半导体激光器及其制造方法

专利名称：半导体激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及对脊(ridge)结构的两側用埋入层进行埋入的埋入型半 导体激光器及其制造方法。
背景技术：
作为埋入型的半导体激光器的埋入层，提出具有pn结的结构或具 有半绝缘性InP层的结构。此外，为了抑制具有半绝缘性InP层的埋入 层中的漏电流，提出在埋入层上进一步设置半绝缘性Al (Ga) InAs层 的半导体激光器(例如，参照专利文献l)。
专利文献1:特开平8-255950号公报
最近，在10Gbps以上的高速调制中使用的激光器半导体被广泛需 求。但是，在具有包括pn结的埋入层的现有激光器中，埋入层中的pn 结电容(capacitance)变大，不能够进行10Gbps以上的高速调制。
此外，专利文献1中，在形成埋入层之后，半绝缘性掺杂Fe的Al (Ga) InAs层露出到表面并且被氧化。在被氧化的半绝缘性掺杂Fe的 Al (Ga) InAs层上生长其他半导体层，也不能正常地生长，产生缺陷或 表面的凹凸。其结果是，存在半导体激光器的特性降低且成品率下降这 样的问题。

发明内容
本发明是为了解决如上所迷的课题而进行的，第一目的是得到能够 进行10Gbps以上的高速调制的半导体激光器及其制造方法。
本发明的第二目的是得到一种半导体激光器的制造方法，能够成品 率较好地得到漏电流较少并且能进行高速调制的半导体激光器。
第一发明是一种半导体激光器，其特征在于，具备对p型覆盖层 (cladding layer)、活性层以及n型覆盖层进行层叠的脊结构和对上述 脊结构的两侧进行埋入的埋入层，上迷埋入层具有构成pn结的p型半 导体层以及n型半导体层，上述p型半导体层或者上述n型半导体层的 上迷pn结附近的栽流子浓度为5xl0卩cm^以下。第二发明是一种半导体激光器的制造方法，其特征在于，具备如下
工序形成对p型覆盖层、活性层以及n型覆盖层进行层叠的层叠体； 刻蚀上迷层叠体并形成脊结构；对上述脊结构的两侧用埋入层进行埋 入，其中，形成将非掺杂半导体层插入到p型半导体层和n型半导体之 间的结构作为所述埋入层，使p型掺杂剂从上述p型半导体向上述非掺 杂半导体层扩散，成为栽流子浓度为5xl0口cn^以下的p型的半导体层。
第三发明是一种半导体激光器的制造方法，其特征在于，具备如下 工序形成依次层叠有p型覆盖层、活性层以及n型覆盖层的层叠体； 刻蚀上述层叠体，形成脊结构；用埋入层对所述脊结构的两側进行埋入， 其中，作为上述埋入层，依次对p型InP层、n型InP层、半绝缘性掺 杂Fe的AI(Ga)InAs层、半绝缘性掺杂Fe的InP层进行层叠，形成上述 埋入层之后，不使上迷半绝缘性掺杂Fe的AI(Ga)InAs层在表面露出。
根据第一发明，能得到能够进行10Gbps以上的高速调制的半导体 激光器。根据第二发明，能得到能够进行10Gbps以上的高速调制的半 导体激光器的制造方法。根据第三发明，能够成品率较好地得到漏电流 较少并且能够进行高速调制的半导体激光器。


图1是表示本发明实施方式1的半导体激光器的剖面图。 图2是表示现有的半导体激光器的剖面图。 图3是表示本发明实施方式2的半导体激光器的剖面图。 图4是表示本发明实施方式3的半导体激光器的剖面图。 图5是表示本发明实施方式4的半导体激光器的剖面图。 图6是用于说明本发明实施方式5的半导体激光器的制造方法的剖 面图。
图7是用于说明本发明实施方式5的半导体激光器的制造方法的剖 面图。
图8是用于说明本发明实施方式5的半导体激光器的制造方法的剖 面图。
图9是用于说明本发明实施方式5的半导体激光器的制造方法的剖 面图。
图10是用于说明本发明实施方式5的半导体激光器的制造方法的剖面图。
图11是用于说明本发明实施方式6的半导体激光器的剖面图。
图12是用于说明本发明实施方式6的半导体激光器的制造方法的 剖面图。
图13是用于说明本发明实施方式6的半导体激光器的制造方法的 剖面图。
图14是用于说明本发明实施方式6的半导体激光器的制造方法的 剖面图。
图15是用于说明本发明实施方式6的半导体激光器的制造方法的 剖面图。
图16是用于说明本发明实施方式6的半导体激光器的制造方法的 剖面图。
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明实施方式1的半导体激光器的剖面图。在p型InP 衬底10 (半导体衬底)上形成脊结构18，该脊结构18是依次层叠p型 InP覆盖层12 (p型覆盖层)、AlGalnAs应变量子阱(strained quantum well)活性层14 (活性层)以及n型InP覆盖层16 ( n型覆盖层)而成 的 此处，p型InP覆盖层12的栽流子浓度为lxl018cm-3, n型InP覆 盖层16的载流子浓度为lxl018cm:
用埋入层20对脊结构18的两侧进行埋入。对于埋入层20来说， 从下方依次具有p型InP层22、 n型InP层24、低载流子浓度p型InP 层26、 p型InP层28。低栽流子浓度p型InP层26 ( p型半导体层)和 n型InP层24 ( n型半导体层)构成pn结30。此处，p型InP层22的 载流子浓度为lxl018cm—3, n型InP层24的栽流子浓度为l><io19cnr3, 低载流子浓度p型InP层26的栽流子浓度为lxio17cm-3, p型InP层28 的载流子浓度为lxl018cm-3。
在脊结构18以及埋入层20上，依次形成n型InP层32、 n型InP 接触层34、 Si02绝缘膜36、 Ti/Pt/Au的n型电极38。在p型InP衬底 10的下表面形成Ti/Pt/Au的p型电极40。此处，n型InP层32的栽流 子浓度为lxl018cm°, n型InP接触层34的载流子浓度为lxlO9cnT3。
5关于本发明实施方式1的半导体激光器的效果，与现有的半导体激
光器比较来进行说明。图2是表示现有的半导体激光器的剖面图。在现 有的半导体激光器中，不存在低载流子浓度p型InP层26，所以，p型 InP层28和n型InP层24构成pn结42。该pn结42的p型栽流子浓度 为lxio18cm-3， n型栽流子浓度为lxlo19cm-3 其他结构与实施方式1 的半导体激光器相同。
在驱动半导体激光器时，向埋入层20的pn结施加反偏压(reverse bias )。该pn结的电容(capacitance ) C用下式进行计算。
其中，S: pn结面积，sr:相对介电常数，so:真空介电常数，Nd: n 型栽流子浓度，Na: p型载流子浓度，Vbilt:内建电位(built-in potential)
在现有的半导体激光器中，pn结42的电容C为2.8pF，截止频率 (cutoff frequency ) fc为9GHz,在10Gbps以上的高速调制中是不充分 的。另一方面，在本实施方式的半导体激光器中，插入低栽流子浓度p 型InP层26,将pn结30的p型载流子浓度从现有的lxl018cm-3降低到 lxl017cm-3。因此，能够将pn结30的电容C降低到0.9pF,截止频率fc 为22GHz ，因此能够进行10Gbps以上的高速调制。
并且，低栽流子浓度p型InP层26的载流子浓度越低，越能够使 pn结30的电容下降，能够进行高速调制，若pn结附近的载流子浓度为 5xl0'7cm—3以下，则能够得到充分的效果。
实施方式2
图3是表示本发明实施方式2的半导体激光器的剖面图。设置低载 流子浓度n型InP层44来代替低载流子浓度p型InP层26。低栽流子 浓度n型InP层44的栽流子浓度为lxl017errT3。 p型InP层28 (p型半 导体层)和低栽流子浓度n型InP层44 ( n型半导体层)构成pn结46。 其他结构与实施方式1相同。
在本实施方式的半导体激光器中，插入低栽流子浓度n型InP层44, 使pn结46的n型载流子浓度从现有的lxi019cm'3降低到lxl017cm-3。
(公式1 )
6因此，能够将pn结46的电容C降低到0.9pF,截止频率fc为22GHz, 所以，能够进行10Gbps以上的高速调制。
实施方式3
图4是表示本发明实施方式3的半导体激光器的剖面图。村底的导 电型与实施方式1不同。
在n型InP衬底50 (半导体衬底)上形成脊结构18，该脊结构18 是依次对n型InP覆盖层52(n型覆盖层)、AlGalnAs应变量子阱活性 层54 (活性层)以及p型InP覆盖层56 ( p型覆盖层)进行层叠而成的。 此处，n型InP覆盖层52的栽流子浓度为lxlOl8cnf3, p型InP覆盖层 56的载流子浓度为lxl018cm-3。
用埋入层20对脊结构18的两侧进行埋入。对于埋入层20来说， 从下方依次具有p型InP层58、低栽流子浓度p型InP层60、 n型InP 层62、 p型InP层64。低栽流子浓度p型InP层60 (p型半导体层)和 n型InP层62 ( n型半导体层)构成pn结66。此处，p型InP层58的 栽流子浓度为lxl018cnT3，低栽流子浓度p型InP层60的栽流子浓度为 lxlo'W3， n型InP层62的载流子浓度为lxio19cm-3， p型InP层64 的载流子浓度为lxl018cm'3。
在脊结构18以及埋入层20上，依次形成p型InP层68、p型InGaAs 接触层70、 Si02绝缘膜72、 Ti/Pt/Au的p型电极74。在n型InP衬底 50的下表面形成Ti/Pt/Au的n型电极76。此处，p型InP层68的栽流 子浓度为lxlO"cn^，p型InGaAs接触层70的栽流子浓度为lxlOW3。
在本实施方式的半导体激光器中，插入低栽流子浓度p型InP层60， 将pn结66的p型载流子浓度从现有的lxl018cnT3降低到lxl017cnT3。 因此，能够将pn结66的电容C降低到0.9pF,截止频率fc为22GHz， 所以，能够进行10Gbps以上的高速调制。
实施方式4
图5是表示本发明实施方式4的半导体激光器的剖面图。设置低栽 流子浓度n型InP层78来代替低载流子浓度p型InP层60。低载流子 浓度n型InP层78的栽流子浓度为l><io17cm—3。 p型InP层58 (p型半 导体层)和低栽流子浓度n型InP层78 ( n型半导体层)构成pn结80。其他结构与实施方式3相同。
在本实施方式的半导体激光器中，插入低栽流子浓度n型InP层78, 将pn结80的n型栽流子浓度从现有的lxlO'W3降低到lxlO'W3。 因此，能够将pn结80的电容C降低到0.9pF,截止频率fc为22GHz， 所以能够进行10Gbps以上的高速调制。
实施方式5
参照附图对本发明实施方式5的半导体激光器的制造方法进行说明。
首先，如图6所示，利用MOCVD法，在p型InP衬底10 (半导体 衬底)上，形成层叠了 p型InP覆盖层2 (p型覆盖层)、AlGalnAs应 变量子阱活性层14 (活性层)以及n型InP覆盖层16 (n型覆盖层)的 层叠体82。
其次，如图7所示，在n型InP覆盖层16上形成Si02绝缘膜84并 进行构图。并且，如图8所示，利用将Si02绝缘膜84用作掩模的湿法 蚀刻等，对层叠体82进行蚀刻，形成脊结构18。
其次，如图9所示，用埋入层20对脊结构18的两侧进行埋入。此 处，作为埋入层20，利用MOCVD法从下方依次形成p型InP层22、 n 型lnP层24 (n型半导体层)、非掺杂InP层86 (非掺杂半导体层)、 p型InP层28 (p型半导体层)。
其次，如图IO所示，对SK)2绝缘膜84进行刻蚀除去之后，利用 MOCVD法，在脊结构18以及埋入层20上依次形成n型InP层32、 n 型lnP接触层34，在其上形成SK)2绝缘膜36、 Ti/Pt/Au的n型电极38。 在p型InP衬底10的下表面形成Ti/Pt/Au的p型电极40。
之后，使p型掺杂剂(例如Zn)从p型InP层28向非掺杂InP层 86扩散，成为载流子浓度为5xl0卩cn^以下的p型的半导体层。由此， 制造出与实施方式1的半导体激光器相同结构的半导体激光器。因此， 能够得到与实施方式1相同的效果。
而且，作为非掺杂半导体层，也可以使用非掺杂InGaAsP层或非掺 杂AlInAs层来代替非掺杂InP层86。 InGaAsP层与InP层相比，p型掺 杂剂的扩散系数较小，所以，能够将栽流子浓度变低。此外，AlInAs层 与InGaAsP层相比，p型掺杂剂的扩散系数更小，所以，能够将栽流子实施方式6
图11是表示本发明实施方式6的半导体激光器的剖面图。对与实 施方式1的半导体激光器相同结构要素给出相同符号，因此省略说明。
用埋入层20对脊结构18的两側进行埋入。对于埋入层20来说， 从下方依次具有p型InP层88、 n型InP层卯、半绝缘性掺杂Fe的Al (Ga) InAs层92、半绝缘性掺杂Fe的InP层94。此处，p型InP层88 的载流子浓度为lxl018cm—3， n型InP层90的栽流子浓度为lxl019cm—3， 半绝缘性掺杂Fe的Al ( Ga) InAs层92的载流子浓度为8xl016cm-3,半 绝缘性掺杂Fe的InP层94的载流子浓度为8xlO"cm人
在本实施方式的半导体激光器中，在埋入层20中使用半绝缘性掺 杂Fe的InP层94,所以，能够将埋入层20的电容降低到0. lpF这样非 常小的值，能够进行更高速的调制。此外，在埋入层20中插入带隙比 InP大的半绝缘性掺杂Fe的Al ( Ga) InAs层92,因此能够抑制电子的 过量(overflow),能够抑制在纵向贯穿埋入层20的漏电流。
参照附图对本实施方式6的半导体激光器的制造方法进行说明。首 先，与实施方式5相同地，进行图6 图8的工序，形成脊结构18。
其次，如图2所示，用埋入层20对脊结构18的两侧进4亍埋入。 此处，作为埋入层20,利用MOCVD法，从下方依次形成p型InP层 88、 n型InP层90、半绝缘性掺杂Fe的Al ( Ga) InAs层92、半绝缘性 掺杂Fe的InP层94。
其次，如图13所示，对Si02绝缘膜84进行刻蚀除去之后，利用 MOCVD法，在脊结构18以及埋入层20上依次形成n型InP层32、 n 型lnP接触层34,在其上形成Si02绝缘膜36、 Ti/Pt/Au的n型电极38。 在p型InP衬底10的下表面形成Ti/Pt/Au的p型电极40。通过以上的 工序，制造出本实施方式的半导体激光器。
本实施方式的特征在于，如图11所示，在形成半绝缘性掺杂Fe的 InP层94之后，不使半绝缘性掺杂Fe的Al ( Ga) InAs层92在表面露 出。对于这些埋入层20的生长更详细地进行说明。
首先，如图14所示，从(001)面向上方并且从脊结构18的侧面 向橫向分别结晶生长p型InP层88、 n型InP层卯、半绝缘性掺杂Fe的Al (Ga) InAs层92。但是，这些半导体层不在(111 ) B面上生长。
其次，如图15所示，当半绝缘性掺杂Fe的InP层94的结晶生长进 行时，(lll)B面与(001)面汇合，半绝缘性掺杂Fe的InP层94的 生长表面仅为(111 ) B面与(001 )面。
其次，如图16所示，不仅是(001 )面上，也在(111 ) B面上开 始生长半绝缘性掺杂Fe的InP层94。
这样，在(111 ) B面与(001 )面汇合之前，若使半绝缘性掺杂Fe 的Al( Ga)InAs埋入层20生长结束，则不使半绝缘性掺杂Fe的Al( Ga ) InAs层92在表面露出，能够完全被半绝缘性掺杂Fe的InP层94覆盖。
因此，在本实施方式中，在形成半绝缘性掺杂Fe的InP层94之后， 不使半绝缘性掺杂Fe的Al (Ga) InAs层92在表面露出，所以，能够 防止半绝缘性掺杂Fe的Al (Ga) InAs层92的氧化。因此，能够使n 型InP层32在半绝缘性掺杂Fe的Al (Ga) InAs层92上无缺陷地正常 生长，所以，能够成品率良好地得到漏电流少并且能进行高速调制的半 导体激光器。
附图标记说明12、 56是p型InP覆盖层(p型覆盖层)，14、 54 是AlGalnAs应变量子阱活性层(活性层)，16、 52是n型InP覆盖层 (n型覆盖层)，18是脊结构，20是埋入层，24、 62是n型InP层(n 型半导体层)，26、 60是低载流子浓度p型InP层(p型半导体层)， 28、 58是p型InP层(p型半导体层)，30、 46、 66、 80是pn结，44、 78是低载流子浓度n型InP层(n型半导体层)，86是非掺杂InP层(非 掺杂半导体层)，88是p型InP层，90是n型InP层，92是半绝缘性 摻杂Fe的Al ( Ga) InAs层，94是半绝缘性掺杂Fe的InP层。
权利要求
1.一种半导体激光器，其特征在于，具备层叠有p型覆盖层、活性层以及n型覆盖层的脊结构；对所述脊结构的两侧进行埋入的埋入层，所述埋入层具有构成pn结的p型半导体层以及n型半导体层，所述p型半导体层或者所述n型半导体层的所述pn结附近的载流子浓度为5×1017cm-3以下。
2. —种半导体激光器的制造方法，其特征在于， 具备如下工序形成层叠有p型覆盖层、活性层以及n型覆盖层的层叠体；刻蚀所述层叠体，形成脊结构；用埋入层对所述脊结构的两侧 进行埋入，形成将非掺杂半导体层插入到p型半导体层和n型半导体之间的结 构作为所述埋入层，使p 型掺杂剂从所述p型半导体向所述非掺杂半导体层扩散，成为 载流子浓度为5xl(^cmJ以下的p型的半导体层。
3. 如权利要求2的半导体激光器的制造方法，其特征在于， 形成非掺杂InP层、非掺杂InGaAsP层、非掺杂AlInAs层的任意一种作为所述非掺杂半导体层。
4. 一种半导体激光器的制造方法，其特征在于， 具备如下工序形成依次层叠有p型覆盖层、活性层以及n型覆盖层的层叠体；刻蚀所迷层叠体，形成脊结构；用埋入层对所述脊结构的 两側进行埋入，依次层叠p型InP层、n型InP层、半绝缘性掺杂Fe的Al(Ga)InAs 层、半绝缘性掺杂Fe的InP层作为所述埋入层，在形成所述半绝缘性掺杂Fe的InP层之后，不使所述半绝缘性掺杂 Fe的Al(Ga)InAs层在表面上露出。
全文摘要
本发明涉及半导体激光器及其制造方法。得到能够进行10Gbps以上的高速调制的半导体激光器。形成层叠了p型InP覆盖层(12)(p型覆盖层)、AlGaInAs应变量子阱活性层(14)(活性层)以及n型InP覆盖层(16)(n型覆盖层)的脊结构(18)。用埋入层(20)对脊结构(18)的两侧进行埋入。埋入层(20)具有构成pn结(30)的低载流子浓度p型InP层(26)(p型半导体层)和n型InP层(24)(n型半导体层)。低载流子浓度p型InP层(26)的pn结附近的载流子浓度为5×10¹⁷cm^-3以下。
文档编号H01S5/00GK101593930SQ20091000270
公开日2009年12月2日 申请日期2009年1月19日 优先权日2008年5月26日
发明者境野刚, 奥贯雄一郎, 泷口透 申请人:三菱电机株式会社