專利名稱：傾角附加吸收區(qū)型超輻射發(fā)光管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種半導(dǎo)體發(fā)光管。
由于半導(dǎo)體超輻射發(fā)光管具有低調(diào)制深度寬光譜、低噪聲、高功率等特性，在光纖陀螺、光纖通訊、傳感計(jì)測等領(lǐng)域中有廣泛的用途，近年來世界先進(jìn)國家爭先研制。已研制出的器件結(jié)構(gòu)種類很多，但從抑制激射的方法上大體可以分為三類。第一類是在器件鏡面鍍抗反射膜方法;第二類是使電極條和鏡面成一定傾斜角的方法;第三類是加吸收區(qū)的方法。第一類方法要求鏡面反射率低至10-5，抗反射膜的質(zhì)量和精度要求很高，工藝難度較大。第二類方法要求角度嚴(yán)格控制，且對折射率導(dǎo)引結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差。第三類方法容易發(fā)生吸收飽和而激射，超輻射工作范圍小。為此，許多器件在采用傾斜角或吸收區(qū)方法的同時(shí)也鍍抗反射膜，但上述問題仍解決得不好。
本發(fā)明正是為了克服上述困難而提出來的，本發(fā)明提出在使電極條和鏡面成一定的傾斜角同時(shí)又附加吸收區(qū)雙重抑制激射的方法。本發(fā)明的方案適應(yīng)于已有的所有可改制成超輻射發(fā)光管的條形雙異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu);適用于已采用第二類、第三類方法研制出的超輻射發(fā)光管;適應(yīng)于GaAlAs-GaAs系材料，也適應(yīng)于InGaAsP-InP系材料和InGaAs-GaAs量子阱材料器件。例如適用于氧化物條形(OS)、平面條形(PS)、山字臺(tái)形、質(zhì)子轟擊條形結(jié)構(gòu);適用于隱埋條形(BH)、溝道襯底條形(CS)、溝道襯底窄條形(CNS)、溝道襯底平面條形(CSP)、梯形襯底(TS)、壓縮形(CDH)結(jié)構(gòu);適用于平凸波導(dǎo)(PCW)結(jié)構(gòu)、V型溝襯底內(nèi)條形(VSIS)、雙溝道平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DC-PBH)、V型溝道襯底掩埋(VSB)等等結(jié)構(gòu)的雙異質(zhì)結(jié)激光器改制成超輻射發(fā)光管。這種傾角附加吸收區(qū)抑制激射的方法，可以適當(dāng)減少吸收區(qū)占整個(gè)腔長的比例，如減至1/5～1/4，而不象單純用吸收區(qū)方法時(shí)，吸收區(qū)要占整個(gè)腔長的1/3～1/2。
為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的方法，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例如下1.質(zhì)子轟擊傾角附加吸收區(qū)條形結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，質(zhì)子轟擊形成的條形電極和鏡面成一定的角度θ，同時(shí)附加一個(gè)沒有接觸電極或用SiO2或Si3N4隔離開的不通電流的非注入吸收區(qū)。以GaAlAs-GaAs系材料為例簡述一下工藝過程。采用n型GaAs襯底，在(100)面用液相外延(LPE)或金屬有機(jī)化合物氣相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)依次生長出n型AlxGa1-xAs下限制層、AlyGa1-yAs有源層、P型AlxGa1-xAs上限制層、P型GaAs蓋層。外延片生長好后進(jìn)行擴(kuò)Zn、P面蒸Au-Zn-Au(或其它金屬)形成歐姆接觸，為了形成吸收區(qū)沿[110]方向刻蝕或用光刻膠剝離工藝(lift-off)去掉寬度為1/5～1/2腔長比例的金屬層，或者不去掉這條金屬而在這條金屬層下面和外延片之間用SiO2或Si3N4進(jìn)行隔離。然后減薄至80～100μm厚，n面蒸Au-Ge-Ni。之后用鎢絲做掩膜進(jìn)行質(zhì)子轟擊，鎢絲不能正好垂直解理面(110)面，要偏差一個(gè)角度θ，θ角可在2°～10°之間選擇，最后解理組裝。
2.分段壓縮平面復(fù)合腔傾角附加吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)是在分段壓縮平面復(fù)合腔激光器的基礎(chǔ)上改制成的，工藝過程和該種結(jié)構(gòu)激光器制作工藝相同，詳細(xì)工藝過程可參照“復(fù)合腔波導(dǎo)互補(bǔ)激光器”專利(專利號(hào)85-1-02608.7)，所不同的是襯底腐蝕的雙溝及電極條與
方向成一定角度θ，同時(shí)只在器件部分區(qū)段做成電極條，有1/5～1/2腔長比例的區(qū)段沒有電極條而成為吸收區(qū)。為了提高耦合效率出光面做成壓縮形結(jié)構(gòu)，吸收區(qū)放在平面結(jié)構(gòu)部分，這樣還可以加強(qiáng)吸收作用。θ角可在0°～10°范圍選擇，如果θ角選為0°，就變成只有吸收區(qū)沒有傾斜角結(jié)構(gòu)了。具體工藝簡述如下，選用n型GaAs襯底，生長面和(100)面要偏差0.5°～1°角，沿與
方向成一傾斜角θ(θ可在0°～10°范圍選擇)的方向分段腐蝕出深4～5μm的倒梯形雙溝槽，兩溝間距為30～40μm。用液相外延進(jìn)行晶體生長，第一層為n型AlxGa1-xAs下限制層，第二層為AlyGa1-yAs有源層，第三層為P型AlxGa1-xAs上限制層，第四層P型GaAs蓋層。外延片制備好后淀積掩膜，光刻出一段段的電極窗口，擴(kuò)Zn，P面蒸電極，減薄，n面蒸電極、合金、解理組裝。電極條寬為5～10μm，沒有電極條的吸收區(qū)占整個(gè)腔長的1/5～1/2。
3.分段梳狀掩埋平面復(fù)合腔傾角附加吸收區(qū)結(jié)構(gòu)。掩埋條形結(jié)構(gòu)有較高的耦合效率，但是兩次外延的掩埋條形結(jié)構(gòu)工藝太復(fù)雜，為此在改進(jìn)的一次外延的梳狀掩埋條形基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了這種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。工藝過程是，在n型GaAs襯底片(100)面上，沿與[110]方向成θ角(θ可在0°～10°之間選擇)的方向淀積、光刻出兩條間距5～10μm、寬5～10μm的SiO2(或Si3N4)薄膜，其長度按器件腔長的1/5～1/3設(shè)計(jì)。用液相外延生長出n-AlxGa1-xAs，AlyGa1-yAs、P-AlxGa1-xAs，P-GaAs層。然后在外延片上淀積SiO2(或Si3N4)膜，再光刻出一段段的電極窗口，電極的長度占整個(gè)腔長的1/2～4/5，然后擴(kuò)Zn，做歐姆接觸，組裝工藝。
4.階梯襯底內(nèi)條形傾角附加吸收區(qū)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)是在階梯襯底內(nèi)條形激光器的基礎(chǔ)上改制成的，工藝過程和該結(jié)構(gòu)激光器制作工藝相同。詳細(xì)工藝過程可參照“階梯襯底內(nèi)條形激光器”專利(專利號(hào)87-1-03851·X)，所不同的是只在整個(gè)腔長1/2～4/5的區(qū)段內(nèi)腐蝕出倒梯形階梯，同時(shí)階梯的方向可與
方向有一定的傾角θ(θ可為0°～10°)。具體工藝簡介如下，選用P型GaAs單晶片，生長面為(100)面，沿與
方向相差θ(θ可在0°～10°內(nèi)選擇)的方向分段腐蝕出高2～4μm的倒梯形寬臺(tái)，其余部分腐蝕形成平坦的平面，臺(tái)寬按管芯寬度設(shè)計(jì)，兩管芯利用一個(gè)臺(tái)(100～500μm均可)，臺(tái)的長度按腔長1/2～4/5設(shè)計(jì)。液相外延一次生長五層，第一層為n型GaAs電流隔離層，要控制一定的過冷度，生長時(shí)間要短，以使倒梯形階梯肩角處生長不上形成電流通路，其余的平坦地方電流不通，這樣可形成電流的側(cè)向隔離和縱向的吸收區(qū)。第二層為P-AlxGa1-xAs下限制層，第三層為AlyGa1-yAs有源層，第四層為n-AlxGa1-xAs上限制層，第五層為n-GaAs蓋層。外延片生長好后即可進(jìn)行歐姆接觸和組裝工藝了。
以上幾種結(jié)構(gòu)中限制層的Al組分x值在0.3～0.5之間。有源區(qū)y值視所需波長決定，可在0～0.2之間選擇。這些結(jié)構(gòu)器件也適用于InP襯底材料制作的1.1～1.6μm波長器件。這些結(jié)構(gòu)還可以同時(shí)蒸鍍抗反射膜以進(jìn)一步提高性能。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的超輻射發(fā)光管和目前世界上報(bào)道的結(jié)構(gòu)相比具有抑制激射能力強(qiáng)，可以形成較大電流、功率范圍的超輻射發(fā)光，有較低的光譜調(diào)制深度，同時(shí)具有工藝過程少，工藝難度低，成品率高、節(jié)約外延片的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為質(zhì)子轟擊傾角附加吸收區(qū)條形結(jié)構(gòu)。圖2為分段壓縮平面復(fù)合腔傾角附加吸收區(qū)結(jié)構(gòu)。圖3為分段梳狀掩埋平面復(fù)合腔傾角附加吸收區(qū)結(jié)構(gòu)。圖4為階梯襯底內(nèi)條形傾角附加吸收區(qū)結(jié)構(gòu)。圖1～3中部件1為襯底，對于(AlGa)As三元系器件襯底為n型GaAs單晶片，對于InGaAsP四元系器件襯底為n型InP單晶片;部件2為下限制層，對應(yīng)三、四元系材料分別為n型AlxGa1-xAs外延層和n型InP外延層;部件3為有源層，對兩種材料分別對應(yīng)為AlyGa1-yAs、InGaAsP外延層;部件4為上限制層，分別對應(yīng)P型AlxGa1-xAs、P型InP外延層;部件5為蓋層，分別對應(yīng)P型GaAs、P型InGaAsP外延層。x值為0.3～0.5之間選擇，y值為0～0.2之間選擇。圖1中部件6為金屬上電極，7為質(zhì)子轟擊區(qū)，8為鎢絲掩蔽沒有轟擊到的電流注入?yún)^(qū)，9為沒有上電極(或用SiO2、Si3N4隔離)的吸收區(qū)。圖2、3中，10為SiO2膜(或Si3N4膜)，11為光刻出的電極窗口。圖3中12為外延前淀積的SiO2膜(或Si3N4膜)，外延時(shí)保留處。圖4中部件1為P型GaAs(或InP)襯底，13為n型GaAs(或InP)電流隔離層，2為P型AlxGa1-xAs(或InP)下限制層，3為AlyGa1-yAs(或InGaAsP)有源層，4為n型AlxGa1-xAs(或InP)上限制層，5為n型GaAs(或InGaAsP)蓋層，8為電流注入?yún)^(qū)，9為吸收區(qū)。
權(quán)利要求
1.一種由在半導(dǎo)體材料襯底上外延生長的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體發(fā)光管，其中有一層或多層形成有源區(qū)，在有源區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合產(chǎn)生輻射發(fā)射，為抑制激射，電極條和鏡面成一定的傾斜角，本發(fā)明的特征在于附加一段沒有載流子注入的吸收區(qū)。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的發(fā)光管，其特征在于質(zhì)子轟擊形成條形電流注入?yún)^(qū)，由腐蝕去掉，或用光刻剝離技術(shù)去掉部分區(qū)段電極金屬形成吸收區(qū)。
3.一種按照權(quán)利要求2所述的發(fā)光管，其特征在于將外延片和電極金屬之間部分區(qū)段淀積上SiO2(或Si3N4)進(jìn)行隔離形成吸收區(qū)。
4.一種按照權(quán)利要求1所述的發(fā)光管，其特征在于器件采用分段壓縮平面復(fù)合腔結(jié)構(gòu)。
5.一種按照權(quán)利要求4所述的發(fā)光管，其特征在于出光端為壓縮形結(jié)構(gòu)，吸收區(qū)在平面結(jié)構(gòu)部分。
6.一種按照權(quán)利要求1所述的發(fā)光管，其特征在于器件采用分段梳狀掩埋平面復(fù)合腔結(jié)構(gòu)。
7.一種按照權(quán)利要求6所述的發(fā)光管，其特征在于出光端面為梳狀掩埋結(jié)構(gòu)，吸收區(qū)在平面結(jié)構(gòu)部分。
8.一種按照權(quán)利要求1所述的發(fā)光管，其特征在于器件采用階梯襯底內(nèi)條形結(jié)構(gòu)及工藝過程。
9.一種按照權(quán)利要求8所述的發(fā)光管，其特征在于P型襯底被分段腐蝕成倒梯形寬臺(tái)，其余部分腐蝕成平坦的平面。
10.一種按照權(quán)利要求8所述的發(fā)光管，其特征在于腐蝕的倒梯形寬臺(tái)與
方向相差θ角，θ角可在0°～10°之間選擇。
全文摘要
本發(fā)明為一種雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光管。這種發(fā)光管是在雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上采用電極條和鏡面成一定傾斜角再加上一段吸收區(qū)的方法來抑制激射的產(chǎn)生，從而形成單程增益的超輻射發(fā)光管。其優(yōu)點(diǎn)是激射抑制能力強(qiáng)，可以形成較大電流、功率范圍的超輻射發(fā)光，有較低的光譜調(diào)制深度；可減少工藝難度，提高成品率，節(jié)約外延片。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1068682SQ9210359
公開日1993年2月3日 申請日期1992年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月19日
發(fā)明者杜國同 申請人:吉林大學(xué)