專利名稱：量子阱混合超輻射發(fā)光管及其制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種半導體發(fā)光器件及其制作方法，特別是涉及一種應用量子阱混合技術(shù)制作的超輻射發(fā)光器件及該發(fā)光器件的制作方法。
背景技術(shù)：
超輻射光是由自發(fā)發(fā)射的光子在增益介質(zhì)中傳播經(jīng)歷了受激放大過程而得到的，我們把放大了的自發(fā)發(fā)射稱為超輻射。半導體超輻射光源由于具有寬光譜、高功率、相干長度短、低噪聲和較小的發(fā)散角等特點在很多領域如光纖陀螺(FOG)、光時域反射儀(OTDR)、局域網(wǎng)(LAN)、光學相干層析成像技術(shù)、光波分復用(WDM)系統(tǒng)、光信息處理技術(shù)等領域，得到了廣泛的應用。超輻射光源的輸出光譜的譜寬越寬，其相干長度就越短，則可以使應用系統(tǒng)的性能得到更大的提高。另外隨著光波分復用領域中“光譜分割”技術(shù)的發(fā)展，對寬譜光源性能要求也不斷提高，即對其功率指標有較高要求的同時，也希望其光譜寬度越寬越好，以覆蓋更大的光譜范圍來提供更多的傳輸信道。為此，提高光譜寬度成為超輻射器件研究的目標之一。
量子阱混合技術(shù)是一種改變晶體生長后的半導體材料禁帶寬度的方法，通常有二氧化硅覆蓋增強退火和離子注入增強退火兩種方法。通過在材料選定的區(qū)域進行量子阱混合，會使得量子阱材料中阱和壘的材料相互擴散，形成新的半導體混合物，而作為有源層的半導體量子阱材料的禁帶寬度、折射率等也隨之改變。這樣，可以使得一次外延生長的半導體量子阱材料的不同區(qū)域有著不同的特性。這種技術(shù)對于光子集成器件和光電集成器件來說都是非常有用的，如半導體激光器和探測器或電光調(diào)制器的集成器件，只需要一次外延生長就可以完成集成器件的材料生長，而對激光器、探測器或電光調(diào)制器的不同區(qū)域進行量子阱混合，以得到各自器件所需的禁帶寬度和折射率等材料特性。從而可以簡化器件的制作過程，提高器件的可靠性。
現(xiàn)有的較好的長波長半導體超輻射發(fā)光管從下向上主要由以下幾部分構(gòu)成下電極、n-InP襯底、n-InP緩沖層、n-InGaAsP分別限制層、InGaAsP多量子阱有源層、p-InGaAsP分別限制層、p-InP蓋層、p-InGaAs蓋層、SiO2電流隔離層、上電極。為了增加器件的發(fā)光光譜寬度，目前主要的方法是改變InGaAsP多量子阱有源層的結(jié)構(gòu)，如疊加不同發(fā)光中心波長有源層，級聯(lián)各種不同中心波長有源層，選擇區(qū)域外延技術(shù)生長漸變厚度的量子阱有源區(qū)，采用不同阱寬雙量子阱結(jié)構(gòu)等，這些方法都使生長量子阱有源層的外延工藝增加了難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用量子阱混合技術(shù)制作超輻射發(fā)光器件的有源層，從而提供一種寬光譜的超輻射發(fā)光管及制作工藝得到簡化的該發(fā)光管的制備方法。
本發(fā)明所設計的量子阱混合超輻射發(fā)光管的結(jié)構(gòu)見附圖1和圖2，由下電極1、n-InP襯底2、n-InP緩沖層3、n-InGaAsP分別限制層4、InGaAsP多量子阱有源層5、p-InGaAsP分別限制層6、p-InP蓋層7、p-InGaAs蓋層8、SiO2電流隔離層9、上電極10構(gòu)成，其特點是InGaAsP多量子阱有源層5由量子阱混合區(qū)域11和非混合區(qū)域12兩部分構(gòu)成，有源層可以是兩區(qū)式結(jié)構(gòu)也可以是多區(qū)式交替結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明通過量子阱混合的方法，使InGaAsP多量子阱有源層5的一部分發(fā)生量子阱混合，而另一部分不讓其混合。量子阱混合后有源層發(fā)光的中心波長會向短波長方向漂移，漂移的大小依據(jù)量子阱混合的工藝條件不同而不同。這樣，當超輻射器件工作時，有源層是由量子阱混合區(qū)和非混合區(qū)兩種發(fā)光中心波長的區(qū)域同時工作，相當于是兩個不同中心波長的普通的超輻射發(fā)光管同時工作，因此該器件的發(fā)光譜寬度會比已有的普通超輻射發(fā)光管寬很多。通過調(diào)整器件InGaAsP多量子阱有源層5的量子阱混合區(qū)域和非混合區(qū)域的長度之比，或者通過采用兩個電極分別對兩區(qū)域進行電泵浦，可以使得器件的發(fā)光譜相對較為平坦。
我們的試驗結(jié)果也證明了這一發(fā)明的效果，圖5為量子阱混合超輻射發(fā)光管和普通超輻射發(fā)光管的光譜對比圖，其中圖5(a)為普通超輻射發(fā)光管的光譜，圖5(b)為量子阱混合超輻射發(fā)光管光譜。從圖所示譜線可以看出，普通超輻射發(fā)光管的光譜半高寬僅25nm左右，而量子阱混合超輻射發(fā)光管光譜半高寬增加到40nm以上。


圖1量子阱混合超輻射發(fā)光管端面圖；圖2兩區(qū)式量子阱混合超輻射發(fā)光管俯視圖；圖3多區(qū)式量子阱混合超輻射發(fā)光管俯視圖；圖4兩區(qū)分別泵浦式量子阱混合超輻射發(fā)光管俯視圖；圖5(a)普通超輻射發(fā)光管的光譜圖；圖5(b)兩區(qū)式量子阱混合超輻射發(fā)光管光譜圖。
圖1中各部分為，下電極1、n-InP襯底2、n-InP緩沖層3、n-InGaAsP分別限制層4、InGaAsP多量子阱有源層5、p-InGaAsP分別限制層6、p-InP蓋層7、p-InGaAs蓋層8、SiO2電流隔離層9、上電極10。
圖2、圖3和圖4中11為量子阱混合區(qū)，12為量子阱非混合區(qū)，13為器件的電注入窗口；圖4中部件14為兩泵浦區(qū)中間的電極隔離條區(qū)。
具體實施例方式
實施例1二氧化硅覆蓋增強退火型量子阱混合超輻射發(fā)光管這種超輻射發(fā)光管結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。制作工藝簡述如下選用n-InP做為襯底2，在InP襯底2上用有機金屬化學氣相外延(MOVPE)方法順次生長n-InP緩沖層3、n-InGaAsP分別限制層4、InGaAsP多量子阱有源層5、p-InGaAsP分別限制層6、p-InP蓋層7、p-InGaAs蓋層8。然后用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)等方法在外延片需要進行量子阱混合的區(qū)域上覆蓋一層約200nm厚的二氧化硅，然后在氮氣保護的情況下，用合金爐在700度進行30秒的退火。由量子阱混合技術(shù)，在二氧化硅覆蓋的區(qū)域，InGaAsP多量子阱層5就形成了量子阱混合。退火完成后，用化學腐蝕的方法，把外延片表面的二氧化硅腐蝕清洗掉。再用PECVD等方法在外延片表面生長一層二氧化硅電隔離層9，用于電隔離。之后用光刻和化學腐蝕的方法把選定區(qū)域的二氧化硅的腐蝕掉，形成電注入窗口13。然后在外延片上表面濺射一層Ti-Pt-Au作為上電極10。最后減薄，蒸下電極1并合金退火。在進行選擇區(qū)域二氧化硅覆蓋退火時，適當?shù)恼{(diào)整有二氧化硅和無二氧化硅覆蓋區(qū)域的長度之比，可使得器件的發(fā)光譜較為平坦，有二氧化硅和無二氧化硅覆蓋的區(qū)域，即量子阱混合區(qū)和非量子阱混合區(qū)可以是如圖2所示的兩區(qū)式，也可以是如圖3所示的多區(qū)式交替結(jié)構(gòu)。
實施例2二氧化硅覆蓋增強退火兩區(qū)分別泵浦式量子阱混合超輻射發(fā)光管這種器件結(jié)構(gòu)如圖4所示，工藝過程和二氧化硅覆蓋增加退火型量子阱混合超輻射發(fā)光管一樣，不同之處在于在濺射上電極10之前，先用光刻的方法在量子阱混合區(qū)和非量子阱混合區(qū)域的交界處做寬20～100μm的一光刻膠條，然后濺射上電極。再用光刻膠剝離工藝(Lift-off)方法的把這一光刻膠條去掉，形成量子阱混合和非量子阱混合兩個泵浦區(qū)中間的電極隔離條區(qū)14，使上電極分開。之后再減薄、蒸發(fā)下電極1和合金退火。這樣就可以靠兩區(qū)不同的注入電流來調(diào)節(jié)發(fā)光光譜的平坦度。
實施例3離子注入增強退火型量子阱混合超輻射發(fā)光管這種器件的工藝過程是在生長完InGaAsP多量子阱層5后，生長一層0.5～2μm厚的本征InP，然后用光刻的方法在不需要進行量子阱混合的區(qū)域覆蓋上一層厚2～6μm厚的光刻膠，然后進行離子注入。注入后，把光刻膠去掉，然后退火(退火時間與實施例1大體相同)。由于離子的注入和退火，使InGaAsP多量子阱層沒有覆蓋光刻膠的區(qū)域形成量子阱混合，其余覆蓋光刻膠的區(qū)域沒有形成量子阱混合。之后把頂層的本征InP層用化學腐蝕的方法去掉，然后再生長p-InGaAsP分別限制層6、p-InP蓋層7、p-InGaAs蓋層8，完成外延片的制備。再在外延片上面用PECVD方法生長二氧化硅電隔離層9，光刻腐蝕出電注入窗口13，接著濺射上電極10，減薄，蒸發(fā)下電極1并合金退火。
權(quán)利要求
1.一種半導體超輻射發(fā)光管，順次由下電極(1)、n-InP襯底(2)、n-InP緩沖層(3)、n-InGaAsP分別限制層(4)、InGaAsP多量子阱有源層(5)、p-InGaAsP分別限制層(6)、p-InP蓋層(7)、p-InGaAs蓋層(8)、SiO2電流隔離層(9)、上電極(10)構(gòu)成，其特征在于InGaAsP多量子阱有源層(5)由量子阱混合區(qū)域(11)和非量子阱混合區(qū)域(12)兩部分構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體超輻射發(fā)光管，其特征在于量子阱混合區(qū)(11)和非量子阱混合區(qū)(12)的上電極(10)是分開的，與下電極(1)形成兩個泵浦區(qū)，中間有電極隔離條區(qū)(14)。
3.如權(quán)利要求1所述的半導體超輻射發(fā)光管，其特征在于量子阱混合區(qū)域(11)和非量子阱混合區(qū)域(12)可以是兩區(qū)式結(jié)構(gòu)也可以是多區(qū)式交替結(jié)構(gòu)。
4.一種制備權(quán)利要求1或3所述的半導體超輻射發(fā)光管的方法，其步驟為a、選用n-InP做為襯底(2)，在InP襯底(2)上順次外延生長n-InP緩沖層(3)、n-InGaAsP分別限制層(4)、InGaAsP多量子阱有源層(5)、p-InGaAsP分別限制層(6)、p-InP蓋層(7)、p-InGaAs蓋層(8)；b、在外延片需要進行量子阱混合的區(qū)域上覆蓋一層約200nm厚的二氧化硅，然后在氮氣保護的情況下，在700度進行30秒的退火，退火完成后，把外延片表面的二氧化硅腐蝕清洗掉；c、在外延片表面再生長一層二氧化硅(9)，然后把選定區(qū)域的二氧化硅腐蝕掉形成電注入窗口(13)；d、最后在外延片上表面濺射一層Ti-Pt-Au作為上電極(10)，減薄，蒸下電極(1)并合金退火。
5.一種制備權(quán)利要求2所述的半導體超輻射發(fā)光管的方法，其步驟為a、選用n-InP做為襯底(2)，在InP襯底(2)上順次外延生長n-InP緩沖層(3)、n-InGaAsP分別限制層(4)、InGaAsP多量子阱有源層(5)、p-InGaAsP分別限制層(6)、p-InP蓋層(7)、p-InGaAs蓋層(8)；b、在外延片需要進行量子阱混合的區(qū)域上覆蓋一層約200nm厚的二氧化硅，然后在氮氣保護的情況下，在700度進行30秒的退火，退火完成后，把外延片表面的二氧化硅腐蝕清洗掉；c、在外延片表面再生長一層二氧化硅(9)，然后把選定區(qū)域的二氧化硅腐蝕掉形成電注入窗口(13)；d、在量子阱混合區(qū)和非量子阱混合區(qū)域的交界處做20～100μm寬的電隔離條(14)，然后再濺射上電極，之后減薄、蒸發(fā)下電極(1)并合金退火。
6.一種制備權(quán)利要求1或3所述的半導體超輻射發(fā)光管的方法，其步驟為a、選用n-InP做為襯底(2)，在InP襯底(2)上順次外延生長n-InP緩沖層(3)、n-InGaAsP分別限制層(4)、InGaAsP多量子阱有源層(5)；b、在有源層上生長一層厚0.5～2μm的本征InP，在不需要進行量子阱混合的區(qū)域覆蓋上一層厚2～6μm的光刻膠，進行離子注入，注入后把光刻膠去掉，然后退火30秒左右，之后把本征InP層用化學腐蝕的方法去掉；c、再順次生長p-InGaAsP分別限制層(6)、p-InP蓋層(7)、p-InGaAs蓋層(8)；d、在外延片表面再生長一層二氧化硅(9)，然后把選定區(qū)域的二氧化硅腐蝕掉形成電注入窗口(13)；e、最后在外延片上表面濺射一層Ti-Pt-Au作為上電極(10)，減薄，蒸下電極(1)并合金退火。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應用量子阱混合技術(shù)制作的超輻射發(fā)光器件及該發(fā)光器件的制作方法。超輻射發(fā)光器件順次由下電極、n－InP襯底、n－InP緩沖層、n－InGaAsP分別限制層、InGaAsP多量子阱有源層、p－InGaAsP分別限制層、p－InP蓋層、p－InGaAs蓋層、SiO
文檔編號H01S5/00GK1450695SQ0311155
公開日2003年10月22日 申請日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者許呈棟, 杜國同 申請人:吉林大學