CN114005923B - 前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管 - Google Patents
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Abstract
前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管属于半导体发光器件技术领域。现有技术存在光能损失，工艺难度大，光输出功率难以提高。在本发明中，由下电极、衬底、下限制层、下波导、有源层构成超辐射发光二极管的立方体状主体，所述主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；其特征在于，由上波导、上限制层、覆盖层、上电极构成超辐射发光二极管的前端双窗口斜波导，所述前端双窗口斜波导由两段斜波导和一段弯曲波导构成，且在主体上一次刻蚀而成，有源层前端面与所述两段斜波导各自的前端面对应的部分均为出光窗口，两个出光窗口制作有相同的抗反射涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管，属于半导体发光器件技术领域。
背景技术
SLD(Super Luminescent Diode，超辐射发光二极管)是一种发光特性介于LD(激光二极管)和LED(发光二极管)之间的半导体发光器件，具有大功率、高斯型宽光谱、弱时间相干性、高效率等特点，用作光纤陀螺仪、光时域反射计、光学相干层析成像等低相干干涉检测系统中的光源。
SLD是在正向电流注入过程中，在有源层中反转分布的电子从导带跃迁到价带或杂质能级时，与空穴复合而释放出光子，这些自发辐射的光子在给定腔体中传播时受增益作用而得到放大。SLD是一种以内部单程增益为特征的光发射器件。SLD的发光原理和边发射LD类似，都是自发辐射受激放大；两者的区别在于在发光过程中是否存在振荡和选模。边发射LD利用腔体两端解理面(腔面)之间的光反射(一端全反射、另一端部分反射)进行振荡选模，提高光输出功率；而SLD利用斜波导结构与抗反射涂层工艺，有效降低腔面反射率，减轻光反馈，抑制F-P腔谐振，实现宽光谱发光。
现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD其结构特征如下所述，器件自上而下依次是上电极1、覆盖层2、上限制层3、上波导4、有源层5、下波导6、下限制层7、衬底8、下电极9，如图1所示，其中，由下电极9、衬底8、下限制层7、下波导6、有源层5构成器件的立方体状主体，主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；由上波导4、上限制层3、覆盖层2、上电极1构成器件的平行四边形柱体状斜波导，如图1、图2所示，俯视形状为平行四边形，斜波导的前端面、后端面分别与主体的前端面、后端面平齐，斜波导的前后走向与主体的前后走向呈某一夹角θ，所述斜波导的前后走向是指所述平行四边形前后对边中点连线方向，所述主体的前后走向是指所述立方体顶面正四边形前后对边中点连线方向。在主体有源层5的前端面、后端面分别制作抗反射性能不同的涂层，一方面在实现器件宽光谱出光的前提下，有源层5前端面与斜波导前端面对应的部分为出光窗口10，由此大功率出光，有源层5后端面与斜波导后端面对应的部分不可避免也有光输出，如图2所示，另一方面还有利于器件寿命的延长。
不过，所述现有技术存在其不足，包括：存在光能损失，由有源层5后端面出光造成，该部分功率输出未能得到有效利用，降低器件有效光输出；工艺难度大，由于在有源层5前端面、后端面制作的涂层不同，需要分别采用不同的腔面膜工艺完成，不仅增加了工艺步骤，还增加了工艺难度，例如，前端面涂层、后端面涂层的材料不同，必须采取措施防止彼此污染；光输出功率难以提高，受芯片尺寸的限制，发光腔体长度有限，有效增益面积较小，饱和增益水平较低，直接限制了器件光输出功率的提高。
发明内容
为了克服现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD本身及制作工艺的不足，我们发明了一种前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管。
本发明之前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管自上而下依次是上电极1、覆盖层2、上限制层3、上波导4、有源层5、下波导6、下限制层7、衬底8、下电极9，如图3所示，其中，由下电极9、衬底8、下限制层7、下波导6、有源层5构成超辐射发光二极管的立方体状主体，所述主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；其特征在于，由上波导4、上限制层3、覆盖层2、上电极1构成所述超辐射发光二极管的前端双窗口斜波导，如图3、图4所示，所述前端双窗口斜波导由两段斜波导和一段弯曲波导构成，且在主体上一次刻蚀而成，有源层5前端面与所述两段斜波导各自的前端面对应的部分均为出光窗口10，两个出光窗口10制作有相同的抗反射涂层。
本发明其技术效果如下所述。
在本发明中，前端双窗口斜波导的两个端面均位于超辐射发光二极管前端，两个出光窗口10位于相同一侧，并且，前端双窗口斜波导同样具有现有斜波导的作用，有源层5内的出射光子的出射方向与有源层5的前端面的法线呈某一夹角θ，如图4所示，出射光子易于逸出，同时辅以抗反射涂层，出射光子在出光窗口10的反射率大幅降低；与出射光子移动方向相反的光子因弯曲波导的导波作用进入另一个斜波导的导波范围内，最后也成为出射光子自另一个出光窗口10出射，避免光能浪费，同时腔内谐振得到有效抑制，实现低相干、宽光谱、大功率光输出；与此有关的一个附带效果是，在芯片尺寸不变的前提下，两个相距某一距离的出光窗口10同时出光，所以，本发明之超辐射发光二极管输出光束的横向半径得到展宽，远场光斑变大，当用于低相干检测系统时，检测区域得到扩大，例如，能够覆盖某些检测对象；当作为本发明具体实施方式之一的两段斜波导相互走向关系为张开式走向关系，也就是两段斜波导的出光方向呈某一小夹角2θ张开，如图4所示，远场光斑会更大。
由于两个出光窗口10不仅位于相同一侧，而且制作的抗反射涂层相同，因此，可一次完成涂层的制作，且不存制作两个出光窗口10的抗反射涂层彼此污染的问题，也就不存在工艺难度提高的问题。同时，虽然所述前端双窗口斜波导由两段斜波导和一段弯曲波导构成，看似相比于采用一条斜波导的现有技术，本发明的结构显得复杂一些，但是，在所述前端双窗口斜波导的制作过程中，与现有技术一样，设计掩模图形，采用光刻工艺一次刻蚀而成，不存在工艺难度提高的问题。
相比于现有单一的斜波导，在芯片尺寸相同的前提下，本发明中的前端双窗口斜波导不论长度还是面积，都明显增大，从而有效增加腔长，增大注入电流泵浦面积，有效降低微分电阻，提高了饱和增益水平和输出功率，散热效果附带得到改善，有效降低了热阻，光输出功率得到进一步提高。
附图说明
图1是现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD整体结构立体示意图。图2是现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD局部结构俯视示意图。图3是本发明之前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管整体结构立体示意图，该图同时作为摘要附图。图4～图6均为本发明示意图，包括两个方面的示意，一是前端双窗口斜波导俯视形状，包括弯曲波导俯视形状，二是两段斜波导的走向关系，包括双窗口、双光束出光情况。
具体实施方式
所述弯曲波导其俯视形状有两种，第一种是等宽度弯曲条形，呈此形状的弯曲波导的宽度与斜波导的宽度a相同，如图4、图6所示；第二种是渐变宽度弯曲条形，呈此形状的弯曲波导两端宽、中间窄，两端的宽度与斜波导的宽度a相同，如图5所示。具有第二种俯视形状的弯曲波导能够进一步抑制谐振。
所述两段斜波导的相互走向关系有两种，第一种是张开式走向关系，呈此关系的两段斜波导的出光方向呈某一小夹角2θ张开，如图4、图5所示；第二种是平行式走向关系，呈此关系的两段斜波导的出光方向平行，如图6所示。具有第一种相互走向关系的两段斜波导其输出光束的远场光斑更大，此时的超辐射发光二极管用于低相干检测系统中，能够扩大检测区域；两段斜波导具有第二种相互走向关系的超辐射发光二极管能够为SLD的应用提供又一个备选方案。
斜波导的宽度a为10～40μm，如10μm；长度b为0.5～3mm，如0.5mm，如图5所示。
当弯曲波导的俯视形状为渐变宽度弯曲条形时，弯曲波导的中间环宽c为5～10μm，如5μm，如图5所示。
两段斜波导的出光方向所呈某一小夹角2θ中的θ角为5～20°，如10°。
本发明之前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管的制作过程如下所述。
如图3所示，采用半导体外延生长工艺，在材料为高掺杂浓度N型GaAs的衬底8上依次生长材料为N型GaAs的下限制层7、材料为N型Al0.5GaAs的下波导6、材料为Al0.2GaAs/GaAs的多量子阱结构有源层5、材料为P型Al0.5GaAs的上波导4、材料为P型GaAs的上限制层3、材料为高掺杂浓度P型GaAs的覆盖层2；在覆盖层2上制作材料为Au/Ge/Ni的上电极1，厚度约为300nm，在衬底8下侧制作材料为Ti/Pt/Au的下电极9，厚度约为300nm，上电极1、下电极9的制作均为先分层制作再合金化处理；采用半导体光刻刻蚀工艺制作前端双窗口斜波导，按照前端双窗口斜波导俯视图形制作掩模，光刻致上波导4与有源层5的界面；有源层5前端面与所述两段斜波导各自的前端面对应的部分均为出光窗口10，在两个出光窗口10制作相同的抗反射涂层。
Claims (4)
1.前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管，自上而下依次是上电极（1）、覆盖层（2）、上限制层（3）、上波导（4）、有源层（5）、下波导（6）、下限制层（7）、衬底（8）、下电极（9），其中，由下电极（9）、衬底（8）、下限制层（7）、下波导（6）、有源层（5）构成超辐射发光二极管的立方体状主体，所述主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；其特征在于，由上波导（4）、上限制层（3）、覆盖层（2）、上电极（1）构成所述超辐射发光二极管的前端双窗口斜波导，所述前端双窗口斜波导由两段斜波导和一段弯曲波导构成，且在主体上一次刻蚀而成，有源层（5）前端面与所述两段斜波导各自的前端面对应的部分均为出光窗口（10），两个出光窗口（10）制作有相同的抗反射涂层；
所述弯曲波导其俯视形状是渐变宽度弯曲条形，呈此形状的弯曲波导两端宽、中间窄，两端的宽度与斜波导的宽度a相同；
所述两段斜波导的相互走向关系是张开式走向关系，呈此关系的两段斜波导的出光方向呈某一小夹角2θ张开。
2.根据权利要求1所述的前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管，其特征在于，斜波导的宽度a为10~40μm；长度b为0.5~3mm。
3.根据权利要求1所述的前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管，其特征在于，当弯曲波导的俯视形状为渐变宽度弯曲条形时，弯曲波导的中间环宽c为5~10μm。
4.根据权利要求1所述的前端双窗口双光束小夹角输出超辐射发光二极管，其特征在于，两段斜波导的出光方向所呈某一小夹角2θ中的θ角为5~20°。
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