铝镓铟砷多量子阱超辐射发光二极管 【技术领域】
本发明涉及一种铝镓铟砷多量子阱超辐射发光二极管，该器件相对于激光器谱宽范围宽，相对于发光二极管(LED)输出功率大，在脉冲或连续电流注入的条件下输出功率等参数要符合一定的要求，属于传感、光通讯和光纤陀螺导航等领域。
背景技术
在通讯、传感等领域需要用到一种宽光谱范围的增益器件，例如光通讯系统的密集波分复用(DWDM)中需要的宽光谱光源；在光纤陀螺导航中基于小的非相干性所要求的宽光谱光源。一般激光器(LD)的光谱范围小，为几个纳米(nm)，LED虽然光谱范围宽，但是输出功率小，而超辐射发光二极管光谱范围宽、输出功率大、方向性好，因而是上述系统中理想的应用光源之一。
近年来，SLED一直是人们研究的对象，超辐射发光和激光的光增益过程都是受激放大过程，两者的根本区别在于器件是否存在振荡和选模作用。减小腔面的反射和法布里珀罗(FP)振荡，提高单程增益是实现超辐射发光的关键技术。
从早期的850nm附近的铝镓砷/镓砷(AlGaAs/GaAs)材料体系的SLED，到后来的铟镓砷磷/铟磷(InGaAsP/InP)材料体系的1.3微米(μm)和1.55μm的SLED；从体材料到多量子阱有源区结构，从匹配材料到应变材料有源区结构，人们研究发展的主要目的都是提高自发辐射强度(ASE)，增强单程增益。目前在1.3和1.55μm波段采用InGaAsP材料来制作SLED，在材料生长上，有源区多采用应变多量子阱结构；在管芯结构制作上，采用双沟平面掩埋(DC-PBH)或脊形波导(RWG)结构；同时采用倾斜、弯曲波导，吸收、窗口区等结合端面镀高增透膜来达到宽光谱范围、大输出功率、和降低FP模式，消除纹波(ripple)的目的。
铝镓铟砷/铟磷AlGaInAs/InP量子阱材料的导带偏移(ΔEc)＝0.72ΔEg(带隙)比InGaAsP/InP量子阱材料的导带偏移ΔEc＝0.4ΔEg大，并且势垒和势阱之间地带隙比InGaAsP/InP材料大，这样的材料结构可以有效阻止高温下载流子的泄露，改善高温特性，如果同时采用应变量子阱结构还可以减小俄歇复合，可以进一步提高量子效率和高温特性。SLED是一种大电流条件下工作的器件，器件中由此产生的焦耳热也比较大，同时在许多应用中，要求SLED能做大功率的输出。因此在1.3和1.55μm波长的范围，在大电流，高功率SLED的应用条件下，相对于InGaAsP材料，AlGaInAs材料是更适合的选择，体现在制作出的SLED器件方面的优点主要是：高量子效率、高温度特征、输出功率大。在850nm波段有美国专利5521935提出用AlGaInAs材料制作发光器件SLED，但并未给出具体的制作结构。通常AlGaInAs/InP材料体系制作发光器件主要采用垂直台形的脊波导结构，在文章：IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics，Vol.3，NO.2，Apr.1997 pp.672-683，Aoki et al.则提出了用倒台形脊波导(RM-RWG)制作激光器。
【发明内容】
本发明的目的是在1.25μm到1.65μm波段采用铝镓铟砷/铟磷AlGaInAs/InP材料体系制作出SLED，达到高量子效率、高温度特征、输出功率大的目的。
本发明的技术方案是：本发明多量子阱超辐射发光二极管采用有源区为应变多量子阱结构的材料，通过光刻、腐蚀、生长介质绝缘层、开电极窗口、溅射等工艺，具体是采用铝镓铟砷/铟磷AlGaInAs/InP材料，有源区的发光波长范围是1.25μm到1.65μm，包括在n型铟磷InP衬底上依次有下包层，上下分别限制层和位于其中的多量子阱有源区，其中阱的厚度为5-10nm，有源区阱垒的总厚度为10-500nm，在上限制层之上依次为上包层，腐蚀截止层，光限制层，欧姆接触层和电极，光限制层中心区域构成波导结构。
所述的多量子阱超辐射发光二极管，是采用倒台形脊波导结构，倒台形脊波导两侧是聚合物平面掩埋层，其上是平面电极。
所述的多量子阱超辐射发光二极管，其中波导方向与超辐射发光二极管SLED出光端面的夹角θ为75-85°。
所述的多量子阱超辐射发光二极管，是在两出光端面镀10-3～10-4反射率的高增透多层光学介质膜。
所述的多量子阱超辐射发光二极管，多量子阱有源区有4～10对阱垒最佳。
本技术方案的优点是，1.在1.25μm到1.65μm波段采用量子效率高和高温特性好的AlGaInAs材料；2.用RM-RWG结构减小串连电阻，提高注入效率，从而提高器件的量子效率和高温特性；3.采用平面电极结构，提高了器件的可靠性。4.采用倾斜波导结构后，高增透膜的要求可以降低1到2个数量级，有利于实现低ripple指标的SLED
【附图说明】
图1是本发明倒台形倾斜脊波导超辐射发光二极管横截面结构示意图；
图2是本发明倒台形倾斜脊波导超辐射发光二极管纵向截面示意图；
图3是本发明提出的AlGaInAs/InP材料生长结构图；
图4是AlGaInAs多量子阱有源区结构图；
图5为制作过程中的不同步骤示意图。
【具体实施方式】
采用AlGaInAs/InP材料体系，有源区的发光波长范围是1.25μm到1.65μm。具体包括在n型InP衬底上依次有下包层，上下分别限制层(SCH)和位于其中的多量子阱有源区，其中阱的厚度为5-10nm，有源区域阱垒的总厚度为10-500nm之间，多量子阱有源区有4～10对阱垒最佳。
其中分别限制层为台阶结构或缓变分别限制结构(GRIN-SCH)，在上限制层之上依次为上包层，腐蚀截止层，光限制层和欧姆接触层。
通常RWG结构为垂直台形脊波导，它容易引起器件串联电阻大的问题。为了减小SLED器件的串联电阻和由此而产生的焦耳热，在本发明中提出采用接触面积宽的倒台形脊波导结构，倒台形脊波导结构的宽接触面积在减小器件的串联电阻同时还可以提高载流子的注入效率，从而可以提高SLED器件的功率输出。在制作出倒台形脊波导后再用聚合物做平面掩埋来最终获得平面电极，这样可以保证器件电极的长期可靠性。
为了有效的降低FP模式，消除ripple，在本发明中采用倾斜波导结合端面镀制高增透膜结构，其中波导的方向与超辐射发光二极管SLED出光端面的夹角θ为75-85°。通常采用倾斜波导结构后，高增透膜的要求可以降低1到2个数量级，有利于实现低ripple指标的SLED。
图1为本发明AlGaInAs/InP多量子阱超辐射发光二极管的横截面图，图中1为N型衬底，2为N型下包层，3为下分别限制层，4为多量子阱有源区，5上分别限制层，6为P型上包层，7为腐蚀截止层，8为光限制层，9为欧姆接触层，10为介质绝缘层，11为聚合物，12为P型电极层，13为N型电极层，15为倒台形倾斜脊波导。
图2为纵向截面示意图，其中14为高增透多层光学介质膜层。其中θ为波导方向与SLED出光端面的夹角，为75-85°。15为倒台形倾斜脊波导。
图1中各层材料如下面描述：N型衬底1为n-InP，N型下包层2为n-InP，下分别限制层3为AlGaInAs，多量子阱有源区4为AlGaInAs，上分别限制层5为AlGaInAs，P型上包层6为p-InP，腐蚀截止层7为InGaAsP，光限制层8为p-InP，欧姆接触层9为P型高掺杂铟镓砷层(P+-InGaAs)，介质绝缘层10为SiO2、Si3N4或SiOxNy，11是聚合物，P型电极层12为Ti/Pt/Au，N型电极层13为Ti/Pt/Au或Ti/Au，图2中14是高增透的多层光学介质膜层。
其中的多量子阱有源区4由多对量子阱垒组成，4a为其中的阱，4b为其中的垒，如图4所示。阱的厚度为5nm-10nm，有源区总厚度为10-500nm之间，光发射波长为1.25μm到1.65μm之间，阱垒为应变结构，应变量在-1.5％到+1.5％之间，另外阱垒也可以是与衬底匹配的无应变结构。
具体制作流程如下：
如图3所示：首先在1N型衬底n-InP使用MOCVD外延生长2N型下包层n-InP，3下分别限制层AlGaInAs，4多量子阱有源区，5上分别限制层AlGaInAs，6P型上包层p-InP，7腐蚀截止层InGaAsP，8光限制层p-InP，9欧姆接触层P+-InGaAs。
然后在外延片上用光刻胶做掩模，用腐蚀液腐蚀出倒台形脊波导，腐蚀停止在InGaAsP腐蚀截止层7。其中波导方向与SLED出光端面的夹角θ为75-85°度，如图2所示。然后生长介质绝缘层，随后开出电极窗口，如图5所示。最后用聚合物做平面掩埋，在芯片减薄到100微米左右后在p面溅射12P型电极层Ti/Pt/Au，在n面溅射13N型电极层Ti/Pt/Au或Ti/Au，最后在出光面两端镀10-3～10-4反射率的高增透多层光学介质膜14。
另外，在本发明中提出还可以通过去掉上下限制层3、5来提高器件的饱和出光功率。