GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用。所述GaN基超辐射发光二极管的外延结构包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。本发明专利技术采用二维岛状生长的量子阱或不同宽度的量子阱作为超辐射发光二级管的有源区，使得超辐射发光二极管的量子阱具有更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱的超辐射发光二级管。

【技术实现步骤摘要】
GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用
本专利技术涉及一种超辐射发光二极管，特别涉及一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用，属于半导体

技术介绍
超辐射发光二极管是一种重要的宽带光源，它的光学性质介于发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)之间，具有高功率和宽光谱的特征。同时也具有弱时间相干性、高光纤耦合效率等特点，这些特点使得SLD器件在很多应用领域成为一种非常有竞争力的、低成本的、高可靠性的宽带光源。对于蓝绿光超辐射发光二极管的应用主要涉及光学相干层析成像系统(OCT)和光纤陀螺仪(FOG)这两个应用，这两个应用都利用了SLD的宽光谱和大功率特性，因为这些特性可以提高OCT和FOG测量的精度。但是利用传统多量子阱作为有源区的超辐射发光二极管，通常光谱发光半宽更窄，峰值增益更小，很难达到人们对超辐射发光二极管宽光谱，大功率的要求，因此实现宽光谱、大功率，低工作电流的超辐射发光二极管极为重要，也是本领域亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构及其应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例一方面提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。本专利技术实施例提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿设定方向依次设置的n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/GaN超晶格上限制层，所述有源区包括至少一InGaN量子阱层和至少一GaN量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。本专利技术实施例提供了一种GaN基超辐射发光二极管，其包括所述的外延结构以及与所述外延结构配合的电极。本专利技术实施例还提供了一种光源器件，其包括所述的外延结构或所述的GaN基超辐射发光二极管。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术采用二维岛状生长的量子阱结构作为超辐射发光二级管有源区，可以使超辐射发光二极管具有更大峰值增益和更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱、大功率的超辐射发光二级管。2)本专利技术采用不同宽度的量子阱作为超辐射发光二级管的有源区，可以使超辐射发光二极管具有更大发光光谱半宽，因此可以得到宽光谱的超辐射发光二级管。3)本专利技术采用透明导电氧化物代替部分限制层，可以增大光的限制作用，从而得到超辐射发光二级管更低的工作电流，得到大功率的超辐射发光二级管。4)本专利技术实施例提供的一种超辐射发光二级管具有脊型波导结构，而且器件结构为一种垂直结构，上接触是p电极，下接触是n电极，这样可以避免同侧结构的影响，减少电流的拥挤，可以使器件更稳定的工作。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构的制作工艺中形成外延结构的结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构的脊型波导结构的结构示意图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。超辐射发光二级管(SLD)的发光原理如式1)所示，由此可知，可以通过增大限制因子、提高材料增益、减少材料内部损耗等方式提高光输出功率Pout，可以通过提高有源区的发光半宽的方法实现提高光源的光谱半宽。Pout＝Psp·exp[(Γg0ηJ/d-αabs)L]1)其中，Psp为自发辐射功率，Γgo为模式增益，η为量子效率，J为电流密度，d为有源区厚度，αabs为吸收系数，L为腔长。本专利技术实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构及制作方法，利用衬底小斜切角生长的二维岛状量子阱结构和多个不同宽度的量子阱和厚的量子垒层作为超辐射发光二极管的有源区，得到高峰值增益和宽光谱的超辐射发光二极管，同时使用透明导电氧化物代替部分限制层，增大光的限制作用，从而使得到的超辐射发光二极管具有更低的工作电流。本专利技术实施例提供的一种超辐射发光二极管的外延结构，采用的非掺杂的二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者不同厚度的量子阱有源区，较之现有的多量子阱结构，本专利技术具有更大的发光半宽；本专利技术实施例提供的一种超辐射发光二极管的外延结构，使用AlGaN/GaN的超晶格结构和透明导电氧化物(其折射率小于2.4)作为超辐射发光二级管的限制层，降低了p型限制层的体电阻和工作电压，提高了电光转换效率；同时，透明导电氧化物的折射率足以确保光学限制，相对于金属，透明导电氧化物的光学损耗低，可以减少器件内的损耗，因此，使得本专利技术中的超辐射发光二极管可以获得更大的功率。本专利技术实施例提供的一种宽光谱、大功率超辐射发光二极管的外延结构及制作方法，在氮化镓衬底等半导体衬底上生长出超辐射发光二级管的外延结构，再通过光刻、刻蚀、镀膜、磁控溅射、解理、减薄、研磨、抛光等工艺进行加工处理，特别地，需要刻蚀出具有直线部分和弯曲部分的脊型波导，再结合腔面的镀膜技术，得到光线在前腔面高透射的效果，从而使激射受到抑制，进而到大功率超辐射发光二级管。本专利技术通过刻蚀上光学限制层获得脊型波导，从而达到限制注入电流和光波的目的；脊型波导由直线型和弯曲波导组成，弯曲波导与超辐射发光二级管腔面的角度为2-6°，以此降低前腔面反射率，抑制激光的振荡和选模。为了克服现有技术中的缺陷，本专利技术实施例一方面提供了一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。进一步的，所述InGaN/GaN量子阱为非掺杂的。进一步的，所述有源区的厚度为22-79nm。进一步的，所述有源区包括1-3个量子阱层，2-4个量子垒层，所述量子阱层和量子垒层依次交替叠层设置，其中，所述量子阱层的厚度为2-5nm，所述量子垒层的厚度为10-16nm。进一步的，所述第一光学限制层包括n-AlGaN限制层。进一步的，所述第一光学限制层的厚度为1000-1300nm。进一步的，所述第一波导层包括In组分渐变的InGaN波导层。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其特征在于包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。/n

【技术特征摘要】
1.一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其特征在于包括沿所述外延结构厚度方向依次设置的第一光学限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、电子阻挡层和第二光学限制层，所述有源区包括至少一量子阱层和至少一量子垒层，所述有源区采用二维岛状生长的InGaN/GaN量子阱或者多个不同厚度的InGaN/GaN的量子阱作为有源区。


2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述InGaN/GaN量子阱为非掺杂的；优选的，所述有源区的厚度为22-79nm；优选的，所述有源区包括1-3个量子阱层，2-4个量子垒层，所述量子阱层的厚度为2-5nm，所述量子垒层的厚度为10-16nm。


3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述第一光学限制层包括n-AlGaN限制层；优选的，所述第一光学限制层的厚度为1000-1300nm；
优选的，所述第一波导层包括In组分渐变的InGaN波导层；优选的，所述In组分渐变的InGaN波导层中In组分的含量为2-6％；优选的，所述第一波导层还包括GaN波导层，优选的，所述第一波导层为n型掺杂或者非掺杂；优选的，所述第一波导层的厚度为30-40nm；
优选的，所述第二波导层包括InGaN波导层，所述第二波导层为n型掺杂或者非掺杂；优选的，所述第二波导层的厚度为100-200nm；
优选的，所述电子阻挡层包括p-AlGaN电子阻挡层，优选的，所述电子阻挡层的厚度为10-30nm；
优选的，所述第二光学限制层包括p-AlGaN/GaN超晶格限制层；优选的，所述第二光学限制层的厚度为200-400nm；
优选的，所述外延结构设置在GaN衬底上。


4.一种GaN基超辐射发光二极管的外延结构，其特征在于包括沿设定方向依次设置的n-AlGaN下限制层、GaN波导层、In组分渐变的InGaN波导层、有源区、InGaN波导层、p-AlGaN电子阻挡层、p-AlGaN/Ga...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建平，熊巍，胡磊，田爱琴，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32