專利名稱：包括集成激光器和集成調(diào)制器的光電設(shè)備及相關(guān)制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是包括集成元件的光發(fā)射設(shè)備，所述集成元件包括至少一個(gè)激光發(fā)射部分和用于對(duì)激光器發(fā)射的光功率進(jìn)行調(diào)制的部分。這些系統(tǒng)也被稱為ILM(代表集成激光調(diào)制器(Integrated Laser Modulator的縮寫))或EML(代表電吸收調(diào)制激光器(Electro-absorption ModulatedLaser)的縮寫)。調(diào)制部分通常被稱為EAM(代表電吸收調(diào)制器(ElectroAbsorption Modulator)的縮寫)。
這些設(shè)備主要用于高吞吐量數(shù)字通信領(lǐng)域。吞吐量通常從每秒幾千兆比特至數(shù)十千兆比特。
背景技術(shù)：
可以以三種不同方式對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制。第一種方法包括通過控制源激光的饋入電流對(duì)源激光直接進(jìn)行調(diào)制。然而，這一技術(shù)不能使其達(dá)到高吞吐量必需的性能。也可以使用物理上與源激光器分離的外部調(diào)制器，其性能不受激光器性能的限制。然而，這種方法會(huì)引起嚴(yán)重的集成和定位的問題。最后，可以制作一個(gè)集成元件，其包括在同一個(gè)襯底上的激光發(fā)射部分和用于對(duì)激光器發(fā)射的光功率進(jìn)行調(diào)制的部分。這樣就在所需性能和制造技術(shù)以及集成問題之間達(dá)到了最佳折衷。
眾所周知后一種類型的設(shè)備ILM，并且例如在法國(guó)專利FR 2 675634中對(duì)其進(jìn)行了描述。通過舉例，ILM設(shè)備在圖1中圖示出。其主要包括激光器部分1和調(diào)制部分2。如圖1中表述的，激光器由電流I驅(qū)動(dòng)，調(diào)制部分2為電吸收部分，由電壓信號(hào)V控制開/關(guān)。在ILM設(shè)備的輸出端，發(fā)射經(jīng)高頻調(diào)制的光信號(hào)(圖1的直條箭頭)。
通常，光發(fā)射結(jié)構(gòu)為具有埋置條的半導(dǎo)體激光器，該埋置條也被稱為BRS結(jié)構(gòu)，代表埋置脊條(Buried Ridge Stripe)的縮寫。這種結(jié)構(gòu)的圖示表示在圖2中。其主要包括·第一襯底10，由n摻雜半導(dǎo)體材料制作。該第一襯底一般由磷化銦(InP)制作；·有源部件11，由矩形橫截面的條形成，該有源部件的下表面位于第一襯底10上。有源部件的光指數(shù)比圍繞它的層的光指數(shù)大。它是微米或幾個(gè)微米量級(jí)的很小的部分，并且一般包括形成量子阱和勢(shì)壘的一系列層。這些層通常由GaInAsP或者AlGaInAs制作；··由P摻雜的半導(dǎo)體材料制作的第二襯底12。該第二襯底也可以由InP制作，其完全覆蓋有源部分10的側(cè)面以及上面；·置于第一襯底10下面的下部電極13以及置于第二襯底12上的上部電極14。這些電極傳送激光器的操作所必需的電流。
該配置使得可以一次并且同時(shí)地確保·第一襯底的材料和第二襯底的材料之間禁帶寬度的差異足夠時(shí)對(duì)注入到條狀部分中的載流子的限制；·第一襯底的材料和第二襯底的材料之間光指數(shù)的差異也足夠時(shí)對(duì)光的雙向引導(dǎo)。
這種幾何配置的益處是得到具有非常低的閾值電流和非常高的切換速度的激光器。
由于1980年代出現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)，因此技術(shù)的發(fā)展使得可以提高這種激光器的性能。通常使用包括半絕緣層的結(jié)構(gòu)。法國(guó)專利FR 9104636中將找到對(duì)這種結(jié)構(gòu)的描述。這種結(jié)構(gòu)的圖表示在圖3中。其主要包括·由n-摻雜的半導(dǎo)體材料制作(通常是由InP制作)的第一襯底10；·由矩形橫截面的條形成的有源部件11，該有源部件的下部表面置于第一襯底10上；·所述條的側(cè)面周圍的橫向限制層15。該層15由半絕緣半導(dǎo)體的材料制作(通常是由Fe摻雜的InP制作)；
·覆蓋有源部件10的上面的垂直限制層16，所述層16由p摻雜的半導(dǎo)體材料制作。該摻雜一般是鋅。
·置于第一襯底下面的下部電極13以及置于垂直限制層16上和橫向限制層15上的上部電極14。這些電極傳送激光器的操作所必需的電流。
這種類型的激光器也稱為SIBH，其代表半絕緣埋置異構(gòu)(Semi-Insulating Burried Heterostructure)的縮寫。
當(dāng)然，在ILM設(shè)備中，激光器部分和調(diào)制器部分具有相同的埋置結(jié)構(gòu)。這樣就得到了在熱消耗、光損耗、光模穩(wěn)定性和可靠性方面具有非常好的性能的設(shè)備。此外，將兩個(gè)發(fā)射和調(diào)制功能集成在一個(gè)元件中使得可以顯著地降低成本。
然而，由于當(dāng)正電壓施加于該結(jié)構(gòu)上時(shí)，橫向限制層的電阻率會(huì)很快地衰減，因此SIBH類型的激光器表現(xiàn)出極大的橫向泄漏電流。該效果已是眾所周知并且曾被廣泛提及。這是由于在制作垂直限制層的步驟期間，垂直限制層的p摻雜劑的相互擴(kuò)散和半絕緣橫向限制層的摻雜劑的相互擴(kuò)散。該泄漏電流顯著地降低了激光器的性能。
存在用于使該問題變?nèi)醯亩喾N技術(shù)。我們將引用·在橫向刻蝕該結(jié)構(gòu)或者增加垂直限制層厚度的步驟期間，減小有源結(jié)構(gòu)的表面區(qū)域，以便保持充足的電阻性的表面區(qū)域。然而該方案并沒有望去消除泄漏電流；·使用阻隔層避免p摻雜劑的擴(kuò)散。不幸的是，在ILM設(shè)備的情況下，該技術(shù)增大了調(diào)制部分的寄生電容，使得調(diào)制部分的寄生電容在高吞吐量使用時(shí)變得過大；·使用其他類型的摻雜劑，如釕，其表現(xiàn)出如下缺點(diǎn)，即難以在外延生長(zhǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)以及還沒有證明在使用激光器條件時(shí)其是有效的。
·使用其他種類的結(jié)構(gòu)，如PN-BH類型的結(jié)構(gòu)(代表P型N型埋置異構(gòu)(P-type Buried Heterostructure)的縮寫)，包括截短的垂直限制層。然而具有優(yōu)良特性的這些結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的制作工藝，包括難以完全控制的外延生長(zhǎng)和對(duì)垂直限制層進(jìn)行削減的附加步驟。該技術(shù)也產(chǎn)生了其過大的寄生電容不允許高吞吐量使用的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種ILM類型的集成元件，包括至少一個(gè)激光發(fā)射部分和調(diào)制部分，包括可以在技術(shù)上進(jìn)行良好控制的SIBH類型的結(jié)構(gòu)，既不會(huì)出現(xiàn)顯著的泄漏電流也不會(huì)出現(xiàn)顯著的寄生電容。因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以得到顯著的性能，與高吞吐量數(shù)字通信兼容而不會(huì)表現(xiàn)出任何特別的制作困難。
更確切地，本發(fā)明旨在一種類型的光電設(shè)備，其具有激光器和集成的調(diào)制器，包括以P.I.N類型的通用結(jié)構(gòu)制作的激光器部分和調(diào)制部分，所述結(jié)構(gòu)相繼包括由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作的襯底、埋置的有源區(qū)、p摻雜的垂直限制層，所述有源區(qū)的側(cè)面由摻雜的半導(dǎo)體材料制作的半絕緣橫向限制層包圍，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中屬于激光器部分的部分包括置于半絕緣橫向限制層和垂直限制層之間的阻隔層，該阻隔層由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作。
有利地，襯底、垂直限制層、橫向限制層和阻隔層主要由第一半導(dǎo)體材料制作，該第一半導(dǎo)體材料的成分屬于周期表的第III和第V族。
更加有利地，阻隔層由InP(磷化銦)或由InGaAsP(銦-鎵-砷-磷)或由InAIAs(銦-鋁-砷)制作，有源區(qū)由lnGaAsP(銦-鎵-砷-磷)制作。
有利地，襯底和垂直限制層的摻雜在為1018原子/立方厘米的數(shù)量級(jí)，而橫向限制層的摻雜為1017原子/立方厘米，阻隔層的摻雜為1018原子/立方厘米的數(shù)量級(jí)。
有利地，有源區(qū)的寬度等于約1.5微米，通用結(jié)構(gòu)的厚度等于幾個(gè)微米，阻隔層的厚度對(duì)于其部件為小于一微米。
有利地，該結(jié)構(gòu)包括置于襯底和有源層之間的保護(hù)(screen)層或緩沖層，所述層也由磷化銦(InP)制作。
本發(fā)明還涉及一種制作包括前述特征的至少一個(gè)特征的具有激光器和集成調(diào)制器類型的光電設(shè)備的方法。所述方法包括至少如下步驟·步驟1通過第一外延生長(zhǎng)和蝕刻有源區(qū)，制作具有所述有源區(qū)的襯底；·步驟2通過第二外延生長(zhǎng)，制作半絕緣橫向限制層；·步驟5通過第三外延生長(zhǎng)，制作p摻雜的垂直限制層；其特征在于，該制作方法還包括在第二步驟和第五步驟之間連續(xù)執(zhí)行的如下兩個(gè)附加步驟·步驟3在整個(gè)半絕緣橫向限制層上方，制作阻隔層；·步驟4在該結(jié)構(gòu)所述區(qū)域中移除對(duì)應(yīng)于調(diào)制部分的阻隔層。
有利地，該方法的步驟4通過化學(xué)的或機(jī)械的蝕刻執(zhí)行。


通過閱讀后面非限制性的描述以及通過所附附圖，將更好地理解本發(fā)明并且其他優(yōu)點(diǎn)將顯現(xiàn)，在附圖中圖1表示ILM類型的光電設(shè)備的基本圖示；圖2表示BRS類型的具有埋置條的激光器的截面圖；圖3具有半絕緣層的BRS類型的具有埋置條的激光器的截面圖；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的ILM設(shè)備的第一截面圖；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的ILM設(shè)備的激光部分中的第二截面圖；以及圖6表示根據(jù)本發(fā)明的ILM設(shè)備的調(diào)制器部分中的第三截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖4的截面圖表示根據(jù)本發(fā)明的ILM類型設(shè)備，包括激光器部分和調(diào)制部分。其主要包括P.I.N類型的通用結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)相繼包括·由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作的襯底10，·由矩形橫截面的條形成的埋置的有源區(qū)11，
·p摻雜的垂直限制層16，有源區(qū)的側(cè)面由摻雜的半導(dǎo)體材料制作的半絕緣橫向限制層(圖中未示出)包圍。
激光器部分包括阻隔層17，該阻隔層17由置于半絕緣橫向限制層和垂直限制層之間的n摻雜的半導(dǎo)體材料制作。
襯底、垂直限制層、橫向限制層和阻隔層主要由第一半導(dǎo)體材料制作，該材料的成分屬于周期表的第III和第V族。例如，所述第一材料是磷化銦(InP)。襯底和垂直限制層的摻雜為1018原子/立方厘米的數(shù)量級(jí)，而橫向限制層的摻雜為1017原子/立方厘米。
該結(jié)構(gòu)被組織為由兩組獨(dú)立的電極130、140以及131、141驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分1和2，上述兩組電極分別置于襯底10的下表面以及垂直限制層16的上表面。電極130和131可以通過共同的地連接在一起。例如，這些電極包括第一導(dǎo)電層，其可以是p摻雜的InGaAs。該層的厚度小于1微米，其摻雜為1019原子/立方厘米的數(shù)量級(jí)。在該第一層上適當(dāng)?shù)爻练e金屬電接觸點(diǎn)。
部分1對(duì)應(yīng)于激光器部分，以及部分2對(duì)應(yīng)于調(diào)制部分。激光器部分1包括由置于半絕緣橫向限制層和垂直限制層16之間的n摻雜的半導(dǎo)體材料制作的阻隔層17。
圖5和6表示圖4中的設(shè)備在與圖4的面垂直的兩個(gè)面內(nèi)的兩個(gè)截面圖。這些視圖使得可以更好地詳細(xì)說明該結(jié)構(gòu)的各個(gè)層的內(nèi)部排列。在這些截面圖中，未示出包括電極130和131的該結(jié)構(gòu)的底部。
在圖5和6中，將有源區(qū)111埋置在該結(jié)構(gòu)內(nèi)。其下表面與襯底10接觸。其側(cè)面與半絕緣橫向限制層15接觸，其上表面于垂直限制層16接觸。該通用結(jié)構(gòu)的總厚度等于幾微米。
有源區(qū)的寬度等于約1.5微米，其厚度小于一微米。
該有源區(qū)主要包括有源材料的層111，其可以是例如InGaAsP(銦-鎵-砷-磷)或?yàn)锳lInGaAsP材料族(鋁-銦-鎵-砷-磷)的組合。有源材料的成分決定了激光的發(fā)射波長(zhǎng)，主要是在電信應(yīng)用中位于近紅外光處。然而，其可以包括以下其他層，如緩沖層110或保護(hù)層112，緩沖層110由于其生長(zhǎng)模式具有卓越晶體質(zhì)量，其可以由磷化銦(InP)制作。
如圖5中所示，激光器部分的阻隔層置于有源區(qū)的上表面的任意一側(cè)，在半絕緣橫向限制層15和垂直限制層16之間。
阻隔層由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作，該材料可以例如為磷化銦(InP)或InGaAsP(銦-鎵-砷-磷)或InAIAs(銦-鋁-砷)或AlInGaAsP(鋁-銦-鎵-砷-磷)材料族的組合。阻隔層的摻雜為1018原子/立方厘米的數(shù)量級(jí)。
其厚度典型地為數(shù)十微米。
阻隔層限制了垂直和橫向限制層15和16之間的摻雜劑的相互擴(kuò)散。它使得可以保持橫向限制層的半絕緣特性，而不會(huì)引入寄生電容或者附加的電阻。
如圖6所示，阻隔層僅限于激光器部分，調(diào)制部分不包括任何阻隔層。離子絕緣提供了激光器部分和調(diào)制部分的邊界。因此，其消除了調(diào)制部分的寄生電容。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的制作沒有表現(xiàn)出特別的困難。
其主要包括如下步驟·步驟1通過第一外延生長(zhǎng)，并且之后進(jìn)行蝕刻以便留出包括最終有源區(qū)的中心臺(tái)面，制作具有有源區(qū)的襯底；·步驟2通過第二外延生長(zhǎng)，制作半絕緣橫向限制層；·步驟3在整個(gè)半絕緣橫向限制層上方，制作阻隔層；·步驟4移除在該結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)于調(diào)制部分的區(qū)域中阻隔層。該移除可以通過化學(xué)處理或者機(jī)械的或者干蝕刻來實(shí)現(xiàn)。所需精確度是幾百納米的數(shù)量級(jí)。
·步驟5通過第三外延生長(zhǎng)，制作半絕緣垂直限制層；·步驟6制作接觸電極。
通過外延生長(zhǎng)制作各個(gè)層以及通過化學(xué)的或者機(jī)械的蝕刻對(duì)它們進(jìn)行定界構(gòu)成本領(lǐng)域的技術(shù)人員的知識(shí)的一部分。這種類型的方法的例子可以在法國(guó)專利FR2 675 634和FR2 820 891中找到。
權(quán)利要求
1.一種具有激光器和集成調(diào)制器類型的光電設(shè)備，包括以P.I.N類型的通用結(jié)構(gòu)制作的激光器部分(1)和調(diào)制部分(2)，所述結(jié)構(gòu)相繼包括由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作的襯底(10)、埋置的有源區(qū)(11)、p摻雜的垂直限制層(16)，所述有源區(qū)的側(cè)面由摻雜的半導(dǎo)體材料制作的半絕緣橫向限制層(15)包圍，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中屬于所述激光器部分的部分包括置于所述半絕緣橫向限制層(15)和所述垂直限制層(16)之間的限制在所述激光器部分的阻隔層(17)，該阻隔層(17)由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于，所述襯底(10)、所述垂直限制層(16)、所述橫向限制層(15)和所述阻隔層(17)主要由第一半導(dǎo)體材料制作，該第一半導(dǎo)體材料的成分屬于周期表的第III和第V族。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于，所述阻隔層(17)由磷化銦(InP)或由InGaAsP(銦-鎵-砷-磷)或由InAIAs(銦-鋁-砷)或由AlInGaAsP材料族的組合制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于，所述有源區(qū)(11)由InGaAsP(銦-鎵-砷-磷)或由AlInGaAsP材料族的組合制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于，所述有源區(qū)(11)的寬度等于約1.5微米，并且所述通用結(jié)構(gòu)的厚度等于幾個(gè)微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于，所述阻隔層的厚度小于1微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)包括置于所述襯底和所述有源層之間的保護(hù)層，所述層也由磷化銦(InP)制作。
8.一種制作根據(jù)前述權(quán)利要求的任一個(gè)的具有激光器和集成調(diào)制器類型的光電設(shè)備的方法，包括至少如下步驟·步驟1通過第一外延生長(zhǎng)并且進(jìn)行蝕刻，制作具有有源區(qū)(11)的襯底(10)；·步驟2通過第二外延生長(zhǎng)，制作半絕緣橫向限制層(15)；·步驟5通過第三外延生長(zhǎng)，制作半絕緣垂直限制層(16)；其特征在于，所述制作方法還包括在所述第二步驟和所述第五步驟之間執(zhí)行的如下兩個(gè)附加步驟·步驟3在整個(gè)半絕緣橫向限制層(15)上方，制作阻隔層(17)；·步驟4移除所述結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)于所述調(diào)制部分(2)的區(qū)域中的阻隔層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述方法的步驟4通過化學(xué)的或機(jī)械的蝕刻執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明的領(lǐng)域是包括激光發(fā)射部分和用于對(duì)激光器發(fā)射的光功率進(jìn)行調(diào)制的部分的集成光發(fā)射設(shè)備，也被稱為ILM，代表集成激光調(diào)制器的縮寫。本發(fā)明目的在于一種ILM設(shè)備，包括以P.I.N類型的通用結(jié)構(gòu)制作的激光器部分(1)和調(diào)制部分(2)，所述結(jié)構(gòu)相繼包括由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作的襯底(10)、埋置的有源區(qū)(11)、p摻雜的垂直限制層(16)以及半絕緣橫向限制層(15)，屬于激光器部分的該結(jié)構(gòu)的部分包括置于所述半絕緣橫向限制層和所述垂直限制層之間的由n摻雜的半導(dǎo)體材料制作的阻隔層(17)，用于減少所述層之間存在的泄漏電流。由此改進(jìn)了最終設(shè)備的性能和可靠性。
文檔編號(hào)H01S5/026GK1893209SQ20061010177
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者米夏埃爾·勒帕萊克, 克里斯托夫·卡茲米耶斯基 申請(qǐng)人:阿爾卡特公司