CN102117868A - 一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，采用斜三角形吸收区的波导结构结合前后腔面淀积超低反射率的光学增透膜，实现低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备。本发明采用斜三角形吸收区的波导形式，它的三条边与对应腔面之间均保持一定的夹角，可以有效提高光透射率；另外，斜腔的结构也可以有效抑制受激振荡，减少腔面的光反馈。在膜系设计上，两层膜系结构的低反射率光谱区带宽、膜料的折射率偏差和厚度偏差对膜系剩余反射率的影响程度均好于三层膜系对称结构，且工艺制备时的允差较大，有利于实现精确监控。本发明提供的制作低波纹系数的半导体超辐射发光二极管方法，工艺相对简单，实现成本较低，具有工艺合理性。

Description

一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体超辐射发光二极管技术领域，特别是指一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法。

背景技术

超辐射发光二极管是一种光学性能介于发光二极管和激光器之间的半导体发光器件，它的主要特点是：既具布激光器尾纤输出功率高的优点，义具有发光二极管光谱宽和波纹系数小的优点，基于它的这些特殊光学性质，可以广泛应用在国防上有重要意义的光纤陀螺技术中，成为下一代精确惯性制导的核心元器件。

为了进一步提高光纤陀螺的信噪比，中高精度光纤陀螺通常选择高的尾纤输出功率、低波纹系数和宽光谱宽度的超辐射发光二极管来作光源。因此，要实现以上高性能的超辐射发光二极管的要求，外延器件结构必须具备实现高性能的半导体激光器性能，在高性能的外延半导体器件结构的基础上，通过最大限度抑制器件腔面反射来实现超辐射的性能，而超辐射发光二极管的波纹系数大小是衡量这种抑制效果的技术指标。

为抑制器件的激射，减少器件的波纹系数，很容易想到的直观办法是：在半导体激光器的腔面蒸镀高透过率的增透膜。经验表明，要实现波纹系数小于等于0.2dB的较高技术指标，该种增透膜的剩余反射率应在0.001％以下。制备这样的增透膜难度很大，它不仅要求设备对膜厚和膜的生长过程有很好的控制手段，而且对膜料的纯度等特性也有严格的要求，另外，对制备光学膜工艺提出很高的要求，制备的光学膜致密性好，光学膜性能稳定，不受各种恶劣环境的影响等。现在的镀膜工艺技术能达到这些要求，但成本要求很高、技术难度也高、重复性相对较差，因此，采用仅依赖高精度镀膜技术抑制腔面光反溃的技术方案并没有得到很好的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，该方法采用斜三角形吸收区的波导结构结合前后腔面淀积超低反射率的光学增透膜，实现低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备，具体包括：

在InP衬底上外延生长器件的有源结构；

在有源结构上淀积生长一层二氧化硅；

在该二氧化硅上光刻并腐蚀出增益区+斜三角形吸收区的波导图形，再通过湿法腐蚀技术实现该波导结构；

在该波导结构上依次淀积生长P-InP和N-InP电流限制层，直至其台面与波导结构的台面平齐，并腐蚀掉该波导结构上的二氧化硅；

淀积生长高掺杂的欧姆接触层，在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区；

采用物理气相淀积的方法，实现特殊金属化的电极；

将得到的外延片解理成管芯，在管芯的两端面进行镀膜，形成低波纹系数的半导体超辐射发光二极管。

上述方案中，所述在InP衬底上外延生长器件的有源结构，采用金属有机化学气相淀积外延方法实现，该有源结构包括缓冲层和有源层。

上述方案中，所述在有源结构上淀积生长一层二氧化硅采用化学气相淀积方法实现，该二氧化硅的厚度为60nm～300nm。

上述方案中，所述在二氧化硅上光刻并腐蚀出增益区+斜三角形吸收区的波导图形，该图形一侧设计为条形波导增益区；另一侧设计为斜三角形的波导吸收区。

上述方案中，所述条形波导增益区W≥1μm，L＝100～2000μm。

上述方案中，所述斜三角形的波导吸收区的总长度为100～800μm，三角形各边与其对应的腔面之间的夹角均为3～20°。

上述方案中，所述在该波导结构上依次淀积生长P-InP和N-InP电流限制层，采用金属有机化学气相淀积外延方法实现。

上述方案中，所述淀积生长高掺杂的欧姆接触层，在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区，包括：采用金属有机化学气相淀积外延方法淀积生长高掺杂的欧姆接触层，采用化学气相淀积方法在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区；制备吸收区采用两种方法实现：一种方法是直接腐蚀掉增益区上方的掩膜，确保掩膜层覆盖整个吸收区；另一种是通过光刻技术，先光刻腐蚀出覆盖整个增益区的掩膜图形，再湿法腐蚀掉整个吸收区上方的欧姆接触层，使吸收区变为“高阻区”，最后腐蚀掉其余的二氧化硅掩膜层。

上述方案中，所述在管芯的两端面进行镀膜，是在管芯的前后腔面分别蒸镀超低反射率的光学增透膜。

上述方案中，所述形成的低波纹系数的半导体超辐射发光二极管，是波长在1000～1600nm范围内的半导体超辐射发光二极管。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、在波导结构设计上，本发明采用“斜三角形吸收区”的波导形式。其中，“斜三角形吸收区”的特点是它的三条边与对应腔面之间均保持一定的夹角，这样可以有效提高光透射率；另外，斜腔的结构也可以有效抑制受激振荡，减少腔面的光反馈。

2、在膜系设计上，本发明采用两层膜系结构的低反射率光谱区带宽、膜料的折射率偏差和厚度偏差对膜系剩余反射率的影响程度均好于三层膜系对称结构，而且其工艺制备时的允差较大，有利于实现精确监控。

3、本发明提供的这种制作低波纹系数的半导体超辐射发光二极管方法，工艺相对简单，实现成本较低，具有工艺合理性。

附图说明

图1是低波纹系数的波导结构的示意图；

图2是“斜三角形吸收区”波导结构的示意图；

图3是依照本发明实施的制作低波纹系数的半导体超辐射发光二极管的工艺流程图；其中：

(1)——N-InP缓冲层

(2)——InGaAsP有源层

(3)——P-InP限制层

(4)——N-InP限制层

(5)——P-InGaAs/InP欧姆接触层

(6)——N面电极

(7)——P面电极

(8)——“斜三角形”吸收区

(9)——腔面光学增透膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，为了实现低波纹系数，必须最大限度地降低腔面光反馈，

本发明采取的主要手段如下：

1、“斜三角形吸收区”的波导结构

首先采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)外延技术，在InP衬底上外延生长管芯的有源结构，包括N-InP缓冲层和有源层等。

其次采用化学气相淀积方法，在有源结构上生长一层二氧化硅掩膜，通过光刻技术在掩膜上光刻腐蚀出一侧是条形波导增益区，另一侧是“斜三角形”波导吸收区的二氧化硅图形(如图2所示)。

通过计算波导折射率差，三角形的各条边与其对应腔面之间的夹角一般取3～20°，连接增益区的两条斜边与对应条形波导边之间的夹角≥160°。

然后，通过湿法腐蚀技术腐蚀未被掩膜覆盖的有源层来实现该波导结构，其中增益区W≥1μm，L＝100～2000μm；吸收区总长度为100～800μm。

最后，采用化学气相淀积方法，在欧姆接触层上生长一层二氧化硅掩膜层，这里可采用两种方案达到制备吸收区的目的：一种是直接腐蚀掉增益区上方的掩膜层，确保掩膜层覆盖整个吸收区；另一种是通过光刻技术，先光刻腐蚀出覆盖整个增益区的掩膜图形，再湿法腐蚀掉整个吸收区上方的欧姆接触层，使吸收区变为“高阻区”，最后腐蚀掉其余的二氧化硅掩膜层。

2、高质量腔面光学增透膜技术

该技术包括腔面光学膜结构设计和优化，高可靠性的淀积工艺、高精度的控制手段等方面：

1)在腔面光学膜结构设计方面，采用两层膜系结构方案。

2)在腔面光学膜淀积过程中，为了实现高致密性的稳定光学膜，采用电子束蒸发和离子辅助技术。

3)在光学膜膜厚控制手段上，采用石英晶体和光学膜厚控制仪的综合控制的方式实现。

基于上述实现原理，本发明提供的这种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，采用斜三角形吸收区的波导结构结合前后腔面淀积超低反射率的光学增透膜，实现低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备，如图3所示，该方法具体包括：

步骤1：采用金属有机化学气相淀积外延方法，在InP衬底上外延生长器件的有源结构，该有源结构包括缓冲层和有源层；

步骤2：采用化学气相淀积方法在有源结构上淀积生长一层二氧化硅，该二氧化硅的厚度为60nm～300nm；

步骤3：在该二氧化硅上光刻并腐蚀出增益区+斜三角形吸收区的波导图形(如图2所示)，该图形一侧设计为条形波导增益区，另一侧设计为斜三角形的波导吸收区，条形波导增益区W≥1μm，L＝100～2000μm，斜三角形的波导吸收区的总长度为100～800μm，三角形各边与其对应的腔面之间的夹角均为3～20°；然后再通过湿法腐蚀技术实现该波导结构；

步骤4：采用金属有机化学气相淀积外延方法在该波导结构上依次淀积生长P-InP和N-InP电流限制层，直至其台面与波导结构的台面平齐，并腐蚀掉该波导结构上的二氧化硅；

步骤5：淀积生长高掺杂的欧姆接触层，在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区；具体包括：采用金属有机化学气相淀积外延方法淀积生长高掺杂的欧姆接触层，采用化学气相淀积方法在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区；制备吸收区采用两种方法实现：一种方法是直接腐蚀掉增益区上方的掩膜，确保掩膜层覆盖整个吸收区；另一种是通过光刻技术，先光刻腐蚀出覆盖整个增益区的掩膜图形，再湿法腐蚀掉整个吸收区上方的欧姆接触层，使吸收区变为“高阻区”，最后腐蚀掉其余的二氧化硅掩膜层。

步骤6：采用物理气相淀积的方法，实现特殊金属化的电极；

步骤7：将得到的外延片解理成管芯，在管芯的两端面进行镀膜，形成低波纹系数的半导体超辐射发光二极管；

其中，在管芯的两端面进行镀膜，是在管芯的前后腔面分别蒸镀超低反射率的光学增透膜；形成的低波纹系数的半导体超辐射发光二极管是波长在1000～1600nm范围内的半导体超辐射发光二极管。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，该方法采用斜三角形吸收区的波导结构结合前后腔面淀积超低反射率的光学增透膜，实现低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备，具体包括：

在InP衬底上外延生长器件的有源结构；

在有源结构上淀积生长一层二氧化硅；

在该二氧化硅上光刻并腐蚀出增益区+斜三角形吸收区的波导图形，再通过湿法腐蚀技术实现该波导结构；

在该波导结构上依次淀积生长P-InP和N-InP电流限制层，直至其台面与波导结构的台面平齐，并腐蚀掉该波导结构上的二氧化硅；

淀积生长高掺杂的欧姆接触层，在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区；

采用物理气相淀积的方法，实现特殊金属化的电极；

将得到的外延片解理成管芯，在管芯的两端面进行镀膜，形成低波纹系数的半导体超辐射发光二极管。

2.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在InP衬底上外延生长器件的有源结构，采用金属有机化学气相淀积外延方法实现，该有源结构包括缓冲层和有源层。

3.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在有源结构上淀积生长一层二氧化硅采用化学气相淀积方法实现，该二氧化硅的厚度为60nm～300nm。

4.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在二氧化硅上光刻并腐蚀出增益区+斜三角形吸收区的波导图形，该图形一侧设计为条形波导增益区；另一侧设计为斜三角形的波导吸收区。

5.根据权利要求4所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述条形波导增益区W≥1μm，L＝100～2000μm。

6.根据权利要求4所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述斜三角形的波导吸收区的总长度为100～800μm，三角形各边与其对应的腔面之间的夹角均为3～20°。

7.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在该波导结构上依次淀积生长P-InP和N-InP电流限制层，采用金属有机化学气相淀积外延方法实现。

8.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述淀积生长高掺杂的欧姆接触层，在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区，包括：

采用金属有机化学气相淀积外延方法淀积生长高掺杂的欧姆接触层，采用化学气相淀积方法在欧姆接触层上淀积生长一层二氧化硅掩膜，然后制备吸收区；制备吸收区采用两种方法实现：一种方法是直接腐蚀掉增益区上方的掩膜，确保掩膜层覆盖整个吸收区；另一种是通过光刻技术，先光刻腐蚀出覆盖整个增益区的掩膜图形，再湿法腐蚀掉整个吸收区上方的欧姆接触层，使吸收区变为“高阻区”，最后腐蚀掉其余的二氧化硅掩膜层。

9.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在管芯的两端面进行镀膜，是在管芯的前后腔面分别蒸镀超低反射率的光学增透膜。

10.根据权利要求1所述的低波纹系数半导体超辐射发光二极管的制备方法，其特征在于，所述形成的低波纹系数的半导体超辐射发光二极管，是波长在1000～1600nm范围内的半导体超辐射发光二极管。

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