CN101794966A

CN101794966A - 半导体发光装置

Info

Publication number: CN101794966A
Application number: CN201010103881A
Authority: CN
Inventors: 城岸直辉; 增井勇志; 幸田伦太郎; 荒木田孝博
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: CN101794966B; US20100193805A1; JP2010177649A

Abstract

本发明提供半导体发光装置，其包括：半导体发光元件，依次包括第一多层反射器、具有发光区域的有源层和第二多层反射器；半导体光检测元件，相对于半导体发光元件设置于第一多层反射器侧，并且包括构造为吸收从发光区域发射的光的光吸收层；以及绝缘氧化层，设置在半导体发光元件和半导体光检测元件之间。

Description

半导体发光装置

技术领域

本发明涉及包括半导体发光元件和半导体光检测元件的半导体发光装置，更具体地，涉及适合于独立驱动半导体发光元件和半导体光检测元件应用的半导体发光装置。

背景技术

现有技术中使用的诸如光纤和光盘应用的半导体发光装置具有光检测机构，用于检测从构建在发光装置中的半导体发光元件发射的光，以保持其光学输出水平不变。例如，光检测机构包括构造为将所发射光一部分分束的反射器和构造为检测所分束的光的半导体光检测元件。然而，该机构的问题在于增加了部件数，并且反射器和半导体光检测元件相对于半导体发光元件精确定位。该问题的一种可能的解决方案是整体形成半导体发光元件和半导体光检测元件。

然而，如果两个元件一体地形成，则半导体光检测元件不仅能检测被检测的受激发射光(stimulated emission light)，而且能检测自发发射光(spontaneous emission light)。在此情况下，根据半导体光检测元件检测的光测量的半导体发光元件的光输出水平会包含对应于自发发射光的错误。因此，该方法不适合于要精确控制光输出水平的应用。

日本未审查专利申请公开No.2007-150193提出了在半导体发光元件和半导体光检测元件之间提供具有开口的金属层的方法。根据该方法，金属层允许要监测的光(即受激发射光)通过开口进入半导体光检测元件，而反射不需要监测的光(即自发发射光)，因此减少了入射在半导体光检测元件上的自发发射光的比例。

发明内容

对于上述的一体半导体发光装置，半导体发光元件和半导体光检测元件为了某种应用或目的而单独驱动。例如，半导体发光元件和半导体光检测元件常常差动驱动(differentially driven)，以降低外部噪声的影响。为了独立驱动半导体发光元件和半导体光检测元件，所希望的是使两个元件彼此电绝缘。

因此，例如未掺杂半导体层可以提供在半导体发光元件和半导体光检测元件之间。然而，未掺杂半导体层具有不足的绝缘性，因此在半导体发光元件和半导体光检测元件之间导致高的寄生电容。这提出一个问题，在独立驱动半导体发光元件和半导体光检测元件时发生电串扰(electrical crosstalk)，从而降低了光学检测精度。

从而，所希望的是提供在半导体发光元件和半导体光检测元件之间不发生电串扰的半导体发光装置。

根据本发明实施例的半导体发光装置包括：半导体发光元件，依次包括第一多层反射器、具有发光区域的有源层和第二多层反射器；半导体光检测元件，相对于半导体发光元件设置于第一多层反射器侧，并且包括构造为吸收从发光区域发射的光的光吸收层；以及绝缘氧化层，设置在半导体发光元件和半导体光检测元件之间。

在上述半导体发光装置中，绝缘氧化层插设在半导体发光元件和半导体光检测元件之间。与未掺杂半导体层不同，例如，绝缘氧化层是高度绝缘的，从而在半导体发光元件和半导体光检测元件之间可产生的寄生电容极低。

在上述的半导体发光装置中，因为绝缘氧化层插设在半导体发光元件和半导体光检测元件之间，所以在半导体发光元件和半导体光检测元件之间可产生的寄生电容可以显著降低。这防止了半导体发光元件和半导体光检测元件之间的电串扰。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的半导体激光器的截面图；

图2是图解生产图1的半导体激光器的工艺步骤的截面图；

图3A是图解图2步骤的后续步骤的截面图；

图3B是图解图3A步骤的后续步骤的截面图；

图4是图解图3B步骤的后续步骤的截面图；

图5是图解图4步骤的后续步骤的截面图；

图6是图1中半导体激光器的变型的截面图；

图7是图1中半导体激光器的另一个变型的截面图；

图8是图7中氧化层的截面图；以及

图9是图1中半导体激光器的另一个变型的截面图。

具体实施方式

现在，将参考附图详细描述本发明的实施例。将以下面的顺序进行描述：

1.结构

2.生产方法

3.优点

4.变型

结构

图1示出了根据本发明实施例的半导体激光器1的截面结构的示例。半导体激光器1的各部件示意性地图解在图1中，并且与实际的尺寸和形状有差异。该半导体激光器1通过在半导体光检测元件10上依次堆叠氧化层20、金属层30和半导体激光元件40而形成。半导体激光器1对应于半导体发光装置的具体示例，并且半导体激光元件40对应于半导体发光元件的具体示例。

氧化层20与半导体光检测元件10一起形成；因此，它们没有例如在结合后形成的结界面(junction interface)。另一方面，半导体激光元件40用其间的金属层30结合到氧化层20；因此，它们具有结合后形成的结界面。半导体激光器1一体地包括半导体光检测元件10、氧化层20、金属层30和半导体激光元件40。在下文，将首先描述半导体激光元件40，随后描述其它元件。

半导体激光元件40

半导体激光元件40是顶面发射激光器，例如，通过在金属层30上依次堆叠p型分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)层41、p型覆层42、有源层43、n型覆层44和n型DBR层45而形成。p型DBR层41的顶部、p型覆层42、有源层43、n型覆层44和n型DBR层45构成柱形(圆柱)台面部分46，其直径例如为约30μm。p型DBR层41的中部形成为相对于台面部分46向外延伸，并且向外延伸部(中部41A)在形成稍后描述的电极焊盘50时用作基底层。p型DBR层41的底部形成为相对于p型DBR层41的中部向外延伸，并且向外延伸部(底部41B)在形成稍后描述的下电极52时用作基底层。p型DBR层41对应于第一多层反射器，并且n型DBR层45对应于第二多层反射器。

p型DBR层41通过交替地堆叠低折射系数层(未示出)和高折射系数层(未示出)而形成。例如，低折射系数层由厚度为λ₀/4n₁(其中λ₀为振荡波长，而n₁为折射系数)的p型Al_x1Ga_1-x1As膜(其中0＜x1＜1)形成。例如，高折射系数层由厚度为λ₀/4n₂(其中n₂为折射系数)的p型Al_x2Ga_1-x2As膜(其中0＜x2＜x1)形成。所用p型杂质的示例包括锌(Zn)、镁(Mg)和铍(Be)。

例如，p型覆层42由p型Al_x3Ga_1-x3As(其中0＜x3＜1)形成。例如，有源层43由未掺杂的Al_x4Ga_1-x4As(其中0＜x4＜1)形成。有源层43具有发光区域43A，其与稍后描述的电流注入区域47A相对。例如，n型覆层44由n型Al_x5Ga_1-x5As(其中0≤x5＜1)形成。所用n型杂质的示例包括硅(Si)和硒(Se)。

n型DBR层45通过交替堆叠低折射系数层(未示出)和高折射系数层(未示出)而形成。例如，低折射系数层由厚度为λ₀/4n₃(其中n₃为折射系数)的n型Al_x6Ga_1-x6As(其中0＜x6＜1)形成。例如，高折射系数层由厚度为λ₀/4n₄(其中n₄为折射系数)的n型Al_x7Ga_1-x7As膜(其中0＜x7＜x6)形成。

例如，半导体激光元件40还包括p型DBR层41中的电流窄化层(current-narrowing layer)47。例如，电流窄化层47提供在p型DBR层41中对应于远离有源层43侧几层的低折射系数层的位置处来替代该低折射系数层。电流窄化层47在其周边区域中具有电流窄化区域47B，在其中心区域形成电流注入区域47A。例如，电流注入区域47A由n型Al_x8Ga_1-x8As(其中0＜x8≤1)形成。例如，电流窄化区域47B包含氧化铝(Al₂O₃)，并且如稍后所描述，通过从包含高浓度铝的未氧化层47D的侧表面氧化该未氧化层47D而形成。因此，电流窄化层47用于使电流变窄。例如，电流窄化层47可以替代地形成在n型DBR层45内、p型覆层42和p型DBR层41之间或n型覆层44和n型DBR层45之间。

上电极48形成在台面部分46的顶表面上。例如，上电极48具有环形形状，该环形形状具有限定在包括与电流注入区域47A相对的区域的区域中的开口(开孔48A)。上电极48可以具有不阻挡电流注入区域47A的相对区域的其它形状。绝缘层49形成在台面部分46的顶表面(在开孔48A的周围)和侧表面及其周边。要结合到配线(未示出)的电极焊盘50和连接部分51提供在绝缘层49的表面上。电极焊盘50通过连接部分51电连接到上电极48。绝缘层49在电极焊盘50下面的部分制作得厚于绝缘层49的其余部分而减少寄生电容。下电极52形成在p型DBR层41的底部41B的顶表面上。

绝缘层49由诸如氧化物或氮化物的绝缘材料形成。例如，上电极48、电极焊盘50和连接部分51通过依次堆叠金-锗(Au-Ge)合金膜、镍(Ni)膜和金(Au)膜且电连接到台面部分46的顶部而形成。例如，下电极52通过依次堆叠钛(Ti)膜、铂(Pt)膜和金(Au)膜且电连接到p型DBR层41而形成。

半导体光检测元件10

关于从半导体激光元件40的发光区域43A发射的光，半导体光检测元件10检测入射在半导体光检测元件10上的成分。例如，半导体光检测元件10通过在n型基板11上依次堆叠光吸收层12和p型接触层13而形成。另外，在相对于半导体激光元件40区域之外的区域中，上电极14提供在p型接触层13的顶表面上，并且下电极15提供在n型基板11的后侧上。

例如，n型基板11由n型GaAs形成。例如，光吸收层12由n型Al_x9Ga_1-x9As(其中0＜x9≤1)形成。光吸收层12吸收从发光区域43A发射的部分光，并且将所吸收的光转换成电信号。该电信号输入到连接到上电极14和下电极15的光学输出计算电路(未示出)，并作为光学输出计算电路中所用的光学输出监测信号，以测量从开孔48A发射的激光L₁的输出水平。例如，p型接触层13由p型Al_x10Ga_1-x10As(其中0≤x10≤1)形成，并且电连接到光吸收层12和上电极14。

氧化层20

氧化层20使半导体激光元件40和半导体光检测元件10彼此电绝缘。氧化层20例如是包含氧化铝(Al₂O₃)的绝缘氧化层。例如，氧化层20通过氧化稍后描述的包含高浓度铝的未氧化层(AlAs层)而形成。氧化层20充分厚于电流窄化层47并且例如约为1μm厚。因为氧化层20为厚膜，所以在半导体激光元件40和半导体光检测元件10之间可产生的寄生电容极低。另外，因为氧化层20为厚膜，所以半导体激光元件40的发光区域43A和半导体光检测元件10的光接收区域13A分隔开大的距离。光接收区域13A是指在p型接触层13的顶表面上与低折射系数层21接触的区域。

氧化层20在台面部分46下具有开口20A。开口20A的底部(对应于光接收区域13A的部分)形成在包括在与发光区域43A相对的区域中，例如，在与开孔48A相对的区域中。开口20A是从发光区域43A发射的光朝着半导体光检测元件10传播的部分的通道，并且例如形成在与开孔48A相对的区域中。氧化层20的开口20A之外的部分用作反射层，以反射包含在从发光区域43A发射的光中的自发发射光。低折射系数层21提供在开口20A中，具体地讲，在p型接触层13暴露在开口20A底部的部分上。空隙22存在于开口20A中。

例如，低折射系数层21由低折射系数材料形成。这里的词语″低折射系数材料″是指，例如，折射系数高于1(空气)而低于p型接触层13的折射系数的材料，例如，诸如SiN(折射系数＝2.0)的透明材料。低折射系数层21优选具有(2n-1)×λ₀/4(其中，n为正数)的光学厚度。在此情况下，关于从发光区域43A入射的波长为λ₀的光，低折射系数层21和p型接触层13之间的界面上反射的光与空隙22和低折射系数层21之间的界面上反射的光的相位差为180°。结果，低折射系数层21的反射率基本上变为零。就是说，在此情况下，低折射系数层21用作非反射层。

金属层30

金属层30提供为将半导体激光元件40结合到氧化层20，并且还用作半导体激光元件40的下电极。金属层30具有多层结构，从氧化层20侧依次包括金属层31和金属层32。例如，金属层31通过从氧化层20侧依次堆叠钛(Ti)膜、铂(Pt)膜和金(Au)膜而形成，并且电连接到金属层32。例如，金属层32通过从p型DBR层41侧依次堆叠钛(Ti)膜、铂(Pt)膜和金(Au)膜而形成，并且电连接到p型DBR层41和金属层31。

金属层30(金属层31和32)在包括与发光区域43A相对的区域的区域中具有开口30A。开口30A是从发光区域43A发射的光朝着半导体光检测元件10传播的部分的通道，并且例如形成在与开孔48A相对的区域中。从而，金属层30的开口30A之外的部分用作反射层，用于反射包含在从发光区域43A发射的光中所发射的自发发射光。

生产方法

例如，根据该实施例的半导体激光器1可以如下生产。图2至5示出了半导体激光器1按工序顺序进行的生产工艺。图2至5示出了各元件在生产工艺中的截面结构。

例如，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)形成各半导体层。III-V化合物半导体所用的源材料例如为三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)和三氢化砷(AsH₃)。施主杂质所用的源材料例如为H₂Se，并且受主杂质所用的源材料例如为三甲基锌(DMZ)。

具体地讲，首先，n型DBR层45、n型覆层44、有源层43、p型覆层42和p型DBR层41依次形成在例如n型GaAs的基板60上(图2)。在该步骤中，例如，未氧化层47D形成为p型DBR层41的一部分。未氧化层47D是在稍后描述的氧化步骤中被氧化的层，以形成电流窄化层47，并且例如包含AlAs。然后，金属层32形成在p型DBR层41上，以具有开口32A。因此，形成第一基板100。

另一方面，在基板11上依次形成光吸收层12、p型接触层13和未氧化层(未示出)。该未氧化层是在后续的氧化步骤中被氧化的层，以形成氧化层20，并且例如包含AlAs。该未氧化层充分地厚于未氧化层47D，并且例如约为1μm厚。然后，通过在水蒸气气氛中的高温氧化处理选择性氧化p型接触层13上的未氧化层。结果，整个未氧化层被氧化变为绝缘的。因此，氧化层20形成在p型接触层13上(图3A)。

接下来，开口14A形成在氧化层20的一部分中，并且低折射系数层21形成在开口14A的底部上。然后，金属层31形成在氧化层20的顶表面上，以在与开口14A相对的区域中具有开口(图3B)。因此，形成第二基板200。

接下来，第一基板100用面对金属层31的金属层32结合到第二基板200的金属层31(图4)。结果，金属层31和32结合在一起，并且空隙22形成在低折射系数层21和p型DBR层41之间。

接下来，去除基板60，并且选择性去除n型DBR层45、n型覆层44、有源层43、p型覆层42、p型DBR层41和未氧化层47D。结果，形成台面部分46，在p型DBR层41上形成台阶(中部41A和底部41B)(图5)。

接下来，通过在水蒸气气氛中的高温氧化处理，从台面部分46的侧面选择性氧化未氧化层47D。结果，未氧化层47D的周边区域成为绝缘层(氧化铝)。从而，电流窄化区域47B形成在周边区域中，中间区域用作电流注入区域47A。因此，形成电流窄化层47(图1)。

随后，形成绝缘层49、上电极14和48、电极焊盘50、连接部分51和下电极15和52(图1)。因此，生产了根据该实施例的半导体激光器1。

在根据该实施例的半导体激光器1中，半导体激光元件40和半导体光检测元件10独立驱动。例如，在上电极48和金属层30之间施加彼此同相位的电压，从而上电极48和金属层30之间的电位差保持不变。另一方面，在上电极14和下电极15之间施加彼此同相位的电压，并且该电压与在上电极48和金属层30之间施加的电压的相位差为180°，从而电极14和下电极15之间的电位差保持不变。

由电流窄化层47变窄的电流注入发光区域43A，有源层43的增益区域，因此通过电子与空穴的复合而引起发光。尽管该光包含受激发射光和自发发射光，但是由于受激发射在元件40内重复，导致在波长λ₀(例如，850nm)处发生的激光振荡。结果，具有波长λ₀的光L₁从开孔48A输出以出射到外部，并且同时从p型DBR层41朝着半导体光检测元件10少量输出。光的一部分通过空隙22和低折射系数层21以到达光吸收层12(图1)。

入射在光吸收层12的光被光吸收层12吸收，并且转换成对应于吸收光的输出水平的电信号(光电流)。电信号通过电连接到上电极14和下电极15的配线(未示出)输出到光学输出计算电路(未示出)，并且被光学输出计算电路接收作为光学输出监测信号。因此，测量入射在光吸收层12上光的输出水平。

如上所述，当差动驱动半导体激光元件40和半导体光检测元件10时，如果噪声进入半导体激光元件40或半导体光检测元件10，可以消除噪声。这使半导体激光元件40提供稳定的光输出，而不受噪声和半导体光检测元件10的影响，以输出不受噪声影响的电信号。

优点

在该实施例中，绝缘氧化层20插设在半导体激光元件40和半导体光检测元件10之间。与未掺杂半导体层不同，例如，绝缘氧化层20是高度绝缘的，从而在半导体激光元件40和半导体光检测元件10之间可产生的寄生电容极低。因此，当半导体激光元件40和半导体光检测元件10独立驱动时，绝缘氧化层20可以防止电串扰。这使半导体激光元件40的驱动稳定，并且改善了半导体光检测元件10的光学检测精度。另外，因为防止了电串扰，所以半导体激光元件40和半导体光检测元件10可以以高速度独立驱动，并且例如支持10Gbps的光学通讯的差动驱动。

在该实施例中，具有开口30A的金属层30与氧化层20一起插设在半导体激光元件40和半导体光检测元件10之间。金属层30反射包含在从发光区域43A发射的光中的大部分自发发射光L₂，并且暴露在开口30A中的氧化层20也少量反射光L₂。另一方面，包含在从发光区域43A发射的光中的大部分受激发射光L₁通过开口30A以到达暴露部分13A。因此，可以充分减少在光接收区域13A入射的光中自发发射光的比例。结果，可以减少被半导体光检测元件10检测的自发发射光的水平，以改善光学检测精度。

另外，在该实施例中，电绝缘半导体激光元件40和半导体光检测元件10的绝缘层(氧化层20)可以通过例如AlAs层(未氧化层20D)的氧化处理形成。这使得形成绝缘层特别是形成厚的绝缘层容易。

变型

尽管本发明已经参考实施例进行了描述，但是本发明不限于上述实施例，而是允许各种修改。

例如，尽管上述实施例中采用的半导体材料为GaAs-基化合物半导体，但是也可以采用诸如GaInP-基(红)材料和AlGaAs-基(红外)的其它材料***。

尽管在上述实施例中示例了半导体的导电类型，但是也可以采用与示范性导电类型相反的导电类型。例如，在上述实施例中能够用″n型″取代″p型″，并且用″p型″取代″n型″。

尽管在上述实施例中氧化层20具有开口20A，但是如果氧化层20的反射可忽略，则可以省略开口20A，例如，如图6所示。

尽管在上述实施例中氧化层20具有单层结构，但是它也可具有多层结构。例如，如图7所示，氧化层20可以用多层结构的氧化层70取代。例如，如图8所示，氧化层70通过交替堆叠第一薄膜71和第二薄膜72形成。最底层的第一薄膜71与p型接触层13接触，而最顶层第一薄膜71与金属层31接触。第一薄膜71包含(在氧化前相对于第二薄膜72的材料)较难氧化的半导体材料。例如，第一薄膜71包含未掺杂的GaAs。第二薄膜72包含(相对于第一薄膜71)较易于氧化的半导体材料的氧化物。例如，第二薄膜72包含氧化铝(Al₂O₃)，并且例如通过氧化包含高浓度铝的AlAs层而形成。从而，第一薄膜71和第二薄膜72二者是绝缘的，尽管第二薄膜72远比第一薄膜71更加绝缘。

尽管在上述实施例中半导体激光元件40和半导体光检测元件10用其间的金属层30结合在一起，但是它们可以通过其它方法一体地形成。例如，半导体激光元件40可以形成为与氧化层20直接接触而其间没有部件。例如，如图9所示，半导体激光元件40可以形成在半导体光检测元件10的p型接触层13上，其间有不具有开口的平坦氧化层20。然而，在形成氧化层20后，难于通过晶体生长在氧化层20上形成半导体激光元件40，因此，可以采用下面的技术。

具体地讲，首先，在半导体光检测元件10的p型接触层13上形成未氧化层(未示出)。接下来，在未氧化层上依次形成p型DBR层41、p型覆层42、有源层43、n型覆层44和n型DBR层45，并且选择性去除以形成诸如台面部分46的部分。然后，通过水蒸气气氛中高温氧化处理从侧表面选择性氧化未氧化层47D和p型接触层13上的未氧化层。氧化层47D和p型接触层13上的未氧化层可以同时或分别被氧化。结果，未氧化层47D的周边区域变为绝缘层(氧化铝)。从而，在周边区域中形成电流窄化区域47B，中间区域用作电流注入区域47A。因此，形成电流窄化层47。另一方面，p型接触层13上的整个未氧化层20D氧化为变为绝缘的。因此，在p型接触层13上形成氧化层20。

本发明包含2009年2月2日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP2009-021941中公开的相关主题，将其全部内容引用结合于此。

本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同特征的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。

Claims

1.一种半导体发光装置，包括：

半导体发光元件，依次包括第一多层反射器、具有发光区域的有源层和第二多层反射器；

半导体光检测元件，相对于该半导体发光元件设置于该第一多层反射器侧，并且包括构造为吸收从该发光区域发射的光的光吸收层；以及

绝缘的氧化层，设置在该半导体发光元件和该半导体光检测元件之间。

2.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中

该半导体发光元件包括构造为使注入该半导体发光元件的电流变窄的电流窄化层；并且

该氧化层厚于该电流窄化层。

3.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中该氧化层通过交替堆叠第一薄膜和第二薄膜而形成，该第一薄膜包含较难氧化的半导体材料，该第二薄膜包含较易氧化的半导体材料的氧化物。

4.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中

该半导体发光元件包括设置在该第二多层反射器上的环形电极，该环形电极在包括与该发光区域相对的区域的区域中具有开孔；以及

该氧化层在与该开孔相对的区域中具有开口。

5.根据权利要求1所述的半导体发光装置，还包括设置在该半导体发光元件和该氧化层之间的金属层，该金属层将该半导体发光元件和该氧化层结合。

6.根据权利要求1所述的半导体发光装置，其中该半导体发光元件设置为与该氧化层直接接触。