基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管

摘要

本发明涉及一种半导体器件，特别是一种基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管，包括依次设置的下电极、衬底、下分离限制层、下波导层、有源层、上波导层、上分离限制层、盖层、介质膜层、上电极构成，其特征在于：所述有源层为量子点和量子阱材料混合结构。该超辐射发光管光谱宽，输出功率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别是一种基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管。

背景技术

超辐射即为放大的自发发射ASE（Amplifier Spontaneous Emission），是增益介质在强激发状态下的一种定向辐射现象。当增益介质中的激发密度足够高时，增益介质中的载流子受到自发发射光子的激发，使受激发射的光子数量雪崩式倍增，发光强度随之超线性地急剧增加，并使光谱宽度变窄，由初始的自发发射占主导很快的演变为以放大的自发发射为主。超辐射发光二极管（SLD）是一种介于激光器（LD）和发光二极管（LED）之间的半导体光源，它具有输出功率高、光谱宽度宽、稳定性好、光束方向性好，以及相干长度短等优良特性，可以为光纤陀螺等提供理想的光源。随着光学通讯和光学应用的进一步扩大，它还可以用于光时域反射仪、光学相干层析成像技术、光波分复用系统、光信息处理技术中。与其它的发光器件相比它有比较明显的优势，所以它的应用前景相当的广阔。

自第一个SLD发明以来，人们就如何提高它的发光功率和耦合功率、增加光谱宽度、降低相干长度、提高调制频率、降低光谱调制深度、降低温度特性等问题，进行了广泛的研究工作。目前提高器件性能的方法主要从两方面来做：一、从器件制作的工艺上，主要是要有效地抑制器件F-P腔的激射，这是超辐射发生的必要条件。经常采用的方法有：吸收区抑制、蒸镀抗反射膜、倾角抑制特性等；二、在器件的材料上，从体材料发展到单量子阱，从单量子阱到多量子阱，再到量子点结构。对于量子阱SLD，窄带隙有源区材料中载流子一维受限，类阶梯状的电子态密度使得SLD 工作电流显著降低，输出功率明显提高。进一步，采用非均匀多量子阱结构，即引入不同宽度的量子阱层作为SLD有源区，同时利用这些量子阱的基态能级跃迁，器件输出光谱可以得到进一步展宽。但对于非均匀多量子阱SLD，由于不同宽度量子阱基态跃迁能量是不连续的，这种多能级的发光迭加多造成谱带的形状不规则。对于量子点材料，其电子在三个维度都受到限制的，具有像原子一样的态密度，采用量子点制作的电子学、光子学器件在理论上具有比量子阱更优异的性能。尽管每个量子点具有类似于原子一样的分立能级，但是量子点的尺寸分布一般满足高斯分布，不同尺寸量子点的基态与激发态能级交叠在一起，使得量子点集合的能级近似连续分布。因此，在增大注入电流提高光谱宽度的同时，量子点基态和激发态同时贡献易于获得规则形状的光谱输出。虽然如此，但是理论上而言，在制备大功率SLD上，量子阱和体材料比量子点要有优势。

虽然目前对于SLD的理论研究己经比较成熟，但是越来越多的新应用要求SLD有更优良的性能。这就要求我们不断地改进器件工艺和材料，采用新的器件结构以便更好地抑制激射。因此，进行超辐射器件的工艺和材料研究与改进对整个器件的性能有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管，该超辐射发光管光谱宽，输出功率高。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管，包括依次设置的下电极、衬底、下分离限制层、下渐变折射率波导层、有源层、上渐变折射率波导层、上分离限制层、盖层、介质膜层、上电极构成，所述有源层为量子点和量子阱材料混合结构。

在本发明实施方案一中，上述量子点和量子阱材料混合结构为两层或多层结构，所述两层结构由沿材料生长方向上的单个量子点层和单个量子阱层层叠构成，所述多层结构由沿材料生长方向上的多个量子点层和多个量子阱层层叠构成。

上述量子点和量子阱材料混合结构包括一下势垒层和一上势垒层，所述下势垒层和上势垒层之间设有一或多个量子点层和一或多个量子阱层，两相邻量子点层之间设有点点间隔层，相邻量子点层与量子阱层之间设有点阱间隔层。

在本发明实施方案二中，上述量子点和量子阱材料混合结构由垂直于材料生长方向上的单个量子点区和单个量子阱区构成，或由垂直于材料生长方向交替设置的多个量子点区和多个量子阱区构成；所述量子点区由一或多个量子点层构成，所述量子阱区由一或多个量子阱层构成。

上述量子点区和量子阱区的上电极是分开的，与下电极形成两个或多个泵浦区，中间设有电极隔离条区。

本发明的有益效果是可以利用量子点本身所特有的尺寸、大小的非均匀、连续分布的特性，来实现超辐射发光二级管平滑的、较宽的光谱输出特性，同时利用量子阱结构不仅可以扩展光谱，更可以提高输出功率，使用效果好，具有很强的实用意义。

附图说明

图1是本发明的基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管的整体结构示意图。

图2是本发明实施例一的量子点和量子阱材料混合结构示意图。

图3是本发明实施例二的量子点和量子阱材料混合结构示意图。

图4是本发明实施例的条形电流注入区的结构示意图。

具体实施方式

本发明的基于量子点和量子阱材料混合结构的超辐射发光管，如图1所示，包括由下而上依次设置的下电极1、衬底2、下分离限制层3、下渐变折射率波导层4、有源层5、上渐变折射率波导层6、上分离限制层7、盖层8、介质膜层9、上电极10构成。所述有源层5为量子点和量子阱材料混合结构。所述介质膜淀积在上分离限制层上，在介质膜上腐蚀出倾斜的条形电流注入区；条形电极注入区还可以通过介质膜分隔为多段的。

在本发明实施例一中，所述量子点和量子阱材料混合结构为由量子点层和量子阱层混合组成的两层或多层结构，材料为三五族半导体。所述两层结构由沿材料生长方向上的单个量子点层和单个量子阱层层叠构成，所述多层结构由沿材料生长方向上的多个量子点层和多个量子阱层层叠构成。

如图2所示，上述量子点和量子阱材料混合结构包括一下势垒层11和一上势垒层16。下势垒层11上长有量子阱层12或量子点层14，作为量子阱层12或量子点层14的载体，并起到限制载流子的作用。上势垒层16生长于最上一个量子点层14或量子阱层12之上。该上势垒层16与下势垒层11可以将载流子限制于量子点层14与量子阱层12之内。所述下势垒层11和上势垒层16之间设有一或多个量子点层14和一或多个量子阱层12。两相邻量子点层之间设有点点间隔层15，起到分割两相邻量子点层14的作用；相邻量子点层与量子阱层之间设有点阱间隔层13。

其中，量子点层14与量子阱层12为三五族材料，通过调节量子点层14与量子阱层12中材料的组份和量子点或量子阱的沉积量，就可以改变发光波长。如果含有多个量子点层14，各量子点层14的组份与沉积量可以相同，也可以不同；同一多量子点层内各层量子点的组份与沉积量可以相同，也可以不同。如果含有多个量子阱层12，各量子阱层的组份与沉积量可以相同，也可以不同；同一多量子阱层内各层量子阱的组份与沉积量可以相同，也可以不同。

其中，上势垒层16、点阱间隔层13、点点间隔层15与下势垒层11为三五族材料，通过调节材料的组份，使得材料的禁带宽度大于量子点层14材料的禁带宽度。上势垒层16、点阱间隔层13、点点间隔层15与下势垒层11的材料的组份可以相同，也可以不同。

量子阱和量子点的生长顺序可以是先生长量子阱层再生长量子点层，也可以是先生长量子点层再生长量子阱层，量子阱层和量子点层还可以交替生长。

在本发明实施例二中，所述量子点和量子阱材料混合结构由垂直于材料生长方向上的单个量子点区和单个量子阱区构成，或由垂直于材料生长方向交替设置的多个量子点区22和多个量子阱区23构成，材料为三五族半导体。

如图3所示，所述量子点区22可以含一或多个量子点层21，至少有一个量子点区22；所述量子阱区23可以是单量子阱层或多量子阱层，至少有一个量子阱区23。

上述量子点区和量子阱区的上电极是分开的，与下电极形成两个或多个泵浦区，中间设有电极隔离条区。

通过调节量子点层21中材料的组份和量子点的沉积量，就可以改变发光波长。如果含有多个量子点区22，各量子点区的组份与沉积量可以相同，也可以不同；如果含有多个量子点层21，同一多量子点区内各层量子点的组份与沉积量可以相同，也可以不同。

通过调节量子阱区23中量子阱层材料的组份和沉积量，就可以改变发光波长。如果含有多个量子阱区23，各量子阱区内量子阱的组份与沉积量可以相同，也可以不同；如果含有多个量子阱层，同一多量子阱区内各层量子阱的组份与沉积量可以相同，也可以不同。

各层量子点或量子阱夹在两间隔层之间。通过调节间隔层材料组分，使得材料的禁带宽度大于量子点层或量子阱层材料的禁带宽度。各间隔层的材料的组份可以相同，也可以不同。如果只有单量子点层或单量子阱层，就无需此间隔层。

量子阱区和量子点区的生长顺序可以是先生长量子阱区，光刻后再生长量子点区，也可以是先生长量子点区，光刻后再生长量子阱区。

器件条形电流注入区可以通过介质膜31分隔为多段的，使量子点区和量子阱区的电流注入区分开。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

有源区为：以InGaAsP为量子阱及量子点，AlGaInAs或InGaAsP为势垒。

按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。具体的步骤为：在InP衬底上先生长缓冲层，再生长下包层，SCH层，然后生长本发明的核心部分：量子点和量子阱材料混合有源区，先生长5层量子阱层，其中阱层的厚度为：5-8nm，垒层的厚度为：5-10nm之间，应变都在1.2%以内；然后生长多量子点层，量子点层有5个周期，间隔层3-10nm，发射中心波长在1.1um-1.7um范围（具体参数按设计不同而不同）。上述这些外延，在MOCVD上都可以实现精确控制。

实施例2：

有源区为：以InGaAsP为量子阱及量子点，AlGaInAs或InGaAsP为势垒。

按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。具体的步骤为：在InP衬底上先生长缓冲层，再生长下包层， SCH层，然后生长本发明的核心部分：量子点和量子阱材料混合有源区，先生长5层量子阱层，其中阱层的厚度为：5-8nm，垒层的厚度为：5-10nm之间，应变都在1.2%以内；光刻后，进一步通过湿法或干法刻蚀部分量子阱区，随后在刻蚀后的区域生长多量子点层，量子点层有5个周期，间隔层3-10nm，发射中心波长在1.1um-1.7um范围（具体参数按设计不同而不同）。此量子点和量子阱材料混合有源区的生长方式，也可是先生长5个周期的量子点层，光刻后再生长5层量子阱层。

实施例3：

如图4所示，在实施例2的基础上，生长完盖层8后沉积介质膜层9，光刻后形成多段条形电流注入区32，各段电流注入区通过可以通过介质膜31分隔开，使量子点区22和量子阱区23的电流注入区分开。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。