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(xué)性質(zhì)介于半導(dǎo)體激光器(Laser Diode,LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)之間[1-3],它產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)范圍要比LD更寬,相干時(shí)間長(zhǎng)度要比LD更短,它的輸出信號(hào)功率也比LED高,具有較寬的光譜和超大功率等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于采用了相干長(zhǎng)度短的寬光譜SLED作為光源,光學(xué)相干層析技術(shù)具有成像速度快、軸向分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。另外,SLED也可在可調(diào)諧外腔激光器、光波分復(fù)用器以及其他光纖傳感器領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)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(nèi)反轉(zhuǎn)分布的電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶或雜質(zhì)能級(jí)時(shí),與空穴復(fù)合而釋放出光子。而在F-P型(Fabry-Perot resonator)半導(dǎo)體激光器中,當(dāng)閾值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入電流時(shí),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(nèi)的光子增益大于或等于內(nèi)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(shí)諧振腔內(nèi)傳播的光會(huì)受到增益,使得調(diào)制光譜和發(fā)散角變窄,調(diào)制帶寬也隨之增大。

SLED芯片的設(shè)計(jì)與制作工藝之前已有很多論文進(jìn)行過(guò)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(shè)計(jì)的SLED芯片具有大的出光功率,同時(shí)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(yīng)變,以實(shí)現(xiàn)低的偏振消光比。芯片在制備時(shí)采用掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Buried Heterostructure,BH),該結(jié)構(gòu)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(jié)平面形成的臺(tái)階,它的側(cè)向折射率可以達(dá)到0.2,而單純由載流子引起的折射率變化也只能達(dá)到10-3個(gè)數(shù)量級(jí)。為了更好地提高其偏振特性以及將光模場(chǎng)限制在掩埋有源區(qū)內(nèi),我們將其波導(dǎo)形狀設(shè)計(jì)為矩形[1]。

2 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作

2.1 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示,SLED芯片采用平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)。最表面是InGaAs歐姆接觸層,下面的結(jié)構(gòu)依次為p型InP,n型InP,p型InP,n型InP,這種p-n-p-n結(jié)構(gòu),能有效限制電流,以實(shí)現(xiàn)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(yīng)變的多量子肼結(jié)構(gòu)(MQW active)。另外芯片還采用斜腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu),波導(dǎo)傾斜角度為7°,傾斜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以減少反射光耦合進(jìn)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(shí)現(xiàn)電學(xué)隔離。另外為了更好地降低光譜紋波,對(duì)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(jié)構(gòu)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(jìn)行一次外延片的MOCVD外延生長(zhǎng),芯片基底材料為InP,有源區(qū)采用InGaAsP材料體系的混合應(yīng)變的多量子阱結(jié)構(gòu),共含有10對(duì)阱壘,阱壘的厚度均為6 nm。然后采用SiO2作為掩膜進(jìn)行波導(dǎo)刻蝕,波導(dǎo)的設(shè)計(jì)寬度為1.6 μm。為保證波導(dǎo)寬度、深度的一致性以及完美的臺(tái)型,我們采用干法刻蝕以及濕法腐蝕相結(jié)合的方式進(jìn)行波導(dǎo)臺(tái)階制作。以CH4/H2/O2混合氣體為介質(zhì),利用反應(yīng)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(dǎo)側(cè)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(shè)計(jì)要求。

圖2 干法刻蝕側(cè)面圖

干法刻蝕后,接著進(jìn)行波導(dǎo)臺(tái)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(jī)理是材料先被氧化劑氧化,產(chǎn)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(chǎn)生的臺(tái)面?zhèn)缺谕ǔ１容^粗糙,臺(tái)型也不完美。本論文通過(guò)調(diào)整Br2∶HBr∶H2O腐蝕液的配比,對(duì)不同的腐蝕液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),以便產(chǎn)生深度合適且光滑的臺(tái)面?zhèn)缺凇追N溶液具體配比如表1所示,其中的比例為摩爾質(zhì)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(tái)型側(cè)面掃描電鏡圖。

圖3 不同配比的腐蝕液腐蝕的材料側(cè)面掃描電鏡圖

當(dāng)溶液中HBr含量比例相對(duì)較小時(shí)(腐蝕液A),腐蝕出的臺(tái)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(dǎo)致的。

當(dāng)溶液中HBr含量比例相對(duì)較大時(shí)(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(gè)凸起,如圖3(b)所示。

當(dāng)采用腐蝕液C時(shí)進(jìn)行腐蝕時(shí),腐蝕結(jié)果如圖3(c),可看出臺(tái)面?zhèn)缺诤芄饣?此時(shí)腐蝕InP和InGaAsP的速率基本相同。當(dāng)我們采用腐蝕液D進(jìn)行腐蝕時(shí),腐蝕結(jié)果如圖3(d),可以看到臺(tái)面?zhèn)缺谟新晕⒉幻黠@的凸起,總體看下來(lái)還是很光滑。

通過(guò)以上系列實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知,當(dāng)采用少量的HBr時(shí),此時(shí)Br2的濃度相對(duì)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(chǎn)生凹槽。另外由于此時(shí)溶液的酸度不足,產(chǎn)生的氧化物無(wú)法被酸及時(shí)溶解而殘留在表面,所以側(cè)面呈現(xiàn)凹凸不平的形貌。當(dāng)采用過(guò)量的HBr時(shí),InP在強(qiáng)酸溶液中會(huì)被大幅度腐蝕,是由于InP在強(qiáng)酸中不再穩(wěn)定,會(huì)被氧化成H3PO4、H3PO3等物質(zhì),因此在InGaAsP有源層區(qū)產(chǎn)生凸起狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)側(cè)面,以便降低芯片的光傳輸損耗。

刻蝕完波導(dǎo)經(jīng)清洗干凈后,接著進(jìn)行二次MOCVD掩埋生長(zhǎng)P-N-P阻擋層。在去除一次外延片表面的SiO2層后,接著進(jìn)行第三次MOCVD掩埋生長(zhǎng)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(zhǎng)完后,接著進(jìn)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(shí)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(cè)為P-N-P-N掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu),能對(duì)光電特性起到很好的限制作用。

圖4 SLED芯片側(cè)面SEM圖

3 芯片性能測(cè)試與分析

3.1 芯片PIV特性

在室溫25 ℃下,本文對(duì)所制作的SLED芯片進(jìn)行了PIV特性測(cè)試。如圖5所示,當(dāng)工作電流為250 mA時(shí),芯片的出光功率達(dá)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(dǎo)體激光器由于有源區(qū)材料以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的原因,只存在一個(gè)主要的偏振模式,其電場(chǎng)矢量平行于有源區(qū)平面(TE模),而電場(chǎng)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(shè)計(jì)了混合應(yīng)變的多量子阱有源區(qū),以及采用具有良好對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu),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(gè)工作電流范圍內(nèi),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(cè)試了SLED芯片在室溫下100 mA電流下的光譜特性,結(jié)果如圖7所示。可知芯片的中心波長(zhǎng)約為1315 nm,3 dB光譜寬度超過(guò)50 nm。由于本論文所制作的SLED芯片采用了傾斜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并在芯片前后端面鍍制增透膜,光譜具有很小的調(diào)制度。圖7插圖為SLED芯片在峰值波長(zhǎng)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(cè)試了SLED芯片的兩個(gè)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(yuǎn)場(chǎng)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(cè)試結(jié)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(gè)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(cè)試結(jié)果,SLED芯片在25 ℃下的性能參數(shù)如表2所示。

表2 SLED芯片典型特性參數(shù)

4 結(jié) 論

本論文設(shè)計(jì)并制作了具有掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及傾斜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SLED芯片,并研究了它的光電轉(zhuǎn)換特性。芯片在100 mA工作電流下,輸出功率達(dá)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(diǎn),可用于光纖傳感器、光時(shí)域反射儀等領(lǐng)域,同時(shí)也可替代半導(dǎo)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(huì)在打印機(jī)、機(jī)器人等諸多領(lǐng)域得到重用。