專利名稱：高耦合效率的超輻射發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)發(fā)光管，特別為涉及一種高耦合效率的超輻射發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管是一種自發(fā)輻射的單程光放大器件，其光學(xué)性能介于激光器和發(fā)光二極管之間。由于半導(dǎo)體超輻射發(fā)光管具有寬光譜帶寬、光譜調(diào)制深度低、高功率等特性，在光纖陀螺、光纖通信、傳感器等領(lǐng)域有廣泛的用途。近年來已經(jīng)研制出的器件結(jié)構(gòu)種類很多。但這些器件都是側(cè)重于抑制器件的反饋或拓寬器件的光譜帶寬。然而，普通結(jié)構(gòu)的超輻射發(fā)光管的模場(chǎng)分布和光纖的模場(chǎng)極不匹配，因此耦合效率較低，這大大阻礙了器件性能的進(jìn)一步提高。使得半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管很難同時(shí)滿足大功率、低調(diào)制深度、寬光譜帶寬的要求。
為解決這一問題，提出了不同的解決方法。美國(guó)專利5720893和6052397都通過集成錐形波導(dǎo)來優(yōu)化器件的模場(chǎng)分布來提高器件和光纖耦合效率。但美國(guó)專利6052397方法需多次外延生長(zhǎng)及光刻過程，工藝復(fù)雜，成品率低。而美國(guó)專利5720893則需要兩次光刻腐蝕工藝來獲得尖錐的錐形波導(dǎo)，這對(duì)器件的制作工藝的要求很高，也降低了成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，而提供一種超輻射發(fā)光二極管，通過集成一個(gè)錐形波導(dǎo)將超輻射發(fā)光管的模場(chǎng)圓化，使之和光纖模場(chǎng)相匹配，從而大大提高器件的耦合效率。
本實(shí)用新型技術(shù)方案為一種超輻射發(fā)光二極管，它由半導(dǎo)體襯底100上依次外延生長(zhǎng)多層半導(dǎo)體材料，順次包括緩沖層101、隔離層102、臺(tái)面波導(dǎo)層103、有源層104、上波導(dǎo)層105、電極接觸層106和電流注入條區(qū)，襯底下表面有金屬電極109，在電流注入條區(qū)上面有上電極108，器件的特征在于在上波導(dǎo)層105中集成了錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該錐形波導(dǎo)由條形區(qū)110和錐形區(qū)111構(gòu)成，其中錐形區(qū)的錐尖寬度為0.2～1μm。
這種結(jié)構(gòu)的超輻射發(fā)光二極管的具體制作過程為，在半導(dǎo)體襯底100上順次生長(zhǎng)緩沖層101、隔離層102、臺(tái)面波導(dǎo)層103、有源層104、上波導(dǎo)層105、電極接觸106，其中有源層可以由一層或多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)成；該器件的外延片結(jié)構(gòu)可以通過MOCVD或MBE技術(shù)一次獲得，然后利用光刻、腐蝕方法分兩次刻出臺(tái)面波導(dǎo)和錐形的上波導(dǎo)，腐蝕過程中可采用腐蝕阻擋層對(duì)臺(tái)面深度進(jìn)行精確控制；然后在器件表面沉積生長(zhǎng)SiO2或SiNx等介質(zhì)膜107；然后通過光刻方法套刻出電極窗口；然后采用蒸發(fā)或?yàn)R射等方法制作上電極108；將襯底減薄，并制作下金屬電極109。
為了減小發(fā)光二極管端面的反射，抑制器件激射，通常在兩出光端面鍍?cè)鐾改ぁ?br> 本實(shí)用新型另一改進(jìn)，為抑制發(fā)光二極管產(chǎn)生激射，采用波導(dǎo)方向和出光端面方向設(shè)計(jì)成θ角的結(jié)構(gòu)，θ角可在0°～10°之間選擇。
本實(shí)用新型另一改進(jìn)，為拓寬發(fā)光二極管的光譜范圍，在有源層中采用多段不同自發(fā)輻射光譜波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型另一改進(jìn)，為抑制發(fā)光二極管產(chǎn)生激射可采用由腐蝕或用光刻剝離技術(shù)去掉部分P型電極形成吸收區(qū)。
本實(shí)用新型的特征在于該發(fā)光二極管集成了錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，連續(xù)地改變波導(dǎo)的有效折射率，使之產(chǎn)生錐形的分布，從而擴(kuò)展模場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)圓化，從而大大提高了與光纖耦合效率。在本實(shí)用新型中，錐形波導(dǎo)的尖端寬度為0.2～1μm，因此大大減小了制作工藝的難度，只通過一次光刻就可以獲得所需的錐形波導(dǎo)。工藝簡(jiǎn)單，有利于提高成品率。適用于多種材料體系，如InGaAsP/InP系材料、AlGaInAs/InP系材料及AlGaAs/GaAs等材料體系。


圖1為本實(shí)用新型的一種超輻射發(fā)光管三維結(jié)構(gòu)圖。
圖2為波長(zhǎng)為1.3μm超輻射發(fā)光二極管具體結(jié)構(gòu)圖。
圖3為超輻射發(fā)光二極管的俯視圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
下面以波長(zhǎng)為1.3μm超輻射發(fā)光管為例來說明器件具體結(jié)構(gòu)。如圖2所示，器件在InP襯底201上獲得。由n型的InP緩沖層202、n型的InGaAsP隔離層203、n型的InGaAsP臺(tái)面波導(dǎo)層204、InGaAsP有源層205、p型的InGaAsP上波導(dǎo)層206和高摻雜的P型InGaAs接觸層207構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的超輻射發(fā)光二極管的具體制作過程為，在半導(dǎo)體襯底上順次生長(zhǎng)緩沖層、隔離層、臺(tái)面波導(dǎo)層、有源層、上波導(dǎo)層、電極接觸，其中有源層可以由一層或多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)成；該器件的外延片結(jié)構(gòu)可以通過MOCVD或MBE技術(shù)一次獲得，然后利用光刻、腐蝕方法分兩次刻出臺(tái)面波導(dǎo)和錐形的上波導(dǎo)，腐蝕過程中可采用腐蝕阻擋層對(duì)臺(tái)面深度進(jìn)行精確控制；然后在器件表面沉積生長(zhǎng)SiO2或SiNx等介質(zhì)膜208；然后通過光刻方法套刻出電極窗口；然后采用蒸發(fā)或?yàn)R射等方法制作上電極209；將襯底減薄，并制作下金屬電極210。為了減小端面的反射，抑制器件激射，通常還需在兩出光端面鍍?cè)鐾改?。其中臺(tái)面波導(dǎo)的寬度為10μm、錐形波導(dǎo)的條形區(qū)的寬度為2μm、錐尖寬度為0.7μm。這很大程度上減少了器件制作工藝的復(fù)雜性。通過對(duì)器件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以將器件的模場(chǎng)分布圓化，如圖二所示，和脊寬度2μm的普通脊波導(dǎo)器件的模場(chǎng)分布相比，采用錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的器件的模場(chǎng)更為圓對(duì)稱，因此和普通結(jié)構(gòu)的SLED器件相比耦合效率有很大的提高。所以本實(shí)用新型可以大大提高了器件的發(fā)光效率。有很強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求1.一種超輻射發(fā)光二極管，它由半導(dǎo)體襯底(100)上依次外延生長(zhǎng)多層半導(dǎo)體材料，順次包括緩沖層(101)、隔離層(102)、臺(tái)面波導(dǎo)層(103)、有源層(104)、上波導(dǎo)層(105)、電極接觸層(106)和電流注入?yún)^(qū)，襯底下表面有金屬電極(109)，在電流注入?yún)^(qū)上面有上電極(108)，其特征在于在上波導(dǎo)層(105)中集成了錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該錐形波導(dǎo)由條形區(qū)(110)和錐形區(qū)(111)構(gòu)成，其中錐形區(qū)的錐尖寬度為0.2～1μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超輻射發(fā)光二極管，其特征在于在發(fā)光二極管的兩出光端面鍍?cè)鐾改ぁ?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超輻射發(fā)光二極管，其特征在于在波導(dǎo)方向和出光端面方向成θ角，θ角的范圍在0°～10°。
專利摘要本實(shí)用新型為一種高耦合效率的超輻射發(fā)光二極管，它由半導(dǎo)體襯底100上依次外延生長(zhǎng)多層半導(dǎo)體材料，順次包括緩沖層101、隔離層102、臺(tái)面波導(dǎo)層103、有源層104、上波導(dǎo)層105、電極接觸層106和電流注入條區(qū)，襯底下表面有金屬電極109，在電流注入條區(qū)上面有上電極108，該發(fā)光二極管集成了錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，連續(xù)地改變波導(dǎo)的有效折射率，使之產(chǎn)生錐形的分布，從而擴(kuò)展模場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)圓化，同時(shí)發(fā)光管的前后出光端面鍍?cè)鐾改硪种破骷ど?。此結(jié)構(gòu)的超輻射發(fā)光二極管大大提高了與光纖耦合效率。適合于制作大功率的超輻射發(fā)光二極管。
文檔編號(hào)H01L33/00GK2646872SQ0325413
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者張瑞康, 王正選, 劉濤, 黃曉東 申請(qǐng)人:武漢光迅科技有限責(zé)任公司