一種超輻射發光二極管芯片的制備方法及制得的發光二極管芯片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發光二極管芯片，特別涉及一種超輻射發光二極管芯片的制備方法及制得的發光二極管芯片。
【背景技術】
[0002]超福射發光二極管(Superluminescent D1des，SLD)是一種寬光譜、弱時間相干性、高輸出功率、高效率的半導體光發射器件，其光學性質介于半導體激光器LD和發光二極管LED之間，具有比LD更寬的發光光譜和更短的相干長度，同時比LED具有更高的輸出功率，其主要優點是寬光譜、大的輸出功率；被廣泛應用在光纖陀螺、光纖傳感、光學相干層析等領域。
[0003]在高精度的光纖陀螺和光纖傳感器件應用領域，SLD除了高輸出功率、寬光譜之夕卜，其偏振不敏感的特性是至關重要的。另一方面大的出光功率可以提高SLD應用系統的精度和靈敏度，特別是應用在光纖陀螺領域可以顯著提高系統的信噪比。然而，對于SLD器件自身來說，其發光的TE模式和TM模式間的功率相差較大，對于常規的體材料有源區，TE/TM的功率在3/1以上；對于常規的壓應變量子阱有源區，TE/TM的功率在10/1以上。因此在實際應用過程中通常要額外采用保偏光纖或者是其他偏振控制器件，這使得器件應用的成本增加、系統體積增大，不利于集成。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種低偏振、高輸出功率、低光譜波紋的超輻射發光二極管芯片的制備方法及由此制得的發光二極管芯片。
[0005]本發明提出了一種超輻射發光二極管芯片的制備方法，該制備方法包括如下步驟:
[0006]—次外延的步驟:在N-1nP襯底上依次生長N-1nP緩沖層、InGaAsP下分別限制層、有源層、InGaAsP上分別限制層和P-1nP覆蓋層，由此形成一次外延片樣品；
[0007]形成脊的步驟:在上述一次外延片樣品表面沉積一層S12介質層，對該樣品進行光刻，刻蝕掉部分表面的S1j質層，并對該樣品進行腐蝕，腐蝕到N-1nP襯底，從而沿著晶向形成脊形狀；
[0008]二次外延的步驟:對該樣品進行掩埋生長前的處理，以去除樣品表面的氧化物；在樣品表面依次生長P-1nP層、N-1nP層，作為電流阻擋層；將生長完的樣品除去脊上的3102介質層后，再次對樣品進行掩埋生長前的處理，然后在樣品上依次生長P-1nP、P-1nGaAsP和P+-1nGaAs層，完成二次外延生長；
[0009]形成隔離區的步驟:在完成二次外延生長的樣品表面沉積S12介質層，并形成隔離區；去除樣品表面的S12介質層；
[0010]蒸發P型電極的步驟:在樣品表面生長S12介質層，光刻形成P面一次金屬圖形，刻蝕電極區域表面的介質層，再經電子束蒸發P型金屬，剝離，合金之后，再次光刻、電子束蒸發形成P面二次金屬；
[0011]蒸發N型電極、合金的步驟:對樣品的N型層進行減薄，電子束蒸發N型金屬，對樣品的N型金屬和P面二次金屬合金；
[0012]鍍膜的步驟:將樣品沿著晶向解離成巴條，對芯片的出光端面和背光端面分別蒸鍍光學增透膜和高反射膜，完成超輻射發光二極管芯片的制備。
[0013]進一步地，所述形成有源層的具體步驟為:在所述InGaAsP下分別限制層上交替生長張應變和壓應變的InGaAsP量子阱，從而在所述InGaAsP下分別限制層上形成有源層。
[0014]進一步地，所述脊沿晶向的垂直方向分為三個區域:圓弧形彎曲波導區域和直脊波導區域以及喇叭形波導區域，其中，靠近出光端面的是圓弧形彎曲波導區域，連接圓弧形彎曲波導區域的是平滑過渡的直脊波導區域，直脊波導區域之后連接的是喇叭形波導區域，喇叭形波導區域靠近背光端面。
[0015]進一步地，所述圓弧形彎曲波導區域與出光端面的夾角為80-82度，所述喇叭形波導區域的喇叭錐角為10度。
[0016]進一步地，所述形成隔離區的步驟具體為:在完成二次外延生長的樣品表面沉積S12，在喇叭形波導區域光刻形成隔離區形狀，采用RIE工藝刻蝕隔離區表面的S12，采用濕法腐蝕去除隔離區表面的P+-1nGaAs層，形成隔離區，從而將喇叭形波導區域分成喇叭形光放大區域、隔離區以及反向偏壓區。
[0017]進一步地，所述蒸發P型電極的步驟具體為:在樣品表面生長S12介質層，光刻形成P面一次金屬圖形，RIE刻蝕電極區域表面的介質層，電子束蒸發Ti 50nm/Pt 100nm/AulOOnm，剝離，在氮氣氛圍中合金；光刻形成P面電極焊盤圖形，即P面二次金屬圖形，電子束蒸發 Cr 5nm/Au 80nm，剝離。
[0018]進一步地，所述蒸發N型電極、合金的步驟具體為:對樣品的N型層進行減薄至樣品總厚度約為110 μm，電子束蒸發N型金屬GeAu 50nm/Ni 1nm/Au lOOnm，對樣品的N型金屬和P面二次金屬合金。
[0019]進一步地，所述光學增透膜和高反射膜的反射率分別為0.5%和90%。
[0020]另外，本發明還提出一種如前所述的制備方法制得的超輻射發光二極管芯片，該超福射發光二極管芯片包括:一次外延結構和二次外延結構，其中一次外延結構包括N-1nP襯底，以及在N-1nP襯底上依次生長的N-1nP緩沖層、InGaAsP下分別限制層、有源層、InGaAsP上分別限制層和P-1nP覆蓋層；該一次外延結構為沿晶向形成的脊形狀，所述脊沿晶向的垂直方向分為三個區域:圓弧形彎曲波導區域和直脊波導區域以及喇叭形波導區域，其中，靠近出光端面的是圓弧形彎曲波導區域，連接圓弧形彎曲波導區域的是平滑過渡的直脊波導區域，直脊波導區域之后連接的是喇叭形波導區域；二次外延結構包括在所述一次外延結構的脊兩側的底部表面依次生長的作為電流阻擋層的P-1nP層和N-1nP層，以及形成在電流阻擋層和脊頂部表面的的P-1nP、P-1nGaAsP和P+-1nGaAs層。
[0021]優選地，所述N-1nP緩沖層的厚度為I μπι，所述InGaAsP下分別限制層的厚度為80nm，所述有源層為3個張應變為1.1 %和2個壓應變為1.2 %的InGaAsP量子阱，張應變和壓應變的厚度分別是1nm和5nm，其PL峰值波長都為1300nm，皇為15nm厚；所述InGaAsP上分別限制層的厚度為80nm，所述P-1nP覆蓋層的厚度為20nm ;
[0022]所述脊深為1.6 μ m，靠近出光端面的脊寬為1.8 μ m ;
[0023]所述圓弧形彎曲波導區域和直脊波導區域沿著腔長方向的長度為350 μπι;所述喇叭形波導區域沿著腔長方向的長度為400 μπι ;
[0024]所述P-1nP層的厚度為500nm，所述N-1nP層的厚度為500nm ；
[0025]所述P-1nP、P-1nGaAsP 和 P+-1nGaAs 層中 P-1nP 的厚度為 I μπι，P-1nGaAsP 的厚度為 200nm，P+-1nGaAs 的厚度為 200nm ；
[0026]所述隔離區的寬度為10 μ m，喇叭形光放大區域的寬度為310 μ m，所述反向偏壓區的寬度為80 μπι。
[0027]本發明的有益效果:本發明采用混合應變量子阱并結合優化的波導結構，以及對外延片進行脊腐蝕和掩埋，來制備掩埋異質結結構超輻射發光二極管芯片，具有如下特點:1.有源區采用壓應變和張應變混合的量子阱來實現芯片輸出的偏振不敏感；2.靠近背光面的脊采用喇叭形結構，用來提高有源區的體積，從而提高輸出功率；同時在背光面一側的喇叭形波導上刻蝕形成隔離區，通過反向偏壓的調控可以實現光譜低的波紋。因此，本發明通過采用圓弧形彎曲的波導，降低了對出光端面鍍膜的要求，同時結合反向偏置區進一步降低了芯片光譜的波紋；通過張應變和壓應變應力來控制芯片輸出的ΤΕ/ΤΜ模式比例，來降低偏振度；另一方面采用掩埋結構能在橫向上限制載流子和光場，降低芯片橫向發散角，提高耦合效率和出光功率，同時結合喇叭形的寬有源區來進一步提高有源區體積、提高輸出。本發明制備的芯片具有低偏振、高輸出功率、低光譜波紋的特點。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明SLD芯片的制備方法流程圖。
[0029]圖2是本發明SLD —次外延片的結構。
[0030]圖3是本發明SLD芯片的結構。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。但本領域技術人員知曉，本發明并不局限于附圖和以下實施例。
[0032]本發明涉及一種超輻射發光二極管芯片的制備方法，如圖1所示，該制備方法包括如下步驟:
[0033]1.一次外延的步驟:在N-1nP襯底I上采用MOCVD的方法生長I μ m的N-1nP緩沖層2，接著生長80nm的InGaAsP下分別限制層3，然后交替生長3個張應變為1.1%和2個壓應變為1.2%的InGaAsP量子阱，張應變阱和壓應變阱的厚度分別是1nm和5nm，其PL峰值波長都為1300nm，皇為15nm厚的InGaAsP，形成有源層4 ;接著生長80nm的InGaAsP上分別限制層5，最后生長20nm的P-1nP覆蓋層6，由此形成一次外延片樣品，其結構如圖2所示。
[0034]2.形成脊的步驟:采用PECVD的方法在上述一次外延片樣品表面沉積一層300nm厚的S12介質層，對該樣品進行光刻，刻蝕掉部分表面的S12介質層，形成脊的形狀，所述脊包括圓弧形彎曲波導區域和直脊波導區域7以及喇叭形波導區域，其中，靠近出光端面14的是圓弧形彎曲波導區域，其與出光端面的夾角為80-82度；連接圓弧形彎曲波導區域的是平滑過渡的直脊波導區域，圓弧形彎曲波導區域和直脊波導區域7沿著腔長方向的長度為350 μπι;直脊波導區域之后連接的是喇叭形波導區域，喇叭形波導區域沿著腔長方向的長度為400 μ m，喇叭錐角為10度；用Br2:HBr:H2O腐蝕液對該樣品進行腐蝕，腐蝕到襯底層，形成脊深為1