1 引言

激射波长在2.0 μm附近的半导体激光器在远距离气体检测、自由空间通信、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)、医疗治疗和诊断、红外制导和红外对抗(IRCM)等方面有大量的应用需求,目前已经成为国际的研究热点之一。基于III-V族半导体材料的激光器,尤其是磷化铟(InP)基和砷化镓(GaAs)基激光器,已经得到长足的发展和充分的研究^[1-3]。但是,2.0 μm波段的激光器难以通过上述两种材料体系获得。而基于锑化镓(GaSb)基的半导体激光器,激射波长能有效覆盖该波段,且具有室温(RT)工作、功耗较低、经济易制备、小型化、易集成等优点,成为实现2.0 μm波段室温连续(CW)激光输出的最佳方式之一。国内外有很多关于GaSb基半导体激光器的报道,研究内容主要集中在拓展激光器激射波长和提高激光器性能两个方面^[4-8]。

相比于InP基和GaAs基激光器,GaSb基激光器的器件性能还有很多方面需要提高,比如在光电转换效率和器件光输出功率等方面。由于InGaSb/AlGaAsSb材料体系特有的能带结构,外延结构的改变对器件光电转换效率的提高作用有限,进一步提高器件的光电转换效率将主要依靠器件制备方面的工艺改善。比如通过镀膜等工艺,能够有效提高器件的光电转换效率和光输出功率性能。本文在稳定的材料外延和器件制备工艺的基础上,通过镀膜工艺有效提高了器件的性能,得到了性能良好的2.0 μm激光器。

2 实验内容

利用固体源的分子束外延设备(MBE),在[100]晶向n型GaSb衬底上外延生长激光器结构。外延过程如下。首先生长500 nm厚的GaSb缓冲层,然后是2.0 μm厚的Al_0.5Ga_0.5As_0.02Sb_0.98的n型下限制层。有源区包括非参杂的10 nm 厚的单 In_0.2Ga_0.8Sb 量子阱, 以及量子阱上下两个270 nm厚的 Al_0.25G a0.75As_0.02Sb_0.98 波导层。接着生长的是2.0 μm厚的Al_0.5Ga_0.5As_0.02Sb_0.98的p型上限制层。外延结构最后是250 nm厚的高掺杂 GaSb 接触层,可以获得良好的欧姆接触。

外延过程后,利用标准接触曝光技术和电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP),在外延片上制备出波导结构。波导结构包括两个部分,后面部分为长1500 μm、宽5 μm的窄条波导,前面部分为长3500 μm、整体张角为3°的锥形波导。再利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)沉积了厚度为250 nm的二氧化硅(SiO₂)电介质层,作为绝缘层。通过二次光刻和ICP技术,在SiO₂绝缘层上制备出电流注入窗口。然后利用磁控溅射,在表面溅射一层Ti/Pt/Au作为p面欧姆接触电极。在把衬底剪薄和抛光后,热蒸发Au/Ge/Ni/Au,并高温退火,以作为n面欧姆接触电极。

图 1. 增透膜的反射率和波长间的关系

Fig. 1. Reflectivity of antireflection film versus wavelength

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图 2. 高反膜的反射率和波长间的关系

Fig. 2. Reflectivity of high-reflection film versus wavelength

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然后把外延片解理成巴条,利用电子束蒸发设备蒸镀增透膜和高反膜。锥形部分为出光面,蒸镀一层三氧化二铝(Al₂O₃)作为增透膜;窄脊条部分为后腔面,分别蒸镀两对SiO₂/Si作为高反膜,其反射率分别如图1、2所示。镀膜后,将巴条解理成单个的器件。利用铟(In)作为焊料,把未镀膜的器件和镀膜后的器件分别倒装在铜热沉上。

3 器件性能

在室温连续工作状态下,对器件进行测试。图3所示为未镀膜器件的功率-电流-电压-插头效率(L-I-V-WPE)曲线。激光器阈值电流为0.40 A。当注入电流为3.0 A时,器件的光输出功率为300 mW。在注入电流为1.6 A时,器件达到最大插头效率(8.3%),对应的光输出功率为144 mW。在注入电流在1.0~3.0 A的范围内变化时,器件的插头效率均大于7%。

图 3. 室温下未镀膜器件的L-I-V-WPE曲线

Fig. 3. L-I-V-WPE curves of uncoated laser under room-temperature

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图 4. 室温下未镀膜器件的激射光谱与注入电流间的关系

Fig. 4. Emission spectrum versus injection current of uncoated laser under room temperature

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在室温连续工作模式下,测量了未镀膜器件的激射光谱与注入电流的关系,结果如图4所示。当注入电流为0.3 A时,器件的激射中心波长为1992.9 nm,随着注入电流的增加,激射中心波长向短波方向移动(蓝移)。当注入电流为0.7 A时,激射中心波长达到最短,为1976.9 nm。随着注入电流继续增加,激射中心波长向长波方向移动(红移)。当注入电流为1.0 A时,激射中心波长为2002.9 nm。

镀膜器件的L-I-V-WPE曲线如图5所示。镀膜器件的阈值电流为0.15 A。当注入电流为2.6 A时,器件的光输出功率为380 mW。当注入电流为0.6 A时,器件的插头效率达到最大(15.6%),对应的光输出功率为84 mW。当注入电流在0.25~2.6 A的范围内变化时,器件的插头效率均大于9%。

图 5. 室温下镀膜器件的L-I-V-WPE曲线

Fig. 5. L-I-V-WPE curves of coated laser under room temperature

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4 分析与讨论

镀膜器件和未镀膜器件的光输出功率和插头效率随注入电流的变化趋势如图6所示。通过曲线可以看出,相比于未镀膜器件,镀膜器件的性能有大幅度提高。主要体现在相同注入电流下,镀膜器件的光输出功率更高,插头效率更高,而阈值电流更低。当注入电流为2.0 A时,镀膜器件的光输出功率相比于非镀膜器件的功率提高58.6%。器件的最大插头效率也由未镀膜时的8.3%提高到镀膜后的15.6%。器件性能结果见表1。未镀膜器件借助解理面作为谐振腔的反射面,解理面的反射率较低,造成较大的腔面损耗。而对于2.0 μm波段的激光输出,镀膜器件的后端面反射率高达96.3%,有效降低了光损耗,提高了光输出功率,这也同时解释了镀膜器件的阈值电流相比未镀膜器件有明显降低的原因。

图 6. 镀膜器件和未镀膜器件的L-I-WPE曲线

Fig. 6. L-I-WPE curves of coated and uncoated lasers

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5 结论

在稳定的外延技术和器件制备工艺的基础上,通过镀膜工艺进一步优化了GaSb基半导体激光器的性能。当注入电流为2.6 A时,室温连续工作镀膜激光器的光输出功率为380 mW。当注入电流为0.6 A时,镀膜器件的插头效率达到最大,为15.6%。而镀膜器件的阈值电流只有0.15 A。相比于未镀膜器件,镀膜器件的性能指标都有较大幅度的改善,可以有效满足2.0 μm波段的红外激光需求。