InP基C波段高線性激光芯片的設(shè)計(jì)與制備

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 福建中科光芯光電科技有限公司 薛正群

本文通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化InP/InGaAsP外延材料和芯片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高線性掩埋結(jié)構(gòu)（BH）FP激光芯片；通過(guò)不同腔長(zhǎng)芯片測(cè)試結(jié)果顯示：1200μm為優(yōu)化腔長(zhǎng)，芯片出光功率在400mA電流下超過(guò)130mW，光譜峰值波長(zhǎng)在光通信C波段，芯片出光水平和垂直發(fā)散角分別為5°和15°，試驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化高線性激光器提供基礎(chǔ)。

光通信InP半導(dǎo)體激光可在空氣和光纖中傳播、且體積小、壽命長(zhǎng)、低成本、可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)是下一代激光光源及其光電子集成發(fā)展的主要方向；其中光通信C波段，中心波長(zhǎng)接近1550nm，為人眼安全波段，該波長(zhǎng)波導(dǎo)耦合損耗小、光纖傳播損耗低，是硅光光源、無(wú)人駕駛激光雷達(dá)光源、長(zhǎng)距離主干網(wǎng)的主要激光光源；本文通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)光通信InP/InGaAsP高線性C波段BH-FP激光芯片，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化和制備高線性InP半導(dǎo)體激光器提供基礎(chǔ)。

高線性半導(dǎo)體激光器的難點(diǎn)就在于激光器在設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中要綜合平衡如下的多方面因素：量子阱的數(shù)目：有源區(qū)量子阱數(shù)目過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致大電流下載流子在阱內(nèi)分布不均、空間燒孔現(xiàn)象發(fā)生、注入效率低、增益飽和；量子阱數(shù)目過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致增益過(guò)低、限制因子低、輸出光功率低。摻雜濃度大?。簱诫s濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致光損耗偏大、非輻射符合增加、材料內(nèi)部發(fā)熱、可靠性變差，而摻雜過(guò)小會(huì)使得載流子的限制和歐姆接觸的性能變差、注入效率低、芯片熱功耗大。增益區(qū)寬度：過(guò)寬的脊寬能增加有源區(qū)的體積，提高增益飽和，但是會(huì)出現(xiàn)高階的橫向模式，并使得發(fā)散角增大；過(guò)窄的脊寬能降低發(fā)散角，但容易出現(xiàn)增益飽和；在實(shí)際設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中要平衡如上因素。

通常實(shí)現(xiàn)高線性激光器，首先要通過(guò)研究材料生長(zhǎng)界面、材料化學(xué)沉積關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及合理優(yōu)化材料生長(zhǎng)的溫度、沉積速率、腔體內(nèi)壓強(qiáng)、氣體流量等關(guān)鍵材料生長(zhǎng)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)材料的光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、材料的光學(xué)和電學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)低缺陷密度、高微分增益的外延材料結(jié)構(gòu)。

采用掩埋異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制備高線性激光器時(shí)，采用梯度分布掩埋工藝來(lái)降低器件光損耗、降低噪聲。在BH激光器制備過(guò)程中對(duì)異質(zhì)結(jié)掩埋層進(jìn)行摻雜主要是對(duì)注入的載流子起到橫向的限制作用。但另一方面異質(zhì)結(jié)掩埋層的摻雜濃度分布和厚度又會(huì)對(duì)激光器的輸出功率形成影響。這里我們將對(duì)異質(zhì)結(jié)掩埋工藝進(jìn)行探索和優(yōu)化；在異質(zhì)結(jié)掩埋生長(zhǎng)時(shí)，放置InP陪片，對(duì)生長(zhǎng)完之后的InP片進(jìn)行ECV測(cè)試，以此來(lái)表征各掩埋層的摻雜濃度和厚度。并通過(guò)分析芯片的光場(chǎng)損耗、內(nèi)量子效率、漏電流等，來(lái)研究不同的異質(zhì)結(jié)掩埋摻雜濃度、厚度、生長(zhǎng)溫度對(duì)電流限制能力、光損耗、外延質(zhì)量的影響；最后采用優(yōu)化的溫度和摻雜濃度漸變的掩埋工藝來(lái)提高器件的輸出功率，并降低漏電流和噪聲。

另一方面半導(dǎo)體激光器工作時(shí)載流子濃度的漲落都可以引起強(qiáng)度噪聲。因此，采用優(yōu)化掩埋工藝的另外一個(gè)好處是：降低載流子在橫向上的擴(kuò)散和復(fù)合，抑制載流子濃度漲落和弛豫振蕩，從而降低芯片出光的強(qiáng)度噪聲。

通常高線性半導(dǎo)體激光器擁有相對(duì)較低的強(qiáng)度噪聲，半導(dǎo)體激光器RIN有如下的關(guān)系式：

第一項(xiàng)中(Δυ)ST正比于1/P0（其中P0是激光器功率），正比于因此第一項(xiàng)正比于1/，所以當(dāng)激光器輸出功率增加時(shí)噪聲迅速衰降低到散粒噪聲以下。在大電流下，由于閾值相對(duì)較小，而Ist=ηi(I－Ith)，因此趨近于1，這樣第二項(xiàng)將隨1/P0收斂而近似為散粒噪聲。在高線性半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的微波光子鏈路種，相關(guān)的研究報(bào)道表明：半導(dǎo)體激光器的輸出功率從10dBm提高到20dBm時(shí)鏈路的增益提高將近20dB，同時(shí)增益的提高又能降低系統(tǒng)的噪聲；當(dāng)激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）降低10dB/Hz時(shí)，整個(gè)鏈路的噪聲也降低將近10dB；降低光在光纖中的傳輸損耗，能進(jìn)一步提高鏈路增益并降低其噪聲。

因此提高芯片輸出光功率并進(jìn)一步的壓窄激光器線寬和降低器件相對(duì)強(qiáng)度噪聲，對(duì)于器件在實(shí)際應(yīng)用中改善信號(hào)傳輸質(zhì)量、提高傳輸距離具有重要的作用。

1 材料生長(zhǎng)和芯片制備

將N-InP襯底放入MOCVD生長(zhǎng)腔體，在高溫下烘烤清洗，生長(zhǎng)1000nm P-InP緩沖層；接著生長(zhǎng)N-InGaAsP SCH層，PL=1100nm；生長(zhǎng)InGaAsP SCH層，PL=1200nm；生長(zhǎng)應(yīng)變補(bǔ)償多量子阱，阱和壘PL波長(zhǎng)分別為1550nm和1200nm；接著生長(zhǎng)InGaAsP SCH層，PL=1200nm；生長(zhǎng)P-InGaAsP SCH層，PL=1100nm；生長(zhǎng)150nm P-InP間隔層；生長(zhǎng)20nm P-InGaAsP腐蝕停止層，生長(zhǎng)20nm P-InP蓋層，完成基片的生長(zhǎng)。

用鹽酸腐蝕去除片子表面的P-InP蓋層，接著PECVD沉積150nm SiO2介質(zhì)層，光刻并刻蝕介質(zhì)層，形成脊型波導(dǎo)圖形，通過(guò)采用溴溶液攪拌腐蝕至N-InP緩沖層，腐蝕深度為1.5μm左右，形成掩埋異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的脊型光學(xué)波導(dǎo)，波導(dǎo)在靠近出光端面有150μm左右的喇叭口區(qū)域，用來(lái)擴(kuò)展激光的橫向光場(chǎng)降低水平發(fā)散角，喇叭口張角為2～3°左右；接著將片子放入MOCVD腔體依次生長(zhǎng)700nm/700nm/50nm的P-InP/N-InP/P-InP載流子阻擋層，起到阻止載流子橫向擴(kuò)散的作用，提高注入效率；采用稀釋HF溶液去除片子表面的介質(zhì)層，最后將片子放入MOCVD腔體中依次生長(zhǎng)：2200nm P-InP間隔層，50nm P-InGaAsP過(guò)渡層，200nm P-InGaAs電接觸層，完成片子的最后生長(zhǎng)。

接著通過(guò)PECVD在片子表面沉積150nm的SiO2介質(zhì)層，光刻并刻蝕光刻區(qū)域介質(zhì)層，采用溴溶液攪拌腐蝕至襯底，形成掩埋激光器的臺(tái)面結(jié)構(gòu)；去除片子表面介質(zhì)層，PECVD沉積400nm的SiO2鈍化層，通過(guò)光刻和刻蝕光刻區(qū)域的介質(zhì)層形成激光器解離區(qū)域，接著繼續(xù)通過(guò)光刻和刻蝕光刻區(qū)域介質(zhì)層形成P面金屬接觸區(qū)域；電子束蒸發(fā)P面金屬、物理減薄、蒸發(fā)N面金屬并進(jìn)行合金形成歐姆接觸；將片子解離成不同腔長(zhǎng)的bar條，并蒸鍍Al2O3/Si光學(xué)高反和高透膜完成激光器芯片的制備。

2 測(cè)試分析

將制備完的芯片進(jìn)行光電參數(shù)測(cè)試，如圖1：光譜測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)P激光器出光峰值波長(zhǎng)在1560～1565nm之間；不同腔長(zhǎng)LIV測(cè)試結(jié)果顯示，腔長(zhǎng)越短斜率效率越大，但是出光越容易飽和；腔長(zhǎng)越長(zhǎng)閾值越大，斜率效率越低，但出光線性度有所改善；其中腔長(zhǎng)1200μm芯片的飽和出光功率最高超過(guò)130mW，腔長(zhǎng)900μm和1500μm芯片飽和出光功率也分別超過(guò)100mW和120mW；芯片出光遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試顯示，芯片水平和垂直發(fā)散角（FWHM）分別為：5°和15°，這主要由于出光采用喇叭口光波導(dǎo)有效擴(kuò)展了橫向光場(chǎng)，從而降低芯片遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，改善芯片在應(yīng)用端的耦合效率。

圖1 從左到右分別為：芯片端面SEM、LIV、光譜和發(fā)散角側(cè)視圖

結(jié)論：通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化外延材料結(jié)構(gòu)和芯片結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化外延材料生長(zhǎng)關(guān)鍵參數(shù)和芯片制備關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)了高線性度的光通信C波段BH-FP芯片，芯片鍍膜后測(cè)試結(jié)果顯示：不同腔長(zhǎng)芯片LIV測(cè)試結(jié)果，1200μm為芯片優(yōu)化腔長(zhǎng)，在400mA直流電流注入下其出光功率超過(guò)130mW，芯片發(fā)光光譜峰值波長(zhǎng)在光通信C波段，芯片出光遠(yuǎn)場(chǎng)水平和垂直發(fā)散角分別為5°和15°，有效改善芯片在器件端的耦合效率，試驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化高線性InP激光芯片提供基礎(chǔ)。