CN103022297B

CN103022297B - 大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管

Info

Publication number: CN103022297B
Application number: CN201210564296.0A
Authority: CN
Inventors: 田坤; 周勇; 张靖; 段利华; 王培界
Original assignee: CETC 44 Research Institute
Current assignee: CETC 44 Research Institute
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103022297A

Abstract

一种大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管，发光二极管的芯片由顺次层叠在一起的N面电极层、衬底层、缓冲层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层、腐蚀阻挡层、外包层、顶层、电隔离介质膜层和P面电极层组成；其改进在于：在有源层和上波导层之间设置有电子限制层，其材质为P型AlGaInAs。本发明的有益技术效果是：可使发光二极管的芯片发光波长达到1.28μm～1.35μm，在100mA工作电流条件下与单模光纤耦合输出功率大于2mW，裸芯片状态下能够承受的伽玛辐照总剂量达到500Krad（Si），有源层采用低偏振度组合方式可实现偏振度小于0.5dB，采用高偏振度组合方式可实现偏振度大于13dB。

Description

大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管。

背景技术

光纤传感事业的快速发展，迫切需要一种宽光谱、低相干性、大功率的光源，超辐射发光二极管具备激光二极管发散角小、输出功率大的特点，同时还具有发光二极管发射光谱宽、相干性低的优点，可以很好的满足光纤传感用光源的技术需求。光纤陀螺作为一种较为特殊的光纤传感器，广泛应用于各类航空器的导航控制领域，其内部光源主要采用超辐射发光二极管，而随着人类科学探索范围的不断扩大，各种航天器进入宇宙空间，可用于导航控制的光纤陀螺将在充满各种宇宙射线的辐照环境下工作，光纤陀螺的工作状态的好坏将严重依赖于超辐射发光二极管光源在辐照条件下工作能否稳定。

宇航辐照环境中的伽玛射线可造成电离辐射效应，将在光源芯片表面和内部产生多余的载流子，引起芯片材料内部载流子复合或界面多余电荷堆积，进而影响芯片光电性能参数的稳定性，这就要求芯片结构具有较强的载流子限制能力。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管，发光二极管的芯片由顺次层叠在一起的N面电极层、衬底层、缓冲层、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上包层、腐蚀阻挡层、外包层、顶层、电隔离介质膜层和P面电极层组成；其改进在于：在有源层和上波导层之间设置有电子限制层，电子限制层的材质为P型铝镓铟砷（AlGaInAs）。

AlGaInAs材料是本领域常用的材料，其具有高的带隙差，可有效阻止载流子的泄漏，但现有技术一般仅将其用于制作有源层或波导层，也即现有技术中的发光二极管不具备电子限制层这一结构层，前述方案与现有技术的最大不同就在于：有源层和上波导层之间添加了一电子限制层，该电子限制层可有效限制载流子的逸出，减弱辐照电离效应引起的芯片内部载流子非辐射复合效应，提高芯片抗电离辐射能力；

其原理是：有源层和上波导层之间设置的P型AlGaInAs可在能带结构中提供一个有效势垒，其高度高于有源层和上波导层的势垒，伽玛辐照会使芯片内部材料电离，在PN结交界面附近形成大量空穴-电子对，采用现有结构时，这些空穴-电子对会积聚在有源层附近并俘获很多本用于发光的载流子，形成载流子非辐射复合，导致芯片发光效率下降，而添加了本发明的电子限制层后，可将伽玛辐照形成的大量空穴-电子对阻挡在有源层外，保证有源层内载流子不会由于载流子非辐射复合被消耗，从而确保芯片的发光效率不会因伽玛辐照而大幅降低。

本发明所述电隔离介质膜层采用Si₃N₄。Si₃N₄相比常规作为电隔离介质膜层的SiO₂密度更高、表面可动电荷数量更少，将Si₃N₄作为电隔离介质膜层，可使表面缺陷能极少，能减弱辐照电离效应引起的芯片表面多余电荷堆积，进一步提高芯片抗电离辐射能力；

在前述方案的基础上，本发明还对有源层作了进一步的改进：所述有源层为多层应变量子阱混合结构；其原理是：应变量的引入可提高光的模式增益，增大自发辐射增益，增大输出功率；

在前述多层应变量子阱混合结构方案的基础上，本发明还提出了如下六种优选的多层应变量子阱混合结构：

结构一：

所述多层应变量子阱混合结构由两层压应变量子阱层、两层无应变垒层和一层张应变量子阱层组成；两层无应变垒层分别层叠于张应变量子阱层的上、下侧面上，两层压应变量子阱层分别层叠在两层无应变垒层的外侧面上；

结构二：

所述多层应变量子阱混合结构由三层压应变量子阱层、四层无应变垒层和两层张应变量子阱层组成；第一无应变垒层和第二无应变垒层分别层叠于第一压应变量子阱层的上、下侧面上，两层张应变量子阱层分别层叠于第一无应变垒层和第二无应变垒层的外侧面上，第三无应变垒层和第四无应变垒层分别层叠于两层张应变量子阱层的外侧面上，第二压应变量子阱层和第三压应变量子阱层分别层叠于第三无应变垒层和第四无应变垒层的外侧面上；

结构三：

所述多层应变量子阱混合结构由三层压应变量子阱层、六层无应变垒层和四层张应变量子阱层组成；第一压应变量子阱层的上侧面依次层叠有一无应变垒层、一张应变量子阱层、一无应变垒层、一压应变量子阱层、一无应变垒层、一张应变量子阱层，第一压应变量子阱层的下侧面依次层叠有一无应变垒层、一张应变量子阱层、一无应变垒层、一压应变量子阱层、一无应变垒层、一张应变量子阱层；

结构四：

所述多层应变量子阱混合结构由三层张应变垒层和四层压应变量子阱层组成；第一张应变垒层的上侧面依次层叠有一压应变量子阱层、一张应变垒层、一压应变量子阱层，第一张应变垒层的下侧面依次层叠有一压应变量子阱层、一张应变垒层、一压应变量子阱层；结构四所形成的结构体记为D结构体；

结构五：

所述多层应变量子阱混合结构为：在D结构体的上侧面依次层叠有一张应变垒层、一压应变量子阱层，D结构体的下侧面依次层叠有一张应变垒层、一压应变量子阱层；结构五所形成的结构体记为E结构体；

结构六：

所述多层应变量子阱混合结构为：在E结构体的上侧面依次层叠有一张应变垒层、一压应变量子阱层，E结构体的下侧面依次层叠有一张应变垒层、一压应变量子阱层。

其中，结构一、结构二、结构三用于实现低偏振参数，结构四、结构五、结构六用于实现高偏振参数；所述压应变量子阱层、张应变量子阱层、无应变垒层、张应变垒层均采用AlGaInAs材料制作。

具体应用时，多层应变量子阱混合结构在前述六种结构形式中择一采用；其原理为：通过张、压应变、无应变AlGaInAs超薄材料的组合，改变TE和TM模式的模式增益的比值，以实现低偏振参数和高偏振参数，其中，由结构一、结构二和结构三所形成的器件，可使轻空穴带能带位置上升，相比无应变或压应变结构，大大增强TM模的模式增益，促使TE模和TM模的模式增益相近，进而实现芯片偏振度小于0.5dB的低偏性能；由结构四、结构五和结构六所形成的器件，可实现TE模式增益远高于TM模，进而实现芯片偏振度大于13dB的高偏性能。在这些结构中，垒层厚度为15 nm～20 nm，阱层厚度为5nm～15nm，张应变量为3000ppm～13000 ppm，压应变量为5000ppm～14000 ppm。所述AlGaInAs材料的量子阱结构均由MOCVD（金属有机化合物化学气相沉淀）工艺生长而成。

所述N面电极层采用AuGeNi、Au、Ti、Pt、Au材料依次叠加而成；所述衬底和所述缓冲层均采用n型InP制作，所述下包层采用n型AlInAs制作，所述下波导层采用AlGaInAs制作；所述有源层可采用现有材料按现有结构制作，也可采用本发明的前述方案，以现有材料制作为多层应变量子阱混合结构；所述电子限制层采用前述方案中的P型AlGaInAs材料制作；所述上波导层采用AlGaInAs制作；所述上包层采用P型AlInAs制作；所述腐蚀阻挡层采用P型InGaAsP制作，所述外包层采用P型InP制作，所述顶层采用P⁺型InGaAs制作；所述电隔离介质膜层可采用现有技术中的SiO₂制作，也可采用本发明前述方案中的Si₃N₄制作，所述P面电极层采用Ti、Pt、Au材料依次叠加而成。

本发明还提出了如下的优选器件参数方案：所述N面电极层厚度为0.7μm~1μm；所述衬底层厚度为300μm~350μm；所述缓冲层厚度为0.3μm~0.6μm；所述下包层厚度为0.1μm~0.2μm；所述下波导层厚度为0.1μm~0.15μm；所述有源层厚度为0.09μm ~0.2μm；所述电子限制层厚度为0.01μm~0.03μm；所述上波导层厚度为0.1μm~0.15μm；所述上包层厚度为0.1μm~0.2μm；所述腐蚀阻挡层厚度为0.015μm~0.02μm；所述外包层厚度为1.4μm~1.6μm；所述顶层厚度为0.15μm~0.2μm；所述电隔离介质膜层厚度为0.15μm~0.25μm；所述P面电极层厚度为0.35μm~0.5μm。

与现有技术相同地，本发明涉及的超辐射发光二极管芯片也采用倒台形脊波导结构，其结构上的功能区也由发光区和吸收区两部分组成，但吸收区上的波导段与常规超辐射发光二极管芯片不同，本发明采用了直波导段、弯曲波导段、斜波导段顺次连接的组合方式来形成波导段，其中，直波导段一端延伸至芯片上的发光区，直波导段另一端与弯曲波导段一端连接，弯曲波导段另一端与斜波导段一端连接，斜波导段另一端延伸至芯片边沿；所述直波导段延伸方向与芯片的长度方向平行，所述斜波导段延伸方向与芯片的长度方向呈一定夹角，斜波导段的宽度从内端向外端逐渐变大，斜波导段和直波导段之间通过弯曲波导段平滑过度。采用前述方案构筑出的吸收区，可有效降低芯片增益腔内后向光形成的光反射，在保证大功率光输出的条件下降低芯片光谱波纹系数。

与现有技术相似地，本发明也在芯片前后腔面均镀有反射率小于1%的增透膜抑制腔面光反射。

本发明的有益技术效果是：可使发光二极管的芯片发光波长达到1.28μm～1.35μm，在100mA工作电流条件下与单模光纤耦合输出功率大于2mW，裸芯片状态下能够承受的伽玛辐照总剂量达到500Krad（Si），有源层若采用低偏振度组合方式可实现偏振度小于0.5dB，若采用高偏振度组合方式可实现偏振度大于13dB。

附图说明

图1、本发明的发光二极管的层状结构示意图；

图2、本发明的发光二极管的立体结构示意图；

图3、本发明的多层应变量子阱混合结构的结构一结构示意图；

图4、本发明的多层应变量子阱混合结构的结构二结构示意图；

图5、本发明的多层应变量子阱混合结构的结构三结构示意图；

图6、本发明的多层应变量子阱混合结构的结构四结构示意图；

图7、本发明的多层应变量子阱混合结构的结构五结构示意图；

图8、本发明的多层应变量子阱混合结构的结构六结构示意图；

具体实施方式

1、利用MOCVD技术在n型InP衬底2上依次生长n型InP缓冲层3、n型AlInAs包层4、AlGaInAs下波导层5（也叫渐变折射率下波导层）、AlGaInAs多层应变量子阱混合结构的有源层6、P型AlGaInAs电子限制层14、AlGaInAs上波导层7（也叫渐变折射率上波导层）、P型AlInAs包层8、P型InGaAsP腐蚀阻挡层9、P型InP外包层10、P⁺型InGaAs顶层11。

2、生长完成后的芯片表面淀积SiO₂，再利用光刻技术制作出宽度为3μm～5μm的条形SiO₂掩模，利用该掩模采用选择性腐蚀液精确腐蚀至腐蚀阻挡层9，形成上宽下窄的脊形台面，完成波导制作后的芯片去除光刻掩模后清洗干净，利用PECVD淀积Si₃N₄电隔离介质膜层12，利用自对准光刻技术在脊形台面顶部制作出电流通道，溅射Ti、Pt、Au制作P面电极层13，经电极剥离工艺后去除吸收区16上部的P面电极层13，保留有P面电极层13的区域形成发光区15，N面衬底减薄后蒸镀AuGeNi、Au、Ti、Pt、Au制作N面电极层1，合金后解理成巴条，装夹后利用电子束蒸发在前后腔面镀制反射率小于1%的增透膜，完成镀膜后将巴条解理成单个芯片，单个芯片的横截面层次结构见图2，立体结构见图3。

上述器件中，N面电极层1厚度为0.9μm；衬底层2厚度为320μm；缓冲层3厚度为0.6μm；下包层4厚度为0.1μm；下波导层5厚度为0.13μm；有源层6厚度为0.15μm；电子限制层14厚度为0.01μm；上波导层7厚度为0.15μm；上包层8厚度为0.1μm；腐蚀阻挡层9厚度为0.015μm；外包层10厚度为1.6μm；顶层11厚度为0.18μm；电隔离介质膜层12厚度为0.2μm；P面电极层13厚度为0.4μm。

将制作完成的超辐射发光二极管芯片用于测试，测试条件为：工作电流100mA；伽玛辐照总剂量500Krad(Si)，剂量率50 rad(Si)/s；恒定芯片温度为25℃；

测试结果为：峰值波长范围：1.28μm～1.31μm；光谱范围：1.28μm～1.35μm；芯片与单模光纤耦合后出光功率大于2mW；辐照后出光功率的功率变化率小于5%；当有源层6结构为结构一、结构二或结构三中任意一种时，偏振度最低可小于0.5dB；当有源层6结构为结构四、结构五、结构六中任意一种时，偏振度最高可大于13dB。

Claims

1.一种大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管，发光二极管的芯片由顺次层叠在一起的N面电极层（1）、衬底层（2）、缓冲层（3）、下包层（4）、下波导层（5）、有源层（6）、上波导层（7）、上包层（8）、腐蚀阻挡层（9）、外包层（10）、顶层（11）、电隔离介质膜层（12）和P面电极层（13）组成；

其特征在于：在有源层（6）和上波导层（7）之间设置有电子限制层（14），电子限制层（14）的材质为P型AlGaInAs；

所述有源层（6）为多层应变量子阱混合结构；

所述多层应变量子阱混合结构包括：多层应变量子阱混合结构在如下六种结构形式中择一采用：

结构一：

所述多层应变量子阱混合结构由两层压应变量子阱层（6-1）、两层无应变垒层（6-3）和一层张应变量子阱层（6-2）组成；两层无应变垒层（6-3）分别层叠于张应变量子阱层（6-2）的上、下侧面上，两层压应变量子阱层（6-1）分别层叠在两层无应变垒层（6-3）的外侧面上；

结构二：

所述多层应变量子阱混合结构由三层压应变量子阱层（6-1）、四层无应变垒层（6-3）和两层张应变量子阱层（6-2）组成；第一无应变垒层（6-3）和第二无应变垒层（6-3）分别层叠于第一压应变量子阱层（6-1）的上、下侧面上，两层张应变量子阱层（6-2）分别层叠于第一无应变垒层（6-3）和第二无应变垒层（6-3）的外侧面上，第三无应变垒层（6-3）和第四无应变垒层（6-3）分别层叠于两层张应变量子阱层（6-2）的外侧面上，第二压应变量子阱层（6-1）和第三压应变量子阱层（6-1）分别层叠于第三无应变垒层（6-3）和第四无应变垒层（6-3）的外侧面上；

结构三：

所述多层应变量子阱混合结构由三层压应变量子阱层（6-1）、六层无应变垒层（6-3）和四层张应变量子阱层（6-2）组成；第一压应变量子阱层（6-1）的上侧面依次层叠有一无应变垒层（6-3）、一张应变量子阱层（6-2）、一无应变垒层（6-3）、一压应变量子阱层（6-1）、一无应变垒层（6-3）、一张应变量子阱层（6-2），第一压应变量子阱层（6-1）的下侧面依次层叠有一无应变垒层（6-3）、一张应变量子阱层（6-2）、一无应变垒层（6-3）、一压应变量子阱层（6-1）、一无应变垒层（6-3）、一张应变量子阱层（6-2）；

结构四：

所述多层应变量子阱混合结构由三层张应变垒层（6-4）和四层压应变量子阱层（6-1）组成；第一张应变垒层（6-4）的上侧面依次层叠有一压应变量子阱层（6-1）、一张应变垒层（6-4）、一压应变量子阱层（6-1），第一张应变垒层（6-4）的下侧面依次层叠有一压应变量子阱层（6-1）、一张应变垒层（6-4）、一压应变量子阱层（6-1）；结构四所形成的结构体记为D结构体；

结构五：

所述多层应变量子阱混合结构为：在D结构体的上侧面依次层叠有一张应变垒层（6-4）、一压应变量子阱层（6-1），D结构体的下侧面依次层叠有一张应变垒层（6-4）、一压应变量子阱层（6-1）；结构五所形成的结构体记为E结构体；

结构六：

所述多层应变量子阱混合结构为：在E结构体的上侧面依次层叠有一张应变垒层（6-4）、一压应变量子阱层（6-1），E结构体的下侧面依次层叠有一张应变垒层（6-4）、一压应变量子阱层（6-1）；

其中，结构一、结构二、结构三用于实现低偏振参数，结构四、结构五、结构六用于实现高偏振参数；所述压应变量子阱层（6-1）、张应变量子阱层（6-2）、无应变垒层（6-3）、张应变垒层（6-4）均采用AlGaInAs材料制作。

2.根据权利要求1所述的大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管，其特征在于：所述电隔离介质膜层（12）采用Si₃N₄。

3.根据权利要求1或2所述的大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管，其特征在于：所述N面电极层（1）厚度为0.7μm~1μm；

所述衬底层（2）厚度为300μm~350μm；

所述缓冲层（3）厚度为0.3μm~0.6μm；

所述下包层（4）厚度为0.1μm~0.2μm；

所述下波导层（5）厚度为0.1μm~0.15μm；

所述有源层（6）厚度为0.09μm ~0.2μm；

所述电子限制层（14）厚度为0.01μm~0.03μm；

所述上波导层（7）厚度为0.1μm~0.15μm；

所述上包层（8）厚度为0.1μm~0.2μm；

所述腐蚀阻挡层（9）厚度为0.015μm~0.02μm；

所述外包层（10）厚度为1.4μm~1.6μm；

所述顶层（11）厚度为0.15μm~0.2μm；

所述电隔离介质膜层（12）厚度为0.15μm~0.25μm；

所述P面电极层（13）厚度为0.35μm~0.5μm。

4.根据权利要求1或2所述的大功率、耐伽玛辐照超辐射发光二极管，其特征在于：所述芯片为倒台形脊波导结构，吸收区（16）上的波导段由直波导段（17）、弯曲波导段（18）和斜波导段（19）顺次连接组成，直波导段（17）一端延伸至芯片上的发光区，直波导段（17）另一端与弯曲波导段（18）一端连接，弯曲波导段（18）另一端与斜波导段（19）一端连接，斜波导段（19）另一端延伸至芯片边沿；

所述直波导段（17）延伸方向与芯片的长度方向平行，所述斜波导段（19）延伸方向与芯片的长度方向呈一定夹角，斜波导段（19）的宽度从内端向外端逐渐变大，斜波导段（19）和直波导段（17）之间通过弯曲波导段（18）平滑过度。