CN104362225B - 一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构 - Google Patents

一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构 Download PDF

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Abstract

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(1‑x)Px,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,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。

Description

一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构
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(Tangentialmagnetic)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,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)Px,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,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)Px,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,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Al0.5Ga0.5As,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Al0.5Ga0.5As,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Al0.5Ga0.5As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GaAs0.96P0.04有源层;200nm厚AlGaAs上渐变层,Al的渐变量为20%→50%;1500nm厚P型Al0.5Ga0.5As上包层,掺杂浓度为5E17cm-3;150nm厚P型GaAs接触层,掺杂浓度为2.5E19cm-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。

Claims (10)

1.一种高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,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)Px,其中所述x为材料磷组分,且0.01≤x≤0.08;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模的光强相等,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。
2.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述N型衬底的材料为GaAs。
3.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述N型缓冲层的材料为GaAs,厚度为300-500nm,掺杂浓度为1E18cm-3~2E18cm-3
4.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述N型下包层的材料为Al0.5Ga0.5As,厚度为1300-1500nm,掺杂浓度为1E18cm-3
5.根据权利要求3或4所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述N型掺杂源为硅烷。
6.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述下渐变层的材料为A1GaAs,厚度为150-200nm,Al组分的渐变量为50%→20%。
7.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述上渐变层的材料为A1GaAs,厚度为150-200nm,Al组分的渐变量为20%→50%。
8.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述P型上包层的材料为Al0.5Ga0.5As,厚度为1300-1500nm,掺杂浓度为5E17cm-3
9.根据权利要求1所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述P型接触层的材料为GaAs,厚度为120-150nm,掺杂浓度为2E19cm-3~3E19cm-3
10.根据权利要求8或9所述的高功率低偏振度的800nm波段SLD外延结构,其特征在于,所述P型掺杂源为二乙基锌。
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