输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法
【专利摘要】一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、n型掺杂的折射率渐变层、n型掺杂的下包层、n型掺杂的下波导层、有源区、p型掺杂的上波导层、p型掺杂的上包层、p型掺杂的折射率渐变层和p型重掺杂接触层，形成外延片；在外延片上向下刻蚀，形成凸起漏斗型台面；在其上表面生长绝缘介质膜，刻蚀绝缘介质膜，在外延片上面制备p型电极；在其上横向刻蚀出两个电隔离区，使其被分割成三个功能区，完成制备。本发明可实现器件在实际应用中可以在保持输出光谱形状基本不变的条件下在一定范围内调节其输出功率大小。
【专利说明】输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电子材料和器件【技术领域】，特别是用于超辐射发光二极管的制作方法，尤其涉及一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法。
【背景技术】
[0002]半导体超辐射发光二极管(SLD)是一种具有内增益的非相干宽带光源，其光学特性介于半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)之间。其具有大功率、宽光谱、弱时间相干性和高光纤耦合效率等特点，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。目前虽然已经研制出很多种不同结构的超辐射发光二极管，其大多数主要是侧重抑制光反馈或拓宽光谱谱宽。而对于器件输出功率的控制也仅是通过调节注入电流的大小，这样一方面很难保证输出光谱的形状，另一方面无法实现输出功率和光谱形状的独立调节。
[0003]基于相关文献(QiAn et al.The effect of double-pass gain on theperformances of a quantum-dot superluminescent diode integrated with asemiconductor optical amplifier, J.Lightw.Technol., 2012, 30 (16):2684-2688)报道的倾斜条形超辐射区与锥形光放大区集成的双区SLD存在双程增益的工作机制，本发明通过增加一吸收区，工作时给其施加反偏电压。通过调节吸收区反偏电压大小来控制光反馈强度的大小，通过调节两个电流注入区电流的大小来保证输出光谱的形状，从而实现器件工作时的输出功率和光谱形状的独立调节。在实际应用中，可以实现在保持输出光谱形状基本不变的条件下在一定范围内调节其输出功率大小。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其可实现器件在实际应用中可以在保持输出光谱形状基本不变的条件下在一定范围内调节其输出功率大小。
[0005]本发明提供一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其制作步骤具体如下:
[0006]步骤1:在衬底上依次生长缓冲层、η型掺杂的折射率渐变层、η型掺杂的下包层、η型掺杂的下波导层、有源区、P型掺杂的上波导层、P型掺杂的上包层、P型掺杂的折射率渐变层和P型重掺杂接触层，形成外延片；
[0007]步骤2:在外延片的P型重掺杂接触层上向下进行刻蚀，刻蚀深度到达P型掺杂的上波导层或η型掺杂的下波导层，制作出凸起漏斗型台面，漏斗型台面的中心线相对于外延片的纵向中心线的夹角为α ;漏斗型台面的锥形张角为β ;
[0008]步骤3:在制作出漏斗型台面的外延片的上表面生长绝缘介质膜，然后在绝缘介质膜上进行刻蚀，去掉漏斗型台面中间部分的绝缘介质膜，保留漏斗型台面边缘部分的绝缘介质膜，在漏斗型台面上制作出电极窗口 ；[0009]步骤4:在开有电极窗口的外延片上面制备p型电极；
[0010]步骤5:在制备有P型电极的外延片上横向刻蚀两个电隔离区，刻蚀深度到达P型掺杂的折射率渐变层，使漏斗型台面被分割成三个功能区:吸收区、超辐射区和放大区；
[0011]步骤6:将外延片的衬底一侧减薄、抛光后制备η型电极，形成芯片；
[0012]步骤7:将芯片解离成管芯，装焊封装，完成制备。
[0013]本发明的有益效果在于:本发明提供一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，在实际应用中，可以实现在保持输出光谱形状基本不变的条件下在一定范围内调节其输出功率大小。同时，利用锥形放大区结构的特点对其施加较大正向电流实现大功率的输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，其中:
[0015]图1为本发明的制备流程图；
[0016]图2为本发明提供的器件外延片生长结构图；
[0017]图3和图4为本发明提供的制备输出功率和光谱形状独立可调的大功率半导体超辐射发光二极管器件的示意图；
[0018]图5为本发明提供的输出功率和光谱形状独立可调的大功率半导体超辐射发光二极管器件的结构示意图；
[0019]图6为本发明提供的输出功率和光谱形状独立可调的大功率半导体超辐射发光二极管器件工作时的示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面首先介绍本发明的实现原理:对于倾斜条形超辐射区与锥形光放大区集成的双区超辐射发光管器件工作时内部存在一双程增益的过程:由放大区输出端面反射回来的一部分逆向光波由放大区耦合进入超辐射区，经超辐射区端面反射后返回到放大区，经历二次增益，被再次放大。而超辐射区对于不同能态的光的反馈强度不同，通过改变超辐射区的注入电流可以改变其反馈情况，但是这样对输出光谱形状和输出功率均有影响，无法实现输出功率和光谱形状的独立调节。而增加一吸收区后，器件工作时，给吸收区施加反偏电压，通过调节反偏电压大小就可以控制光反馈强度的大小，通过调节两个电流注入区电流的大小来保证输出光谱的谱形，从而实现在保持输出光谱形状基本不变的条件下在一定范围内调节其输出功率大小。同时，利用锥形放大区结构的特点对其施加较大的正向电流实现大功率的输出。
[0021]请参阅图1、图2图5所示，基于上述原理，本发明提供一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其制作步骤具体如下:
[0022]步骤1:在衬底101上采用外延技术，如分子束外延技术或金属有机化学气相沉积技术，依次生长缓冲层102、η型掺杂的折射率渐变层103、η型掺杂的下包层104、η型掺杂的下波导层105、有源区106、P型掺杂的上波导层107、P型掺杂的上包层108、ρ型掺杂的折射率渐变层109和ρ型重掺杂接触层110，形成外延片I ;其中所述衬底101为GaAs材料或InP材料，有源区106为量子点或量子阱，ρ型重掺杂接触层110厚度一般为几百个纳米，掺杂浓度一般大于l*1019cm_3 ；
[0023]步骤2:在外延片I的ρ型重掺杂接触层110上向下进行刻蚀，所述的刻蚀可以是湿法腐蚀或干法刻蚀，湿法腐蚀的掩蔽层可以选用光刻胶，干法刻蚀的掩蔽层可以选用二氧化硅；刻蚀深度到达P型掺杂的上波导层107或η型掺杂的下波导层105，其中刻蚀深度到达P型掺杂的上波导层107的器件的光损耗较小，刻蚀深度到达η型掺杂的下波导层105的器件的光限制作用较强，制作出凸起漏斗型台面11 ;漏斗型台面11的中心线1101相对于外延片I的纵向中心线的夹角为α ;漏斗型台面11的锥形张角为β ;该漏斗型台面11的中心线1101与外延片I的纵向中心线α为3度-10度，漏斗型台面11的锥形张角β为3度-10度；
[0024]步骤3:在制作出漏斗型台面11的外延片I的上表面生长绝缘介质膜12，生长厚度为400-450nm，然后在绝缘介质膜12上进行刻蚀，所述的刻蚀可以是湿法腐蚀或干法刻蚀，湿法腐蚀和干法刻蚀的掩蔽层均可选用光刻胶，去掉漏斗型台面11中间部分的绝缘介质膜12，保留漏斗型台面11边缘部分的绝缘介质膜12，在漏斗型台面11上制作出电极窗口 13，电极窗口 13的形状与凸起漏斗型台面11形状相似；所述绝缘介质膜12的材料为二氧化硅、氮化硅、氮化铝或金刚石，生长方法可以采用化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积；
[0025]步骤4:在开有电极窗口 13的外延片I上面制备Ti / Au体系的ρ型电极，首先采用电子束蒸发技术依次蒸发50nm的钛层和250nm的金层，然后电镀300_1000nm的金层，电镀电流可以为0.3mA-0.8mA ；
[0026]步骤5:在制备有ρ型电极的外延片I上横向刻蚀两个电隔离区141和142，所述的刻蚀可以是湿法腐蚀或干法刻蚀；若是选用湿法腐蚀，可用光刻胶做掩蔽层，依次用相应腐蚀液腐蚀掉Au、T1、Si02、p型重掺杂接触层110，腐蚀至ρ型掺杂的折射率渐变层109 ;若是选用干法刻蚀，刻蚀深度到达P型掺杂的折射率渐变层109 ;使漏斗型台面11被分割成三个功能区:吸收区111、超辐射区112和放大区113，其中吸收区111为倾斜条形，超辐射区112为倾斜条形,放大区为倾斜锥形,该电隔离区141和142的宽度为5-30 μ m,所述吸收区111的长度为0.l_5mm，该吸收区111上的漏斗型台面11的宽度为宽度2-200 μ m，该超辐射区112的长度为0.l_5mm，该超辐射区112上的漏斗型台面11的宽度为2-200 μ m，该放大区113的长度为0.1-5mm ；
[0027]步骤6:根据生长的外延片I的实际厚度将其衬底101 —侧采用金刚砂减薄至适当厚度，然后使用抛光液对其进行第一次化学抛光，使用白刚玉粉对其进行机械抛光直至衬底101 —侧表面光亮平整无明显划痕为止，再使用抛光液对其进行第二次化学抛光；采用灯丝热蒸发方法制备AuGeNi / Au体系的η型电极,依次蒸发AuGeNi合金和Au ;蒸发完成后，采用快速热退火方法在氮气气氛中对P型电极和η型电极同时进行合金化处理；形成
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心片；
[0028]步骤7:按所需腔长将芯片解离成管芯，然后装焊在热沉的镀铟层上，放入烧结炉中进行烧结，最后在管芯上压焊引线，完成制备。
[0029]参阅图6所示，工作时，给吸收区111施加反偏电压，超辐射区112和放大区113分别施加正向电流。通过调节吸收区111反偏电压大小来控制光反馈强度的大小，通过调节超辐射区112和放大区113电流的大小来保证输出光谱的形状，从而实现器件工作时的输出功率和光谱形状的独立调节。在实际应用中，可以实现在保持输出光谱形状基本不变的条件下在一定范围内调节其输出功率大小。同时，利用放大区113的锥形结构特点对其施加较大正向电流实现大功率的输出。
[0030]虽然参照上述【具体实施方式】详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。例如，功能区可以不止包含一个超辐射区和一个放大区，可以根据实际情况增加其数量。
[0031]总之，以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其制作步骤具体如下: 步骤1:在衬底上依次生长缓冲层、η型掺杂的折射率渐变层、η型掺杂的下包层、η型掺杂的下波导层、有源区、P型掺杂的上波导层、P型掺杂的上包层、P型掺杂的折射率渐变层和P型重掺杂接触层，形成外延片； 步骤2:在外延片的P型重掺杂接触层上向下进行刻蚀，刻蚀深度到达P型掺杂的上波导层或η型掺杂的下波导层，制作出凸起漏斗型台面，漏斗型台面的中心线相对于外延片的纵向中心线的夹角为α ;漏斗型台面的锥形张角为β ； 步骤3:在制作出漏斗型台面的外延片的上表面生长绝缘介质膜，然后在绝缘介质膜上进行刻蚀，去掉漏斗型台面中间部分的绝缘介质膜，保留漏斗型台面边缘部分的绝缘介质膜，在漏斗型台面上制作出电极窗口 ； 步骤4:在开有电极窗口的外延片上面制备P型电极； 步骤5:在制备有P型电极的外延片上横向刻蚀两个电隔离区，刻蚀深度到达P型掺杂的折射率渐变层，使漏斗型台面被分割成三个功能区:吸收区、超辐射区和放大区； 步骤6:将外延片的衬底一侧减薄、抛光后制备η型电极，形成芯片； 步骤7:将芯片解离成管芯，装焊封装，完成制备。
2.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中所述有源区为量子点或量子阱。
3.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中漏斗型台面的中心线与外延片的纵向中心线α为3度-10度，漏斗型台面的锥形张角β为3度-10度。
4.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中绝缘介质膜的材料为二氧化硅、氮化硅、氮化铝或金刚石。
5.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中电隔离区的宽度为5-30 μ mo
6.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中吸收区的长度为0.该吸收区上的漏斗型台面的宽度为宽度2-200 μ m。
7.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中超辐射区的长度为0.1-5_，该超辐射区上的漏斗型台面的宽度为2-200 μ m。
8.如权利要求1所述的输出功率和光谱形状独立可调的发光二极管的制作方法，其中放大区的长度为0.l-5mm。
【文档编号】H01L33/24GK103824920SQ201410083290
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】陈红梅, 金鹏, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所