专利名称：脊形波导型半导体激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在光通信等使用的脊形波导型半导体激光装置的改良，提出改善了温度特性和高速动作特性的脊形波导型半导体激光装置。
背景技术：
近年光纤通信网的普及急速发展，通信用半导体激光装置的用途从干线系统扩大到用户系统。伴随互联网的急速普及、计算机网络化的进展，对使用了光纤的LAN(局域网)的高速化的需求增大，作为其关键器件的数据通信(data com)用半导体激光装置，对其温度特性的提高、高速动作化的要求增加。为了促进使用了这些激光装置的光通信设备的低价格化，不附加特殊的冷却设备、在高温下可能高速动作的半导体激光装置是不可欠缺的。
这种传统的脊形波导型半导体激光装置例如如图6、图7所示。图6是示出用传统的n型半导体衬底的脊形波导型半导体激光装置的斜视图。图7是示出用传统的p型半导体衬底的脊形波导型半导体激光装置的斜视图。
图6所示的半导体激光装置是用n型半导体衬底的脊形波导型半导体激光装置。该半导体激光装置在n型的InP等的半导体衬底1n上面形成n型的InP包层2n，进一步在其上面形成AlGaInAs多路量子阱活性层3。在该活性层3的上面形成具有3条突出条的p型InP包层5p，在该包层5p的上面经p型的InGaAs接触层6p，形成p型的电极层7p。3条突出条中，中央突出条形成脊形波导9，在其下部的活性层3上形成活性区10。在n型半导体衬底1n的下面形成n型电极层8n。
通常左右半导体激光装置温度特性的要素之一是串联电阻Rd。该串联电阻Rd越小，则产生的焦耳热越减小，温度特性变好。此外，串联电阻Rd也是决定半导体激光装置高速动作特性的一个要素。因为串联电阻Rd越小，Rc时间常数越变小，频率响应变好，所以为了改善高速动作特性也希望串联电阻Rd尽可能小。
因为图6所示的传统脊形波导形半导体激光装置是用n型半导体衬底1n构成的，所以构成脊形波导9的包层5p必然地是用p型半导体，例如用p型的InP或p型的InGaAs形成。可是，由于该p型半导体的多数载流子是正孔(穴)，所以与n型半导体相比，其电阻率约高一个量级。因此，图6所示的传统半导体激光装置与n型半导体衬底1n上的活性区10靠近的脊形波导9的串联电阻变大，串联电阻Rd变大。由此，因为发热大，此外，Rc时间常数也变大，所以这对使高温特性以及高速动作特性提高不利。
图7示出改善该问题的传统脊形波导型半导体激光装置，这是用p型半导体衬底1p构成的。该半导体激光装置是在p型的InP等的半导体衬底1p上面形成p型的InP包层2p，进一步在其上面形成AlGaInAs多重量子阱活性层3的。在该活性层3的上面，形成具有3条突出条的n型的InP包层的5n，在该包层5n上面，经n型的InGaAs接触层6n，形成n型的电极层7n。3条突出条中，中央的突出条形成脊形波导9，在其下部的活性层3上形成活性区10。再者，在p型半导体衬底1p下面形成p型的电极层8p。
发明内容
由于在图7所示的用p型半导体衬底1p的脊形波导型半导体激光装置上脊形波导9采用n型的InP包层5n和n型InGaAs接触层6n构成，所以对流过脊形波导路9电流的串联电阻Rd降低，可以改善温度特性以及高速动作特性。可是，实际上，在脊形波导9和活性区10之间残留比较厚的n型InP包层5n。这起因于在InP包层5n上形成3条突出条的蚀刻工序中，为了可靠地进行在InP包层5n上中止该蚀刻的控制，所以在脊形波导9和活性区10之间残留比较厚的包层5n。在该脊形波导9和活性区10之间残留的较厚的包层5n造成通过该部分的大的漏电流，由于该大的漏电流，使得起振的阈值电流变大，因为发热增加，反而产生温度特性变差的不良情况。
本发明提出用p型半导体衬底，能谋求提高温度特性和高速动作特性的改良的脊形波导型半导体激光装置。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，是在p型半导体衬底上顺序形成p型包层和量子阱活性层，进一步在其上形成n型薄的第1包层和n型厚的第2包层的脊形波导半导体激光装置，前述第1、第2包层由相互不同的半导体材料构成，在前述第2包层上形成的2条沟之间形成脊形波导，前述各沟达到前述第1包层表面或其近旁。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，在前述各沟正下方的前述第1包层上形成高电阻区。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区未达到前述量子阱活性层，在前述第1包层内形成。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区通过非活性元素的离子注入形成。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区通过氟元素的导入形成。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区通过氧化前述第1包层而形成。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，在前述脊形波导内形成衍射光栅。
附图的简单说明
图1示出本发明的脊形波导型半导体激光装置的实施形态1，(a)是斜视图，(b)是断面图。
图2是示出本发明的脊形波导型半导体激光装置的实施形态2的断面图。
图3是示出本发明的脊形波导型半导体激光装置的实施形态3的断面图。
图4是示出本发明的脊形波导型半导体激光装置的实施形态4的断面图。
图5是示出本发明的脊形波导型半导体激光装置的实施形态5的斜视图。
图6是示出传统的脊形波导型半导体激光装置的斜视图。
图7是示出传统的脊形波导型半导体激光装置的斜视图。
符号说明102二重异质构造元件，104p型半导体衬底，106p型包层，108量子阱活性层，110n型第1包层，112n型第2包层，118a、118b沟，122n型接触层，124n型电极层，126p型电极，120脊形波导，130活性区，132、134、136、138高电阻区，140衍射光栅。
发明的实施形态实施形态1图1是示出本发明的脊形波导型半导体激光装置实施形态1的图，图1(a)是其斜视图，图1(b)是其断面图。
该实施形态1是用p型半导体衬底的脊形波导型半导体激光装置100，该脊形波导型半导体激光装置100具有二重异质构造元件102，该二重异质构造元件102具有相互对置的一对端面102a、102b，用p型半导体衬底104构成。半导体衬底104例如是p型的InP衬底，例如是方形衬底，其厚度为250μm～350μm。在该半导体衬底104的上面的整个面上，p型的InP包层106以1μm～2μm的厚度形成。
包层106上面的整个面上形成活性层，例如AlGaInAs多重量子阱活性层108。该活性层108全体的厚度为60nm～115nm。该活性层108通过6层的各壁垒层夹入例如合计5层的各阱(ゥェル)层构成。这时各阱层例如为5nm的厚度，各壁垒层为10nm的厚度，活性层108的全体厚度为85nm。进一步地，在该活性层108上面的整个面上形成厚度薄的n型第1包层110。该第1包层110例如为AlInAs层，但也可以使用Al组成大的AlGaInAs。该第1包层110的厚度为50nm～300nm的范围，具体讲，可使用100nm厚度的AlInAs。在第1包层110的上面形成厚度大的n型第2包层112。该第2包层112例如是n型的InP层。该第2包层112的厚度为1μm～2μm。
该二重异质构造元件102具有二重异质结。在活性层108和第1包层110之间形成第1异质结114。在第1包层110和第2包层112之间形成第2异质结116。这样，通过活性层108、第1包层110以及第2包层112构成二重异质构造。
在第2包层112上形成相互平行的3条突出条112a、112b、112c。这些突出条112a、112b、112c是使突出条112a处于中央，在其两侧配置突出条112b、112c。这些突出条112a、112b、112c从各自的端面102a向端面102b相互平行延长，与该延长方向正交的断面分别为矩形断面。在邻接的2个突出条112a和突出条112b之间形成带状沟118a，在邻接的2个突出条112a和突出条112c之间形成带状沟118b。在这些沟118a、118b的底部露出第1包层110。中央突出条112构成脊形波导120。
在3个突出条112a、112b、112c的各上面以0.2μm～0.5μm的厚度形成n型InGaAs接触层122。经该接触层122，在各突出条112a、112b、112c上n型电极层124形成欧姆接触。在p型的半导体衬底104的下面整个面上形成p型电极层126。在p型半导体衬底104上形成欧姆接触。
在脊形波导120的下部活性层108形成活性区130。在该活性区130和脊形波导120之间存在第1包层110，因为其厚度为100nm，薄，所以可以抑制从脊形波导120向活性区130方向的电阻增大。
n型第2包层112的3条突出条112a、112b、112c象以下那样地形成。最初，在第1包层110上面的整个面上形成成为第2包层112的n型AlInAs层和成为接触层122的n型InGaAs层之后，在该AlInAs层和InGaAs层上通过由蚀刻形成带状沟118a、118b而形成。形成带状沟118a、118b，使得达到第1包层110，3条突出条112a、112b、112c相互分离地形成。
用于形成带状沟118a、118b的蚀刻包含前段的第1蚀刻工序和后段的第2蚀刻工序，在第1蚀刻工序，用可以一起蚀刻成为第2包层112的AlInAs层和成为接触层122的InGaAs层的、没有选择性的RIE(活性离子蚀刻)法等的干蚀刻。在该第1蚀刻工序，第2包层112蚀刻到其厚度的中途。例如第2包层112通过第1蚀刻工序蚀刻到从其厚度的70％到80％处。
第1蚀刻工序后，通过第2蚀刻工序进行带状沟118a、118b的剩余的蚀刻。在该第2蚀刻工序，与对构成第2包层112的InP的蚀刻速度相比，使用了对构成第1包层110的AlInAs的蚀刻速度慢的蚀刻液的湿蚀刻。作为该蚀刻液例如使用盐酸和磷酸的混合液。该蚀刻液对AlInAs的蚀刻速度比对InP的蚀刻速度慢一个量级以上。
由此，因为蚀刻在达到第1包层110的阶段，蚀刻速度急剧下降，所以在该阶段，第2蚀刻工序停止。第1包层110作为第2蚀刻工序的蚀刻阻塞(ェッチングストッパ)层发挥功能。将第1包层110作为蚀刻阻塞层停止第2蚀刻工序的结果，在带着沟118a、118b的底部露出第1包层110，另外该带状沟118a、118b底部的第1包层110的厚度在100nm以下可以进行控制性好的控制。但是，即使是以第1包层110作为蚀刻阻塞层时，通过蚀刻时间误差等，在带状沟118a、118b底部的第1包层110上有稍微残留InP层的情况，不过，在这种情况下，通过第1包层110的存在，第2包层112能蚀刻到足够的厚度的效果基本上也不变。
这样，根据本发明的实施形态1，可以控制带状沟118a、118b底部的第1包层110的厚度在100nm以下的薄度。其结果，在脊形波导120的下部，从活性区130的外侧，经第1包层110向活性区130上部横向流入的电流，即对激光振荡没有贡献的漏电流可以有效地减小。在图1(a)、(b)上为了方便用箭矢表示在活性区130上部的电子流，当然电流与该电子流相反方向地流动。
说明实施形态1的动作。动作电压外加在电极层126、124之间，并使在p电极层126上为正，在n电极层124上为负。通过该动作电压，电子经由脊形波导120，在脊形波导120正下方的活性区130集中流入，此外，空穴也同时从p型半导体衬底104向活性区130流入。使电流增加，如果达到阈值电流以上的电流，则在活性区130产生激光振荡。该动作与通常的半导体激光装置相同。
在该实施形态1，因为从活性区130上部向外侧，经由第1包层110流动的电子流在带状沟118a、118b底部通过薄的第1包层110被抑制，变小，所以能将使活性区130旁路的漏电流抑制得很小。因为活性区130上部的第1包层110厚度薄，所以串联电阻也只稍微增大，此外，激光装置光的吸收也少。
在实施形态1，因为脊形波导120由n型层，具体讲n型第1包层110和n型第2包层112构成，所以与脊形波导由p型层构成的传统的使用了n型半导体衬底的脊形波导型半导体激光装置相比，可以使脊形波导120部分的电阻率作成约1/10。因而，由脊形波导120部分的电阻引起的发热大幅度变小，可以改善半导体激光装置的温度特性。因为半导体激光装置全体的电阻变小，所以RC时间常数变小，频率响应变快，可以改善高速动作特性，使高速调制成为可能。又，在实施形态1，由于用AlGaInAs系的量子阱作为活性层108，所以与传统的InGaAsP系的量子阱的半导体激光装置相比，可以改善温度特性、高速动作特性、高速调制特性。
实施形态2图2是示出本发明的脊形波导型半导体激光装置实施形态2的断面图。该实施形态2是在带状沟118a、118b底部露出的第1包层110部分上形成由晶格缺陷产生的高电阻区132。其它构成与实施形态1相同，与实施形态1相同的部分用同一符号表示。
高电阻区132通过从带状沟118a、118b把H(氢)、He(氦)、Ar(氩)等非活性元素的离子向第1包层110注入而形成。在该离子注入工序，设定离子加速能量，使得通过注入的元素以及该元素的注入，导入到第1包层110内的晶格缺陷的峰不到达量子阱活性层108，作为结果，高电阻区132限定在第1包层110的厚度的范围内形成。这是注意到通过离子注入形成的晶格缺陷在半导体激光装置长时间动作时增殖，有损半导体激光装置的可靠性之虞，为了不引起这样的可靠性降低，限定高电阻区132在第1包层110的厚度范围内。高电阻区132希望在第1包层110整个厚度范围内形成，然而在从带状沟118a、118b上露出的表面开始到其厚度的70％～80％的范围内形成，也可以期待大体相同的效果。
因为在高电阻区132存在的晶格缺陷捕获注入的载流子(电子)，所以在该区域内有效的载流子数减少，成为高电阻。由此，流过第1包层110的电子减小，与此相应，进一步抑制了漏电流。其结果可以更加有效地向活性区130集中载流子。根据本实施形态2，通过抑制漏电流可以进一步降低阈值电流，在更高温下使振荡成为可能。
实施形态3图3示出本发明的脊形波导型半导体激光装置实施形态3的断面图。该实施形态3是在带状沟118a、118b底部露出的第1包层110部分上形成由F(氟)导入产生的高电阻区134。其它与实施形态1相同地构成，与实施形态1相同部分用相同符号表示。
当对构成第1包层110的n型AlInAs层导入F(氟)时，众知在其导入部分，F(氟)使作为n型杂质的Si(硅)元素或S(硫)元素非活性化，高电阻化。在该实施形态3，通过导入该F(氟)，在带状沟118a、118b底部上露出的第1包层110部分上形成高电阻区134。该高电阻区134在通过带状沟118a、118b使第1包层110部分地露出的状态，通过使该第1包层110的露出表面接触F(氟)而形成。希望高电阻区134在第1包层110整个厚度内形成，但即使从在带状沟118a、118b露出的表面开始，在其厚度的70％～80％的范围内形成也可以期待大体相同的效果。
为此的第1方法是在包含HF(氟化氢)或NH4F(氟化铵)的水溶液里，浸渍通过带状沟118a、118b使第1包层110部分露出状态的二重异质构造元件102的方法。第2方法是在包含CF4等的氟化化合物气体的环境气氛中发生等离子体，在该等离子体中，将通过带状沟118a、118b使第1包层110部分露出状态的二重异质构造元件102进行曝光的方法。
对于实施形态3，与实施形态2同样，通过导入F(氟)的高电阻区134进一步减少漏电流，可以有效地使载流子集中于活性区130，可降低阈值电流、改善温度特性。
实施形态4图4示出根据本发明的脊形波导型半导体激光装置实施形态4的断面图。本实施形态4是氧化在带状沟118a、118b底部上露出的第1包层110部分、形成由氧化膜产生的高电阻区136。其它与实施形态1相同地构成，与实施形态1相同部分用相同符号表示。
由氧化膜产生的高电阻区136通过将在带状沟118a、118b底部露出的第1包层110的表面部分在水蒸汽气氛中高温热处理而形成。形成由该氧化膜产生的高电阻区136，使得其遍及第1包层110厚度的全部或到达离其表面70～80％大体的全部。通过其绝缘膜可以抑制扩展到脊形波导120的周边上的漏电流几乎没有。作为结果，在活性区130可以高效地使载流子集中，可以降低阈值电流，显著地改善温度特性。
实施形态5图5是示出本发明的半导体激光装置的实施形态5的断面图。本实施形态5是在带状沟118a、118b底部露出的第1包层110部分上形成高电阻区138的同时，在脊形波导120上形成衍射光栅140的脊形波导型DFB激光装置。高电阻区138和衍射光栅140以外，与实施形态1同样地构成，用与实施形态1相同的符号表示。
首先，高电阻区138与实施形态2～4所示的高电阻区132、134、136之任一个相同地形成。
衍射光栅140是在脊形波导120中，从端面102a向端面102b，以规定栅间距形成，在与活性区130之间构成规定间隔的谐振器。该衍射光栅140例如是由InGaAsP构成、在由n型InP构成的脊形波导120中形成。该衍射光栅140反射在活性区130发生的光，在与活性区130之间构成的谐振器内使光往复，当电流达到阈值电流以上时，发挥功能以使在由衍射光栅140的栅间距决定的单一波长下产生振荡。
衍射光栅140的栅间距，从端面102a到端面102b以一样均匀的衍射光栅构成，或者以衍射光栅的一部分栅间距只偏移λ/4(λ为介质内的光波长)的相移衍射光栅构成。尤其是如果采用相移衍射光栅，则在单一纵向模式振荡稳定性、重现性优良，而且可能实现在高温下能稳定动作的DFB激光装置。
根据实施形态5，例如可以实现直到85℃以上高温下稳定地在单一纵向模式下动作的DFB激光装置。通过高电阻区138，直到更高的温度可以实现适用于例如可作10Gbps级的高速调制的吉位以太网(ギガビットィ-サネット)(注册商标)等的信息传输用半导体激光装置。
因为是在用n型半导体构成的脊形波导120内形成衍射光栅140，所以形成衍射光栅140后，在进行n型的InP层的埋入生长时，即使在再生长界面上堆积作为n型杂质的Si，由于是同一导电型，所以不会形成高电阻层。
以上的实施形态1～5，是使用了在p型InP衬底101上形成的AlGaInAs系量子阱活性层103的半导体激光装置，但本发明也适用于在p型InP衬底101上形成InGaAs系量子阱活性层的半导体激光装置、在p型GaAs衬底上形成AlGaAs系量子阱活性层或InGaAs系量子阱活性层的半导体激光装置等使用了其它材料系衬底以及量子阱活性层的半导体激光装置。
例如，作为衬底104使用p型GaAs衬底时，作为p型包层106用AlGaAS，作为活性层108使用AlGaAs系量子阱活性层，作为n型第1包层110使用厚度几个nm的极薄的GaAs层，此外，作为n型第2包层112使用AlGaAs层。
发明的效果如上所述，本发明的脊形波导型半导体激光装置，用p型半导体衬底，并用由相互不同的半导体材料构成的n型薄的第1包层和n型厚的第2包层，在第2包层形成的2条沟间形成脊形波导，并使得各沟到达第1包层的表面或其近旁，所以可以一边由薄的第1包层抑制漏电流，一边改善激光装置的温度特性、高速动作特性。
根据本发明的脊形波导型半导体激光装置，用p型半导体衬底，并用n型薄的第1包层和n型厚的第2包层，在第2包层上形成的2条沟间形成脊形波导，对于形成各沟的蚀刻，使用第1包层作为蚀刻阻塞剂，所以可以一边通过薄的第1包层抑制漏电流，一边改善激光装置的温度特性、高速动作特性。
在各沟的正下方的第1包层上形成高电阻区的，通过高电阻区可以进一步抑制漏电流，此外，不达到活性层、在第1包层内形成该高电阻区的，可进一步地消除由高电阻区引起的对活性层的不良影响。
通过非活性元素的离子注入形成高电阻区的，通过氟元素的导入形成高电阻区的，通过第1包层氧化形成高电阻区的，都有效地形成高电阻区，可以抑制漏电流。
在脊形波道内形成衍射晶格的，可一边谋求单一波长振荡，一边谋求抑制漏电流、提高激光装置的温度特性、高速动作特性。
权利要求
1.脊形波导型半导体激光装置，其特征为，它是在p型半导体衬底上顺序形成p型包层和量子阱活性层，此外还在其上顺序形成n型薄的第1包层和n型厚的第2包层的脊形波导型半导体激光装置，前述第1、第2包层以相互不同的半导体材料构成，在前述第2包层上形成的2条沟之间形成脊形波导，前述各沟到达前述第1包层的表面或其近旁。
2.根据权利要求1所述的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，在前述各沟的正下方的前述第1包层上形成高电阻区。
3.根据权利要求2所述的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区未达到前述量子阱活性层，在前述第1包层内形成。
4.根据权利要求2或3所述的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区通过非活性元素的离子注入而形成。
5.根据权利要求2或3所述的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区通过导入氟元素形成。
6.根据权利要求2或3所述的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，前述高电阻区是将前述第1包层氧化而形成的。
7.根据权利要求2或3所述的脊形波导型半导体激光装置，其特征为，在前述脊形波导内形成衍射光栅。
全文摘要
本发明提供漏电流少、改善温度特性、高速动作特性的脊形波导型半导体激光装置。它具有在p型半导体衬底上顺序形成p型包层、量子阱活性层、n型薄的第1包层、n型厚的第2包层的二重异质构造元件，在第2包层上形成的第2条沟之间形成脊形波导，对各沟的蚀刻，使用第1包层作为蚀刻阻塞层，并使各沟达到第1包层的表面或其近旁。薄的第1包层抑制漏电流，改善温度特性、高速动作特性。在各沟正下方的第1包层部分上形成高电阻区，进一步抑制漏电流。
文档编号H01S5/20GK1445892SQ0215134
公开日2003年10月1日 申请日期2002年11月18日 优先权日2002年3月19日
发明者三桥丰, 泷口透, 花卷吉彦 申请人:三菱电机株式会社