CN112350148B - 半导体光学元件和包括该元件的半导体光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体光学元件，其被配置成发射或吸收光，并且包括：具有多量子阱层的下部结构；设置在下部结构上的上部台面结构；设置在上部台面结构上的电流注入结构，当从发射或吸收的光的光轴看时，与上部台面结构接触的电流注入结构的部分的宽度小于上部台面结构的宽度，电流注入结构的该部分与由InP组成的上部台面结构接触，并且上部台面结构的平均折射率高于形成电流注入结构的InP的折射率；和绝缘膜，其覆盖上部台面结构的两个侧表面和上部台面结构的上表面的部分。

Description

半导体光学元件和包括该元件的半导体光学装置
技术领域
本公开涉及半导体光学元件和半导体光学装置。
背景技术
互联网作为现代社会的一项基础设施已经越来越发达。高速且在长距离通信中优异的光通信占据了互联网通信的大部分，并且由于互联网流量的持续增加，增加传输容量是当务之急。对于这种光通信，光收发器被使用，并且需要增加速度以及减小尺寸和功耗。
光收发器是高速和小尺寸的，并且具有优异的节能特性，并且可以输出具有适合于光纤的波长的光的半导体激光器被用作光收发器的光源。作为使用半导体激光器的光通信的传输光源，通常广泛使用显著调制注入电流以对光强度进行数字调制的直接调制方法。
随着光收发器速度的提高，需要一种能够进一步提高速度的半导体激光器。为此，提高半导体激光器的弛豫振荡频率是有效的。在具有量子阱的半导体激光器中，已知弛豫振荡频率与光学差分增益的平方根成比例，并且该增益相对于载流子密度的自然对数线性变化。因此，为了增加光学增益，有必要增加载流子密度。另一方面，当载流子密度增加时，光学差分增益可能降低，使得弛豫振荡频率可能降低。
一种掩埋激光器，其中一部分台面条带被掩埋在半导体激光器中，可以包括作为活性层的InGaAlAs。台面条带可以形成在InP半导体基板上，并且台面条带可以包括形成为上层的InP包层；以及衍射光栅或分离限制异质结构层(SCH层)和多量子阱层(MQW层)，它们设置在InP包层下面。InP掩埋层可以设置在形成于上方InP包层下方的半导体多层的两侧。一种结构可以包括未掩埋的上包层和衍射光栅层，以及位于MQW层和衍射光栅层之间的掩埋层的上表面。阵列半导体光学元件可以包括多个未掩埋的台面结构。从提高速度的观点来看，为了实现更高的速度，有必要改善光学限制。
发明内容
根据一些可能的实施方式，一种被配置成发射或吸收光的半导体光学元件包括：具有多量子阱层的下部结构；设置在下部结构上的上部台面结构；设置在上部台面结构上的电流注入结构，当从发射或吸收的光的光轴看时，与上部台面结构接触的电流注入结构的部分的宽度小于上部台面结构的宽度，电流注入结构的该部分与由InP组成的上部台面结构接触分，以及上部台面结构的平均折射率高于形成电流注入结构的InP的折射率；和绝缘膜，覆盖上部台面结构的两个侧表面和上部台面结构的上表面的一部分。
根据一些可能的实施方式，一种半导体光学装置包括：被配置成发射或吸收光的半导体光学元件，该半导体光学元件包括：具有多量子阱层的下部结构；设置在下部结构上的上部台面结构；设置在上部台面结构上的电流注入结构，当从发射或吸收的光的光轴看时，与上部台面结构接触的电流注入结构的部分的宽度小于上部台面结构的宽度，电流注入结构的该部分与由InP组成的上部台面结构接触，以及上部台面结构的平均折射率高于形成电流注入结构的InP的折射率；和绝缘膜，覆盖上部台面结构的两个侧表面和上部台面结构的上表面的一部分；以及与半导体光学元件集成的半导体激光器。
附图说明
图1示意性地示出了根据第一示例的半导体光学元件。
图2是示出沿着图1中的A-A’线的横截面的横截面图。
图3是沿着图1中平行于半导体光学元件的谐振方向的B-B’线的示意性纵向截面图；
图4是示出根据第一示例的半导体光学元件的截面图。
图5是示出根据第一示例的半导体光学元件的截面图。
图6是示出根据第一示例的半导体光学元件的截面图。
图7是示出根据第二示例的半导体光学元件的截面图。
图8是示出根据第二示例的半导体光学元件的截面图。
图9是图1中由B表示的示意性纵向截面图，示出了根据第三示例的半导体光学元件。
图10是示出根据第三示例的半导体光学元件的截面图。
图11是示出根据第三示例的半导体光学元件的截面图。
图12是示出基于JP 2018-056212和下述特征计算ΓQW/Wm,ΓQW和κ的结果的图。
具体实施方式
以下对于示例实施方式的详细描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
图1示意性地示出了根据实施方式的半导体光学元件1。图1所示的半导体光学元件是半导体激光器，并且通过向设置在彼此面对的矩形表面上的两个电极施加电压，从振荡区域2发射激光3。
图2是示出沿着图1中的A-A’线的横截面的横截面图。图2是示出垂直于半导体激光器光轴的横截面示意图，该半导体激光器在用于光纤通信的传输光源的1.3μm频带中振荡。在半导体光学元件1中，p型InP半导体基板101、用作下包层的p型InP缓冲层102、p型InGaAlAs分离限制异质结构(SCH)层103、p型InAlAs电子停止层104、InGaAlAs多量子阱(MQW)层105和n型InGaAlAs-SCH层106按顺序层叠。p型InP缓冲层102至n型InGaAlAs-SCH层106具有典型半导体激光器的配置，例如掺杂或成分。此外，在SCH层106的正上方，厚度为2nm的n型InP层107、厚度为60nm的n型InGaAsP衍射光栅层108、厚度为40nm的n型InP层109和厚度为80nm的n型InGaAsP层110依次层叠。n型半导体层107至110的所有掺杂浓度都是1×1018cm-3。衍射光栅层108在垂直于纸面的方向上具有衍射光栅结构。在沿着图1中的B-B’线的横截面中，n型InGaAsP衍射光栅层108周期性地存在于n型InP层107和109中，如图3所示。图3示出了完全周期性的结构。然而，实际上，λ/4移位结构等被引入以高产量实现单模振荡。半导体光学元件1是DFB半导体激光器。在图3中，120代表低反射电介质涂层膜，121代表高反射电介质涂层膜。
102的一部分和103至106的两侧形成台面结构(以下称为“下台面结构”)，该台面结构与InP掩埋层112一起掩埋。InP埋层具有多层结构，其中在与p型InP缓冲层102接触的层中形成n型InP膜，并且形成掺杂有具有高电阻的Fe或Ru的半绝缘InP层。或者，InP埋层可以是以下中的任何一种：p型半导体层、包括p型半导体层和n型半导体层的多层膜、或者包括高电阻半导体层、p型半导体层和n型半导体层的多层膜。107至110的两侧覆盖有SiO2绝缘膜114。107至110形成上包层117。在半导体激光器中，使用上包层117、SCH层103和106、MQW层105和用作下包层的InP缓冲层102的组合，形成波导以在发射激光的光轴方向上引导光。宽度小于110的n型InP电流注入层111设置在n型InGaAsP层110上。由于宽度小于110，光在111中有一定程度的泄漏，但在111中没有被引导。因此，电流注入层的高度通常仅需为0.2μm或更高。当然，电流注入层的高度可以大于0.2μm，这取决于工艺等过程中的问题。然而，当电流注入层的高度为1μm或更高时，元件电阻可能增加。因此，电流注入层的高度优选小于1μm，特别是0.6μm或更小。由于上包层117的左、右和上部被具有低折射率的SiO2覆盖，光可以基本上被限制在上包层117下方的区域中。掺杂浓度为1.5×1019cm-3的n型InGaAsP接触层113设置在电流注入层111的正上方，并与n型电极115欧姆接触。115必须是用于欧姆接触的典型多层电极，并且在实施中使用Ti/Pt/Au。在p型InP基板的下方提供具有多层结构的AuZn合金和Ti/Pt/Au的p型电极116。116也可以具有其他配置，只要它是典型的p型电极。
下台面结构的宽度Wa约为0.9μm。由于工艺问题，台面结构的实际横截面形状具有略微弯曲的轮廓，而不是完全矩形。上包层的宽度也约为0.9μm。这些台面宽度在光被引导的范围内可能有差异。电流注入层111的宽度大约为0.5μm，并且被设置为比上述台面宽度窄。此外，由于光没有被引导，特别地，111的水平中心不需要与下台面结构(102至106，107至110)的水平轴匹配。
此外，在一种实施方式中，SiO2绝缘膜114和n型电极115彼此接触。然而，诸如聚酰亚胺这样的绝缘膜可以插入SiO2绝缘膜114和n型电极115之间的部分或全部间隙中，使得元件的电容降低。
这里，将根据图2所示的实施方式的半导体光学元件和JP 2018-056212中公开的结构相互比较。在半导体激光器中，寄生电容等被忽略的真实频带f3dB和弛豫振荡频率fr具有f3dB＝1.55fr的关系。为了提高速度，提高弛豫振荡频率fr是重要的。在包括量子阱层作为活性层的半导体激光器中，弛豫振荡频率fr与每个量子阱的光学限制因子ΓQW、下台面结构的宽度Wa、量子阱层的光学差分增益dg/dn以及驱动电流Im(＝工作电流阈值电流)具有以下关系。
Figure BDA0002562717230000051
此外，半导体激光器处于振荡状态，其中从量子阱层产生的光以及半导体激光器中波导的光损耗αi和由出射到外部的激光产生的激光器中的镜损耗αm的总和彼此相等，即gm＝αi+αm。当单位长度的半导体激光器中的光增益由g表示时，振荡条件由以下表达式表示。
gm＝NwΓowg (2)
这里，NW代表量子阱的数量。此外，光学增益g由以下表达式表示。
g＝a(ln n-ln ntr) (3)
这里，n表示注入量子阱的载流子密度，ntr表示光学增益g为0时的载流子密度，a表示常数。从表达式(1)推测，ΓQW/Wa增加而Wa减少的激光结构是优选的。然而，随着Wa减小，ΓQW减小，并且有必要增加表示振荡条件的表达式(2)中的光学增益g。为了增加g，有必要注入比表达式(3)更多的载流子n。从表达式中可以看出，g和n的函数是具有向上突出的曲线的函数，其微分，即光学微分增益dg/dn随着载流子密度的增加而减小。因此，表达式(1)中的fr降低。因此，ΓQW/Wa和ΓQW都增加的结构是必要的。此外，当镜损耗αm高时，如上所述，光学差分增益降低。因此，希望αm低。在DFB激光器中，随着衍射光栅的光耦合系数κ的增加，镜损耗αm减小。
图12示出了JP 2018-056212的实施例1和3的计算结果，以及相对于ΓQW和κ的ΓQW/Wa相关性在不同活性层宽度Wa下的实施方式。在图12中，白色标记表示左轴上的ΓQW值，黑色标记表示κ值，方形标记表示基于JP 2018-056212的实施例1的计算结果，三角形标记表示基于JP 2018-056212的实施例3的计算结果，圆形标记表示基于实施方式的计算结果。从图12可以看出，在JP 2018-056212的实施例1中，ΓQW和ΓQW/Wa的值相对较高，但是κ的值较低。相反，在JP 2018-056212的实施例3中，κ的值较高，但ΓQW和ΓQW/Wa的值较低。另一方面，根据一个或多个实施例，ΓQW、ΓQW/Wa和κ的所有值都高。原因如下。也就是说，在该配置中，基本上没有光扩散到设置在上包层117上方的电流注入层111。因此，光可以被限制在有限的区域内。因此，ΓQW和ΓQW/Wa值较高。此外，由于衍射光栅108存在于光被限制的上包层117中，因此κ的值也很高。在JP 2018-056212中，具有与衍射光栅层相同宽度的InP包层设置在没有与InP掩埋在一起的衍射光栅层上方。因此，光也扩散到InP包层，并且光不能充分地限制在衍射光栅层下面的层中。另一方面，在一实施例中，包括衍射光栅层的上包层上方的InP层仅仅是为电流注入提供的层，并且作为限制光的包层具有非常小的功能。这种效果可以通过将台面宽度设置为比上包层更窄来获得。在这种结构中，光可以被充分地限制在上包层下面的结构中，并且在相同台面宽度下的光学限制比可以被提高。此外，上包层117的平均折射率高于作为电流注入层111的主要元素的InP的折射率的配置也有助于这种效果。特别地，上包层117包括n型InGaAsP层110，其用作单独的限制异质结构层，使得光可以更有效地收集到上包层117侧。结果，可以实现具有优异的高速响应的半导体激光器。此外，通过在MQW层一侧掩埋半导体，可以减少台面侧部分上的漏电流，并且可以阻挡MQW层与外部空气接触。因此，可靠性也很高。
在根据具有150μm谐振器长度的实施方式的半导体光学元件1中，其中通过反映出优异的漏电流阻挡特性，在前端表面上形成具有0.3％或更低反射率的抗反射涂层，并且在后端表面上形成具有95％反射率的高反射涂层，在25℃和85℃下弛豫振荡频率fr相对于驱动电流的平方根的倾斜度在6.6GHz/mA1/2和4.8GHz/mA1/2下是优异的。此外，在85℃下的估计寿命是3.2×105小时，并且可以获得高可靠性。
在一个实施方式中，下台面结构的宽度Wa为0.9μm。只要ΓQW和ΓQW/Wa在高范围内，该值没有特别限制，并且理想地为0.4至1.4μm。考虑到工艺的变化以及ΓQW、κ等值的改进，上包层的宽度为0.4μm或更大，并且期望为Wa-0.2μm至Wa+0.05m。从将光限制在上包层中的观点来看，电流注入层的宽度至少在比上包层的宽度小0.05μm或更多，并且期望在0.1μm或更多且小于0.7μm的范围内。
即使当根据一实施方式的上包层117配置有如图4所示的n型InP层107和n型InGaAsP衍射光栅层108时，也可以获得相同的效果。即使在这种配置中，上包层117的平均折射率也高于电流注入层111的InP。在图4中，作为有机绝缘膜的聚酰亚胺被插入到n型电极115和SiO2绝缘膜114之间的间隙中，并且元件的整体容量降低。此外，即使上包层117被配置为如图5所示的包括n型InP层107、n型InGaAsP层118、n型InP层119、n型InGaAsP衍射光栅层108、n型InP层109和n型InGaAsP层110的多层结构，也可以获得相同的效果。
此外，存在于上包层117上方的电流注入层基本上不对光导有贡献。因此，电流注入层111可以被分成两部分，如图6所示。同样，即使当电流注入层被分成三个或更多部分时，也可以获得相同的效果。通过这种配置，可以减小元件电阻。
在一种实施方式中，上面已经描述了半导体激光器，其中形成在p型InP基板上并且在MQW层上方的半导体层由n型半导体形成。在根据一种实施方式的掩埋结构中，漏电流低。因此，掩埋结构甚至在所有p型半导体和n型半导体都反转的半导体激光器结构中也工作。在这种情况下，电流注入层111是具有高电阻率但不引导光的p型半导体。因此，可以减小电流注入层111的高度，从而可以抑制电阻的增加。
此外，即使在掺杂有Fe的半绝缘基板被用作InP基板并且InP缓冲层102被掺杂有p型或n型的半导体激光器中，也可以获得相同的效果。此外，在一种实施方式中，已经描述了单个半导体激光器元件。即使当在InP半导体基板上布置多个半导体光学元件1的成阵列的半导体光学装置时，也可以获得相同的效果。
此外，尽管在实施方式的附图中没有示出，但是由于埋层，容量等被减小。因此，可以在距离下台面结构端0.5μm或更远的区域中提供隔离台面沟槽。
图7是示出根据实施方式的半导体光学元件的截面图。图8是示出垂直于半导体光学元件的光轴的横截面示意图，该半导体光学元件在用于光纤通信的传输光源的1.3μm频带中振荡。在根据一种实施方式的半导体光学元件中，n型InGaAlAs-SCH层203、p型InGaAlAs层204、InGaAlAs-MQW层205、p型InGaAlAs-SCH层206、p型InGaAlAs蚀刻停止层202、p型InP层207、p型InGaAsP衍射光栅层208、p型InP层209和p型InGaAsP层210依次层叠在n型上n型InP半导体基板上。n型InGaAlAs-SCH层203至p型衍射光栅层208具有典型半导体激光器的配置，例如掺杂或成分。衍射光栅层208在垂直于图8的纸面的方向上具有衍射光栅结构。
p型InP层207到p型InGaAsP层210形成上包层217，207以下的层形成以上包层为中心水平扩展的下部结构。下部结构和上包层217形成脊状结构。在p型InGaAsP层210上设置有宽度小于上包层217的p型InP电流注入层211。因为211的宽度小于上包层217的宽度，所以光在一定程度上泄漏，但是没有被引导。因此，电流注入层的高度通常仅需为0.2μm或更高。电流注入层的高度可以大于0.2μm，这取决于工艺等过程中的问题。在一实施例中，211的高度设置为0.5μm。由于上包层217的左、右和上部被具有低折射率的SiO2绝缘膜214覆盖，所以在激光结构中引导的光可以被限制在上包层217中。具有2×1019cm-3掺杂浓度的p型InGaAs接触层213设置在电流注入层211的正上方，并且与p型电极215欧姆接触。p型电极215仅必须是用于欧姆接触的典型电极，并且在一实施例中使用Ti/Pt/Au。n型InP基板下面的层使用AuGe欧姆接触电极电连接。
上包层217的宽度为1.0μm。电流注入层211的宽度小于上包层的宽度，并且在实施中为0.5μm。由于光没有被引导，上包层217的中心和电流注入层211的中心不必彼此匹配。在一种实施方式中，电流注入层211的宽度为0.5μm。从将光限制在上包层中的观点来看，电流注入层的宽度至少在比上包层的宽度小0.05μm或更多，并且理想地在0.1μm或更大且小于0.7μm的范围内。
在一种实施方式的上包层中，p型InGaAsP层210层叠在衍射光栅的上侧。InGaAsP层210具有比p型InP电流注入层211更高的折射率，并且光限制比高。上包层217的平均折射率高于p型InP电流注入层211的折射率。因此，被引导到p型InP电流注入层211的光的泄漏被充分抑制，并且除了通过用SiO2绝缘膜214覆盖上包层获得的效果之外，光可以被强烈地限制在上包层侧。结果，可以实现具有优异的高频特性的半导体激光器。
在一种实施方式中，κ和ΓQW的值等于相关技术中脊激光器的值。然而，ΓQW/Wa的值增加了10％至20％，弛豫振荡频率fr提高，并且频带也增加了。尽管在图7中未示出，但是为了降低容量，可以在距离上包层217的端部2μm或更远的位置处设置绝缘沟槽。
在根据实施方式的半导体光学元件中，在前端表面上形成反射率为0.1％或更低的抗反射涂层，并且在后端表面上形成反射率为95％或更高的高反射涂层。此外，获得了具有140μm谐振器长度的衍射光栅结构，其中在距离后端表面40μm的位置处提供了等效的λ/4偏移。根据在25℃和85℃下的一实施例，半导体光学元件的阈值电流是7.3mA和15.1mA，这是脊激光器的低值。阈值电流下的特征温度为82K，这是很好的。
25℃和85℃时的斜率效率分别为0.28W/A和0.21W/A，这是非常好的。此外，在25℃和85℃下，弛豫振荡频率fr相对于驱动电流的平方根的倾斜度分别在5.2GHz/mA1/2和3.9GHz/mA1/2下是极好的。此外，在85℃下的估计寿命是1.9×105小时，并且可以获得高可靠性。
即使当根据实施方式的上包层217配置有如图8所示的p型InP层207和p型InGaAsP衍射光栅层208时，也可以获得相同的效果。
图9、10和11是示出根据一实施方式的半导体光学装置的截面图。在上述实施方式中，采用直接调制方法(即，针对半导体激光器采用宽度小于电流注入结构下方提供的台面结构的电流注入结构)。另一方面，在一种实施方式中，上述电流注入结构被用于半导体电吸收调制器。更具体地，一种半导体光学装置，其中可以集成半导体激光器和电吸收调制器，半导体激光器在用于光纤通信的传输光源的1.3μm频带中振荡。图9是示出平行于光轴的横截面示意图。在图9中，左侧的多层区域是半导体激光器的区域，右侧的多层区域是电吸收调制器的区域，并且围绕中心的区域是光学连接半导体激光器和电吸收调制器的波导层。图10是垂直于半导体激光器区域的光轴的截面图。在图10所示的半导体激光器中，n型InGaAsP-SCH层303、InGaAsP-MQW层305、p型InGaAsP-SCH层306、p型InP层307、p型InGaAsP衍射光栅层308、p型InP层309和p型InGaAsP层310依次层叠在n型InP基板301上。n型InGaAsP-SCH层303至p型InGaAsP衍射光栅层308具有典型半导体激光器的配置，例如掺杂、成分、厚度或衍射光栅结构。n型InP基板301、n型InGaAsP-SCH层303、InGaAsP-MQW层305和p型InGaAsP-SCH层306的一部分形成具有1.0μm宽度的台面结构，并且其左侧和右侧掩埋了掺杂有具有高电阻的Fe或Ru的InP层318。p型InGaAsP层310具有1×1018cm-3的掺杂浓度和70nm的厚度。如图9所示，衍射光栅层308周期性地存在于p型InP层307和309中。图9示意性地示出了周期性结构被均匀设置的情况。然而，实际上，λ/4移位结构等被引入，从而以高产量实现单模振荡。
p型InP层307到p型InGaAsP层310形成具有1.0μm宽度的台面结构的上包层317，并且上侧的一部分以及左侧和右侧被SiO2绝缘膜314覆盖。在p型InGaAsP层310上提供宽度小于上包层317的0.5μm的电流注入层311。因为电流注入层311的宽度小于上包层317的宽度，所以光在311中在一定程度上泄漏，但是在311中没有在谐振方向上被引导。光通过上包层317、SCH层306和303、MQW层305和用作下包层的n型InP基板301的组合在谐振方向上被引导。p型InGaAs接触层313设置在电流注入层311上，并且与p型电极315欧姆接触。电流注入层311不引导光。因此，电流注入层311的高度可以很小，并且仅需为0.2μm或更大。电流注入层311的高度可以大于0.2μm，这取决于工艺等过程中的问题。另外，因为电流注入层311不引导光，所以电流注入层311的中心和电流注入层311下方的台面结构317的中心不必彼此匹配。
图11是垂直于电吸收调制器光轴的截面图，电吸收调制器是图9右侧的多层结构。在图11中，在n型InP基板301上依次层叠了EA部分n型InGaAsP-SCH层303’、EA部分InGaAsP-MQW层305’、EA部分p型InGaAsP-SCH层(下分离限制异质结构层)306’、p型InP层307和p型InGaAsP层(上分离限制异质结构层)310。EA部分p型InGaAsP-SCH层306’和p型InGaAsP层310具有比EA部分InGaAsP-MQW层305’更大的带隙。也就是说，EA部分p型InGaAsP-SCH层306’和p型InGaAsP层310具有比EA部分InGaAsP-MQW层305’更低的折射率。EA部分n型InGaAsP-SCH层303’至EA部分p型InGaAsP-SCH层306’具有典型电吸收调制器的配置，例如掺杂、成分或厚度。p型InP层307和p型InGaAsP层310具有与图9中左侧的半导体激光器区域相同的配置。n型InP基板301的一部分、EA部分n型InGaAsP-SCH层303’、EA部分InGaAsP-MQW层305’和EA部分p型InGaAsP-SCH层306’形成宽度为1.0μm的台面结构，其左侧和右侧掩埋了掺杂有高电阻的Fe或Ru的InP层312。InP层312具有与图9中左侧的半导体激光器区域相同的配置。
如在半导体激光器区域中，p型InP层307到p型InGaAsP层310形成具有1.0μm宽度的台面结构的上包层317，并且上侧的一部分以及左侧和右侧被SiO2绝缘膜314覆盖。在p型InGaAsP层310上提供宽度小于上包层317的0.5μm的电流注入层311’。由于电流注入层311’的宽度小于上包层317的宽度，光在311’中有一定程度的泄漏，但在311’中没有在谐振方向(resonator direction)上被引导。上包层317、SCH层303’和306’、MQW层305’和用作下包层的n型InP基板301的组合形成波导，使得光在电吸收调制器内部沿光轴方向被引导。p型InGaAs接触层313’设置在电流注入层311’上，并与p型电极315’欧姆接触。电流注入层311’不引导光。因此，电流注入层311’的高度可以很小，并且仅需为0.2μm或更大。在电吸收调制器的区域中，聚酰亚胺膜322被插入到SiO2绝缘膜314和p型电极315’之间，以便降低电容。
在图9中围绕中心的区域中，光学连接半导体激光器和电吸收调制器的波导层(WG部分)具有类似于电吸收调制器的结构。没有示出垂直于光轴的横截面结构。提供了具有1.0μm宽度的台面结构，其包括WG部分下部InGaAsP-SCH层323、WG部分InGaAsP芯层324和WG部分上InGaAsP-SCH层325，并且台面结构的左侧和右侧被掺杂有Fe或Ru的InP层312掩埋。与在电吸收调制器区域中一样，上包层由p型InP层307和p型InGaAsP层310形成，并且具有宽度为1.0μm的台面结构。SiO2绝缘膜设置在上包层的台面结构一侧。因为没有必要使电流流过波导层，所以不提供接触层和电极。此外，为了增加半导体激光器区域和电吸收调制器之间的电阻，电流注入层311’的厚度很小为0.1μm。
在一种实施方式中，MQW层305’的光学限制因子比具有掩埋结构的典型电吸收调制器的光学限制因子高约5％至约15％。因此，可以用较低的调制电压幅度来调制光。或者，利用调制器长度较短的配置可以获得高消光比。其原因是上包层317包括InGaAsP上分离限制异质结构层310，平均折射率高于电流注入层311’的平均折射率，并且电流注入层311’的宽度小于上包层317的宽度。此外，由于半导体激光器中的光学限制因子增加，所以可以在低阈值电流下实现激光振荡。
在根据集成了半导体激光器和电吸收调制器的实施方式的半导体光学装置中，在设置电吸收调制器的一侧的前端表面上形成反射率为0.1％或更低的抗反射涂层，并且在设置半导体激光器的一侧的后端表面上形成反射率为90％的高反射涂层。此外，获得了一种衍射光栅结构，其中半导体激光器的谐振器长度为300μm，并且在距离后端表面35米的位置处提供λ/4偏移。根据在25℃和85℃下的实现，半导体激光器区域的阈值电流是6.7mA和14.2mA，这是低值。
与相关技术相比，电吸收调制器的调制器长度为70μm，并且可以减小约20％至约50％。可以减小包括EA部分n型InGaAsP-SCH层303’、EA部分InGaAsP-MQW层305’和EA部分p型InGaAsP-SCH层306’的插脚二极管的容量。在一种实施方式中，包括电吸收调制器的电极的总容量可以降低到0.13pF。在通过反射这种低容量来集成电吸收调制器的半导体光学装置中，可以获得64GHz的高频带。此外，在半导体激光器区域和调制器区域中，85℃下的估计寿命是2.8×105小时，并且可以获得高可靠性。
在一种实施方式中，InGaAsP半导体层被用作半导体激光器区域和电吸收调制器区域中的MQW层和SCH层。然而，不用说，即使当使用InGaAlAs半导体层时，也可以获得相同的效果。
已经描述了单个半导体激光器和其中集成了半导体激光器和电吸收调制器的光学器件。然而，不用说，可以使用该方法配置在半导体激光器之前提供无源波导的集成半导体激光器或者集成马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器的MZ调制器集成半导体激光器。
前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实现限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。
即使特征的特定组合在权利要求中陈述和/或在说明书中公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中未具体列举和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接仅依赖于一个权利要求，但是各种实现的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。
除非明确说明，否则本文中使用的任何元素、动作或指令都不应被解释为关键或必要的。此外，如这里所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)。)，并且可以与“一个或多个”互换使用如果只打算使用一个项目，则使用短语“只有一个”或类似的语言。此外，如在此使用的，术语“具有”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在一系列中使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。
相关应用的交叉引用
本申请要求2019年8月8日提交的日本专利申请JP 2019-146767和2019年11月5日提交的JP 2019-201007的优先权，其内容通过引用结合到本申请中。

Claims (20)

1.一种半导体光学元件，其被配置成发射或吸收光，该半导体光学元件包括：
下部结构，其包括多量子阱层；
上部台面结构，其设置在所述下部结构上；
电流注入结构，其设置在所述上部台面结构上，
当从发射或吸收光的光轴看时，与所述上部台面结构接触的所述电流注入结构的部分的宽度小于所述上部台面结构的宽度，
所述电流注入结构的所述部分与由InP组成的所述上部台面结构接触，以及
所述上部台面结构的平均折射率高于形成所述电流注入结构的InP的折射率；
绝缘膜，其覆盖所述上部台面结构的两个侧表面和所述上部台面结构的上表面的一部分；和
掩埋半导体层，其掩埋所述下部结构的两个侧表面。
2.根据权利要求1所述的半导体光学元件，其中，
所述上部台面结构包括衍射光栅层，
所述下部结构不形成所述上部台面结构和一个台面结构。
3.根据权利要求2所述的半导体光学元件，其中，所述衍射光栅层由InGaAsP形成。
4.根据权利要求1所述的半导体光学元件，其中，
所述下部结构包括下分离限制异质结构层，该层设置在多量子阱层之上，并且其带隙大于多量子阱层的带隙，
所述上部台面结构包括上分离限制异质结构层，所述上分离限制异质结构层设置在所述下分离限制异质结构层上方，并且具有比所述多量子阱层的带隙更大的带隙。
5.根据权利要求4所述的半导体光学元件，其中，所述上分离限制异质结构层和下分离限制异质结构层由InGaAsP形成。
6.根据权利要求1所述的半导体光学元件，其中，所述电流注入结构比所述上部台面结构的宽度窄0.05μm或更多。
7.根据权利要求6所述的半导体光学元件，其中，所述电流注入结构的宽度在0.1μm至0.7μm的范围内。
8.根据权利要求7所述的半导体光学元件，其中，所述电流注入结构的高度小于1μm。
9.根据权利要求1所述的半导体光学元件，其中，所述电流注入结构包括至少两个电流注入部分。
10.根据权利要求1所述的半导体光学元件，其中，所述多量子阱层是由包括Al的多种元素组成的层。
11.根据权利要求1所述的半导体光学元件，其中，所述上部台面结构还包括分离限制异质结构层，所述分离限制异质结构层具有比所述电流注入结构更高的折射率。
12.根据权利要求11所述的半导体光学元件，其中，所述分离限制异质结构层由InGaAsP形成。
13.一种半导体光学装置，包括：
半导体光学元件，其被配置成发射或吸收光的，该半导体光学元件包括：
下部结构，其包括多量子阱层；
上部台面结构，其设置在所述下部结构上；
电流注入结构，其设置在所述上部台面结构上，
当从发射或吸收光的光轴看时，与所述上部台面结构接触的电流注入结构的部分的宽度小于所述上部台面结构的宽度，
所述电流注入结构的所述部分与由InP组成的所述上部台面结构接触，以及
所述上部台面结构的平均折射率高于形成所述电流注入结构的InP的折射率；和
绝缘膜，其覆盖所述上部台面结构的两个侧表面和所述上部台面结构的上表面的一部分；
半导体激光器，其与所述半导体光学元件集成；和
掩埋半导体层，其掩埋所述下部结构的两个侧表面。
14.根据权利要求13所述的半导体光学装置，其中，
所述上部台面结构包括衍射光栅层，
所述下部结构不形成所述上部台面结构和一个台面结构。
15.根据权利要求14所述的半导体光学装置，其中，所述衍射光栅层由InGaAsP形成。
16.根据权利要求13所述的半导体光学装置，其中，
所述下部结构包括下分离限制异质结构层，该下分离限制异质结构层设置在多量子阱层之上，并且其带隙大于所述多量子阱层的带隙，
所述上部台面结构包括上分离限制异质结构层，所述上分离限制异质结构层设置在所述下分离限制异质结构层上方，并且具有比所述多量子阱层的带隙更大的带隙。
17.根据权利要求13所述的半导体光学装置，其中，所述电流注入结构比所述上部台面结构的宽度窄0.05μm或更多。
18.根据权利要求13所述的半导体光学装置，其中，所述电流注入结构包括至少两个电流注入部分。
19.根据权利要求13所述的半导体光学装置，其中，所述多量子阱层是由包括铝的多种元素组成的层。
20.根据权利要求13所述的半导体光学装置，其中，所述上部台面结构还包括分离限制异质结构层，所述限制异质结构层具有比所述电流注入结构更高的折射率。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08298353A (ja) * 1995-02-27 1996-11-12 Canon Inc 半導体レーザ装置、その駆動方法及びそれを用いた光 通信システム
JP2001053387A (ja) * 1999-08-10 2001-02-23 Hitachi Ltd 半導体光素子
CN1823456A (zh) * 2003-06-10 2006-08-23 福托纳米公司 在二阶或高阶分布反馈激光器中抑制空间烧孔的方法和设备
CN1870368A (zh) * 2005-05-27 2006-11-29 中国科学院半导体研究所 窄条选择外延技术制作铝铟镓砷掩埋脊波导激光器及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4497606B2 (ja) * 1999-11-18 2010-07-07 富士通株式会社 半導体レーザ装置
JP2004014818A (ja) * 2002-06-07 2004-01-15 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体レーザ素子
JP4955195B2 (ja) * 2004-03-31 2012-06-20 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体素子
JP2007134445A (ja) * 2005-11-09 2007-05-31 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体レーザ素子
CN106451074B (zh) * 2016-10-31 2019-05-17 中国科学院半导体研究所 一种波导优化的掩埋异质结量子级联激光器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08298353A (ja) * 1995-02-27 1996-11-12 Canon Inc 半導体レーザ装置、その駆動方法及びそれを用いた光 通信システム
JP2001053387A (ja) * 1999-08-10 2001-02-23 Hitachi Ltd 半導体光素子
CN1823456A (zh) * 2003-06-10 2006-08-23 福托纳米公司 在二阶或高阶分布反馈激光器中抑制空间烧孔的方法和设备
CN1870368A (zh) * 2005-05-27 2006-11-29 中国科学院半导体研究所 窄条选择外延技术制作铝铟镓砷掩埋脊波导激光器及方法

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