CN205881934U - 一种偏振无关超辐射发光二极管芯片 - Google Patents

一种偏振无关超辐射发光二极管芯片 Download PDF

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唐琦
许海明
王汉华
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Abstract

本实用新型提供了一种偏振无关超辐射发光二极管芯片,包括衬底,在所述衬底上设置有脊波导、BH掩埋结构、第二覆盖层、欧姆接触层、设置在所述欧姆接触层上的P电极以及设置在所述衬底背面的N电极;其中,所述脊波导纵向包括有源层,所述有源层为量子阱和量子垒构成的类体材料,所述量子阱为张应变量;所述脊波导横向包括:模斑变换区、增益区及弯曲波导区,所述模斑变换区为渐变锥形波导构成的吸收区,光从所述模斑变换区输出。本实用新型提供的偏振无关超辐射发光二极管可以很好地实现芯片输出光功率,TE、TM模式偏振相关性、光谱纹波等指标,同时因为扩大了芯片的近场光斑,实现了芯片输出光斑的圆对称性提高,提高了与光纤的耦合效率。

Description

一种偏振无关超辐射发光二极管芯片
技术领域
本实用新型属于半导体发光器件技术领域,更具体涉及一种偏振无关超辐射发光二极管芯片。
背景技术
超辐射发光二极管(Super Luminance Diode,SLD)是一种广泛用于光纤传感领域的核心器件,主要用于高精度空间定位用的各种军、民用光纤陀螺仪。传统的SLD芯片采用InGaAsP材料系,在有源区设计上为了降低TE、TM模式的增益相关性,可以利用体材料或多量子阱形成增益区。体材料因为能带机理无法实现芯片的较大增益,且工作电流也较大。多量子阱需要考虑量子阱应变对于TE、TM模式增益曲线的影响,同时需要结合芯片结构减少光学腔体内产生激射条件的可能性。
TW型SLD芯片主要有斜腔和弯曲波导两种方式,斜腔型光学腔体为了降低芯片的光学波纹,严格依靠腔面的光学增透膜的效果,制作工艺难度大、稳定性差。弯曲波导一般分为三段式,吸收区、增益区及弯曲波导区,利用光学腔波导方向的角度差异,实现反向传播的模式无法达成谐振条件,前段利用吸收区进一步降低了芯片产生激射的可能性。上述两种方式因为波导结构和工艺控制等原因,对于TE、TM模式光场限制因子的相关性没有起到优化作用。
实用新型内容
本实用新型要解决的是现有技术中超辐射发光二极管芯片难以实现大功率输出光,以及TE、TM模式偏振相关性低的问题。
为了解决上述技术问题,本实用新型提供一种偏振无关超辐射发光二极管芯片,包括衬底,在所述衬底上设置有脊波导、BH掩埋结构、第二覆盖层、欧姆接触层、设置在所述欧姆接触层上的P电极以及设置在所述衬底背面的N电极;
其中,所述脊波导纵向包括:N型InP缓冲层、InGaAsP下波导层、有源层、InGaAsP上波导层、第一p型覆盖层;
所述脊波导横向包括:模斑变换区、增益区及弯曲波导区,所述模斑变换区为渐变锥形波导构成的吸收区,光从所述模斑变换区输出。
所述有源层为量子阱和量子垒构成的类体材料,所述量子阱为张应变量;
优选地,还包括:利用等离子刻蚀和化学腐蚀设置在所述BH掩埋结构两侧的双沟,所述双沟深度为2~4um,所述双沟的宽度为6~15um。
优选地,所述有源层量子阱阱宽5~11nm,应变量为-0.5%~-0.95%的InGaAsP,所述有源层量子垒为与InP晶格匹配宽6~12nm的InGaAsP。
优选地,所述脊波导还包括:出光面和背光面,在所述出光面和所述背光面镀增透膜,抑制F-P振荡,降低光谱纹波。
优选地,所述脊波导模斑变换区的方向与所述出光面法线夹角为5°~7°。
优选地,所述脊波导采用干法刻蚀和湿法腐蚀刻蚀一次外延片而成,所述脊波导的深度为1.4um~2um。
优选地,所述缓冲层为n-InP缓冲层厚度为500nm;下、上限制层均为厚度100nm,波长为1.15μm的InGaAsP匹配材料;所述第一覆盖层为p-InP覆盖层厚度为250nm。
优选地,所述增益区和所述弯曲波导宽度为2.0~4.0um,所述吸收区宽度为2.0~4.0um渐变至6.0~8.0um。
优选地,所述BH掩埋结构包括:掩埋层、第二覆盖层以及InGaAs欧姆接触层;其中,所述掩埋层包括厚度为800nm的p-InP掩埋层和厚度为800nm的n-InP掩埋层,所述第二覆盖层为厚度为1.5um的p-InP,所述InGaAs的厚度为200nm。
本实用新型提供了大功率模斑变换型偏振无关超辐射发光二极管芯,激光器芯片采用InGaAsP材料,利用多周期的张应变量子阱材料和组分相近的垒层材料组成近似体材料的多量子阱有源区结构;三段式TW光学腔体中利用模斑变换的方式制作吸收区,结合增益区和弯曲波导区形成芯片纵向的光学腔体;芯片横向结构采用BH模式,制作宽度更小的出光波导,利用尽量对称的条形波导结构来降低偏振相关性。
相对于传统或弯曲波导型的超辐射发光二极管芯片,本实用新型提供的偏振无关超辐射发光二极管可以很好地实现芯片高输出光功率,TE、TM模式偏振相关性、光谱纹波等指标:芯片有源区整体结构类似体材料,结合张应变量子阱增加TM模式增益,降低了芯片出光的偏振选择性,也保证了芯片有较大增益即输出光功率;利用渐变锥形波导结构制作模斑变换吸收区,优化TE、TM模式在矩形介质波导结构中的光场限制因子,通过改变锥形角度及尺寸,平衡吸收系数、光谱纹波及偏振相关性的指标,同时因为扩大了芯片的近场光斑,实现了芯片输出光斑的圆对称性提高,提高了与光纤的耦合效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片示意图;
图2为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片的脊波导示意图;
图3为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片A-A截面剖视图;
图4为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片B-B截面剖视图;
图5为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片一次外延结构示意图;
图6为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片二次外延结构示意图;
图7为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片三次外延结构示意图;
图8为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片双沟腐蚀结构示意图;
图9为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片欧姆接触结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型,但不能用来限制本实用新型的范围。
如图1、3、4所示,分别为本实用新型实施例提供的超辐射发光二极管芯片以及沿A-A、B-B截面的示意图。本实用新型提供一种超辐射发光二极管芯片,包括InP衬底1,在所述衬底1上设置有脊波导100、BH掩埋结构、第二覆盖层9、欧姆接触层10、设置在所述欧姆接触层10上的P电极13以及设置在所述衬底1背面的N电极14;
其中,所述脊波导纵向包括:N型InP缓冲层2、InGaAsP下波导层3、有源层4、InGaAsP上波导层5、第一p型覆盖层6;
所述有源层4为量子阱和量子垒构成的类体材料,所述量子阱为张应变量;
如图2所示,为本实用新型实施例提供的超辐射发光二极管芯片的脊波导示意图。所述脊波导100横向包括:模斑变换区101、隔离区102、增益区103、弯曲波导区104及斜腔区105,所述模斑变换区为渐变锥形波导构成的吸收区101,优化TE、TM模式在矩形介质波导结构中的光场限制因子,改变锥形角度及尺寸,可以调节吸收系数、光谱纹波及偏振相关性的指标,同时因为扩大了芯片的近场光斑,实现了芯片输出光斑的圆对称性提高,提高了与光纤的耦合效率。
优选地,本实用新型实施例提供额超辐射发光二极管芯片中,利用组分相近的量子阱、垒层材料形成有源区,量子阱引入适当张应变量增加TM模式增益,整体有源区结构近似体材料结构。在超辐射发光二极管芯片的TW波导制作时,采用弯曲波导、增益区及模斑变换区三段式的结构,在模斑变换区利用刻蚀工艺制作渐变锥形波导结构,TE、TM模式在光学腔内传播的限制因子得到优化,降低了芯片出光的偏振选择性。
优选地,本实用新型实施例提供的超辐射发光二极管芯片还包括:利用等离子刻蚀和化学腐蚀设置在所述BH掩埋结构两侧的双沟11,其中,所述双沟11深度为2~4um,所述双沟的宽度为6~15um。BH掩埋结构侧向强折射率导引来限制超辐射发光二极管的横向光场分布。双沟11限制BH掩埋工艺中形成的泄露电流。
参考图3,优选地,脊波导100纵向包括:N型InP缓冲层2,InGaAsP下波导层3,有源层4,InGaAsP上波导层5,第一p型覆盖层6。其中,有源层4为多周期的张应变量子阱材料InGaAsP和组分相近的垒层材料InGaAsP组成近似体材料的多量子结构,采用类体材料量子阱结构能够保证芯片有较大的增益,引入张应变量子阱能够有效分离轻空穴、重空穴,电子与轻空穴的复合产生TM偏振模式的光子,可以增加TM模式增益,降低芯片出光的偏振选择性。优选地,所述有源层4量子阱阱宽5~11nm,应变量为-0.5%~-0.95%的InGaAsP,所述有源层量子垒为与InP晶格匹配宽6~12nm的InGaAsP。
优选地,所述脊波导100还包括:出光面106和背光面107,在所述出光面和所述背光面镀增透膜,有效抑制F-P振荡,降低光谱纹波。有源区域出光方向同相传播的光将透射出器件,剩余反射的光将被吸收,不会再器件两端面间的反射。
优选地,所述脊波导100模斑变换区101的方向与所述出光面106法线夹角为5°~7°。出于降低出光面镀膜要求的考量,如果角度太小,镀膜工艺要求较高,如果角度太大,将影响放大器的外量子效率且给耦合带来极大的难度。
以下为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片的制作方法:
如图5所示,为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片一次外延结构示意图。优选地,本实用新型实施例提供的大功率模斑变换型偏振无关超辐射发光二极管芯片采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,金属有机化合物化学气相沉淀法)在InP衬底1上依次生长缓冲层2,下限制层3,有源层4,上限制层5,第一p型覆盖层6。其中,优选地,n-InP缓冲层2厚度500nm,下、上限制层均为厚度100nm,波长为1.15μm的InGaAsP匹配材料,有源层4为量子阱和量子垒交替生长,量子阱为张应变,阱宽5~11nm,应变量为-0.5%~-0.95%的InGaAsP,量子垒为与InP晶格匹配6~12nm宽的InGaAsP,第一覆盖层p-InP6厚度250nm。
参考图2,优选地,在一次外延p-InP表面生长SiO2掩膜层,通过光刻和刻蚀技术,制作掩膜图形,划分为模斑变换区101、增益区103、弯曲波导区104及斜腔区105,采用干法刻蚀和湿法腐蚀刻蚀一次外延片,形成脊波导结构100。其中,增益区103和弯曲波导104宽度为2.0~4.0um,模斑变换区101宽度为2.0~4.0um渐变至6.0~8.0um,脊波导100深度为1.4~2um。
如图6所示,为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片二次外延结构示意图。优选地,继续采用MOCVD技术生长厚度800nm的p-InP掩埋层7和厚度800nm的n-InP掩埋层8,构成二次外延。
如图7所示,为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片三次外延结构示意图。去除SiO2掩膜层,继续采用MOCVD技术生长第二P型覆盖层9,厚度为1.5um的p-InP,欧姆接触层10,厚度为200nm的InGaAs,进而构成三次外延。
如图8所示,为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片双沟腐蚀结构示意图。优选地,在BH掩埋结构的两侧利用等离子刻蚀和化学腐蚀的方法制作外双沟11,其中,所述双沟11的为深度2~4um,宽度为6~15um。
如图9所示,为本实用新型实施例提供的偏振无关超辐射发光二极管芯片欧姆接触结构示意图。优选地,在双沟11外延片上沉积SiO2掩膜层,采用光刻及刻蚀技术刻蚀出隔离区窗口102,采用湿法腐蚀技术去除隔离区表面欧姆接触层InGaAs,并去除SiO2掩膜层。最后采用PECVD生长SiO2保护层12,并光刻、刻蚀出窗口图形,并在欧姆接触层10上蒸发或溅射P电极13,减薄后在InP衬底1背面蒸发或溅射N电极14。解条后,在出光面106和背光面107上制作增透膜,完成本实用新型实施例提供的大功率模斑变换型偏振无关超辐射发光二极管芯片的制作,参考图1。
综上所述,本实用新型提供了大功率模斑变换型偏振无关超辐射发光二极管芯,激光器芯片采用InGaAsP材料,利用多周期的张应变量子阱材料和组分相近的垒层材料组成近似体材料的多量子阱有源区结构;三段式TW光学腔体中利用模斑变换的方式制作吸收区,结合增益区和弯曲波导区形成芯片纵向的光学腔体;芯片横向结构采用BH模式,制作宽度更小的出光波导,利用尽量对称的条形波导结构来降低偏振相关性。
相对于传统或弯曲波导型的超辐射发光二极管芯片,本实用新型提供的超辐射发光二极管可以很好地实现芯片输出光功率,TE、TM模式偏振相关性、光谱纹波等指标:芯片有源区整体结构类似体材料,结合张应变量子阱增加TM模式增益,降低了芯片出光的偏振选择性,也保证了芯片有较大增益即输出光功率;利用渐变锥形波导结构制作吸收区,优化TE、TM模式在矩形介质波导结构中的光场限制因子,通过改变锥形角度及尺寸,平衡吸收系数、光谱纹波及偏振相关性的指标,同时因为扩大了芯片的近场光斑,实现了芯片输出光斑的圆对称性提高,提高了与光纤的耦合效率。
以上实施方式仅用于说明本实用新型,而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换,都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围,均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种偏振无关超辐射发光二极管芯片,包括衬底,其特征在于,在所述衬底上设置有脊波导、BH掩埋结构、第二p型覆盖层、欧姆接触层、设置在所述欧姆接触层上的P电极以及设置在所述衬底背面的N电极;
所述脊波导纵向包括:N型InP缓冲层、InGaAsP下波导层、有源层、InGaAsP上波导层、第一p型覆盖层;
所述脊波导横向包括:模斑变换区、增益区及弯曲波导区,所述模斑变换区为渐变锥形波导构成的吸收区,光从所述模斑变换区输出;
所述有源层为量子阱和量子垒构成的类体材料,所述量子阱为张应变量。
2.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,还包括:利用等离子刻蚀和化学腐蚀设置在所述BH掩埋结构两侧的双沟,所述双沟深度为2~4um,所述双沟的宽度为6~15um。
3.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述有源层量子阱阱宽5~11nm,应变量为-0.5%~-0.95%的InGaAsP,所述有源层量子垒为与InP晶格匹配宽6~12nm的InGaAsP。
4.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述脊波导还包括:出光面和背光面,在所述出光面和所述背光面镀增透膜,抑制F-P振荡,降低光谱纹波。
5.根据权利要求4所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述脊波导模斑变换区的方向与所述出光面法线夹角为5°~7°。
6.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述脊波导采用干法刻蚀和湿法腐蚀刻蚀一次外延片而成,所述脊波导的深度为1.4um~2um。
7.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述缓冲层为n-InP缓冲层厚度为500nm;下、上限制层均为厚度100nm,波长为1.15μm的InGaAsP匹配材料;所述第一p型覆盖层厚度为250nm。
8.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述增益区和所述弯曲波导宽度为2.0~4.0um,所述吸收区宽度为2.0~4.0um渐变至6.0~8.0um。
9.根据权利要求1所述的偏振无关超辐射发光二极管芯片,其特征在于,所述BH掩埋结构包括:掩埋层、第二覆盖层以及InGaAs欧姆接触层;其中,所述所述掩埋层包括厚度为800nm的p-InP掩埋层和厚度为800nm的n-InP掩埋层,所述第二覆盖层为厚度为1.5um的p-InP,所述InGaAs欧姆接触层的厚度为200nm。
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Patentee after: Hubei guanganlun chip Co., Ltd

Address before: 436000 unit 5, unit C9, Optics Valley hi tech three road, Gedian Development Zone, Ezhou, Hubei

Patentee before: HUBEI GUANGANLUN TECHNOLOGY Co.,Ltd.