CN1549354A - 宽光谱带宽超辐射发光二极管的制作方法及其二极管 - Google Patents

Abstract

本发明为宽光谱带宽超辐射发光二极管的制作方法及其二极管，其有源区由两段或两段以上组成，采用选择区域外延生长方法制作，具有呈梯度分布的带隙结构。沿发光管某一出光方向，离出光端面远的有源区发光波长大于靠近端面的发光波长，沿此方向传输的光能透明地传输，因此发光二极管在这一方向上的发光光谱谱宽为沿此方向的多段有源区光谱谱宽的叠加，从而达到增加发光二极管的光谱带宽的目的；同时沿与此出光端面相反方向传输的光被吸收。

Description

宽光谱带宽超辐射发光二极管的制作方法及其二极管

技术领域

本发明为一种宽光谱带宽超辐射发光二极管的制作方法及其二极管，具体说是一种具有宽光谱带宽及低光谱调制深度的超辐射发光二极管，广泛用于光纤陀螺、光纤传感等领域。

背景技术

半导体超辐射发光二极管是一种自发辐射的单程光放大器件，具有宽光谱、短相干长度等特点，广泛用于光纤陀螺、光纤传感等领域。

在光纤陀螺应用中，短的光相干长度能降低光纤陀螺系统中的瑞利散射强度；而半导体超辐射发光二极管的光相干长度L_C＝λ²/Δλ，其中Δλ为光谱谱宽，λ为中心波长。因此一般要求超辐射发光二极管有宽的光谱谱宽Δλ。

通常增加超辐射发光二极管光谱带宽的方法有，采用层叠的量子阱有源区结构，即沿垂直于衬底平面的方向上，有源层的量子阱由几组分别具有不同组分或不同厚度的材料组成。不同组分或不同厚度的量子阱材料分别具有不同的发光中心波长，而超辐射发光二极管器件的输出光谱为这些自发辐射光谱的叠加，从而达到增加光谱带宽的目的。但这种方法本身存在一定的局限性，因为在有源区中，长波长材料会吸收短波长材料的自发辐射光，从而使得超辐射发光二极管的发光强度降低，其光谱增加宽度也有限。第二种方法为沿发光管电流注入条区方向多次外延生长几种不同发光中心波长的有源区材料，但这种方法需多次外延生长及光刻过程，工艺复杂。同时，采用以上各种方法的超辐射发光二极管，在整个发光光谱带宽范围内，各波长的增益很难达到均衡。此外，还有采用有源区量子阱混合应变的方法增加光谱带宽，但这种方法由于应变量子阱受临界厚度的限制，因此这种方法对增加光谱带宽的贡献较为有限。

发明内容

本发明的目的是提出一种简便、有效的方法来增加超辐射发光二极管光谱带宽：通过选择区域外延生长的方法，形成带隙结构呈梯度分布的量子阱有源层，以达到增加光谱带宽的目的。

本发明的技术方案：本发明宽光谱带宽的超辐射发光二极管的制作方法，采用多量子阱有源区结构材料，通过外延生长，光刻、刻蚀、介质膜生长、电极制作工艺，其特征是有源区通过选择区域外延生长方法制作，形成各区域带隙结构的梯度分布，相应地改变其自发辐射波长，达到增加光谱带宽的目的。

所述的方法，通过选择区域外延生长方法制作，各段有源区的厚度及成分阶跃地改变或各段有源区的厚度及成分连续地改变。

宽光谱带宽的超辐射发光二极管由半导体衬底100和在其表面依次外延生长的多层异质结构构成，顺次包括缓冲层101、下包层102、有源层103、上包层104、盖层105及欧姆接触层106；通过选择区域外延生长方法制作具有不同自发辐射波长的多段有源层组成。各区段的厚度及成分不同，从而相应的改变其自发辐射波长。

所述的宽带宽超辐射发光二极管，其有源区沿电流注入条区方向分为两段110和115，其中右段115的带隙大于左段110的带隙，与其相应右段115的发光波长小于左段110的发光波长。

所述的宽带宽超辐射发光二极管，其有源区沿电流注入条区方向分为n(n≥2)段，各段的带隙沿某一出光方向依次递增，即满足Eg₁＜Eg₂＜...＜Eg_n，相应自发辐射波长λ₁＞λ₂＞...＞λ_n，而其中各段有源区的带隙(对应的自发辐射波长)可连续变化或阶跃变化。

本发明的优点是工艺简单，有利于提高成品率，能有效地增加光谱带宽，同时在整个带宽范围内各波长的增益容易达到均衡。

附图说明

图1为本发明的一种超辐射发光二极管结构；

图2为其有源区及上下包层的侧面图；

图3为这种超辐射发光管右侧的发光光谱谱图；

图4-7为这种结构的超辐射发光二极管的具体制作过程；

图8为符合本发明的另一种超辐射发光二极管的有源区303及上下包层302和304的剖面图；

图9为进行选择区域外延生长所使用的SiO2掩膜图形。

图10为从右侧端面出射的发光光谱谱图；

具体实施方式

本发明适用于所有具有双异质结结构的半导体超辐射发光二极管；适用于多种材料体系，如InGaAsP/InP系材料、AlGaInAs/InP系材料及AlGaAs/GaAs等材料体系。

本发明的新型超辐射发光二极管，属于半导体异质结发光管，由半导体衬底上依次外延生长多层异质结构，顺次包括缓冲层、下包层、有源层、上包层、盖帽层及电流注入条区构成；有源区沿着电流注入条区方向分为相邻的几段，通过选择区域生长的方法一次外延生长制作。衬底下表面有下电极，在电流注入条区上面有上电极。

为了进一步说明本发明的技术特征，将具体的结构及工艺过程举例说明如下：

图1为本发明的一种超辐射发光二极管结构，为脊型波导结构的超辐射发光二极管，其有源区103沿电流注入条区分为两段110和115，两段长度分别为L_λ1和L_λ2。

图2为其有源区及上下包层的侧面图，两段有源区110和115分别具有不同的带隙Eg₁和Eg₂(假定Eg₁＜Eg₂)，相对应自发辐射波长λ₁和λ₂(λ₁＞λ₂)。

图3为这种超辐射发光管右侧的发光光谱谱图，其光谱带宽Δλ为Δλ₁与Δλ₂之和。

这种结构的超辐射发光二极管的具体制作过程为如图47所示：

如图4所示，在半导体衬底100上顺次外延生长n型InP缓冲层101和n型InGaAsP下包层102；然后在下包层102上沿平行于光传输方向AA’覆盖如图5所示的SiO2掩膜120，掩膜的宽度w_m及中间窗口区宽度w_o均可连续地变化或呈阶跃变化；然后再如图6所示，在覆盖有SiO2掩膜的下包层上顺次选择区域外延生长InGaAsP/InGaAsP多量子阱有源层103及p型InGaAsP上包层104；腐蚀掉SiO2掩膜后，如图7所示在上波导层104上顺次外延生长盖帽层105及电极接触层106。然后利用通常的脊波导刻蚀工艺刻蚀出倾斜脊型波导结构，并套刻电极窗口；再采用蒸发或溅射等方法制作上电极；将衬底减薄，并制作下金属电极。为了进一步减小端面的反射，通常还需在两出光端面镀上增透膜。

图8为符合本发明的另一种超辐射发光二极管的有源区303及上下包层302和304的剖面图。其有源区303沿电流注入条区分为n(n≥2)段310、315、...320，其中各段的长度可以相等或者不等。通过在下包层302上覆盖如图9所示的SiO2掩膜，掩膜的宽度w_m沿光传播方向从左侧至右侧呈阶梯状递减或连续递减，采用选择区域外延生长方法顺次外延生长多量子阱有源层及上包层，使得各段有源区带隙从左侧至右侧递增，即λ1＞λ2＞...＞λn。

图10为从右侧端面出射的发光光谱谱图，其光谱谱宽为各有源区段光谱谱宽的叠加Δλ＝Δλ1+Δλ2+...+Δλn，其中Δλ1、Δλ2、...Δλn分别为有源区310、315、...320段的发光光谱谱宽。

综上所述，本发明的核心是发光二极管的有源区采用选择区域外延生长的方法制作，使其具有沿出光方向的梯度带隙分布。因此，凡是有源区采用选择区域生长的方法制作，具有沿出光方向的梯度带隙分布，无论具体结构有什么区别，都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种宽光谱带宽超辐射发光二极管的制作方法，采用多量子阱有源区结构材料，通过外延生长，光刻、刻蚀、介质膜生长、电极制作工艺，其特征是有源区通过选择区域外延生长方法制作，形成各区域带隙结构的梯度分布，相应地改变其自发辐射波长，达到增加光谱带宽的目的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是通过选择区域外延生长方法制作，各段有源区的厚度及成分连续地改变。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是通过选择区域外延生长方法制作，各段有源区的厚度及成分阶跃地改变。

4.用上述任意组合方法制作的宽光谱带宽的超辐射发光二极管，由半导体衬底(100)和在其表面依次外延生长的多层异质结构组成，顺次包括缓冲层(101)、下包层(102)、有源层(103)、上包层(104)、盖帽层(105)及欧姆接触层(106)，其有源层是通过选择区域外延生长方法制作具有梯度带隙分布的多段有源层。

5.按权利要求4所描述的宽带宽超辐射发光二极管，其特征是有源区沿电流注入条区方向分为两段(110)和(115)，其中右段(115)的自发辐射中心波长小于左段(110)的自发辐射中心波长。

6.按权利要求4所描述的宽带宽超辐射发光二极管，其特征是有源区沿电流注入条区方向可分为n段，n≥2，各段的带隙沿某一出光方向依次递增，即满足Eg₁＜Eg₂＜...＜Eg_n，相应自发辐射波长λ₁＞λ₂＞...＞λ_n，而其中各段有源区的带隙(对应的自发辐射波长)可连续变化或阶跃变化。

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