[发明专利]超辐射发光二极管芯片及其制作方法

说明书

本发明公开了一种超辐射发光二极管芯片，该超辐射发光二极管芯片从下至上依次包括衬底、有源区下光限制层和有源区，该有源区包括有源增益区，该有源增益区两端均设有通过对接生长方式形成的吸收区，两个吸收区的多量子阱的光致发光谱PL波长大于有源增益区的多量子阱的光致发光谱PL波长。本发明通过三段式结构，在发光区两端各集成一段吸收区，通过对接生长的方式实现两个吸收区的多量子阱的光致发光谱PL波长大于有源增益区的多量子阱的光致发光谱PL波长。对于波长短的光源，在光源传输过程中易被两侧的吸收区波长较长的材料吸收，从而实现低纹波反射的超辐射发光二极管芯片。

技术领域

本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种超辐射发光二极管芯片及其制作方法。

背景技术

超辐射发光二极管(Super Luminescent Emitting Diode,SLED or SLD)是一种自发辐射的单程放大的光电子器件，超辐射为可以放大的自发辐射(ASE)，是增益介质在强激发状态下的一种定向辐射现象，在正向电流注入时，有源区的电子跃迁到价带后与空穴复合产生释放光子，这种自发辐射的光子在单程腔长内传播后增益，从而达到单程增益放大的效果。超辐射发光二极管的光电特性性能介于激光器LD和发光二极管LED之间，与激光器LD相比，SLD没有FP腔谐振或光栅的选模作用，因此发射光为自发发射光，光谱具有自发发射光的宽光谱特征，不过其光谱比发光二极管LED的光谱要窄，这是因为SLD在较高的注入电流状态下，光在腔体内传播经历了单程增益，光谱中心波长的增益最大，远离中心波长的光子增益逐渐减小，因此使得SLD的光谱宽度与发光二极管LED的光谱相比有一定程度的压缩。另一方面，SLD又有别于发光二极管LED，这是因为发光二极管LED没有光增益，其光功率随注入电流线性变化，不存在阈值拐点，而SLD由于有单程光增益，在较大的注入电流下，可实现较高出光功率。

由于超辐射发光二极管的这种宽光谱，短相干的特性，使得在很多领域都有超辐射发光二极管的应用，例如光纤陀螺仪和传感仪。然而现有的SLD光源受光源体积以及结构设计的限制，在实现大功率宽光谱的同时会造成吸收不够从而造成反射偏大，在光谱特性上表现为光谱纹波ripple偏大。高性能的SLD需要具有高的功率和低的纹波，因此在单个发光二极管上实现大功率，宽光谱，低反射新的低成本高效率的技术路线得到广泛关注，为了解决这些问题，本专利提出了一种大功率，宽光谱，低反射纹波的超辐射二极管的制作方法。

对于超辐射发光二极管这种半导体有源器件来讲，其输出功率与其光增益及自发发射速率基本线性相关，芯片单程光增益有如下近似表达式：

其中Γ为光场限制因子，g_m为材料增益，α为光损耗，L为腔长，w为有源区宽度，d为有源区厚度。

增益波动纹波(ripple)反映的是最大增益与最小增益之间的差异，其表达式为：

其中R₁，R₂为二极管两端面反射率，G_s为芯片单程光增益。可以发现随着增益的增加，纹波会增加。纹波是由于端面剩余反射率导致的光谱对不同频率的信号光增益的调制，减小端面剩余反射可以有效减小增益波动。减小端面剩余反射的方法主要有两种，一是减小端面反射率，二是增加端面吸收。然而超辐射发光二极管SLD对于纹波ripple要求很高，一般要求ripple0.2dB，单纯通过镀膜很难实现大功率与低纹波的要求。因此二极管在实现大功率的同时不可避免的造成纹波偏大，除了因为端面镀膜造成的反射，还有一个重要的原因是因为功率偏大导致吸收区的吸收不够从而造成的纹波偏大。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种超辐射发光二极管芯片的制作方法，通过单片集成的三段式结构，在发光区两端通过对接生长的方式集成两个吸收区，从而实现大功率、低纹波反射的超辐射发光二极管芯片。

本发明所采用的技术方案是：