低偏振高功率1 310 nm超輻射發(fā)光二極管的液相外延生長(zhǎng)

周 勇，段利華，2*，張 靖，劉尚軍，韓偉峰，黃 茂

(1.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060； 2.重慶大學(xué)應(yīng)用物理系，重慶 400044)

低偏振高功率1 310 nm超輻射發(fā)光二極管的液相外延生長(zhǎng)

周 勇1，段利華1，2*，張 靖1，劉尚軍1，韓偉峰1，黃 茂1

(1.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060； 2.重慶大學(xué)應(yīng)用物理系，重慶 400044)

對(duì)新月形超輻射發(fā)光二極管的液相外延生長(zhǎng)過程進(jìn)行了機(jī)理分析。利用Matlab軟件對(duì)建立的非平面生長(zhǎng)模型進(jìn)行了理論計(jì)算，并利用掃描電鏡(SEM)對(duì)液相外延生長(zhǎng)的形貌進(jìn)行了分析，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)了獲得低偏振、高功率超輻射發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)研制的超輻射發(fā)光二極管芯片在100 mA工作電流、25℃工作溫度下輸出功率達(dá)到3.6 mW，相應(yīng)的輸出波長(zhǎng)為1 306 nm，光譜半寬為39 nm，光譜波紋為0.17 dB，偏振度為2%。

超輻射發(fā)光二極管；低偏振度；高功率；液相外延

1 引 言

超輻射發(fā)光二極管(SLD)的性能介于激光二極管與發(fā)光二極管之間，具有短相干長(zhǎng)度、低噪聲以及寬光譜等優(yōu)點(diǎn)，是用于光纖陀螺［1］、光學(xué)傳感［2］等領(lǐng)域的理想光源。實(shí)際的SLD光源發(fā)射的是部分偏振光，大部分的功率在平行于半導(dǎo)體結(jié)的水平偏振中，并且在相同驅(qū)動(dòng)電流下，光源出射光的偏振度會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而波動(dòng)，在光纖陀螺中會(huì)導(dǎo)致偏振相位誤差。光源出射的光的偏振度越高，其出射光的偏振態(tài)對(duì)外界環(huán)境越敏感。通過在光源后面使用消偏器可以實(shí)現(xiàn)2%～5%的低偏振度［3］，不過這種途徑需要考慮技術(shù)成本等問題。近年來(lái)，關(guān)于SLD的研究主要集中在～0.8［4］，～1.0［5］，～1.3［6］，～1.5μm［7］波段。人們通過采用腔面鍍抗反射膜、非泵浦吸收區(qū)以及傾斜腔面等技術(shù)來(lái)抑制F-P腔內(nèi)的光振蕩以實(shí)現(xiàn)低光譜波紋。為了實(shí)現(xiàn)SLD高功率輸出，Yoo等［8］提出了“V”溝結(jié)構(gòu)、Xin等［9］提出了多段圖形結(jié)構(gòu)等SLD制作技術(shù)。Khan等［10］通過采用量子阱和量子線等技術(shù)，提高了SLD的光譜半寬。隨著對(duì)應(yīng)變結(jié)構(gòu)材料研究的進(jìn)步，偏振不敏感半導(dǎo)體光放大器(SOA)與SLD器件得以實(shí)現(xiàn)，SOA與SLD的偏振度普遍降低至1 dB(～10%)的水平［11-13］。劉科等［14］采用MOCVD生長(zhǎng)混合應(yīng)變量子阱的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)SLD，在100mA注入電流下，裸管芯的輸出功率為3.5 mW，偏振度為0.3 dB。由于具有更好的圖形對(duì)稱性，方塊狀的體材料有源區(qū)比量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)更容易實(shí)現(xiàn)偏振不敏感。掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)(BH)的橫向折射率差遠(yuǎn)大于脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能更好地實(shí)現(xiàn)光源與光纖的有效耦合、線性光-電流特性、穩(wěn)定的基橫模以及良好的漏電流限制，有利于實(shí)現(xiàn)低偏振、大功率輸出。

液相外延生長(zhǎng)技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、外延層界面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于Ⅲ-Ⅴ族材料的制備［15-18］。為了提高輸出功率，我們?cè)鴮?duì)雙溝平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DCPBH)SLD的漏電機(jī)理進(jìn)行了擬合分析，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流限制較為理想的掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)［19］。針對(duì)光纖陀螺等領(lǐng)域的應(yīng)用，本文就掩埋新月形(BC)結(jié)構(gòu)的液相外延生長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究分析，通過采用體材料有源區(qū)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低偏振度、高功率的SLD器件。

2 理論分析

2.1 基橫模條件

SLD外延片采用兩步外延工藝制作。一次外延采用MOCVD生長(zhǎng)，在n-InP襯底上依次生長(zhǎng)n-InP緩沖層、p-InP電流阻擋層和n-InP限制層。然后，通過光刻工藝在一次外延片上沿〈011〉晶向刻蝕出寬約1.8μm、深約2.5μm的燕尾槽。二次液相外延在溝道襯底上依次生長(zhǎng)n-InP緩沖層、InGaAsP下波導(dǎo)層、InGaAsP有源層、InGaAsP上波導(dǎo)層、p-InP限制層和n-InGaAsP頂層。外延生長(zhǎng)完成后，在燕尾槽上方刻蝕窗口，并通過p型Cd擴(kuò)散形成電流通道。SLD層次結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

圖1 (a)SLD層次結(jié)構(gòu)示意圖；(b)分析導(dǎo)模時(shí)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)。Fig.1 (a)Schematic diagram of layers structure of SLD. (b)Coordinate system for guided modes.

圖1(b)為分析導(dǎo)模時(shí)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)。從BC激光器導(dǎo)模的性質(zhì)出發(fā)，認(rèn)為新月形有源區(qū)為一個(gè)被包層覆蓋的拋物線波導(dǎo)，有源層厚度d(x)隨x呈拋物線變化［20］：

式中，d0為有源層中心厚度，W為沿x方向的有源層寬度。若有源區(qū)的折射率為n1，InP包層的折射率為n2，對(duì)于薄的有源層以及弱波導(dǎo)情況下，拋物線波導(dǎo)的模截止寬度Wc為：

其中，m=1，2…。取n1=3.358，n2=3.162，λ0= 1.3μm，可求出基橫模截止時(shí)的Wcd0=0.302 μm2。圖2為計(jì)算出的各階模截止條件。

圖2 各階模截止條件Fig.2 Cut-off conditions of differentmodes

我們生長(zhǎng)的有源層厚度典型值為d0=0.15 μm。為獲得穩(wěn)定的基橫模輸出，有源層的寬度最大不能超過2μm。采用的光刻圖形為溝道寬1.8μm、深2.5μm的燕尾槽結(jié)構(gòu)，燕尾槽底部的寬度為5μm。這種燕尾槽結(jié)構(gòu)在掩埋生長(zhǎng)時(shí)不容易實(shí)現(xiàn)窄條寬的生長(zhǎng)，而為了實(shí)現(xiàn)基橫模、高功率輸出，減小有源層的條寬是必須的。有源層的形狀直接受二次外延時(shí)第一層n-InP生長(zhǎng)的影響。第一層生長(zhǎng)時(shí)間短，有源層位置低、寬度大，如圖3(a)所示，有源層寬度為2.72μm。增加n-InP層的生長(zhǎng)時(shí)間可以抬高有源層的位置使其向燕尾槽口偏移，這樣可以略微減小有源層的寬度，但是容易出現(xiàn)槽口回熔塌邊增加漏電，如圖3(b)所示，有源層的寬度為2.45μm。為了有效地縮小有源層條寬同時(shí)抑制槽口的回熔，我們對(duì)二次外延時(shí)第一層n-InP的外延生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了分析。

圖3 液相外延生長(zhǎng)截面SEM圖Fig.3 SEM sectional views of the SLD grown by LPE

2.2 生長(zhǎng)機(jī)理分析

二次液相外延第一層n-InP的生長(zhǎng)厚度以及所形成界面的曲率直接決定了第二層有源層的生長(zhǎng)形狀。溝道內(nèi)的生長(zhǎng)速率是不同的，拐角處的生長(zhǎng)速率比平面的快。由于局部的快速生長(zhǎng)導(dǎo)致熔源中缺磷，拐角處的快速生長(zhǎng)致使溝道底部中間的生長(zhǎng)緩慢［21］。

對(duì)于實(shí)際有用的幾種非平面結(jié)構(gòu)，可將固-液界面分解為扇形“基元”，以建立非平面LPE生長(zhǎng)的理論模型。如圖4(a)所示，選用通常的極坐標(biāo)系，其中0≤θ0≤2π，近邊區(qū)生長(zhǎng)滿足如下方程［17］：

略去馳豫項(xiàng)，可以得到在近邊區(qū)的生長(zhǎng)層厚度為：

圖4 (a)非平面結(jié)構(gòu)的基本模型；(b)燕尾槽示意圖。Fig.4 (a)Fundamental model of curved surface.(b) Schematic diagram of dovetail groove.

用這種“基元”組成燕尾槽，如圖4(b)所示。不管是理論預(yù)期還是實(shí)際生長(zhǎng)情況，在圖4(b)中的A點(diǎn)處，即溝道底部的中間生長(zhǎng)是比較緩慢的。為方便計(jì)算，第一層在A點(diǎn)處外延生長(zhǎng)的厚度認(rèn)為是燕尾槽底部?jī)蓚€(gè)角在此處生長(zhǎng)厚度的疊加。于是，A點(diǎn)處的厚度為：

利用Matlab軟件對(duì)上述模型進(jìn)行擬合計(jì)算，參數(shù)選取D=4×10-4cm2/s，K=10-2cm/s［17］。圖4(b)中A點(diǎn)處生長(zhǎng)厚度與生長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。從理論曲線可以看到，在生長(zhǎng)時(shí)間少于3 s時(shí)，A點(diǎn)處無(wú)外延層生長(zhǎng)。隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，生長(zhǎng)厚度開始時(shí)較快，然后趨于緩慢。剛開始時(shí)，由于拐角處優(yōu)先生長(zhǎng)導(dǎo)致局部溶質(zhì)飽和度降低，在短時(shí)間內(nèi)A點(diǎn)處無(wú)法生長(zhǎng)。計(jì)算時(shí)我們假定A點(diǎn)處厚度是兩個(gè)厚度的近似疊加，落入溝道內(nèi)的溶液同時(shí)為兩個(gè)角的生長(zhǎng)提供溶質(zhì)，局部溶質(zhì)更容易耗盡，生長(zhǎng)速度變緩，厚度值相對(duì)于獨(dú)立的一個(gè)角所處情況要小，所以生長(zhǎng)初期A點(diǎn)處的實(shí)際值略小于理論值。隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行，拐點(diǎn)優(yōu)勢(shì)逐漸消失，A點(diǎn)開始快速生長(zhǎng)。而后由于溝道內(nèi)溶液的溶質(zhì)逐漸耗盡，所以生長(zhǎng)變慢。如果繼續(xù)生長(zhǎng)，則非常容易引起燕尾槽肩部回熔，導(dǎo)致溶液中溶質(zhì)含量上升，生長(zhǎng)速度加快，此時(shí)的實(shí)際值高于理論值。

圖5 A點(diǎn)處第一層n-InP生長(zhǎng)厚度與生長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Thickness of n-InP layer at point A vs.growth time

為了便于顯結(jié)觀察，我們?cè)趎-InP層前增加一層非摻雜的InGaAsP層進(jìn)行外延生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)時(shí)間分別為1，2，3 s，生長(zhǎng)形貌如圖6(a)～(c)所示。從圖6(c)可以看到，當(dāng)生長(zhǎng)時(shí)間為3 s時(shí)，燕尾槽溝底中間A點(diǎn)處未能長(zhǎng)上，但是拐角處的優(yōu)先生長(zhǎng)并不明顯，這可能與生長(zhǎng)的材料體系有關(guān)。我們將這一層InGaAsP層換成p-InP層，生長(zhǎng)時(shí)間為2 s(圖6(d))，可以看出拐角優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)明顯，且A點(diǎn)處未長(zhǎng)上。在n-InP層前增加一層p-InP有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)在燕尾槽溝底兩側(cè)形成了反向pn結(jié)電流限制，減小了漏電通道；(2)燕尾槽底角的填充有利于n-InP層生長(zhǎng)后形成“U”型界面，從而縮小有源層的寬度，圖6(d)中有源層的寬度為1.9μm；(3)底角填充后局部區(qū)域快速生長(zhǎng)消失，外延生長(zhǎng)與溶質(zhì)輸運(yùn)達(dá)到一定平衡從而抑制了燕尾槽肩部回熔，也減少了漏電通道。所以，增加p-InP層的生長(zhǎng)有利于實(shí)現(xiàn)高功率的輸出。

圖6 液相外延生長(zhǎng)后的截面SEM圖，在n-InP之前增加了一層生長(zhǎng)時(shí)間分別為1 s(a)，2 s(b)，3 s(c)的非摻雜InGaAsP，或一層生長(zhǎng)時(shí)間為2 s的p-InP(d)。Fig.6 SEM sectional views of SLD grown by LPE，an InGaAsP layer grown with 1 s(a)，2 s(b)，3 s (c)or p-InP layer grown with 2 s(d)was added before n-InP layer，respectively.

3 結(jié)果與討論

圖7 芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic drawing of SLD chip

我們?cè)诙我合嗤庋由L(zhǎng)n-InP緩沖層前增加一層生長(zhǎng)時(shí)間為2 s的p-InP，然后利用常規(guī)工藝制作SLD芯片，芯片結(jié)構(gòu)如圖7所示。有源發(fā)光區(qū)長(zhǎng)300μm。非泵浦吸收區(qū)采用直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為600μm。在距芯片后端面200μm處制作有Ti/Pt/Au p面電極，用于接地，它可以吸收SLD后向光泄露至限制層的光子從而減少后端面光的反射，降低SLD輸出光的光譜波紋。兩個(gè)p面電極之間的高摻雜InGaAsP頂層被腐蝕以增加電極間的電阻。在經(jīng)過n面減薄后，利用熱蒸發(fā)制作n面電極AuGeNi/Au。為了抑制腔內(nèi)的激射振蕩，在兩腔面鍍1/4波長(zhǎng)厚度的ZrO2增透膜。利用鉛錫將芯片燒焊至AlN熱沉上，AlN熱沉置于致冷器上以控制SLD的工作溫度。

在100 mA連續(xù)工作(CW)電流、25℃工作溫度下，對(duì)SLD芯片進(jìn)行光電性能測(cè)試。其輸出波長(zhǎng)為1 306 nm，相應(yīng)的光譜半寬為39 nm，光譜波紋為0.17 dB，如圖8所示。圖9為芯片的L-IV曲線，其在100mA下的輸出功率達(dá)到3.6mW，相應(yīng)的偏振度為2%。芯片相對(duì)輸出功率隨偏振角度的變化如圖10所示。

圖8 芯片典型的光譜曲線Fig.8 Typical spectrum of SLD

圖9 芯片典型的L-I-V曲線Fig.9 Typical L-I-V curves of SLD

圖10 芯片相對(duì)功率隨偏振角度的變化Fig.10 Relative light of SLD vs.polarization angle

4 結(jié) 論

通過理論計(jì)算得出了燕尾槽新月形結(jié)構(gòu)SLD基橫模穩(wěn)定輸出的條件。在此基礎(chǔ)上，通過建立的非平面生長(zhǎng)模型對(duì)液相外延生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了分析，并通過理論與實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)了低偏振、高功率SLD的外延結(jié)構(gòu)。在100 mA工作電流、25℃工作溫度下，利用該結(jié)構(gòu)研制的SLD芯片的輸出光功率達(dá)到3.6 mW，相應(yīng)的輸出波長(zhǎng)為1 306 nm，光譜半寬為39 nm，光譜波紋為0.17 dB，偏振度為2%。該低偏振度、高功率SLD器件可以作為光源用于光纖陀螺、光纖傳感等領(lǐng)域。

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1 310 nm Polarization-insensitive High Power Superlum inescent Diodes Fabricated by Liquid Phase Epitaxy

ZHOU Yong1，DUAN Li-hua1，2*，ZHANG Jing1，LIU Shang-jun1，HANWei-feng1，HUANG Mao1
(1.Chongqing Optoelectronics Research Institute，Chongqing 400060，China；2.Department of Applied Physics，Chongqing University，Chongqing 400044，China) *Corresponding Author，E-mail：dlhsemi@163.com

Theoretical analyses of growing processesweremade in the case of superluminesecnt diode with crescent structure by liquid phase epitaxy(LPE)，which could perfectly explain some phenomena in experiments of LPE on curved InP surfaces.The results of numerical calculation were consistentwith the experimental results.The epitaxy structure was optimized to enhance the output power and reduce the polarization of the SLD.As a result，polarization dependence as low as 2% and 3.6 mW output powerwere obtained at100mA and 25℃heat-sink temperature，corresponding to 39 nm spectralwidth with spectralmodulation of less than 0.17 dB.

superluminescent diode；polarization insensitive；high power；liquid phase epitaxy

1000-7032(2015)01-0069-06

TN248.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

10.3788/fgxb20153601.0069

2014-09-22；

2014-11-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(11304405)資助項(xiàng)目

周勇(1964-)，男，重慶人，高級(jí)工程師，1985年于成都電子科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器件的研究。E-mail：coeri127@163.com

段利華(1980-)，男，廣西桂林人，高級(jí)工程師，2005年于重慶大學(xué)得獲碩士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器件的研究。E-mail：dlhsemi@163.com