反射式倒裝對(duì)1 300 nm激光器性能改善的分析

2018-04-19 06:54:51薛正群王凌華

發(fā)光學(xué)報(bào) 2018年4期

薛正群，王凌華，蘇輝*

(1. 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福建福州 350002; 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

InP基邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器是光纖通信中最主要的信號(hào)發(fā)射光源，其大量應(yīng)用于FTTx(Fiber-to-the-x)、CATv(Cable television)、WDM (Wavelength division multiplexing)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。通常為了實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)在單模光纖中的長距離傳輸和良好的信噪比，要求激光器出光至單模光纖具有良好的耦合效率。一般可以通過提高注入電流來提高激光器的輸出功率，進(jìn)而提高器件的耦合功率；然而增加注入電流使得器件功耗增加，同時(shí)，電流增加器件結(jié)溫升高，容易引起激光器可靠性問題并降低器件壽命。相應(yīng)的研究報(bào)道和應(yīng)用結(jié)果表明：半導(dǎo)體激光器在使用過程中發(fā)生的電、熱等過載是加速半導(dǎo)體激光器退化并引起器件失效最為常見的因素[1-6]。因此，如何進(jìn)一步提高器件的發(fā)光效率，降低器件發(fā)熱或優(yōu)化器件散熱，對(duì)于激光器的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

通常，通過優(yōu)化激光材料外延生長質(zhì)量、合理優(yōu)化波導(dǎo)和量子阱實(shí)現(xiàn)外延材料的低損耗、高增益來提高激光器的效率。此外，通過降低激光器芯片的發(fā)散角，也是提高器件單模光纖耦合效率和耦合功率的重要方法。通常通過調(diào)整激光器脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或采用掩埋結(jié)構(gòu)來降低芯片X方向(平行脊方向)的發(fā)散角。同樣根據(jù)高斯光束的特性，通過調(diào)整增大激光器端面光斑Y方向(垂直脊方向)的尺寸來實(shí)現(xiàn)降低器件Y方向的發(fā)散角。目前采用的主要方法有：增加有源區(qū)的厚度[7-8]、降低波導(dǎo)和有源區(qū)的折射率差來減弱波導(dǎo)作用[9]，然而，采用層數(shù)較多的量子阱往往容易導(dǎo)致載流子在量子阱中的分布不均，引起注入效率降低。另一方面，在外延結(jié)構(gòu)上進(jìn)行調(diào)整減弱波導(dǎo)作用[10]，在光斑Y方向尺寸增大的同時(shí)，光場與摻雜區(qū)域的重疊損耗增大，降低了器件的發(fā)光效率。

本文對(duì)AlGaInAs多量子阱1 300 nm RWG-FP (Ridge-waveguide Fabry-Perot)激光器進(jìn)行倒裝封裝，并對(duì)倒裝熱沉進(jìn)行設(shè)計(jì)，在熱沉上靠近激光器出光和背光端面的10～20 μm區(qū)域采用Au反射層，利用Au對(duì)芯片前后端面出光進(jìn)行反射來降低芯片的Y發(fā)散角。實(shí)驗(yàn)過程對(duì)該倒裝結(jié)構(gòu)器件和常規(guī)封裝器件進(jìn)行對(duì)比，分析其對(duì)芯片發(fā)散角和器件耦合功率的改善，以及對(duì)器件光電性能參數(shù)的影響。進(jìn)一步地對(duì)兩種器件進(jìn)行溫度加速老化實(shí)驗(yàn)，對(duì)比二者的老化壽命差異。

2 激光器的制備

在InP襯底上，通過MOCVD沿生長方向依次生長N-InP緩沖層、AlGaInAs下波導(dǎo)層、AlGaInAs多量子阱有源層、AlGaInAs上波導(dǎo)層、InGaAsP腐蝕停止層、InP空間層、InGaAsP過渡層、P+-InGaAs歐姆接觸層，形成外延片。對(duì)外延片進(jìn)行脊型腐蝕、脊型開孔、P面金屬、N型減薄、N面金屬、合金、解離、腔面鍍膜等工藝形成RWG-FP激光器芯片，其芯片結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示；激光器芯片腔長為250 μm，室溫和Ith+20 mA下發(fā)光波長為1 300 nm。對(duì)芯片進(jìn)行常規(guī)封裝和反射式倒裝，分別稱為LD-B和LD-A。對(duì)于倒裝器件(LD-A),我們?cè)诘寡b熱沉上進(jìn)行設(shè)計(jì)，在靠近出光和背光端面10～20 μm區(qū)域制備Au反射層，對(duì)前后端面的出光進(jìn)行反射，其結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示。對(duì)封帽前的芯片進(jìn)行發(fā)散角測(cè)試，并對(duì)封帽后的器件進(jìn)行耦合功率測(cè)試，從而來對(duì)比兩種器件的差異。

圖1 芯片和封裝示意圖。(a)芯片結(jié)構(gòu)圖;(b)倒裝結(jié)構(gòu)圖。

Fig.1 Diagram of the laser chip and the package. (a) Structure of laser chip. (b) P-side down package.

3 器件實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 器件發(fā)散角和耦合效率的改善

圖2為封帽前在30 mA電流下兩種激光器芯片的水平和垂直發(fā)散角測(cè)試結(jié)果對(duì)比。結(jié)果顯示：兩種器件出光的水平發(fā)散角相近為21.5°，垂直反向發(fā)散角LD-A(主瓣)和LD-B分別為17°和34.5°。圖中LD-A遠(yuǎn)場主峰的位置與LD-B有所偏離，其原因?yàn)椋篖D-A經(jīng)Au反射的相干光與原光場相互干涉導(dǎo)致遠(yuǎn)場能量分布變化。

圖2 器件遠(yuǎn)場圖。(a)器件水平發(fā)散角;(b)器件垂直發(fā)散角。

Fig.2 Far field of the two devices. (a) Horizontal. (b) Vertical.

對(duì)芯片進(jìn)行TO-Can器件封裝，并在Ith+20 mA電流下對(duì)兩種激光器進(jìn)行APC(6°)單模光纖的耦合，TO封裝器件到單模光纖(SMF,Single mode fiber)的耦合示意圖如圖3所示。表1為兩種激光器的耦合結(jié)果，LD-A和LD-B的平均耦合功率分別為2 326 μW和1 850 μW，平均耦合效率為26.5%和21.1%；表明采用Au的反射層結(jié)構(gòu)有效降低了芯片Y方向的發(fā)散角，提高了單模光纖耦合效率。相應(yīng)地，該結(jié)構(gòu)對(duì)于激光器背光也起到相同的作用。

圖3 TO激光器耦合到單模光纖示意圖

SNPf/μWLD?ALD?BCouplingpower/μWηCouplingpower/μWη19364228824．4%192020．5%29692204127．5%194026．1%39568236725．5%225024．3%48640263427．2%190819．7%57433225025．3%190121．4%68146225027．6%154018．9%78788248128．2%197822．5%88888221427．2%152818．8%99278235727．3%186821．6%108128238324．9%166617．4%AVG8792232626．5%185021．1%

激光器出光耦合進(jìn)單模光纖接收角內(nèi)的光，扣除光纖損耗后與入射光功率之比為光纖的耦合效率。對(duì)兩種激光器耦合效率進(jìn)行大概的分析：通過對(duì)圖2(b)中LD-A的遠(yuǎn)場曲線進(jìn)行積分和歸一化，可得LD-A主瓣的功率占整體功率的69%，旁瓣功率占31%；激光器單模光纖耦合效率η近似有如下關(guān)系[11]：

η∝1/θ，

(1)

3.2 器件光電參數(shù)測(cè)試對(duì)比

我們對(duì)兩種器件的光電參數(shù)特性進(jìn)行了分析和對(duì)比。在室溫下，對(duì)兩種器件的LIV特性進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。與LD-B相比，LD-A的飽和電流從135 mA提高到155 mA，飽和輸出功率從37 mW提高到42 mW。

圖4 兩種激光器參數(shù)對(duì)比。(a)兩種器件的LIV;(b)兩種器件的發(fā)熱對(duì)比。

Fig.4 Comparison of LD-A and LD-B devices. (a)LIV. (b) Thermal dissipation of the two devices.

對(duì)于半導(dǎo)體激光器，其正向電壓和注入電流滿足關(guān)系式[12]：

Vf=Vj+If×Rs，

(2)

Vj≈hν/q，

(3)

ρ=1/[q(nμn+pμp)]，

(4)

其中Vf為器件正向工作電壓；If為正向注入電流；Rs=Rc+Rb為器件的串聯(lián)電阻，它包含電極接觸電阻Rc和外延材料的體電阻Rb；VJ為結(jié)電壓;hν為光子能量；ρ為電阻率；q為電子電量；n和p分別為電子和空穴濃度；μn和μp分別為電子和空穴遷移率。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，其電阻主要來源于摻雜材料區(qū)域和非摻雜材料區(qū)域(AlGaInAs波導(dǎo)和量子阱區(qū)域)。通常對(duì)于摻雜半導(dǎo)體材料來說，溫度的升高有利于激活雜質(zhì)提高載流子濃度[13]。另一方面，對(duì)于本征AlGaInAs材料，其本征載流子濃度隨溫度的升高而增大。因此，器件溫度升高、電阻降低很可能與整體材料的載流子濃度增加有關(guān)[14]。

圖4(a)顯示，注入電流增加越多兩種器件工作電壓相差越大。其主要由于散熱的差異導(dǎo)致兩種器件電阻和出光波長的差異。在200 mA電流下，LD-A、LD-B的正向工作電壓分別為1.8 V和2.4 V；在實(shí)際應(yīng)用中，提高激光器的正向工作電壓，對(duì)于改善器件在大電壓下的可靠性具有一定的幫助作用。半導(dǎo)體器件工作時(shí)，其發(fā)熱功率可表征為：

Pthem=Vf×If-P0，

(5)

其中Pthem為器件的發(fā)熱功率，P0為輸出光功率。圖4(b)為室溫下，不同工作電流下兩種激光器發(fā)熱功率對(duì)比；LD-A由于工作電壓偏大，使得器件發(fā)熱功率偏大。半導(dǎo)體激光器的熱阻Rth定義為[15]：

Rth=(TJ-TX)/Pthem，

(6)

其中TJ為結(jié)區(qū)溫度，TX為指定參考點(diǎn)溫度，這里指環(huán)境溫度；對(duì)于不同的激光器在相同的熱發(fā)散功率下，對(duì)比TJ-TX的值可以分析半導(dǎo)體激光器的散熱能力。表2為室溫下，兩種激光器在相同熱發(fā)散功率下器件發(fā)光峰值波長λp的變化對(duì)比，從表中可以看出隨著發(fā)熱功率的增加二者波長相差越大，當(dāng)在340 mW的發(fā)熱功率下，LD-A峰值波長比LD-B要短10.6 nm。實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)得激光器發(fā)光波長隨溫度的變化系數(shù)約為0.57 nm/℃。以50 m W和340 mW這兩個(gè)發(fā)熱功率為參考點(diǎn)對(duì)器件熱阻做近似計(jì)算，從測(cè)試結(jié)果可得LD-A和LD-B熱阻分別為131 K/W和194 K/W。半導(dǎo)體二極管反向漏電流Ileak和工作溫度近似滿足如下關(guān)系[16]：

表2兩種激光器不同發(fā)熱功率下出光波長的變化

Tab.2 Peak wavelength of the two kind laser under different thermal power

Pthem/mWλLD?A/nmλLD?B/nm501297．521297．81001299．961304．321501306．21308．22001311．61314．042501313．241321．043001317．81325．963401319．321329．92

Ileak∝exp(-Eg/(kT))，

(7)

Eg為材料禁帶寬度，器件漏電流與溫度有指數(shù)的關(guān)系；隨著溫度的升高，漏電流增大。圖5為不同環(huán)境溫度、-1.5 V偏壓下兩種器件的反向漏電流對(duì)比。隨著溫度的升高，兩種器件漏電流相差逐漸增大。在85 ℃環(huán)境溫度下，LD-A和LD-B的漏電流分別為40 nA和488 nA。對(duì)于PN結(jié)，外加的反偏電壓增強(qiáng)了內(nèi)電場阻止了多子的擴(kuò)散，然而材料中少子在內(nèi)電場作用下漂移形成反向電流。激光器在反偏下形成電流使得激光器存在著電功率的注入，在器件無出光的情況下，其注入電功率轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部的熱功率；器件的反向電流與器件的溫度相關(guān)，即與器件的散熱能力相關(guān)，而溫度越高其差異越明顯。

圖5 不同溫度、-1.5 V偏壓下兩種激光器的漏電流對(duì)比。

Fig.5 Reverse leakage of LD-A and LD-B under different ambient temperature at -1.5 V bias

3.3 加速老化實(shí)驗(yàn)

最后，對(duì)兩種激光器在95 ℃環(huán)境溫度、100 mA注入電流下進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)，其輸出功率P隨工作時(shí)間變化呈現(xiàn)指數(shù)衰退模型[17]，有如下關(guān)系：

P=P0exp(-βt)，

(8)

其中P0為老化前的初始光功率，t為老化時(shí)間，β為器件衰退系數(shù)。對(duì)老化前后不同時(shí)間段器件的出光參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)起始輸出光功率進(jìn)行歸一化，得到器件輸出功率隨著老化時(shí)間的變化情況，如圖6所示。當(dāng)老化至2 000 h時(shí)，LD-B的個(gè)別器件輸出功率衰退超過20%，而LD-A器件的功率衰退在10%以內(nèi)。根據(jù)公式(7)，對(duì)兩種激光器的輸出功率變化取平均值，在老化條件下，器件LD-A和LD-B的衰退系數(shù)分別為1.06×10-5和4.22×10-5,壽命分別為21 027 h和5 283 h，如表3所示。

圖6 兩種器件老化結(jié)果。LD-A(a)和LD-B(b)的輸出功率變化曲線。

Fig.6 Aging results of the two devices. LD-A (a) and LD-B(b) before and after aging.

表3 95 ℃、100 mA下兩種器件的老化結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

對(duì)激光器芯片進(jìn)行倒裝封裝，并對(duì)封裝熱沉進(jìn)行設(shè)計(jì)，在靠近出光和背光端面的區(qū)域采用Au反射層來反射器件的出光。結(jié)果顯示，激光器芯片的垂直發(fā)散角從常規(guī)封裝的34.5°降低至17°，器件單模光纖耦合的平均光功率提高了25%。對(duì)兩種器件進(jìn)行光電參數(shù)的測(cè)量結(jié)果表明，采用該倒裝結(jié)構(gòu)封裝器件提高了器件的散熱能力。與常規(guī)封裝器件相比，激光器的熱阻從194 K/W降低至131 K/W；激光器在加速老化實(shí)驗(yàn)中其衰退系數(shù)從4.22×10-5降低至1.06×10-5，并延長了器件壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] HUANG J S, NGUYEN T, HSIN W,etal.. Reliability of etched-mesa buried-heterostructure semiconductor lasers [J].IEEETrans.Dev.Mater.Relib., 2005, 5(4):665-674.

[2] HUANG J S, MIAO R S, LU H,etal.. Theoretical and experimental thermal analysis of inp ridge lasers on submounts and TO packages [J].IEEETrans.Dev.Mater.Relib., 2007, 7(2):363-368.

[3] HUANG J S, OLSON T, ISIP E. Human-body-model electrostatic-discharge and electrical-overstress studies of buried-heterostructure semiconductor lasers [J].IEEETrans.Dev.Mater.Relib., 2007, 7(3):453-461.

[4] HUANG J S, LU H. Size effect on ESD Threshold and degradation behavior of InP buried heterostructure semiconductor lasers [J].OpenAppl.Phys.J., 2009, 2:5-10.

[5] 王淑娜，張普，熊玲玲，等. 溫度對(duì)高功率半導(dǎo)體激光器陣列“smile”的影響 [J]. 光子學(xué)報(bào), 2016, 45(5):7-12.

WANG S N, ZHANG P, XIONG L L,etal.. Influence of temperature on “smile” in high power diode laser bars [J].ActaPhoton.Sinica, 2016, 45(5):7-12. (in Chinese)

[6] 金偉，李光慧，陳熙，等. 一體化半導(dǎo)體激光器的ANSYS熱仿真及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J]. 光學(xué) 精密工程, 2016, 24(5):1080-1086.

JIN W, LI G H, CHEN X,etal.. Structural design and ANSYS thermal simulation for semiconductor laser system [J].Opt.PrecisionEng., 2016, 24(5):1080-1086. (in Chinese)

[7] KNAUER A, ERBERT G, STASKE R,etal.. High-power 808 nm lasers with a super-large optical cavity [J].Semicond.Sci.Technol., 2005, 20:621-624.

[8] BUGGE F, ZEIMER U, WENZEl H,etal.. Laser diodes with highly strained InGaAs MQWs and very narrow vertical far fields [J].Phys.Stat.Sol.(c), 2006, 3(3):423-426.

[9] CRUMP P, PIETRZAK A, BUGGE F,etal.. 975 nm high power diode lasers with high efficiency and narrow vertical far field enabled by low index quantum barriers [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 96:131011-1-3.

[10] ABDULRAHMAN A M, ABDULLAH A, ABDELMAJID S. Waveguide design optimization for long wavelength semiconductor lasers with low threshold current and small beam divergence [J].J.ModernPhys., 2011, 2:225-230.

[11] 高樹理. 半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合 [J]. 煤炭技術(shù), 2010, 29(2):28-30.

GAO S L. Coupling of semiconductor laser with fiber [J].CoalTechnol., 2010, 29(2):28-30.

[12] GUO X, SCHUBERT E F. Current crowding and optical saturation effects in GaInN/GaN light-emitting diodes grown on insulating substrates [J].Appl.Phys.Lett., 2001, 78:3337-3339.

[13] PEARTON S J, ABERNATHY C R, PANISH M B,etal..Implant induced high resistivity regions in InP and In GaAs[J].J.Appl.Phys, 1989, 66(2):656-662.

[14] FAN Z F, MOHAMMAD S N, KIM W,etal.. Very low resistance multilayer Ohmic contact to n-GaN [J].Appl.Phys.Lett., 1996, 68(12):1672-1674.

[15] 張曉磊，薄報(bào)學(xué)，張哲銘，等. C-mount封裝激光器熱特性分析與熱沉結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2017, 38(7):891-896.

ZHANG X L, BO B X, ZHANG Z M,etal.. Thermal characteristics analysis of C-mount sink package laser and optimization of heat sink structure [J].Chin.J.Lumin., 2017, 38(7):891-896. (in Chinese)

[16] 施敏, 伍國玨. 半導(dǎo)體器件物理 [M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社, 2008.

SHI M, WU G J.SemicondudorDevicesPhysics[M]. Xi’an: Xi’an Jiao Tong University Press, 2008. (in Chinese)

[17] MELANIE O, SWALES A. Capabilites and reliability of LEDs and laser diodes [J].What’sNewinElectron., 2000, 20(6):1-5.