一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构

摘要

本发明提供一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构，包括在N型衬底11上顺序层叠的N型缓冲层12、N型下包层13、下渐变层14、有源层15、上渐变层16、P型上包层17和P型接触层18，所述有源层15的材料为GaAs

说明书

技术领域

本发明属于SLD(Super Luminescent Diode，超辐射发光二极管) 领域，具体涉及一种能实现发射波长800nm波段，高输出功率和低 偏振度工作的SLD外延结构。

背景技术

SLD的性能介于激光器与发光二极管之间，具有短相干长度，低 噪声以及宽光谱等优点，是光纤陀螺、波分复用、相干层析成像等的 理想光源。实际的SLD光源发射的是部分偏振光，大部分的功率在 平行于半导体结的水平偏振中，并且在相同驱动电流下，光源出射光 的偏振度会随着外界环境的变化而波动，在光纤陀螺中会导致偏振相 位误差。光源出射的光的偏振度越高，其出射光的偏振态对外界环境 越敏感，通常采取在光源后面合理设计消偏器以尽量降低其偏振度。 为了提高光纤陀螺中光探测器的输出信噪比，必须加大入射到探测器 上的光功率，可以通过尽量减少陀螺光路中的各种光损耗，但是这种 方法的作用非常有限，另一种途径是使用大功率SLD光源。近年来 关于SLD的研究主要集中在～800nm，～1310nm以及～1550nm等波段， 其中1310nm以及1550nm波段均有成熟的低偏结构，而800nm波段 的低偏SLD研究较少。

发明内容

在SLD的有源区中，光是以电磁波的形式传播的，它分为电场 偏振方向垂直于传播方向的TE(Tangential electrical)模和磁场偏振 方向垂直于传播方向的TM(Tangential magnetic)模。通常情况下， SLD光源按偏振度可分为高偏振度光源和低偏振度光源，在只存在 TE模或TM模时，光源的偏振度(DOP)为100％，为线偏振光；当 TE模和TM模的光强基本相等时，光源的偏振度接近于零，为低偏 振度光源(或偏振度不敏感光源)。因此，本发明的发明人经过研究 发现，调节TE模和TM模的增益，使得两者比值接近于1，就可以 获取低偏振度光输出。

一般无应变有源层的SLD，其TE模和TM模的材料增益大致相 同，但由于TE模的光限制因子大于TM模，导致TE模的模式增益 要大于TM模的模式增益，从而使SLD难以实现低偏光输出。张应 变量子阱中，轻空穴带位于价带顶并与重空穴带分离，电子到轻空穴 的跃迁(发射TM模式光子)强度大于电子到重空穴带的跃迁(发射 TE模式光子)强度，两种模式光子强度差与量子阱阱层材料的应变 量密切相关。

为了实现800nm波段SLD的低偏输出，本发明采用如下技术方 案：

一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构，包括在N型 衬底上顺序层叠的N型缓冲层、N型下包层、下渐变层、有源层、 上渐变层、P型上包层和P型接触层，所述有源层的材料为GaAs_(1-x)P_x，其中所述x为材料磷组分，且0.01≤x≤0.08。

本发明提供的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构中， 采用GaAsP作为量子阱结构的阱层材料，通过调整阱层的组分来调 整应变量和发光波长，使TE模和TM模的模式增益趋于一致，从而 达到低偏振度光输出的要求，且发光波长恰好处于800nm波段；同 时，量子阱结构的采用可以提高SLD的输出功率。

附图说明

图1是本发明提供的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结 构示意图。

图中，11、N型衬底；12、N型缓冲层；13、N型下包层；14、 下渐变层；15、有源层；16、上渐变层；17、P型上包层；18、P型 接触层。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于 明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

请参考图1所示，一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延 结构，包括在N型衬底11上顺序层叠的N型缓冲层12、N型下包 层13、下渐变层14、有源层15、上渐变层16、P型上包层17和P 型接触层18，所述有源层15的材料为GaAs_(1-x)P_x，其中所述x为 材料磷组分，且0.01≤x≤0.08。

本发明提供的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构中， 采用GaAsP作为量子阱结构的阱层材料，通过调整阱层的组分来调 整应变量和发光波长，使TE模和TM模的模式增益趋于一致，从而 达到低偏振度光输出的要求，且发光波长恰好处于800nm波段；同 时，量子阱结构的采用可以提高SLD的输出功率。

作为具体实施例，所述N型衬底11的材料为GaAs(砷化镓)， 采用GaAs作为所述N型衬底的材料，由此可以为外延层提供晶格匹 配的基底材料。

作为具体实施例，所述N型缓冲层12的材料为GaAs，厚度为 300-500nm，掺杂浓度为1E18cm^-3～2E18cm^-3，由此可以消除衬底表 面缺陷对外延层质量的影响。

作为具体实施例，所述N型下包层13的材料为Al_0.5Ga_0.5As，厚 度为1300-1500nm，掺杂浓度为1E18cm^-3，由此可以作为光限制层。

作为具体实施例，所述N型掺杂源为硅烷，由此可以满足N型 掺杂要求。

作为具体实施例，所述下渐变层14的材料为A1GaAs，厚度为 150-200nm，Al组分的渐变量为50％→20％，由此可以提高载流子限 制效果。

作为具体实施例，所述上渐变层16的材料为A1GaAs，厚度为 150-200nm，Al组分的渐变量为20％→50％，由此可以提高载流子限 制效果。

作为具体实施例，所述P型上包层17的材料为Al_0.5Ga_0.5As，厚 度为1300-1500nm，掺杂浓度为5E17cm^-3，由此可以作为光限制层， 并且减少载流子对光的吸收。

作为具体实施例，所述P型接触层18的材料为GaAs，厚度为 120-150nm，掺杂浓度为2E19cm^-3～3E19cm^-3，由此可以作为欧姆接 触层。

作为具体实施例，所述P型掺杂源为二乙基锌，由此可以满足P 型掺杂要求。

当然，所述N型衬底11、N型缓冲层12、N型下包层13、下渐 变层14、有源层15、上渐变层16、P型上包层17和P型接触层18 的材料并不局限于此，本领域的技术人员在前述实施例的基础上，还 可以采用具有类似性能的材料，只要能实现相应的功能即可。

以下将结合具体的制作方式对本发明的结构进行说明：

采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有 机化合物化学气相沉淀)技术生长外延材料，采用AIX2400型 MOCVD设备，采用金属有机物来提供镓源和铝源，采用氢化物来提 供砷源和磷源，具体使用的金属有机物为三甲基镓(TMGa)和三甲 基铝(TMAl)，氢化物为砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)，P型掺杂 源为二乙基锌(DEZn)，N型掺杂源为硅烷(SiH4)，载气为经钯 管扩散后的氢气，生长温度为700℃，生长室的压力为100mbar。

然后顺序在所述N型GaAs衬底上生长：500nm厚N型GaAs 缓冲层，掺杂浓度为1.5E18cm^-3；1500nm厚N型Al_0.5Ga_0.5As下包层， 掺杂浓度为1E18cm^-3；200nm厚AlGaAs下渐变层，Al的渐变量为 50％→20％；10nm厚GaAs_0.96P_0.04有源层；200nm厚AlGaAs上渐变 层，Al的渐变量为20％→50％；1500nm厚P型Al_0.5Ga_0.5As上包层， 掺杂浓度为5E17 cm^-3；150nm厚P型GaAs接触层，掺杂浓度为2.5E19 cm^-3。

外延材料生长完成之后，再依次进行如下常规器件后续工艺： SiO₂膜制作、电流通道制作、P面蒸发、衬底减薄、N面蒸发、合金、 解理、芯片条镀膜、解理、中测和烧焊，由此完成器件制作。制作的 脊波导腔长为1090um，有源区条宽为3um。最后，对SLD芯片进行 性能测试，其批次测试结果如下表1所示。

表1：

参数 测试结果 发射波长(nm) 830±10 3dB辐射带宽(nm) ＞20 辐射功率(mW) ≥8 偏振度(％) ≤15

从表1中可以看出，所述SLD芯片的发射波长和辐射带宽满足 光纤陀螺使用要求，发射功率大，特别是相对于无应变和压应变有源 层结构，器件偏振度明显降低。

本发明提供的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构，采 用了GaAsP/AlGaAs张应变量子阱分别限制异质结构，张应变有源层 可以实现器件低偏振度输出，量子阱结构可以保证器件较高的输出功 率。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用 在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。