850nm窄發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展，根據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）、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散角。半導體激光器的發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窄發散角單模半導體激光器的光電性能優化，通過商用軟件和波導模擬軟件，設計優化了850nm窄發散角單模激光器材料結構。采用單面n型擴展波導結構和降低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。通過優化腐蝕阻擋層GaInP的摻雜濃度，消除能帶不連續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，實現快軸發散角15°。

1 材料結構設計及理論分析

1.1 窄發散角設計

針對激光器芯片遠場發射角，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散角、限制因子的關系。

從圖1中可知，窄波導結構是通過減小波導厚度將激光器垂直方向發散角降低到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。同時在這個區間內波導厚度波動導致發散角、光限制因子劇烈變化，工藝控制難度大不適合量產。

超大光腔結構是增加波導厚度的方式，降低發散角。從圖1中來看實現15°的發散角，波導總厚度要達到4μm。而超大光腔結構的光限制因子小、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，高階模式數量較多，需要更精細的結構設計來抑制高階模式激射，發散角實現難度較大。

擴展波導結構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，實現遠場發散角減小。擴展波導結構的光限制因子是超大光腔結構的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型擴展波導結構設計，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型高摻雜區的光吸收，采用非對稱擴展波導結構（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非對稱結構擴展波導單層激光器結構的折射率和光場分布模擬結果，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化的關鍵參數。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非對稱擴展波導結構進行模式計算。

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。最終根據模擬結果，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，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降低電壓（如圖4所示）。

2 試驗結構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，具體結構見表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

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。

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

4 總結

本文用商用模擬軟件和波導模擬軟件對結構設計模擬分析，采用非對稱擴展波導結構，在實現15°發散角，同時提升了光限制因子。采用單面n型擴展波導結構和降低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，快軸發散角測試為快軸15°。