专利名称：制作具有耦合波导的dfb激光二极管和dfb激光二极管层结构的方法
技术领域：
本发明涉及制作具有耦合波导的DFB激光二极管和DFB激光二极管层结构的方法。
光数据传送在当今远距离通讯上已显得十分重要。但是，由于成本费用的缘故使其在用户中转领域内的发展受到了限制。为了使网络用户可以通过中转存取获得配址和有效的服务，提供相应的单向直接和双向直接数据流，安装的中转模块就既要包含具有优良功能的半导体激光发射机也要包含有光二极管接收机。作为第二功能，还要能利用监控二极管控制发射激光器和波长选择过滤器，以通过隔离不同的发射波长和接收波长来拟制串话干扰。为满足未来在系统方面的大量需求，这些模块的制作成本应十分经济。
具有上述四种器件激光二极管，监控二极管，接收二极管和过滤器功能的商用发射-接收模块，应该利用微型光学结构方式以现代技术水准进行制作(见公开文章“BIDI Bidirektionale Module”Nr.B155-H6656-X-X-7400(1993)西门子公司)。但是，大量零部件的安装和调试就会导致相当大的费用开支。在本技术中提供了多种降低成本的可能性，例如利用预制子单元，如纤维棱镜单元，激光器-调制器单元。此外，还可通过开发一种简单合理的结构技术来提高各个模块元件的质量、产额和寿命。例如，由具有均匀激光有源层结构的MCRW激光器(MCRW意指金属覆盖的脊型波导)过渡到均匀应变量子阱结构(SL-MQW-结构，SL-MQW代表应变层多量子阱)的MCRW激光器。这种激光器除具有MCRW结构所具有的优点单次外延工艺，低的漏电流和长寿命外，还具有低的阈值和高的最高工作温度，因而是一种高温激光器。1.3um MCRW激光器的特性在B.Stegmueller，E.Veuhoff，J.Rieger和H.Hedrich“High-temperature(130℃)CWoperation of 1.53um InGaAsP ridge-waveguide lasers using strainedquaternary quantum wells”，电子通讯(Electronics Letter)，Vol.29(1993)，No.19，PP.1691-1693中有详细叙述。
在较老的德国专利申请P 44 04 756.8(GR 94 P 1081 DE)中曾提出了这四种功能器件单片集成在一个半导体衬底如InP上的建议。为此要建立平面化工艺技术，正如在制作硅基电路片时所证实的那样。InP基片上的光集成需要利用广为发展了的InP分立器件的各种现代工艺技术。这包括外延、曝光、刻蚀技术等等。利用制版光刻确定元器件结构技术可以代替微型光学结构各部件之间的装配工艺。这些技术的标准化导致了同样的并且可以交换的设备和工艺步骤。由于模块通过单片集成减少了大量部件，因而缩短了装配时间，改善了坚实度。本文件提出了详细的制作DFB激光二极管(DFB代表分布反馈)的方法和一种按本发明方法制作的DFB激光二极管层结构。
按权利要求1阐述的本发明方法可以方便地制作单片集成的具有耦合波导的MCRW-DFB-高温激光二极管，其优点在于，对具有发射功能的模块，特别对具有双向功能的模块而言，这种类型的激光器，其性能和成本优势与模块的单片集成优势联系在了一起。
本发明方法的另一优点是，在四次外延步骤中，第一、第二、第三、第四都是一次接一次直接进行的，只是由于制作光栅才隔断一次。由于衬底只需要简单的，例如在HF-溶液中的，刻蚀工艺，因此外延工艺实际上十分简单。另外的优点包括可以利用与上面详细叙述了的较老的专利申请中同样的方法再将一个三元接收光二极管集成到波导上。其增加的元件层可以用此老专利同样的方法在制作波导的外延步骤中生长、构造，并在其后的外延步骤中-在此情况下要引入选择外延-覆盖生长直至出现平顶表面。所有其他的方法步骤与制作无接收光二极管的情况相同。
本发明方法的优选和构造设计来自权利要求2至9。
权利要求10阐述了按本发明方法制作的新DFB激光二极管层结构，这种激光二极管层结构的优选和构造设计来自权利要求11和12。
下面将依据图例对本发明作详细说明
图1为通过本发明制作的DFB激光二极管和与之耦合的光波导的纵轴截面，它相对于图2截线I-I的截面，图2为通过这个DFB激光二极管沿图1截线II-II的截面，图3为通过波导结构沿图1截线III-III的截面，图4是图1中A区的放大图示，为本发明激光二极管的激光有源层区部分，从此可以清楚地看到量子阱层和势垒层，
图5以透视图的方式展示了一个用本发明方法制作的具有耦合波导的激光二极管的完整结构，图6为图5中B区的放大图示，由此可以清晰地看到激光二极管与波导耦合的部位，图7为一个大大简化了的具有耦合波导和光二极管的激光二极管的一级芯片构造格式，图8为一个大大简化了的具有耦合波导和光二极管的激光二极管的二级芯片构造格式，并且这些图只是图示没有定标。
首先利用图1至图3来阐述本发明方法。
在第一次外延步骤中，在具有确定导电类型例如n掺杂半导体衬底材料30的表面31上生长第一堆垛层11，它至少包括具有确定导电类型n的半导体材料层10，在这第一堆垛层11之上生长激光有源层12，它包括两个或多个四元压应变量子阱层11(见图4)和一个或多个四元势垒层12，势垒层12嵌在量子阱层11之间，以及在这激光有源层12之上生长第二堆垛层13，它包括两层或多层具有与n导电类型相反的p导电类型的半导体材料层13、14、15，并具有背离激光有源层12的上表面16。
在第二堆垛层13的表面16上制作具有凹凸不平形状的光栅14，光栅14为平行的光栅槽且具有三角形的剖面，其纵轴垂直于图1画面。
在第二次外延步骤中，在第二堆垛层13的表面16上生长第三堆垛层15，它包括一层或多层具有反导电类型p的半导体材料层17、18、19，并且将光栅14覆盖。
将第二堆垛层13、激光有源层12和第一堆垛层11部分地除去直至衬底30的表面31。因此在表面31上有隆起的部分10，这部分包括第一堆垛层11、激光有源层12和第二堆垛层13，它们直立至顶面101，并与衬底30的表面31成近90°的优选夹角α，而与这隆起部分10相邻并与端面101接界的则是衬底30表面上的空余区31。
在第三次外延步骤中，在衬底30的表面31上的空余区31内，而不是在隆起区10上，生长确定波导2的第四堆垛层21，它包括第一和第二光学覆盖层21、23以及在覆盖层21、23之间的波导层22，由此，波导层22与激光有源层12处于相对于衬底30的表面31的高度h处，并且具有与隆起区10的端面101相对应的顶面221。
在第四次外延步骤中，在隆起区10和第四堆垛层21上生长第五堆垛层41，它至少包括具有反导电类型p的半导体材料层41和接触层42，以获得最佳的金属电极接触4。
这些基本上为本发明方法制作DFB激光二极管和与这个激光二极管相耦合的光波导的制作步骤。
在剩下的隆起区10上制作两条接近光栅14，深度为t的沟61、62是有益的，这两条沟通过脊100彼此隔开并延伸至端面101附近，脊100在光栅14的上部，包括隆起在10区内的层19、41、42，位于沟61、62之间，其纵轴110基本上垂直于隆起区10的端面101。脊100的宽度b定义为激光二极管的宽度，这就是说，在激光有源区12产生激光，在激光有源区12发射激光，激光通过隆起部分10的端面101进入波导2。
能将光耦合到隆起区10端面101的波导2是一层状波导。为了制作光直接耦合结构和其他波导结构，例如过滤器、调制器、开关或需要条形波导的同类结构，在生长第四堆垛层21的第四次外延步骤之后先将在波导2的波导层22之上的23、41、42层除去，并在波导层22的空余表面231上制作脊221结构，每个脊221定义为一个脊型波导，即一个条状波导。两条平行传输的脊221可以定义例如一个光的直接耦合器。
在作第三次选择外延步骤时应采取措施以使具有端面101的隆起部分10不被生长的无源层所覆盖，使其在第三次外延步骤中不生长上任何物质。在第三次外延步骤之后和第四次外延步骤之前要除去无源层。
激光有源层12有2个或多个、优选至8个四元材料压应变量子阱层11，量子阱层之间具有四元材料的势垒层(见B.Stegmueller，E.Veuhoff，J.Rieger und H.Hedrich“High-temperature(130°)CW operation of 1.53umInGaAsP ridge-waveguide lasers using strained quaternary quantum wells”，电子通讯(Electronics Letters)，Vol.29(1993)，No.19，PP.1691-1693)。为了能在有源层获得较高的光功率，将量子阱层11和势垒层12嵌于两种四元材料层100、101之间，与量子阱层11相比这两层具有较短的带隙波长。在图4的例子中，在量子阱-势垒层11和12与较短带隙波长材料层100和101之间分别具有四元材料层104或103，其带隙波长与量子阱层11同样。
沟61、62限定了宽度和长度完全在隆起区10内的脊100，如果在第三次外延步骤中生长的第三堆垛层15具有一个覆盖光栅14的刻蚀终止层18，则沟61、62的刻蚀精度就能更高。刻蚀终止层18应是这样的一种材料，使用刻蚀上面一层19的腐蚀剂时不会或只会相当轻微地对其有侵蚀作用。
利用绝缘介质6覆盖脊100及其邻近区域，但在脊100上开出接触窗口40，在接触窗口40内与接触导线7相接的接触极4镀在接触层42上。
提高接触层42和/或其下层41的导电性是有益的，例如用合适的掺杂剂提高掺杂量。
在衬底30表面31选定一刻蚀终止层302作在衬底30的缓冲层301之上也是有益的，应选择这样的刻蚀终止层302，使刻蚀上面一层10的腐蚀剂不会或只会相当轻微地对其有侵蚀作用。
在与表面31相对的衬底30的背面32具有背面接触层8。
至此，在所述的例子中均对应为具有确定的n掺杂导电类型和与之相反的p掺杂导电类型，这也可以反而用之。
在实施例中制作具有耦合波导2的MCRW-DFB高温激光二极管。衬底30包括n+掺杂的InP，缓冲层301包括n掺杂的1.5μm厚的InP，刻蚀终止层302包括n掺杂的带隙波长为1.05μm，厚仅0.05μm的四元InGaAsP材料。第一堆垛层11包括厚为0.4μm的n掺杂InP单层10。
激光有源层12具有例如5个带隙波长为1.1μm的四元材料量子阱层11，它们由带隙波长为1.25μm的四元势垒层12相互隔开。层103和104包括带隙波长为1.1μm的四元材料层，而层100和101包括带隙波长为1.05μm的四元材料层。100和104两层与101和103两层一样，分别组成所谓的分别限制抑制结层(SCH层)，激光有源层12的总厚度约为0.28μm。
第二堆垛层13包括直接生长在激光有源层12上的p掺杂层InP，还包括在层13上生长的带隙波长为1.05μm的p掺杂四元材料层14和在层14上生长的p掺杂InP或InGaAS层15，也可以用四层结构代替三层结构。由层15所覆盖的四元材料层14具有如下优点，由第二堆垛层13产生的光栅14具有与光栅槽刻蚀深度无关的耦合常数。
由第二次外延步骤制作的第三堆垛层15包括直接生长在光栅14上的p掺杂InP层17、生长在层17上的带隙波长为1.05μm的四元p掺杂刻蚀终止层18和生长在层18上的p掺杂InP层19。
利用干、湿混合刻蚀法刻蚀隆起区10，使之具有大约20μm的宽度b1，长度1至端面101大约400μm，深度直至刻蚀终止层302。
在制作波导2时使用的无源层由Si02组成，波导2的两覆盖层21和23由InP组成，波导层22由带隙波长为1.05μm的四元材料组成。波导层22的厚度例如约为0.64μm，由其上表面制作的脊221具有高度0.2μm和宽度1.3μm。
在整个面上由第四次外延制作的第五堆垛层41包括在第三堆垛层15和第四堆垛层21上生长的p掺杂InP层41和在层41上生长的p掺杂InGaAs接触层42。可以利用Zn来提高层41和42的p掺杂量。
图5结构设计表示按照本发明方法制作的一个集成化的含耦合波导2的MCRW-激光二极管1，恰如上述图1至图4中描述的那样。在这一结构设计中增加了监控二极管3，它与激光二极管1具有相同的结构。制作激光二极管1和监控二极管3是通过在直立的隆起区10上刻出一个横向完全平行于端面101，纵向深度T直达衬底30表面31的隔离槽63来实现的。隔离槽63将隆起区10分割成彼此隔开的两段102和103。102段定义为激光二极管1而103段定义为监控二极管3。
激光二极管1和监控二极管3的双T型结构以及由深沟63导致的两者之间的电隔离是显而易见的。双T型是通过刻蚀各个脊100的左右两边的双沟61和62得到的，脊由导电线7覆盖。刻蚀隔离沟63的同时可以形成空块区80作为焊接区，这可以使电接触pn结面积和漏电流得到减少。
图7的结构设计表示各自配置了监控二极管3的两个激光二极管1耦合于由脊型波导2构成的光直接耦合器。
图8的结构设计表示两个激光二极管1的一端耦合于两脊型波导2，而另一端耦合于由脊型波导2构成的直接耦合器，其中直接耦合器的一个支路由另一个监控二极管9引出。
权利要求
1.在具有确定导电类型(n)的半导体衬底(30)的表面(31)上制作DFB激光二极管(1)和制作与之光耦合的光波导(2)的方法，在衬底(30)的表面(31)上进行第一次外延步骤-制作至少包括层(10)的第一堆垛层(11)，它是具有确定导电类型(n)的半导体材料，-在第一堆垛层(11)上制作激光有源层(12)，它包括两个或多个由四元材料构成的压应变量子阱层(11)和嵌于其间的一个或多个由四元材料构成的势垒层(12)，和-在激光有源层(12)上制作第二堆垛层(13)，它包括两层或多层(13，14，15)半导体材料层，具有与确定导电类型(n)相反的导电类型(p)，具有背离激光有源层(12)的上表面(16)，并且-在第二堆垛层(13)的表面(12)上制作具有凹凸形式的光栅(14)，在第二次外延步骤中-在第二堆垛层(13)的表面(16)上制作第三堆垛层(15)，它至少包括层(17，18，19)，由具有反导电类型(p)的半导体材料构成，-部分地将在衬底(30)表面(31)上的第二堆垛层(13)、激光有源层(12)和第一堆垛层(11)除去，因此，在表面(31)上就有由第一堆垛层(11)、激光有源层(12)和第二堆垛层(13)构成的隆起区(10)，其直立端面(101)与衬底(30)的表面(31)成夹角(α)，与这隆起部分(10)相邻的是与端面(101)接界的衬底(30)表面(31)上的空余区(311)，据此在第三次外延步骤中，-选择性地在衬底(30)表面(31)上的空余区(311)内而不是在隆起区(10)上制作确定波导(2)的第四堆垛层(21)，它包括第一和第二光学覆盖层(21，23)以及在覆盖层(21，23)之间的波导层(22)，由此，波导层(22)与激光有源层(12)均相对于衬底(30)表面(31)处于高度(h)处，并且具有与隆起区(10)的端面(101)相对应的顶面(221)，和在第四次外延步骤中-在隆起区(10)和第四堆垛层(21)上生长第五堆垛层(41)，它至少包括具有反导电类型(p)的半导体材料层(41)和接触层(42)，以制作电极接触(4)。
2.按权利要求1的制作方法，其特征在于，在直立的隆起区(10)制作两条接近光栅(14)，深度为(t)的沟(61，62)，这两条沟通过脊(100)彼此隔开并延伸至端面(101)附近，脊(100)在光栅(14)的上部，包括隆起在(10)区内的层(19，41，42)，位于沟(61，62)之间，其纵轴(110)基本上垂直于隆起区(10)的端面(101)。
3.按权利要求1或2的制作方法，其特征在于，在直立的隆起区(10)上刻出一条横向完全平行于端面(101)，纵深(T)达衬底(30)表面(31)的隔离槽(63)，隔离槽(63)将隆起区(10)分割成彼此隔开的两段(102)和(103)。
4.按上述权利要求之一的制作方法，其特征在于，在第四堆垛层(21)上去掉位于波导层(22)上的(23，41，42)层并在波导层(22)余下的表面(231)上至少制作一个脊(221)。
5.按上述权利要求之一的制作方法，其特征在于，衬底(30)的表面(31)定义为刻蚀终止层(302)，它覆盖了衬底(30)的缓冲层(301)。
6.按权利要求5的制作方法，其特征在于，在第一次外延中制作缓冲层(301)和刻蚀终止层(302)以及第一堆垛层(11)。
7.按上述权利要求之一的制作方法，其特征在于，在第一次外延步骤中，在激光有源层(12)上制作由四元材料层(14)覆盖的第二堆垛层(13)。
8.按上述权利要求之一的制作方法，其特征在于，在第二次外延步骤中制作第三堆垛层(15)，它具有覆盖光栅(14)的刻蚀终止层(18)。
9.按上述权利要求之一的制作方法，其特征在于，制作激光有源层(12)，其量子阱层(11)和势垒层(12)设置在至少有(100，101)两层的四元材料之间，与量子阱层(11)相比这两层具有较短的带隙波长。
10.DFB-激光二极管层结构至少包括以下各层-第一堆垛层(11)，位于具有确定导电类型(n)的半导体材料衬底(30)的表面(31)上，并且至少包括具有确定导电类型(n)的半导体材料层(10)，-激光有源层(12)，位于第一堆垛层(11)上，包括两个或多个由四元材料构成的压应变量子阱层(11)和一个或多个嵌于其间的由四元材料构成的势垒层(12)，-第二堆垛层(13)，位于激光有源层(12)之上，包括两层或多层(13，14，15)半导体材料，具有与确定导电类型(n)相反的导电类型(p)，其表面(16)背离激光有源层(12)，在表面(16)上制作有凹凸形式的光栅(14)，和-第三堆垛层(15)，位于第二堆垛层(13)的表面(16)上，它至少包括层(17，18，19)，具有相反的导电类型(p)。
11.按权利要求10制作的激光二极管层结构，其特征在于，在第二堆垛层(13)中具有被覆盖的四元材料层(14)。
12.按权利要求10或11制作的激光二极管层结构，其特征在于，在第三堆垛层(15)中具有覆盖住光栅的刻蚀终止层(18)。
全文摘要
利用本发明方法以四次外延步骤制作具有耦合光波导的MCRW－高温激光二极管,其优点为:在这四次外延中,头两次和后两次实际上是一次接一次直接进行的,只是由于制作光栅才打断彼此的联系。利用本发明方法还可以制作例如象光二极管之类的其他部件。
文档编号H01S5/026GK1191044SQ96195612
公开日1998年8月19日 申请日期1996年5月3日 优先权日1995年5月18日
发明者B·斯特米勒, R·马茨 申请人:西门子公司