本技術(shù)涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種化合物半導(dǎo)體激光器元件。

背景技術(shù)：

1、激光器廣泛應(yīng)用于激光顯示、激光電視、激光投影儀、通訊、醫(yī)療、武器、制導(dǎo)、測距、光譜分析、切割、精密焊接、高密度光存儲等領(lǐng)域。激光器的各類很多，分類方式也多樣，主要有固體、氣體、液體、半導(dǎo)體和染料等類型激光器；與其他類型激光器相比，全固態(tài)半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、重量輕、穩(wěn)定性好、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、小型化等優(yōu)點(diǎn)。

2、激光器與氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管存在較大的區(qū)別：

3、1)激光是由載流子發(fā)生受激輻射產(chǎn)生，光譜半高寬較小，亮度很高，單顆激光器輸出功率可在w級，而氮化物半導(dǎo)體發(fā)光二極管則是自發(fā)輻射，單顆發(fā)光二極管的輸出功率在mw級；

4、2)激光器的使用電流密度達(dá)ka/cm2，比氮化物發(fā)光二極管高2個數(shù)量級以上，從而引起更強(qiáng)的電子泄漏、更嚴(yán)重的俄歇復(fù)合、極化效應(yīng)更強(qiáng)、電子空穴不匹配更嚴(yán)重，導(dǎo)致更嚴(yán)重的效率衰減droop效應(yīng)；

5、3)發(fā)光二極管自發(fā)躍遷輻射，無外界作用，從高能級躍遷到低能級的非相干光，而激光器為受激躍遷輻射，感應(yīng)光子能量應(yīng)等于電子躍遷的能級之差，產(chǎn)生光子與感應(yīng)光子的全同相干光；

6、4)原理不同：發(fā)光二極管為在外界電壓作用下，電子空穴躍遷到量子阱或p-n結(jié)產(chǎn)生輻射復(fù)合發(fā)光，而激光器需要激射條件滿足才可激射，必須滿足有源區(qū)載流子反轉(zhuǎn)分布，受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回振蕩，在增益介質(zhì)中的傳播使光放大，滿足閾值條件使增益大于損耗，并最終輸出激光。

7、氮化物半導(dǎo)體激光器存在以下問題：

8、1)有源層晶格失配與應(yīng)變大誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)壓電極化效應(yīng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的qcse量子限制stark效應(yīng)限制了激光器電激射增益的提高；量子阱極化電場提升空穴注入勢壘、空穴溢出有源層等問題，空穴注入不均勻和效率偏低，導(dǎo)致量子阱中的電子空穴嚴(yán)重不對稱不匹配，電子泄漏和載流子去局域化，空穴在量子阱中輸運(yùn)更困難，載流子注入不均勻，增益不均勻，同時，激光器增益譜變寬，峰值增益下降，導(dǎo)致激光器閾值電流增大且斜率效率降低；

9、2)量子阱in組分增加，in容易產(chǎn)生偏析，激子激活能升高，載流子去局域化，激光器價(jià)帶帶階差增加，空穴在量子阱中輸運(yùn)更困難，載流子注入不均勻，增益不均勻；

10、3)量子阱in組分增加會產(chǎn)生in組分漲落和應(yīng)變，激光器增益譜變寬，峰值增益下降；量子阱in組分增加，熱穩(wěn)定性變差，高溫p型半導(dǎo)體和限制層生長會使有源層產(chǎn)生熱退化，降低有源層的質(zhì)量和界面質(zhì)量；有源層內(nèi)部缺陷密度高、inn與gan互溶隙較大、inn相分離偏析、熱退化、晶體質(zhì)量不理想，導(dǎo)致量子阱質(zhì)量和界面質(zhì)量不理想，增加非輻射復(fù)合中心。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明提供了一種化合物半導(dǎo)體激光器元件。

2、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種化合物半導(dǎo)體激光器元件，包括從下至上依次設(shè)置的襯底、下限制層、下波導(dǎo)層、有源層、上波導(dǎo)層和上限制層，所述下波導(dǎo)層與下限制層之間設(shè)置有激子結(jié)合能調(diào)控層，所述激子結(jié)合能調(diào)控層包括自下至上依次設(shè)置的第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層均具有電子親和能分布特性和電子遷移率分布特性；

3、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能具有函數(shù)y1＝d+e*lnx1/x1曲線分布；

4、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能具有函數(shù)y2＝ax22+bx2+c(a＜0)曲線分布；

5、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能具有函數(shù)y3＝f+g*ex3/x3第三象限曲線分布；

6、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的電子遷移率具有函數(shù)y4＝h+j*lnx1/ex1曲線分布；

7、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的電子遷移率具有函數(shù)y5＝i+m*ex2sinx2曲線分布；

8、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的電子遷移率具有函數(shù)y6＝n+p*x3/sinx3第四象限曲線分布；

9、其中，x1為第一激子結(jié)合能調(diào)控層往第二激子結(jié)合能調(diào)控層方向的深度，x2為第二激子結(jié)合能調(diào)控層往第三激子結(jié)合能調(diào)控層方向的深度，x3為第三激子結(jié)合能調(diào)控層往下波導(dǎo)層方向的深度。

10、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能為a，第二激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能為b，第三激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能為c，其中：0.1≤a≤b≤c≤10。

11、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的電子遷移率為d，第二激子結(jié)合能調(diào)控層的電子遷移率為e，第三激子結(jié)合能調(diào)控層的電子遷移率為f，其中：10cm2/vsec≤d≤e≤f≤5000cm2/vsec。

12、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層還均具有電子有效質(zhì)量分布特性和分離能分布特性；

13、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的電子有效質(zhì)量具有函數(shù)y7＝q+r*sinx1/x12第一象限曲線分布；

14、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的電子有效質(zhì)量具有函數(shù)y8＝s+t*ex2cosx2曲線分布；

15、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的電子有效質(zhì)量具有函數(shù)y9＝u+v*sinx3/x32第三象限曲線分布；

16、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的分離能具有函數(shù)y10＝w+z*(ex1+e-x1)/(ex1-e-x1)第一象限曲線分布；

17、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的分離能具有函數(shù)y11＝a2+b2*ex2/cosx2第一二象限曲線分布；

18、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的分離能具有函數(shù)y12＝c2+d2*x3ex3曲線分布。

19、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的電子有效質(zhì)量為g，第二激子結(jié)合能調(diào)控層的電子有效質(zhì)量為h，第三激子結(jié)合能調(diào)控層的電子有效質(zhì)量為i，其中：0.01≤g≤h≤i≤10。

20、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的分離能為j，第二激子結(jié)合能調(diào)控層的分離能為k，第三激子結(jié)合能調(diào)控層的分離能為l，其中：0.5ev≤l≤k≤j≤10ev。

21、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層還均具有in/c元素比例分布特性；

22、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的in/c元素比例為線性分布；

23、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的in/c元素比例具有函數(shù)y＝e2*x22+f2*x2+g2曲線分布，其中，e2＜0；

24、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的in/c元素比例具有函數(shù)y＝h2+j2*ex3/x3第三象限曲線分布。

25、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層還均具有in/h元素比例分布特性；

26、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的in/h元素比例為線性分布；

27、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的in/h元素比例具有函數(shù)y＝k2+l2*ex2sinx2曲線分布；

28、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的in/h元素比例具有函數(shù)y＝m2+n2*x3/sinx3第四象限曲線分布。

29、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層還均具有in/o元素比例分布特性；

30、所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層的in/o元素比例為線性分布；

31、所述第二激子結(jié)合能調(diào)控層的in/o元素比例具有函數(shù)y＝p2+q2*ex2cosx2曲線分布；

32、所述第三激子結(jié)合能調(diào)控層的in/o元素比例具有函數(shù)y＝r2+s2*sinx3/x32第三象限曲線分布。

33、優(yōu)選地，所述第一激子結(jié)合能調(diào)控層、第二激子結(jié)合能調(diào)控層和第三激子結(jié)合能調(diào)控層為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、金剛石、li3sccl6、liybr6、bivo4、c3n4、nd2fe14b、wse2-hbn-mos2的任意一種或任意組合的任意一種或任意組合。

34、優(yōu)選地，所述有源層為阱層和壘層組成的周期結(jié)構(gòu)，周期數(shù)為3≥m≥1，阱層為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的任意一種或任意組合，厚度為10埃米至100埃米，壘層為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、金剛石的任意一種或任意組合，厚度為10埃米至150埃米。

35、優(yōu)選地，所述下限制層、下波導(dǎo)層、上波導(dǎo)層、上限制層為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的任意一種或任意組合的任意一種或任意組合。

36、優(yōu)選地，所述襯底包括藍(lán)寶石、硅、ge、sic、aln、gan、gaas、inp、inas、gasb、藍(lán)寶石/sio2復(fù)合襯底、mo、tiw、cuw、cu、藍(lán)寶石/aln復(fù)合襯底、金剛石、藍(lán)寶石/sinx、藍(lán)寶石/sio2/sinx復(fù)合襯底、鎂鋁尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2復(fù)合襯底的任意一種。

37、本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明在化合物半導(dǎo)體激光器元件的下波導(dǎo)層與下限制層之間設(shè)置多層的激子結(jié)合能調(diào)控層結(jié)構(gòu)，并通過分別設(shè)定每個激子結(jié)合能調(diào)控層的電子親和能分布特性和電子遷移率分布特性，調(diào)諧激子和聲子間的強(qiáng)耦合，使有源層與下波導(dǎo)層的量子限域?qū)娱g激子與聲子共定域，調(diào)控激子能量，增強(qiáng)有源層的聲子與激光光子的強(qiáng)耦合，增強(qiáng)有源層的量子轉(zhuǎn)換和互連，提升有源層的激光增益均勻性，降低激子結(jié)合能，屏蔽晶格對激子的束縛，增強(qiáng)載流子局域化，抑制載流子去局域化，降低激光器價(jià)帶帶階差，提升激光元件有源層載流子的自旋極化壽命和空穴注入效率，提升激光峰值增益和激光功率及斜率效率。