低偏振高功率1 310 nm超辐射发光二极管的液相外延生长

2015-10-17段利华刘尚军韩伟峰

发光学报 2015年1期

关键词：偏振度燕尾外延

周勇，段利华，2*，张靖，刘尚军，韩伟峰，黄茂

(1.重庆光电技术研究所，重庆 400060； 2.重庆大学应用物理系，重庆 400044)

低偏振高功率1 310 nm超辐射发光二极管的液相外延生长

周勇1，段利华1，2*，张靖1，刘尚军1，韩伟峰1，黄茂1

(1.重庆光电技术研究所，重庆 400060； 2.重庆大学应用物理系，重庆 400044)

对新月形超辐射发光二极管的液相外延生长过程进行了机理分析。利用Matlab软件对建立的非平面生长模型进行了理论计算，并利用扫描电镜(SEM)对液相外延生长的形貌进行了分析，通过理论计算与实验分析设计了获得低偏振、高功率超辐射发光二极管的外延结构。利用该结构研制的超辐射发光二极管芯片在100 mA工作电流、25℃工作温度下输出功率达到3.6 mW，相应的输出波长为1 306 nm，光谱半宽为39 nm，光谱波纹为0.17 dB，偏振度为2%。

超辐射发光二极管；低偏振度；高功率；液相外延

1 引言

超辐射发光二极管(SLD)的性能介于激光二极管与发光二极管之间，具有短相干长度、低噪声以及宽光谱等优点，是用于光纤陀螺［1］、光学传感［2］等领域的理想光源。实际的SLD光源发射的是部分偏振光，大部分的功率在平行于半导体结的水平偏振中，并且在相同驱动电流下，光源出射光的偏振度会随着外界环境的变化而波动，在光纤陀螺中会导致偏振相位误差。光源出射的光的偏振度越高，其出射光的偏振态对外界环境越敏感。通过在光源后面使用消偏器可以实现2%～5%的低偏振度［3］，不过这种途径需要考虑技术成本等问题。近年来，关于SLD的研究主要集中在～0.8［4］，～1.0［5］，～1.3［6］，～1.5μm［7］波段。人们通过采用腔面镀抗反射膜、非泵浦吸收区以及倾斜腔面等技术来抑制F-P腔内的光振荡以实现低光谱波纹。为了实现SLD高功率输出，Yoo等［8］提出了“V”沟结构、Xin等［9］提出了多段图形结构等SLD制作技术。Khan等［10］通过采用量子阱和量子线等技术，提高了SLD的光谱半宽。随着对应变结构材料研究的进步，偏振不敏感半导体光放大器(SOA)与SLD器件得以实现，SOA与SLD的偏振度普遍降低至1 dB(～10%)的水平［11-13］。刘科等［14］采用MOCVD生长混合应变量子阱的脊波导结构SLD，在100mA注入电流下，裸管芯的输出功率为3.5 mW，偏振度为0.3 dB。由于具有更好的图形对称性，方块状的体材料有源区比量子阱结构有源区更容易实现偏振不敏感。掩埋异质结构(BH)的横向折射率差远大于脊波导结构，能更好地实现光源与光纤的有效耦合、线性光-电流特性、稳定的基横模以及良好的漏电流限制，有利于实现低偏振、大功率输出。

液相外延生长技术具有工艺简单、成本低、外延层界面质量好等优点，已广泛应用于Ⅲ-Ⅴ族材料的制备［15-18］。为了提高输出功率，我们曾对双沟平面掩埋异质结构(DCPBH)SLD的漏电机理进行了拟合分析，并通过结构优化实现了对电流限制较为理想的掩埋异质结构［19］。针对光纤陀螺等领域的应用，本文就掩埋新月形(BC)结构的液相外延生长技术进行了研究分析，通过采用体材料有源区结构，实现了低偏振度、高功率的SLD器件。

2 理论分析

2.1 基横模条件

SLD外延片采用两步外延工艺制作。一次外延采用MOCVD生长，在n-InP衬底上依次生长n-InP缓冲层、p-InP电流阻挡层和n-InP限制层。然后，通过光刻工艺在一次外延片上沿〈011〉晶向刻蚀出宽约1.8μm、深约2.5μm的燕尾槽。二次液相外延在沟道衬底上依次生长n-InP缓冲层、InGaAsP下波导层、InGaAsP有源层、InGaAsP上波导层、p-InP限制层和n-InGaAsP顶层。外延生长完成后，在燕尾槽上方刻蚀窗口，并通过p型Cd扩散形成电流通道。SLD层次结构如图1(a)所示。

图1 (a)SLD层次结构示意图；(b)分析导模时所采用的坐标系统。Fig.1 (a)Schematic diagram of layers structure of SLD. (b)Coordinate system for guided modes.

图1(b)为分析导模时所采用的坐标系统。从BC激光器导模的性质出发，认为新月形有源区为一个被包层覆盖的抛物线波导，有源层厚度d(x)随x呈抛物线变化［20］：

式中，d0为有源层中心厚度，W为沿x方向的有源层宽度。若有源区的折射率为n1，InP包层的折射率为n2，对于薄的有源层以及弱波导情况下，抛物线波导的模截止宽度Wc为：

其中，m=1，2…。取n1=3.358，n2=3.162，λ0= 1.3μm，可求出基横模截止时的Wcd0=0.302 μm2。图2为计算出的各阶模截止条件。

图2 各阶模截止条件Fig.2 Cut-off conditions of differentmodes

我们生长的有源层厚度典型值为d0=0.15 μm。为获得稳定的基横模输出，有源层的宽度最大不能超过2μm。采用的光刻图形为沟道宽1.8μm、深2.5μm的燕尾槽结构，燕尾槽底部的宽度为5μm。这种燕尾槽结构在掩埋生长时不容易实现窄条宽的生长，而为了实现基横模、高功率输出，减小有源层的条宽是必须的。有源层的形状直接受二次外延时第一层n-InP生长的影响。第一层生长时间短，有源层位置低、宽度大，如图3(a)所示，有源层宽度为2.72μm。增加n-InP层的生长时间可以抬高有源层的位置使其向燕尾槽口偏移，这样可以略微减小有源层的宽度，但是容易出现槽口回熔塌边增加漏电，如图3(b)所示，有源层的宽度为2.45μm。为了有效地缩小有源层条宽同时抑制槽口的回熔，我们对二次外延时第一层n-InP的外延生长机理进行了分析。

图3 液相外延生长截面SEM图Fig.3 SEM sectional views of the SLD grown by LPE

2.2 生长机理分析

二次液相外延第一层n-InP的生长厚度以及所形成界面的曲率直接决定了第二层有源层的生长形状。沟道内的生长速率是不同的，拐角处的生长速率比平面的快。由于局部的快速生长导致熔源中缺磷，拐角处的快速生长致使沟道底部中间的生长缓慢［21］。

对于实际有用的几种非平面结构，可将固-液界面分解为扇形“基元”，以建立非平面LPE生长的理论模型。如图4(a)所示，选用通常的极坐标系，其中0≤θ0≤2π，近边区生长满足如下方程［17］：

略去驰豫项，可以得到在近边区的生长层厚度为：

图4 (a)非平面结构的基本模型；(b)燕尾槽示意图。Fig.4 (a)Fundamental model of curved surface.(b) Schematic diagram of dovetail groove.

用这种“基元”组成燕尾槽，如图4(b)所示。不管是理论预期还是实际生长情况，在图4(b)中的A点处，即沟道底部的中间生长是比较缓慢的。为方便计算，第一层在A点处外延生长的厚度认为是燕尾槽底部两个角在此处生长厚度的叠加。于是，A点处的厚度为：

利用Matlab软件对上述模型进行拟合计算，参数选取D=4×10-4cm2/s，K=10-2cm/s［17］。图4(b)中A点处生长厚度与生长时间的关系曲线如图5所示。从理论曲线可以看到，在生长时间少于3 s时，A点处无外延层生长。随着生长时间的增加，生长厚度开始时较快，然后趋于缓慢。刚开始时，由于拐角处优先生长导致局部溶质饱和度降低，在短时间内A点处无法生长。计算时我们假定A点处厚度是两个厚度的近似叠加，落入沟道内的溶液同时为两个角的生长提供溶质，局部溶质更容易耗尽，生长速度变缓，厚度值相对于独立的一个角所处情况要小，所以生长初期A点处的实际值略小于理论值。随着生长的进行，拐点优势逐渐消失，A点开始快速生长。而后由于沟道内溶液的溶质逐渐耗尽，所以生长变慢。如果继续生长，则非常容易引起燕尾槽肩部回熔，导致溶液中溶质含量上升，生长速度加快，此时的实际值高于理论值。

图5 A点处第一层n-InP生长厚度与生长时间的关系Fig.5 Thickness of n-InP layer at point A vs.growth time

为了便于显结观察，我们在n-InP层前增加一层非掺杂的InGaAsP层进行外延生长，其生长时间分别为1，2，3 s，生长形貌如图6(a)～(c)所示。从图6(c)可以看到，当生长时间为3 s时，燕尾槽沟底中间A点处未能长上，但是拐角处的优先生长并不明显，这可能与生长的材料体系有关。我们将这一层InGaAsP层换成p-InP层，生长时间为2 s(图6(d))，可以看出拐角优势生长明显，且A点处未长上。在n-InP层前增加一层p-InP有如下优点：(1)在燕尾槽沟底两侧形成了反向pn结电流限制，减小了漏电通道；(2)燕尾槽底角的填充有利于n-InP层生长后形成“U”型界面，从而缩小有源层的宽度，图6(d)中有源层的宽度为1.9μm；(3)底角填充后局部区域快速生长消失，外延生长与溶质输运达到一定平衡从而抑制了燕尾槽肩部回熔，也减少了漏电通道。所以，增加p-InP层的生长有利于实现高功率的输出。

图6 液相外延生长后的截面SEM图，在n-InP之前增加了一层生长时间分别为1 s(a)，2 s(b)，3 s(c)的非掺杂InGaAsP，或一层生长时间为2 s的p-InP(d)。Fig.6 SEM sectional views of SLD grown by LPE，an InGaAsP layer grown with 1 s(a)，2 s(b)，3 s (c)or p-InP layer grown with 2 s(d)was added before n-InP layer，respectively.

3 结果与讨论

图7 芯片结构示意图Fig.7 Schematic drawing of SLD chip

我们在二次液相外延生长n-InP缓冲层前增加一层生长时间为2 s的p-InP，然后利用常规工艺制作SLD芯片，芯片结构如图7所示。有源发光区长300μm。非泵浦吸收区采用直波导结构，长度为600μm。在距芯片后端面200μm处制作有Ti/Pt/Au p面电极，用于接地，它可以吸收SLD后向光泄露至限制层的光子从而减少后端面光的反射，降低SLD输出光的光谱波纹。两个p面电极之间的高掺杂InGaAsP顶层被腐蚀以增加电极间的电阻。在经过n面减薄后，利用热蒸发制作n面电极AuGeNi/Au。为了抑制腔内的激射振荡，在两腔面镀1/4波长厚度的ZrO2增透膜。利用铅锡将芯片烧焊至AlN热沉上，AlN热沉置于致冷器上以控制SLD的工作温度。

在100 mA连续工作(CW)电流、25℃工作温度下，对SLD芯片进行光电性能测试。其输出波长为1 306 nm，相应的光谱半宽为39 nm，光谱波纹为0.17 dB，如图8所示。图9为芯片的L-IV曲线，其在100mA下的输出功率达到3.6mW，相应的偏振度为2%。芯片相对输出功率随偏振角度的变化如图10所示。

图8 芯片典型的光谱曲线Fig.8 Typical spectrum of SLD

图9 芯片典型的L-I-V曲线Fig.9 Typical L-I-V curves of SLD

图10 芯片相对功率随偏振角度的变化Fig.10 Relative light of SLD vs.polarization angle

4 结论

通过理论计算得出了燕尾槽新月形结构SLD基横模稳定输出的条件。在此基础上，通过建立的非平面生长模型对液相外延生长机理进行了分析，并通过理论与实验分析设计了低偏振、高功率SLD的外延结构。在100 mA工作电流、25℃工作温度下，利用该结构研制的SLD芯片的输出光功率达到3.6 mW，相应的输出波长为1 306 nm，光谱半宽为39 nm，光谱波纹为0.17 dB，偏振度为2%。该低偏振度、高功率SLD器件可以作为光源用于光纤陀螺、光纤传感等领域。

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1 310 nm Polarization-insensitive High Power Superlum inescent Diodes Fabricated by Liquid Phase Epitaxy

ZHOU Yong1，DUAN Li-hua1，2*，ZHANG Jing1，LIU Shang-jun1，HANWei-feng1，HUANG Mao1
(1.Chongqing Optoelectronics Research Institute，Chongqing 400060，China；2.Department of Applied Physics，Chongqing University，Chongqing 400044，China) *Corresponding Author，E-mail：dlhsemi@163.com

Theoretical analyses of growing processesweremade in the case of superluminesecnt diode with crescent structure by liquid phase epitaxy(LPE)，which could perfectly explain some phenomena in experiments of LPE on curved InP surfaces.The results of numerical calculation were consistentwith the experimental results.The epitaxy structure was optimized to enhance the output power and reduce the polarization of the SLD.As a result，polarization dependence as low as 2% and 3.6 mW output powerwere obtained at100mA and 25℃heat-sink temperature，corresponding to 39 nm spectralwidth with spectralmodulation of less than 0.17 dB.

superluminescent diode；polarization insensitive；high power；liquid phase epitaxy

1000-7032(2015)01-0069-06

TN248.4文献标识码：A

10.3788/fgxb20153601.0069

2014-09-22；

2014-11-05

国家自然科学基金(11304405)资助项目