CN1214499C - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体光学器件，例如激光器，具有一个组合光学波导，它包括与一大体上为平面的无源波导(2)光学接触的楔形MQW有源波导(1)。由组合波导支持的光学基模沿组合波导的长度而变化，这样在激光器里，激光模被增大并与单模光学纤维有更好的匹配。也揭示了一种制造这样的半导体光学器件的方法。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及一种半导体光学器件，并涉及一种制造半导体光学器件的方法，特别涉及一种适合组成与光学纤维低损耗相互连接的半导体光学器件。
背景技术
半导体器件和光学纤维已各自独立地取得了很多进展，例如用来供光学通信系统使用。半导体器件，例如激光器已取得了很大进展，并可通过考虑它们自身的特定要求来进行优化，例如对于激光器，低阈值、高带宽、窄线宽和高输出功率都是所要求的。这些要求，结合现有半导体材料所赋予的基本限制，特别是它们的折射率，意味着为了优化这些半导体光学器件的功能，很小的波导模是必要的。比较起来，对光学纤维的要求是需要损耗低，材料(色散)和波导色散低，有一定的机械性能(包括能被装卸)及被拼接的能力。尽管从多模到单模光纤的进步已明显减小了光学纤维的波导模尺寸，但实际上能被拼接的单模光纤的模尺寸要比半导体光学器件中的波导模尺寸大得多。波长为1.55μm的标准通信单模光学纤维的光斑尺寸(1/e2直径)大约是10μm，而一个典型的双异质结构半导体激光器的输出端面的光斑尺寸是1.0μm乘1.5μm。
在半导体光学器件和光学纤维的模光斑尺寸之间的极不匹配意味着两者之间的耦合效率很低，例如对于激光器和垂直端面单模光纤之间低达10％。另外，为使得半导体激光器和光学纤维之间的耦合效率达到最大，要求严格的准直公差，这将显著地增加组装半导体器件的成本。运行FTTH(光纤进入家庭)的关键性经济条件之一就是低成本组装半导体激光器的可能性。这种激光器成本的最大部分被用来组装该器件，而该成本的主要部分是需要使用亚微米的主动光纤准直技术来将光纤与半导体激光器准直。
IW Marshall发表在1986年4月第4卷第2期《英国通信技术杂志》上的《半导体激光器和单模光纤之间使用锥形透镜光纤的低损耗耦合》描述了提高半导体器件和光学纤维之间耦合效率的技术。这篇文章说明在单模光纤的末端如何形成透镜，首先将光纤拉成锥形，在熔焊机的电弧下保持拉伸，然后通过熔化锥形的尖端形成透镜。这种技术确实提高了光纤和半导体激光器之间的耦合效率，同时也明显地提高了组装这些器件的成本。除了实际做成透镜的成本外，当使用这样的透镜时，还要求比使用垂直端面光纤耦合有更高的准直公差。这是由于耦合损耗对于透镜光纤准直误差的灵敏度随着透镜半径的减小而增大，因而增加耦合效率必须以提高准直公差为代价。
提高半导体光学器件和光学纤维之间的耦合效率同时也减小在组装这些器件时对准直公差的要求一个可能的方法包括使用无源模转换器。例如在1993年欧洲光通信会议上由T.Brenner和H.Melchior提交的论文《利用InCaAsP/InP集成光学模适配器获得高效纤维波导耦合》和1992年第28卷的《电子快报》第1610-1617页由N Yoshimoto等著的《使用了InP/InAlAs多量子阱波导的光斑尺寸转换器用于低损耗单模光纤耦合》都报导了这样的器件。这种器件是无源光学元件，它们使用楔形波导区域用于单模光纤与半导体器件的光学连接，将小的半导体模转换为单模光纤大得多的模。为了避免高损耗，要求这些无源模转换器的波导参数非常平缓地变化，以便允许光学模绝热地传播。尽管这些无源模转换器的确改善了半导体器件和光学纤维之间的耦合效率，并且也增加了准直公差，但它们还包含有一个必须在半导体光学器件和光学纤维之间准直和安装的元件，因而增加了这些组装的器件的复杂度，尺寸和成本。
1990年2月《IEEE光子技术快报》第2卷第二期，TLkoch等所著《楔形波导InCaAs/InCaAsP多量子阱激光器》描述了一种具有增加输出光斑尺寸的集成无源波导的激光器。这种器件采用了一个普通的多量子阱有源层，并为获得阶梯状楔形波导而采用了若干个沿该器件长度方向上的不同点被逐次刻蚀的无源波导层。有源层与无源楔形波导间消逝场耦合，并且也采用另一个与楔形波导相隔很大距离的无源“支撑”波导。这种设计几乎不允许激光器的优化有灵活性，例如要获得与无源楔形波导高度的消逝场耦合的需要在厚度上限制了有源层。这种对有源层厚度的限制限制了激光器的高温性能。而且，使用阶梯状楔形无源波导要求大量附加的光刻步骤，因此极大地增加了器件制造的复杂度和成本。
本发明概述
按照本发明的第一方面，提供一种半导体光学器件，它包括带有第一和第二末端的组合光学波导，该组合波导包括：
半导体材料的第一光学波导区，该第一区是光学无源的，并且大体上是平面的，及
半导体材料的第二光学波导区，该第二区是光学有源的，包括多量子阱结构，并且在与第一区平面大体平行的方向上，从组合波导的第一末端到第二末端沿着第二区长度的主要部分是楔形的。
其中第一和第二区是光学接触，并且由组合波导支持的光学基模的尺寸沿组合波导的长度而变化且其中第一区沿着组合波导的长度具有大体上不变的宽度。
因此，与由koch等揭示的包括一个均匀截面的有源区和一个楔形无源区的器件相反，按照本发明的器件包括一个与一无源平面波导光学接触的楔形多量子阱有源区。这种结构使得大输出光斑尺寸的有源半导体光学器件的设计具有非常大的灵活性。例如，由于该多量子阱有源区是横向楔形，也就是在与无源波导导平面平行的方向上成楔形，因而在有源层可容许的厚度上有更大的灵活性。这种多量子阱有源层能被选择达到该器件有好的高温性能的厚度，而不会降低有源和无源波导之间的光学耦合程度。由于当有源区是楔形时它变为不是太强的波导，也由于它包括了多量子阱结构，因而导致设计上的高度灵活性。使用多量子阱结构允许在组合波导的设计中有更大的灵活性，例如，能将有源层的平均折射率保持为合理的低值。同时仍能确保在该有源区产生有效放大。多量子阱结构的出现，推进了折射率更低的有源层的使用，这使得有源区的楔形部分的长度被缩短。而且，由于多量子阱有源区的平均折射率更低，能在更大的宽度上截断该有源区，因而缩短了整个器件的长度。既然半导体器件的成本部分地与所用半导体芯片的尺寸相关，这种楔形长度的缩短将使器件成本减小。
多量子阱结构有源区的使用也方便了无源波导区的简化，而较可取的是无源区在沿着组合波导的长度上具有大体不变的宽度。
因而，本发明提供，例如一种与标准单模通信光纤的光斑尺寸更好地匹配的大光斑尺寸输出的激光器，它的其它特性，例如阈值电流，及高温性能，并没有过分地兼顾。这样的大光斑尺寸激光器与光学纤维有更高的耦合效率，并因而允许采用简单的垂直光纤尾端面，而不采用昂贵的锥形透镜光纤尾端。使用垂直光纤尾端面，与具有大光斑尺寸的激光器相结合，可以将光纤的准直公差改善到这样的程度，即能在组装工序中采用低成本的无源(即没有激光入射到光纤的有源监测)光纤准直技术。传统的半导体激光器的组件要并入一个有源冷却器件(例如peltier元件)来维持激光器芯片的温度在低的水平上，例如处于或低于室温。如果取消用于激光器芯片的有源冷却器件，就可使封装激光器的成本进一步降低。按照本发明的激光器，这是可能的，因为它们具有好的高温性能。
有利的是，截断了光学有源区的楔形部分。尽管由于光线传输到楔形经历了折射率的突变，楔形的截断的确引起了损耗，但令人吃惊的是按照本发明，这种截断损耗并没有严重地影响器件的性能。楔形截断允许楔形长度有意义地被缩短。而且相信截断楔形避免了所不希望的在有源区边界上的非辐射复合效应，由于有源区体积减小，这变得很有意义。
有利的是，在与无源区平面大体垂直的方向上光学有源区是楔形。减小光学有源区的高度及宽度将进一步减小该光学导波的强度，因而进一步增大了由复合波导提供(决定)的光学模的尺寸。使光学有源区的高度为楔形也可以减少由于楔形截断的损耗。
按照本发明的第二方面，提供了一种方法，包括步骤：
1)外延生长一个平面晶片；它包含一个在无源区之上的有源区；
2)确定一个包括有源区的第一台面；
3)在第一台面上形成一层掩膜，该掩膜的宽度窄于所述的第一台面，掩膜宽度沿掩膜长度而变化；及
4)确定一个与第一台面大体相同宽度的包括无源区的第二台面，并重新确定与掩膜相应的第一台面。
本发明的方法因而提供了一种简单的，分两步的，确定具有楔形有源区和平面无源区的组合波导结构的技术。该方法还有这样的优点：在第一和第二台面的侧面正上方容易生长光和电的限制层，例如形成掩埋型异质结构器件的反向偏置电流阻挡层。
附图简述
本发明将参照附图，通过例子来加以说明，其中：
图1所示的是根据本发明在大光斑尺寸激光器采用的组合波导结构的示意图；
图2是使用love的方法计算的临界楔形长度相对有源波导宽度的曲线图；
图3是一个16阱的多量子阱(MQW)有源层的单程损耗相对有源波导宽度截断的曲线图，该有源层位于一个0.3μm宽，0.16μm厚的无源波导之上；
图4所示的是外延生长的平面晶片；
图5a)到e)所示的是根据本发明的大光斑尺寸激光器的双台面结构生长中的各个阶段。
图6a)到d)所示的是从该器件的每个末端看到的生长双台面结构的进一步工序；
图7所示的是刻槽以及材料迁移后在适当位置已有限制层的器件；
图8所示的是经过第二阶段的再生长后的器件；
图9a)和b)所示的是从每个端面方向看已做成器件的截面示意图；
图10是根据本发明具有不同楔形长度的大光斑尺寸激光器的阈值电流作为温度函数的曲线图；
图11是表示不同楔形长度的大光斑尺寸激光器对标准垂直端面光纤的耦合效率图；
图12是表示不同楔形长度的大光斑尺寸激光器对垂直端面细芯光纤的耦合效率图；
图13是表示计算得到的带有5μm再生长的InP和掺砷硅玻璃(ASG)的7μm宽，0.07μm厚，1.1μm四元无源波导的光场分布的等场强线图；
图14是表示带有图13所示无源波导的16阱有源层器件的截断损耗对有源波导宽度的曲线图；
图15是表示带有图13所示的无源波导的16阱有源层器件根据love的方法(计算得出)的临界楔形长度图；
图16是表示带有图13所示无源波导的8阱应变有源层器件的截断损耗对有源波导宽度的曲线图；
图17是表示带有图13所示无源波导的8阱应变有源层器件根据love的方法(计算得到)的临界楔形长度。
图18是表示与根据love的方法的临界楔形长度相比较，楔形长度为60μm的线性楔形和三段楔形的楔形分布图；
图19是计算得到的10μm芯径单模光纤和带有7μm宽，700A厚无源区的大光斑尺寸激光器的场强分布图；
图20是对于带有8阱MQW有源区和7μm宽，700A厚的无源区的大光斑尺寸激光器，测量得到的与10μm纤芯垂直端面光纤的耦合损耗作为楔形长度函数的曲线图，测量是在50mA驱动电流及20℃下进行的；及
图21是对于带有8阱MQW有源区和5μm宽，800A厚的无源区的大光斑尺寸激光器，测量得到的与10μm纤芯垂直端面光纤的耦合损耗作为楔形长度函数的曲线图；测量是在50mA驱动电流及20℃下进行的。
本发明的详细说明
本发明典型的实施例是一个大光斑尺寸激光器，尽管人们懂得本发明可以有优越性地应用于任何半导体光学器件，以及某些可能要求光学有源区的两个末端做成楔形的器件，例如光学放大器。
在设计大光斑尺寸激光器时，大量的，有时是冲突的设计要求需要考虑。无源波导应当具有与激光模入射的波导，例如光学纤维或ASG(掺砷硅玻璃)波导的光斑尺寸良好匹配的光斑尺寸。为了不引起过多的损耗，楔形有源区需要做成足够平缓的楔形，但为了使器件具有合理长度，又需要做成足够陡削的楔形。在说明大光斑尺寸的激光器和最终器件的性能之前，将讨论这些设计要求的理论基础。
参照图1，组合波导结构包括MQW(多量子阱)有源波导1和无源平面波导2，有源波导由定宽部分3和楔形部分4组成。
首先讨论无源波导2的设计。使用有限差分程序设计将无源波导结构2成型，这种设计显示0.16μm厚乘3.0μm宽的无源波导会给出3.8μm乘2.6μm的光斑尺寸。其中光斑尺寸按导波模强度的1/e2来计量。结果表明对于无源波导这种结构是好的选择，这是由于它的光斑尺寸与垂直端面细芯光纤和ASG波导(具有大约3.5μm的光斑尺寸)均有很好的匹配。这种选择对于无源波导2相当宽范围的材料波长，因而，也即相当宽范围的折射率都是适用的。主要的要求是无源波导2的材料波长应当比有源区1的材料波长短，以确保低损耗。缩短无源波导2的波长，也即减小其折射率将允许其厚度增加，从而给出一定的设计宽容度。为了有效地与单模光学纤维耦合，无源波导应当具有的厚度和折射率要确保它在运行的波长上保持单模。
无源波导2的长度应当大于有源波导1的长度，这样在经过楔形有源波导的末端以后，组合波导模在达到器件的前端面之前即被“稳定下来”。这正是所希望的，因为处在楔形区被截断点的模光斑尺寸一般要比由无源区支持的波导模小。因为一旦光模从楔形区穿越到无源区，在所述区域的界面处会发生一些损耗，光模将缓慢扩张并发展为无源波导模。要求获得这种结果的无源区长度依赖于有源和无源波导两者的设计。
现在转向讨论有源波导1的设计，特别是楔形部分4的长度，用来计算所要求的楔形长度的方法是建立在计算光学纤维的临界锥形长度的love方法上的近似(参见JD love，W M Henry，W J Stewant，R J Black，S Lacroix和F Gonthier所著《锥形单模纤维及器件，第一部分：绝热准则》，IEE会议文集，1991年，第138卷，第5期，PP343-353)。该方法是从如果损耗要小局部楔形长度必须要大于基模和主耦合模之间的耦合长度这一物理论断引伸出来的。局部楔形角由S2(Z)＝tan-1|dp/dz|来定义，其中z是沿楔形的距离，P＝P(Z)是局部波导半径。在这种近似方法中，局部半径ρ由局部有源半宽度w来代替。基模和次模之间的耦合长度被取作差拍长度zb。其中
           Zb＝2II/(β1-β2)     (1)并且β1和β2是各自的传播常数。因而局部楔形角由
           Ω＝W(n1-n2)/2λ      (2)给出，其中n1和n2是波导模的有效折射率，并且如果波导设计为单模的话则其中的n2是衬底的的折射率。S2在全部有源宽度上积分给出临界楔形长度Zc。若楔形长度＞＞Zc则损耗将会很小并能认楔形为绝热的。而若楔形长度＜＜Zc将有大量损耗引入衬底中。
图2给出了相对于有源波导1的不同宽度计算出的临界楔形长度。从图上可以看出：当有源波导宽度减小时，特别当它趋近于0时，绝热模式传播所要求的楔形长度迅速增加。因而重要的是评估一下有源宽度楔形化直到0宽度之前便被截断时，组合波导结构的损耗。这种截断损耗可通过运用无源波导模和在特定源宽度的楔形波导中的模之间的重叠积分来计算。这些积分所要求的场断面可使用有限差分方法得到。图3绘出了这一计算的结果并可看出如果在截断前有源波导宽度减小到0.3μm则单程损耗为＜1dB。应当指出这些损耗值是在假设波导楔形一直到截断点都是绝热的情况下得到的。
有源波导的非楔形部分3所要求的长度取决于有源区的设计和楔形4的长度。当来自有源区的有效增益增加时，或楔形部分4的长度增加时，非楔形区3要求的长度减小。在多量子阱激光器中，通过增加阱的数目能够增加来自有源区的有效增益量。这具有减小特定阈电流所要求的器件长度的效果。很清楚，有源区的楔部分4的长度增加时，所要求的非楔形部分3的长度将减小，且应当指出如有很长的楔形长度，例如800μm，则可以根本不需要有源区的非楔形部分3。
与体材料半导体有源区相反，采用MQW结构有源区的另一优点是这种有源区的平均折射率与体材料有源区相比较能被减小。这能使有源区折射率更接近无源波导的折射率，具有在有源区末端的组合模经受更低损耗的效果。
现在说明大光斑尺寸激光器的制造。大光斑尺寸激光器的制造工序表如下：
1    生长平面晶片
2    确定第一，宽台面
3    确定第二楔形台面
4    刻出有源层，热处理以引起材料迁移并进行限制层的第一阶段再生长
5    脱氧
6    进行第二阶段再生长
7    确定三个台面
8    确定接触窗
9    薄化到90μm
10   沉积p侧金属
11   沉积n侧金属
参照图4，平面晶片用传统的MOVPE技术来生长，包括n掺杂InP衬底5，n掺杂InP过渡层6，1.1μm的或n掺杂或不掺杂的四元无源波导层7，n掺杂InP间隔层8，有源层9，及P掺杂InP顶层。这些层的更详细情况由表1给出。
                       表1
层 成分 厚度 掺杂
盖层     InP     0.2μm   P5-7e17
顶层SCH     1.3Q     100A   标称未掺杂
MQW有源层   见下文说明     0.268μm   标称未掺杂
底层SCH     1.3Q     100A   标称未掺杂
间隔层     InP     0.2μm   n1-2e18
无源层     1.1Q     0.16μm   n1-2e18
过渡层     InP     3μm   n1-2e18
衬底     InP     300μm   n1-2e18
其中术语SCH指分隔限制式异质结构。MQW有源层由16个80A厚的InGaAs阱组成，用15个80A 1.3Q的阻挡层隔开，并在1.55μm波长上具有3.477的平均折射率(可对比设计在1.55μm产生激光的有源体材料的折射率为3.56)。
由于无源波导是相当弱的波导，因而衬底和过渡层的掺杂是匹配的，以便阻止光能量被发送到衬底模中。
一旦平面晶片用MOVPE生长而成，则利用CVD(化学气相沉积)来沉积硅化物层并通过光刻和在10％的HF缓冲溶液里刻蚀来确定掩膜11(如图5所示)。该硅化物掩膜确定无源平面波导2的最终宽度。无源波导2的尺寸由所要求的波导性能决定，对于这里所述的大光斑尺寸激光器，无源波导2具有3μm的定宽，并沿器件的整体长度延伸。然后将宽的第一台面刻蚀到有源区9的底部，如图5b所示。首先使用15％的甲烷/氢活性离子刻蚀法(RIE)对该台面干法刻蚀，一直到有源层9的基面下0.1μm的深度。然后在3∶1∶1(硫酸∶过氧化氢∶水)里对该台面湿法刻蚀到有源层9的底部。这种刻蚀剂是选择性的并在InP间隔层8的顶部停止。平面晶片的平面图，如图5C所示，显示了该第一台面的定宽。然后进行第二阶段的硅化物沉积，光刻和蚀刻，给出楔形掩膜12，如图5d和e所示。该掩膜12确定了有源层9的最终宽度。现在先采用干法刻蚀再采用湿法刻蚀对楔形第二台面刻蚀，同对第一台面一样。刻蚀详情同上。间隔层8和无源波导7的厚度等于或小于台面被干法刻蚀的深度。这确保无源波导被完全刻蚀透，这是由于3∶1∶1刻蚀剂的刻蚀率强烈依赖于波导的组分，并且当材料波长被缩短时它就减小。除了在掩膜12的两侧从InP顶层10和有源层9上去掉材料，这种刻蚀同时也在宽度一致的第一台面的两侧从间隔层8和无源层7上去掉材料。以这种方式形成了阶梯状结构，如图6a所示。图6a所示是从图1中方向18看过去器件的横断面示意图，而图6b所示是从图1中方向19看过去的同一器件的横断面示意图。掩膜12的楔形末端已被截断，这从图5e可以出，因而在图6b所示的器件的末端19处，有源层9和InP顶层10都已被刻蚀掉。
然后运用仅浸蚀有源层9的刻蚀剂对有源层9“刻槽口”(如图6c所示)合适的刻蚀剂由比例为3∶1∶1的硫酸、过氧化氢和水组成。相信有源层9的这种“刻槽”可以在有源层9的侧面上提供清洁、新鲜的表面，这有利于随后的处理步骤。
为了引起材料迁移，然后在磷化氢的过压力下将整个器件加热到大约700℃保持20分钟。这种处理将图6c中的台面形状变为图7a中的形状，并在有源区的边上覆盖上了InP。
如图7所示，在楔形有源台面1的顶部生长光和电的限制层13和14。第一限制层13由厚0.5μm浓度为7-8e17的P型InP组成，而第二限制层14由厚0.4μm掺杂浓度1-2e18的n型InP组成。这些限制层13和14将带电载流子和由这些载流子复合产生的光子限制到有源层9中。
最后，器件再生长1.0μm厚7-8e17掺杂浓度的P型InP，随后再生长构成层15的的1.5μm的1-2e18的P型InP及构成接触层16的0.1μm的掺杂浓度大于1e19的P型InGaAs。
摹制接触层16，沉积硅掩膜17及在掩膜17上用传统方式确定接触窗。通过沉积P和n侧钛金金属接触完成该器件。图9所示的是已完成的器件的横断面示意图，图9a是从方向18看过去的横断面而图9b是从方向19看过去的横断面。
使用带有不同楔形长度4的楔形掩膜12，已制作了大量大光斑尺寸激光器。所采用的楔形长度是60μm，180μm，400μm及800μm。使用了两种楔形轮廓的掩膜，一种是线性楔形而另一种接近于图2所示的临界楔形长度曲线的三段楔形。
所采用的三段楔形的尺寸由表2给出，并且图18显示了60μm楔形长度的三段楔形，以及60μm线性楔形轮廓线和60μm的临界楔形长度曲线。
                        表2
              楔形部分长度(单位μm)
    有源区宽度(单位μm) 60μms楔形 180μm楔形 400μm楔形 800μm楔形
    1.0-0.6     14     42     92     185
    0.6-0.4     20     60     134     265
    0.4-0.3     26     78     174     350
大光斑尺寸激光器的性能是好的，与传统激光器相比，短楔形长度激光器在阈值电流上仅有小的增高。不同楔形长度器件的阈值电流作为温度的函数显示在图10中，同样也显示了一个传统的非楔形激光器的情形。从图10可以看出所有器件都能工作到高温，例如70℃下。
这些大斑光尺寸激光器和垂直端面光纤之间的耦合测试表明与传统激光器相比有了重大改进。与标准8-9μm芯径光学纤维的耦合测试显示在图11中，而与细芯光纤的耦合显示在图12中。对标准光纤获得的结果表明对于800μm楔形器件耦合损耗低达4.5dB，这表明比非楔形器件在平均耦合强度上有5到6dB的改进，可以看出线性和3段楔形器件的性能是差不多的，也可以看出当楔形长度从60μm增加到800μm时，耦合仅有小的增加。这种器件的普通光斑尺寸从≈1μm增加到≈3μm(强度1/e2)意味着同非楔形器件相比对楔形器件观测不到准直公差上的改进。为了提高与垂直端面光纤的准直公差，器件的光斑尺寸要求进一步增大。然而与透镜末端光纤不同，使用垂直端面光纤将3dB准直公差从±5μm增加到±3.5μm。
由于激光光斑尺寸与细芯光纤的光斑尺寸有更好的匹配，因而与细芯光纤(1/e2≈2.0μm)耦合获得了更好的结果(如图12所示)。在这种情况下，可以看出已获得了达到-1.5dB的平均耦合效率。楔形器件与这种细芯光纤的3dB准直公差是±2.0μm。
为了进一步改进大光斑尺寸激光器和光学纤维之间的耦合损耗，要求器件的光斑尺寸与垂直端面标准单模光纤更好地匹配。已进行的设计工作和实验工作都表明制作这样的器件是可行的。
如果激光器的光斑尺寸增加到≈8μm，它将与标准单模光纤的模尺寸紧密匹配。这可以允许在与垂直端面标准单模光纤耦合时得到1dB或更小的损耗。面临的首要问题之一是大光斑尺寸的后果。设计一个将给出8μm乘8μm的光斑的无源波导相对容易，而制作一个带有它的器件却不那么容易。如果在垂直轴方向上的场不被扭曲这样的结构将要求在波导范围内生长≈8μm的InP。由于容易再生长的最大厚度是≈5μm，这将垂直高度限制在比这更小。而在水平光斑尺寸上没有这样的约束。因而选择1.1μm四元7μm宽乘0.07μm厚的波导作为无源波导，这是由于它给出的8μm宽乘5μm高的光斑的指标和断面实际上不受有限的再生长厚度的影响。使用一种可变网格坐标有限元方法对这种结构进行计算，这种结构的电场的等值图显示在图13中。
最初制作的上层有源波导结构是一个16阱MQW有源区。使用love的方法计算要求的楔形长度并发现楔形长度实际上与图2所示的一致。然而发现由于较大的模扩展在截断点的单程损耗要比预先计算的大得多(风图14)。这些结果表明如果要保持这一损耗足够的低，有源宽度需要在截断前减小到0.1μm。这极大地增加了所要求楔形长度(见图15)，示意超过600μm的临界楔形长度将是需要的，要大大增加器件长度和缩紧所要求的有源宽度公差。
为改进有源宽度公差，在理论上和实际上对减小有源厚度的效果进行了研究。选择了8阱应变MQW有源区，这是由于已知这种结构有好的高温性能。可参见，例如Nobuhara H，Tanaka K，Yamamoto T，Machida T，FujiT及Wakoo K著《具有低阈值电流的InGaAs/InGaAsP压缩应变QW激光器的高温运行》，IEEE光子技术快报，1993，5，(9)，PP.961-962，或Nanegaya T，Kasukawa A，Iwai N及Kikuta T所著《1.3μm GaInAsP/InP GRINSCH应变层量子阱激光器的高温运行》，电子快报，1993年，29，(4)，PP.392-393。
用在8阱器件的平面设计同16阱器件的类似。使用大气压MOVPE在n掺杂InP衬底上外延生长该平面，并包括：3μm厚n掺杂InP过渡层，0.16μm厚n掺杂1.1μm波长四元波导，0.2μm厚P掺杂InP盖层。MQW有源层由In0.84Ga0.16As0.68P0.32的8阱组成，它相对InP有+1％的晶格失配并有70A的正常阱厚。同时底相比较140A厚1.3μm波长四元阻挡层可应变-0.5％以补偿阱中的应变。MQW有源层在1.55μm波长处有3.447的平均折射率。MQW结构由与阻挡层同样成分和应变的100A厚SCH所包围。然后器件被做成如上述的BH激光器。
表3所示是非应变16阱和应变8阱低阈值器件在20℃阈值电流的比较。可以看出8阱器件的室温阈值电流。小于16阱器件阈值电流的一半，8阱器件的阈值电流在温度升高时保持低值，楔形长度为60μm和180μm的器件在80℃，图2，观测到≈15mA而非楔形300μm长的器件的阈值≈13mA。
                                表3
器件类型                      楔形长度
 无  60μm  180μm     400μm     800μm
  非应变16阱MQW  8.5mA  11.5mA  12.6mA     14.0mA     20.7mA
应变8阱MQW  4.2mA  4.8mA  4.9mA     5.8mA     7.0mA
非应变16阱和应变8阱MQW激光器在20℃的阈值电流做为楔形长度函数的比较，所用器件具有300μm长的非楔形有源部分。
有源层厚度因而从16阱的≈0.27μm减小到8阱有源层的≈0.17μm。在波导设计上的这些变化减小了作为有源宽度函数的理论上所计算的截断损耗(见图16)，并允许截断宽度增加到0.2μm。然而由于波导模和衬底模之间的折射率差异更小，作为有源宽度函数的楔形长度必须增加(见图17)。对于器件，这种情况的净效果就是在楔形长度上有小的减少，到≈500μm。该器件经计算具有的横向电场模尺寸与10μm芯径的垂直端面光纤的相等，见图19。使用可变网格有限差分方法来计算模尺寸。经计算得到的计算场之间的重叠说明应存在0.7dB的耦合损耗。已制做成的器件经测试具有的耦合损耗，对800μm楔形器件最小为1.8dB，见图20。测试得到的耦合损耗较高是由于模型低估了器件的横向模尺寸。然而这种低耦合效率的结果给出了更大的准直公差。实验上测得的横向3dB准直公差是±5.5μm，而不是理论上所预计的3.5μm。可以看出准直公差的提高是有利的因为它增加了无源准直的容易程度。测得的该器件的5.5°乘10°的远场FWHM(10μm垂直端面光纤在1.55μm波长有≈7.5°的FWHM)确认了模过大的事实。为了略微地减小这种过大的模，已制作了无源波导各有增强的器件。该器件具有5μm宽乘800A厚的无源区，同时仍保留8阱MQW有源区。从图21可以看出，对于800μm楔形器件，这导致了将耦合损耗进一步减小到≈1.2dB。

Claims (24)

1、一种包括组合光学波导(1，2)的半导体光学器件，该组合波导包括：
第一和第二末端面(18，19)，
半导体材料的第一光学波导区(2)，该第一区(2)是光学无源的，并且是平面的，及
半导体材料的第二光学波导区(1)，该第二区(1)是光学有源的，并且在与第一区(2)之平面平行的方向上，沿着第二区(1)之长度的主要部分是楔形的；
其中，第一和第二区(2，1)是光学接触，且其中第一区(2)沿着组合波导的长度具有不变的宽度，其中，由组合波导支持的光学基模的尺寸沿着组合波导(1，2)的长度而增大，
其特征在于，第二区(1)包括多量子阱结构。
2、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第一光学无源区(2)沿组合波导(1，2)的长度具有不变的截面。
3、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第一光学无源区(2)沿组合波导(1，2)的长度具有矩形截面。
4、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，多量子阱结构包括至少8个量子阱。
5、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，多量子阱结构包括至少16个量子阱。
6、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，由于阻挡层和阱半导体材料之间的晶格不匹配，多量子阱结构是应变的。
7、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第一光学无源区(2)超出第二光学有源区(1)向组合波导的第二末端(19)延伸。
8、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第一区(2)的长度大于第二区(1)之楔形部分的长度。
9、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)沿着它长度的至少5％是楔形(4)。
10、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)沿着它长度的至少10％是楔形(4)。
11、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)沿着它长度的至少80％是楔形(4)。
12、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)实质上沿着它的整个长度是楔形(4)。
13、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)的楔形部分(14)被截断。
14、如权利要求13所述的半导体光学器件，其中，楔形光学有源区(4)之被截断的末端宽度至少为0.1μm。
15、如权利要求14所述的半导体光学器件，其中，楔形光学有源区(4)之被截断的末端宽度至少为0.3μm。
16、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)是线性楔形。
17、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第二光学有源区(1)的半导体材料的材料波长大于第一光学无源区(2)的半导体材料的材料波长。
18、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第一光学无源区(2)的厚度是在0.01μm到0.4μm的范围之内。
19、如权利要求1所述的半导体光学器件，其中，第一光学无源区(2)的宽度是在2μm到8μm的范围之内。
20、如上述任一项权利要求所述的半导体器件，包括一种掩埋型异质结构激光器。
21、一种用于制造根据权利要求1之半导体光学器件的方法，该方法包括下列步骤：
1)在衬底(5)上外延生长一平面晶片，该晶片包括一个在光学波导无源区(7)之上的光学波导有源区(9)；
2)确定一个包括光学波导有源区(9)的第一台面；
3)在第一台面上形成一层掩膜(12)，该掩膜(12)的宽度窄于所述的第一台面，掩膜宽度沿着掩膜(12)之长度而变化，及
4)确定一个与第一台面大体相同宽度的第二台面，所述第二台面的宽度沿其长度是不变的，该第二台面由光学波导无源区(7)构成，并重新确定与掩膜(12)相应的第一台面。
22、如权利要求21所述的用于制造半导体光学器件的方法，进一步包括下列进一步的步骤：
5)用选择性刻蚀剂刻蚀减小有源区(9)的宽度；及
6)进行充分的热处理以引起材料迁移。
23、如权利要求21所述的用于制造半导体光学器件的方法，进一步包括下列步骤：
7)进行第一阶段再生长以便沿所述第一和第二台面的两侧形成光和电的限制层(13，14)；及
8)在第一和第二台面之上进行第二阶段再生长。
24、如权利要求21到23中的任何一个所述的用于制造半导体光学器件的方法，其中步骤1)，7)或8)中的任何一步使用金属有机气相外延进行。
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