CN102683519B - 一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其制作步骤为：步骤1：在衬底上依次外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱有源层、上限制层、波导层、欧姆接触层、牺牲层；步骤2：采用掩膜方法在牺牲层上制作掩膜，所述掩膜的占空比随位置变化，且占空比同预期的带隙偏移量相对应；步骤3：采入缺陷引入方法处理暴露的牺牲层，然后高温退火处理；步骤4：去除残余的掩膜及牺牲层，光刻并刻蚀波导层和欧姆接触层，形成脊型波导结构，制作电极，完成器件的芯片结构制作；步骤5：解离芯片成管芯，在管芯出光的端面镀膜，形成宽光谱半导体超辐射发光二极管；本发明方法工艺简单，无需特殊的外延生长技术或多次光刻沉积过程，成本低廉。

Description

一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法

技术领域

本发明涉及一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，本发明属于光通信领域。

背景技术

半导体超辐射发光二极管（SLD）是一种介于普通发光二极管（LED）和激光器（LD）之间的一种器件。它是一种放大的自发辐射器件，光在波导中传播时得到单程的光增益，辐射出的光相干长度短。其输出功率可以与普通LD相比，远大于LED，同时又具有较宽的光谱。故其通常作为宽谱光源广泛的应用于光纤陀螺仪，光纤传感系统，光纤通信系统及光学测试设备中。在这些系统中通常要求超辐射发光二极管具有较宽的平坦的输出光谱。随着光纤传感系统及光纤陀螺仪等的蓬勃发展，对超辐射发光二极管的光谱特性提出了越来越高的要求。

传统的增加超辐射发光二极管光谱宽度的方法有，沿超辐射发光二极管电流注入条区方向采用多次刻蚀再外延技术生长几种不同带隙宽度的有源区材料，但该方法需要多次刻蚀及外延过程，工艺繁琐复杂，成品率低，成本高昂。第二种方法是，利用选择区域生长技术，沿超辐射发光二极管电流注入条方向放置宽度渐变的二氧化硅介质膜，利用掩膜效应，使生长出的有源区材料厚度渐变，进而引入带隙渐变的有源区材料，由于需要选区生长，工艺难度大，成品率也相对较低。第三种方案采用叠成量子阱有源区结构，沿生长平面上，有源区量子层分为不同组分或厚度的多层，分别具有不同的发光中心波长，而超辐射发光二极管的输出光谱为这些自发辐射光谱的叠加，达到增加光谱带宽的目的，但该方法有一定局限性，首先引入的叠层不可能很多，其次带隙较窄的材料会吸收带隙较宽材料的自发辐射光，降低发光强度。第四种方案亦采用量子阱混杂技术，但需要在沿电流注入条方向不同位置淀积不同厚度的二氧化硅介质膜，引入多次光刻及淀积过程，工艺复杂，且仅适用于无杂质参与空位扩散量子阱混杂效应。工艺繁琐，适用范围相对较窄，成品率低。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术存在的技术问题，提供一种简便的宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法。

本发明方法的实现原理具体如下，本发明中基于空间控制的量子阱混杂（QWI）技术被用于实现带隙宽度随空间变化的半导体材料。在量子阱混杂技术中，引入缺陷是十分关键的一步。缺陷的引入浓度直接关系到量子阱偏移的程度，其引入浓度和量子阱偏移程度几乎是成正比的。利用掩膜可以起到遮挡缺陷产生的作用。其原理可以用百叶窗的作用来解释，百叶窗类似于掩膜，而阳光类似于缺陷，控制百叶窗的开启程度，即掩膜的占空比，可以控制进入房内的阳光，即引入的总的缺陷量，房间中的明暗程度则对应了有源区得到的缺陷浓度。在量子阱混杂中经过高温退火，引入的缺陷扩散至量子阱区诱导量子阱与垒之间的混杂，实现带隙的偏移，而偏移程度取决于缺陷的扩散浓度，缺陷在向有源区深度方向扩散的同时也会发生横向方向上的扩散，如图2所示。当缺陷的横向扩散长度大于掩膜遮挡的宽度时，可以实现局部均匀的带隙偏移，而不会产生小范围内的微调制效应，其原理类似于墨水滴入水桶，当水桶很深的时候，当墨水扩散到底部时就是一样浓度的了。利用该原理，在器件不同的区域覆盖不同占空比的掩膜图形，则得到的缺陷浓度就是不同的，掩膜的占空比同预期的带隙偏移量相对应。本发明提供的基于空间控制的量子阱混杂原理示意图如图2所示，描述了缺陷扩散到量子阱区的过程以及使量子阱区缺陷量均匀的原理，亦可看作本发明中的图9退火过程的侧视图。当掩膜占空比随空间变化时，带隙偏移量也随空间变化，两者之间的关系如图5所示，量子阱混杂以后的带隙宽度等于混杂前带隙宽度减去引入的带隙偏移，通过该方法即实现了带隙宽度随空间变化的半导体材料。而能带带隙宽度与材料增益峰满足一一对应的关系，利用能带带隙宽度随空间变化的半导体材料，其增益曲线可以看做是各个区域半导体材料增益曲线的叠加，总的效果就是得到了一个包络很宽很平的增益曲线如图13所示，采用本方法可以用于实现宽谱超辐射发光二极管的制作。

本发明采用的技术方案是：

一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其制作步骤具体如下：

步骤1：制作外延片：在衬底上依次外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱有源层、上限制层、波导层、欧姆接触层、牺牲层；步骤2：采用掩膜方法在牺牲层上制作掩膜，所述掩膜的占空比随位置变化，且占空比同预期的带隙偏移量相对应；步骤3：采入缺陷引入方法处理暴露的牺牲层，然后高温退火处理；步骤4：去除残余的掩膜及牺牲层，沿011晶向光刻并刻蚀波导层和欧姆接触层，形成脊型波导结构，制作电极，完成器件的芯片结构制作；步骤5：解离芯片成管芯，在管芯出光的两个端面镀膜，一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，形成宽光谱半导体超辐射发光二极管。

所述步骤2中的掩膜方法采用等离子体增强化学气相沉淀方法在步骤1）制作的外延片上淀积一层厚度为50-500nm的二氧化硅，光刻并采用反应离子刻蚀技术在二氧化硅上制作最小尺寸为0.1到3um，占空比为0到1的灰度图形；

所述步骤3中的缺陷引入方法采用离子体刻蚀技术、离子注入技术、激光照射方法或者淀积介质膜方法对暴露的牺牲层进行刻蚀。

所述离子体刻蚀技术采用氩增强等离子，工艺条件为射频功率50~500W、感应耦合等离子体功率200~2000W、气压1~50mT、氩流量10~100sccm、刻蚀时间1~10分钟。

所述步骤3中的高温退火处理的工艺条件为退火温度200~800度，退火时间1~10分钟。

所述步骤1中制作外延片采用金属有机物化学气相沉淀的工艺方法。

所述步骤4中电极制作方法为：在所述步骤4中的脊型波导上表面淀积覆盖一层二氧化硅，光刻去除设置电极区域的二氧化硅，在去除二氧化硅区域表面淀积一层金属形成电极。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供的这种宽光谱的半导体超辐射发光二极管制作方法，具有工艺合理性并且适用于不同有源区带隙分布方案；

2、采用本发明方法，利用空间控制的量子阱混杂技术制备能带结构空间变化的半导体量子阱材料作为半导体超辐射发光二极管的增益介质，工艺简单，无需特殊的外延生长技术或多次光刻沉积过程，适用范围广泛、实现方式灵活、成本低廉。

附图说明

图1是本发明提供的器件外延片生长结构图；

图2是本发明提供的基于空间控制的量子阱混杂原理示意图；

图3是本发明提供的占空比随位置变化的掩膜图形示意图；

图4是本发明提供的带隙偏移量随掩膜图形占空比变化的光荧光（Photoluminescence ：PL）光谱测试图；

图5是本发明提供的通过实验得到的三种不同量子阱混杂条件下带隙偏移量与掩膜图形占空比之间的一一对应的曲线；

图6至图11是依照本发明实施例制作宽光谱半导体超辐射发光二极管工艺流程的结构示意图；

图12是依照本发明实施例得到的一种有源区能带宽度连续增大的器件能带宽度分布示意图；

图13是依照本发明实施例得到的一种有源区增益谱的叠加效果示意图。

其中：

1、衬底；                                2、缓冲层；

3、下限制层；                            4、多量子阱有源层；

5、上限制层；                            6、波导层；

7、欧姆接触层；                          8、牺牲层；

9、掩膜；                                10、电极；

11、二氧化硅电隔离层；                   12、增透膜；

13、高反射膜 ；      

具体实施方式

结合具体实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，图6至图11是依照本发明实施例制作宽光谱半导体超辐射发光二极管的工艺流程图，其过程具体描述如下：

步骤 1：制作外延片：以衬底1为基片，在其上依次外延生长缓冲层2，下限制层3，多量子阱有源层4，上限制层5，波导层6，欧姆接触层7，牺牲层8。如图6所示。

步骤 2：在牺牲层8上制作掩膜9，结构如图7所示所示；利用光刻及刻蚀技术在掩膜9上制作出占空比随位置变化的灰度掩膜图形。如图8所示。

当掩膜占空比随空间变化时，带隙偏移量也随空间变化，两者之间的关系如图5所示，量子阱混杂以后的带隙宽度等于混杂前带隙宽度减去引入的带隙偏移，通过该方法即实现了带隙宽度随空间变化的半导体材料。如图3是本发明提供的一种占空比位置变化的灰度掩膜图形，可以用来实现带隙偏移逐渐增大的有源区设计。掩膜可选材料包括金属，二氧化硅SiO2，氮化硅SiNX等，氮化硅的氮化硅分子组成一般不确定，采用x代表，本发明可以采用等离子体增强化学气相沉淀方法在外延片上淀积一层厚度为50-500nm的二氧化硅。光刻并利用RIE（Reactive Ion Etching：反应离子刻蚀）刻蚀技术在二氧化硅上制作占空比随空间变化的图样，二氧化硅制作图样的占空比同预期的带隙偏移量相对应。掩膜图形如图3所示，最小尺寸为0.1到3um，占空比为0到1。

步骤3：利用等离子体刻蚀技术，离子注入技术，激光照射或者淀积介质膜的方法处理暴露的牺牲层8，在牺牲层8上引入大量的缺陷。经过高温退火，在牺牲层上形成的缺陷移动到多量子阱有源区4，引起多量子阱有源区4的混杂，实现带隙偏移。处理后的外延片结构如图9所示

本发明利用Ar（氩）增强等离子体刻蚀技术对暴露的InP牺牲层8进行刻蚀，其工艺条件具体如下：RF（射频）功率50-500W，ICP（感应耦合等离子体）功率200-2000W，气压1-50mT，Ar流量10-100sccm，刻蚀时间1-10分钟。对处理过的外延片进行高温快速热退火过程，退火温度200-800度，退火时间1-10分钟。

步骤 4：去除残余的掩膜9及牺牲层8，沿(011)晶向光刻并刻蚀波导层6和欧姆接触层7，形成脊型波导结构，如图10所示。制作电极10，完成器件芯片结构制作。其制作过程具体如下：在步骤4制作的脊型波导上表面利用等离子体增强化学气相沉淀的方法淀积覆盖一层二氧化硅。利用光刻技术光刻去除设置电极区域的二氧化硅，再在该区域的芯片上表面利用溅射或者蒸镀的方法淀积一层金属形成电极10。此时电极与芯片在指定的区域直接接触，而在电极同芯片未接触位置区域之间均设置有二氧化硅电隔离层11。

步骤5：解离器件芯片，形成管芯，并在管芯出光的两个端面镀膜，一端镀高反射膜13，另一端镀增透膜12，形成宽光谱半导体超辐射发光二极管。 其立体结构示意图如图11所示，侧向结构如图12所示。

通过本发明方法制作的半导体超辐射发光二极管器件，有源区的能带带隙宽度（Eg）可以根据需要，通过掩膜占空比与带隙偏移量之间的关系灵活设计。既可以是连续增大或者减小，也可以是其他形式的分布。图12给出了带隙宽度连续增大是一种典型实施例，其有源区分为n段，每一段能带带隙宽度满足下列关系Eg1> Eg2> Eg3>…Egn-2> Egn-1> Egn。由于Eg与增益曲线的峰值满足一一对应的关系，此时器件总的增益曲线可以看做是各段增益曲线的叠加，如图13所示。本发明半导体超辐射发光二极管器件工作原理如下，当注入电流以后，SLED有源区的各段均产生自发辐射，如图12所示，由于有源区带隙宽度满足前述的关系，器件自发辐射光的中心波长从左到右依次增大。当自发辐射光从器件左端端面出射以后，其光谱就是各段的叠加，相比于没有有源区变化的半导体超辐射发光二极管器件，本发明半导体超辐射发光二极管器件SLED器件可以形成宽带光谱。 应当指出的是能带带隙宽度的空间分布亦可为其他形式，如周期分布等。相应的掩膜占空比分布可根据能带带隙分布利用两者之间的对应关系设计。在本发明中，可以采用InP/InGaAsP（铟磷/铟镓砷磷）材料体系作为有源层，并以Ar离子及SiO2作为掩膜进行量子阱混杂。

图1是本发明提供的一种典型的器件外延片结构示意图，以衬底1为基片，在其上依次外延生长缓冲层2、下限制层3、多量子阱有源层4、上限制层5、波导层6、欧姆接触层7、牺牲层8。图4是本发明提供的混杂后不同掩膜占空比区域的材料PL谱，PL谱可以反映材料的增益曲线。最右端的曲线是全部用掩膜掩蔽的区域的PL谱，最左端的曲线是不用掩膜掩蔽的区域的PL谱，中间的曲线从左到右依次为掩膜占空比为0.3，0.4，0.5，0.6区域的PL（光荧光Photoluminescence ：PL）谱。图5是本发明提供的三种不同量子阱混杂条件下带隙偏移量随占空比变化的曲线，从实验上指出了要获得需要的带隙偏移只需要在相应的空间位置处做出相应占空比的图形并进行量子阱混杂处理即可，同时指出了带隙偏移量与占空比之间具有对应关系。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员能够应该理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：其制作步骤具体如下：

步骤1：制作外延片：在衬底(1)上依次外延生长缓冲层(2)、下限制层(3)、多量子阱有源层(4)、上限制层(5)、波导层(6)、欧姆接触层(7)、牺牲层(8)；

步骤2：采用掩膜方法在牺牲层(8)上制作掩膜(9)，所述掩膜(9)的占空比随位置变化，且占空比同预期的带隙偏移量相对应；

步骤3：采用缺陷引入方法处理暴露的牺牲层(8)，然后高温退火处理；

步骤4：去除残余的掩膜(9)及牺牲层(8)，沿(011)晶向光刻并刻蚀波导层(6)和欧姆接触层(7)，形成脊型波导结构，制作电极(10)，完成器件的芯片结构制作；

步骤5：解离芯片成管芯，在管芯出光的两个端面镀膜，一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，形成宽光谱半导体超辐射发光二极管。

2.如权利要求1所述的一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤2中的掩膜方法采用等离子体增强化学气相沉淀方法在步骤1制作的外延片上淀积一层厚度为50-500nm的二氧化硅，光刻并采用反应离子刻蚀技术在二氧化硅上制作最小尺寸为0.1到3um，占空比为0到1的灰度图形。

3.如权利要求1所述的一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤3中的缺陷引入方法采用离子体刻蚀技术、离子注入技术、激光照射方法或者淀积介质膜方法对暴露的牺牲层(8)进行处理。

4.如权利要求3所述的一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：所述离子体刻蚀技术采用氩增强等离子，工艺条件为射频功率50～500W、感应耦合等离子体功率200～2000W、气压1～50mT、氩流量10～100sccm、刻蚀时间1～10分钟。

5.如权利要求1所述的一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤3中的高温退火处理的工艺条件为退火温度200～800度，退火时间1～10分钟。

6.如权利要求1所述的一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤1中制作外延片采用金属有机物化学气相沉淀的工艺方法。

7.如权利要求1所述的一种宽光谱半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤4中电极制作方法为：在所述步骤4中的脊型波导上表面淀积覆盖一层二氧化硅，光刻去除设置电极区域的二氧化硅，在去除二氧化硅区域表面淀积一层金属形成电极。