一种设有三线态激子富集层的半导体激光元件的制作方法

本发明涉及半导体光电器件，具体而言，涉及一种设有三线态激子富集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。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。氮化物半导体激光器存在以下问题：1)内部晶格失配大、应变大引起极化效应强，qcse量子限制stark效应强限制激光器电激射增益的提高；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，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，激光器增益谱变宽，峰值增益下降。3)激光器价带带阶差增加，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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种设有三线态激子富集层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的的问题。

2、一种设有三线态激子富集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，有源层与下波层之间和下限制层与下波导层之间设有三线态激子富集层。

3、作为本发明优选的技术方案，所述三线态激子富集层为ptse2、mosi2n4、bi2o2se、bp-inse、sb2s3、in2s3-cds的任意一种或任意组合。

4、作为本发明优选的技术方案，所述三线态激子富集层的任意组合包括以下二元组合的六方纳米片或中空纳米结构：ptse2/mosi2n4,ptse2/bi2o2se,ptse2/bp-inse,ptse2/sb2s3,ptse2/in2s3-cds,mosi2n4/bi2o2se,mosi2n4/bp-inse,mosi2n4/sb2s3,mosi2n4/in2s3-cds,bi2o2se/bp-inse,bi2o2se/sb2s3,bi2o2se/in2s3-cds,bp-inse/sb2s3,bp-inse/in2s3-cds,sb2s3/in2s3-cds。

5、作为本发明优选的技术方案，所述三线态激子富集层的任意组合包括以下三元组合的六方纳米片或中空纳米结构：ptse2/mosi2n4/bi2o2se,ptse2/mosi2n4/bp-inse,ptse2/mosi2n4/sb2s3,ptse2/mosi2n4/in2s3-cds,ptse2/bi2o2se/bp-inse,ptse2/bi2o2se/sb2s3,ptse2/bi2o2se/in2s3-cds,ptse2/bp-inse/sb2s3,ptse2/bp-inse/in2s3-cds,ptse2/sb2s3/in2s3-cds,mosi2n4/bi2o2se/bp-inse,mosi2n4/bi2o2se/sb2s3,mosi2n4/bi2o2se/in2s3-cds,mosi2n4/bp-inse/sb2s3,mosi2n4/bp-inse/in2s3-cds,mosi2n4/sb2s3/in2s3-cds,bi2o2se/bp-inse/sb2s3,bi2o2se/bp-inse/in2s3-cds,bi2o2se/sb2s3/in2s3-cds,bp-inse/sb2s3/in2s3-cds。

6、作为本发明优选的技术方案，所述三线态激子富集层的任意组合包括以下四元组合的六方纳米片或中空纳米结构：ptse2/mosi2n4/bi2o2se/bp-inse,ptse2/mosi2n4/bi2o2se/sb2s3,ptse2/mosi2n4/bi2o2se/in2s3-cds,ptse2/bi2o2se/bp-inse/sb2s3,

7、ptse2/bi2o2se/bp-inse/in2s3-cds,ptse2/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds,

8、mosi2n4/bi2o2se/bp-inse/sb2s3,mosi2n4/bi2o2se/bp-inse/in2s3-cds,

9、mosi2n4/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds,bi2o2se/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds。

10、nabitio3/ti3c2tx/cuinp2s6/wte2,csbinb2o7/ti3c2tx/cuinp2s6/wte2。

11、作为本发明优选的技术方案，所述三线态激子富集层的任意组合包括以下五元、六元组合的六方纳米片或中空纳米结构:ptse2/mosi2n4/bi2o2se/bp-inse/sb2s3,ptse2/mosi2n4/bi2o2se/bp-inse/in2s3-cds,ptse2/mosi2n4/bi2o2se/sb2s3/in2s3-cds,ptse2/mosi2n4/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds,ptse2/bi2o2se/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds,mosi2n4/bi2o2se/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds,ptse2/mosi2n4/bi2o2se/bp-inse/sb2s3/in2s3-cds。

12、作为本发明优选的技术方案，有源层与下波层之间和下限制层与下波导层设有三线态激子富集层，三线态激子富集层在激光元件中通过能量转移使三线态激子在有源层富集，并通过自旋耦合翻转转换为辐射发光的单线态激子，使有源层中的电子空穴波函数实现接近100％的辐射复合效率，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。

13、作为本发明优选的技术方案，所述三线态激子富集层(107)的厚度为5～500nm。

14、作为本发明优选的技术方案，所述下限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3；下波导层和上波导层为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19 cm-3；所述电子阻挡层和上限制层为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20 cm-3。

15、作为本发明优选的技术方案，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、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。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果：

17、在本发明的方案中：

18、相比于现有技术，下波导层与下限制层之间和有源层与下波导层之间设有三线态激子富集层，在激光元件中通过能量转移使三线态激子在有源层富集，并通过自旋耦合翻转转换为辐射发光的单线态激子，使有源层中的电子空穴波函数实现接近100％的辐射复合效率，增强限制因子，实现连续振荡，降低激光元件的激发阈值，提升激光元件的光功率和斜率效率。