一种设有电子自旋态层的半导体激光元件的制作方法

1.本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体而言，涉及一种设有电子自旋态层的半导体激光元件。


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。激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，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；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；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；4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到量子阱或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。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)下限制层的厚度增加，可降低限制层的折射率，但下限制层的厚度增加又会导致组分调控范围受限制，易产生开裂、弯曲和质量下降等问题；同时，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。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，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，激光器增益谱变宽，峰值增益下降。4)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；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。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，解决了现有技术中存在的的问题。
4.一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，有源层与上波层之间和有源层与下波导层之间设有电子自旋态层。
5.作为本发明优选的技术方案，所述电子自旋态层为hf5zr
0.5
o2、hfo2、vse2、pb2ir2o7、bi2ru2o7、fe3gete2的任意一种或任意组合。
6.作为本发明优选的技术方案，所述电子自旋态层的任意组合包括以下二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2,hf5zr
0.5
o2/vse2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/fe3gete2,hfo2/vse2,hfo2/pb2ir2o7,hfo2/bi2ru2o7,hfo2/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7,vse2/bi2ru2o7,vse2/fe3gete2,pb2ir2o7/bi2ru2o7,pb2ir2o7/fe3gete2,bi2ru2o7/fe3gete2。
7.作为本发明优选的技术方案，所述电子自旋态层的任意组合包括以下三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/vse2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/vse2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/vse2/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7,hfo2/vse2/bi2ru2o7,hfo2/vse2/fe3gete2,hfo2/pb2ir2o7/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,vse2/bi2ru2o7/fe3gete2,pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。
8.作为本发明优选的技术方案，所述电子自旋态层的任意组合包括以下四元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hfo2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。
9.作为本发明优选的技术方案，所述电子自旋态层的任意组合包括以下五元、六元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构:hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。
10.作为本发明优选的技术方案，有源层与上波层之间和有源层与下波导层之间设有电子自旋态层，电子自旋态层可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
11.作为本发明优选的技术方案，所述电子自旋态调控层的厚度为5～500nm。
12.作为本发明优选的技术方案，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50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
13.作为本发明优选的技术方案，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50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
。
14.作为本发明优选的技术方案，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20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
。
15.作为本发明优选的技术方案，所述有源层为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn的任意一种或任意组合，所述有源层的周期数为m：4≥m≥1。
16.作为本发明优选的技术方案，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。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果：
18.在本发明的方案中：
19.相比于现有技术，有源层与上波层之间和有源层与下波导层之间设有电子自旋态层，可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，降低有源层的极化效应和量子限制斯塔克效应，增强光生载流子复合几率，并增强空穴注入效率和载流子的注入均匀性，降低双极性电导，改善激射后的载流子饱和问题，改善增益均匀性，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子和峰值增益，提升激光元件的光功率和斜率效率。
附图说明
20.图1为本发明提供的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件的结构示意图。
21.图中标示：
22.100：衬底；101：下限制层；102：下波导层；103：有源层；104：上波导层，105：电子阻挡层，106：上限制层，107：电子自旋态层。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
26.实施例1
27.请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底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、上限制层106，有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107。
28.所述电子自旋态层107为hf5zr
0.5
o2、hfo2、vse2、pb2ir2o7、bi2ru2o7、fe3gete2的任意一种。
29.所述有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107，电子自旋态层107可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
30.所述电子自旋态层107的厚度为5～500nm。
31.所述下限制层101为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
32.所述下波导层102和上波导层104为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
；
33.所述电子阻挡层105和上限制层106为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
34.所述有源层103为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn的任意一种或任意组合；
35.所述有源层103的周期数为m：4≥m≥1。
36.所述衬底100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。
37.实施例2
38.请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底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、上限制层106，有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107。
39.所述有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107，电子自旋态层107可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
40.所述电子自旋态层的任意组合包括以下二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2,hf5zr
0.5
o2/vse2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/fe3gete2,hfo2/vse2,hfo2/pb2ir2o7,hfo2/bi2ru2o7,hfo2/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7,vse2/bi2ru2o7,vse2/fe3gete2,pb2ir2o7/bi2ru2o7,pb2ir2o7/fe3gete2,bi2ru2o7/fe3gete。
41.所述电子自旋态层107的厚度为5～500nm。
42.所述下限制层101为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
43.所述下波导层102和上波导层104为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
；
44.所述电子阻挡层105和上限制层106为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
45.所述有源层103为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、
alingan、algan、alinn的任意一种或任意组合；
46.所述有源层103的周期数为m：4≥m≥1。
47.所述衬底100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。
48.实施例3
49.请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底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、上限制层106，有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107。
50.所述有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107，电子自旋态层107可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
51.所述电子自旋态层107的任意组合包括以下三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/vse2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/vse2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/vse2/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7,hfo2/vse2/bi2ru2o7,hfo2/vse2/fe3gete2,hfo2/pb2ir2o7/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,vse2/bi2ru2o7/fe3gete2,pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。
52.所述电子自旋态层107的厚度为5～500nm。
53.所述下限制层101为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
54.所述下波导层102和上波导层104为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
；
55.所述电子阻挡层105和上限制层106为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
56.所述有源层103为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn的任意一种或任意组合；
57.所述有源层103的周期数为m：4≥m≥1。
58.所述衬底100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。
59.实施例4
60.请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底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、上限制层106，有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107。
61.所述有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107，电子自旋态层107可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
62.所述电子自旋态层107的任意组合包括以下四元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hfo2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。
63.实施例5
64.请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底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、上限制层106，有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107。
65.所述有源层103与上波层104之间和有源层103与下波导层102之间设有电子自旋态层107，电子自旋态层107可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。
66.所述电子自旋态层107的任意组合包括以下五元、六元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构:
67.hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。
68.所述电子自旋态层107的厚度为5～500nm。
69.所述下限制层101为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
70.所述下波导层102和上波导层104为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
；
71.所述电子阻挡层105和上限制层106为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；
72.所述有源层103为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn的任意一种或任意组合；
73.所述有源层103的周期数为m：4≥m≥1。
74.所述衬底100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。
75.实验例1：
76.采用实施例1中的技术方案进行绿光激光器实验，电子自旋态层采用hf5zr
0.5
o2进行实验；
77.实验例2：
78.采用实施例2中的技术方案进行绿光激光器实验，电子自旋态层采hf5zr
0.5
o2/hfo2进行实验；
79.实验例3：
80.采用实施例3中的技术方案进行绿光激光器实验，电子自旋态层采用hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2进行实验；
81.实验例4：
82.采用实施例4中的技术方案进行绿光激光器实验，电子自旋态层采用hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7进行实验；
83.实验例5：
84.采用实施例5中的技术方案进行绿光激光器实验，电子自旋态层采用hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7进行实验；
85.实验例1-5的各项数据如下:
86.绿光激光器-项目实验例1实验例2实验例3实验例4实验例5平均值斜率效率(w/a)0.490.480.470.500.460.48阈值电流密度(ka/cm2)2.22.12.42.32.02.2光功率(w)0.720.70.680.690.710.7限制因子1.681.691.711.701.721.7外量子效率14.514.414.414.614.614.5
87.实验例1-5的各项数据平均值与传统激光元件的对比数据如下：
88.绿光激光器-项目传统激光元件本发明激光元件变化幅度斜率效率(w/a)0.330.4845％阈值电流密度(ka/cm2)3.62.2-39％光功率(w)0.50.740％限制因子1.20％1.70％42％外量子效率10.20％14.50％42％
89.绿光激光元件的斜率效率从0.33/a提升至0.48w/a，提升45％；阈值电流密度从3.6ka/cm2降低到2.2ka/cm2，降低了39％，光功率从0.5w提升至0.7w，提升40％；限制因子从1.20％提升至1.70％，提升42％；外量子效率从10.20％提升至14.50％，提升42％。
90.相比于现有技术，有源层与上波层之间和有源层与下波导层之间设有电子自旋态层，可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，降低有源层的极化效应和量子限制斯塔克效应，增强光生载流子复合几率，并增强空穴注入效率和载流子的注入均匀性，降低双极性电导，改善激射后的载流子饱和问题，改善增益均匀性，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子和峰值增益，提升激光元件的光功率和斜率效率。
91.以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施
方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，从下至上依次包括衬底(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)、上限制层(106)，其特征在于：有源层(103)与上波层(104)之间和有源层(103)与下波导层(102)之间设有电子自旋态层(107)。2.如权利要求1所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子自旋态层(107)为hf5zr
0.5
o2、hfo2、vse2、pb2ir2o7、bi2ru2o7、fe3gete2的任意一种或任意组合。3.如权利要求2所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子自旋态层(107)的任意组合包括以下二元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2,hf5zr
0.5
o2/vse2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/fe3gete2,hfo2/vse2,hfo2/pb2ir2o7,hfo2/bi2ru2o7,hfo2/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7,vse2/bi2ru2o7,vse2/fe3gete2,pb2ir2o7/bi2ru2o7,pb2ir2o7/fe3gete2,bi2ru2o7/fe3gete2。4.如权利要求2所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子自旋态层(107)的任意组合包括以下三元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/vse2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/vse2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/vse2/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7,hfo2/vse2/bi2ru2o7,hfo2/vse2/fe3gete2,hfo2/pb2ir2o7/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,vse2/bi2ru2o7/fe3gete2,pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。5.如权利要求2所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子自旋态层(107)的任意组合包括以下四元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构：hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hfo2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。6.如权利要求2所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子自旋态层(107)的任意组合包括以下五元、六元组合的异质结、超晶格、量子阱、核壳结构、量子点、二维莫尔超晶格等结构但不限于以下结构:hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2,hf5zr
0.5
o2/hfo2/vse2/pb2ir2o7/bi2ru2o7/fe3gete2。7.如权利要求1所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电
子自旋态层(107)可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，增强光生载流子复合几率，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子，提升激光元件的光功率和斜率效率。8.如权利要求1所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述电子自旋态层(107)的厚度为5～500nm。9.如权利要求1所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述下限制层(101)为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn的任意一种或任意组合，厚度为50～5000nm，si掺杂浓度为1e18～1e20cm-3
；所述下波导层(102)和上波导层(104)为gan、ingan、alingan的任意一种或任意组合，厚度为50～1000nm，si掺杂浓度为1e16～5e19cm-3
；所述电子阻挡层(105)和上限制层(106)为gan、algan、alingan、aln、alinn的任意一种或任意组合，厚度为20～1000nm，mg掺杂浓度为1e18～1e20 cm-3
；所述有源层(103)为阱层和垒层组成的周期性结构，阱层为ingan阱层，垒层为gan、alingan、algan、alinn的任意一种或任意组合，所述有源层(103)的周期数为m：4≥m≥1。10.如权利要求1所述的一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，其特征在于，所述衬底(100)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。

技术总结
本发明提供了一种设有电子自旋态层的半导体激光元件，涉及半导体光电器件技术领域，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层，有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层，有源层与上波层之间和有源层与下波导层之间设有电子自旋态层，相比于现有技术，有源层与上波层之间和有源层与下波导层之间设有电子自旋态层，可抑制电子自旋极化程度，减少电子和空穴在自旋极化过程中产生相反极化状态的比率，增强电子与空穴的相同极化自旋方向几率，降低有源层的极化效应和量子限制斯塔克效应，增强光生载流子复合几率，并增强空穴注入效率和载流子的注入均匀性，降低双极性电导，改善激射后的载流子饱和问题，改善增益均匀性，降低激光元件的激发阈值，增强限制因子和峰值增益，提升激光元件的光功率和斜率效率。升激光元件的光功率和斜率效率。升激光元件的光功率和斜率效率。


技术研发人员：李水清 王星河 陈婉君 胡志勇 蔡鑫 刘紫涵 张江勇
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：2023.04.27
技术公布日：2023/7/25