本发明基于这样的认识：通过在生长p型包层之前不加宽掩膜窗口，可以避 免由使得通过微选择区域生长而生长的光波导核心台面结构暴露于蚀刻剂和/或 空气中引起的问题。代之以，根据本发明，p型包层在下述生长条件下在光波导 核心台面结构和具有周期性光栅轮廓的掩膜上生长，该生长条件使得p型包层材 料除了在光波导核心台面结构的顶面以外还在其侧壁上生长。根据本发明的实施 例，在光波导核心台面结构的顶面上生长了p型包层材料的薄层之后，生长温度 降低到p型包层材料的表面迁移长度小于台面结构侧壁的宽度的温度。在这些生 长条件下，p型包层材料不但在光波导核心台面结构的的顶面上生长，而且在侧 壁上生长。这样，在晶片被暴露于蚀刻剂和/或空气中或者遭受可能以别的方式破 坏光波导核心台面结构的侧壁的条件之前，生长了覆盖光波导核心台面结构的侧 壁的p型包层。
图3A-3G说明了根据本发明用于制造器件的方法的典型实施例。在所示的 例子中制造了光电子器件。每次在单个晶片上制造数百或数千个光电子器件。然 后晶片被单个化以产生各个光电子器件。该方法的其它实施例制造透明波导器 件，例如掩埋异质结构光波导。
图3A是晶片110(图3D)的一小部分的侧视图，其构成在该晶片上制造的 一个典型光电子器件的衬底112。在晶片110的主面114上的晶体取向是[100]。 在典型实施例中，晶片的材料是n型磷化铟(InP)。
如图3B所示，晶片110被安装在金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长 室(未示出)的基座(未示出)上，以及n型磷化铟的n型包层120在主面114 上生长。n型包层生长到约2μm厚。n型包层120的裸露主面提供了生长面122， 光波导核心台面结构生长在该生长面122上。
然后，掩膜层(未示出)在生长面122上沉积。在实施例中，掩膜层的材料 是二氧化硅(SiO2)。然后，如图3C所示，晶片110被从生长室移开，并且经受 光刻和蚀刻来构图掩膜层以限定生长掩膜130。
图3D是示出生长掩膜130的晶片110的平面图，所述生长掩膜130被排列 在晶片上所生长的n型包层120(图3C)的生长面122上。每个生长掩膜由一对 掩膜条132构成。在图3D仅仅示出三个生长掩膜的意义来说，它被高度简化了。 在实际的实施例中，每个生长掩膜130宽约10-25μm，以及相邻的生长掩膜以横 跨晶片宽度从约100μm到约500μm范围的距离分开，因此，一个典型晶片具有在 其表面上排列的数百个生长掩膜。平面116指示垂直于晶片的晶面的[0-1-1]取 向。
掩膜条132是细长的，并且具有与生长面122的[011]结晶方向平行对齐的它 们的长边，该方向与所示的y方向对齐。每对相邻的掩膜条132构成一个生长掩 膜130，该生长掩膜130限定了细长的生长窗口134，在该生长窗口134中细长的 光波导核心台面结构将通过微选择区域生长而生长。生长窗口的宽度由该对掩膜 条132的相对边之间在x方向上的距离来限定，它在从约1μm到约3μm的范围内， 并且典型地是在从约1.5μm到约2μm的范围内。生长窗口134的实际宽度取决于 制造的光电子器件的量子阱结构的规定宽度，即在量子阱结构的x方向上的规定 尺寸。
晶片110回到MOCVD生长室，并且使用微选择区域生长来在生长窗口134 中生长光波导核心台面结构140。在所示的光电子器件的例子中，构造光波导核 心台面结构140来提供光电子器件的有源区，并且光波导核心台面结构140从生 长面122开始按照顺序包括n型缓冲层、空穴阻挡层、衬底侧分离层、量子阱结 构、远侧分离层和电子阻挡层。光波导核心台面结构140的结构将在下面参考图 4B详细地描述。至少一个量子阱位于量子阱区，该量子阱由夹在两个阻挡层(也 在图4B中示出)之间的量子阱层(也在图4B中示出)组成。在透明波导器件中， 光波导核心台面结构140是相似的，并且缺少图4B所示的这些层。
在通过微选择区域生长来生长光波导核心台面结构140的过程中，由前体形 成的供应给MOCVD生长室的半导体材料落在生长掩膜130上。此半导体材料不 在生长掩膜上成核，而是朝着暴露在生长窗口134中的生长面122的一部分迁移。 生长在生长窗口中的半导体材料具有形成[111]侧壁的强烈倾向，在该侧壁上生长 率大约为零。因此，半导体材料主要在光波导核心台面结构140的顶面146上生 长，并且光波导核心台面结构以如图3E所示的梯形截面形状生长在生长窗口134 中。光波导核心台面结构以直的平滑的[111]侧壁144为界。
光波导核心台面结构140的生长在生长温度下进行，在该生长温度，半导体 材料的吸附原子具有足够的迁移率，以使它们的表面扩散长度大于构成侧壁144 的[111]表面的宽度w(图3H)。只要表面扩散长度大于侧壁144的宽度，那么基 本上没有半导体材料在侧壁上生长。
光波导核心台面结构140进行生长，直到它达到其规定厚度。然后，供应给 生长室的前体变成用于p型包层材料的前体，并且相对于用来生长光波导核心台 面结构的温度来稍微降低生长温度。然而，降低后的温度仍然高于半导体材料的 吸附原子的表面扩散长度大于侧壁144的宽度的温度。因此，如图3F所示，p型 包层的薄子层162在光波导核心台面结构140的顶面上生长。
在p型包层的子层162达到数十纳米的厚度后，生长温度降低到一个温度， 在此温度，半导体材料的吸附原子的迁移率使得它们的表面扩散长度小于侧壁144 的宽度。微选择区域生长在该降低的生长温度继续，而半导体材料继续不在生长 掩膜130上成核。然而，在该降低的生长温度，生长不再主要发生在光波导核心 台面结构140的顶面146上。因此，p型包层160的剩余物除在顶面146上生长 之外还在光波导核心台面结构140的侧壁144上生长。
如图3G所示，p型包层160在降低的生长温度下继续生长，直到p型包层 达到其规定厚度。当p型包层在侧壁144上生长时，它另外在生长掩膜130的一 部分上侧向地延伸。p型包层形成一个以后可以施加电极的平坦的主面164。
在完成p型包层160的生长后，晶片110被从生长室移开。p型包层160覆 盖光波导核心台面结构140的侧壁144，因此保护侧壁免受环境的影响。因此， 在应用于晶片的诸如电极应用、电极构图和单个化之类的后续处理期间，p型包 层保护侧壁免受破坏。
图4A是由根据本发明的上述制造方法制造的根据本发明的光电子器件100 的典型实施例的等轴测视图。为了简化该图，图4A没有示出光电子器件100的 光波导核心台面结构的层状结构。图4B是示出光波导核心台面结构的层状结构的 光电子器件100的一部分的放大图。
首先参考图4A，光电子器件100由生长面122、生长掩膜130、光波导核心 台面结构140和包层160构成。生长掩膜130位于生长面122上，并且限定了细 长的生长窗口134。光波导核心台面结构140位于生长窗口，并且具有梯形的截 面形状。包层160覆盖了光波导核心台面结构140和至少一部分生长掩膜130。
在所示的例子中，生长面122是在衬底112上外延生长的n型包层120的主 面。在实施例中，衬底112的材料是单晶n型磷化铟(InP)，n型包层120是n型 InP层并具有约2μm的厚度，以及生长面122具有[100]晶体取向。
在所示的例子中，生长掩膜130由细长的矩形掩膜条132构成。掩膜条132 是二氧化硅(SiO2)区，二氧化硅(SiO2)区具有限定了细长的生长窗口134的相 对平行的边。生长窗口具有在从约1μm到约3μm的范围的宽度，并且典型地在从 约1.5μm到2μm的范围。生长窗口的实际宽度由量子阱区(图4B中的154)的 规定宽度、生长面122与量子阱区之间的距离、以及侧壁144和生长面122之间 的角度来确定。每个掩膜条132具有在从约3μm到约11μm的范围的宽度。在所 示的例子中，掩膜条132具有约500nm的厚度，这与光波导核心台面结构140的 高度类似(±150nm)。生长条的相对边与生长面122的[011]的结晶方向平行对齐。
生长掩膜130的可替换材料是氮化硅Si3N4。
光波导核心台面结构140位于由生长掩膜130限定的生长窗口134中的n型 包层120的生长面122上。光波导核心台面结构由一层或多层的一种或多种半导 体材料构成，所述半导体材料具有比n型包层120和p型包层160中的任何一个 都高的折射率。在实施例中，光波导核心台面结构140与包层120和160之间的 相对折射率差约是-0.2。作为通过微选择区域生长来制造其的结果，光波导核心台 面结构140具有梯形的截面形状，该微选择区域生长形成了构成其侧壁144的[111] 表面。
p型包层160覆盖了光波导核心台面结构140和至少一部分生长掩膜130。 特别是，包层160接触光波导核心台面结构140的侧壁144。在所示的例子中， 包层160的材料是p型InP。因而，光波导核心台面结构140由n型包层120和p 型包层160来包围，它们与光波导核心台面结构的材料相比具有较大的折射率。 因此，光波导核心台面结构140与包层120和160共同构成光波导。
在所示的例子中，构造光波导核心台面结构140来提供光电子器件100的有 源区。图4B示出了这样一个光波导核心台面结构140的例子的结构，该光波导核 心台面结构140按照顺序由n型缓冲层151、空穴阻挡层152、衬底侧分离层153、 量子阱结构154、远侧分离层155和电子阻挡层156构成。n型缓冲层151位于n 型包层120的生长面122上。阻挡层152和156是半导体材料层，它们在带隙能 量上明显高于分离层153和155的半导体材料。由空穴阻挡层152、分离层153 和155以及电子阻挡层156构成的结构形成了分别限制异质结构(SCH)159，其 限制着到量子阱结构的载流子(即电子和空子)。
n型缓冲层151是生长在n型包层120的生长面122上的生长窗口134中约 100nm厚的n型InP层。
空穴阻挡层152是n型半导体材料层，其具有比相邻层即n型缓冲层151和 衬底侧分离层153的材料高的带隙能量。在实施例中，空穴阻挡层152是约40nm 厚的n型铝铟砷(AlInAs)层。
衬底侧分离层153是半导体材料层，其具有与量子阱结构154的阻挡层的材 料类似的带隙能量。在生长过程中，未对衬底侧分离层的材料添加掺杂剂。在实 施例中，衬底侧分离层153是一个厚约50nm的AlGaInAs层，其中Al、Ga和In的百分数分别是0.325、0.175和0.5。
量子阱结构154由与N+1个阻挡层158交错的N个量子阱层157组成，其 中N是正整数。在所示的例子中，N＝7。量子阱层的材料具有比阻挡层的材料低 得多的带隙能量。在生长过程中，未对量子阱结构的材料添加掺杂剂。在实施例 中，量子阱结构154由每个厚约9nm的七个量子阱层157和每个厚约8nm的八个 阻挡层158构成。量子阱结构154的材料是AlGaInAs，Al、Ga和In的百分数在 量子阱层157中分别是0.18、0.22和0.6以及在阻挡层158中分别是0.32、0.22 和0.46。
远侧分离层155是半导体材料层，其具有与量子阱结构154的阻挡层158的 材料类似的带隙能量。在生长过程中，未对远侧分离层的材料添加掺杂剂。在实 施例中，远侧分离层155是一个厚约50nm的AlGaInAs层，其中Al、Ga和In的 百分数分别是0.325、0.175和0.5。
电子阻挡层156是p型半导体材料层，其具有比相邻层即远侧分离层155和 p型包层160的材料高的带隙能量。在实施例中，电子阻挡层156是约40nm厚的 p型铝铟砷(AlInAs)层。
再次参考图4A，光电子器件100另外具有电极172、电极174以及相对的 小面(facet)176和178，电极172位于远离n型包层120的衬底的表面112上， 电极174位于p型包层160的表面164上，相对的小面176和178与光波导核心 台面结构140的长轴垂直地布置。典型地通过劈开形成小面176和178。在光电 子器件100的一个实施例中，其中小面176和178是高反射的，在电极174和172 之间流动的电流使光电子器件100作为激光器工作，并且产生通过小面发射的相 干光。在光电子器件100的一个实施例中，其中小面176和178用抗反射材料来 覆盖，在电极174和172之间流动的电流使光电子器件100作为光学增益介质工 作，并且产生通过小面发射的光。在光电子器件100的另一个实施例中，其中小 面176和178用抗反射材料来覆盖，在电极174和172之间施加的电压使光电子 器件100相对于经过光波导的光作为光电调制器工作，光波导核心台面结构形成 该光波导的一部分。
在光电子器件100中，n型包层120、p型包层160和生长掩膜130形成一 个电容器，该电容器是光电子器件100的极间电容即电极172和174之间的电容 的主要贡献者。生长掩膜构成了该电容器的电介质。薄约50nm的掩膜条132将 可靠地覆盖生长面122，因此掩膜条在上述的微选择区域生长过程将作为生长掩 膜130有效地工作。然而，使用薄生长掩膜可以导致高的极间电容，这限制了光 电子器件的最大调制速度。在所示的光电子器件100的例子中，生长掩膜130的 厚度比可靠地覆盖生长面122所需的最小厚度大。与光波导核心台面结构140类 似的厚度，即约(500±～150)nm的厚度，将光电子器件100的极间电容降低到与 具有3μm厚的InP:Fe帽层的常规掩埋异质光电子器件可比的水平。这样的器件可 以以大于10Gb/s的调制速度进行调制。
p型包层160的一部分与n型缓冲层151和n型空穴阻挡层152相邻(图 4B)。然而，这种布置并不使电流从量子阱结构154转移开，因为p型包层和光波 导核心台面结构140型的n型部分之间的p-n结的接通电压比包括量子阱结构的 p-i-n结的接通电压高。
现在将再次参考图3A-3H更详细地描述图4A所示的光电子器件100的制 造。
首先参考图3A，衬底112是由几百微米厚的n型InP构成的晶片110(图 3D)一部分。衬底的材料典型地掺杂了硫(S)。衬底的主面114上的晶体取向是 [100]。
尽管衬底112的材料名义上与n型包层120(图3B)的材料相同，但是它的 晶体质量和纯度典型地处于在光电子器件的包层中所需的之下。因此，晶片110 被安装在MOCVD生长室的基座上，以及n型包层120以约640℃的生长温度外 延生长在衬底112的主面114上。n型包层是以硅掺杂的n型InP层。用来生长n 型包层的典型前体是三甲基铟((CH3)3In)和具有乙硅烷(Si2H6)的磷化氢(PH3) 以作为硅前体。生长持续到n型包层120达到约2μm的厚度。n型包层的表面提 供了其晶体取向为[100]的生长面122。
如果具有可与外延生长层的晶体质量和纯度相比的晶体质量和纯度的InP晶 片可用，那么衬底112可用作光电子器件的n型包层。在这种情况下，n型包层不 需要外延生长在衬底上，并且衬底的主面114提供了生长面122，光波导核心台面 结构140通过微选择区域生长在该生长面122上生长。
然后掩膜层(同样未示出)沉积在生长面122上。在所示的例子中，掩膜层 沉积在n型包层120的表面上。在实施例中，掩膜层的材料是使用硅烷和氧作为 前体形成的二氧化硅(SiO2)。如上所述，掩膜层通常被沉积具有几百纳米的厚度 以降低光电子器件的极间电容。这个厚度比可靠地覆盖生长面122所需的最小厚 度厚得多。在实施例中，掩膜层具有约500nm的厚度。
然后晶片110被从生长室移开，并且经受光刻和蚀刻以构图掩膜层来限定图 3C和3D所示的掩膜条132。相邻的掩膜条共同构成生长掩膜130，该生长掩膜将 细长的生长窗口134限定在生长面122上。相邻的掩膜条132由一段距离隔开， 因此生长窗口134具有在从约1μm到约3μm的范围内并且典型地在从约1.5μm- 2μm的范围内的宽度。
掩膜条132具有在从约3μm到约11μm的范围内并且典型地在从约5μm到约 11μm的范围内的宽度。由于落在生长掩膜130上的半导体材料朝着生长在生长窗 口134中的光波导核心台面结构140(图3E)的顶面146迁移，所以太宽的掩膜 条导致了如此快的生长率，以至生长材料的厚度难以控制。因为台面结构的顶面 146的面积小，所以高生长率使得朝着生长光波导核心台面结构的过程的末端尤 其有问题。因此，所以生长率大并且正在加速。另一方面，太窄的掩膜条132允 许生长在相邻的生长窗口134中的光波导核心台面结构上的p型包层160合并， 这也不是所期望的。
一旦形成了生长掩膜130，晶片110就回到生长室。晶片被加热到约640℃ 的生长温度，并且通过微选择区域生长，光波导核心台面结构140在由生长掩膜 130限定在生长面122上的生长窗口134中生长。将描述图4B所示的具有层状结 构的光波导核心台面结构140的实施例的生长。
n型缓冲层151是生长在生长面122上的InP层。在所示的例子中，生长面 122是n型包层120的表面。n型缓冲层是掺杂了硅的n型。用来生长n型缓冲层 的典型前体是三甲基铟((CH3)3In)和具有乙硅烷(Si2H6)的磷化氢(PH3)以作为 硅前体。生长持续到n型缓冲层151达到约100nm的厚度。
为了减少光波导核心台面结构140的总厚度，n型缓冲层151制得尽可能地 薄。减少台面结构140的厚度降低了台面结构的最大生长率，即当台面结构的顶 面146的面积最小时在p型包层160的子层162的沉淀过程中的生长率。期望的 是降低最大生长率来加强对层厚的控制并使生长的材料的晶体质量最佳。由于应 变，以高的生长率生长的材料可能具有低的晶体质量。
在实施例中，其中将生长掩膜130限定于掩膜材料层的过程并不降低生长面 122的晶体质量，并且不会在生长窗口134中留下掩膜材料的残余物，则不需要 生长n型缓冲层151。在这种情况下，空穴阻挡层152直接在生长面122上生长。 省略n型缓冲层151期望地减少了光波导核心台面结构140的厚度。
切断向生长室供应磷化氢，并且开始供应三甲基铝((CH3)3Al)和三氢化砷 (AsH3)以在n型缓冲层151上(或者在生长面122上，如上所述)生长空穴阻 挡层152。调整前体流速以生产具有在空穴阻挡层和n型缓冲层151的InP之间提 供晶格匹配的铝百分数的AlInAs。生长持续到空穴阻挡层152达到约40nm的厚 度。
开始供应三甲基镓((CH3)3Ga)以在空穴阻挡层152上生长AlGaInAs的衬底侧 分离层153。调整前体流速以生产Al、Ga和In的百分数分别为0.325、0.175和 0.5的AlGaInAs。这个合成物的材料晶格匹配于InP。在生长过程中未对衬底侧分 离层的材料添加掺杂剂。生长持续到衬底侧分离层153达到约50nm的厚度。
接着生长量子阱结构154。首先调整前体流速以在衬底侧分离层153上生长 阻挡层158。阻挡层158是Al、Ga和In的百分数分别为0.32、0.22和0.46的 AlGaInAs层。这个合成物的材料具有与衬底侧分离层153的AlGaInAs的带隙能 量类似的带隙能量，但是具有不同的晶格常数以使阻挡层被拉紧。在生长过程中， 未对量子阱结构的材料添加掺杂剂。生长持续到阻挡层158达到约8nm的厚度。
然后，调整前体流速以在阻挡层158上生长量子阱层157。量子阱层157是 Al、Ga和In的百分数分别为0.18、0.22和0.6的AlGaInAs层。具有这种合成物 的材料具有比阻挡层158的带隙能量低的带隙能量。这种材料也具有不同于在与 阻挡层158相对的方向上的衬底侧分离层的AlGaInAs的晶格常数，以使量子阱层 也被拉紧。生长持续到量子阱层157达到约9nm的厚度。
重复与刚才所述的类似的生长由量子阱层157跟随的阻挡层158的过程六次， 以生长总共七个阻挡层和七个量子阱层。执行与刚才所述的类似的生长阻挡层158 的过程一次，以生长第八阻挡层。这就完成了量子阱结构154的生长。
然后，调整前体流速以在量子阱结构154上生长远侧分离层155。调整前体 流速以生产Al、Ga和In的百分数分别为0.325、0.175和0.5的AlGaInAs。这个 合成物的材料晶格匹配于InP，但不与阻挡层158匹配。在生长过程中，未对远侧 分离层的材料添加掺杂剂。生长持续到远侧分离层155达到约50nm的厚度。
如图3E所示，切断向生长室供应三甲基镓，并且开始供应二甲基锌((CH3)2Zn) 以在远边分离层155上生长p型AlInAs的电子阻挡层156。调整前体流速来生产 具有向InP提供晶格匹配的铝百分数的AlInAs。生长持续到电子阻挡层156达到 约40nm的厚度。这就完成了光波导核心台面结构140的制造。
如图3F所示，切断向生长室供应三甲基铝和三氢化砷(AsH3)，并且开始供 应磷化氢(PH3)，以及生长温度被降低到约620℃来生长p型包层160的子层162。 子层162是p型InP的薄层，并且通过微选择区域生长来生长在电子阻挡层156 上。子层162生长在光波导核心台面结构140的顶面146上。
用来生长p型包层的子层162的降低的生长温度仍然高于下述温度，在该温 度，半导体材料的吸附原子具有足够的迁移率，以使它们的表面扩散长度大于构 成侧壁144的[111]表面的宽度w(图3H)。因此，如刚才所述，子层162主要生 长在光波导核心台面结构140的顶面上。由于生长的材料缺少铝，所以可以使用 约620℃的生长温度。因此，没有必要使用约640℃的生长温度，而在生长含铝材 料时需要此温度以防止铝粘到生长掩膜130上。620℃的生长温度是中间值，它在 用于生长光波导核心台面结构140的生长温度与下面用于生长p型包层160的残 余物的生长温度之间。子层162的生长持续到它达到约几十纳米的厚度。在实施 例中，生长持续到子层162达到约40nm的厚度。
然后生长温度降低到约600℃。当温度下降时，半导体材料的吸附原子降低 了迁移率，以使它们的表面扩散长度变得小于构成侧壁144的[111]表面的宽度。 在降低后的生长温度，微选择区域生长继续，但是生长不再主要发生在光波导核 心台面结构140的顶面146上。代之以，p型包层160另外生长在台面结构的侧 壁144上。在降低后的生长温度，p型包层160的生长持续到p型包层达到它的 规定厚度，如图3G所示。在实施例中，生长持续到p型包层160达到2μm的厚 度。
在完成p型包层160的生长之后，晶片110被从生长室移开。p型包层160 覆盖了光波导核心台面结构140的侧壁144，并且在生长掩膜130的一部分上延 伸。因此，p型包层保护侧壁144在应用于晶片的后续处理过程中免受破坏。该 处理包括电极172和174的沉积和构图，劈开以形成小面176和178，以及单个 化成各个光电子器件。
上面参考一个例子描述了本发明的实施例，在此例子中，用于制造光波导核 心台面结构140的一些半导体材料包括铝。然而，这对于本发明而言并不是关键 的。并不是任可一种用于制造光波导核心台面结构的半导体材料都需要包括铝。 例如，量子阱结构154可以具有InGaAsP的量子阱层157。与其中量子阱结构154 具有AlGaInAs的量子阱层157的上述那些激光器相比，具有这样的量子阱结构的 激光器具有较低的T0。
上面参考例子描述了本发明的实施例，在所述例子中，光波导核心台面结构 140被构造来提供光电子器件的有源区。然而，本发明的实施例不局限于光电子 器件及其制造。本发明另外包括透明的光波导及其制造。本发明的这种实施例提 供透明的光波导，其中光波导核心台面结构140具有梯形的截面形状，但是缺少 图4B所示的层状结构。代之以，光波导核心台面结构被构造为相似的半导体材料 的台面结构，这种半导体材料具有比包层120和160高的折射率。合适的半导体 材料的例子包括AlInAs、AlGaInAs和InGaAsP。
上面参考例子描述了本发明的实施例，在所述例子中，生长掩膜130的相对 边被描述为与生长面122的[011]结晶方向平行对齐。然而，尽管利用生长掩膜的 这种对齐得到了最佳结果，但是微选择区域生长并不关键地取决于对齐，并且尽 管偏离了所述的平行关系，但是得到了用于许多应用的可接受结果。
图5A和5B是示出了根据本发明被构造为掩埋异质结构激光器的光电子器件 的实施例的一些性能特征的曲线图。激光器产生了1350nm的波长的光，并且具 有腔长度，即在小面176和178(图4A)之间300μm的距离。量子阱结构的材料 是AlGaInAs。
图5A示出了在以10度为间隔从0℃到90℃的十个不同的温度，光学输出功 率和正向电压降随着电极174与172(图4A)之间的电流的变化。激光器的阈值 电流在0℃低于4mA以及在90℃的温度时低于20mA。0℃的阈值电流比常规(图 1A-1C)InGaAsP BH激光器低约30％。
图5B示出了c-w阈值电流和差分量子效率随着温度的变化。由于使用 AlGaInAs作为量子阱结构的材料而得到的较高特征温度，阈值电流和效率随着温 度的变化是相对较小的。根据本发明使用AlGaInAs作为量子阱结构的材料制造的 样品激光器具有T0(阈值电流)＝55°K和T1(效率)＝190°K的特征温度。根据 本发明使用InGaAsP作为量子阱结构的材料制造的以别的方式类似的激光器具有 T0＝45°K和T1＝145°K的特征温度。
图6是说明本发明的实施例的平面图，其中掩膜另外限定了一个周期性光栅 轮廓。晶片210包括生长掩膜230，该生长掩膜被排列在生长在晶片210上的n 型包层的生长面222上。每个生长掩膜230包括一对与上述掩膜条132类似的掩 膜条232。在这个实施例中，形成掩膜条232来限定一个周期性光栅轮廓，也被 称为波纹。可以通过例如电子束光刻或者另一种能够限定精细结构细节的光刻过 程来将该周期性光栅轮廓形成在掩膜条232中。在实施例中，周期性光栅轮廓被 形成为多个凸出和凹进部分，其细节将在下面进行描述。然而，可以形成其它的 光栅轮廓。
每个生长掩膜232大约3-25μm宽，并且相邻的生长掩膜以横跨晶片210宽 度从大约100μm到大约500μm的范围的距离分开，因此典型的晶片具有排列在它 表面上的数百个生长掩膜230。掩膜条232是细长的，并且在优选实施例中具有 与生长面的结晶方向[011]平行对齐的它们的长边，其在所示的y方向上被对齐。 每对相邻掩膜条232组成限定细长的生长窗口234的生长掩膜230，其中将通过 如上所述的微选择区域生长来生长细长的光波导核心台面结构。生长窗口234的 宽度由在x方向上该对掩膜条232的相对边之间的距离来限定，它在从大约1μm 到大约3μm的范围内，并且典型地在从大约1.5μm到大约2μm的范围内。生长窗 口234的实际宽度取决于被制造的光电子器件的量子阱结构的规定宽度，即在量 子阱结构的x方向上的规定尺寸。
根据本发明的这个实施例，掩膜条232中凸出和凹进部分的周期性特性产生 有效折射率的对应周期性变化，以用于光波导核心台面结构中的导引光学基模。 有效折射率的周期性变化也被称为折射率调制。由光波导核心台面结构导引的光 学基模经历了由存在的波纹掩膜引起的轻微的周期性扰动。仿真表明这个折射率 调制的幅度是约于分之几，这适合于形成DFB反射光栅。扰动使得在光波导核心 台面结构240内的光学基模起到DFB激光器的作用。在由有源区确定的波长，由 掩膜条232的周期性结构所引起的折射率差作为在光波导核心台面结构中纵向光 行进的分布布拉格反射器(DBR)来出现，只要光栅轮廓的周期被设置等于以由 波导模式的有效折射率划分的期望波长的光的半个波长或半个波长的倍数的话。 每个掩膜条232中的周期性光栅形成一个DBR。
为了说明，假定在光波导核心台面结构240中要传送的光的设计波长为λ0。 由光波导核心台面结构240中的有源区的材料和带隙来确定波长λ0。波长λ0一般 被设置在有源区的光增益最大的地方的附近。光学基模以由有效折射率ηeff表征的 速度行进。由于在λ0反射光的掩膜条232的周期性特性，光栅周期Lg被限定为 Lg＝(λ0/ηeff)*m/2，其中m是任何正整数并且典型地等于一(1)。光波导核心 台面结构240的有效折射率ηeff将沿着波导核心台面结构240的纵向在其最窄点的 有效折射率ηeff0和在其最宽点的有效折射率ηeff1之间变化。ηeff1和ηeff0之间的差是 有效折射率差，也称为Δηeff，它是由形成光栅的凸出和凹进部分引起的。Δηeff的 幅度确定在λ0处光栅反射的强度。以这种方式，提供了一个显示出DFB激光器光 特性的激光器器件，它包括高的光谱纯度。.此外，周期性光栅轮廓可用于提供其 它器件的分布反馈，例如分布布拉格反射器(DBR)激光器和采样光栅激光器。
图7A是图6的掩膜条和生长窗口的一部分的放大图。掩膜条232的周期性 轮廓包括多个凸出部分235和凹进部分236。在一个实施例中，凸出部分235和 凹进部分236大约是0.1μm见方，但是可以具有其它尺寸，只要凸出部分235和 凹进部分236的周期沿着纵向等于以由光学基模的有效折射率划分的期望波长的 光的半个波长的倍数的话。在一个实施例中，由光栅的凸出部分235和凹进部分 236产生的有效折射率差(Δηeff)使得掩膜条232将大约0.001到大约0.020的有 效折射率变化给予在光波导核心台面结构240中的光行进。
图7B是图7A示出的并且包括光波导核心台面结构240的掩膜条的侧视图。 在图7B中以交叉阴影线示出了被形成为上述具有凸出部分235和凹进部分236 的掩膜条232的一部分。光波导核心台面结构240在如上所述的掩膜条232之间 的生长窗口234中的表面222上生长。
掩膜条232可以以从大约0.1μm到0.5μm的范围的多个不同厚度来形成。然 而，其它厚度是可能的。在两个不同的实施例中，掩膜条232被形成具有0.1μm 和0.5μm的厚度。光波导核心台面结构240具有大约1.5μm的宽度和大约0.2μm 的高度。波导核心台面结构240的折射率n是3.4，并且随后生长在波导核心台面 结构240和掩膜条232上的周围InP(未示出)的折射率是3.2。此外，当波导核 心台面结构240生长在生长窗口234时，它可以或者不可以遵循掩膜条232的周 期性轮廓。如果波导核心台面结构240不遵循掩膜条232的轮廓，那么由掩膜条 232的周期性光栅结构产生的有效折射率Δηeff对于0.1μm厚的掩膜条232大约是 0.0022，以及对于0.5μm厚的掩膜条232大约是0.0049。如果光波导核心台面结 构240的生长的确遵循掩膜条232的轮廓，那么由掩膜条232的周期性光栅结构 产生的有效折射率Δηeff对于0.1μm厚的掩膜条232大约是0.0062，以及对于0.5μm 厚的掩膜条232大约是0.0082。这些值表明凸出部分235和凹进部分236对于生 产分布布拉格反射器是足够的。
图8A和8B是说明图6的掩膜条232之间生长的波导核心台面结构的两个实 施例的平面图。在图8A中，波导核心台面结构240生长在掩膜条232的主轴之 间，而不遵循掩膜条232中凸出部分235和凹进部分236的轮廓。在图8B中，波 导核心台面结构245生长在掩膜条232的主轴之间，并且一般遵循掩膜条232中 凸出部分235和凹进部分236的轮廓。
图9A是图7A的掩膜的可替换实施例的平面图。在这个实施例中，掩膜条 232形成在掩膜层245上，该掩膜层245在掩膜条232被形成之前形成在生长面 222上。掩膜层245可由与掩膜条232相同的材料形成，或者可由与掩膜条232 不同的材料形成。在一个实施例中，掩膜层245可由氮化硅(Si3N4)形成，并且 掩膜条232可由二氧化硅(SiO2)形成，以使可以实现在掩膜层245和掩膜条232 之间的蚀刻选择性。以这种方式，凸出部分235和凹进部分236可以形成在掩膜 条232中，而掩膜层245保持原样。可替换地，如果掩膜层245和掩膜条232由 相同的材料形成，那么部分蚀刻掩膜条232的材料的其它选择性构图技术可用于 创建图9A示出的结构。
图9B是图7A示出的并且包括光波导核心台面结构240的掩膜条的侧视图。 在这个实施例中，以交叉阴影线示出被形成为上述具有凸出部分235和凹进部分 236的掩膜条232的一部分。掩膜条232形成在掩膜层245上。光波导核心台面 结构240如上所述在掩膜条232之间的生长窗口234中的表面222上生长。根据 上述的选择区域生长，生长在波导核心台面结构240上的InP层将在掩膜条232 中的凹进部分236上生长并填充该凹进部分236。
图10是说明图7A和7B的掩膜条的等轴测视图。形成掩膜条232以如上所 述创建在光波导核心台面结构240中的有效折射率变化。
图11是说明图9A和9B的掩膜的等轴测视图。具有凸出部分235和凹进部 分236的掩膜条232形成在掩膜层245上，以如上所述创建在光波导核心台面结 构240中的有效折射率变化。
本公开使用说明性的实施例详细地描述了本发明。然而，由所附的权利要求 书限定的本发明并不局限于所述的精确实施例。

相关申请的交叉参考
本申请是2004年2月25日提交的、申请号为10/787,349、标题为“Buried Heterostructure Device Fabricated by single Step MOCVD(由单步MOCVD制造的 掩埋异质结构器件)”的申请的部分继续申请，并且由此该申请被结合以作参考。