專利名稱：寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管及制作方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管在光纖陀螺儀、光學(xué)測試設(shè)備、光纖傳感系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、光學(xué)層析成像方面有著廣泛的應(yīng)用。在上述的應(yīng)用中，為了減小Reyleigh背散射，提高系統(tǒng)的精度，需要超輻射發(fā)光二極管具有寬的光譜。由于實際的系統(tǒng)中存在耦合損耗、傳輸損耗、分波/合波損耗，某些應(yīng)用(例如分布式光纖傳感系統(tǒng))還要求超輻射發(fā)光二極管同時具有較大的功率輸出，以提高探測端的靈敏度。
傳統(tǒng)的超輻射發(fā)光二極管很難同時滿足大功率和寬光譜的要求。由于傳統(tǒng)的超輻射發(fā)光二極管采用能帶均勻的半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，輻射光存在內(nèi)在的相關(guān)性，隨著輸出功率的增加，輻射光很快激射到少數(shù)幾個模式上，輸出光譜迅速變窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種新型的能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體材料作為超輻射發(fā)光二極管的增益介質(zhì)。由于采用能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，超輻射發(fā)光二極管輻射光具有內(nèi)在的非相關(guān)性，在較大的輸出功率下，仍然可以保持較寬光譜輸出。在本發(fā)明中，選擇區(qū)域生長(selective area growth)的金屬有機物化學(xué)氣相沉淀(metal organicchemical vapor phase deposition)技術(shù)被用于實現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體材料。選擇區(qū)域生長是在制作了二氧化硅圖形的半導(dǎo)體襯底上進行，由于半導(dǎo)體材料不能在二氧化硅表面上成核，反應(yīng)氣體會橫向遷移。在較寬的二氧化硅圖形附近，氣體橫向遷移系數(shù)大，半導(dǎo)體材料生長速度快；在較窄的二氧化硅圖形附近，氣體橫向遷移系數(shù)小，半導(dǎo)體材料生長速度慢。對于量子阱半導(dǎo)體材料而言，阱的厚度由于二氧化硅圖形的變化而發(fā)生空間變化，從而導(dǎo)致材料能帶結(jié)構(gòu)的空間變化。
本發(fā)明一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，包括一襯底片；一二氧化硅層，該二氧化硅層制作在襯底片上，在二氧化硅層上刻蝕出平行的寬度漸變的兩個三角形二氧化硅圖形；一緩沖層，該緩沖層制作在兩個三角形二氧化硅圖形之間；一下限制層，該下限制層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在緩沖層上；一多量子阱層，該多量子阱層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在下限制層上，形成能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)；
一上限制層，該上限制層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在多量子阱上；一包層，該包層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在上限制層上；一接觸層，該接觸層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在包層上。
其中二氧化硅層的厚度為50nm～500nm。
其中該多量子阱層結(jié)構(gòu)采用以下一種的材料體系InP/InGaAsP、InP/AlGaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs。
其中能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層材料的厚度及材料組份是為空間變化的。
其中緩沖層為n型、下限制層為i型、多量子阱層為i型、上限制層為i型、包層為p型、接觸層為p型。
其中三角形的二氧化硅圖形的尺寸為W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
本發(fā)明一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、采用襯底片作為基片；步驟2、采用等離子體增強化學(xué)氣相沉淀方法在襯底片上淀積二氧化硅層；步驟3、在二氧化硅層上沿〔011〕晶向光刻并腐蝕出平行的寬度漸變的三角形二氧化硅圖形；
步驟4、采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法在襯底片1上未淀積SiO2處依次外延生長緩沖層、下限制層、多量子阱層、上限制層、包層、接觸層；步驟5、腐蝕掉各層生長之后的襯底片上的二氧化硅；步驟6、在平行的寬度漸變的三角形二氧化硅圖形3之間沿〔011〕晶向光刻并腐蝕出脊型結(jié)構(gòu)；步驟7、將外延片解理成管芯，在管芯兩端面進行鍍膜，一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜。
其中二氧化硅層的厚度為50nm～500nm。
其中緩沖層為n型、下限制層為i型、多量子阱層為i型、上限制層為i型、包層為p型、接觸層為p型。
其中能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層材料是通過選擇區(qū)域生長的，采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法制作的。
其中三角形的二氧化硅圖形的尺寸為W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射二極管在光纖陀螺儀、光學(xué)測試設(shè)備、光纖傳感系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、光學(xué)層析成像方面有著廣泛的應(yīng)用，相對于普通的半導(dǎo)體超輻射二極管而言，可以提高探測靈敏度，改進系統(tǒng)性能。


為了進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和實施例進行詳細(xì)說明，其中圖1是選擇區(qū)域生長的金屬有機物化學(xué)氣相沉淀示意圖；圖2是選擇區(qū)域生長的量子阱厚度T隨二氧化硅圖形寬度S變化的曲線圖；圖3是選擇區(qū)域生長的量子阱帶隙波長隨二氧化硅圖形寬度S變化的曲線圖；圖4到圖8是寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射管的制作過程圖。
具體實施例方式
請參閱圖1、圖4到圖8所示，本發(fā)明一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，包括一襯底片1；一二氧化硅層2，該二氧化硅層2制作在襯底片1上(參見圖4)，在二氧化硅層2上刻蝕出平行的寬度漸變的兩個三角形二氧化硅圖形3(參見圖5)，該二氧化硅層2的厚度為50nm～500nm，該三角形的二氧化硅圖形3的尺寸為W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um(參見圖1)；一緩沖層4，該緩沖層4制作在兩個三角形二氧化硅圖形3之間(參見圖6)，該緩沖層4為n型、下限制層5為i型、多量子阱層6為i型、上限制層7為i型、包層8為p型、接觸層9為p型；一下限制層5，該下限制層5采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在緩沖層4上；
一多量子阱6，該多量子阱6采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在下限制層5上，形成能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)，該多量子阱層6結(jié)構(gòu)采用以下一種的材料體系InP/InGaAsP、InP/AlGaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs，該能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層6材料的厚度及材料組份是為空間變化的；平行的寬度漸變的兩個三角形間的量子阱厚度T隨其兩側(cè)的二氧化硅圖形的寬度S的漸變而逐漸變化。(參見圖2)；平行的寬度漸變的兩個三角形間的量子阱帶隙波長隨其兩側(cè)的二氧化硅圖形的寬度S的漸變而逐漸變化(參見圖3)。
一上限制層7，該上限制層7采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在多量子阱6上；一包層8，該包層8采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在上限制層7上；一接觸層9，該接觸層9采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在包層8上。
請再結(jié)合參閱圖1、圖4到圖8所示，本發(fā)明一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，包括以下步驟步驟1、采用襯底片1作為基片；步驟2、采用等離子體增強化學(xué)氣相沉淀方法在襯底片1上淀積二氧化硅層2(參見圖4)，該二氧化硅層2的厚度為50nm～500nm；步驟3、在二氧化硅層2上沿〔011〕晶向光刻并腐蝕出平行的寬度漸變的三角形二氧化硅圖形3(參見圖5)，該三角形的二氧化硅圖形3的尺寸為W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um；步驟4、采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法在襯底片1上未淀積SiO2處依次外延生長緩沖層4、下限制層5、多量子阱層6、上限制層7、包層8、接觸層9(參見圖6)；該緩沖層4為n型、下限制層5為i型、多量子阱層6為i型、上限制層7為i型、包層8為p型、接觸層9為p型，該能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層材料是通過選擇區(qū)域生長的，采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法制作的；步驟5、腐蝕掉各層生長之后的襯底片1上的二氧化硅；步驟6、在平行的寬度漸變的三角形二氧化硅圖形3之間沿〔011〕晶向光刻并腐蝕出脊型結(jié)構(gòu)10(參見圖7)；步驟7、將外延片解理成管芯11，在管芯11兩端面進行鍍膜，一端鍍高反射膜12，另一端鍍增透膜13(參見圖8)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較利用選擇區(qū)域生長的金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法制備能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體量子阱材料作為半導(dǎo)體超輻射管的增益介質(zhì)，輻射光具有內(nèi)在的非相關(guān)性，有利于在大的輸出光功率下仍然保持較寬的輸出光譜范圍，從而實現(xiàn)寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管。
權(quán)利要求
1.一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，包括一襯底片；一二氧化硅層，該二氧化硅層制作在襯底片上，在二氧化硅層上刻蝕出平行的寬度漸變的兩個三角形二氧化硅圖形；一緩沖層，該緩沖層制作在兩個三角形二氧化硅圖形之間；一下限制層，該下限制層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在緩沖層上；一多量子阱層，該多量子阱層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在下限制層上，形成能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)；一上限制層，該上限制層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在多量子阱上；一包層，該包層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在上限制層上；一接觸層，該接觸層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在包層上。
2.按照權(quán)利要求1所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，其中二氧化硅層的厚度為50nm～500nm。
3.按照權(quán)利要求1所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，其中該多量子阱層結(jié)構(gòu)采用以下一種的材料體系InP/InGaAsP、InP/AlGaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs。
4.按照權(quán)利要求1或3所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，其中能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層材料的厚度及材料組份是為空間變化的。
5.按照權(quán)利要求2所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，其中緩沖層為n型、下限制層為i型、多量子阱層為i型、上限制層為i型、包層為p型、接觸層為p型。
6.按照權(quán)利要求1所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，其特征在于，其中三角形的二氧化硅圖形的尺寸為W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
7.一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、采用襯底片作為基片；步驟2、采用等離子體增強化學(xué)氣相沉淀方法在襯底片上淀積二氧化硅層；步驟3、在二氧化硅層上沿〔011〕晶向光刻并腐蝕出平行的寬度漸變的三角形二氧化硅圖形；步驟4、采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法在襯底片1上未淀積SiO2處依次外延生長緩沖層、下限制層、多量子阱層、上限制層、包層、接觸層；步驟5、腐蝕掉各層生長之后的襯底片上的二氧化硅；步驟6、在平行的寬度漸變的三角形二氧化硅圖形3之間沿〔011〕晶向光刻并腐蝕出脊型結(jié)構(gòu)；步驟7、將外延片解理成管芯，在管芯兩端面進行鍍膜，一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜。
8.按照權(quán)利要求6所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中二氧化硅層的厚度為50nm～500nm。
9.按照權(quán)利要求6所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中緩沖層為n型、下限制層為i型、多量子阱層為i型、上限制層為i型、包層為p型、接觸層為p型。
10.按照權(quán)利要求6所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層材料是通過選擇區(qū)域生長的，采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法制作的。
11.按照權(quán)利要求6所述的寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管的制作方法，其特征在于，其中三角形的二氧化硅圖形的尺寸為W＝5um～100um，S＝5um～50um，L＝50um～1500um。
全文摘要
一種寬光譜、大功率的半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管，包括一襯底片；一二氧化硅層，該二氧化硅層制作在襯底片上，在二氧化硅層上刻蝕出平行的寬度漸變的兩個三角形二氧化硅圖形；一緩沖層，該緩沖層制作在兩個三角形二氧化硅圖形之間；一下限制層，該下限制層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在緩沖層上；一多量子阱層，該多量子阱層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在下限制層上，形成能帶結(jié)構(gòu)空間變化的半導(dǎo)體多量子阱層結(jié)構(gòu)；一上限制層，該上限制層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在多量子阱上；一包層，該包層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在上限制層上；一接觸層，該接觸層采用金屬有機物化學(xué)氣相沉淀方法淀積在包層上。
文檔編號H01S5/00GK1848464SQ200510056278
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月4日
發(fā)明者李寶霞, 張靖, 趙玲娟, 王圩 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所