CN101743670A - 半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体激光器及半导体激光器的制造方法，该半导体激光器具有：下部包层(12)，其具有第一导电型；活性层(14)，其设置在该下部包层(12)上，具有多个量子点；以及上部包层(18)，其是设置在活性层(14)上的孤立的脊部(30)，并具有第二导电型，在设脊部(30)的上表面的宽度为Wtop，设离所述脊部(30)的下表面的高度为50nm处的所述脊部(30)的宽度为W1时，W1≤Wtop+0.4μm。

Description

半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器及其制造方法，尤其涉及作为活性层具有多个量子点的半导体激光器及其制造方法。
背景技术
近年来，人们已开发出用于具有量子点的活性层的半导体激光器。在专利文献1中公开有量子点的形成方法。在专利文献2中，公开有为了实现高速调制动作和高可靠性，将包括多个量子点的活性层的至少一部分设为p型半导体的半导体激光器。
参照专利文献2的图1E，在p型GaAs基板1上层叠有p型包层2和量子点活性层3。在量子点活性层3上设置有由凸部形状(脊部)构成的n型包层4。n型包层4仅形成在量子点活性层3的中央部上。由此，能够减小由量子点活性层3和n型包层4构成的pn结的面积。由此，能够削减寄生电容，从而实现高速调制动作。
专利文献1：日本特许3468866号公报
专利文献2：日本特开2006-286902号公报
如专利文献2的第0025段所记载的那样，专利文献2的凸部形状(脊部)用湿法蚀刻形成。图1(a)到图2(b)是用湿法蚀刻形成脊部时的例子，是与光的传播方向垂直的截面图。参照图1(a)到图2(b)，在p型基板10上形成有下部包层即p型包层12、量子点活性层14以及上部包层即n型包层18。n型包层18具有脊部30。在脊部30的上表面上设置有n用电极22，在基板10的下面设置有p用电极24。
n型包层18即脊部30用湿法蚀刻形成，因此形成类似梯形形状。即，如图1(a)所示，相对于脊部30的上表面的宽度Wtop，下表面的宽度Wbot较大。在用这种结构进行激光振荡时，如图1(a)所示，在脊部30下面的量子点活性层14内生成基模M0的波导模。但是，如图1(b)所示，第一高次模M1的波导模也形成在脊部30下面的量子点活性层14内。脊部30下面的量子点活性层14及其附近是振荡光的波导区域，因此，当第一高次模M1形成在脊部30下面的量子点活性层14内时，导致第一高次模M1的波长的光混入到振荡光中。第一高次模M1这样形成在脊部30下面是因为宽度Wbot较大。
在此，图2(a)和图2(b)是示出减小脊部30的下表面的宽度Wbot的情况的图。如图2(a)所示，基模M0形成在脊部30下面的量子点活性层14内，如图2(b)所示，第一高次模M1形成在脊部30下面的两侧的量子点活性层14内。由此，能够抑制第一高次模M1混入到振荡光中。但是，随着宽度Wbot变小，脊部30的上表面的宽度Wtop也变小。在脊部30的上表面形成有n用电极22。当宽度Wtop变小时，n型包层18和n用电极22的接触电阻变高，成为高速调制动作的障碍。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题而完成的，其目的在于在量子点半导体激光器中，抑制高次模混入到振荡光中，并且降低上部包层和电极的接触电阻。
本发明提供一种半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器具有：下部包层，其具有第一导电型；活性层，其设置在该下部包层上，具有多个量子点；上部包层，其是设置在该活性层上的孤立的脊部，并具有与所述第一导电型相反的导电型即第二导电型，在设所述脊部的上表面的宽度为Wtop，设离所述脊部的下表面的高度为50nm处的所述脊部的宽度为W1时，W1≤Wtop+0.4μm；以及电极，其设置在该上部包层上。根据本发明，能够抑制高次模混入到振荡光中，并且降低上部包层和电极的接触电阻。
在上述结构中，所述上部包层具有第一层和设置在该第一层上的第二层，所述第一层具有所述脊部的最小宽度。根据该结构，能够进一步抑制高次模混入到振荡光中。
在上述结构中，能够采用具有以下特征的结构：所述第一层和所述第二层为AlGaAs层，所述第一层的Al成分比比所述第二层大。根据该结构，能够容易地实现第一层具有脊部的最小宽度的结构。
在上述结构中，能够采用如下结构：该半导体激光器具有第三层，该第三层设置在所述第二层上，该第三层的所述第二导电型的载流子浓度比所述第一层和所述第二层大。根据该结构，能够进一步降低与上部包层接触的接触电阻。
在上述结构中，能够采用如下结构：所述多个量子点由InGaAs或InAs构成，所述活性层具有包围所述多个量子点并由AlGaAs或GaAs构成的势垒层。
在上述结构中，能够采用如下结构：所述第一导电型为p型，所述第二导电型为n型，所述势垒层具有p型层。
在上述结构中，能够采用如下结构：在所述活性层和所述上部包层之间具有非掺杂层。根据该结构，在形成脊部时，能够去除脊部附近的pn结而不蚀刻活性层。
本发明提供一种半导体激光器的制造方法，该半导体激光器的制造方法具有：在具有第一导电型的下部包层上，依次层叠具有多个量子点的活性层、包含在具有与所述第一导电型相反的导电型即第二导电型的上部包层中的第一层和包含在所述上部包层中的第二层的工序；通过干法蚀刻所述第二层、湿法蚀刻所述第一层，使所述上部包层成为在所述活性层上孤立的脊部的工序；以及在所述上部包层上形成电极的工序。根据本发明，干法蚀刻第二层，因此能够使上部包层的侧表面形状陡峭。由此，能够抑制高次模混入到振荡光中，并且降低上部包层和电极的接触电阻。此外，湿法蚀刻第一层，因此能够抑制过度蚀刻活性层。
在上述结构中，能够采用如下结构：所述第一层和所述第二层为AlGaAs层，所述第一层的Al成分比比所述第二层大。根据该结构，在湿法蚀刻中，能够使第一层的蚀刻速度比第二层大。由此，能够使脊部的侧表面更陡峭。
在上述结构中，能够采用如下结构：位于所述第一层上的所述脊部的最小宽度比所述脊部的上表面的宽度小。根据该结构，能够进一步抑制高次模混入到振荡光中。
根据本发明，能够抑制高次模混入到振荡光中，并且降低上部包层和电极的接触电阻。
附图说明
图1(a)和图1(b)是表示用湿法蚀刻形成脊部的量子点半导体激光器的例子的截面图(其一)。
图2(a)和图2(b)是表示用湿法蚀刻形成脊部的量子点半导体激光器的例子的截面图(其二)。
图3(a)和图3(b)是表示用干法蚀刻形成脊部的量子点半导体激光器的例子的截面图(其三)。
图4(a)～图4(d)是表示实施例1涉及的半导体激光器的制造工序的截面图。
图5是表示用于模拟的比较例1涉及的半导体激光器的截面形状的图。
图6是表示用于模拟的实施例1涉及的半导体激光器的截面形状的图。
图7(a)和图7(b)是分别表示模拟后的比较例1和实施例1的结构的图。
图8是相对于Wtop示出比较例1和实施例1涉及的半导体激光器的光限制因子(optical confinement factor)Γ0和Γ1的模拟结果。
图9是示出在图5的半导体激光器中，使W1-Wtop变化时的光限制因子的模拟结果的图。
图10是示出在图5的半导体激光器中，使Wtop变化时的光限制因子的模拟结果的图。
图11是实施例3涉及的半导体激光器的截面立体图。
图12是示出量子点活性层的一层量的点层的图。
图13是表示相对于点层数的、半导体激光器的最大调制频带的图。
具体实施方式
参照图3(a)和图3(b)，说明本发明的原理。脊部30的截面形状形成类似长方形形状。即，脊部30的上表面的宽度Wtop和下表面的宽度Wbot大致相同。其他的结构与图1(a)到图2(b)相同。如图3(a)所示，基模M0形成在脊部30下面的量子点活性层14内，如图3(b)所示，第一高次模M1形成在脊部30下面的两侧的量子点活性层14内。此外，在图3(a)中，与图2(a)相比能够增大宽度Wtop，因此能够降低n型包层18和n用电极22的接触电阻。
由此，将脊部30的上表面的宽度Wtop设为与下表面的宽度Wbot相同或比下表面的宽度Wbot大。由此，能够抑制高次模的混入，并且实现高速调制动作。
例如，在用干法蚀刻形成图3(a)的脊部30时，脊部30的侧表面能够具有接近垂直的侧壁。但是，会对量子点活性层14形成损害。由此，不容易形成图3(a)那样形状的脊部30。以下，针对容易形成脊部30的实施例进行说明。此外，在以下的实施例中，将p型作为第一导电型、将n型作为导电型与第一导电型相反的第二导电型来举例进行说明，但也可以是第一导电型为n型，第二导电型为p型。即，也可以是半导体基板是n型，下部包层是n型，上部包层是p型。
实施例1
图4(a)～图4(d)是表示实施例1涉及的半导体激光器的制造工序的截面图。参照图4(a)，在p型半导体基板10上，使用例如MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束外延)法，依次层叠形成p型包层12(下部包层)、具有多个量子点的量子点活性层14以及n型包层18(上部包层)。n型包层18由第一层81和第二层82构成。
参照图4(b)，在n型包层18上形成光致抗蚀剂32。将光致抗蚀剂32作为掩模，使用干法蚀刻各向异性蚀刻n型包层18以使其到达第一层81。此时，n型包层18的侧表面变成大致垂直。
参照图4(c)，使用湿法蚀刻对n型包层18的第一层81进行蚀刻。此时，选择各层的材料和蚀刻剂以使第一层81的蚀刻速率比量子点活性层14和第二层82快。由此，蚀刻第一层81及侧表面，从而形成脊部30。由此，在量子点活性层14上形成具有脊部30的n型包层18。第一层81的蚀刻速率快，因此在第一层81上形成脊部30的缩颈85。去除光致抗蚀剂32。
参照图4(d)，在n型包层18上形成n用电极22，在p型基板10下面形成p用电极24。由此，完成实施例1涉及的半导体激光器。
根据实施例1，如图4(b)所示干法蚀刻第二层82，如图4(c)所示湿法蚀刻第一层81，由此，使n型包层18成为孤立在量子点活性层14上的脊部30。根据这种工序，干法蚀刻第二层82，因此能够使n型包层18的侧表面形状变得陡峭。由此，能够抑制高次模混入到振荡光中，并且降低n型包层18和n用电极22的接触电阻。此外，湿法蚀刻第一层81，因此能够抑制过度蚀刻量子点活性层14。
如图4(c)所示，作为第一层81的蚀刻速率比量子点活性层14和第二层82快的例子，例如将n型包层18设为AlGaAs层，将第一层81的Al成分比设置得比第二层82大。Al成分比越大，AlGaAs层的湿法蚀刻的速度越快。例如，通过使用氢氟酸水溶液来湿法蚀刻第一层81，能够相对于第二层82选择性地蚀刻第一层81。由此，第一层81能够具有脊部30的最小宽度。
此外，公知在Al成分比超过0.4时，AlGaAs层的湿法蚀刻的蚀刻速度急剧变快。由此，优选将第一层81的Al成分比设为0.4以上，将第二层82的Al成分比设为小于0.4。此外，为了降低量子点活性层14和第二层82的接触电阻，第一层81的膜厚优选在0.3μm以下。
模拟出实施例1以及图1(a)和图2(a)那样的使用湿法蚀刻来形成脊部30的例子(设为比较例1)的波导模。
图5是表示用于模拟的比较例1涉及的半导体激光器的截面形状的图。在p型GaAs基板10上，设置有由膜厚为1400nm的p型Al0.35Ga0.65As构成的p型包层12、包括膜厚为500nm的p型层的GaAs量子点活性层14、由膜厚为50nm的非掺杂GaAs构成的间隔层16以及由膜厚为1200nm的n型Al0.35Ga0.65As构成并构成脊部30的n型包层18。脊部30在相对于上表面的宽度Wtop，将离下表面的高度h1为20nm的脊部30的宽度设为W1，将离下表面的高度h2为50nm的脊部30的宽度设为W2时，W1＝Wtop+1.2μm、W2＝Wtop+0.8μm。
图6是表示用于模拟的实施例1涉及的半导体激光器的截面形状的图。n型包层18通过由膜厚为200nm的Al0.45Ga0.55As构成的第一层81、以及由膜厚为1400nm的Al0.35Ga0.65As构成的第二层82构成。第二层82的侧表面形成为大致垂直，在第一层81上形成有缩颈85。在将离脊部30的下表面的高度h3为100nm的脊部30的宽度设为W3时，W3＝Wtop-0.25μm。
图7(a)和图7(b)是分别表示模拟后的比较例1和实施例1的结构的图。在基模M0和第一高次模M1中，将用各模的总光强对图7(a)和图7(b)中存在于区域R(脊部30下面的量子点活性层14)的光强进行归一化而得到的值，分别设为各模的光限制因子Γ0和Γ1。
图8是相对于Wtop示出比较例1和实施例1涉及的半导体激光器的光限制因子Γ0和Γ1的模拟结果。白圆是比较例1的模拟结果，黑圆是实施例1的模拟结果。虚线和实线分别是连接比较例1和实施例1的模拟结果而成的近似线。在比较例1中，第一高次模M1的光限制因子Γ1为0.2～04。与此相对，在实施例1中，光限制因子Γ1为0.2以下，尤其在Wtop为2.0μm以下时Γ1几乎为0。进而，在Wtop为1.8μm以下时Γ1基本为0。由此，在实施例1中，通过优化Wtop，能够使Γ1大致为0。此外，与比较例1相比，实施例1中的基模M0的光限制因子Γ0也较大。由此，实施例1能够抑制区域R内的高次模，能够增大区域R内的基模的强度。
如上所述，通过将脊部30的上表面的宽度Wtop设为与下表面的宽度Wbot相同或比下表面的宽度Wbot大，能够抑制高次模混入到振荡光中，能够增大区域R内的基模的强度。此外，能够在抑制了高次模混入到振荡光中的状态下增大Wtop，因此能够降低n型包层18和n用电极22的接触电阻。
实施例2
实施例2是脊部30的上表面的宽度Wtop比下表面的宽度Wbot小的情况，与实施例1同样，是能够抑制高次模，增大区域R内的基模的强度的例子。
图9是示出在图5所示的比较例1涉及的半导体激光器中，使W1-Wtop变化时的基模M0的光限制因子Γ0、第一高次模M1的光限制因子Γ1以及Γ1/Γ0的模拟结果的图。在此，设为Wtop＝1.5μm，W2-Wtop＝(3/4)(W1-Wtop)。黑圆是模拟结果，实线是连接模拟结果而成的近似线。基模M0的光限制因子Γ0在W1-Wtop＝0时为大约0.67，伴随W1-Wtop的增加而略有减小，在W1-Wtop＝0.8μm时为大约0.6。另一方面，第一高次模M1的光限制因子Γ1在W1-Wtop＝0时大致为0，但是在W1-Wtop＝0.2～0.6μm时急剧增加，在超过W1-Wtop＝0.6μm时饱和。
根据图9，如果W1≤Wtop+0.4μm，则能够使第一高次模M1的光限制因子Γ1比W1＞Wtop+0.6μm时的Γ1小。由此，能够抑制区域R内的高次模，能够增大区域R内的基模的强度。此外，如果W1≤Wtop+0.2μm，则能够使Γ1大致为0。
图10是示出使Wtop变化时的基模M0的光限制因子Γ0、第一高次模M1的光限制因子Γ1的模拟结果的图。黑圆和白圆分别是W1＝Wtop和W1＝Wtop+0.8μm时的模拟结果，实线和虚线是连接模拟结果而成的线。在W1＝Wtop的情况下，在Wtop＝2.0μm时Γ1急剧降低，在Wtop＝1.8μm时Γ1大致成为0，在Wtop＝1.6μm时Γ1成为0。另一方面，在W1＝Wtop+0.8μm的情况下，Wtop变小时Γ1变小，但是Γ1不会像W1＝Wtop时那样急剧减小。
如上所述，即使在脊部30的上表面的宽度Wtop比下表面的宽度Wbot小的情况下，也能够通过设为W1≤Wtop+0.4μm，抑制高次模，增大区域R内的基模的强度。此外，为了抑制高次模，更优选W1≤Wtop-0.2μm。此外，优选W2≤Wtop+0.3μm，更优选W2≤Wtop+0.15μm。此外，根据图10，Wtop优选在2.0μm以下，更优选在1.8μm以下，进一步优选在1.6μm以下。
实施例3
实施例3是制作半导体激光器的例子。图11是实施例3的截面立体图。在p型GaAs半导体基板10上，依次层叠有由p型GaAs构成的缓冲层11、由p型AlGaAs构成的p型包层12、由非掺杂GaAs构成的间隔层15、层叠有多个(在图11中为12层)量子点的量子点活性层14、由非掺杂GaAs构成的间隔层16、由n型AlGaAs构成的第一层81和第二层82以及由n型GaAs构成的接触层19(第三层)。表1示出各层的材料、膜厚和掺杂浓度。
[表1]
Figure G2008800249445D00091
n型包层18和接触层19形成脊部30。脊部30的结构为Wtop＝1.7μm、W3＝1.45μm。在脊部30的两侧形成有到达间隔层16的凹部35。在接触层19上以及凹部35的表面上形成二氧化硅膜作为保护膜28。在脊部30的接触层19上形成有n用电极22。形成有经由布线25与n用电极22连接的垫片26。在基板10的下表面上形成有p用电极24。
图12是示出量子点活性层的一层量的点层40的图。量子点41由InAs形成。在量子点41间形成有膜厚大约5nm的InGaAs层42。形成膜厚大约14nm的非掺杂GaAs层43，以覆盖量子点41和InGaAs层42。在非掺杂GaAs层43上形成有膜厚大约10nm的p型GaAs层44和膜厚为9nm的非掺杂GaAs层45。非掺杂GaAs层43、p型GaAs层44和非掺杂GaAs层45构成势垒层46。表2示出量子点活性层14内的各层的材料、膜厚和掺杂浓度。
[表2]
  层名   材料   膜厚(nm)   掺杂浓度(/cm3)
  非掺杂GaAs层   GaAs   9   非掺杂
  p型GaAs   p-GaAs   10   5×1017
  非掺杂GaAs层   GaAs   14   非掺杂
  InGaAs层   In0.15Ga0.85As   5   非掺杂
图13是表示相对于点层数的、半导体激光器的最大调制频带的图。图13的黑圆表示点层40的层数为10层和12层的试制的半导体激光器的最大调制频带，实线是模拟结果。当点层40的层数变多时，最大调制频带变高。
根据实施例3，如图13所示，通过将点层40设为12层以上，能够使最大调制频带为10GHz以上。此外，接触层19(第三层)设置在第二层82上，其n型载流子浓度比第一层81和第二层82大。由此，能够降低n用电极22和n型包层18的接触电阻。
在图12中，多个量子点41由InAs形成，但是量子点41的带隙比势垒层46小即可，包围量子点活性层14的多个量子点41的势垒层46由GaAs构成，但是势垒层46也能够由例如AlGaAs形成。
如实施例3那样，在第一导电型为p型、第二导电型为n型的情况下，在势垒层46具有p型层时，为了减小pn结的面积，大多将n型包层18设为脊状结构。此时，为了抑制高次模，使用本发明比较有效。p型层优选形成为距量子点41在30nm以内。
如图11所示，优选在量子点活性层14和n型包层18之间设置非掺杂的间隔层16。由此，在形成脊部30时，能够抑制通过过度蚀刻来蚀刻量子点活性层14。为了保护量子点活性层14，间隔层16的膜厚优选在50nm以上。此外，为了进行10Gbps以上的动作，垫片26的面积优选在40000μm2以下。
以上，针对发明的优选实施例进行了详细描述，但是本发明不限于所涉及的特定的实施例，在权利要求书记载的本发明的主旨范围内，能够进行各种变形和变更。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器具有：
下部包层，其具有第一导电型；
活性层，其设置在该下部包层上，具有多个量子点；
上部包层，其是设置在该活性层上的孤立的脊部，并具有与所述第一导电型相反的导电型即第二导电型，在设所述脊部的上表面的宽度为Wtop，设离所述脊部的下表面的高度为50nm处的所述脊部的宽度为W1时，W1≤Wtop+0.4μm；以及
电极，其设置在该上部包层上。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，
所述上部包层具有第一层和设置在该第一层上的第二层，
所述第一层具有所述脊部的最小宽度。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，
所述第一层和所述第二层为AlGaAs层，
所述第一层的Al成分比比所述第二层大。
4.根据权利要求2或3所述的半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器具有第三层，该第三层设置在所述第二层上，该第三层的所述第二导电型的载流子浓度比所述第一层和所述第二层大。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，
所述多个量子点由InGaAs或InAs构成，
所述活性层具有包围所述多个量子点并由AlGaAs或GaAs构成的势垒层。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，
所述第一导电型为p型，所述第二导电型为n型，
所述势垒层具有p型层。
7.根据权利要求1～6的任意一项所述的半导体激光器，其特征在于，在所述活性层和所述上部包层之间具有非掺杂层。
8.一种半导体激光器的制造方法，其特征在于，该半导体激光器的制造方法具有：
在具有第一导电型的下部包层上，依次层叠具有多个量子点的活性层、包含在具有与所述第一导电型相反的导电型即第二导电型的上部包层中的第一层和包含在所述上部包层中的第二层的工序；
通过干法蚀刻所述第二层、湿法蚀刻所述第一层，使所述上部包层成为在所述活性层上孤立的脊部的工序；以及
在所述上部包层上形成电极的工序。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器的制造方法，其特征在于，
所述第一层和所述第二层为AlGaAs层，
所述第一层的Al成分比比所述第二层大。
10.根据权利要求8或9所述的半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述第一层具有所述脊部的最小宽度。
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