DE69801283T2

DE69801283T2 - Optisches Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE69801283T2
Application number: DE69801283T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre +Di Weber
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: ES2159187T3; JP2002503393A; JP4111549B2; JP2008113041A; DE69801283D1; AU8109998A; TW381367B; KR100582114B1; CN1106062C; KR20010013385A; US6421492B1; EP0986845A1; GB2326020A; GB2326020B; EP0986845B1; CN1259238A; GB9711835D0; WO1998056085A1; CA2292907A1; CA2292907C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Halbleitereinrichtung wie einen Laser und ein Verfahren zur Herstellung davon, die eine Kopplung mit einer optischen Faser mit geringem Verlust ermöglicht.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Optische Halbleiterkomponenten wie Halbleiterlaser werden in einem weit verbreiteten Maße verwendet. Bei der Verwendung ist es oft erforderlich, derartige Komponenten mit externen optischen Elementen zu koppeln. Für den Fall eines Halbleiterlasers, der einen kohärenten Lichtausgang erzeugt, kann es beispielsweise erforderlich sein, die Einrichtung mit einer optischen Faser zu koppeln, entlang der das Licht gerichtet werden soll.
Ein Problem, welches sich bei einer derartigen Kopplung ergibt, besteht darin, dass hohe Verluste (bis zu 10 JE) vorhanden sein können, was sich aus den verschiedenen optischen Moden ergibt, die in dem Laser und der Faser existieren. Typischerweise weist die optische Faser einen zirkular symmetrischen Mode auf, mit einer vollen Breitehalben Maximum (Full Width Half-Max, FWHM) in der Größenordnung von 7 um, während der Mode in dem Laser gewöhnlicherweise elliptisch ist, wobei das Verhältnis der Hauptachse zu der Nebenachse ungefähr 2 : 1 ist, und wobei das FWHM ungefähr 1 um ist.
Eine Lösung für dieses Problem besteht in der Verwendung von Linsen, aber dies ist kostenaufwendig und ist gewöhnlicherweise nicht praktisch, weil es erforderlich ist, ein Array (Feld) von Lasern zu bilden. Idealerweise sollte es einfach möglich sein, das Ende der Faser an der Ausgangsstirnfläche des Lasers zu platzieren und diese unter Verwendung einer Stumpfverbindungs-Kopplung miteinander zu verbinden.
Wenn dies möglich sein soll, muss die Modengröße am Ausgang des Lasers erhöht werden, so dass er in besserer Übereinstimmung mit dem Mode innerhalb der Faser ist. Ein derartiger Vorschlag ist in dem United States Patent Nr. 5,278,926 offenbart. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, dass die optische Halbleiterkomponente zwei vergrabene Heterostruktur-Optikwellenleiter umfasst, nämlich einen aktiven Wellenleiter und einen passiven Wellenleiter, die über wenigstens einen Teil ihrer Längen überlagert sind, wobei die transversale Querschnittsfläche des aktiven Wellenleiters über einen Modusübergangsbereich abnimmt, um einen schmalen optischen Mode, der von dem aktiven Wellenleiter geführt wird, mit einem breiteren Mode, der von dem passiven Wellenleiter geführt wird, zu koppeln.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Herstellungsprozess bereitzustellen, der eine relativ leichte Herstellung einer optischen Komponente wie eines Lasers, der mit einer optischen Faser gekoppelt werden kann, erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aufbau zu definieren, der eine einfache Kopplung mit einer optischen Faser ermöglicht.
Die Erfindung ist durch die Ansprüche 1 und 2 definiert.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers, der die Verwendung von Standardherstellungstechniken erlaubt, ohne besonders enge Herstellungstoleranzen zu fordern. Ferner betrifft die Erfindung den Aufbau, der durch diesen Herstellungsprozess gebildet wird. Insbesondere ist ein Aufbau mit einem asymmetrisch verjüngten Wellenleiter offenbart.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine Komponente gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Aufsicht der Komponente, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 eine Aufsicht der Komponente während der Herstellung; und
Fig. 4 eine Aufsicht auf die Komponente zu einem späteren Punkt der Herstellung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Fig. 1 und 2 sind eine Querschnittsansicht bzw. eine Aufsicht auf eine Halbleiterlaserkomponente gemäß der Erfindung. Nachstehend wird nun ein Herstellungsprozess der Einrichtung beschrieben. Dies wird unter Bezugnahme auf einen Laser bei 1,55 um mit einer Bulk-aktiven Schicht beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die aktive Schicht auch aus Quantumwannen (Quantum Wells) oder gespannten Quantum Wells (Strained Quantum Wells) gebildet sein könnte. Sämtliche Materialien sind im Gitter angepasst. Bei der folgenden Beschreibung werden sämtliche Wachstumsstufen in vorteilhafter Weise unter Verwendung einer metallorganischen chemischen Aufdampfung (Metal Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD) ausgeführt, obwohl darauf hingewiesen sei, dass andere Wachstumstechniken verwendet werden können.
Die erste Stufe von dem Herstellungsprozess ist ein epitaktisches Aufwachsen der Schichten, die den passiven Wellenleiter 2 und den aktiven Wellenleiter 4 bilden. Bei diesem Beispiel ist das Substrat 6 n-dotiertes InP und der passive Wellenleiter 2, der ebenfalls n-dotiert, ist, wird auf dem Substrat in einer Anzahl von Schichten gebildet. Jede Schicht umfasst ein passives Wellenleitermaterial 8 in der Form einer 40 nm Schicht aus InGaAsP mit einem 1,0 um Bandabstand und einem Ummantelungsmaterial 10 in der Form einer 660 nm Schicht aus InP. Fig. 1 zeigt einen passiven Wellenleiter mit sieben derartigen Schichten, aber die Anzahl von Schichten kann 8 oder 9 sein oder in der Tat irgendeine geeignete Anzahl.
Oben auf der obersten Schicht des passiven Wellenleitermaterials 8 wird eine 460 nm Schicht aus ndotiertem InP 12, gefolgt von der aktiven Schicht 14, die aus einem 0,2 um nicht dotierten InGaAsP, mit einem 1,58 um Bandabstand, gebildet ist, aufwachsen gelassen. Eine weitere Ummantelungsschicht 16, die aus einem p-dotierten InP und mit einer Dicke von 200 nm gebildet ist, wird dann auf der aktiven Schicht aufwachsen gelassen.
Die nächste Stufe des Herstellungsprozesses beinhaltet die Bildung einer asymmetrischen Verjüngung in dem aktiven Wellenleiter 4, in dem in Fig. 2 gezeigten Bereich 22. Diese Verjüngung wird durch diagonales Ätzen durch die aktive Schicht gebildet. Bei dem fertiggestellten Produkt könnte die Verjüngung und somit der zweite Bereich 22 sich zum Beispiel über eine Länge in dem Bereich von 50 um bis mehreren 100 um erstrecken. Dies bedeutet, dass die diagonale Ätzung einen Winkel von ungefähr 0,003-0,03 Radian zu der Wellenleiterrichtung sein muss. Die Ätzung ist durch die aktive Schicht 14 herunter auf die oberste n-InP Schicht.
Dann wird ein selektives Neuaufwachsen mit einem halbisolierenden (Fe-dotierten) InP verwendet, um Stromabblockungsschichten 28 zu bilden, um die geätzten Bereiche zu füllen und den Wafer zu planarisieren. Alternativ kann n-P InP für die Stromabblockungsschichten verwendet werden.
Fig. 3 ist eine Aufsicht der Einrichtung an dieser Stufe, wobei die diagonale Ätzung durch die aktive Wellenleiterschicht 4, und das Neuaufwachsen des halbisolierenden InP 30 gezeigt ist (der Winkel der diagonalen Ätzung ist in Fig. 3 zur einfacheren Darstellung stark übertrieben).
Die nächste Herstellungsstufe ist die Bildung einer standardmäßigen vergrabenen Heterostruktur-Schicht, d. h. die Bildung des aktiven Wellenleiters 6 selbst, mit einer Breite von ungefähr 1,2 um durch Ätzen durch die aktive Schicht herunter in die oberste n-InP Schicht. Es sei darauf hingewiesen, dass sich dies auch in den Bereich erstreckt, der in der vorangehenden Stufe geätzt und mit halbleitendem InP neu gefüllt wurde. Der Grund für das erneute Aufwachsen des halb isolierenden Materials bestand darin, eine planare Oberfläche für eine einfache Litographie zu erhalten, während der aktive Wellenleiter definiert wird. Das Ergebnis ist, dass eine asymmetrische Verjüngung erhalten werden kann, ohne spitze Punkte durch eine Litographie bilden zu müssen und ohne irgendwelche freistehenden dünnen Punkte an irgendeiner Stufe während einer Herstellung zu konstruieren, da diese für einen Bruch empfindlich sind.
Fig. 4 ist eine Aufsicht auf die Einrichtung nach der Definition des aktiven Wellenleiters. An dieser Stufe ist es möglich, den aktiven Wellenleiter 4, das neu aufgewachsene halb isolierende Material 30 und den passiven Wellenleiter 2 in den Bereichen zu sehen, wo die aktive Schicht weggeätzt worden ist.
Der Definition des aktiven Wellenleiters 4 folgend wird eine standardmäßige Stromabblockungsstruktur 28 aus p-n InP und aus halb isolierendem (Fe dotiertem) InP gebildet.
Um die vergrabene Heterostruktur-Schicht fertig zu stellen, wird eine p-InP Ummantelung 16 über der gesamten Struktur aufwachsen gelassen und eine p-InGaAs Schicht 18 wird gebildet, um einen guten ohmschen Kontakt mit der oberen Metallschicht bereitzustellen, die als der Kontakt wirkt.
Der nächste Schritt ist die Definition eines großen Stegwellenleiters um den Bereich herum, wo die aktive Schicht weggeätzt worden ist (einschließlich des Verjüngungsbereichs), wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Der Wellenleiter weist eine Breite in der Größenordnung von 11 um, zentriert auf dem aktiven Wellenleiter, auf und wird durch Wegätzen von sämtlichem neu aufgewachsenen Material bis auf das Substrat herunter definiert.
Ein Bodenkontakt 32 wird durch eine Metallisierung der Substratoberfläche gebildet. Die Laserstirnflächen können dann durch eine Spaltung (Cleaving) oder ein Ätzen gebildet werden und können schließlich beschichtet werden. Der gesamte Aufbau kann mit SiN abgedeckt werden, obwohl das Betriebsverhalten das gleiche ist, wenn Luft als das äußere dielektrische Material verwendet wird.
Dieser Aufbau kann für einen Fabry-Perot Laser verwendet werden, wobei in diesem Fall Spiegel auf den Endstirnflächen des Hohlraums vorgesehen werden, die gespalten oder geätzt sein können und beschichtet oder unbeschichtet sein können. Alternativ kann der Aufbau für einen DFB Laser verwendet werden, obwohl in diesem Fall zusätzliche Schritte vor der Bildung der Kontaktschicht 18 benötigt werden, um die benötigten Gitter zu bilden, und eine Antireflektionsbeschichtung wird dann auf die Stirnflächen angewendet.
Wie voranstehend erwähnt, ist Fig. 2 eine Aufsicht auf die Halbleiterlasereinrichtung gemäß der Erfindung. Die Einrichtung lässt sich so ansehen, als dass sie in drei Bereiche aufgeteilt ist. In einem ersten Bereich 20 weist die Einrichtung einen normalen Laseraufbau auf, obwohl mit einem passiven Wellenleiter 2 und einem aktiven Wellenleiter 4. In diesem Bereich wird fast sämtliche Leistung auf den aktiven Wellenleiter 4 beschränkt. In einem zweiten Bereich wird der aktive Wellenleiter auf Null herunterverjüngt, was zu einem adiabatischen Transfer der Leistung von dem aktiven Leiter zu dem passiven Leiter 2 führt. Schließlich ist in dem dritten Bereich 24 die Leistung auf den großen passiven Leiter beschränkt, der einen Mode aufweist, der einer optischen Faser 26, mit der der Laser gekoppelt werden soll, gut angepasst sein kann.
In dem ersten Bereich 20 der Einrichtung ist der Steg nicht geätzt, um eine Bildung eines anderen geführten Modes zu vermeiden. Jedoch ist in den zweiten und dritten Bereichen, d. h. auf der Ausgangsseite des Lasers, der Stegwellenleiter durch Ätzen durch den gesamten Aufbau, bis auf das Substrat herunter, gebildet, um den großen passiven Stegwellenleiter zu definieren, der vorzugsweise eine Breite von ungefähr 11 um aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass weder die Breite des Stegwellenleiters noch in der Tat die Breite des aktiven Bereichs kritisch sind, was gute Herstellungstoleranzen ermöglicht. Die Dicke der Schichten, die ebenfalls nicht kritisch ist, kann viel genauer als die Breiten der Schichten gesteuert werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer optischen Halbleitereinrichtung, umfassend:

Bilden eines passiven Wellenleiters (2) aus einer Vielzahl von alternierenden Schichten aus einem passiven Führungsmaterial (8) und einem Ummantelungsmaterial (10) aus einem Substrat (6);

Bilden eines aktiven Bereichs (14) auf dem passiven Wellenleiter (2);

Ätzen des Materials des aktiven Bereichs (14), um eine diagonale Endstirnfläche davon in einem ersten Endbereich der Einrichtung zu bilden;

erneutes Aufwachsen eines halb isolierenden Materials (30), um das Material zu ersetzen, welches durch Ätzen des Materials des aktiven Bereichs (14) entfernt wird;

Ätzen des Materials des aktiven Bereichs (14) und des neu aufgewachsenen halb solierenden Materials (30), um einen aktiven Wellenleiter (4) zu definieren;

Aufwachsen von Stromabblockungsschichten (28), um das Material zu ersetzen, welches durch Ätzen des Materials des aktiven Bereichs und des neu aufgewachsenen halb isolierenden Materials (30) entfernt wird; und

Ätzen des gesamten neu aufgewachsenen Materials bis auf das Substrat (6) herunter, um einen Stegwellenleiter in dem ersten Endbereich zu definieren.

2. Optische Halbleitereinrichtung, umfassend einen ersten passiven Wellenleiter (2) und einen zweiten aktiven Wellenleiter (4), wobei der zweite Wellenleiter (4) im Bereich eines Endes der Einrichtung verjüngt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des zweiten Wellenleiters (4) asymmetrisch verjüngt ist.

3. Optische Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Wellenleiter (2) in der Form eines Stegwellenleiters an dem Ende der Einrichtung ist.