本技術(shù)涉及半導(dǎo)體激光器，具體涉及一種具有雙柵控制的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)：

1、自1977年概念被提出，垂直腔面發(fā)射激光器(vertical?cavity?surfaceemitting?laser，簡(jiǎn)稱vcsel)憑借閾值電流小、光束質(zhì)量?jī)?yōu)、方向性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)吸引了研究人員密切的關(guān)注，廣泛地應(yīng)用在激光顯示、激光雷達(dá)、光通信等領(lǐng)域；現(xiàn)階段，gaas基vcsel的發(fā)展逐漸趨于成熟、并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；而基于gan寬禁帶半導(dǎo)體的短波段vcsel技術(shù)仍存在很多不足，離商業(yè)化應(yīng)用與推廣還有很長(zhǎng)的路要走。

2、研究表明，電子泄漏是造成gan基vcsel發(fā)光效率變差的一個(gè)重要原因；首先，gan基vcsel器件由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的原因，器件內(nèi)部存在大量的穿透位錯(cuò)等缺陷，這些缺陷一定程度上會(huì)形成漏電通道，增加器件的漏電水平；第二，由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，而且gan材料中p型摻雜效率遠(yuǎn)低于n型摻雜效率，這導(dǎo)致有源區(qū)中電子和空穴濃度分布極不均勻，大部分電子傾向于進(jìn)行非輻射復(fù)合或逃離有源區(qū)、泄漏至p區(qū)，從而造成vcsel的發(fā)光效率變差；值得注意的是，上述問題還會(huì)因?yàn)槠骷淖詿嵝?yīng)和極化效應(yīng)而變得更加突出，嚴(yán)重地限制gan基vcsel器件的發(fā)展；

3、為了緩解有源區(qū)中的電子泄漏現(xiàn)象，目前vcsel器件通常會(huì)采用p型電子阻擋層(electron?blocking?layer，ebl)設(shè)計(jì)，利用導(dǎo)帶中的勢(shì)壘能量差來阻止電子逃逸出有源區(qū)，然而，p-ebl設(shè)計(jì)同樣會(huì)相應(yīng)地增加價(jià)帶中阻礙空穴注入的勢(shì)壘高度，導(dǎo)致大量空穴無法高效率地輸運(yùn)到有源區(qū)，因此，p-ebl的組分和厚度一直是研究人員優(yōu)化的焦點(diǎn)；為此，超晶格型p-ebl、組分漸變式p-ebl等架構(gòu)陸續(xù)被提出以平衡電子泄漏和空穴注入的問題，然而，這種措施可操作的空間有限，變量最優(yōu)窗口值需要經(jīng)過大量的摸索。

4、申請(qǐng)人經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)檢索，并未發(fā)現(xiàn)和本技術(shù)相關(guān)的專利申請(qǐng)；因此，有效地防止器件的反向漏電與抑制有源區(qū)漏電水平依然是亟待解決的問題。

5、因此，需要提供一種新的技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種具有雙柵控制的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中雙柵極分別指，兩層不同組分的algan作為極化柵極，鐵電材料作為另一個(gè)柵極；即使其中一個(gè)柵是由鐵電材料電極控制的，另外一個(gè)柵是由兩個(gè)n-型半導(dǎo)體傳輸層特定組分在二者界面形成極化負(fù)電荷，起到耗盡電子作用。

2、該半導(dǎo)體激光器沿著外延生長(zhǎng)方向依次包括襯底、緩沖層、氮化物外延dbr、n-型半導(dǎo)體傳輸層，所述n-型半導(dǎo)體傳輸層的上部設(shè)置有多量子阱層，曝露的n-型半導(dǎo)體傳輸層上部設(shè)置有鐵電材料、n-型歐姆電極，所述鐵電材料的上部設(shè)置有鐵電材料電極，所述多量子阱層的上部依次設(shè)置有p-型電流阻擋層、p-型半導(dǎo)體傳輸層，所述p-型半導(dǎo)體傳輸層上表面的外側(cè)為環(huán)形的絕緣層，作為電流限制孔結(jié)構(gòu)層，電流擴(kuò)展層覆蓋在p-型半導(dǎo)體傳輸層和電流限制孔結(jié)構(gòu)層之上；所述電流擴(kuò)展層的上側(cè)設(shè)置有介質(zhì)dbr和p-型歐姆電極，介質(zhì)dbr的投影面積小于電流擴(kuò)展層的面積。

3、作為一種優(yōu)選方案，所述介質(zhì)dbr的投影面積為電流擴(kuò)展層面積的0.5—0.9。

4、作為一種優(yōu)選方案，所述襯底的材質(zhì)為藍(lán)寶石、sic、si、aln、gan或石英玻璃中的其中一種。

5、作為一種優(yōu)選方案，所述緩沖層采用alx1gay1in1-x1-y1n；其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤1-x1-y1≤1，厚度為10—500nm。

6、作為一種優(yōu)選方案，所述氮化物外延dbr由alx2gay2in1-x2-y2n和alx3gay3in1-x3-y3n交替組成，alx2gay2in1-x2-y2n和alx3gay3in1-x3-y3n的厚度分別為所需發(fā)光波長(zhǎng)在介質(zhì)中的波長(zhǎng)的四分之一，周期數(shù)大于等于1；其中，0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤1-x2-y2≤1；0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤1-x3-y3≤1。

7、作為一種優(yōu)選方案，所述n-型半導(dǎo)體傳輸層沿著生長(zhǎng)方向由alx4gay4in1-x4-y4n和alx5gay5in1-x5-y5n組成，其中，0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤1-x4-y4≤1，0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤1-x5-y5≤1且x4＞x5；所述alx5gay5in1-x5-y5n層上方設(shè)置有多量子阱層、鐵電材料、n-型歐姆電極。

8、作為一種優(yōu)選方案，所述alx4gay4in1-x4-y4n的厚度為50nm—5μm，alx5gay5in1-x5-y5n厚度為50nm—2μm。

9、作為一種優(yōu)選方案，所述鐵電材料采用alscn。

10、作為一種優(yōu)選方案，所述鐵電材料的厚度為5—100nm。

11、作為一種優(yōu)選方案，所述多量子阱層由量子阱alx6iny6ga1-x6-y6n和量子壘alx7iny7ga1-x7-y7n組成，其中，0≤x6≤1，0≤y6≤1，0≤1-x6-y6≤1，0≤x7≤1，0≤y7≤1，0≤1-x7-y7≤1，量子壘的禁帶寬度應(yīng)高于量子阱的禁帶寬度，量子阱的個(gè)數(shù)大于等于1。

12、作為一種優(yōu)選方案，所述量子阱alx6iny6ga1-x6-y6n的厚度為1—10nm，量子壘alx7iny7ga1-x7-y7n的厚度為5—50nm。

13、作為一種優(yōu)選方案，所述n型歐姆電極的材質(zhì)為al/au或cr/au。

14、作為一種優(yōu)選方案，所述p-型電流阻擋層的材質(zhì)為alx8iny8ga1-x8-y8n，其中，0≤x8≤1，0≤y8≤1，0≤1-x8-y8≤1。

15、作為一種優(yōu)選方案，所述p-型電流阻擋層的厚度為10—100nm。

16、作為一種優(yōu)選方案，所述p-型半導(dǎo)體傳輸層的材質(zhì)為alx9iny9ga1-x9-y9n，其中，0≤x9≤1，0≤y9≤1，0≤1-x9-y9≤1。

17、作為一種優(yōu)選方案，所述p-型半導(dǎo)體傳輸層的厚度為50—300nm。

18、作為一種優(yōu)選方案，所述電流限制孔結(jié)構(gòu)層的材料為sio2。

19、作為一種優(yōu)選方案，所述電流限制孔結(jié)構(gòu)層是厚度為10—100nm。

20、作為一種優(yōu)選方案，所述電流擴(kuò)展層的材料為ito、ni/au、氧化鋅、石墨烯、鋁或金屬納米線中的其中一種。

21、作為一種優(yōu)選方案，所述電流擴(kuò)展層的厚度為10—100nm。

22、作為一種優(yōu)選方案，所述介質(zhì)dbr的材料為ta2o5/sio2或tio2/sio2。

23、作為一種優(yōu)選方案，ta2o5/sio2或tio2/sio2的厚度分別為所需發(fā)光波長(zhǎng)在介質(zhì)中的波長(zhǎng)的四分之一，周期數(shù)大于等于1。

24、作為一種優(yōu)選方案，所述p型歐姆電極的材質(zhì)為ni/au、cr/au、pt/au、ni/al中的其中一種。

25、一種具有雙柵控制的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

26、s1，在mocvd反應(yīng)爐中，在襯底表面分別生長(zhǎng)緩沖層、氮化物外延dbr、n-型半導(dǎo)體傳輸層、量子阱層、p-型電流阻擋層、p-型半導(dǎo)體傳輸層；

27、s2，在p-型半導(dǎo)體傳輸層上，通過光刻和刻蝕工藝制作臺(tái)階，曝露出n-型半導(dǎo)體傳輸層；

28、s3，在p-型半導(dǎo)體傳輸層上沉積生長(zhǎng)電流限制孔結(jié)構(gòu)層；

29、s4，在電流限制孔結(jié)構(gòu)層上蒸鍍電流擴(kuò)展層；

30、s5，在電流擴(kuò)展層上原子層沉積介質(zhì)dbr；

31、s6，基于s5，通過光刻工藝和刻蝕技術(shù)，在曝露的n-型半導(dǎo)體傳輸層上沉積鐵電材料；

32、s7，在鐵電材料的上方蒸鍍并且光刻制作出鐵電材料電極；并分別在曝露的電流擴(kuò)展層和n-型半導(dǎo)體傳輸層上蒸鍍并且光刻制作出p-型歐姆電極、n-型歐姆電極。

33、作為一種優(yōu)選方案，所述s2中，曝露出60％—80％的n-型半導(dǎo)體傳輸層。

34、作為一種優(yōu)選方案，所述n-型半導(dǎo)體傳輸層沿著生長(zhǎng)方向由alx4gay4in1-x4-y4n和alx5gay5in1-x5-y5n組成，其中，0≤x4≤1，0≤y4≤10，0≤1-x4-y4≤1，0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤1-x5-y5≤1且x4＞x5；所述alx5gay5in1-x5-y5n層上方設(shè)置有多量子阱層、鐵電材料、n-型歐姆電極。

35、作為一種優(yōu)選方案，所述alx4gay4in1-x4-y4n的厚度為50nm—5μm，alx5gay5in1-x5-y5n厚度為50nm—2μm。

36、作為一種優(yōu)選方案，所述鐵電材料的采用alscn。

37、作為一種優(yōu)選方案，所述鐵電材料的厚度為5～100nm。

38、本技術(shù)通過在vcsel的n-半導(dǎo)體傳輸層表面沉積一層鐵電材料，同時(shí)采用特定組分梯度的n區(qū)組成，充分利用鐵電材料的壓電特性和極化效應(yīng)來充當(dāng)雙柵效果，控制導(dǎo)電溝道的開啟和關(guān)斷；可以增強(qiáng)vcsel電流控制能力，有效地防止器件的反向漏電與抑制有源區(qū)漏電水平，改善器件的可靠性和穩(wěn)定性。