850nm窄發(fā)散角單模半導體激光器材料研究

寧吉豐 王彥照 陳宏泰 房玉龍

關鍵詞：850nm，單模，窄發(fā)散角，激光二極管

0 引言

850nm半導體激光器是大氣窗口和空間通信的理想光源，也是固體激光器和光纖激光器的理想泵浦源，具有紅暴低、重量輕、體積小、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高等特點。

近年來隨著激光雷達、激光測距等領域迅猛發(fā)展，根據(jù)探測距離細分為長距離應用和短距離應用。與長距離應用的高性能激光雷達不同，短距離激光雷達如：掃地機器人、AVG小車對性能要求不高：探測距離近（一般15米以內(nèi)）、精度要求不高、測量速率低，主要要求激光雷達成本低、功耗低和尺寸小。作為激光雷達的核心光源，短距離應用主要關注半導體激光器的發(fā)散角。半導體激光器的發(fā)散角大小決定了遠距離處的光強耗散情況與低反射率、小目標的探測距離。激光發(fā)散角越小激光的亮度越高、單方向性越強，照射到探測目標的光強越強，探測目標精度越高，在近距離測試中較為容易測出探測目標的光斑位置[1]。因此窄發(fā)散角850nm單模半導體激光器的研究工作日益得到人們的重視。

本文描述一種850nm窄發(fā)散角單模半導體激光器的光電性能優(yōu)化，通過商用軟件和波導模擬軟件，設計優(yōu)化了850nm窄發(fā)散角單模激光器材料結(jié)構(gòu)。采用單面n型擴展波導結(jié)構(gòu)和降低n面包覆層Al組分的非對稱擴展波導設計，降低了材料光損耗和電阻，從而降低激光器芯片功耗。通過優(yōu)化腐蝕阻擋層GaInP的摻雜濃度，消除能帶不連續(xù)導致器件電壓升高問題。采用MOCVD生長制備了該外延材料，并對制作成的單模激光器芯片進行分析，制成條寬2.5um腔長0.9mm的脊波導芯片，閾值35mA，實現(xiàn)快軸發(fā)散角15°。

1 材料結(jié)構(gòu)設計及理論分析

1.1 窄發(fā)散角設計

針對激光器芯片遠場發(fā)射角，目前主要有3種波導設計的方法有：窄波導、擴展波導和超大光腔3類[2-6]。如圖1所示，計算了不同波導厚度與發(fā)散角、限制因子的關系。

從圖1中可知，窄波導結(jié)構(gòu)是通過減小波導厚度將激光器垂直方向發(fā)散角降低到15deg左右， 但這時波導總厚度基本在50nm左右，要付出降低光限制因子，增加閾值電流的代價，同時由于光場漏到高摻包覆層區(qū)比較多，會降低激光器的斜率效率不適合低功率應用。同時在這個區(qū)間內(nèi)波導厚度波動導致發(fā)散角、光限制因子劇烈變化，工藝控制難度大不適合量產(chǎn)。

超大光腔結(jié)構(gòu)是增加波導厚度的方式，降低發(fā)散角。從圖1中來看實現(xiàn)15°的發(fā)散角，波導總厚度要達到4μm。而超大光腔結(jié)構(gòu)的光限制因子小、閾值電流比較大，不適合低功率應用。同時由于波導厚度較厚，高階模式數(shù)量較多，需要更精細的結(jié)構(gòu)設計來抑制高階模式激射，發(fā)散角實現(xiàn)難度較大。

擴展波導結(jié)構(gòu)是通過在包覆層加入一個模式擴展層，使得近場光斑尺寸增大，實現(xiàn)遠場發(fā)散角減小。擴展波導結(jié)構(gòu)的光限制因子是超大光腔結(jié)構(gòu)的1.6倍，更適合低功率應用。但擴展波導的引入會導致材料串聯(lián)電阻增大，從而使工作電壓增加。由于N型載流子遷移率比P型高，所以采用單面N型擴展波導結(jié)構(gòu)設計，降低擴展波導引入電阻，減小器件電壓。激光器的光損耗主要源于P型高摻雜區(qū)的光吸收，采用非對稱擴展波導結(jié)構(gòu)（見表1），讓光場分布偏向n面，減小與p型包覆層交疊，降低光損耗，提升斜率效率降低功耗。

圖2為850nm非對稱結(jié)構(gòu)擴展波導單層激光器結(jié)構(gòu)的折射率和光場分布模擬結(jié)果，圖中Ir為相對光強，n為各層的折射率，l為厚度。

1.2 腐蝕阻擋層

對單模激光器來說，脊波導深度是脊波導器件性能優(yōu)化的關鍵參數(shù)。脊波導深度會影響脊波導器件的光場與電流場的匹配關系，對閾值和出光功率均勻性影響很大[7-8]。本文使用商用軟件對850nm非對稱擴展波導結(jié)構(gòu)進行模式計算。

當脊寬w固定時，腐蝕深度d增加到一定值，光場的高階模式出現(xiàn)下，器件空間模式變差。圖3為腐蝕深度為1.5μm時，一階模激射。最終根據(jù)模擬結(jié)果，確定腐蝕深度d為1.1μm。

為了精確控制腐蝕深度，引入GaInP腐蝕阻擋層，但同時由于能帶不連續(xù)，導致器件電壓升高。為了消除引入的電壓問題，通過仿真模擬可知，提升GaInP層摻雜可以降低能帶不連續(xù)降低電壓（如圖4所示）。

2 試驗結(jié)構(gòu)芯片制作和測試分析

本文采用采用LP-MOCVD設備進行外延材料生長。III族源為AsH3（砷烷）、PH3（磷烷），V族源為TMIn（三甲基銦）、TMAl（三甲基鋁）和TMGa（三甲基鎵），摻雜源為SiH4（硅烷）、DEZn（二乙基鋅），載氣為高純氫氣。反應室壓力為100mbar，生長溫度為700℃，V族源與Ⅲ族源的摩爾比（V/III比）為100。采用n+GaAs襯底，在襯底上依次生長n+GaAs緩沖層、n+AlGaAs包覆層、AlGaAs下波導層、AlGaInAs應變量子阱、AlGaAs上波導層、p+AlGaAs包覆層、p+GaAs歐姆接觸層，具體結(jié)構(gòu)見表2。

脊波導制作采用ICP（感應耦合等離子體）刻蝕方式，光刻膠為掩膜，脊波導寬度控制在2.5μm，通過控制刻蝕時間來實現(xiàn)芯片脊波導深度的控制。脊波導鈍化采用PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）淀積SiNx薄膜來實現(xiàn)表面保護，在刻蝕電極接觸窗口后濺射Ti/Pt/Au電極，減薄拋光后，N面濺射Au/Ge/Ni電極，解理成1mm腔長的單管。

3 芯片典型參數(shù)

針對腐蝕阻擋層摻雜濃度做了3種不同濃度5E17cm-3、1E18cm-3和2E18cm-3。測量未鍍膜的1mm腔長芯片的I-V特性。圖5為常溫測試下，不同腐蝕阻擋層濃度的單模芯片的I-V 特性對比圖。從圖中曲線可知，提升摻雜能夠降低電阻率、降低電壓。摻雜濃度由5E17cm-3提升到1E18cm-3，電壓降低0.12V，效果明顯。而從1E18cm-3提升到2E18cm-3，電壓僅降低不到0.02V。當摻雜濃度為2E18cm-3時帶GaInP和不加GaInP腐蝕阻擋層的I-V曲線基本重合。這時由GaInP引入能帶不連續(xù)問題消除了。

將1mm腔長芯片兩端鍍膜，后腔面膜層反射率9 7%，前腔面膜層反射率8%，對芯片進行直流測試，得到典型的LIV曲線見圖6. 芯片的閾值電流為35mA，斜率效率為1.2W/A， 輸出功率為200mW@200mA。

對芯片進行遠場發(fā)散角測試，如圖7所示，快軸發(fā)散角15°，慢軸發(fā)散角8°，遠場曲線對稱光滑，表現(xiàn)出良好的單模特性。

4 總結(jié)

本文用商用模擬軟件和波導模擬軟件對結(jié)構(gòu)設計模擬分析，采用非對稱擴展波導結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)15°發(fā)散角，同時提升了光限制因子。采用單面n型擴展波導結(jié)構(gòu)和降低n面包覆層組分的設計，降低了材料光損耗和電阻，降低激光器功耗。將腐蝕阻擋層GaInP摻雜濃度提高到2E18cm-3，解決能帶不連續(xù)導致器件電壓升高問題。使用MOCVD進行外延材料生長，并制作成激光器芯片。室溫條件下對芯片進行光電特性測試，最終優(yōu)化后芯片的閾值電流為35mA，斜率效率為1.2W/A，輸出功率為200mW@200mA，快軸發(fā)散角測試為快軸15°。