一种氮化镓基半导体激光芯片的制作方法

本技术涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种氮化镓基半导体激光芯片。

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：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；按激光理论，激光器发射稳定激光饱和后，空穴和电子的准费米能级被钉扎，注入载流子完全转化为光子输出，光增益达到饱和，结电压亦达到饱和，腔内载流子浓度不随电流变化。有源层远离平衡态相变对应的对称性破缺使激光器在阈值处出现不连续或突变现象，如电导上跳、电容下沉、结电压上跳、串联电阻下沉、理想因子上跳等问题。激光器激射后，多量子阱有源区载流子浓度饱和，双极性电导效应减弱，激光器的串联电阻增加，导致激光器电压上升。激光光波的型态可分为横模和纵横；垂直于光轴截面内的横模光强分布是由半导体激光器的波导结构决定，若横模复杂不稳定，输出光的相干性差；纵模在谐振腔传播方向上是驻波分布，很多纵模同时激射或存在模间变化，则不能获得很高时间上的相干性，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，本发明提供了一种氮化镓基半导体激光芯片。

2、本发明实施例提供了一种氮化镓基半导体激光芯片，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、上包覆层和接触层，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述下波导层、有源层阱层、上波导层、电子阻挡层、上包覆层和接触层之间构成电子亲和能梯度、峰值电子漂移速率梯度、形变势梯度和体积弹性模量梯度。

3、优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，所述有源层阱层的电子亲和能为a，下波导层的电子亲和能为b，上波导层的电子亲和能为c，下包覆层的电子亲和能为d，电子阻挡层的电子亲和能为e，接触层的电子亲和能为f，所述有源层阱层、上波导层、下波导层、下包覆层、电子阻挡层、接触层的电子亲和能构成电子亲和能梯度：e≤d≤f≤b≤c≤a。

4、优选地，所述有源层阱层的峰值电子漂移速率为g，下波导层的峰值电子漂移速率为h，上波导层的峰值电子漂移速率为i，下包覆层的峰值电子漂移速率为j，电子阻挡层的峰值电子漂移速率为k，接触层的峰值电子漂移速率为l，所述有源层阱层、上波导层、下波导层、下包覆层、电子阻挡层、接触层的峰值电子漂移速率构成峰值电子漂移速率梯度：k≤j≤l≤h≤i≤g。

5、优选地，所述有源层阱层的形变势为m，下波导层的形变势为n，上波导层的形变势为o，下包覆层的形变势为p，电子阻挡层的形变势为q，接触层的形变势为r，所述有源层阱层、上波导层、下波导层、下包覆层、电子阻挡层、接触层的形变势构成形变势梯度：m≤o≤n≤r≤p≤q。

6、优选地，所述有源层阱层的体积弹性模量为s，下波导层的体积弹性模量为t，上波导层的体积弹性模量为u，下包覆层的体积弹性模量为v，电子阻挡层的体积弹性模量为w，接触层的体积弹性模量为z，所述有源层阱层、上波导层、下波导层、下包覆层、电子阻挡层、接触层的体积弹性模量构成体积弹性模量梯度：s≤u≤t≤v≤w≤z。

7、优选地，所述有源层与下波导层界面的电子亲和能分布具有函数y＝sinx/x2第一象限曲线分布；

8、所述有源层与下波导层界面的峰值电子漂移速率分布具有函数y＝(ex+e-x)/(ex-e-x)第一象限曲线分布。

9、优选地，所述有源层与下波导层界面的形变势分布具有函数y＝lnx/ex曲线分布；

10、所述有源层与下波导层界面的体积弹性模量分布具有函数y＝lnx/x曲线分布。

11、优选地，所述有源层的阱层为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100埃米；

12、所述有源层的垒层为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。

13、优选地，所述下包覆层、上波导层、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。

14、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。

15、本发明的有益效果如下：本发明通过将半导体激光芯片的下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上包覆层和接触层之间构成电子亲和能梯度、峰值电子漂移速率梯度、形变势梯度和体积弹性模量梯度。控制电子亲和能梯度和峰值电子漂移速率梯度，调控有源层的极化电场，降低空穴注入势垒，调控空空波函数分布，降低空穴溢出有源层，改善空穴准费米能级钉扎，使注入载流子完全转换为激光光子输出，改善远离平衡态相应的对称性破缺，解决阈值处出现不连续或突变的电导上跳、结电压上跳和串联电阻下沉问题。同时，控制形变势梯度和体积弹性模量梯度，提升有源区载流子饱和后的双极性电导效应，减少有源层的串联电阻，降低激光器的电压和阈值电流密度，并提升激光水平扩展角，降低激射纵模的多模和模间变化，实现低纵横比的远场ffp图像和高扭结水平，并减少杂散光和泄漏光，提升远场ffp图像质量。