850nm_窄发散角单模半导体激光器材料研究

850nm窄发散角单模半导体激光器材料研究
宁吉丰 王彦照 陈宏泰 房玉龙*
（中国电子科技集团公司第十三研究所）
摘 要：短距离激光雷达技术应用广泛，但是要求器件的发散角比较小。

针对器件的发散角，通过商用软件和波导模拟软件，设计850nm GaAs/AlGaAs扩展波导外延材料结构。

采用非对称波导结构设计，有助于降低内部光学损耗，提高激光器的斜率效率，降低激光器功耗。

通过优化腐蚀阻挡层GaInP的掺杂浓度，消除能带不连续导致器件电压升高问题。

采用MOCVD生长了带有腐蚀阻挡层的AlGaAs/GaAs非对称扩展波导外延片，并制作成条宽2.5μm、腔长1mm的激光器芯片。

测试结果表明，室温条件直流条件测试下，阈值电流为35mA，斜率效率为1.2 W/A，输出功为200mW@200mA，快轴发散角测试为15°。

关键词：850nm，单模，窄发散角，激光二极管
Study on Epitaxial Materials of 850 nm Single-Mode Semiconductor Laser
Diode with Small Divergence Angle
NING Ji-feng WANG Yan-zhao CHEN Hong-tai FANG Yu-long*
（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）Abstract:Short range LIDAR technology is widely used, but it requires a relatively small divergence angle of the device. According to the divergence angle of the device, the structure of 850 nm GaAs/AlGaAs extended waveguide epitaxial materials was designed and optimized by the commercial and waveguide simulation software. The asymmetric waveguide structure helps to reduce the internal optical loss, improve the slope efficiency and reduce the power consumption of the laser. By optimizing the doping concentration of the etch stop layer GaInP, the problem of the increasing device voltage due to band discontinuity is eliminated. The AlGaAs/GaAs asymmetric extended waveguide epitaxial layer was grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) process. The laser chip with the strip width of 2.5 μm and the cavity length of 1mm was fabricated. The test results show that with the test under DC condition at room temperature, the threshold current is 35 mA, the slope efficiency is 1.2 W/A, the output power is 200 mW@ 200 mA, and the fast axis divergence angle is 15°.
Keywords: 850 nm, single mode, small divergence angle, laser diode
作者简介：宁吉丰，硕士，工程师，主要研究方向为MOCVD外延生长和GaAs与InP基半导体激光器。

房玉龙，通信作者，博士，硕士研究生导师，研究员，现任中国电子科技集团公司第十三研究所基础研究部主任。

现主要从事射频、光电子、电力电子等方向研究。

0 引 言
850nm半导体激光器是大气窗口和空间通信的理想光源，也是固体激光器和光纤激光器的理想泵浦源，具有红暴低、重量轻、体积小、寿命长、电光转换效率高等特点。

近年来随着激光雷达、激光测距等领域迅猛发展，根据探测距离细分为长距离应用和短距离应用。

与长距离应用的高性能激光雷达不同，短距离激光雷达如：扫地机器人、AVG小车对性能要求不高：探测距离近（一般15米以内）、精度要求不高、测量速率低，主要要求激光雷达成本低、功耗低和尺寸小。

作为激光雷达的核心光源，短距离应用主要关注半导体激光器的发散角。

半导体激光器的发散角大小决定了远距离处的光强耗散情况与低反射率、小目标的探测距离。

激光发散角越小激光的亮度越高、单方向性越强，照射到探测目标的光强越强，探测目标精度越高，在近距离测试中较为容易测出探测目标的光斑位置[1]。

因此窄发散角850nm单模半导体激光器的研究工作日益得到人们的重视。

本文描述一种850nm窄发散角单模半导体激光器的光电性能优化，通过商用软件和波导模拟软件，设计优化了850nm窄发散角单模激光器材料结构。

采用单面n型扩展波导结构和降低n面包覆层Al 组分的非对称扩展波导设计，降低了材料光损耗和电阻，从而降低激光器芯片功耗。

通过优化腐蚀阻挡层GaInP的掺杂浓度，消除能带不连续导致器件电压升高问题。

采用MOCVD生长制备了该外延材料，并对制作成的单模激光器芯片进行分析，制成条宽2.5um腔长0.9mm的脊波导芯片，阈值35mA，实现快轴发散角15°。

1 材料结构设计及理论分析
1.1 窄发散角设计
针对激光器芯片远场发射角，目前主要有3种波导设计的方法有：窄波导、扩展波导和超大光腔3类[2-6]。

如图1所示，计算了不同波导厚度与发散
角、限制因子的关系。

图1 波导厚度与发散角和限制因子模拟结果
从图1中可知，窄波导结构是通过减小波导厚度将激光器垂直方向发散角降低到15deg左右, 但这时波导总厚度基本在50nm左右，要付出降低光限制因子，增加阈值电流的代价，同时由于光场漏到高掺包覆层区比较多，会降低激光器的斜率效率不适合低功率应用。

同时在这个区间内波导厚度波动导致发散角、光限制因子剧烈变化，工艺控制难度大不适合量产。

超大光腔结构是增加波导厚度的方式，降低发散角。

从图1中来看实现15°的发散角，波导总厚度要达到4μm。

而超大光腔结构的光限制因子小、阈值电流比较大，不适合低功率应用。

同时由于波导厚度较厚，高阶模式数量较多，需要更精细的结构设计来抑制高阶模式激射，发散角实现难度较大。

扩展波导结构是通过在包覆层加入一个模式扩展层，使得近场光斑尺寸增大，实现远场发散角减小。

扩展波导结构的光限制因子是超大光腔结构的1.6倍，更适合低功率应用。

但扩展波导的引入会导致材料串联电阻增大，从而使工作电压增加。

由于N型载流子迁移率比P型高，所以采用单面N型扩展波导结构设计，降低扩展波导引入电阻，减小器件电压。

激光器的光损耗主要源于P型高掺杂区的
光吸收，采用非对称扩展波导结构（见表1），让光场分布偏向n面，减小与p型包覆层交叠，降低光损耗，提升斜率效率降低功耗。

表1 850nm扩展波导单层激光器外延结构
组分厚度（μm）浓度（cm-3）cap层GaAs0.2>5E19
p-cl Al0.5GaAs15E+17
WG Al0.35GaAs0.3
QW GaAs
WG Al0.35GaAs0.3
n-cl1Al0.4GaAs 1.2-1E+18
n-KZBD Al0.35GaAs0.5-1E+18
n-cl2Al0.4GaAs1-1E+18
图2为850nm非对称结构扩展波导单层激光器结构的折射率和光场分布模拟结果，图中I
r
为相对光强，n为各层的折射率，l为厚度。

图2 850nm扩展波导单层激光器结构的
折射率和光场模拟结果
1.2 腐蚀阻挡层
对单模激光器来说，脊波导深度是脊波导器件性能优化的关键参数。

脊波导深度会影响脊波导器件的光场与电流场的匹配关系，对阈值和出光功率均匀性影响很大[7-8]。

本文使用商用软件对850nm非对称扩展波导结构进行模式计算。

当脊宽w固定时，腐蚀深度d增加到一定值，光场的高阶模式出现下，器件空间模式变差。

图3为腐蚀深度为1.5μm时，一阶模激射。

最终根据模拟结果，确定腐蚀深度d为1.1μm。

（a）基模光场 （b）一阶模光场
（C）基模L-I功率曲线 （d）一阶模L-I功率曲线
图3 激光器横模模式分布和功率曲线
为了精确控制腐蚀深度，引入GaInP腐蚀阻挡层，但同时由于能带不连续，导致器件电压升高。

为了消除引入的电压问题，通过仿真模拟可知，提升GaInP层掺杂可以降低能带不连续降低电压（如图4所示）。

图4 不同GaInP层掺杂对能带影响
2 试验结构芯片制作和测试分析
本文采用采用LP-MOCVD设备进行外延材料生长。

III族源为AsH
3
（砷烷）、PH
3
（磷烷），V族源为TMIn（三甲基铟）、TMAl（三甲基铝）
和TMGa（三甲基镓），掺杂源为SiH
4
（硅烷）、DEZn（二乙基锌），载气为高纯氢气。

反应室压力为100mbar，生长温度为700℃，V族源与Ⅲ族源的摩尔比（V/III比）为100。

采用n+GaAs衬底，在衬底上依次生长n+GaAs缓冲层、n+AlGaAs包覆层、AlGaAs下波导层、AlGaInAs应变量子阱、AlGaAs上波导层、p+AlGaAs包覆层、p+GaAs欧姆接触层，具体结构见表2。

脊波导制作采用ICP（感应耦合等离子体）刻蚀方式，光刻胶为掩膜，脊波导宽度控制在2.5μm，通过控制刻蚀时间来实现芯片脊波导深度的控制。

脊波导钝化采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）淀积SiNx薄膜来实现表面保护，在刻蚀电极接触窗口后溅射Ti/Pt/Au电极，减薄抛光后，N面溅射Au/Ge/Ni电极，解理成1mm腔长的单管。

表2 850nm单层激光器外延结构
组分厚度（μm）浓度（cm-3）cap层GaAs0.2>5E19
p-cl Al0.5GaAs0.85E+17
腐蚀阻挡层GaInP0.01
p-cl Al0.5GaAs0.25E+17
WG Al0.35GaAs0.3
QW GaAs
WG Al0.35GaAs0.3
n-cl1Al0.4GaAs 1.2-1E+18
n-KZBD Al0.35GaAs0.5-1E+18
n-cl2Al0.4GaAs1-1E+18
buffer GaAs0.5-1E+18
衬底GaAs
3 芯片典型参数
针对腐蚀阻挡层掺杂浓度做了3种不同浓度5E17cm-3、1E18cm-3和2E18cm-3。

测量未镀膜的1mm腔长芯片的I-V特性。

图5为常温测试下，不同腐蚀阻挡层浓度的单模芯片的I-V 特性对比图。

从图中曲线可知，提升掺杂能够降低电阻率、降低电压。

掺杂浓度由5E17cm-3提升到1E18cm-3，电压降低0.12V，效果明显。

而从1E18cm-3提升到2E18cm-3，电压仅降低不到0.02V。

当掺杂浓度为2E18cm-3时带GaInP和不加GaInP腐蚀阻挡层的I-V 曲线基本重合。

这时由GaInP引入能带不连续问题消除了。

图5 芯片的I-V特性对比
将1m m腔长芯片两端镀膜，后腔面膜层反射率97%，前腔面膜层反射率8%，对芯片进行直流测试，得到典型的LIV曲线见图6. 芯片的阈值电流为35mA，斜率效率为1.2W/A, 输出功率为200mW@200mA。

图6 芯片的L-I-V曲线
对芯片进行远场发散角测试，如图7所示，快轴发散角15°，慢轴发散角8°，远场曲线对称光
参考文献
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滑，表现出良好的单模特性。

图7 芯片远场发散角曲线4 总 结
本文用商用模拟软件和波导模拟软件对结构设计模拟分析，采用非对称扩展波导结构，在实现15°发散角，同时提升了光限制因子。

采用单面n 型扩展波导结构和降低n面包覆层组分的设计，降低了材料光损耗和电阻，降低激光器功耗。

将腐蚀阻挡层GaInP掺杂浓度提高到2E18cm-3，解决能带不连续导致器件电压升高问题。

使用MOCVD进行外延材料生长，并制作成激光器芯片。

室温条件下对芯片进行光电特性测试，最终优化后芯片的阈值电流为35mA，斜率效率为1.2W/A，输出功率为200mW@200mA，快轴发散角测试为快轴15°。