CN107666110A - 光半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于，得到一种能够抑制对接界面处的电流集中而使可靠性提高的光半导体装置。在n型半导体衬底(1)之上设置有n型包层(2)。在n型包层(2)之上设置有半导体激光器的有源层(3)和波导的波导层(4)。有源层(3)的侧面与波导层(4)的侧面相对。在有源层(3)及波导层(4)之上设置有p型包层(5)。中间层(8)设置于有源层(3)的侧面与波导层(4)的侧面之间及n型包层(2)与波导层(4)之间，没有设置于有源层(3)之上，带隙比波导层(4)的带隙大。

Description

光半导体装置
技术领域
本发明涉及单片集成了半导体激光器和波导的光半导体装置。
背景技术
近年来，伴随光通信流量的增大，为了作为其光源的光半导体装置的高速动作而实施了各种各样的改进。单片集成也是其中之一。在这里，就单片集成了半导体激光器和波导的现有装置而言，在两者的接合部分即对接界面处，半导体激光器的有源层与波导的波导层直接地接合。由此，能够抑制对接界面处的光的散射损耗及模式变换损耗。另外，还提出了一种在有源层之上、波导层之下以及对接界面分别插入有p型InP中间层的装置(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开昭62-90969号公报
在单片集成器件的制造中，使用通过晶体再生长对大量的器件进行集成化的对接生长。在再生长界面即对接界面存在不少由工艺中的污染引起的晶体缺陷或由晶格失配引起的晶体缺陷。并且，由于有源层和波导层的能带构造的不同，电流集中于对接界面。即，从n型衬底流入至波导层的电子或从p型InP包层流入至波导层的空穴电流滞留于对接界面，电流密度上升。因此，施加电流应力或由与其相伴的发热导致的热应力，引起晶体缺陷的延伸，对器件的可靠性造成影响。
另外，在使用了中间层的情况下，由于在中间层和波导层之间的界面产生的能带的缺口，使向有源层的空穴注入受到阻碍，其中，该中间层层叠在有源层之上。并未注入至有源层的载流子以漏电流的形式向波导层流动，在对接界面处使电流密度上升。
发明内容
本发明是为了解决上述的课题而提出的，其目的在于得到一种能够抑制对接界面处的电流集中而使可靠性提高的光半导体装置。
本发明涉及的光半导体装置，其特征在于，具备：n型半导体衬底；n型包层，其设置于所述n型半导体衬底之上；半导体激光器的有源层，其设置于所述n型包层之上；波导的波导层，其设置于所述n型包层之上，具有与所述有源层的侧面相对的侧面；p型包层，其设置于所述有源层及所述波导层之上；以及中间层，其设置于所述有源层的所述侧面与所述波导层的所述侧面之间及所述n型包层与所述波导层之间，没有设置于所述有源层之上，带隙比所述波导层的带隙大。
发明的效果
在本发明中，以覆盖波导层的侧面和下部的方式插入有中间层。由此，能够抑制从半导体衬底向波导层的电子的流入。另外，由于中间层没有设置于有源层之上，因此向有源层的空穴注入没有受到阻碍。因此，能够抑制对接界面处的电流集中而使可靠性提高。
附图说明
图1示出实施方式1涉及的光半导体装置，是光的前进方向的剖视图。
图2是表示实施方式1涉及的光半导体装置的局部切除斜视图。
图3是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图4是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图5是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图6是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图7是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图8是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图9是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图10是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图11是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图12是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图13是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图14是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。
图15是表示对比例1涉及的光半导体装置的图。
图16是表示对比例2涉及的光半导体装置的图。
图17是表示对比例1的对接界面处的电流密度的模拟结果的图。
图18是表示实施方式1的对接界面处的电流密度的模拟结果的图。
图19是将波导层的最大电流密度针对各空穴电流和电子电流绘制出的图。
图20是表示实施方式2的对接界面处的电流密度的模拟结果的图。
图21示出实施方式3涉及的光半导体装置，是光的前进方向的剖视图。
标号的说明
1n型InP衬底、2n型InP包层、3有源层、4波导层、5p型InP包层、8未掺杂InP中间层、12p型半导体衬底
具体实施方式
参照附图，对本发明的实施方式涉及的光半导体装置进行说明。对相同或对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。
实施方式1.
图1示出实施方式1涉及的光半导体装置，是光的前进方向的剖视图。图的左侧是半导体激光器，右侧是波导。在n型InP衬底1之上设置有n型InP包层2。在n型InP包层2之上设置有半导体激光器的有源层3和波导的波导层4。有源层3的侧面与波导层4的侧面相对。两者的接合部分是对接界面。在有源层3及波导层4之上设置有p型InP包层5。
在p型InP包层5之上设置有p侧电极6。在n型InP衬底1之下设置有n侧电极7。但是，由于仅向有源层3注入电流，因此p侧电极6仅设置于有源层3的上部。
未掺杂InP中间层8以L字形设置于有源层3的侧面与波导层4的侧面之间及n型InP包层2与波导层4之间。但是，未掺杂InP中间层8没有设置于有源层3之上。未掺杂InP中间层8的带隙比波导层4的带隙大。
图2是表示实施方式1涉及的光半导体装置的局部切除斜视图。有源层3及波导层4被图案化为条带状，它们的两侧由用于对电流进行限制的电流限制层9填埋。
接下来，对本实施方式涉及的光半导体装置的制造方法进行说明。图3至图14是表示实施方式1涉及的光半导体装置的制造方法的剖视图。其中，图3至图8是光的前进方向的剖视图，图9至14是半导体激光器的与光的前进方向垂直的方向的剖视图。
首先，如图3所示，在n型InP衬底1之上依次形成n型InP包层2及有源层3。接下来，如图4所示，在有源层3之上形成绝缘膜10。接下来，如图5所示，将成为半导体激光器的部分以外的绝缘膜10除去。
接下来，如图6所示，将图案化后的绝缘膜10作为掩膜对有源层3进行蚀刻。接下来，如图7所示，将该绝缘膜10作为选择生长用掩膜，通过MOCVD依次形成未掺杂InP中间层8及波导层4。然后，将绝缘膜10通过缓冲后的氢氟酸等除去。接下来，如图8及图9所示，形成绝缘膜11。将以上述方式制作的半导体晶片通过通常的晶片工艺以下述方式加工。
接下来，如图10所示，将绝缘膜11图案化为条带状。接下来，如图11所示，将条带状的绝缘膜11作为掩膜而对有源层3、波导层4及未掺杂InP中间层8进行蚀刻。接下来，如图12所示，将条带状的绝缘膜11作为选择生长掩膜通过MOCVD形成电流限制层9。然后，将绝缘膜11通过缓冲后的氢氟酸等除去。
接下来，如图13所示，通过MOCVD形成p型InP包层5。接下来，如图1及图14所示，形成p侧电极6及n侧电极7。通过上述工序对具有波导的光集成器件进行制造。
接下来，与对比例1、2进行比较而对本实施方式的效果进行说明。图15是表示对比例1涉及的光半导体装置的图。图16是表示对比例2涉及的光半导体装置的图。在对比例1中没有未掺杂InP中间层8。在对比例2中，在有源层3之上也设置有未掺杂InP中间层8。
图17是表示对比例1的对接界面处的电流密度的模拟结果的图。图18是表示实施方式1的对接界面处的电流密度的模拟结果的图。横轴示出了图1或图15的A-B处的位置，纵轴示出了空穴电流和电子电流的电流密度。将插入于有源层3和波导层4的对接界面处的未掺杂InP中间层8的膜厚设为200nm。图19是将波导层的最大电流密度针对各空穴电流和电子电流绘制出的图。将有源层3设为AlGaInAs、波导层4设为InGaAsP而实施模拟。
有源层3是多重量子井构造，波导层4是与有源层3的多重量子井构造的有效带隙相比具有更大带隙的体(bulk)构造。因此，在它们相接合的对接界面产生能带不连续。因此，如果载流子流入至波导层4，则该载流子在对接界面集中。此外，即使波导层4是由与有源层3的多重量子井构造相比具有更大带隙的量子井构造构成的，也会产生同样的现象。
在对比例1中，主要是电子电流密度在波导层4侧达到有源层3侧的大约10倍，在对接界面处在波导层4侧产生极高的电流的集中。在对比例2中，向有源层3的空穴注入受到阻碍，在对接界面处电流密度上升。
另一方面，在实施方式1中，按照以L字形将波导层4的侧面和下部覆盖的方式插入有未掺杂InP中间层8。由此，能够抑制从n型InP衬底1向波导层4的电子的流入。另外，由于未掺杂InP中间层8没有设置于有源层3之上，因此向有源层3的空穴注入未被阻碍。由此，能够抑制对接界面处的电流集中而使可靠性提高。
实施方式2.
在本实施方式中，取代未掺杂InP中间层8，将p型InP层用作中间层。图20是表示实施方式2的对接界面处的电流密度的模拟结果的图。如图19及图20所示，在本实施方式中，与对比例相比能够抑制界面处的波导层4侧的电流密度，与实施方式1相比能够抑制向波导层4的电子的流入。
实施方式3.
图21示出实施方式3涉及的光半导体装置，是光的前进方向的剖视图。图的左侧是半导体激光器，右侧是波导。在实施方式1、2中使用了n型InP衬底1，但在本实施方式中使用p型半导体衬底12。
在p型半导体衬底12之上设置有p型InP包层5。在p型InP包层5之上设置有半导体激光器的有源层3和波导的波导层4。有源层3的侧面与波导的波导层4的侧面相对。在有源层3及波导层4之上设置有n型InP包层2。
在n型InP包层2之上设置有n侧电极7。在p型半导体衬底12之下设置有p侧电极6。但是，由于仅向有源层3注入电流，因此n侧电极7仅设置于有源层3的上部。
未掺杂InP中间层8设置于:有源层3的侧面与波导层4的侧面之间、p型InP包层5与波导层4之间及n型InP包层2与波导层4之间。但是，未掺杂InP中间层8没有设置于有源层3之下。未掺杂InP中间层8的带隙比波导层4的带隙大。此外，也可以取代未掺杂InP中间层8，将p型InP层用作中间层。
这样，通过向n型InP包层2与波导层4之间插入未掺杂InP中间层8，从而能够抑制从n型InP包层2向波导层4的电子电流的流入。另外，由于未掺杂InP中间层8没有设置在有源层3之下，因此向有源层3的空穴注入没有受到阻碍。由此，即使在使用了p型半导体衬底12的情况下，虽然极性逆转，但与实施方式1相同地，也能够抑制对接界面处的电流集中而使可靠性提高。
此外，在实施方式1至3中，作为中间层，也可以使用未掺杂或p型的AlGaInAs层或InGaAsP层来取代未掺杂InP中间层8及p型InP层。但是，无论在哪种情况下，都使中间层的带隙比波导层4的带隙大。由此，中间层成为障壁层，能够抑制从n型层向波导层4的电子电流的流入。
另外，在实施方式1至3中，有源层3及波导层4既可以是InGaAsP，也可以是AlGaInAs。不仅是对波导进行单片集成，也可以进一步对半导体放大器或半导体调制器进行单片集成。

Claims (6)

1.一种光半导体装置，其特征在于，具备：
n型半导体衬底；
n型包层，其设置于所述n型半导体衬底之上；
半导体激光器的有源层，其设置于所述n型包层之上；
波导的波导层，其设置于所述n型包层之上，具有与所述有源层的侧面相对的侧面；
p型包层，其设置于所述有源层及所述波导层之上；以及
中间层，其设置于所述有源层的所述侧面与所述波导层的所述侧面之间及所述n型包层与所述波导层之间，没有设置于所述有源层之上，带隙比所述波导层的带隙大。
2.一种光半导体装置，其特征在于，具备：
p型半导体衬底；
p型包层，其设置于所述p型半导体衬底之上；
半导体激光器的有源层，其设置于所述p型包层之上；
波导的波导层，其设置于所述p型包层之上，具有与所述有源层的侧面相对的侧面；
n型包层，其设置于所述有源层及所述波导层之上；以及
中间层，其设置于所述有源层的所述侧面与所述波导层的所述侧面之间、所述p型包层和所述波导层之间及所述波导层和所述n型包层之间，没有设置于所述有源层之下，带隙比所述波导层的带隙大。
3.根据权利要求1或2所述的光半导体装置，其特征在于，
所述有源层是多重量子井构造，所述波导层是体构造或量子井构造。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光半导体装置，其特征在于，
所述中间层是未掺杂或p型。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光半导体装置，其特征在于，
所述中间层是InP、AlGaInAs或InGaAsP。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光半导体装置，其特征在于，
所述有源层及所述波导层是InGaAsP或AlGaInAs。
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