PL228006B1

PL228006B1 - Dioda superluminescencyjna na bazie stopu AlInGaN

Info

Publication number: PL228006B1
Application number: PL414077A
Authority: PL
Inventors: Anna Kafar; Szymon Stańczyk; Szymon Stanczyk; Anna Nowakowska-Siwińska; -Siwinska Anna Nowakowska; Marcin Sarzyński; Marcin Sarzynski; Tadeusz Suski; Piotr Perlin
Original assignee: Inst Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk; Topgan Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2018-02-28
Also published as: EP3353820A1; US20200259043A1; WO2017052397A1; PL414077A1; US11139414B2; EP3353820B1

Description

Przedmiotem wynalazku jest dioda superluminescencyjna wytworzona na bazie stopu AlInGaN z warstwą aktywną o przestrzennie zmiennej zawartości indu, charakteryzująca się poszerzonym widmem emisji, mająca zastosowanie w optoelektronice, fotonice i systemach światłowodowych, w szczególności jako źródło promieniowania widzialnego.

Diody superluminescencyjne wytwarzane są z reguły jako przyrządy o rozdzielonym ograniczeniu nośników prądu i światła. Struktura taka nosi angielską nazwę Separate Confinement Heterostructure. Na podłożu z monokryształu np. z GaAs, InP lub GaN wytwarza się sekwencję cienkich warstw półprzewodników, co opisano m.in. w publikacji L.A. Coldren, S. W. Corzine, „Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits” Opt. Eng. 36(2), 616-617 (1997). Warstwą aktywną takich przyrządów są studnie kwantowe ograniczone kwantowymi barierami, a światło propaguje się w światłowodzie zbudowanym z warstw o wysokim współczynniku załamania otaczających część aktywną lasera, ograniczonym przez warstwy o niskim współczynniku załamania. W dalszej części niniejszego opisu określenie „światłowód diody” odnosić się będzie do fragmentu obszaru studni kwantowych oraz otaczających je warstw światłowodowych, w którym propaguje się światło w przyrządzie. Ograniczenie boczne dla nośników oraz światła może być uzyskane w jakikolwiek znany w dziedzinie techniki sp osób (np. za pomocą struktur: index guiding, gain guiding, mesa, buried ridge) bez wpływu na ogólność prowadzonego poniżej rozumowania. Ograniczenie boczne prowadzi do osiągnięcia dużej gęstości światła oraz nośników w obszarze aktywnym. Geometria przyrządu oraz ewentualne dodatkowe warstwy antyrefleksyjne przeciwdziałają oscylacjom światła w przyrządzie.

W przypadku diod superluminescencyjnych na bazie azotków metali grupy III, emitujących światło w zakresie 390-550 nm, wspomniane wyżej warstwy są realizowane w charakterystyczny sposób opisany m.in. w publikacji S. Nakamura, „InGaN/GaN/AIGaN-based laser diodes grown on epitaxially laterally overgrown GaN” J. Mater. Res. 14, 2716 (1999) oraz w opisie patentowym US 6,838,693 B2. Jako podłoże stosuje się krystaliczny azotek galu o grubości od 50 do 200 μm. Powierzchnia azotku galu jest przygotowana do wzrostu epitaksjalnego poprzez polerowanie mechano-chemiczne, aby uzyskać atomowo gładką płaszczyznę. Poprzez polerowanie powierzchni pod wybranym kątem do płaszczyzn krystalograficznych kryształu, uzyskiwane są stopnie atomowe. Ich gęstość wpływa na ilość indu wbudowywanego w warstwy InGaN podczas późniejszego wzrostu epitaksjalnego (mechanizm opisany m .in. w pracy Sarzyński i in., „Lateral Control of Indium Content and Wavelength of Ill-Nitride Diode Lasers by Means of GaN Substrate Patterning” Appl. Phys. Express 5, 021001 (2012)).

Wzrost przyrządów może odbywać się zarówno metodą epitaksji ze związków metaloorganicznych, jak i metodą epitaksji z wiązek molekularnych. Warstwy okładkowe są zbudowane z azo tku galowo-glinowego Al_xGa_1-xN, dla którego x zawiera się w przedziale od 0,05 do 0,12 i grubości od 0,5 μm do 5 μm. Dolna warstwa okładkowa jest domieszkowana krzemem na poziomie 5 x 10¹⁸ cm^-3. Górna warstwa okładkowa zwykle domieszkowana jest magnezem na poziomie od 5 x 10 cmdo 1 x 10 cm^- . Warstwy światłowodowe wykonane są zwykle z azotku galu o grubościach od 0,05 μm do 0,15 μm. Dolna warstwa światłowodowa może być domieszkowana krzemem, a górna warstwa światłowodowa może być domieszkowana magnezem. Obie warstwy światłowodowe mogą być również niedomieszkowane. Warstwy blokujące elektrony w przypadku diod o emisji w zakresie 390-550 nm zbudowane są z Al_xGa_1-xN, dla którego x mieści się w zakresie od 0 do 0,2. Warstwa stanowiąca studnię kwantową jest zbudowana z ln_xGa_1-xN, dla którego x mieści się w zakresie od 0 do 0,3 i ma grubość od 2 nm do 10 nm.

Prowadzenie światła uzyskane jest poprzez trawienie wybranych obszarów struktury epita ksjalnej na głębokość nie większą niż granica pomiędzy górną okładką, a górną warstwą światłowodu. Kształt trawienia dobierany jest tak, by pozostały obszar formował światłowód nieprostopadły do okna wyjściowego światłowodu (płaszczyzn łatwej łupliwości kryształu). Od górnej strony prz yrządu zasilanie elektryczne odbywa się wyłącznie poprzez górną powierzchnię powstałej mesy (grzbietu).

Światłowód diody superluminescencyjnej może mieć formę przekoszonego lub zakrzywionego paska. Odbijalność okna światłowodu jest zdeterminowana przez wartości współczynników załam ania światłowodu, sąsiadującego obszaru w płaszczyźnie warstw i otoczenia przyrządu (powietrze lub gaz stosowany w hermetycznym montażu) oraz przez wartość końcowego kąta pomiędzy osią światłowodu, a normalną do powierzchni okna wyjściowego. Zależności te opisane są w artykul e

PL 228 006 Β1

G. A. Alphonse i M. Toda J., „Modę coupling in angled facet semiconductor optical amplifiers and superluminescent diodes” Lightwave Technol, 10, 215 (1992). Geometria światłowodu optymalizowana jest tak, by odbijalność wyjściowego okna światłowodu była jak najmniejsza.

Idealna dioda superluminescencyjna posiada jedno lub oba okna falowodu o współczynniku odbicia równym 0, dzięki czemu światło propagujące się w światłowodzie nie może zostać odbite z powrotem do światłowodu. Jednak w realnym przypadku zawsze część światła jest odbijana z powrotem i ma możliwość oscylować pomiędzy oknami. Ta część światła jest obserwowana w widmie emisji przyrządu jako modulacje będące modami wnękowymi światłowodu. Przy zwiększaniu natężenia prądu zasilającego diodę superluminescencyjną zwiększa się udział emisji wymuszonej w generacji światła, przez co obserwowane jest zawężenie widma emisji oraz zwiększenie głębokości modulacji. Jednak zastosowania takie jak optyczna tomografia koherencyjna czy żyroskopy światłowodowe wymagają możliwie szerokiego i gładkiego widma emisji. Problem ten można rozwiązać poprzez zastosowanie studni kwantowych o różnej długości emitowanej fali (tak jak ujawniono w patencie US 7,045,812 B2), jednak taka metoda wiąże się z silną absorpcją światła generowanego w studni o większej przerwie energetycznej na studni o mniejszej przerwie energetycznej.

Z europejskiego patentu EP1583190B1 znany jest laser półprzewodnikowy zawierający azotkowe podłoże półprzewodnikowe, azotkową warstwę półprzewodnika o pierwszym typie przewodnictwa, warstwę aktywną oraz azotkową warstwę półprzewodnika o drugim typie przewodnictwa, na powierzchni której utworzono strukturę typu „ridge”. W cytowanym rozwiązaniu podłoże półprzewodnikowe posiada powierzchnię główną nachyloną względem ustalonego kierunku, tj. nachyloną o kąt 0_aw kierunku prostopadłym do płaszczyzny M (1-100) oraz o kąt 0_b w kierunku równoległym do płaszczyzny M (1-100). Dzięki temu możliwe jest uzyskanie jednorodnego rozkładu warstw półprzewodnikowych w strukturze przyrządu, pod względem cech krystalicznych i zawartości indu w warstwie aktywnej. Zastosowanie nachylonego podłoża umożliwiło uzyskanie płaskiego wzrostu kryształów dzięki nieregularnościom na powierzchni atomowej, a tym samym poprawiło właściwości ekstrakcyjne wytworzonego azotkowego lasera półprzewodnikowego. Wytworzone w analogiczny sposób diody superluminescencyjne posiadają dobre parametry optoelektryczne, jednak ich widmo emisji zwęża się intensywnie przy wzroście natężenia prądu zasilającego, jednocześnie wzrasta głębokość modulacji w widmie emisji.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zaproponowanie takiej konstrukcji diody superluminescencyjnej na bazie AlinGaN, która charakteryzowałaby się poprawionymi parametrami optycznymi, w szczególności większą szerokością widma emisji oraz mniejszą głębokością modulacji w widmie. Jednocześnie, pożądane jest by rozwiązanie problemu nie wiązało się ze znaczącą zmianą istniejącego procesu wytwórczego, a tym samym by koszt pojedynczego urządzenia nie uległ znaczącemu zwiększeniu. Co więcej pożądana jest możliwość szczegółowej modyfikacji kształtu widma emisji takiej diody superluminescencyjnej. Nieoczekiwanie wspomniane problemy techniczne rozwiązał prezentowany wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest dioda superluminescencyjna na bazie stopu AlinGaN, zawierająca objętościowe podłoże z azotku galu, dolną warstwę okładkową o przewodnictwie elektrycznym typu n, dolną warstwę światłowodową o przewodnictwie elektrycznym typu n, warstwę emitującą światło, warstwę blokującą elektrony o przewodnictwie elektrycznym typu p, górną warstwę światłowodu, górną warstwę okładkową o przewodnictwie elektrycznym typu p i warstwę podkontaktową o przewodnictwie elektrycznym typu p, charakteryzująca się tym, że objętościowe podłoże z azotku galu posiada przestrzennie zmienną dezorientację powierzchni w kierunku prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M z zakresu od 0° do 10°. W korzystnej realizacji wynalazku dezorientacja podłoża rośnie od tylnego okna światłowodu w kierunku przedniego okna światłowodu. W kolejnej, korzystnej realizacji wynalazku wzrost dezorientacji podłoża w kierunku przedniego okna światłowodu ma charakter ciągły, liniowy, w przybliżeniu liniowy albo nieliniowy względem osi światłowodu. W następnej korzystnej realizacji wynalazku dezorientacja podłoża, wyrażona kątem Θ względem kierunku równoległego do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłego do płaszczyzny krystalograficznej M, ma charakter w przybliżeniu liniowy spełniający zależność:

Θ = arctg y), (W3) gdzie y to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M, w to parametr określający szerokość chipu wytwarzanej

PL 228 006 Β1 diody superluminescencyjnej, I to parametr określający długość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej, natomiast h to maksymalna głębokość na jaką kształtowane jest podłoże. Równie korzystnie dezorientacja podłoża, wyrażona kątem Θ względem kierunku równoległego do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłego do płaszczyzny krystalograficznej M, ma charakter nieliniowy spełniający zależność:

o = °^m^^ + o_max, (W4) gdzie y to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M, 0_max to maksymalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y równy arctg(h/w), 0_min to minimalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y, b jest parametrem wpływającym na kształt profilu, I to parametr określający długość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej. Jeszcze korzystniej dezorientacja podłoża, wyrażona kątem Θ względem kierunku równoległego do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłego do płaszczyzny krystalograficznej M, ma charakter nieliniowy spełniający zależność:

gdzie y to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M, e_max to maksymalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y równy arctg(h/w), 0_min to minimalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y, a₁ i a₂, to parametry wpływające na względne wysokości stopnia pierwszego i drugiego, b₁ i b₂ to parametry wpływające na kształt profilu stopnia pierwszego i drugiego, d₁ i d₂ to parametry wpływające na położenie stopnia pierwszego i drugiego w kierunku y, I to parametr określający długość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej. W korzystnej realizacji wynalazku przednie okno światłowodu jest pokryte warstwą dielektryczną o współczynniku odbicia mniejszym niż 5%. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku tylne okno światłowodu jest pokryte warstwą dielektryczną o współczynniku odbicia większym niż 80%. W następnej korzystnej realizacji wynalazku warstwa podkontaktowa domieszkowana jest akceptorami powyżej koncentracji 10 cm .

Celem kształtowania podłoża jest uzyskanie wzrostu dezorientacji podłoża wzdłuż światłowodu diody superluminescencyjnej, od tylnego do przedniego okna światłowodu. Kierunek wektora dezorientacji może być zarówno prostopadły, jak i równoległy do osi światłowodu. Możliwe jest również wykonanie kształtowania podłoża tak, by kierunek dezorientacji był dowolny w stosunku do osi falowodu oraz by zmieniał się na różnych obszarach wzdłuż falowodu.

Wynalazek pozwala na polepszenie własności optycznych diody superluminescencyjnej, poprzez poszerzenie widma emisji oraz zmniejszenie modulacji w widmie. Obszary o różnej dezorientacji podłoża skutkują różną zawartością indu w warstwie aktywnej generującej światło, a więc i różną centralną długością emisji światła. W rezultacie światło opuszczające przednie okno światłowodu ma widmo emisji będące sumą widm emisji poszczególnych fragmentów światłowodu pomniejszoną o straty optyczne falowodu. Zastosowanie zwiększenia dezorientacji podłoża wzdłuż światłowodu w kierunku okna wyjściowego pociąga za sobą zmniejszanie zawartości indu, a więc i zwiększanie szerokości przerwy energetycznej obszaru aktywnego. Taki porządek pozwala ograniczyć reabsorpcję światła w układzie.

Wynalazek pozwala również na szczegółową modyfikację kształtu widma emisji diody superluminescencyjnej poprzez zastosowanie gładkiej, nieliniowej zmiany wartości dezorientacji wzdłuż światłowodu diody. Zwiększenie udziału danej dezorientacji w ogóle kształtu podłoża powoduje zwiększenie udziału widma emisji związanego z odpowiadającą mu zawartością indu w obszarze aktywnym. Za pomocą odpowiedniego projektu profilu dezorientacji wzdłuż światłowodu możliwe jest m.in. zwiększenie udziału największych i najmniejszych długości fali w ostatecznym widmie emisji, co prowadzi do znacznego poszerzenia widma. Możliwe jest również uzyskanie kształtu widma emisji w przybliżeniu prostokątnego. Wynalazek pozwala również na wytworzenie światłowodu o zredukowanych stratach w stosunku do światłowodu wytworzonego na podłożu o skokowej zmianie dezorientacji (płaskie strefy jednorodnej dezorientacji) z powodu braku strat na łączeniach stref o różnej dezorientacji będących zagięciami światłowodu. Wynalazek może również zostać zastosowany jako źródło światła przestrajalnego lasera o zewnętrznej wnęce rezonansowej.

PL 228 006 Β1

W takim przypadku wynalazek pozwoli na znaczące poszerzenie zakresu długości fali przestrajania lasera dzięki szerokiemu widmu emisji. Zaletą wynalazku jest również jego kompatybilność z klasycznym procesem wytwarzania przyrządów i ich montażu. Wymagane jest jedynie odpowiednie przygotowanie podłoża z objętościowego azotku galu. Dasze etapy technologiczne nie wymagają zmian, dzięki czemu zmiana kosztu wytworzenia przyrządu jest znikoma, a wynalazek nie wymaga osobnej linii wytwórczej.

Przykładowe realizacje wynalazku zaprezentowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat naświetlania fotorezystu na podłożu półprzewodnikowym według pierwszego przykładu realizacji wynalazku, fig. 2 przedstawia wykres rozkładu grubości podłoża z fig. 1, fig. 3 przedstawia profil zmian dezorientacji wzdłuż światłowodu diody superluminescencyjnej dla kształtu podłoża przedstawionego na fig. 2, fig. 4 przedstawia przekrój diody superluminescencyjnej według niniejszego wynalazku, fig. 5a i 5b przestawiają przykładowe kształty światłowodów stosowanych w diodach superluminescencyjnych w widoku z góry, fig. 6 przedstawia kolejne etapy technologiczne wytworzenia mesy diody superluminescencyjnej według niniejszego wynalazku, fig. 7 przedstawia widmo emisji diody superluminescencyjnej (a) według pierwszego przykładu realizacji niniejszego wynalazku oraz (b) przyrządu referencyjnego, fig. 8 przedstawia wykres rozkładu grubości podłoża według drugiego przykładu realizacji niniejszego wynalazku, fig. 9 przedstawia profil zmian dezorientacji w kierunku y diody superluminescencyjnej dla kształtu podłoża przedstawionego na fig. 8, fig. 10 przedstawia widmo emisji diody superluminescencyjnej według drugiego przykładu realizacji wynalazku, fig. 11 przedstawia wykres rozkładu grubości podłoża według trzeciego przykładu realizacji niniejszego wynalazku, fig. 12 przedstawia profil zmian dezorientacji w kierunku y diody superluminescencyjnej dla kształtu podłoża przedstawionego na fig. 11, natomiast fig. 13 przedstawia widmo emisji diody superluminescencyjnej według trzeciego przykładu realizacji wynalazku.

Przykład 1

Pierwszy przykład realizacji niniejszego wynalazku stanowi dioda superluminescencyjna o poszerzonym widmie emisji i o liniowej zmianie kąta dezorientacji w kierunku y, wytworzona na jednorodnym podłożu ΰθΟχΝ^χ uzyskanym ze wzrostu wysokociśnieniowego. W pierwszym etapie wytwarzania takiej diody superluminescencyjnej wykonano podłoże GaO,00005^,9995 metodą wzrostu z roztworu azotu w galu przy ciśnieniu 1000 MPa i temperaturze 1500°C. Otrzymany kryształ przecięto i wypolerowano tak, aby utworzył płytkę płaskorównoległą o typowej grubości 200 μπι. Powierzchnia o polarności galowej tego kryształu miała po odpowiednim wypolerowaniu mechano-chemicznym gładkość atomową, objawiającą się stopniami atomowymi w obrazie Mikroskopu Sił Atomowych. Powierzchnia kryształu była zdezorientowana o 0,1° w stosunku do kierunku osi krystalograficznej c heksagonalnej struktury GaN (wurcytu).

Następnie na podłożu osadzono warstwę fotorezystu 1 pozytywowego o grubości 2 μπι. Warstwa została naświetlona przy pomocy urządzenia typu „laser writer” o źródle światła będącym laserem o długości fali emisji 405 nm. Naświetlanie polegało na skanowaniu powierzchni fotorezystu 1 wiązką światła, przy czym intensywność światła zmieniała się zgodnie z projektem kształtowania podłoża 4. W tym przykładzie zastosowano wzór naświetlania przedstawiony na fig. 1 pozwalający na wytworzenie na podłożu 4, w obszarze jednej diody superluminescencyjnej, kształtu o powierzchni opisanej wzorem W1, h

z = — XV w l ^J (W1) gdzie x to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C kryształu i zarazem równoległym do płaszczyzny krystalograficznej M, y to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M, z to współrzędna w kierunku prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej C i równoległym do płaszczyzny krystalograficznej M, w to parametr określający szerokość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej, I to parametr określający jego długość, natomiast h to maksymalna głębokość na jaką kształtowane jest podłoże. Przykład takiej płaszczyzny zamieszczono na fig. 1. W tym przykładzie realizacji profil powierzchni podłoża w kierunku x jest liniowy i opisany wzorem:

(W2) gdzie y_a jest parametrem określającym wartość współrzędnej y dla której wykonano profil.

PL 228 006 Β1

W takim przypadku zależność kąta dezorientacji Θ od współrzędnej y jest zależnością w przybliżeniu liniową opisaną wzorem:

Θ = arctg y), (W3)

W bieżącym przykładzie realizacji zastosowano następujące parametry h = 2 gm, w = 100 gm oraz I = 700 gm. Zmiana jasności na fig. 1 odpowiadała zmianie intensywności światła lasera i w rezultacie zmianie grubości warstwy fotorezystu 1 po wywołaniu. Linia kropkowana 2 ukazuje przyszłe położenie światłowodu diody superluminescencyjnej. Podłoże 4 z ukształtowanym fotorezystem 1 poddane zostało procesowi suchego trawienia metodą reaktywnych jonów przy użyciu plazmy argonowo-chlorowej. Czas trawienia wynosił 17,5 minuty. Proces pozwolił na przeniesienie ukształtowania fotorezystu 1 na podłoże 4 objętościowego azotku galu. Uzyskana płaszczyzna została przedstawiona na fig. 2 i posiada zmienny kąt dezorientacji w kierunku y przedstawiony na fig. 3.

Ukształtowane podłoże oznaczono przez 4 na schemacie fig. 4. Następnie podłoże 4 umieszczono w reaktorze MOVPE, gdzie w temperaturze około 1050°C wykonano warstwę 5 z Ga_{0 92}ΑΙ_{0 08}N o grubości 800 nm, domieszkowanego krzemem do poziomu 5 x 10¹⁸cm ³. Następnie w tej samej temperaturze wytworzono warstwę niedomieszkowanego GaN o grubości około 100 nm, pełniącą rolę dolnego falowodu 6. Po obniżeniu temperatury do 820°C wykonano obszar emitujący światło 7, w postaci wielostudni kwantowej ln₀iGa₀₉N/ln_{0 02}Ga₀9₈N, przy czym liczba powtórzeń wielostudni wynosiła trzy. Następnie po podwyższeniu temperatury reaktora do poziomu 1050°C z Alo₂Ga_o&8N:Mg wykonano warstwę blokującą ucieczkę elektronów 8. Potem wytworzono niedomieszkowaną warstwę GaN tworzącą górny falowód 9. Kolejną warstwą była górna warstwa okładkowa 10 z AI₀₀₅Ga₀₉₅N o grubości 430 nm. Wzrost struktury zakończono na cienkiej warstwie podkontaktowej 11 z GaN:Mg o koncentracji magnezu większej niż 10 cm . Po zakończeniu wzrostu struktury schłodzono reaktor w atmosferze azotu.

Następnie wykonano fotolitografię definiującą kształt mesy w postaci zagiętego paska (fig. 5b). Końcowe zakrzywienie falowodu 14 w stosunku do płaszczyzn łatwej łupliwości kryształu (przyszłych okien wyjściowych światłowodu 15) wynosiło 6°.

Proces wytworzenia mesy i kontaktu górnego został schematycznie przedstawiony na fig. 6. Pierwszym krokiem technologicznym było nałożenie warstwy fotorezystu 12a o grubości 2 gm na obszar projektowanego światłowodu. Następnie przeprowadzone zostało suche trawienie kryształu przy pomocy aktywnych jonów na głębokość 500 nm. W ten sposób utworzona została mesa w warstwie okładkowej 10 i w warstwie podkontaktowej 11, co przedstawiono na schemacie fig. 6b. Następnie na cały kryształ osadzona została warstwa izolującego materiału SiO₂ 12 o grubości 200 nm widoczna na fig. 6c. Z powodu dużej grubości fotorezystu jego krawędzie boczne nie są całkowicie przykryte izolatorem 12. Przeprowadzenie mokrego trawienia pozwala na odsłonięcie grzbietu mesy (fig. 6d), przy jednoczesnym pozostawieniu izolatora 12 na ścianach bocznych mesy oraz w obszarze poza mesą. Kolejnym krokiem technologicznym jest osadzenie kontaktów górnego 13 i dolnego (na podłożu 4) wykonanych ze stopu nikiel-złoto o grubości 100 nm.

Następnie podzielono kryształ wzdłuż płaszczyzn łatwej łupliwości tworząc linijki zawierające wiele przyrządów, przy czym podział zachodził wzdłuż zaplanowanych położeń okien światłowodów, tj. okna przedniego 15 i okna tylnego 16 poszczególnych przyrządów. Pierwszym krokiem umożliwiającym podział było zarysowanie kryształu wzdłuż linii planowanego podziału. Następnie na skutek naprężeń mechanicznych doprowadzono do pęknięcia kryształu wzdłuż płaszczyzn łatwej łupliwości.

Kolejnym krokiem był podział linijek na poszczególne przyrządy odbywający się w sposób analogiczny, jak w przypadku podziału na linijki, jednak nie wzdłuż płaszczyzn łatwej łupliwości, ale prostopadle do nich.

Ostatnim etapem był montaż przyrządów w standardowej obudowie TO-56. Na podstawce obudowy umieszczono cienką warstwę lutowia SnPb. Na niej umieszczono przyrząd stroną podłożową 4 w kierunku lutowia. Proces wygrzewania w temperaturze 200°C umożliwił trwałe połączenie przyrządu z podstawką. Następnie przy użyciu techniki „ball-bondingu” utworzono kontakt elektryczny z materiałem kontaktu górnego 13. Następnie zamknięto hermetycznie obudowę diody stosując atmosferę ochronną zapobiegającą skraplaniu się pary wodnej wewnątrz obudowy.

Dzięki zastosowaniu kształtowanego podłoża zwiększono szerokość widma emisji oraz zmniejszono głębokość modulacji w widmie emisji diody superluminescencyjnej (fig. 7a) w stosunku do przyrządu kontrolnego o tej samej geometrii, wytworzonego w tym samym procesie, ale na fragmencie podłoża o stałej dezorientacji (fig. 7b).

PL 228 006 Β1

Przykład 2

Drugi przykład realizacji niniejszego wynalazku stanowi dioda superluminescencyjna o poszerzonym widmie emisji i o nieliniowej zmianie kąta dezorientacji w kierunku y opisanej wzorem W4, wytworzona na jednorodnym podłożu ΰθΟχΝ^χ uzyskanym ze wzrostu wysokociśnieniowego. W pierwszym etapie wykonano podłoże GaO₀ 0005N0 9995 metodą wzrostu z roztworu azotu w galu przy ciśnieniu 1000 MPa i temperaturze 1500°C. Otrzymany kryształ przecięto i wypolerowano tak, aby utworzył płytkę płaskorównoległą o typowej grubości 250 μηι. Powierzchnia o polarności galowej tego kryształu miała po odpowiednim wypolerowaniu mechano-chemicznym gładkość atomową, objawiającą się stopniami atomowymi w obrazie Mikroskopu Sił Atomowych. Powierzchnia kryształu była zdezorientowana o 0,1° kątowego w stosunku do kierunku osi krystalograficznej c heksagonalnej struktury GaN (wurcytu).

Następnie na podłożu osadzono warstwę fotorezystu pozytywowego 1 o grubości 3 μηι. Warstwa została naświetlona przy pomocy urządzenia typu „laser writer” o źródle światła będącym laserem o długości fali emisji 405 nm. Naświetlanie polegało na skanowaniu powierzchni fotorezystu 1 wiązką światła, przy czym intensywność światła zmieniała się zgodnie z projektem kształtowania podłoża 4. W tym przykładzie zastosowano wzór naświetlania pozwalający na wytworzenie na podłożu 4, w obszarze jednej diody superluminescencyjnej, kąta dezorientacji Θ w kierunku y opisanego wzorem W4:

(W4) gdzie 0_max to maksymalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y równy arctg(h/w), e_min to minimalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y, natomiast b jest parametrem wpływającym na kształt profilu. W tej realizacji kształt powierzchni podłoża można opisać za pomocą równania:

z = x

(W5)

W prezentowanym przykładzie realizacji zastosowano parametry h = 2,5 μηι, w = 150μπι, I = 900 μηι, b = 30, 0_max = 0,95 oraz 0_min = 0,1.

Podłoże 4 z ukształtowanym fotorezystem 1 poddane zostało procesowi suchego trawienia metodą reaktywnych jonów przy użyciu plazmy argonowo-chlorowej. Czas trawienia wynosił 17,5 minuty. Proces pozwolił na przeniesienie ukształtowania fotorezystu 1 na podłoże 4 objętościowego azotku galu. Uzyskana płaszczyzna, w postaci szerokich obszarów, w przybliżeniu płaskich, została przedstawiona na fig. 8 i posiada zmienny kąt dezorientacji w kierunku y przedstawiony na fig. 9.

Następnie podłoże 4 umieszczono w reaktorze MOVPE, gdzie w temperaturze około 1050°C wykonano warstwę 5 z Ga_{0 92}AI_{0 08}N o grubości 800 nm, domieszkowanego krzemem do poziomu 5 x 10¹⁸cm ³. Następnie w tej samej temperaturze wytworzono warstwę niedomieszkowanego GaN o grubości około 100 nm, pełniącą rolę dolnego falowodu 6. Po obniżeniu temperatury do 820°C wykonano obszar emitujący światło 7, w postaci wielostudni kwantowej ln₀₁Ga_o,₉N/lno,o₂Ga_o,₉8N, przy czym liczba powtórzeń wielostudni wynosiła trzy. Następnie po podwyższeniu temperatury reaktora do poziomu 1050°C wykonano z AI_{0 2}Ga₀₉₈N:Mg warstwę blokującą ucieczkę elektronów 8. Potem wytworzono niedomieszkowaną warstwę GaN tworzącą górny falowód 9. Kolejną warstwą była górna warstwa okładkowa 10 z Al_o osGao ₉₅N o grubości 430 nm. Wzrost struktury zakończono ’ ’ 20 3 na cienkiej warstwie podkontaktowej 11 z GaN:Mg o koncentracji magnezu większej niż 10 cm . Po zakończeniu wzrostu struktury schłodzono reaktor w atmosferze azotu.

Proces wytworzenia mesy i kontaktu górnego oraz podziału kryształu na linijki przebiegał w sposób analogiczny do opisanego w przykładzie 1. Następnie na krawędzi linijki chipów od strony przedniego okna światłowodu 15 osadzono warstwę dielektryczną SiO₂ o grubości dobranej tak, by jej współczynnik odbicia wynosił 0,001. Warstwa pozwoliła na dodatkowe obniżenie współczynnika odbicia przedniego okna światłowodu 15. Na kolejnym etapie przeprowadzono podział linijki na chipy oraz ich montaż w sposób analogiczny do opisanego w przykładzie 1.

PL 228 006 Β1

Dzięki zastosowaniu podłoża o powierzchni opisanej wzorem W5 zmieniono kształt widma emisji diody superluminescencyjnej do postaci dwupikowej poszerzając je jednocześnie. Przykład pokazuje, że wynalazek pozwala w znaczącym stopniu wpłynąć na kształt widma emisji diody superluminescencyjnej. Fig. 10 przedstawia uzyskany kształt widma emisji diody superluminescencyjnej według drugiego przykładu realizacji niniejszego wynalazku. Zastosowanie podłoża z szerokimi obszarami w przybliżeniu płaskimi pozwoliło uzyskać zwiększoną intensywność generacji światła dla wybranych długości fali, co pozwoliło na poszerzenie spektrum emisji diody superluminescencyjnej.

Przykład 3

Trzeci przykład realizacji niniejszego wynalazku stanowi dioda superluminescencyjna o poszerzonym widmie emisji i o nieliniowej zmianie kąta dezorientacji w kierunku y, opisanej wzorem W6, wytworzona na jednorodnym podłożu GaO_xN-i__x uzyskanym ze wzrostu wysokociśnieniowego. W pierwszym etapie wykonano podłoże GaOo,ooo5No,₉₉₉5 metodą wzrostu z roztworu azotu w galu przy ciśnieniu 1000 MPa i temperaturze 1500°C. Otrzymany kryształ przecięto i wypolerowano tak, aby utworzył płytkę płaskorównoległą o typowej grubości 250 μπι. Powierzchnia o polarności galowej tego kryształu miała po odpowiednim wypolerowaniu mechano-chemicznym gładkość atomową, objawiającą się stopniami atomowymi w obrazie Mikroskopu Sił Atomowych. Powierzchnia kryształu była zdezorientowana o 0,2° kątowego w stosunku do kierunku osi krystalograficznej c heksagonalnej struktury GaN (wurcytu).

Następnie na podłożu 4 osadzono warstwę fotorezystu 1 pozytywowego o grubości 3 μπι. Warstwa została naświetlona przy pomocy urządzenia typu „laser writer” o źródle światła będącym laserem o długości fali emisji 405 nm. Naświetlanie polegało na skanowaniu powierzchni fotorezystu 1 wiązką światła, przy czym intensywność światła zmieniała się zgodnie z projektem kształtowania podłoża 4. W tym przykładzie zastosowano wzór naświetlania pozwalający na wytworzenie na podłożu 4, w obszarze jednej diody superluminescencyjnej, kąta dezorientacji Θ w kierunku y opisanego wzorem W6:

gdzie 0_max to maksymalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y równy arctg(h/w), 0_min to minimalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y, a₁ i a₂ to parametry wpływające na względne wysokości stopnia pierwszego i drugiego, b₁ i b₂ to parametry wpływające na kształt profilu stopnia pierwszego i drugiego, d₁ i d₂ to parametry wpływające na położenie stopnia pierwszego i drugiego w kierunku y. W tej realizacji kształt powierzchni podłoża można opisać za pomocą równania:

z — x tg

CL·

«2

Cli +(3.t (W7)

W prezentowanym przykładzie realizacji zastosowano parametry h = 3,6 μπι; w = 150 μπι; I = 1300 μπι; 0_max = 1,4; 0_min = 0,2; a₁ = 1; a₂ = 1,5; b₁ = 0,3; b₂ = 0,35; d₁ = 0,36; oraz d₂ = 0,58.

Podłoże 4 z ukształtowanym fotorezystem 1 poddane zostało procesowi suchego trawienia metodą reaktywnych jonów przy użyciu plazmy argonowo-chlorowej. Czas trawienia wynosił 17,5 minuty. Proces pozwolił na przeniesienie ukształtowania fotorezystu 1 na podłoże 4 objętościowego azotku galu. Uzyskana płaszczyzna, wykazująca dwa wygładzone stopnie, została przedstawiona na rysunku fig. 11 i posiada zmienny kąt dezorientacji w kierunku y, przedstawiony na rysunku fig. 12.

Następnie podłoże 4 umieszczono w reaktorze MOVPE, gdzie w temperaturze około 1050°C wykonano warstwę 5 z Ga_{0 92}AI_{0 08}N o grubości 800 nm, domieszkowanego krzemem do poziomu 5 x 10¹⁸cm ³. Następnie w tej samej temperaturze wytworzono warstwę niedomieszkowanego GaN o grubości około 100 nm, pełniącą rolę dolnego falowodu 6. Po obniżeniu temperatury do 820°C wykonano obszar emitujący światło 7, w postaci wielostudni kwantowej Ιη₀₁,ίθ3₀₉Ν/Ιη₀₀₂θ 3_{0 98}Ν, przy czym liczba powtórzeń wielostudni wynosiła trzy. Następnie po podwyższeniu temperatury reaktora do poziomu 1050°C wykonano z AI₀₂Ga₀₉₈N:Mg warstwę blokującą ucieczkę elektronów 8. Potem wytworzono niedomieszkowaną warstwę GaN tworzącą górny falowód 9. Kolejną warstwą była górna warstwa okładkowa 10 z Al_oosGao₉₅N o grubości 430 nm. Wzrost struktury zakończono na cienkiej ’ ’ 2Ω 3 warstwie podkontaktowej 11 z GaN:Mg o koncentracji magnezu większej niż 10 cm . Po zakończeniu wzrostu struktury schłodzono reaktor w atmosferze azotu.

PL 228 006 Β1

Proces wytworzenia mesy i kontaktu górnego, podziału kryształu na linijki i chipy, oraz montaż chipów przebiegał w sposób analogiczny do opisanego w przykładzie 1.

Dzięki zastosowaniu podłoża o powierzchni opisanej wzorem W7 zmieniono kształt widma emisji diody superluminescencyjnej do postaci w przybliżeniu prostokątnej. W tej realizacji profil dezorientacji w kierunku y ma kształt dwóch wygładzonych stopni, przy czym ich wysokości mogą się różnić. Szerokie obszary w przybliżeniu płaskie powodują zwiększoną intensywność generacji światła dla wybranych długości fali. W rezultacie, w tej realizacji wynalazku, widmo emisji diody superluminescencyjnej wykazuje w przybliżeniu prostokątny kształt i posiada znacznie zwiększoną szerokość w stosunku do klasycznych przyrządów, co przedstawiono na fig. 13. Przykład pokazuje, że wynalazek pozwala w znaczącym stopniu wpłynąć na kształt widma emisji diody superluminescencyjnej.

Claims

1. Dioda superluminescencyjna na bazie stopu AlInGaN, zawierająca objętościowe podłoże (4) z azotku galu, dolną warstwę okładkową (5) o przewodnictwie elektrycznym typu n, dolną warstwę światłowodową (6) o przewodnictwie elektrycznym typu n, warstwę emitującą światło (7), warstwę blokującą elektrony (8) o przewodnictwie elektrycznym typu p, górną warstwę światłowodu (9), górną warstwę okładkową o przewodnictwie elektrycznym typu p (10) i warstwę podkontaktową (11) o przewodnictwie elektrycznym typu p, znamienna tym, że objętościowe podłoże (4) z azotku galu posiada przestrzennie zmienną dezorientację powierzchni w kierunku prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M z zakresu od 0° do 10°.

2. Dioda superluminescencyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że dezorientacja podłoża (4) rośnie od tylnego okna (16) światłowodu w kierunku przedniego okna (15) światłowodu.

3. Dioda superluminescencyjna, według zastrz. 2, znamienna tym, że wzrost dezorientacji podłoża (4) w kierunku przedniego okna (15) światłowodu ma charakter ciągły, liniowy, w przybliżeniu liniowy albo nieliniowy względem osi światłowodu.

4. Dioda superluminescencyjna, według zastrz. 3, znamienna tym, że dezorientacja podłoża (4), wyrażona kątem Θ względem kierunku równoległego do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłego do płaszczyzny krystalograficznej M, ma charakter w przybliżeniu liniowy spełniający zależność:

Θ = arctg y), (W3) gdzie y to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M, w to parametr określający szerokość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej, I to parametr określający długość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej, natomiast h to maksymalna głębokość na jaką kształtowane jest podłoże (4).

5. Dioda superluminescencyjna, według zastrz. 3, znamienna tym, że dezorientacja podłoża (4), wyrażona kątem Θ względem kierunku równoległego do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłego do płaszczyzny krystalograficznej M, ma charakter nieliniowy spełniający zależność:

e = °^minf;^er^x + e_max, (W4) gdzie y to współrzędna w kierunku równoległym do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłym do płaszczyzny krystalograficznej M, 0_max to maksymalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y, 0_min to minimalny kąt dezorientacji w kierunku prostopadłym do kierunku y, b jest parametrem wpływającym na kształt profilu, I to parametr określający długość chipu wytwarzanej diody superluminescencyjnej.

PL 228 006 Β1

Dioda superluminescencyjna, według zastrz. 3, znamienna tym, że dezorientacja podłoża (4), wyrażona kątem Θ względem kierunku równoległego do płaszczyzny krystalograficznej C i prostopadłego do płaszczyzny krystalograficznej M, ma charakter nieliniowy spełniający zależność: