一種超輻射發(fā)光二極管芯片的制備方法及制得的發(fā)光二極管芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管芯片，特別涉及一種超輻射發(fā)光二極管芯片的制備方法及制得的發(fā)光二極管芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]超福射發(fā)光二極管(Superluminescent D1des，SLD)是一種寬光譜、弱時間相干性、高輸出功率、高效率的半導體光發(fā)射器件，其光學性質(zhì)介于半導體激光器LD和發(fā)光二極管LED之間，具有比LD更寬的發(fā)光光譜和更短的相干長度，同時比LED具有更高的輸出功率，其主要優(yōu)點是寬光譜、大的輸出功率；被廣泛應用在光纖陀螺、光纖傳感、光學相干層析等領(lǐng)域。
[0003]在高精度的光纖陀螺和光纖傳感器件應用領(lǐng)域，SLD除了高輸出功率、寬光譜之夕卜，其偏振不敏感的特性是至關(guān)重要的。另一方面大的出光功率可以提高SLD應用系統(tǒng)的精度和靈敏度，特別是應用在光纖陀螺領(lǐng)域可以顯著提高系統(tǒng)的信噪比。然而，對于SLD器件自身來說，其發(fā)光的TE模式和TM模式間的功率相差較大，對于常規(guī)的體材料有源區(qū)，TE/TM的功率在3/1以上；對于常規(guī)的壓應變量子阱有源區(qū)，TE/TM的功率在10/1以上。因此在實際應用過程中通常要額外采用保偏光纖或者是其他偏振控制器件，這使得器件應用的成本增加、系統(tǒng)體積增大，不利于集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低偏振、高輸出功率、低光譜波紋的超輻射發(fā)光二極管芯片的制備方法及由此制得的發(fā)光二極管芯片。
[0005]本發(fā)明提出了一種超輻射發(fā)光二極管芯片的制備方法，該制備方法包括如下步驟:
[0006]—次外延的步驟:在N-1nP襯底上依次生長N-1nP緩沖層、InGaAsP下分別限制層、有源層、InGaAsP上分別限制層和P-1nP覆蓋層，由此形成一次外延片樣品；
[0007]形成脊的步驟:在上述一次外延片樣品表面沉積一層S12介質(zhì)層，對該樣品進行光刻，刻蝕掉部分表面的S1j質(zhì)層，并對該樣品進行腐蝕，腐蝕到N-1nP襯底，從而沿著晶向形成脊形狀；
[0008]二次外延的步驟:對該樣品進行掩埋生長前的處理，以去除樣品表面的氧化物；在樣品表面依次生長P-1nP層、N-1nP層，作為電流阻擋層；將生長完的樣品除去脊上的3102介質(zhì)層后，再次對樣品進行掩埋生長前的處理，然后在樣品上依次生長P-1nP、P-1nGaAsP和P+-1nGaAs層，完成二次外延生長；
[0009]形成隔離區(qū)的步驟:在完成二次外延生長的樣品表面沉積S12介質(zhì)層，并形成隔離區(qū)；去除樣品表面的S12介質(zhì)層；
[0010]蒸發(fā)P型電極的步驟:在樣品表面生長S12介質(zhì)層，光刻形成P面一次金屬圖形，刻蝕電極區(qū)域表面的介質(zhì)層，再經(jīng)電子束蒸發(fā)P型金屬，剝離，合金之后，再次光刻、電子束蒸發(fā)形成P面二次金屬；
[0011]蒸發(fā)N型電極、合金的步驟:對樣品的N型層進行減薄，電子束蒸發(fā)N型金屬，對樣品的N型金屬和P面二次金屬合金；
[0012]鍍膜的步驟:將樣品沿著晶向解離成巴條，對芯片的出光端面和背光端面分別蒸鍍光學增透膜和高反射膜，完成超輻射發(fā)光二極管芯片的制備。
[0013]進一步地，所述形成有源層的具體步驟為:在所述InGaAsP下分別限制層上交替生長張應變和壓應變的InGaAsP量子阱，從而在所述InGaAsP下分別限制層上形成有源層。
[0014]進一步地，所述脊沿晶向的垂直方向分為三個區(qū)域:圓弧形彎曲波導區(qū)域和直脊波導區(qū)域以及喇叭形波導區(qū)域，其中，靠近出光端面的是圓弧形彎曲波導區(qū)域，連接圓弧形彎曲波導區(qū)域的是平滑過渡的直脊波導區(qū)域，直脊波導區(qū)域之后連接的是喇叭形波導區(qū)域，喇叭形波導區(qū)域靠近背光端面。
[0015]進一步地，所述圓弧形彎曲波導區(qū)域與出光端面的夾角為80-82度，所述喇叭形波導區(qū)域的喇叭錐角為10度。
[0016]進一步地，所述形成隔離區(qū)的步驟具體為:在完成二次外延生長的樣品表面沉積S12，在喇叭形波導區(qū)域光刻形成隔離區(qū)形狀，采用RIE工藝刻蝕隔離區(qū)表面的S12，采用濕法腐蝕去除隔離區(qū)表面的P+-1nGaAs層，形成隔離區(qū)，從而將喇叭形波導區(qū)域分成喇叭形光放大區(qū)域、隔離區(qū)以及反向偏壓區(qū)。
[0017]進一步地，所述蒸發(fā)P型電極的步驟具體為:在樣品表面生長S12介質(zhì)層，光刻形成P面一次金屬圖形，RIE刻蝕電極區(qū)域表面的介質(zhì)層，電子束蒸發(fā)Ti 50nm/Pt 100nm/AulOOnm，剝離，在氮氣氛圍中合金；光刻形成P面電極焊盤圖形，即P面二次金屬圖形，電子束蒸發(fā) Cr 5nm/Au 80nm，剝離。
[0018]進一步地，所述蒸發(fā)N型電極、合金的步驟具體為:對樣品的N型層進行減薄至樣品總厚度約為110 μm，電子束蒸發(fā)N型金屬GeAu 50nm/Ni 1nm/Au lOOnm，對樣品的N型金屬和P面二次金屬合金。
[0019]進一步地，所述光學增透膜和高反射膜的反射率分別為0.5%和90%。
[0020]另外，本發(fā)明還提出一種如前所述的制備方法制得的超輻射發(fā)光二極管芯片，該超福射發(fā)光二極管芯片包括:一次外延結(jié)構(gòu)和二次外延結(jié)構(gòu)，其中一次外延結(jié)構(gòu)包括N-1nP襯底，以及在N-1nP襯底上依次生長的N-1nP緩沖層、InGaAsP下分別限制層、有源層、InGaAsP上分別限制層和P-1nP覆蓋層；該一次外延結(jié)構(gòu)為沿晶向形成的脊形狀，所述脊沿晶向的垂直方向分為三個區(qū)域:圓弧形彎曲波導區(qū)域和直脊波導區(qū)域以及喇叭形波導區(qū)域，其中，靠近出光端面的是圓弧形彎曲波導區(qū)域，連接圓弧形彎曲波導區(qū)域的是平滑過渡的直脊波導區(qū)域，直脊波導區(qū)域之后連接的是喇叭形波導區(qū)域；二次外延結(jié)構(gòu)包括在所述一次外延結(jié)構(gòu)的脊兩側(cè)的底部表面依次生長的作為電流阻擋層的P-1nP層和N-1nP層，以及形成在電流阻擋層和脊頂部表面的的P-1nP、P-1nGaAsP和P+-1nGaAs層。
[0021]優(yōu)選地，所述N-1nP緩沖層的厚度為I μπι，所述InGaAsP下分別限制層的厚度為80nm，所述有源層為3個張應變?yōu)?.1 %和2個壓應變?yōu)?.2 %的InGaAsP量子阱，張應變和壓應變的厚度分別是1nm和5nm，其PL峰值波長都為1300nm，皇為15nm厚；所述InGaAsP上分別限制層的厚度為80nm，所述P-1nP覆蓋層的厚度為20nm ;
[0022]所述脊深為1.6 μ m，靠近出光端面的脊寬為1.8 μ m ;
[0023]所述圓弧形彎曲波導區(qū)域和直脊波導區(qū)域沿著腔長方向的長度為350 μπι;所述喇叭形波導區(qū)域沿著腔長方向的長度為400 μπι ;
[0024]所述P-1nP層的厚度為500nm，所述N-1nP層的厚度為500nm ；
[0025]所述P-1nP、P-1nGaAsP 和 P+-1nGaAs 層中 P-1nP 的厚度為 I μπι，P-1nGaAsP 的厚度為 200nm，P+-1nGaAs 的厚度為 200nm ；
[0026]所述隔離區(qū)的寬度為10 μ m，喇叭形光放大區(qū)域的寬度為310 μ m，所述反向偏壓區(qū)的寬度為80 μπι。
[0027]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用混合應變量子阱并結(jié)合優(yōu)化的波導結(jié)構(gòu)，以及對外延片進行脊腐蝕和掩埋，來制備掩埋異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)超輻射發(fā)光二極管芯片，具有如下特點:1.有源區(qū)采用壓應變和張應變混合的量子阱來實現(xiàn)芯片輸出的偏振不敏感；2.靠近背光面的脊采用喇叭形結(jié)構(gòu)，用來提高有源區(qū)的體積，從而提高輸出功率；同時在背光面一側(cè)的喇叭形波導上刻蝕形成隔離區(qū)，通過反向偏壓的調(diào)控可以實現(xiàn)光譜低的波紋。因此，本發(fā)明通過采用圓弧形彎曲的波導，降低了對出光端面鍍膜的要求，同時結(jié)合反向偏置區(qū)進一步降低了芯片光譜的波紋；通過張應變和壓應變應力來控制芯片輸出的ΤΕ/ΤΜ模式比例，來降低偏振度；另一方面采用掩埋結(jié)構(gòu)能在橫向上限制載流子和光場，降低芯片橫向發(fā)散角，提高耦合效率和出光功率，同時結(jié)合喇叭形的寬有源區(qū)來進一步提高有源區(qū)體積、提高輸出。本發(fā)明制備的芯片具有低偏振、高輸出功率、低光譜波紋的特點。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明SLD芯片的制備方法流程圖。
[0029]圖2是本發(fā)明SLD —次外延片的結(jié)構(gòu)。
[0030]圖3是本發(fā)明SLD芯片的結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0031]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，本發(fā)明并不局限于附圖和以下實施例。
[0032]本發(fā)明涉及一種超輻射發(fā)光二極管芯片的制備方法，如圖1所示，該制備方法包括如下步驟:
[0033]1.一次外延的步驟:在N-1nP襯底I上采用MOCVD的方法生長I μ m的N-1nP緩沖層2，接著生長80nm的InGaAsP下分別限制層3，然后交替生長3個張應變?yōu)?.1%和2個壓應變?yōu)?.2%的InGaAsP量子阱，張應變阱和壓應變阱的厚度分別是1nm和5nm，其PL峰值波長都為1300nm，皇為15nm厚的InGaAsP，形成有源層4 ;接著生長80nm的InGaAsP上分別限制層5，最后生長20nm的P-1nP覆蓋層6，由此形成一次外延片樣品，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0034]2.形成脊的步驟:采用PECVD的方法在上述一次外延片樣品表面沉積一層300nm厚的S12介質(zhì)層，對該樣品進行光刻，刻蝕掉部分表面的S12介質(zhì)層，形成脊的形狀，所述脊包括圓弧形彎曲波導區(qū)域和直脊波導區(qū)域7以及喇叭形波導區(qū)域，其中，靠近出光端面14的是圓弧形彎曲波導區(qū)域，其與出光端面的夾角為80-82度；連接圓弧形彎曲波導區(qū)域的是平滑過渡的直脊波導區(qū)域，圓弧形彎曲波導區(qū)域和直脊波導區(qū)域7沿著腔長方向的長度為350 μπι;直脊波導區(qū)域之后連接的是喇叭形波導區(qū)域，喇叭形波導區(qū)域沿著腔長方向的長度為400 μ m，喇叭錐角為10度；用Br2:HBr:H2O腐蝕液對該樣品進行腐蝕，腐蝕到襯底層，形成脊深為1