InP基長波長超輻射發光二極管的設計和制備

薛正群

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

關鍵詞：InP；長波長；超輻射發光二極管；高功率；寬譜寬

0 引言

超輻射發光二極管（SLD）是一種單程自發輻射光放大器件，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作為獨立光源可應用于光纖傳感、光纖陀螺等；同時，SLD作為增益芯片結合外腔封裝方案可實現窄線寬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用領域。

1 芯片設計與制備

對于InP激光器，通常脊波導結構由于橫向對光場和載流子限制作用效果弱，導致芯片出光效率低、發散角大，器件功率難以提高。而采用掩埋異質結（BH）結構可以實現載流子和光子的橫向限制，改善載流子注入效率、降低發散角，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構。

其中，Psat為芯片飽和輸出光功率，d為量子阱厚度，w為有源區寬度，Г為增益區光場限制因子，h為普朗克常數，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，通常采用長腔長結構來實現高功率，然而更厚的量子阱將導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；而增益區的寬度增加到一定程度將出現高階橫模、降低耦合效率，因此在實際設計過程中要充分平衡考慮上述因素。

（1）降低光限制因子Г。通過設計和調整光波導結構可以實現對光場限制因子的調整以及對激光近場光斑的調整，并改善出光遠場角度和耦合效率。

（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，越容易實現增益飽和、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，越薄的增益區越有利于加快載流子復合過程、降低載流子壽命。

綜合考慮在實現高飽和輸出超輻射發光二極管時，采用長腔長的芯片結構來提高芯片增益體積；采用較少層數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；采用波導擴展層來改善芯片的發光遠場和發散角，降低增益區的光限制因子，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層壓應變量子阱和層張應變量子壘，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介質層，光刻、腐蝕介質層和半導體材料至N型InP緩沖層，形成脊型結構；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介質層，光刻、腐蝕介質層和半導體材料形成激光器的雙溝和臺面結構；去除片子表面介質層，PECVD沉積400 nm的SiO2鈍化層，光刻、腐蝕介質層，形成解離區；接著光刻、腐蝕介質層進行臺面開孔；電子束蒸發P面金屬、減薄、蒸發N面金屬，合金形成歐姆接觸，解離成腔長1 750 μmbar條。

在芯片結構上，筆者采用傾斜波導來抑制FP腔面的反饋增益，改善光譜，并采用優化的Ta2O5/SiO2膜系實現了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 測試結果與分析

將芯片封裝至熱沉上，通過TEC控溫和測試，結果顯示：500 mA電流下，芯片室溫出光功率達到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散角（FWHM）分別為：16°和18°（見圖1—4）。

3 結語

本文采用InP/InGaAsP材料BH-SLD，通過采用優化的外延結構設計和芯片波導設計，實現了1 750 μm腔長芯片，在 500 mA連續電流下，芯片出光功率達到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]

[1]高源.光纖光柵外腔半導體激光器頻率調諧技術研究[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