大功率短波長(zhǎng)InAlGaAs/AlGaAs量子點(diǎn)超輻射發(fā)光管

王飛飛,李新坤,梁德春,金　鵬*,王占國(guó)

（1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，低維半導(dǎo)體材料與器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

大功率短波長(zhǎng)InAlGaAs/AlGaAs量子點(diǎn)超輻射發(fā)光管

王飛飛1,李新坤2,梁德春2,金鵬1*,王占國(guó)1

（1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，低維半導(dǎo)體材料與器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

為了滿足超輻射發(fā)光管的短波長(zhǎng)應(yīng)用，采用InAlGaAs/AlGaAs量子點(diǎn)有源區(qū)和干法刻蝕工藝制備了短波長(zhǎng)彎曲波導(dǎo)超輻射發(fā)光管。在1.6 A脈沖電流注入下，器件峰值輸出功率為29 mW，中心波長(zhǎng)為880 nm，光譜半高寬為20.3 nm。比較了干法刻蝕工藝和濕法腐蝕工藝對(duì)超輻射發(fā)光管器件性能的影響。在1.6 A脈沖電流注入下，濕法腐蝕制備的器件峰值輸出功率僅為7 mW。與濕法腐蝕相比，干法刻蝕可以精確控制波導(dǎo)形狀和參數(shù)，降低波導(dǎo)損耗，有效增大器件輸出功率。

超輻射發(fā)光管；自組織量子點(diǎn)；干法刻蝕

1 引 言

超輻射發(fā)光管（Superluminescent diode， SLD）是一種介于半導(dǎo)體激光器（Laser diode，LD）和發(fā)光二極管（Light emitting diode，LED）之間的半導(dǎo)體發(fā)光器件，它同時(shí)具有LD的大功率和LED的寬光譜的特性，因此在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，如外腔可調(diào)諧激光器［1］、光學(xué)相干成像（Optical coherence tomography，OCT）系統(tǒng)［2］、光纖陀螺儀［3-4］、光纖傳感器［5-6］等。由于超輻射過(guò)程指數(shù)形式的增益特性，使得在SLD研制過(guò)程中始終存在著輸出功率和光譜寬度相互制約的問(wèn)題。近年來(lái)，自組織量子點(diǎn)（Quantum dot，QD）由于其本征的尺寸非均勻性、多能態(tài)疊加及高效率的發(fā)光等特性，在大功率寬光譜超輻射發(fā)光管的研制中顯示出了特有的優(yōu)勢(shì)。孫中哲等［7］首先提出了采用自組織QD為有源區(qū)研制SLD的設(shè)想。張子旸等［8］在國(guó)際上首次研制出InAs/GaAs QD-SLD器件，連續(xù)工作輸出功率達(dá)到200 mW。劉寧等［9］通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)制備出了光譜寬度100 nm以上的InAs/GaAs QD-SLD器件。呂雪芹等［10］采用AlGaAs作為勢(shì)壘層研制出了光譜寬度為142 nm的QD-SLD器件。采用傾斜條形超輻射區(qū)與錐形光放大區(qū)單片集成的雙注入?yún)^(qū)QDSLD進(jìn)一步提高了器件的輸出功率［11-12］，并且可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光光譜與輸出功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)［13］。更進(jìn)一步，李新坤等采用倒裝焊工藝，實(shí)現(xiàn)了雙區(qū)超輻射器件的大功率、寬光譜連續(xù)工作［14］。GaAs基In（Ga）As自組織QD的發(fā)光波段通常在0.9～1.3 μm，采用大失配緩沖層技術(shù)可以把發(fā)光波長(zhǎng)延伸至1.55 μm以上［15］。而在實(shí)際應(yīng)用中，也會(huì)用到更短波長(zhǎng)的超輻射器件，例如在眼科OCT［16］系統(tǒng)中，800～900 nm波段的超輻射光源更為合適。這一波段的近紅外光在角膜、晶狀體等眼組織中的吸收和散射較小，是適合眼部成像的光學(xué)窗口。另外，在相同的光譜寬度下，短波長(zhǎng)更有利于提高OCT系統(tǒng)的軸向分辨率［17］。因此，梁德春等［18］采用InAlGaAs/Al-GaAs QD和濕法腐蝕工藝研制出了波長(zhǎng)884 nm的SLD器件，在5 A脈沖注入電流下，得到了18 mW的峰值輸出功率。

本文以應(yīng)變自組織InAlGaAs/AlGaAs QD為有源區(qū)，采用干法刻蝕工藝制備了彎曲波導(dǎo)SLD器件。為了進(jìn)行比較，在相同工藝參數(shù)條件下采用濕法腐蝕工藝制備了同類(lèi)器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干法刻蝕工藝能有效提高器件的輸出功率。文中討論了兩種波導(dǎo)制作工藝對(duì)波導(dǎo)橫截面形狀及波導(dǎo)損耗的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

器件結(jié)構(gòu)采用法國(guó)產(chǎn)Riber 32P分子束外延設(shè)備在n型GaAs襯底上生長(zhǎng)，其有源區(qū)為5層In0.45Al0.2Ga0.35As QD，每個(gè)量子點(diǎn)層之間以Al0.25-Ga0.75As勢(shì)壘層分隔。有源區(qū)的兩側(cè)分別是n-和p-AlxGa1-xAs（x=0.25～0.5）漸變折射率波導(dǎo)層，波導(dǎo)層的兩側(cè)分別是厚度為1.5 μm的n-和p-Al0.5Ga0.5As包覆層。為了制備p面歐姆接觸電極，在材料的最上面生長(zhǎng)一層厚度為250 nm的Be摻雜p+-GaAs，室溫空穴濃度為1×1019cm-3。圖1是器件的導(dǎo)帶示意圖，具體生長(zhǎng)條件可參閱文獻(xiàn)［16］。

圖1　InAlGaAs/AlGaAs QD-SLD的導(dǎo)帶示意圖Fig.1 Conduction band diagram of InAlGaAs/AlGaAs QD-SLD

分別采用干法刻蝕和濕法腐蝕工藝制備了彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)SLD器件。具體工藝如下：首先采用干法刻蝕（或濕法腐蝕）制作出一脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后采用化學(xué)汽相沉積方法生長(zhǎng)SiO2絕緣層，并采用普通光刻和濕法腐蝕的方法在脊上的SiO2絕緣層上腐蝕出一電注入窗口，接著采用電子束蒸發(fā)制備Ti/Au p面電極；完成p面電極后將襯底減薄至120 μm左右并拋光，采用電阻熱蒸發(fā)制備AuGeNi/Au n面電極；雙面電極完成后，在350℃溫度和氮?dú)夥諊锌焖贌嵬嘶? min以完成合金化；最后，將解理的管芯利用In焊料倒裝焊在無(wú)氧銅熱沉上，并利用金絲球焊機(jī)在管芯上壓焊引線，至此完成器件的制備。器件結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：脊寬4 μm，波導(dǎo)直條部分長(zhǎng)度2.5 mm，波導(dǎo)彎曲部分長(zhǎng)度1 mm，波導(dǎo)刻蝕深度2 μm。器件的光輸出功率和光譜測(cè)試均在室溫下進(jìn)行，采用脈沖電流注入，頻率為1 kHz，占空比為3%，測(cè)試所得輸出光功率為峰值功率。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證外延材料的質(zhì)量，我們首先制備了直條形脊形波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器，器件的腔長(zhǎng)為1.5 mm，脊寬為4 μm。圖2所示為該器件的單腔面輸出功率-電流（P-I）曲線和激射光譜。該器件的閾值電流為300 mA，在1 050 mA電流下的單面輸出功率為139 mW，發(fā)光波長(zhǎng)為889.7 nm。

圖2 InAlGaAs/AlGaAs QD激光器的P-I曲線和激射光譜Fig.2 P-I curve and lasing spectrum of InAlGaAs/AlGaAs QD laser

圖3所示為干法刻蝕和濕法腐蝕兩種工藝制作的SLD器件的功率-電流（P-I）曲線，顯示出了明顯的超輻射特性?？梢钥闯?，采用干法刻蝕工藝制備的SLD的輸出功率明顯大于采用濕法腐蝕工藝的同類(lèi)器件。在1.6 A脈沖電流注入下，前者的輸出功率為29 mW，而后者的輸出功率僅為7 mW。

圖3　干法刻蝕和濕法腐蝕制備的超輻射發(fā)光管的P-I曲線Fig.3 P-I curves of SLDs fabricated by dry and wet etching process

為了分析干法刻蝕和濕法腐蝕兩種工藝方法對(duì)器件輸出功率的影響，我們采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)SLD器件的波導(dǎo)橫截面進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖4所示。可以看出，采用干法刻蝕器件的波導(dǎo)側(cè)壁與外延方向是垂直的，截面形狀為規(guī)則的矩形，經(jīng)測(cè)量脊寬為4 μm；而采用濕法腐蝕的器件波導(dǎo)截面呈中間窄、上下寬的不規(guī)則形狀，中部最窄處以上基本呈倒置的梯形，俗稱(chēng)“倒臺(tái)”結(jié)構(gòu)。經(jīng)測(cè)量，側(cè)壁與水平夾角約為50°，臺(tái)面上部最寬處為4 μm，中部最窄處為3 μm?！暗古_(tái)”結(jié)構(gòu)的形成與濕法腐蝕過(guò)程中的側(cè)蝕效應(yīng)有關(guān)，有兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致“倒臺(tái)”波導(dǎo)器件的輸出功率偏低：第一，由于“倒臺(tái)”波導(dǎo)截面中部變窄且形狀不規(guī)則，導(dǎo)致波導(dǎo)的限制因子減?。坏诙?，與本文采用的是彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)光在彎曲波導(dǎo)中傳播時(shí)，光的路徑是變化的。如果采用“倒臺(tái)”波導(dǎo)，由于波導(dǎo)形狀不規(guī)則，光在傳播時(shí)有一部分不能在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行全反射，造成光的泄露。所以，不規(guī)則的“倒臺(tái)”結(jié)構(gòu)波導(dǎo)損耗更大。因此，濕法腐蝕的“倒臺(tái)”波導(dǎo)超輻射發(fā)光管的光輸出功率應(yīng)小于矩形波導(dǎo)器件的輸出功率。

圖4　干法刻蝕（a）和濕法腐蝕（b）制備的SLD的截面SEM照片F(xiàn)ig.4 Cross-section SEM images of SLDs fabricated by dry etching（a）and wet etching（b）

圖5　干法刻蝕工藝制備的SLD器件在不同電流下的輸出光譜（a）及光譜半高寬和中心波長(zhǎng)隨著電流的變化關(guān)系（b）Fig.5 Emitting spectra at different currents（a）and the spectral full-width at half-maximum and center wavelength as a function of the current（b）of SLD device prepared by dry etching process

干法刻蝕工藝制備的SLD器件在不同電流注入下的輸出光譜如圖5（a）所示，光譜的半高寬和中心波長(zhǎng)隨著注入電流的變化如圖5（b）所示。從圖5可以看出，在50～1 600 mA測(cè)試范圍內(nèi)，光譜中沒(méi)有出現(xiàn)激射成分，并且光譜的形狀接近高斯線型。在注入電流從50 mA增大至1 600 mA的過(guò)程中，器件的發(fā)光光譜的中心波長(zhǎng)從936 nm藍(lán)移至880 nm，光譜的半高寬從51.6 nm減小至20.3 nm。器件的發(fā)光光譜的峰位和半高寬隨著注入電流的變化與量子點(diǎn)的本征尺寸非均勻性以及載流子在量子點(diǎn)各能態(tài)之間的填充有關(guān)。在器件注入電流較小時(shí)，載流子首先填充到尺寸較大、能級(jí)較低的量子點(diǎn)中復(fù)合發(fā)光，這時(shí)器件的發(fā)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，光譜的半高寬較大，主要以自發(fā)發(fā)射為主；隨著注入電流的增大，載流子開(kāi)始填充到尺寸較小的量子點(diǎn)中或者有部分填充到能級(jí)較高的量子點(diǎn)中，并且受激輻射效應(yīng)增強(qiáng)，此時(shí)光譜寬度快速減小，波長(zhǎng)藍(lán)移，光輸出功率增大；進(jìn)一步增大注入電流，載流子開(kāi)始填充到量子點(diǎn)的較高能級(jí)，此時(shí)發(fā)光波長(zhǎng)繼續(xù)藍(lán)移，但是由于載流子對(duì)高能態(tài)的填充和光增益的共同影響，光譜的寬度變化不如小電流時(shí)明顯。

4 結(jié) 論

制備了InAlGaAs/AlGaAs短波長(zhǎng)量子點(diǎn)超輻射發(fā)光管，對(duì)比了干法刻蝕和濕法腐蝕兩種工藝制備的器件的光電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，干法刻蝕工藝能夠精確控制波導(dǎo)參數(shù)，波導(dǎo)損耗較小，器件具有大的光輸出功率，在1.6 A脈沖電流注入下，光輸出功率為29 mW，光譜的中心波長(zhǎng)和半高寬分別為880 nm和20.3 nm。輸出光譜的形狀接近高斯線型，該波段并具有高斯光譜線型的超輻射器件適合應(yīng)用于眼科成像的光學(xué)相干成像系統(tǒng)中。

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王飛飛（1988-），男，河北衡水人，博士研究生，2011年于天津理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事低維半導(dǎo)體材料與器件的研究。

E-mail：wangfeifei@semi.ac.cn

金鵬（1973-），男，遼寧沈陽(yáng)人，研究員，博士生導(dǎo)師，2001年于南開(kāi)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)、器件和物理的研究。

E-mail：pengjin@semi.ac.cn

High-power Short-wavelength InAlGaAs/AlGaAs Quantum-dot Superluminescent Diodes

WANG Fei-fei1，LI Xin-kun2，LIANG De-chun2，JIN Peng1*，WANG Zhan-guo1
（1.Key Laboratory of Semiconductor Materials Science and Beijing Key Laboratory of Low-dimensional Semiconductor Materials and Devices，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China；2.Beijing Institute of Aerospace Control Instruments，Beijing 100039，China）
*Corresponding Author，E-mail：pengjin@seai.ac.cn

In order to meet the short-wavelength applications of the superluminescent diodes，a bentwaveguide superluminescent diode was fabricated by using InAlGaAs/AlGaAs quantum-dot active region and dry etching process.The peak output power up to 29 mW with the wavelength centered at 880 nm and the full-width at half-maximum of 20.3 nm were obtained.Also the influences of wet etching and dry etching on the device properties were compared.At 1.6 A pulsed current injection，the peak output power of the device fabricated by wet etching is only 7 mW.Compared with wet etching，dry etching can precisely control the shape and parameters of the waveguide，leading to smaller waveguide loss and higher output power.

superluminescent diodes；self-assembled quantum dot；dry etching

TN383

A

10.3788/fgxb20163706.0706

1000-7032（2016）06-0706-05

2016-02-19；

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（61274072，61306087）；“863”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2013AA014201）資助項(xiàng)目