TWI717954B - 光半導體積體元件 - Google Patents

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Abstract

具備設置於n型InP基板（10）的表面的雷射二極體部（20）；由傳遞發射的雷射光，且由兩側在雷射傳遞方向逐漸變細的錐形芯層（32）、芯層（32）的表面側的p型InP包層（33）、芯層（32）的背面側的n型InP包層（31）、設置於芯層（32）兩側的第一包層的n型InP包層（34a、34b）、及設置於p型InP包層（33）和第一包層的各表面的第二包層的p型InP包層（27）所構成，且設置於n型InP基板（10）的表面的光斑尺寸變換部（30）；設置於芯層（32）的尖端側的n型InP基板（10）的表面的窗區域（40）；和設置於窗區域（40）的表面的監測部的監測器PD（50）；使第一包層的折射率低於第二包層的折射率。

Description

光半導體積體元件
本發明是有關於光半導體積體元件。
為了減少通信裝置的部件數，長期以來提出了在半導體雷射晶片中集積監測器光二極體（監測器Photo Diode：以下簡稱為監測器PD）的結構（例如，參照專利文獻1）。另一方面，長期以來提出了用於擴大半導體雷射的小束斑點（beam spot）直徑以提高和光纖的耦合效率的光斑尺寸變換器（例如，參照專利文獻2）。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利特開昭63－222485號公報（第3頁右上欄第14行～右下欄第13行、第4圖） [專利文獻2] 日本專利特開2000－036638號公報（段落0023～0043、第1圖）
[發明所要解決的課題]
在將如專利文獻2的光斑尺寸變換器適用於專利文獻1的半導體雷射的情況中，一般為了擴大束斑點直徑而設計的光斑尺寸變換器之發射光的發射角狹窄，具有無法在窗區域的上方的監測器PD入射足夠的光量的問題。
本發明揭示了用於解決上述課題的技術，目的為提供一種光半導體積體元件，即使是在光斑尺寸變換器的發射側配置窗區域的結構中，也能夠使足夠的光量入射於監測器PD。 [用以解決課題的手段]
本發明所揭露的光半導體積體元件具備設置於基板的表面的雷射二極體部；上述傳遞由雷射二極體部發射的雷射光，且由兩側在上述雷射光的傳遞方向逐漸變細的錐形芯層、覆蓋上述芯層的表面側的表面側包層、覆蓋上述芯層的背面側的背面側包層、設置於上述芯層兩側的第一包層、以及設置於上述表面側包層和上述第一包層的各表面的第二包層所構成，且設置於上述基板的表面的光斑尺寸變換部；設置於上述光斑尺寸變換部的芯層的尖端側的上述基板的表面的窗區域；以及設置於上述窗區域的表面的監測部，且具有上述第一包層的折射率低於上述第二包層的折射率的特徵。
此外，本發明所揭露的光半導體積體元件具備設置於基板的表面的雷射二極體部；上述傳遞由雷射二極體部發射的雷射光，且由兩側在上述雷射光的傳遞方向逐漸變細的錐形芯層、覆蓋上述芯層的表面側的表面側包層、覆蓋上述芯層的背面側的背面側包層、設置於上述芯層兩側的第一包層、以及設置於上述表面側包層和上述第一包層的各表面的第二包層所構成，且設置於上述基板的表面的光斑尺寸變換部；在對應上述光斑尺寸變換部的芯層的尖端側的上述第一包層的區域配設第一窗層，且在對應上述第二包層的區域配設第二窗層的設置於上述基板的表面的窗區域；以及設置於上述窗區域的表面的監測部，且具有上述第一窗層的折射率低於上述第二窗層的折射率的特徵。 [發明的效果]
根據本發明，因為使第一包層的折射率低於第二包層的折射率，儘管在光斑尺寸變換器30傳遞時光束逐漸地往上，且從窗區域發射的光束之發射角狹窄，也可以使足夠的光量入射於監測器PD。
[用以實施發明之形態]
實施形態1 第1圖是顯示根據實施形態1的光半導體積體元件的構造的剖面圖，並且是在雷射發射方向的中央部分的縱剖面圖。第2圖是以第1圖中的箭頭AA作為觀察位置的光半導體積體元件的橫剖面圖。第3圖是以第1圖中的箭頭BB作為觀察位置的光半導體積體元件的縱剖面圖。第4圖是以第1圖中的箭頭CC作為觀察位置的光半導體積體元件的縱剖面圖。第5圖是以第1圖中的箭頭DD作為觀察位置的光半導體積體元件的縱剖面圖。第6圖是第1圖的俯視圖。
如第1至6圖所示，實施形態1的光半導體積體元件501是由雷射二極體（laser diode）部20、光斑尺寸（spot size）變換部30、窗區域40、及設置於窗區域40的表面的監測器PD 50所構成。
雷射二極體部20為分佈反饋式雷射（distributed-feedback laser），其在n型InP基板10的表面上依序堆疊了用於在縱方向限制的n型InP包層（clad）21、芯（core）層22、繞射光柵23及用於在縱方向限制的p型InP包層24，再將這些層圖案化為條紋（stripe）狀。在上述條紋狀的圖案層的兩側，埋入p型InP包層25a、25b以及n型InP包層26a、26b，其具有比芯層22更大的能帶隙能量以在橫方向限制。接著，在p型InP包層24、p型InP包層25a、25b以及n型InP包層26a、26b的表面上依序堆疊p型InP包層27和p型接觸層28。p型接觸層28的表面由鈍化膜60保護，並且p電極29經由在鈍化膜60上敞開的開口部60a連接至p型接觸層28。n電極70連接至n型InP基板10的下表面。
光斑尺寸變換部30配置於雷射二極體部20的發射側，且其為具有光束點（beam spot）直徑擴大功能的埋入型光斑尺寸變換器。光斑尺寸變換部30的芯層32連接至雷射二極體部20的芯層22，且芯層32為由芯層22往入射的雷射光的傳遞方向逐漸變細的錐形的（tapered）導波通路。光斑尺寸變換部30在n型InP基板10的表面上依序堆疊了用於在縱方向限制的n型InP包層31、芯層32及用於在縱方向限制的p型InP包層33，再將這些層圖案化為兩側往雷射光的傳遞方向逐漸變細的錐形。
在光斑尺寸變換部30中，芯層32的上下以表面側包層的p型InP包層33和背面側包層的n型InP包層31覆蓋，左右以第一包層的n型InP包層34a、34b覆蓋以構成。n型InP包層31、芯層32、及p型InP包層33的兩側被埋入作為用於限制橫方向的第一包層的n型InP包層34a、34b。在p型InP包層33及n型InP包層34a、34b的表面上，堆疊著作為與雷射二極體部20共通的第二包層的p型InP包層27。p型InP包層27的表面整體以鈍化膜60保護。
光斑尺寸變換部30的n型InP包層31為對應於雷射二極體部20的n型InP包層21。p型InP包層33為對應於雷射二極體部20的繞射光柵23及p型InP包層24。n型InP包層34a、34b為對應於雷射二極體部20的p型InP包層25a、25b及n型InP包層26a、26b。
此處已知由於自由載子電漿(free carrier plasma)效應，第一包層的n型InP包層34a、34b的折射率低於第二包層的p型InP包層27的折射率，因此將n型InP包層34a、34b設定為具有比p型InP包層27低的折射率。又，在本實施形態中，雖然在上下方向的折射率分布設定為p型InP包層27及n型InP包層34a、34b的組合，但並不限於此。也可以使用InP以外的層。此外，也可以組合複數個層以達到漸變的折射率分布。
窗區域40是對於來自光斑尺寸變換部30的入射光而言透明的半導體材料所構成，並且為不具有導波機構的邊緣窗構造。作為第一窗層的未摻雜InP層41在n型InP基板10的表面上堆疊。在未摻雜InP層41的表面上，依序堆疊著作為與雷射二極體部20及光斑尺寸30共通的第二窗層的p型InP包層27、p型接觸層28。此處以抑制在窗區域40處的光吸收損失為目的，採用無摻雜的InP。
窗區域40的未摻雜InP層41為對應於光斑尺寸變換部30的n型InP 包層31、芯層32、p型InP包層33、及n型InP包層34a、34b。
監測器PD 50為PIN型的光二極體(photo diode)。監測器PD 50為在位於窗區域40的p型接觸層28的表面上依序形成之未摻雜InP層51、n型接觸層52。n型接觸層52的表面由鈍化膜60保護，透過開口部60b、60c，p電極53和n電極54分別連接於p型接觸層28、n型接觸層52。
接著，說明實施形態1中的光半導體積體元件501的運作。第7圖是用於說明光半導體積體元件501的光斑尺寸變換部30中的運作的流程圖。
首先，在光斑尺寸變換部30中，由雷射二極體部20的芯層22發射的雷射光入射於光斑尺寸變換部30的芯層32(步驟S701)。接著，在光斑尺寸變換部30中，由於芯層32的兩側被圖案化為在雷射光的傳遞方向上逐漸變細的錐形，因此，傳遞光在光斑尺寸變換部30內傳遞時逐漸透出至芯層32兩側的n型InP包層34a、34b、表面側的p型InP包層33、背面側的n型InP包層31及p型InP包層27(步驟S702)。在第2圖中，波紋狀虛線F2為顯示行進方向上雷射光的透出狀態(光強度分布)，因此可以理解傳遞光逐漸地往芯層32兩側的n型InP包層34a、34b、表面側的p型InP包層33、背面側的n型InP包層31及p型InP包層27透出的狀態。
接著，在光斑尺寸變換部30中，從芯層32透出的雷射光根據芯層32兩側的n型InP包層34a、34b、芯層32及n型InP包層34a、34b上方的p型InP包層27的上下方向上的折射率分布往上方偏折，隨著光線在光斑尺寸變換器30內傳遞，光線逐漸地往上(參照步驟S703、第1圖的光路E1)。在第3圖及第4圖中，橢圓形虛線F1、F2為以各別的芯層22、32為中心所表示的雷射光的範圍。對於橢圓形虛線F1的雷射光範圍而言，橢圓形虛線F2的雷射光範圍不只是往芯層32兩側的n型InP包層34a、34b透出，可以理解，其因為n型InP包層34a、34b和p型InP包層27的上下方向上的折射率分布而往上方的p型InP包層27偏移。
最後，雷射光以發射角朝上的狀態入射窗區域40。雖然由於繞射效應，在光斑尺寸變換部30中變廣的光束在窗區域的照射角（radiation angle）變窄，由於朝上入射，一部分光束入射於窗區域40正上方配置的監測器PD 50（步驟S704）。在第5圖中可以理解，橢圓形虛線F3的雷射光的一部分範圍進入監測器PD 50。在監測器PD 50，透過p電極53及n電極54施加逆偏壓，藉由將p型接觸層28吸收到的雷射光進行光電變換，成為監測器電流輸出至外部電路。
如上所述，在光斑尺寸變換部30中，芯層32的兩側被圖案化為在雷射傳遞方向上逐漸變細的錐形，將芯層兩側的n型InP包層34a、34b的折射率設定為比覆蓋接近監測器PD 50側的芯層表面的p型InP包層27的折射率低，可以使入射到窗區域的光束角度朝上，根據光斑尺寸變換器的效果，儘管光束在窗區域的照射角變窄，也可以使足夠的光量入射於監測器PD。
如上所述，根據實施形態1的光半導體積體元件501，其具備設置於n型InP基板10的表面的雷射二極體部20；傳遞從雷射二極體部20發射的雷射光，且由兩側在雷射光的傳遞方向逐漸變細的錐形芯層32、覆蓋於芯層32的表面側的表面側包層p型InP包層33、覆蓋於芯層32的背面側的背面側包層n型InP包層31、設置於芯層32兩側的第一包層的n型InP包層34a、34b、及設置於表面側包層和第一包層的各表面的第二包層的p型InP包層27所構成，且設置於n型InP基板10的表面的光斑尺寸變換部30；設置於光斑尺寸變換部30的芯層32的尖端側的n型InP基板10的表面的窗區域40；和設置於窗區域40的表面的作為監測部的監測器PD 50。因為使第一包層的折射率低於第二包層的折射率，從芯層透出的雷射光可以在光斑尺寸變換器內的傳遞過程中逐漸使光束的發射角度朝上，根據光斑尺寸變換器的效果，儘管光束在窗區域的照射角變窄，也可以使足夠的光量入射於監測器PD。
又，在本實施形態中，雖然配置了和雷射二極體部20相鄰的光斑尺寸變換部30，即使在兩者之間放置整合調變器(modulator)等導波通路型裝置的構造也可以達到同樣的效果。
實施形態2
在實施形態1的窗區域40中，儘管在和光斑尺寸變換部30的芯層32、p型InP包層33、n型InP包層31及第一包層的n型InP包層34a、34b相對應的區域中設置了未摻雜InP層41，實施形態2示出了設置n型InP層的情況。
第8圖所示為實施形態2中光半導體積體元件的構成的剖面圖，也是雷射發射方向的中央部分的縱剖面圖。第9圖為第8圖的GG箭頭位置的光半導體積體元件的縱剖面圖。
如第8圖及第9圖所示，在實施形態2的光半導體積體元件502中，使實施形態1的未摻雜InP層41的區域成為由和第一包層的n型InP包層34a、34b相同的層所構成的n型InP層42。實施形態2的光半導體積體元件502的其他部分的構成和實施形態1的光半導體積體元件501相同，其對應的部分以相同的符號標記且省略說明。
在實施形態2中，從雷射二極體部20發射的傳遞光藉由光斑尺寸變換部30以往上偏移的狀態入射於窗區域40。相對於在實施形態1中，由於p型InP包層27和未摻雜InP層41的折射率皆等於3.204(當波長為1.3μm時)而沒有差別，所以入射於窗區域40的光直線前進，在實施形態2中，在光斑尺寸變換部30的出口配置的作為第一窗層的n型InP層42的折射率為3.19(當波長為1.3μm且載子濃度為5×1018cm-3時：載子濃度越高，折射率越低)，並且比作為第二窗層的p型InP包層27低。因此，入射於窗區域40的光根據上述折射率差(第8圖中的光路E2和第9圖中的雷射光的範圍：參照橢圓形虛線F4)進一步上升，和實施形態1相比，可以進一步提高入射於監測器PD 50的光量。
如上所述，根據本實施形態2的光半導體積體元件502，在對應於 第一包層的n型InP包層34a、34b的窗區域40設置第一窗層的n型InP層42，在對應於第二包層的p型InP包層27的窗區域40共通設置第二窗層的p型InP包層27，因為使第一窗層的折射率低於第二窗層的折射率，入射於窗區域的光根據折射率差而進一步往上，因此和實施形態1相比，可以進一步提高入射於監測器PD的光量。
又，在實施形態2中，除了使第一包層的折射率低於第二包層的折射率的構成以外，雖然是使第一窗層的折射率也低於第二窗層的折射率的構成，但是只有使第一窗層的折射率低於第二窗層的折射率的構成也可以發揮效果。藉由組合，可以享受兩方面的效果。
實施形態3
在實施形態1中，雖然監測器PD 50僅設置於窗區域40的表面，在實施形態3中顯示了監測器PD 50不只設置於窗區域40的表面，也延伸至光斑尺寸變換部30的表面的情況。
第10圖為顯示實施形態3的光半導體積體元件的構成的剖面圖，也是雷射發射方向的中央部分的縱剖面圖。第11圖為第10圖的HH箭頭位置的光半導體積體元件的橫剖面圖。
如第10圖及第11圖所示，在實施形態3的光半導體積體元件503中，監測器PD 55為設置為延伸實施形態1的監測器PD 50，且橫跨窗區域40和光斑尺寸變換部30的一部分。實施形態3的監測器PD 55為了橫跨光斑尺寸變換器30的p型InP包層27和窗區域40的p型InP包層上方，依序堆疊形成p型接觸層28、未摻雜InP層51、n型接觸層52。根據實施形態3，光半導體積體元件503的其他部分的構成和實施形態1的光半導體積體元件501相同，其對應的部分以相同的符號標記且省略說明。
在實施形態3中，有效地應用來自窗區域40的前端面40a的反射光。儘管來自前端面40a的反射光(參照第10圖的光路E3)的一部分入射於監測器PD 55的窗區域40的部分，一般由於窗長度短（如果較長，則窗區域的放射光會在元件表面上的鈍化膜反射，並且會破壞遠場圖案（Far Field Pattern，FFP）的形狀），入射於監測器PD 55的光量會受到限制。另一方面，在實施形態3中，由於監測器PD 55也存在於配置於窗區域40之前的光斑尺寸變換部30的表面上，入射於監測器PD 55的光量增加（參照第10圖的光路E4）。
如上所述，根據本實施形態3的光半導體積體元件503，因為將監測器PD 55設置為橫跨窗區域40的表面和光斑尺寸變換部30的表面，和實施形態1相比可以使入射於監測器PD的光量提高。
儘管本發明記載了各種例示性的實施形態及實施例，但是在一個或複數個實施形態中記載的各種特徵、態樣及功能並非限定應用於特定的實施形態，可能單獨地或以各種組合應用於實施形態。因此，在本發明說明書中揭露的技術範圍內可以預見未例示的無數變形例。例如，包含至少一個構件變形的情況，增加的情況或省略的情況，以及至少一個構件被抽出並和其他實施形態的構件組合的情況。
10:n型InP基板 20:雷射二極體部 21,26a,26b,31:n型InP包層 22,32:芯層 23:繞射光柵 24,25a,25b,33:p型InP包層 27:p型InP包層（第二包層） 28:p型接觸層 29,53:p電極 30:光斑尺寸變換部 34a,34b:n型InP包層（第一包層） 40:窗區域 40a:前端面 41,51:未摻雜InP層 42:n型InP層 50,55:監測器PD（監測部） 52:n型接觸層 54,70:n電極 60:鈍化膜 60a,60b,60c:開口部 501,502,503:光半導體積體元件 A,B,C,D,G,H:箭頭 E1,E2,E3,E4:光路 F1,F2,F3,F4,F5:虛線 S701,S702,S703,S704:步驟
第1圖為根據實施形態1的光半導體積體元件的構成所示的側剖面圖。 第2圖為根據實施形態1的光半導體積體元件的構成所示的第1圖的A－A橫剖面圖。 第3圖為根據實施形態1的光半導體積體元件的構成所示的第1圖的B－B縱剖面圖。 第4圖為根據實施形態1的光半導體積體元件的構成所示的第1圖的C－C縱剖面圖。 第5圖為根據實施形態1的光半導體積體元件的構成所示的第1圖的D－D縱剖面圖。 第6圖為根據實施形態1的光半導體積體元件的構成所示的俯視圖。 第7圖為用於說明根據實施形態1的光半導體積體元件的運作的流程圖。 第8圖為根據實施形態2的光半導體積體元件的構成所示的側剖面圖。 第9圖為根據實施形態2的光半導體積體元件的構成所示的第8圖的G－G縱剖面圖。 第10圖為根據實施形態3的光半導體積體元件的構成所示的側剖面圖。 第11圖為根據實施形態3的光半導體積體元件的構成所示的第10圖的H－H側剖面圖。
10:n型InP基板
21,31:n型InP包層
22,32:芯層
23:繞射光柵
24,33:p型InP包層
27:p型InP包層(第二包層)
28:p型接觸層
29:p電極
40:窗區域
41,51:未摻雜InP層
50:監測器PD(監測部)
52:n型接觸層
54,70:n電極
60:鈍化膜
501:光半導體積體元件
A,B,C,D:箭頭
E1:光路

Claims (9)

  1. 一種光半導體積體元件，其特徵為包括： 雷射二極體部，設置於基板的表面； 光斑尺寸變換部，設置於上述基板的表面，且包括： 芯層，其傳遞從上述雷射二極體部發射的雷射光，且上述芯層為兩側在上述雷射光傳遞方向逐漸變細的錐形； 表面側包層，覆蓋於上述芯層的表面側； 背面側包層，覆蓋於上述芯層的背面側； 第一包層，設置於上述芯層兩側；以及 第二包層，設置於上述表面側包層和上述第一包層的各表面； 窗區域，設置於上述光斑尺寸變換部的芯層的尖端側的上述基板的表面；以及 監測部，設置於上述窗區域的表面， 其中上述第一包層的折射率低於上述第二包層的折射率。
  2. 如請求項1之光半導體積體元件，其中上述第一包層和上述第二包層各自包括複數層，且折射率從上述第一包層側至上述第二包層側漸變地降低。
  3. 如請求項1之光半導體積體元件，其中上述第一包層為n型InP層，上述第二包層為p型InP層。
  4. 如請求項1之光半導體積體元件，其中設有： 第一窗層，位於上述第一包層對應的窗區域；以及 第二窗層，位於上述第二包層對應的窗區域， 其中上述第一窗層的折射率低於上述第二窗層的折射率。
  5. 如請求項2之光半導體積體元件，其中設有： 第一窗層，位於上述第一包層對應的窗區域；以及 第二窗層，位於上述第二包層對應的窗區域， 其中上述第一窗層的折射率低於上述第二窗層的折射率。
  6. 如請求項3之光半導體積體元件，其中設有： 第一窗層，位於上述第一包層對應的窗區域； 第二窗層，位於上述第二包層對應的窗區域， 其中上述第一窗層的折射率低於上述第二窗層的折射率。
  7. 如請求項4之光半導體積體元件，其中上述第一窗層為n型InP層，上述第二窗層為p型InP層。
  8. 如請求項1至5中任一項之光半導體積體元件，其中上述監測部為設置為橫跨上述光斑尺寸變換器的表面。
  9. 一種光半導體積體元件，其特徵為包括： 雷射二極體部，設置於基板的表面； 光斑尺寸變換部，設置於上述基板的表面，且包括： 芯層，其傳遞從上述雷射二極體部發射的雷射光，且上述芯層為兩側在上述雷射光傳遞方向逐漸變細的錐形； 表面側包層，覆蓋於上述芯層的表面側； 背面側包層，覆蓋於上述芯層的背面側； 第一包層，設置於上述芯層兩側；以及 第二包層，設置於上述表面側包層和上述第一包層的各表面； 窗區域，設置於上述基板的表面，且在上述光斑尺寸變換部的芯層的尖端側的上述第一包層的對應區域配設第一窗層，且在上述第二包層的對應區域配設第二窗層；以及 監測部，設置於上述窗區域的表面， 其中上述第一窗層的折射率低於上述第二窗層的折射率。
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