CN1285969A - 带扭折抑制层的半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

这项发明揭示了一种扭折抑制技术,采用该技术分布式反馈激光二极管的谐振腔的光学特征受到控制,以便优先防止高阶横向模的形成。这导致扭折功率的提高并因此导致有用的器件功率范围。具体地说,光学层(优选硅或钛)被沿着光轴安排在脊两侧经过蚀刻的上覆层上。

Description

带扭折抑制层的半导体激光器
相关的专利申请
这项申请是美国专利申请第09/002,151号(1997年12月31日申请)的继续申请，在此通过引证将其全部教导并入本文。
本发明的现有技术
半导体激光器件(如脊形波导激光器和激光放大器)被用在许多通信系统中。在它们的制造和包装方面日渐精致，已经导致一类器件，它们具有可接受的性能特征和得到充分理解的长期使用性能。此外，与更复杂的构造(例如基于埋置异质结构的构造)相比，这种脊形波导结构在制造上不太复杂并且具有极好的得率。
在大多数应用中，使激光器或放大器的有用负载功率最大是主要的设计标准。在长距离的通信应用中，器件的功率输出规定到下一个中继级的距离，而给定的链路中的级数在该链路的初期投资和随后的维护中是主要费用因素。
激光器件的有用负载功率在许多应用中受功率/电流相依关系中高于激光阀值的“扭折”(Kink)的限制，而弱导向的半导体器件(如脊形波导激光器)对这些扭折是特别敏感的。扭折的定义变化相当大，但是它通常与所述阀值上方的偏离线性相依关系大约20％相对应。
已经有人提出许多不同的理论，以便解释在功率/电流相依关系中的扭折。这些理论在下述范围内是意见一致的，即在影响总光学输出的较高的电流下似乎存在本征模空间的偏移和/或该输出怎样与光纤传输媒体耦合等方面是意见一致的。
虽然存在理论的不确定性，但是实验已经证明对于给定的激光器件扭折功率在很大程度上取决于它的谐振腔特征，例如谐振腔的尺寸和折射指数以及它们的分布曲线。例如，在弱引导的砷化镓脊形波导器件的情况下，谐振腔的特征部分地是由覆层参数确定的。遗憾的是，这些覆层参数和用于定义这些参数的制造工艺很难以对于所有的晶片和所有的器件都是最佳的单谐振腔设计所要求的精度来进行控制的。
为了对这些不能高精度控制的参数进行补偿，脊形波导器件必须对每个基本晶片进行优化，以便获得可接受的扭折功率性能。测量晶片之间的变异，然后把获得的信息用于个别地考虑晶片的工艺。
本发明的概述
晶片逐片对比地优化制造工艺成本高而且产量低，这是因为通过检验，大量的晶片被淘汰。此外，制造工艺所要求的允差通常超出标准工艺的能力。因此，即使在适当地完成优化时，就大多数晶片器件而言，扭折功率性能仍然是不可接受的而且分布范围宽广，从而进一步降低产量。
按照本发明，脊形波导半导体的传统构造得到改进，以便引人注目地降低扭折功率对谐振腔的特征，特别是对脊的几何形状的依赖性。这是通过添加毗邻或接近脊的材料的光学层实现的，该光学层的作用是抑制功率/电流相依关系中的扭折。具体地说，业已证明包括这个光学层将使平均扭折功率增加80mW，使扭折功率变化减少50％，并且使横向远场张角减少40％。
抑制扭折的光学层通过吸收和修改需要的振荡主模与不需要的高阶横向谐振腔模所经历的有效指数的综合作用，控制激光模式和优化扭折功率。尽管这些潜在的贡献究竟哪个更重要很难界定，但是我们认为吸收占主导地位。此外，应力、导热性和波导几何学方面的变化可能也对本发明的性能产生有利的作用。
某些研究人员已经建立这样的理论，即弱引导脊形激光器件中的扭折是振荡主模与某个高阶模锁相的结果。这导致这两个模相结合的新本征模。这种锁相发生在这两个模的传播常数由于与驱动电流相关的热或其它干扰而退化的时候。本发明通过修改振荡主模和高阶模的传播常数，抑制这种锁相也是可能的。因此，在某些情况下为了获得观察到的结果可能不需要在光学层中存在充分的吸收作用。
一般的说，一方面本发明以半导体激光器件为特征。它包括具有数个膜层(优选外延膜层)的半导体基材，其中包括上覆层、下覆层和夹在两者中间的活性层。刻面沿着光轴定位在该器件相对的两端，而脊是按光轴方向在上覆层上形成的。扭折抑制层沿着光轴安排，并相对覆层取向，以降低扭折功率对谐振腔特征的依赖性。
在特定的实施方案中，扭折抑制层沿着光模区域外围被横向截短，并且优选包括两个部分，在脊的两侧一边一个。
用于扭折抑制层的候选材料是根据(1)激光波长下的复数折射指数、(2)对可靠性产生不利影响的可能性和(3)是否容易淀积进行评价的。在优选实施方案中，扭折抑制层包括硅。硅具有的折射指数为3.65、吸收系数为100cm-1。这可与氮化硅钝化层、上覆层和横模(transverse mode)的折射指数相匹敌，它们分别是2.0、3.38和3.39。因此，硅具有适合优选结构的合理的指数匹配和所需的吸收。此外，它已经被用作n型掺杂物和用于各种激光器的刻面涂层材料。所以，对可靠性的担心是最少的。钛是另一种极好的候选材料，其折射指数为3.35、损耗为500,000cm-1，并且作为用于形成触点和高反射系数刻面涂层的金属膜的粘接层普遍使用。其它可能的材料包括但不限于镓和锗。
另一方面，本发明以制造半导体激光器件的方法为特征。该方法包括形成一系列典型的外延膜层，包括下覆层、活性层和上覆层。然后，在上覆层上形成脊。接下来，使扭折抑制层相对该覆层和活性层取向以减少扭折功率对脊的尺寸或谐振腔特征的依赖性。
在优选实施方案中，脊是通过在按照光轴方向延伸的光敏抗蚀带的两侧蚀刻上覆层形成的。然后，将该光敏抗蚀带作为淀积扭折抑制层时的保护层使用。
这种优选工艺至关重要的优点是：可以采用简单的标准薄膜淀积技术(如电子束蒸发和溅射淀积工艺)淀积扭折抑制层。为了控制模式特征，已经在有选择地蚀刻晶片之后采用再生长技术(如MBE、MOCVD和LPE)制成更复杂的结构。这种过度生长在AlGaAs结构上是难以实现的，特别是象在该优选实施方案中那样，在外延层中铝含量可能超过10％的情况下。
此外，这种优选的工艺允许使用简单的但对温度敏感(即低于150℃)的光刻胶掩膜，并且不需要在再生长工艺中遇到的升高的温度(通常高于300℃)。此外，在优选实施方案中，这种工艺是一种自动对准触点工艺，因为用于扭折抑制层的掩膜光刻胶与蚀刻脊期间使用的光刻胶是相同的。
现在，将参照附图更具体地介绍本发明的上述和其它特征(包括各种各样的新颖的结构细节和诸部分的组合)以及其它优点，并且将在权利要求书中指出这些特征和优点。应当理解，体现本发明的特定方法和器件是为了说明的目的而不是作为对本发明的限制。这项发明的原理和特征可以在不脱离本发明的范围的情况下被用于各种各样的实施方案。
附图简要说明
在这些附图中，相同的参考字符在不同的视图中指的是同一部分。这些附图没有必要按比例绘制，而是把重点放在图解说明本发明的原理上。
图1是展示按照本发明的半导体激光器件的透视图。
图2是半导体激光器件的剖面图，它图解说明模强度分布。
图3至图6是图解说明按照本发明制造半导体激光器件的工艺步骤。
图7是在本发明的器件中取自脊的实际横截面图象。
图8是相对于扭折功率的器件产量曲线，其中包括常规器件(虚线)和带本发明的扭折抑制层的器件(实线)。
图9是横向远场累积分布曲线，它说明就试装器件而言横向远场张角优于给定值的器件的百分比。
图10和图11图解说明按照本发明的另一个实施方案制造本发明的半导体激光器件的工艺步骤。
本发明的详细叙述
图1是按照本发明的原理构成的980nm半导体激光器件10的透视图。
器件10是在基材100上构成的。在优选实施方案中，它是砷化镓(GaAs)。该基材具有外延的上覆层和下覆层105、110，它们也优选由GaAs构成，但包含不同量的铝，因此形成AlGaAs。这些膜层在活性层115周围被分成p型区(105)和n型区(110)，其中活性层优选是非掺杂的砷化铟镓(InGaAs)单量子阱(SQW)。
在其它实施方案中，采用不同的材料组合。例如，带AlGaInAs外延层的InP基材是另外一种选择。
在任何情况下，最终的分层结构都把在活性层中产生的光线的主体限制在包括活性层和覆层的谐振腔内。正刻面的抗反射涂层122和背刻面的强反射涂层124决定激光器的谐振腔沿着光轴120的程度。另外，可以使用不同的涂层组合，包括提高正刻面的反射率。
在优选实施方案中，半导体激光器件是脊形波导结构。脊125是按照光轴120的方向在上覆层105上形成的，例如通过蚀刻。脊周围的区域用钝化层316覆盖，脊的顶部除外。传导层130包括GaAs接触层和金属电极，以便与脊顶形成良好的欧姆接触。
定位在脊125的两侧的是两个比较大的金属p接触区140，它们接到引线上并且沿着器件的轴线传导电流，然后经传导层130向下传导使电流通过脊的中心。这样将保证电流通过脊125注入活性层115。在一种实现中，该器件的总尺寸大约为300微米宽、150微米高、750微米长。
按照本发明，有一个扭折抑制层在上覆层105的经过蚀刻的上表面上，并因此在钝化层316的下面。优选的是，这个扭折抑制层是无定形硅层，它是在光轴120的两侧在脊125的顶部之下、活性层115之上形成两个部分或两翼135A、135B。每个部分135A和135B都沿着光轴120纵向延伸，优选延伸整个谐振腔的长度。这两部分在垂直于活性层115并包括光轴120的平面两侧被横向截短。这两部分终止于光模区155的边界，95％以上的振荡主模的光强度在该光模区中传播。
图2是垂直于光轴120截取的脊125和覆层105、110的剖视图。正象图2左侧的曲线所展示的那样，线性的分级指数-分开限制异质结构-单量子阱(GRIN-SCH-SQW)的指数分布曲线170(the linear graded index-separate confinement heterostructure-single quantum well index profile)仅仅在活性层115周围的小范围内存在。但是基本横模的强度分布曲线175却分布在宽得多的范围内，本质上延伸到脊125中。
横向振荡主模的强度分布曲线180被叠合在图2上。该曲线表明大部分振荡主模的能量集中在光轴120的周围。反之，下一个高阶横向模强度(用参考数字185指出)在光轴120附近为零，但在扭折抑制层135A、135B附近达到最大值。相继的数个高阶横向模逐渐变宽，与扭折抑制层135A、135B交迭到越来越大的程度，因此经历逐渐增高的光学效果。
从理论上说，扭折抑制层影响扭折功率途经是把光学损失加到高阶横向模或非赫密特-高斯模上以阻止它们的形成和谐振。这使本征模空间扩充到均一地、较高的输入电流。
在选定扭折抑制层的几何形状时，需要的振荡主模所经历的损失应当减少到最小，同时使高阶模(特别是下一个高阶模)所经历的损失变得最大。就振荡主模而言，可接受的损失是在没有扭折抑制层时所经历的损失的0.01至1倍，优选的数值是名义损失的0.1倍。
在一个实施方案中，扭折抑制层的横向截短和厚度受到控制，以致1.5％的基本横模能量、5.7％的基本横向模能量和30.6％的下一个高阶横向模与抑制层135A、135B交迭。因此，由该膜层导致的损失大约为1/cm，而就没有扭折抑制层的谐振腔设计而言典型的数值为20/cm。我们希望下一个高阶横向模由于该膜层经历6/cm的额外损失。这些数值被用在实施本发明的设计中，但受某些不确定性的支配。
图3至图6图解说明按照本发明的原理形成半导体激光器件的工艺。
图3是部分完成的激光器件的横截面。在基材100上形成的指数线性分级的覆层105、110夹着SQW活性层115。在优选实施方案中，膜层105、110是利用金属束外延(MBE)相继形成的，虽然其它方法(如MOCVD和CBE)也可以使用。
然后，将光敏抗蚀带310淀积在上覆层105上的待形成脊的区域上。形成这个光敏抗蚀层310的方法是众所周知的。它通常包括在覆层的整个上表面上淀积完整的光敏抗蚀层，然后曝光和显影。
图4展示利用光敏抗蚀层310作为蚀刻保护层蚀刻上覆层105的结果。这种工艺形成脊125。该优选实施方案使用湿法化学蚀刻。蚀刻溶液的化学组成和浸没时间被用于控制脊的形状和尺寸。在下面讨论的试验结果中，该晶片具有4,200埃的名义残留覆层厚度和20,000埃的脊高。脊的名义宽度为5微米。
如图5所示，在下一个步骤中，把扭折抑制层的左侧和右侧部分135A、135B淀积在脊125的两侧。优选的是，所用的淀积方法是高度定向的，以致被光敏抗蚀层310覆盖的区域312、314不接受任何扭折抑制层135。具体地说，扭折抑制层135A、135B是利用法线方向入射的电子束蒸镀到晶片上的无定形硅层。
硅扭折抑制层135A、135B的厚度是性能要素。在优选实施方案中，硅层的厚度为500至1000埃。具体地说，在下面通过测试和讨论的晶片中它是843埃。实验已经表明，可以达到厚度超过1500埃的硅层厚度，高于这个数值将由于硅层引起的应力使光敏抗蚀层发生剥落。其它材料和/或掩膜技术或许能扩展这个限制。
使用自动对准掩膜310是值得注意的。通常，扭折抑制层与光模区相对对准是至关重要的，并且必须被调准到好于1微米。
在其它实施方案中，硅扭折抑制层是沿着脊125的比较低的侧壁315A、315B淀积的，以便增加能量的吸收。这种效果是通过许多技术中的任何一种技术实现的(例如，1.在淀积硅过程中使基材100摇动；2.使基材100围绕着它的法线轴旋转，并且以相对该旋转轴成一斜角的方式淀积硅层；或者3.利用非定向淀积工艺(如溅射))。在另一些其它实施方案中，利用这些技术中的一些技术在光轴120附近淀积不对称的硅层135A、135B。
在又一些其它实施方案中，扭折抑制层是由钛、镓、锗或其它材料制成的膜层，这类膜层在器件的工作波长下提供低扩散率和高吸收。利用离子培植可以交替地形成膜层。
在这个优选实施方案中，在淀积了硅层之后，利用非定向淀积技术将氮化硅钝化层316淀积在脊125、在光敏抗蚀层310和硅层135上。在下面的晶片结果中，氮化硅层的厚度是2,200埃。另外，就高频应用而言，可以用空气间隙钝化层取而代之。
在一种替代工艺中，用非定向等离子体强化的化学气相淀积(PECVD)淀积硅扭折抑制层135A、135B，然后在改变某些次要工艺的条件下，利用PECVD淀积氮化硅钝化层。这种工艺的优点在于(1)硅和氮化硅可以用一台设备和同样的加工顺序淀积，这样将提高产品的制造能力和(2)硅将向上扩展到脊的侧面。
最后，如图6所示，在最后的步骤中，光敏抗蚀层310被去除，然后淀积Ti/Pt/Au金属化层318。在下面讨论的结果中，Ti/Pt/Au金属化层分别具有200埃/1500埃/2000埃的厚度。额外的金镀层140提供脊保护和接线区。
图7展示在一个由晶片制造的器件中脊的实际轮廓和膜层厚度，其结果将在下面讨论。
正象技术上已知的那样，沿着单一的基材/晶片100通常形成数十乃至上百条脊125，一条挨着一条彼此平行。在完成这些制造步骤之后，晶片通常经过划线沿着垂直于脊的平面，顺着晶片的长度被劈开。这产生称之为“棒”的东西。然后，在每个棒上划线并在连续的脊之间劈开以形成图1所示的个别的半导体激光器件。因此，在一片晶片中有许多棒，而每个棒可以形成许多这样的器件。
在现有的加工技术中，用图4图解说明的脊的蚀刻将受到严格的控制，以力图获得最好的谐振腔特性，使最终得到的器件的扭折功率最大。这必须在每块晶片上完成，因为由于受工艺限制无法以必要的精度水平控制覆层的参数。另外，如果脊的蚀刻深度不受控制，某些影响谐振腔特性的参数(例如脊的宽度、谐振腔的长度、脊的轮廓、或折射指数)必须被精确地控制在允差范围内。反之，正象下面的结果所证明的那样，按照本发明实现了谐振腔特性(例如脊的蚀刻深度)之间的去耦。
图8从产量角度图解说明本发明的优点。所制造的器件95％以上具有高于190毫瓦(mW)的扭折功率，50％的器件具有高于225mW的扭折功率。这些结果可以与按常规生产(即没有扭折抑制层)的器件中功率高于135mW者不足50％的结果相比较。因此，在实现本发明的情况下，本发明的器件的扭折功率统统高于没有扭折抑制层的器件。
来自给定晶片的诸器件的扭折功率标准差，是鉴别本发明的优点的另一个尺度。不采用本发明由一部分晶片制成的诸器件的扭折功率标准差的计算结果是55.2。而采用硅扭折抑制层同样由一部分晶片制成的器件导致器件的扭折功率标准差为20.8。因此，即使来自第一和第二晶片的诸器件在逐个器件比较谐振腔特性时，本质上具有同样的变异性，但按照本发明制造的诸器件仍然呈现改进相当大的扭折功率分布。
除了改进扭折功率和扭折功率分布之外，体现本发明的器件还具有较好的横向模特性，如图9所示。本发明从试装器件(sub-mounted devices)得到远场横向张角减小40％的结果。横向模尺寸的变化被减少两倍以上，并且具有适合与用于远程通信的光纤耦合的最佳平均值。
一个与引入硅扭折抑制层相关的潜在缺点是希望增大门限电流。在受试的器件中，门限电流增加了4mA。再者，业已观察到斜率效率减少了0.75％。
图10和图11图解说明本发明在不同的脊构造中的应用，通常被用于1.3和1.5微米的器件。
如图10所示，从InP基材开始，利用元素组成不同的AlGaInAs外延生长形成下覆层110、上覆层105和活性层120。利用光刻工艺在上覆层105和氧化物层210上蚀刻两条沟道212、214直到GaInAsP蚀刻终止层(未示出)为止。
然后，利用高度定向的工艺淀积扭折抑制层216，以致极少的材料出现在阱212和214的侧壁220和222上。然后，在整个基材上涂敷绝缘的氧化物钝化层218。
就1.3μm和1.5μm波长的器件而言，扭折抑制层216是适当的光学材料，优选一种在这些波长下吸收的材料，例如钛。
另外，扭折抑制层216可能采用方向性较差的工艺淀积，以致材料216出现在阱212和214的侧壁220和222上。
应当注意下述事实，即在上述的实施方案中光学层216是淀积在外延的上覆层105和钝化层之间的(这易于完成)，从而或多或少地减轻了与隐含的附加工艺步骤相关的不足。
图11图解说明下面几个工艺步骤，在这些步骤中光敏抗蚀层224被淀积在基材上，然后曝光并在脊125的区域中局部显影。局部显影去除阱212和214中的光敏抗蚀层，使脊125上的氧化硅层218、硅层216和氧化硅层210曝光，以致它们在蚀刻工艺中被除去。这样给脊125曝光适合各个连续的电接触层。
按照本发明，硅扭折抑制层216A、216B保留在阱212和214的底部，在那里它将改善最终得到的器件的扭折功率性能。
尽管已经参照优选实施方案具体地展示和介绍了这项发明，但是本领域的技术人员将应理解的是，在不脱离权利要求书所规定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种各样的变化。

Claims (27)

1．一种半导体激光器件，包括：
活性层；
夹着所述活性层的上覆层和下覆层；
在上覆层上形成的脊，它按照光轴方向延伸；
沿着光轴方向定位在所述器件相对的两端并且定义谐振腔的刻面；
沿着光轴安排并且相对诸覆层取向，以便减少扭折功率对谐振腔特性的依赖性的扭折抑制层。
2．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层是在外延的上覆层的蚀刻部分上形成的。
3．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层把扭折功率大于150mW的器件数量提高到90％以上。
4．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层把扭折功率大于175mW的器件数量提高到接近90％或90％以上。
5．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层沿着基本光模区域的外围被横向截短。
6．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层包括两个部分，这两部分使脊两侧下面的光轴向下纵向延伸。
7．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层定位在脊的顶部与活性层之间。
8．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层在所述器件的工作波长下是吸收性的和/或改善高阶横向模所经历的有效的折射指数。
9．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层包括硅。
10．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层包括钛、镓或锗。
11．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层被淀积在上覆层上。
12．根据权利要求11的半导体激光器件，其中所述扭折抑制层是利用蒸发/溅射技术淀积的。
13．根据权利要求1的半导体激光器件，其中所述激光器件是激光放大器。
14．一种半导体激光器件，包括：
活性层；
外延的上覆层和下覆层，它们夹着所述活性层；
沿着光轴定位在所述器件相对的两端的刻面；
在上覆层上蚀刻而成的脊，它按照光轴方向延伸；
淀积在脊上的钝化层；以及
淀积在脊两侧位于钝化层和经过蚀刻的上覆层之间的光学层。
15．根据权利要求14的半导体激光器件，其中所述的光学能量吸收层包括硅。
16．根据权利要求14的半导体激光器件，其中所述的扭折抑制层包括钛、镓或锗。
17．一种用下覆层、上覆层和在上下覆层之间的活性层制作半
导体激光器件的方法，该方法包括：
在上覆层上形成脊；以及
形成扭折抑制层，该膜层相对所述覆层和活性层取向，以减少扭折功率对脊尺寸的依赖性。
18．根据权利要求17的方法，其中脊是通过蚀刻外延的上覆层形成的，而扭折抑制层就淀积在上覆层经过蚀刻的部分上。
19．根据权利要求17的方法，进一步包括所述扭折抑制层把扭折功率大于150mW的器件数量提高到90％以上。
20．根据权利要求17的方法，进一步包括所述扭折抑制层把扭折功率大于175mW的器件数量提高到接近90％或90％以上。
21．根据权利要求17的方法，进一步包括在光模区域两侧的两个部分中形成扭折抑制层。
22．根据权利要求17的方法，其中所述扭折抑制层是利用常规的蒸发/溅射技术淀积的。
23．根据权利要求17的方法，其中所述扭折抑制层是在低于150℃的温度下淀积的。
24．一种用下覆层、上覆层和在上下覆层之间的活性层制作半导体激光器件的方法，该方法包括：
在上覆层上蚀刻一个脊，该脊按照该激光器件的光轴方向延伸；
淀积一个钝化层；以及
在脊的两侧把光学层淀积在上覆层与钝化层之间。
25．根据权利要求24的方法，其中蚀刻脊的步骤包括：
淀积按光轴方向延伸的光敏抗蚀带；以及
蚀刻所述光敏抗蚀带两侧的上覆层。
26．根据权利要求25的方法，进一步包括在除去光敏抗蚀带之前，把光学层淀积在经过蚀刻的上覆层上。
27．根据权利要求26的方法，其中淀积钝化层的步骤包括在光学层上淀积氮化物层。
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