本发明属于半导体光电器件，具体涉及一种氮化镓半导体激光器的外延结构及其单晶生长方法。
背景技术：
1、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。激光器的种类很多，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。
2、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。
3、氮化物半导体激光器存在以下问题：波导层与有源层之间、波导层与包覆层之间具有晶格失配，失配应变诱导产生强压电极化效应及自发极化效应，产生较强的qcse量子限制stark效应，引起波导层与有源层之间以及波导层与包覆层间的带阶增加，且量子阱的能带倾斜，抑制空穴注入，使空穴在波导层、量子阱中输运更困难，引起载流子注入不均匀，电子空穴波函数交叠几率减少，从而引起激光器增益不均匀、辐射复合效率下降，限制了激光器电激射增益的提高；激光器内部光吸收损耗包括杂质吸收损耗、高掺杂限制层的自由载流子吸收损耗、载流子吸收损耗、波导结构侧壁散射损耗和量子阱吸收损耗等；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(10％以下)，大量未电离的mg受主杂质(90％以上)会产生自补偿效应，使光波导结构设计不佳的使激光器的光场较多落在p型侧，引起内部光学损耗上升，导致激光器斜率效率下降和阈值电流增大；且波导层与有源层之间以及波导层与包覆层间的带阶增加会降低空穴的输运效应，引起载流子吸收损耗及波导结构侧壁散射损耗上升，使内部光吸收损耗进一步上升。当激光穿过增益介质及光波导层时会因为组分不均匀、粒子数密度不均匀或缺陷、异质结界面态而产生光折射、散射、俄歇复合、吸收等而产生内部损耗，进一步降低内部光吸收损耗。
技术实现思路
1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的外延结构。
2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
3、一种氮化镓半导体激光器的外延结构，由下至上依次包括衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、上包覆层，所述上波导层为屏蔽极化场上波导层，所述屏蔽极化场上波导层包括第一屏蔽极化场上波导层和第二屏蔽极化场上波导层。
4、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的峰值位置往量子阱方向的下降角度为α，所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为β，所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的峰值位置往量子阱方向的下降角度为γ，所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为θ，其中：5°≤θ≤β≤α≤γ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
5、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层的纵向声速的峰值位置往量子阱方向的下降角度为δ，所述第一屏蔽极化场上波导层的纵向声速的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为σ，所述第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速的峰值位置往量子阱方向的下降角度为φ，所述第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为ψ，其中：10°≤ψ≤β≤σ≤φ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
6、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度为μ，所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为υ，所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度为ρ，所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为ω，其中：20°≤ω≤υ≤μ≤ρ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
7、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度为ε，所述第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为η，所述第二屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度为κ，所述第二屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为ζ，其中：15°≤ζ≤η≤ε≤κ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
8、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量、纵向声速、光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度，以及所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度具有如下关系：5°≤α≤δ≤ε≤μ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角；
9、所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量、纵向声速、光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度，以及所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度具有如下关系：5°≤β≤σ≤η≤υ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角；
10、所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量、纵向声速、光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度，以及所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度具有如下关系：5°≤γ≤φ≤κ≤ρ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角；
11、所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量、纵向声速、光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度，以及所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度具有如下关系：5°≤θ≤ψ≤ζ≤ω≤90°；
12、其中，5°≤θ≤ψ≤ζ≤ω≤β≤σ≤η≤υ≤α≤δ≤ε≤μ≤γ≤φ≤κ≤ρ≤90°。
13、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层和第二屏蔽极化场上波导层均为i ngan、gan、a l gan、a l i ngan、a l n、a l i nn、i nn的任意一种或任意组合。
14、作为本发明的进一步优化方案，所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量分布具有函数y＝arccosx曲线分布；
15、或所述第一屏蔽极化场上波导层的纵向声速分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速分布具有函数y＝arccosx曲线分布；
16、或所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数分布具有函数y＝arcs i nx曲线分布；所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数分布具有函数y＝x2/s i nx曲线分布；
17、或所述第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝arccosx曲线分布。
18、一种氮化镓半导体激光器单晶生长方法，该方法包括以下步骤：
19、s1、选择衬底材料作为基础底片，并清洗底片，除去其表面的污染物；
20、s2、对底片的表面进行预处理，再将其放置在mocvd金属有机化学气机沉积的反应室中的衬底架上，并将反应室抽真空；
21、s3、导入金属有机化学气体前体和载体气体，然后对底片进行预热；
22、s4、调控设定的温度、压强、反应元素及比例、转速、生长速率、v/ⅲ比例、掺杂元素的组合，依次生长下包覆层、下波导层，有源层；
23、s5、调控设定的温度、压强、反应元素及比例、转速、生长速率、v/ⅲ比例、掺杂元素的组合，并采用特定的i n原子并入晶体组，生长第一屏蔽极化场上波导层和第二屏蔽极化场上波导层；
24、s6、调控设定的温度、压强、反应元素及比例、转速、生长速率、v/ⅲ比例、掺杂元素的组合，生长上包覆层；
25、s7、在生长完成后，逐渐降低反应室的温度，使生长的单晶材料冷却并固化在衬底上，将衬底从反应室中取出并进行后续处理后，形成单晶半导体激光元件。
26、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s4至步骤s6中，生长温度为500～1200℃，生长压强为100～550torr，反应元素为tmga、tega、tmal、tmi n、nh3、n2、h2，转速为500～1300转，生长速率为0.1～8um/h，v/ⅲ比为100～80000，掺杂元素为cp2mg、sih4或乙硅烷的任意一种；
27、所述步骤s5中，所述第一屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝tanx曲线分布，使第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝arcs i nx曲线分布，使第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量分布具有函数y＝arccosx曲线分布；
28、或所述第一屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝tanx曲线分布，使第一屏蔽极化场上波导层的纵向声速分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝arcs i nx曲线分布，使第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速分布具有函数y＝arccosx曲线分布；
29、或所述第一屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝arcsi nx曲线分布，使第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数分布具有函数y＝arcs i nx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝x2/s inx曲线分布，使第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数分布具有函数y＝x2/s i nx曲线分布；
30、或所述第一屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝arthx曲线分布，使第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的i n原子并入晶体组分效率具有函数y＝arcs i nx曲线分布，使第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数分布具有函数y＝arccosx曲线分布。
31、本发明的有益效果在于：本发明通过调控第一屏蔽极化场上波导层、第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速的谷值位置以及极化光学声子能量的谷值位置分别与量子阱和上包覆层的角度，来屏蔽压电极化场和自发极化场，从而减少极化效应，提升空穴注入效率，同时，调控第一屏蔽极化场上波导层、第二屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的峰值位置以及辐射复合系数的谷值位置分别与量子阱和上包覆层的角度，来降低阈值载流子密度和载流子吸收损耗，进而提升激光器的光功率和降低内部光学损耗。
1.一种氮化镓半导体激光器的外延结构，由下至上依次包括衬底、下包覆层、下波导层、有源层、上波导层、上包覆层，其特征在于，所述上波导层为屏蔽极化场上波导层，所述屏蔽极化场上波导层包括第一屏蔽极化场上波导层和第二屏蔽极化场上波导层；所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的峰值位置往量子阱方向的下降角度为α，所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为β，所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的峰值位置往量子阱方向的下降角度为γ，所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为θ，其中：5°≤θ≤β≤α≤γ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于：所述第一屏蔽极化场上波导层的纵向声速的峰值位置往量子阱方向的下降角度为δ，所述第一屏蔽极化场上波导层的纵向声速的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为σ，所述第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速的峰值位置往量子阱方向的下降角度为φ，所述第二屏蔽极化场上波导层的纵向声速的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为ψ，其中：10°≤ψ≤β≤σ≤φ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
3.根据权利要求2所述的一种氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于：所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度为μ，所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为υ，所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度为ρ，所述第二屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的峰值位置往上包覆层方向的下降角度为ω，其中：20°≤ω≤υ≤μ≤ρ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
4.根据权利要求3所述的一种氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于：所述第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度为ε，所述第一屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为η，所述第二屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度为κ，所述第二屏蔽极化场上波导层的光子能量吸收系数的谷值位置往上包覆层方向的上升角度为ζ，其中：15°≤ζ≤η≤ε≤κ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角。
5.根据权利要求4所述的一种氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于：所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量、纵向声速、光子能量吸收系数的峰值位置往量子阱方向的下降角度，以及所述第一屏蔽极化场上波导层的辐射复合系数的谷值位置往量子阱方向的上升角度具有如下关系：5°≤α≤δ≤ε≤μ≤90°，其中角度为曲线的切线倾斜角；
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于：所述第一屏蔽极化场上波导层和第二屏蔽极化场上波导层均为ingan、gan、algan、alingan、aln、alinn、inn的任意一种或任意组合。
7.根据权利要求6所述的一种氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于：所述第一屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量分布具有函数y＝cotx曲线分布，所述第二屏蔽极化场上波导层的极化光学声子能量分布具有函数y＝arccosx曲线分布；
8.一种氮化镓半导体激光器单晶生长方法，基于上述如权利要求1-6任一所述的氮化镓半导体激光器的外延结构，其特征在于，该方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种氮化镓半导体激光器单晶生长方法，其特征在于：所述步骤s4至步骤s6中，生长温度为500～1200℃，生长压强为100～550torr，反应元素为tmga、tega、tmal、tmin、nh3、n2、h2，转速为500～1300转，生长速率为0.1～8um/h，v/ⅲ比为100～80000，掺杂元素为cp2mg、sih4或乙硅烷的任意一种；
