大功率低偏振度超辐射发光二极管的研制

李吴皓,王定理,李中坤,单静春,黄晓东,汤 宝

(武汉光迅科技股份有限公司,湖北 武汉 430074)

1 引 言

超辐射发光二极管(Super-radiation light-emitting diode,SLED),其光学性质介于半导体激光器(Laser Diode,LD)和半导体发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)之间[1-3],它产生激光的波长范围要比LD更宽,相干时间长度要比LD更短,它的输出信号功率也比LED高,具有较宽的光谱和超大功率等诸多优点。由于采用了相干长度短的宽光谱SLED作为光源,光学相干层析技术具有成像速度快、轴向分辨率高的优点。另外,SLED也可在可调谐外腔激光器、光波分复用器以及其他光纤传感器领域也有着广泛的应用[4]。

SLED是一种基于自发辐射的光放大元件。向器件中输入正向电流,有源层内反转分布的电子从导带跃迁到价带或杂质能级时,与空穴复合而释放出光子。而在F-P型(Fabry-Perot resonator)半导体激光器中,当阈值电流远远小于输入电流时,光子在前后端面之间往返振荡。随着输入电流的增大,谐振腔内的光子增益大于或等于内部的光量损耗,从而形成激光输出。而在SLED芯片中,在理想情况下芯片端面反射率R=0,它的输出光为非相干光,同时谐振腔内传播的光会受到增益,使得调制光谱和发散角变窄,调制带宽也随之增大。

SLED芯片的设计与制作工艺之前已有很多论文进行过研究[5-10],但是大多出光功率较低,或者是具有高的偏振消光比。而本论文中所设计的SLED芯片具有大的出光功率,同时具有低的偏振消光比以及宽的光谱带宽。该SLED有源区采用多量子阱的张压混合应变,以实现低的偏振消光比。芯片在制备时采用掩埋异质结构(Buried Heterostructure,BH),该结构的条形有源区被低折射率的材料包围,且有源区有着较高的折射率。沿结平面形成的台阶,它的侧向折射率可以达到0.2,而单纯由载流子引起的折射率变化也只能达到10-3个数量级。为了更好地提高其偏振特性以及将光模场限制在掩埋有源区内,我们将其波导形状设计为矩形[1]。

2 芯片结构设计和制作

2.1 芯片结构设计

如图1所示,SLED芯片采用平面掩埋异质结构。最表面是InGaAs欧姆接触层,下面的结构依次为p型InP,n型InP,p型InP,n型InP,这种p-n-p-n结构,能有效限制电流,以实现低的阈值以及高的发光效率,其中有源区采用张压混合应变的多量子肼结构(MQW active)。另外芯片还采用斜腔波导结构,波导倾斜角度为7°,倾斜的波导结构可以减少反射光耦合进入有源区中,以降低光谱纹波(Ripple)。芯片分为前后两段,前段为发光区,后段为吸收区,前后两段之间去除了InGaAs层以便实现电学隔离。另外为了更好地降低光谱纹波,对芯片的前后出光端面镀制反射率小于0.1 %的增透膜。

图1 SLED芯片外延结构图

2.2 芯片工艺制作

BH-SLED芯片主要制作工艺流程为,首先进行一次外延片的MOCVD外延生长,芯片基底材料为InP,有源区采用InGaAsP材料体系的混合应变的多量子阱结构,共含有10对阱垒,阱垒的厚度均为6 nm。然后采用SiO2作为掩膜进行波导刻蚀,波导的设计宽度为1.6 μm。为保证波导宽度、深度的一致性以及完美的台型,我们采用干法刻蚀以及湿法腐蚀相结合的方式进行波导台阶制作。以CH4/H2/O2混合气体为介质,利用反应离子刻蚀法刻蚀InP/InGaAsP。如图2为扫描电镜观察到的干法刻蚀后的波导侧面图,可以看到有明显的刻蚀轮廓图案,上面一层为SiO2掩模,刻蚀的垂直深度约0.5 μm。符合我们的设计要求。

图2 干法刻蚀侧面图

干法刻蚀后,接着进行波导台阶的湿法腐蚀,本论文采用的腐蚀液为Br2∶HBr∶H2O,其中Br2做为氧化剂,其腐蚀机理是材料先被氧化剂氧化,产生的氧化物被稀释的酸溶液(HBr)溶解掉。由于InP和InGaAsP在腐蚀液中被腐蚀的速率不同,所产生的台面侧壁通常比较粗糙,台型也不完美。本论文通过调整Br2∶HBr∶H2O腐蚀液的配比,对不同的腐蚀液进行对比实验,以便产生深度合适且光滑的台面侧壁。几种溶液具体配比如表1所示,其中的比例为摩尔质量比。

表1 溶液配比表

图3(a)、(b)、(c)、(d)表示不同配比的腐蚀液所腐蚀出的台型侧面扫描电镜图。

图3 不同配比的腐蚀液腐蚀的材料侧面扫描电镜图

当溶液中HBr含量比例相对较小时(腐蚀液A),腐蚀出的台面形状如图3(a)所示,可明显看出其中MQW层有腐蚀凹槽,这是由InGaAsP在腐蚀液中被腐蚀的速率要快于InP导致的。

当溶液中HBr含量比例相对较大时(腐蚀液B),InGaAsP在腐蚀液的腐蚀速率反而慢于InP,MQW层周围有一个凸起,如图3(b)所示。

当采用腐蚀液C时进行腐蚀时,腐蚀结果如图3(c),可看出台面侧壁很光滑,此时腐蚀InP和InGaAsP的速率基本相同。当我们采用腐蚀液D进行腐蚀时,腐蚀结果如图3(d),可以看到台面侧壁有略微不明显的凸起,总体看下来还是很光滑。

通过以上系列实验对比可知,当采用少量的HBr时,此时Br2的浓度相对较高,它腐蚀四元层的速率要比InP快,因此在InGaAsP有源层区产生凹槽。另外由于此时溶液的酸度不足,产生的氧化物无法被酸及时溶解而残留在表面,所以侧面呈现凹凸不平的形貌。当采用过量的HBr时,InP在强酸溶液中会被大幅度腐蚀,是由于InP在强酸中不再稳定,会被氧化成H3PO4、H3PO3等物质,因此在InGaAsP有源层区产生凸起状。实验结果表明,Br2∶HBr∶H2O的最佳摩尔浓度比在1∶25∶100～1∶75∶100之间。它可以以相同的速率腐蚀InP和InGaAsP,能得到光滑的波导侧面,以便降低芯片的光传输损耗。

刻蚀完波导经清洗干净后,接着进行二次MOCVD掩埋生长P-N-P阻挡层。在去除一次外延片表面的SiO2层后,接着进行第三次MOCVD掩埋生长P-InP层,以及表面p-InGaAs缓冲层,目的是为了减少接触电阻。材料生长完后,接着进行P面电极制作,减薄以及N面电极等后工艺的制作。

图4为制作实际制作的SLED芯片发光端面的扫描电镜照片,中间有源区的宽度约为1.6 μm,两侧为P-N-P-N掩埋异质结构,能对光电特性起到很好的限制作用。

图4 SLED芯片侧面SEM图

3 芯片性能测试与分析

3.1 芯片PIV特性

在室温25 ℃下,本文对所制作的SLED芯片进行了PIV特性测试。如图5所示,当工作电流为250 mA时,芯片的出光功率达到20 mW以上,电压值小于1.4 V,串联电阻值小于3 Ω。

图5 SLED芯片PIV特性曲线

通常半导体激光器由于有源区材料以及波导结构的原因,只存在一个主要的偏振模式,其电场矢量平行于有源区平面(TE模),而电场矢量垂直于有源区平面的分量(TM模)光功率很小,偏振消光比约20 dB。本文所制作的超辐射发光二极管由于优化设计了混合应变的多量子阱有源区,以及采用具有良好对称波导结构的掩埋异质结构,因此具有很低的偏振消光比。图6为SLED芯片在不同电流下的偏振消光比(PER),其定义为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。由该图可知,在整个工作电流范围内,芯片的PER值均优于0.5 dB。

图6 SLED芯片PER特性曲线

3.2 芯片光谱特性

本文测试了SLED芯片在室温下100 mA电流下的光谱特性,结果如图7所示。可知芯片的中心波长约为1315 nm,3 dB光谱宽度超过50 nm。由于本论文所制作的SLED芯片采用了倾斜的波导结构,并在芯片前后端面镀制增透膜,光谱具有很小的调制度。图7插图为SLED芯片在峰值波长处的光谱放大图,由该图可看出,该光谱纹波小于0.1 dB。

图7 SLED光谱特性曲线

3.3 芯片发散角

我们分别测试了SLED芯片的两个偏振模式的水平和垂直发散角。图8(a)和图8(b)分别为TE模和TM模的远场发散角。由图8(a)可知TE模的水平发散角为33°,垂直发散角为37°。由图8(b)可得TM模的水平发散角为32°,垂直发散角为35°。由测试结果可知,TE模与TM模均具有较好且相似的圆形光斑,以便提高光纤的耦合效率,而且使得两个偏振模式的光纤耦合效率尽量一致,以便出纤的耦合输出光同样具有低的偏振消光比。

图8 SLED芯片TE发散角和SLED芯片TM发散角

综合以上测试结果,SLED芯片在25 ℃下的性能参数如表2所示。

表2 SLED芯片典型特性参数

4 结 论

本论文设计并制作了具有掩埋异质结构以及倾斜波导结构的SLED芯片,并研究了它的光电转换特性。芯片在100 mA工作电流下,输出功率达到8 mW,偏振消光比小于0.5 dB,光谱宽度大于50 nm,纹波小于0.1 dB。该芯片具有出光功率大,低偏振消光比,宽光谱带宽以及纹波低的特点,可用于光纤传感器、光时域反射仪等领域,同时也可替代半导体激光器等器件作为短距离的光纤通信光源。SLED性能的不断提高,它将会在打印机、机器人等诸多领域得到重用。