专利名称：半导体光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及确保良好的初始特性及长期可靠性并能提高高速响应性及单一模式(single mode)性的半导体光元件。
背景技术：
进行直接调制的用于光通信的半导体激光器，有必要在高温下也实现IOGbps程 度的高速响应。因此，进行了有源层的量子阱结构的最优化、涂敷光出射端面而实现的高反 射化、降低寄生电容、缩短有源层的光波导方向的长度L、增大分布反馈型或分布反射型半 导体激光器中的衍射光栅的耦合常数κ、有源层使用AlGaInAs等具有Al元素的材料等。专利文献1 日本特开2003-51640号公报在要求20Gbps以上高速响应的场合，缩短有源层的长度L为200 μ m以下。但是， 如果缩短长度L则κ L也变小，无法得到充分的缓和振动频率，且得不到经缩短充分提高高 速响应性的效果。因此，需要将耦合常数κ设为极大，例如以往的2倍程度。作为其实现方法，有减弱有源层的光封闭性的方法、使衍射光栅与有源层的间隔 靠近的方法、提高衍射光栅的折射率的方法。但是，这些方法有如下问题。第一，如果减弱有源层的光封闭性，就会因半导体激光器增益的降低而引起阈值 电流的增加或高温特性的劣化等，因此会降低影响高速响应性的缓和振动频率。第二，即使令衍射光栅与有源层的间隔靠近，其间隔的下限为50nm程度。其理由 如下。衍射光栅是将折射率高的层同样地晶体生长后，通过以振荡波长决定的间隔除去该 层或在该层上形成台阶差来形成的。但是，如果衍射光栅与有源层过近，则在衍射光栅的折 射率高的部分和低的部分的比率即Duty、衍射光栅的折射率、有源层和衍射光栅的间隔受 加工精度或晶体生长的公差之影响而偏离设计的场合，耦合常数κ的变化增大。此外，当 衍射光栅形成时的深度的加工精度公差大于有源层与衍射光栅的间隔时，有源层也被加工 而得不到正常的特性。第三，若提高衍射光栅的折射率，则由衍射光栅的组成所确定的PL波长向长波长 侧变更。即，衍射光栅的带隙比周围InP等材料还要小。图17是将衍射光栅形成在ρ型半 导体层中的半导体激光器的能带图，图18是将衍射光栅形成在η型半导体层中的半导体激 光器的能带图。如图17所示，若将衍射光栅形成在ρ型半导体层中，则妨碍有效质量大的 空穴移动，无法对有源层充分注入载流子，而半导体激光器的发光效率下降。如果要避免此 问题，如图18所示，只要将衍射光栅形成于η型半导体层中即可。图19是表示斜度效率与衍射光栅的PL波长的关系的图。在将衍射光栅形成于P 型InP层中的情况下，衍射光栅的PL波长越靠近长波长侧，光效率即斜度效率就越减少。另 一方面，在将衍射光栅形成于η型InP层中的情况下，斜度效率不依赖衍射光栅的PL波长， 而恒定。图20、图21是表示传统半导体光元件的剖视图。使用一般的η型半导体衬底100， 在其上依次层叠η型半导体层102及有源层104。又，为了提高发光效率，在η型半导体层102中形成有衍射光栅106。此外，省略有源层104上的ρ型半导体层等。在传统的半导体光元件中，在形成有源层104之前形成衍射光栅106。因此，通过衍射光栅106表面的微小凹凸，在有源层104发生错位或组成调制等，对初始特性或长期可 靠性产生很大影响。特别是，在有源层104由AlGaInAs等具有Al元素的材料形成的场合， 该影响显著。另一方面，还提出使用ρ型半导体衬底，在有源层上的η型半导体层中形成了衍射 光栅的半导体光元件的方案(例如，参照专利文献1)。在该半导体光元件中不会发生上述 的问题。但是该半导体光元件的KL大于3.6且小于5.6。因此，在相向的两个激光器端面 的光的反射率为非对称即AR/HR型的半导体激光器中，存在因κ L过大而使单一模式性劣 化的问题。
发明内容
本发明为解决上述那样的课题构思而成，其目的在于得到确保良好的初始特性及 长期可靠性并能提高高速响应性及单一模式性的半导体光元件。本发明的半导体光元件，其特征在于在ρ型半导体衬底上依次层叠有P型半导体 层、有源层及η型半导体层，在所述η型半导体层中沿着光波导方向形成有衍射光栅，相向 的两个激光器端面的光的反射率为非对称，所述有源层的光波导方向的长度L为130 μ m以 下，所述衍射光栅用具有1200nm以上的PL波长的物质来形成，所述长度L与所述衍射光栅 的耦合常数κ的积即κ L为1. 5以上且小于3. 0。(发明效果)通过本发明，确保良好的初始特性及长期可靠性并能提高高速响应性及单一模式 性。
图1是表示实施方式1的半导体光元件的剖视图。图2是表示实施方式1的半导体光元件的剖视图。图3是表示实施方式1的半导体光元件的变形例的剖视图。图4是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图5是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图6是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图7是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图8是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图9是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图10是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图11是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图12是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图13是按衍射光栅的每个PL波长显示有源层的长度L与半导体激光器的κ L 的关系的图。图14是表示实施方式2的半导体光元件的剖视图。
图15是表示实施方式3的半导体光元件的剖视图。图16是表示实施方式4的半导体光元件的俯视图。图17是在ρ型半导体层中形成衍射光栅的半导体激光器的能带图。图1 8是在η型半导体层中形成衍射光栅的半导体激光器的能带图。图19是表示斜度效率与衍射光栅的PL波长的关系的图。图20是表示传统半导体光元件的剖视图。图21是表示传统半导体光元件的剖视图。
具体实施例方式实施方式1[结构]图1、图2是表示实施方式1的半导体光元件的剖视图。图1是光波导方向的剖视 图，图2是与激光器端面平行的剖视图。该半导体光元件是分布反馈型半导体激光器。在ρ型InP衬底10上依次层叠有ρ型InP包层12、由InGaAsP构成的有源层14、 η型InP包层16及η型InP层18。在η型InP包层16及η型InP层18中沿着光波导方 向形成有衍射光栅20。衍射光栅20是通过将具有1200nm以上的PL波长的InGaAsP层以 规定间隔除去来形成的，其中规定间隔是由振荡波长来确定的。在ρ型InP包层12、有源层14、n型InP包层16及η型InP层1 8形成有电流狭 窄结构(current narrowing structure)艮台面(mesa) 22。台面 22 的两侦Ij被由 ρ 型 InP/ η型InP/p型InP构成的电流阻挡层(current blocking layers) 24所埋入。此外，电流阻 挡层24并不限于上述结构，也可为掺杂Fe等的半绝缘性的半导体层等。在该电流阻挡层24及台面22上形成有η型InP层26。形成贯通η型InP层26 及电流阻挡层24的沟槽28。在沟槽28内及η型InP层26上形成有绝缘膜30。在绝缘膜 30的开口部分中η型InP层26上形成有η侧电极32。在ρ型InP衬底10的背面形成有 P侧电极34。取出光的出射端面36与后端面38是相向地形成的。这些激光器端面被实施了非 对称的涂敷，以使出射端面36成为低反射率、后端面38成为高反射率。即，出射端面36与 后端面38的光的反射率为非对称。有源层14的光波导方向的长度L为130μπι以下。长 度L与衍射光栅20的耦合常数κ的积即κ L为1. 5以上且小于3. 0。图3是表示实施方式1的半导体光元件的变形例的剖视图。如此在InGaAsP层以 规定间隔形成台阶差来形成衍射光栅20也可。[制造工序]参照附图，就实施方式1的半导体光元件的制造工序进行说明。图4 图12是表示实施方式1的半导体光元件的制造工序的剖视图。图4 图6是光波导方向的剖视图， 图7 图12是与激光器端面平行的剖视图。首先，如图4所示，在ρ型InP衬底10上依次层叠ρ型InP包层12、由InGaAsP构 成的有源层14、η型InP包层16及η型InGaAsP层40。在η型InGaAsP层40的整个面上 形成绝缘膜42。通过对该绝缘膜42进行干涉曝光或电子束曝光及蚀刻来形成图案。接着，如图5所示，将已形成图案的绝缘膜42作为掩模，对η型InGaAsP层40进行蚀刻，从而形成衍射光栅20。然后，如图6所示，除去绝缘膜42，在η型InP包层16及衍射光栅20上形成η型InP层18。接着，如图7所示，在η型InP层18上形成已经形成图案的抗蚀剂44。然后，如图 8所示，以抗蚀剂44为掩模，对ρ型InP包层12、有源层14、η型InP包层16及η型InP层 18进行蚀刻，形成台面22。接着，如图9所示，在残留抗蚀剂44的情况下，在台面22两侧选择生长电流阻挡 层24。然后，如图10所示，除去抗蚀剂44，在电流阻挡层24及台面22上形成η型InP层 26。接着，如图11所示，将接近有源层14的一部分电流阻挡层24残留，在其外侧形成 贯通η型InP层26及电流阻挡层24的沟槽28。然后，如图12所示，在沟槽28内及η型 InP层26上形成绝缘膜30。仅除去台面22上方的绝缘膜30而形成开口。而且，如图1、图 2所示形成η侧电极32和ρ侧电极34。然后，通过劈开而形成出射端前36与后端面38， 对两者进行涂敷，以使光的反射率成为非对称。然后，将成排的半导体激光器分离成个别元 件，并安装到封装等而加以使用。[效果]在实施方式1中，使用ρ型半导体衬底，在有源层上的η型半导体层中形成衍射光 栅。如此通过将衍射光栅形成在η型半导体层中，不会像在P型半导体层中形成衍射光栅 时那样降低半导体激光器的发光效率。此外，由于在有源层上形成衍射光栅，能够使有源层 正常生长，以不会发生错位或组成调制等，并能够确保良好的初始特性及长期可靠性。此外，在要求20Gbps以上的高速响应的场合，为了得到必要的调制波形，要求与 调制信号同等(20GHz)以上的缓和振动频率。这与在IOGbps用途中要求与调制信号同等 (IOGHz)以上的缓和振动频率的情形相同。然后，在传统的IOGbps用途的半导体激光器中， 在有源层的光波导方向的长度L为200 μ m的情况下，在室温得到16GHz程度的缓和振动频 率。在此，缓和振动频率与长度L的平方根成反比。因而，通过将长度L设为130μπι以下， 得到20GHz以上的缓和振动频率。此外，图13是按衍射光栅的每个PL波长显示有源层的长度L与半导体激光器的 κ L的关系的图。在本实施方式中，通过用具有1200nm以上的PL波长的InGaAsP来形成 衍射光栅20，在有源层14的长度L为130 μ m以下的半导体激光器中，能够得到一般使用的 1.5以上的κ L0因而，能够提高高速响应性。此外，在相向的两个激光器端面的光的反射率为非对称即AR/HR型半导体激光器 中，若使κ L过大，则单一模式性劣化。在本实施方式中使κ L小于3.0，因此能够提高单 一模式性。此外，在本实施方式中，有源层14由用于普通通信用光半导体激光器的InGaAsP 来形成，但是也可由AlGaInAs等具有Al元素的材料形成。该场合，在衍射光栅上形成有源 层而导致的负面影响显著，因此在有源层上形成衍射光栅的结构特别有效。实施方式2图14是表示实施方式2的半导体光元件的剖视图。在实施方式1的半导体激光 器46集成了用于抽出来自半导体激光器46的出射光的波导48。实施方式3
图15是表示实施方式3的半导体光元件的剖视图。在实施方式1的半导体激光 器46集成了半导体调制器或半导体光放大器等的半导体光元件50。实施方式4图16是表示实施方式4的半导体光元件的俯视图。在实施方式1的半导体激光器46集成了从侧方注入光的其它半导体激光器52。(符号说明)10 ρ型InP衬底(ρ型半导体衬底)；14有源层；12ρ型InP包层(ρ型半导体层)； 16 η型InP包层(η型半导体层)；18 η型InP层(η型半导体层)；20衍射光栅；36出 射端面(激光器端面)；38后端面(激光器端面)。
权利要求
一种半导体光元件，其特征在于在p型半导体衬底上依次层叠有p型半导体层、有源层及n型半导体层，在所述n型半导体层中沿着光波导方向形成有衍射光栅，相向的两个激光器端面的光的反射率为非对称，所述有源层的光波导方向的长度L为130μm以下，所述衍射光栅由具有1200nm以上的PL波长的物质形成，所述长度L与所述衍射光栅的耦合常数κ的积即κL为1.5以上且小于3.0。
2.如权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于所述衍射光栅由InGaAsP形成。
3.如权利要求1或2所述的半导体光元件，其特征在于所述有源层由具有Al元素的 材料形成。
全文摘要
本发明提供一种半导体光元件。在p型InP衬底(10)上依次层叠有p型InP包层(12)、有源层(14)、n型InP包层(16)及n型InP层(18)。在n型InP包层(16)及n型InP层(18)中沿着光波导方向形成有衍射光栅(20)。相向的出射端面(36)和后端面(38)的光的反射率为非对称。有源层(14)的光波导方向的长度L为130μm以下。衍射光栅(20)由具有1200nm以上的PL波长的物质形成。长度L与衍射光栅(20)的耦合常数κ的积即κ L为1.5以上且小于3.0。
文档编号H01S5/12GK101814696SQ20091021226
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月5日 优先权日2009年2月24日
发明者境野刚 申请人:三菱电机株式会社