一种具有自旋极化电子层的半导体激光元件的制作方法

本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种具有自旋极化电子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。

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：

8、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，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；

9、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；

10、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；

11、4)光场模式泄漏到衬底形成驻波会导致衬底模式抑制效率低，远场图像ffp质量差。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种具有自旋极化电子层的半导体激光元件。

2、本发明实施例提供了一种具有自旋极化电子层的半导体激光元件，包括从下至上依次设置的衬底、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，所述上波导层与电子阻挡层以及下波导层与下限制层之间均设置有自旋极化电子层，所述自旋极化电子层为zrcusias@mns2,lafeaso@mnse2,mnpse3@vs2,crsite3@agcus2,crgete3@cuals2的任意一种或任意组合的复合同轴纳米柱结构。

3、优选地，根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述自旋极化电子层为以下二元组合的复合同轴纳米柱结构的任意一种：

4、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2,

5、zrcusias@mns2/mnpse3@vs2,

6、zrcusias@mns2/crsite3@agcus2,

7、zrcusias@mns2/crgete3@cuals2,

8、lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2,

9、lafeaso@mnse2/crsite3@agcus2,

10、lafeaso@mnse2/crgete3@cuals2,

11、mnpse3@vs2/crsite3@agcus2,

12、mnpse3@vs2/crgete3@cuals2,

13、crsite3@agcus2/crgete3@cuals2。

14、优选地，所述自旋极化电子层为以下三元组合的复合同轴纳米柱结构的任意一种：

15、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2,

16、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/crsite3@agcus2,

17、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/crgete3@cuals2,

18、lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2/crsite3@agcus2,

19、lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2/crgete3@cuals2,

20、mnpse3@vs2/crsite3@agcus2/crgete3@cuals2。

21、优选地，所述自旋极化电子层为以下四元组合的复合同轴纳米柱结构的任意一种：

22、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2/crsite3@agcus2,

23、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2/crgete3@cuals2,

24、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/crsite3@agcus2/crgete3@cuals2,zrcusias@mns2/mnpse3@vs2/crsite3@agcus2/crgete3@cuals2,

25、lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2/crsite3@agcus2/crgete3@cuals2。

26、优选地，所述自旋极化电子层为以下五元组合的复合同轴纳米柱结构：

27、zrcusias@mns2/lafeaso@mnse2/mnpse3@vs2/crsite3@agcus2/crget e3@cuals2。

28、优选地，所述自旋极化电子层的厚度为5埃米至5000埃米。

29、优选地，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50nm至5000nm，si掺杂浓度为1e18cm-3至1e20cm-3。

30、优选地，所述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50nm至1000nm，si掺杂浓度为1e16cm-3至5e19 cm-3。

31、优选地，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20nm至1000nm，mg掺杂浓度为1e18cm-3至1e20 cm-3。

32、优选地，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。

33、本发明的有益效果如下：本发明通过在上波导层与电子阻挡层以及下波导层与下限制层之间均设置有自旋极化电子层，该自旋极化电子层增强激光元件的自旋极化率，激发并提升自旋波传播，抑制激光被未离化mg杂质吸收的内部光学损耗，提升激光模式增益，并抑制光场模式泄漏到衬底，改善远场图像ffp质量，提升光束质量因子；同时，内电场可调控自旋波共振模式，使导带和价带完全自旋极化，增强载流子自旋极化和自旋载流子注入激光元件的有源层，提升空穴在注入激光元件有源层的效率和输运效率，提升激光增益均匀性，从而提升激光元件受激辐射效率，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。