本发明涉及半导体光电器件，尤其涉及一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件。
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。
2、激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，
3、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；
4、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；
5、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；
6、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。
7、氮化物半导体激光器存在以下问题：
8、1)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，高浓度载流子浓度起伏影响有源层的折射率，限制因子随波长增加而减少，导致激光器的模式增益降低；
9、2)激光光波的型态可分为横模和纵横；垂直于光轴截面内的横模光强分布是由半导体激光器的波导结构决定，若横模复杂不稳定，输出光的相干性差；纵模在谐振腔传播方向上是驻波分布，很多纵模同时激射或存在模间变化，则不能获得很高时间上的相干性。
10、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，且量子阱极化电场提升空穴注入势垒、空穴溢出有源层等问题，空穴注入不均匀和效率偏低，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，同时，激光器增益谱变宽，峰值增益下降，导致激光器阈值电流增大且斜率效率降低。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。
11、4)有源层内部缺陷密度高、inn与gan互溶隙较大、inn相分离偏析、热退化、晶体质量不理想，导致量子阱质量和界面质量不理想，增加非辐射复合中心。
技术实现思路
1、本发明提出一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，所述谷极化自旋耦合层的电子具有双重谷自由度形成净谷磁化，在电场作用下可增强谷霍尔效应电流，增强有源层电子空穴注入效率和载流子分布均匀性；谷极化自旋耦合层注入自旋极化载流子形成室温下较强的谷极化率和表面极化场，诱导增强有源层的量子产率和降低谷激子结合能，降低有源层in组分涨落和缺陷导致的非辐射复合中心，提升激光元件的内量子效率，同时，谷极化自旋耦合层具有相同手性的自旋光子，减少光波导的吸收损耗，从而提升激光元件的发光效率和斜率效率。
2、本发明提供的一种具有谷极化自旋耦合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，有源层与上波导层之间以及有源层与下波导层之间具有谷极化自旋耦合层，所述谷极化自旋耦合层的厚度为5～5000埃米，所述谷极化自旋耦合层的电子具有双重谷自由度形成净谷磁化，在电场作用下可增强谷霍尔效应电流，增强有源层电子空穴注入效率和载流子分布均匀性；谷极化自旋耦合层注入自旋极化载流子形成室温下较强的谷极化率和表面极化场，诱导增强有源层的量子产率和降低谷激子结合能，降低有源层in组分涨落和缺陷导致的非辐射复合中心。
3、优选地，所述谷极化自旋耦合层为mos2@ws2、tas2@snse2、gafeo3@nbse2、tise2@wse2、in2se3@bi2se3中的任意一种或几种任意组合的二维层状狄拉克超晶格结构。
4、优选地，所述谷极化自旋耦合层的任意组合包括以下二元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
5、mos2@ws2/tas2@snse2,
6、mos2@ws2/gafeo3@nbse2,
7、mos2@ws2/tise2@wse2,
8、mos2@ws2/in2se3@bi2se3,
9、tas2@snse2/gafeo3@nbse2,
10、tas2@snse2/tise2@wse2,
11、tas2@snse2/in2se3@bi2se3,
12、gafeo3@nbse2/tise2@wse2,
13、gafeo3@nbse2/in2se3@bi2se3,
14、tise2@wse2/in2se3@bi2se3。
15、优选地，所述谷极化自旋耦合层的任意组合包括以下三元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
16、mos2@ws2/tas2@snse2/gafeo3@nbse2,
17、mos2@ws2/tas2@snse2/tise2@wse2,
18、mos2@ws2/tas2@snse2/in2se3@bi2se3,
19、tas2@snse2/gafeo3@nbse2/tise2@wse2,
20、tas2@snse2/gafeo3@nbse2/in2se3@bi2se3,
21、gafeo3@nbse2/tise2@wse2/in2se3@bi2se3。
22、优选地，所述谷极化自旋耦合层的任意组合包括以下四元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
23、mos2@ws2/tas2@snse2/gafeo3@nbse2/tise2@wse2,
24、mos2@ws2/tas2@snse2/gafeo3@nbse2/in2se3@bi2se3,
25、mos2@ws2/tas2@snse2/tise2@wse2/in2se3@bi2se3,
26、mos2@ws2/gafeo3@nbse2/tise2@wse2/in2se3@bi2se3,
27、tas2@snse2/gafeo3@nbse2/tise2@wse2/in2se3@bi2se3。
28、优选地，所述谷极化自旋耦合层的任意组合包括以下五元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
29、mos2@ws2/tas2@snse2/gafeo3@nbse2/tise2@wse2/in2se3@bi2se3。
30、优选地，所述下限制层为gan、algan、ingan、alingan、aln、inn、alinn中的任意一种或几种任意组合，厚度为50～5000nm，所述电子阻挡层和上限制层为gan、algan、alingan、aln、alinn中的任意一种或几种任意组合，厚度为20～1000nm。
31、优选地，所述下波导层和上波导层为gan、ingan、alingan中的任意一种或几种任意组合，厚度为50～1000nm。
32、优选地，所述有源层为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为ingan、inn、alinn、gan中的任意一种或几种任意组合，厚度为10～80埃米，垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn中的任意一种或几种任意组合，厚度为10～120埃米。
33、优选地，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复合衬底中的任意一种。
34、相比于现有技术，本发明实施例提供的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其有益效果在于：所述谷极化自旋耦合层的电子具有双重谷自由度形成净谷磁化，在电场作用下可增强谷霍尔效应电流，增强有源层电子空穴注入效率和载流子分布均匀性；谷极化自旋耦合层注入自旋极化载流子形成室温下较强的谷极化率和表面极化场，诱导增强有源层的量子产率和降低谷激子结合能，降低有源层in组分涨落和缺陷导致的非辐射复合中心，提升激光元件的内量子效率，同时，谷极化自旋耦合层具有相同手性的自旋光子，减少光波导的吸收损耗，从而提升激光元件的发光效率和斜率效率。
1.一种具有谷极化自旋耦合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)与上波导层(104)之间以及有源层(103)与下波导层(102)之间具有谷极化自旋耦合层(107)，所述谷极化自旋耦合层(107)的厚度为5～5000埃米，所述谷极化自旋耦合层(107)的电子具有双重谷自由度形成净谷磁化，在电场作用下可增强谷霍尔效应电流，增强有源层(103)电子空穴注入效率和载流子分布均匀性；谷极化自旋耦合层(107)注入自旋极化载流子形成室温下较强的谷极化率和表面极化场，诱导增强有源层(103)的量子产率和降低谷激子结合能，降低有源层(103)in组分涨落和缺陷导致的非辐射复合中心。
2.根据权利要求1所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述谷极化自旋耦合层(107)为mos2@ws2、tas2@snse2、gafeo3@nbse2、tise2@wse2、in2se3@bi2se3中的任意一种或几种任意组合的二维层状狄拉克超晶格结构。
3.根据权利要求2所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述谷极化自旋耦合层(107)的任意组合包括以下二元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
4.根据权利要求2所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述谷极化自旋耦合层(107)的任意组合包括以下三元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
5.根据权利要求2所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述谷极化自旋耦合层(107)的任意组合包括以下四元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
6.根据权利要求2所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述谷极化自旋耦合层(107)的任意组合包括以下五元组合的二维层状狄拉克超晶格结构：
7.根据权利要求1所述的一种具有谷极化自旋耦合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中的任意一种或几种任意组合，厚度为50～5000nm，所述电子阻挡层(105)和上限制层(106)为gan、algan、alingan、aln、alinn中的任意一种或几种任意组合，厚度为20～1000nm。
8.根据权利要求1所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述下波导层(102)和上波导层(104)为gan、ingan、alingan中的任意一种或几种任意组合，厚度为50～1000nm。
9.根据权利要求1所述的一种具有谷极化自旋耦合层的半导体激光元件，其特征在于，所述有源层(103)为阱层和垒层组成的周期结构，周期数为3≥m≥1，阱层为ingan、inn、alinn、gan中的任意一种或几种任意组合，厚度为10～80埃米，垒层为gan、algan、alingan、aln、alinn中的任意一种或几种任意组合，厚度为10～120埃米。
10.根据权利要求1所述的一种具有谷极化自旋耦合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复合衬底中的任意一种。
