CN1236534C - 光学器件或与光学器件有关的改进 - Google Patents

光学器件或与光学器件有关的改进 Download PDF

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Abstract

公开了一种安装在散热片(28；28a)上的改进光学器件(10；10a)，如包括诸如激光器、调制器、放大器、开关结构等的半导体光学器件或光-电器件。本发明提供一种光学有源器件(10；10a)，其包括具有有源区(14；14a)和设置在有源区(14；14a)的一端或多端(24，26；26a)的光学无源区(20；22)的器件体(12；12a)以及散热片(28；28a)；器件体(12；12a)和散热片(28；28a)彼此保持热联结，使得邻近有源区(14；14a)端的至少一个光学无源区(20，22；22a)的第一端设置在散热片(28；28a)的区域内，而所述至少一个光学无源区(20，22；22a)的第二端设置在散热片(28；28a)的区域外。

Description

光学器件或与光学器件有关的改进
技术领域
本发明涉及一种光学器件，具体地，但不是唯一的，涉及封装或安装半导体光学有源器件(optically active devices)或光电器件(optoelectronicdevices)，如激光器、调制器、放大器和开关结构。
背景技术
在包括有源区(active region)的半导体器件中，电流流经有源区，通过非辐射复合引起发热。为了散逸这种热量，器件被典型地粘贴/结合到散热片(heatsink)上。典型地，器件工作在结侧向下(junction side down)，通过将有源区放置为靠近散热片，来提高制冷效果。为便于耦合至器件，器件的端(面)悬伸于(overhang)散热片之上。这种构造的不利之处在于：由于缺乏导热通路导致热量堆积在面上，引起面的吸收增加，导致性能降低和潜在的雪崩光学镜像破坏(Catastrophic Optical Mirror Damage，COMD)。相反地，如果散热片比器件更长，散热片的边缘可能会截断一些发射光，并且如果像通常一样用焊料将器件结合在散热片上，出现在器件的输出端的”焊球”也会阻隔发射光。
寻求克服这些不利之处的现有技术构造是采用有源区与散热片的侧面成锐角的器件。于是器件被安放在散热片上，该散热片的长度与器件的有源区长度有效相等。这种构造减小了面上的热散逸。不幸的是，这种构造需要较高的制造公差，限制了与其它光学元件如光纤的耦合，并且不能用于具有并行排列的两个或多个有源区的器件。
本发明的至少一方面的至少一个实施例的目的是提供一种克服或减轻一个或多个上述不足之处的半导体光学器件。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供一种光学有源器件，包括：
具有有源区和从该有源区的一端延伸的第一光学无源区，所述第一光学无源区具有邻近所述有源区的内端和定义所述器件的第一面的外端；和
一保持与所述器件体热联结的散热片，所述散热片与所述有源区的至少一部分在空间上共同扩张以及与所述第一光学无源区的仅仅一部分在空间上共同扩张，使得所述器件的所述第一面悬伸于所述散热片之上。
有源区可包括光学和选择性电气有源区。
在大多数优选形式中，光学有源器件是一种半导体器件，优选由III-V半导体材料系制成，如大致工作在波长范围600～1300nm间的砷化镓(GaAs)，或大致工作在波长范围1200～1700nm间的磷化铟(InP)。例如，材料可以是AlGaAs或InGaAsP。
器件体可从激光器件(如激光二极管)选择，或从光调制器、光放大器和光开关中选择。
依据本发明包括半导体激光器件的光学有源器件具有延伸到散热片的端/边/侧外的至少一个光学无源区。依据本发明的光放大器可具有均延伸到散热片的相对端/边/侧的分别一个的外部的两个光学无源区。
优选地，半导体器件可以是独石结构。优选地，半导体器件也可生长或以别的方式形成在基板上。更优选地，半导体器件包括夹在第一(或下)光学覆盖/电荷载流子封闭层和第二(或上)光学覆盖/电荷载流子封闭层之间的有源核心层。可以理解，其中“上”和“下”为了便于说明，并不是指层的任何具体优选设置。实际上，在使用中，器件可采取反转的设置。
半导体器件可包括形成在至少第二覆盖层中的脊(ridge)(或肋)，其中，该肋在使用中可作为光波导，以便横向封闭半导体器件中的光学模式。
优选地，有源核心层可包括一种激光材料，该激光材料可包括或包含被构造为光学有源区的量子阱(QW)结构，光学有源区由脊封闭。
该/各至少一个光学无源区可以是与光学有源区一样的横向延伸。
优选地光学无源区可包括核心层中的第一组分无序材料(compositionallydisordered material)。
在改进结构中，光学有源区可以核心层中包括第二组分无序材料的横向区为横向界线。
有利地第一和第二组分无序材料大致相同。优选地组分无序材料可通过量子阱混合(Quantum Well Intermixing，QWI)技术形成。QWI技术可除去有源核心层中的量子阱的量子阱封闭。
更优选地，QWI可以是基本不含杂质。QWI区可以是“蓝漂移”(blue-shifted)的，即，在由电流泵激(pumped)的光学有源区的禁带隙(band-gap)和QWI光学无源区的禁带隙之间存在典型至少20～30meV，可能在100meV左右或更多的差异。光学无源区可具有比光学有源区更高的禁带隙能，并因此具有更低的吸收。
因此，当光学有源区被光学无源区电驱动时，限制了器件体的端的热散逸散逸。减少的热散逸使该端定位在散热片端的上方，即悬伸于散热片之上。这使器件的输入或输出光束不受阻挡，提供了至该结构的端的输入/输出光束接入以便耦合到或耦合自其它光学器件，如纤维光缆。
典型的无源区的长度可以是10～100μm左右。
优选该器件也包括接触至少部分第二层和第二覆盖层的上表面以及第一覆盖层的(下)表面或更可能基板的下表面的电接触材料的各层。接触材料之一可设置在脊的上表面。
优选散热片由高导热材料制成，如铜、金刚石、硅或氮化铝的至少部分。
优选散热片也设置为通过焊料接触或等效热接触靠着接触材料之一。
优选第二覆盖层定向为比第一覆盖层更靠近散热片。这种构造称作”结侧向下”(junction side-down)，并通过使有源区尽可能靠近散热片，提供改进的有效冷却构造。
根据本发明的第二方面，提供一种光学有源器件的形成方法，包括步骤：
(a)制造具有有源区和设置在有源区的一端或多端的光学无源区的器件体，至少一个光学无源区具有邻近所述有源区的内端和定义所述器件的第一面的外端；和
(b)将散热片和器件体定位为热联结，使所述至少一个光学无源区的所述内端设置在该散热片的区域内以及所述至少一个光学无源区的所述外端设置在该散热片的区域外，所述散热片与所述有源区的至少一部分在空间上共同扩张以及与所述第一光学无源区的仅仅一部分在空间上共同扩张使得所述器件的所述第一面悬伸于所述散热片之上。
优选步骤(a)包括：
(i)顺序形成：
第一光学覆盖/电荷载流子封闭层；
光学有源层，其中选择形成量子阱(QW)结构；和
第二光学覆盖/电荷载流子封闭层；
(ii)在有源层中形成所述或各光学无源区；以及
(iii)从至少部分第二覆盖层形成脊，以封闭有源区和至少一个光学无源区。
步骤(i)可通过现有生长技术，如分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行。
优选在步骤(ii)中，无源层可由量子阱混合(QWI)技术形成，其中可优选包括在无源区中产生空穴，或交替注入或扩散离子到无源区中，和进一步退火以产生光学有源层(其可包括激光材料)的组分无序区，该组分无序区具有比量子阱结构更大的禁带隙。因此无源区可通过量子阱混合(QWI)形成。
优选步骤(iii)可通过现有刻蚀技术，如干法或湿法刻蚀实现。
优选地散热片可固定到靠近第二覆盖层的表面。在本实施例中，在“结侧向下”的构造中，因此散热片可粘贴到脊的上表面。
优选地第一覆盖层可形成在基板上。在改型中，散热片可粘贴到基板的表面。
优选可如下进行步骤(ii)：通过产生不含杂质的空穴以及更优选地可使用破坏导引技术(damage induced technique)来实现量子阱混合。在这种技术的优选实施中，该方法可包括步骤：
利用二极管溅射器在大致氩气气氛中，在半导体激光器件材料的至少部分表面上沉积介电层，如硅石(SiO2)，以便至少引入点结构缺陷到邻近介电层的材料的部分中；
通过非溅射技术，如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，在该材料的至少另一部分表面上选择性沉积另一介电层；
退火该材料，从而将镓从该材料转移到介电材料中。这种技术在也由本申请人提出的同时未决申请”Method of Manufacturing Optical Devices andRelated Improvements”中描述，并与本申请有相同的申请日，这里将其全文作参照引用。
优选地，该方法可包括步骤：将第一和第二电接触层施加在第一覆盖层的表面上，或更优选地在基板的外表面上，以及在脊的外表面上。更优选地，第二电接触层可以设置在位于光学有源区的区域内的脊的部分上。
在本发明的又一实施例中，步骤(ii)可包括步骤；首先选择第一区和形成其中的第一组分无序材料，其次选择第二区和形成其中的第二组分无序材料。该第一和第二组分无序材料可分别提供在器件体的第一和第二端处的第一和第二无源区。
在改进结构中，该方法可包括：优选在步骤(ii)中，形成横向界定有源区的组分无序材料区。这些可有助于脊封闭器件的光学模式。
附图说明
参考附图，仅通过实例，将描述本发明的实施例，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的光学有源器件的剖面图；
图2是沿图1的光学有源器件的线X-X的剖面图；以及
图3是根据本发明第二实施例的光学有源器件的剖面图。
具体实施方式
参考图1和图2，说明了一种根据本发明第一实施例的光学有源器件，通常用标记10表示。器件10包括器件体12，在本实施例中器件体12由半导体材料制成，并定义了在其第一和第二端16、18分别以光学无源区20、22为界的光学有源区或光学增益区14。无源区20、22的外端24、26定义器件10的端或面。
散热片28与器件体12热联结，并被构造为使位于增益区14的端16、18处的无源区20、22的内端16、18设置在散热片28的区域或范围“A”内，而第二端24、26设置在区域28外(外侧)，如图1的取向所示。
这种构造设置了“悬伸”散热片28的无源区20、22。这种构造可用于诸如光放大器的光学有源器件10，其中需要在器件的输入端和输出端均接入。因此无源区20、22可作为器件10的输入/输出波导，其延伸到器件10的光学有源区的相对端24、26之外。
现在参考图2，其显示图1的器件10沿线X-X的剖面图；如图所示，器件10a是独石的，生长在基板30上。器件体12是包括基板30的层状结构，在基板30上通过现有技术如分子束外延(MBE)或分子有机化学气相沉积(MOCVD)生长了第一光学覆盖/电荷载流子封闭层36、和诸如半导体激光材料的有源/引导层32、和第二覆盖/电荷载流子封闭层34、以及也有益的半导体接触层40。
器件体12包括通过适当刻蚀技术形成在第二覆盖层34中的波导38。脊38封闭光学有源区14和光学无源区20、22(未显示)内的光束。脊38在器件10、10a的端24、26之间延伸。
在脊38朝外的表面上和基板30下设置各个电接触层41、42，用于电驱动器件10。
在本实施例的优选形式中，有源层32包括嵌入在有源层32中并被脊38封闭的量子阱结构54，增益区14位于有源层32中。
在本实施例的改进结构中，增益区14以有助于封闭增益区14的量子阱结构内的光束的量子阱混合(Quantum Well Intermixed，QWI)区50、52为横向界线。
再返回图1，有源层32内的无源区24、26包括量子阱混合区，该量子阱混合区提供比有源层32内的增益区14的量子阱结构更大的禁带隙能并因此提供更小的吸收。这样有利于当有源区14被电流泵激时，通过与用于冷却器件10的散热片28的区域热接触，提供了有源区14的端16、18的热散逸热散逸，而悬于散热片28之上的无源区20、22散逸很少的热量。无源区20、22的端24、26不会对散热片28产生任何阻挡，因此提供输入/输出耦合时至器件10的端24、26的通畅通路，如连接至其它光学器件。如图2所示，器件10构造为“结侧-向下”的结构，使得增益区14尽可能靠近散热片28。可以理解，在使用中，散热片28可以是在最下的，而(反转的)器件体12是在最上的。
在器件10中，散热片28和增益区14之间的距离很可能典型在2～5μm左右。
散热片28选择为具有良好热性能的材料。在本实施例中，散热片28主要由铜制成。然而，其它材料如金刚石、硅和氮化铝也是合适的。散热片28是焊接或其它方式粘附到接触层41。
QW混合区是图1和图2中所示的有源层32中的无源区20、22。脊38形成在增益区14和无源区20、22上方。
再参照图2，将描述根据本发明实施例由III-V半导体材料系如GaAs或InP制成的光学有源器件10的制造方法。
该方法首先是提供基板层30。在本实施例中该基板是砷化镓(GaAs)且被深度n型掺杂。在基板层30上生长第一覆盖层36。第一覆盖层36包括砷化镓铝(AlGaAs)且被n型掺杂至第一浓度。该第一覆盖层36(如具有3.0～3.5左右的折射率)的厚度典型为1～3μm。在第一覆盖层36上生长半导体光学有源层32。该有源层32也包括AlGaAs。层32基本上是本征的。该有源层32(如具有3.0～3.5左右的折射率)典型生长为几百nm厚。在有源层32内设置量子阱(QW)结构54。QW结构54典型嵌入在层32的中部。
在有源层32上生长第二覆盖层34。第二覆盖层34是具有与第一浓度相似掺杂浓度的p型。第二层34也由AlGaAs制成，其厚度、组分、和折射率与第一覆盖层36的厚度、组分、和折射率相似。因此，量子阱(QW)结构54夹在分别为n型和p型的第一覆盖层36和第二覆盖层34之间。有源层32的铝(Al)含量低于覆盖层34、36的铝含量。有源层32的折射率高于覆盖层36、34的折射率。
然后选择性QWI掩模(未显示)至少设置在待定义脊38的器件10的部分上，但留出部分(与待形成无源区20、22的重合)不被遮蔽。用于产生量子阱结构内的量子阱混合(QWI)的优选技术是利用空穴的破坏诱导技术。然而，可以理解，任何其它实现量子阱结构54和QW混合无源区20、22之间的禁带隙能差异的量子阱混合技术可用在本发明中。破坏诱导技术(damageinduced technique)需要利用二极管溅射器并在大致氩气气氛中，在半导体激光器件材料的至少部分表面上沉积介电层如硅石(SiO2)，以便至少引入点结构缺陷至邻近介电层的材料的部分中；
通过非溅射技术如等离子增强化学气相沉积(PECVD)，在该材料的至少另一部分表面上选择性沉积又一介电层；
退火该材料，从而将镓从该材料转移到介电层中。
当器件体12被退火后，当将合适的刻蚀掩模设置在定义脊38的区域上方后，通过现有刻蚀技术将位于待定义的脊38的每一侧的第二覆盖层34的部分刻蚀掉。
如图2所示，在生长器件体12时，可在第二覆盖层34上生长一终层(finallayer)40，终层40是深度掺杂p型GaAs层40。终层40作为器件体12的上接触。
分别在脊38和基板30上利用现有光刻技术形成接触金属化41、42，以便用于器件体12的电驱动。最后器件体12被固定到散热片28。
因此，图2所示剖面图的器件体12是独石型半导体有源器件。器件10的有源区14位于有源层32内并由上述的脊38封闭在量子阱结构中。
现在参照图3，显示根据本发明第二实施例的光学有源器件，通常用10a表示。器件10a具有与第一实施例的半导体器件10的相似之处，因此相同的部件用相同的附图标记表示但附加“a”。
器件10a包括具有有源区14a的器件体12a，有源区14a的一端18a以具有第一端25a的光学无源区22a为界。增益区14a的另一端16a和无源区22a的第二端26a定义器件10a的端。
散热片28a与器件体12a热联结，并被构造为使增益区14a的端16a、18a设置在散热片28a的区域A′内，而使无源区22a的第二端26a设置在散热片28a的区域A′外。
本实施例提供“悬伸”散热片28a的一个无源区22a。这种构造可用于半导体有源器件如半导体激光二极管，其中器件10a的输出端设置在端26a。
器件10a的层状结构与前面参考图1和图2描述的第一实施例相同。无源区22a是量子阱混合(QWI)区，其提供比增益区14a的QW结构更大的禁带隙能并因此提供更小的吸收。
这种构造的有利之处在于增益区14a的端16a、18a设置为与散热片28a良好热接触，同时提供至器件10a的输出端26a的通畅通路，如用于与光纤或其它器件的输出耦合。
器件10a可用与前述器件10的方法相似或相同的方法制造。
本领域内的技术人员可以理解，在不脱离本发明的保护范围下，可对前述的实施例作出改变。
可以理解，本发明的主要优点是：通过提供在光学器件端悬于散热片之上的无源区，有关器件面处发热的问题得到改善，因为该区不是有源的。本发明的另一优点是通过将确保输出/输入光束不被散热片阻挡或影响的无源区/波导伸出，使得更容易耦合至该器件。
也可以理解，在改型中，可使用掩埋异质结结构波导，而不是脊波导。而且，其它适当的波导如大光学谐振腔(LOC)、抗共振反射光学波导(ARROW)或宽光学波导(WOW)可被使用。

Claims (36)

1.一种光学有源器件，包括：
一器件体，具有有源区和从该有源区的一端延伸的第一光学无源区，所述第一光学无源区具有邻近所述有源区的内端和定义所述器件的第一面的外端；和
一保持与所述器件体热联结的散热片，所述散热片与所述有源区的至少一部分在空间上共同扩张以及与所述第一光学无源区的仅仅一部分在空间上共同扩张使得所述器件的所述第一面悬伸于所述散热片之上。
2.如权利要求1所述的光学有源器件，其中该有源区包括光学和电气有源区。
3.如权利要求1或2所述的光学有源器件，其中该光学有源器件是由III-V半导体材料系制成的半导体器件。
4.如权利要求3所述的光学有源器件，其中该III-V半导体材料系从工作在600～1300nm波长范围的砷化镓基系统和工作在1200～1700nm波长范围的磷化铟基系统中选择。
5.如权利要求1或2所述的光学有源器件，其中该器件体从激光器件、光调制器、光放大器和光开关中选择其一。
6.如权利要求1或2所述的光学有源器件，还包括从所述有源区的相对端延伸的第二光学无源区，所述第二光学无源区具有邻近所述有源区的内端和定义所述器件的第二面的外端；
所述散热片与所述第二光学无源区的仅仅一部分在空间上共同扩张使得所述器件的所述第二面悬伸于所述散热片之上。
7.如权利要求6所述的光学有源器件，其中所述第二光学无源区定义所述器件的输入面。
8.如权利要求7所述的光学有源器件，其中该光学有源器件是光放大器。
9.如权利要求3所述的光学有源器件，其中该半导体器件是生长在基板上的独石结构。
10.如权利要求3所述的光学有源器件，其中该半导体器件包括夹在第一光学覆盖层和第二光学覆盖层之间的有源核心层。
11.如权利要求10所述的光学有源器件，其中该半导体器件包括形成在至少该第二覆盖层中的脊，该脊在使用中作为光波导以便在该半导体器件中横向封闭光学模式。
12.如权利要求11所述的光学有源器件，其中该有源核心层包括一种激光材料，该激光材料包括或包含被构造为该光学有源区的量子阱结构，该光学有源区被该脊封闭。
13.如权利要求1或2所述的光学有源器件，其中该/各光学无源区与该光学有源区一样横向延伸。
14.如权利要求10所述的光学有源器件，其中该/各光学无源区包括该核心层内的第一组分无序材料。
15.如权利要求14所述的光学有源器件，其中该光学有源区以该核心层内包括第二组分无序材料的横向区为横向界线。
16.如权利要求15所述的光学有源器件，其中该第一和第二组分无序材料相同。
17.如权利要求14所述的光学有源器件，其中该第一组分无序材料通过量子阱混合技术形成。
18.如权利要求1或2所述的光学有源器件，其中该/各无源区的长度在10～100μm的范围内。
19.如权利要求10所述的光学有源器件，其中该器件也包括接触该第二覆盖层的上表面和该基板的相对表面的至少一部分的电接触材料的各层。
20.如权利要求19所述的光学有源器件，其中该接触材料之一提供在该脊的表面上。
21.如权利要求1或2所述的光学有源器件，其中该散热片由高导热性材料制成。
22.如权利要求21所述的光学有源器件，其中该高导热性材料至少部分包括铜、金刚石、硅或氮化铝中的任意。
23.如权利要求19所述的光学有源器件，其中该散热片设置为通过焊料接触靠着该接触材料之一。
24.如权利要求10所述的光学有源器件，其中该第二覆盖层定向为比该第一覆盖层更靠近该散热片。
25.一种光学有源器件的形成方法，包括步骤：
(a)制造具有有源区和设置在该有源区的一端或多端的光学无源区的器件体，至少一个光学无源区具有邻近所述有源区的内端和定义所述器件的第一面的外端；和
(b)将散热片和该器件体定位为热联结，使所述至少一个光学无源区的所述内端设置在该散热片的区域内以及所述至少一个光学无源区的所述外端设置在该散热片的区域外，所述散热片与所述有源区的至少一部分在空间上共同扩张以及与所述第一光学无源区的仅仅一部分在空间上共同扩张使得所述器件的所述第一面悬伸于所述散热片之上。
26.如权利要求25所述的光学有源器件的形成方法，其中步骤(a)包括：
(i)顺序形成：
第一光学覆盖/电荷载流子封闭层；
光学有源层，其中选择性形成量子阱结构；和
第二光学覆盖/电荷载流子封闭层；
(ii)在该有源层中形成所述或各光学无源区；以及
(iii)从至少部分该第二覆盖层形成脊，以封闭该有源区和至少一个该光学无源区；
27.如权利要求26所述的光学有源器件的形成方法，其中步骤(i)利用从分子束外延和金属有机化学气相沉积中选择的生长技术进行。
28.如权利要求26或27所述的光学有源器件的形成方法，其中在步骤(ii)中，该无源区通过量子阱混合技术形成，该量子阱混合技术包括在该无源区中产生空穴以及进一步退火以产生具有比生长的该量子阱结构更大的禁带隙的该光学有源层的组分无序区。
29.如权利要求26或27所述的光学有源器件的形成方法，其中该步骤(iii)通过刻蚀实现。
30.如权利要求26或27所述的光学有源器件的形成方法，其中该散热片被固定到邻近该第二覆盖层的表面。
31.如权利要求26或27所述的光学有源器件的形成方法，其中该方法的步骤(ii)包括步骤：
利用二极管溅射器在大致氩气气氛中，在该半导体激光器件材料的至少部分表面上沉积介电层，以便至少引入点结构缺陷到邻近该介电层的该材料的部分中；
通过非溅射技术，在该材料的至少另一部分表面上选择性沉积另一介电层；以及
退火该材料，从而将离子或原子从该材料转移到该介电层中。
32.如权利要求31所述的光学有源器件的形成方法，所述介电层由硅石构成。
33.如权利要求31所述的光学有源器件的形成方法，所述非溅射技术包括等离子体增强化学气相沉积。
34.如权利要求26或27所述的光学有源器件的形成方法，其中该方法包括将第一电接触层施加在该基板的表面上和将第二电接触层施加在该脊的相对表面上的步骤。
35.如权利要求26或27所述的光学有源器件的形成方法，其中该步骤(ii)包括首先选择第一区和形成其中的第一组分无序材料以及其次选择第二区和形成其中的第二组分无序材料的步骤，该第一和第二组分无序材料分别提供在该器件体的第一和第二端处的第一和第二无源区。
36.如权利要求25～27之一所述的光学有源器件的形成方法，其中该方法包括形成横向界定所述有源区的组分无序材料区。
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