一种量子点超辐射发光二极管的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种量子点超辐射发光二极管，包括：一次外延结构和掩埋异质结结构，一次外延结构包括：沿晶向依次设置的N+?GaAs衬底层(1)、N?GaAs缓冲层(2)、N?AlGaAs覆盖层(3)、AlGaAs下限制层(4)、含多层InAs量子点的有源区(5)、AlGaAs上限制层(6)和P?AlGaAs覆盖层(7)；N?AlGaAs覆盖层(3)到P?AlGaAs覆盖层(7)形成沿晶向的脊结构；掩埋异质结结构包括沿晶向依次设置的P?AlGaAs掩埋层(12)、N?GaAs掩埋层(13)和P+?GaAs接触层(14)。本实用新型提出的超辐射发光二极管芯片具有高功率、宽光谱输出、低抖动的优点。
【专利说明】
一种量子点超辐射发光二极管
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种发光二极管，具体涉及一种量子点超辐射发光二极管。
【背景技术】
[0002]超福射发光二极管(Super luminescent D1des，SLD)是一种高输出功率、宽光谱范围的高稳定光源，其具有比半导体激光器更宽的发光谱和更低的相干长度;与发光二极管相比，具有更高的输出功率，广泛应用于OCT(光学相干层析)成像、光纤陀螺、光纤传感器等系统中。对于目前用于0CT(光学相干层析)800nm波长的SLD光源来说，由于其谱宽较窄，同时其峰值波长较短而引起的背向散射很大程度上影响了 OCT的成像分辨率和探测灵敏度。因此如何进一步提高光源的峰值波长、增加谱宽是改善现阶段用于OCT中800nm GaAs基SLD光源的一个重要方法。
[0003]常规的均匀多量子阱，其增益谱都相对较窄，难以获得宽光谱的输出；对于非均匀多量子阱来说，能在一定程度上提高输出谱宽，但由于不同量子阱之间的电子能态不连续，难以获得具有规则高斯形状的光谱。
[0004]对于量子点半导体器件来说，通过自组织生长的量子点在尺寸上具有一定的非均匀性，这种非均匀性的量子点对于制作宽光谱的器件来说是一个有利的因素。相关的研究结果表明，具有一定尺寸分布的量子点集合具有较宽的增益谱，尺寸非均匀性越大，峰值下降越大、展宽越强。同时，量子点的尺寸分布一般满足高斯分布，不同尺寸量子点的基态与激发态能级交叠在一起，使得量子点集合的能级近似连续分布，更易形成规则形状的输出谱。对于单量子阱或均匀多量子阱超辐射发光二极管，在较低的注入电流密度下只能得到很窄的光谱宽度，对于多量子阱SLD，不同宽度量子阱基态跃迀能量不连续从而会造成谱带的形状不规则。随着超辐射发光二极管的研究加深，超辐射发光二极管的应用越来越广泛，随之对器件的性能要求越来越高。目前SLD还存在一些问题，需要对SLD的材料设计和结构进行优化，进一步提高器件输出功率、拓宽光谱宽度等。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型目的在于提供一种用于OCT的量子点超辐射发光二极管，通过量子点势皇层的材料组分和生长温度，实现宽光谱输出；另一方面采用掩埋结构实现低发散角和高载流子注入效率，制作的SLD芯片具有宽光谱、低波纹输出。
[0006]本实用新型提出的一种量子点超福射发光二极管，该量子点超福射发光二极管包括:一次外延结构和掩埋异质结结构，其中，所述一次外延结构包括:沿晶向依次设置的N+-GaAs衬底层、N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs覆盖层、AlGaAs下限制层、含多层InAs量子点的有源区、AlGaAs上限制层和P-AlGaAs覆盖层;其中所述有源区包括沿晶向依次设置的第一未掺杂GaAs层、多层InAs量子点和第二未掺杂GaAs层；
[0007]N-AlGaAs覆盖层、AlGaAs下限制层、含多层InAs量子点的有源区、AlGaAs上限制层和P-AlGaAs覆盖层形成沿晶向的脊结构；
[0008]所述掩埋异质结结构包括在N-GaAs缓冲层上并沿晶向依次设置的P-AlGaAs掩埋层、N-GaAs掩埋层和P+-GaAs接触层，P-AlGaAs掩埋层和N-GaAs掩埋层作为电流阻挡层，P-AlGaAs掩埋层和N-GaAs掩埋层形成在脊结构的侧壁表面，P+-GaAs接触层形成在N-GaAs掩埋层和P-AlGaAs覆盖层的上表面上。
[0009]进一步地，N-GaAs缓冲层具体为掺杂浓度I X 118 200nm N-GaAs缓冲层；
[0010]N-AlGaAs覆盖层具体为掺杂浓度I X 118 10nm N-AlGaAs覆盖层；
[0011 ] AlGaAs下限制层具体为200nm AlGaAs下限制层；
[0012]AlGaAs上限制层具体为200nm AlGaAs上限制层；
[0013]P-AlGaAs覆盖层具体为掺杂浓度I X 118 10nm P-AlGaAs覆盖层。
[0014]进一步地，所述多层InAs量子点具体为四层InAs量子点。
[0015]进一步地，每层InAs量子点包括InAs量子点、In0.Q5Ga0.95As覆盖层和GaAs覆盖层。
[0016]进一步地，未掺杂GaAs层具体为I OOnm未掺杂GaAs层；
[0017]InAs量子点具体为2ML的InAs量子点；
[0018]InQ.Q5Ga0.95As覆盖层具体为5nm In0.Q5GaQ.95As覆盖层；
[0019]GaAs覆盖层具体为25nm的GaAs覆盖层。
[0020]进一步地，N-GaAs掩埋层上表面与P-AlGaAs覆盖层上表面平齐。
[0021]进一步地，所述脊结构的脊宽为2um。
[0022]进一步地，所述脊结构沿腔长方向分为直波导区域和锥形波导区域，锥形波导区域与直波导区域相连，锥形波导区域靠近出光端面，直波导区域靠近背光端面。
[0023]进一步地，直波导区域与该二极管的端面法向成2?5°夹角;锥形波导区域张角为
2?5。。
[0024]进一步地，该二极管腔长为ΙΟΟΟμπι，直波导区域沿腔长方向的长度为750μπι，锥形波导区域沿腔长方向的长度为250μπι。
[0025]本实用新型的有益效果:本实用新型提出的量子点结构的超辐射发光二极管，其一次外延结构采用Mffi在N+_GaAs衬底层上依次生长:N-GaAs缓冲层、N-AlGaAs覆盖层、AlGaAs下限制层、含四层InAs量子点的有源区、AlGaAs上限制层、P-AlGaAs覆盖层、P-GaAs保护层，完成一次外延生长;在一次外延有源区生长时采用变组分和高温量子点盖层，实现不同尺寸、密度均匀量子点的生长，从而实现了宽增益谱的一次外延结构。对一次外延片进行腐蚀，采用MOCVD 二次生长的方法完成芯片的掩埋异质结构，实现光场和载流子的横向限制；同时采用倾斜的锥形波导，来进一步优化输出光谱，最后在芯片出光端面和背光端面都蒸镀高透膜，以降低腔面模式的反馈，降低光谱波纹。本实用新型提出的超辐射发光二极管芯片具有高功率、宽光谱输出、低抖动的优点。
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型量子点超辐射发光二极管工艺流程图。
[0027]图2是本实用新型的量子点结构的超辐射发光二极管的一次外延片结构示意图。
[0028]图3为本实用新型的量子点发光二极管芯片的结构示意图。
[0029]附图标记说明:IN+-GaAs衬底，2N_GaAs缓冲层，3N_AlGaAs覆盖层，4AlGaAs下限制层，5含四层InAs量子点的有源区，6AlGaAs上限制层，7P_AlGaAs覆盖层，8P_GaAs保护层，9InAs量子点，1011^348覆盖层，116348覆盖层；12?416348掩埋层，131^^^8掩埋层，14?+-GaAs接触层，15锥形波导区域，16直波导区域，17出光端面，18背光端面。
【具体实施方式】
[0030]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。
[0031]本实用新型涉及一种量子点超辐射发光二极管，本实用新型运用MBE依次在衬底上生长缓冲层、覆盖层、下限制层、含量子点有源区、上限制层、覆盖层、保护层完成一次外延生长;在一次外延有源区生长时采用变组分和高温量子点盖层，实现不同尺寸、密度均匀量子点的生长。对一次外延片进行腐蚀，采用MOCVD 二次生长的方法完成芯片的掩埋异质结构，实现光场和载流子的横向限制；同时采用倾斜的锥形波导，来进一步优化输出光谱。最后在芯片出光端面和背光端面都蒸镀高透膜，以降低腔面模式的反馈，降低光谱波纹。该量子点超辐射发光二极管具有高功率、宽光谱、低抖动等优点。
[0032]实施例1:
[0033]本实用新型提出的一种量子点超辐射发光二极管的制作方法，如图1所示，该方法包括以下步骤:
[0034]1.一次外延生长步骤:如图2所示，采用MBE生长一次外延结构，其结构沿晶向依次(如图2所示的从下到上)包括N+-GaAs衬底层l、N-GaAs缓冲层2、N-AlGaAs覆盖层3、AlGaAs下限制层4、含四层InAs量子点的有源区5、AlGaAs上限制层6、P-AlGaAs覆盖层7、P-GaAs保护层8。
[0035]其中有源区5包括第一未掺杂GaAs层、四层InAs量子点和第二未掺杂GaAs层，每层InAs量子点包括InAs量子点9、InGaAs覆盖层10和GaAs覆盖层11。
[0036]在有源区生长过程中，InGaAs覆盖层中较大的In组分有利于释放InAs量子点中的应力，减小InAs与GaAs盖层之间的晶格失配，使得InAs量子点的尺寸增大，发光峰值波长红移。另一方面，较大的In组分有利于抑制In从InAs量子点向盖层析出，使得InAs量子点中In的组分提高，量子点能带间隙减小，发光峰值波长红移动。生长的InGaAs盖层能覆盖大多数的量子点，进一步的高温生长GaAs覆盖层过程中，高温生长能消融过大的量子点，使得生长表面光滑，这使得后续生长的量子点应力低、密度大。因此采用组分变化InGaAs/高温GaAs双盖层能实现量子点密度均匀、宽光谱和发光峰值波长红移。
[0037]2.形成脊形状的步骤:如图3所示，去除P-GaAs保护层8，沉积介质膜、光刻、刻蚀介质膜、腐蚀形成脊结构；
[0038]3.生长掩埋异质结的步骤:如图3所示，采用MOCVD外延生长对形成脊结构的片子进行掩埋生长，形成掩埋异质结结构；
[0039]4.蒸发N、P型电极的步骤:对片子进行沉积钝化层、光刻、刻蚀钝化层、沉积P面金属、减薄、沉积N面金属、合金，形成芯片；
[0040]5.镀膜步骤:对片子沿晶向解离成巴条，对巴条出光、背光端面进行蒸镀光学膜。[0041 ] 实施例2:
[0042]本实施例是在实施例1的基础上的优选实施例。本实用新型提出的量子点超辐射发光二极管的制作方法如图1所示，该方法包括:
[0043]1.一次外延生长步骤:如图2所示，在N+-GaAs衬底I上，500°C下MBE生长掺杂浓度IXlO18 200nm N-GaAs缓冲层2、掺杂浓度I X 118 10nm N-AlGaAs覆盖层3、200nm AlGaAs下限制层4、含四层InAs量子点的有源区5，接着500°C下生长200nm AlGaAs上限制层6、掺杂浓度I X 118 10nm P-AlGaAs覆盖层7、掺杂浓度I X 118 1nm P-GaAs保护层8，完成一次外延的生长，其结构如图2所示。
[0044]其中有源区5生长方法如下:500°C下生长10nm未掺杂GaAs层，生长2ML(ML:原子层)的InAs量子点9，生长5nm In0.Q5Ga0.95As覆盖层10，将生长温度提高至600 °C，退火30s，接着生长25nm的GaAs覆盖层11，从而在未掺杂GaAs层上生长出第一层InAs量子点；将温度降至500°C，在之前生长的GaAs覆盖层11上生长2ML InAs量子点，生长5nm In0.0sGamAs覆盖层，将生长温度升高至600°C，退火30s，生长25nm GaAs覆盖层，从而在第一层InAs量子点上生长出第二层InAs量子点；再次重复上述InAs量子点生长步骤，直到在第二层InAs量子点上生长出第三层InAs量子点和在第三层InAs量子点上生长出第四层InAs量子点；再在500°C下在第四层InAs量子点上生长10nm未掺杂GaAs层，完成有源区生长。
[0045]2.形成脊形状的步骤:如图3所示，去除P-GaAs保护层，沉积250nm的S12介质层，光刻形成脊图案，RIE刻蚀点曝光区域介质层，采用H2O: H2O2: H2SO4(8:8:1)腐蚀液，在室温下腐蚀至N-GaAs缓冲层2，形成脊结构，腐蚀深度1.2μπι。如图3所示，芯片腔长为ΙΟΟΟμπι，脊宽为2um。脊结构包括直波导区域16和锥形波导区域15，锥形波导区域15靠近出光端面17，直波导区域16靠近背光端面18，其中直波导区域16沿腔长方向长度750μπι，与芯片端面法向成2?5°夹角，优选为3°;锥形波导区域15与直波导区域16相连，锥形波导区域15张角为2?5°，优选为3°。
[0046]3.生长掩埋异质结的步骤:如图3所示，将形成脊结构的样品放入MOCVD设备中，在630°C下通AsH3 15分钟去除脊侧壁表面氧化层，依次生长600nm P-AlGaAs掩埋层12和900nm N-GaAs掩埋层13作为电流阻挡层;去除脊上的S12介质层，再用MOCVD生长200nm P+-GaAs接触层14，完成掩埋生长。
[0047]4.蒸发N、P型电极的步骤:在样品表面沉积300nm S12钝化层，通过光刻，RIE刻蚀曝光区域钝化层，电子束蒸发411(20]1111)/211(5011111)/^11(100011111)作为?面金属，将样品减薄至厚度ΙΙΟμπι，电子束蒸发AuGe(500nm)/Ni(800nm)/Au(1000nm)作为N面金属，420°C在氮气气氛下合金60s。
[0048]5.镀膜步骤:将样品解离成腔长ΙΟΟΟμπι的巴条，采用电子束蒸发在芯片的出光端面和背光端面上蒸镀单层S12高透膜，完成芯片的制作。
[0049]实施例3:
[0050]本实用新型提出的量子点超辐射发光二极管如图2和图3所示，该量子点超辐射发光二极管包括:一次外延结构和掩埋异质结结构，其中，所述一次外延结构包括:沿晶向依次设置的N+-GaAs衬底层l、N-GaAs缓冲层2、N-AlGaAs覆盖层3、AlGaAs下限制层4、含四层InAs量子点的有源区5、AlGaAs上限制层6和P-AlGaAs覆盖层7;其中有源区5包括沿晶向依次设置的第一未掺杂GaAs层、四层InAs量子点和第二未掺杂GaAs层。
[0051]N-AlGaAs覆盖层3、AlGaAs下限制层4、含四层InAs量子点的有源区5、AlGaAs上限制层6和P-AlGaAs覆盖层7形成沿晶向的脊结构，脊结构沿腔长方向分为直波导区域16和锥形波导区域15，锥形波导区域15与直波导区域16相连，锥形波导区域15靠近出光端面17，直波导区域16靠近背光端面18。优选地，芯片的出光端面和背光端面上蒸镀单层S12高透膜。
[0052]其中直波导区域16沿腔长方向长度750μπι，与芯片端面法向成2?5°夹角，优选3°夹角;锥形波导区域15张角为2?5°，优选3°，锥形波导区域15沿腔长方向长度250μπι。
[0053]所述掩埋异质结结构包括在N-GaAs缓冲层2上并沿晶向依次设置的P-AlGaAs掩埋层12、N-GaAs掩埋层13和P+-GaAs接触层14，P-AlGaAs掩埋层12和N-GaAs掩埋层13作为电流阻挡层，P-AlGaAs掩埋层12和N-GaAs掩埋层13形成在脊结构的侧壁(如图3所示的侧壁)表面，N-GaAs掩埋层13与P-AlGaAs覆盖层7上表面(如图3所示的上表面)平齐，P+-GaAs接触层14形成在N-GaAs掩埋层13与P-AlGaAs覆盖层7上表面上。
[0054]其中，在样品表面沉积S12钝化层，通过光刻，RIE刻蚀曝光区域钝化层，电子束蒸发八11(20醒)/211(5011111)/^11(100011111)作为？面金属，电子束蒸发AuGe(500nm)/Ni (800nm)/Au(100nm)作为N面金属。
[0055]优选地，本实施例的量子点超辐射发光二极管可采用实施例1至2中的任一制作方法制作。
[0056]以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种量子点超辐射发光二极管，其特征在于，该量子点超辐射发光二极管包括:一次外延结构和掩埋异质结结构，其中，所述一次外延结构包括:沿晶向依次设置的N+-GaAs衬底层(I)、N-GaAs缓冲层(2)、N-AlGaAs覆盖层(3)、AlGaAs下限制层(4)、含多层InAs量子点的有源区(5)、AlGaAs上限制层(6)和P-AlGaAs覆盖层(7);其中所述有源区(5)包括沿晶向依次设置的第一未掺杂GaAs层、多层InAs量子点和第二未掺杂GaAs层； N-AlGaAs覆盖层(3)^16&48下限制层(4)、含多层11^8量子点的有源区(5)^16&厶8上限制层⑻和P-AlGaAs覆盖层⑴形成沿晶向的脊结构； 所述掩埋异质结结构包括在N-GaAs缓冲层(2)上并沿晶向依次设置的P-AlGaAs掩埋层(12)、N-GaAs 掩埋层(13)和 P+-GaAs 接触层(14)，P-AlGaAs 掩埋层(12)和 N-GaAs 掩埋层(13)作为电流阻挡层，P-AlGaAs掩埋层(12)和N-GaAs掩埋层(13)形成在脊结构的侧壁表面，P+-GaAs接触层(14)形成在N-GaAs掩埋层(13)和P-AlGaAs覆盖层(7)的上表面上。2.根据权利要求1所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，N-GaAs缓冲层(2)具体为掺杂浓度I X 118 200nm N-GaAs缓冲层； N-AlGaAs覆盖层(3)具体为掺杂浓度I X 118 10nm N-AlGaAs覆盖层； AlGaAs下限制层(4)具体为200nm AlGaAs下限制层； AlGaAs上限制层(6)具体为200nm AlGaAs上限制层； P-AlGaAs覆盖层(7)具体为掺杂浓度I X 118 10nm P-AlGaAs覆盖层。3.根据权利要求1所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，所述多层InAs量子点具体为四层InAs量子点。4.根据权利要求1或3所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，每层InAs量子点包括InAs量子点(9)、In0.Q5GaQ.95As覆盖层(10)和GaAs覆盖层(11)。5.根据权利要求4所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，未掺杂GaAs层具体为IOOnm未惨杂GaAs层； InAs量子点(9)具体为2ML的InAs量子点； In0.(teGa0.95As覆盖层(1)具体为5nm In0.0sGa0.95AS覆盖层； GaAs覆盖层(11)具体为25nm的GaAs覆盖层。6.根据权利要求1所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，N-GaAs掩埋层(13)上表面与P-AlGaAs覆盖层(7)上表面平齐。7.根据权利要求1所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，所述脊结构的脊宽为2um。8.根据权利要求1或7所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，所述脊结构沿腔长方向分为直波导区域(16)和锥形波导区域(15)，锥形波导区域(15)与直波导区域(16)相连，锥形波导区域(15)靠近出光端面(17)，直波导区域(16)靠近背光端面(18)。9.根据权利要求8所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，直波导区域(16)与该二极管的端面法向成2?5°夹角;锥形波导区域(15)张角为2?5°。10.根据权利要求8所述的量子点超辐射发光二极管，其特征在于，该二极管腔长为ΙΟΟΟμπι，直波导区域(16)沿腔长方向的长度为750μπι，锥形波导区域(15)沿腔长方向的长度为 250μηιο
【文档编号】H01L33/00GK205582962SQ201620374082
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】訾慧, 薛正群, 苏辉, 王凌华, 林琦, 林中晞, 陈阳华
【申请人】中国科学院福建物质结构研究所