一種量子點超輻射發光二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種量子點超輻射發光二極管，包括：一次外延結構和掩埋異質結結構，一次外延結構包括：沿晶向依次設置的N+?GaAs襯底層(1)、N?GaAs緩沖層(2)、N?AlGaAs覆蓋層(3)、AlGaAs下限制層(4)、含多層InAs量子點的有源區(5)、AlGaAs上限制層(6)和P?AlGaAs覆蓋層(7)；N?AlGaAs覆蓋層(3)到P?AlGaAs覆蓋層(7)形成沿晶向的脊結構；掩埋異質結結構包括沿晶向依次設置的P?AlGaAs掩埋層(12)、N?GaAs掩埋層(13)和P+?GaAs接觸層(14)。本實用新型提出的超輻射發光二極管芯片具有高功率、寬光譜輸出、低抖動的優點。
【專利說明】
一種量子點超輻射發光二極管
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種發光二極管，具體涉及一種量子點超輻射發光二極管。
【背景技術】
[0002]超福射發光二極管(Super luminescent D1des，SLD)是一種高輸出功率、寬光譜范圍的高穩定光源，其具有比半導體激光器更寬的發光譜和更低的相干長度;與發光二極管相比，具有更高的輸出功率，廣泛應用于OCT(光學相干層析)成像、光纖陀螺、光纖傳感器等系統中。對于目前用于0CT(光學相干層析)800nm波長的SLD光源來說，由于其譜寬較窄，同時其峰值波長較短而引起的背向散射很大程度上影響了 OCT的成像分辨率和探測靈敏度。因此如何進一步提高光源的峰值波長、增加譜寬是改善現階段用于OCT中800nm GaAs基SLD光源的一個重要方法。
[0003]常規的均勻多量子阱，其增益譜都相對較窄，難以獲得寬光譜的輸出；對于非均勻多量子阱來說，能在一定程度上提高輸出譜寬，但由于不同量子阱之間的電子能態不連續，難以獲得具有規則高斯形狀的光譜。
[0004]對于量子點半導體器件來說，通過自組織生長的量子點在尺寸上具有一定的非均勻性，這種非均勻性的量子點對于制作寬光譜的器件來說是一個有利的因素。相關的研究結果表明，具有一定尺寸分布的量子點集合具有較寬的增益譜，尺寸非均勻性越大，峰值下降越大、展寬越強。同時，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，更易形成規則形狀的輸出譜。對于單量子阱或均勻多量子阱超輻射發光二極管，在較低的注入電流密度下只能得到很窄的光譜寬度，對于多量子阱SLD，不同寬度量子阱基態躍迀能量不連續從而會造成譜帶的形狀不規則。隨著超輻射發光二極管的研究加深，超輻射發光二極管的應用越來越廣泛，隨之對器件的性能要求越來越高。目前SLD還存在一些問題，需要對SLD的材料設計和結構進行優化，進一步提高器件輸出功率、拓寬光譜寬度等。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型目的在于提供一種用于OCT的量子點超輻射發光二極管，通過量子點勢皇層的材料組分和生長溫度，實現寬光譜輸出；另一方面采用掩埋結構實現低發散角和高載流子注入效率，制作的SLD芯片具有寬光譜、低波紋輸出。
[0006]本實用新型提出的一種量子點超福射發光二極管，該量子點超福射發光二極管包括:一次外延結構和掩埋異質結結構，其中，所述一次外延結構包括:沿晶向依次設置的N+-GaAs襯底層、N-GaAs緩沖層、N-AlGaAs覆蓋層、AlGaAs下限制層、含多層InAs量子點的有源區、AlGaAs上限制層和P-AlGaAs覆蓋層;其中所述有源區包括沿晶向依次設置的第一未摻雜GaAs層、多層InAs量子點和第二未摻雜GaAs層；
[0007]N-AlGaAs覆蓋層、AlGaAs下限制層、含多層InAs量子點的有源區、AlGaAs上限制層和P-AlGaAs覆蓋層形成沿晶向的脊結構；
[0008]所述掩埋異質結結構包括在N-GaAs緩沖層上并沿晶向依次設置的P-AlGaAs掩埋層、N-GaAs掩埋層和P+-GaAs接觸層，P-AlGaAs掩埋層和N-GaAs掩埋層作為電流阻擋層，P-AlGaAs掩埋層和N-GaAs掩埋層形成在脊結構的側壁表面，P+-GaAs接觸層形成在N-GaAs掩埋層和P-AlGaAs覆蓋層的上表面上。
[0009]進一步地，N-GaAs緩沖層具體為摻雜濃度I X 118 200nm N-GaAs緩沖層；
[0010]N-AlGaAs覆蓋層具體為摻雜濃度I X 118 10nm N-AlGaAs覆蓋層；
[0011 ] AlGaAs下限制層具體為200nm AlGaAs下限制層；
[0012]AlGaAs上限制層具體為200nm AlGaAs上限制層；
[0013]P-AlGaAs覆蓋層具體為摻雜濃度I X 118 10nm P-AlGaAs覆蓋層。
[0014]進一步地，所述多層InAs量子點具體為四層InAs量子點。
[0015]進一步地，每層InAs量子點包括InAs量子點、In0.Q5Ga0.95As覆蓋層和GaAs覆蓋層。
[0016]進一步地，未摻雜GaAs層具體為I OOnm未摻雜GaAs層；
[0017]InAs量子點具體為2ML的InAs量子點；
[0018]InQ.Q5Ga0.95As覆蓋層具體為5nm In0.Q5GaQ.95As覆蓋層；
[0019]GaAs覆蓋層具體為25nm的GaAs覆蓋層。
[0020]進一步地，N-GaAs掩埋層上表面與P-AlGaAs覆蓋層上表面平齊。
[0021]進一步地，所述脊結構的脊寬為2um。
[0022]進一步地，所述脊結構沿腔長方向分為直波導區域和錐形波導區域，錐形波導區域與直波導區域相連，錐形波導區域靠近出光端面，直波導區域靠近背光端面。
[0023]進一步地，直波導區域與該二極管的端面法向成2?5°夾角;錐形波導區域張角為
2?5。。
[0024]進一步地，該二極管腔長為ΙΟΟΟμπι，直波導區域沿腔長方向的長度為750μπι，錐形波導區域沿腔長方向的長度為250μπι。
[0025]本實用新型的有益效果:本實用新型提出的量子點結構的超輻射發光二極管，其一次外延結構采用Mffi在N+_GaAs襯底層上依次生長:N-GaAs緩沖層、N-AlGaAs覆蓋層、AlGaAs下限制層、含四層InAs量子點的有源區、AlGaAs上限制層、P-AlGaAs覆蓋層、P-GaAs保護層，完成一次外延生長;在一次外延有源區生長時采用變組分和高溫量子點蓋層，實現不同尺寸、密度均勻量子點的生長，從而實現了寬增益譜的一次外延結構。對一次外延片進行腐蝕，采用MOCVD 二次生長的方法完成芯片的掩埋異質結構，實現光場和載流子的橫向限制；同時采用傾斜的錐形波導，來進一步優化輸出光譜，最后在芯片出光端面和背光端面都蒸鍍高透膜，以降低腔面模式的反饋，降低光譜波紋。本實用新型提出的超輻射發光二極管芯片具有高功率、寬光譜輸出、低抖動的優點。
【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型量子點超輻射發光二極管工藝流程圖。
[0027]圖2是本實用新型的量子點結構的超輻射發光二極管的一次外延片結構示意圖。
[0028]圖3為本實用新型的量子點發光二極管芯片的結構示意圖。
[0029]附圖標記說明:IN+-GaAs襯底，2N_GaAs緩沖層，3N_AlGaAs覆蓋層，4AlGaAs下限制層，5含四層InAs量子點的有源區，6AlGaAs上限制層，7P_AlGaAs覆蓋層，8P_GaAs保護層，9InAs量子點，1011^348覆蓋層，116348覆蓋層；12?416348掩埋層，131^^^8掩埋層，14?+-GaAs接觸層，15錐形波導區域，16直波導區域，17出光端面，18背光端面。
【具體實施方式】
[0030]為使本實用新型的目的、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，對本實用新型進一步詳細說明。但本領域技術人員知曉，本實用新型并不局限于附圖和以下實施例。
[0031]本實用新型涉及一種量子點超輻射發光二極管，本實用新型運用MBE依次在襯底上生長緩沖層、覆蓋層、下限制層、含量子點有源區、上限制層、覆蓋層、保護層完成一次外延生長;在一次外延有源區生長時采用變組分和高溫量子點蓋層，實現不同尺寸、密度均勻量子點的生長。對一次外延片進行腐蝕，采用MOCVD 二次生長的方法完成芯片的掩埋異質結構，實現光場和載流子的橫向限制；同時采用傾斜的錐形波導，來進一步優化輸出光譜。最后在芯片出光端面和背光端面都蒸鍍高透膜，以降低腔面模式的反饋，降低光譜波紋。該量子點超輻射發光二極管具有高功率、寬光譜、低抖動等優點。
[0032]實施例1:
[0033]本實用新型提出的一種量子點超輻射發光二極管的制作方法，如圖1所示，該方法包括以下步驟:
[0034]1.一次外延生長步驟:如圖2所示，采用MBE生長一次外延結構，其結構沿晶向依次(如圖2所示的從下到上)包括N+-GaAs襯底層l、N-GaAs緩沖層2、N-AlGaAs覆蓋層3、AlGaAs下限制層4、含四層InAs量子點的有源區5、AlGaAs上限制層6、P-AlGaAs覆蓋層7、P-GaAs保護層8。
[0035]其中有源區5包括第一未摻雜GaAs層、四層InAs量子點和第二未摻雜GaAs層，每層InAs量子點包括InAs量子點9、InGaAs覆蓋層10和GaAs覆蓋層11。
[0036]在有源區生長過程中，InGaAs覆蓋層中較大的In組分有利于釋放InAs量子點中的應力，減小InAs與GaAs蓋層之間的晶格失配，使得InAs量子點的尺寸增大，發光峰值波長紅移。另一方面，較大的In組分有利于抑制In從InAs量子點向蓋層析出，使得InAs量子點中In的組分提高，量子點能帶間隙減小，發光峰值波長紅移動。生長的InGaAs蓋層能覆蓋大多數的量子點，進一步的高溫生長GaAs覆蓋層過程中，高溫生長能消融過大的量子點，使得生長表面光滑，這使得后續生長的量子點應力低、密度大。因此采用組分變化InGaAs/高溫GaAs雙蓋層能實現量子點密度均勻、寬光譜和發光峰值波長紅移。
[0037]2.形成脊形狀的步驟:如圖3所示，去除P-GaAs保護層8，沉積介質膜、光刻、刻蝕介質膜、腐蝕形成脊結構；
[0038]3.生長掩埋異質結的步驟:如圖3所示，采用MOCVD外延生長對形成脊結構的片子進行掩埋生長，形成掩埋異質結結構；
[0039]4.蒸發N、P型電極的步驟:對片子進行沉積鈍化層、光刻、刻蝕鈍化層、沉積P面金屬、減薄、沉積N面金屬、合金，形成芯片；
[0040]5.鍍膜步驟:對片子沿晶向解離成巴條，對巴條出光、背光端面進行蒸鍍光學膜。[0041 ] 實施例2:
[0042]本實施例是在實施例1的基礎上的優選實施例。本實用新型提出的量子點超輻射發光二極管的制作方法如圖1所示，該方法包括:
[0043]1.一次外延生長步驟:如圖2所示，在N+-GaAs襯底I上，500°C下MBE生長摻雜濃度IXlO18 200nm N-GaAs緩沖層2、摻雜濃度I X 118 10nm N-AlGaAs覆蓋層3、200nm AlGaAs下限制層4、含四層InAs量子點的有源區5，接著500°C下生長200nm AlGaAs上限制層6、摻雜濃度I X 118 10nm P-AlGaAs覆蓋層7、摻雜濃度I X 118 1nm P-GaAs保護層8，完成一次外延的生長，其結構如圖2所示。
[0044]其中有源區5生長方法如下:500°C下生長10nm未摻雜GaAs層，生長2ML(ML:原子層)的InAs量子點9，生長5nm In0.Q5Ga0.95As覆蓋層10，將生長溫度提高至600 °C，退火30s，接著生長25nm的GaAs覆蓋層11，從而在未摻雜GaAs層上生長出第一層InAs量子點；將溫度降至500°C，在之前生長的GaAs覆蓋層11上生長2ML InAs量子點，生長5nm In0.0sGamAs覆蓋層，將生長溫度升高至600°C，退火30s，生長25nm GaAs覆蓋層，從而在第一層InAs量子點上生長出第二層InAs量子點；再次重復上述InAs量子點生長步驟，直到在第二層InAs量子點上生長出第三層InAs量子點和在第三層InAs量子點上生長出第四層InAs量子點；再在500°C下在第四層InAs量子點上生長10nm未摻雜GaAs層，完成有源區生長。
[0045]2.形成脊形狀的步驟:如圖3所示，去除P-GaAs保護層，沉積250nm的S12介質層，光刻形成脊圖案，RIE刻蝕點曝光區域介質層，采用H2O: H2O2: H2SO4(8:8:1)腐蝕液，在室溫下腐蝕至N-GaAs緩沖層2，形成脊結構，腐蝕深度1.2μπι。如圖3所示，芯片腔長為ΙΟΟΟμπι，脊寬為2um。脊結構包括直波導區域16和錐形波導區域15，錐形波導區域15靠近出光端面17，直波導區域16靠近背光端面18，其中直波導區域16沿腔長方向長度750μπι，與芯片端面法向成2?5°夾角，優選為3°;錐形波導區域15與直波導區域16相連，錐形波導區域15張角為2?5°，優選為3°。
[0046]3.生長掩埋異質結的步驟:如圖3所示，將形成脊結構的樣品放入MOCVD設備中，在630°C下通AsH3 15分鐘去除脊側壁表面氧化層，依次生長600nm P-AlGaAs掩埋層12和900nm N-GaAs掩埋層13作為電流阻擋層;去除脊上的S12介質層，再用MOCVD生長200nm P+-GaAs接觸層14，完成掩埋生長。
[0047]4.蒸發N、P型電極的步驟:在樣品表面沉積300nm S12鈍化層，通過光刻，RIE刻蝕曝光區域鈍化層，電子束蒸發411(20]1111)/211(5011111)/^11(100011111)作為?面金屬，將樣品減薄至厚度ΙΙΟμπι，電子束蒸發AuGe(500nm)/Ni(800nm)/Au(1000nm)作為N面金屬，420°C在氮氣氣氛下合金60s。
[0048]5.鍍膜步驟:將樣品解離成腔長ΙΟΟΟμπι的巴條，采用電子束蒸發在芯片的出光端面和背光端面上蒸鍍單層S12高透膜，完成芯片的制作。
[0049]實施例3:
[0050]本實用新型提出的量子點超輻射發光二極管如圖2和圖3所示，該量子點超輻射發光二極管包括:一次外延結構和掩埋異質結結構，其中，所述一次外延結構包括:沿晶向依次設置的N+-GaAs襯底層l、N-GaAs緩沖層2、N-AlGaAs覆蓋層3、AlGaAs下限制層4、含四層InAs量子點的有源區5、AlGaAs上限制層6和P-AlGaAs覆蓋層7;其中有源區5包括沿晶向依次設置的第一未摻雜GaAs層、四層InAs量子點和第二未摻雜GaAs層。
[0051]N-AlGaAs覆蓋層3、AlGaAs下限制層4、含四層InAs量子點的有源區5、AlGaAs上限制層6和P-AlGaAs覆蓋層7形成沿晶向的脊結構，脊結構沿腔長方向分為直波導區域16和錐形波導區域15，錐形波導區域15與直波導區域16相連，錐形波導區域15靠近出光端面17，直波導區域16靠近背光端面18。優選地，芯片的出光端面和背光端面上蒸鍍單層S12高透膜。
[0052]其中直波導區域16沿腔長方向長度750μπι，與芯片端面法向成2?5°夾角，優選3°夾角;錐形波導區域15張角為2?5°，優選3°，錐形波導區域15沿腔長方向長度250μπι。
[0053]所述掩埋異質結結構包括在N-GaAs緩沖層2上并沿晶向依次設置的P-AlGaAs掩埋層12、N-GaAs掩埋層13和P+-GaAs接觸層14，P-AlGaAs掩埋層12和N-GaAs掩埋層13作為電流阻擋層，P-AlGaAs掩埋層12和N-GaAs掩埋層13形成在脊結構的側壁(如圖3所示的側壁)表面，N-GaAs掩埋層13與P-AlGaAs覆蓋層7上表面(如圖3所示的上表面)平齊，P+-GaAs接觸層14形成在N-GaAs掩埋層13與P-AlGaAs覆蓋層7上表面上。
[0054]其中，在樣品表面沉積S12鈍化層，通過光刻，RIE刻蝕曝光區域鈍化層，電子束蒸發八11(20醒)/211(5011111)/^11(100011111)作為？面金屬，電子束蒸發AuGe(500nm)/Ni (800nm)/Au(100nm)作為N面金屬。
[0055]優選地，本實施例的量子點超輻射發光二極管可采用實施例1至2中的任一制作方法制作。
[0056]以上，對本實用新型的實施方式進行了說明。但是，本實用新型不限定于上述實施方式。凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種量子點超輻射發光二極管，其特征在于，該量子點超輻射發光二極管包括:一次外延結構和掩埋異質結結構，其中，所述一次外延結構包括:沿晶向依次設置的N+-GaAs襯底層(I)、N-GaAs緩沖層(2)、N-AlGaAs覆蓋層(3)、AlGaAs下限制層(4)、含多層InAs量子點的有源區(5)、AlGaAs上限制層(6)和P-AlGaAs覆蓋層(7);其中所述有源區(5)包括沿晶向依次設置的第一未摻雜GaAs層、多層InAs量子點和第二未摻雜GaAs層； N-AlGaAs覆蓋層(3)^16&48下限制層(4)、含多層11^8量子點的有源區(5)^16&厶8上限制層⑻和P-AlGaAs覆蓋層⑴形成沿晶向的脊結構； 所述掩埋異質結結構包括在N-GaAs緩沖層(2)上并沿晶向依次設置的P-AlGaAs掩埋層(12)、N-GaAs 掩埋層(13)和 P+-GaAs 接觸層(14)，P-AlGaAs 掩埋層(12)和 N-GaAs 掩埋層(13)作為電流阻擋層，P-AlGaAs掩埋層(12)和N-GaAs掩埋層(13)形成在脊結構的側壁表面，P+-GaAs接觸層(14)形成在N-GaAs掩埋層(13)和P-AlGaAs覆蓋層(7)的上表面上。2.根據權利要求1所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，N-GaAs緩沖層(2)具體為摻雜濃度I X 118 200nm N-GaAs緩沖層； N-AlGaAs覆蓋層(3)具體為摻雜濃度I X 118 10nm N-AlGaAs覆蓋層； AlGaAs下限制層(4)具體為200nm AlGaAs下限制層； AlGaAs上限制層(6)具體為200nm AlGaAs上限制層； P-AlGaAs覆蓋層(7)具體為摻雜濃度I X 118 10nm P-AlGaAs覆蓋層。3.根據權利要求1所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，所述多層InAs量子點具體為四層InAs量子點。4.根據權利要求1或3所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，每層InAs量子點包括InAs量子點(9)、In0.Q5GaQ.95As覆蓋層(10)和GaAs覆蓋層(11)。5.根據權利要求4所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，未摻雜GaAs層具體為IOOnm未慘雜GaAs層； InAs量子點(9)具體為2ML的InAs量子點； In0.(teGa0.95As覆蓋層(1)具體為5nm In0.0sGa0.95AS覆蓋層； GaAs覆蓋層(11)具體為25nm的GaAs覆蓋層。6.根據權利要求1所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，N-GaAs掩埋層(13)上表面與P-AlGaAs覆蓋層(7)上表面平齊。7.根據權利要求1所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，所述脊結構的脊寬為2um。8.根據權利要求1或7所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，所述脊結構沿腔長方向分為直波導區域(16)和錐形波導區域(15)，錐形波導區域(15)與直波導區域(16)相連，錐形波導區域(15)靠近出光端面(17)，直波導區域(16)靠近背光端面(18)。9.根據權利要求8所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，直波導區域(16)與該二極管的端面法向成2?5°夾角;錐形波導區域(15)張角為2?5°。10.根據權利要求8所述的量子點超輻射發光二極管，其特征在于，該二極管腔長為ΙΟΟΟμπι，直波導區域(16)沿腔長方向的長度為750μπι，錐形波導區域(15)沿腔長方向的長度為 250μηιο
【文檔編號】H01L33/00GK205582962SQ201620374082
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】訾慧, 薛正群, 蘇輝, 王凌華, 林琦, 林中晞, 陳陽華
【申請人】中國科學院福建物質結構研究所