InP基長波長超輻射發(fā)光二極管的設(shè)計和制備

薛正群

摘 要：文章通過設(shè)計和優(yōu)化外延和芯片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)InP高功率掩埋結(jié)構(gòu)超輻射發(fā)光二極管芯片，測試結(jié)果顯示：500 mA下芯片室溫出光功率達(dá)到80 mW，增益譜寬超過40 nm，覆蓋范圍超過1 600 nm，芯片水平和垂直發(fā)散角分別為16°和18°，芯片可用于寬帶及窄線寬光源。

關(guān)鍵詞：InP；長波長；超輻射發(fā)光二極管；高功率；寬譜寬

0 引言

超輻射發(fā)光二極管（SLD）是一種單程自發(fā)輻射光放大器件，具備輸出功率高、寬譜寬特性，具有良好的方向性和相干特性，SLD作為獨立光源可應(yīng)用于光纖傳感、光纖陀螺等；同時，SLD作為增益芯片結(jié)合外腔封裝方案可實現(xiàn)窄線寬DFB光源[1]，而波長在1 600 nm以上激光光源，可以用在甲烷探測等特定應(yīng)用領(lǐng)域。

1 芯片設(shè)計與制備

對于InP激光器，通常脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由于橫向?qū)鈭龊洼d流子限制作用效果弱，導(dǎo)致芯片出光效率低、發(fā)散角大，器件功率難以提高。而采用掩埋異質(zhì)結(jié)（BH）結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)載流子和光子的橫向限制，改善載流子注入效率、降低發(fā)散角，提高出光功率和耦合效率，是目前提高激光器飽和出光功率的主要結(jié)構(gòu)。

其中，Psat為芯片飽和輸出光功率，d為量子阱厚度，w為有源區(qū)寬度，Г為增益區(qū)光場限制因子，h為普朗克常數(shù)，v為光子頻率，a為微分增益，τs為載流子壽命[2]。

1.1 增加芯片飽和輸出光功率的方法

增加量子阱厚度和寬度，通常采用長腔長結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高功率，然而更厚的量子阱將導(dǎo)致光子和載流子的縱向分布不均及空間燒孔，從而限制飽和輸出光功率；而增益區(qū)的寬度增加到一定程度將出現(xiàn)高階橫模、降低耦合效率，因此在實際設(shè)計過程中要充分平衡考慮上述因素。

（1）降低光限制因子Г。通過設(shè)計和調(diào)整光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對光場限制因子的調(diào)整以及對激光近場光斑的調(diào)整，并改善出光遠(yuǎn)場角度和耦合效率。

（2）降低微分增益a。通常在大電流注入下，越薄的激光器增益區(qū)，越容易實現(xiàn)增益飽和、降低微分增益。

（3）降低載流子壽命。通常載流子和光子相互作用，在高載流子注入密度下，越薄的增益區(qū)越有利于加快載流子復(fù)合過程、降低載流子壽命。

綜合考慮在實現(xiàn)高飽和輸出超輻射發(fā)光二極管時，采用長腔長的芯片結(jié)構(gòu)來提高芯片增益體積；采用較少層數(shù)的量子阱來降低大電流下的微分增益和載流子壽命，提高飽和出光功率；采用波導(dǎo)擴(kuò)展層來改善芯片的發(fā)光遠(yuǎn)場和發(fā)散角，降低增益區(qū)的光限制因子，提高飽和出光功率。

1.2 材料生長

采用InP/InGaAsP材料系來制備BH-SLD。將兩英寸N-InP襯底片在MOCVD腔體中，在PH3氛圍中500 ℃下烘烤20 min，生長1 μm的N-InP緩沖層；生長N-InGaAsP光場擴(kuò)展層，PL=1 050 nm；生長40 nm不摻雜InGaAsP下分別限制層，PL=1 100 nm；生長40 nm不摻雜InGaAsP下分別限制層，PL=1 200 nm；接著交替生長3層壓應(yīng)變量子阱和層張應(yīng)變量子壘，量子阱和壘的厚度分別為10 nm和10 nm，量子阱PL波長為1 620 nm；生長40 nm不摻雜InGaAsP上分別限制層，PL=1 200 nm；生長40 nm不摻雜InGaAsP上分別限制層，PL=1 100 nm；生長50 nm P-InP間隔；接著生長20 nm P-InGaAsP腐蝕停止層和20 nm P-InP蓋層，完成基片材料生長。

1.3 芯片工藝制備

用稀鹽酸去除片子表面InP蓋層，通過PECVD沉積200 nm介質(zhì)層，光刻、腐蝕介質(zhì)層和半導(dǎo)體材料至N型InP緩沖層，形成脊型結(jié)構(gòu)；將片子放入MOCVD腔體依次生長800 nm/800 nm/100 nm的P-InP/N-InP/P-InP載流子阻擋層，BOE去除片子表面的介質(zhì)層，接著在MOCVD腔體中依次生長P-InP間隔層，P-InGaAsP過渡層，P-InGaAs電接觸層，完成外延生長。

接著片子表面通過PECVD沉積200 nm的SiO2介質(zhì)層，光刻、腐蝕介質(zhì)層和半導(dǎo)體材料形成激光器的雙溝和臺面結(jié)構(gòu)；去除片子表面介質(zhì)層，PECVD沉積400 nm的SiO2鈍化層，光刻、腐蝕介質(zhì)層，形成解離區(qū)；接著光刻、腐蝕介質(zhì)層進(jìn)行臺面開孔；電子束蒸發(fā)P面金屬、減薄、蒸發(fā)N面金屬，合金形成歐姆接觸，解離成腔長1 750 μmbar條。

在芯片結(jié)構(gòu)上，筆者采用傾斜波導(dǎo)來抑制FP腔面的反饋增益，改善光譜，并采用優(yōu)化的Ta2O5/SiO2膜系實現(xiàn)了1 600 nm附近低于0.5%的反射率，作為出光端面；背光端面蒸鍍Al2O3/Si膜，反射率在10%附近，完成芯片制備。

2 測試結(jié)果與分析

將芯片封裝至熱沉上，通過TEC控溫和測試，結(jié)果顯示：500 mA電流下，芯片室溫出光功率達(dá)到80 mW，芯片-3 dB增益譜寬度超過40 nm，覆蓋波長范圍超過1 600 nm；通過測試光斑輪廓得到芯片水平和垂直發(fā)散角（FWHM）分別為：16°和18°（見圖1—4）。

3 結(jié)語

本文采用InP/InGaAsP材料BH-SLD，通過采用優(yōu)化的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計和芯片波導(dǎo)設(shè)計，實現(xiàn)了1 750 μm腔長芯片，在 500 mA連續(xù)電流下，芯片出光功率達(dá)到80 mW，光譜擬合增益譜寬度超過40 nm，波長范圍超過1 600 nm；芯片水平和垂直發(fā)散角分別為16°和18°，芯片可用于寬帶及窄線寬光源。

[參考文獻(xiàn)]

[1]高源.光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器頻率調(diào)諧技術(shù)研究[J].激光與紅外，2016（10）：1225-1229.

[2]PAUL W.J，JASON J.P，WILLIAM L，et al.High-Power，Low-Noise 1.5-μm Slab-Coupled Optical Waveguide （SCOW）Emitters：Physics，Devices，and Applications[J].IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics，2011（6）：1698-1714.

（編輯 姚 鑫）

Design and fabrication of InP based long wavelength superluminescent diodes

Xue Zhengqun

（1.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter， Chinese Academy of Science， Fuzhou 350002， China；2.FuJian Z.K. Litecore，Ltd.， Fuzhou 350002， China）

Abstract：InP high power BH-SLD is realized by designing and optimizing epitaxy and chip structure. Tested results show that： Under 500mA， the output power of SLD reaches 80mW at room temperature， gain spectrum width is more than 40nm which range over 1600nm， and the horizontal and vertical divergence angles of the chip are 16 ° and 18 ° respectively. The SLD can be used for broadband and narrow linewidth light source.

Key words：InP；long wavelength；SLD；high power；broad spectrum width