980 nm高功率DBR半导体激光器的设计及工艺

乔闯; 苏瑞巩; 李翔; 房丹; 方铉; 唐吉龙; 张宝顺; 魏志鹏

doi:doi:10.3788/CJL201946.0701002

中国激光, 2019, 46 (7): 0701002, 网络出版: 2019-07-11

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Design and Fabrication of 980 nm Distributed Bragg Reflection Semiconductor Laser with High Power

论文大纲

乔闯 ^1,2苏瑞巩 ²李翔 ²房丹 ^1,*方铉 ¹唐吉龙 ¹张宝顺 ²魏志鹏 ¹

作者单位

¹ 长春理工大学理学院高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林长春 130022

² 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏苏州 215123

激光器半导体激光器分布布拉格反射器电子束光刻高功率 lasers semiconductor lasers distributed Bragg reflector electron beam lithography high power

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摘要

设计并制作了非对称大光腔波导结构,利用分布布拉格反射技术,实现了980 nm 波段高功率半导体激光器的稳定输出。在实验过程中,采用电子束光刻技术,结合感应耦合等离子刻蚀工艺,利用SiO₂作为硬掩模,并通过减小Ar离子的束流来减弱刻蚀过程中由于物理轰击作用对SiO₂硬掩模的消耗,制作出形貌良好、周期为890 nm、占空比为50%的分布布拉格反射器光栅;采用脊型波导激光器的制作工艺,成功制作出分布布拉格反射激光器,当器件注入电流15 A时,该激光器的输出功率高达10.7 W,斜率效率为0.73 W/A,器件阈值电流为0.95 A,中心波长为979.3 nm。该研究为GaAs基DBR半导体激光器的制作与研究提供了新思路。

Abstract

An asymmetric large optical cavity waveguide structure is designed and fabricated, and a stable output of a 980 nm high power semiconductor laser is realized by combining distributed Bragg reflection (DBR) technology. The experiments use electron beam lithography technology and an inductive coupled plasma etching process with SiO2 as a hard mask. By reducing the Ar beam current, the consumption of the SiO2 hard mask due to physical bombardment is reduced. A DBR grating with good morphology, period of 890 nm, and duty cycle of 50% is fabricated. Combined with ridge waveguide laser fabrication technology, the DBR laser is successfully fabricated. Finally, when the device injection current is 15 A, the output power is up to 10.7 W, slope efficiency is 0.73 W/A, device threshold current is 0.95 A, and central wavelength is 979.3 nm. This study presents a new approach for the fabrication and research of GaAs-based DBR semiconductor lasers.

1 引言

近年来,半导体激光器以体积小、质量轻、光电转化率高、方便携带等优点,在工业应用中扮演着越来越重要的角色^[1-5]。其中980 nm波段半导体激光器引起研究人员的广泛关注,这主要是因为其不仅是抽运光纤激光器和固体激光器的新一代抽运源,还可以广泛应用在医学领域中^[6-7]。但是受到结构设计、外延和封装技术的影响,较低的激光输出功率一直制约着980 nm波段半导体激光器的发展,所以提升激光输出功率一直是该领域的研究热点之一。

1975年,贝尔实验室利用GaAs衬底成功制备了第一个单模激射的分布布拉格反射(DBR)激光器,这个研究成果使得Bragg 反射器走上了光电子器件的应用之路^[8]。2008年,Hasler等^[9]成功制备了1060 nm窄线宽 DBR 锥形半导体激光器,将三量子阱的超大光腔波导结构与6阶光栅相结合,当脊波导处的电流(I_RW)为300 mA时,器件的输出功率达到5 W。2010年, 德国费尔南德-布朗研究所(FBH)利用干刻蚀技术制作出6阶表面光栅和脊型波导结构,器件的总长度为4 mm, 其单模输出功率超过1 W,激射波长为974 nm^[10]。同年,德国FBH 研究所制作了GaAs 基980 nm DBR半导体激光器,其条宽为90 μm,输出功率达到14.3 W ,转换效率为50%,通过引入6阶光栅的实现了波长稳定性的提升,波长漂移仅为0.074 nm/K^[11]。2014年, Decker等^[12]设计了80阶V型光栅结构的DBR半导体激光器,该器件的连续输出功率达到6 W,转换效率大于50%,光谱宽度小于0.7 nm。虽然DBR激光器的发展速度很快,在窄线宽、波长稳定方面都有很多出色的研究成果,但是在高功率方面的研究却少有报道,本文为了实现DBR激光器的高功率输出,从器件结构设计入手,通过优化制备工艺的手段来实现器件高功率输出。

2 器件结构

采用大光腔非对称波导结构来增加腔面处光斑的横向尺寸,降低有源区光限制因子,从而降低腔面光功率密度,提高器件的可靠性。采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)法生长外延片,本研究中所生长的外延片结构参数如表1所示^[13],其中p++为p型重掺杂区,n+为n型重掺杂,I型为本征层,整个外延片为PIN结构。有源区为非掺杂7 nm厚的InGaAs三量子阱材料,上、下波导层为1.1 μm和1.6 μm厚的p型、n 型Al_0.1Ga_0.9As材料,上、下限制层均为1 μm厚的Al_0.2Ga_0.8As材料, 其中p型掺杂元素为Be, n型掺杂元素为Si,掺杂浓度(粒子数浓度)均为1×10¹⁸ cm^-3;接触层为400 nm厚的GaAs材料,其Be元素的掺杂浓度为1×10²⁰ cm^-3。

对于非对称大光腔结构,基于波长为980 nm的激射光,为了获得较高的输出光质量和较小的光限制因子,有源区采用7 nm厚的三量子阱结构。为了获得较低的阈值增益,需要选择合适的p层和n层波导层厚度差。若厚度差太大,则基模光场将偏离有源区;若厚度差太小,则基膜和高阶模间光限制因子差值小,易产生高阶模^[14]。经计算,当厚度差为0.5 μm时,可以获得最佳的阈值增益;当p型和n型波导限制层厚度太厚时,器件电阻过大,高阶模阈值减少,引入模式竞争;当限制层厚度太薄,限制层作用将丧失,辐射损耗增大,因此,本研究选择上、下限制层厚度均为1 μm的结构,以最大程度地抑制高阶模的产生。

表 1. 半导体激光外延片结构

Table 1. Diode-laser epitaxial layer structures

Type	Component	Thickness /nm	Dopingcontent /cm^-3
p++	GaAs	400	1×10²⁰
p	Al_0.2Ga_0.8As	1000	1×10¹⁸
p	Al_0.1Ga_0.9As	1100	1×10¹⁸
I	Al_0.13Ga_0.87As	10
I	InGaAs	7
I	Al_0.13Ga_0.87As	10
I	InGaAs	7
I	Al_0.13Ga_0.87As	10
I	InGaAs	7
I	Al_0.13Ga_0.87As	10
n	Al_0.1Ga_0.9As	1600	1×10¹⁸
n	Al_0.2Ga_0.8As	1000	1×10¹⁸
n+	GaAs	200	1×10¹⁸
Substrate	GaAs

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3 DBR光栅设计

图 1. 光栅区长度与反射率关系曲线

Fig. 1. Relationship between grating length and reflectivity

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4 器件制备

图 2. 脊型激光器的器件结构

Fig. 2. Structure ofridge semiconductor laser

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表 2. ICP刻蚀参数

Table 2. ICP etching parameters

Parameter	Numerical value
ICP power /W	350
RF power /W	50
Cl₂ beam /(m³·s^-1)	5×10^-8
BCl₃ beam /(m³·s^-1)	1.167×10^-7
Ar beam /(m³·s^-1)	2.5×10^-7
Time /min	4

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图 4. DBR光栅的SEM图。(a)形貌优化前;(b)形貌优化后

Fig. 4. SEM images of DBR grating. (a) Before shape optimization; (b) after shape optimization

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利用电子束光刻技术解决了常规紫外光刻线宽精度小的问题,并且电子束光刻技术具有较高的套刻精度,为后续脊型波导的套刻提供了有利条件。由于器件制作过程中需要多部套刻,高精度套刻可以提高器件制作的成功率,并在一定程度上提高器件的性能。

5 器件性能测试结果

经过脊型波导的制作、生长钝化层、退火合金、腔面镀膜、贴片封装等工艺后,对器件输出特性进行测试。从图5所示的P-I-V测试结果可以看出,当电流增加到15 A时,功率达到10.7 W,阈值电流I_th=0.95 A,开启电压约为1.2~1.3 V,说明芯片中没有除pn结以外的其他势垒存在,即p型和n型欧姆接触不存在异常势垒。从图6所示的光谱测试结果可以看出,激光器出射激光的中心波长为979.3 nm,线宽为2.77 nm,符合DBR光栅设计的要求。

图 5. 器件P-I-V测试结果

Fig. 5. P-I-V test results

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图 6. 器件光谱测试结果

Fig. 6. Spectral test results

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6 结论

通过设计非对称大光腔的波导结构,利用DBR光栅压缩光谱线宽,优化制备工艺及参数,得到高功率窄线宽的980 nm波段激光输出。在优化制作工艺过程中,利用电子束光刻技术,选择SiO₂作为硬掩模,提高掩模层与GaAs的抗刻蚀选择比,成功制作出具有高深宽比的DBR光栅结构,由于Ar的物理轰击作用,在刻蚀光栅过程中SiO₂掩模层逐渐被消耗,刻蚀完成后SiO₂掩模层恰好所剩无几,为后续工艺带来极大方便。本研究最终成功制作出输出功率为10.7 W、光谱线宽为2.77 nm、阈值电流为0.95 A、中心波长为979.3 nm的DBR激光器。

参考文献

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1 引言

2 器件结构

表 1. 半导体激光外延片结构

Table 1. Diode-laser epitaxial layer structures

3 DBR光栅设计

图 1. 光栅区长度与反射率关系曲线

Fig. 1. Relationship between grating length and reflectivity

4 器件制备

图 2. 脊型激光器的器件结构

Fig. 2. Structure ofridge semiconductor laser

表 2. ICP刻蚀参数

Table 2. ICP etching parameters

图 4. DBR光栅的SEM图。(a)形貌优化前;(b)形貌优化后

Fig. 4. SEM images of DBR grating. (a) Before shape optimization; (b) after shape optimization

5 器件性能测试结果

图 5. 器件P-I-V测试结果

Fig. 5. P-I-V test results

图 6. 器件光谱测试结果

Fig. 6. Spectral test results

6 结论

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1 引言

2 器件结构

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3 DBR光栅设计

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Fig. 1. Relationship between grating length and reflectivity

4 器件制备

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表 2. ICP刻蚀参数

Table 2. ICP etching parameters

图 4. DBR光栅的SEM图。(a)形貌优化前;(b)形貌优化后

Fig. 4. SEM images of DBR grating. (a) Before shape optimization; (b) after shape optimization

5 器件性能测试结果

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