基于拉曼光譜技術(shù)的光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的可靠性分析

賈 鵬，秦 莉，張 星, 張 建, 劉天元, 門志偉, 寧永強(qiáng)

1. 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039 3. 吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012

基于拉曼光譜技術(shù)的光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的可靠性分析

賈 鵬1, 2，秦 莉1*，張 星1, 張 建1, 劉天元3, 門志偉3, 寧永強(qiáng)1

1. 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039 3. 吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012

光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器在自由空間光通信、衛(wèi)星間通信、激光雷達(dá)測(cè)距、大氣環(huán)境檢測(cè)以及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。為了分析光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的可靠性，本文基于拉曼光譜技術(shù)，對(duì)光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器在不同的制備階段及其成品進(jìn)行了檢測(cè)。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未進(jìn)行任何工藝加工的半導(dǎo)體激光器芯片，GaAs縱向(LO)光學(xué)光子模式的振動(dòng)強(qiáng)而橫向(TO)光學(xué)光子模式的振動(dòng)弱； 當(dāng)在GaAs芯片表面生長(zhǎng)一層SiO2膜后，LO模式向長(zhǎng)波數(shù)方向移動(dòng)，強(qiáng)度沒(méi)有變化。當(dāng)在生長(zhǎng)SiO2膜的GaAs芯片上刻蝕100 μm的臺(tái)面后，GaAs的LO模式的振動(dòng)減弱而TO模式的振動(dòng)加強(qiáng)，且峰出現(xiàn)寬化現(xiàn)象； 在100 μm的臺(tái)面上刻蝕光柵后，GaAs的LO模式的振動(dòng)繼續(xù)減弱而TO模式的變得更強(qiáng)，這說(shuō)明在光柵耦合激光器的制備工藝過(guò)程中引入了缺陷。通過(guò)與無(wú)光柵的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器無(wú)論出光面上有無(wú)缺陷，其拉曼光譜均有缺陷峰存在，進(jìn)一步證明了在光柵結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程中，引入了應(yīng)變或者缺陷，對(duì)其可靠性產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可靠性降低。

激光器； 拉曼光譜； 半導(dǎo)體激光器； 可靠性

引 言

半導(dǎo)體激光器具有效率高、體積小、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在激光加工、成像、傳感、醫(yī)療等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器近幾年更是呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)。光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器在自由空間光通信、衛(wèi)星間通信、激光雷達(dá)測(cè)距、大氣環(huán)境檢測(cè)以及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品主要來(lái)自國(guó)外幾家知名的半導(dǎo)體器件公司，其原因是國(guó)內(nèi)光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的可靠性與國(guó)外產(chǎn)品相比還有一定的差距。為了提高國(guó)內(nèi)光柵耦合半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品的可靠性，需要對(duì)其芯片生長(zhǎng)、器件制備及集成過(guò)程中引入的缺陷、封裝應(yīng)力以及器件失效原因進(jìn)行檢測(cè)和分析。

國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體激光器的可靠性的檢測(cè)和分析多以對(duì)半導(dǎo)體激光器的壽命預(yù)測(cè)為主，一般采用高溫快速老化方法或者恒電流的長(zhǎng)期工作方法來(lái)推測(cè)其壽命，而對(duì)于半導(dǎo)體激光器失效的原因不能進(jìn)行直接判斷。拉曼光譜技術(shù)是對(duì)缺陷、應(yīng)力、溫度和失效原因進(jìn)行分析的有力工具，具有無(wú)損傷在線檢測(cè)和分析的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)從90年代初期就開始了相關(guān)的研究工作[1-8]，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究工作相對(duì)滯后。

借助拉曼光譜分析技術(shù)，提出了一種適用于光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可靠性分析的方法，并以980 nm波段光柵耦合結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器為研究對(duì)象，對(duì)其在各工藝制備階段的樣品及成品器件進(jìn)行了拉曼光譜檢測(cè)，系統(tǒng)的分析了光柵結(jié)構(gòu)對(duì)其可靠性的影響。

1 拉曼光譜分析技術(shù)原理

當(dāng)入射光子與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)把一部分能量交給物質(zhì)，或從物質(zhì)得到一部分能量，交出或得到的能量就等于散射系統(tǒng)兩定態(tài)之間的能量差，這種入射光子的能量(波長(zhǎng))發(fā)生改變的散射現(xiàn)象是印度科學(xué)家拉曼于1928年首先觀察到的，稱之為拉曼散射。拉曼背散射技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在半導(dǎo)體材料及器件的結(jié)構(gòu)特性分析中，激發(fā)光在GaAs半導(dǎo)體中的穿透深度一般為100 nm左右，適合進(jìn)行材料的表面特性分析。

圖1 半導(dǎo)體激光器晶向分布

對(duì)于GaAs/AlGaAs量子阱半導(dǎo)體激光器，1990年Bruger和Epperlein測(cè)試其拉曼光譜，特征譜線包括一階類GaAs橫光學(xué)光子模和類AlAs橫光學(xué)光子模，在300 K時(shí)，它們的拉曼峰值分別是268.6 cm-1(TO-GaAs)和350.0 cm-1(LO-AlAs)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器及參數(shù)

拉曼光譜分析測(cè)試采用英國(guó)Renshaw公司顯微激光拉曼光譜儀，在吉林大學(xué)物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。拉曼光譜儀的空間分辨率縱向?yàn)? μm、橫向?yàn)? μm； 儀器的重復(fù)性小于±0.2 cm-1； 激發(fā)波長(zhǎng)514 nm，激發(fā)功率3～5 mW。

2.2 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中的980 nm光柵耦合結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)是在GaAs襯底上依次生長(zhǎng)了100 nm的GaAs緩沖層、n型AlGaAs限制層、n型AlGaAs波導(dǎo)層、GaAs/InGaAs/GaAs有源區(qū)、p型AlGaAs波導(dǎo)層、p型AlGaAs限制層、20 nm的p型AlGaAs漸變層和100nm的GaAs蓋層。半導(dǎo)體激光器芯片在晶向上，最上層是100 nm的GaAs蓋層，然后是20 nm的AlGaAs漸變層。拉曼光譜儀的激發(fā)波長(zhǎng)是514 nm，GaAs對(duì)于514 nm的吸收系數(shù)為94 437.80 cm-1，514 nm的光在GaAs中的穿透深度為105 nm，拉曼光譜儀可以檢測(cè)到GaAs蓋層和AlGaAs層的拉曼振動(dòng)信息。

3 結(jié)果與討論

3.1 光柵耦合結(jié)構(gòu)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光芯片在不用工藝階段中的拉曼光譜特性

實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)980 nm波段光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光芯片進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)試，圖2中的上圖為芯片測(cè)試的拉曼曲線，下圖對(duì)應(yīng)的是四個(gè)工藝階段的照片。圖2的a曲線是2.2節(jié)描述的980 nm半導(dǎo)體激光器芯片的拉曼曲線，存在三個(gè)拉曼特征峰，266.55 cm-1(TO-GaAs)，287.42 cm-1(LO-GaAs)，358.33 cm-1(LO-AlAs)。b曲線是在980 nm半導(dǎo)體激光器芯片表面，采用PECVD方法生長(zhǎng)了300 nm的SiO2薄膜后的拉曼曲線，三個(gè)拉曼特征峰為266.55 cm-1(TO-GaAs)，289.15 cm-1(LO-GaAs)，360.05 cm-1(LO-AlAs)。與a曲線對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)沒(méi)有看到SiO2的明顯特征拉曼峰，說(shuō)明SiO2膜是非晶態(tài)，所以沒(méi)有明顯的特征峰出現(xiàn)； 同時(shí)LO-GaAs峰由a曲線的287.42 cm-1移動(dòng)到289.15 cm-1，移動(dòng)了1.7個(gè)波數(shù)，LO-AlAs峰也發(fā)生了移動(dòng)； 這說(shuō)明生長(zhǎng)SiO2膜之后產(chǎn)生了一定的應(yīng)變，使其最上層的GaAs蓋層的晶格取向方向發(fā)生了變化。此外，在a和b曲線的198～210 cm-1范圍內(nèi)存在著寬化缺陷峰[4, 9-10]，可能是GaAs半導(dǎo)體激光器在外延生長(zhǎng)中存在著缺陷； 從b曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiO2膜生長(zhǎng)后，缺陷峰變得更明顯。

圖2 980 nm光柵耦合半導(dǎo)體激光器芯片在不同 工藝階段的拉曼曲線及四個(gè)工藝階段照片

Fig.2 Raman spectra of 980 nm grating coupled laser diode under different processing; four different process photos

圖2中的曲線c是在生長(zhǎng)有300 nm SiO2膜的GaAs芯片上刻蝕出條寬為100 μm的臺(tái)面結(jié)構(gòu)后的拉曼光譜。可以發(fā)現(xiàn)，拉曼特征峰發(fā)生顯著的變化，即264.81 cm-1(TO-GaAs)，287.42 cm-1(LO-GaAs)，334.18 cm-1(LO-AlAs)，說(shuō)明刻蝕出臺(tái)面結(jié)構(gòu)后引入了應(yīng)變，原有的GaAs晶格取向發(fā)生改變。與曲線b比較，TO-GaAs和LO-GaAs峰都發(fā)生了移動(dòng)，峰值降低且發(fā)生寬化現(xiàn)象； 而且210 cm-1缺陷峰強(qiáng)度也大大增強(qiáng)，說(shuō)明在刻蝕過(guò)程中引入了更多的缺陷； 曲線c在波數(shù)大于500 cm-1之后，出現(xiàn)了幾個(gè)包絡(luò)，這是由于SiO2層引入了更多缺陷的結(jié)果。

圖2中的d曲線是在條寬100 μm的臺(tái)面上刻蝕出1 μm的光柵結(jié)構(gòu)的拉曼光譜。d曲線是在光柵槽處測(cè)量的拉曼譜，峰值為266.55 cm-1(TO-GaAs)，287.42 cm-1(LO-GaAs)，缺陷峰值為217.69 cm-1。與a曲線相比，雖然TO-GaAs和LO-GaAs的峰值一致，但是a曲線中是LO-GaAs的峰值很強(qiáng)，而d曲線中是TO-GaAs峰值很強(qiáng)，這說(shuō)明制作光柵結(jié)構(gòu)后，改變了原有晶體的晶格常數(shù)，導(dǎo)致其拉曼光譜光學(xué)光子模波數(shù)發(fā)生偏移。

從制作100 μm條寬的臺(tái)面開始到完成光柵結(jié)構(gòu)制備，GaAs芯片的拉曼峰都是橫向光學(xué)光子模式增強(qiáng)而縱向光學(xué)光子模式減弱，這是由于工藝過(guò)程中引入了應(yīng)變，從而改變了GaAs芯片的晶格取向引起的。表1總結(jié)了圖2中的拉曼峰的變化情況。從a曲線到d曲線，缺陷峰的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，說(shuō)明隨著工藝步驟的增加，引入的缺陷與應(yīng)變不斷增加。

表1 半導(dǎo)體激光器芯片不同制備工藝階段的拉曼特性總結(jié)

圖3 光柵耦合半導(dǎo)體激光器出光面

4 結(jié) 論

選擇980 nm波段光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器作為研究對(duì)象，測(cè)試了其在不同工藝階段的拉曼光譜，以便對(duì)其可靠性進(jìn)行分析。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未進(jìn)行任何工藝加工的半導(dǎo)體激光器芯片，GaAs縱向(LO)光學(xué)光子模式的振動(dòng)強(qiáng)而橫向(TO)光學(xué)光子模式的振動(dòng)弱。當(dāng)在GaAs芯片表面生長(zhǎng)一層SiO2膜后，LO模式向長(zhǎng)波數(shù)方向移動(dòng)，強(qiáng)度沒(méi)有變化，而TO模式的振動(dòng)沒(méi)有改變。當(dāng)在生長(zhǎng)SiO2膜的GaAs芯片上刻蝕100 μm的臺(tái)面后，GaAs的LO模式的振動(dòng)減弱而TO模式的振動(dòng)加強(qiáng)，且峰出現(xiàn)寬化現(xiàn)象； 在100 μm的臺(tái)面上刻蝕光柵后，GaAs的LO模式的振動(dòng)繼續(xù)減弱而TO模式的變得更強(qiáng)。可見(jiàn)，隨著芯片制備工藝的增加，GaAs晶格方向發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。當(dāng)在GaAs芯片上刻蝕臺(tái)面和制備光柵結(jié)構(gòu)后，在TO-GaAs模式的短波數(shù)邊的缺陷峰不斷增強(qiáng)，這說(shuō)明隨著激光器的制備工藝的進(jìn)行，芯片上的缺陷不斷的增加。通過(guò)對(duì)光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器成品的測(cè)試，我們也進(jìn)一步證明了，與無(wú)光柵的半導(dǎo)體激光器相比，光柵耦合結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器無(wú)論出光面上有無(wú)缺陷，其拉曼光譜均有缺陷峰存在，說(shuō)明在光柵結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程中，引入了應(yīng)變或者缺陷，對(duì)其可靠性產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致光柵耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器可靠性降低。

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[10] Epperlein P W. Semiconductor Laser Engineering, Reliability and Diagnostics, 2011, Wiley, chap7.

(Received Feb. 14, 2015; accepted Jun. 4, 2015)

*Corresponding author

Reliability Study of Grating Coupled Semiconductor Laser Based on Raman Spectra Technique

JIA Peng1,2, QIN Li1*, ZHANG Xing1, ZHANG Jian1, LIU Tian-yuan3, MEN Zhi-wei3, NING Yong-qiang1

1. State Key Laboratory of Luminescence and Application, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China 3. College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China

Grating coupled semiconductor lasers (GCSLs) has a wide application prospect in many fields, such as optical free space communication, intersatellite communication, ranging for laser radar, atmospheric environmental testing and medical imaging. In order to verify the reliability of GCSLs, the chips in different preparation stages and products of GCSLs are tested based on Raman spectroscopy. It concluded that for unprocessed semiconductor laser chip, the longitudinal optical (LO) photons mode vibration of GaAs chip is strong but the transverse (TO) optical photons mode vibration of GaAs chip is weak. when the is unprocessed. When the surface of GaAs chip is covered by a layer of SiO2membrane, the LO mode will movetowards long wavelength direction, but its intensity wouldn’t change. When a 100 m mesa is etched on GaAs chip which is covered by SiO2membrane, LO mode vibration of GaAs chip weakens and TO mode vibration of GaAs chip enhances, and the peak width of LO mode and TO mode increase. After gratings are etched on the 100 m mesa, LO mode vibration of GaAs chip continues to weaken, but TO mode vibration of GaAs chip becomes stronger. It shows that lattice defects exist in the fabrication process of GCSLs. By contrast testson the semiconductor lasers without gratings, it shows that defect peaks present in the Raman spectrum of GCSLs regardless of the defects on light emitting surface. This further proved that the strains or defects were introduced into the fabrication process of grating structure, which affects its reliability, resulting in a decrease of the reliability of GCSLs.

Laser; Raman spectra; Semiconductor laser; Reliability

2015-02-14，

2015-06-04

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61234004, 61434005, 61204055, 61176045, 61306086, 61474118, 61474010)和吉林省科技廳項(xiàng)目(20140101172JC, 20130206006GX)資助

賈 鵬, 1986年生，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生 e-mail： modou1986@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： qinl@ciomp.ac.cn

O433

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1745-04