专利名称：宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管及制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管及制作方法。
背景技术：
半导体超辐射发光二极管在光纤陀螺仪、光学测试设备、光纤传感系统、光纤通信系统、光学层析成像方面有着广泛的应用。在上述的应用中，为了减小Reyleigh背散射，提高系统的精度，需要超辐射发光二极管具有宽的光谱。由于实际的系统中存在耦合损耗、传输损耗、分波/合波损耗，某些应用(例如分布式光纤传感系统)还要求超辐射发光二极管同时具有较大的功率输出，以提高探测端的灵敏度。
传统的超辐射发光二极管很难同时满足大功率和宽光谱的要求。由于传统的超辐射发光二极管采用能带均匀的半导体材料作为增益介质，辐射光存在内在的相关性，随着输出功率的增加，辐射光很快激射到少数几个模式上，输出光谱迅速变窄。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种新型的能带结构空间变化的半导体材料作为超辐射发光二极管的增益介质。由于采用能带结构空间变化的半导体材料作为增益介质，超辐射发光二极管辐射光具有内在的非相关性，在较大的输出功率下，仍然可以保持较宽光谱输出。在本发明中，选择区域生长(selective area growth)的金属有机物化学气相沉淀(metal organicchemical vapor phase deposition)技术被用于实现能带结构空间变化的半导体材料。选择区域生长是在制作了二氧化硅图形的半导体衬底上进行，由于半导体材料不能在二氧化硅表面上成核，反应气体会横向迁移。在较宽的二氧化硅图形附近，气体横向迁移系数大，半导体材料生长速度快；在较窄的二氧化硅图形附近，气体横向迁移系数小，半导体材料生长速度慢。对于量子阱半导体材料而言，阱的厚度由于二氧化硅图形的变化而发生空间变化，从而导致材料能带结构的空间变化。
本发明一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，包括一衬底片；一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在衬底片上，在二氧化硅层上刻蚀出平行的宽度渐变的两个三角形二氧化硅图形；一缓冲层，该缓冲层制作在两个三角形二氧化硅图形之间；一下限制层，该下限制层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在缓冲层上；一多量子阱层，该多量子阱层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在下限制层上，形成能带结构空间变化的半导体多量子阱结构；
一上限制层，该上限制层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在多量子阱上；一包层，该包层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在上限制层上；一接触层，该接触层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在包层上。
其中二氧化硅层的厚度为50nm～500nm。
其中该多量子阱层结构采用以下一种的材料体系InP/InGaAsP、InP/AlGaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs。
其中能带结构空间变化的半导体多量子阱层材料的厚度及材料组份是为空间变化的。
其中缓冲层为n型、下限制层为i型、多量子阱层为i型、上限制层为i型、包层为p型、接触层为p型。
其中三角形的二氧化硅图形的尺寸为W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
本发明一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、采用衬底片作为基片；步骤2、采用等离子体增强化学气相沉淀方法在衬底片上淀积二氧化硅层；步骤3、在二氧化硅层上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形；
步骤4、采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底片1上未淀积SiO2处依次外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、包层、接触层；步骤5、腐蚀掉各层生长之后的衬底片上的二氧化硅；步骤6、在平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3之间沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出脊型结构；步骤7、将外延片解理成管芯，在管芯两端面进行镀膜，一端镀高反射膜，另一端镀增透膜。
其中二氧化硅层的厚度为50nm～500nm。
其中缓冲层为n型、下限制层为i型、多量子阱层为i型、上限制层为i型、包层为p型、接触层为p型。
其中能带结构空间变化的半导体多量子阱层材料是通过选择区域生长的，采用金属有机物化学气相沉淀方法制作的。
其中三角形的二氧化硅图形的尺寸为W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
宽光谱、大功率的半导体超辐射二极管在光纤陀螺仪、光学测试设备、光纤传感系统、光纤通信系统、光学层析成像方面有着广泛的应用，相对于普通的半导体超辐射二极管而言，可以提高探测灵敏度，改进系统性能。
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例进行详细说明，其中图1是选择区域生长的金属有机物化学气相沉淀示意图；图2是选择区域生长的量子阱厚度T随二氧化硅图形宽度S变化的曲线图；图3是选择区域生长的量子阱带隙波长随二氧化硅图形宽度S变化的曲线图；图4到图8是宽光谱、大功率的半导体超辐射管的制作过程图。
具体实施例方式
请参阅图1、图4到图8所示，本发明一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，包括一衬底片1；一二氧化硅层2，该二氧化硅层2制作在衬底片1上(参见图4)，在二氧化硅层2上刻蚀出平行的宽度渐变的两个三角形二氧化硅图形3(参见图5)，该二氧化硅层2的厚度为50nm～500nm，该三角形的二氧化硅图形3的尺寸为W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um(参见图1)；一缓冲层4，该缓冲层4制作在两个三角形二氧化硅图形3之间(参见图6)，该缓冲层4为n型、下限制层5为i型、多量子阱层6为i型、上限制层7为i型、包层8为p型、接触层9为p型；一下限制层5，该下限制层5采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在缓冲层4上；
一多量子阱6，该多量子阱6采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在下限制层5上，形成能带结构空间变化的半导体多量子阱结构，该多量子阱层6结构采用以下一种的材料体系InP/InGaAsP、InP/AlGaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs，该能带结构空间变化的半导体多量子阱层6材料的厚度及材料组份是为空间变化的；平行的宽度渐变的两个三角形间的量子阱厚度T随其两侧的二氧化硅图形的宽度S的渐变而逐渐变化。(参见图2)；平行的宽度渐变的两个三角形间的量子阱带隙波长随其两侧的二氧化硅图形的宽度S的渐变而逐渐变化(参见图3)。
一上限制层7，该上限制层7采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在多量子阱6上；一包层8，该包层8采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在上限制层7上；一接触层9，该接触层9采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在包层8上。
请再结合参阅图1、图4到图8所示，本发明一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，包括以下步骤步骤1、采用衬底片1作为基片；步骤2、采用等离子体增强化学气相沉淀方法在衬底片1上淀积二氧化硅层2(参见图4)，该二氧化硅层2的厚度为50nm～500nm；步骤3、在二氧化硅层2上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3(参见图5)，该三角形的二氧化硅图形3的尺寸为W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um；步骤4、采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底片1上未淀积SiO2处依次外延生长缓冲层4、下限制层5、多量子阱层6、上限制层7、包层8、接触层9(参见图6)；该缓冲层4为n型、下限制层5为i型、多量子阱层6为i型、上限制层7为i型、包层8为p型、接触层9为p型，该能带结构空间变化的半导体多量子阱层材料是通过选择区域生长的，采用金属有机物化学气相沉淀方法制作的；步骤5、腐蚀掉各层生长之后的衬底片1上的二氧化硅；步骤6、在平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3之间沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出脊型结构10(参见图7)；步骤7、将外延片解理成管芯11，在管芯11两端面进行镀膜，一端镀高反射膜12，另一端镀增透膜13(参见图8)。
本发明与现有技术相比较利用选择区域生长的金属有机物化学气相沉淀方法制备能带结构空间变化的半导体量子阱材料作为半导体超辐射管的增益介质，辐射光具有内在的非相关性，有利于在大的输出光功率下仍然保持较宽的输出光谱范围，从而实现宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管。
权利要求
1.一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，包括一衬底片；一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在衬底片上，在二氧化硅层上刻蚀出平行的宽度渐变的两个三角形二氧化硅图形；一缓冲层，该缓冲层制作在两个三角形二氧化硅图形之间；一下限制层，该下限制层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在缓冲层上；一多量子阱层，该多量子阱层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在下限制层上，形成能带结构空间变化的半导体多量子阱结构；一上限制层，该上限制层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在多量子阱上；一包层，该包层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在上限制层上；一接触层，该接触层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在包层上。
2.按照权利要求1所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，其中二氧化硅层的厚度为50nm～500nm。
3.按照权利要求1所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，其中该多量子阱层结构采用以下一种的材料体系InP/InGaAsP、InP/AlGaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs。
4.按照权利要求1或3所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，其中能带结构空间变化的半导体多量子阱层材料的厚度及材料组份是为空间变化的。
5.按照权利要求2所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，其中缓冲层为n型、下限制层为i型、多量子阱层为i型、上限制层为i型、包层为p型、接触层为p型。
6.按照权利要求1所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，其特征在于，其中三角形的二氧化硅图形的尺寸为W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
7.一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、采用衬底片作为基片；步骤2、采用等离子体增强化学气相沉淀方法在衬底片上淀积二氧化硅层；步骤3、在二氧化硅层上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形；步骤4、采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底片1上未淀积SiO2处依次外延生长缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、包层、接触层；步骤5、腐蚀掉各层生长之后的衬底片上的二氧化硅；步骤6、在平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3之间沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出脊型结构；步骤7、将外延片解理成管芯，在管芯两端面进行镀膜，一端镀高反射膜，另一端镀增透膜。
8.按照权利要求6所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于，其中二氧化硅层的厚度为50nm～500nm。
9.按照权利要求6所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于，其中缓冲层为n型、下限制层为i型、多量子阱层为i型、上限制层为i型、包层为p型、接触层为p型。
10.按照权利要求6所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于，其中能带结构空间变化的半导体多量子阱层材料是通过选择区域生长的，采用金属有机物化学气相沉淀方法制作的。
11.按照权利要求6所述的宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，其特征在于，其中三角形的二氧化硅图形的尺寸为W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
全文摘要
一种宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管，包括一衬底片；一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在衬底片上，在二氧化硅层上刻蚀出平行的宽度渐变的两个三角形二氧化硅图形；一缓冲层，该缓冲层制作在两个三角形二氧化硅图形之间；一下限制层，该下限制层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在缓冲层上；一多量子阱层，该多量子阱层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在下限制层上，形成能带结构空间变化的半导体多量子阱层结构；一上限制层，该上限制层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在多量子阱上；一包层，该包层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在上限制层上；一接触层，该接触层采用金属有机物化学气相沉淀方法淀积在包层上。
文档编号H01S5/00GK1848464SQ200510056278
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月4日 优先权日2005年4月4日
发明者李宝霞, 张靖, 赵玲娟, 王圩 申请人:中国科学院半导体研究所