CN210245533U - 拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，包括层叠设置的：P面电极、P型限制层、P型波导层、有源层、N型波导层、N型限制层、InP衬底、N面电极，有源层包括若干层厚度相异的量子阱层，各层量子阱层之间设置势垒层。有源层为AlGaInAs材料有源层，包括四层量子阱层，厚度分别为7nm、7.5nm、8nm、8.5nm，量子阱层采用In0.76Ga0.12Al0.12As材料，量子阱层之间的势垒层厚度为20nm，势垒层采用Al0.31Ga0.18In0.51As材料。P面电极上表面设置脊型条，脊型条作为P侧电注入区，P面电极上表面、脊型条一侧设置光学吸收区，脊型条倾斜设置。脊型条前后腔面上蒸镀宽光谱增透膜。
Description
技术领域
本实用新型涉及超辐射发光二极管领域，具体是一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构。
背景技术
超辐射发光二极管是近些年发展起来的一种半导体发光器件，发光特性介于激光器和发光二极管之间，与半导体发光二极管相比，半导体超辐射二极管具有较高的功率输出和较窄的发散角；和半导体激光器相比，具有较大的光谱宽度、较好的稳定性、理想的光束方向性和很短的相干长度。光功率大可以提高系统精度和灵敏度，宽光谱可以降低光在光纤中因瑞利散射和克尔效应等引起的相干误差，因此超辐射发光器件是光纤陀螺的理想光源。它的出现和发展很大一部分受到光纤陀螺的驱动，并成为一种重要的光源。目前，超辐射发光二极管还广泛应用于波分复用技术、光学相干层析成像技术和可调谐外腔激光器等。目前主要的应用领域都要求超辐射发光二极管在有较大输出功率的同时存在尽可能大的光谱宽度。
目前研制超辐射发光二极管时，主要是在传统激光器结构基础上，通过各种局部结构调整来破坏法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)型前后腔面之间的光振荡，进而抑制光激射的发生。虽然被抑制，但F-P腔始终存在，或者说始终只有F-P振荡这一种光振荡模式可能存在，电流增加时，光谱宽度则逐渐减小，使得器件输出功率与光谱存在一定的制约关系。当驱动电流增大到一定程度，或抑制部分老化时，器件则发生激射，自发超辐射被激射代替，器件失效。
中国专CN109217106“一种采用多周期表面DFB光反馈系统抑制1550nm SLD器件F-P激射的方法”，该方法主要利用DFB结构加强某些特定波长的光反馈而抑制其他波长的光反馈来加强所需要波长的功率。该方法的缺点是仅靠改进表面结构而没有改进其外延结构，导致其最大输出功率受到明显的制约，当继续加大电流时则导致光谱宽度变窄，超辐射逐渐被激射代替。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，包括层叠设置的：P面电极、P型限制层、P型波导层、有源层、N型波导层、N型限制层、InP衬底、N面电极，有源层包括若干层厚度相异的量子阱层，各层量子阱层之间设置势垒层。
有源层为AlGaInAs材料有源层，包括四层量子阱层，厚度分别为7nm、7.5nm、8nm、8.5nm，量子阱层采用In0.76Ga0.12Al0.12As材料，量子阱层之间的势垒层厚度为20nm，势垒层采用Al0.31Ga0.18In0.51As材料。
本拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构是一种超辐射发光二极管的外延结构，从下到上一次设计为InP衬底、100nm的AlInAs限制层、500nm的AlGaInAs波导层、8.5nm的AlGaInAs量子阱层、20nm的AlGaInAs势垒层、8nm的AlGaInAs量子阱层、20nm的AlGaInAs势垒层、7.5nm的AlGaInAs量子阱层、20nm的AlGaInAs势垒层、7nm的AlGaInAs量子阱层、500nm的AlGaInAsP型波导层以及1500nm的AlInAsP型限制层。其中InP衬底上的AlInAs限制层可有效提高器件的光限制能力，有效提高器件的发光效率。AlGaInAs波导层可提供光的传输路径。除去量子阱的厚度具有特定意义外，其余层厚度是出于电阻、光阻、光吸收率等方面的考虑，具体的厚度与各项参数的匹配在现有技术中已有详细的试验论证，在此不作赘述。
不同厚度的In0.76Ga0.12Al0.12As量子阱可提供出射不同中心波长的载流子复合区，能有效拓宽器件的光谱宽度。量子阱材料与阱宽(即厚度)一同决定出射波波长，选取In0.76Ga0.12Al0.12As作为量子阱材料与1550nm附近的波长光晶格匹配，发光效率好，在“Crosslight”软件中模拟分析得知，In0.76Ga0.12Al0.12As在受激发光时，具有1.6％左右的应变量，相比于其他组分的材料，应变量较大可增强能带剪切效应，增大发光效率。在选取In0.76Ga0.12Al0.12As作为量子阱材料的条件下，分别分析不同厚度所对应的发光波长，然后分别选取8.5nm、8nm、7.5nm、7nm厚度的量子阱并在量子阱之间增设势垒层界定边界，从而制造出四层不同的发光波长的发光层，测定获得8.5nm阱宽的量子阱对应1570nm波长、8nm阱宽的量子阱对应1560nm波长、7.5nm阱宽的量子阱对应1550nm波长、7.5nm阱宽的量子阱对应1540nm波长；在1500～1600nm波长范围内都有较大的发光功率，而不是集中在某一波长上，从而在光源本质上拓宽光谱宽度。在本实用新型应用处(超辐射发光二极管)，针对性地选择这几个波长对应的量子阱阱宽，可以有目的性地改变光谱宽度与光谱分布，从而达到特性定制化。
P面电极上表面设置脊型条，脊型条作为P侧电注入区，P面电极上表面、脊型条一侧设置光学吸收区，脊型条的长度方向与脊型条靠近光学吸收区侧端面的垂线成一锐角。吸收区使用电化学腐蚀制备，具有较高的吸收系数，能有效减少光的反馈，降低F-P激射概率，同时，脊型条具有一定的倾斜角度，倾斜条形结构能有效减少光在前后腔面的震荡，降低F-P激射，从两个方面降低F-P激射概率，在提升输出功率的同时，不会在某一波长上发生F-P激射。
脊型条的长度方向与脊型条靠近光学吸收区侧端面的垂线所成角度为1.3～3°。倾斜过大则导致光路设计困难，过小则会减弱消除F-P激射的功能。
脊型条前后腔面上蒸镀宽光谱增透膜。宽光谱增透膜的反射率小于2％。宽光谱增透膜的中心波长位于1550nmm。宽光谱增透膜的光谱宽度大于80nm。增透膜增加透射，降低反射概率，进一步抑制前后腔面的F-P激射，与前述的倾斜脊型条以及光学吸收区，共同抑制F-P激射，有效解决超辐射发光二极管输出功率与输出光谱宽度的制约关系。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型在通过多量子阱结构出射不同的中心波长来有效拓宽器件的光谱宽度，采用In0.76Ga0.12Al0.12As材料作为量子阱材料，其存在1.6％的应变量，可有效增大发光效率。器件表面采用倾斜脊型条结构并且通过前后腔面蒸镀反射率小于2％的宽光谱增透膜并在器件的非出光端制作光学吸收区，通过以上3种方法有效抑制F-P激射，确保出射光为超辐射光；采用不同厚度多量子阱外延结构来拓宽超辐射发光二极管光谱宽度，该方法可在提高器件最大功率的同时有效拓宽其光谱宽度，该方法不需要二次外延，同时不需要复杂的管芯结构，制备工艺比较简单，可实现大规模批量生产。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型的外延结构示意图；
图2为本实用新型所制备器件的光谱图；
图3为本实用新型外延结构制备上吸收区、脊型条后的俯视示意图。
图中：1、P面电极；2、P型限制层；3、P型波导层；4、7nm厚AlGaInAs量子阱层；5、7.5nm厚AlGaInAs量子阱层；6、8nm厚AlGaInAs量子阱层；7、8.5nm厚AlGaInAs量子阱层；8、N型波导层；9、N型限制层；10、InP衬底；11、N面电极；12、吸收区；13、脊型条。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，包括层叠设置的：P面电极1、P型限制层2、P型波导层3、有源层、N型波导层8、N型限制层9、InP衬底10、N面电极11，有源层包括若干层厚度相异的量子阱层，各层量子阱层之间设置势垒层。
有源层为AlGaInAs材料有源层，包括四层量子阱层4、5、6、7，厚度分别为7nm、7.5nm、8nm、8.5nm，量子阱层采用In0.76Ga0.12Al0.12As材料，量子阱层之间的势垒层厚度为15～25nm，势垒层采用Al0.31Ga0.18In0.51As材料。
本拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构是一种超辐射发光二极管的外延结构，从下到上一次设计为InP衬底10、100nm的AlInAs限制层(采用Si掺杂)9、500nm的AlGaInAs波导层8、8.5nm的AlGaInAs量子阱层7、20nm的AlGaInAs势垒层、8nm的AlGaInAs量子阱层6、20nm的AlGaInAs势垒层、7.5nm的AlGaInAs量子阱层5、20nm的AlGaInAs势垒层、7nm的AlGaInAs量子阱层4、500nm的AlGaInAsP型波导层3以及1500nm的AlInAsP型限制层(Zn掺杂)2。其中InP衬底上的AlInAs限制层可有效提高器件的光限制能力，有效提高器件的发光效率。AlGaInAs波导层可提供光的传输路径。除去量子阱的厚度具有特定意义外，其余层厚度是出于电阻、光阻、光吸收率等方面的考虑，具体的厚度与各项参数的匹配在现有技术中已有详细的试验论证，在此不作赘述。
不同厚度的In0.76Ga0.12Al0.12As量子阱可提供出射不同中心波长的载流子复合区，能有效拓宽器件的光谱宽度。量子阱材料与阱宽(即厚度)一同决定出射波波长，选取In0.76Ga0.12Al0.12As作为量子阱材料与1550nm附近的波长光晶格匹配，发光效率好，在“Crosslight”软件中模拟分析得知，In0.76Ga0.12Al0.12As在受激发光时，具有1.6％左右的应变量，相比于其他组分的材料，应变量较大可增强能带剪切效应，增大发光效率。在选取In0.76Ga0.12Al0.12As作为量子阱材料的条件下，分别分析不同厚度所对应的发光波长，然后分别选取8.5nm、8nm、7.5nm、7nm厚度的量子阱并在量子阱之间增设势垒层界定边界，从而制造出四层不同的发光波长的发光层，测定获得8.5nm阱宽的量子阱对应1570nm波长、8nm阱宽的量子阱对应1560nm波长、7.5nm阱宽的量子阱对应1550nm波长、7.5nm阱宽的量子阱对应1540nm波长；如图2所示，在1500～1600nm波长范围内都有较大的发光功率，而不是集中在某一波长上，从而在光源本质上拓宽光谱宽度。在本实用新型应用处(超辐射发光二极管)，针对性地选择这几个波长对应的量子阱阱宽，可以有目的性地改变光谱宽度与光谱分布，从而达到特性定制化。
如图3所示，P面电极1上表面设置脊型条13，脊型条13作为P侧电注入区，所述P面电极1上表面、脊型条13一侧设置光学吸收区12，脊型条13的长度方向与脊型条13靠近光学吸收区12侧端面的垂线成一锐角。吸收区使用电化学腐蚀制备，具有较高的吸收系数，能有效减少光的反馈，降低F-P激射概率，同时，脊型条13具有一定的倾斜角度，倾斜条形结构能有效减少光在前后腔面的震荡，降低F-P激射，从两个方面降低F-P激射概率，在提升输出功率的同时，不会在某一波长上发生F-P激射。
脊型条13的长度方向与脊型条13靠近光学吸收区12侧端面的垂线所成角度为1.3～3°。倾斜过大则导致光路设计困难，过小则会减弱消除F-P激射的功能。
脊型条13前后腔面上蒸镀宽光谱增透膜。宽光谱增透膜的反射率小于2％。宽光谱增透膜的中心波长位于1550nmm。宽光谱增透膜的光谱宽度大于80nm。增透膜增加透射，降低反射概率，进一步抑制前后腔面的F-P激射，与前述的倾斜脊型条13以及光学吸收区12，共同抑制F-P激射，有效解决超辐射发光二极管输出功率与输出光谱宽度的制约关系。
本实用新型的工作原理是：外界经由脊型条13往P面电极1以及直接连接N面电极11往结构中注入电流，电流通过有源区时，与有源区复合产生光量子，不同厚度的In0.76Ga0.12Al0.12As量子阱可提供出射不同中心波长的载流子复合区，有效拓宽了器件的光谱宽度，外延片制备完成后分别在制作倾斜脊型结构和光学吸收区，在腔面蒸镀宽光谱增透膜，抑制F-P激射。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (8)
1.一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，包括层叠设置的：P面电极(1)、P型限制层(2)、P型波导层(3)、有源层、N型波导层(8)、N型限制层(9)、InP衬底(10)、N面电极(11)，其特征在于：所述有源层包括若干层厚度相异的量子阱层，各层量子阱层之间设置势垒层。
2.根据权利要求1所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述有源层为AlGaInAs材料有源层，包括四层量子阱层(4、5、6、7)，厚度分别为7nm、7.5nm、8nm、8.5nm，量子阱层采用In0.76Ga0.12Al0.12As材料，量子阱层之间的势垒层厚度为20nm，势垒层采用Al0.31Ga0.18In0.51As材料。
3.根据权利要求1所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述P面电极(1)上表面设置脊型条(13)，脊型条(13)作为P侧电注入区，所述P面电极(1)上表面、脊型条(13)一侧设置光学吸收区(12)，脊型条(13)的长度方向与脊型条(13)靠近光学吸收区(12)侧端面的垂线成一锐角。
4.根据权利要求3所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述脊型条(13)的长度方向与脊型条(13)靠近光学吸收区(12)侧端面的垂线所成角度为1.3～3°。
5.根据权利要求3所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述脊型条(13)前后腔面上蒸镀宽光谱增透膜。
6.根据权利要求5所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述宽光谱增透膜的反射率小于2％。
7.根据权利要求5所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述宽光谱增透膜的中心波长位于1550nmm。
8.根据权利要求5所述的一种拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构，其特征在于：所述宽光谱增透膜的光谱宽度大于80nm。
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| CN201921297726.0U CN210245533U (zh) | 2019-08-12 | 2019-08-12 | 拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的不同宽度多量子阱结构 |
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| CN (1) | CN210245533U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111816737A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-10-23 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用 |
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2019
- 2019-08-12 CN CN201921297726.0U patent/CN210245533U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111816737A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-10-23 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用 |
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