一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片及制备方法与流程

1.本发明涉及超辐射发光二极管技术领域，尤其是涉及一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片及制备方法。


背景技术：

2.超辐射发光二极管光源是同时集ld和led优点的半导体超辐射发光二极管，具有高亮度、宽光谱、短相干性、低强度噪声和高效率等优点，被广泛应用于全固态光纤陀螺仪、光通信、光信息处理、生物医学光相干测试技术等光传感和光通信领域，具有广阔的军民应用前景。由于超辐射发光二极管芯片在长期使用过程中输出光功率存在缓慢衰减的现象，需要对其功率进行监测，通常采用输出光闭环反馈技术实时监测光源输出光功率，调节驱动电流以维持恒功率输出，但该方法需要损耗部分光功率且成本高，并且在芯片后部封装探测器芯片的传统方法不满足光源模块小型化的发展要求。因此，产生了对具有集成背光探测器的超辐射发光二极管芯片的需求。
3.现有激光二极管与背光探测器的集成方法是采用rie刻蚀的方法在激光二极管和背光探测器之间形成隔离槽，但是这种方法应用到超辐射发光二极管芯片制备时，会引起芯片后端反射率增强，导致超辐射发光二极管的纹波系数增大，并且通常情况下会在有源区和隔离槽之间增加一定长度的无源吸收区，同时采用倾斜波导结构，但是，由于无源吸收区的引入会导致到达背光探测器的光强减弱，不利于弱光检测。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片及制备方法，以解决现有技术在探测器与超辐射发光二极管芯片在集成时由于隔离槽的引入引起芯片后端反射率增强、导致超辐射发光二极管的纹波系数增大以及不利于弱光检测的问题。
5.为解决上述问题，本发明的第一方面提供一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片，包括衬底以及形成在所述衬底上的外延片，所述外延片的上表面形成有向下贯通所述外延片的隔离槽，所述外延片的上表面对应所述隔离槽的一侧形成有一与所述隔离槽并列设置的脊波导，且在该侧沿脊波导的长度方向依次形成有一有源区和无源吸收区，所述外延片对应所述隔离槽的另一侧且与所述有源区相对的位置处形成有一侧向探测区。
6.进一步的，所述隔离槽向下贯通将外延片隔离形成一超辐射发光二极管和侧向探测器，所述脊波导形成于所述超辐射发光二极管的上表面；
7.所述外延片的上表面形成有p面电极层，所述p面电极层包括一设置在所述超辐射发光二极管上的有源区电极和一设置在所述侧向探测器上的探测区电极，所述有源区电极与所述脊波导连接以形成所述有源区，所述探测区电极设置在所述超辐射发光二极管上对应于所述有源区电极的位置处以形成所述侧向探测区；所述衬底的下表面形成有n面电极层。
8.进一步的，所述脊波导的上表面对应所述有源区电极的位置处形成一与所述有源区电极连接的电流通道。
9.进一步的，所述外延片至少包括从下至上依次层叠设置的缓冲层、扩展波导层、间隔层、过渡层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、第一上限制层、第二上限值层、腐蚀终止层、第三上限制层、平滑层以及接触层。
10.进一步的，所述接触层、平滑层、第三上限制层和腐蚀终止层沿脊波导的长度方向形成有并列设置的第一腐蚀沟槽和第二腐蚀沟槽，所述第一腐蚀沟槽和第二腐蚀沟槽之间的外延片区域形成所述脊波导。
11.进一步的，所述隔离槽内从下至上依次层叠生长有形成一导光通道的第一非掺杂二元材料层、非掺杂四元材料导光层以及第二非掺杂二元材料层，所述有源区产生的侧向光沿导光通道向侧向探测区传播以被所述侧向探测区吸收。
12.进一步的，所述非掺杂四元材料导光层的厚度大于或等于所述有源层的厚度，且当所述第一非掺杂二元材料层和非掺杂四元材料导光层层叠生长完成后，所述非掺杂四元材料导光层的侧面完全覆盖对应侧有源层的侧面。
13.进一步的，所述外延片的两端面均形成有增透膜。
14.进一步的，所述隔离槽的宽度为3-50μm，所述隔离槽与脊波导的距离为10-100μm。
15.本发明的第二方面提供一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片的制备方法，包括以下步骤：
16.s100：提供一衬底，并在所述衬底上生长外延片，所述外延片包括从下至上依次层叠生长的缓冲层、扩展波导层、间隔层、过渡层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、第一上限制层、第二上限值层、腐蚀终止层、第三上限制层、平滑层以及接触层。
17.s200：在所述外延片的表面光刻出预设形状的脊波导图形，并在脊波导的两侧向下刻蚀至腐蚀终止层，形成第一腐蚀沟槽、第二腐蚀沟槽以及位于第一腐蚀沟槽和第二腐蚀沟槽之间的脊波导；
18.s300：基于步骤s200得到的外延片，在所述外延片上光刻出隔离槽图形，并向下刻蚀至衬底层，得到与脊波导并列排布的隔离槽；
19.s400：在所述隔离槽内依次层叠生长第一非掺杂二元材料层、非掺杂四元材料导光层以及第二非掺杂二元材料层；
20.s500：基于步骤s400得到的外延片，在所述外延片上对应所述脊波导的位置处光刻出电流通道图形并刻蚀出电流通道；
21.s600：基于步骤s500得到的外延片，在所述外延片上对应隔离槽的两侧分别光刻出有源区电极图形和探测区电极图形，并溅射p面电极金属，剥离、合金处理后形成具有有源区电极和探测区电极的p面电极层；以及在衬底的下表面溅射n面电极金属，合金后形成n面电极层；
22.s700：基于步骤s600得到的外延片，对所述外延片进行解理形成一具有两个相对设置的镜面端的bar条，并两个所述镜面端蒸镀增透膜，将所述bar条再次解理形成单芯片，得到集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片。
23.本方案通过设置隔离槽实现侧向探测器与超辐射发光二极管之间的电隔离，使侧向探测器与超辐射发光二极管可集成于同一芯片上，并且在超辐射发光二极管的前部和后
部分别设置有源区和无源吸收区，有源区有电流注入，为超辐射发光二极管的发光区，无源吸收区无电流注入，可有效降低芯片后端的发射率、抑制光反馈，进而改善超辐射发光二极管的纹波系数，同时在侧向探测器上对应有源区的位置处设置侧向探测区，由于有源区和无源吸收区与侧向探测区之间通过隔离槽隔开，可有效降低隔离槽置于芯片后端引起的光反馈增强效应，避免超辐射发光二极管的纹波系数增大。另，本方案还通过在隔离槽内生长利于导波的三层波导层，可有效提升侧向探测器探测电流的大小，有利于弱光检测。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.图1为本发明实施例1的一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片的结构示意图。
26.图2为图1的右视图。
27.图3为图1中外延片的结构示意图。
28.图4为图3中a处的放大结构图。
29.图5为本发明实施例1的一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片的制备方法的流程图。
30.图6为图5中步骤s1得到的外延片的结构示意图。
31.图7为图5中步骤s2得到的外延片的结构示意图。
32.图8为图5中步骤s4-s5得到的外延片的结构示意图。
33.图9为采用直条形脊波导结构的超辐射发光二极管芯片的结构示意图。
34.图10为采用弯曲形脊波导结构的超辐射发光二极管芯片的结构示意图。
35.图11为采用扇形吸收区脊波导结构的超辐射发光二极管芯片的结构示意图。
36.说明书附图标记如下：
37.超辐射发光二极管100、侧向探测器200、有源区l1、无源吸收区l2、侧向探测区l3、衬底1、外延片2、缓冲层201、扩展波导层202、间隔层203、过渡层204、下限制层205、下波导层206、有源层207、上波导层208、第一上限制层209、第二上限值层210、腐蚀终止层211、第三上限制层212、平滑层213、接触层214、隔离槽3、脊波导4、p面电极层51、有源区电极511、探测区电极512、n面电极层52、电流通道6、第一腐蚀沟槽71、第二腐蚀沟槽72、第一非掺杂二元材料层81、非掺杂四元材料导光层82、第二非掺杂二元材料层83、增透膜9。
具体实施方式
38.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
39.实施例1
40.如图1所示，为本发明实施例1的一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片的结构示意图。本实施例的集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片包括集成于同一芯片上的一超辐射发光二极管100和一侧向探测器200，具体的，本实施例包括衬底1以及形成在所
述衬底1上的外延片2，所述外延片2的上表面形成有向下贯通所述外延片2的隔离槽3，所述隔离槽3可将外延片2分隔成独立的第一部分和第二部分，所述第一部分用于形成所述超辐射发光二极管100，所述第二部分用于形成所述侧向探测器200。具体的，所述第一部分的外延片2的上表面形成有一与所述隔离槽3并列设置的脊波导4，用于导波，对光波进行限制。在该第一部分沿脊波导4的长度方向依次设有一有源区l1和无源吸收区l2以形成所述超辐射发光二极管100，所述有源区l1位于超辐射发光二极管100的前端，在所述有源区l1内有电流注入，为所述超辐射发光二极管100的发光区，用于产生光信号；所述无源吸收区l2位于所述超辐射发光二极管100的后端，在所述无源吸收区l2无电流注入，可有效降低超辐射发光二极管100后端的反射率，抑制光反馈，进而改善所述超辐射发光二极管100的纹波系数。所述第二部分的外延片2上对应所述有源区l1的位置处设置有一侧向探测区l3以形成所述侧向探测器200，用于探测所述有源区l1产生的光信号，本实施例通过设置隔离槽3，可对所述超辐射发光二极管100和侧向探测器200进行电隔离，使二者可集成于同一芯片上，进而使其在具备超辐射发光二极管100优点的同时又能对其输出功率进行调节，以维持恒功率输出。在本实施例中，综合考虑所述隔离槽3的电隔离效果以及侧向探测器200对于超辐射发光二极管100产生的光信号的探测效果，所述隔离槽3的宽度优选为3-50μm，所述隔离槽3与脊波导4的距离优选为10-100μm。
41.如图2所示，所述外延片2的上表面形成有p面电极层51，所述衬底1的下表面形成有n面电极层52，所述p面电极层51包括一设置在所述超辐射发光二极管100上的有源区电极511和一设置在所述侧向探测器200上的探测区电极512，所述有源区电极511用于为所述超辐射发光二极管100提供电流，所述探测区电极512用于为所述侧向探测器200提供电流。所述有源区电极511与所述脊波导4连接以形成所述有源区l1，所述脊波导4的上表面对应所述有源区电极511的位置处形成一与所述有源区电极511连接的电流通道6，使电流能够通过该电流通道6注入有源区l1，使所述超辐射发光二极管100向外辐射光信号。所述探测区电极512设置在所述超辐射发光二极管100上对应于所述有源区电极511的位置处以形成所述侧向探测区l3，以探测所述超辐射发光二极管100产生的光信号。
42.如图3和图4所示，所述外延片2至少包括从下至上依次层叠设置的缓冲层201、扩展波导层202、间隔层203、过渡层204、下限制层205、下波导层206、有源层207、上波导层208、第一上限制层209、第二上限值层210、腐蚀终止层211、第三上限制层212、平滑层213以及接触层214。其中，所述缓冲层201、扩展波导层202、间隔层203、过渡层204和下限制层205为所述外延片2的n型外延层，所述下波导层206用于提供n型外延层上的光场波导及载流子势垒；所述第一上限制层209、腐蚀终止层211、第二上限制层、平滑层213和接触层214为所述外延片2的p型外延层，所述上波导层208用于提供p型外延层上的光场波导及载流子势垒，所述有源层207由于产生光信号。另，本实施例在n型外延层中生长一层扩展波导层202，使得超辐射发光二极管100中的光场分布向n型外延层扩展，一方面能够降低p型外延层的吸收损耗，提高超辐射发光二极管100的输出光功率，另一方面还能够减小超辐射发光二极管100的垂直发散角，进而提高光纤耦合效率。
43.所述超辐射发光二极管100部分的外延片2的上表面对应所述脊波导4的两侧分别形成有第一腐蚀沟槽71和第二腐蚀沟槽72，具体的，在所述接触层214、平滑层213、第三上限制层212和腐蚀终止层211沿脊波导4的长度方向形成有并列设置的所述第一腐蚀沟槽71
和第二腐蚀沟槽72，所述第一腐蚀沟槽71和第二腐蚀沟槽72之间的外延片2区域形成所述脊波导4。
44.所述隔离槽3内从下至上依次层叠生长有第一非掺杂二元材料层81、非掺杂四元材料导光层82以及第二非掺杂二元材料层83，以在所述隔离槽3内形成一波导区，确保超辐射发光二极管100产生的光信号能够更好地被侧向探测器200吸收，以提高侧向探测器200的弱光监测能力。在本实施例中，所述第一非掺杂二元材料层81和第二非掺杂二元材料层83均采用具有低折射率的材料制成(如inp等)，所述非掺杂四元材料导光层82采用具有高折射率的材料制成(如algainas等)，以将超辐射发光二极管100产生的光限制在所述非掺杂四元材料导光层82中，进而在所述波导区(即隔离槽3内)形成利于光信号传输的导光通道。为进一步增加所述侧向探测器200的弱光监测能力，在本实施例中，所述非掺杂四元材料导光层82的厚度大于或等于所述有源层207的厚度，且当所述第一非掺杂二元材料层81和非掺杂四元材料导光层82层叠生长完成后，所述非掺杂四元材料导光层82的侧面完全覆盖对应侧有源层207的侧面，以使得有源层207产生光能够经过高折射率的非掺杂四元材料导光层82的折射限制在非掺杂四元材料导光层82内，进而使得侧向探测器200能够探测到绝大部分的光信号，有利于弱光探测。
45.在本实施例中，所述外延片2的两端面均形成有增透膜9，有利于增加透光率，从而减弱整个超辐射发光二极管100芯片表面的反射光，抑制f-p振荡激射。
46.本实施例的集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片，通过设置隔离槽3将超辐射发光二极管100和侧向探测器200进行隔离，以实现超辐射发光二极管100与侧向探测器200在同一芯片上的集成，并且将无源吸收区l2和侧向探测区l3分别设置在有源区l1的后侧和对侧，在改善超辐射发光二极管100的纹波系数的同时，还能避免因引入无源吸收区l2导致的侧向探测器200的光信号探测能力减弱的问题。
47.实施例2
48.如图5所示，为本发明实施例2的一种集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片的制备方法的流程图，用以制备实施例1中的集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片。本实施例具体包括以下步骤：
49.s100：提供一衬底1，并在衬底1上生长外延片2。
50.具体的，提供一n-inp衬底1，并在所述inp衬底1上依次生长的n-inp缓冲层201、n-ingaasp扩展波导层202、n-inp间隔层203、n-algainas过渡层204、n-alinas下限制层205、i-algainas下波导层206、algainas有源层207、i-algainas上波导层208、p-alinas第一上限制层209、p-inp第二上限值层210、p-ingaasp腐蚀终止层211、p-inp第三上限制层212、p-ingaasp平滑层213以及p-ingaas接触层214，得到如图6所示的外延片2。
51.s200：在外延片2上形成脊波导4。
52.具体的，基于步骤s100中得到的外延片2，在所述外延片2的上表面沉积一层sio2介质膜，然后对所述外延片2上光刻出预设形状的脊波导4图形，在本实施例中，所述脊波导4图形为倾斜设置于所述外延片2上的倾斜条形脊波导4。然后基于光刻出的脊波导4图形，采用干法刻蚀的方法向下刻蚀sio2介质膜、p-ingaas接触层214和p-ingaasp平滑层213，以及采用湿法腐蚀的方法腐蚀p-inp第三上限制层212，形成如图7所示的第一腐蚀沟槽71、第二腐蚀沟槽72以及位于第一腐蚀沟槽71和第二腐蚀沟槽72之间的脊波导4。
53.s300：在外延片2上形成与脊波导4并排设置的隔离槽3。
54.具体的，基于步骤s200得到的外延片2，在所述外延片2的上表面沉积一层sio2层，并在所述sio2层上光刻出与所述脊波导4并排设置的隔离槽3图形，采用干法刻蚀的方法刻蚀所述sio2层以及采用湿法腐蚀的方法对所述外延片2向下腐蚀至n-inp衬底1，形成如图3所示的与脊波导4并排设置且贯通所述外延片2的隔离槽3。在本实施例中，所述隔离槽3与脊波导4的间隔距离优选为10-100μm，所述隔离槽3的宽度优选为3-50μm。
55.s400：在隔离槽3内形成导光通道。
56.具体的，基于步骤s300得到的外延片2，在所述隔离槽3内依次层叠生长低折射率的第一非掺杂二元材料层81(如非掺杂inp层)、高折射率的非掺杂四元材料导光层82(如非掺杂algainas导光层)以及低折射率的第二非掺杂二元材料层83(如非掺杂inp层)，形成如图8所示的导光通道。
57.s500：在脊波导4上形成电流通道6。
58.具体的，基于步骤s400得到的外延片2，在所述外延片2上的上表面沉积一层sio2绝缘膜21，并采用自对准工艺在所述sio2绝缘膜21上对应所述脊波导4的位置处光刻出电流通道6图形，然后采用湿法腐蚀的方法去除电流通道6图形上的sio2绝缘膜21，形成如图8所示的电流通道6。
59.s600：形成p面电极层51和n面电极层52。
60.具体的，基于步骤s500得到的外延片2，在所述外延片2上对应隔离槽3的两侧分别光刻出有源区电极511图形和探测区电极512图形，并在所述外延片2的上表面对应所述有源区电极511和探测区电极512的位置处溅射p面电极金属，经剥离、合金处理后形成如图2所示的具有有源区电极511和探测区电极512的p面电极层51。
61.对所述n-inp衬底1进行减薄处理，并在减薄后的n-inp衬底1的下表面溅射n面电极金属，经合金处理后如图2所示的形成n面电极层52。
62.s700：镀膜、解理，形成单芯片，得到集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片。
63.基于步骤s600得到的外延片2，对所述外延片2沿其解理面进行解理形成一具有两个相对设置的镜面端的bar条，并所述bar条的两个所述镜面端蒸镀增透膜9，再将蒸镀有增透膜9的bar条再次解理形成单芯片，得到如图1所示的集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片。
64.本实施例的集成侧向探测器的超辐射发光二极管芯片的制备方法不仅适用于本实施例中具有倾斜条形波导结构的超辐射发光二极管100芯片制备，还适用于其他所有脊波导4结构的超辐射发光二极管100芯片的制备，如具有直条形脊波导4a结构的超辐射发光二极管100(如图9所示)、弯曲形脊波导4b机构的超辐射发光二极管100(如图10所示)、具有扇形吸收区脊波导4c结构的超辐射发光二极管100(如图11所示)以及具有以前述四种脊波导4结构为基础衍生出的其他混合型脊波导4结构的超辐射发光二极管100等等，只需在步骤s200中按照需求光刻出对应形状的脊波导4图形即可，制备工艺简单。
65.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。