CN105098006A - 一种超辐射发光二极管芯片的制备方法及制得的发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超辐射发光二极管芯片的制备方法，该方法包括：一次外延的步骤、形成脊的步骤、二次外延的步骤、形成隔离区的步骤、蒸发P型电极的步骤、蒸发N型电极、合金的步骤、镀膜的步骤。本发明还涉及由上述制备方法制得的超辐射发光二极管芯片。本发明制备的芯片具有低偏振、高输出功率、低光谱波纹的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片，特别涉及一种超辐射发光二极管芯片的制备方法及制得的发光二极管芯片。
背景技术
超辐射发光二极管(SuperluminescentDiodes，SLD)是一种宽光谱、弱时间相干性、高输出功率、高效率的半导体光发射器件，其光学性质介于半导体激光器LD和发光二极管LED之间，具有比LD更宽的发光光谱和更短的相干长度，同时比LED具有更高的输出功率，其主要优点是宽光谱、大的输出功率；被广泛应用在光纤陀螺、光纤传感、光学相干层析等领域。
在高精度的光纤陀螺和光纤传感器件应用领域，SLD除了高输出功率、宽光谱之外，其偏振不敏感的特性是至关重要的。另一方面大的出光功率可以提高SLD应用系统的精度和灵敏度，特别是应用在光纤陀螺领域可以显著提高系统的信噪比。然而，对于SLD器件自身来说，其发光的TE模式和TM模式间的功率相差较大，对于常规的体材料有源区，TE/TM的功率在3/1以上；对于常规的压应变量子阱有源区，TE/TM的功率在10/1以上。因此在实际应用过程中通常要额外采用保偏光纤或者是其他偏振控制器件，这使得器件应用的成本增加、系统体积增大，不利于集成。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低偏振、高输出功率、低光谱波纹的超辐射发光二极管芯片的制备方法及由此制得的发光二极管芯片。
本发明提出了一种超辐射发光二极管芯片的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
一次外延的步骤：在N-InP衬底上依次生长N-InP缓冲层、InGaAsP下分别限制层、有源层、InGaAsP上分别限制层和P-InP覆盖层，由此形成一次外延片样品；
形成脊的步骤：在上述一次外延片样品表面沉积一层SiO2介质层，对该样品进行光刻，刻蚀掉部分表面的SiO2介质层，并对该样品进行腐蚀，腐蚀到N-InP衬底，从而沿着晶向形成脊形状；
二次外延的步骤：对该样品进行掩埋生长前的处理，以去除样品表面的氧化物；在样品表面依次生长P-InP层、N-InP层，作为电流阻挡层；将生长完的样品除去脊上的SiO2介质层后，再次对样品进行掩埋生长前的处理，然后在样品上依次生长P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层，完成二次外延生长；
形成隔离区的步骤：在完成二次外延生长的样品表面沉积SiO2介质层，并形成隔离区；去除样品表面的SiO2介质层；
蒸发P型电极的步骤：在样品表面生长SiO2介质层，光刻形成P面一次金属图形，刻蚀电极区域表面的介质层，再经电子束蒸发P型金属，剥离，合金之后，再次光刻、电子束蒸发形成P面二次金属；
蒸发N型电极、合金的步骤：对样品的N型层进行减薄，电子束蒸发N型金属，对样品的N型金属和P面二次金属合金；
镀膜的步骤：将样品沿着晶向解离成巴条，对芯片的出光端面和背光端面分别蒸镀光学增透膜和高反射膜，完成超辐射发光二极管芯片的制备。
进一步地，所述形成有源层的具体步骤为：在所述InGaAsP下分别限制层上交替生长张应变和压应变的InGaAsP量子阱，从而在所述InGaAsP下分别限制层上形成有源层。
进一步地，所述脊沿晶向的垂直方向分为三个区域：圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域以及喇叭形波导区域，其中，靠近出光端面的是圆弧形弯曲波导区域，连接圆弧形弯曲波导区域的是平滑过渡的直脊波导区域，直脊波导区域之后连接的是喇叭形波导区域，喇叭形波导区域靠近背光端面。
进一步地，所述圆弧形弯曲波导区域与出光端面的夹角为80-82度，所述喇叭形波导区域的喇叭锥角为10度。
进一步地，所述形成隔离区的步骤具体为：在完成二次外延生长的样品表面沉积SiO2，在喇叭形波导区域光刻形成隔离区形状，采用RIE工艺刻蚀隔离区表面的SiO2，采用湿法腐蚀去除隔离区表面的P+-InGaAs层，形成隔离区，从而将喇叭形波导区域分成喇叭形光放大区域、隔离区以及反向偏压区。
进一步地，所述蒸发P型电极的步骤具体为：在样品表面生长SiO2介质层，光刻形成P面一次金属图形，RIE刻蚀电极区域表面的介质层，电子束蒸发Ti50nm/Pt100nm/Au100nm，剥离，在氮气氛围中合金；光刻形成P面电极焊盘图形，即P面二次金属图形，电子束蒸发Cr5nm/Au80nm，剥离。
进一步地，所述蒸发N型电极、合金的步骤具体为：对样品的N型层进行减薄至样品总厚度约为110μm，电子束蒸发N型金属GeAu50nm/Ni10nm/Au100nm，对样品的N型金属和P面二次金属合金。
进一步地，所述光学增透膜和高反射膜的反射率分别为0.5％和90％。
另外，本发明还提出一种如前所述的制备方法制得的超辐射发光二极管芯片，该超辐射发光二极管芯片包括：一次外延结构和二次外延结构，其中一次外延结构包括N-InP衬底，以及在N-InP衬底上依次生长的N-InP缓冲层、InGaAsP下分别限制层、有源层、InGaAsP上分别限制层和P-InP覆盖层；该一次外延结构为沿晶向形成的脊形状，所述脊沿晶向的垂直方向分为三个区域：圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域以及喇叭形波导区域，其中，靠近出光端面的是圆弧形弯曲波导区域，连接圆弧形弯曲波导区域的是平滑过渡的直脊波导区域，直脊波导区域之后连接的是喇叭形波导区域；二次外延结构包括在所述一次外延结构的脊两侧的底部表面依次生长的作为电流阻挡层的P-InP层和N-InP层，以及形成在电流阻挡层和脊顶部表面的的P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层。
优选地，所述N-InP缓冲层的厚度为1μm，所述InGaAsP下分别限制层的厚度为80nm，所述有源层为3个张应变为1.1％和2个压应变为1.2％的InGaAsP量子阱，张应变和压应变的厚度分别是10nm和5nm，其PL峰值波长都为1300nm，垒为15nm厚；所述InGaAsP上分别限制层的厚度为80nm，所述P-InP覆盖层的厚度为20nm；
所述脊深为1.6μm，靠近出光端面的脊宽为1.8μm；
所述圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域沿着腔长方向的长度为350μm；所述喇叭形波导区域沿着腔长方向的长度为400μm；
所述P-InP层的厚度为500nm，所述N-InP层的厚度为500nm；
所述P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层中P-InP的厚度为1μm，P-InGaAsP的厚度为200nm，P+-InGaAs的厚度为200nm；
所述隔离区的宽度为10μm，喇叭形光放大区域的宽度为310μm，所述反向偏压区的宽度为80μm。
本发明的有益效果：本发明采用混合应变量子阱并结合优化的波导结构，以及对外延片进行脊腐蚀和掩埋，来制备掩埋异质结结构超辐射发光二极管芯片，具有如下特点：1.有源区采用压应变和张应变混合的量子阱来实现芯片输出的偏振不敏感；2.靠近背光面的脊采用喇叭形结构，用来提高有源区的体积，从而提高输出功率；同时在背光面一侧的喇叭形波导上刻蚀形成隔离区，通过反向偏压的调控可以实现光谱低的波纹。因此，本发明通过采用圆弧形弯曲的波导，降低了对出光端面镀膜的要求，同时结合反向偏置区进一步降低了芯片光谱的波纹；通过张应变和压应变应力来控制芯片输出的TE/TM模式比例，来降低偏振度；另一方面采用掩埋结构能在横向上限制载流子和光场，降低芯片横向发散角，提高耦合效率和出光功率，同时结合喇叭形的宽有源区来进一步提高有源区体积、提高输出。本发明制备的芯片具有低偏振、高输出功率、低光谱波纹的特点。
附图说明
图1是本发明SLD芯片的制备方法流程图。
图2是本发明SLD一次外延片的结构。
图3是本发明SLD芯片的结构。
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。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明涉及一种超辐射发光二极管芯片的制备方法，如图1所示，该制备方法包括如下步骤：
1.一次外延的步骤：在N-InP衬底1上采用MOCVD的方法生长1μm的N-InP缓冲层2，接着生长80nm的InGaAsP下分别限制层3，然后交替生长3个张应变为1.1％和2个压应变为1.2％的InGaAsP量子阱，张应变阱和压应变阱的厚度分别是10nm和5nm，其PL峰值波长都为1300nm，垒为15nm厚的InGaAsP，形成有源层4；接着生长80nm的InGaAsP上分别限制层5，最后生长20nm的P-InP覆盖层6，由此形成一次外延片样品，其结构如图2所示。
2.形成脊的步骤：采用PECVD的方法在上述一次外延片样品表面沉积一层300nm厚的SiO2介质层，对该样品进行光刻，刻蚀掉部分表面的SiO2介质层，形成脊的形状，所述脊包括圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域7以及喇叭形波导区域，其中，靠近出光端面14的是圆弧形弯曲波导区域，其与出光端面的夹角为80-82度；连接圆弧形弯曲波导区域的是平滑过渡的直脊波导区域，圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域7沿着腔长方向的长度为350μm；直脊波导区域之后连接的是喇叭形波导区域，喇叭形波导区域沿着腔长方向的长度为400μm，喇叭锥角为10度；用Br2:HBr:H2O腐蚀液对该样品进行腐蚀，腐蚀到衬底层，形成脊深为1.6μm、靠近出光端面的脊宽为1.8μm。
3.二次外延的步骤：对该样品进行掩埋生长前的处理，目的是去除样品表面的氧化物，将处理之后的样品放到MOCVD设备中，在610-620℃的温度下依次生长500nm的P-InP层11、500nm的N-InP层12作为电流阻挡层；将生长完的样品去掉脊上的SiO2介质层，再次对样品进行掩埋生长前的处理，去除样品表面的氧化物，将样品放入MOCVD中依次生长1μm的P-InP、200nm的P-InGaAsP、200nm的P+-InGaAs层13，完成二次外延生长。
4.形成隔离区的步骤：在完成二次外延生长的样品表面沉积200nm的SiO2，在喇叭形波导区域光刻形成隔离区形状，采用RIE工艺刻蚀隔离区表面的SiO2，采用湿法腐蚀去除隔离区表面的P+-InGaAs层，形成10μm宽的隔离区9，从而将喇叭形波导区域分成沿着腔长方向的长度为310μm的喇叭形光放大区域8、沿着腔长方向的长度为10μm的隔离区9以及沿着腔长方向的长度为80μm的反向偏压区10，如图3所示；去除样品表面的SiO2介质层。
5.蒸发P型电极的步骤：在样品表面生长SiO2介质层，光刻形成P面一次金属图形，RIE刻蚀电极区域表面的介质层，电子束蒸发Ti(50nm)/Pt(100nm)/Au(100nm)，剥离，在氮气氛围中合金50s；光刻形成P面电极焊盘图形，即P面二次金属图形，电子束蒸发Cr(5nm)/Au(80nm)，剥离。
6.蒸发N型电极、合金的步骤：对样品的N型层进行减薄，减薄至样品总厚度约为110μm，电子束蒸发N型金属GeAu(50nm)/Ni(10nm)/Au(100nm)，对样品的N型金属和P面二次金属在410℃、N2氛围中合金30s。
7.镀膜的步骤：将样品沿着晶向解离成腔长750μm的巴条，采用电子束蒸发对芯片的出光端面14和背光端面15蒸镀光学增透膜和高反射膜，其反射率分别为0.5％和90％，完成1310nmSLD芯片的制备。
本发明还涉及根据前述的制备方法制得的超辐射发光二极管芯片，如图3所示，该超辐射发光二极管芯片包括：一次外延结构和二次外延结构，其中一次外延结构包括N-InP衬底，以及在N-InP衬底上依次生长的N-InP缓冲层、InGaAsP下分别限制层、有源层、InGaAsP上分别限制层和P-InP覆盖层；该一次外延结构为沿晶向形成的脊形状，所述脊沿晶向的垂直方向分为三个区域：圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域以及喇叭形波导区域，其中，靠近出光端面的是圆弧形弯曲波导区域，连接圆弧形弯曲波导区域的是平滑过渡的直脊波导区域，直脊波导区域之后连接的是喇叭形波导区域；二次外延结构包括在所述一次外延结构的脊两侧的底部表面依次生长的作为电流阻挡层的P-InP层和N-InP层，以及形成在电流阻挡层和脊顶部表面的的P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。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)
1.一种超辐射发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
一次外延的步骤：在N-InP衬底(1)上依次生长N-InP缓冲层(2)、InGaAsP下分别限制层(3)、有源层(4)、InGaAsP上分别限制层(5)和P-InP覆盖层(6)，由此形成一次外延片样品；
形成脊的步骤：在上述一次外延片样品表面沉积一层SiO2介质层，对该样品进行光刻，刻蚀掉部分表面的SiO2介质层，并对该样品进行腐蚀，腐蚀到N-InP衬底(1)，从而沿着晶向形成脊形状；
二次外延的步骤：对该样品进行掩埋生长前的处理，以去除样品表面的氧化物；在样品表面依次生长P-InP层(11)、N-InP层(12)，作为电流阻挡层；将生长完的样品除去脊上的SiO2介质层后，再次对样品进行掩埋生长前的处理，然后在样品上依次生长P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层，完成二次外延生长；
形成隔离区的步骤：在完成二次外延生长的样品表面沉积SiO2介质层，并形成隔离区(9)；去除样品表面的SiO2介质层；
蒸发P型电极的步骤：在样品表面生长SiO2介质层，光刻形成P面一次金属，刻蚀电极区域表面的介质层，再经电子束蒸发P型金属，剥离，合金之后，再次光刻、电子束蒸发形成P面二次金属；
蒸发N型电极、合金的步骤：对样品的N型层进行减薄，电子束蒸发N型金属，对样品的N型金属和P面二次金属合金；
镀膜的步骤：将样品沿着晶向解离成巴条，对芯片的出光端面(14)和背光端面(15)分别蒸镀光学增透膜和高反射膜，完成超辐射发光二极管芯片的制备。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述形成有源层(4)的具体步骤为：在所述InGaAsP下分别限制层(3)上交替生长张应变和压应变的InGaAsP量子阱，从而在所述InGaAsP下分别限制层(3)上形成有源层(4)。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脊沿晶向的垂直方向分为三个区域：圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域(7)以及喇叭形波导区域，其中，靠近出光端面(14)的是圆弧形弯曲波导区域，连接圆弧形弯曲波导区域的是平滑过渡的直脊波导区域，直脊波导区域之后连接的是喇叭形波导区域，喇叭形波导区域靠近背光端面(15)。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述圆弧形弯曲波导区域与出光端面的夹角为80-82度，所述喇叭形波导区域的喇叭锥角为10度。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述形成隔离区的步骤具体为：在完成二次外延生长的样品表面沉积SiO2，在喇叭形波导区域光刻形成隔离区形状，采用RIE工艺刻蚀隔离区表面的SiO2，采用湿法腐蚀去除隔离区表面的P+-InGaAs层，形成隔离区(9)，从而将喇叭形波导区域分成喇叭形光放大区域(8)、隔离区(9)以及反向偏压区(10)。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述蒸发P型电极的步骤具体为：在样品表面生长SiO2介质层，光刻形成P面一次金属图形，RIE刻蚀电极区域表面的介质层，电子束蒸发Ti50nm/Pt100nm/Au100nm，剥离，在氮气氛围中合金；光刻形成P面电极焊盘图形，即P面二次金属图形，电子束蒸发Cr5nm/Au80nm，剥离。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述蒸发N型电极、合金的步骤具体为：对样品的N型层进行减薄至样品总厚度约为110μm，电子束蒸发N型金属GeAu50nm/Ni10nm/Au100nm，对样品的N型金属和P面二次金属合金。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光学增透膜和高反射膜的反射率分别为0.5％和90％。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的制备方法制得的超辐射发光二极管芯片，其特征在于，该超辐射发光二极管芯片包括：一次外延结构和二次外延结构，其中一次外延结构包括N-InP衬底(1)，以及在N-InP衬底(1)上依次生长的N-InP缓冲层(2)、InGaAsP下分别限制层(3)、有源层(4)、InGaAsP上分别限制层(5)和P-InP覆盖层(6)；该一次外延结构为沿晶向形成的脊形状，所述脊沿晶向的垂直方向分为三个区域：圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域(7)以及喇叭形波导区域，其中，靠近出光端面(14)的是圆弧形弯曲波导区域，连接圆弧形弯曲波导区域的是平滑过渡的直脊波导区域，直脊波导区域之后连接的是喇叭形波导区域；二次外延结构包括在所述一次外延结构的脊两侧的底部表面依次生长的作为电流阻挡层的P-InP层(11)和N-InP层(12)，以及形成在电流阻挡层和脊顶部表面的的P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层(13)。
10.如权利要求9所述的超辐射发光二极管芯片，其特征在于，所述N-InP缓冲层(2)的厚度为1μm，所述InGaAsP下分别限制层(3)的厚度为80nm，所述有源层(4)为3个张应变为1.1％和2个压应变为1.2％的InGaAsP量子阱，张应变和压应变的厚度分别是10nm和5nm，其PL峰值波长都为1300nm，垒为15nm厚；所述InGaAsP上分别限制层(5)的厚度为80nm，所述P-InP覆盖层(6)的厚度为20nm；
所述脊深为1.6μm，靠近出光端面的脊宽为1.8μm；
所述圆弧形弯曲波导区域和直脊波导区域(7)沿着腔长方向的长度为350μm；所述喇叭形波导区域沿着腔长方向的长度为400μm；
所述P-InP层(11)的厚度为500nm，所述N-InP层(12)的厚度为500nm；
所述P-InP、P-InGaAsP和P+-InGaAs层(13)中P-InP的厚度为1μm，P-InGaAsP的厚度为200nm，P+-InGaAs的厚度为200nm；
所述喇叭形波导区域分成喇叭形光放大区域(8)、隔离区(9)以及反向偏压区(10)，所述隔离区(9)的宽度为10μm，喇叭形光放大区域(8)的宽度为310μm，所述反向偏压区(10)的宽度为80μm。
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