InP基长波长超辐射发光二极管的设计和制备

薛正群

摘 要：文章通过设计和优化外延和芯片结构实现InP高功率掩埋结构超辐射发光二极管芯片，测试结果显示：500 mA下芯片室温出光功率达到80 mW，增益谱宽超过40 nm，覆盖范围超过1 600 nm，芯片水平和垂直发散角分别为16°和18°，芯片可用于宽带及窄线宽光源。

关键词：InP；长波长；超辐射发光二极管；高功率；宽谱宽

0 引言

超辐射发光二极管（SLD）是一种单程自发辐射光放大器件，具备输出功率高、宽谱宽特性，具有良好的方向性和相干特性，SLD作为独立光源可应用于光纤传感、光纤陀螺等；同时，SLD作为增益芯片结合外腔封装方案可实现窄线宽DFB光源[1]，而波长在1 600 nm以上激光光源，可以用在甲烷探测等特定应用领域。

1 芯片设计与制备

对于InP激光器，通常脊波导结构由于横向对光场和载流子限制作用效果弱，导致芯片出光效率低、发散角大，器件功率难以提高。而采用掩埋异质结（BH）结构可以实现载流子和光子的横向限制，改善载流子注入效率、降低发散角，提高出光功率和耦合效率，是目前提高激光器饱和出光功率的主要结构。

其中，Psat为芯片饱和输出光功率，d为量子阱厚度，w为有源区宽度，Г为增益区光场限制因子，h为普朗克常数，v为光子频率，a为微分增益，τs为载流子寿命[2]。

1.1 增加芯片饱和输出光功率的方法

增加量子阱厚度和宽度，通常采用长腔长结构来实现高功率，然而更厚的量子阱将导致光子和载流子的纵向分布不均及空间烧孔，从而限制饱和输出光功率；而增益区的宽度增加到一定程度将出现高阶横模、降低耦合效率，因此在实际设计过程中要充分平衡考虑上述因素。

（1）降低光限制因子Г。通过设计和调整光波导结构可以实现对光场限制因子的调整以及对激光近场光斑的调整，并改善出光远场角度和耦合效率。

（2）降低微分增益a。通常在大电流注入下，越薄的激光器增益区，越容易实现增益饱和、降低微分增益。

（3）降低载流子寿命。通常载流子和光子相互作用，在高载流子注入密度下，越薄的增益区越有利于加快载流子复合过程、降低载流子寿命。

综合考虑在实现高饱和输出超辐射发光二极管时，采用长腔长的芯片结构来提高芯片增益体积；采用较少层数的量子阱来降低大电流下的微分增益和载流子寿命，提高饱和出光功率；采用波导扩展层来改善芯片的发光远场和发散角，降低增益区的光限制因子，提高饱和出光功率。

1.2 材料生长

采用InP/InGaAsP材料系来制备BH-SLD。将两英寸N-InP衬底片在MOCVD腔体中，在PH3氛围中500 ℃下烘烤20 min，生长1 μm的N-InP缓冲层；生长N-InGaAsP光场扩展层，PL=1 050 nm；生长40 nm不掺杂InGaAsP下分别限制层，PL=1 100 nm；生长40 nm不掺杂InGaAsP下分别限制层，PL=1 200 nm；接着交替生长3层压应变量子阱和层张应变量子垒，量子阱和垒的厚度分别为10 nm和10 nm，量子阱PL波长为1 620 nm；生长40 nm不掺杂InGaAsP上分别限制层，PL=1 200 nm；生长40 nm不掺杂InGaAsP上分别限制层，PL=1 100 nm；生长50 nm P-InP间隔；接着生长20 nm P-InGaAsP腐蚀停止层和20 nm P-InP盖层，完成基片材料生长。

1.3 芯片工艺制备

用稀盐酸去除片子表面InP盖层，通过PECVD沉积200 nm介质层，光刻、腐蚀介质层和半导体材料至N型InP缓冲层，形成脊型结构；将片子放入MOCVD腔体依次生长800 nm/800 nm/100 nm的P-InP/N-InP/P-InP载流子阻挡层，BOE去除片子表面的介质层，接着在MOCVD腔体中依次生长P-InP间隔层，P-InGaAsP过渡层，P-InGaAs电接触层，完成外延生长。

接着片子表面通过PECVD沉积200 nm的SiO2介质层，光刻、腐蚀介质层和半导体材料形成激光器的双沟和台面结构；去除片子表面介质层，PECVD沉积400 nm的SiO2钝化层，光刻、腐蚀介质层，形成解离区；接着光刻、腐蚀介质层进行台面开孔；电子束蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触，解离成腔长1 750 μmbar条。

在芯片结构上，笔者采用倾斜波导来抑制FP腔面的反馈增益，改善光谱，并采用优化的Ta2O5/SiO2膜系实现了1 600 nm附近低于0.5%的反射率，作为出光端面；背光端面蒸镀Al2O3/Si膜，反射率在10%附近，完成芯片制备。

2 测试结果与分析

将芯片封装至热沉上，通过TEC控温和测试，结果显示：500 mA电流下，芯片室温出光功率达到80 mW，芯片-3 dB增益谱宽度超过40 nm，覆盖波长范围超过1 600 nm；通过测试光斑轮廓得到芯片水平和垂直发散角（FWHM）分别为：16°和18°（見图1—4）。

3 结语

本文采用InP/InGaAsP材料BH-SLD，通过采用优化的外延结构设计和芯片波导设计，实现了1 750 μm腔长芯片，在 500 mA连续电流下，芯片出光功率达到80 mW，光谱拟合增益谱宽度超过40 nm，波长范围超过1 600 nm；芯片水平和垂直发散角分别为16°和18°，芯片可用于宽带及窄线宽光源。

[參考文献]

[1]高源.光纤光栅外腔半导体激光器频率调谐技术研究[J].激光与红外，2016（10）：1225-1229.

[2]PAUL W.J，JASON J.P，WILLIAM L，et al.High-Power，Low-Noise 1.5-μm Slab-Coupled Optical Waveguide （SCOW）Emitters：Physics，Devices，and Applications[J].IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics，2011（6）：1698-1714.

（编辑 姚 鑫）

Design and fabrication of InP based long wavelength superluminescent diodes

Xue Zhengqun

（1.Fujian Institute of Research on the Structure of Matter， Chinese Academy of Science， Fuzhou 350002， China；2.FuJian Z.K. Litecore，Ltd.， Fuzhou 350002， China）

Abstract：InP high power BH-SLD is realized by designing and optimizing epitaxy and chip structure. Tested results show that： Under 500mA， the output power of SLD reaches 80mW at room temperature， gain spectrum width is more than 40nm which range over 1600nm， and the horizontal and vertical divergence angles of the chip are 16 ° and 18 ° respectively. The SLD can be used for broadband and narrow linewidth light source.

Key words：InP；long wavelength；SLD；high power；broad spectrum width