大功率低偏振度超輻射發(fā)光二極管的研制

李吳皓,王定理,李中坤,單靜春,黃曉東,湯 寶

(武漢光迅科技股份有限公司,湖北 武漢 430074)

1 引 言

超輻射發(fā)光二極管(Super-radiation light-emitting diode,SLED),其光學性質介于半導體激光器(Laser Diode,LD)和半導體發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)之間[1-3],它產生激光的波長范圍要比LD更寬,相干時間長度要比LD更短,它的輸出信號功率也比LED高,具有較寬的光譜和超大功率等諸多優(yōu)點。由于采用了相干長度短的寬光譜SLED作為光源,光學相干層析技術具有成像速度快、軸向分辨率高的優(yōu)點。另外,SLED也可在可調諧外腔激光器、光波分復用器以及其他光纖傳感器領域也有著廣泛的應用[4]。

SLED是一種基于自發(fā)輻射的光放大元件。向器件中輸入正向電流,有源層內反轉分布的電子從導帶躍遷到價帶或雜質能級時,與空穴復合而釋放出光子。而在F-P型(Fabry-Perot resonator)半導體激光器中,當閾值電流遠遠小于輸入電流時,光子在前后端面之間往返振蕩。隨著輸入電流的增大,諧振腔內的光子增益大于或等于內部的光量損耗,從而形成激光輸出。而在SLED芯片中,在理想情況下芯片端面反射率R=0,它的輸出光為非相干光,同時諧振腔內傳播的光會受到增益,使得調制光譜和發(fā)散角變窄,調制帶寬也隨之增大。

SLED芯片的設計與制作工藝之前已有很多論文進行過研究[5-10],但是大多出光功率較低,或者是具有高的偏振消光比。而本論文中所設計的SLED芯片具有大的出光功率,同時具有低的偏振消光比以及寬的光譜帶寬。該SLED有源區(qū)采用多量子阱的張壓混合應變,以實現低的偏振消光比。芯片在制備時采用掩埋異質結構(Buried Heterostructure,BH),該結構的條形有源區(qū)被低折射率的材料包圍,且有源區(qū)有著較高的折射率。沿結平面形成的臺階,它的側向折射率可以達到0.2,而單純由載流子引起的折射率變化也只能達到10-3個數量級。為了更好地提高其偏振特性以及將光模場限制在掩埋有源區(qū)內,我們將其波導形狀設計為矩形[1]。

2 芯片結構設計和制作

2.1 芯片結構設計

如圖1所示,SLED芯片采用平面掩埋異質結構。最表面是InGaAs歐姆接觸層,下面的結構依次為p型InP,n型InP,p型InP,n型InP,這種p-n-p-n結構,能有效限制電流,以實現低的閾值以及高的發(fā)光效率,其中有源區(qū)采用張壓混合應變的多量子肼結構(MQW active)。另外芯片還采用斜腔波導結構,波導傾斜角度為7°,傾斜的波導結構可以減少反射光耦合進入有源區(qū)中,以降低光譜紋波(Ripple)。芯片分為前后兩段,前段為發(fā)光區(qū),后段為吸收區(qū),前后兩段之間去除了InGaAs層以便實現電學隔離。另外為了更好地降低光譜紋波,對芯片的前后出光端面鍍制反射率小于0.1 %的增透膜。

圖1 SLED芯片外延結構圖

2.2 芯片工藝制作

BH-SLED芯片主要制作工藝流程為,首先進行一次外延片的MOCVD外延生長,芯片基底材料為InP,有源區(qū)采用InGaAsP材料體系的混合應變的多量子阱結構,共含有10對阱壘,阱壘的厚度均為6 nm。然后采用SiO2作為掩膜進行波導刻蝕,波導的設計寬度為1.6 μm。為保證波導寬度、深度的一致性以及完美的臺型,我們采用干法刻蝕以及濕法腐蝕相結合的方式進行波導臺階制作。以CH4/H2/O2混合氣體為介質,利用反應離子刻蝕法刻蝕InP/InGaAsP。如圖2為掃描電鏡觀察到的干法刻蝕后的波導側面圖,可以看到有明顯的刻蝕輪廓圖案,上面一層為SiO2掩模,刻蝕的垂直深度約0.5 μm。符合我們的設計要求。

圖2 干法刻蝕側面圖

干法刻蝕后,接著進行波導臺階的濕法腐蝕,本論文采用的腐蝕液為Br2∶HBr∶H2O,其中Br2做為氧化劑,其腐蝕機理是材料先被氧化劑氧化,產生的氧化物被稀釋的酸溶液(HBr)溶解掉。由于InP和InGaAsP在腐蝕液中被腐蝕的速率不同,所產生的臺面?zhèn)缺谕ǔ１容^粗糙,臺型也不完美。本論文通過調整Br2∶HBr∶H2O腐蝕液的配比,對不同的腐蝕液進行對比實驗,以便產生深度合適且光滑的臺面?zhèn)缺?。幾種溶液具體配比如表1所示,其中的比例為摩爾質量比。

表1 溶液配比表

圖3(a)、(b)、(c)、(d)表示不同配比的腐蝕液所腐蝕出的臺型側面掃描電鏡圖。

圖3 不同配比的腐蝕液腐蝕的材料側面掃描電鏡圖

當溶液中HBr含量比例相對較小時(腐蝕液A),腐蝕出的臺面形狀如圖3(a)所示,可明顯看出其中MQW層有腐蝕凹槽,這是由InGaAsP在腐蝕液中被腐蝕的速率要快于InP導致的。

當溶液中HBr含量比例相對較大時(腐蝕液B),InGaAsP在腐蝕液的腐蝕速率反而慢于InP,MQW層周圍有一個凸起,如圖3(b)所示。

當采用腐蝕液C時進行腐蝕時,腐蝕結果如圖3(c),可看出臺面?zhèn)缺诤芄饣?此時腐蝕InP和InGaAsP的速率基本相同。當我們采用腐蝕液D進行腐蝕時,腐蝕結果如圖3(d),可以看到臺面?zhèn)缺谟新晕⒉幻黠@的凸起,總體看下來還是很光滑。

通過以上系列實驗對比可知,當采用少量的HBr時,此時Br2的濃度相對較高,它腐蝕四元層的速率要比InP快,因此在InGaAsP有源層區(qū)產生凹槽。另外由于此時溶液的酸度不足,產生的氧化物無法被酸及時溶解而殘留在表面,所以側面呈現凹凸不平的形貌。當采用過量的HBr時,InP在強酸溶液中會被大幅度腐蝕,是由于InP在強酸中不再穩(wěn)定,會被氧化成H3PO4、H3PO3等物質,因此在InGaAsP有源層區(qū)產生凸起狀。實驗結果表明,Br2∶HBr∶H2O的最佳摩爾濃度比在1∶25∶100～1∶75∶100之間。它可以以相同的速率腐蝕InP和InGaAsP,能得到光滑的波導側面,以便降低芯片的光傳輸損耗。

刻蝕完波導經清洗干凈后,接著進行二次MOCVD掩埋生長P-N-P阻擋層。在去除一次外延片表面的SiO2層后,接著進行第三次MOCVD掩埋生長P-InP層,以及表面p-InGaAs緩沖層,目的是為了減少接觸電阻。材料生長完后,接著進行P面電極制作,減薄以及N面電極等后工藝的制作。

圖4為制作實際制作的SLED芯片發(fā)光端面的掃描電鏡照片,中間有源區(qū)的寬度約為1.6 μm,兩側為P-N-P-N掩埋異質結構,能對光電特性起到很好的限制作用。

圖4 SLED芯片側面SEM圖

3 芯片性能測試與分析

3.1 芯片PIV特性

在室溫25 ℃下,本文對所制作的SLED芯片進行了PIV特性測試。如圖5所示,當工作電流為250 mA時,芯片的出光功率達到20 mW以上,電壓值小于1.4 V,串聯(lián)電阻值小于3 Ω。

圖5 SLED芯片PIV特性曲線

通常半導體激光器由于有源區(qū)材料以及波導結構的原因,只存在一個主要的偏振模式,其電場矢量平行于有源區(qū)平面(TE模),而電場矢量垂直于有源區(qū)平面的分量(TM模)光功率很小,偏振消光比約20 dB。本文所制作的超輻射發(fā)光二極管由于優(yōu)化設計了混合應變的多量子阱有源區(qū),以及采用具有良好對稱波導結構的掩埋異質結構,因此具有很低的偏振消光比。圖6為SLED芯片在不同電流下的偏振消光比(PER),其定義為PER=10×log(PTE/PTM),其中PTE表示TE模的光功率,PTM表示TM模的光功率。由該圖可知,在整個工作電流范圍內,芯片的PER值均優(yōu)于0.5 dB。

圖6 SLED芯片PER特性曲線

3.2 芯片光譜特性

本文測試了SLED芯片在室溫下100 mA電流下的光譜特性,結果如圖7所示。可知芯片的中心波長約為1315 nm,3 dB光譜寬度超過50 nm。由于本論文所制作的SLED芯片采用了傾斜的波導結構,并在芯片前后端面鍍制增透膜,光譜具有很小的調制度。圖7插圖為SLED芯片在峰值波長處的光譜放大圖,由該圖可看出,該光譜紋波小于0.1 dB。

圖7 SLED光譜特性曲線

3.3 芯片發(fā)散角

我們分別測試了SLED芯片的兩個偏振模式的水平和垂直發(fā)散角。圖8(a)和圖8(b)分別為TE模和TM模的遠場發(fā)散角。由圖8(a)可知TE模的水平發(fā)散角為33°,垂直發(fā)散角為37°。由圖8(b)可得TM模的水平發(fā)散角為32°,垂直發(fā)散角為35°。由測試結果可知,TE模與TM模均具有較好且相似的圓形光斑,以便提高光纖的耦合效率,而且使得兩個偏振模式的光纖耦合效率盡量一致,以便出纖的耦合輸出光同樣具有低的偏振消光比。

圖8 SLED芯片TE發(fā)散角和SLED芯片TM發(fā)散角

綜合以上測試結果,SLED芯片在25 ℃下的性能參數如表2所示。

表2 SLED芯片典型特性參數

4 結 論

本論文設計并制作了具有掩埋異質結構以及傾斜波導結構的SLED芯片,并研究了它的光電轉換特性。芯片在100 mA工作電流下,輸出功率達到8 mW,偏振消光比小于0.5 dB,光譜寬度大于50 nm,紋波小于0.1 dB。該芯片具有出光功率大,低偏振消光比,寬光譜帶寬以及紋波低的特點,可用于光纖傳感器、光時域反射儀等領域,同時也可替代半導體激光器等器件作為短距離的光纖通信光源。SLED性能的不斷提高,它將會在打印機、機器人等諸多領域得到重用。