專利名稱：制作具有耦合波導(dǎo)的dfb激光二極管和dfb激光二極管層結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制作具有耦合波導(dǎo)的DFB激光二極管和DFB激光二極管層結(jié)構(gòu)的方法。
光數(shù)據(jù)傳送在當(dāng)今遠距離通訊上已顯得十分重要。但是，由于成本費用的緣故使其在用戶中轉(zhuǎn)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展受到了限制。為了使網(wǎng)絡(luò)用戶可以通過中轉(zhuǎn)存取獲得配址和有效的服務(wù)，提供相應(yīng)的單向直接和雙向直接數(shù)據(jù)流，安裝的中轉(zhuǎn)模塊就既要包含具有優(yōu)良功能的半導(dǎo)體激光發(fā)射機也要包含有光二極管接收機。作為第二功能，還要能利用監(jiān)控二極管控制發(fā)射激光器和波長選擇過濾器，以通過隔離不同的發(fā)射波長和接收波長來擬制串話干擾。為滿足未來在系統(tǒng)方面的大量需求，這些模塊的制作成本應(yīng)十分經(jīng)濟。
具有上述四種器件激光二極管，監(jiān)控二極管，接收二極管和過濾器功能的商用發(fā)射-接收模塊，應(yīng)該利用微型光學(xué)結(jié)構(gòu)方式以現(xiàn)代技術(shù)水準進行制作(見公開文章“BIDI Bidirektionale Module”Nr.B155-H6656-X-X-7400(1993)西門子公司)。但是，大量零部件的安裝和調(diào)試就會導(dǎo)致相當(dāng)大的費用開支。在本技術(shù)中提供了多種降低成本的可能性，例如利用預(yù)制子單元，如纖維棱鏡單元，激光器-調(diào)制器單元。此外，還可通過開發(fā)一種簡單合理的結(jié)構(gòu)技術(shù)來提高各個模塊元件的質(zhì)量、產(chǎn)額和壽命。例如，由具有均勻激光有源層結(jié)構(gòu)的MCRW激光器(MCRW意指金屬覆蓋的脊型波導(dǎo))過渡到均勻應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)(SL-MQW-結(jié)構(gòu)，SL-MQW代表應(yīng)變層多量子阱)的MCRW激光器。這種激光器除具有MCRW結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)點單次外延工藝，低的漏電流和長壽命外，還具有低的閾值和高的最高工作溫度，因而是一種高溫激光器。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”，電子通訊(Electronics Letter)，Vol.29(1993)，No.19，PP.1691-1693中有詳細敘述。
在較老的德國專利申請P 44 04 756.8(GR 94 P 1081 DE)中曾提出了這四種功能器件單片集成在一個半導(dǎo)體襯底如InP上的建議。為此要建立平面化工藝技術(shù)，正如在制作硅基電路片時所證實的那樣。InP基片上的光集成需要利用廣為發(fā)展了的InP分立器件的各種現(xiàn)代工藝技術(shù)。這包括外延、曝光、刻蝕技術(shù)等等。利用制版光刻確定元器件結(jié)構(gòu)技術(shù)可以代替微型光學(xué)結(jié)構(gòu)各部件之間的裝配工藝。這些技術(shù)的標準化導(dǎo)致了同樣的并且可以交換的設(shè)備和工藝步驟。由于模塊通過單片集成減少了大量部件，因而縮短了裝配時間，改善了堅實度。本文件提出了詳細的制作DFB激光二極管(DFB代表分布反饋)的方法和一種按本發(fā)明方法制作的DFB激光二極管層結(jié)構(gòu)。
按權(quán)利要求1闡述的本發(fā)明方法可以方便地制作單片集成的具有耦合波導(dǎo)的MCRW-DFB-高溫激光二極管，其優(yōu)點在于，對具有發(fā)射功能的模塊，特別對具有雙向功能的模塊而言，這種類型的激光器，其性能和成本優(yōu)勢與模塊的單片集成優(yōu)勢聯(lián)系在了一起。
本發(fā)明方法的另一優(yōu)點是，在四次外延步驟中，第一、第二、第三、第四都是一次接一次直接進行的，只是由于制作光柵才隔斷一次。由于襯底只需要簡單的，例如在HF-溶液中的，刻蝕工藝，因此外延工藝實際上十分簡單。另外的優(yōu)點包括可以利用與上面詳細敘述了的較老的專利申請中同樣的方法再將一個三元接收光二極管集成到波導(dǎo)上。其增加的元件層可以用此老專利同樣的方法在制作波導(dǎo)的外延步驟中生長、構(gòu)造，并在其后的外延步驟中-在此情況下要引入選擇外延-覆蓋生長直至出現(xiàn)平頂表面。所有其他的方法步驟與制作無接收光二極管的情況相同。
本發(fā)明方法的優(yōu)選和構(gòu)造設(shè)計來自權(quán)利要求2至9。
權(quán)利要求10闡述了按本發(fā)明方法制作的新DFB激光二極管層結(jié)構(gòu)，這種激光二極管層結(jié)構(gòu)的優(yōu)選和構(gòu)造設(shè)計來自權(quán)利要求11和12。
下面將依據(jù)圖例對本發(fā)明作詳細說明

圖1為通過本發(fā)明制作的DFB激光二極管和與之耦合的光波導(dǎo)的縱軸截面，它相對于圖2截線I-I的截面，圖2為通過這個DFB激光二極管沿圖1截線II-II的截面，圖3為通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沿圖1截線III-III的截面，圖4是圖1中A區(qū)的放大圖示，為本發(fā)明激光二極管的激光有源層區(qū)部分，從此可以清楚地看到量子阱層和勢壘層，
圖5以透視圖的方式展示了一個用本發(fā)明方法制作的具有耦合波導(dǎo)的激光二極管的完整結(jié)構(gòu)，圖6為圖5中B區(qū)的放大圖示，由此可以清晰地看到激光二極管與波導(dǎo)耦合的部位，圖7為一個大大簡化了的具有耦合波導(dǎo)和光二極管的激光二極管的一級芯片構(gòu)造格式，圖8為一個大大簡化了的具有耦合波導(dǎo)和光二極管的激光二極管的二級芯片構(gòu)造格式，并且這些圖只是圖示沒有定標。
首先利用圖1至圖3來闡述本發(fā)明方法。
在第一次外延步驟中，在具有確定導(dǎo)電類型例如n摻雜半導(dǎo)體襯底材料30的表面31上生長第一堆垛層11，它至少包括具有確定導(dǎo)電類型n的半導(dǎo)體材料層10，在這第一堆垛層11之上生長激光有源層12，它包括兩個或多個四元壓應(yīng)變量子阱層11(見圖4)和一個或多個四元勢壘層12，勢壘層12嵌在量子阱層11之間，以及在這激光有源層12之上生長第二堆垛層13，它包括兩層或多層具有與n導(dǎo)電類型相反的p導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料層13、14、15，并具有背離激光有源層12的上表面16。
在第二堆垛層13的表面16上制作具有凹凸不平形狀的光柵14，光柵14為平行的光柵槽且具有三角形的剖面，其縱軸垂直于圖1畫面。
在第二次外延步驟中，在第二堆垛層13的表面16上生長第三堆垛層15，它包括一層或多層具有反導(dǎo)電類型p的半導(dǎo)體材料層17、18、19，并且將光柵14覆蓋。
將第二堆垛層13、激光有源層12和第一堆垛層11部分地除去直至襯底30的表面31。因此在表面31上有隆起的部分10，這部分包括第一堆垛層11、激光有源層12和第二堆垛層13，它們直立至頂面101，并與襯底30的表面31成近90°的優(yōu)選夾角α，而與這隆起部分10相鄰并與端面101接界的則是襯底30表面上的空余區(qū)31。
在第三次外延步驟中，在襯底30的表面31上的空余區(qū)31內(nèi)，而不是在隆起區(qū)10上，生長確定波導(dǎo)2的第四堆垛層21，它包括第一和第二光學(xué)覆蓋層21、23以及在覆蓋層21、23之間的波導(dǎo)層22，由此，波導(dǎo)層22與激光有源層12處于相對于襯底30的表面31的高度h處，并且具有與隆起區(qū)10的端面101相對應(yīng)的頂面221。
在第四次外延步驟中，在隆起區(qū)10和第四堆垛層21上生長第五堆垛層41，它至少包括具有反導(dǎo)電類型p的半導(dǎo)體材料層41和接觸層42，以獲得最佳的金屬電極接觸4。
這些基本上為本發(fā)明方法制作DFB激光二極管和與這個激光二極管相耦合的光波導(dǎo)的制作步驟。
在剩下的隆起區(qū)10上制作兩條接近光柵14，深度為t的溝61、62是有益的，這兩條溝通過脊100彼此隔開并延伸至端面101附近，脊100在光柵14的上部，包括隆起在10區(qū)內(nèi)的層19、41、42，位于溝61、62之間，其縱軸110基本上垂直于隆起區(qū)10的端面101。脊100的寬度b定義為激光二極管的寬度，這就是說，在激光有源區(qū)12產(chǎn)生激光，在激光有源區(qū)12發(fā)射激光，激光通過隆起部分10的端面101進入波導(dǎo)2。
能將光耦合到隆起區(qū)10端面101的波導(dǎo)2是一層狀波導(dǎo)。為了制作光直接耦合結(jié)構(gòu)和其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，例如過濾器、調(diào)制器、開關(guān)或需要條形波導(dǎo)的同類結(jié)構(gòu)，在生長第四堆垛層21的第四次外延步驟之后先將在波導(dǎo)2的波導(dǎo)層22之上的23、41、42層除去，并在波導(dǎo)層22的空余表面231上制作脊221結(jié)構(gòu)，每個脊221定義為一個脊型波導(dǎo)，即一個條狀波導(dǎo)。兩條平行傳輸?shù)募?21可以定義例如一個光的直接耦合器。
在作第三次選擇外延步驟時應(yīng)采取措施以使具有端面101的隆起部分10不被生長的無源層所覆蓋，使其在第三次外延步驟中不生長上任何物質(zhì)。在第三次外延步驟之后和第四次外延步驟之前要除去無源層。
激光有源層12有2個或多個、優(yōu)選至8個四元材料壓應(yīng)變量子阱層11，量子阱層之間具有四元材料的勢壘層(見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”，電子通訊(Electronics Letters)，Vol.29(1993)，No.19，PP.1691-1693)。為了能在有源層獲得較高的光功率，將量子阱層11和勢壘層12嵌于兩種四元材料層100、101之間，與量子阱層11相比這兩層具有較短的帶隙波長。在圖4的例子中，在量子阱-勢壘層11和12與較短帶隙波長材料層100和101之間分別具有四元材料層104或103，其帶隙波長與量子阱層11同樣。
溝61、62限定了寬度和長度完全在隆起區(qū)10內(nèi)的脊100，如果在第三次外延步驟中生長的第三堆垛層15具有一個覆蓋光柵14的刻蝕終止層18，則溝61、62的刻蝕精度就能更高?？涛g終止層18應(yīng)是這樣的一種材料，使用刻蝕上面一層19的腐蝕劑時不會或只會相當(dāng)輕微地對其有侵蝕作用。
利用絕緣介質(zhì)6覆蓋脊100及其鄰近區(qū)域，但在脊100上開出接觸窗口40，在接觸窗口40內(nèi)與接觸導(dǎo)線7相接的接觸極4鍍在接觸層42上。
提高接觸層42和/或其下層41的導(dǎo)電性是有益的，例如用合適的摻雜劑提高摻雜量。
在襯底30表面31選定一刻蝕終止層302作在襯底30的緩沖層301之上也是有益的，應(yīng)選擇這樣的刻蝕終止層302，使刻蝕上面一層10的腐蝕劑不會或只會相當(dāng)輕微地對其有侵蝕作用。
在與表面31相對的襯底30的背面32具有背面接觸層8。
至此，在所述的例子中均對應(yīng)為具有確定的n摻雜導(dǎo)電類型和與之相反的p摻雜導(dǎo)電類型，這也可以反而用之。
在實施例中制作具有耦合波導(dǎo)2的MCRW-DFB高溫激光二極管。襯底30包括n+摻雜的InP，緩沖層301包括n摻雜的1.5μm厚的InP，刻蝕終止層302包括n摻雜的帶隙波長為1.05μm，厚僅0.05μm的四元InGaAsP材料。第一堆垛層11包括厚為0.4μm的n摻雜InP單層10。
激光有源層12具有例如5個帶隙波長為1.1μm的四元材料量子阱層11，它們由帶隙波長為1.25μm的四元勢壘層12相互隔開。層103和104包括帶隙波長為1.1μm的四元材料層，而層100和101包括帶隙波長為1.05μm的四元材料層。100和104兩層與101和103兩層一樣，分別組成所謂的分別限制抑制結(jié)層(SCH層)，激光有源層12的總厚度約為0.28μm。
第二堆垛層13包括直接生長在激光有源層12上的p摻雜層InP，還包括在層13上生長的帶隙波長為1.05μm的p摻雜四元材料層14和在層14上生長的p摻雜InP或InGaAS層15，也可以用四層結(jié)構(gòu)代替三層結(jié)構(gòu)。由層15所覆蓋的四元材料層14具有如下優(yōu)點，由第二堆垛層13產(chǎn)生的光柵14具有與光柵槽刻蝕深度無關(guān)的耦合常數(shù)。
由第二次外延步驟制作的第三堆垛層15包括直接生長在光柵14上的p摻雜InP層17、生長在層17上的帶隙波長為1.05μm的四元p摻雜刻蝕終止層18和生長在層18上的p摻雜InP層19。
利用干、濕混合刻蝕法刻蝕隆起區(qū)10，使之具有大約20μm的寬度b1，長度1至端面101大約400μm，深度直至刻蝕終止層302。
在制作波導(dǎo)2時使用的無源層由Si02組成，波導(dǎo)2的兩覆蓋層21和23由InP組成，波導(dǎo)層22由帶隙波長為1.05μm的四元材料組成。波導(dǎo)層22的厚度例如約為0.64μm，由其上表面制作的脊221具有高度0.2μm和寬度1.3μm。
在整個面上由第四次外延制作的第五堆垛層41包括在第三堆垛層15和第四堆垛層21上生長的p摻雜InP層41和在層41上生長的p摻雜InGaAs接觸層42。可以利用Zn來提高層41和42的p摻雜量。
圖5結(jié)構(gòu)設(shè)計表示按照本發(fā)明方法制作的一個集成化的含耦合波導(dǎo)2的MCRW-激光二極管1，恰如上述圖1至圖4中描述的那樣。在這一結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了監(jiān)控二極管3，它與激光二極管1具有相同的結(jié)構(gòu)。制作激光二極管1和監(jiān)控二極管3是通過在直立的隆起區(qū)10上刻出一個橫向完全平行于端面101，縱向深度T直達襯底30表面31的隔離槽63來實現(xiàn)的。隔離槽63將隆起區(qū)10分割成彼此隔開的兩段102和103。102段定義為激光二極管1而103段定義為監(jiān)控二極管3。
激光二極管1和監(jiān)控二極管3的雙T型結(jié)構(gòu)以及由深溝63導(dǎo)致的兩者之間的電隔離是顯而易見的。雙T型是通過刻蝕各個脊100的左右兩邊的雙溝61和62得到的，脊由導(dǎo)電線7覆蓋。刻蝕隔離溝63的同時可以形成空塊區(qū)80作為焊接區(qū)，這可以使電接觸pn結(jié)面積和漏電流得到減少。
圖7的結(jié)構(gòu)設(shè)計表示各自配置了監(jiān)控二極管3的兩個激光二極管1耦合于由脊型波導(dǎo)2構(gòu)成的光直接耦合器。
圖8的結(jié)構(gòu)設(shè)計表示兩個激光二極管1的一端耦合于兩脊型波導(dǎo)2，而另一端耦合于由脊型波導(dǎo)2構(gòu)成的直接耦合器，其中直接耦合器的一個支路由另一個監(jiān)控二極管9引出。
權(quán)利要求
1.在具有確定導(dǎo)電類型(n)的半導(dǎo)體襯底(30)的表面(31)上制作DFB激光二極管(1)和制作與之光耦合的光波導(dǎo)(2)的方法，在襯底(30)的表面(31)上進行第一次外延步驟-制作至少包括層(10)的第一堆垛層(11)，它是具有確定導(dǎo)電類型(n)的半導(dǎo)體材料，-在第一堆垛層(11)上制作激光有源層(12)，它包括兩個或多個由四元材料構(gòu)成的壓應(yīng)變量子阱層(11)和嵌于其間的一個或多個由四元材料構(gòu)成的勢壘層(12)，和-在激光有源層(12)上制作第二堆垛層(13)，它包括兩層或多層(13，14，15)半導(dǎo)體材料層，具有與確定導(dǎo)電類型(n)相反的導(dǎo)電類型(p)，具有背離激光有源層(12)的上表面(16)，并且-在第二堆垛層(13)的表面(12)上制作具有凹凸形式的光柵(14)，在第二次外延步驟中-在第二堆垛層(13)的表面(16)上制作第三堆垛層(15)，它至少包括層(17，18，19)，由具有反導(dǎo)電類型(p)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，-部分地將在襯底(30)表面(31)上的第二堆垛層(13)、激光有源層(12)和第一堆垛層(11)除去，因此，在表面(31)上就有由第一堆垛層(11)、激光有源層(12)和第二堆垛層(13)構(gòu)成的隆起區(qū)(10)，其直立端面(101)與襯底(30)的表面(31)成夾角(α)，與這隆起部分(10)相鄰的是與端面(101)接界的襯底(30)表面(31)上的空余區(qū)(311)，據(jù)此在第三次外延步驟中，-選擇性地在襯底(30)表面(31)上的空余區(qū)(311)內(nèi)而不是在隆起區(qū)(10)上制作確定波導(dǎo)(2)的第四堆垛層(21)，它包括第一和第二光學(xué)覆蓋層(21，23)以及在覆蓋層(21，23)之間的波導(dǎo)層(22)，由此，波導(dǎo)層(22)與激光有源層(12)均相對于襯底(30)表面(31)處于高度(h)處，并且具有與隆起區(qū)(10)的端面(101)相對應(yīng)的頂面(221)，和在第四次外延步驟中-在隆起區(qū)(10)和第四堆垛層(21)上生長第五堆垛層(41)，它至少包括具有反導(dǎo)電類型(p)的半導(dǎo)體材料層(41)和接觸層(42)，以制作電極接觸(4)。
2.按權(quán)利要求1的制作方法，其特征在于，在直立的隆起區(qū)(10)制作兩條接近光柵(14)，深度為(t)的溝(61，62)，這兩條溝通過脊(100)彼此隔開并延伸至端面(101)附近，脊(100)在光柵(14)的上部，包括隆起在(10)區(qū)內(nèi)的層(19，41，42)，位于溝(61，62)之間，其縱軸(110)基本上垂直于隆起區(qū)(10)的端面(101)。
3.按權(quán)利要求1或2的制作方法，其特征在于，在直立的隆起區(qū)(10)上刻出一條橫向完全平行于端面(101)，縱深(T)達襯底(30)表面(31)的隔離槽(63)，隔離槽(63)將隆起區(qū)(10)分割成彼此隔開的兩段(102)和(103)。
4.按上述權(quán)利要求之一的制作方法，其特征在于，在第四堆垛層(21)上去掉位于波導(dǎo)層(22)上的(23，41，42)層并在波導(dǎo)層(22)余下的表面(231)上至少制作一個脊(221)。
5.按上述權(quán)利要求之一的制作方法，其特征在于，襯底(30)的表面(31)定義為刻蝕終止層(302)，它覆蓋了襯底(30)的緩沖層(301)。
6.按權(quán)利要求5的制作方法，其特征在于，在第一次外延中制作緩沖層(301)和刻蝕終止層(302)以及第一堆垛層(11)。
7.按上述權(quán)利要求之一的制作方法，其特征在于，在第一次外延步驟中，在激光有源層(12)上制作由四元材料層(14)覆蓋的第二堆垛層(13)。
8.按上述權(quán)利要求之一的制作方法，其特征在于，在第二次外延步驟中制作第三堆垛層(15)，它具有覆蓋光柵(14)的刻蝕終止層(18)。
9.按上述權(quán)利要求之一的制作方法，其特征在于，制作激光有源層(12)，其量子阱層(11)和勢壘層(12)設(shè)置在至少有(100，101)兩層的四元材料之間，與量子阱層(11)相比這兩層具有較短的帶隙波長。
10.DFB-激光二極管層結(jié)構(gòu)至少包括以下各層-第一堆垛層(11)，位于具有確定導(dǎo)電類型(n)的半導(dǎo)體材料襯底(30)的表面(31)上，并且至少包括具有確定導(dǎo)電類型(n)的半導(dǎo)體材料層(10)，-激光有源層(12)，位于第一堆垛層(11)上，包括兩個或多個由四元材料構(gòu)成的壓應(yīng)變量子阱層(11)和一個或多個嵌于其間的由四元材料構(gòu)成的勢壘層(12)，-第二堆垛層(13)，位于激光有源層(12)之上，包括兩層或多層(13，14，15)半導(dǎo)體材料，具有與確定導(dǎo)電類型(n)相反的導(dǎo)電類型(p)，其表面(16)背離激光有源層(12)，在表面(16)上制作有凹凸形式的光柵(14)，和-第三堆垛層(15)，位于第二堆垛層(13)的表面(16)上，它至少包括層(17，18，19)，具有相反的導(dǎo)電類型(p)。
11.按權(quán)利要求10制作的激光二極管層結(jié)構(gòu)，其特征在于，在第二堆垛層(13)中具有被覆蓋的四元材料層(14)。
12.按權(quán)利要求10或11制作的激光二極管層結(jié)構(gòu)，其特征在于，在第三堆垛層(15)中具有覆蓋住光柵的刻蝕終止層(18)。
全文摘要
利用本發(fā)明方法以四次外延步驟制作具有耦合光波導(dǎo)的MCRW－高溫激光二極管,其優(yōu)點為:在這四次外延中,頭兩次和后兩次實際上是一次接一次直接進行的,只是由于制作光柵才打斷彼此的聯(lián)系。利用本發(fā)明方法還可以制作例如象光二極管之類的其他部件。
文檔編號H01S5/026GK1191044SQ96195612
公開日1998年8月19日 申請日期1996年5月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月18日
發(fā)明者B·斯特米勒, R·馬茨 申請人:西門子公司