大功率短波长InAlGaAs/AlGaAs量子点超辐射发光管

王飞飞,李新坤,梁德春,金　鹏*,王占国

（1.中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，低维半导体材料与器件北京市重点实验室，北京 100083；2.北京航天控制仪器研究所，北京 100039）

大功率短波长InAlGaAs/AlGaAs量子点超辐射发光管

王飞飞1,李新坤2,梁德春2,金鹏1*,王占国1

（1.中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，低维半导体材料与器件北京市重点实验室，北京 100083；2.北京航天控制仪器研究所，北京 100039）

为了满足超辐射发光管的短波长应用，采用InAlGaAs/AlGaAs量子点有源区和干法刻蚀工艺制备了短波长弯曲波导超辐射发光管。在1.6 A脉冲电流注入下，器件峰值输出功率为29 mW，中心波长为880 nm，光谱半高宽为20.3 nm。比较了干法刻蚀工艺和湿法腐蚀工艺对超辐射发光管器件性能的影响。在1.6 A脉冲电流注入下，湿法腐蚀制备的器件峰值输出功率仅为7 mW。与湿法腐蚀相比，干法刻蚀可以精确控制波导形状和参数，降低波导损耗，有效增大器件输出功率。

超辐射发光管；自组织量子点；干法刻蚀

1 引 言

超辐射发光管（Superluminescent diode， SLD）是一种介于半导体激光器（Laser diode，LD）和发光二极管（Light emitting diode，LED）之间的半导体发光器件，它同时具有LD的大功率和LED的宽光谱的特性，因此在许多领域有着重要的应用，如外腔可调谐激光器［1］、光学相干成像（Optical coherence tomography，OCT）系统［2］、光纤陀螺仪［3-4］、光纤传感器［5-6］等。由于超辐射过程指数形式的增益特性，使得在SLD研制过程中始终存在着输出功率和光谱宽度相互制约的问题。近年来，自组织量子点（Quantum dot，QD）由于其本征的尺寸非均匀性、多能态叠加及高效率的发光等特性，在大功率宽光谱超辐射发光管的研制中显示出了特有的优势。孙中哲等［7］首先提出了采用自组织QD为有源区研制SLD的设想。张子旸等［8］在国际上首次研制出InAs/GaAs QD-SLD器件，连续工作输出功率达到200 mW。刘宁等［9］通过优化生长参数制备出了光谱宽度100 nm以上的InAs/GaAs QD-SLD器件。吕雪芹等［10］采用AlGaAs作为势垒层研制出了光谱宽度为142 nm的QD-SLD器件。采用倾斜条形超辐射区与锥形光放大区单片集成的双注入区QDSLD进一步提高了器件的输出功率［11-12］，并且可以实现发光光谱与输出功率的独立调节［13］。更进一步，李新坤等采用倒装焊工艺，实现了双区超辐射器件的大功率、宽光谱连续工作［14］。GaAs基In（Ga）As自组织QD的发光波段通常在0.9～1.3 μm，采用大失配缓冲层技术可以把发光波长延伸至1.55 μm以上［15］。而在实际应用中，也会用到更短波长的超辐射器件，例如在眼科OCT［16］系统中，800～900 nm波段的超辐射光源更为合适。这一波段的近红外光在角膜、晶状体等眼组织中的吸收和散射较小，是适合眼部成像的光学窗口。另外，在相同的光谱宽度下，短波长更有利于提高OCT系统的轴向分辨率［17］。因此，梁德春等［18］采用InAlGaAs/Al-GaAs QD和湿法腐蚀工艺研制出了波长884 nm的SLD器件，在5 A脉冲注入电流下，得到了18 mW的峰值输出功率。

本文以应变自组织InAlGaAs/AlGaAs QD为有源区，采用干法刻蚀工艺制备了弯曲波导SLD器件。为了进行比较，在相同工艺参数条件下采用湿法腐蚀工艺制备了同类器件。实验结果表明，干法刻蚀工艺能有效提高器件的输出功率。文中讨论了两种波导制作工艺对波导横截面形状及波导损耗的影响。

2 实 验

器件结构采用法国产Riber 32P分子束外延设备在n型GaAs衬底上生长，其有源区为5层In0.45Al0.2Ga0.35As QD，每个量子点层之间以Al0.25-Ga0.75As势垒层分隔。有源区的两侧分别是n-和p-AlxGa1-xAs（x=0.25～0.5）渐变折射率波导层，波导层的两侧分别是厚度为1.5 μm的n-和p-Al0.5Ga0.5As包覆层。为了制备p面欧姆接触电极，在材料的最上面生长一层厚度为250 nm的Be掺杂p+-GaAs，室温空穴浓度为1×1019cm-3。图1是器件的导带示意图，具体生长条件可参阅文献［16］。

图1　InAlGaAs/AlGaAs QD-SLD的导带示意图Fig.1 Conduction band diagram of InAlGaAs/AlGaAs QD-SLD

分别采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备了弯曲波导结构的量子点SLD器件。具体工艺如下：首先采用干法刻蚀（或湿法腐蚀）制作出一脊波导结构，然后采用化学汽相沉积方法生长SiO2绝缘层，并采用普通光刻和湿法腐蚀的方法在脊上的SiO2绝缘层上腐蚀出一电注入窗口，接着采用电子束蒸发制备Ti/Au p面电极；完成p面电极后将衬底减薄至120 μm左右并抛光，采用电阻热蒸发制备AuGeNi/Au n面电极；双面电极完成后，在350℃温度和氮气氛围中快速热退火1 min以完成合金化；最后，将解理的管芯利用In焊料倒装焊在无氧铜热沉上，并利用金丝球焊机在管芯上压焊引线，至此完成器件的制备。器件结构参数如下：脊宽4 μm，波导直条部分长度2.5 mm，波导弯曲部分长度1 mm，波导刻蚀深度2 μm。器件的光输出功率和光谱测试均在室温下进行，采用脉冲电流注入，频率为1 kHz，占空比为3%，测试所得输出光功率为峰值功率。

3 结果与讨论

为了验证外延材料的质量，我们首先制备了直条形脊形波导半导体激光器，器件的腔长为1.5 mm，脊宽为4 μm。图2所示为该器件的单腔面输出功率-电流（P-I）曲线和激射光谱。该器件的阈值电流为300 mA，在1 050 mA电流下的单面输出功率为139 mW，发光波长为889.7 nm。

图2 InAlGaAs/AlGaAs QD激光器的P-I曲线和激射光谱Fig.2 P-I curve and lasing spectrum of InAlGaAs/AlGaAs QD laser

图3所示为干法刻蚀和湿法腐蚀两种工艺制作的SLD器件的功率-电流（P-I）曲线，显示出了明显的超辐射特性。可以看出，采用干法刻蚀工艺制备的SLD的输出功率明显大于采用湿法腐蚀工艺的同类器件。在1.6 A脉冲电流注入下，前者的输出功率为29 mW，而后者的输出功率仅为7 mW。

图3　干法刻蚀和湿法腐蚀制备的超辐射发光管的P-I曲线Fig.3 P-I curves of SLDs fabricated by dry and wet etching process

为了分析干法刻蚀和湿法腐蚀两种工艺方法对器件输出功率的影响，我们采用扫描电子显微镜（SEM）对SLD器件的波导横截面进行了观察，结果如图4所示。可以看出，采用干法刻蚀器件的波导侧壁与外延方向是垂直的，截面形状为规则的矩形，经测量脊宽为4 μm；而采用湿法腐蚀的器件波导截面呈中间窄、上下宽的不规则形状，中部最窄处以上基本呈倒置的梯形，俗称“倒台”结构。经测量，侧壁与水平夹角约为50°，台面上部最宽处为4 μm，中部最窄处为3 μm。“倒台”结构的形成与湿法腐蚀过程中的侧蚀效应有关，有两个因素会导致“倒台”波导器件的输出功率偏低：第一，由于“倒台”波导截面中部变窄且形状不规则，导致波导的限制因子减小；第二，与本文采用的是弯曲波导结构有关。当光在弯曲波导中传播时，光的路径是变化的。如果采用“倒台”波导，由于波导形状不规则，光在传播时有一部分不能在波导内进行全反射，造成光的泄露。所以，不规则的“倒台”结构波导损耗更大。因此，湿法腐蚀的“倒台”波导超辐射发光管的光输出功率应小于矩形波导器件的输出功率。

图4　干法刻蚀（a）和湿法腐蚀（b）制备的SLD的截面SEM照片Fig.4 Cross-section SEM images of SLDs fabricated by dry etching（a）and wet etching（b）

图5　干法刻蚀工艺制备的SLD器件在不同电流下的输出光谱（a）及光谱半高宽和中心波长随着电流的变化关系（b）Fig.5 Emitting spectra at different currents（a）and the spectral full-width at half-maximum and center wavelength as a function of the current（b）of SLD device prepared by dry etching process

干法刻蚀工艺制备的SLD器件在不同电流注入下的输出光谱如图5（a）所示，光谱的半高宽和中心波长随着注入电流的变化如图5（b）所示。从图5可以看出，在50～1 600 mA测试范围内，光谱中没有出现激射成分，并且光谱的形状接近高斯线型。在注入电流从50 mA增大至1 600 mA的过程中，器件的发光光谱的中心波长从936 nm蓝移至880 nm，光谱的半高宽从51.6 nm减小至20.3 nm。器件的发光光谱的峰位和半高宽随着注入电流的变化与量子点的本征尺寸非均匀性以及载流子在量子点各能态之间的填充有关。在器件注入电流较小时，载流子首先填充到尺寸较大、能级较低的量子点中复合发光，这时器件的发光波长较长，光谱的半高宽较大，主要以自发发射为主；随着注入电流的增大，载流子开始填充到尺寸较小的量子点中或者有部分填充到能级较高的量子点中，并且受激辐射效应增强，此时光谱宽度快速减小，波长蓝移，光输出功率增大；进一步增大注入电流，载流子开始填充到量子点的较高能级，此时发光波长继续蓝移，但是由于载流子对高能态的填充和光增益的共同影响，光谱的宽度变化不如小电流时明显。

4 结 论

制备了InAlGaAs/AlGaAs短波长量子点超辐射发光管，对比了干法刻蚀和湿法腐蚀两种工艺制备的器件的光电特性。实验结果显示，干法刻蚀工艺能够精确控制波导参数，波导损耗较小，器件具有大的光输出功率，在1.6 A脉冲电流注入下，光输出功率为29 mW，光谱的中心波长和半高宽分别为880 nm和20.3 nm。输出光谱的形状接近高斯线型，该波段并具有高斯光谱线型的超辐射器件适合应用于眼科成像的光学相干成像系统中。

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王飞飞（1988-），男，河北衡水人，博士研究生，2011年于天津理工大学获得学士学位，主要从事低维半导体材料与器件的研究。

E-mail：wangfeifei@semi.ac.cn

金鹏（1973-），男，辽宁沈阳人，研究员，博士生导师，2001年于南开大学获得博士学位，主要从事半导体材料生长、器件和物理的研究。

E-mail：pengjin@semi.ac.cn

High-power Short-wavelength InAlGaAs/AlGaAs Quantum-dot Superluminescent Diodes

WANG Fei-fei1，LI Xin-kun2，LIANG De-chun2，JIN Peng1*，WANG Zhan-guo1
（1.Key Laboratory of Semiconductor Materials Science and Beijing Key Laboratory of Low-dimensional Semiconductor Materials and Devices，Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China；2.Beijing Institute of Aerospace Control Instruments，Beijing 100039，China）
*Corresponding Author，E-mail：pengjin@seai.ac.cn

In order to meet the short-wavelength applications of the superluminescent diodes，a bentwaveguide superluminescent diode was fabricated by using InAlGaAs/AlGaAs quantum-dot active region and dry etching process.The peak output power up to 29 mW with the wavelength centered at 880 nm and the full-width at half-maximum of 20.3 nm were obtained.Also the influences of wet etching and dry etching on the device properties were compared.At 1.6 A pulsed current injection，the peak output power of the device fabricated by wet etching is only 7 mW.Compared with wet etching，dry etching can precisely control the shape and parameters of the waveguide，leading to smaller waveguide loss and higher output power.

superluminescent diodes；self-assembled quantum dot；dry etching

TN383

A

10.3788/fgxb20163706.0706

1000-7032（2016）06-0706-05

2016-02-19；

2016-03-10

国家自然科学基金（61274072，61306087）；“863”国家高技术研究发展计划（2013AA014201）资助项目