CN111261756B - 一种半导体发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种半导体发光器件，包括有源层，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的发光端和反射端；其中，所述反射端的端面与波导方向不垂直，所述反射端的端面与所述发光端的端面不平行。

Description

一种半导体发光器件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体发光器件。

背景技术

半导体发光器件是一类用半导体材料制作的光器件，包括半导体激光器、半导体光放大器、半导体超辐射发光二极管、以及半导体增益芯片等。其中，半导体超辐射发光二极管(Super Luminance Diode，SLD，简称超辐射发光二极管)作为一种自发辐射的单程光放大器件，其光学性能介于激光器和发光二极管之间。由于超辐射发光二极管具有宽光谱、短相干长度等特点，被广泛用于光纤陀螺、光时域反射仪及中短距离光纤通信等领域。

光谱纹波是这类半导体发光器件的一个重要参数，它是由芯片端面反射以及光纤端面反射造成的。在光纤陀螺系统中，光谱纹波会产生二次相干峰，影响光纤陀螺的精度，因此如何降低半导体发光器件的光谱纹波对于半导体发光器件的应用具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种半导体发光器件。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种半导体发光器件，包括有源层，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的发光端和反射端；其中，

所述反射端的端面与波导方向不垂直，所述反射端的端面与所述发光端的端面不平行。

上述方案中，所述反射端的端面与波导方向之间的角度范围为75°至85°。

上述方案中，所述发光端的端面与波导方向垂直。

上述方案中，还包括：分别位于所述有源层之上和之下的上限制层和下限制层；

所述上限制层和所述下限制层沿波导方向上均具有与所述有源层的所述反射端共面的端面。

上述方案中，还包括：位于所述有源层上的脊型波导，所述波导方向为所述脊型波导的延伸方向；

所述脊型波导沿波导方向上具有与所述有源层的所述反射端共面的端面。

上述方案中，具体包括：位于所述有源层上的上包层和欧姆接触层；

所述上包层和所述欧姆接触层沿波导方向上具有第一凹槽和第二凹槽，所述脊型波导位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之间。

上述方案中，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的第一端和第二端，所述第一端中与所述脊型波导相对应的部分为所述发光端，所述第二端中与所述脊型波导相对应的部分为所述反射端；

所述第二端中除所述反射端以外的部分与所述波导方向垂直。

上述方案中，所述波导方向与所述半导体发光器件的自然解理面垂直。

上述方案中，还包括衬底；所述有源层形成于所述衬底之上；所述有源层的所述发光端和所述反射端均垂直于所述衬底的表面。

上述方案中，所述半导体发光器件为超辐射发光二极管。

本发明实施例所提供的半导体发光器件，包括有源层，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的发光端和反射端；其中，所述反射端的端面与波导方向不垂直，所述反射端的端面与所述发光端的端面不平行。如此，在本发明实施例所提供的半导体发光器件中，传输到反射端的光将被所述反射端的端面反射到波导侧面，从而在波导侧面经过反复震荡而被吸收，减少了反射到所述发光端的光，最终降低了光谱波纹。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的半导体发光器件的剖面示意图；

图2为本发明另一实施例提供的半导体发光器件的剖面示意图；

图3为本发明实施例提供的半导体发光器件的俯视示意图。

附图标记说明：

100、200-衬底；

201-下包层；

102、202-下限制层；

103、203-有源层；

104、204-上限制层；

205-上包层；

206-欧姆接触层；

T1-第一凹槽；T2-第二凹槽；

A-发光端；A'-反射端。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

为了降低半导体发光器件的光谱纹波，在一些实施例中可以采用以下方案：一种方案是在器件发光端端面上镀增透的介质膜，通常镀膜后端面的剩余反射率可以达到0.1％的量级，但是对于高质量的器件，要求介质膜的反射率低于0.01％，而实现这种超低反射率的介质膜的制作难度很大，工艺重复性也很难保证，因此通常需要结合其它方法一起实施。另一种方案是在靠近发光端端面的区域增加一段吸收区，即在发光区的一侧设置吸收区，器件工作时只在发光区注入电流，而吸收区不加电，这样反向传输的光在吸收区内慢慢消耗掉，达到抑制光反馈、降低光谱纹波的目的；但是，吸收区与发光区一般采用相同的材料形成，在工艺制作中吸收区与发光区材料一起生长，二者具有相同的能带带隙，因而吸收区材料对反向传输的光基本上是透明的，导致反向传输的光需要经过较长的距离才能被吸收掉，从而需要设计制作较长的吸收区长度，而这样无疑会降低外延片的芯片产出率，增加产品成本。此外，还有一种方案是采用倾斜的波导结构，将波导结构制作为相对于芯片的自然解理面倾斜一定的角度，从而降低端面的光反射，抑制光在波导内的振荡，但此种方案存在功率损耗大、耦合效率低等缺点。

如上所述，上述用于降低半导体发光器件的光谱纹波的技术方案均存在一定的局限性，本领域仍然需要探索降低光谱纹波的新手段。

基于此，本发明实施例提供了一种半导体发光器件。所述半导体发光器件，包括有源层，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的发光端和反射端；其中，所述反射端的端面与波导方向不垂直，所述反射端的端面与所述发光端的端面不平行。

下面，结合图1至图2中半导体发光器件的剖面示意图，对本发明技术方案作进一步详细的说明。

首先，请参考图1。图1仅示意性地示出了一种半导体发光器件的组成结构，应当理解，本发明实施例提供的半导体发光器件包括但不限于超辐射发光二极管。

所述半导体发光器件至少包括一有源层103。这里，所述有源层103可以包括体材料有源层或者多量子阱有源层；具体例如包括InGaAsP有源层或InGaAsP/InGaAsP多量子阱有源层等。

所述有源层103沿波导方向具有彼此相对的发光端A和反射端A'；其中，所述反射端A'的端面与波导方向不垂直，所述反射端A'的端面与所述发光端A的端面不平行。

图1中虚线示出了所述半导体发光器件的波导方向；在本实施例中，不对波导的具体结构进行限制。这里，所述有源层103的俯视形状例如为四边形，其沿波导方向具有彼此相对的两端，分别为所述发光端A和所述反射端A'，发光端A和反射端A'的端面构成了四边形中两相对边；连接发光端A和反射端A'的所述有源层103的侧端的端面，构成了四边形中另外两相对边。所述有源层103的除所述发光端A和所述反射端A'以外的两侧端的端面相互平行。在一些实施例中，所述半导体发光器件具有非倾斜波导，即波导方向与器件的自然解理面垂直；此时，上述两侧端的端面相互平行且与波导方向一致。

在本实施例中，所述发光端A的端面为平面。但本发明技术方案不限于此，所述反射端A'的端面也可以为非平面，例如曲面、弯折面等。所述发光端A的端面为平面。

应当理解，所述有源层103的发光端A和反射端A'也可以认为分别是整个半导体发光器件的发光端和反射端。靠近所述发光端的部分为所述半导体发光器件的发光区，靠近所述反射端的部分为所述半导体发光器件的反射区。

为了有效降低半导体发光器件的光谱纹波，本发明一具体实施例提供了所述反射端A'的端面与波导方向之间的夹角的合适范围。请结合图1和图3，所述反射端A'的端面与波导方向之间的夹角例如为β，β的范围为75°至85°。在实际制备过程中，例如通过刻蚀工艺，使得所述有源层103有α角度范围的材料被去除；α的范围为5°至15°。

所述发光端A的端面可以与波导方向垂直。所述发光端A的端面例如为所述半导体发光器件的自然解理面。在一具体实施例中，所述发光端A的端面为所述半导体发光器件的自然解理面，所述反射端A'的端面为经过刻蚀工艺处理的表面(经过刻蚀工艺处理而形成的与波导方向不垂直的表面)。

在本实施例中，所述波导方向与所述半导体发光器件的自然解理面垂直。应当理解，本实施例通过对发光端A和反射端A'的端面进行不同处理，使得所述反射端A'的端面与波导方向不垂直，所述反射端A'的端面与所述发光端A的端面不平行，从而降低光谱纹波；相比于采用倾斜波导结构的器件功率损耗更小，耦合效率更高，产品成本较低。当然，本申请实施例也不排除所述半导体发光器件采用倾斜波导结构的情况，即不排除在所述波导方向与所述半导体发光器件的自然解理面不垂直的情况下，进一步结合对发光端A和反射端A'的设置改进。

在具体器件中，所述半导体发光器件还包括衬底100；所述有源层103形成于所述衬底100之上。具体地，所述半导体发光器件可以包括衬底100以及位于所述衬底100上的多层异质结构，所述多层异质结构中至少包括所述有源层103。

这里，所述衬底100为半导体衬底，其材料例如包括InP；在一些实施例中，所述衬底100也可以为GaAs等半导体材料。

所述衬底100沿波导方向上具有彼此相对的两端，其中，一端与所述有源层103的所述反射端A'的端面之间存在所述夹角α；换言之，所述衬底100沿波导方向上的一端与所述有源层103的所述反射端A'的端面之间不平行，二者之间的角度范围为5°至15°。所述衬底100沿波导方向上的另一端可以与所述有源层103的所述发光端A共面。

所述有源层103的所述发光端A和所述反射端A'均垂直于所述衬底100的表面。

在具体器件中，所述半导体发光器件还可以包括：分别位于所述有源层103之上和之下的上限制层104和下限制层102；所述上限制层104和所述下限制层102沿波导方向上均具有与所述有源层103的所述反射端A'共面的端面。

这里，所述下限制层102、所述有源层103和所述上限制层104依次形成在所述衬底100上。

所述上限制层104和所述下限制层102的与所述有源层103的所述反射端A'共面的端面，构成整个半导体发光器件的反射端的一部分；所述上限制层104和所述下限制层102沿波导方向上的另一端可以与所述有源层103的所述发光端A共面，该端面构成整个半导体发光器件的发光端的一部分。

所述上限制层104和/或所述下限制层102的材料可以包括InGaAsP。所述上限制层104和所述下限制层102的掺杂浓度可以相同；厚度也可以相同；但二者的掺杂浓度及厚度与所述有源层103的掺杂浓度及厚度不同。所述上限制层104和所述下限制层102也可以分别称为上波导层和下波导层。

在制备过程中，所述上限制层104和所述下限制层102可以与所述有源层103一同被刻蚀而形成所述共面的端面。

图2为本发明另一实施例提供的半导体发光器件的剖面示意图。图2对应的实施例与图1对应的实施例的主要区别在于，图2示出的半导体发光器件具有脊型波导结构；此外的其他结构特征可以参考图1对应的实施例。图2中半导体发光器件也可以包括：衬底200、下限制层202、有源层203、以及上限制层204，并且上述结构可以与图1中半导体发光器件的对应结构相同，这里不再赘述。

在本实施例中，所述半导体发光器件还可以包括：位于所述有源层203上的脊型波导。对于本实施例中具有脊型波导结构的半导体发光器件，所述波导方向即为所述脊型波导的延伸方向。所述脊型波导沿波导方向上具有与所述有源层203的所述反射端A'共面的端面。

具体地，所述半导体发光器件包括：位于所述有源层203上的上包层205和欧姆接触层206；所述上包层205和所述欧姆接触层206沿波导方向上具有第一凹槽T1和第二凹槽T2，所述脊型波导位于所述第一凹槽T1和所述第二凹槽T2之间。

这里，所述上包层205例如为P型层；其材料例如包括InP或InGaAsP等。

所述上包层205和所述欧姆接触层206可以依次位于所述有源层203上。

在一具体实施例中，所述半导体发光器件还可以包括：位于所述有源层203下的下包层201。所述下包层201例如为N型层；其材料例如包括InP或InGaAsP等。

所述第一凹槽T1和所述第二凹槽T2可以通过对所述上包层205和所述欧姆接触层206进行刻蚀而得到。在刻蚀形成所述第一凹槽T1和所述第二凹槽T2时，可以使得所述第一凹槽T1的朝向所述脊型波导的侧壁和所述第二凹槽T2的朝向所述脊型波导的侧壁平行。所述第一凹槽T1的延伸方向和所述第二凹槽T2的延伸方向可以垂直于所述半导体发光器件的自然解理面，以使所述脊型波导的延伸方向垂直于所述自然解理面。

以下至少之一可以在所述第一凹槽T1和所述第二凹槽T2形成之后形成：所述有源层203的所述反射端A'、所述上限制层204和所述下限制层202的与所述有源层203的所述反射端A'共面的端面、所述脊型波导的与所述有源层203的所述反射端A'共面的端面。

在实际制备过程中，例如先在衬底200上形成以上各层结构；这里，各层结构至少包括所述有源层203；此外，还可以包括以下至少之一：下包层201、下限制层202、上限制层204、上包层205、欧姆接触层206；当然，还可以包括其他合适的功能层。上述各层结构例如通过外延生长工艺沉积在所述衬底200上，如此，完成了外延片的制备。接下来，对所述外延片进行刻蚀，形成所述脊型波导；具体例如形成贯穿所述上包层205和所述欧姆接触层206的所述第一凹槽T1和所述第二凹槽T2，位于所述第一凹槽T1和所述第二凹槽T2之间的所述上包层205和所述欧姆接触层206部分形成为所述脊型波导。接下来，再次执行刻蚀工艺，形成所述反射端A'；具体例如刻蚀所述欧姆接触层206、所述上包层205、所述上限制层204、所述有源层203、以及所述下限制层202，以形成所述反射端A'以及与所述反射端A'共面的端面；所述刻蚀工艺例如停止在所述下包层201之上，具体为所述下包层201和所述下限制层202的界面处，此外也不排除所述刻蚀工艺停止在所述下包层201之内的情况。

其中，形成所述反射端A'的所述刻蚀工艺可以包括干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺。在执行干法刻蚀工艺之前，可以先采用光刻工艺定义出需要刻蚀的区域。在干法刻蚀工艺中，可以在外延片上刻蚀掉一预设厚度，例如，将光刻工艺中掩膜板的图案转移到外延片上；然后，通过湿法刻蚀工艺沿干法刻蚀工艺所形成的图案边界向下刻蚀，直至形成所需结构。

形成所述反射端A'的所述刻蚀工艺例如在所述脊型波导对应的范围内执行。如此，所述有源层203中落入所述脊型波导垂直投影内的端面被刻蚀形成为所述与波导方向不垂直的反射端A'。

在具体器件中，所述有源层203沿波导方向具有彼此相对的第一端和第二端，所述第一端中与所述脊型波导相对应的部分为所述发光端A，所述第二端中与所述脊型波导相对应的部分为所述反射端A'；所述第二端中除所述反射端A'以外的部分与所述波导方向垂直。换言之，所述反射端A'为所述第二端中的一部分，具体为与所述脊型波导相对应的部分。所述有源层203的所述第二端具有一垂直于波导方向的外端面(例如为自然解理面)，所述反射端A'的端面沿平行所述衬底200平面的方向上，一侧与所述外端面连接，另一侧凹陷于所述外端面之内。

需要说明的是，本实施例虽然阐述了所述半导体发光器件具有脊型波导结构的情况；理当理解，根据图1对应的实施例，本发明技术方案也适用于非脊型波导结构的半导体发光器件。不仅如此，即使对于具有脊型波导结构的半导体发光器件，本发明技术方案也不仅适用于通过上包层和欧姆接触层形成脊型波导结构的情况，或所述有源层为非脊型的情况，对于其他形式的脊型波导结构，也可以采用本发明技术方案解决降低光谱纹波的问题。

在一具体实施例中，所述半导体发光器件还可以包括：上金属电极和下金属电极。所述上金属电极例如与所述欧姆接触层相连接；采用蒸发或溅射等工艺形成在所述欧姆接触层上。所述下金属电极例如位于衬底背面；在对衬底减薄之后，形成在所述衬底背面上。

还需要说明的是，为了进一步降低光谱纹波，本发明图1和图2各实施例提供的降低半导体发光器件的光谱纹波的技术手段，可以与其他实施例中提供的技术手段结合使用；例如，与在发光端端面镀增透的介质膜、在靠近发光端端面的区域增加吸收区等其他技术手段相结合；此外，也不排除与倾斜波导结构相结合的情况。

下面，结合一具体示例对本发明产生的积极效果作进一步详细的描述。

本具体示例提出了一种有效降低超辐射发光二极管光谱纹波的技术方案，克服了通常降低光谱纹波方案中的缺陷。

首先，提供一种超辐射发光二极管的制备方法，所述方法包括：在半导体衬底上依次外延生长多层异质结构，例如顺次包括下包层、下限制层、有源层、上限制层、上包层以及欧姆接触层；其中，所述有源区沿波导方向，在波导其中一端制作倾斜面，减少光反射，另一端面为平面发光端。然后，在波导上制作上金属电极，芯片减薄后制作下金属电极。

通过上述方法制备的超辐射发光二极管，其倾斜端面在沟道(形成脊型波导的凹槽)腐蚀后单独通过光刻工艺制作腐蚀区，分别经过干法腐蚀和湿法腐蚀达成。上述方法的优点是外延片生长前后端为同一种材料，芯片结构简洁，相比于斜腔脊波导芯片功率损耗小，耦合效率高，外延生长成本低。有效地降低光谱纹波，提高外延片的芯片产出率，降低芯片成本。

其次，具体示例还提供一种超辐射发光二极管结构，所述结构由半导体衬底以及其上依次外延生长的多层异质结构组成，顺次包括下包层、下限制层、有源层、上限制层、上包层以及欧姆接触层；其中，所述结构的前端为发光区且垂直于端面，后端为反射区且与芯片端面有倾斜角。所述结构还可以包括位于波导上的上金属电极，以及位于半导体衬底下的下金属电极。

上述技术方案的核心是超辐射发光二极管的有源区端面沿波导方向进行不同处理，前脊端面为发光区且垂直于芯片端面，后脊端面为反射区且与芯片端面呈一定角度α(5°至15°)；其中，反射脊端面将光反射到波导侧面反复震荡吸收，减少反射到发光端的反射光，以实现降低光谱纹波的目的。

本发明各实施例适用于所有具有双异质结结构的半导体超辐射发光二极管；适用于多种材料体系，如InGaAsP/InP系材料、AlGaInAs/InP系材料及AlGaAs/GaAs等材料体系；适用于各种平面有源层掩埋异质结构，如腐蚀台面掩埋结构、双沟平面掩埋结构、条形掩埋异质结等；适用于各种非平面有源层掩埋异质结构，如V槽衬底或沟道衬底掩埋结构、台面衬底掩埋异质结构、掩埋新月型结构等。

需要说明的是，本发明各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体发光器件，其特征在于，包括有源层，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的发光端和反射端；其中，

所述反射端的端面与波导方向不垂直，所述反射端的端面与所述发光端的端面不平行；

所述波导方向与所述半导体发光器件的自然解理面垂直；

所述反射端的端面与波导方向之间的角度范围为75°至85°。

2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述发光端的端面与波导方向垂直。

3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，还包括：分别位于所述有源层之上和之下的上限制层和下限制层；

所述上限制层和所述下限制层沿波导方向上均具有与所述有源层的所述反射端共面的端面。

4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，还包括：位于所述有源层上的脊型波导，所述波导方向为所述脊型波导的延伸方向；

所述脊型波导沿波导方向上具有与所述有源层的所述反射端共面的端面。

5.根据权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于，具体包括：位于所述有源层上的上包层和欧姆接触层；

所述上包层和所述欧姆接触层沿波导方向上具有第一凹槽和第二凹槽，所述脊型波导位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之间。

6.根据权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于，所述有源层沿波导方向具有彼此相对的第一端和第二端，所述第一端中与所述脊型波导相对应的部分为所述发光端，所述第二端中与所述脊型波导相对应的部分为所述反射端；

所述第二端中除所述反射端以外的部分与所述波导方向垂直。

7.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，还包括衬底；所述有源层形成于所述衬底之上；所述有源层的所述发光端和所述反射端均垂直于所述衬底的表面。

8.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，所述半导体发光器件为超辐射发光二极管。

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