量子阱混合超辐射发光管及其制作方法

文档序号:7005530阅读:355来源:国知局
专利名称:量子阱混合超辐射发光管及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制作方法,特别是涉及一种应用量子阱混合技术制作的超辐射发光器件及该发光器件的制作方法。
背景技术
超辐射光是由自发发射的光子在增益介质中传播经历了受激放大过程而得到的,我们把放大了的自发发射称为超辐射。半导体超辐射光源由于具有宽光谱、高功率、相干长度短、低噪声和较小的发散角等特点在很多领域如光纤陀螺(FOG)、光时域反射仪(OTDR)、局域网(LAN)、光学相干层析成像技术、光波分复用(WDM)系统、光信息处理技术等领域,得到了广泛的应用。超辐射光源的输出光谱的谱宽越宽,其相干长度就越短,则可以使应用系统的性能得到更大的提高。另外随着光波分复用领域中“光谱分割”技术的发展,对宽谱光源性能要求也不断提高,即对其功率指标有较高要求的同时,也希望其光谱宽度越宽越好,以覆盖更大的光谱范围来提供更多的传输信道。为此,提高光谱宽度成为超辐射器件研究的目标之一。
量子阱混合技术是一种改变晶体生长后的半导体材料禁带宽度的方法,通常有二氧化硅覆盖增强退火和离子注入增强退火两种方法。通过在材料选定的区域进行量子阱混合,会使得量子阱材料中阱和垒的材料相互扩散,形成新的半导体混合物,而作为有源层的半导体量子阱材料的禁带宽度、折射率等也随之改变。这样,可以使得一次外延生长的半导体量子阱材料的不同区域有着不同的特性。这种技术对于光子集成器件和光电集成器件来说都是非常有用的,如半导体激光器和探测器或电光调制器的集成器件,只需要一次外延生长就可以完成集成器件的材料生长,而对激光器、探测器或电光调制器的不同区域进行量子阱混合,以得到各自器件所需的禁带宽度和折射率等材料特性。从而可以简化器件的制作过程,提高器件的可靠性。
现有的较好的长波长半导体超辐射发光管从下向上主要由以下几部分构成下电极、n-InP衬底、n-InP缓冲层、n-InGaAsP分别限制层、InGaAsP多量子阱有源层、p-InGaAsP分别限制层、p-InP盖层、p-InGaAs盖层、SiO2电流隔离层、上电极。为了增加器件的发光光谱宽度,目前主要的方法是改变InGaAsP多量子阱有源层的结构,如叠加不同发光中心波长有源层,级联各种不同中心波长有源层,选择区域外延技术生长渐变厚度的量子阱有源区,采用不同阱宽双量子阱结构等,这些方法都使生长量子阱有源层的外延工艺增加了难度。

发明内容
本发明的目的是利用量子阱混合技术制作超辐射发光器件的有源层,从而提供一种宽光谱的超辐射发光管及制作工艺得到简化的该发光管的制备方法。
本发明所设计的量子阱混合超辐射发光管的结构见附图1和图2,由下电极1、n-InP衬底2、n-InP缓冲层3、n-InGaAsP分别限制层4、InGaAsP多量子阱有源层5、p-InGaAsP分别限制层6、p-InP盖层7、p-InGaAs盖层8、SiO2电流隔离层9、上电极10构成,其特点是InGaAsP多量子阱有源层5由量子阱混合区域11和非混合区域12两部分构成,有源层可以是两区式结构也可以是多区式交替结构。
本发明通过量子阱混合的方法,使InGaAsP多量子阱有源层5的一部分发生量子阱混合,而另一部分不让其混合。量子阱混合后有源层发光的中心波长会向短波长方向漂移,漂移的大小依据量子阱混合的工艺条件不同而不同。这样,当超辐射器件工作时,有源层是由量子阱混合区和非混合区两种发光中心波长的区域同时工作,相当于是两个不同中心波长的普通的超辐射发光管同时工作,因此该器件的发光谱宽度会比已有的普通超辐射发光管宽很多。通过调整器件InGaAsP多量子阱有源层5的量子阱混合区域和非混合区域的长度之比,或者通过采用两个电极分别对两区域进行电泵浦,可以使得器件的发光谱相对较为平坦。
我们的试验结果也证明了这一发明的效果,图5为量子阱混合超辐射发光管和普通超辐射发光管的光谱对比图,其中图5(a)为普通超辐射发光管的光谱,图5(b)为量子阱混合超辐射发光管光谱。从图所示谱线可以看出,普通超辐射发光管的光谱半高宽仅25nm左右,而量子阱混合超辐射发光管光谱半高宽增加到40nm以上。


图1量子阱混合超辐射发光管端面图;图2两区式量子阱混合超辐射发光管俯视图;图3多区式量子阱混合超辐射发光管俯视图;图4两区分别泵浦式量子阱混合超辐射发光管俯视图;图5(a)普通超辐射发光管的光谱图;图5(b)两区式量子阱混合超辐射发光管光谱图。
图1中各部分为,下电极1、n-InP衬底2、n-InP缓冲层3、n-InGaAsP分别限制层4、InGaAsP多量子阱有源层5、p-InGaAsP分别限制层6、p-InP盖层7、p-InGaAs盖层8、SiO2电流隔离层9、上电极10。
图2、图3和图4中11为量子阱混合区,12为量子阱非混合区,13为器件的电注入窗口;图4中部件14为两泵浦区中间的电极隔离条区。
具体实施例方式
实施例1二氧化硅覆盖增强退火型量子阱混合超辐射发光管这种超辐射发光管结构如图1和图2所示。制作工艺简述如下选用n-InP做为衬底2,在InP衬底2上用有机金属化学气相外延(MOVPE)方法顺次生长n-InP缓冲层3、n-InGaAsP分别限制层4、InGaAsP多量子阱有源层5、p-InGaAsP分别限制层6、p-InP盖层7、p-InGaAs盖层8。然后用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)等方法在外延片需要进行量子阱混合的区域上覆盖一层约200nm厚的二氧化硅,然后在氮气保护的情况下,用合金炉在700度进行30秒的退火。由量子阱混合技术,在二氧化硅覆盖的区域,InGaAsP多量子阱层5就形成了量子阱混合。退火完成后,用化学腐蚀的方法,把外延片表面的二氧化硅腐蚀清洗掉。再用PECVD等方法在外延片表面生长一层二氧化硅电隔离层9,用于电隔离。之后用光刻和化学腐蚀的方法把选定区域的二氧化硅的腐蚀掉,形成电注入窗口13。然后在外延片上表面溅射一层Ti-Pt-Au作为上电极10。最后减薄,蒸下电极1并合金退火。在进行选择区域二氧化硅覆盖退火时,适当的调整有二氧化硅和无二氧化硅覆盖区域的长度之比,可使得器件的发光谱较为平坦,有二氧化硅和无二氧化硅覆盖的区域,即量子阱混合区和非量子阱混合区可以是如图2所示的两区式,也可以是如图3所示的多区式交替结构。
实施例2二氧化硅覆盖增强退火两区分别泵浦式量子阱混合超辐射发光管这种器件结构如图4所示,工艺过程和二氧化硅覆盖增加退火型量子阱混合超辐射发光管一样,不同之处在于在溅射上电极10之前,先用光刻的方法在量子阱混合区和非量子阱混合区域的交界处做宽20~100μm的一光刻胶条,然后溅射上电极。再用光刻胶剥离工艺(Lift-off)方法的把这一光刻胶条去掉,形成量子阱混合和非量子阱混合两个泵浦区中间的电极隔离条区14,使上电极分开。之后再减薄、蒸发下电极1和合金退火。这样就可以靠两区不同的注入电流来调节发光光谱的平坦度。
实施例3离子注入增强退火型量子阱混合超辐射发光管这种器件的工艺过程是在生长完InGaAsP多量子阱层5后,生长一层0.5~2μm厚的本征InP,然后用光刻的方法在不需要进行量子阱混合的区域覆盖上一层厚2~6μm厚的光刻胶,然后进行离子注入。注入后,把光刻胶去掉,然后退火(退火时间与实施例1大体相同)。由于离子的注入和退火,使InGaAsP多量子阱层没有覆盖光刻胶的区域形成量子阱混合,其余覆盖光刻胶的区域没有形成量子阱混合。之后把顶层的本征InP层用化学腐蚀的方法去掉,然后再生长p-InGaAsP分别限制层6、p-InP盖层7、p-InGaAs盖层8,完成外延片的制备。再在外延片上面用PECVD方法生长二氧化硅电隔离层9,光刻腐蚀出电注入窗口13,接着溅射上电极10,减薄,蒸发下电极1并合金退火。
权利要求
1.一种半导体超辐射发光管,顺次由下电极(1)、n-InP衬底(2)、n-InP缓冲层(3)、n-InGaAsP分别限制层(4)、InGaAsP多量子阱有源层(5)、p-InGaAsP分别限制层(6)、p-InP盖层(7)、p-InGaAs盖层(8)、SiO2电流隔离层(9)、上电极(10)构成,其特征在于InGaAsP多量子阱有源层(5)由量子阱混合区域(11)和非量子阱混合区域(12)两部分构成。
2.如权利要求1所述的半导体超辐射发光管,其特征在于量子阱混合区(11)和非量子阱混合区(12)的上电极(10)是分开的,与下电极(1)形成两个泵浦区,中间有电极隔离条区(14)。
3.如权利要求1所述的半导体超辐射发光管,其特征在于量子阱混合区域(11)和非量子阱混合区域(12)可以是两区式结构也可以是多区式交替结构。
4.一种制备权利要求1或3所述的半导体超辐射发光管的方法,其步骤为a、选用n-InP做为衬底(2),在InP衬底(2)上顺次外延生长n-InP缓冲层(3)、n-InGaAsP分别限制层(4)、InGaAsP多量子阱有源层(5)、p-InGaAsP分别限制层(6)、p-InP盖层(7)、p-InGaAs盖层(8);b、在外延片需要进行量子阱混合的区域上覆盖一层约200nm厚的二氧化硅,然后在氮气保护的情况下,在700度进行30秒的退火,退火完成后,把外延片表面的二氧化硅腐蚀清洗掉;c、在外延片表面再生长一层二氧化硅(9),然后把选定区域的二氧化硅腐蚀掉形成电注入窗口(13);d、最后在外延片上表面溅射一层Ti-Pt-Au作为上电极(10),减薄,蒸下电极(1)并合金退火。
5.一种制备权利要求2所述的半导体超辐射发光管的方法,其步骤为a、选用n-InP做为衬底(2),在InP衬底(2)上顺次外延生长n-InP缓冲层(3)、n-InGaAsP分别限制层(4)、InGaAsP多量子阱有源层(5)、p-InGaAsP分别限制层(6)、p-InP盖层(7)、p-InGaAs盖层(8);b、在外延片需要进行量子阱混合的区域上覆盖一层约200nm厚的二氧化硅,然后在氮气保护的情况下,在700度进行30秒的退火,退火完成后,把外延片表面的二氧化硅腐蚀清洗掉;c、在外延片表面再生长一层二氧化硅(9),然后把选定区域的二氧化硅腐蚀掉形成电注入窗口(13);d、在量子阱混合区和非量子阱混合区域的交界处做20~100μm宽的电隔离条(14),然后再溅射上电极,之后减薄、蒸发下电极(1)并合金退火。
6.一种制备权利要求1或3所述的半导体超辐射发光管的方法,其步骤为a、选用n-InP做为衬底(2),在InP衬底(2)上顺次外延生长n-InP缓冲层(3)、n-InGaAsP分别限制层(4)、InGaAsP多量子阱有源层(5);b、在有源层上生长一层厚0.5~2μm的本征InP,在不需要进行量子阱混合的区域覆盖上一层厚2~6μm的光刻胶,进行离子注入,注入后把光刻胶去掉,然后退火30秒左右,之后把本征InP层用化学腐蚀的方法去掉;c、再顺次生长p-InGaAsP分别限制层(6)、p-InP盖层(7)、p-InGaAs盖层(8);d、在外延片表面再生长一层二氧化硅(9),然后把选定区域的二氧化硅腐蚀掉形成电注入窗口(13);e、最后在外延片上表面溅射一层Ti-Pt-Au作为上电极(10),减薄,蒸下电极(1)并合金退火。
全文摘要
本发明涉及一种应用量子阱混合技术制作的超辐射发光器件及该发光器件的制作方法。超辐射发光器件顺次由下电极、n-InP衬底、n-InP缓冲层、n-InGaAsP分别限制层、InGaAsP多量子阱有源层、p-InGaAsP分别限制层、p-InP盖层、p-InGaAs盖层、SiO
文档编号H01S5/00GK1450695SQ0311155
公开日2003年10月22日 申请日期2003年4月25日 优先权日2003年4月25日
发明者许呈栋, 杜国同 申请人:吉林大学
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