大功率短波長InAlGaAs/AlGaAs量子點超輻射發(fā)光管

王飛飛,李新坤,梁德春,金　鵬*,王占國

（1.中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室，低維半導體材料與器件北京市重點實驗室，北京 100083；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

大功率短波長InAlGaAs/AlGaAs量子點超輻射發(fā)光管

王飛飛1,李新坤2,梁德春2,金鵬1*,王占國1

（1.中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室，低維半導體材料與器件北京市重點實驗室，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)光管的短波長應用，采用InAlGaAs/AlGaAs量子點有源區(qū)和干法刻蝕工藝制備了短波長彎曲波導超輻射發(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形狀和參數(shù)，降低波導損耗，有效增大器件輸出功率。

超輻射發(fā)光管；自組織量子點；干法刻蝕

1 引 言

超輻射發(fā)光管（Superluminescent diode， SLD）是一種介于半導體激光器（Laser diode，LD）和發(fā)光二極管（Light emitting diode，LED）之間的半導體發(fā)光器件，它同時具有LD的大功率和LED的寬光譜的特性，因此在許多領域有著重要的應用，如外腔可調諧激光器［1］、光學相干成像（Optical coherence tomography，OCT）系統(tǒng)［2］、光纖陀螺儀［3-4］、光纖傳感器［5-6］等。由于超輻射過程指數(shù)形式的增益特性，使得在SLD研制過程中始終存在著輸出功率和光譜寬度相互制約的問題。近年來，自組織量子點（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。孫中哲等［7］首先提出了采用自組織QD為有源區(qū)研制SLD的設想。張子旸等［8］在國際上首次研制出InAs/GaAs QD-SLD器件，連續(xù)工作輸出功率達到200 mW。劉寧等［9］通過優(yōu)化生長參數(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進一步提高了器件的輸出功率［11-12］，并且可以實現(xiàn)發(fā)光光譜與輸出功率的獨立調節(jié)［13］。更進一步，李新坤等采用倒裝焊工藝，實現(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可以把發(fā)光波長延伸至1.55 μm以上［15］。而在實際應用中，也會用到更短波長的超輻射器件，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窗口。另外，在相同的光譜寬度下，短波長更有利于提高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SLD器件。為了進行比較，在相同工藝參數(shù)條件下采用濕法腐蝕工藝制備了同類器件。實驗結果表明，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制作工藝對波導橫截面形狀及波導損耗的影響。

2 實 驗

器件結構采用法國產(chǎn)Riber 32P分子束外延設備在n型GaAs襯底上生長，其有源區(qū)為5層In0.45Al0.2Ga0.35As QD，每個量子點層之間以Al0.25-Ga0.75As勢壘層分隔。有源區(qū)的兩側分別是n-和p-AlxGa1-xAs（x=0.25～0.5）漸變折射率波導層，波導層的兩側分別是厚度為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是器件的導帶示意圖，具體生長條件可參閱文獻［16］。

圖1　InAlGaAs/AlGaAs QD-SLD的導帶示意圖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結構的量子點SLD器件。具體工藝如下：首先采用干法刻蝕（或濕法腐蝕）制作出一脊波導結構，然后采用化學汽相沉積方法生長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℃溫度和氮氣氛圍中快速熱退火1 min以完成合金化；最后，將解理的管芯利用In焊料倒裝焊在無氧銅熱沉上，并利用金絲球焊機在管芯上壓焊引線，至此完成器件的制備。器件結構參數(shù)如下：脊寬4 μm，波導直條部分長度2.5 mm，波導彎曲部分長度1 mm，波導刻蝕深度2 μm。器件的光輸出功率和光譜測試均在室溫下進行，采用脈沖電流注入，頻率為1 kHz，占空比為3%，測試所得輸出光功率為峰值功率。

3 結果與討論

為了驗證外延材料的質量，我們首先制備了直條形脊形波導半導體激光器，器件的腔長為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。可以看出，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器件輸出功率的影響，我們采用掃描電子顯微鏡（SEM）對SLD器件的波導橫截面進行了觀察，結果如圖4所示。可以看出，采用干法刻蝕器件的波導側壁與外延方向是垂直的，截面形狀為規(guī)則的矩形，經(jīng)測量脊寬為4 μm；而采用濕法腐蝕的器件波導截面呈中間窄、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“倒臺”結構。經(jīng)測量，側壁與水平夾角約為50°，臺面上部最寬處為4 μm，中部最窄處為3 μm。“倒臺”結構的形成與濕法腐蝕過程中的側蝕效應有關，有兩個因素會導致“倒臺”波導器件的輸出功率偏低：第一，由于“倒臺”波導截面中部變窄且形狀不規(guī)則，導致波導的限制因子減小；第二，與本文采用的是彎曲波導結構有關。當光在彎曲波導中傳播時，光的路徑是變化的。如果采用“倒臺”波導，由于波導形狀不規(guī)則，光在傳播時有一部分不能在波導內(nèi)進行全反射，造成光的泄露。所以，不規(guī)則的“倒臺”結構波導損耗更大。因此，濕法腐蝕的“倒臺”波導超輻射發(fā)光管的光輸出功率應小于矩形波導器件的輸出功率。

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隨著電流的變化關系（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測試范圍內(nèi)，光譜中沒有出現(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的過程中，器件的發(fā)光光譜的中心波長從936 nm藍移至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的本征尺寸非均勻性以及載流子在量子點各能態(tài)之間的填充有關。在器件注入電流較小時，載流子首先填充到尺寸較大、能級較低的量子點中復合發(fā)光，這時器件的發(fā)光波長較長，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，載流子開始填充到尺寸較小的量子點中或者有部分填充到能級較高的量子點中，并且受激輻射效應增強，此時光譜寬度快速減小，波長藍移，光輸出功率增大；進一步增大注入電流，載流子開始填充到量子點的較高能級，此時發(fā)光波長繼續(xù)藍移，但是由于載流子對高能態(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明顯。

4 結 論

制備了InAlGaAs/AlGaAs短波長量子點超輻射發(fā)光管，對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。實驗結果顯示，干法刻蝕工藝能夠精確控制波導參數(shù)，波導損耗較小，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用于眼科成像的光學相干成像系統(tǒng)中。

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

E-mail：wangfeifei@semi.ac.cn

金鵬（1973-），男，遼寧沈陽人，研究員，博士生導師，2001年于南開大學獲得博士學位，主要從事半導體材料生長、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

國家自然科學基金（61274072，61306087）；“863”國家高技術研究發(fā)展計劃（2013AA014201）資助項目