CN102122792A - 半导体发光器件 - Google Patents

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内田史朗
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Abstract

本发明提供了一种半导体发光器件，通过简单的制造工艺实现提高的光检测精度。除了用于窄化电流的第一氧化层之外，在活性层和半导体光检测元件之间设置一个或多个第二氧化层。由于自发发射光包括许多发散分量，自发发射光被第二氧化层反射和散射，则抑制了自发发射光向半导体光检测元件侧的传播。经半导体光检测元件的自发发射光的检测强度降低，从而提高了光检测精度。第一和第二氧化层通过单一的氧化工艺形成，使得制造工艺被简化。

Description

半导体发光器件
相关申请的参考
本申请包含于2009年10月28日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2009-248117中公开的相关主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种具有用于检测发光的光检测元件的半导体发光器件，更具体地，涉及一种适合用于期望高的光检测精度的半导体发光器件。
背景技术
根据现有技术，在用于光纤、光盘等的半导体发光器件中，由于保持装配在该器件中的半导体发光元件的光输出强度(light output level)是目的的一部分，所以从半导体发光元件发射的光由光检测机构进行检测。光检测机构可以由(例如)用于分出一部分发射光的反射器和用于检测分出的发射光的半导体光检测元件来构造。然而，这种结构具有这样的问题，即，部件的数量多，并且另外，反射器和半导体光检测元件相对于半导体发光元件必须以较高精度进行设置。作为解决这样的问题的一个措施，集成形成半导体发光元件和半导体光检测元件。
然而，当它们被集成形成时，存在半导体光检测元件不仅检测要被检测的受激发射光(induced emission light)，还检测自发发射光(natural emission light)的可能性。在这种情况下，以由半导体光检测元件检测到的光为基础测量的半导体发光元件的光输出强度包括仅由自发发光量引起的误差。因此，这种方法也不适合用于期望光输出强度以较高精度进行控制的场合。
在日本专利第2,887,785号中，提出了这样一种技术，即，在半导体光检测元件中设置控制层，并且在从面发光半导体激光元件(surface-emitting semiconductor laser element)发出的自发发射光的一部分被半导体光检测元件检测之前中断光。
发明内容
控制层通过对半导体光检测元件的一部分半导体材料进行氧化来形成。然而，由于半导体光检测元件的控制层的平台直径(mesa diameter)和面发光半导体激光元件中的电流窄化层的平台直径彼此不同，所以，通过单一的氧化工艺极难控制期望的氧化量。在实施多个氧化工艺的情况下，工艺复杂并且生产率极差。
因此，期望提供一种通过简单的制造工艺实现提高的光检测精度的半导体发光器件。
如本发明的实施方式的半导体发光器件具有在衬底上的半导体光检测元件以及在半导体光检测元件上的面发光半导体激光元件。面发光半导体激光元件具有：在半导体光检测元件上的第一多层反射膜；设置在第一多层反射膜上并且包括发光区域的活性层；在活性层上的第二多层反射膜；设置在第一多层反射膜或第二多层反射膜中的第一氧化层，具有与活性层中的发光区域相对的用于通过电流的开口，并且具有在所述开口的外围的氧化区域；设置在活性层和半导体光检测元件之间的一个或多个第二氧化层，具有与第一氧化层中的开口相对的开口，并且具有在所述开口的外围的氧化区域。
在作为本发明实施方式的半导体发光器件中，受激发射在面发光半导体激光元件中重复，使得包括预定波长的光输出。该光不仅包括受激发射光而且包括自发发射光。由于在活性层和半导体光检测元件之间设置了一个或多个第二氧化层，所以抑制了自发发射光向半导体光检测元件的传播，从而经半导体光检测元件的自发发射光的检测强度降低。
根据作为本发明的实施方式的半导体发光器件，由于一个或多个第二氧化层(均具有与第一氧化层的开口相对的开口)被设置在活性层和半导体光检测元件之间，所以通过第二氧化层可以抑制自发发射光向半导体光检测元件的传播，从而可以提高光检测精度。以单一的氧化工艺形成第一氧化层和第二氧化层，则制造工艺变得更简单。
根据下面的描述，本发明的其他的和进一步的目的、特性以及优点将更充分地显示出来。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式的半导体发光器件的结构实例的横截面图。
图2是图1中示出的P型DBR层的局部放大横截面图。
图3是图1中示出的半导体发光器件的另一结构实例的横截面图。
图4A和图4B是示出实施例的结果的示图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1示出根据本发明的实施方式的半导体发光器件的横截面结构。图1是示意图，其中尺寸和形状与实际的尺寸和形状不同。通过在半导体光检测元件1上集成地设置面发光半导体激光元件2来获得半导体发光器件。
半导体光检测元件1在衬底10上依次具有n型接触层11、光吸收层12以及p型接触层13。P侧电极14设置在p型接触层13的表面上，而n侧电极15设置在衬底10的背面上。p侧电极14还用作面发光半导体激光元件2的p侧电极。
衬底10由(例如)n型GaAs制成。n型接触层11由(例如)n型Alx11Ga1-x11As(0≤x11≤1)制成。n型杂质的实例包括硅(Si)和硒(Se)。光吸收层12吸收从面发光半导体激光元件2输出的一部分光并将吸收的光转换成电信号，而且是由(例如)非掺杂的Alx12Ga1-x12As(0≤x12≤1)制成。p型接触层13由(例如)p型Alx13Ga1-x13As(0≤x13≤1)制成。P型杂质的实例包括锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)以及碳(C)。
p侧电极14具有(例如)从p型接触层13侧依次堆叠Ti、Pt、以及Au的结构，并且电连接至p型接触层13。N侧电极15具有(例如)从衬底10侧依次堆叠AuGe合金、Ni以及Au的结构，并且电连接至衬底10。
面发光半导体激光元件2具有通过在半导体光检测元件1的p型接触层13上从半导体光检测元件1侧依次堆叠(例如)p型DBR层21、活性层22以及n型DBR层23而获得的堆叠结构。P型DBR层21具有通过从衬底10侧依次堆叠p型第一DBR层31、p型第二DBR层32以及p型第三DBR层33而获得的结构。通过p型第二DBR层32、p型第三DBR层33、活性层22以及n型DBR层23，形成了具有圆柱形状的第一柱体24。p型第一DBR层31用作具有圆柱形状的第二柱体25，该第二柱体的直径大于第一柱体24的直径。
在p型第三DBR层33中靠近活性层22设置了第一氧化层41。第一氧化层41具有指定活性层22中的发光区域22A的电流窄化层(current narrowing layer)的功能，并且具有用于电流通过的开口41A(该开口对着活性层22中的发光区域22A)，并且在开口41A的外围具有氧化区域41B。
在p型第二DBR层32中设置第二氧化层42。第二氧化层42与用于窄化电流的第一氧化层41分开地设置在活性层22和半导体光检测元件1之间以抑制自发发射光向半导体光检测元件1的传播。第二氧化层42具有正对着第一氧化层41中的开口41A的开口42A，并且在开口42A的外围具有氧化区域42B。在半导体发光器件中，采用该结构，可通过简单的制造工艺提高光检测精度。
开口41A和42A由(例如)p型AlAs或p型Alx42Ga1-x42As(0＜x42≤1)制成。氧化区域41B和42B包含(例如)Al2O3(氧化铝)。开口42A的直径优选等于或小于开口41A的直径。在开口42A的直径更宽的情况下，穿过开口42A并到达半导体光检测元件1的自发发射光增加。
第一氧化层41和第二氧化层42都设置在第一柱体24中，用该结构(如在后面要描述的)，通过从第一柱体24的侧面对包含在第一氧化层41以及第二氧化层42中的高浓度的铝进行氧化，从而以单一的氧化工艺形成了第一氧化层41和第二氧化层42，从而简化了制造工艺。
活性层22由(例如)非掺杂的Alx22Ga1-x22As(0≤x22≤1)制成。
通过交替地堆叠低折射率层(未示出)和高折射率层(未示出)来形成n型DBR层23。低折射率层由厚度为λ0/4n3(n3：折射率)的n型Alx23Ga1-x23As(0＜x23≤1)制成，而高折射率层由厚度为λ0/4n4(n4：折射率)的n型Alx24Ga1-x24As(0≤x24＜x23)制成。
面发光半导体激光元件2在n型DBR层23上也具有n侧电极26。对于面发光半导体激光元件2的p侧电极，半导体光检测元件1的p侧电极14用作公共电极。显然，可以设置除了半导体光检测元件1的p侧电极之外的p侧电极。n侧电极26具有通过从n型DBR层23侧依次堆叠(例如)金(Au)和锗(Ge)的合金、镍(Ni)以及金(Au)而获得的结构，并且电连接至n型DBR层23。例如，n侧电极26形成为具有开口26A(对应于发光区域22A)的圆环形状。
图2示出了p型第二DBR层32和p型第三DBR层33的放大的横截面结构。P型第三DBR层33通过堆叠均由低折射率层31A和高折射率层31B制成的多个组来获得。低折射率层31A由(例如)光学厚度为λ/4(λ：振荡波长)的n型Alx31Ga1-x31As制成，而高折射率层31B由(例如)光学厚度为λ/4的n型Alx32Ga1-x32As制成。p型第一DBR层31具有与p型第三DBR层33的结构类似的结构。
P型第二DBR层32通过堆叠均由低折射率层32A和高折射率层32B制成的多个组来获得。低折射率层32A由(例如)光学厚度为λ/4的n型Alx33Ga1-x33As制成，而高折射率层32B由(例如)光学厚度为λ/4的n型Alx34Ga1-x34As制成。第二氧化层42是通过部分氧化低折射率层32A来形成的。
p型DBR层21中的Al组分的值x31～x34满足下面表达式1。因此，p型第二DBR层32中的低折射率层32A比p型第一DBR层31以及p型第三DBR层33的低折射率层31A更容易氧化，并且比第一氧化层41相等或更少地氧化。
表达式1
1≥x41≥x33＞(x3，x23)＞0.8＞(x32，x34)≥0
在表达式1中，x41表示包含在第一氧化层41的材料中的Al组分的值，而x23表示包含在n型DBR层23的低折射率层的材料中的Al组分的值。(x31，x23)表示x31或x23，而(x32，x34)表示x32或x34。值0.8对应于低折射率层的折射率和高折射率层的折射率之间的边界。
例如，半导体发光器件按如下进行制造。
为了制造半导体发光器件，在由n型GaAs制成的衬底10上，完全通过诸如MOCVD(有机金属化学气相沉积)的外延晶体生长方法来形成GaAs化合物半导体。作为GaAs化合物半导体的材料，使用(例如)三甲基铝(trimethylaluminium)(TMA)、三甲基镓(trimethylgallium)(TMG)或三氢化砷(AsH3)。作为施主杂质的材料，使用(例如)硒化二氢(hydrogen selenide，H2Se)。作为受主杂质的材料，使用(例如)二甲基锌(dimethyl zinc，DMZn)。
具体地，首先，在衬底10上，从衬底10侧依次堆叠n型接触层11、光吸收层12、p型接触层13、p型第一DBR层31、p型第二DBR层32、p型第三DBR层33、活性层22以及n型DBR层23。在p型第三DBR层33中靠近活性层22设置了成为第一氧化层41的含铝量高的层(未示出)。
随后，在n型DBR层23的表面上形成掩膜(未示出)，并且例如，通过干法刻蚀选择性地蚀刻n型DBR层23、活性层22、p型第三DBR层33以及p型第二DBR层32，从而形成第一柱体24。结果，在第一柱体24的侧面中暴露出成为第一氧化层41的含铝量高的层(未示出)和成为第二氧化层42的低折射率层32A。之后，去除掩膜。
接下来，在水蒸汽气氛中以高温执行氧化工艺，从第一柱体24的侧面氧化含铝量高的层(未示出)以及低折射率层32A的一部分，从而形成由氧化铝制成的绝缘层。通过该操作，形成在开口41A的外围具有氧化区域41B的第一氧化层41，以及形成在开口42A的外围具有氧化区域42B的第二氧化层42。
在形成第一氧化层41和第二氧化层42之后，以与上面类似的方式，通过选择性地去除P型第一DBR层31，而将P型第一DBR层31形成为具有圆柱形状的第二柱体25。
接着，例如通过蒸发方法，在p型接触层13的暴露部分形成p侧电极14。在n型DBR层23的表面上形成具有开口26A的n侧电极26，并且在衬底10的背面上形成n侧电极15。如上所述，完成了图1中所示的半导体发光器件。
在该半导体发光器件中，当在p侧电极14和n侧电极26之间施加预定电压时，由第一氧化层41窄化的电流被注入到作为活性层22中的增益区的发光区域22A中，并且通过电子和空穴的再结合产生光。该光不仅包括通过受激发射产生的光，而且包括通过自发发射产生的光。受激发射在元件中重复，使得在预定波长λ0出现激光振荡，包括波长λ0的光发射到外部，但也少量地输出到半导体光检测元件1。
输出到半导体光检测元件1的光入射在光吸收层12上。入射在光吸收层12上的一部分光被光吸收层12吸收，并且根据吸收的光的输出强度被转化成电信号(光电流)。该电信号具有根据入射在光吸收层12上的光的输出强度的幅值。该电信号经由电连接至p侧电极14和n侧电极15的导线(未示出)输出到光输出计算电路(未示出)，并且在光输出计算电路中作为光输出监控信号被接收。在光输出计算电路中，基于光输出监控信号，计算入射在半导体光检测元件1中的光吸收层12上的光的输出强度。
由于在活性层22和半导体光检测元件1之间设置了一个或多个第二氧化层42，则通过由第二氧化层42和高折射率层32B构造的多层滤光器，包含在从面发光激光元件2向半导体光检测元件1侧输出的光中的受激发射光可通过。另一方面，由于自发发射光包括许多发散分量，所以自发发射光被第二氧化层42散射(reflection-scattered)，从而抑制了向半导体光检测元件1侧的传播。因此，通过半导体光检测元件1的自发发射光的检测强度降低。
另一方面，由于在现有技术的半导体光检测元件中，通过氧化来形成控制层，在整个半导体发光器件上施加了巨大的压力，这造成了器件退化和可靠性变差。在该实施方式中，由于第二氧化层42设置在活性层22和半导体光检测元件1之间，氧化区域42B变得更窄，并且施加在整个半导体发光器件上的压力减少。因此，可靠性由于退化而变差的可能性降低。
在上述的实施方式中，由于在活性层22和半导体光检测元件1之间设置了一个或多个第二氧化层42，通过第二氧化层42抑制了自发发射光向半导体光检测元件1的传播，从而提高了光检测精度。第一氧化层41和第二氧化层42以单一的氧化工艺形成，从而制造工艺变得更简单。
在前述的实施方式中，已描述了在n型衬底10上，从衬底10侧依次堆叠n型接触层11、光吸收层12、p型接触层13、包括第一氧化层41和第二氧化层42的p型DBR层21、活性层22以及n型DBR层23的情况。然而，如图3所示，在p型衬底10上，可以从衬底10侧依次堆叠p型接触层13、光吸收层12、n型接触层11、包括第二氧化层42的n型DBR层23、活性层22以及包括第一氧化层41的p型DBR层21。在这种情况下，为了增加电流窄化的效果，优选地，为p型DBR层21设置第一氧化层41。同时，可以为p型DBR层21和n型DBR层23中的任意一个设置第二氧化层42，只要该第二氧化层是在活性层22和半导体光检测元件1之间。在图3中所示的半导体发光器件中，半导体光检测元件1的p侧电极14设置在衬底10的背侧，而n侧电极15设置在n型接触层11上。面发光半导体激光元件2的n侧电极作为公共电极用作半导体光检测元件1的n侧电极15。在p型DBR层21上设置具有开口27A的p侧电极27。
实施例
此外，将描述本发明的具体实施例。
实施例1
以与前述的实施方式相类似的方式，制造了在半导体光检测元件1上的具有面发光半导体激光元件2的半导体发光器件。测量了在获得的半导体发光器件中的面发光半导体激光元件2的光输出和半导体光检测元件1中的监控电流值。如图4A中所示，以较高的精度检测了对应于激光束的监控电流值。
比较实施例1
作为实施例1的比较实施例1，半导体发光器件除了未设置第二氧化层之外以与实例1类似的方式来制造。同样，关于比较实施例1的半导体发光器件，以与实施例1类似的方式测量了光输出和监控电流值。如在图4B中所示，在激光振荡之前检测自发发射光的监控电流值，监控电流值相对于实际激光束的精度较低。
换句话说，应当理解的是，通过在活性层22和半导体光检测元件1之间设置一个或多个第二氧化层42，则以较高的精度检测了激光束的监控电流值，从而提高了光检测精度。
尽管上面已通过实施方式和实施例描述了本发明，但该发明不限于前述的实施方式和实施例，而可以进行不同的变形。例如，尽管在前述的实施方式中已具体描述了半导体光检测元件1和面发光半导体激光元件2的结构，但是，并不是必须制备所有的层，或者可以进一步设置其他层。
例如，本发明不限于前述实施方式中描述的层的材料、膜的形成方法等。可以采用其他材料或其他膜形成方法。
此外，在前述实施方式中，已描述了GaAs化合物半导体用作半导体材料的情况。然而，可以使用诸如GaInP(红)材料、AlGaAs(红外)材料以及GaN(蓝-绿)材料的其他材料。
本领域的技术人员应当理解的是，可以根据设计要求和其他因素出现各种修改、组合、子组合以及变化，只要它们在所附权利要求及其等同替换的范围内。

Claims (4)

1.一种半导体发光器件，包括：
在衬底上的半导体光检测元件；以及
在所述半导体光检测元件上的面发光半导体激光元件，
其中，所述面发光半导体激光元件包括：
第一多层反射膜，在所述半导体光检测元件上；
活性层，设置在所述第一多层反射膜上并且包括发光区域；
第二多层反射膜，在所述活性层上；
第一氧化层，设置在所述第一多层反射膜或所述第二多层反射膜中，具有与所述活性层中的所述发光区域相对的用于通过电流的开口，并且具有在所述开口的外围的氧化区域；以及
一个或多个第二氧化层，设置在所述活性层和所述半导体光检测元件之间，具有与所述第一氧化层中的所述开口相对的开口，并且具有在所述开口的外围的氧化区域。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述第二氧化层反射并散射由所述面发光半导体激光元件产生的自发发射光，从而抑制所述自发发射光向所述半导体光检测元件侧的传播。
3.根据权利要求2所述的半导体发光器件，其中，所述开口由AlAs或AlGaAs制成，并且所述氧化区域由氧化铝制成。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其中，
所述第一多层反射膜的在层堆叠方向上的至少一部分、所述活性层以及所述第二多层反射膜形成为具有圆柱形状或矩形柱形形状的柱状部，以及
所述第一氧化层和所述第二氧化层都设置在所述柱状部中。
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