專利名稱：一種超輻射發光二極管的制作方法及其發光二極管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超輻射發光二極管及制作方法及其發光二極管，屬于有源半導體發光器件技術領域。
背景技術：
半導體超輻射發光二極管是一種自發輻射的單程光放大器件，其光學性能介于激光器和發光二極管之間。由于超輻射發光二極管具有寬光譜、短相干長度等特點，被廣泛用于光纖陀螺、光時域反射儀及中短距離光纖通信等領域。
對于光纖通信用長波長超輻射光源，通過光譜分割技術，將一連續的超輻射寬光譜光波分割成光譜寬度較窄、波長間隔相等的一系列光波，從而使長波長超輻射器件有望成為光波分復用系統的新一代光源。
半導體超輻射發光二極管的光相干長度Lcoh＝λ2/Δλ，其中Δλ為光譜譜寬，λ為其中心波長。短的光相干長度能降低光纖陀螺系統中的瑞利散射強度，提高光時域反射儀的空間分辨率。所以要求超輻射發光二極管有寬的光譜譜寬Δλ。
通常增加超輻射發光二極管光譜帶寬的方法有，采用層疊的量子阱有源區結構，即沿垂直于襯底平面的方向上，有源層的量子阱由幾組分別具有不同組分或不同厚度的材料組成。不同組分或不同厚度的量子阱材料分別具有不同的發光中心波長，而超輻射發光二極管器件的輸出光譜為這些自發輻射光譜的疊加，從而達到增加光譜帶寬的目的。但這種方法本身存在一定的局限性，因為在有源區中，長波長材料會吸收短波長材料的自發輻射光，從而使得超輻射發光二極管的發光強度降低，其光譜增加寬度也有限。第二種方法為沿發光管電流注入條區方向多次外延生長幾種不同發光中心波長的有源區材料，但這種方法需多次外延生長及光刻過程，工藝復雜，成品率低。同時，采用以上各種方法的超輻射發光二極管，在整個發光光譜帶寬范圍內，各波長的增益很難達到均衡。
發明內容
本發明提出了一種有效增加光譜帶寬且適用的方法，克服了上述通常增加光譜帶寬方法的缺陷。
本發明的技術方案寬光譜帶寬、低光譜調制深度超輻射發光二極管由半導體襯底上依次外廷生長多層異質結構組成，順次包括下限制層、有源層、上限制層、蓋帽層及電流注入條區；其中有源區沿著電流注入條區分為相鄰的多段，各段采用相同的材料組分，但各區段通過無雜質參與空位擴散量子阱混合效應使其具有不同的自發輻射波長，襯底下表面有金屬電極，不同有源區段采用同一上電極。
所述的超輻射發光二極管，其有源區沿電流注入條區由自發輻射波長分別為λ1和λ2的兩段組成。
所述的超輻射發光二極管，其有源區沿電流注入條區分為三段，距離出光端面a和b較近的兩段的自發輻射波長為λ2、λ3，中間為λ1，滿足λ1＞λ2及λ1＞λ3。
所述的超輻射發光二極管，其有源區沿電流注入條區分為n段，n≥2，各段的自發輻射波長沿某一出光方向依次遞減，即滿足λ1＞λ2＞...＞λn。
所述的超輻射發光二極管，其有源區沿電流注入條區分為m+n-1段，m、n≥2，各段的自發輻射波長從中間向兩端面分別依次遞減，即滿足λ1＞...＞λn及λ1＞...＞λm。
一種上述超輻射發光二極管的制作方法，采用量子阱有源區結構材料，通過刻蝕工藝，刻蝕出脊型波導結構，并套刻出電極窗口，然后采用蒸發或濺射方法制作上電極，并制作下金屬電極；有源區沿電流注入條區分為多段，其中一段或幾段覆蓋上介質膜，并通過快速熱退火的方法實現有源區材料的量子阱混合，使其自發輻射波長發生偏移。
本發明的優點是工藝簡單，有利于提高成品率，能有效地增加光譜帶寬，同時在整個帶寬范圍內各波長的增益容易達到均衡。
圖1為本發明的一種超輻射發光二極管結構。
圖2為其有源區及上下限制層的側面圖。兩段有源區具有不同的自發輻射波長λ1和λ2(λ1＞λ2)。
圖3為這種超輻射發光管右側的發光光譜譜圖。其光譜帶寬Δλ為Δλ1與Δλ2之和。
圖4為符合本發明的另一種超輻射發光二極管的有源區203及上下限制層202和204的剖面圖。
圖5為從左右兩側出射的發光光譜譜圖。
圖6為符合本發明的另一種超輻射發光二極管的有源區303及上下限制層302和304的剖面圖。
圖7為從右側端面出射的發光光譜譜圖。
圖8為符合本發明的另一種超輻射發光二極管的有源區403及上下限制層402和404的剖面圖。
圖9為兩出光端面出射的發光光譜譜圖。
具體實施例方式
本發明通過在發光管的某一段或幾段覆蓋上不同厚度的SiO2等介質膜及隨后熱退火方法實現有源區材料的量子阱混合，使某些區段的有源區自發輻射波長發生偏移，從而達到增加光譜帶寬的目的，同時在整個帶寬范圍內各波長的增益容易達到均衡。
本發明的方案適用于所有具有雙異質結結構的半導體超輻射發光二極管；適用于多種材料體系，如InGaAsP/InP系材料、AlGaInAs/InP系材料及AlGaAs/GaAs等材料體系；適用于各種平面有源層掩埋異質結構，如腐蝕臺面掩埋結構、雙溝平面掩埋結構、條形掩埋異質結等；適用于各種非平面有源層掩埋異質結構，如V槽襯底或溝道襯底掩埋結構、臺面襯底掩埋異質結構、掩埋新月型結構等。
本發明的新型超輻射發光二極管，屬于半導體異質結發光管，由半導體襯底上依次外延生長多層異質結構，順次包括下限制層、有源層、上限制層、蓋帽層及電流注入條區構成；其中有源區沿著電流注入條區分為相鄰的幾段，其中的某一段或幾段覆蓋上SiO2等介質膜，并輔以快速熱退火的方法實現有源區材料的量子阱混合，使其自發輻射波長發生偏移；襯底下表面有金屬電極，在電流注入條區上面有上電極。本發明的特征在于發光二極管的有源區的某一段或幾段通過無雜質參與空位擴散量子阱混合效應發生了自發輻射波長的偏移，從而實現了發光光譜譜寬的增加。
為了進一步說明本發明的技術特征，將具體的結構及工藝過程舉例說明如下圖1為本發明的一種超輻射發光二極管結構，為傾斜脊型波導結構的超輻射發光二極管，其有源區103沿電流注入條區分為相鄰的兩段110和115，其長度分別為Lλ1和Lλ2。
圖2為其有源區及上下限制層的側面圖，兩段有源區具有不同的自發輻射波長λ1和λ2(λ1＞λ2)。
圖3為這種超輻射發光管右側的發光光譜譜圖，其光譜帶寬Δλ為Δλ1與Δλ2之和。
這種結構的超輻射發光二極管的具體制作過程為，在半導體襯底100上順次生長緩沖層101、下波導層102、有源層103及上波導層104；然后在上波導層104表面沉積生長SiO2或SiNx等介質膜；然后通過通常的光刻方法刻蝕掉110區段上的介質膜；在合適的溫度下進行快速熱退火，使115有源區段材料發生量子阱混合，產生發光波長偏移，而110區段的有源區材料的發光波長基本不變或變化很小；然后將上波導層104表面介質膜層全部腐蝕掉；再在上波導層104上外延生長蓋帽層105及電極接觸層106；利用脊波導刻蝕工藝刻蝕出傾斜脊型波導結構，并套刻出電極窗口；然后采用蒸發或濺射等方法制作上電極；將襯底減薄至80～120μm厚，并制作下金屬電極。為了進一步減小端面的反射，通常還需在兩出光端面鍍上增透膜。
圖4為符合本發明的另一種超輻射發光二極管的有源區203及上下限制層202和204的剖面圖。其有源區203沿電流注入條區分為三段210、215和220，距離出光端面a和b較近的210和220兩段通過如上所述工藝過程，利用SiO2覆蓋退火增強量子阱混合效應，使其發光波長偏移，滿足λ1＞λ2及λ1＞λ3(其中λ2可以等于或者不等于λ3)。
圖5為從左右兩側出射的發光光譜譜圖，從右側出射的光譜譜寬為Δλ＝Δλ1+Δλ2，從左側出射的光譜譜寬為Δλ＝Δλ1+Δλ3，其中Δλ1、Δλ2和Δλ3分別為有源區215、220和210段的發光光譜譜寬。
圖6為符合本發明的另一種超輻射發光二極管的有源區303及上下限制層302和304的剖面圖。其有源區303沿電流注入條區分為n(n≥2)段310、315、...320，其中各段的長度可以相等或者不等。通過在不同區段生長不同厚度的介質誘導膜并輔以快速熱退火，使不同區段產生不同程度的量子阱混合效應，即得到不同大小的波長偏移，使各有源區段的自發輻射波長沿某一出光方向依次遞減，即滿足λ1＞λ2＞...＞λn。
圖7為從右側端面出射的發光光譜譜圖，其光譜譜寬為各有源區光譜譜寬的疊加Δλ＝Δλ1+Δλ2+...+Δλn，其中Δλ1、Δλ2、...Δλn分別為有源區310、315、...320段的發光光譜譜寬。
圖8為符合本發明的另一種超輻射發光二極管的有源區403及上下限制層402和404的剖面圖。其有源區403沿電流注入條區分為m+n-1(m、n≥2)段410、...420、...430(假設有源區右側由n段組成，左側由m段組成)，其中各段的長度可以相等或者不等。通過如上所述的各種方法使不同區段產生不同程度的量子阱混合效應，從而得到不同大小的波長偏移，使各有源區段的自發輻射波長從中間向兩側依次遞減，即滿足λ1＞...＞λn及λ1＞...＞λm。
圖9為兩出光端面出射的發光光譜譜圖，從右側出射的光譜譜寬為Δλ＝Δλ1+...+Δλn，從左側出射的光譜譜寬為Δλ＝Δλ1+...+Δλm。其中Δλ1、...Δλn、...Δλm分別為有源區420、...430、...410段的發光光譜譜寬。
本發明的核心是通過在不同有源區段生長不同厚度的介質誘導膜并輔以快速熱退火，使有源區不同區段產生不同程度的量子阱混合效應，即得到不同大小的波長偏移，使各有源區段沿著某一出光方向的自發輻射波長依次遞減。因此，凡是采用介質誘導膜并輔以快速熱退火，使有源區成為具有不同自發輻射波長的區段，以實現增加發光二極管光譜帶寬的作法，無論具體結構有什么區別，都屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種超輻射發光二極管的制作方法，采用多量子阱有源區結構材料，通過外延生長，光刻、刻蝕、介質膜生長、電極制作工藝，其特征是有源區沿著電流注入條區方向分多段，其中相應段通過無雜質參與空位擴散量子阱混合效應制作，使其具有不同自發輻射波長。
2.用上述方法發光二極管，由半導體襯底上依次外延生長多層異質結構組成，其特征是順次包括下限制層、有源層、上限制層、蓋帽層及電流注入條區，襯底下表面有金屬電極，不同有源區段采用同一上電極，其中有源區由沿波導方向通過無雜質參與空位擴散量子阱混合效應制作的具有不同自發輻射波長的多段組成。
3.根據權利要求2所述的超輻射發光二極管，其特征是有源區沿電流注入條區由具有不同自發輻射波長λ1和λ2的兩段組成。
4.根據權利要求2所述的超輻射發光二極管，其特征是其有源區沿電流注入條區分為三段，距離出光端面a和b較近的兩段的自發輻射波長為λ2、λ3，中間段的自發輻射波長為λ1，滿足λ1＞λ2及λ1＞λ3。
5.根據權利要求2所述的超輻射發光二極管，其特征是其有源區沿電流注入條區分為n段，n≥2，各區段的自發輻射波長沿某一出光方向依次遞減，即滿足λ1＞λ2＞...＞λn。
6.根據權利要求2所述的超輻射發光二極管，其特征是有源區沿電流注入條區分為m+n-1段，m、n≥2，各區段的自發輻射波長從中間向兩側依次遞減，即滿足λ1＞...＞λn及λ1＞...＞λm。
全文摘要
本發明為一種超輻射發光二極管的制作方法及其發光二極管，其有源區由多段組成，采用相同的材料組分，其中一段或幾段有源區通過無雜質參與空位擴散量子阱混合效應產生發光波長偏移。超輻射發光二極管的不同有源區段采用同一電極，同時發光。但沿有源區某一出光方向，離出光端面遠的有源區發光波長大于靠近端面的發光波長，沿此方向傳輸的光能透明地傳輸，因此在這一方向上的發光光譜譜寬為沿此方向的多段有源區光譜譜寬的疊加，從而達到增加發光二極管的光譜帶寬的目的。同時沿與此出光端面相反方向傳輸的光被吸收，從而有效地降低了發光二極管的光譜調制深度。
文檔編號H01L33/00GK1549353SQ03128018
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月23日 優先權日2003年5月23日
發明者王定理, 黃曉東, 張瑞康, 李林松 申請人:武漢光迅科技有限責任公司