專利名稱：脊形波導型半導體激光裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在光通信等使用的脊形波導型半導體激光裝置的改良，提出改善了溫度特性和高速動作特性的脊形波導型半導體激光裝置。
背景技術：
近年光纖通信網的普及急速發(fā)展，通信用半導體激光裝置的用途從干線系統擴大到用戶系統。伴隨互聯網的急速普及、計算機網絡化的進展，對使用了光纖的LAN(局域網)的高速化的需求增大，作為其關鍵器件的數據通信(data com)用半導體激光裝置，對其溫度特性的提高、高速動作化的要求增加。為了促進使用了這些激光裝置的光通信設備的低價格化，不附加特殊的冷卻設備、在高溫下可能高速動作的半導體激光裝置是不可欠缺的。
這種傳統的脊形波導型半導體激光裝置例如如圖6、圖7所示。圖6是示出用傳統的n型半導體襯底的脊形波導型半導體激光裝置的斜視圖。圖7是示出用傳統的p型半導體襯底的脊形波導型半導體激光裝置的斜視圖。
圖6所示的半導體激光裝置是用n型半導體襯底的脊形波導型半導體激光裝置。該半導體激光裝置在n型的InP等的半導體襯底1n上面形成n型的InP包層2n，進一步在其上面形成AlGaInAs多路量子阱活性層3。在該活性層3的上面形成具有3條突出條的p型InP包層5p，在該包層5p的上面經p型的InGaAs接觸層6p，形成p型的電極層7p。3條突出條中，中央突出條形成脊形波導9，在其下部的活性層3上形成活性區(qū)10。在n型半導體襯底1n的下面形成n型電極層8n。
通常左右半導體激光裝置溫度特性的要素之一是串聯電阻Rd。該串聯電阻Rd越小，則產生的焦耳熱越減小，溫度特性變好。此外，串聯電阻Rd也是決定半導體激光裝置高速動作特性的一個要素。因為串聯電阻Rd越小，Rc時間常數越變小，頻率響應變好，所以為了改善高速動作特性也希望串聯電阻Rd盡可能小。
因為圖6所示的傳統脊形波導形半導體激光裝置是用n型半導體襯底1n構成的，所以構成脊形波導9的包層5p必然地是用p型半導體，例如用p型的InP或p型的InGaAs形成?？墒?，由于該p型半導體的多數載流子是正孔(穴)，所以與n型半導體相比，其電阻率約高一個量級。因此，圖6所示的傳統半導體激光裝置與n型半導體襯底1n上的活性區(qū)10靠近的脊形波導9的串聯電阻變大，串聯電阻Rd變大。由此，因為發(fā)熱大，此外，Rc時間常數也變大，所以這對使高溫特性以及高速動作特性提高不利。
圖7示出改善該問題的傳統脊形波導型半導體激光裝置，這是用p型半導體襯底1p構成的。該半導體激光裝置是在p型的InP等的半導體襯底1p上面形成p型的InP包層2p，進一步在其上面形成AlGaInAs多重量子阱活性層3的。在該活性層3的上面，形成具有3條突出條的n型的InP包層的5n，在該包層5n上面，經n型的InGaAs接觸層6n，形成n型的電極層7n。3條突出條中，中央的突出條形成脊形波導9，在其下部的活性層3上形成活性區(qū)10。再者，在p型半導體襯底1p下面形成p型的電極層8p。

發(fā)明內容
由于在圖7所示的用p型半導體襯底1p的脊形波導型半導體激光裝置上脊形波導9采用n型的InP包層5n和n型InGaAs接觸層6n構成，所以對流過脊形波導路9電流的串聯電阻Rd降低，可以改善溫度特性以及高速動作特性?？墒?，實際上，在脊形波導9和活性區(qū)10之間殘留比較厚的n型InP包層5n。這起因于在InP包層5n上形成3條突出條的蝕刻工序中，為了可靠地進行在InP包層5n上中止該蝕刻的控制，所以在脊形波導9和活性區(qū)10之間殘留比較厚的包層5n。在該脊形波導9和活性區(qū)10之間殘留的較厚的包層5n造成通過該部分的大的漏電流，由于該大的漏電流，使得起振的閾值電流變大，因為發(fā)熱增加，反而產生溫度特性變差的不良情況。
本發(fā)明提出用p型半導體襯底，能謀求提高溫度特性和高速動作特性的改良的脊形波導型半導體激光裝置。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，是在p型半導體襯底上順序形成p型包層和量子阱活性層，進一步在其上形成n型薄的第1包層和n型厚的第2包層的脊形波導半導體激光裝置，前述第1、第2包層由相互不同的半導體材料構成，在前述第2包層上形成的2條溝之間形成脊形波導，前述各溝達到前述第1包層表面或其近旁。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，在前述各溝正下方的前述第1包層上形成高電阻區(qū)。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)未達到前述量子阱活性層，在前述第1包層內形成。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)通過非活性元素的離子注入形成。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)通過氟元素的導入形成。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)通過氧化前述第1包層而形成。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，在前述脊形波導內形成衍射光柵。
附圖的簡單說明

圖1示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置的實施形態(tài)1，(a)是斜視圖，(b)是斷面圖。
圖2是示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置的實施形態(tài)2的斷面圖。
圖3是示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置的實施形態(tài)3的斷面圖。
圖4是示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置的實施形態(tài)4的斷面圖。
圖5是示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置的實施形態(tài)5的斜視圖。
圖6是示出傳統的脊形波導型半導體激光裝置的斜視圖。
圖7是示出傳統的脊形波導型半導體激光裝置的斜視圖。
符號說明102二重異質構造元件，104p型半導體襯底，106p型包層，108量子阱活性層，110n型第1包層，112n型第2包層，118a、118b溝，122n型接觸層，124n型電極層，126p型電極，120脊形波導，130活性區(qū)，132、134、136、138高電阻區(qū)，140衍射光柵。
發(fā)明的實施形態(tài)實施形態(tài)1圖1是示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置實施形態(tài)1的圖，圖1(a)是其斜視圖，圖1(b)是其斷面圖。
該實施形態(tài)1是用p型半導體襯底的脊形波導型半導體激光裝置100，該脊形波導型半導體激光裝置100具有二重異質構造元件102，該二重異質構造元件102具有相互對置的一對端面102a、102b，用p型半導體襯底104構成。半導體襯底104例如是p型的InP襯底，例如是方形襯底，其厚度為250μm～350μm。在該半導體襯底104的上面的整個面上，p型的InP包層106以1μm～2μm的厚度形成。
包層106上面的整個面上形成活性層，例如AlGaInAs多重量子阱活性層108。該活性層108全體的厚度為60nm～115nm。該活性層108通過6層的各壁壘層夾入例如合計5層的各阱(ゥェル)層構成。這時各阱層例如為5nm的厚度，各壁壘層為10nm的厚度，活性層108的全體厚度為85nm。進一步地，在該活性層108上面的整個面上形成厚度薄的n型第1包層110。該第1包層110例如為AlInAs層，但也可以使用Al組成大的AlGaInAs。該第1包層110的厚度為50nm～300nm的范圍，具體講，可使用100nm厚度的AlInAs。在第1包層110的上面形成厚度大的n型第2包層112。該第2包層112例如是n型的InP層。該第2包層112的厚度為1μm～2μm。
該二重異質構造元件102具有二重異質結。在活性層108和第1包層110之間形成第1異質結114。在第1包層110和第2包層112之間形成第2異質結116。這樣，通過活性層108、第1包層110以及第2包層112構成二重異質構造。
在第2包層112上形成相互平行的3條突出條112a、112b、112c。這些突出條112a、112b、112c是使突出條112a處于中央，在其兩側配置突出條112b、112c。這些突出條112a、112b、112c從各自的端面102a向端面102b相互平行延長，與該延長方向正交的斷面分別為矩形斷面。在鄰接的2個突出條112a和突出條112b之間形成帶狀溝118a，在鄰接的2個突出條112a和突出條112c之間形成帶狀溝118b。在這些溝118a、118b的底部露出第1包層110。中央突出條112構成脊形波導120。
在3個突出條112a、112b、112c的各上面以0.2μm～0.5μm的厚度形成n型InGaAs接觸層122。經該接觸層122，在各突出條112a、112b、112c上n型電極層124形成歐姆接觸。在p型的半導體襯底104的下面整個面上形成p型電極層126。在p型半導體襯底104上形成歐姆接觸。
在脊形波導120的下部活性層108形成活性區(qū)130。在該活性區(qū)130和脊形波導120之間存在第1包層110，因為其厚度為100nm，薄，所以可以抑制從脊形波導120向活性區(qū)130方向的電阻增大。
n型第2包層112的3條突出條112a、112b、112c象以下那樣地形成。最初，在第1包層110上面的整個面上形成成為第2包層112的n型AlInAs層和成為接觸層122的n型InGaAs層之后，在該AlInAs層和InGaAs層上通過由蝕刻形成帶狀溝118a、118b而形成。形成帶狀溝118a、118b，使得達到第1包層110，3條突出條112a、112b、112c相互分離地形成。
用于形成帶狀溝118a、118b的蝕刻包含前段的第1蝕刻工序和后段的第2蝕刻工序，在第1蝕刻工序，用可以一起蝕刻成為第2包層112的AlInAs層和成為接觸層122的InGaAs層的、沒有選擇性的RIE(活性離子蝕刻)法等的干蝕刻。在該第1蝕刻工序，第2包層112蝕刻到其厚度的中途。例如第2包層112通過第1蝕刻工序蝕刻到從其厚度的70％到80％處。
第1蝕刻工序后，通過第2蝕刻工序進行帶狀溝118a、118b的剩余的蝕刻。在該第2蝕刻工序，與對構成第2包層112的InP的蝕刻速度相比，使用了對構成第1包層110的AlInAs的蝕刻速度慢的蝕刻液的濕蝕刻。作為該蝕刻液例如使用鹽酸和磷酸的混合液。該蝕刻液對AlInAs的蝕刻速度比對InP的蝕刻速度慢一個量級以上。
由此，因為蝕刻在達到第1包層110的階段，蝕刻速度急劇下降，所以在該階段，第2蝕刻工序停止。第1包層110作為第2蝕刻工序的蝕刻阻塞(ェッチングストッパ)層發(fā)揮功能。將第1包層110作為蝕刻阻塞層停止第2蝕刻工序的結果，在帶著溝118a、118b的底部露出第1包層110，另外該帶狀溝118a、118b底部的第1包層110的厚度在100nm以下可以進行控制性好的控制。但是，即使是以第1包層110作為蝕刻阻塞層時，通過蝕刻時間誤差等，在帶狀溝118a、118b底部的第1包層110上有稍微殘留InP層的情況，不過，在這種情況下，通過第1包層110的存在，第2包層112能蝕刻到足夠的厚度的效果基本上也不變。
這樣，根據本發(fā)明的實施形態(tài)1，可以控制帶狀溝118a、118b底部的第1包層110的厚度在100nm以下的薄度。其結果，在脊形波導120的下部，從活性區(qū)130的外側，經第1包層110向活性區(qū)130上部橫向流入的電流，即對激光振蕩沒有貢獻的漏電流可以有效地減小。在圖1(a)、(b)上為了方便用箭矢表示在活性區(qū)130上部的電子流，當然電流與該電子流相反方向地流動。
說明實施形態(tài)1的動作。動作電壓外加在電極層126、124之間，并使在p電極層126上為正，在n電極層124上為負。通過該動作電壓，電子經由脊形波導120，在脊形波導120正下方的活性區(qū)130集中流入，此外，空穴也同時從p型半導體襯底104向活性區(qū)130流入。使電流增加，如果達到閾值電流以上的電流，則在活性區(qū)130產生激光振蕩。該動作與通常的半導體激光裝置相同。
在該實施形態(tài)1，因為從活性區(qū)130上部向外側，經由第1包層110流動的電子流在帶狀溝118a、118b底部通過薄的第1包層110被抑制，變小，所以能將使活性區(qū)130旁路的漏電流抑制得很小。因為活性區(qū)130上部的第1包層110厚度薄，所以串聯電阻也只稍微增大，此外，激光裝置光的吸收也少。
在實施形態(tài)1，因為脊形波導120由n型層，具體講n型第1包層110和n型第2包層112構成，所以與脊形波導由p型層構成的傳統的使用了n型半導體襯底的脊形波導型半導體激光裝置相比，可以使脊形波導120部分的電阻率作成約1/10。因而，由脊形波導120部分的電阻引起的發(fā)熱大幅度變小，可以改善半導體激光裝置的溫度特性。因為半導體激光裝置全體的電阻變小，所以RC時間常數變小，頻率響應變快，可以改善高速動作特性，使高速調制成為可能。又，在實施形態(tài)1，由于用AlGaInAs系的量子阱作為活性層108，所以與傳統的InGaAsP系的量子阱的半導體激光裝置相比，可以改善溫度特性、高速動作特性、高速調制特性。
實施形態(tài)2圖2是示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置實施形態(tài)2的斷面圖。該實施形態(tài)2是在帶狀溝118a、118b底部露出的第1包層110部分上形成由晶格缺陷產生的高電阻區(qū)132。其它構成與實施形態(tài)1相同，與實施形態(tài)1相同的部分用同一符號表示。
高電阻區(qū)132通過從帶狀溝118a、118b把H(氫)、He(氦)、Ar(氬)等非活性元素的離子向第1包層110注入而形成。在該離子注入工序，設定離子加速能量，使得通過注入的元素以及該元素的注入，導入到第1包層110內的晶格缺陷的峰不到達量子阱活性層108，作為結果，高電阻區(qū)132限定在第1包層110的厚度的范圍內形成。這是注意到通過離子注入形成的晶格缺陷在半導體激光裝置長時間動作時增殖，有損半導體激光裝置的可靠性之虞，為了不引起這樣的可靠性降低，限定高電阻區(qū)132在第1包層110的厚度范圍內。高電阻區(qū)132希望在第1包層110整個厚度范圍內形成，然而在從帶狀溝118a、118b上露出的表面開始到其厚度的70％～80％的范圍內形成，也可以期待大體相同的效果。
因為在高電阻區(qū)132存在的晶格缺陷捕獲注入的載流子(電子)，所以在該區(qū)域內有效的載流子數減少，成為高電阻。由此，流過第1包層110的電子減小，與此相應，進一步抑制了漏電流。其結果可以更加有效地向活性區(qū)130集中載流子。根據本實施形態(tài)2，通過抑制漏電流可以進一步降低閾值電流，在更高溫下使振蕩成為可能。
實施形態(tài)3圖3示出本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置實施形態(tài)3的斷面圖。該實施形態(tài)3是在帶狀溝118a、118b底部露出的第1包層110部分上形成由F(氟)導入產生的高電阻區(qū)134。其它與實施形態(tài)1相同地構成，與實施形態(tài)1相同部分用相同符號表示。
當對構成第1包層110的n型AlInAs層導入F(氟)時，眾知在其導入部分，F(氟)使作為n型雜質的Si(硅)元素或S(硫)元素非活性化，高電阻化。在該實施形態(tài)3，通過導入該F(氟)，在帶狀溝118a、118b底部上露出的第1包層110部分上形成高電阻區(qū)134。該高電阻區(qū)134在通過帶狀溝118a、118b使第1包層110部分地露出的狀態(tài)，通過使該第1包層110的露出表面接觸F(氟)而形成。希望高電阻區(qū)134在第1包層110整個厚度內形成，但即使從在帶狀溝118a、118b露出的表面開始，在其厚度的70％～80％的范圍內形成也可以期待大體相同的效果。
為此的第1方法是在包含HF(氟化氫)或NH4F(氟化銨)的水溶液里，浸漬通過帶狀溝118a、118b使第1包層110部分露出狀態(tài)的二重異質構造元件102的方法。第2方法是在包含CF4等的氟化化合物氣體的環(huán)境氣氛中發(fā)生等離子體，在該等離子體中，將通過帶狀溝118a、118b使第1包層110部分露出狀態(tài)的二重異質構造元件102進行曝光的方法。
對于實施形態(tài)3，與實施形態(tài)2同樣，通過導入F(氟)的高電阻區(qū)134進一步減少漏電流，可以有效地使載流子集中于活性區(qū)130，可降低閾值電流、改善溫度特性。
實施形態(tài)4圖4示出根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置實施形態(tài)4的斷面圖。本實施形態(tài)4是氧化在帶狀溝118a、118b底部上露出的第1包層110部分、形成由氧化膜產生的高電阻區(qū)136。其它與實施形態(tài)1相同地構成，與實施形態(tài)1相同部分用相同符號表示。
由氧化膜產生的高電阻區(qū)136通過將在帶狀溝118a、118b底部露出的第1包層110的表面部分在水蒸汽氣氛中高溫熱處理而形成。形成由該氧化膜產生的高電阻區(qū)136，使得其遍及第1包層110厚度的全部或到達離其表面70～80％大體的全部。通過其絕緣膜可以抑制擴展到脊形波導120的周邊上的漏電流幾乎沒有。作為結果，在活性區(qū)130可以高效地使載流子集中，可以降低閾值電流，顯著地改善溫度特性。
實施形態(tài)5圖5是示出本發(fā)明的半導體激光裝置的實施形態(tài)5的斷面圖。本實施形態(tài)5是在帶狀溝118a、118b底部露出的第1包層110部分上形成高電阻區(qū)138的同時，在脊形波導120上形成衍射光柵140的脊形波導型DFB激光裝置。高電阻區(qū)138和衍射光柵140以外，與實施形態(tài)1同樣地構成，用與實施形態(tài)1相同的符號表示。
首先，高電阻區(qū)138與實施形態(tài)2～4所示的高電阻區(qū)132、134、136之任一個相同地形成。
衍射光柵140是在脊形波導120中，從端面102a向端面102b，以規(guī)定柵間距形成，在與活性區(qū)130之間構成規(guī)定間隔的諧振器。該衍射光柵140例如是由InGaAsP構成、在由n型InP構成的脊形波導120中形成。該衍射光柵140反射在活性區(qū)130發(fā)生的光，在與活性區(qū)130之間構成的諧振器內使光往復，當電流達到閾值電流以上時，發(fā)揮功能以使在由衍射光柵140的柵間距決定的單一波長下產生振蕩。
衍射光柵140的柵間距，從端面102a到端面102b以一樣均勻的衍射光柵構成，或者以衍射光柵的一部分柵間距只偏移λ/4(λ為介質內的光波長)的相移衍射光柵構成。尤其是如果采用相移衍射光柵，則在單一縱向模式振蕩穩(wěn)定性、重現性優(yōu)良，而且可能實現在高溫下能穩(wěn)定動作的DFB激光裝置。
根據實施形態(tài)5，例如可以實現直到85℃以上高溫下穩(wěn)定地在單一縱向模式下動作的DFB激光裝置。通過高電阻區(qū)138，直到更高的溫度可以實現適用于例如可作10Gbps級的高速調制的吉位以太網(ギガビットィ-サネット)(注冊商標)等的信息傳輸用半導體激光裝置。
因為是在用n型半導體構成的脊形波導120內形成衍射光柵140，所以形成衍射光柵140后，在進行n型的InP層的埋入生長時，即使在再生長界面上堆積作為n型雜質的Si，由于是同一導電型，所以不會形成高電阻層。
以上的實施形態(tài)1～5，是使用了在p型InP襯底101上形成的AlGaInAs系量子阱活性層103的半導體激光裝置，但本發(fā)明也適用于在p型InP襯底101上形成InGaAs系量子阱活性層的半導體激光裝置、在p型GaAs襯底上形成AlGaAs系量子阱活性層或InGaAs系量子阱活性層的半導體激光裝置等使用了其它材料系襯底以及量子阱活性層的半導體激光裝置。
例如，作為襯底104使用p型GaAs襯底時，作為p型包層106用AlGaAS，作為活性層108使用AlGaAs系量子阱活性層，作為n型第1包層110使用厚度幾個nm的極薄的GaAs層，此外，作為n型第2包層112使用AlGaAs層。
發(fā)明的效果如上所述，本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，用p型半導體襯底，并用由相互不同的半導體材料構成的n型薄的第1包層和n型厚的第2包層，在第2包層形成的2條溝間形成脊形波導，并使得各溝到達第1包層的表面或其近旁，所以可以一邊由薄的第1包層抑制漏電流，一邊改善激光裝置的溫度特性、高速動作特性。
根據本發(fā)明的脊形波導型半導體激光裝置，用p型半導體襯底，并用n型薄的第1包層和n型厚的第2包層，在第2包層上形成的2條溝間形成脊形波導，對于形成各溝的蝕刻，使用第1包層作為蝕刻阻塞劑，所以可以一邊通過薄的第1包層抑制漏電流，一邊改善激光裝置的溫度特性、高速動作特性。
在各溝的正下方的第1包層上形成高電阻區(qū)的，通過高電阻區(qū)可以進一步抑制漏電流，此外，不達到活性層、在第1包層內形成該高電阻區(qū)的，可進一步地消除由高電阻區(qū)引起的對活性層的不良影響。
通過非活性元素的離子注入形成高電阻區(qū)的，通過氟元素的導入形成高電阻區(qū)的，通過第1包層氧化形成高電阻區(qū)的，都有效地形成高電阻區(qū)，可以抑制漏電流。
在脊形波道內形成衍射晶格的，可一邊謀求單一波長振蕩，一邊謀求抑制漏電流、提高激光裝置的溫度特性、高速動作特性。
權利要求
1.脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，它是在p型半導體襯底上順序形成p型包層和量子阱活性層，此外還在其上順序形成n型薄的第1包層和n型厚的第2包層的脊形波導型半導體激光裝置，前述第1、第2包層以相互不同的半導體材料構成，在前述第2包層上形成的2條溝之間形成脊形波導，前述各溝到達前述第1包層的表面或其近旁。
2.根據權利要求1所述的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，在前述各溝的正下方的前述第1包層上形成高電阻區(qū)。
3.根據權利要求2所述的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)未達到前述量子阱活性層，在前述第1包層內形成。
4.根據權利要求2或3所述的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)通過非活性元素的離子注入而形成。
5.根據權利要求2或3所述的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)通過導入氟元素形成。
6.根據權利要求2或3所述的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，前述高電阻區(qū)是將前述第1包層氧化而形成的。
7.根據權利要求2或3所述的脊形波導型半導體激光裝置，其特征為，在前述脊形波導內形成衍射光柵。
全文摘要
本發(fā)明提供漏電流少、改善溫度特性、高速動作特性的脊形波導型半導體激光裝置。它具有在p型半導體襯底上順序形成p型包層、量子阱活性層、n型薄的第1包層、n型厚的第2包層的二重異質構造元件，在第2包層上形成的第2條溝之間形成脊形波導，對各溝的蝕刻，使用第1包層作為蝕刻阻塞層，并使各溝達到第1包層的表面或其近旁。薄的第1包層抑制漏電流，改善溫度特性、高速動作特性。在各溝正下方的第1包層部分上形成高電阻區(qū)，進一步抑制漏電流。
文檔編號H01S5/20GK1445892SQ0215134
公開日2003年10月1日 申請日期2002年11月18日 優(yōu)先權日2002年3月19日
發(fā)明者三橋豐, 瀧口透, 花卷吉彥 申請人:三菱電機株式會社