輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法
【專利摘要】一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，包括：在襯底上依次生長緩沖層、n型摻雜的折射率漸變層、n型摻雜的下包層、n型摻雜的下波導層、有源區(qū)、p型摻雜的上波導層、p型摻雜的上包層、p型摻雜的折射率漸變層和p型重摻雜接觸層，形成外延片；在外延片上向下刻蝕，形成凸起漏斗型臺面；在其上表面生長絕緣介質膜，刻蝕絕緣介質膜，在外延片上面制備p型電極；在其上橫向刻蝕出兩個電隔離區(qū)，使其被分割成三個功能區(qū)，完成制備。本發(fā)明可實現(xiàn)器件在實際應用中可以在保持輸出光譜形狀基本不變的條件下在一定范圍內調節(jié)其輸出功率大小。
【專利說明】輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電子材料和器件【技術領域】，特別是用于超輻射發(fā)光二極管的制作方法，尤其涉及一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法。
【背景技術】
[0002]半導體超輻射發(fā)光二極管(SLD)是一種具有內增益的非相干寬帶光源，其光學特性介于半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)之間。其具有大功率、寬光譜、弱時間相干性和高光纖耦合效率等特點，在光纖陀螺儀、光學測試設備、光纖傳感系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、光學層析成像方面有著廣泛的應用。目前雖然已經(jīng)研制出很多種不同結構的超輻射發(fā)光二極管，其大多數(shù)主要是側重抑制光反饋或拓寬光譜譜寬。而對于器件輸出功率的控制也僅是通過調節(jié)注入電流的大小，這樣一方面很難保證輸出光譜的形狀，另一方面無法實現(xiàn)輸出功率和光譜形狀的獨立調節(jié)。
[0003]基于相關文獻(QiAn et al.The effect of double-pass gain on theperformances of a quantum-dot superluminescent diode integrated with asemiconductor optical amplifier, J.Lightw.Technol., 2012, 30 (16):2684-2688)報道的傾斜條形超輻射區(qū)與錐形光放大區(qū)集成的雙區(qū)SLD存在雙程增益的工作機制，本發(fā)明通過增加一吸收區(qū)，工作時給其施加反偏電壓。通過調節(jié)吸收區(qū)反偏電壓大小來控制光反饋強度的大小，通過調節(jié)兩個電流注入?yún)^(qū)電流的大小來保證輸出光譜的形狀，從而實現(xiàn)器件工作時的輸出功率和光譜形狀的獨立調節(jié)。在實際應用中，可以實現(xiàn)在保持輸出光譜形狀基本不變的條件下在一定范圍內調節(jié)其輸出功率大小。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其可實現(xiàn)器件在實際應用中可以在保持輸出光譜形狀基本不變的條件下在一定范圍內調節(jié)其輸出功率大小。
[0005]本發(fā)明提供一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其制作步驟具體如下:
[0006]步驟1:在襯底上依次生長緩沖層、η型摻雜的折射率漸變層、η型摻雜的下包層、η型摻雜的下波導層、有源區(qū)、P型摻雜的上波導層、P型摻雜的上包層、P型摻雜的折射率漸變層和P型重摻雜接觸層，形成外延片；
[0007]步驟2:在外延片的P型重摻雜接觸層上向下進行刻蝕，刻蝕深度到達P型摻雜的上波導層或η型摻雜的下波導層，制作出凸起漏斗型臺面，漏斗型臺面的中心線相對于外延片的縱向中心線的夾角為α ;漏斗型臺面的錐形張角為β ;
[0008]步驟3:在制作出漏斗型臺面的外延片的上表面生長絕緣介質膜，然后在絕緣介質膜上進行刻蝕，去掉漏斗型臺面中間部分的絕緣介質膜，保留漏斗型臺面邊緣部分的絕緣介質膜，在漏斗型臺面上制作出電極窗口 ；[0009]步驟4:在開有電極窗口的外延片上面制備p型電極；
[0010]步驟5:在制備有P型電極的外延片上橫向刻蝕兩個電隔離區(qū)，刻蝕深度到達P型摻雜的折射率漸變層，使漏斗型臺面被分割成三個功能區(qū):吸收區(qū)、超輻射區(qū)和放大區(qū)；
[0011]步驟6:將外延片的襯底一側減薄、拋光后制備η型電極，形成芯片；
[0012]步驟7:將芯片解離成管芯，裝焊封裝，完成制備。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，在實際應用中，可以實現(xiàn)在保持輸出光譜形狀基本不變的條件下在一定范圍內調節(jié)其輸出功率大小。同時，利用錐形放大區(qū)結構的特點對其施加較大正向電流實現(xiàn)大功率的輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，其中:
[0015]圖1為本發(fā)明的制備流程圖；
[0016]圖2為本發(fā)明提供的器件外延片生長結構圖；
[0017]圖3和圖4為本發(fā)明提供的制備輸出功率和光譜形狀獨立可調的大功率半導體超輻射發(fā)光二極管器件的示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明提供的輸出功率和光譜形狀獨立可調的大功率半導體超輻射發(fā)光二極管器件的結構示意圖；
[0019]圖6為本發(fā)明提供的輸出功率和光譜形狀獨立可調的大功率半導體超輻射發(fā)光二極管器件工作時的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面首先介紹本發(fā)明的實現(xiàn)原理:對于傾斜條形超輻射區(qū)與錐形光放大區(qū)集成的雙區(qū)超輻射發(fā)光管器件工作時內部存在一雙程增益的過程:由放大區(qū)輸出端面反射回來的一部分逆向光波由放大區(qū)耦合進入超輻射區(qū)，經(jīng)超輻射區(qū)端面反射后返回到放大區(qū)，經(jīng)歷二次增益，被再次放大。而超輻射區(qū)對于不同能態(tài)的光的反饋強度不同，通過改變超輻射區(qū)的注入電流可以改變其反饋情況，但是這樣對輸出光譜形狀和輸出功率均有影響，無法實現(xiàn)輸出功率和光譜形狀的獨立調節(jié)。而增加一吸收區(qū)后，器件工作時，給吸收區(qū)施加反偏電壓，通過調節(jié)反偏電壓大小就可以控制光反饋強度的大小，通過調節(jié)兩個電流注入?yún)^(qū)電流的大小來保證輸出光譜的譜形，從而實現(xiàn)在保持輸出光譜形狀基本不變的條件下在一定范圍內調節(jié)其輸出功率大小。同時，利用錐形放大區(qū)結構的特點對其施加較大的正向電流實現(xiàn)大功率的輸出。
[0021]請參閱圖1、圖2圖5所示，基于上述原理，本發(fā)明提供一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其制作步驟具體如下:
[0022]步驟1:在襯底101上采用外延技術，如分子束外延技術或金屬有機化學氣相沉積技術，依次生長緩沖層102、η型摻雜的折射率漸變層103、η型摻雜的下包層104、η型摻雜的下波導層105、有源區(qū)106、P型摻雜的上波導層107、P型摻雜的上包層108、ρ型摻雜的折射率漸變層109和ρ型重摻雜接觸層110，形成外延片I ;其中所述襯底101為GaAs材料或InP材料，有源區(qū)106為量子點或量子阱，ρ型重摻雜接觸層110厚度一般為幾百個納米，摻雜濃度一般大于l*1019cm_3 ；
[0023]步驟2:在外延片I的ρ型重摻雜接觸層110上向下進行刻蝕，所述的刻蝕可以是濕法腐蝕或干法刻蝕，濕法腐蝕的掩蔽層可以選用光刻膠，干法刻蝕的掩蔽層可以選用二氧化硅；刻蝕深度到達P型摻雜的上波導層107或η型摻雜的下波導層105，其中刻蝕深度到達P型摻雜的上波導層107的器件的光損耗較小，刻蝕深度到達η型摻雜的下波導層105的器件的光限制作用較強，制作出凸起漏斗型臺面11 ;漏斗型臺面11的中心線1101相對于外延片I的縱向中心線的夾角為α ;漏斗型臺面11的錐形張角為β ;該漏斗型臺面11的中心線1101與外延片I的縱向中心線α為3度-10度，漏斗型臺面11的錐形張角β為3度-10度；
[0024]步驟3:在制作出漏斗型臺面11的外延片I的上表面生長絕緣介質膜12，生長厚度為400-450nm，然后在絕緣介質膜12上進行刻蝕，所述的刻蝕可以是濕法腐蝕或干法刻蝕，濕法腐蝕和干法刻蝕的掩蔽層均可選用光刻膠，去掉漏斗型臺面11中間部分的絕緣介質膜12，保留漏斗型臺面11邊緣部分的絕緣介質膜12，在漏斗型臺面11上制作出電極窗口 13，電極窗口 13的形狀與凸起漏斗型臺面11形狀相似；所述絕緣介質膜12的材料為二氧化硅、氮化硅、氮化鋁或金剛石，生長方法可以采用化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積；
[0025]步驟4:在開有電極窗口 13的外延片I上面制備Ti / Au體系的ρ型電極，首先采用電子束蒸發(fā)技術依次蒸發(fā)50nm的鈦層和250nm的金層，然后電鍍300_1000nm的金層，電鍍電流可以為0.3mA-0.8mA ；
[0026]步驟5:在制備有ρ型電極的外延片I上橫向刻蝕兩個電隔離區(qū)141和142，所述的刻蝕可以是濕法腐蝕或干法刻蝕；若是選用濕法腐蝕，可用光刻膠做掩蔽層，依次用相應腐蝕液腐蝕掉Au、T1、Si02、p型重摻雜接觸層110，腐蝕至ρ型摻雜的折射率漸變層109 ;若是選用干法刻蝕，刻蝕深度到達P型摻雜的折射率漸變層109 ;使漏斗型臺面11被分割成三個功能區(qū):吸收區(qū)111、超輻射區(qū)112和放大區(qū)113，其中吸收區(qū)111為傾斜條形，超輻射區(qū)112為傾斜條形,放大區(qū)為傾斜錐形,該電隔離區(qū)141和142的寬度為5-30 μ m,所述吸收區(qū)111的長度為0.l_5mm，該吸收區(qū)111上的漏斗型臺面11的寬度為寬度2-200 μ m，該超輻射區(qū)112的長度為0.l_5mm，該超輻射區(qū)112上的漏斗型臺面11的寬度為2-200 μ m，該放大區(qū)113的長度為0.1-5mm ；
[0027]步驟6:根據(jù)生長的外延片I的實際厚度將其襯底101 —側采用金剛砂減薄至適當厚度，然后使用拋光液對其進行第一次化學拋光，使用白剛玉粉對其進行機械拋光直至襯底101 —側表面光亮平整無明顯劃痕為止，再使用拋光液對其進行第二次化學拋光；采用燈絲熱蒸發(fā)方法制備AuGeNi / Au體系的η型電極,依次蒸發(fā)AuGeNi合金和Au ;蒸發(fā)完成后，采用快速熱退火方法在氮氣氣氛中對P型電極和η型電極同時進行合金化處理；形成
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心片；
[0028]步驟7:按所需腔長將芯片解離成管芯，然后裝焊在熱沉的鍍銦層上，放入燒結爐中進行燒結，最后在管芯上壓焊引線，完成制備。
[0029]參閱圖6所示，工作時，給吸收區(qū)111施加反偏電壓，超輻射區(qū)112和放大區(qū)113分別施加正向電流。通過調節(jié)吸收區(qū)111反偏電壓大小來控制光反饋強度的大小，通過調節(jié)超輻射區(qū)112和放大區(qū)113電流的大小來保證輸出光譜的形狀，從而實現(xiàn)器件工作時的輸出功率和光譜形狀的獨立調節(jié)。在實際應用中，可以實現(xiàn)在保持輸出光譜形狀基本不變的條件下在一定范圍內調節(jié)其輸出功率大小。同時，利用放大區(qū)113的錐形結構特點對其施加較大正向電流實現(xiàn)大功率的輸出。
[0030]雖然參照上述【具體實施方式】詳細地描述了本發(fā)明，但是應該理解本發(fā)明并不限于所公開的實施方式，對于本專業(yè)領域的技術人員來說，可對其形式和細節(jié)進行各種改變。例如，功能區(qū)可以不止包含一個超輻射區(qū)和一個放大區(qū)，可以根據(jù)實際情況增加其數(shù)量。
[0031]總之，以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其制作步驟具體如下: 步驟1:在襯底上依次生長緩沖層、η型摻雜的折射率漸變層、η型摻雜的下包層、η型摻雜的下波導層、有源區(qū)、P型摻雜的上波導層、P型摻雜的上包層、P型摻雜的折射率漸變層和P型重摻雜接觸層，形成外延片； 步驟2:在外延片的P型重摻雜接觸層上向下進行刻蝕，刻蝕深度到達P型摻雜的上波導層或η型摻雜的下波導層，制作出凸起漏斗型臺面，漏斗型臺面的中心線相對于外延片的縱向中心線的夾角為α ;漏斗型臺面的錐形張角為β ； 步驟3:在制作出漏斗型臺面的外延片的上表面生長絕緣介質膜，然后在絕緣介質膜上進行刻蝕，去掉漏斗型臺面中間部分的絕緣介質膜，保留漏斗型臺面邊緣部分的絕緣介質膜，在漏斗型臺面上制作出電極窗口 ； 步驟4:在開有電極窗口的外延片上面制備P型電極； 步驟5:在制備有P型電極的外延片上橫向刻蝕兩個電隔離區(qū)，刻蝕深度到達P型摻雜的折射率漸變層，使漏斗型臺面被分割成三個功能區(qū):吸收區(qū)、超輻射區(qū)和放大區(qū)； 步驟6:將外延片的襯底一側減薄、拋光后制備η型電極，形成芯片； 步驟7:將芯片解離成管芯，裝焊封裝，完成制備。
2.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中所述有源區(qū)為量子點或量子阱。
3.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中漏斗型臺面的中心線與外延片的縱向中心線α為3度-10度，漏斗型臺面的錐形張角β為3度-10度。
4.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中絕緣介質膜的材料為二氧化硅、氮化硅、氮化鋁或金剛石。
5.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中電隔離區(qū)的寬度為5-30 μ mo
6.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中吸收區(qū)的長度為0.該吸收區(qū)上的漏斗型臺面的寬度為寬度2-200 μ m。
7.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中超輻射區(qū)的長度為0.1-5_，該超輻射區(qū)上的漏斗型臺面的寬度為2-200 μ m。
8.如權利要求1所述的輸出功率和光譜形狀獨立可調的發(fā)光二極管的制作方法，其中放大區(qū)的長度為0.l-5mm。
【文檔編號】H01L33/24GK103824920SQ201410083290
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權日:2014年3月7日
【發(fā)明者】陳紅梅, 金鵬, 王占國 申請人:中國科學院半導體研究所