一种低内损耗低电阻高效率半导体结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种低内损耗低电阻高效率半导体结构及其制备方法。


背景技术：

2.发光半导体器件是以一定的半导体材料作为工作物质而产生受激发射作用的器件，其工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体材料的能带（导带与价带）之间，或者半导体材料的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用，因发光半导体器件体积小、电光转换效率高被广泛的使用。
3.然而，目前的发光半导体器件的发光效率仍然有待提高。


技术实现要素：

4.因此，本发明提供一种低内损耗低电阻高效率半导体结构及其制备方法，以有效的提高发光效率。
5.本发明提供一种低内损耗低电阻高效率半导体结构，包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的第一限制层；位于所述第一限制层背离所述半导体衬底层一侧的第一波导层；位于所述第一波导层背离所述第一限制层一侧的有源层；位于所述有源层背离所述第一波导层一侧的第二波导层；位于所述第二波导层背离所述有源层一侧的第二限制层；第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层、第二限制层中具有特征光场，在外延厚度方向上，第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层的掺杂浓度随着特征光场的强度的增加而降低。
6.可选的，所述第一波导层包括第一子波导区、第二子波导区和第三子波导区，所述第三子波导区位于所述第一子波导区背离第一限制层的一侧，所述第二子波导区位于所述第一子波导区和所述第三子波导区之间；所述第二波导层包括第四子波导区、第五子波导区和第六子波导区，所述第六子波导区位于第四子波导区背离有源层的一侧，所述第五子波导区位于所述第四子波导区和所述第六子波导区之间；所述第一限制层包括第一子限制区和第二子限制区，第二子限制区位于第一子限制区和第一波导层之间；所述第二限制层包括第三子限制区和第四子限制区，第三子限制区位于第二波导层和第四子限制区之间；第二子限制区和第一子波导区构成第一光场带尾区，第二子波导区构成第一光场线性区，第三子波导区、有源层和第四子波导区构成光场中心区，第五子波导区构成第二光场线性区，第六子波导区和第三子限制区构成第二光场带尾区；第三子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第一掺杂抛物曲线的递减区，大于零，第一掺杂抛物曲线的顶点对应光场中心区的光场顶点；第二子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递减，第五子波
导区中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递增；第一子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第二掺杂抛物曲线的递减区，小于零；第六子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第三掺杂抛物曲线的递增区，小于零；第二子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第四掺杂抛物曲线的递减区，小于零；第三子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第五掺杂抛物曲线的递增区，小于零；第四子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第六掺杂抛物曲线的递增区，大于零，第六掺杂抛物曲线的顶点对应光场中心区的光场顶点；第一子限制区和第四子限制区中的特征光场的强度为零，所述第一子限制区和第四子限制区中的掺杂浓度均匀；其中，x为第二子限制区、第一子波导区、第三子波导区、第四子波导区、第六子波导区、第三子限制区在外延厚度方向上的位置。
7.可选的，所述第二子波导区朝向所述第三子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第三子波导区朝向所述第二子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第一子波导区朝向第二子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第二子波导区朝向第一子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第五子波导区朝向第四子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第四子波导区朝向第五子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第六子波导区朝向第五子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第五子波导区朝向所述第六子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第一限制层朝向所述第一子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第一子波导区朝向第一限制层的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第二限制层朝向第六子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于第六子波导区朝向第二限制层的表面边界处对应的掺杂浓度。
8.可选的，第二子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度的增加线性递减的斜率的绝对值和第五子波导区中的掺杂浓度随着外延厚度的增加线性递增的斜率的绝对值不相等。
9.可选的，和不相等。
10.可选的，和不相等。
11.可选的，和不相等。
12.可选的，第三子波导区朝向所述有源层的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e16atom/cm3~10e16atom/cm3；第四子波导区朝向所述有源层的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e16atom/cm3~10e16atom/cm3。
13.可选的，所述第二子限制区背向第一子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度为
0.1e18atom/cm3~10e18atom/cm3；所述第三子限制区背向第六子波导区的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e18atom/cm3~10e18atom/cm3。
14.可选的，第一子波导区的厚度为第一波导层的厚度的3%-60%，第二子波导区的厚度为第一波导层的厚度的3%-80%，第三子波导区的厚度占第一波导层的厚度的3%-60%。
15.可选的，第一子波导区的厚度为第一波导层的厚度的22%-28%；第二子波导区的厚度为第一波导层的厚度的48%-52%，第三子波导区的厚度占第一波导层的厚度的22%-28%。
16.可选的，第四子波导区的厚度为第二波导层的厚度的3%-60%，第五子波导区的厚度为第二波导层的厚度的3%-80%，第六子波导区的厚度占第一波导层的厚度的3%-60%。
17.可选的，第四子波导区的厚度为第二波导层的厚度的22%-28%，第五子波导区的厚度为第二波导层的厚度的48%-52%，第六子波导区的厚度占第一波导层的厚度的22%-28%。
18.本发明还提供一种低内损耗低电阻高效率半导体结构的制备方法，包括：提供半导体衬底层；在所述半导体衬底层上形成第一限制层；在所述第一限制层背离所述半导体衬底层的一侧形成第一波导层；在所述第一波导层背离所述半导体衬底层的一侧形成有源层；在所述有源层背离所述第一波导层的一侧形成第二波导层；在所述第二波导层背离所述有源层的一侧形成第二限制层；第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层、第二限制层中具有特征光场，在外延厚度方向上，第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层的掺杂浓度随着特征光场的强度的增加而降低。
19.可选的，形成所述第一波导层的步骤包括：在所述第一限制层背离所述半导体衬底层的一侧形成第一子波导区；在所述第一子波导区背离半导体衬底层的一侧形成第二子波导区；在所述第二子波导区背离半导体衬底层的一侧形成第三子波导区；形成所述第二波导层的步骤包括：在所述有源层背离所述第一波导层的一侧形成第四子波导区；在所述第四子波导区背离所述有源层的一侧形成第五子波导区；在所述第五子波导区背离所述有源层的一侧形成第六子波导区；形成所述第一限制层的步骤包括：在所述半导体衬底层上形成第一子限制区；在所述第一子限制区背离所述半导体衬底层的一侧形成第二子限制区；形成所述第二限制层的步骤包括：在所述第二波导层背离所述有源层的一侧形成第三子限制区；在所述第三子限制区背离所述有源层的一侧形成第四子限制区；形成第三子波导区过程中掺杂气源l
11
（t）的流量随时间的变化满足第一流量抛物曲线l
11
（t）=a
11*
t
2-b
11*
t c
11
的递减区，a
11
大于零；形成第二子波导区过程中掺杂气源的流量随时间的增加而线性递减，第五子波导区过程中掺杂气源的流量随时间的增加而线性递增；形成第一子波导区过程中掺杂气源的流量l
22
（t）随时间的变化满足第二流量抛物曲线l
22
（t）=a
22*
t
2-b
22*
t c
22
的递减区，a
22
小于零；形成第六子波导区过程中掺杂气源的流量l
33
（t）随时间的变化满足第三流量抛物曲线l
33
（t）=a
33*
t
2-b
33*
t c
33
的递增区，a
33
小于零；形成第二子限制区过程中掺杂气源的流量l
44
（t）随时间的变化满足第四流量抛物曲线l
44
（t）=a
44*
t
2-b
44*
t c
44
的递减区，a
44
小于零；形成第三子限制区过程中掺杂气源的流量l
55
（t）随时间的变化满足第五流量抛物曲线l
55
（t）=a
55*
t
2-b
55*
t c
55
的递增区，a
55
小于零；形成第四子波导区过程中掺杂气源l
66
（t）的流量随时间的变化满足第六流量抛物曲线l
66
（t）=a
66*
t
2-b
66*
t c
66
的递增区，a
66
大于零；第一子限制区和第四子限制区中的特征光场的强度为零，形成所述第一子限制区和第四子限制区过程中掺杂气源的流量恒定。
20.本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案提供的低内损耗低电阻高效率半导体结构中，第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层、第二限制层中具有特征光场，在外延厚度方向上，第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层的掺杂浓度随着特征光场的强度的增加而降低，这样使得第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层的掺杂浓度与光场相互匹配，兼顾同时优化串联电阻和内损耗，在降低串联电阻的同时减少内损耗，因此有效的提高了发光效率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明一实施例提供的低内损耗低电阻高效率半导体结构的示意图；图2为本发明的低内损耗低电阻高效率半导体结构的光场分布图和各膜层中的掺杂浓度曲线图；图3为本实施例的低内损耗低电阻高效率半导体结构的电阻积分图；图4为本实施例的低内损耗低电阻高效率半导体结构的内损耗积分图。
具体实施方式
23.除功率和波长外，电光转换效率是发光半导体结构最重要的指标，直接影响发光半导体结构的功耗、可靠性等。高电光效率的发光半导体结构，不仅自身废热少可靠性高，还可以简化系统整机的热管理系统，大幅提高发光半导体结构的应用水平。以下为发光半导体结构的电光转换效率公式：决定发光半导体结构的电光转换效率主要分为四项，第一项为内量子效率；第二项为发光半导体结构的谐振腔的损耗；第三项为亏损电压，亏损电压与发光半导体结构的层间异质结界面电阻及串联电阻相关；最后一项为发光半导体结构发工作电流偏离阈值电流的程度。
24.发光半导体结构的外延结构设计能影响的参数包括：内量子效率ηi、内损耗αi、串联电阻rs、开启电压ud和阈值电流i
th
。其中，内损耗αi和串联电阻rs是最重要的设计和工艺控制参数。而内损耗αi和串联电阻rs在大部分的设计中是相互制约和矛盾的。串联电阻rs与载流子掺杂浓度的倒数成正比，发光半导体结构的外延结构的串联电阻由各层累加。
25.其中，q为电子电荷量，μn为电子迁移率，nj为n型掺杂浓度，μ
p
为空穴迁移率，pj为p
型掺杂浓度，dj为外延各层厚度，s为外延结构的电流面积。
26.内损耗αi与载流子掺杂浓度和光场强度乘积的积分成正比，。其中，ij为光场强度，σn和σ
p
为n面和p面的散射截面。
27.由此可知，高的掺杂浓度可以降低串联电阻，但会增加内损耗；低的掺杂浓度降低内损耗，但增加串联电阻。
28.在实际设计过程中，波导厚度、组分、量子阱位置等一般都已确定；而决定串联电阻和内损耗的掺杂浓度设计才是最重要的，是对电光转换效率影响最大的部分。
29.在进行发光半导体结构的外延设计时，一般按以下顺序进行：第一步：针对某波长的某种特性的发光半导体结构，设计各功能层（p波导层、n波导层、p限制层、n限制层等）的材料组分；第二步：设计各功能层的厚度，将确定光场分布；第三步：设计各功能层的掺杂浓度，将确定内部损耗、串联电阻等；第一步、第二步基本固定，获得发光半导体结构的光场强度一般在n波导层中是近高斯分布。常规设计的第三步中，针对各功能层，设置一个或多个掺杂浓度，一般是从量子阱向两侧递增。然而，无法同时优化串联电阻和内损耗，发光效率较低。
30.在此基础上，本发明提供一种低内损耗低电阻高效率半导体结构，各功能层的掺杂浓度根据光场形状设计，能同时优化串联电阻和内损耗，降低串联电阻且减少内损耗，有效的提高了发光效率。
31.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.本发明提供一种低内损耗低电阻高效率半导体结构，参考图1和图2，包括：半导体衬底层100；位于所述半导体衬底层100上的第一限制层120；位于所述第一限制层120背离所述半导体衬底层100一侧的第一波导层130；位于所述第一波导层130背离所述第一限制层120一侧的有源层140；位于所述有源层140背离所述第一波导层130一侧的第二波导层150；位于所述第二波导层150背离所述有源层140一侧的第二限制层160；第一限制层120、第一波导层130、有源层140、第二波导层150、第二限制层160中具有特征光场，在外延厚度方向上，第一限制层120、第一波导层130、第二波导层150、第二限制层160的掺杂浓度随着特征光场的强度的增加而降低。
35.本实施例中，第一限制层120、第一波导层130、有源层140、第二波导层150、第二限制层160中具有特征光场，在外延厚度方向上，第一限制层120、第一波导层130、第二波导层
150、第二限制层160的掺杂浓度随着特征光场的强度的增加而降低，这样使得第一限制层120、第一波导层130、第二波导层150、第二限制层160的掺杂浓度与光场相互匹配，兼顾同时优化串联电阻和内损耗，在降低串联电阻的同时减少内损耗，因此有效的提高了发光效率。
36.第一限制层120、第一波导层130、有源层140、第二波导层150、第二限制层160中具有特征光场，指的是：在低内损耗低电阻高效率半导体结构工作过程中，第一限制层120、第一波导层130、有源层140、第二波导层150、第二限制层160中具有特征光场。
37.本实施例中，以低内损耗低电阻高效率半导体结构为边发射半导体激光器为示例进行说明。
38.本实施例中，所述半导体衬底层100为砷化镓衬底层。需要说明的是，在其他实施例中，所述半导体衬底层还可以为其他材料的衬底层，例如inp衬底。
39.本实施例中，以第一限制层120为n型限制层，第二限制层160为p型限制层、第一波导层130为n型波导层，第二波导层150为p型波导层作为示例。
40.在一个实施例中，p型波导层的厚度小于所述n型波导层的厚度。所述n型波导层的厚度相对p型波导层的厚度较大，也就是半导体器件采用非对称的波导。光场分布的峰值位于n型波导层中，较多的光在n型波导层中传播。而光在n型波导层中相对于在p型波导层中的损耗少，因此当光场分布峰值位于n型波导层中时，减少了光传播的损耗，能够获得足够多的模式增益达到激射条件。
41.在一个实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第一波导层130的材料为掺杂有n型导电离子的al
x2
ga
1-x2
as，x2为0-0.4。在其他实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第一波导层130的材料为掺杂有n型导电离子的（al
x3
ga
1-x3
）
0.51
in
0.49
p或in
1-x4
ga x4
as
y1
p
1-y1
，x3为0~1，x4为0.52~1，y1为0~1。当所述半导体衬底层100为inp衬底时，第一波导层130的材料为掺杂有n型导电离子的inp、in
0.53
（al
x7
ga
1-x7
）
0.47
as或in
1-x8
ga
x8
as
y3
p
1-y3
。x7为0~1，x8为0~0.47，y3为0~1。第一波导层130的厚度为0.3微米-3微米。在一个实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第二波导层150的材料为掺杂有p型导电离子的al
x2
ga
1-x2
as，x2为0-0.4。在其他实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第二波导层150的材料为掺杂有p型导电离子的（al
x3
ga
1-x3
）
0.51
in
0.49
p或in
1-x4
ga x4
as
y1
p
1-y1
，x3为0~1，x4为0.52~1，y1为0~1。当所述半导体衬底层100为inp衬底时，第二波导层150的材料为掺杂有p型导电离子的inp、in
0.53
（al
x7
ga
1-x7
）
0.47
as或in
1-x8
ga
x8
as
y3
p
1-y3
，x7为0~1，x8为0~0.47，y3为0~1。第二波导层150的厚度为0.2微米~2微米。
42.在一个实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第一限制层120的材料为掺杂有n型导电离子的al
x1
ga
1-x1
as，x1为0.2-0.9。在其他实施例中，在其他实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第一限制层120的材料为掺杂有n型导电离子的（al
x5
ga
1-x5
）
0.51
in
0.49
p或in
1-x6
ga
x6
as
y2
p
1-y2
。x5为0~1，x6为0.52~1，y2为0~1。当所述半导体衬底层100为inp衬底时，第一限制层120的材料为掺杂有n型导电离子的inp、in
0.53
（al
x9
ga
1-x9
）
0.47
as或in
1-x10
ga
x10
as
y4
p
1-y4
。其中，x9为0~1，x10为0~0.47，y4为0~1。第一限制层120的厚度为0.5微米-2微米。
43.在一个实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，第二限制层160的材料为掺杂有p型导电离子的al
x1
ga
1-x1
as，x1为0.2-0.9。在其他实施例中，当所述半导体衬底层
100为gaas衬底时，第二限制层160的材料为掺杂有p型导电离子的（al
x5
ga
1-x5
）
0.51
in
0.49
p或in
1-x6
ga
x6
as
y2
p
1-y2
。x5为0~1，x6为0.52~1，y2为0~1。当所述半导体衬底层100为inp衬底时，第二限制层160的材料为掺杂有p型导电离子的inp、in
0.53
（al
x9
ga
1-x9
）
0.47
as或in
1-x10
ga
x10
as
y4
p
1-y4
。其中，x9为0~1，x10为0~0.47，y4为0~1。第二限制层160的厚度为0.5微米-2微米。
44.在一个实施例中，所述有源层140包括：位于所述第一波导层130背离所述半导体衬底层100一侧的第一势垒层；位于所述第一势垒层背离所述半导体衬底层100一侧表面的量子阱层；在量子阱层背离所述第一势垒层一侧表面的第二势垒层。
45.在一个实施例中，所述第一势垒层包括gaas或alqga
1-q
as，alqga
1-q
as中的q为0-0.2。
46.在一个实施例中，所述第一势垒层的厚度为5nm-100nm。
47.所述第一势垒层无掺杂。
48.在一个实施例中，所述量子阱层的材料包括ingaas，所述量子阱层的厚度为5nm-15nm；所述量子阱层无掺杂。
49.在一个实施例中，所述第二势垒层的材料包括gaas或alqga
1-q
as，alqga
1-q
as中的q为0-0.2；所述第二势垒层的厚度为5nm-100nm。
50.所述第二势垒层无掺杂。
51.本实施例中，所述有源层无掺杂，有源层中的各膜层还可以为其他的材料。
52.本实施例中，还包括：位于所述第二限制层160背向所述第二波导层150一侧的欧姆接触半导体层170；位于半导体衬底层100和第一限制层120之间的缓冲层110。在一个实施例中，当所述半导体衬底层100为gaas衬底时，缓冲层110的材料为掺杂有n型导电离子的gaas。当所述半导体衬底层100为inp衬底时，缓冲层110的材料为掺杂有n型导电离子的inp。
53.本实施例中，所述第一波导层130包括第一子波导区131、第二子波导区132和第三子波导区133，所述第三子波导区133位于所述第一子波导区131背离第一限制层120的一侧，所述第二子波导区132位于所述第一子波导区131和所述第三子波导区133之间。第二子波导区132均与第一子波导区131和第三子波导区133接触。
54.所述第二波导层150包括第四子波导区151、第五子波导区152和第六子波导区153，所述第六子波导区153位于第四子波导区151背离有源层140的一侧，所述第五子波导区152位于所述第四子波导区151和所述第六子波导区153之间。第五子波导区152均与第四子波导区151和第六子波导区153接触。
55.所述第一限制层120包括第一子限制区和第二子限制区，第二子限制区位于第一子限制区和第一波导层之间；所述第二限制层160包括第三子限制区和第四子限制区，第三子限制区位于第二波导层和第四子限制区之间。第一子限制区和第二子限制区接触。第三子限制区和第四子限制区接触。
56.图2中的横轴为外延厚度方向的位置，横轴从左至右依次为第一限制层120、第一波导层130、有源层140、第二波导层150、第二限制层160。图2中的曲线c为特征光场的强度的分布图，图2中的曲线a为对应第一限制层120、第一波导层130、有源层140、第二波导层150、第二限制层160折射率，图2中的曲线b为第一限制层120、第一波导层130、有源层140、
第二波导层150、第二限制层160对应的掺杂浓度。
57.第二子限制区和第一子波导区131构成第一光场带尾区，第二子波导区132构成第一光场线性区，第三子波导区133、有源层140和第四子波导区151构成光场中心区，第五子波导区152构成第二光场线性区b2，第六子波导区153和第三子限制区构成第二光场带尾区。第一光场带尾区、第一光场线性区、光场中心区、第二光场线性区和第二光场带尾区依次连续。需要说明的是，第一子限制区和第四子限制区中的特征光场的强度为零。
58.对于第一光场线性区中的特征光场，特征光场的强度随着外延厚度增加而近似线性递增。对于第五子波导区152中的光场，特征光场的强度随着外延厚度增加而近似线性递减。对于光场中心区中的特征光场，特征光场的强度随着外延厚度增加先递增后递减。光场中心区中的光场呈高斯分布。对于第一光场带尾区中的特征光场，特征光场的强度随着外延厚度增加而近似指数函数或二次函数递增。对于第二光场带尾区中的特征光场，特征光场的强度随着外延厚度增加而近似指数函数或二次函数递减。
59.第三子波导区133中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第一掺杂抛物曲线的递减区，大于零，第一掺杂抛物曲线的顶点对应光场中心区的光场顶点。其中，x为外延厚度方向上的位置。第一掺杂抛物曲线的顶点坐标为：。光场中心区的光场顶点光场的强度最大的点。为第一掺杂抛物曲线中的系数。
60.本实施例中，第三子波导区133中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化曲线为第一掺杂抛物曲线的部分曲线，因此第三子波导区133中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化关系满足第一掺杂抛物曲线的函数关系，也就是说，将第三子波导区133的掺杂浓度和第三子波导区133在外延厚度方向上的位置坐标带入第一掺杂抛物曲线的等号两端，能使得等式成立。
61.第二子波导区132中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递减，第五子波导区152中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递增。
62.第一子波导区131中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第二掺杂抛物曲线的递减区，小于零。第一子波导区131中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化曲线为第二掺杂抛物曲线的部分曲线，也就是说，将第一子波导区131的掺杂浓度和第一子波导区131在外延厚度方向上的位置坐标带入第二掺杂抛物曲线的等号两端，能使得等式成立。为第二掺杂抛物曲线中的系数。
63.第六子波导区153中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足
第三掺杂抛物曲线的递增区，小于零。第六子波导区153中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化曲线为第三掺杂抛物曲线的部分曲线，也就是说，将第六子波导区153的掺杂浓度和第六子波导区153在外延厚度方向上的位置坐标带入第三掺杂抛物曲线的等号两端，能使得等式成立。为第三掺杂抛物曲线中的系数。
64.第二子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第四掺杂抛物曲线的递减区，小于零。第二子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化曲线为第四掺杂抛物曲线的部分曲线，也就是说，将第二子限制区的掺杂浓度和第二子限制区在外延厚度方向上的位置坐标带入第四掺杂抛物曲线的等号两端，能使得等式成立。为第四掺杂抛物曲线中的系数。
65.第三子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第五掺杂抛物曲线的递增区，小于零。第三子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化曲线为第五掺杂抛物曲线的部分曲线，也就是说，将第三子限制区的掺杂浓度和第三子限制区在外延厚度方向上的位置坐标带入第五掺杂抛物曲线的等号两端，能使得等式成立。为第五掺杂抛物曲线中的系数。
66.第四子波导区151中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第六掺杂抛物曲线的递增区，大于零，第六掺杂抛物曲线的顶点对应光场中心区的光场顶点。
67.第四子波导区151中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化曲线为第六掺杂抛物曲线的部分曲线，因此第四子波导区151中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化关系满足第六掺杂抛物曲线的函数关系，也就是说，将第四子波导区151的掺杂浓度和第四子波导区151在外延厚度方向上的位置坐标带入第一掺杂抛物曲线的等号两端，能使得等式成立。为第六掺杂抛物曲线中的系数。
68.具体的，第一掺杂抛物曲线至第六掺杂抛物曲线中，x为第二子限制区、第一子波导区、第三子波导区、第四子波导区、第六子波导区、第三子限制区在外延厚度方向上的位置；在第一掺杂抛物曲线中，x为第三子波导区在外延厚度方向上的位置；在第二掺杂抛物曲线中，x为第一子波导区在外延厚度方向上的位置；在第三掺杂抛物曲线中，x为第六子波导区在外延厚度方向上的位置；在第四掺杂抛物曲线中，x为第二子限制区在外延厚度方向上的位置；在第五掺杂抛物曲线中，x为第三子限制区在外延厚度方向上的位置；在第六掺
杂抛物曲线中，x为第四子波导区在外延厚度方向上的位置。
69.所述第一子限制区和第四子限制区中的掺杂浓度均匀。也就是说，第一子限制区和第四子限制区的掺杂浓度随着厚度的增加没有变化。
70.由于第三子波导区133中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第一掺杂抛物曲线，第四子波导区151中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第六掺杂抛物曲线，第二子波导区132中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递减，第五子波导区152中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递增，第一子波导区131中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第二掺杂抛物曲线，第六子波导区153中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第三掺杂抛物曲线，第二子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第四掺杂抛物曲线，第三子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第五掺杂抛物曲线，这样使得第一限制层120、第一波导层130、第二波导层150、第二限制层160的掺杂浓度与光场的匹配程度较高，进一步优化了串联电阻和内损耗，进一步提高了发光效率。
71.所述第二子波导区132朝向所述第三子波导区133的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第三子波导区133朝向所述第二子波导区132的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第一子波导区131朝向第二子波导区132的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第二子波导区132朝向第一子波导区131的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第五子波导区152朝向第四子波导区151的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第四子波导区151朝向第五子波导区152的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第六子波导区153朝向第五子波导区152的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第五子波导区152朝向所述第六子波导区153的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第一限制层120朝向所述第一子波导区131的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于所述第一子波导区131朝向第一限制层120的表面边界处对应的掺杂浓度；所述第二限制层160朝向第六子波导区153的表面边界处对应的掺杂浓度大于或等于第六子波导区153朝向第二限制层160的表面边界处对应的掺杂浓度。
72.第二子波导区132中的掺杂浓度随着外延厚度的增加线性递减的斜率的绝对值和第五子波导区152中的掺杂浓度随着外延厚度的增加线性递增的斜率的绝对值不相等。
73.在一个实施例中，和不相等。
74.在一个实施例中，和不相等。
75.在一个实施例中，和不相等。
76.在一个实施例中，第三子波导区133朝向所述有源层140的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e16atom/cm3~10e16atom/cm3。
77.在一个实施例中，第四子波导区151朝向所述有源层140的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e16atom/cm3~10e16atom/cm3。
78.在一个实施例中，所述第二子限制区背向第一子波导区131的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e18atom/cm3~10e18atom/cm3。
79.在一个实施例中，所述第三子限制区背向第六子波导区153的表面边界处对应的掺杂浓度为0.1e18atom/cm3~10e18atom/cm3。
80.在一个实施例中，第一子波导区的厚度为第一波导层的厚度的3%-60%，第二子波导区的厚度为第一波导层的厚度的3%-80%，第三子波导区的厚度占第一波导层的厚度的3%-60%。优选的，第一子波导区的厚度为第一波导层的厚度的22%-28%；第二子波导区的厚度为第一波导层的厚度的48%-52%，第三子波导区的厚度占第一波导层的厚度的22%-28%。
81.在一个实施例中，第四子波导区的厚度为第二波导层的厚度的3%-60%，第五子波导区的厚度为第二波导层的厚度的3%-80%，第六子波导区的厚度占第一波导层的厚度的3%-60%。优选的，第四子波导区的厚度为第二波导层的厚度的22%-28%，第五子波导区的厚度为第二波导层的厚度的48%-52%，第六子波导区的厚度占第一波导层的厚度的22%-28%。
82.对比例提供的半导体结构包括：半导体衬底层；位于半导体衬底层上的缓冲层、第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层、第二限制层和欧姆接触半导体层。对比例中的半导体衬底层和本发明的半导体衬底层一致，对比例中的缓冲层和本发明的缓冲层一致，比例中的欧姆接触半导体层和本发明的欧姆接触半导体层一致。对比例的半导体结构中，从有源层向第一限制层的掺杂浓度递增，从有源层向第二限制层的掺杂浓度递增。
83.参考图3，图3为对比例的半导体结构的电阻积分曲线（图3中的虚线所示）与本发明提供的低内损耗低电阻高效率半导体结构的电阻积分曲线（图3中的实线所示）的对比图。图3中的横轴为外延厚度方向，横轴自左至右的方向代表自半导体衬底层至第二限制层的方向。由图3可知，相对于对比例，本发明的半导体结构在第一限制层120和第一波导层130的电阻增加较慢，在第二波导层150和第二限制层160电阻增加较快，整体电阻基本保持不变。
84.参考图4，图4为对比例的半导体结构的内损耗积分曲线（图4中的虚线所示）与本发明提供的低内损耗低电阻高效率半导体结构的内损耗积分曲线（图3中的实线所示）的对比图。图4中的横轴为外延厚度方向，横轴自左至右的方向代表自半导体衬底层至第二限制层的方向。由图4可知，相对于对比例，本发明的半导体结构在第一限制层120和第一波导层130的内损耗较低，在第二波导层150和第二限制层160的内耗较低，本发明的半导体结构的整体内耗下降明显。
85.本发明另一实施例提供一种大功率超高效率的半导体器件，包括以下步骤：s1:提供半导体衬底层；s2:在所述半导体衬底层上形成第一限制层；s3：在所述第一限制层背离所述半导体衬底层的一侧形成第一波导层；s4：在所述第一波导层背离所述半导体衬底层的一侧形成有源层；s5：在所述有源层背离所述第一波导层的一侧形成第二波导层；s6：在所述第二波导层背离所述有源层的一侧形成第二限制层；第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层、第二限制层中具有特征光场，在外延厚度方向上，第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层的掺杂浓度随着特征光场的强度的增加而降低。
86.形成所述第一波导层的步骤包括：在所述第一限制层背离所述半导体衬底层的一
侧形成第一子波导区；在所述第一子波导区背离半导体衬底层的一侧形成第二子波导区；在所述第二子波导区背离半导体衬底层的一侧形成第三子波导区。
87.形成所述第二波导层的步骤包括：在所述有源层背离所述第一波导层的一侧形成第四子波导区；在所述第四子波导区背离所述有源层的一侧形成第五子波导区；在所述第五子波导区背离所述有源层的一侧形成第六子波导区。
88.形成所述第一限制层的步骤包括：在所述半导体衬底层上形成第一子限制区；在所述第一子限制区背离所述半导体衬底层的一侧形成第二子限制区。
89.形成所述第二限制层的步骤包括：在所述第二波导层背离所述有源层的一侧形成第三子限制区；在所述第三子限制区背离所述有源层的一侧形成第四子限制区。
90.第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层中的掺杂浓度的描述参照前述内容，不再详述。
91.本发明在大功率超高效率的半导体器件的外延设计过程中，第一步：针对某波长的某种特性的半导体结构，设计第一波导层、第二导层、第一限制层、第二限制层的材料组分；第二步：设计第一波导层、第二波导层、第一限制层、第二限制层的厚度；第三步：设计第一波导层、第二波导层、第一限制层、第二限制层的掺杂浓度；第一步、第二步固定，获得半导体结构的光场强度一般在第一波导层中是近高斯分布。
92.本发明对第三步的设计进行了优化，对第一波导层、第二波导层、第一限制层、第二限制层中的掺杂浓度进行了函数式设计，掺杂浓度的函数形状根据光场形状设置。
93.将光场强度i与位置（外延厚度方向）的关系设成函数，x是外延厚度方向上的位置；。设计掺杂浓度时，将掺杂浓度同样设计成位置（外延厚度方向）的函数，n型掺杂和p型掺杂统一为n，。
94.将串联电阻和内损耗公式代入电光转换效率公式，并将内损耗和串联电阻用n（x）和i（x）的积分表示。
95.。
96.对于一个明确的半导体结构设计，第一波导层的厚度、第二波导层的厚度、组分、有源层位置以及腔长、反射率等已确定，则以上表达式中大部分参数，如：内量子效率ηi、腔面损耗αm、开启电压ud、阈值电流i
th
、第一波导层的散射界面σn、第二波导层的散射界面σ
p
、电子迁移率μn、空穴迁移率μ
p
、电子电荷量q、普朗克常数h、光子角频率ω、外延结构的电流面积s、外延各层厚度dj、工作电流i
op
是确定值。αi是内损耗，rs是串联电阻，η是电光转换效率。nj为n型掺杂浓度，pj为p型掺杂浓度。将以上式中确定值合并为常数，且将上式做倒数。
97.（式1）
其中，，。
98.为获得最优的电光转换效率，n（x）的设置需要使上式获得最小值，需要进行迭代数值解析。具体的，获得i（x）以及公式中其他常量；（b）在i（x）最大点设计最小的n（x），在i（x）向两侧逐渐下降的过程中设计逐渐增大的n（x）；（c）通过迭代数值解析等方法，优化n（x），使1/η公式越来越小。最终形成的n（x）曲线。
99.通过迭代数值解析等方法，优化n（x）的过程包括：设立最初的第二子限制区、第一子波导区、第二子波导区、第三子波导区、有源层、第四子波导区、第五子波导区、第六子波导区和第三子限制区共九段的掺杂公式，具体的，第三子波导区133中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第一掺杂抛物曲线的递减区，第四子波导区151中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第六掺杂抛物曲线的递增区，第二子波导区132中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递减，第五子波导区152中的掺杂浓度随着外延厚度的增加而线性递增，第一子波导区131中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第二掺杂抛物曲线的递减区，第六子波导区153中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第三掺杂抛物曲线的递增区，第二子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第四掺杂抛物曲线的递减区，第三子限制区中的掺杂浓度随着外延厚度方向上的位置的变化满足第五掺杂抛物曲线的递增区，然后带入上式求得1/η；判断是吸收损耗影响（式1中的第一个括号内）还是串联电阻影响（式1中的第二个括号内）对1/η达到最小影响更大，具体方法是微调中九段的掺杂公式中任意一段的掺杂公式的系数，增加任意一段的掺杂浓度，观察1/η是增加还是减小，若增加任意一段的掺杂浓度，1/η减小，则说明该段的串联电阻影响比吸收损耗更大，需要提高n（x）减小串联电阻，来继续降低1/η，将任意一段的掺杂公式的系数均调试至1/η为最小时，则该段掺杂公式达到串联电阻和吸收损耗的平衡，达到初步理想状态；完成每段掺杂公式的系数的调试；将每一段的边界位置进行调节，观察1/η的变化，直至1/η达到最小；将每一段的边界位置均移动直至到1/η的平衡状态；重复每段掺杂公式的系数的调试和每一段的边界位置的调试，直至每段掺杂公式的系数稳定且每一段的边界位置稳定。
100.采用金属有机化学气相沉积（mocvd）外延生长第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层和第二限制层。为第一限制层、第一波导层、第二波导层和第二限制层的金属有机化学气相沉积设计掺杂气源的流量，实现掺杂气源的流量的变化控制，实现掺杂的函数控制。根据每一段的掺杂曲线n（x），推导出掺杂气源的流量同生长时间的函数关系，将此掺杂气源的流量同生长时间的函数关系设定到mocvd设备程序中，即在生长过程中实现函数
式掺杂变化。
101.形成第三子波导区过程中掺杂气源l
11
（t）的流量随时间的变化满足第一流量抛物曲线l
11
（t）=a
11*
t
2-b
11*
t c
11
的递减区，a
11
大于零。a
11
、b
11
和c
11
为第一流量抛物曲线的系数。
102.形成第二子波导区过程中掺杂气源的流量随时间的增加而线性递减，第五子波导区过程中掺杂气源的流量随时间的增加而线性递增。
103.形成第一子波导区过程中掺杂气源的流量l
22
（t）随时间的变化满足第二流量抛物曲线l
22
（t）=a
22*
t
2-b
22*
t c
22
的递减区，a
22
小于零。a
22
、b
22
和c
22
为第二流量抛物曲线的系数。
104.形成第六子波导区过程中掺杂气源的流量l
33
（t）随时间的变化满足第三流量抛物曲线l
33
（t）=a
33*
t
2-b
33*
t c
33
的递增区，a
33
小于零。a
33
、b
33
和c
33
为第三流量抛物曲线的系数。
105.形成第二子限制区过程中掺杂气源的流量l
44
（t）随时间的变化满足第四流量抛物曲线l
44
（t）=a
44*
t
2-b
44*
t c
44
的递减区，a
44
小于零。a
44
、b
44
和c
44
为第四流量抛物曲线的系数。
106.形成第三子限制区过程中掺杂气源的流量l
55
（t）随时间的变化满足第五流量抛物曲线l
55
（t）=a
55*
t
2-b
55*
t c
55
的递增区，a
55
小于零。a
55
、b
55
和c
55
为第五流量抛物曲线的系数。
107.形成第四子波导区过程中掺杂气源l
66
（t）的流量随时间的变化满足第六流量抛物曲线l
66
（t）=a
66*
t
2-b
66*
t c
66
的递增区，a
66
大于零。a
66
、b
66
和c
66
为第六流量抛物曲线的系数。
108.其中，t为时间。
109.第一子限制区和第四子限制区中的特征光场的强度为零，形成所述第一子限制区和第四子限制区过程中掺杂气源的流量恒定。
110.在一个实施例中，第二子波导区过程中掺杂气源的流量随时间的增加而线性递减的斜率的绝对值和第五子波导区过程中掺杂气源的流量随时间的增加而线性递增的斜率的绝对值不相等。
111.在一个实施例中，a
22
和a
33
不相等。
112.在一个实施例中，a
44
和a
55
不相等。
113.在一个实施例中，a
11
和a
66
不相等。
114.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。