CN113994555A - 半导体光源元件以及光半导体波导窗构造的制造方法 - Google Patents

半导体光源元件以及光半导体波导窗构造的制造方法 Download PDF

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Abstract

在光出射端具有由与外包层相同的材料构成的窗构造、具备高台面半绝缘嵌入构造的半导体光波导的半导体光源元件、或光器件以及其制造方法，其中，在去除窗构造的部分的活性层后，形成与外包层相同的层。

Description

半导体光源元件以及光半导体波导窗构造的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体光源元件以及光半导体波导窗构造的制造方法。
背景技术
用于被称为直接调制激光器、EA-DFB(Electro-absorption modulatorintegrated distributed feedback：电吸收调制器分布式反馈)激光器的集成调制器激光器(半导体光源元件)的高台面半绝缘嵌入构造可以通过减少电容成分来进行高频的半导体激光器的高速调制。在这样的半导体激光器中，来自激光的出射端面的反射返回光对集成的DFB(Distributed Feedback Laser：分布式反馈)激光器、DBR(Distributed Braggreflector：分布式布拉格反射器)激光器的工作有不利影响。如果是以往的-2dBm～+5dBm左右的激光输出，没有产生过大的问题。但是近年来，随着光纤网络的延长化、多分支化的持续进展，对调制激光器要求以往的2倍以上的高输出的需求变得明显。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许5823920号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如果根据这样的需求，高输出化集成的激光器本身，或者向激光出射端集成SOA(半导体光放大器，Semiconductor optical amplifier)来实施高输出化，则激光器的工作因来自激光器芯片的端面的返回光而变得不稳定。
以往，反射防止膜(Anti-reflection film：AR膜)成膜于激光出射端，降低反射率来降低返回光，但是在超过+5dBm的调制激光器中，仅AR膜是不足够的，需要作为光波导的设计。
将用和包层相同的材料将光波导的末端的前部嵌入的构造称为窗构造，而该窗构造是常用在被称为pn嵌入的再生长法时，用于如超过20mW的大功率光源的技术。用pn嵌入进行嵌入的台面嵌入构造的高度较低，是2μm或2μm以下，因此能实现这样的窗构造。
另一方面，当将窗构造应用于用于高速调制的高台面半绝缘嵌入时，除台面高度超过3μm外，还会发生在光的传播路径中在晶面(0 -1 -1)面引起异常生长而产生空孔(空隙)、晶格缺陷，再生长层长到了嵌入生长时保留(用于嵌入选择生长)在台面上部的掩模上，导致光波导与半导体的电接触不良等问题。
这是由台面的侧壁((0 1 -1)面和(0 -1 1)面)与台面的终端部的晶面的方位差90度引起的，因为对于终端部的(0 -1 -1)面和(0 1 1)面的嵌入生长在技术上是困难的。此外，台面的高度大大超过2μm(约3μm或更高)，因此对于生长困难的晶向来说，作为高的台面(High mesa：高台面)也增加了技术的难度。
需要说明的是，在本说明书中，晶面的标记的“-”，原本是付于“-”的右边的数字的上方的，但方便起见，付于数字的左边。
本发明是为了解决这样的问题点而完成的，其目的在于实现具有能够高输出且高速调制的高台面半绝缘嵌入的窗构造的半导体光源元件、以及那样的半导体光源元件或光器件的光半导体波导的窗构造的制造方法。
用于解决问题的方案
本发明的实施方式的一个例子，其特征在于，为了达成如上所述的目的，具备以下那样的构成。
(构成1)
一种半导体光源元件，其特征在于，
具备在光出射端具有由与外包层相同的材料构成的窗构造的高台面半绝缘嵌入构造的半导体光波导。
(构成2)
根据构成1所述的半导体光源元件，其特征在于，
光源是DFB激光器，
在所述DFB激光器与所述窗构造的形成部分之间具备EA层。
(构成3)
根据构成2所述的半导体光源元件，其特征在于，
在所述EA层与所述窗构造的形成部分之间具备SOA层。
(构成4)
一种制造如构成1所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在所述半导体光波导的光的出射部形成所述窗构造时，在生长所述外包层之前的工序中，通过刻蚀去除成为所述窗构造的部分的芯层，在所述窗构造的相应处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
(构成5)
一种制造如构成1所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在成为光源的DFB激光器的制造工序中，在所述DFB激光器的活性层上形成衍射光栅后，在生长所述外包层之前的工序中，保留成为所述DFB激光器的活性层的部分，为了将成为劈开端面的部分的至少一方作为所述窗构造而去除所述窗构造的部分的活性层，在所述窗构造的相应处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
(构成6)
一种制造如构成2所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在所述DFB激光器的活性层上形成衍射光栅，对接生长所述EA层后，在生长所述外包层之前的工序中，为了将所述EA层的前端的成为光的输出端的一侧的劈开端面的部分作为所述窗构造而去除所述窗构造的部分的EA芯层，在去除了所述EA芯层处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
(构成7)
一种制造如构成3所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在所述DFB激光器的活性层上形成衍射光栅，对接生长所述EA层后，在生长所述外包层之前的工序中，为了将所述SOA层的前端的成为光的输出端的一侧的劈开端面的部分作为所述窗构造而去除所述窗构造的部分的SOA芯层，在去除了所述SOA芯层处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
(构成8)
一种包括光波导或激光器的光器件的制造方法，其特征在于，
在外包层生长前的用于形成窗构造的刻蚀工序中，与窗构造形成部同样地通过刻蚀去除作为光波导想保留处以外的部分，在其后进行所述外包层生长以后的工序。
发明效果
通过如上所述的构成，本发明能实现具有能够高输出且高速调制的高台面半绝缘嵌入的窗构造的半导体光源元件、以及那样的半导体光源元件的光半导体波导的窗构造的制造方法。
附图说明
图1是本发明的实施方式的半导体光源元件的俯视图(a)和剖面Ib-Ib的基板剖视图(b)。
图2是图1的剖面II-II的基板剖视图。
图3是图1的剖面III-III的基板剖视图。
图4是图1的剖面IV-IV的基板剖视图。
图5是说明本发明的实施方式的半导体光源元件的制造方法的制作工序(a)～(d)的图。
图6是说明本发明的实施方式的半导体光源元件的制造方法的制作工序(e)～(h)的图。
图7是说明用于比较的以往的半导体光源元件的制造方法的制作工序(a)～(c)以及(i)的图。
图8是说明用于比较的以往的半导体光源元件的制造方法的制作工序(j)～(l)的图。
图9是说明本发明的实施方式的半导体光源元件的电流－光输出特性的图。
图10是说明以往的半导体光源元件的电流－光输出特性的图。
图11是本发明的实施方式的半导体光源元件的眼图波形图。
图12是以往的半导体光源元件的眼图波形图。
图13是本发明的实施方式的窗构造部的基板剖视图(a)以及表示光场的垂直方向的扩展的曲线图(b)。
图14是本发明的实施方式的SOA以及锥形区域的基板剖视图(a)、(b)以及芯片的俯视图(c)。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(实施方式的半导体光源元件)
图1是实施方式的半导体光源元件的俯视图(a)和其剖面Ib-Ib的基板剖视图(b)。
在图1的(a)的俯视图中，在半导体光源元件的芯片10的上表面示出了DFB激光器的激光电极1、EA调制器的EA电极2以及SOA(半导体光放大器)的SOA电极3。
在图1的(b)的基板剖视图中，在激光电极1、EA电极2以及SOA电极3的剖面的下方可以看到p-InP(p型磷化铟)外包层4的剖面，在其下方以该顺序配置DFB激光器的芯层6、EA调制器的芯层7、SOA的芯层8而形成有半导体光波导。用DFB激光器震荡的激光用EA调制器进行调制，用SOA(半导体光放大器)进行光放大，经由用右端的点划线包围的窗构造9，成为调制后的激光而射出。窗构造9用与p-InP外包层4相同的材料形成。
在DFB激光器的芯层6的上表面的与p-InP外包层4相接的边界部分形成有表现为三角的波线的衍射光栅61，但是没有在SOA的芯层8的边界部分形成衍射光栅。在芯层6～8以及窗构造9的下方，可以看到n-InP(n型磷化铟)下包层5的剖面。
图2的基板剖视图是与图1的DFB激光器的光轴垂直的基板剖面II-II的图，SOA(半导体光放大器)部的剖面也是基本同样的构造。在图2中，在激光电极1的下方有p-InP外包层4和半绝缘性的SI-InP(硅掺杂磷化铟)横包层41、42，在p-InP外包层4的下方有DFB激光器的芯层6(在SOA剖面中是SOA的芯层8)，最下层是n-InP下包层5。在图2的DFB激光器基板剖视图中，在p-InP外包层4与DFB激光器的芯层6之间有衍射光栅61的剖面，但是图中被省略。
图3的基板剖视图也同样地是与图1的EA调制器部的光轴垂直的基板剖面III-III的图，在EA电极2的下方有p-InP外包层4和SI-InP横包层41、42，在p-InP外包层4的下方有EA调制器的芯层7，最下层是n-InP下包层5。
图4的基板剖视图是与图1的窗构造9的部分的光轴垂直的基板剖面IV-IV的图，在最上层没有电极，有p-InP外包层4和SI-InP横包层41、42，在p-InP外包层4的下方也没有芯层而与最下层的n-InP下包层5相接。
通过如上所述的构造，在高台面半绝缘嵌入构造中实现了具有空孔、晶格缺陷少的窗构造的半导体光源元件，成为能够高输出且高速调制的光器件。
就如上所述的实施方式的窗构造而言，即使是不包括SOA、EA的半导体激光器、进一步地不包括作为光源的激光器的只具有光波导的光器件，作为返回光的对策也是有效的，特别是能够有效地应用于具备高台面半绝缘嵌入构造且在光出射端具有与外包层相同的材料构成的窗构造的半导体光波导的光器件。
(实施方式的制造方法)
接着说明实施方式的半导体光源元件的制造方法。
在本发明的制造方法中，在半导体光源元件的外包层生长前，预先去除成为窗构造的部分的芯层，在晶片整个面实施外包层生长。其后，通过进行常规的半绝缘嵌入工序，能不使(0 -1 -1)面露出而进行高台面半绝缘嵌入生长，能实现空孔、晶格缺陷少的窗构造。
图5、图6是说明实施方式的半导体光源元件的制造方法的制作工序(a)～(d)、(e)～(h)的图。
在本制造方法的工序中，首先如图5的(a)所示，在基板表面的晶向为(1 0 0)面、定向平面(Orientation flat，也称为OF。用于在工序中对准晶片的方向的、基板周上的基准面)为(0 -1 -1)面的n型InP基板5上，结晶生长具有光学增益的MQW层(MultipleQuantum Well，多量子阱构造的层，以后称为活性层100)。在以下的图中基板的晶面的方向是同样的。
其后，通过选择刻蚀来去除该活性层100的一部分，成为图5的(b)的状态。这时，以在此后形成的光波导(台面条带)相对于定向平面垂直的方式刻蚀活性层100。在活性层100中的保留的部分60、80的正上方，为了选择刻蚀而设有SiO2(二氧化硅)掩模，但是图中未示出。在图5的(b)中，活性层60、80分别是在之后成为DFB激光器的芯层6、SOA的芯层8的部分。
在不去除在图5的(b)使用的选择刻蚀掩模的状态下，按照原样作为选择生长掩模使用，如图5的(c)所示，对接再生长成为EA芯层7的MQW的活性层(以后称为EA层70)。其后，暂时去除在选择刻蚀和选择生长中使用的SiO2，通过SiO2形成新的选择刻蚀掩模，如图5的(d)所示，分别去除活性层80和EA层70的一部分。该工序的关键是，在形成外包层和台面构造前，预先去除相当于光的输出部的窗构造部分的芯层。
其后，去除选择刻蚀掩模，如图6的(e)所示在成为DFB激光器的部分形成衍射光栅61。在图6的(e)的状态中，在晶片表面没有SiO2，是半导体在整个面露出的状态。接着，如图6的(f)所示在晶片整个面形成p型InP(磷化铟)的外包层4。当如此形成InP外包层4时，能在成为窗构造的部分生长晶体质量好的InP。
接着为了形成光波导，形成干法加工用的SiO2，实施干法刻蚀，成为如图6的(g)所示的状态。在该干法刻蚀工序中，以穿透芯层挖掘直到下包层5的一部分为止的方式进行加工，形成台面条带。该台面条带的特征是，将因折射率差而具有光的困聚功能的包层、芯层的部分和成为没有光的困聚功能的窗构造的部分一并加工为台面。因此，(0 -1 -1)面和(01 1)面处于不露出的状态，在成为窗构造的部分能生长晶体质量好的InP是关键。
为了抑制高阶的横模式的激振，台面的宽大约为1.5μm。最后，将半绝缘InP层作为横包层41、42进行嵌入生长，但是不适合嵌入生长的(0 -1 -1)面和(0 1 1)面没有露出，因此InP没有长到台面的选择生长掩模上，此外，能实现空孔、晶格缺陷少的良好的嵌入生长。其后，在成为激光器、EA以及SOA的区域形成电极，使器件完成。窗构造部的光的前进方向的长度是7μm。
就如上所述的实施方式的窗构造的制造方法而言，即使是不包括SOA、EA的半导体激光器、进一步地不包括作为光源的激光器的只具有光波导的光器件，作为返回光的对策也是有效的，特别是能够有效地应用于具备高台面半绝缘嵌入构造且在光入出射端具有与外包层相同的材料构成的窗构造的半导体光波导的光器件。
例如作为基本的半导体光源元件的制造方法，在半导体光波导的光的出射部形成窗构造时，在生长外包层之前的工序中，通过刻蚀去除成为窗构造部分的芯层，在窗构造的相应处形成与结晶生长到半导体光波导的芯层上的外包层相同的层即可。
此外，作为具备DFB激光器作为光源的半导体光源元件的制造方法，在DFB激光器的制造工序中，在DFB激光器的活性层上形成衍射光栅后，在生长外包层之前的工序中，保留成为DFB激光器的活性层的部分，为了将成为劈开端面的部分的至少一方作为窗构造而去除窗构造的部分的活性层，在窗构造的相应处形成与结晶生长到半导体光波导的芯层上的外包层相同的层即可。
进一步地，如果是具备EA调制器的DFB激光器，则在DFB激光器的活性层上形成衍射光栅，对接生长EA层后，在生长外包层之前的工序中，为了将EA层的前端的成为光的输出端的一侧的劈开端面的部分作为窗构造而去除窗构造的部分的EA层，在去除了EA层处形成与结晶生长到半导体光波导的芯层上的外包层相同的层即可。
此外进一步地，如果是具备SOA的EA调制DFB激光器，则在DFB激光器的活性层上形成衍射光栅，对接生长EA层后，在生长外包层之前的工序中，为了将SOA层的前端的成为光的输出端一侧的劈开端面的部分作为窗构造而去除窗构造的部分的SOA层，在去除了SOA层处形成与结晶生长到半导体光波导的芯层上的外包层相同的层即可。
然后，如果是光波导或包括激光器的光器件，则在用于形成外包层生长前的窗构造的刻蚀工序中，与窗构造形成部同样地通过刻蚀去除作为光波导想保留处以外的部分，在其后进行外包层生长以后的工序即可。
(以往的制造方法)
为了比较特性，也通过以往工序制造了相同的窗构造部长度是7μm的元件。在如图7和图8所示的以往工序中，从图7的(a)到图7的(c)的工序为止与实施方式的从图5的(a)到图5的(c)是同样的工序，但是其后不去除活性层80、EA层70的一部分，而是形成衍射光栅61并成为了图7的(i)的构造，形成外包层4并成为了图8的(j)的形态。
以往工序的台面加工时，成为窗构造的部分从图8的(j)的状态进行刻蚀去除，成为了图8的(k)的构造。其后进行嵌入生长，成为了图8的(l)的形状。不过，横包层的一部分长到了台面的选择生长掩模上，因此实施了长上的半导体的去除工序。其后的电极形成等工序，与实施方式相同。
(与以往器件的特性的比较)
在图9和图10中，分别示出并比较了如上所述制造的实施方式的器件以及通过以往工序制造的器件的电流―光输出特性(I-L特性)。图9和图10的横轴是将DFB-LD和SOA的电极作为共同端子流过电流的情况的电流值I(mA)，纵轴是相对的光输出L。
如图9所示在实施方式的器件中，是无弯折(曲折)的理想的I-L特性。另一方面，图7和8所示的用以往工序制造的器件在SOA和窗构造的边界部附近的嵌入层部分产生了空隙(空孔)。因此，在图10所示以往器件的I-L特性中，激光器的共振状态被空隙的反射返回光打乱，I-L特性中产生弯折(曲折)。该影响对信号品质也有强的影响。
图11和图12是在实施方式和以往例的器件中，在用10Gbps-NRZ信号进行EA调制的情况下，调制输出信号的眼图波形(Eye图)。如图11所示，在实施方式的器件中，可以得到理想的良好的眼图波形。另一方面，在如图12所示的以往例中，激光器的共振状态被空隙的反射返回光打乱，眼图波形的品质明显降低。
(窗构造部的长度)
窗构造部的区域的长度需要设计为与光波导的形状相符合的最佳的长度。图13的(a)示出了实施方式的窗构造部9的基板剖面构造的示意图。在图13的(a)中，将从光波导的芯层6(7，8)向窗构造部9射出的光的前进方向设为Z方向。
如上所述窗构造部9全部由InP形成，不具有芯层、包层等具有折射率差的光困聚构造。因此从光波导向窗构造9的入射光一边扩大场径一边向Z方向传递(衍射)。该扩展的角度取决于出射端的波导形状。在此，芯厚设为250nm，波导的台面宽设为上述的1.5μm。
图13(b)是表示光场的垂直方向的扩展的曲线图，取自芯层的出射面的传递距离z作为横轴，在纵轴标示在光场分布中强度相对于最大强度变为一半时的场宽(半高宽FWHM)的曲线图。这时的光波长设为1.3μm。
由图13(b)的曲线图可知，在窗构造部9内传递约10μm时，光场的FWHM到达2μm。即，此时光场的一部分有可能到达外包层与空气的界面。
在这样的情况下，除了光场的形状崩溃之外，还会产生光损失，因此会导致半导体元件的特性劣化。基于以上的点，窗构造部的区域长度需要设计为考虑了光的场扩展的长度。
如果考虑使用1.3μm波段和1.55μm波段的波长，在假定一般的芯层厚为200～300μm情况下的光场的扩展，则窗构造部的区域长度最大也需要为15μm以下。
接着，对窗构造部的区域长度短的情况进行说明。在元件制造的工序中，窗构造部的长度由劈开决定。即，通过劈开形成作为光射出的元件端面的半导体与空气的界面，由此决定窗区域部的长度。因此，关于窗构造部的区域长度，需要考虑劈开工序中的位置偏移的误差。在设计得短的情况下，劈开的端面与波导部相遇，窗构造本身会消失。当考虑以上的点时，考虑劈开的制造误差窗构造的区域长度需要在5μm以上设计。
(窗构造的锥形构造的导入)
如上所述，从光波导射入至窗构造部的光场的扩大方式取决于光波导的出射端的构造。可以通过调整在光波导和窗构造部的边界处的波导形状，设计从光波导经由窗构造部向半导体元件外部射出的光的场的形状。
特别是在使用一般的InP类材料的半导体光元件中，水平方向的芯层宽(等于台面宽)是1.5～2.0μm，而垂直方向的芯层厚是200～300nm，在水平/垂直方向为非对称的构造。因此，从半导体元件射出的光场的剖面形状一般为椭圆形，在将光耦合于光纤等圆筒形的构造物的情况下，成为产生光损失的原因作为问题被提出。
由此，通过调整窗构造部和与窗构造部邻接的光波导的形状，能使光场变形为所希望的形状。即，能通过使光波导芯层的水平/垂直方向的大小尽量一致来使光的场径接近圆形。
在图14中示出在SOA的内部设有锥形区域的实施方式的构造例。图14的(c)是SOA和窗构造部9的芯片俯视图(电极未图示)，图14的(a)、图14的(b)是图14的(c)中的XIV-A、XIV-B剖面的与光轴垂直的基板剖视图。
在此，示出在SOA内的光波导8中，在接近窗构造部9的光波导设有锥形构造19的例子。锥形构造19过于陡峭会产生光损失，因此在此设为长度50μm的锥形构造。锥形构造部19以外的SOA部的台面宽是1.5μm，通过锥形构造19缩小台面宽直到1.0μm，与窗构造部9相连。
本构造可以仅通过台面构造的设计变更来制造，因此可以用与上述的制造工序相同的工序。将锥形构造19的末端与窗构造部9的边界处的台面宽设为1.0μm。这是考虑台面形成时的制造精度而设计的，在采用小于此台面宽的情况下，有可能狭窄的台面部分因制造工序时的制造误差而消失，光波导与窗构造部的边界后退。
一般的InP类的半导体元件中的台面宽最大采用2.0μm左右，考虑到采用本次这样的高台面绝缘嵌入构造的情况下的制造公差，理想的是锥形的窄台面化的台面宽为1.5μm以下1.0μm以上。在采用上述的锥形的宽度1.0μm的波导宽的带窗构造的光器件中，在确认端面出射光的向光纤的耦合效率时，与以往的具有台面宽1.5μm的波导构造的光器件比较，确认了约2dB的光耦合损失的改善。
产业上的可利用性
如上所述，在本发明的半导体光元件以及其制造方法中，在高台面半绝缘嵌入构造中实现了具有空孔、晶格缺陷少的窗构造的光半导体波导，能够高输出且低损失的高速调制的半导体光源元件、光器件的实现成为可能。

Claims (8)

1.一种半导体光源元件，其特征在于，
具备在光出射端具有由与外包层相同的材料构成的窗构造的高台面半绝缘嵌入构造的半导体光波导。
2.根据权利要求1所述的半导体光源元件，其特征在于，
光源是DFB激光器，
在所述DFB激光器与所述窗构造的形成部分之间具备EA层。
3.根据权利要求2所述的半导体光源元件，其特征在于，
在所述EA层与所述窗构造的形成部分之间具备SOA层。
4.一种制造如权利要求1所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在所述半导体光波导的光的出射部形成所述窗构造时，在生长所述外包层之前的工序中，通过刻蚀去除成为所述窗构造部分的芯层，在所述窗构造的相应处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
5.一种制造如权利要求1所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在成为光源的DFB激光器的制造工序中，在所述DFB激光器的活性层上形成衍射光栅后，在生长所述外包层之前的工序中，保留成为所述DFB激光器的活性层的部分，为了将成为劈开端面的部分的至少一方作为所述窗构造而去除所述窗构造的部分的活性层，在所述窗构造的相应处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
6.一种制造如权利要求2所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在所述DFB激光器的活性层上形成衍射光栅，对接生长所述EA层后，在生长所述外包层之前的工序中，为了将所述EA层的前端的成为光的输出端的一侧的劈开端面的部分作为所述窗构造而去除所述窗构造的部分的EA芯层，在去除了所述EA芯层处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
7.一种制造如权利要求3所述的半导体光源元件的方法，其特征在于，
在所述DFB激光器的活性层上形成衍射光栅，对接生长所述EA层后，在生长所述外包层之前的工序中，为了将所述SOA层的前端的成为光的输出端的一侧的劈开端面的部分作为所述窗构造而去除所述窗构造的部分的SOA芯层，在去除了所述SOA芯层处形成与结晶生长到所述半导体光波导的芯层上的所述外包层相同的层。
8.一种包括光波导或激光器的光器件的制造方法，其特征在于，
在外包层生长前的用于形成窗构造的刻蚀工序中，与窗构造形成部同样地通过刻蚀去除作为光波导想保留处以外的部分，在其后进行所述外包层生长以后的工序。
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