一种含自旋螺旋电感层的激光元件的制作方法

1.本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种含自旋螺旋电感层的激光元件。


背景技术：

2.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。
3.目前，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)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；3)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。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种含自旋螺旋电感层的激光元件，通过自旋螺旋电感层在激光元件中形成较强的电感强度，提升激光元件的光功率和斜率效率。
5.为实现上述目的，本技术实施例的第一方面提供了一种含自旋螺旋电感层的激光元件，从下往上包括：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；
6.所述有源层和所述下波导层相邻，或者所述有源层和所述下波导层之间存在第一自旋螺旋电感层；所述有源层和所述上波导层相邻，或者所述有源层和所述上波导层之间存在第二自旋螺旋电感层；
7.所述有源层为三个以内周期层组成的周期结构，每一个周期层包括一个阱层和一个垒层，不同的周期层拼接时形成阱层和垒层相邻的结构；
8.所述第一自旋螺旋电感层和所述第二自旋螺旋电感层均为三维拓扑核壳结构。
9.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述阱层包括i ngan、i nn、gan、a l i ngan、a l n、a l gan、a l i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga i np、i ngaas、a l i nas、a l i np、a l gap、i ngap、si c、ga2o3、bn中的一种或多种成分。
10.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述垒层包括i ngan、i nn、gan、a l i ngan、a l n、a l gan、a l i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga i np、i ngaas、a l i nas、a l i np、a l gap、i ngap、si c、ga2o3、bn中的一种或多种成分。
11.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述自旋螺旋电感层包括cd3ru4a l 12、csv3sb5、srt io3、kvssb5、pb i 2-ws2、rbv3sb5中的一种成分或者多种成分。
12.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述下限制层包括i ngan、i nn、gan、a l i ngan、a l n、a l gan、a l i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、a l i ngaas、a l ga i np、i ngaas、a l i nas、a l i np、a l gap、i ngap、si c、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，si掺杂浓度范围为1e18～1e20cm-3
。
13.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述下波导层或上波导层包括i ngan、i nn、gan、al i ngan、al n、al gan、al i nn、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、al i np、al gap、i ngap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，si掺杂浓度范围为1e16～5e19 cm-3
。
14.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电子阻挡层和上限制层包括ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，mg掺杂浓度为1e18～1e20 cm-3
。
15.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、al n、gan、gaas、i np、sio2、sinx镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2中的一种成分或者多种成分。
16.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述自旋螺旋电感层的二元核壳结构包括以下几种：cd3ru4al 12
/csv3sb5,cd3ru4al 12
/srtio3,cd3ru4al 12
/kvssb5,cd3ru4al 12
/pb i
2-ws2,cd3ru4al 12
/rbv3sb5,csv3sb5/srtio3,csv3sb5/kvssb5,csv3sb5/pb i
2-ws2,csv3sb5/rbv3sb5,srtio3/kvssb5,srtio3/pb i
2-ws2,srtio3/rbv3sb5,kvssb5/pb i
2-ws2,kvssb5/rbv3sb5,pb i
2-ws2/rbv3sb5。
17.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述自旋螺旋电感层的三元核壳结构包括以下几种：cd3ru4al 12
/csv3sb5/srtio3,cd3ru4al 12
/csv3sb5/kvssb5,cd3ru4al 12
/csv3sb5/pb i
2-ws2,cd3ru4al 12
/csv3sb5/rbv3sb5,cd3ru4al 12
/srtio3/kvssb5,cd3ru4al 12
/srt io3/pb i
2-ws2,cd3ru4al 12
/srtio3/rbv3sb5,cd3ru4al 12
/kvssb5/pb i
2-ws2,cd3ru4al 12
/kvssb5/rbv3sb5,cd3ru4al 12
/pb i
2-ws2/rbv3sb5,csv3sb5/srtio3/kvssb5,csv3sb5/srtio3/pb i
2-ws2,csv3sb5/srtio3/rbv3sb5,csv3sb5/kvssb5/pb i
2-ws2,csv3sb5/kvssb5/rbv3sb5,csv3sb5/pb i
2-ws2/rbv3sb5,srtio3/kvssb5/pb i
2-ws2,srtio3/kvssb5/rbv3sb5,srtio3/pb i
2-ws2/rbv3sb5。
18.相比于现有技术，本发明实施例提供的一种含自旋螺旋电感层的激光元件，通过对半导体激光元件的结构进行改进，调整各层成分组成，在有源层与上波导层之间和/或有源层与下波导层之间增加自旋螺旋电感层，每一层自旋螺旋电感层都可将电感强度提升至-400nh以上，通过电感电动势变化调控量子阱的极化场，降低量子限制stark效应，降低空穴注入势垒，增强空穴注入效率，同时，提升有源层的电子注入势垒，降低电子溢流，从而提升有源层中电子空穴波函数的辐射复合效率，提升激光器限制因子，降低内损耗，使泵浦到高能级的粒子数保持大于受激辐射消耗的粒子数，提升激光的激射功率和斜率效率。
附图说明
19.图1是本发明一实施例提供一种含自旋螺旋电感层的激光元件的结构示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参见图1，本发明一实施例提供一种含自旋螺旋电感层的激光元件，从下往上包括：衬底100、下限制层101、下波导层102、有源层103、上波导层104、电子阻挡层105和上限制层106。
22.所述有源层103和所述下波导层102相邻，或者所述有源层103和所述下波导层102之间存在第一自旋螺旋电感层107；所述有源层103和所述上波导层104相邻，或者所述有源层103和所述上波导层104之间存在第二自旋螺旋电感层108；
23.所述有源层103为三个以内周期层组成的周期结构，每一个周期层包括一个阱层和一个垒层，不同的周期层拼接时形成阱层和垒层相邻的结构；
24.所述第一自旋螺旋电感层107和所述第二自旋螺旋电感层均为三维拓扑核壳结构。
25.本实施中，引入了自旋螺旋电感层，第一自旋螺旋电感层107或第二自旋螺旋电感层108均可将电感强度提升至-400nh以上，增强空穴的注入效率，增强有源层103中的电子空穴波函数的辐射复合效率，提升限制因子，减少内损耗，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。
26.示例性地，所述阱层包括i ngan、i nn、gan、al i ngan、al n、al gan、al i nn、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、a l i np、al gap、i ngap、sic、ga2o3、bn中的一种或多种成分。
27.在实际应用中，阱层厚度一般为10～80埃米。
28.示例性地，所述垒层包括i ngan、i nn、gan、al i ngan、al n、al gan、al i nn、gaas、gap、i np、al gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、a l i np、al gap、i ngap、sic、ga2o3、bn中的一种或多种成分。
29.在实际应用中，垒层厚度一般为10～120埃米。
30.示例性地，所述自旋螺旋电感层包括cd3ru4al 12
、csv3sb5、srtio3、kvssb5、pb i
2-ws2、rbv3sb5中的一种成分或者多种成分。
31.三维拓扑核壳结构存在一元核壳结构、二元组合核壳结构、三元组合核壳结构、四元组合核壳结构、五元组合核壳结构和六元组合核壳结构。
32.一元核壳结构包括以下几种：cd3ru4al 12
、csv3sb5、srtio3、kvssb5、pb i
2-ws2、rbv3sb5；
33.二元核壳结构包括以下几种：cd3ru4al 12
/csv3sb5,cd3ru4al 12
/srtio3,cd3ru4al 12
/kvssb5,cd3ru4al 12
/pb i
2-ws2,cd3ru4al 12
/rbv3sb5,csv3sb5/srtio3,csv3sb5/kvssb5,csv3sb5/pb i 2-ws2,csv3sb5/rbv3sb5,srt io3/kvssb5,srt io3/pb i 2-ws2,srt io3/
rbv3sb5,kvssb5/pb i 2-ws2,kvssb5/rbv3sb5,pb i 2-ws2/rbv3sb5。
34.三元核壳结构包括以下几种：cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3,cd3ru4a l 12
/csv3sb5/kvssb5,cd3ru4a l 12
/csv3sb5/pb i 2-ws2,cd3ru4a l 12
/csv3sb5/rbv3sb5,cd3ru4a l 12
/srt io3/kvssb5,cd3ru4a l 12
/srt io3/pb i 2-ws2,cd3ru4a l 12
/srt io3/rbv3sb5,cd3ru4a l 12
/kvssb5/pb i 2-ws2,cd3ru4a l 12
/kvssb5/rbv3sb5,cd3ru4a l 12
/pb i 2-ws2/rbv3sb5,csv3sb5/srt io3/kvssb5,csv3sb5/srt io3/pb i 2-ws2,csv3sb5/srt io3/rbv3sb5,csv3sb5/kvssb5/pb i 2-ws2,csv3sb5/kvssb5/rbv3sb5,csv3sb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5,srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2,srt io3/kvssb5/rbv3sb5,srt io3/pb i 2-ws2/rbv3sb5。
35.四元核壳结构包括以下几种：cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt i o3/kvssb5,cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3/pb i 2-ws2,cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3/rbv3sb5,cd3ru4a l 12
/srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2,cd3ru4a l 12
/srt io3/kvssb5/rbv3sb5,cd3ru4a l 12
/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5,csv3sb5/srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2,csv3sb5/srt io3/kvssb5/rbv3sb5,csv3sb5/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5,srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5。
36.五元核壳结构包括以下几种：cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2,cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3/kvssb5/rbv3sb5,
37.cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3/pb i 2-ws2/rbv3sb5,
38.cd3ru4a l 12
/csv3sb5/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5,
39.cd3ru4a l 12
/srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5,
40.csv3sb5/srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb
5,5
。
41.六元核壳结构只有一种：cd3ru4a l 12
/csv3sb5/srt io3/kvssb5/pb i 2-ws2/rbv3sb5。
42.示例性地，所述下限制层101包括i ngan、i nn、gan、a l i ngan、a l n、a l gan、al i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、al i np、al gap、i ngap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，si掺杂浓度范围为1e18～1e20cm-3
。
43.在实际应用中，下限制层101厚度一般为50～1000nm。
44.示例性地，所述下波导层102或所述上波导层104包括i ngan、i nn、gan、al i ngan、al n、al gan、al i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、al i np、al gap、i ngap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，si掺杂浓度范围为1e16～5e19 cm-3
。
45.在实际应用中，下波导层102或上波导层104厚度一般为50～1000nm。
46.示例性地，所述电子阻挡层105和上限制层106包括i ngan、i nn、gan、al i ngan、al n、al gan、al i nn、gaas、gap、i np、a l gaas、al i ngaas、al gai np、i ngaas、al i nas、al i np、al gap、i ngap、si c、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，mg掺杂浓度为1e18～1e20 cm-3
。
47.在实际应用中，电子阻挡层105和上限制层106厚度一般为20～1000nm。
48.示例性地，所述衬底100包括蓝宝石、硅、ge、sic、al n、gan、gaas、i np、sio2、sinx镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2中的一种成分或者多种成分。
49.经过对上述实施例中激光元件的实验数据与传统激光器进行对比分析，可以得到
表1。自旋螺旋电感层通过三维拓扑核壳结构的材料组合的材料特性和结构特性，在激光器中形成较强的电感强度，通过电感电动势变化调控量子阱的极化场，降低量子限制stark效应，降低空穴注入势垒，增强空穴注入效率，同时，提升有源层103的电子注入势垒，降低电子溢流，从而提升有源层103中电子空穴波函数的辐射复合效率，提升激光器限制因子，降低内损耗，使泵浦到高能级的粒子数保持大于受激辐射消耗的粒子数，提升激光的激射功率和斜率效率。
50.表1激光源元件参数对比表
51.绿光激光器-项目传统激光器本技术例激光元件变化幅度斜率效率(w/a)0.510.9586％阈值电流密度(ka/cm2)2.851.26-56％光功率(w)0.530.9375％限制因子1.16％2.12％83％内部光学损耗(cm-1
)42.311.7-72％
52.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，从下往上包括：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；所述有源层和所述下波导层相邻，或者所述有源层和所述下波导层之间存在第一自旋螺旋电感层；所述有源层和所述上波导层相邻，或者所述有源层和所述上波导层之间存在第二自旋螺旋电感层；所述有源层为三个以内周期层组成的周期结构，每一个周期层包括一个阱层和一个垒层，不同的周期层拼接时形成阱层和垒层相邻的结构；所述第一自旋螺旋电感层和所述第二自旋螺旋电感层均为三维拓扑核壳结构。2.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述阱层包括ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn中的一种或多种成分。3.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述垒层包括ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn中的一种或多种成分。4.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述自旋螺旋电感层包括cd3ru4al
12
、csv3sb5、srtio3、kvssb5、pbi
2-ws2、rbv3sb5中的一种成分或者多种成分。5.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述下限制层包括ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，si掺杂浓度范围为1e18～1e20cm-3
。6.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述下波导层或上波导层包括ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，si掺杂浓度范围为1e16～5e19cm-3
。7.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述电子阻挡层和上限制层包括ingan、inn、gan、alingan、aln、algan、alinn、gaas、gap、inp、algaas、alingaas、algainp、ingaas、alinas、alinp、algap、ingap、sic、ga2o3、bn中的一种成分或者多种成分，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。8.如权利要求1所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、sio2、sinx镁铝尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2中的一种成分或者多种成分。9.如权利要求4所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述自旋螺旋电感层的二元核壳结构包括以下几种：cd3ru4al
12
/csv3sb5,cd3ru4al
12
/srtio3,cd3ru4al
12
/kvssb5,cd3ru4al
12
/pbi
2-ws2,cd3ru4al
12
/rbv3sb5,csv3sb5/srtio3,csv3sb5/kvssb5,csv3sb5/pbi
2-ws2,csv3sb5/rbv3sb5,srtio3/kvssb5,srtio3/pbi
2-ws2,srtio3/rbv3sb5,kvssb5/pbi
2-ws2,kvssb5/rbv3sb5,pbi
2-ws2/rbv3sb5。10.如权利要求4所述含自旋螺旋电感层的激光元件，其特征在于，所述自旋螺旋电感层的三元核壳结构包括以下几种：cd3ru4al
12
/csv3sb5/srtio3,cd3ru4al
12
/csv3sb5/kvssb5,
cd3ru4al
12
/csv3sb5/pbi
2-ws2,cd3ru4al
12
/csv3sb5/rbv3sb5,cd3ru4al
12
/srtio3/kvssb5,cd3ru4al
12
/srtio3/pbi
2-ws2,cd3ru4al
12
/srtio3/rbv3sb5,cd3ru4al
12
/kvssb5/pbi
2-ws2,cd3ru4al
12
/kvssb5/rbv3sb5,cd3ru4al
12
/pbi
2-ws2/rbv3sb5,csv3sb5/srtio3/kvssb5,csv3sb5/srtio3/pbi
2-ws2,csv3sb5/srtio3/rbv3sb5,csv3sb5/kvssb5/pbi
2-ws2,csv3sb5/kvssb5/rbv3sb5,csv3sb5/pbi
2-ws2/rbv3sb5,srtio3/kvssb5/pbi
2-ws2,srtio3/kvssb5/rbv3sb5,srtio3/pbi
2-ws2/rbv3sb5。

技术总结
本发明公开一种含自旋螺旋电感层的激光元件，所述激光元件从下往上包括：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；所述有源层和所述下波导层相邻，或者所述有源层和所述下波导层之间存在第一自旋螺旋电感层；所述有源层和所述上波导层相邻，或者所述有源层和所述上波导层之间存在第二自旋螺旋电感层；所述第一自旋螺旋电感层和所述第二自旋螺旋电感层均为三维拓扑核壳结构。采用本发明，降低空穴注入势垒，增强空穴注入效率，同时，提升有源层的电子注入势垒，降低电子溢流，从而提升有源层中电子空穴波函数的辐射复合效率，提升激光器限制因子，降低内损耗，提升激光的激射功率和斜率效率。提升激光的激射功率和斜率效率。提升激光的激射功率和斜率效率。


技术研发人员：李水清 王星河 陈婉君 张会康 黄军 刘紫涵 蔡鑫 蒙磊 际三喜 季徐芳 张江勇 请求不公布姓名
受保护的技术使用者：安徽格恩半导体有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/21