一种宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管的制作方法

1.本发明涉及一种宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管，属于半导体光电子器件技术领域。


背景技术：

2.超辐射发光二极管是近些年发展起来的一种半导体发光器件，发光特性介于激光器和发光二极管之间，与半导体发光二极管相比，半导体超辐射发光二极管具有较高的功率输出和较窄的发散角；和半导体激光器相比，具有较大的光谱宽度、较好的稳定性、理想的光束方向性和很短的相干长度。光功率大可以提高系统精度和灵敏度，宽光谱可以降低光在光纤中因瑞利散射和克尔效应等引起的相干误差，因此超辐射发光器件是光纤陀螺的理想光源。它的出现和发展很大一部分受到光纤陀螺的驱动，并成为一种重要的光源。目前，超辐射发光二极管还广泛应用于波分复用技术、光学相干层析成像技术和可调谐外腔激光器等。目前主要的应用领域都要求超辐射发光二极管在有较大输出功率的同时存在尽可能大的光谱宽度。
3.目前研制超辐射发光二极管时，主要是在传统激光器结构基础上，通过各种局部结构调整来破坏法布里-珀罗(fabry-perot，f-p)型前后腔面之间的光振荡，进而抑制光激射的发生。虽然被抑制，但f-p腔始终存在，或者说始终有f-p振荡这一种光振荡模式可能存在，电流增加时，光谱宽度则逐渐减小，使得器件输出功率与光谱存在一定的制约关系。当驱动电流增大到一定程度，或抑制部分老化时，器件则发生激射，自发超辐射被激射代替，器件失效。
4.中国专利文献cn109217106a提供了一种采用多周期表面dfb光反馈系统抑制1550nm sld器件f-p激射的方法，该方法主要利用dfb结构加强某些特定波长的光反馈而抑制其他波长的光反馈来加强所需要波长的功率。该方法的缺点是仅靠改进表面结构而没有改进其外延结构，导致其最大输出功率受到明显的制约，当继续加大电流时则导致光谱宽度变窄，超辐射逐渐被激射代替。
5.中国专利文献cn105280763a提供了一种超辐射发光二极管的制作方法及制得的发光二极管，制备方法包括以下步骤：一次外延片的生长步骤、形成脊的步骤、掩埋的步骤、形成p面电极金属的步骤、形成n面电极金属的步骤、解离的步骤，从而制得超辐射发光二极管，所述的一次外延片的生长步骤在inp衬底片上依次生长n型inp缓冲层，ingaasp势垒层，gaas层，inas量子点；重复生长上述的ingaasp势垒层、gaas层、inas量子点，直至生长成多层ingaasp势垒层/gaas层/inas量子点，再生长ingaasp势垒覆盖层；最后生长inp保护层。该专利采用量子点作为发光有源区，该种器件目前输出功率无法做到很大，同时，受外延生长工艺限制，其无法做到批量商业化生产。
6.因此，研发一种具有较大输出功率并且存在尽可能大的光谱宽度的超辐射发光二极管具有重要的意义。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明提供了一种宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管，本发明的超辐射发光二极管在提高器件最大功率的同时有效拓宽其光谱宽度，并有效降低器件产生的废热。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管，包括自下而上依次设置的n面电极、衬底、多个子有源区，所述的相邻两个子有源区间设置有隧道结层；每个子有源区包括自下而上依次设置的n型限制层、n型波导层、量子阱层、p型波导层和p型限制层；其中，最上面子有源区的p型限制层包括本体层，所述本体层上中部设置有凸出于本体层上表面的脊型条；所述的脊型条两侧对称设置有多个平行的光隔离沟槽，所述脊型条上表面设置有p面电极。
10.根据本发明优选的，所述的衬底为gan、gaas或inp衬底材料中的一种。
11.根据本发明优选的，所述子有源区的个数为4-8个。
12.根据本发明优选的，每个子有源区的量子阱层的材料组成不同，使其出射的中心波长不同，进而达到拓宽光谱宽度的目的；相邻两个子有源区的量子阱层出射的中心波长差为10～20nm，自下而上每个子有源区的量子阱层出射的中心波长逐渐减小；而量子阱层材料组分禁带宽度与出射波长的关系在半导体发光器件中已经很成熟，可根据现有技术进行调整。
13.根据本发明，子有源区中量子阱层实现粒子数反转并发出光，波导层实现光传播和载流子限制，限制层实现光限制；所述n型限制层、n型波导层、量子阱层、p型波导层和p型限制层材料以及厚度均为本领域现有技术。
14.根据本发明优选的，所述脊型条的高度小于最上面子有源区的p型限制层的高度；所述的脊型条宽度为3～6μm；所述的脊型条为长条形，采用传统的倾斜结构；所述的脊型条两端分别延伸至发光二极管的出光腔面和非出光腔面；所述脊型条是通过腐蚀最上面子有源区的p型限制层得到的，腐蚀深度小于最上面子有源区的p型限制层的高度。
15.根据本发明优选的，所述的光隔离沟槽完全穿过所有子有源区；所述的光隔离沟槽与脊型条的间距为3-15μm；所述脊型条每侧光隔离沟槽的个数为2-10个，光隔离沟槽在脊型条两侧均匀分布；所述光隔离沟槽的延长线与脊型条的夹角为60-70
°
；所述光隔离沟槽的形状为矩形，长度为10-20μm，宽度为3-5μm；光隔离沟槽的设置可以有效抑制器件在大电流注入条件下构成f-p震荡。
16.根据本发明，所述n面电极以及p面电极工艺以及电极接触层等工艺为常规工艺，为本领域现有技术。
17.根据本发明优选的，所述隧道结层包括自上而下的n型高掺杂隧道结层和p型高掺杂隧道结层；其中，所述n型高掺杂隧道结层与上层子有源区的n型限制层接触，p型高掺杂隧道结层与下层子有源区的p型限制层接触；所述的n型高掺杂隧道结层的材料为zn原子掺杂的al
0.50
in
0.50
as材料，掺杂浓度为3
×
10
19
个原子/cm3；所述的p型高掺杂隧道结层的材料为si原子掺杂的al
0.50
in
0.50
as，掺杂浓度为1
×
10
18
个原子/cm3。
18.根据本发明优选的，所述超辐射发光二极管除去脊型条区域外，其余位置进行离子注入以实现高电阻；注入离子为氢离子、氦离子或氧离子。
19.根据本发明，上述宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管的制备，在半导体衬底上生长外延层的工艺为mocvd或mbe，均为本领域现有技术。
20.本发明根据量子级联隧道结原理，通过反向偏置的半导体隧道结将多个子有源区级联起来，从n型电极注入的一个电子在第一有源区中掉入价带辐射复合并发射一个光子，之后，掉入价带的电子隧穿通过反向偏置的隧道结后在第二个有源区又发射一个光子。因此，与常规超辐射发光二极管相比，相同注入电流条件下，功率会成有源区数量倍数的增长。同时，根据量子阱材料组分禁带宽度与出射波长的对应关系，设计多组不同材料组分的量子阱结构实现出射多个波长以达到有效拓宽器件的光谱宽度的目的，并且本发明的超辐射发光二极管可有效提高其最大输出功率，降低因器件本身体电阻产生的废热，同时降低因废热引起的中心波长漂移，提高器件在实际应用中的精确度和寿命。
21.本发明的技术特点及有益效果如下：
22.1、本发明的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管，该方法通过采用量子级联隧道结外延结构，同时将每个有源区的量子阱材料组分进行调整，使得每个量子阱的材料组份不同，从而导致每个有源区出射的中心波长不同，进而达到拓宽超辐射发光二极管光谱宽度的目的；同时反向偏置的半导体隧道结层将多个有源区级联起来，注入的载流子在第一个有源区复合发光后，经隧道结得到再生，能够在第二个有源区复合发光。注入的一个载流子能够进行两次发光，使得在同等注入电流条件下光输出功率约是普通半导体激光器的两倍。依此类推，若有n个隧道结可以级联n 1个有源区，就会使器件量子效率大大提高。因此，与常规超辐射发光二极管相比，相同注入电流条件下，功率会成有源区数量倍数的增长，大大提高了发光二极管的输出功率。
23.2、本发明的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管在提高功率的同时电流不会升高，因此有效降低了超辐射发光二极管产生的废热，同时，采用离子注入的方式进行电流限制，无需在p面制备绝缘层进行电隔离，无绝缘层会提升器件的散热效率，最终达到抑制因温度升高引起的中心波长的漂移。
24.3、本发明的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管通过脊型条结构以及离子注入的方式抑制电流的侧向扩展，同时实现基横模光斑输出。
25.4、本发明的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管采用传统的倾斜波导结构，但在倾斜波导两侧设置多个光隔离沟槽，有效抑制器件在大电流注入条件下构成f-p震荡，防止器件失效。
附图说明
26.图1是实施例1的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管的截面示意图。
27.图2是实施例1的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管的p面结构示意图。
28.图3是实施例1的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管的输出功率与电流之间的关系特性曲线。
29.图4是实施例1的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管的发射光谱图。
30.附图标记说明：1、腐蚀部分第一子有源区p型限制层得到的脊型条；2、腐蚀后剩余的第一子有源区p型限制层本体层；3、第一子有源区的p型波导层；4、第一子有源区的量子阱层；5、第一子有源区的n型波导层；6、第一子有源区的n型限制层；7、n型高掺杂隧道结层；
8、p型高掺杂隧道结层；9、第二子有源区p型限制层；10、第二子有源区p型波导层；11、第二子有源区量子阱层；12、第二子有源区n型波导层；13、第二子有源区n型限制层；14、n型高掺杂隧道结层；15、p型高掺杂隧道结层；16、重复排列子有源区；17、衬底；18、n面电极；19、p面电极；20、光隔离沟槽；21、出光腔面；22、非出光腔面。
具体实施方式
31.下面将结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
32.实施例中所用原料如无特殊说明均为常规原料，市购获得；所用方法如无特殊说明均为现有方法。
33.实施例1
34.一种宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管，结构如图1-2所示，包括自下而上依次设置的n面电极18、inp衬底17、重复排列的2个子有源区16、p型高掺杂隧道结层15、n型高掺杂隧道结层14、第二子有源区n型限制层13、第二子有源区n型波导层12、第二子有源区量子阱层11、第二子有源区p型波导层10、第二子有源区p型限制层9、p型高掺杂隧道结层8、n型高掺杂隧道结层7、第一子有源区的n型限制层6、第一子有源区的n型波导层5、第一子有源区的量子阱层4、第一子有源区的p型波导层3、腐蚀后剩余的第一子有源区p型限制层本体层2、腐蚀部分第一子有源区p型限制层得到的脊型条1，所述的脊型条1上面设置有p面电极19；
35.所述的脊型条1为长条形，宽度为3μm，采用传统的倾斜结构；所述脊型条1的高度小于第一子有源区的p型限制层的高度；所述的脊型条1两端分别延伸至发光二极管的出光腔面21和非出光腔面22；所述脊型条1是通过腐蚀最上面子有源区的p型限制层得到的，腐蚀深度小于最上面子有源区的p型限制层的高度；
36.所述的脊型条1两侧对称设置有光隔离沟槽20，每侧光隔离沟槽20的个数为5个，光隔离沟槽20在脊型条1两侧均匀平行分布；所述的光隔离沟槽20与脊型条1的间距为4μm，所述光隔离沟槽20的延长线与脊型条1的夹角为60
°
；所述光隔离沟槽20的形状为矩形，其长度以及宽度分别为10μm、3μm；所述的光隔离沟槽20完全穿过所有子有源区；
37.所述超辐射发光二极管除去脊型条1区域外，其余位置进行氦离子注入以实现高电阻。
38.本实施例的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管每层的材料以及厚度如表1所示。
39.表1本实施例的超辐射发光二极管每层的材料以及厚度
[0040][0041][0042]
所述n型高掺杂隧道结层材料为zn原子掺杂的al
0.50
in
0.50
as材料，掺杂浓度为3
×
10
19
个原子/cm3；所述p型高掺杂隧道结层材料为si原子掺杂的al
0.50
in
0.50
as，掺杂浓度为1
×
10
18
个原子/cm3。
[0043]
经过仿真建模软件分析(crosslight仿真建模软件)，in
0.74
ga
0.13
al
0.13
as量子阱层为出射1570nm波长的量子阱，in
0.76
ga
0.12
al
0.12
as量子阱层作为出射1560nm波长的量子阱，in
0.78
ga
0.11
al
0.11
as量子阱层作为出射1550nm波长的量子阱，in
0.8
ga
0.10
al
0.10
as量子阱层作
为出射1540nm波长的量子阱。
[0044]
使用功率计和光谱仪对本实施例的宽光谱量子级联隧道结超辐射发光二极管进行参数测试。其输出功率与电流之间的关系特性曲线如图3所示，从图3中可以看出，其在室温下的连续输出功率为26.1mv；其发射光谱如图4所示，从图4中可以看出，在325ma电流下，其光谱半峰宽达到了70nm，具有较宽的光谱宽度。