專利名稱：一種低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體超輻射發(fā)光二極管技術領域，特別是指一種低波紋系數(shù)半導體 超輻射發(fā)光二極管的制備方法。
背景技術：
超輻射發(fā)光二極管是一種光學性能介于發(fā)光二極管和激光器之間的半導體發(fā)光 器件，它的主要特點是既具布激光器尾纖輸出功率高的優(yōu)點，義具有發(fā)光二極管光譜寬和 波紋系數(shù)小的優(yōu)點，基于它的這些特殊光學性質，可以廣泛應用在國防上有重要意義的光 纖陀螺技術中，成為下一代精確慣性制導的核心元器件。為了進一步提高光纖陀螺的信噪比，中高精度光纖陀螺通常選擇高的尾纖輸出功 率、低波紋系數(shù)和寬光譜寬度的超輻射發(fā)光二極管來作光源。因此，要實現(xiàn)以上高性能的 超輻射發(fā)光二極管的要求，外延器件結構必須具備實現(xiàn)高性能的半導體激光器性能，在高 性能的外延半導體器件結構的基礎上，通過最大限度抑制器件腔面反射來實現(xiàn)超輻射的性 能，而超輻射發(fā)光二極管的波紋系數(shù)大小是衡量這種抑制效果的技術指標。為抑制器件的激射，減少器件的波紋系數(shù)，很容易想到的直觀辦法是在半導體激 光器的腔面蒸鍍高透過率的增透膜。經驗表明，要實現(xiàn)波紋系數(shù)小于等于0. 2dB的較高技 術指標，該種增透膜的剩余反射率應在0. 001 %以下。制備這樣的增透膜難度很大，它不僅 要求設備對膜厚和膜的生長過程有很好的控制手段，而且對膜料的純度等特性也有嚴格的 要求，另外，對制備光學膜工藝提出很高的要求，制備的光學膜致密性好，光學膜性能穩(wěn)定， 不受各種惡劣環(huán)境的影響等。現(xiàn)在的鍍膜工藝技術能達到這些要求，但成本要求很高、技術 難度也高、重復性相對較差，因此，采用僅依賴高精度鍍膜技術抑制腔面光反潰的技術方案 并沒有得到很好的應用。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管 的制備方法。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備 方法，該方法采用斜三角形吸收區(qū)的波導結構結合前后腔面淀積超低反射率的光學增透 膜，實現(xiàn)低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備，具體包括在InP襯底上外延生長器件的有源結構；在有源結構上淀積生長一層二氧化硅；在該二氧化硅上光刻并腐蝕出增益區(qū)+斜三角形吸收區(qū)的波導圖形，再通過濕法 腐蝕技術實現(xiàn)該波導結構；在該波導結構上依次淀積生長P-InP和N^nP電流限制層，直至其臺面與波導結構的臺面平齊，并腐蝕掉該波導結構上的二氧化硅；淀積生長高摻雜的歐姆接觸層，在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅掩膜，然 后制備吸收區(qū)；采用物理氣相淀積的方法，實現(xiàn)特殊金屬化的電極；將得到的外延片解理成管芯，在管芯的兩端面進行鍍膜，形成低波紋系數(shù)的半導 體超輻射發(fā)光二極管。上述方案中，所述在InP襯底上外延生長器件的有源結構，采用金屬有機化學氣 相淀積外延方法實現(xiàn)，該有源結構包括緩沖層和有源層。上述方案中，所述在有源結構上淀積生長一層二氧化硅采用化學氣相淀積方法實 現(xiàn)，該二氧化硅的厚度為60nm 300nm。上述方案中，所述在二氧化硅上光刻并腐蝕出增益區(qū)+斜三角形吸收區(qū)的波導圖 形，該圖形一側設計為條形波導增益區(qū)；另一側設計為斜三角形的波導吸收區(qū)。上述方案中，所述條形波導增益區(qū)W彡Ιμπι，L = 100 2000 μ m。上述方案中，所述斜三角形的波導吸收區(qū)的總長度為100 800 μ m，三角形各邊 與其對應的腔面之間的夾角均為3 20°。 上述方案中，所述在該波導結構上依次淀積生長P-InP和N-InP電流限制層，采用 金屬有機化學氣相淀積外延方法實現(xiàn)。上述方案中，所述淀積生長高摻雜的歐姆接觸層，在歐姆接觸層上淀積生長一層 二氧化硅掩膜，然后制備吸收區(qū)，包括采用金屬有機化學氣相淀積外延方法淀積生長高 摻雜的歐姆接觸層，采用化學氣相淀積方法在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅掩膜， 然后制備吸收區(qū)；制備吸收區(qū)采用兩種方法實現(xiàn)一種方法是直接腐蝕掉增益區(qū)上方的掩 膜，確保掩膜層覆蓋整個吸收區(qū)；另一種是通過光刻技術，先光刻腐蝕出覆蓋整個增益區(qū)的 掩膜圖形，再濕法腐蝕掉整個吸收區(qū)上方的歐姆接觸層，使吸收區(qū)變?yōu)椤案咦鑵^(qū)”，最后腐蝕 掉其余的二氧化硅掩膜層。上述方案中，所述在管芯的兩端面進行鍍膜，是在管芯的前后腔面分別蒸鍍超低 反射率的光學增透膜。上述方案中，所述形成的低波紋系數(shù)的半導體超輻射發(fā)光二極管，是波長在 1000 ieOOnm范圍內的半導體超輻射發(fā)光二極管。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、在波導結構設計上，本發(fā)明采用“斜三角形吸收區(qū)”的波導形式。其中，“斜三角 形吸收區(qū)”的特點是它的三條邊與對應腔面之間均保持一定的夾角，這樣可以有效提高光 透射率；另外，斜腔的結構也可以有效抑制受激振蕩，減少腔面的光反饋。2、在膜系設計上，本發(fā)明采用兩層膜系結構的低反射率光譜區(qū)帶寬、膜料的折射 率偏差和厚度偏差對膜系剩余反射率的影響程度均好于三層膜系對稱結構，而且其工藝制 備時的允差較大，有利于實現(xiàn)精確監(jiān)控。3、本發(fā)明提供的這種制作低波紋系數(shù)的半導體超輻射發(fā)光二極管方法，工藝相對 簡單，實現(xiàn)成本較低，具有工藝合理性。


圖1是低波紋系數(shù)的波導結構的示意圖；圖2是“斜三角形吸收區(qū)”波導結構的示意圖；圖3是依照本發(fā)明實施的制作低波紋系數(shù)的半導體超輻射發(fā)光二極管的工藝流 程圖；其中(1)——N-InP 緩沖層(2)——InGaAsP 有源層(3)——PHnP 限制層(4)——Ν-hP 限制層(5)——P-InGaAs/InP 歐姆接觸層(6)——N面電極(7)——P面電極(8)——“斜三角形”吸收區(qū)
(9)——腔面光學增透膜。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1所示，為了實現(xiàn)低波紋系數(shù)，必須最大限度地降低腔面光反饋，本發(fā)明采取的主要手段如下1、“斜三角形吸收區(qū)”的波導結構首先采用金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)外延技術，在InP襯底上外延生長管芯 的有源結構，包括N-InP緩沖層和有源層等。其次采用化學氣相淀積方法，在有源結構上生長一層二氧化硅掩膜，通過光刻技 術在掩膜上光刻腐蝕出一側是條形波導增益區(qū)，另一側是“斜三角形”波導吸收區(qū)的二氧化 硅圖形(如圖2所示)。通過計算波導折射率差，三角形的各條邊與其對應腔面之間的夾角一般取3 20°，連接增益區(qū)的兩條斜邊與對應條形波導邊之間的夾角彡160°。然后，通過濕法腐蝕技術腐蝕未被掩膜覆蓋的有源層來實現(xiàn)該波導結構，其中增 益區(qū)W彡1 μ m，L = 100 2000 μ m ；吸收區(qū)總長度為100 800 μ m。最后，采用化學氣相淀積方法，在歐姆接觸層上生長一層二氧化硅掩膜層，這里可 采用兩種方案達到制備吸收區(qū)的目的一種是直接腐蝕掉增益區(qū)上方的掩膜層，確保掩膜 層覆蓋整個吸收區(qū)；另一種是通過光刻技術，先光刻腐蝕出覆蓋整個增益區(qū)的掩膜圖形，再 濕法腐蝕掉整個吸收區(qū)上方的歐姆接觸層，使吸收區(qū)變?yōu)椤案咦鑵^(qū)”，最后腐蝕掉其余的二 氧化硅掩膜層。 2、高質量腔面光學增透膜技術該技術包括腔面光學膜結構設計和優(yōu)化，高可靠性的淀積工藝、高精度的控制手 段等方面1)在腔面光學膜結構設計方面，采用兩層膜系結構方案。
2)在腔面光學膜淀積過程中，為了實現(xiàn)高致密性的穩(wěn)定光學膜，采用電子束蒸發(fā) 和離子輔助技術。3)在光學膜膜厚控制手段上，采用石英晶體和光學膜厚控制儀的綜合控制的方式 實現(xiàn)?；谏鲜鰧崿F(xiàn)原理，本發(fā)明提供的這種低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制 備方法，采用斜三角形吸收區(qū)的波導結構結合前后腔面淀積超低反射率的光學增透膜，實 現(xiàn)低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備，如圖3所示，該方法具體包括步驟1 采用金屬有機化學氣相淀積外延方法，在InP襯底上外延生長器件的有源 結構，該有源結構包括緩沖層和有源層；步驟2 采用化學氣相淀積方法在有源結構上淀積生長一層二氧化硅，該二氧化 硅的厚度為60nm 300nm ；步驟3 在該二氧化硅上光刻并腐蝕出增益區(qū)+斜三角形吸收區(qū)的波導圖形(如 圖2所示)，該圖形一側設計為條形波導增益區(qū)，另一側設計為斜三角形的波導吸收區(qū)，條 形波導增益區(qū)W彡Ιμπι，L = 100 2000 μ m，斜三角形的波導吸收區(qū)的總長度為100 800 μ m，三角形各邊與其對應的腔面之間的夾角均為3 20° ；然后再通過濕法腐蝕技術 實現(xiàn)該波導結構；步驟4:采用金屬有機化學氣相淀積外延方法在該波導結構上依次淀積生長 P-InP和N-^iP電流限制層，直至其臺面與波導結構的臺面平齊，并腐蝕掉該波導結構上的
二氧化硅；步驟5 淀積生長高摻雜的歐姆接觸層，在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅 掩膜，然后制備吸收區(qū)；具體包括采用金屬有機化學氣相淀積外延方法淀積生長高摻雜 的歐姆接觸層，采用化學氣相淀積方法在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅掩膜，然后 制備吸收區(qū)；制備吸收區(qū)采用兩種方法實現(xiàn)一種方法是直接腐蝕掉增益區(qū)上方的掩膜， 確保掩膜層覆蓋整個吸收區(qū)；另一種是通過光刻技術，先光刻腐蝕出覆蓋整個增益區(qū)的掩 膜圖形，再濕法腐蝕掉整個吸收區(qū)上方的歐姆接觸層，使吸收區(qū)變?yōu)椤案咦鑵^(qū)”，最后腐蝕掉 其余的二氧化硅掩膜層。步驟6 采用物理氣相淀積的方法，實現(xiàn)特殊金屬化的電極；步驟7 將得到的外延片解理成管芯，在管芯的兩端面進行鍍膜，形成低波紋系數(shù) 的半導體超輻射發(fā)光二極管；其中，在管芯的兩端面進行鍍膜，是在管芯的前后腔面分別蒸鍍超低反射率的光 學增透膜；形成的低波紋系數(shù)的半導體超輻射發(fā)光二極管是波長在1000 ieoonm范圍內 的半導體超輻射發(fā)光二極管。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
1.一種低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，該方法采用斜 三角形吸收區(qū)的波導結構結合前后腔面淀積超低反射率的光學增透膜，實現(xiàn)低波紋系數(shù)半 導體超輻射發(fā)光二極管的制備，具體包括在InP襯底上外延生長器件的有源結構；在有源結構上淀積生長一層二氧化硅；在該二氧化硅上光刻并腐蝕出增益區(qū)+斜三角形吸收區(qū)的波導圖形，再通過濕法腐蝕 技術實現(xiàn)該波導結構；在該波導結構上依次淀積生長P-InP和N-^P電流限制層，直至其臺面與波導結構的 臺面平齊，并腐蝕掉該波導結構上的二氧化硅；淀積生長高摻雜的歐姆接觸層，在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅掩膜，然后制 備吸收區(qū)；采用物理氣相淀積的方法，實現(xiàn)特殊金屬化的電極；將得到的外延片解理成管芯，在管芯的兩端面進行鍍膜，形成低波紋系數(shù)的半導體超 輻射發(fā)光二極管。
2.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述在InP襯底上外延生長器件的有源結構，采用金屬有機化學氣相淀積外延方法實 現(xiàn)，該有源結構包括緩沖層和有源層。
3.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述在有源結構上淀積生長一層二氧化硅采用化學氣相淀積方法實現(xiàn)，該二氧化硅的 厚度為60nm 300nm。
4.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述在二氧化硅上光刻并腐蝕出增益區(qū)+斜三角形吸收區(qū)的波導圖形，該圖形一側設 計為條形波導增益區(qū)；另一側設計為斜三角形的波導吸收區(qū)。
5.根據(jù)權利要求4所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述條形波導增益區(qū)W彡1 μ m，L = 100 2000 μ m。
6.根據(jù)權利要求4所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述斜三角形的波導吸收區(qū)的總長度為100 800 μ m，三角形各邊與其對應的腔面之 間的夾角均為3 20°。
7.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述在該波導結構上依次淀積生長P-InP和N-InP電流限制層，采用金屬有機化學氣相 淀積外延方法實現(xiàn)。
8.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述淀積生長高摻雜的歐姆接觸層，在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅掩膜，然后 制備吸收區(qū)，包括采用金屬有機化學氣相淀積外延方法淀積生長高摻雜的歐姆接觸層，采用化學氣相淀 積方法在歐姆接觸層上淀積生長一層二氧化硅掩膜，然后制備吸收區(qū)；制備吸收區(qū)采用兩 種方法實現(xiàn)一種方法是直接腐蝕掉增益區(qū)上方的掩膜，確保掩膜層覆蓋整個吸收區(qū)；另 一種是通過光刻技術，先光刻腐蝕出覆蓋整個增益區(qū)的掩膜圖形，再濕法腐蝕掉整個吸收 區(qū)上方的歐姆接觸層，使吸收區(qū)變?yōu)椤案咦鑵^(qū)”，最后腐蝕掉其余的二氧化硅掩膜層。
9.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征在 于，所述在管芯的兩端面進行鍍膜，是在管芯的前后腔面分別蒸鍍超低反射率的光學增透膜。
10.根據(jù)權利要求1所述的低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，其特征 在于，所述形成的低波紋系數(shù)的半導體超輻射發(fā)光二極管，是波長在1000 ieoonm范圍內 的半導體超輻射發(fā)光二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備方法，采用斜三角形吸收區(qū)的波導結構結合前后腔面淀積超低反射率的光學增透膜，實現(xiàn)低波紋系數(shù)半導體超輻射發(fā)光二極管的制備。本發(fā)明采用斜三角形吸收區(qū)的波導形式，它的三條邊與對應腔面之間均保持一定的夾角，可以有效提高光透射率；另外，斜腔的結構也可以有效抑制受激振蕩，減少腔面的光反饋。在膜系設計上，兩層膜系結構的低反射率光譜區(qū)帶寬、膜料的折射率偏差和厚度偏差對膜系剩余反射率的影響程度均好于三層膜系對稱結構，且工藝制備時的允差較大，有利于實現(xiàn)精確監(jiān)控。本發(fā)明提供的制作低波紋系數(shù)的半導體超輻射發(fā)光二極管方法，工藝相對簡單，實現(xiàn)成本較低，具有工藝合理性。
文檔編號H01L33/00GK102117868SQ20101056456
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權日2010年11月24日
發(fā)明者焦健, 譚滿清 申請人:中國科學院半導體研究所