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CN110431720A - 光半导体元件 - Google Patents

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CN110431720A
CN110431720A CN201780088584.4A CN201780088584A CN110431720A CN 110431720 A CN110431720 A CN 110431720A CN 201780088584 A CN201780088584 A CN 201780088584A CN 110431720 A CN110431720 A CN 110431720A
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optical
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中村直干
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Mitsubishi Corp
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Abstract

半导体激光器(2)具有n型半导体衬底(1)和在n型半导体衬底(1)之上依次层叠的n型包覆层(4)、有源层(5)以及p型包覆层(6)。光波导(3)具有芯层(9)和包覆层(10)，该芯层(9)位于n型半导体衬底(1)之上且设置于半导体激光器(2)的光输出侧，没有掺杂杂质，与有源层(5)相比禁带宽度大，该包覆层(10)设置于芯层(9)之上，与p型包覆层(6)相比载流子浓度低。半导体激光器(2)具有载流子注入区域(X1)以及在载流子注入区域(X1)和光波导(3)之间设置的非载流子注入区域(X2)。

Description

光半导体元件
技术领域
本发明涉及集成了半导体激光器和光波导层的光半导体元件，特别涉及能够抑制有源层内的载流子密度的不均匀而使特性提高的光半导体元件。
背景技术
就光半导体元件而言，通过对半导体激光器与光波导、光合波器或者光调制器等进行集成，从而推进小型化以及高性能化。在这样的集成构造光半导体元件中，重要的是，向有助于发光的半导体激光器有效地注入载流子，得到足够的发光效率。因此，不向除了半导体激光器以外的光波导注入载流子是有效的。另一方面，通过向半导体激光器的有源层均匀地注入载流子，由此，阈值电流低，能够得到良好的特性。
在光通信用光半导体元件中，需要如前所述对半导体激光器和光合波器等进行了集成的构造。在这样的集成型光半导体元件中，需要用于对来自半导体激光器的出射光进行引导的光波导。半导体激光器的端部和光波导的端部接合而形成对接部。
为了避免光的吸收而不向光波导注入杂质，因此，不向光波导进行载流子的注入。因此，从光波导的下方供给的电子迂回地注入至有源层。该迂回地注入的电子特别集中于距离对接部几μm左右的位置。如果在有源层内产生这样电子密度极高的部位，则有助于发光的空穴的供给不足，半导体激光器的激光振荡的阈值电流增加。另外，基于非发光复合的发热增加，由于动作电流的增大导致消耗电力的增大或者调制特性的劣化。
此外，提出有对连元件端面也形成了有源层的半导体激光器的光出射端面部的破坏或者劣化进行抑制的方法(例如，参照专利文献1、2)。如果连端面也存在有源层，则在端面区域注入载流子，但通过除去有源层上部的被注入载流子的层或者在有源层下部形成p型半导体层，能够抑制向端面部的载流子注入。另外，提出有如下方法，即，为了防止由光半导体元件的端部处的光吸收引起的端部的破坏或者劣化，在有源层的端部注入杂质而形成窗构造(例如，参照专利文献3～5)。但是，注入了杂质的窗构造与没有注入杂质的光波导完全不同。
另外，关于载流子密度局部变高的状态，公开有与半导体衬底相对的元件上表面的电极内部的载流子密度(例如，参照专利文献6)。但是，对于产生特性降低这一影响的有源层内的载流子密度的局部增大和对其进行抑制的解決方法，并没有公开。
专利文献1：日本特开平06－260715号公报
专利文献2：日本特开昭63－084087号公报
专利文献3：日本特开平07－058402号公报
专利文献4：日本特开2003－142774号公报
专利文献5：日本特开平03－208390号公报
专利文献6：日本特开2002－261379号公报
发明内容
在集成了半导体激光器和光波导的光半导体元件中，存在由于在有源层产生局部的载流子密度高的部分而使特性降低的问题。对这样的有源层内的载流子密度的不均匀进行抑制会使得阈值电流等特性提高。
本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于得到能够抑制有源层内的载流子密度的不均匀而使特性提高的光半导体元件。
本发明涉及的光半导体元件的特征在于，具备：半导体激光器，其具有n型半导体衬底和在所述n型半导体衬底之上依次层叠的n型包覆层、有源层以及p型包覆层；以及光波导，其具有芯层和包覆层，该芯层位于所述n型半导体衬底之上并且设置于所述半导体激光器的光输出侧，没有掺杂杂质，与所述有源层相比禁带宽度大，该包覆层设置于所述芯层之上，与所述p型包覆层相比载流子浓度低，所述半导体激光器具有：载流子注入区域；以及非载流子注入区域，其设置于所述载流子注入区域和所述光波导之间。
发明的效果
在本发明中，在非载流子注入区域以及光波导，没有从n型半导体衬底的下表面注入载流子。由此，能够抑制从非载流子注入区域以及光波导的下部迂回至载流子注入区域侧而流入至有源层的电子的流动。其结果，能够抑制有源层内的载流子密度的不均匀而使特性提高。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的剖面图。
图2是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的仰视图。
图3是沿图1的Ⅰ－Ⅱ的剖面图。
图4是沿图1的Ⅲ－Ⅳ的剖面图。
图5是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图6是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图7是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图8是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图9是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图10是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图11是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图12是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。
图13是表示对比例涉及的半导体光元件的剖面图。
图14是表示对从半导体激光器的后端面算起的距离和电子密度的关系进行计算而得到的结果的图。
图15是表示本发明的实施方式2涉及的光半导体元件的剖面图。
图16是表示本发明的实施方式2涉及的光半导体元件的仰视图。
图17是表示本发明的实施方式2涉及的光半导体元件的变形例的仰视图。
图18是表示本发明的实施方式3涉及的光半导体元件的剖面图。
图19是表示本发明的实施方式4涉及的光半导体元件的剖面图。
图20是表示本发明的实施方式5涉及的光半导体元件的剖面图。
图21是表示本发明的实施方式6涉及的光半导体元件的剖面图。
图22是表示本发明的实施方式7涉及的光半导体元件的剖面图。
图23是表示对距离X3和电子密度最大值的关系进行计算而得到的结果的图。
图24是表示对距离X4和电子密度最大值的关系进行计算而得到的结果的图。
图25是表示本发明的实施方式1+7与以往结构的效果的差异的图。
具体实施方式
参照附图说明本发明的实施方式涉及的光半导体元件。针对相同或者对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的剖面图。图1是沿与激光的行进方向平行的方向、即谐振器方向的剖面图。本实施方式涉及的光半导体元件是在n型InP衬底1之上集成了半导体激光器2和光波导3的集成型光半导体元件。光波导3设置于半导体激光器2的光输出侧。
半导体激光器2具有：n型InP衬底1；以及在n型InP衬底1之上依次层叠的n型包覆层4、有源层5、p型包覆层6以及导电性InP层7。在n型包覆层4中设置有衍射光栅8，半导体激光器2是分布反馈型半导体激光器。n型包覆层4是载流子浓度为1×1018cm－3的n型InP包覆层。有源层5是AlGaInAs应变量子阱有源层。p型包覆层6是载流子浓度为1×1018cm－3的p型InP包覆层。导电性InP层7是载流子浓度为1×1018cm－3的p型InP包覆层。例如，有源层5的厚度是0.2μm，p型包覆层6的厚度是0.2μm。
光波导3具有：n型InP衬底1；以及在n型InP衬底1之上依次层叠的n型包覆层4、芯层9、包覆层10以及导电性InP层7。芯层9是没有掺杂杂质、与有源层5相比禁带宽度大的InGaAsP层。例如，芯层9的厚度是0.2μm。半导体激光器2的有源层5的端面和光波导3的芯层9的端面被接合而形成对接部。包覆层10是载流子浓度小于或等于1×1017cm－3的InP层，与半导体激光器2的p型包覆层6相比载流子浓度低、电阻高。
在导电性InP层7之上设置有p型电极11。在n型InP衬底1的下表面设置有n型电极12。半导体激光器2具有：载流子注入区域X1；以及在载流子注入区域X1和光波导3之间设置的非载流子注入区域X2。即，非载流子注入区域X2设置于光波导3附近。载流子注入区域X1以非载流子注入区域X2的宽度的量与对接部分离。非载流子注入区域X2的宽度大于或等于50μm。
图2是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的仰视图。n型电极12仅设置于载流子注入区域X1，没有设置在非载流子注入区域X2以及光波导3。n型电极12的光波导3侧端部处于与对接部相距50μm的位置，相反侧的端部是半导体激光器2的端部。因此，在载流子注入区域X1，从n型半导体衬底1的下表面向有源层5注入载流子，在非载流子注入区域X2以及光波导3，不从n型半导体衬底1的下表面注入载流子。
图3是沿图1的Ⅰ－Ⅱ的剖面图。即，图3是与谐振器方向垂直地将半导体激光器2切断后的剖面图。半导体激光器2的有源层5等被加成台面条带状。其两侧被载流子浓度为1×1018cm－3的p型InP掩埋层13、载流子浓度为5×1016cm－3的Fe掺杂InP掩埋层14、以及载流子浓度为5×1018cm－3的n型InP掩埋层15掩埋。
图4是沿图1的Ⅲ－Ⅳ的剖面图。即，图4是与谐振器方向垂直地将光波导3切断后的剖面图。光波导3的芯层9等被加工成台面条带状。其两侧与半导体激光器2同样地被p型InP掩埋层13、Fe掺杂InP掩埋层14以及n型InP掩埋层15掩埋。
接着，说明本实施方式1涉及的光半导体元件的制造方法。图5～图12是表示本发明的实施方式1涉及的光半导体元件的制造工序的剖面图。图8～图11与沿图7的Ⅰ－Ⅱ的剖面图对应，是与谐振器方向垂直地将形成半导体激光器2的部分切断后的剖面图。
首先，如图5所示，通过MOCVD法在n型InP衬底1之上结晶生长n型包覆层4。在使用电子束曝光而形成了衍射光栅8之后，重新生长n型包覆层4。在n型包覆层4之上依次结晶生长有源层5和p型包覆层6。
然后，如图6所示，在p型包覆层6之上形成SiO2绝缘膜16，进行图案化、干蚀刻，由此，蚀刻除去有源层5和p型包覆层6的纸面右侧部分。如图7所示，在该被蚀刻除去的部分通过MOCVD法依次结晶生长芯层9和包覆层10。之后，蚀刻除去SiO2绝缘膜16。
然后，如图8所示，成膜出SiO2绝缘膜17，进行图案化。然后，如图9所示，通过干蚀刻等将半导体层加工成台面条带状。然后，如图10所示，通过MOCVD法使p型InP掩埋层13、Fe掺杂InP掩埋层14以及n型InP掩埋层15生长。之后，蚀刻除去SiO2绝缘膜17。然后，如图11所示，通过MOCVD法使导电性InP层7生长。
然后，如图12所示，形成Ti/Pt/Au的p型电极11。并且，形成Ti/Pt/Au的n型电极12。例如，将n型电极12形成于衬底的整个背面，使用抗蚀层等，通过离子研磨等局部地除去非载流子注入区域X2以及光波导3的n型电极12。或者，也可以进行使用了抗蚀层等的剥离(lift off)。由此，制造出本实施方式涉及的光半导体元件。
制造出的光半导体元件的n型电极12被使用焊料等导电性接合材料固定于封装件。向p型电极11进行导线键合。如果在n型电极12和p型电极11之间施加电压，则按照导电性InP层7、p型包覆层6、有源层5的顺序流过电流，从有源层5辐射出激光。该激光通过芯层9向图1的右侧行进。
接着，与对比例比较而对本实施方式的效果进行说明。图13是表示对比例涉及的半导体光元件的剖面图。在对比例中，n型电极12形成于n型InP衬底1的整个下表面。从n型电极12向有源层5注入载流子即电子，但从n型电极12向光波导3的下部注入的电子绕过不会使电子通过的芯层9的下侧而迂回地流入至有源层5。该迂回地流入至有源层5的电子集中于有源层5的从对接部离开3μm左右的部分。由此，产生特性的降低。
与此相对，在本实施方式中，n型电极12仅设置于载流子注入区域X1，没有设置在非载流子注入区域X2以及光波导3。因此，在非载流子注入区域X2以及光波导3，没有从n型半导体衬底1的下表面注入载流子。由此，能够抑制从非载流子注入区域X2以及光波导3的下部迂回至载流子注入区域X1侧而流入至有源层5的电子的流动。其结果，能够抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。
图14是表示对从半导体激光器的后端面算起的距离和电子密度的关系进行计算而得到的结果的图。将距离X2设为+50μm的情况是以往构造，设为－50μm的情况是实施方式1。在实施方式1中，有源层5内的电子密度成功降低至以往构造的50％左右。能够通过抑制该电子密度的上升来防止特性的降低。
此外，如果在光波导3附近没有设置非载流子注入区域X2，将半导体激光器2整个面设为载流子注入区域X1，则电场扩展至光波导3的下部。因此，电子从光波导3的下部迂回至载流子注入区域X1侧而流入至有源层5，不能得到上述效果。
另外，在本实施方式中，在半导体激光器2以及光波导3，n型InP衬底1的下表面共面且是平坦的。因此，光半导体元件的制造是容易的。
实施方式2
图15是表示本发明的实施方式2涉及的光半导体元件的剖面图。图16是表示本发明的实施方式2涉及的光半导体元件的仰视图。在没有设置n型电极12的非载流子注入区域X2以及光波导3，在n型InP衬底1的下表面设置有绝缘体18。例如，在n型InP衬底1的整个下表面形成了SiO2等绝缘体18之后，通过将局部形成的抗蚀层用作掩模的离子研磨等除去绝缘体18的一部分。
在通过焊料等导电性接合材料将光半导体元件的下表面与封装件接合时，实施方式1中是在露出的n型InP衬底1的下表面和接合材料之间通电，有可能不能充分地控制注入的电子的流动。因此，在本实施方式中，在非载流子注入区域X2以及光波导3，在元件下表面设置有绝缘体18。通过绝缘体18能够可靠地控制从非载流子注入区域X2以及光波导3向有源层5的电子的注入。因此，能够抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。
图17是表示本发明的实施方式2涉及的光半导体元件的变形例的仰视图。就衬底下表面的n型电极12和绝缘体18而言，也可以在不妨碍载流子的注入抑制效果的范围，考虑到光半导体元件向封装件的固定强度和散热性而设为图17那样的形状。由此，能够减轻由于芯片背面的图案间的台阶而产生的芯片向附图上下方向的倾斜。后述的实施方式3～6也相同。
实施方式3
图18是表示本发明的实施方式3涉及的光半导体元件的剖面图。在没有设置n型电极12的非载流子注入区域X2以及光波导3，在n型InP衬底1的下表面设置有金属氧化膜19。例如，在n型InP衬底1的整个下表面形成Ti等金属膜，通过绝缘膜等覆盖载流子注入区域X1，通过热氧化或者阳极氧化等对在表面露出的金属层进行氧化，由此，局部地形成金属氧化膜19。
在通过焊料等导电性接合材料将光半导体元件的下表面与封装件接合时，如果在元件下表面形成有SiO2等氧化层，则不能得到足够的接合强度。因此，在本实施方式中，在非载流子注入区域X2以及光波导3，在元件下表面设置有金属氧化膜19。通过金属氧化膜19能够可靠地抑制从非载流子注入区域X2以及光波导3向有源层5的电子的注入。因此，能够确保接合强度并且抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。
实施方式4
图19是表示本发明的实施方式4涉及的光半导体元件的剖面图。在没有设置n型电极12的非载流子注入区域X2以及光波导3，设置有与n型InP衬底1的下表面肖特基接合的金属层20。金属层20例如是包含Zn的材料。例如，在n型InP衬底1的整个下表面形成了金属层20之后，通过将局部形成的抗蚀层用作掩模的离子研磨等除去金属层20的一部分。
在通过焊料等导电性接合材料将光半导体元件的下表面与封装件接合时，如果在非载流子注入区域X2以及光波导3，元件下表面不是能够接合的表面状态，则不能得到足够的接合强度。因此，在本实施方式中，在非载流子注入区域X2以及光波导3，在元件下表面设置有金属层20。n型InP衬底1和金属层20之间通过肖特基接合而变成高电阻，因此，能够可靠地抑制从非载流子注入区域X2以及光波导3向有源层5的电子的注入。因此，能够确保接合强度并且抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。
实施方式5
图20是表示本发明的实施方式5涉及的光半导体元件的剖面图。在非载流子注入区域X2以及光波导3，在n型InP衬底1的下表面设置有p型半导体层21。例如，通过在n型InP衬底1的下表面局部地形成ZnO等的成为扩散源的层而进行热处理，从该层对Zn进行固相扩散，由此，形成p型半导体层21。
通过p型半导体层21能够可靠地抑制从非载流子注入区域X2以及光波导3向有源层5的电子的注入。因此，能够抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。另外，通过使用p型半导体层21，与金属层20相比，能够不依赖于材料地实现高电阻。
实施方式6
图21是表示本发明的实施方式6涉及的光半导体元件的剖面图。在没有形成n型电极12的非载流子注入区域X2以及光波导3，在厚度方向除去n型InP衬底1的一部分而在n型InP衬底1的下表面形成凹部22。例如，通过将局部形成的抗蚀层用作掩模的离子研磨等除去n型InP衬底1的一部分。
在实施方式1的构造中，在非载流子注入区域X2以及光波导3，有时n型InP衬底1的下表面与封装件接触而被注入电子。与此相对，通过形成凹部22而与封装件隔离，因此，能够可靠地抑制非载流子注入区域X2以及光波导3处的电子的注入，抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。其他结构以及效果与实施方式1相同。
实施方式7
图22是表示本发明的实施方式7涉及的光半导体元件的剖面图。与实施方式1不同，n型电极12设置于n型InP衬底1的整个下表面。光波导3具有p型半导体层23，该p型半导体层23设置于芯层9的下方，不与n型InP衬底1的下表面接触。p型半导体层23的半导体激光器2侧的前端以距离X3与对接部分离。就该X3而言，使光波导3侧为正，半导体激光器2侧为负，优选是0μm至2μm的范围。另外，从p型半导体层23的上表面至有源层5的下表面的距离X4优选是－3μm至－5μm的范围。上述距离X3、X4是考虑到电子的注入控制的效果而设定的。例如，在芯层9的生长前局部地选择性生长而形成p型半导体层23。另外，也可以如实施方式4那样通过Zn的固相扩散而形成p型半导体层23。
能够通过在芯层9的下方设置的p型半导体层23抑制从光波导3向有源层5的电子的注入。因此，能够抑制有源层5内的载流子密度的不均匀而使特性提高。另外，作为不与n型InP衬底1的下表面接触的内部构造而形成p型半导体层23，由此，能够避免由于与封装件的接合强度的降低和在光半导体元件产生的热应力分布导致的特性降低。
此外，优选p型半导体层23的半导体激光器2侧的前端与对接部对齐，即X3＝0μm。但是，如果p型半导体层23延伸至半导体激光器2的有源层5的下方，则反而会产生有源层5处的局部的电子密度的上升。
图23是表示对距离X3和电子密度最大值的关系进行计算而得到的结果的图。图24是表示对距离X4和电子密度最大值的关系进行计算而得到的结果的图。分别与图14同样地示出了有源层5内的电子密度的最大值和其位置。根据上述附图可知，通过本实施方式能够将电子密度的最大值降低至以往构造的50％左右。由此，能够防止特性的降低。
此外，实施方式1～7涉及的半导体光元件是集成了半导体激光器2和光波导3的光波导集成型半导体光元件。但是，本发明不限于此。实施方式1～7涉及的结构也能够与相邻地集成了光调制器或者光放大器等光有源元件和光波导的结构结合。另外，制造方法以及使用的材料不限于实施方式1～7所示，只要能够得到相同的效果，则结构以及制造方法并非必须限定于上述内容。另外，对实施方式1～7进行了组合的构造、例如对实施方式1和实施方式7进行组合也是有效的。图25是表示本发明的实施方式1+7和以往结构的效果的差异的图。这样，实施方式1+7与以往构造相比，能够将电子密度的最大值降低至30％左右，得到了好的效果。
另外，p型电极11形成于光半导体元件的导电性InP层7的上部整个面，但不限于此，也可以在不影响本发明的效果的范围形成于导电性InP层7的一部分。并且，在将不从n型电极12有效地进行载流子注入的区域设置于衬底下表面的实施方式2～5的构造中，也可以在不妨碍本发明的效果的范围在这些区域形成n型电极12。
另外，在实施方式1～7中，示出了台面条带的两侧由电流阻挡层掩埋的构造的例子，但不限于此，本发明也能够应用于不使用电流阻挡层的脊型的构造。
标号的说明
1n型半导体衬底，2半导体激光器，3光波导，4n型包覆层，5有源层，6p型包覆层，9芯层，10包覆层，12n型电极，18绝缘体，19金属氧化膜，20金属层，21、23p型半导体层，22凹部，X1载流子注入区域，X2非载流子注入区域。

Claims (9)

1.一种光半导体元件，其特征在于，具备：
半导体激光器，其具有n型半导体衬底和在所述n型半导体衬底之上依次层叠的n型包覆层、有源层以及p型包覆层；以及
光波导，其具有芯层和包覆层，该芯层位于所述n型半导体衬底之上并且设置于所述半导体激光器的光输出侧，没有掺杂杂质，与所述有源层相比禁带宽度大，该包覆层设置于所述芯层之上，与所述p型包覆层相比载流子浓度低，
所述半导体激光器具有：
载流子注入区域；以及
非载流子注入区域，其设置于所述载流子注入区域和所述光波导之间。
2.根据权利要求1所述的光半导体元件，其特征在于，
还具备电极，该电极在所述n型半导体衬底的所述下表面设置于所述载流子注入区域，没有设置于所述非载流子注入区域以及所述光波导。
3.根据权利要求1或2所述的光半导体元件，其特征在于，
还具备绝缘体，该绝缘体在所述非载流子注入区域以及所述光波导设置于所述n型半导体衬底的所述下表面。
4.根据权利要求1或2所述的光半导体元件，其特征在于，
还具备金属氧化膜，该金属氧化膜在所述非载流子注入区域以及所述光波导设置于所述n型半导体衬底的所述下表面。
5.根据权利要求1或2所述的光半导体元件，其特征在于，
还具备金属层，该金属层在所述非载流子注入区域以及所述光波导与所述n型半导体衬底的所述下表面进行了肖特基接合。
6.根据权利要求1或2所述的光半导体元件，其特征在于，
还具备p型半导体层，该p型半导体层在所述非载流子注入区域以及所述光波导设置于所述n型半导体衬底的所述下表面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光半导体元件，其特征在于，
在所述半导体激光器以及所述光波导，所述n型半导体衬底的所述下表面是平坦的。
8.根据权利要求1或2所述的光半导体元件，其特征在于，
在所述非载流子注入区域以及所述光波导，在所述n型半导体衬底的所述下表面形成有凹部。
9.一种光半导体元件，其特征在于，具备：
半导体激光器，其具有n型半导体衬底和在所述n型半导体衬底之上依次层叠的n型包覆层、有源层以及p型包覆层；以及
光波导，其具有芯层、包覆层和p型半导体层，该芯层位于所述n型半导体衬底之上并且设置于所述半导体激光器的光输出侧，没有掺杂杂质，与所述有源层相比禁带宽度大，该包覆层设置于所述芯层之上，与所述p型包覆层相比载流子浓度低，该p型半导体层设置于所述芯层的下方，没有与所述n型半导体衬底的下表面接触。
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