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CN112042069A - 光学半导体元件及其制造方法以及光学集成半导体元件及其制造方法 - Google Patents

光学半导体元件及其制造方法以及光学集成半导体元件及其制造方法 Download PDF

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CN112042069A CN201980028314.3A CN201980028314A CN112042069A CN 112042069 A CN112042069 A CN 112042069A CN 201980028314 A CN201980028314 A CN 201980028314A CN 112042069 A CN112042069 A CN 112042069A
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Sumitomo Electric Device Innovations Inc
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Abstract

一种光学半导体元件具有：半导体衬底；第一导电类型的第一覆层，该第一覆层被设置在半导体衬底上；有源层，该有源层被设置在第一覆层上；第二导电类型的第二覆层，该第二覆层被设置在有源层上；第一台面，该第一台面由第一覆层的一部分、有源层和第二覆层构成；第二导电类型的辅助覆层，该辅助覆层被设置在第一台面上；第二台面，该第二台面由辅助覆层构成；以及所述半绝缘层，该半绝缘层被设置在第一覆层上且被设置在第一台面的两侧和第二台面的两侧，其中，第二台面的宽度大于第一台面的宽度。

Description

光学半导体元件及其制造方法以及光学集成半导体元件及其 制造方法
技术领域
本公开涉及一种光学半导体元件及其制造方法，以及一种光学集成半导体元件及其制造方法。
背景技术
光学半导体元件已经用在光学通信系统中(例如，专利文献1)。为了降低功耗，需要减小光学半导体元件的串联电阻。另一方面，对于高速操作，需要减小光学半导体元件的电容。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.H5-55696
发明内容
根据本公开的一种光学半导体元件，包括：半导体衬底；第一导电类型的第一覆层，该第一覆层被设置在半导体衬底上；有源层，该有源层被设置在第一覆层上；第二导电类型的第二覆层，该第二覆层被设置在有源层上；第一台面，该第一台面由第一覆层的一部分、有源层和第二覆层构成；第二导电类型的辅助覆层，该辅助覆层被设置在第一台面上；第二台面，该第二台面由辅助覆层构成；以及所述半绝缘层，该半绝缘层被设置在第一覆层上且在第一台面的两侧和第二台面的两侧，其中，第二台面的宽度大于第一台面的宽度。
根据本公开的一种光学集成半导体元件，包括：半导体衬底，该半导体衬底包括用作激光元件的第一区域和用作调制器的第二区域，第一区域和第二区域沿激光元件的光轴方向连续；第一导电类型的第一覆层，该第一覆层被设置在半导体衬底上的第一区域和第二区域中；第一有源层，该第一有源层被设置在第一覆层上且在第一区域中；第二有源层，该第二有源层被设置在第一覆层上且在第二区域中，第一有源层和第二有源层沿激光元件的光轴方向连续；第二导电类型的第二覆层，该第二覆层被设置在第一有源层上；第二导电类型的第三覆层，该第三覆层被设置在第二有源层上，第二覆层和第三覆层沿激光元件的光轴方向连续；第一台面，第一台面在第一区域中，并且由第一覆层的一部分、第一有源层和第二覆层构成；第二台面，第二台面设置在第二区域中，使得第二台面和第一台面沿着激光元件的光轴方向连续，并且由第一覆层的一部分、第二有源层和第三覆层构成；第二导电类型的辅助覆层，该辅助覆层被设置在第二覆层和第三覆层上；第三台面，第三台面被设置在第一区域中，并且由辅助覆层构成；以及第四台面，第四台面被设置在第二区域中，使得第三台面和第四台面沿着激光元件的光轴方向连续，并且由辅助覆层构成；以及半绝缘层，半绝缘层被设置在第一覆层上且在第一台面的两侧、第二台面的两侧、第三台面的两侧以及第四台面的两侧，其中，第三台面的宽度大于第一台面的宽度，并且第四台面的宽度大于第二台面的宽度，以及第三台面的宽度大于第四台面的宽度。
根据本公开的一种制造光学半导体元件的方法，包括：在半导体衬底上形成第一导电类型的第一覆层的步骤；在第一覆层上形成有源层的步骤；在有源层上形成第二导电类型的第二覆层的步骤；通过蚀刻第一覆层的一部分、有源层和第二覆层来形成由第一覆层、有源层和第二覆层构成的第一台面的步骤；在第一覆层上且在第一台面的两侧形成第一半绝缘层的步骤；使第二导电类型的辅助覆层生长在第一台面和第一半绝缘层上的步骤；通过蚀刻第一半绝缘层的一部分和辅助覆层，在第一台面上形成具有大于第一台面的宽度的第二台面的步骤；以及在第一半绝缘层上且在第二台面的两侧形成第二半绝缘层的步骤，其中，第二台面的宽度大于第一台面的宽度。
一种在半导体衬底上制造光学集成半导体元件的方法，半导体衬底包括用作激光元件的第一区域和用作调制器的第二区域，第一区域和第二区域沿激光元件的光轴方向连续，包括：在半导体衬底上的第一区域和第二区域中形成第一导电类型的第一覆层的步骤；在第一覆层上形成第一有源层的步骤；在第一有源层上形成第二导电类型的第二覆层的步骤；去除第二区域中的第一有源层和第二覆层的步骤；在第二区域中的第一覆层上形成第二有源层，使得第一有源层和第二有源层沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；在第二区域中的第二有源层上形成第二导电类型的第三覆层，使得第二覆层和第三覆层沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；通过蚀刻第一覆层的一部分、第一有源层、第二覆层、第二有源层以及第三覆层，在第一区域中形成由第一覆层、第一有源层和第二覆层构成的第一台面并在第二区域中形成由第一覆层、第二有源层和第三覆层构成的第二台面，使得第一台面和第二台面沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；在第一覆层上且在第一台面的两侧和第二台面的两侧形成第一半绝缘层的步骤；在第一半绝缘层上以及第一台面和第二台面上形成第二导电类型的辅助覆层的步骤；通过蚀刻第一区域中的第一半绝缘层的一部分和辅助覆层，在第一台面上形成由辅助覆层构成并且具有比第一台面更大的宽度的第三台面，以及通过蚀刻第二区域中的第一半绝缘层的一部分和辅助覆层，在第二台面上形成由辅助覆层构成并且具有比第二台面更大的宽度的第四台面，使得第三台面和第四台面沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；以及在第一半绝缘层上且在第三台面的两侧和第四台面的两侧形成第二半绝缘层的步骤，其中，第三台面的宽度大于第四台面的宽度。
发明解决的技术问题
为了减小串联电阻，将增加光学半导体元件的覆层的宽度。另一方面，为了减小电容，要减小覆层的宽度。因此，难以实现减小串联电阻和减小电容两者。因此，本公开的目的是提供一种能够实现减小串联电阻和减小电容两者的光学半导体元件及其制造方法以及光学集成半导体元件及其制造方法。
发明的效果
根据本公开，可以实现串联电阻的减小和电容的减小两者。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的光学半导体元件的截面图；
图2A是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，实施半导体衬底10上的外延生长；
图2B是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，形成蚀刻掩模15；
图2C是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，将蚀刻掩模15用作掩模来蚀刻半导体层；
图2D是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，将蚀刻掩模15用作掩模来生长半导体层；
图3A是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，去除了蚀刻掩模15并且生长半导体层；
图3B是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，形成蚀刻掩模21并且生长半导体层；
图4A是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，将蚀刻掩模21用作掩模来蚀刻半导体层；
图4B是示出制造光学半导体元件的方法的截面图，其中，将蚀刻掩模21用作掩模来生长半导体层；
图5A呈现光学半导体元件的串联电阻的模拟结果；
图5B呈现光学半导体元件的电容的模拟结果；
图6是示出根据第二实施例的光学集成半导体元件的立体图；
图7A是示出根据第二实施例的光学集成半导体元件的区域31的截面图；
图7B是示出根据第二实施例的光学集成半导体元件的区域33的截面图；
图8A是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，在半导体衬底30上形成半导体层；
图8B是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，将蚀刻掩模35用作掩模来蚀刻区域33中的半导体层；
图8C是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，将蚀刻掩模35用作掩模来生长区域33中的半导体层；
图9A是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，形成蚀刻掩模41；
图9B是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，将蚀刻掩模41用作掩模来蚀刻半导体层；
图9C是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，将蚀刻掩模41用作掩模来生长半导体层；
图10A是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，去除刻蚀掩模41并且生长半导体层；
图10B是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，形成蚀刻掩模43；
图11A是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，将蚀刻掩模43用作掩模来蚀刻半导体层；以及
图11B是示出制造光学集成半导体元件的方法的立体图，其中，将蚀刻掩模43用作掩模来生长半导体层。
具体实施方式
[本发明的实施例的描述]
首先，如下文所列出的，描述本公开的实施例的细节。
本公开的实施例是(1)一种光学半导体元件，包括：半导体衬底；第一导电类型的第一覆层，该第一覆层被设置在半导体衬底上；有源层，该有源层被设置在第一覆层上；第二导电类型的第二覆层，该第二覆层被设置在有源层上；第一台面，该第一台面由第一覆层的一部分、有源层和第二覆层构成；第二导电类型的辅助覆层，该辅助覆层被设置在第一台面上；第二台面，该第二台面由辅助覆层构成；以及所述半绝缘层，该半绝缘层被设置在第一覆层上且在第一台面的两侧和第二台面的两侧，其中，第二台面的宽度大于第一台面的宽度。通过将第二台面的宽度设定为适当的宽度，可以实现电阻的减小和电容的减小两者。
(2)一种光学集成半导体元件，包括：半导体衬底，该半导体衬底包括用作激光元件的第一区域和用作调制器的第二区域，第一区域和第二区域沿激光元件的光轴方向连续；第一导电类型的第一覆层，该第一覆层被设置在半导体衬底上的第一区域和第二区域中；第一有源层，该第一有源层被设置在第一覆层上且在第一区域中；第二有源层，该第二有源层被设置在第一覆层上且在第二区域中，第一有源层和第二有源层沿激光元件的光轴方向连续；第二导电类型的第二覆层，该第二覆层被设置在第一有源层上；第二导电类型的第三覆层，该第三覆层被设置在第二有源层上，第二覆层和第三覆层沿激光元件的光轴方向连续；第一台面，该第一台面在第一区域中，并且由第一覆层的一部分、第一有源层和第二覆层构成；第二台面，该第二台面被设置在第二区域中，使得第二台面和第一台面沿着激光元件的光轴方向连续，并且由第一覆层的一部分、第二有源层和第三覆层构成；第二导电类型的辅助覆层，该辅助覆层被设置在第二覆层和第三覆层上；第三台面，该第三台面被设置在第一区域中，并且由辅助覆层构成；以及第四台面，该第四台面被设置在第二区域中，使得第三台面和第四台面沿着激光元件的光轴方向连续，并且由辅助覆层构成；以及半绝缘层，该半绝缘层被设置在第一覆层上且在第一台面的两侧、第二台面的两侧、第三台面的两侧以及第四台面的两侧，其中，第三台面的宽度大于第一台面的宽度，并且第四台面的宽度大于第二台面的宽度，以及第三台面的宽度大于第四台面的宽度。由于第三台面的宽度大，因此可以减小激光元件的电阻。由于第四台面的宽度小，因此可以减小调制器的电容。
(3)一种制造光学半导体元件的方法，包括：在半导体衬底上形成第一导电类型的第一覆层的步骤；在第一覆层上形成有源层的步骤；在有源层上形成第二导电类型的第二覆层的步骤；通过蚀刻第一覆层的一部分、有源层和第二覆层来形成由第一覆层、有源层和第二覆层构成的第一台面的步骤；在第一覆层上且在第一台面的两侧形成第一半绝缘层的步骤；使第二导电类型的辅助覆层生长在第一台面和第一半绝缘层上的步骤；通过蚀刻第一半绝缘层的一部分和辅助覆层，在第一台面上形成具有大于第一台面的宽度的第二台面的步骤；以及在第一半绝缘层上且在第二台面的两侧形成第二半绝缘层的步骤，其中，第二台面的宽度大于第一台面的宽度。通过将第二台面的宽度设定为适当的宽度，可以实现电阻的减小和电容的减小。
(4)第一半绝缘层可以在其表面上具有台阶(level difference)，并且第二半绝缘层的底面可以与台阶的下面接触，以及第二半绝缘层的底面的位置可以低于第二覆层的上面的位置，并且高于第一有源层的下面的位置。由于第一覆层变宽，因此可以减小电阻。另外，第一覆层和辅助覆层彼此面对的部分的面积变小，因此可以减小电容。
(5)一种在半导体衬底上制造光学集成半导体元件的方法，半导体衬底包括用作激光元件的第一区域和用作调制器的第二区域，第一区域和第二区域沿激光元件的光轴方向连续，该方法包括：在半导体衬底上的第一区域和第二区域中形成第一导电类型的第一覆层的步骤；在第一覆层上形成第一有源层的步骤；在第一有源层上形成第二导电类型的第二覆层的步骤；去除第二区域中的第一有源层和第二覆层的步骤；在第二区域中的第一覆层上形成第二有源层，使得第一有源层和第二有源层沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；在第二区域中的第二有源层上形成第二导电类型的第三覆层，使得第二覆层和第三覆层沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；通过蚀刻第一覆层的一部分、第一有源层、第二覆层、第二有源层以及第三覆层，在第一区域中形成由第一覆层、第一有源层和第二覆层构成的第一台面并在第二区域中形成由第一覆层、第二有源层和第三覆层构成的第二台面，使得第一台面和第二台面沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；在第一覆层上且在第一台面的两侧和第二台面的两侧形成第一半绝缘层的步骤；在第一半绝缘层上以及第一台面和第二台面上形成第二导电类型的辅助覆层的步骤；通过蚀刻第一区域中的第一半绝缘层的一部分和辅助覆层，在第一台面上形成由辅助覆层构成并且具有比第一台面更大的宽度的第三台面，以及通过蚀刻第二区域中的第一半绝缘层的一部分和辅助覆层，在第二台面上形成由辅助覆层构成并且具有比第二台面更大的宽度的第四台面，使得第三台面和第四台面沿着激光元件的光轴方向连续的步骤；以及在第一半绝缘层上且在第三台面的两侧和第四台面的两侧形成第二半绝缘层的步骤，其中，第三台面的宽度大于第四台面的宽度。由于第三台面的宽度较大，因此可以减小激光元件的电阻。由于第四台面的宽度较小，因此可以减小调制器的电容。
(6)第一半绝缘层可以在其表面上具有台阶，并且第二半绝缘层的底面可以与台阶的下面接触，以及第二半绝缘层的底面的位置可以低于第二覆层及第三覆层的上面的位置，并且高于第一有源层的及所述第二有源层的下面的位置。由于第一覆层变宽，因此可以减小电阻。另外，第一覆层和辅助覆层彼此面对的部分的面积变小，因此可以减小电容。
[本发明的实施例的细节]
下文参考附图，根据本公开的实施例，描述光学半导体元件及其制造方法、光学集成半导体元件及其制造方法的具体示例。应当注意到，本公开不限于这些示例，而是由权利要求示出，并且旨在所有改进都包括在权利要求的等同形式和权利要求的范围中。
第一实施例
(光学半导体元件)
图1是示出根据第一实施例的光学半导体元件100的截面图。图1示出了XZ平面中的横截面。Y方向是台面17和19的延伸方向，并且是光学半导体元件100的光轴方向。
如图1所示，在半导体衬底10上设置具有凸状的n型覆层12(第一覆层)。在n型覆层12的中央部分设置有源层14和p型覆层16(第二覆层)，并且n型覆层12、有源层14和p型覆层16形成台面17(第一台面)。在n型覆层12上和台面17的两侧设置半绝缘层18(第一半绝缘层)。两个半绝缘层18在它们之间插入台面17，并且在外部有凹部。
在两个半绝缘层18上设置N型阻挡层20，并且在台面17上设置p型覆层22(辅助覆层)。p型覆层22的和p型覆层16接触的部分位于两个半绝缘层18之间以及两个n型阻挡层20之间。在p型覆层22上设置有p型接触层24，并且n型阻挡层20、p型覆层22和p型接触层24形成台面19(第二台面)。在半绝缘层18上和台面19的两侧设置半绝缘层26(第二半绝缘层)。在p型接触层24和半绝缘层26的顶面上设置p型电极27，并且在半导体衬底10的底面上设置有n型电极28。
半导体衬底10由例如厚度为100μm的n型磷化铟(InP)形成。n型覆层12由例如厚度为2μm的n型InP形成。半导体衬底10和n型覆层12的掺杂剂是例如硅(Si)，掺杂剂浓度为例如1×1018cm-3。有源层14具有其中堆叠掺杂有锌(Zn)的砷化铟镓磷(InGaAsP)层的多量子阱(MQW)结构，并且具有0.3μm的厚度。在有源层14中，形成在Y轴方向上延伸的衍射光栅(未图示)。调制信号和偏置电流被供应给p型电极27和n型电极28，并且通过复合有源层14中的载流子产生光。
半绝缘层18和26由例如掺杂有铁(Fe)的InP形成。半绝缘层18的厚度为例如1.8μm，以及半绝缘层26的厚度为例如3.5μm。n型阻挡层20由例如掺杂有Si并且厚度为0.3μm的n型InP形成。p型覆层16和22由例如掺杂有Zn的p型InP形成，并且掺杂剂浓度为例如5×1017cm-3。p型覆层16的厚度为例如0.1μm，以及p型覆层22的厚度为例如1.5μm。p型接触层24由例如掺杂有Zn且厚度为0.1μm的p型砷化铟镓(InGaAs)形成。p型电极27和n型电极28由诸如金(Au)的金属形成。
p型覆层22的宽度W2为例如3μm，以及有源层14的宽度W1为例如1.5μm。即，宽度W2大于宽度W1，并且在该示例中，宽度W2是宽度W1的两倍。
(制造方法)
图2A至图4B是示出制造光学半导体元件100的方法的截面图。如图2A所示，通过例如金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)方法，在半导体衬底10上顺序地外延生长n型覆层12、有源层14和p型覆层16。MOCVD设备中的温度(生长温度)为例如620℃，以及生长压力为例如0.1大气压。n型覆层12的原料气体包含例如三甲基铟(TMIn)、三氢化磷(PH3)和甲硅烷(SiH4)。有源层14的原料气体包含例如TMIn、三乙基镓(TEGa)、PH3和砷化三氢(AsH3)。p型覆层16的原料气体包含例如TMIn、PH3和二甲基锌(DMZ)。
如图2B所示，在p型覆层16的中央部分形成例如二氧化硅(SiO2)的蚀刻掩模15。如图2C所示，将具有例如宽度为1.5μm和膜厚度为300nm的蚀刻掩模15用作掩模，对n型覆层12、有源层14和p型覆层16进行干法蚀刻。碘化氢气体和四氯化硅气体的混合气体被用于干法蚀刻，并且蚀刻深度为例如1.8μm。蚀刻掩模15下方的n型覆层12、有源层14和p型覆层16形成具有宽度W1的台面17。保留在台面17两侧的n型覆层12覆盖半导体衬底10的顶面。
如图2D所示，通过例如MOCVD法，在n型覆层12上以及在台面17的两侧(正X侧和负X侧)生长厚度为1.8μm的半绝缘层18，并且在半绝缘层18上生长n型阻挡层20。半绝缘层18的原料气体包含例如TMIn、PH3和二茂铁(Cp2Fe)。n型阻挡层20的原料气体包含例如TMIn、PH3和SiH4。
如图3A所示，通过将蚀刻掩模15浸入例如氢氟酸中一分钟来去除蚀刻掩模15。之后，通过例如MOCVD法，在台面17和n型阻挡层20上外延生长例如厚度为3.0μm的p型覆层22，并且在p型覆层22上生长p型接触层24。p型覆层22的原料气体包含例如TMIn、PH3和DMZ。p型接触层24的原料气体包含例如TMIn、TEGa、AsH3和DMZ。如图3B所示，在p型接触层24的顶面和与台面17重叠的位置中形成由例如厚度约为300nm的二氧化硅(SiO2)制成的蚀刻掩模21。形成蚀刻掩模21。
如图4A所示，将蚀刻掩模21用作掩模，对半绝缘层18、n型阻挡层20、p型覆层22和p型接触层24进行干法蚀刻。碘化氢气体和四氯化硅气体的混合气体被用于干法蚀刻，并且蚀刻深度为例如4.0μm。在蚀刻掩模21下方的半绝缘层18、n型阻挡层20、p型覆层22和p型接触层24形成具有宽度W2的台面19。使半绝缘层18暴露于台面19的两侧。
如图4B所示，通过例如MOCVD法，在半绝缘层18上和台面19的两侧生长厚度为4.0μm的半绝缘层26。半绝缘层26的原料气体包含例如TMIn、PH3和Cp2Fe。此后，通过将蚀刻掩模21浸入例如氢氟酸中一分钟来去除蚀刻掩模21，并且通过例如蒸发法，形成图1所示的p型电极27和n型电极28。通过以上工序，形成了光学半导体元件100。
(串联电阻和电容)
图5A呈现了光学半导体元件100的串联电阻的模拟结果。图5B呈现光学半导体元件100的电容的模拟结果。在这些模拟中，计算了当改变p型覆层22的宽度W2(台面19的宽度)时的串联电阻和电容。宽度W2以外的尺寸和材料与上述相同。即，有源层14的宽度W1为1.5μm，而p型覆层22的宽度W2从1.5μm改变至10μm。光学半导体元件100的Y轴方向的长度为100μm。
图5A中的横轴表示宽度W2，纵轴表示串联电阻。如图5A所示，随着p型覆层22的宽度W2减小，光学半导体元件100的串联电阻减小。当宽度W2为2μm时，串联电阻小于10Ω。当宽度W2为5μm时，串联电阻为5.7Ω。但是，由于抑制了p型覆层22中的电流的膨胀，因此，相对于宽度W2的增加，串联电阻的减小收敛至约5.7Ω。图5B中的横轴表示宽度W2，以及纵轴表示电容。如图5B所示，随着宽度W2减小，光学半导体元件100的电容减小。如上所述，为了减小电阻，宽度W2优选较大，而为了减小电容，宽度W2优选较小。
在第一实施例中，p型覆层22的宽度W2(台面19的宽度)大于有源层14的宽度Wl(台面17的宽度)。通过将宽度W2设定为适当的宽度，可以实现电阻的减小和电容的减小。图5A和图5B的模拟结果揭示通过将p型覆层22的宽度W2设定为等于或大于有源层14的宽度W1的1.5倍并且等于或小于有源层14的宽度W1的7倍的宽度，可以同时实现电阻的降低和电容的降低。
由于减小了光学半导体元件100的串联电阻，因此减少了由于激光振荡而产生的热量。因此，可以在没有冷却器的情况下驱动光学半导体元件100，并且因此可以降低功耗。另外，由于减小了光学半导体元件100的电容，所以高速操作成为可能。具体地，考虑到设备的特性，优选地，串联电阻为约6Ω或以下(W2为4.0μm或以上)并且电容为200pF或以下(宽度W2为2μm或以上且3.0μm或以下)。此外，考虑到光学半导体元件的尺寸减小，优选地，宽度W2为大约10μm或更小。在此，考虑到后述的多模式振荡和工艺的余量，优选地，有源层14的宽度W1为约1.5μm。结果，优选地，宽度W2等于或大于宽度W1的1.5倍且等于或小于宽度W1的7倍。
光学半导体元件100包括两个半绝缘层18和26。如图2D所示，在台面17的两侧的领域填充有半绝缘层18。如图4A所示，通过蚀刻半绝缘层18和p型覆层22来形成宽度大于台面17的宽度的台面19，并且然后用半绝缘层26填充台面17和19的两侧的领域。可以通过上述两步填充来确定有源层14的宽度和p型覆层22的宽度。因此，可以使p型覆层22的宽度W2大于有源层14的宽度W1。
如图4A所示，优选地，蚀刻后的半绝缘层18的表面位于p型覆层22的底面与n型覆层12的顶面之间。半绝缘层26的底面变为位于p型覆层22的底面与n型覆层12的顶面之间。由于宽的n型覆层12位于半绝缘层18的下方，因此，可以减小n型覆层12的串联电阻。此外，由于p型覆层16面对n型覆层12的部分的面积增加，因此产生了大电容。在第一实施例中，由于在半绝缘层18之间插入了p型覆层40，并且因此，p型覆层40面对n型覆层12的部分的面积减小，因此电容减小。
为了减小电阻，可以增加有源层14的宽度W1。然而，当宽度W1增加到例如2μm或更大时，由于多模式振荡而发生扭结。为了抑制扭结，优选地使宽度W1小以实现电流收缩结构(current constriction structure)。
第二实施例
(光学集成半导体元件)
第二实施例是集成了调制器和激光元件的示例性光学集成半导体元件200。省略与第一实施例相同的组件的描述。图6是示出根据第二实施例的光学集成半导体元件200的立体图。如图6所示，光学集成半导体元件200包括在Y轴方向上连续的区域31和33。区域31(第一区域)是用作激光元件的区域。区域33(第二区域)是比区域31更接近负Y侧的区域，并且用作调制器。
图7A和图7B是示出光学集成半导体元件200的截面图。图7A示出了区域31，以及图7B示出了区域33。如图7A所示，光学集成半导体元件200在区域31中包括半导体衬底30、n型覆层32(第一覆层)、有源层34(第一有源层)，p型覆层36和46、半绝缘层42(第一半绝缘层)、半绝缘层50(第二半绝缘层)、n型阻挡层44、p型接触层48、p型电极52和n型电极54。n型覆层32、有源层34和p型覆层36(第二覆层)形成台面37(第一台面)。半绝缘层42、n型阻挡层44、p型覆层46(辅助覆层)和p型接触层48形成台面47(第三台面)。
如图7B所示，光学集成半导体元件200在区域33中包括半导体衬底30、n型覆层32、有源层38(用作光吸收层的第二有源层)、p型覆层40和46、半绝缘层42和50、n型阻挡层44、p型接触层48、p型电极52和n型电极54。如图6所示，p型电极52形成在区域31和区域33上，并且彼此分离。区域31上的p型电极52比区域33上的p型电极52宽。例如，可以在分离的区域中的半绝缘层50上形成氮化硅膜(SiN)。n型覆层32、有源层38和p型覆层40(第三覆层)形成台面39(第二台面)。半绝缘层42、n型阻挡层44、p型覆层46和p型接触层48形成台面49(第四台面)。
一个或一些半导体层在区域31和区域33之间不同。区域31包括有源层34和p型覆层36，而区域33包括有源层38和p型覆层40。在Y轴方向上，有源层34与有源层38接触，并且p型覆层36与p型覆层40接触。在区域31和区域33两者中均设置有其他半导体层、p型电极52和n型电极54。
台面37和39具有相同的宽度W3，并且宽度W3为例如1.5μm。区域31中的台面47的宽度W4为例如4μm，并且大于宽度W3。区域33中的台面49的宽度W5为例如3μm，并且大于宽度W3并且小于宽度W4。
半导体衬底30、每个半导体层、p型电极52和n型电极54由与第一实施例的相应组件相同的材料形成，并且具有与相应组件相同的厚度。有源层34和38包括未示出的衍射光栅。有源层34和有源层38可以具有彼此不同的组成。p型覆层36和p型覆层40可以具有彼此不同的组成。
(制造方法)
图8A至图11B是示出制造光学集成半导体元件200的方法的立体图。各图中的虚线是表示区域31与区域33之间的区域的虚拟线。使用与第一实施例相同的生长温度、生长压力、原料气体和蚀刻气体。
如图8A所示，通过例如MOCVD法，在半导体衬底30上以及区域31和33中依次外延生长n型覆层32、有源层34和p型覆层36。
如图8B所示，在区域31中的p型覆层36上设置蚀刻掩模35。使用例如碘化氢气体和四氯化硅的混合气体执行干法蚀刻。这去除了区域33中的有源层34和p型覆层36以露出n型覆层32。在区域31中，保留了有源层34和p型覆层36。如图8C所示，通过例如MOCVD法，在区域33中顺序外延生长有源层38和p型覆层40。有源层34和有源层38彼此相邻，并且p型覆层36和p型覆层40彼此相邻。
如图9A所示，在p型覆层36和40的中央部分形成例如由二氧化硅(SiO2)制成并延伸至区域31和33的蚀刻掩模41。例如，宽度为1.5μm，并且膜厚度为约300nm。如图9B所示，将蚀刻掩模41用作掩模，对n型覆层32、有源层34和38以及p型覆层36和40进行干法蚀刻。该工艺在区域31中形成台面37并且在区域33中形成台面39。台面37和39在Y轴方向上连续。如图9C所示，通过例如MOCVD法，在n型覆层32上以及在台面37和39的两侧生长半绝缘层42，并且在半绝缘层42上生长n型阻挡层44。
如图10A所示，去除蚀刻掩模41。之后，通过例如MOCVD方法，在台面37和39以及n型阻挡层44上外延生长p型覆层46，并且在p型覆层46上生长p型接触层48。如图10B所示，在p型接触层48的顶面上以及与台面37和39重叠的位置中，形成例如由二氧化硅(SiO2)制成的蚀刻掩模43。膜厚度为约300nm。区域33中的蚀刻掩模43的宽度为W5，区域33中的宽度为W4。
如图11A所示，将蚀刻掩模43用作掩模执行干法蚀刻。这形成在区域31中具有宽度W5的台面47和在区域33中具有宽度W4的台面49。台面47和49在Y轴方向上是连续的。如图11B所示，通过例如MOCVD法，在半绝缘层42上以及在台面47和49的两侧生长半绝缘层50。此后，通过将蚀刻掩模43浸入例如氢氟酸中一分钟来去除蚀刻掩模43，并且通过例如蒸气法，形成图6至图7B中所示的p型电极52和n型电极54。通过上述工艺，形成了光学集成半导体元件200。
在第二实施例中，p型覆层46的宽度大于有源层34和38的宽度W3。区域31中的p型覆层46的宽度W4(台面47的宽度)大于区域33中的宽度W5(台面49的宽度)。因此，区域31中的串联电阻减小，并且区域33中的电容减小。光学集成半导体元件200用作集成了具有低电阻的激光元件和具有低电容的调制器的元件。结果，可以降低功耗并且可以进行高速操作。
根据图5A和图5B呈现的模拟，优选地宽度W4和W5等于或大于有源层34的宽度W3的1.5倍，或者等于或大于2倍，并且等于或小于有源层34的宽度W3的5倍，或者等于或小于7倍。另外，优选地，区域31中的宽度W4等于或大于区域33中的宽度W5的2倍且等于或小于区域33中的宽度W5的5倍。具体地，如段落0027中所述，优选地，区域31的宽度W4为4.0μm或更大并且10μm或更小，并且区域33的宽度W5为2μm或更大并且3.0μm或更小。这种配置使得能够减小激光元件的电阻并减小调制器的电容。
光学集成半导体元件200包括两个半绝缘层42和50。如图7A和图7B所示，用半绝缘层42填充台面37和39的两侧的领域。通过蚀刻半绝缘层42和p型覆层46，形成具有比台面37更宽的宽度的台面47，并且形成具有比台面39更宽的宽度的台面49。用半绝缘层50填充台面47和49的两侧的领域。可以通过上述两步填充来确定有源层的宽度和p型覆层的宽度。可以使区域31中的p型覆层46的宽度为W5，以及可以使区域33中的宽度为W4。另外，可以使宽度W4和W5大于有源层的宽度W3。
如图11A所示，优选地，蚀刻后的半绝缘层42的表面位于p型覆层46的底面与n型覆层32的顶面之间。半绝缘层50的底面变为位于p型覆层46的底面与n型覆层32的顶面之间。由于宽的n型覆层32位于半绝缘层42的下方，可以减小n型覆层32的串联电阻。另外，由于在半绝缘层50之间插入p型覆层46，并且p型覆层46面对n型覆层32的部分的面积减少，因此电容减小。
为了减小电阻，可以增加区域31中的有源层34的宽度W3。然而，当宽度W3增加到例如2μm或更大时，由多模式振荡引起扭结。为了抑制扭结，优选地减小宽度W3以获得电流收缩结构。
如图11B所示，优选地，形成光学集成半导体元件200，以便通过半绝缘层42和50与其他器件电隔离。这种结构消除了形成隔离台面的需要，从而简化了工艺。另外，与半绝缘平面掩埋异质结构(SIPBH结构)相比，光学集成半导体元件200被半绝缘层42和50电隔离，从而在防止由于元件形成后施加电流而引起的劣化方面是优异的。跨区域31和33两者形成半绝缘层42和50是特别有效的。
在第一和第二实施例中，位于比有源层低的覆层的导电类型(第一导电类型)为n型，并且位于比有源层更高的覆层的导电类型(第二导电类型)为p型。但是，导电类型可以改变。在第一和第二实施例中，半导体衬底和半导体层可以由除了上述那些之外的化合物半导体形成。此外，诸如聚酰亚胺的树脂或其他半绝缘材料可以用作半绝缘层。在下部半绝缘层18和42上生长作为半导体的n型阻挡层。为了提高晶体质量和绝缘可靠性，优选地，半绝缘层由半导体制成。掺杂钌(Ru)的InP可以代替掺杂Fe的InP用于半绝缘层。

Claims (6)

1.一种光学半导体元件，包括：
半导体衬底；
第一导电类型的第一覆层，所述第一覆层被设置在所述半导体衬底上；
有源层，所述有源层被设置在所述第一覆层上；
第二导电类型的第二覆层，所述第二覆层被设置在所述有源层上；
第一台面，所述第一台面由所述第一覆层的一部分、所述有源层和所述第二覆层构成；
所述第二导电类型的辅助覆层，所述辅助覆层被设置在所述第一台面上；
第二台面，所述第二台面由所述辅助覆层构成；以及
所述半绝缘层，所述半绝缘层被设置在所述第一覆层上且在所述第一台面的两侧和所述第二台面的两侧，
其中，所述第二台面的宽度大于所述第一台面的宽度。
2.一种光学集成半导体元件，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底包括用作激光元件的第一区域和用作调制器的第二区域，所述第一区域和所述第二区域沿所述激光元件的光轴方向连续；
第一导电类型的第一覆层，所述第一覆层被设置在所述半导体衬底上的所述第一区域和所述第二区域中；
第一有源层，所述第一有源层被设置在所述第一覆层上且在所述第一区域中；
第二有源层，所述第二有源层被设置在所述第一覆层上且在所述第二区域中，所述第一有源层和所述第二有源层沿所述激光元件的所述光轴方向连续；
第二导电类型的第二覆层，所述第二覆层被设置在所述第一有源层上；
第二导电类型的第三覆层，所述第三覆层被设置在所述第二有源层上，所述第二覆层和所述第三覆层沿所述激光元件的所述光轴方向连续；
第一台面，所述第一台面在所述第一区域中，并且由所述第一覆层的一部分、所述第一有源层和所述第二覆层构成；
第二台面，所述第二台面被设置在所述第二区域中，使得所述第二台面和所述第一台面沿着所述激光元件的所述光轴方向连续，并且所述第二台面由所述第一覆层的一部分、所述第二有源层和所述第三覆层构成；
第二导电类型的辅助覆层，所述辅助覆层被设置在所述第二覆层和所述第三覆层上；
第三台面，所述第三台面被设置在所述第一区域中，并且由所述辅助覆层构成；以及
第四台面，所述第四台面被设置在所述第二区域中，使得所述第三台面和所述第四台面沿着所述激光元件的所述光轴方向连续，并且所述第四台面由所述辅助覆层构成；以及
半绝缘层，所述半绝缘层被设置在所述第一覆层上且在所述第一台面的两侧、所述第二台面的两侧、所述第三台面的两侧以及所述第四台面的两侧，其中
所述第三台面的宽度大于所述第一台面的宽度，并且所述第四台面的宽度大于所述第二台面的宽度，以及
所述第三台面的所述宽度大于所述第四台面的所述宽度。
3.一种制造光学半导体元件的方法，所述方法包括：
在半导体衬底上形成第一导电类型的第一覆层的步骤；
在所述第一覆层上形成有源层的步骤；
在所述有源层上形成第二导电类型的第二覆层的步骤；
通过蚀刻所述第一覆层的一部分、所述有源层和所述第二覆层来形成由所述第一覆层、所述有源层和所述第二覆层构成的第一台面的步骤；
在所述第一覆层上且在所述第一台面的两侧形成第一半绝缘层的步骤；
使所述第二导电类型的辅助覆层生长在所述第一台面和所述第一半绝缘层上的步骤；
通过蚀刻所述第一半绝缘层的一部分和所述辅助覆层，在所述第一台面上形成具有大于所述第一台面的宽度的第二台面的步骤；以及
在所述第一半绝缘层上且在所述第二台面的两侧形成第二半绝缘层的步骤，其中
所述第二台面的宽度大于所述第一台面的宽度。
4.根据权利要求3所述的制造光学半导体元件的方法，其中
所述第一半绝缘层在其表面上具有台阶，并且所述第二半绝缘层的底面与所述台阶的下面接触，以及
所述第二半绝缘层的所述底面的位置低于所述第二覆层的上面的位置，并且高于所述第一有源层的下面的位置。
5.一种在半导体衬底上制造光学集成半导体元件的方法，所述半导体衬底包括用作激光元件的第一区域和用作调制器的第二区域，所述第一区域和所述第二区域沿所述激光元件的光轴方向连续，所述方法包括：
在所述半导体衬底上的所述第一区域和所述第二区域中形成第一导电类型的第一覆层的步骤；
在所述第一覆层上形成第一有源层的步骤；
在所述第一有源层上形成第二导电类型的第二覆层的步骤；
去除所述第二区域中的所述第一有源层和所述第二覆层的步骤；
在所述第二区域中的所述第一覆层上形成第二有源层，使得所述第一有源层和所述第二有源层沿着所述激光元件的所述光轴方向连续的步骤；
在所述第二区域中的所述第二有源层上形成所述第二导电类型的第三覆层，使得所述第二覆层和所述第三覆层沿着所述激光元件的所述光轴方向连续的步骤；
通过蚀刻所述第一覆层的一部分、所述第一有源层、所述第二覆层、所述第二有源层以及所述第三覆层，在所述第一区域中形成由所述第一覆层、所述第一有源层和所述第二覆层构成的第一台面并且在所述第二区域中形成由所述第一覆层、所述第二有源层和所述第三覆层构成的第二台面，使得所述第一台面和所述第二台面沿着所述激光元件的所述光轴方向连续的步骤；
在所述第一覆层上且在所述第一台面的两侧和所述第二台面的两侧形成第一半绝缘层的步骤；
在所述第一半绝缘层上以及所述第一台面和所述第二台面上形成所述第二导电类型的辅助覆层的步骤；
通过蚀刻所述第一区域中的所述第一半绝缘层的一部分和所述辅助覆层，在所述第一台面上形成由所述辅助覆层构成并且具有比所述第一台面更大的宽度的第三台面，以及通过蚀刻所述第二区域中的所述第一半绝缘层的一部分和所述辅助覆层，在所述第二台面上形成由所述辅助覆层构成并且具有比所述第二台面更大的宽度的第四台面，使得所述第三台面和所述第四台面沿着所述激光元件的所述光轴方向连续的步骤；以及
在所述第一半绝缘层上且在所述第三台面的两侧和所述第四台面的两侧形成第二半绝缘层的步骤，其中
所述第三台面的宽度大于所述第四台面的宽度。
6.根据权利要求5所述的制造光学集成半导体元件的方法，其中
所述第一半绝缘层在其表面上具有台阶，并且所述第二半绝缘层的底面与所述台阶的下面接触，以及
所述第二半绝缘层的所述底面的位置低于所述第二覆层及所述第三覆层的上面的位置，并且高于所述第一有源层及所述第二有源层的下面的位置。
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