反射式倒装对1 300 nm激光器性能改善的分析

2018-04-19薛正群王凌华

发光学报 2018年4期

薛正群，王凌华，苏辉*

(1. 中国科学院福建物质结构研究所，福建福州 350002; 2. 中国科学院大学，北京 100049)

1 引言

InP基边发射半导体激光器是光纤通信中最主要的信号发射光源，其大量应用于FTTx(Fiber-to-the-x)、CATv(Cable television)、WDM (Wavelength division multiplexing)、数据中心等领域，具有巨大的经济效益和应用前景。通常为了实现激光信号在单模光纤中的长距离传输和良好的信噪比，要求激光器出光至单模光纤具有良好的耦合效率。一般可以通过提高注入电流来提高激光器的输出功率，进而提高器件的耦合功率；然而增加注入电流使得器件功耗增加，同时，电流增加器件结温升高，容易引起激光器可靠性问题并降低器件寿命。相应的研究报道和应用结果表明：半导体激光器在使用过程中发生的电、热等过载是加速半导体激光器退化并引起器件失效最为常见的因素[1-6]。因此，如何进一步提高器件的发光效率，降低器件发热或优化器件散热，对于激光器的实际应用具有重要的意义。

通常，通过优化激光材料外延生长质量、合理优化波导和量子阱实现外延材料的低损耗、高增益来提高激光器的效率。此外，通过降低激光器芯片的发散角，也是提高器件单模光纤耦合效率和耦合功率的重要方法。通常通过调整激光器脊型波导结构或采用掩埋结构来降低芯片X方向(平行脊方向)的发散角。同样根据高斯光束的特性，通过调整增大激光器端面光斑Y方向(垂直脊方向)的尺寸来实现降低器件Y方向的发散角。目前采用的主要方法有：增加有源区的厚度[7-8]、降低波导和有源区的折射率差来减弱波导作用[9]，然而，采用层数较多的量子阱往往容易导致载流子在量子阱中的分布不均，引起注入效率降低。另一方面，在外延结构上进行调整减弱波导作用[10]，在光斑Y方向尺寸增大的同时，光场与掺杂区域的重叠损耗增大，降低了器件的发光效率。

本文对AlGaInAs多量子阱1 300 nm RWG-FP (Ridge-waveguide Fabry-Perot)激光器进行倒装封装，并对倒装热沉进行设计，在热沉上靠近激光器出光和背光端面的10～20 μm区域采用Au反射层，利用Au对芯片前后端面出光进行反射来降低芯片的Y发散角。实验过程对该倒装结构器件和常规封装器件进行对比，分析其对芯片发散角和器件耦合功率的改善，以及对器件光电性能参数的影响。进一步地对两种器件进行温度加速老化实验，对比二者的老化寿命差异。

2 激光器的制备

在InP衬底上，通过MOCVD沿生长方向依次生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层、AlGaInAs上波导层、InGaAsP腐蚀停止层、InP空间层、InGaAsP过渡层、P+-InGaAs欧姆接触层，形成外延片。对外延片进行脊型腐蚀、脊型开孔、P面金属、N型减薄、N面金属、合金、解离、腔面镀膜等工艺形成RWG-FP激光器芯片，其芯片结构如图1(a)所示；激光器芯片腔长为250 μm，室温和Ith+20 mA下发光波长为1 300 nm。对芯片进行常规封装和反射式倒装，分别称为LD-B和LD-A。对于倒装器件(LD-A),我们在倒装热沉上进行设计，在靠近出光和背光端面10～20 μm区域制备Au反射层，对前后端面的出光进行反射，其结构图如图1(b)所示。对封帽前的芯片进行发散角测试，并对封帽后的器件进行耦合功率测试，从而来对比两种器件的差异。

图1 芯片和封装示意图。(a)芯片结构图;(b)倒装结构图。

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

3 器件实验结果和分析

3.1 器件发散角和耦合效率的改善

图2为封帽前在30 mA电流下两种激光器芯片的水平和垂直发散角测试结果对比。结果显示：两种器件出光的水平发散角相近为21.5°，垂直反向发散角LD-A(主瓣)和LD-B分别为17°和34.5°。图中LD-A远场主峰的位置与LD-B有所偏离，其原因为：LD-A经Au反射的相干光与原光场相互干涉导致远场能量分布变化。

图2 器件远场图。(a)器件水平发散角;(b)器件垂直发散角。

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

对芯片进行TO-Can器件封装，并在Ith+20 mA电流下对两种激光器进行APC(6°)单模光纤的耦合，TO封装器件到单模光纤(SMF,Single mode fiber)的耦合示意图如图3所示。表1为两种激光器的耦合结果，LD-A和LD-B的平均耦合功率分别为2 326 μW和1 850 μW，平均耦合效率为26.5%和21.1%；表明采用Au的反射层结构有效降低了芯片Y方向的发散角，提高了单模光纤耦合效率。相应地，该结构对于激光器背光也起到相同的作用。

图3 TO激光器耦合到单模光纤示意图

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%

激光器出光耦合进单模光纤接收角内的光，扣除光纤损耗后与入射光功率之比为光纤的耦合效率。对两种激光器耦合效率进行大概的分析：通过对图2(b)中LD-A的远场曲线进行积分和归一化，可得LD-A主瓣的功率占整体功率的69%，旁瓣功率占31%；激光器单模光纤耦合效率η近似有如下关系[11]：

η∝1/θ，

(1)

3.2 器件光电参数测试对比

我们对两种器件的光电参数特性进行了分析和对比。在室温下，对两种器件的LIV特性进行对比，如图4所示。与LD-B相比，LD-A的饱和电流从135 mA提高到155 mA，饱和输出功率从37 mW提高到42 mW。

图4 两种激光器参数对比。(a)两种器件的LIV;(b)两种器件的发热对比。

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

对于半导体激光器，其正向电压和注入电流满足关系式[12]：

Vf=Vj+If×Rs，

(2)

Vj≈hν/q，

(3)

ρ=1/[q(nμn+pμp)]，

(4)

其中Vf为器件正向工作电压；If为正向注入电流；Rs=Rc+Rb为器件的串联电阻，它包含电极接触电阻Rc和外延材料的体电阻Rb；VJ为结电压;hν为光子能量；ρ为电阻率；q为电子电量；n和p分别为电子和空穴浓度；μn和μp分别为电子和空穴迁移率。对于半导体激光器，其电阻主要来源于掺杂材料区域和非掺杂材料区域(AlGaInAs波导和量子阱区域)。通常对于掺杂半导体材料来说，温度的升高有利于激活杂质提高载流子浓度[13]。另一方面，对于本征AlGaInAs材料，其本征载流子浓度随温度的升高而增大。因此，器件温度升高、电阻降低很可能与整体材料的载流子浓度增加有关[14]。

图4(a)显示，注入电流增加越多两种器件工作电压相差越大。其主要由于散热的差异导致两种器件电阻和出光波长的差异。在200 mA电流下，LD-A、LD-B的正向工作电压分别为1.8 V和2.4 V；在实际应用中，提高激光器的正向工作电压，对于改善器件在大电压下的可靠性具有一定的帮助作用。半导体器件工作时，其发热功率可表征为：

Pthem=Vf×If-P0，

(5)

其中Pthem为器件的发热功率，P0为输出光功率。图4(b)为室温下，不同工作电流下两种激光器发热功率对比；LD-A由于工作电压偏大，使得器件发热功率偏大。半导体激光器的热阻Rth定义为[15]：

Rth=(TJ-TX)/Pthem，

(6)

其中TJ为结区温度，TX为指定参考点温度，这里指环境温度；对于不同的激光器在相同的热发散功率下，对比TJ-TX的值可以分析半导体激光器的散热能力。表2为室温下，两种激光器在相同热发散功率下器件发光峰值波长λp的变化对比，从表中可以看出随着发热功率的增加二者波长相差越大，当在340 mW的发热功率下，LD-A峰值波长比LD-B要短10.6 nm。实验中我们测得激光器发光波长随温度的变化系数约为0.57 nm/℃。以50 m W和340 mW这两个发热功率为参考点对器件热阻做近似计算，从测试结果可得LD-A和LD-B热阻分别为131 K/W和194 K/W。半导体二极管反向漏电流Ileak和工作温度近似满足如下关系[16]：

表2两种激光器不同发热功率下出光波长的变化

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为材料禁带宽度，器件漏电流与温度有指数的关系；随着温度的升高，漏电流增大。图5为不同环境温度、-1.5 V偏压下两种器件的反向漏电流对比。随着温度的升高，两种器件漏电流相差逐渐增大。在85 ℃环境温度下，LD-A和LD-B的漏电流分别为40 nA和488 nA。对于PN结，外加的反偏电压增强了内电场阻止了多子的扩散，然而材料中少子在内电场作用下漂移形成反向电流。激光器在反偏下形成电流使得激光器存在着电功率的注入，在器件无出光的情况下，其注入电功率转化为材料内部的热功率；器件的反向电流与器件的温度相关，即与器件的散热能力相关，而温度越高其差异越明显。

图5 不同温度、-1.5 V偏压下两种激光器的漏电流对比。

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

3.3 加速老化实验

最后，对两种激光器在95 ℃环境温度、100 mA注入电流下进行加速老化实验。半导体激光器在工作时，其输出功率P随工作时间变化呈现指数衰退模型[17]，有如下关系：

P=P0exp(-βt)，

(8)

其中P0为老化前的初始光功率，t为老化时间，β为器件衰退系数。对老化前后不同时间段器件的出光参数进行测量，对起始输出光功率进行归一化，得到器件输出功率随着老化时间的变化情况，如图6所示。当老化至2 000 h时，LD-B的个别器件输出功率衰退超过20%，而LD-A器件的功率衰退在10%以内。根据公式(7)，对两种激光器的输出功率变化取平均值，在老化条件下，器件LD-A和LD-B的衰退系数分别为1.06×10-5和4.22×10-5,寿命分别为21 027 h和5 283 h，如表3所示。

图6 两种器件老化结果。LD-A(a)和LD-B(b)的输出功率变化曲线。

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

表3 95 ℃、100 mA下两种器件的老化结果对比

4 结论

对激光器芯片进行倒装封装，并对封装热沉进行设计，在靠近出光和背光端面的区域采用Au反射层来反射器件的出光。结果显示，激光器芯片的垂直发散角从常规封装的34.5°降低至17°，器件单模光纤耦合的平均光功率提高了25%。对两种器件进行光电参数的测量结果表明，采用该倒装结构封装器件提高了器件的散热能力。与常规封装器件相比，激光器的热阻从194 K/W降低至131 K/W；激光器在加速老化实验中其衰退系数从4.22×10-5降低至1.06×10-5，并延长了器件寿命。

参考文献：

[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，张普，熊玲玲，等. 温度对高功率半导体激光器阵列“smile”的影响 [J]. 光子学报, 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] 金伟，李光慧，陈熙，等. 一体化半导体激光器的ANSYS热仿真及结构设计 [J]. 光学精密工程, 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] 高树理. 半导体激光器和光纤的耦合 [J]. 煤炭技术, 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] 张晓磊，薄报学，张哲铭，等. C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究 [J]. 发光学报, 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, 伍国珏. 半导体器件物理 [M]. 西安：西安交通大学出版社, 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.