本發(fā)明涉及半導體光電器件，尤其涉及一種具有空穴擴展與注入層的氮化鎵基半導體激光元件。

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、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。

2、激光器與氮化物半導體發(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，從而引起更強的電子泄漏、更嚴重的俄歇復合、極化效應(yīng)更強、電子空穴不匹配更嚴重，導致更嚴重的效率衰減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、氮化物半導體激光器存在以下問題：紫光激光器的光波導雜質(zhì)吸收損耗高，引起內(nèi)部光學損耗上升，導致激光器斜率效率下降和閾值電流增大；量子阱中的電子空穴嚴重不對稱不匹配，電子泄漏和載流子去局域化，空穴在量子阱中輸運更困難，載流子注入不均勻，增益不均勻，使激光器增益譜變寬，峰值增益下降，導致激光器閾值電流增大；紫光激光器有源區(qū)內(nèi)存在非輻射復合損耗和自由載流子吸收產(chǎn)生大量熱量，激光器若熱導率低、散熱不佳，溫度特性差，會加劇半導體外延層間的熱失配，導致閾值電流上升、輸出光功率和斜率效率下降等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種具有空穴擴展與注入層的氮化鎵基半導體激光元件，提升空穴注入效率與阻擋電子溢流的雙重功能，降低激光器的閾值電流，提升激光器的斜率效率和限制因子。

2、本發(fā)明提供的一種具有空穴擴展與注入層的氮化鎵基半導體激光元件，從下至上依次包括襯底、下包覆層、下波層，量子阱、上波導層、上包覆層，所述上波導層與上包覆層之間具有空穴擴展與注入層；

3、所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場的峰值位置往上包覆層方向的下降角度為α，所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場的峰值位置往量子阱方向的下降角度為β，所述上包覆層的峰值速率電場的峰值位置往量子阱方向的下降角度為γ，其中：30°≤γ≤β≤α≤90°；

4、所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)的谷值位置往上包覆層方向的上升角度為θ，所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)的谷值位置往量子阱方向的上升角度為δ，所述上包覆層的輻射復合系數(shù)的谷值位置往量子阱方向的上升角度為σ，其中：25°≤σ≤δ≤θ≤90°；

5、所述空穴擴展與注入層的分離能的峰值位置往上包覆層方向的下降角度為φ，所述空穴擴展與注入層的分離能的峰值位置往量子阱方向的下降角度為ψ，所述上包覆層的分離能的峰值位置往量子阱方向的下降角度為μ，其中：10°≤μ≤ψ≤φ≤90°；

6、所述空穴擴展與注入層的密度的谷值位置往上包覆層方向的上升角度為υ，所述空穴擴展與注入層的密度的谷值位置往量子阱方向的上升角度為ρ，所述上包覆層的密度的谷值位置往量子阱方向的上升角度為ω，其中：20°≤ω≤ρ≤υ≤90°。

7、優(yōu)選地，所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場、分離能的峰值位置往上包覆層方向的下降角度，所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)、密度的谷值位置往上包覆層方向的上升角度具有如下關(guān)系：10°≤φ≤υ≤θ≤α≤90°。

8、優(yōu)選地，所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場、分離能的峰值位置往量子阱方向的下降角度，所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)、密度的谷值位置往量子阱方向的上升角度具有如下關(guān)系：10°≤ψ≤ρ≤δ≤β≤90°。

9、優(yōu)選地，所述上包覆層的峰值速率電場、分離能的峰值位置往量子阱方向的下降角度，所述上包覆層的輻射復合系數(shù)、密度的谷值位置往量子阱方向的上升角度具有如下關(guān)系：10°≤μ≤ω≤σ≤γ≤90°。

10、優(yōu)選地，所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場、分離能的峰值位置往上包覆層方向的下降角度，所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)、密度的谷值位置往上包覆層方向的上升角度，所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場、分離能的峰值位置往量子阱方向的下降角度，所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)、密度的谷值位置往量子阱方向的上升角度，所述上包覆層的峰值速率電場、分離能的峰值位置往量子阱方向的下降角度，所述上包覆層的輻射復合系數(shù)、密度的谷值位置往量子阱方向的上升角度具有如下關(guān)系：10°≤μ≤ψ≤φ≤ω≤ρ≤υ≤σ≤δ≤θ≤γ≤β≤α≤90°。

11、優(yōu)選地，所述空穴擴展與注入層為a?l?gan、a?l?i?ngan、a?l?n、gan、a?l?i?nn、ingan的任意一種或任意組合。

12、優(yōu)選地，所述空穴擴展與注入層的峰值速率電場分布具有函數(shù)y＝s?i?nx/x第三象限曲線分布；所述空穴擴展與注入層的分離能分布具有函數(shù)y＝x2s?i?nx第一象限曲線分布；所述空穴擴展與注入層的輻射復合系數(shù)分布具有函數(shù)y＝x2cosx第一四象限曲線分布；所述空穴擴展與注入層的密度分布具有函數(shù)y＝x/cosx第二象限曲線分布。

13、優(yōu)選地，所述量子阱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、i?ngan、i?nn、al?i?nn、al?gan、al?i?ngan、al?n、gaas、gap、i?np、al?gaas、al?ingaas、al?gai?np、i?ngaas、i?ngaasn、al?i?nas、al?i?np、al?gap、i?ngap、gasb、i?nsb、inas、i?nassb、al?gasb、al?sb、i?ngasb、al?gaassb、i?ngaassb、si?c、ga2o3、bn、金剛石的任意一種或任意組合，厚度為10～150埃米，壘層為gan、i?ngan、i?nn、al?i?nn、al?gan、al?ingan、al?n、gaas、gap、i?np、al?gaas、al?i?ngaas、al?gai?np、i?ngaas、i?ngaasn、al?inas、al?i?np、al?gap、i?ngap、gasb、i?nsb、i?nas、i?nassb、al?gasb、al?sb、i?ngasb、algaassb、i?ngaassb、sic、ga2o3、bn、金剛石的任意一種或任意組合，厚度為10～200埃米。

14、優(yōu)選地，所述下包覆層、上波導層、下波導層、上包覆層為gan、i?ngan、i?nn、al?inn、al?gan、al?i?ngan、al?n、gaas、gap、i?np、al?gaas、al?i?ngaas、al?gai?np、i?ngaas、ingaasn、al?i?nas、al?i?np、al?gap、i?ngap、gasb、i?nsb、i?nas、i?nassb、al?gasb、al?sb、i?ngasb、al?gaassb、i?ngaassb、sic、ga2o3、bn、金剛石的任意一種或任意組合的任意一種或任意組合。

15、優(yōu)選地，所述襯底包括藍寶石、硅、ge、sic、al?n、gan、gaas、i?np、i?nas、gasb、藍寶石/sio2復合襯底、mo、tiw、cuw、cu、藍寶石/al?n復合襯底、金剛石、石墨烯、藍寶石/sinx、藍寶石/sio2/sinx復合襯底、藍寶石/si?nx/sio2復合襯底、鎂鋁尖晶石mgal2o4、mgo、zno、zrb2、lialo2和ligao2復合襯底的任意一種。

16、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實施例提供的一種具有空穴擴展與注入層的氮化鎵基半導體激光元件，其有益效果在于：調(diào)控空穴擴展與注入層與量子阱、上包覆層界面的峰值速率電場界面陡峭程度與分離能界面陡峭程度，提升摻雜元素的溶解度，降低mg激活能并提升mg離化效率，提升空穴擴展與注入層的空穴濃度，降低激光器的電阻和電壓，提升空穴注入量子阱的效率和輸運效率，提升激光器的光電轉(zhuǎn)換效率，同時，調(diào)控空穴擴展與注入層與量子阱、上包覆層界面的輻射復合系數(shù)界面陡峭程度與密度界面陡峭程度，降低內(nèi)部光學吸收損耗，提升量子阱與空穴擴展與注入層界面的勢壘，降低電子溢流幾率，進而實現(xiàn)提升空穴注入效率與阻擋電子溢流的雙重功能，降低激光器的閾值電流，提升激光器的斜率效率和限制因子。