專利名稱：基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種半導體器件，特別是一種基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管。
技術背景 超福射即為放大的自發發射ASE (Amplifier Spontaneous Emission),是增益介質在強激發狀態下的一種定向輻射現象。當增益介質中的激發密度足夠高時，增益介質中的載流子受到自發發射光子的激發，使受激發射的光子數量雪崩式倍增，發光強度隨之超線性地急劇增加，并使光譜寬度變窄，由初始的自發發射占主導很快的演變為以放大的自發發射為主。超福射發光二極管(SLD)是一種介于激光器(LD)和發光二極管(LED)之間的半導體光源，它具有輸出功率高、光譜寬度寬、穩定性好、光束方向性好，以及相干長度短等優良特性，可以為光纖陀螺等提供理想的光源。隨著光學通訊和光學應用的進一步擴大，它還可以用于光時域反射儀、光學相干層析成像技術、光波分復用系統、光信息處理技術中。與其它的發光器件相比它有比較明顯的優勢，所以它的應用前景相當的廣闊。自第一個SLD發明以來，人們就如何提高它的發光功率和耦合功率、增加光譜寬度、降低相干長度、提高調制頻率、降低光譜調制深度、降低溫度特性等問題，進行了廣泛的研究工作。目前提高器件性能的方法主要從兩方面來做一、從器件制作的工藝上，主要是要有效地抑制器件F-P腔的激射，這是超輻射發生的必要條件。經常采用的方法有吸收區抑制、蒸鍍抗反射膜、傾角抑制特性等；二、在器件的材料上，從體材料發展到單量子阱，從單量子阱到多量子阱，再到量子點結構。對于量子阱SLD，窄帶隙有源區材料中載流子一維受限，類階梯狀的電子態密度使得SLD工作電流顯著降低，輸出功率明顯提高。進一步，采用非均勻多量子阱結構，即引入不同寬度的量子阱層作為SLD有源區，同時利用這些量子阱的基態能級躍遷，器件輸出光譜可以得到進一步展寬。但對于非均勻多量子阱SLD，由于不同寬度量子阱基態躍遷能量是不連續的，這種多能級的發光迭加多造成譜帶的形狀不規則。對于量子點材料，其電子在三個維度都受到限制的，具有像原子一樣的態密度，采用量子點制作的電子學、光子學器件在理論上具有比量子阱更優異的性能。盡管每個量子點具有類似于原子一樣的分立能級，但是量子點的尺寸分布一般滿足高斯分布，不同尺寸量子點的基態與激發態能級交疊在一起，使得量子點集合的能級近似連續分布。因此，在增大注入電流提高光譜寬度的同時，量子點基態和激發態同時貢獻易于獲得規則形狀的光譜輸出。雖然如此，但是理論上而言，在制備大功率SLD上，量子阱和體材料比量子點要有優勢。雖然目前對于SLD的理論研究己經比較成熟，但是越來越多的新應用要求SLD有更優良的性能。這就要求我們不斷地改進器件工藝和材料，采用新的器件結構以便更好地抑制激射。因此，進行超輻射器件的工藝和材料研究與改進對整個器件的性能有很重要的意義。
發明內容[0005]本實用新型的目的在于提供一種基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，該超輻射發光管光譜寬，輸出功率高。為實現上述目的，本實用新型的技術方案是一種基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，包括依次設置的下電極、襯底、下分離限制層、下漸變折射率波導層、有源層、上漸變折射率波導層、上分離限制層、蓋層、介質膜層、上電極構成，所述有源層為量子點和量子阱材料混合結構。在本實用新型實施方案一中，上述量子點和量子阱材料混合結構為兩層或多層結構，所述兩層結構由沿材料生長方向上的單個量子點層和單個量子阱層層疊構成，所述多層結構由沿材料生長方向上的多個量子點層和多個量子阱層層疊構成。上述量子點和量子阱材料混合結構包括一下勢壘層和一上勢壘層，所述下勢壘層 和上勢壘層之間設有一或多個量子點層和一或多個量子阱層，兩相鄰量子點層之間設有點點間隔層，相鄰量子點層與量子阱層之間設有點阱間隔層。在本實用新型實施方案二中，上述量子點和量子阱材料混合結構由垂直于材料生長方向上的單個量子點區和單個量子阱區構成，或由垂直于材料生長方向交替設置的多個量子點區和多個量子阱區構成；所述量子點區由一或多個量子點層構成，所述量子阱區由一或多個量子阱層構成。上述量子點區和量子阱區的上電極是分開的，與下電極形成兩個或多個泵浦區，中間設有電極隔離條區。本實用新型的有益效果是可以利用量子點本身所特有的尺寸、大小的非均勻、連續分布的特性，來實現超輻射發光二級管平滑的、較寬的光譜輸出特性，同時利用量子阱結構不僅可以擴展光譜，更可以提高輸出功率，使用效果好，具有很強的實用意義。
圖I是本實用新型的基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管的整體結構示意圖。圖2是本實用新型實施例一的量子點和量子阱材料混合結構示意圖。圖3是本實用新型實施例二的量子點和量子阱材料混合結構示意圖。圖4是本實用新型實施例的條形電流注入區的結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型的基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，如圖I所示，包括由下而上依次設置的下電極I、襯底2、下分離限制層3、下漸變折射率波導層4、有源層5、上漸變折射率波導層6、上分離限制層7、蓋層8、介質膜層9、上電極10構成。所述有源層5為量子點和量子阱材料混合結構。所述介質膜淀積在上分離限制層上，在介質膜上腐蝕出傾斜的條形電流注入區；條形電極注入區還可以通過介質膜分隔為多段的。在本實用新型實施例一中，所述量子點和量子阱材料混合結構為由量子點層和量子阱層混合組成的兩層或多層結構，材料為三五族半導體。所述兩層結構由沿材料生長方向上的單個量子點層和單個量子阱層層疊構成，所述多層結構由沿材料生長方向上的多個量子點層和多個量子阱層層疊構成。[0018]如圖2所示，上述量子點和量子阱材料混合結構包括一下勢壘層11和一上勢壘層16。下勢壘層11上長有量子阱層12或量子點層14，作為量子阱層12或量子點層14的載體，并起到限制載流子的作用。上勢壘層16生長于最上一個量子點層14或量子阱層12之上。該上勢壘層16與下勢壘層11可以將載流子限制于量子點層14與量子阱層12之內。所述下勢壘層11和上勢壘層16之間設有一或多個量子點層14和一或多個量子阱層12。兩相鄰量子點層之間設有點點間隔層15，起到分割兩相鄰量子點層14的作用；相鄰量子點層與量子阱層之間設有點阱間隔層13。其中，量子點層14與量子阱層12為三五族材料，通過調節量子點層14與量子阱層12中材料的組份和量子點或量子阱的沉積量，就可以改變發光波長。如果含有多個量子點層14，各量子點層14的組份與沉積量可以相同，也可以不同；同一多量子點層內各層量子點的組份與沉積量可以相同，也可以不同。如果含有多個量子阱層12，各量子阱層的組份與沉積量可以相同，也可以不同；同一多量子阱層內各層量子阱的組份與沉積量可以相同，也可以不同。其中，上勢壘層16、點阱間隔層13、點點間隔層15與下勢壘層11為三五族材料，·通過調節材料的組份，使得材料的禁帶寬度大于量子點層14材料的禁帶寬度。上勢壘層16、點阱間隔層13、點點間隔層15與下勢壘層11的材料的組份可以相同，也可以不同。量子阱和量子點的生長順序可以是先生長量子阱層再生長量子點層，也可以是先生長量子點層再生長量子阱層，量子阱層和量子點層還可以交替生長。在本實用新型實施例二中，所述量子點和量子阱材料混合結構由垂直于材料生長方向上的單個量子點區和單個量子阱區構成，或由垂直于材料生長方向交替設置的多個量子點區22和多個量子阱區23構成，材料為三五族半導體。如圖3所示，所述量子點區22可以含一或多個量子點層21，至少有一個量子點區22 ;所述量子阱區23可以是單量子阱層或多量子阱層，至少有一個量子阱區23。上述量子點區和量子阱區的上電極是分開的，與下電極形成兩個或多個泵浦區，中間設有電極隔離條區。通過調節量子點層21中材料的組份和量子點的沉積量，就可以改變發光波長。如果含有多個量子點區22，各量子點區的組份與沉積量可以相同，也可以不同；如果含有多個量子點層21，同一多量子點區內各層量子點的組份與沉積量可以相同，也可以不同。通過調節量子阱區23中量子阱層材料的組份和沉積量，就可以改變發光波長。如果含有多個量子阱區23，各量子阱區內量子阱的組份與沉積量可以相同，也可以不同；如果含有多個量子阱層，同一多量子阱區內各層量子阱的組份與沉積量可以相同，也可以不同。各層量子點或量子阱夾在兩間隔層之間。通過調節間隔層材料組分，使得材料的禁帶寬度大于量子點層或量子阱層材料的禁帶寬度。各間隔層的材料的組份可以相同，也可以不同。如果只有單量子點層或單量子阱層，就無需此間隔層。量子阱區和量子點區的生長順序可以是先生長量子阱區，光刻后再生長量子點區，也可以是先生長量子點區，光刻后再生長量子阱區。器件條形電流注入區可以通過介質膜31分隔為多段的，使量子點區和量子阱區的電流注入區分開。[0030]下面結合實施例對本實用新型作進一步說明。實施例I :有源區為以InGaAsP為量子阱及量子點，AlGaInAs或InGaAsP為勢壘。按預先設計好的外延結構，采用 MOCVD或者MBE生長出外延層。具體的步驟為在InP襯底上先生長緩沖層，再生長下包層，SCH層，然后生長本實用新型的核心部分量子點和量子阱材料混合有源區，先生長5層量子阱層，其中阱層的厚度為5-8nm，壘層的厚度為5-10nm之間，應變都在I. 2%以內；然后生長多量子點層，量子點層有5個周期，間隔層3-10nm,發射中心波長在I. lum-1. 7um范圍(具體參數按設計不同而不同)。上述這些外延，在MOCVD上都可以實現精確控制。實施例2 有源區為以InGaAsP為量子阱及量子點，AlGaInAs或InGaAsP為勢壘。按預先設計好的外延結構，采用MOCVD或者MBE生長出外延層。具體的步驟為在InP襯底上先生長緩沖層，再生長下包層，SCH層，然后生長本實用新型的核心部分量子點和量子阱材料混合有源區，先生長5層量子阱層，其中阱層的厚度為5-8nm，壘層的厚度為5-10nm之間，應變都在I. 2%以內；光刻后，進一步通過濕法或干法刻蝕部分量子阱區，隨后在刻蝕后的區域生長多量子點層，量子點層有5個周期，間隔層3-10nm，發射中心波長在I. lum-1. 7um范圍(具體參數按設計不同而不同)。此量子點和量子阱材料混合有源區的生長方式，也可是先生長5個周期的量子點層，光刻后再生長5層量子阱層。實施例3 如圖4所示，在實施例2的基礎上，生長完蓋層8后沉積介質膜層9，光刻后形成多段條形電流注入區32，各段電流注入區通過可以通過介質膜31分隔開，使量子點區22和量子阱區23的電流注入區分開。以上是本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本實用新型技術方案的范圍時，均屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，包括依次設置的下電極、襯底、下分離限制層、下波導層、有源層、上波導層、上分離限制層、蓋層、介質膜層、上電極構成，其特征在于所述有源層為量子點和量子阱材料混合結構。
2.根據權利要求I所述的基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，其特征在于所述量子點和量子阱材料混合結構為兩層或多層結構，所述兩層結構由沿材料生長方向上的單個量子點層和單個量子阱層層疊構成，所述多層結構由沿材料生長方向上的多個量子點層和多個量子阱層層疊構成。
3.根據權利要求2所述的基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，其特征在于所述量子點和量子阱材料混合結構包括一下勢壘層和一上勢壘層，所述下勢壘層和上勢壘層之間設有一或多個量子點層和一或多個量子阱層，兩相鄰量子點層之間設有點點間隔層，相鄰量子點層與量子阱層之間設有點阱間隔層。
4.根據權利要求I所述的基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，其特征在于所述量子點和量子阱材料混合結構由垂直于材料生長方向上的單個量子點區和單個量子阱區構成，或由垂直于材料生長方向交替設置的多個量子點區和多個量子阱區構成；所述量子點區由一或多個量子點層構成，所述量子阱區由一或多個量子阱層構成。
5.根據權利要求4所述的基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，其特征在于所述量子點和量子阱材料混合結構的上電極是分開的，與下電極形成兩個或多個泵浦區，中間設有電極隔離條區。
專利摘要本實用新型涉及一種半導體器件，特別是一種基于量子點和量子阱材料混合結構的超輻射發光管，包括依次設置的下電極、襯底、下分離限制層、下波導層、有源層、上波導層、上分離限制層、蓋層、介質膜層、上電極構成，其特征在于所述有源層為量子點和量子阱材料混合結構。該超輻射發光管光譜寬，輸出功率高。
文檔編號H01L33/06GK202534677SQ20122015564
公開日2012年11月14日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者蘇輝 申請人:蘇輝