CN114188821A - 光学半导体器件 - Google Patents

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菅一辉
中原宏治
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

一种光学半导体器件，包括:多量子阱层，包括彼此交替重叠的一些阱层和一些势垒层；光学约束层；以及插置在多量子阱层和光学约束层之间的引导层。每个势垒层是未掺杂层，最外层是势垒层中的一个。光学约束层的折射率大于最外层的折射率，带隙小于最外层的带隙。引导层包括与最外层接触的第一相邻层，并且引导层比光学约束层薄。光学约束层和引导层中的每一个都是n型半导体层。引导层的第一相邻层的带隙大于光学约束层的带隙。

Description

光学半导体器件
技术领域
本公开涉及光学半导体器件。
背景技术
通常，用于光通信的光半导体器件可以具有多量子阱层作为活性层。一种分离约束异质结构(separate confinement heterostructure：SCH)，其中载流子和光被分开约束，在SCH层之间插置多量子阱层。在一些情况下，为了满足高速要求，可能需要增加多量子阱层的光学约束因子，并且可能需要增加弛豫振荡频率(fr)以改善光学半导体器件的f3dB带宽(例如，与传统光学半导体器件相比)。
多量子阱层的折射率的增加可以进一步增加多量子阱层的光学约束因子，这影响其他特性，例如光输出特性和增益特性。或者，由于包括上下SCH层的区域的光学约束因子的增加，SCH层的折射率的增加可以增加光学约束因子。然而，在SCH层和多量子阱层(势垒层)之间形成能量势垒。在某些情况下，n型SCH层的一侧受到更大的冲击，从而电子被能量势垒阻挡，这在低频下阻碍了电子的流动。
在某些情况下，电子停滞可用于增加载流子捕获时间和/或增加频率调制效率。然而，使用具有强度调制的电子停滞会导致低频下电/光响应特性的恶化(滚降)。
发明内容
根据一些可能的实施方式，光学半导体器件可以包括:多量子阱层，包括彼此交替重叠的一些阱层和一些势垒层，其中每个势垒层是未掺杂层，其中最外层是势垒层中的一个；光学约束层，其具有的折射率大于最外层的折射率，其中光学约束层具有的带隙小于最外层的带隙；和引导层，插置在多量子阱层和光学约束层之间，其中引导层包括与最外层接触的第一相邻层，并且引导层比光学约束层薄，其中:光学约束层和引导层中的每一个都是n型半导体层，并且引导层的第一相邻层具有的带隙大于光学约束层的带隙。
光可能被约束在光学约束层中，最终增加多量子阱层的光学约束因子。此外，引导层可以降低未掺杂层和n型半导体层之间的能量势垒，抑制电子停滞。因此，可以实现f3 dB带宽的改善和滚降的减少。
附图说明
图1是本文描述的示例性光学半导体器件的平面图。
图2是图1所示的示例性光学半导体器件的II-II截面图。
图3是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
图4是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
图5是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
图6是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
图7是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
图8是本文描述的示例光学半导体器件的截面图。
图9是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
具体实施方式
在下文中，参考附图具体和详细地描述一些实现。在所有附图中，具有相同附图标记的构件具有相同或同样的特征，并且将省略它们的重复描述。附图的大小并不总是与放大倍数相符。
图1是示例光学半导体器件的平面图。图2是图1所示的示例性光学半导体器件的II-II截面图。
示例光学半导体器件可以是直接调制型半导体激光器，并且可以是分布式反馈(DFB)激光器、法布里-珀罗(Fabry-Perot：FP)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或分布式反射器(DR)激光器中的任何一种。
示例光学半导体器件可以具有台面条纹结构(mesa stripe structure)10。示例性光学半导体器件可以分别在示例性光学半导体器件的上表面和下表面上具有上电极12和下电极14，以在电极之间施加电压或注入电流。这使得激光能够在1.3微米(μm)波段或1.55μm波段例如从台面条纹结构10的端面振荡。电介质抗反射涂膜16可以形成在台面条纹结构10的发射侧的端面上。电介质高反射涂膜18可以形成在台面条纹结构10的相反端表面上。
示例光学半导体器件可以包括包含p型InP的半导体衬底20。缓冲层22(例如，p型包层)可以包括p型InP，并且可以层叠在半导体衬底20上。台面条纹结构10可以设置在缓冲层22上。
台面条纹结构10可以按与缓冲层22接近程度的顺序包括p型SCH层24、多量子阱层26、引导层28和光学约束层(optical confinement layer)30。引导层28和光学约束层30也可以称为n型SCH层32。这些层形成台面条纹结构10的下台面结构34的一部分。
该示例性光学半导体器件可以具有这样的结构，其中未掺杂的多量子阱层26插置在p型半导体多层和n型半导体多层之间。另一未掺杂层可以插置在p型半导体多层和多量子阱层26之间。
图3是示例实施例中的多量子阱层26、引导层28和光学约束层30的能带图。带隙是价带(valence band)顶部和导带(conduction band)底部之间的能量差。
多量子阱层26可以包括未掺杂的应变InGaAlAs。多量子阱层26可以包括交替层叠的一些阱层36和一些势垒层38(例如，六对阱层36和势垒层38)。阱层36和势垒层38可以具有相同的厚度(例如，8nm)。每个势垒层38可以是未掺杂的层。多量子阱层26的最外层40(顶层和底层中的每一个)可以是势垒层38之一。
光学约束层30可以是n型半导体层(例如，厚度为80nm和/或成分波长(composition wavelength)为1.15μm的n型InGaAlAs层)。Si可以用作n型掺杂剂。
引导层28可以是n型半导体层(例如，厚度为40nm和/或成分波长为0.93μm的n型InGaAlAs层)。硅可以用作n型掺杂剂。引导层28的掺杂浓度和光学约束层30的掺杂浓度可以相同或不同。浓度差应适于充分施加电场。引导层28可以插在多量子阱层26和光学约束层30之间。引导层28可以包括与多量子阱层26的最外层40接触的第一相邻层42。在一些实施方式中，引导层28可以仅包括第一相邻层42。引导层28(例如，仅包括第一相邻层42)可以具有与多量子阱层26的最外层40相同的成分波长。
如图3所示，第一相邻层42的带隙EgG1大于光学约束层30的带隙EgC。因此，在引导层28和光学约束层30之间存在能量势垒(导带中的能级差)，但是由于引导层28和光学约束层30是n型半导体层，因此与由n型半导体层和未掺杂层之间的能量势垒导致的电子停滞(electron stagnation)相比，其所导致的电子停滞较小。这是因为，当在n型层中充分施加电场时，由于较少的电子被能量势垒停滞，电子在引导层28和光学约束层30之间平稳运动。这降低了低频电和/或光响应特性衰减的可能性。在一些实施方式中，第一相邻层42的带隙EgG1可以等于多量子阱层26的最外层40的带隙Eg0,因此没有形成能量势垒。
在多量子阱层(例如，多量子阱层26)中产生的光不仅可以扩散到多量子阱层，还可以扩散到其上层侧和下层侧(例如，p型半导体多层侧和/或n型半导体多层侧)。包含光的区域是由p型光学约束层、多量子阱层和n型光学约束层限定的区域。光学约束层可以被配置为抑制光扩散到其他区域。在一些实施方式中，光学约束层的折射率小于多量子阱层的最外层(例如，势垒层)的折射率。这可以改善载流子的流动。典型地，光学约束层的折射率变得越大，则光学约束层的带隙变得越小。在一些实施方式中，光学约束层具有比势垒层更大的带隙，这防止在载流子(例如电子)的运动中形成能量势垒。
如图3所示，光学约束层30的带隙EgC可以小于多量子阱层26的最外层40的带隙Eg0。在InGaAlAs层中，带隙越大，折射率越小。因此，光学约束层30的折射率nC可以大于多量子阱层26的最外层40的折射率n0。因此，与光学约束层30的折射率小于多量子阱层26的最外层40的折射率的结构相比，与光学约束层30相比，可以增加多量子阱层26的该区域的光学约束因子。这能增加多量子阱层26的光学约束因子，并且因此能够总体上改善fr或者改善f3 dB带宽。
此外，如上所述，引导层28可以减少多量子阱层26的光学约束层30和最外层40之间的能量势垒对电子流的影响。因此，抑制了电子停滞并减少了滚降(roll-off)。在一些实施方式中，第一相邻层42的折射率nG1等于多量子阱层26的最外层40的折射率n0。光学约束层30的折射率nC大于引导层28(第一相邻层42)的折射率nG1。第一相邻层42的应变量(例如，不包括应变)和最外层40的应变量可以不同，从而稍微区分它们各自的最终成分波长(带隙)。然而，各个成分波长可以基本相同，使得成分波长之间的差异基本上不影响滚降特性或光学约束因子。
在一些实施方式中，引导层28(第一相邻层42)可以接触光学约束层30。引导层28(第一相邻层42)可以比光学约束层30薄，以将光约束在多量子阱层26内。
如图2所示，下台面结构34可以包括邻近光学约束层30的n型包层44。n型包层44可以包括第一n型InP层46A、包含n型InGaAsP的衍射光栅层48、第二n型InP层46B和n型InGaAsP层50。衍射光栅层48可以具有周期性衍射光栅结构，例如在垂直于图2所示的示例光学半导体器件的截面图的方向上的λ/4移位结构。
p型InP的掩埋层52可以在两侧填充下台面结构34(至少其一部分)。掩埋层52可以包括使用Fe或Ru作为掺杂剂的高电阻InP，或者可以是从由p型InP、n型InP和高电阻InP组成的组中选择的材料的叠层。
台面条纹结构10可以包括在下台面结构34上的上台面结构54。上台面结构54可以比下台面结构34窄。上部台面结构54可以按与n型InGaAsP层50接近程度的顺序包括具有n型InP的电流注入层56和n型接触层58。电流注入层56可以是n型包层44的一部分。除了其顶部，上台面结构54的表面可以覆盖有包含SiO2的绝缘层60。上电极12可以电连接和物理连接到n型接触层58。上电极12可以具有从侧面与n型接触层58接触的Ti/Pt/Au的三层结构。下电极14可以包括基于AuZn的材料。
图4是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
引导层228可以仅包括第一相邻层242。引导层228(第一相邻层242)的带隙EgG1可以大于光学约束层230的带隙EgC。引导层228的第一相邻层242的带隙EgG1可以小于多量子阱层226的最外层240的带隙Eg0。因此，在多量子阱层226的引导层228(第一相邻层242)和最外层240之间，在导带中的能级。可能存在差异。然而，该差异可以小于多量子阱层226的光学约束层230和最外层240之间的能级差异。因此，引导层228(第一相邻层242)减少了电子停滞。
在导带的能级中，第一相邻层242和最外层240之间的差可以小于光学约束层230和最外层240之间差的一半(例如，小于三分之一)。这可以有效减少滚降。在一些实施方式中，光学约束层230的折射率nC、引导层228(第一相邻层242)的折射率nG1、以及多量子阱层226的最外层240的折射率n0的关系如图4所示。
图5是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
引导层328可以仅包括第一相邻层342。引导层328(第一相邻层342)的带隙EgG1可以大于多量子阱层326的最外层340的带隙Eg0。这减少了电子停滞，从而减少了滚降。当引导层328(第一相邻层342)和光学约束层330之间的能级差异大时，即使在它们是相同的n型半导体层时，也可能发生电子停滞。因此，在导带的能级中，第一相邻层342和光学约束层330之间的差可以是0.6eV或更小。在一些实施方式中，光学约束层330的折射率nC、引导层328(第一相邻层342)的折射率nG1和多量子阱层326的最外层340的折射率nO之间的关系如图5所示。
图6是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
引导层428可以包括多层。这些层可以包括与最外层440接触的第一相邻层442。这些层可以包括与光学约束层430接触的第二相邻层462。第二相邻层462和第一相邻层442可以掺杂相同浓度的Si。引导层428的厚度(第一相邻层442和第二相邻层462的总厚度)可以小于光学约束层430的厚度。
引导层428的第一相邻层442的带隙EgG1可以等于多量子阱层426的最外层440的带隙Eg0。这减少了n型半导体层和未掺杂层之间的电子停滞。
第二相邻层462的带隙EgG2可以大于光学约束层430的带隙EgC。第二相邻层462的带隙EgG2可以小于多量子阱层426的最外层440的带隙Eg0。第二相邻层462的带隙EgG2可以小于第一相邻层442的带隙EgG1。这减少了电子停滞，因为能级变化在引导层428(第一相邻层442和第二相邻层462)中是阶梯式的。此外，在一些实施方式中，光学约束层430可以增加多量子阱层426的光学约束因子。在一些实施方式中，光学约束层430的折射率nC、第一相邻层442的折射率nG1和多量子阱层426的最外层440的折射率n0之间的关系如图6所示。
图7是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
引导层528可以包括多层。这些层可以包括与多量子阱层526的最外层540接触的第一相邻层542。这些层可以包括与光学约束层530接触的第二相邻层562。这些层可以包括在第一相邻层542和第二相邻层562之间的至少一个中间层564。第二相邻层562和中间层564可以掺杂有与第一相邻层542具有相同浓度的Si。
第一相邻层542的带隙EgG1可以等于多量子阱层526的最外层540的带隙Eg0。第二相邻层562的带隙EgG2可大于光学约束层530的带隙EgC。第二相邻层562的带隙EgG2可以等于多量子阱层526的最外层540的带隙Eg0。第二相邻层562的带隙EgG2可以等于第一相邻层542的带隙EgG1。中间层564的带隙EgG3可以等于光学约束层530的带隙EgC。
引导层528的厚度可以小于多量子阱层526厚度的一半。当引导层528的厚度大于多量子阱层526厚度的一半时，光学约束效应可能不足。光学约束层530的厚度可以大于多量子阱层526厚度的一半。否则，光学约束层530可能不足以将光约束到多量子阱层526。
中间层564的厚度可以小于第一相邻层542的厚度，这不会增加将光约束到多量子阱层526的效果。然而，与第二相邻层562相对的光学约束层530能够将光整体约束到多量子阱层526。因此，当在第一相邻层542和光学约束层530之间插置另一层时，获得约束效果。在一些实施方式中，光学约束层530的折射率nC、第一相邻层542的折射率nG1、第二相邻层562的折射率nG2、中间层564的折射率nG3、以及多量子阱层526的最外层540的折射率n0之间的关系如图7所示。
图8是示例性光学半导体器件的截面图。光学半导体器件可以具有包含n型InP的半导体衬底620。包括n型InP(例如，n型包层)的缓冲层622可以层叠在半导体衬底620上。光学约束层630、引导层628、多量子阱层626、p型SCH层624和p型包层644可以按照与缓冲层622接近程度的顺序层叠在缓冲层622上。光学约束层630和引导层628可以被称为n型SCH层632。
图9是示例实施例中的多量子阱层、引导层和光学约束层的能带图。
多量子阱层626可以包括未掺杂的应变InGaAlAs。多量子阱层626可以包括交替层叠的一些阱层636和一些势垒层638(例如，六对阱层636和势垒层638)。阱层636和势垒层638可以具有相同的厚度(例如，8nm)。每个势垒层638可以是未掺杂的层。多量子阱层626的最外层640(顶层和底层中的每一个)可以是势垒层638中的一个。
引导层628可以是n型半导体层(例如，厚度为40nm和/或成分波长为0.93μm的n型InGaAlAs层)。Si可以用作n型掺杂剂。引导层628的掺杂浓度和光学约束层630的掺杂浓度可以相同或不同。浓度差应适于充分施加电场。引导层628可以插置多量子阱层626和光学约束层630之间。引导层628可以包括与多量子阱层626的最外层640接触的第一相邻层642。在一些实施方式中，引导层628可以仅包括第一相邻层642。引导层628(第一相邻层642)可以具有与多量子阱层626的最外层640相同的成分波长。
第一相邻层642的带隙EgG1可以大于光学约束层630的带隙EgC。因此，在引导层628和光学约束层630之间存在能量势垒(导带中的能级差)，但是与由n型半导体层和未掺杂层之间的能量势垒导致的电子停滞相比，所导致的电子停滞较小，因为引导层628和光学约束层630是n型半导体层。这是因为，当在n型层中充分施加电场时，由于能量势垒导致的电子停滞较少，电子在引导层628和光学约束层630之间平稳运动。这降低了低频电和/或光响应特性下滚降的可能性。在一些实施方式中，第一相邻层642的带隙EgG1可以等于多量子阱层626的最外层640的带隙Eg0,因此没有形成能量势垒。
光学约束层630可以是n型半导体层(例如，厚度为80nm和/或成分波长为1.15μm的n型InGaAlAs层)。Si可以用作n型掺杂剂。
光学约束层630的带隙EgC可以小于多量子阱层626的最外层640的带隙Eg0。在InGaAlAs层中，带隙越大，折射率越小。因此，光学约束层630的折射率nC可以大于多量子阱层626的最外层640的折射率n0。如上所述，这可能会增加多量子阱层626的光学约束因子，其总体上可以改善fr或改善f3 dB带宽。
在一些实施方式中，第一相邻层642的折射率nG1可以等于多量子阱层626的最外层640的折射率n0。光学约束层630的折射率n0可以大于引导层628(第一相邻层642)的折射率nG1。
引导层628(第一相邻层642)可以接触光学约束层630。引导层628(第一相邻层642)可以比光学约束层630薄，以将光约束到多量子阱层626。
如图8所示，p型包层644按与p型SCH层624接近程度的顺序包括p型InP层666、包含p型InGaAsP的衍射光栅层648、包含p型InP的电流注入层656和p型接触层658。衍射光栅层648可以具有周期性衍射光栅结构，例如在垂直于图8所示的示例光学半导体器件的截面图的方向上的λ/4移位结构。
从p型InP层666到p型接触层658的叠层结构可以被包括在台面条纹结构610中。包含SiO2的绝缘层660可以设置成从台面条纹结构610的侧表面延伸到p型SCH层624的上表面。
上电极612可以电连接和物理连接到p型接触层658。上电极612可以具有从侧面与p型接触层658接触的Ti/Pt/Au三层结构。下电极614可以包括基于AuZn的材料。
前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。此外，这里描述的任何实现都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实现不能被组合的理由。
即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实现的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”意在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及相同项目的多个的任意组合。
除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，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”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”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、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用当只打算一个项目时，使用短语“只有一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，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)。此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下”、“下方”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方向之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同方向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年9月14日提交的日本专利申请JP2020-153686和2020年11月12日提交的JP2020-188541的优先权，其内容通过引用明确结合于此。

Claims (15)

1.一种光学半导体器件，包括:
多量子阱层，包括彼此交替重叠的一些阱层和一些势垒层，
其中每个势垒层是未掺杂层，
其中最外层是势垒层中的一个；
光学约束层，其具有的折射率大于最外层的折射率，
其中光学约束层具有的带隙小于最外层的带隙；和
引导层，插置在多量子阱层和光学约束层之间，
其中引导层包括与最外层接触的第一相邻层，并且引导层比光学约束层薄，
其中:
光学约束层和引导层中的每一个都是n型半导体层，并且
引导层的第一相邻层具有的带隙大于光学约束层的带隙。
2.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中所述引导层的第一相邻层的带隙等于所述多量子阱层的最外层的带隙。
3.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中所述引导层的第一相邻层的带隙小于所述多量子阱层的最外层的带隙。
4.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中所述引导层的第一相邻层的带隙大于所述多量子阱层的最外层的带隙。
5.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中所述引导层仅包括所述第一相邻层。
6.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中:
引导层包括与最外层接触的第一相邻层和与光学约束层接触的第二相邻层，并且
第二相邻层的带隙大于光学约束层的带隙。
7.根据权利要求6所述的光学半导体器件，其中所述第二相邻层的带隙小于所述多量子阱层的最外层的带隙。
8.根据权利要求6所述的光学半导体器件，其中所述第二相邻层的带隙等于所述多量子阱层的最外层的带隙。
9.根据权利要求6所述的光学半导体器件，其中，所述引导层还包括在所述第一相邻层和所述第二相邻层之间的至少一个中间层。
10.根据权利要求9所述的光学半导体器件，其中所述至少一个中间层具有的带隙等于所述光学约束层的带隙。
11.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中在导带中，第一相邻层和最外层之间的能级差是光学约束层和最外层之间的能级差的一半或更小。
12.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中在导带中，第一相邻层和最外层之间的能级差是光学约束层和最外层之间的能级差的三分之一或更小。
13.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中在导带中，所述第一相邻层和所述光学约束层之间的能级差为0.6eV或更小。
14.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中所述引导层的厚度是所述多量子阱层的厚度的一半或更小。
15.根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中所述光学约束层的厚度是所述多量子阱层的厚度的一半或更多。
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