曲率渐变的弯曲波导量子点超辐射发光管及其制备方法
【专利摘要】本发明提出采用曲率渐变的弯曲波导量子点超辐射发光管及其制造方法。其包括衬底和位于衬底上的量子点增益介质，以及波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线分别是多项式的一部分、双曲线的一部分、椭圆的一部分。本发明的弯曲损耗随着曲率半径的减小而增加，为了够减小损耗。而且，本发明在不改变弯曲部分长度和最终偏离角度的情况下能够增大输出功率，仍然可以保持相似的光谱输出。
【专利说明】曲率渐变的弯曲波导量子点超福射发光管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体电子器件领域，尤其设及一种低损耗大功率的量子点超福射发 光管及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 超福射发光管是光纤巧螺仪，光学相干层析成像（简称OCT)系统中常用的光源， 由于超福射发光管具有较宽的光谱，因此使得光学相干层析成像系统具有较高的纵向分辨 率，但是在实际应用中，我们往往需要较大的输出功率来提高光学相干层析系统的动态范 围。传统的弯曲波导超福射发光管的弯曲部分采用的是曲率半径不变的一段圆弧，从而使 得在光传输过程中弯曲损耗系数不变，引起不可忽略的损耗，而如果将弯曲部分的形式改 为曲率半径变化的波导结构，该样可W使得在不同的地方的弯曲损耗系数变化，不仅可W 使得直条部分和弯曲部分的连接的地方连接在一起，而且可W减小弯曲损耗，增大光输出 功率。
【发明内容】
[0003] (一）要解决的技术问题
[0004] 本发明的目的在于提出低损耗大功率的量子点超福射发光管及其制备方法，使其 在弯曲部分长度不变，最终出光方向与出光端面法线方向的夹角不变的情况下实现较低的 损耗，从而在光学相干层析成像技术中提高测试动态范围。
[000引（二）技术方案
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出一种弯曲波导量子点超福射发光管，包括：衬 底；位于衬底上的量子点增益介质；波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线 为楠圆的一部分。 I~~
[0007] 根据本发明的一种【具体实施方式】，弯曲部分的公式为y = e -e 1 -^。 T J
[000引根据本发明的一种【具体实施方式】，所述弯曲部分的曲率半径是渐变的。
[0009] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述波导结构的最终偏离角与出光面法线的夹 角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
[0010] 根据本发明的一种【具体实施方式】，其外延结构依次为衬底、缓冲层、下包覆层、有 源区、上包覆层、欧姆接触层。
[0011] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述有源区为神化铜/神化嫁量子点结构。
[0012] 本发明还提出一种弯曲波导量子点超福射发光管的制备方法，包括：步骤S1 ;在 外延片上涂覆一层光刻胶；步骤S2 ;采用光刻方法刻蚀出波导结构，包括直段部分和弯曲 部分，弯曲部分的曲线的公式为y = e-^ ;步骤S3 ;采用腐蚀的方法将波导结构 图形转移到外延片上；步骤S4 ;将基片上的光刻胶去除；步骤S5 ;在基片上生长一层二氧 化娃绝缘层；步骤S6 ;在基片上再次涂覆光刻胶；步骤S7 ;在弯曲波导结构上开出电注入 窗口；步骤S8 ;去除光刻胶；步骤S9 ;在基片的背面和正面生长金属电极；步骤S10 ;退火完 成合金化。
[0013] 本发明另一方面提出一种弯曲波导量子点超福射发光管，包括；衬底；
[0014] 位于衬底上的量子点增益介质；波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的 曲线为双曲线的一部分。
[0015] 根据本发明的一种【具体实施方式】，，弯曲部分的公式为= +
[0016] 根据本发明的一种【具体实施方式】，弯曲部分的曲率半径是渐变的。
[0017] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述波导结构的最终偏离角与出光面法线的夹 角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
[0018] 根据本发明的一种【具体实施方式】，其外延结构依次为衬底、缓冲层、下包覆层、有 源区、上包覆层、欧姆接触层。
[0019] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述有源区为神化铜/神化嫁量子点结构。
[0020] 本发明还提出一种弯曲波导量子点超福射发光管的制造方法，包括：步骤S1 ;在 外延片上涂覆一层光刻胶；步骤S2 ;采用光刻方法刻蚀出弯曲波导结构，包括直段部分和 弯曲部分，弯曲部分的曲线的公式为V = Ct 1 + ;步骤S3 ;采用腐蚀的方法将波导结 乂 (t 构图形转移到外延片上；步骤S4 ;将基片上的光刻胶去除；步骤S5 ;在基片上生长一层二 氧化娃绝缘层；步骤S6 ;在基片上再次涂覆光刻胶；步骤S7 ;在波导结构上开出电注入窗 口；步骤S8 ;去除光刻胶；步骤S9 ;在基片的背面和正面生长金属电极；步骤S10 ;退火完成 合金化。
[0021] 本发明还提出一种弯曲波导量子点超福射发光管，包括；衬底；位于衬底上的量 子点增益介质；弯曲波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线为多项式的一部 分。
[0022] 根据本发明的一种【具体实施方式】，弯曲部分的公式为y = azi2+bz2 i。
[0023] 根据本发明的一种【具体实施方式】，弯曲部分的曲率半径是渐变的。
[0024] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述波导结构的最终偏离角与出光面法线的夹 角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
[0025] 根据本发明的一种【具体实施方式】，其外延结构依次为衬底、缓冲层、下包覆层、有 源区、上包覆层、欧姆接触层。
[0026] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述有源区为神化铜/神化嫁量子点结构。
[0027] 本发明还提出一种弯曲波导量子点超福射发光管的制造方法，包括：步骤S1 ;在 外延片上涂覆一层光刻胶；步骤S2 ;采用光刻方法刻蚀出弯曲波导结构，包括直段部分和 弯曲部分，弯曲部分的曲线的公式为y = az2 2+bz2 i;步骤S3 ;采用腐蚀的方法将所述波导 结构图形转移到外延片上；步骤S4 ;将基片上的光刻胶去除；步骤S5 ;在基片上生长一层 二氧化娃绝缘层；步骤S6 ;在基片上再次涂覆光刻胶；步骤S7 ;在所述波导结构上开出电 注入窗口；步骤S8 ;去除光刻胶；步骤S9 ;在基片的背面和正面生长金属电极；步骤S10 ;退 火完成合金化。
[002引 （S )有益效果
[0029] 本发明提出的低损耗大功率量子点超福射发光管能够在弯曲部分长度，最终偏离 角度不变的情况下实现大的功率输出，与传统的采用曲率半径为8. 2mm的圆弧的超福射发 光管功率有所增大；
[0030] 本发明提供的制备曲率半径渐变的弯曲波导量子点超福射发光管的方法简单，易 于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为弯曲部分采用楠圆的曲率半径渐变波导的量子点超福射发光管的平面图；
[0032] 图2为弯曲部分采用双曲线的曲率半径渐变波导的量子点超福射发光管的平面 图；
[0033] 图3为弯曲部分采用多项式的曲率半径渐变波导的量子点超福射发光管的平面 图；
[0034] 图4为外延片的结构简图；
[0035] 图5为超福射发光管器件的制备工艺流程图；
[0036] 图6为弯曲部分采用曲率半径为8. 2mm的圆弧，弯曲部分长度为1mm的弯曲波导 量子点超福射发光管的P-I模拟曲线；
[0037] 图 7 为弯曲部分采用 y = (e= 17. 607，f = 12,0《z《 1mm)的弯 曲波导量子点超福射发光管的P-I模拟曲线；
[003引图8为弯曲部分采用y = （C = 2, d = 4,0《Z《1mm)的弯曲波导 量子点超福射发光管的P-I模拟曲线；
[0039] 图 9 为弯曲部分采用 y = az2'2+bz2'i(a = -0. 159，b = 0. 225,0《Z《1mm)的弯 曲波导量子点超福射发光管的P-I模拟曲线。
【具体实施方式】
[0040] 本发明提出的曲率渐变的弯曲波导的量子点超福射发光管，包括：衬底和位 于衬底上的量子点增益介质，W及波导结构，波导结构包括直段部分和弯曲部分，弯曲 部分的曲线可W是楠圆的一部分、双曲线的一部分和多项式的一部分、，公式分别为 I~~声 I~~^ y = e-e、1-与，y = c、|l +与-C，y = az2'2+bz2'i，a、b、c、d、e、f 为参数，y、z 为平面 V / V d 坐标系的两个坐标。
[0041] 本发明还提出的弯曲波导量子点超福射发光管的制备方法，包括：
[0042] 步骤S1 ;在外延片上涂覆一层光刻胶；
[0043] 步骤S2 ;采用光刻方法刻蚀出弯曲波导结构，其包括直段部分和弯曲部分，弯曲 部分的曲率是渐变的；
[0044] 步骤S3 ;采用腐蚀的方法将波导结构图形转移到外延片上；
[0045] 步骤S4 ;将基片上的光刻胶去除；
[0046] 步骤S5 ;在基片上生长一层二氧化娃绝缘层；
[0047] 步骤S6 ;在基片上再次涂覆光刻胶；
[0048] 步骤S7 ;在曲波导结构上开出电注入窗口；
[0049] 步骤S8;去除光刻胶；
[0化日]步骤S9 ;在基片的背面和正面生长金属电极；
[0化^ 步骤S10 ;退火完成合金化。
[0052] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，W下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0053] 图1为弯曲部分采用楠圆的曲率半径渐变波导的量子点超福射发光管的平面图。 如图1所示，波导结构包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分采用楠圆少' = 1-二了，e、 V J f为参数，y、Z为平面坐标系的两个坐标，且0《Z《1mm。弯曲部分的波导结构的曲率是 渐变的。优选的，波导的最终偏离角与出光面法线的夹角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
[0054] 图2为弯曲部分采用双曲线的曲率半径渐变波导的量子点超福射发光管的平面 图。如图2所示，弯曲部分采用双曲线y = + c、d为参数，y、z为平面坐标系的 两个坐标，且〇《z《 1mm。弯曲部分的曲率半径是渐变的。优选的，波导的最终偏离角与 出光面法线的夹角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
[0化5] 图3为弯曲部分采用多项式的曲率半径渐变波导的量子点超福射发光管的平面 图。如图3所示，弯曲部分采用多项式y = az2 2+bz2 i，a、b是参数，y、z为平面坐标系的两 个坐标，0《Z《1mm。弯曲波导的曲率半径是渐变的，弯曲部分的曲率半径从正无穷开始 变化。优选的，波导的最终偏离角与出光面法线的夹角为7°，弯曲部分的长度为1mm。 [0化6] 请参阅图4,曲率半径渐变的弯曲波导量子点超福射发光管的外延片结构如下： 使用MBE方法在衬底2上依次沉积GaAs缓冲层3，n-AlGaAs下限制层4, InAs/GaAs量子点 有源区5, p-AlGaAs上限制层6, p+-GaAs欧姆接触层7,二氧化娃绝缘层8.
[0057] 请参阅图5,曲率半径渐变的弯曲波导量子点超福射发光管的制作工艺流程，包括 W下步骤：
[005引首先，在清洗干净的外延片上涂覆光刻胶，然后采用普通的光刻工艺在光刻胶刻 上弯曲波导结构。
[0化9] 接着，利用湿法腐蚀方法腐蚀上限制层7和欧姆接触层8,将光刻胶上的图形转移 到外延片上。
[0060] 然后，采用PECVD的方法在刻蚀出的沟槽上方和侧壁沉积厚度400皿的二氧化娃 绝缘层8。
[0061] 接着，采用光刻和湿法腐蚀工艺在欧姆接触层7上面开电注入窗口，并采用电子 束蒸发的方法制备铁金电极9。
[0062] 最后，将衬底减薄抛光后在n面生长金错镶背面电极1。
[006引其中外延片的有源层采用神化铜/神化嫁铜/神化嫁（InAs/InO. 15GaO. 85As/ GaAs)量子点结构，其中InAs量子点生长在GaAs层之上，InO. 15GaO. 85As应力缓解层覆盖 于InAs量子点之上，有源层覆盖含5?10个周期的InAs量子点结构。
[0064] 图7 为弯曲部分采用；； = (e = 17.607、f = 12、0《z《 1mm)的弯 曲波导量子点超福射发光管的P-I模拟曲线；图8为弯曲部分采用y = （c = 2、d = 4、0《z《1mm)的弯曲波导量子点超福射发光管的P-I模拟曲线；图9为弯曲部分 采用y = az2'2+bz2'i (a = -0. 159、b = 0. 225、0《Z《1mm)的弯曲波导量子点超福射发光 管的P-I模拟曲线。
[0065] 从图7?9可W看出，在弯曲波导量子点超福射发光管中，如果对弯曲波导采用曲 率渐变的结构，可W有效的增大光输出功率，在弯曲波导结构采用楠圆、双曲线和多项式结 构，从弯曲波导端输出的光功率分别增大了 7%、11%和20% (相对于弯曲波导端是曲率不 变的圆弧结构的超福射发光管）。
[0066] W上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，W上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【权利要求】
1. 一种弯曲波导量子点超福射发光管，包括： 衬底； 位于衬底上的量子点增益介质； 波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线为椭圆的一部分。
2. 根据权利要求1所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，弯曲部分的公式为
3. 根据权利要求2所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述弯曲部分的曲率半 径是渐变的。
4. 根据权利要求3所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述波导结构的最终偏 离角与出光面法线的夹角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
5. 根据权利要求1的量子点超辐射发光管，其特征在于，其外延结构依次为衬底、缓冲 层、下包覆层、有源区、上包覆层、欧姆接触层。
6. 根据权利要求5所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述有源区为砷化铟/砷 化镓量子点结构。
7. -种弯曲波导量子点超辐射发光管的制备方法，包括： 步骤S1 :在外延片上涂覆一层光刻胶； 步骤S2 :采用光刻方法刻蚀出波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线
步骤S3 :采用腐蚀的方法将波导结构图形转移到外延片上； 步骤S4 :将基片上的光刻胶去除； 步骤S5 :在基片上生长一层二氧化硅绝缘层； 步骤S6 :在基片上再次涂覆光刻胶； 步骤S7 :在弯曲波导结构上开出电注入窗口； 步骤S8 :去除光刻胶； 步骤S9 :在基片的背面和正面生长金属电极； 步骤S10 :退火完成合金化。
8. -种弯曲波导量子点超福射发光管，包括： 衬底； 位于衬底上的量子点增益介质； 波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线为双曲线的一部分。
9. 根据权利要求8所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，弯曲部分的公式为
10. 根据权利要求9所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，弯曲部分的曲率半径是 渐变的。
11. 根据权利要求10所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述波导结构的最终 偏离角与出光面法线的夹角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
12. 根据权利要求8的量子点超辐射发光管，其特征在于，其外延结构依次为衬底、缓 冲层、下包覆层、有源区、上包覆层、欧姆接触层。
13. 根据权利要求12所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述有源区为砷化铟/ 砷化镓量子点结构。
14. 一种弯曲波导量子点超辐射发光管的制造方法，包括： 步骤S1 :在外延片上涂覆一层光刻胶； 步骤S2 :采用光刻方法刻蚀出弯曲波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的
步骤S3 :采用腐蚀的方法将波导结构图形转移到外延片上； 步骤S4 :将基片上的光刻胶去除； 步骤S5 :在基片上生长一层二氧化硅绝缘层； 步骤S6 :在基片上再次涂覆光刻胶； 步骤S7 :在波导结构上开出电注入窗口； 步骤S8 :去除光刻胶； 步骤S9 :在基片的背面和正面生长金属电极； 步骤S10 :退火完成合金化。
15. -种弯曲波导量子点超福射发光管，包括： 衬底； 位于衬底上的量子点增益介质； 弯曲波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的曲线为多项式的一部分。
16. 根据权利要求15所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，弯曲部分的公式为y=
17. 根据权利要求16所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，弯曲部分的曲率半径 是渐变的。
18. 根据权利要求17所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述波导结构的最终 偏离角与出光面法线的夹角为7°，弯曲部分的长度为1mm。
19. 根据权利要求15所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，其外延结构依次为衬 底、缓冲层、下包覆层、有源区、上包覆层、欧姆接触层。
20. 根据权利要求19所述的量子点超辐射发光管，其特征在于，所述有源区为砷化铟/ 砷化镓量子点结构。
21. -种弯曲波导量子点超辐射发光管的制造方法，包括： 步骤S1 :在外延片上涂覆一层光刻胶； 步骤S2 :采用光刻方法刻蚀出弯曲波导结构，包括直段部分和弯曲部分，弯曲部分的 曲线的公式为
步骤S3 :采用腐蚀的方法将所述波导结构图形转移到外延片上； 步骤S4 :将基片上的光刻胶去除； 步骤S5 :在基片上生长一层二氧化硅绝缘层； 步骤S6 :在基片上再次涂覆光刻胶； 步骤S7 :在所述波导结构上开出电注入窗口； 步骤S8 :去除光刻胶； 步骤S9 :在基片的背面和正面生长金属电极； 步骤S10 :退火完成合金化。
【文档编号】H01L33/00GK104485403SQ201410854195
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】王飞飞, 吴艳华, 胡发杰, 金鹏, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所