大功率低偏振度超輻射發光二極管的研制

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

超輻射發光二極管(Super-radiation light-emitting diode,SLED),其光學性質介于半導體激光器(Laser Diode,LD)和半導體發光二極管(Light-Emitting Diode,LED)之間[1-3],它產生激光的波長范圍要比LD更寬,相干時間長度要比LD更短,它的輸出信號功率也比LED高,具有較寬的光譜和超大功率等諸多優點。由于采用了相干長度短的寬光譜SLED作為光源,光學相干層析技術具有成像速度快、軸向分辨率高的優點。另外,SLED也可在可調諧外腔激光器、光波分復用器以及其他光纖傳感器領域也有著廣泛的應用[4]。

SLED是一種基于自發輻射的光放大元件。向器件中輸入正向電流,有源層內反轉分布的電子從導帶躍遷到價帶或雜質能級時,與空穴復合而釋放出光子。而在F-P型(Fabry-Perot resonator)半導體激光器中,當閾值電流遠遠小于輸入電流時,光子在前后端面之間往返振蕩。隨著輸入電流的增大,諧振腔內的光子增益大于或等于內部的光量損耗,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,同時諧振腔內傳播的光會受到增益,使得調制光譜和發散角變窄,調制帶寬也隨之增大。

SLED芯片的設計與制作工藝之前已有很多論文進行過研究[5-10],但是大多出光功率較低,或者是具有高的偏振消光比。而本論文中所設計的SLED芯片具有大的出光功率,同時具有低的偏振消光比以及寬的光譜帶寬。該SLED有源區采用多量子阱的張壓混合應變,以實現低的偏振消光比。芯片在制備時采用掩埋異質結構(Buried Heterostructure,BH),該結構的條形有源區被低折射率的材料包圍,且有源區有著較高的折射率。沿結平面形成的臺階,它的側向折射率可以達到0.2,而單純由載流子引起的折射率變化也只能達到10-3個數量級。為了更好地提高其偏振特性以及將光模場限制在掩埋有源區內,我們將其波導形狀設計為矩形[1]。

2 芯片結構設計和制作

2.1 芯片結構設計

如圖1所示,SLED芯片采用平面掩埋異質結構。最表面是InGaAs歐姆接觸層,下面的結構依次為p型InP,n型InP,p型InP,n型InP,這種p-n-p-n結構,能有效限制電流,以實現低的閾值以及高的發光效率,其中有源區采用張壓混合應變的多量子肼結構(MQW active)。另外芯片還采用斜腔波導結構,波導傾斜角度為7°,傾斜的波導結構可以減少反射光耦合進入有源區中,以降低光譜紋波(Ripple)。芯片分為前后兩段,前段為發光區,后段為吸收區,前后兩段之間去除了InGaAs層以便實現電學隔離。另外為了更好地降低光譜紋波,對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芯片外延結構圖

2.2 芯片工藝制作

BH-SLED芯片主要制作工藝流程為,首先進行一次外延片的MOCVD外延生長,芯片基底材料為InP,有源區采用InGaAsP材料體系的混合應變的多量子阱結構,共含有10對阱壘,阱壘的厚度均為6 nm。然后采用SiO2作為掩膜進行波導刻蝕,波導的設計寬度為1.6 μm。為保證波導寬度、深度的一致性以及完美的臺型,我們采用干法刻蝕以及濕法腐蝕相結合的方式進行波導臺階制作。以CH4/H2/O2混合氣體為介質,利用反應離子刻蝕法刻蝕InP/InGaAsP。如圖2為掃描電鏡觀察到的干法刻蝕后的波導側面圖,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。符合我們的設計要求。

圖2 干法刻蝕側面圖

干法刻蝕后,接著進行波導臺階的濕法腐蝕,本論文采用的腐蝕液為Br2∶HBr∶H2O,其中Br2做為氧化劑,其腐蝕機理是材料先被氧化劑氧化,產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,所產生的臺面側壁通常比較粗糙,臺型也不完美。本論文通過調整Br2∶HBr∶H2O腐蝕液的配比,對不同的腐蝕液進行對比實驗,以便產生深度合適且光滑的臺面側壁。幾種溶液具體配比如表1所示,其中的比例為摩爾質量比。

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型側面掃描電鏡圖。

圖3 不同配比的腐蝕液腐蝕的材料側面掃描電鏡圖

當溶液中HBr含量比例相對較小時(腐蝕液A),腐蝕出的臺面形狀如圖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導致的。

當溶液中HBr含量比例相對較大時(腐蝕液B),InGaAsP在腐蝕液的腐蝕速率反而慢于InP,MQW層周圍有一個凸起,如圖3(b)所示。

當采用腐蝕液C時進行腐蝕時,腐蝕結果如圖3(c),可看出臺面側壁很光滑,此時腐蝕InP和InGaAsP的速率基本相同。當我們采用腐蝕液D進行腐蝕時,腐蝕結果如圖3(d),可以看到臺面側壁有略微不明顯的凸起,總體看下來還是很光滑。

通過以上系列實驗對比可知,當采用少量的HBr時,此時Br2的濃度相對較高,它腐蝕四元層的速率要比InP快,因此在InGaAsP有源層區產生凹槽。另外由于此時溶液的酸度不足,產生的氧化物無法被酸及時溶解而殘留在表面,所以側面呈現凹凸不平的形貌。當采用過量的HBr時,InP在強酸溶液中會被大幅度腐蝕,是由于InP在強酸中不再穩定,會被氧化成H3PO4、H3PO3等物質,因此在InGaAsP有源層區產生凸起狀。實驗結果表明,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,能得到光滑的波導側面,以便降低芯片的光傳輸損耗。

刻蝕完波導經清洗干凈后,接著進行二次MOCVD掩埋生長P-N-P阻擋層。在去除一次外延片表面的SiO2層后,接著進行第三次MOCVD掩埋生長P-InP層,以及表面p-InGaAs緩沖層,目的是為了減少接觸電阻。材料生長完后,接著進行P面電極制作,減薄以及N面電極等后工藝的制作。

圖4為制作實際制作的SLED芯片發光端面的掃描電鏡照片,中間有源區的寬度約為1.6 μm,兩側為P-N-P-N掩埋異質結構,能對光電特性起到很好的限制作用。

圖4 SLED芯片側面SEM圖

3 芯片性能測試與分析

3.1 芯片PIV特性

在室溫25 ℃下,本文對所制作的SLED芯片進行了PIV特性測試。如圖5所示,當工作電流為250 mA時,芯片的出光功率達到20 mW以上,電壓值小于1.4 V,串聯電阻值小于3 Ω。

圖5 SLED芯片PIV特性曲線

通常半導體激光器由于有源區材料以及波導結構的原因,只存在一個主要的偏振模式,其電場矢量平行于有源區平面(TE模),而電場矢量垂直于有源區平面的分量(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光二極管由于優化設計了混合應變的多量子阱有源區,以及采用具有良好對稱波導結構的掩埋異質結構,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,在整個工作電流范圍內,芯片的PER值均優于0.5 dB。

圖6 SLED芯片PER特性曲線

3.2 芯片光譜特性

本文測試了SLED芯片在室溫下100 mA電流下的光譜特性,結果如圖7所示。可知芯片的中心波長約為1315 nm,3 dB光譜寬度超過50 nm。由于本論文所制作的SLED芯片采用了傾斜的波導結構,并在芯片前后端面鍍制增透膜,光譜具有很小的調制度。圖7插圖為SLED芯片在峰值波長處的光譜放大圖,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 芯片發散角

我們分別測試了SLED芯片的兩個偏振模式的水平和垂直發散角。圖8(a)和圖8(b)分別為TE模和TM模的遠場發散角。由圖8(a)可知TE模的水平發散角為33°,垂直發散角為37°。由圖8(b)可得TM模的水平發散角為32°,垂直發散角為35°。由測試結果可知,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發散角和SLED芯片TM發散角

綜合以上測試結果,SLED芯片在25 ℃下的性能參數如表2所示。

表2 SLED芯片典型特性參數

4 結 論

本論文設計并制作了具有掩埋異質結構以及傾斜波導結構的SLED芯片,并研究了它的光電轉換特性。芯片在100 mA工作電流下,輸出功率達到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,可用于光纖傳感器、光時域反射儀等領域,同時也可替代半導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,它將會在打印機、機器人等諸多領域得到重用。