禁带宽度的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为α，所述上波导层的禁带宽度的峰值位置往有源层方向的下降角度为β，其中：30°≤α≤β≤90°；

4、所述上波导层的峰值速率电场的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为γ，所述上波导层的重空穴有效质量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为θ，所述上波导层的光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为δ，所述上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为σ，其中：15°≤σ≤θ≤γ≤δ≤90°；

5、所述上波导层的峰值速率电场的峰值位置往有源层方向的下降角度为所述上波导层的重空穴有效质量的峰值位置往有源层方向的下降角度为ψ，所述上波导层的光子能量吸收系数的峰值位置往有源层方向的下降角度为μ，所述上波导层的辐射复合系数的谷值位置往有源层方向的上升角度为υ，其中：

6、优选地，所述上波导层的禁带宽度、峰值速率电场、重空穴有效质量、光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度，所述上波导层的禁带宽度、峰值速率电场、重空穴有效质量、光子能量吸收系数的峰值位置往有源层方向的下降角度，所述上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度，所述上波导层的辐射复合系数的谷值位置往有源层方向的上升角度具有如下关系：

7、优选地，所述上波导层的禁带宽度具有函数y1＝mx曲线分布，其中，x为上波导层往电子阻挡层方向的深度，0＜m＜1。

8、优选地，所述上波导层的峰值速率电场具有函数y2＝x-n第一象限曲线分布，其中，n＞1且n为奇数。

9、优选地，所述上波导层的重空穴有效质量具有函数y3＝arccschx第一象限曲线分布。

10、优选地，所述上波导层的光子能量吸收系数具有函数y4＝arccthx第一象限曲线分布。

11、优选地，所述上波导层的辐射复合速率具有函数y5＝arccoshx曲线分布。

12、优选地，所述上波导层为ingan、gan、inn、alingan、alinn的任意一种或任意组合，厚度为10nm至1000nm。

13、优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的量子阱结构；

14、有源层的阱层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10埃米至150埃米；

15、有源层的垒层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合，厚度为10埃米至200埃米。

16、优选地，所述下包覆层、下波导层、电子阻挡层、上包覆层为gan、ingan、inn、alinn、algan、alingan、aln、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、ingaasn、alinas、alinp、algap、ingap、gasb、insb、inas、inassb、algasb、alsb、ingasb、algaassb、ingaassb、sic、ga2o3、bn、金刚石的任意一种或任意组合。

17、优选地，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、inas、gasb、蓝宝石/sio2复合衬底、mo、tiw、cuw、cu、蓝宝石/aln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/sinx/sio2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。

18、本发明的有益效果如下：本发明的iii族氮化物半导体激光器中的上波导层具有禁带宽度特性、峰值速率电场特性、重空穴有效质量特性、光子能量吸收特性和辐射复合系数特性，并通过调控上波导层的禁带宽度、峰值速率电场、重空穴有效质量、光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度以及峰值位置往有源层方向的下降角度，降低上波导层的内部光吸收损耗，并提升上波导层的量子限制效应，降低价带带阶，提升空穴注入效率和输运效率，提升激光器的峰值增益和增益均匀性，提升激光器的光功率和斜率效率，同时，上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度以及谷值位置往有源层方向的上升角度，降低上波导层的非辐射复合中心，抑制上波导层的自由载流子吸收损耗，增强激光器的弛豫振动频率，提升激光器的响应度，从而降低激光器的阈值电流密度。