CN101132112A - 通信用半导体激光器、其制造方法及光发送模块 - Google Patents

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Abstract

在半导体激光器中有时会存在初期故障方式，这种初期故障方式几乎不依赖于温度，内部的光能量即从外部观测的光输出量越大，该故障进行越厉害。光输出量越大越进行的初期故障方式的筛选是不充分的，其初期故障率比具有以往的活性层材料的半导体激光器元件要高。在制造过程中，采用在室温等比平均工作温度低的温度下的大的光输出的试验是有效的。这样，排除了具有光输出量越大越进行的初期故障方式的元件，延长了预期寿命。

Description

通信用半导体激光器、其制造方法及光发送模块
技术领域
本发明涉及通信用半导体激光器的制造方法、通信用半导体激光器及光发送模块，特别涉及可靠性优异的通信用半导体激光器的制造方法、通信用半导体激光器以及光发送模块。
背景技术
如图1所示的失效率曲线所示，制造物的故障方式可以大致分为初期故障、偶发故障、磨损故障3种。进行筛选(screening)试验的意义在于，在短时间内去除半导体激光器的初期故障品，以具有充分的预期寿命的状态投入市场。
作为用于排除光通信用半导体激光器的初期故障品的筛选试验，一般是在60℃～150℃、100mA～200mA的条件进行的高温、大电流的试验。作为这种试验的一个例子，有专利文献1记载的技术。
另外，在非专利文献1中，记载了在高温下工作的法布里-珀罗结构的InGaAlAs直接调制激光器。
专利文献1：特开平10一303496号公报
非专利文献1：R.Paoletti et al.，“Highly reliable and high yield 1300nmInGaAlAs directly modulated ridge Fabry-Perot lasers，operating at 10Gb/s，upto110℃with constant current swing”，PDP 15，OFC 2005
发明内容
非专利文献1中记载的活性层材料InGaAlAs，作为通信用激光器的历史很短。另外，人们已经知道，与InGaAsP相比，InGaAlAs的晶体缺陷比较多。而且，关于使用晶体缺陷较多的活性材料的通信用激光器的故障方式，目前还有一些地方解释不清楚。因此，对于InGaAlAs激光器的制造过程中包含的筛选试验条件的研究还不够充分。本发明的目的在于，确定活性层组成使用晶体缺陷较多的组成的通信用激光器的筛选条件，提供可靠性高的通信用激光器。作为晶体缺陷比InGaAsP多的组成，除了InGaAlAs外，已知的还有AlGaAs、GaInNAs等。
上述任务可以通过下面所述的通信用半导体激光器制造方法来实现，所述的制造方法包含使用初期光输出15mW以上的光输出、工作电流一定或光输出15mW以上的光输出一定的筛选工序，或者，所述的制造方法包含使用初期光输出是饱和光输出的50％以上的光输出、工作电流一定或光输出是饱和光输出的50％以上的光输出一定的筛选工序。
另外，上述任务可以通过下面所述的通信用半导体激光器来实现，所述的半导体激光器是经过使用初期光输出15mW以上的光输出、工作电流一定或光输出15mW以上的光输出一定的筛选工序而制成的通信用半导体激光器，或者是经过使用初期光输出是饱和光输出的50％以上的光输出、工作电流一定或光输出是饱和光输出的50％以上的光输出一定的筛选工序而制成的通信用半导体激光器。
再有，上述任务可以通过下面所述的光发送模块来实现：在机壳中装载有通信用半导体激光器、驱动通信用激光器的驱动器以及监控通信用半导体激光器的输出的光电二极管，通信用半导体激光器是经过在初期光输出15mW以上的光输出、工作电流一定或光输出15mW以上的光输出一定的筛选工序而制成的；或者，在机壳中装载有通信用半导体激光器、驱动通信用激光器的驱动器以及监控通信用半导体激光器的输出的光电二极管，通信用半导体激光器是经过使用初期光输出为饱和光输出的50％以上的光输出、工作电流一定或光输出是饱和光输出的50％以上的光输出一定的筛选工序而制成的。
发明效果
按照本发明，可以确定活性体材料使用晶体缺陷较多的材料的通信用激光器的筛选条件。另外，可以提供可靠性高的通信用激光器。
附图说明
图1是说明制品的通电时间和故障发生次数的关系的图。
图2是说明由光输出量引起的初期故障方式的图。
图3是说明以温度作为参数的输入电力与光输出的关系(I-L特性)的图。
图4是说明光劣化时间与光输出的依存性的图。
图5是半导体激光器的光轴方向的断面图。
图6是半导体激光器的光轴方向的斜视局部断面图。
图7是说明半导体激光器元件的筛选工艺过程的图。
图8是光发送模块的原理框图。
图9是半导体激光器的光轴方向的断面图。
图10是半导体激光器的光轴方向的斜视局部断面图。
图11是面发光半导体激光器的断面图。
图12是面发光半导体激光器的光轴方向的斜视局部断面图。
符号说明
100、200...n型InP衬底，101、201...n型InAlAs光包覆层，102、202...n型InGaAlAs光导层，103、203...多重量子阱活性层，104、204...p型InGaAlAs光导层，105、205...p型InAlAs光包覆层，106...p型InGaAsP腐蚀抑制层，107...p型InP间隔层，108...p型InGaAsP衍射光栅层，109、209...p型InP包层，110、210...p型InGaAs接触层，111...脊形波导，112、212...p电极，113、213...n电极，114、214...钝化膜，120...半导体激光器元件，121...热敏电阻，122...驱动器IC，123...DATA输入，124...光输出，125...电源，126...GND，127...衍射光栅，130...光检测器，215...高电阻Fe-InP再生长层，311...SiN膜，314...布线部，314...电极垫片，317...管芯焊接用背面金属膜，331...第1台面型晶体管，332...第2台面型晶体管，351...半导体反射镜，352...下侧接触层，353...n型包覆层，354...MQW层，355...p型包覆层，356...隧道结层，357...p+InGaAlAs层，358...n+InGaAs层，359...电流狭窄区域，360...n-InP再生长层，361...上侧接触层，362...电介质多层膜镜，363...环形电极，370...高电阻InP再生长层，371...上侧电阻性电极，372...下侧电阻性电极。
具体实施方式
以下通过实施例并参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外，对于实质上相同的部位使用相同的参照标号，不进行重复说明。此外，对于包含断面的附图，为了避免繁杂，在断面上没有画出剖面线。
实施例1
参照图2至图8说明实施例1。这里，图2是说明因光输出量而引起的初期故障方式的图。图3是说明以温度作为参数的输入电力和光输出的关系(I-L特性)的图。图4是说明光劣化时间与光输出的依存性的图。图5是半导体激光器的光轴方向的断面图。图6是半导体激光器的光轴方向的斜视局部断面图。图7是说明半导体激光器元件的筛选工艺过程的图。图8是光发送模块的原理框图。
在图2中，使用InGaAlAs作为活性层材料的半导体激光器，产生了因InGaAlAs的晶体缺陷而引起的通过带间能级的非发光再结合以及能带宽度的缩小、光吸收的正反馈现象。结果，产生活性层中的晶体的破坏，基本上不依赖于温度，内部的光能的量(即在外部观测到的光输出量)越大，初期故障进展越厉害。
但是，迄今为止，对于利用InGaAlAs、GaInNAs等晶体缺陷较多的活性层材料的通信用半导体激光器，与利用InGaAsP等晶体缺陷少的活性层材料的半导体激光器同样，仅通过高温、大电流的试验(以下称为电流清除(電流パ-ジ)试验)进行筛选。
在图3中，电流清除试验是在100℃-150mA条件下进行的，因此光输出本身较小。另外，根据条件，也经常在基本上不发光的条件下进行筛选试验。为了筛选由图2说明的故障方式引起的初期故障，必须进行常温(25℃)-大电流(150mA)下的试验(以下称为光清除(光パ-ジ)试验)。
在图4中，横轴是光输出，纵轴是对数分度的劣化时间。图4中所示的电流清除试验适用品的故障品分布，是只进行了电流清除试验的半导体激光器元件的工作样品的寿命试验结果，劣化时间是20000左右。即，电流清除试验本身是在光输出1mW以下～数mW的范围进行的，因此，半导体激光器元件没有被筛选，发生了初期故障。对于只进行了电流清除试验的半导体激光器元件的工作样品，在25℃下使光输出摆动，评价劣化时间。其结果是图4中用黑圆点表示的5点。对于由这5点得到的回归线(图中的虚线)，取其边缘的实线作为筛选条件。即，在筛选过程中追加25℃-20mW、5分钟的光清除试验，就能够保证10mW、100000小时的寿命。
以下对于在波长1.3μm带的脊形波导型DFB半导体激光器元件应用上述筛选的情况进行说明。
如图5所示，在n型InP衬底100(n型，1E18cm-3)上，依次结晶生长缓冲层101(n型InP，2E18cm-3，0.4μm)、光导层102(n型InGaAlAs层，2E18cm-3，0.1μm)、多重量子阱活性层103(InGaAlAs的阱层/阻挡层：6个循环、厚0.18μm)、光导层104(p型InGaAlAs，4E17cm-3，0.03μm)、InAlAs包层105(p型InAlAs，8E17cm-3，0.06μm)、腐蚀抑制层106(p型InGaAsAs，8E17cm-3，0.05μm)、间隔层107(p型InP，8E17cm-3，0.02μm)、衍射光栅层108(p型InGaAsP，8E17cm-3，0.02μm)，形成衍射光栅127。在衍射光栅127上结晶生长InP包层109(p型InP，1E18cm-3，1.3μm)、接触层110(p型InGaAs，1E19cm-3，0.2μm)，形成脊形波导114。
在图6中，脊形波导型DFB半导体激光器元件400的脊形波导的宽度设定为1～2μm。此后，经过下述工序制成元件：形成钝化膜117(SiO2膜，0.4μm)，形成p电极112(Ti/Pt/Au，厚0.7μm)，研磨背面，形成n电极113(Au/Ge/Ni/Ti/Pt/Au，厚0.8μm)，劈开过程。在该元件前方端面形成无反射膜，在其后方端面形成高反射膜。谐振器长为150～250μm。
为了排除半导体激光器元件400的初期故障方式，保证通信用激光器所需要的预期寿命，采用了图7(b)所示的筛选过程。
在图7(a)中，半导体激光器元件的制造过程由晶体生长(S410)、晶片加工(S420)、芯片制造(S430)、芯片选择(S440)、筛选(S450)构成。
特别是，在筛选过程中进行光清除试验(25℃，初期光输出23mW：工作电流一定，3分钟)(S451)。接着，进行电流清除试验(100℃，电流100mA：工作电流一定，20小时)(S452)。对于在光清除试验和电流清除试验中未观察到劣化的品质优良的元件，再在工作温度的上限进行老化试验(85℃，初期工作电流80mA：光输出一定，100小时)(S453)。结果，对于投入的所有元件，都没有观察到劣化。
另外，随后继续进行寿命确认试验(85℃，初期工作电流80mA：光输出一定)直至2000小时。结果，用初期值标准化的工作电流的变动量(ΔIop(t)＝(Iop(t)-Iop(O))/Iop(O))与寿命确认试验时间的1/2次方成比例推移，验证了寿命预期可以达到100万小时以上。
在上述的实施例中，是将光清除试验设定为初期光输出23mW、工作电流一定，不过，也可以是光输出一定。另外，光清除试验的光输出也可以是饱和光输出的50％即15mW以上，更优选的是20mW以上。
另外，在制作波长1.55μm带用的脊形波导型半导体激光器元件的场合，在制作法布里-珀罗型的脊形波导型半导体激光器元件的场合，在p型InP衬底上制作脊形波导型半导体激光器元件的场合，以及，在GaAs衬底上制作使用GaInNAs或AlGaAs作为活性层材料的脊形波导型半导体激光器元件的场合，也得到了同样的效果。即，与使用InGaAsP作为半导体激光器的活性层的场合相比，使用可靠性容易受晶体缺陷影响的材料作为活性层的通信用半导体激光器具有同样的效果。
在图8中，配置在机壳120内部的半导体激光器元件400，通过驱动IC 122直接调制驱动光发送模块500。半导体激光器元件400的前方光信号，通过图中未示出的光纤来传输。半导体激光器元件400的后方的光，由监控光电二极管130监控。在机壳120中的半导体激光器元件400附近配置热敏电阻，监控半导体激光器元件400的温度。后方光能量和温度用于半导体激光器元件400驱动控制。搭载在该光发送模块500上的半导体激光器元件400，已进行了光清除试验，因而没有发生因光发送模块的激光器元件引起的初期故障方式，可以将可靠性非常好、大批量稳定生产的模块供给市场。
实施例2
参照图9、图10和图7，对于将上述筛选过程应用于波长1.3μm带的嵌入异质型法布里-珀罗半导体激光器元件的场合进行说明。其中，图9是半导体激光器的光轴方向的断面图。图10是半导体激光器的光轴方向的斜视局部断面图。
图9中，在InP衬底200(n型，1.5E18cm-3)上，依次结晶生长缓冲层201(n型InP，1.5E18cm-3，0.5μm)、光导层202(n型InGaAlAs层，2E18cm-3，0.1μm)、多重量子阱活性层203(InGaAlAs的阱层/阻挡层：7个循环、厚0.21μm)、光导层204(p型InGaAlAs，3E17cm-3，0.1μm)、InAlAs包层205(p型InAlAs，8E17cm-3，0.1μm)、InP包层209(p型InP，1E18cm-3，1.4μm)、接触层210(p型InGaAs，1E19cm-3，0.15μm)，通过贯通多重量子阱活性层的蚀刻形成波导。波导的宽度设定为1.2～2.3μm。然后，经过下述工序制成嵌入异质型的激光器元件：形成高电阻的Fe-InP再生长层215，形成钝化膜217(SiO2膜，0.4μm)，形成p电极212(Ti/Pt/Au，厚0.7μm)，研磨背面，形成n电极213(Au/Ge/Ni/Ti/Pt/Au，厚0.8μm)，劈开过程。
图10中，在嵌入异质型的激光器元件600的元件前方端面形成无反射膜，在其后方端面形成高反射膜。嵌入异质型的激光器元件600的谐振器长设定为150～250μm。
为了排除该半导体激光器元件的初期故障方式，保证通信用激光器所必需的预期寿命，采用图7(b)中所示的筛选过程。首先，进行光清除试验(50℃，初期光输出28mW：工作电流一定，5分钟)(S451)。接着，进行电流清除试验(110℃，电流100mA：工作电流一定，20小时)(S452)。对于在两次清除试验中未观察到劣化的品质优良的元件，进行老化试验(85℃，初期工作电流80mA：光输出一定，100小时)(S453)。其结果，对于投入的全部元件，未观察到劣化。另外，随后继续进行寿命确认试验(85℃，初期工作电流80mA：光输出一定)至2000小时。结果，用初期值标准化的工作电流的变动量，与寿命确认试验时间的1/2次方成比例推移，可以验证寿命100万小时以上。
另外，在制作波长1.55μm带用的嵌入异质型半导体激光器元件的场合，制作嵌入异质型的DFB激光器元件的场合，在p型InP衬底上制作嵌入异质型半导体激光器元件的场合，以及在GaAs衬底上制作使用GaInNAs或AlGaAs作为活性层材料的嵌入异质型半导体激光器元件的场合，也得到同样的效果。
实施例3
参照图11、图12和图7，对于波长1.3μm带的面发光型半导体激光器元件的制造过程进行说明。图11是面发光半导体激光器的断面图。图12是面发光半导体激光器的光轴方向的斜视局部断面图。
如图11所示，在InP衬底301(n型，1E18cm-3)上，依次结晶生长缓冲层302(n型InP层，1E18cm-3，0.2μm)、半导体反射镜层303(n型InAlAs/InGaAlAs层，1E18cm-3，各自λ/4膜厚的42周期结构)、下侧接触层352(n型InP层，5E17cm-3，0.2μm)、包层353(n型InAlAs层，5E17cm- 3，0.2μm)、MQW层354(InGaAlAs的阱层/阻挡层：7周期、厚0.2μm)、包层355(p型InAlAs层，  5E17cm-3，0.7μm)、  隧道结层356(p+-InGaAlAs/n+InGaAs层，3E19cm-3，20nm/12nm)，为了形成电流狭窄区域，对于隧道结层356的电流狭窄区域以外的部分，通过干腐蚀去除p+InGaAlAs层357的一部分和n+InGaAs层358的全部，在其上面进行n-InP再生长层360(n型，厚0.1μm)和上侧接触层361(n型InGaAs层，2E19cm-3，0.1μm)的生长。
另外，对于n-InP层360，为了避免电流狭窄区域以外的隧道结形成，使从生长开始直到厚度达到10nm的杂质浓度降低到5E17cm-3，将此后直至厚度0.1μm的杂质浓度设定为5E18cm-3。另外，为了避免吸收损失，对于电流狭窄区域的正上方及其周围，利用湿腐蚀选择性地腐蚀去除上侧接触层361(InGaAs层)，在其上面形成电介质多层膜反射镜层362(AlxOy/a-Si，各自λ/4膜厚的42周期结构)。对于环形电极363的外侧，为了减低漏电流和容量，形成2级台面型晶体管型结构，从InGaAs上侧接触层361开始进行腐蚀直至达到包层353，形成第1台面型晶体管331，在其周围用高电阻InP再生长层370(厚0.6μm)埋入，再将其外侧从高电阻InP再生长层370腐蚀至InP下侧接触层352，形成第2台面型晶体管332。
这里，在半导体层上，在形成电介质多层膜反射镜层362的区域以及电极接触半导体的区域以外，作为保护膜311形成SiN膜(0.25μm)，上侧电阻性电极371(AuGe/Ni/TiPt/Au，厚0.7μm)在上侧接触层361和环形电极363与半导体接触，在SiN膜311和InP再生长层370上配置布线部314(宽5μm、长100μm)和电极衬垫315(φ75μm)，使寄生电容减低，形成不产生断线的结构。另外，下侧电阻性电极372(AuGe/Ni/Ti/Pt/Au，厚0.7μm)也和上侧电阻性电极371同时在表面侧形成。将元件的没有配置活性区域的InP衬底301的背面侧研磨至100μm，然后，在背面侧配置小片接合用背面金属膜317(AuGe/Ni/Ti/Pt/Au，厚0.8μm)，形成图12所示的面发光型激光器元件700。
为了排除上述的面发光型半导体激光器元件的初期故障方式，保证通信用激光器所需要的预期寿命，采用图7(b)所示的筛选过程。首先，进行光清除试验(10℃，初期光输出2mW：工作电流一定，10分钟)(S451)。接着，进行电流清除试验(100℃，电流10mA：工作电流一定，20小时)(S452)。对于在两个试验中没有观察到劣化的品质优良元件，进行老化试验(85℃，初期工作电流4mA：光输出一定，100小时)(S453)。结果，对于投入试验的所有元件，未观察到劣化。
再者，面发光型激光器元件，与侧面发光型激光器元件相比，光输出是1/10左右，驱动电流也是1/10左右。但是，面发光型激光器元件的光清除试验的初期光输出(2mW)是饱和光输出值的50％以上，这和侧面发光型激光器元件是同等的。
另外，此后将寿命确认试验连续进行至2000小时。结果，用初期值标准化的工作电流的变动量，与寿命确认试验时间的1/2次方成比例推移，验证其寿命预期可达到100万小时以上。
另外，在制作波长1.55μm带用的面发光型半导体激光器元件的场合，制作不使用隧道结的结构的面发光型激光器的场合，在p型InP衬底上制作面发光型半导体激光器元件的场合，以及在GaAs衬底上制作使用GaInNAs或AlGaAs作为活性层材料的面发光型半导体激光器元件的场合，也都得到了同样的效果。

Claims (13)

1.通信用半导体激光器的制造方法，其特征在于，该方法包含使用初期光输出15mW以上的光输出、工作电流一定或者光输出15mW以上的光输出一定的筛选过程。
2.权利要求1所述的通信用半导体激光器的制造方法，其特征在于，包含使用初期光输出20mW以上的光输出、工作电流一定或者光输出20mW以上的光输出一定的筛选过程。
3.通信用半导体激光器的制造方法，其特征在于，该方法包含使用初期光输出为饱和光输出的50％以上的光输出、工作电流一定或者光输出是饱和光输出的50％以上的光输出一定的筛选过程。
4.权利要求3所述的通信用半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述的通信用半导体激光器是面发光型激光器。
5.权利要求1～4中任一项所述的通信用半导体激光器的制造方法，其特征在于，作为半导体激光器的活性层，使用与InGaAsP相比其可靠性容易受到晶体缺陷的影响的材料。
6.通信用半导体激光器，其特征在于，该激光器是经过使用初期光输出15mW以上的光输出、工作电流一定或者光输出15mW以上的光输出一定的筛选过程而制成的。
7.权利要求6所述的通信用半导体激光器，其特征在于，该激光器是经过使用初期光输出20mW以上的光输出、工作电流一定或者光输出20mW以上的光输出一定的筛选过程而制成的。
8.通信用半导体激光器，其特征在于，该激光器是经过使用初期光输出为饱和光输出的50％以上的光输出、工作电流一定或者光输出为饱和光输出的50％以上的光输出一定的筛选过程而制成的。
9.权利要求8所述的通信用半导体激光器，其特征在于，所述的通信用半导体激光器是面发光型激光器。
10.权利要求6～9中任一项所述的通信用半导体激光器，其特征在于，作为半导体激光器的活性层，使用与InGaAsP相比其可靠性容易受到晶体缺陷的影响的材料。
11.权利要求6～9中任一项所述的通信用半导体激光器，其特征在于，所述的通信用半导体激光器的活性层是InGaAlAs、AlGaAs或者GaInNAs。
12.光发送模块，在机壳中装载有通信用半导体激光器、驱动该通信用激光器的驱动器、以及监控上述通信用半导体激光器的输出的光电二极管，其特征在于，所述的通信用半导体激光器是经过使用初期光输出15mW以上的光输出、工作电流一定或者光输出15mW以上的光输出一定的筛选过程而制成的。
13.光发送模块，在机壳中装载有通信用半导体激光器、驱动该通信用激光器的驱动器、以及监控上述通信用半导体激光器的输出的光电二极管，其特征在于，所述的通信用半导体激光器是经过使用初期光输出为饱和光输出的50％以上的光输出、工作电流一定或者光输出为饱和光输出的50％以上的光输出一定的筛选过程而制成的。
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