一种超辐射发光二极管及其制作方法与流程

[0001]
本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种超辐射发光二极管及其制作方法。


背景技术：

[0002]
超辐射发光二极管(superluminescent emitting diode, sled or sld)是一种自发辐射的单程放大的光电子器件，具有宽光谱、短相干等特性，应用在很多领域，例如光纤陀螺仪和传感仪。超辐射发光二极管实现宽光谱的方式主要是在量子阱方向上，即在沿外延生长方向有源区的量子阱采用具有不同能带间隙的材料组成，不同能带间隙的量子阱材料分别实现不同的增益中心波长。但是，这种通过一次外延来生长不同成分量子阱的方式需要多次切换气体流量、气体分压、生长温度，这些参数的变化会增加外延生长的控制难度，而且由于不同成分量子阱之间晶格常数的不一致容易引入额外的缺陷，例如导致二极管的可靠性降低。
[0003]
此外，对于光纤陀螺和传感仪等设备，超辐射发光二极管除了要求功率大以外，还要求光源具有低的偏振消光比。目前多使用张应变材料为量子阱层,以实现较低的偏振，但是以该种方式制成的超辐射发光二极管一旦制成后，有源区的张应变力不可调。


技术实现要素：

[0004]
本发明解决的技术问题是提供一种超辐射发光二极管及其制作方法，解决一次外延生长不同成分的量子阱工艺控制难度高以及超辐射发光二极管光源偏振的问题。
[0005]
本发明提供一种超辐射发光二极管的制作方法，包括以下步骤：在衬底上依次外延生长出下光限制层、第一mqw多量子阱层以及上光限制层；通过刻蚀去掉其中一部分第一mqw多量子阱层，然后在该区域对接生长第二mqw多量子阱层，两多量子阱层所在区域为有源区；两多量子阱层的能带间隙不同；在上光限制层上外延生长包覆层，在包覆层上的中间区域制作出有源区的掩膜图形；通过刻蚀去掉有源区两侧的包覆层、上光限制层、两多量子阱层以及下光限制层，然后在该区域制作出异质结掩埋结构；在有源区两侧的异质结掩埋结构中各刻蚀出一道沟槽，沟槽距离有源区水平方向10-15um，沟槽的深度为3-4um；在沟槽内均设置一定厚度的金属层，金属层的厚度小于等于4000
å
，为有源区引入额外应变；对金属层进行不同温度的热处理，进一步改变有源区应变。
[0006]
进一步地，采用金属蒸发或化学镀金的方式在沟槽内设置金属层。
[0007]
进一步地，在有源区两侧制作出异质结掩埋结构后，在包覆层上生长欧姆接触层。
[0008]
进一步地，该方法还包括步骤：从有源区端部选取一段区域作为光损耗吸收区，腐蚀去掉该段材料上方的欧姆接触层，该段光损耗吸收区波导为弯曲波导。
[0009]
进一步地，异质结掩埋结构为反向pn结结构。
[0010]
进一步地，该方法还包括步骤：在有源区上方制作p面电极，将衬底减薄制作n面电极。
[0011]
进一步地，该方法还包括步骤：解理后在两个端面上均镀膜ar增透膜。
[0012]
本发明还提供一种超辐射发光二极管，包括衬底，衬底上设有脊波导以及异质结掩埋结构；脊波导从下到上依次包括下光限制层、mqw多量子阱层、上光限制层以及包覆层，其中，mqw多量子阱层包括能带间隙不同的第一mqw多量子阱层以及第二mqw多量子阱层；脊波导两侧的异质结掩埋结构中还各设有一道沟槽，沟槽距离有源区水平方向10-15um，沟槽的深度为3-4um；沟槽内均设有一定厚度的金属层，金属层的厚度小于等于4000
å
。
[0013]
本发明的有益效果是：本发明通过采用对接生长的方法，生长两种能带间隙不同的mqw多量子阱作为有源层，可以很好的控制外延生长的质量，不会因为有源层内量子阱之间晶格常数的差异引入额外应变而影响偏振消光比以及二极管的可靠性；通过在有源区两侧设置异质结掩埋结构，除了能将光场限制在掩埋有源区内，还能通过生长反向p/n结减小电流泄露；并且通过在有源区两侧的沟槽内设置金属层，为有源区引入额外的应变，进而调整有源区应力分布，实现te/tm模式匹配，达到降低偏振消光比的效果，获得低偏振的宽谱光源；此外，在有源区沟槽内设置金属层可以更加直接的影响有源区的应变，而且可以通过进一步的热处理方式调整au层与沟槽接触应变从而改变有源区的应变，获得需要的偏振相关效果。
[0014]
进一步地，在本发明中，选择一段与有源区材料相同的材料作为光损耗吸收区，腐蚀去掉该段材料上方的欧姆接触层，可以实现电流隔离，二极管加电工作时正向注入电流不能作用于这一部分，该段光损耗吸收区波导为弯曲波导，可以进一步减小端面造成的反射，从而减小宽光谱的纹波。
附图说明
[0015]
图1为本发明超辐射发光二极管的制作方法流程图；图2为本发明超辐射发光二极管的主视图；图3为本发明超辐射发光二极管的俯视图；图4为本发明超辐射发光二极管的有源区示意图；图5为本发明超辐射发光二极管的侧视图；图6为本发明偏振消光比随au厚度变化图。
[0016]
图中：1-衬底，2-下光限制层，3-有源层，31-第一mqw多量子阱层，32-第二mqw多量子阱层，4-上光限制层，5-包覆层，6-欧姆接触层，7-sio
2
介质层，8-p面电极，9-n面电极，10-有源区掩膜，11-p型inp，12-n型inp。
具体实施方式
[0017]
下面将结合附图对本发明作进一步的说明：本发明通过采用对接生长的方法，生长两种能带间隙不同的mqw多量子阱作为有源层，可以很好的控制外延生长的质量，不会因为有源层内量子阱之间晶格常数的差异引入额外应变而影响偏振消光比以及二极管的可靠性；通过在有源区两侧设置异质结掩埋结构，除了能将光场限制在掩埋有源区内，还能通过生长反向p/n结减小电流泄露；并且通过在有源
区两侧的沟槽内设置金属层，为有源区引入额外的应变，进而调整有源区应力分布，实现te/tm模式匹配，达到降低偏振消光比的效果，获得低偏振的宽谱光源；此外，在有源区沟槽内设置金属层可以更加直接的影响有源区的应变，而且可以通过进一步的热处理方式调整au层与沟槽接触应变从而改变有源区的应变，获得需要的偏振相关效果。
[0018]
本发明实施例的超辐射发光二极管的制作方法，如图1所示，包括以下步骤：s1、在衬底1上依次外延生长出下光限制层2、第一mqw多量子阱层31以及上光限制层4；s2、通过刻蚀去掉其中一部分第一mqw多量子阱层31，然后在该区域对接生长第二mqw多量子阱层32；两多量子阱层所在区域为有源区；两多量子阱层的能带间隙不同；s3、在上光限制层4上外延生长包覆层5，在包覆层5上的中间区域制作出有源区的掩膜图形；s4、通过刻蚀去掉有源区两侧的包覆层5、上光限制层4、两多量子阱层以及下光限制层2，然后在该区域制作出异质结掩埋结构bh；s5、在有源区两侧的异质结掩埋结构中各刻蚀出一道沟槽，沟槽距离有源区水平方向10-15um，沟槽的深度为3-4um；在沟槽内均设置一定厚度的金属层，金属层的厚度小于等于4000
å
，为有源区引入额外应变；s6、对金属层进行不同温度的热处理，进一步改变有源区应变。
[0019]
进一步地，步骤s1具体包括：在n型的inp衬底1上外延生长有源区的下光限制层2后，生长第一mqw多量子阱层31作为有源层，接着生长有源区的上光限制层4。
[0020]
进一步地，步骤s2具体包括：在上述一次外延片的上面生长一层sio
2
作为掩膜，通过普通光刻的方法，在图2和图3所示的第二mqw多量子阱层32的地方制作出对接生长的对接图形，刻蚀掉32处的sio
2
后，选用h
2
so
4
：h
2
o
2
：h
2
o=1：1：20作为腐蚀液，依次局部选择腐蚀去掉一次外延生长的上光限制层4，第一mqw多量子阱层31以及下光限制层2，即图2和图3的左侧区域；腐蚀会停止在n型inp衬底1上。局部选择腐蚀完成后，继续用hbr:h
2
o
2
:h
2
o=1：2：20溶液腐蚀对接区域5s，保证对接区域，即32区域平滑洁净，为后续的第二mqw多量子阱层32的对接生长做准备。待对接生长所需的腐蚀准备完成后，清洗一次外延片表面确保清洁干净后，进行第二mqw多量子阱层32的外延对接生长，由于第一mqw多量子阱层31处的有源区上有sio
2
作为掩膜遮挡，对接生长的外延生长只能发生在第二mqw多量子阱层32的待生长处，调节对接外延生长的生长气体的流量，可以得到能带间隙不同第一mqw多量子阱层31和第二mqw多量子阱层32，实现宽光谱；mqw多量子阱层的成分均为ingaasp，第一mqw多量子阱层31和第二mqw多量子阱层32组成有源层3。
[0021]
目前实现二极管宽光谱的方式主要是在量子阱方向，这种通过一次外延来生长不同成分量子阱的方式会增加外延生长的控制难度，而且由于不同成分量子阱之间晶格常数的不一致容易引入额外的缺陷导致二极管的后续可靠性能存在问题。而本发明在沿波导出光方向通过对接生长引入不同成分的有源区，虽然多了一次外延生长过程，但是可以很好的控制外延生长质量，不会因为有源区内量子阱之间晶格常数的差异引入额外应变从而导致的对偏振消光比的影响以及可靠性能的影响。
[0022]
进一步地，步骤s3具体包括：待对接外延完成后，用hf酸溶液去掉作为掩膜的sio
2
，再次清洗外延片后继续生长后续外延生长需要的存在一定掺杂浓度梯度的inp包覆层5，以此获得二次外延片。对二次外延片清洗完成后，再在上面生长一层sio
2
作为掩膜，通
过普通光刻的方法，如图4所示，把需要留下的有源区上方的sio
2
图形，即有源区掩膜10保留下来；其他区域的掩膜通过光刻，刻蚀的方式去掉。
[0023]
进一步地，步骤s4具体包括：选用br
2
：hbr：h
2
o=1：50：200作为腐蚀液，腐蚀掉bh生长待生长区域，即两侧区域的inp包覆层、上光限制层、有源层、下光限制层，通过控制腐蚀深度的方式获得需要的腐蚀效果，腐蚀一直进行到n型inp衬底为止，保留中间区域的inp包覆层、上光限制层、有源层、下光限制层。腐蚀完成后，继续用hbr:h
2
o
2
:h
2
o=1：2：20溶液腐蚀5s，保证后续bh生长时外延片的洁净。待bh腐蚀完成后，继续bh再生长反向p/n结的inp包覆层，即图5的p型inp11， 和n型inp12。异质结掩埋（bh）结构除了可以在有源区附近生长低折射率的宽带隙材料，将光场限制在掩埋有源区内，还能通过生长反向p/n结减小电流泄露，提高电流利用效率。最后在inp包覆层5上生长一层ingaas欧姆接触层6。待欧姆接触层6生长完成后，在外延片上生长一层sio
2
介质层7作为掩膜层，在需要的发光有源区上做一次普通光刻，将弯曲波导吸收区上方的ingaas欧姆接触层暴露出来，用h
2
so
4
:h
2
o
2
:h
2
o=1：1：10的溶液湿法腐蚀去掉这一部分的ingaas欧姆接触层后，去掉外延片的光刻掩膜。
[0024]
在本发明中，选择一段跟有源区材料相同的材料作为光损耗吸收区，这一段材料上方的ingaas欧姆接触层被腐蚀掉后，二极管加电工作时正向注入电流不能作用这一部分，这一段光损耗吸收区波导设计为弯曲波导的形式可以进一步减小端面造成的反射，从而减小宽光谱的纹波。
[0025]
进一步地，步骤s5具体包括：生长一层sio
2
掩膜，通过光刻，刻蚀的方法，在有源区附近做出两道沟槽光刻图形，用hbr:h
2
o
2
:h
2
o=1：2：20的溶液腐蚀出两道靠近有源区的沟槽，如图5所示，选择这个位置是为了在不影响电流注入以及有源区光场的情况下实现有源区应变的调节。之后在有源区附近的沟槽里面蒸镀不同厚度的金属层，通过金属层对有源区应变的影响来进一步调整二极管的te/tm分布，得到低偏振消光比的效果。
[0026]
对于需要低偏振的发光二极管来说，实现光的低偏振需要te/tm匹配相当，在有源区内引入张应变的量子阱可以使得价带中的轻空穴带移至重空穴带之上。当电流注入时，电子与空穴复合产生的光子分为两种，一种是电子与轻空穴复合产生的tm偏振模式的光子，另外一种是电子与重空穴复合产生的te偏振模式的光子。所以对于低偏振的发光二极管一般采取的是引入张应变从而获得tm模式的光子与te模式的光子匹配从而实现低偏的效果。然而在有源区量子阱的外延生长中，经常会遇到外延生长有源区应变量不匹配的现象，对于这种低偏振的二极管来说对于有源区的应变量很敏感，因此提出一种能够额外调节应变量的方法来实现te/tm模式匹配很有必要。
[0027]
在本发明中，有源区被反向p/n结包裹，有很好的电流以及光场限制，因此可以在有源区附近挖出两个沟槽，沟槽一般选取在有源区水平方向附近10-15um，沟槽深度为3-4um，其中，选择水平方向10-15um是为了使沟槽部分不影响bh光场光斑，避免引入额外的损耗。一般情况下，bh掩埋部分深度在2um左右，加上后续工艺需要的掩膜以及金属电极层1-2um，选择在3-4um的深度是为了使沟槽内的金属层更好的影响有源区。在有源区附近制作出的沟槽是为了方便后续通过金属蒸发或者化学镀金的方式在沟槽内制备一层金属，例如金。通过引入金层带来的额外应变进一步影响有源区的应力分布，使得tm模式增益与te模式匹配。图6是不同au层厚度对最终偏振消光比的影响。一般2500
ꢀå
（250nm）左右厚度的au可以改变0.6-0.8db的偏振消光比，在0-4000
ꢀå
的厚度范围内对偏振消光比的影响存在正
相关的影响，au层厚度不宜过厚，会影响后续解理端面形貌。
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进一步地，步骤s6具体包括：对金属层进行不同温度的热处理，进一步改变有源区应变。相比较于在最外层生长不同厚度的sio
2
介质膜来影响有源区的应变来讲，在有源区沟槽内通过化学镀金的方式生长的au金属层可以更加直接的影响有源区的应变，而且可以通过进一步的热处理方式调整au层与沟槽接触应变从而改变有源区的应变，获得需要的偏振相关效果。
[0029]
最后在有源区上方制作p面电极，将衬底减薄制作n面电极。具体过程为：将第一mqw多量子阱层31和第二mqw多量子阱层32处的ingaas做上p面电极8，将整个外延片减薄后做n面电极9，解理后在两个端面上均镀膜ar增透膜。将镀膜完成的条解理单管后就可以进行后续的封装测试。在工作状态时，在mqw有源区电极上加正向偏压，有源区的光增益经过单程增益后，就能在有源区端ar增透膜端光功率输出。
[0030]
本发明实施例的超辐射发光二极管，包括衬底，衬底上设有脊波导以及异质结掩埋结构；脊波导从下到上依次包括下光限制层、mqw多量子阱层、上光限制层以及包覆层，其中，mqw多量子阱层包括能带间隙不同的第一mqw多量子阱层以及第二mqw多量子阱层；脊波导两侧的异质结掩埋结构中还各设有一道沟槽，沟槽距离有源区水平方向10-15um，沟槽的深度为3-4um；沟槽内均设有一定厚度的金属层，金属层的厚度小于等于4000
å
。
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本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。