CN101238619A - 半导体双极发光和激光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生光学输出的方法，所述方法包含以下步骤：提供第一和第二电信号；提供双极发光晶体管装置，其包含集电极区域、基极区域和发射极区域；提供与所述集电极区域耦合的集电极电极和与所述发射极区域耦合的发射极电极，且相对于集电极电极和发射极电极耦合电位；提供与所述基极区域光学连通的光学耦合；提供与所述基极区域耦合的第一和第二基极电极；及将所述第一和第二电信号分别与所述第一和第二基极电极耦合以产生从所述基极区域发射出并耦合至所述光学耦合中的光学输出，所述光学输出为所述第一和第二电信号的函数。本发明还揭示一种改进型pnp晶体管激光器和一种用于在产生输出激光脉冲的受激发射模式与自发发射模式之间来回切换的技术。

Description

半导体双极发光和激光装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体发光和激光装置及方法，且还涉及用于增强高速光学信号产生的激光晶体管和技术，并也涉及包含混波调制激光晶体管和技术的装置及方法，且还涉及PNP双极晶体管、PNP双极发光晶体管和PNP双极晶体管层。

背景技术

本背景技术的一部分取决于对基于直接带隙半导体(诸如III-V半导体)的光发射极的开发。此类包含发光二极管和激光二极管的装置在商业领域中普遍使用。

本背景技术的另一部分取决于对宽带隙半导体的开发以在称为异质结双极晶体管(HBT)的装置中获得高少数载流子注入效率，所述异质结双极晶体管(HBT)是在1948年首次提出(参见例如美国专利2,569,376；也参见IRE，45，1535-1544(1957)会刊中H.Kroemer的“Theory Of A Wide-Gap Emitter For Transistors”)。最近几年，这些晶体管装置能够在极高速度下操作。例如，在2003年，已证明InP HBT呈现在500GHz以上的速度下操作(参见W.Hafez、J.W.Lai和M.Feng，Elec Lett.39，1475(2003年10月)。

现有技术包含异质结双极晶体管中的光发射目标，和对激光晶体管的理论奋斗。然而，出于各种原因，在本发明最早优先权申请案之前，尚未报告可操作的双极激光晶体管，而获得可操作的双极激光晶体管是本发明目标中的一个目标。同样，控制激光晶体管以获得有利的高速光学信号是本发明其它目标之一。

也在本发明目标当中的是产生异质结双极晶体管层和能够有利地处理信号以获得各种经选择的光学输出的技术，其中包含混波调制激光晶体管和技术。

已报告的第一可操作双极晶体管层为npn晶体管(参见，例如，M.Feng、N.Holonyak、Jr.、B.Chu-Kung、G.Walter和R.Chan，“Type-ll GaAsSb/lnP HeterojunctionBipolar发光Transistor”，Appl.Phys.Lett.84，4792(2004))。

这并不令人惊奇。在数个方面，p型材料被认为更难于与n型材料一起使用，且关于载流子迁移率和整体电效率，在操作上往往会差于对应的n型材料。因此，通常更期望考虑将n型半导体材料用于制作诸如III-V发光装置的半导体装置。然而，即使此类装置中的衬底和大部分半导体体积可为n型半导体或未掺杂半导体，通常也需要考虑将显著量的p型材料用作各种半导体装置中的空穴电流源。

在本发明其它目标当中的是提供改进型pnp双极晶体管，而且特别是包含pnp双极晶体管层的pnp发光双极晶体管。

发明内容

在我们的第WO 2005/020287号PCT国际公开案中，揭示了一种呈现从基极层的光发射的直接带隙异质结晶体管。对基极电流的调制产生经调制的光发射。[如本文中所使用，“光”意指在可见范围之内或之外的光学辐射。]所提及的PCT公开案WO2005/020287还揭示了发光HBT的三个端口操作。自发光发射和电信号输出两者均由施加至所述HBT的基极的信号来调制。

所提及PCT公开案WO 2005/020287的另一方面涉及采用受激发射来促进双极晶体管(例如，双极结晶体管(BJT)或异质结双极晶体管(HBT)的基极层，以增强晶体管的速度。自发发射复合寿命是双极晶体管速度的基本限制。在所提及PCT公开案WO2005/020287的实施例中，双极晶体管的基极层适于将受激发射(或受激复合)增强至有损于自发发射，由此减小复合寿命并增加晶体管速度。在这个实施例的形式中，在双极晶体管的基极层中提供至少一个呈现量子尺寸效应、较佳为量子阱或量子点层、较佳未掺杂或轻掺杂的层。基极层(其包含至少一个呈现量子尺寸效应的层)的至少一部分为高掺杂，且具有比所述至少一个层宽的带隙材料。在较高间隙高掺杂材料内的至少一个量子阱或量子点层增强受激复合并减小辐射复合寿命。二维电子气体(“2-DEG”)会增强量子阱或量子点层中的载流子浓度，由此改进基极区域中的迁移率。基极电阻的改进准许减小基极厚度，而基极传输时间也附带者减小。如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所阐述，这些在速度方面的优点适用于其中利用光发射的高速双极晶体管及/或其中不利用光发射的高速双极晶体管。在发光双极晶体管装置，例如，直接带隙材料的异质结双极晶体管中，使用一个或一个以上呈现量子尺寸效应的层也可有利于增强光发射和定制所述装置的发射波长特征。

在所提及PCT公开案WO 2005/020287中所揭示的另一实施例中，陈述一种半导体激光器，所述半导体激光器包含：异质结双极晶体管结构，其包括直接带隙半导体材料的集电极、基极和发射极；光学谐振腔，其包封所述晶体管结构的至少一部分；和耦合构件，其将电信号与所述集电极区域、基极区域和发射极区域耦合以导致来自所述装置的激光发射。

在所提及PCT公开案WO 2005/020287中所揭示的另一实施例中，将多个间隔开的具有不同厚度的量子尺寸区域(例如，量子阱及/或量子点)提供于双极晶体管的基极区域中并用于有利地促进单向穿过基极区域的载流子传输。作为实例，基极区域可设置有数个间隔开的不同厚度的量子尺寸区域，其中量子尺寸区域的厚度从集电极附近的最厚逐次变化至发射极附近的最薄。注入的电子被捕获于较小的阱中，穿隧到下一较大阱，且随后再下一较大阱，依此类推，直到在最靠近集电极的最大阱处，其穿隧到且驰豫到所述最大阱的最低状态并复合。所述阱布置鼓励从发射极向集电极的单向载流子传输。最大复合和光起源于尽可能接近集电极的最大阱，出于光学腔的原因，这个地方是有利的位置。载流子在能量上“往下”扩散，亦即，朝向较厚的阱扩散。阱尺寸的不对称提供改进的载流子传输的定向性和速度。在发光HBT中，光发射和装置速度两者均得以增强。

根据本发明的实施例，陈述一种用于高速光学信号产生的装置和方法，所述高速光学信号产生具有增强的信噪比且利用用于“导通”状态的受激发射过程和用于“关闭”状态的自发发射过程来控制“导通”和“关闭”时间的持续时间。晶体管激光器的操作点和激励经选择以获得各自具有受激发射的“导通”部分(激光光学输出和电信号输出)和自发发射的“关闭”部分(不存在可感测的光学输出和电噪声)的循环。

根据本发明的实施例，陈述一种用于产生可控光脉冲的方法，所述方法包含以下步骤：提供异质结双极晶体管结构，其包括半导体材料的集电极区域、基极区域和发射极区域；提供光学谐振腔，其包封所述晶体管结构的至少一部分；及相对于所述集电极区域、基极区域和发射极区域耦合电信号以在产生输出激光脉冲的受激发射模式与自发发射模式之间来回切换。在较佳实施例中，所述电信号包含AC激励信号，且每一激励信号循环的一部分可操作以产生受激发射，而每一激励信号循环的另一部分可操作以产生自发发射。在这个实施例中，在所述循环的一部分期间，基极区域中的电流超出装置的受激发射阈值，而在所述循环的另一部分期间，基极区域中的电流不超出所述阈值。同样，在这个实施例中，所述激励信号的频率控制输出激光脉冲的频率而激励信号的相对幅值控制输出激光脉冲的脉冲宽度。在这个实施例的形式中，以至少约1GHz的频率提供AC激励信号，而输出激光脉冲的脉冲宽度经控制小于约100皮秒。

根据本发明的另一实施例，陈述一种用于产生光学输出的方法，所述方法包括以下步骤：提供第一和第二电信号；提供双极发光晶体管装置，其包含集电极区域、基极区域和发射极区域；提供与所述集电极区域耦合的集电极电极和与所述发射极区域耦合的发射极电极，并相对于所述集电极电极和发射极电极耦合电位；提供与所述基极区域光学连通的光学耦合；提供与所述基极区域耦合的第一和第二基极电极；及将所述第一和第二电信号分别与所述第一和第二基极电极耦合以产生从基极区域发射出并被耦合至光学耦合中的光学输出，所述光学输出为所述第一和第二电信号的函数。在本发明的一个较佳实施例中，提供双极发光晶体管装置的步骤包括提供激光晶体管，且光学输出包括多个经耦合的激光束。在这个实施例的形式中，第一电信号具有频率f1、第二电信号具有频率f2，且所述光学输出包含来自由f1+f2、|f1-f2|、2f1+f2、2f2+f1、|2f1-f2|和|2f2-f1|组成的群组的频率分量。

在另一实施例中，提供第一和第二电信号的步骤包括提供用于产生第一和第二电信号的第一和第二可控振荡器。

在进一步实施例中，提供第一和第二电信号的步骤包括提供：用于产生所述第一和第二电信号的信号发生器和用于产生所述第一与第二电信号之间的相移的移相器。

对于某些应用，可能期望晶体管激光器为pnp HBT而非npn HBT，假定这样会导致较低的基极区域相对损失(这由横向基极电流来驱动)且另外，假定由于基极基本上位于高电场活动区域内，因此导致较低的自由载流子吸附(N_DONOR＜N_ACCEPTOR)。在此类应用中，我们偏好将重掺杂p型晶体置于基极区域以外且在某种程度上，置于晶体管激光器的高电场活动区域以外。因此，本发明进一步方面的各种特点之一是设想出一种改进型HBT激光器，且通过使这些区域相对薄并经由隧道结接触所述区域来最小化p型发射极中和高电场p型集电极激光器中所需的受主掺杂晶体的量(亦即，使n+区域接触p+区域来最小化p型发射极和集电极的总厚度)。[按照惯例，“+”记号意指“重掺杂”，且出于本发明的目的，对于n+而言，其通常为至少约10¹⁸/cm³的施主杂质浓度，而对于p+而言，其通常为至少约10¹⁹/cm³的受主杂质浓度]。根据本发明这个方面的特点，pnp HBT光发射极是由刚好足够的p型晶体制成以提供可操作的发射极(空穴注入)功能和载流子集电极功能。也就是说，在尽可能的程度上，装置的电流是携载于较高迁移率的n型晶体而不是较低迁移率的p型晶体中，由此最小化相对损失。n+/p+结处的GaAs中穿隧已众所周知(参见，例如，N.Holonyak、Jr.和I.A.Lesk，Proc.IRE48，1405，1960)，且其负电阻一度成为普遍关注的问题。GaAs中的穿隧可使用InGaAs跃迁区域来增强(参见，例如，T.A.Richard、E.I.Chen、A.R.Sugg.G.E.Hofler和N.Holonyak、Jr.、Appl.Phys.Lett.63，3613，1993)，且除此之外，还可以“欧姆”触点的形式将负电阻行为用于反向偏置中。例如，这允许反转生长于n型GaAs衬底上的Al_xGa_1-xAs-GaAs量子阱异质结构激光器的掺杂序列(n→p至p→n)(参见，例如，A.R.Sugg、E.I.Chen、T.A.Richard、S.A.Maranowski和N.Holonyak、Jr.、Appl.Phys.Lett.62，2510(1993))。如Holonyak等人的美国专利5,936,266的背景技术中所述，隧道接触结可作为空穴源用于发光半导体二极管中且可使横向偏置电流(电子电流)来驱动量子阱异质结构(QWH)激光二极管，而无需兼顾薄p型层中的低迁移率和大的电阻性横向传导电压降。这对于以下装置特别有价值：采用上部及/或下部天然氧化物约束层的QWH激光二极管(参见，例如，M.Dallesasse、N.Holonyak Jr.、A.R.Sugg、T.A.Richard和N.El Zein、Appl.Phys.Lett 57 2844，1990；A.R.Sugg、E.I.Chen、T.A.Richard、N.Holonyak、Jr.和K.C.Hsieh，Appl.Phys.Lett.62，1259，1993)，所述约束层需要横向偏置电流(参见，例如，P.W.Evans、N.Holonyak、Jr.、S.A.Maranowski、M.J.Ries和E.I.Chen，Appl.Phys.Lett.67，3168，1995)；或诸如其中已采用横向空穴电流的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的装置，(参见，例如，D.L.Huffker、D.G.Deppe和K.Kumar，Appl.Phys.Lett.65，97，1994)。美国专利5,936,266中的结构涉及激光二极管中的横向电流，其中沿一个层的空穴传导引入大的装置串联电阻，这是因为在增加的阈值电压和装置发热的情况下，GaAs中的空穴迁移率变低。′266专利中对这种缺陷的解决方案涉及在氧化物约束QWH的p侧上用于替换横向空穴激励电流的隧道接触结。空穴注入由横向电子电流支持，因此提供较低的电压降和较少的串联电阻。如本文中所述，本发明目标之一是最小化p型材料的量，且在可能的程度上，仅采用n型层(电子传导)来携载装置电流。然而，当前情况中的问题因涉及双极晶体管而具有不同的方面。如将看见，所述解决方案的一部分涉及将隧道结用于从电子电流至空穴电流的转换，而所述解决方案的另一部分涉及使用隧道结以相反的定向将空穴电流转换至电子电流。

根据本发明的另一实施例，提供一种半导体发光晶体管装置，其包括：双极pnp晶体管结构，其具有p型集电极、n型基极和p型发射极；与所述集电极耦合的第一隧道结和与所述发射极耦合的第二隧道结；及与所述第一隧道结耦合的集电极触点、与所述第二隧道结耦合的发射极触点和与所述基极耦合的基极触点；借此相对于所述集电极触点、基极触点和发射极触点施加的信号通过所述基极中的辐射复合导致来自所述基极的光发射。在本发明这个实施例的较佳形式中，第一隧道结包括分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与所述集电极触点耦合而所述n+/p+区域的p+层与所述集电极耦合。同样，第二隧道结包括分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与所述发射极触点耦合而所述n+/p+区域的p+层与所述发射极耦合。

所述实施例的形式为包括以上所定义的半导体发光晶体管装置的半导体激光装置，所述半导体激光装置进一步包括包封所述装置的基极的至少一部分的光学谐振腔。在本发明这种形式的一个版本中，所述装置的至少一部分呈分层形式，而光学谐振腔为相对于所述装置的所述至少一部分的层平面的横向腔。在本发明这种形式的另一版本中，光学谐振腔为相对于所述装置的所述至少一部分的层平面的垂直腔。同样，在较佳实施例中，所述装置的基极包括重掺杂n+区域，且在所述基极中进一步提供呈现量子尺寸效应的区域，例如，一个或一个以上量子阱及/或量子点层。

根据本发明的另一相关实施例，陈述一种用于产生用输入电信号调制的光的方法，所述方法包含以下步骤：提供双极晶体管装置，其包含p型集电极、n型基极和p型发射极；提供与所述集电极耦合的第一隧道结和与所述发射极耦合的第二隧道结；提供与所述第一隧道结耦合的集电极触点，及提供与所述第二隧道结耦合的发射极触点，并提供与所述基极耦合的基极触点；相对于所述集电极触点、基极触点和发射极触点施加电信号以通过基极区域中的辐射复合来导致光发射；及使用所述输入电信号来控制所述晶体管装置的基极电流以调制来自所述晶体管装置的光发射。

pnp晶体管激光器与npn晶体管激光器相比可具有以下若个优点：(1)较低基极掺杂，其结果是自由载流子吸附减小；较低激光发射阈值和基极区域中减小的自发热；以及改进的QW复合谱。(2)优异电子迁移率所致的较低基极片电阻，其相应改进上部基极电流注入限制；较高功率操作；基极区域中减小的电阻性加热；及也改进的在发射极下的基极电流分布，其导致较低的激光发射阈值和减小的边缘发热。(3)较低的接触电阻，其导致发热效应减小。

除所列优点外，在pnp晶体管激光器中采用所述隧道结的本发明这种形式还可具有以下若个个进一步优点：(1)发射极和集电极接触层的减小的接触电阻，其导致减小的发热效应和减小的电容效应。(2)较低集电极片电阻，其导致减小的发热效应和对集电极电流的较高上部功率(集电极电流x V_CE)限制。(3)穿过发射极包层的较低串联电阻，和发热效应的一致减小。(4)上部和下部包层区域中的较低自由载流子吸附(通过高掺杂P区域的最小化)，其可导致减小的自由载流子吸附，和一致较低的激光发射阈值和减小的发热效应。已认识到：pnp HBT激光器不可能以与超高速npn HBT一样的高速操作，但其仍可为具有相对较低的电流阈值和相对较高的集电极电压击穿的速度极高的晶体管激光器。

结合附图，依据以下详细说明，本发明的其它特点和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1是所提及的已公开PCT申请案中所述的发光晶体管的简化剖面图(未按比例绘制)。

图2在左侧上显示用于根据本发明的实施例制作异质结双极发光晶体管(HBLET)且可用于实践本发明方法的实施例的晶体的外延层的图式(未按比例绘制)，而在右侧上显示对应的频带的图式。

图3在左侧上显示如使用图2的晶体制作的经处理的、经金属化的且经分解的HBLET激光器(俯视图)且在右侧上显示通过视频CCD检测器获得的正操作装置的图像。

图4显示另一HBLET激光器的晶体管I-V曲线，其中法布里-珀罗小面之间的间距为～260μm。

图5显示在准连续操作(60Hz下的88％工作循环)中，图3的HBLET装置的复合辐射谱，但其具有稍增加的电压偏置V_CE以增加基极集电极结上的反向偏置。

图6显示根据本发明的另一实施例且可用于实践本发明方法的实施例的另一装置的450μm HBLET的晶体管Ic对V_CE曲线族(在213 K下)。

图7分别在曲线(a)和(b)中显示当其I_C曲线显示于图6中的装置的V_CB＝0时小信号电流增益β_ac＝ΔI_C/ΔI_B和电流增益β_dc＝I_C/I_B。

图8显示(在213K下)在V_CE＝2V下偏置并在3GHz下操作的晶体管激光器的激光操作(曲线(a))和自发光谱(曲线(b))的功率谱。

图9显示使用CCD照相机捕获的在3GHz下操作的晶体管激光器的图片。

图10分别以轨迹(a)、(b)和(c)显示在3GHz下调制的输入信号和对应的电和光学输出。

图11显示HBLET的输出集电极I-V特征。对于在激光阈值I_bth＝0.744mA以下的基极电流，光学复合过程产生自发发射(低光学输出)。对于在激光阈值以上的基极电流，对光学复合过程加以刺激(较高的光学输出功率)。

图12显示其中Vce＝Vbe和Vbc＝0V的基极电流和集电极电流的根梅尔曲线图(Gummel plot)。电流增益β增加(自发发射)，而在HBLET的激光操作开始时β降低，这是因为受激发射的复合过程变得“更快”。

图13(a)、13(b)、13(c)和13(d)分别显示以受激发射模式操作的激光晶体管装置的输入电压、输出电压、光学输出和光学功率光谱。

图14(a)、14(b)和14(c)分别显示以自发发射模式操作的激光晶体管装置的输入电压、光学输出和光学功率光谱。

图15(a)、15(b)、15(c)和15(d)分别显示以近阈值模式操作的激光晶体管装置的输入电压、输出电压、光学输出和光学功率光谱。

图16是可用于根据本发明的实施例操作发光晶体管的电路的实例的示意图。

图17显示HBLET的输出集电极I-V特征，和在以不同操作点操作时所产生的信号。

图18显示以每一不同操作点操作的电输出。

图19显示以每一不同操作点操作的光学输出。

图20在所提及的PCT公开案WO 2005/020287中所揭示的三端口装置的简化示意图。

图21图解说明用于如所提及PCT公开案WO 2005/020287中揭示的双极晶体管激光器装置的反射器。

图22显示所提及PCT公开案WO 2005/020287中揭示的采用一个或一个以上量子阱的装置的一部分。

图23显示所提及PCT公开案WO 2005/020287中揭示的采用一个或一个以上量子点区域的装置的一部分。

图24显示采用量子阱和与其间隔开的量子点层的装置的一部分。

图25是所提及PCT公开案WO 2005/020287中揭示的垂直腔表面发射激光器的简化剖面图(未按比例绘制)。

图26是所提及PCT公开案WO 2005/020287中揭示的另一垂直腔表面发射激光器的简化剖面图(未按比例绘制)。

图27是根据本发明的实施例且可用于实践本发明方法的实施例的装置和系统的部分地呈剖面图形式及部分地呈示意图形式的图式。

图28是根据本发明的另一实施例且可用于实践本发明方法的另一实施例的装置和系统的部分地呈剖面图形式及部分地呈示意图形式的图式。

图29是根据本发明的进一步实施例且可用于实践本发明方法的进一步实施例的装置和系统的部分地呈剖面图形式及部分地呈示意图形式的图式。

图30是根据本发明的再进一步实施例且可用于实践本发明方法的再进一步实施例的装置和系统的部分地呈剖面图形式及部分地呈示意图形式的图式。

图31显示本发明的另一实施例。

图32是根据本发明的实施例且可用于实践本发明方法的实施例的pnp HBT激光器的层结构的简化图(未按比例绘制)。

图33是根据本发明的另一实施例且可用于实践本发明方法的实施例的pnp HBT激光器的层结构的简化图(未按比例绘制)。

图34是图31实施例的详细层结构的未按比例绘制的图表。

图35是针对本发明的实施例图解说明载流子流动图案的图式。

具体实施方式

图1图解说明所提及PCT公开案WO 2005/020287中陈述的装置。衬底105具有以下设置于其上的层：子集电极110、集电极、基极140、发射极150和顶盖层160。也显示集电极喷镀金属(或电极)115、基极喷镀金属145和发射极喷镀金属165。还显示集电极引线117、基极引线147和发射极引线167。如所提及的共同待决申请案中所揭示，集电极层130包括3000埃厚的n型GaAs，n＝2×10¹⁶cm^-3，基极层140包括600埃厚的p+碳掺杂的在组成上渐变的InGaAs(1.4％In)，p＝4.5×10¹⁹cm^-3，发射极层150包括800埃厚的n型InGaP，n＝5×10¹⁷cm^-3，及顶盖层包括1000埃厚的n+InGaAs，n＝3×10¹⁹cm^-3。

如所提及的PCT公开案WO 2005/020287中所揭示，对于传统的PN结二极管操作，复合过程基于从n侧注入的电子和从p侧注入的电子两者，从而可在双分子复合过程中对速度加以限制。在HBT光发射的情况下，基极“空穴”浓度是如此高以致当电子被注入至基极中时，所述电子迅速地复合(双分子)。基极电流仅经由驰豫向空穴重新供电以中和电荷失衡。对于异质结双极晶体管(HBT)，基极电流可分类成七个分量，亦即(1)进入发射极区域的电子注入(i_Bp)；(2)已暴露的非本征基极区域中的表面复合电流(i_Bsurf)；(3)基极欧姆触点复合电流(i_Bcont)；(4)空间电荷复合电流(i_BSCT)；(5)因Hall-Shockley-Reed过程(HSR)所致的块基极非辐射复合电流(i_BHSR)；(6)块基极俄歇复合电流(i_BAug)；及(7)块基极辐射复合电流(i_Brad)。对于因任一已暴露基极区域上的边缘钝化而相对高效的HBT，可明显减小表面复合电流。因此，基极电流和复合寿命可近似为主要的块HSR复合、俄歇过程和辐射复合。以下方程式(1)中表示的基极电流则与中性基极区域中的过量少数载流子Δn；发射极区Δ_E；电荷q和基极复合寿命τ_n按下式相关

i_B＝i_BHSR+i_BAUG+i_Brad＝qA_EΔn/τ_n    (1)

总的基极复合寿命τ_n与Hall-Shockley-Readτ_HSR；俄歇τ_AUG和辐射复合τ_rad按下式相关

τ_n＝(1/τ_HSR+1/τ_AUG+1/τ_rad)^-1      (2)

如在所提及PCT公开案WO 2005/020287中的进一步阐述，基极中的光发射强度ΔI与i_Brad成比例且与中性基极区域中的少数载流子电子与多数空穴超过本征载流子浓度(np-n_i ²))和以下方程式(3)中陈述的辐射复合过程速率B相关，其中空穴浓度可近似为等于基极掺杂物浓度N_B。方程式(3)中表示的辐射基极电流则与中性基极区域中的过量少数载流子Δn和基极复合寿命τ_rad按下式相关

$i_{\mathrm{Brad}}=q{A}_{E}B(\mathrm{np}-n_i^2)=q{A}_E\mathrm{Bnp}=q{A}_E\mathrm{\Δn}\left(B{N}_B\right)=q{A}_E\mathrm{\Δn}/{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rad}}---\left(3\right)$

对于高速HBT，易于预测基极复合寿命可为小于总响应延迟时间的一半。因此，基极中的光学复合过程应比HBT的速度至少快两倍。换句话说，极快的HBT速度将受到限制。

在首先图解说明的实施例中，陈述显示InGaP-GaAs-lnGaAs异质结双极发光晶体管(HBLET)的激光器操作的装置和数据，其中p型基极区域中并入有AIGaAs约束层和InGaAs复合量子阱。用于HBLET激光器的晶体的外延层示意性显示于图2中，其具有GaAs衬底210、4000n型重掺杂GaAs缓冲层215，后面的是形成底部包层的600n型Al_0.40Ga_0.60As层220、3500n型Al_0.98Ga_0.02As层222和400n型Al_0.40Ga_0.60As层224。这些层后面的是400n型子集电极层230，然后是200In_0.49Ga_0.51P蚀刻终止层(未显示)、650未掺杂GaAs集电极层240和940p型GaAs基极层250(有源层)，其也包含(在基极区域中)120InGaAs QW(设计用于λ≈980nm)。外延HBLET激光器结构因上部包层的生长而完成，其包含1200n型In_0.49Ga_0.51P宽间隙发射极层260、300n型Al_0.70Ga_0.30As氧化缓冲层270、3500n型Al_0.98Ga_0.02As可氧化层275(参见，J.M.Dallesasse、N.Holonyak、Jr.、A.R.Sugg、T.A.Richard和N.El-Zein，Appl.Phys.Lett.57，2844(1990))，和1000n型Al_0.40Ga_0.60As层280。最后，以1000重掺杂n型GaAs接触层290覆盖HBLET激光器结构。

HBLET激光器制作是通过以下步骤来实施：首先，将6μm保护性SiN₄条带图案化于晶体上。通过湿蚀刻暴露顶部n型Al_0.98Ga_0.02As可氧化层(1∶8∶160 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O)以形成～6μm发射极台面。接下来，将宽150μm的保护性光致抗蚀剂(PR)条带置于发射极台面上并完全移除未保护的Al_0.98Ga_0.02As层(1∶4∶80 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O)，以显出In_0.49Ga_0.51P宽间隙发射极层。然后移除保护性PR条带并使样本在被供以N₂+H₂O的炉中于425℃下氧化7.5分钟，从而产生～1.0μm的横向氧化，而这种横向氧化又在6μm的发射极台面中形成～4μm氧化物界定的孔隙(同样参见，J.M.Dallesasse、N.Holonyak、Jr、A.R.Sugg、T.A.Richard和N.El-Zein，supra(1990)；S.A.Maranowski、A.R.Sugg、E.I.Chen和N.Holonyak、Jr.，Appl.Phys.Lett.63，1660(1993))。便样本在430℃下退火(在N₂中)7分钟以在通过等离子(CF₄)蚀刻移除保护性SiN₄之前再活化p掺杂物。在发射极台面和氧化物层上形成100μm的PR窗口，并将Au-Ge/Au沉积于样本上以形成金属触点。在提离光致抗蚀剂(PR)以移除过量金属后，使用湿蚀刻(4∶1 HCl∶H₂O)来移除In_0.49Ga_0.51P层，以暴露p型GaAs基极层。然后在远离发射极台面边缘～15μm处图案化80μm宽的PR窗口，并使Ti-Pt-Au蒸发以便接触基极。然后实施另一提离过程以移除过量的基极触点金属。然后在远离基极触点～6μm处图案化450μm的PR窗口。使用选择性蚀刻(4∶1 C₆H₈O₇∶H₂O₂)来移除GaAs基极和集电极层，并通过湿蚀刻(16∶15 HCl∶H₂O)来移除In_0.49Ga_0.51P蚀刻终止层，以暴露重掺杂n型GaAs子集电极层。蒸发掉样本上的Au-Ge/Au金属合金以便接触暴露的子集电极层，并实施另一提离过程以移除过量的金属。然后将样本研磨至～75μm的厚度并使触点退火。垂直于发射极条带分解HBLET样本以形成法布里-珀罗小面，并将晶体的衬底侧熔结至涂有In的Cu散热器上。

经处理的、经金属化的和经分解的HBLET激光器(俯视图显示于图3的左侧上。示意性显示的发射极(E)、基极(B)和集电极(C)上的接触探针类似于右侧处正操作装置上的实际探针(E_PRB、B_PRB和C_PRB)。右侧上的图像是使用视频CCD检测器所获得且显示(h v)从处在比激光晶体略低处的Cu平台散射出的装置激光束(光子)，如图所示，其在经分解的法布里-珀罗小面之间具有～200μm的间距。使用通过三个在图3中标记为E_PRB、B_PRB和C_PRB的探针连接至HBLET的Tektronix型号370高分辨率曲线描绘仪来提供电流和偏置电压(共用发射极操作)。HBLET激光器在干燥的N₂环境中的～200K操作。

在法布里-珀罗小面之间具有～260μm间距的另一HBLET激光器的晶体管I-V曲线显示于图4中。当基极电流I_b以2mA的间隔从0增加至8mA时，观察到差动电流增益的正常增加，β＝ΔI_c/ΔI_b，在这种情况下从较低电流下的β～2至较高电流下的6.5。光对V_CE测量值(I_b常数，未显示数据)指示辐射复合随着V_CE增加而改进且随后在反向击穿开始时降低。然而，在接近I_b＝8mA且随着V_CE增加，受激复合(受激发射)变得明显，且HBLET运作为激光器和晶体管两者，但其电流增益β的降低截然不同。超出的阈值I_b等于或大于I_th～8mA，微分增益β从6.5降至2.5的近似常数值(α＝β/(β+1)＝I_c/I_e＝0.71)。由于β可近似为简单的比率τ_n/τ_t(参见，B.G.Streetman和S.Banerjee，Solid State Electronic Devices，5^th ed.(Pearson，New Jersey，2004)，p.328)，其中τ_t为平均(载流子)基极发射时间(其在阈值以下和以上几乎相同)而τ_n为基极中的平均电子寿命，电子寿命因收集于120-A QW中的载流子的受激复合而减小2.6的因数。QW操作为唯一的伪集电极(参见，E.A.Rezek、H.Shichijo、B.A.Vojak和N.Holonyak、Jr.、Appl.Phys.Lett.31，534(1977))且可经调节以调控基极复合且因此光学输出和晶体管增益(β)。可注意，出于比较目的，在室温下观察到(未显示数据)在I_b＝2mA时为10及在8mA为30的差动电流增益β(或电流传输速率，α＝0.91和0.96的I_c/I_e)。

图5显示在准连续操作(在60Hz下的88％工作循环)中，图3的HBLET装置的复合辐射谱，但具有略增加的电压偏置V_CE以增加基极集电极结上的反向偏置。在(a)I_b＝6mA时，HBLET复合辐射呈现954nm的峰值波长和～280的光谱宽度。在(b)I_b＝8mA时，在受激发射开始时，可看见不同的光谱变窄和模式开发。在(c)I_b＝10mA时，激光器模式得到完全开发(λ＝958nm)，以清晰地指示在图3中也明显的晶体管激光器操作。可注意，图3的200μm长HBLET激光器(右侧)是以脉冲基极电流(在1MHz下的1％工作循环)操作以防止Si-CCD取景照相机的饱和。

所述的结果证明经适当修改而p型基极(伪集电极、第二集电极)中具有谐振器和复合QW(或QWs)的HBLET可同时操作为激光器和晶体管，其中增益β＝ΔI_c/ΔI_b＞1。在激光器阈值下，晶体管增益急剧地降低，但仍支持三端口操作(电输入、电输出和光学输出)。

在对前述实施例的说明中，显示具有某些特点的异质结双极发光晶体管(HBLET)可支持受激复合和激光器操作。在以下进一步实施例中，具有某些特点的三端口晶体管激光器呈现微波操作和光学调制。在这个实施例中，用于HBLET激光器的晶体的外延层包含100n型重掺杂GaAs缓冲层，后面的是形成底部包层的630n型Al_0.40Ga_0.60As层、4000n型Al_0.98Ga_0.02As层和250n型Al_0.40Ga_0.60As。这些层后面的是300n型子集电极层，然后是150In_0.49Ga_0.51P蚀刻终止层、600未掺杂GaAs集电极层和850p型GaAs基极层，其也包含(在基极区域中)120InGaAsQW(其设计用于λ≈980nm)。外延HBLET激光器结构是通过上部包层的生长而完成，其包含：600n型In_0.49Ga_0.51P宽间隙发射极层、50n型GaAs缓冲层、200n型Al_0.35Ga_0.65As氧化缓冲层、200n型Al_0.80Ga_0.20As氧化缓冲层、4000n型Al_0.95Ga_0.05As可氧化层、300n型Al_0.80Ga_0.20As层和500n型Al_0.35Ga_0.65As层。最后，以1000重掺杂n型GaAs接触层覆盖HBLET激光器结构。HBLET激光器的制作是通过以下步骤来实施：首先将8μm保护性SiN₄条带图案化于晶体上。然后，通过湿蚀刻(1∶8∶160 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O)暴露顶部n型Al_0.98Ga_0.02As可氧化层以形成～6μm的发射极台面。接下来，形成10μm和50μm(分开40μm)光致抗蚀剂(PR)窗口，使发射极台面置于两个窗口之间且在远离10μm窗口的～5μm处。然后完全移除未保护Al_0.98Ga_0.02As层(1∶4∶80 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O)，以显出In_0.49Ga_0.51P宽间隙发射极层。将保护性PR条带溶解并使样本在被供以N₂+H₂O的炉中于425℃下氧化6.5分钟，以产生～1.0μm的横向氧化，而这种横向氧化又在6μm发射极台面中形成～4μm氧化物界定的孔隙。(同样参见，J.M.Dallesasse、N.Holonyak、Jr.、A.R.Sugg、T.A.Richard和N.El-Zein，Appl.Phys.Lett.57，2844(1990)；S.A.Maranowski、A.R.Sugg、E.I.Chen和N.Holonyak，Jr.，Appl.Phys.Lett.63，1660(1993))。使样本在430℃下退火(在N₂中)6.5分钟以在通过等离子(CF₄)蚀刻移除保护性SiN₄之前再活化p掺杂物。使用HCl来选择性蚀刻剩余的InGaP发射极。然后通过针对GaAs和InGaAs的选择性湿蚀刻(4∶1C₆H₈O₇∶H₂O₂)和针对In_0.49Ga_0.51P的HCl暴露基极集电极接触层。然后，在10μm基极接触窗口和经氧化的Al_0.98Ga_0.02As层上形成50μm的PR窗口。将1μm厚的Pd-Pt-Aup型欧姆触点沉积于部分暴露的基极层顶上以形成基极金属触点(后面的是提离过程)。接下来，针对发射极和集电极金属触点沉积打开30μm和50μm(分开5μm)的PR窗口，将1μm厚的n型触点AuGe-Ni-Au金属合金沉积于晶体上，并实施另一提离过程来移除过量的金属。然后将样本研磨至～100μm的厚度并加以退火。垂直于发射极条带分解HBLET样本以形成法布里-珀罗小面，且将晶体的衬底侧熔结至涂有铟的Cu散热器上。

这个实施例的450μm HBLET的晶体管I_c对V_CE曲线族(在213K下)显示于图6中。当基极电流I_B以2.5mA间隔从0mA增加至15mA时，电流增益(β_dc＝I_C/I_B)在I_B≤I_th时增加至～5.65且随后在I_B≥I_th时降至～4.5。在I_B＝7.5mA时，如结合先前实施例所述，在图6中观察到与激光器操作中的晶体管相关联的差动和小信号负斜坡β((β_dc＝ΔIc/ΔI_B)。晶体管的V_BE曲线附加在Ic对V_CE曲线族上以指示零基极集电极偏置点，边界V_CB＝0。从图6中并通过观察增益特征，可看见晶体管在一宽范围的V_CE(超出V_CB＝0)上操作为激光器。光对基极电流的测量值(未显示数据)指示当晶体管以饱和状态(常数I_C)操作时激光器光强度的小变化，且在高反向偏置下降低并开始发热。用于确定晶体管激光器的阈值电流的新颖技术是基于晶体管的电增益。这消除了需要具有额外的外部回馈系统(光电检测器)来验证装置正运作为激光器。在V_CB＝0时的小信号电流增益β_ac＝ΔIc/ΔI_B和电流增益β_dc＝I_C/I_B由图7的曲线(a)和(b)来显示。从曲线(a)中可观察到小信号增益随着I_B增加而增加，且在受激发射开始时或针对经放大的自发发射(I_B＝6.7mA，β_ac＝8.6)急剧降低。图7中曲线(b)的峰值可定义为晶体管激光器的阈值电流(I_B＝I_th＝7.4mA)。晶体管激光器的操作在I_B≈7.9mA下当β_ac达到最小值(βac＝3.7)时得到完全开发。这种阈值电流测量方法是通过与标准光对强度(L-I)测量值(未显示数据)进行比较并依据使用红外CCD照相机对激光衍射图案的目视观察来验证。这也与光谱变窄相一致。

图8显示(在213K下)以V_CE＝2V偏置且在3GHz下操作的本实施例晶体管激光器的激光器操作(曲线(a))和自发光谱(曲线(b))。输入电压波形是使用来自HP70841A图案发生器的时钟信号(其具有3GHz的最大时钟信号)所产生。输出测量值是使用HP70951B光学光谱分析仪得出。-63.4dBm的最大功率电平是针对自发发射在λ＝966.5nm下测得，而针对激光器操作，测得-21.44dBm(λ＝964.4nm)的功率输出。晶体管激光器的小输出功率被认为是由弱光纤耦合造成的。附加的自由空间测量产生至少大8倍的功率。图9中显示使用CDD照相机捕获的在3GHz下操作的晶体管激光器的图片。来自前端法不里-珀罗小面的光发射被耦合(图9中为向上)至光纤中，从而直接连接至光学光谱分析仪的输入中。

信号发生器、宽带检测器、功率计和数字示波器用于晶体管激光器的三端口(电输入、电输出和光学输出)直接调制特征。使用配备有一对40GHz接地-信号微波探针的冷站以能够在213K下进行测量。以正常操作模式(V_CE＝2V和I_B＝9mA)偏置在法不里-珀罗小面之间具有～450μm间距的HBLET，并将具有0.75V峰对峰幅值的小信号正弦电压波形供应至装置的基极(输入端口)。使用来自HP70841A图案发生器的时钟信号(最大时钟信号为3GHz)来产生输入电压波形，且使用20GHz数字取样示波器来测量电输出集电极发射极电压波形。在示波器的第二单独通道处测量输入波形时钟信号的互补输出。将晶体管激光器的输出耦合至具有25μm芯直径的多模光纤探针。将激光信号喂入高速(10Gb/s)宽带(400至1700nm)InGaAs检测器中。检测器输出电压、基极输入电压和集电极输出电压均同时显示于四通道取样示波器上。输入信号在3GHz下调制(顶部轨迹)而对应的电和光学输出分别显示于图10(a)、(b)和(c)中。当3GHz基极电流保持(降低)在阈值电流以下时，未观察到光学输出波形，从而相反地证明受激发射界定更强壮的激光输出信号。

根据本发明的实施例，陈述一种用于高速光学信号产生的装置和方法，所述高速光学信号产生具有增强的信噪比且利用用于“导通”状态的受激发射过程和用于“关闭”状态的自发发射过程来控制“导通”和“关闭”时间的持续时间。晶体管激光器的操作点和激励经选择以获得各自具有受激发射的“导通”部分(激光光学输出和电信号输出)和自发发射的“关闭”部分(不存在可感测的光学输出和电噪声)的循环。

图11中显示在法不里-珀罗小面之间具有～450μm间距的HBLET激光器的晶体管I-V曲线。在基极电流I_b＝0.744mA时，HBLET达到激光阈值并将晶体管增益β＝DI_c/dI_b，从β＝5.5改变至4.5或(α＝β/(β+1)＝0.85→0.81)。如上所述，在自发发射跃迁至受激发射中，HBLET晶体管激光器在I-V曲线中具有重要特点。图12显示具有V_ce＝V_be和V_bc＝0V的基极电流和集电极电流的根梅尔曲线图。电流增益β增加(自发发射)，而在HBLET的激光操作开始时β降低，这是因为受激发射的复合过程变得“更快”。

使用共用发射极配置对晶体管激光器进行试验，其中在装置的基极端子处对电输入(可对频率和幅值进行控制)进行3GHz调制。

称为受激发射模式的操作模式具有(例如)以下初始操作参数：V_be＝1.67V、V_ce＝2V、I_b＝16mA和I_c＝69.2mA。如所预期，在受激发射模式(亦即，其输入一贯地处在受激辐射阈值以上的电平)中，如分别显示于图11的图表13(a)、13(b)和13(c)中的电输入和输出和光学输出均类似于针对类似装置的图10的对应图表10(a)、10(b)和10(c)，且激光功率光谱的图表13(d)类似于用于类似装置的图8的对应图表。

称为自发发射模式的操作模式具有(例如)以下初始操作参数：V_be＝1.47V、V_ce＝2V、I_b＝5mA和I_c＝19.84mA。图14的图表显示自发发射模式(亦即，其输入一贯地处在受激发射阈值以下的电平)的结果，图表14(a)显示正弦电输入，图表14(b)显示被看成自发发射的背景噪声特征的光学信号输出，及图表14(c)显示自发发射模式的光学输出功率光谱。

称为近阈值模式的操作模式具有(例如)以下初始操作参数：V_be＝1.57V、V_ce＝2V、I_b＝10mA和I_c＝46.2mA。图15的图表显示近阈值模式的结果(亦即，正弦输入信号的每一循环：在基极电流超出受激发射阈值期间具有“导通”部分而在基极电流低于受激发射阈值期间具有“关闭”部分)。同样地，图表15(a)和15(b)分别显示电输入和输出信号。图表15(c)显示被看成具有受激发射激光脉冲(在所述循环中当超出基极阈值电流时的部分的期间)和自发发射(在所述循环中当未超出基极阈值电流的部分的期间)的光学输出。在这种情况下，对于3GHz输入信号(显然，使用良好的测试设备，在本装置能力范围内可容易地超出所述阈值)，针对所陈述的条件激光脉冲具有小于约100皮秒的半功率脉冲宽度。通过调节相对信号幅值(例如，通过控制偏置及/或AC信号幅值及/或负载)，可有利地控制脉冲宽度。图表15(d)显示针对这种情况的光学输出功率光谱。

图16是在各种条件(包含本发明实施例的实例中采用的条件)下，可用于操作发光晶体管(LET)1610的电路的实例的图式。在这个实例中，可控振荡器1615经由偏置T形管1620耦合至LET的基极端子，且偏置T形管1620的中间分支耦合至可控偏置电压V_BE。发射极端子耦合至接地参考电位，且集电极端子经由偏置T形管1640耦合至可变负载电阻器1660。偏置T形管1640的中间分支耦合至可控偏置电位V_CE。

图17的图表显示怎样使用三个不同的输出DC偏置条件来产生具有可控脉冲宽度的光学输出，图17还图解说明实例性电输入(在图表上方)、电输出(在图表下方)和光学输出(在图表的右侧上)。图19显示描绘在一起的针对三个相应操作点的三个电和光学输出。

在典型的晶体管操作中，晶体管三个端子中的一者为输入和输出电路两者共用。这导致称作共用发射极(CE)、共用基极(CB)和共用集电极(CC)的熟悉配置。共用端子(通常为接地参考)可与两个剩余端子中的一个或另一个组成对。每一对被称为一端口，且对于任一配置两个对称为两端口网络。两个端口通常作为输入端口和作为输出端口加以识别。如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所述，且如图20中所图解说明，提供第三端口(即，光学输出端口)，且所述第三端口基于来自HBT光发射极的基极层的(复合辐射)发射。例如，对于以共用发射极配置操作的图1的HBT，当将电信号施加至输入端口(端口1)时，同时在端口2处产生具有信号放大的电输出且在端口3处产生具有光发射信号调制的光学输出。

如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所述，图21图解说明在横向腔中的三端子发光HBT910，在操作时，所述横向腔以920表示为横向增益导向激光器。横向腔可(例如)通过发光区域上或其附近的分解边缘来加以界定。

如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所述，可采用受激发射来促进双极晶体管(例如，双极结晶体管(BJT)或异质结双极晶体管(HBT)的基极层以增强晶体管的速度。自发发射复合寿命是对双极晶体管速度的基本限制。双极晶体管的基极层适于将受激发射(或受激复合)增强至有损于自发发射，由此减小复合寿命并增加晶体管速度。在本发明这个方面的形式中，在双极晶体管的基极层中提供至少一个呈现量子尺寸效应、较佳为量子阱或量子点层、较佳未掺杂或轻掺杂的层。较佳地，基极层(其包含至少一个呈现量子尺寸效应的层)的至少一部分为高掺杂，且具有比所述至少一个层宽的带隙材料。较高间隙高掺杂材料内的至少一个量子阱或量子点层增强受激复合并减小辐射复合寿命。二维电子气体(“2-DEG”)增强量子阱或量子点层中的载流子浓度，由此改进基极区域中的迁移率。基极电阻的改进准许减小基极厚度，其附带地减小基极传输时间。这些在速度方面的优点适用于其中利用光发射的高速双极晶体管及/或其中不利用光发射的高速双极晶体管。在发光双极晶体管装置，例如，直接带隙材料的异质结双极晶体管中，使用一个或一个以上呈现量子尺寸效应的层也可有利于增强光发射并定制所述装置的发射波长特征。也可利用掺杂或高掺杂的量子尺寸区域。

图22显示在图1装置(或其它实施例)的基极区域140中使用一个或一个以上量子阱141、142。如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所述，这些量子阱可操作以针对改进的装置速度、调制特征来增强复合过程及/或修整所述装置的光谱特征。在一个实施例中，量子阱(及/或点-参见下文)具有比环绕基极层(140)材料低的带隙且为未掺杂或轻掺杂的(例如，在约10¹⁶cm^-3以下)。环绕基极层(140)材料为高掺杂(例如，对于p型而言，均匀地或delta(δ)掺杂至至少约10¹⁸cm^-3或针对n型至少约10¹⁷cm^-3)。在一个实施例中，量子阱(或点)层具有不大于约100埃的厚度。

如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所阐述，可横向地(例如，图21)或垂直地(例如，图24和25)利用具有反射器的腔来获得发光HBT的受控激光器操作。如以上所概述，增强受激发射可减小复合寿命以增加操作速度。

图23显示在图1装置(或其它实施例)的基极区域140中使用一个或一个以上量子点区域143、144，如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所阐述，这些量子点区域可操作来针对改进的装置速度、调制特征来增强复合过程，及/或修整所述装置的光谱特征。本发明装置的基极区域中也可利用与量子点层146间隔开的量子阱145的组合(参见美国专利6,753,273)，如图24中所示。

图25显示如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所述的垂直腔表面发射激光器，其采用从HBT的基极区域的光发射。提供衬底1105且其上提供有以下各层。DBR反射器层1108、子集电极1110、集电极1130、跃迁层1133、基极1140、发射极1150、发射极顶盖层1160和顶部DBR反射器层1168。图中还显示了集电极喷镀金属1115、基极喷镀金属1145和发射极喷镀金属1165。图中也显示了集电极引线1117、基极引线1147和发射极引线1167。在这个实施例的形式中，所述层通过MOCVD生长，衬底1105为半绝缘InP衬底，子集电极1110为n+InGaAs，集电极1130为n-InP，基极1140为具有量子阱的p+InGaAs层，发射极1150为n型InP，及发射极顶盖1160为n+InGaAs。同样地，跃迁层为n型四元跃迁层，例如，InGaAsP。在这个实施例中，反射器层1108和1168为可间隔开适合距离(例如，半个波长)的多层DBR反射器。在操作中，如前所述，在以三端子模式施加信号的情况下，对基极电流的调制产生经调制的光发射，在这种情况下由箭头1190来表示垂直发射的激光。如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所述，可使用其它配置和材料系统，作为实例，其中包含基于GaAs和GaN的HBT或其它直接带隙材料系统。同样地，如本文中别处所述，基极层1140可具有量子阱或点层。

图26显示如所提及PCT公开案WO 2005/020287中所阐述的垂直腔表面发射激光器的进一步实施例，所述垂直腔表面发射激光器具有尽可能靠近集电极的布拉格反射器且其消除在DBR之间插入下部间隙吸收层。特定而言，于图25(对于对应的元件，其具有与图1类似的参考编号)中，下部DBR显示在111处，而上部DBR显示在143处。箭头190表示VCSEL的光学定波。DBR143可沉积于Si-SiO₂布拉格反射器上。也可在发射极150顶部上提供另一反射器。同样，如本文别处所述，基极层140可具有量子阱或点层。

图27、28、29和30显示根据本发明的进一步实施例且可用于实践本发明方法的实施例的装置和系统。在许多方面，图27-30的装置可类似于如上文所述的发光双极晶体管装置，但具有关于基极区域及其触点、相关联的电路和所得到的光学输出的改进。因此，要阐述的实施例可采用已陈述或提及的任何层配置类型，以及其它适合的配置。出于易于图解说明的目的，图27-30中仅图解说明某些基础装置层，且包含激光腔反射器。

图27实施例显示异质结双极激光器晶体管，其包含衬底210、子集电极230、集电极240、集电极电极245、基极250、发射极260、发射极顶盖270和发射极电极275。表示为VE和Vc的电位分别与发射极电极和集电极电极耦合。光学耦合202(例如，光纤光学耦合)与基极区域耦合，且以205图解说明大多数或实际输入至光学耦合的激光输出，应了解，对置于光学耦合202的装置侧将实际上反射原本如图所示存在的激光输出。

于图27的实施例中，一对间隔开的基极电极911和912接触基极区域250。在本实施例中，装置被偏置于正向有源模式中，亦即，如所提及先前应用中所述，其具有正向偏置的基极发射极结和反向偏置的基极发射极结。在本实施例中，信号发生器921以频率f₁产生施加至基极电极911的第一信号，而信号发生器922以不同频率f₂产生施加至基极电极912的第二信号。在这个实施例中，所述信号为相对小的正弦及/或方波微波信号。基极电流保持得高于装置阈值电流(参见，所提及的PCT公开案WO2005/020287)，所述电流彼此耦合。对于频率为f1和f2的信号，输出频率(包含拍频率)预期被观察为f1、f2、f1+f2、|f1-f2|、2f1+f2、2f2+f1、|2f1-f2|和|2f2-f1|等等。产生具有10GHz频率和良好超出的输出光学脉冲。将了解，混合微波信号以获得对经调制晶体管激光器输出的上变频和下变频特别有利于包含(例如)通讯和光电集成电路的各种应用。

图28实施例具有与相应基极电极911和912耦合的受电压控制的振荡器1021和1022的输出。在这个实施例中，每一受电压控制的振荡器1021和1022在相应线1021A和1022A上接收相应的控制信号。如结合先前实施例所述，当输入至相应基极电极的频率为f1和f2时，输出频率(包含拍频率)预期被观察为f1、f2、f1+f2、|f1-f2|、2f1+f2、2f2+f1、|2f1-f2|和|2f2-f1|等等。通过输入适合的控制信号，获得灵活的可调谐性优点。

图29的实施例包含如图9中的信号源921和922，但在这个实施例中，信号发生器921的输出经由移相器1150耦合至基极电极911。区块1150实施的相移由线1150A上的输入来控制且可介于从0度至360度的范围内以获得混合于输出激光中的相移调制。

虽然在前述实施例中图解说明两个基极电极，但应了解，可采用其它适合的多个基极电极，其中的某些或全部具有独立的控制。在图30的实施例中，例如，来自源911、912、913和914的四个输入信号分别与表示为921、922、923和924的基极电极耦合。

图27-30的实施例图解说明关于边缘发射双极晶体管的操作，但应了解，每一实施例均可结合诸如图25或26的那些垂直腔双极晶体管来实施。图31显示图26的装置，但具有分段式基极喷镀金属1345和1346。分别与其耦合的是分别以频率f1和f2操作的信号发生器1321和1322的输出(如在图27中)。应了解，也可在垂直腔发射双极装置的上下文中实施图28-30的实施例。另外，如果提供适合的反射器用于边缘发射和垂直发射两者，则装置可适合于在边缘发射与垂直发射模式之间切换的操作。

图32是本发明另一实施例的层结构的简化图式。衬底3110可为未掺杂的或掺杂的，且其上沉积有：n型包层3115；n型集电极接触层3120；第一隧道结3125；p型子集电极3130和集电极3131(其可为本征或轻掺杂p型)；n型基极3140，其包含至少一个量子尺寸层3145(例如，量子阱及/或量子点层)；p型发射极3160；第二隧道结3170；n型上部包层3180和n型发射极接触层3190。当将这个图32实施例用作边缘发射p-n-p异质结双极晶体管(HBT)激光器时，波导区域(括弧3150)可包封于宽度w等于nλ/2的光学谐振腔中，其中n＝1、2、3...，而λ为特征发射波长。应注意，隧道结3125和3170较佳在有源基极区域以外。在这个实施例中，第一隧道结3125包含分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与集电极接触层3120耦合，而所述n+/p+区域的p+层经由子集电极3130与集电极3131耦合。同样在这个实施例中，第二隧道结3170包含分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层经由上部包层3180与发射极接触层3190耦合，而所述n+/p+区域的p+层与发射极3160耦合。

通过在上部DBR(3295)和下部DBR(3205)内提供垂直定向波导3250将图33的实施例用作垂直腔p-n-p异质结双极晶体管(HBT)激光器，所述垂直定向波导具有nλ/2的波导尺寸，其中n＝1、2、3...，而λ为特征发射波长。在图33实施例中，其它层包含以下各层：沉积于衬底3210上的下部DBR 3205；n型集电极接触层3220；第一隧道结3225；p型子集电极3230和集电极3231(如上所述，其可为本征或轻掺杂p型)；n型基极3240，其包含至少一个量子尺寸层3245(同样地，例如，量子阱及/或量子点层)；p型发射极3260；第二隧道结3270；n型发射极接触层3290和上部DBR 3295。在这个实施例中，如前所述，第一隧道结3225包含分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与集电极接触层3220耦合，而所述n+/p+区域的p+层经由子集电极3230与集电极3231耦合。这个实施例的第二隧道结3270包含分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与发射极接触层3290耦合，而所述n+/p+区域的p+层与发射极3260耦合。

图34进一步详细地图解说明图1的实施例的实例。这个实例的分层结构是通过MOCVD而生长于半绝缘GaAs衬底305上。从所述衬底向上，晶体的外延层包含3000n型重掺杂GaAs缓冲层308，后面的是形成下部包层的634n型Al_0.35Ga_0.65As层316、5000n型Al_0.95Ga_0.05As层317和200n型Al_0.35Ga_0.65As层318。

这些层后面的是200重掺杂n型集电极接触层320，且随后为120重掺杂n型In_0.49Ga_0.51P蚀刻终止层322和隧道结325，所述隧道结包含200重掺杂Si的n型Al_0.10Ga_0.90As层326和120重掺杂C的p型Al_0.10Ga_0.90As层327。接下来是包括200轻掺杂p型Al_0.10Ga_0.90As层330和400轻掺杂p型GaAs层331的子集电极和集电极层。在这个实例中，存在包含七个层的1010n型GaAs基极，所述七个层中的三个(统一由345来表示)包括设计用于以λ≈1000nm发射的190InGaAs量子阱(QW)。(这些三个层包括20In_0.1Ga_0.9As层之间的150In_0.2Ga_0.8As层。)在最后一个集电极层后开始，基极层为如下各层：300重掺杂Si的n型GaAs层341、10未掺杂GaAs层342，后面的是先前所述的QW区域345，且随后为10未掺杂GaAs层346、300重掺杂Si的n型层347和200重掺杂n型层348。然后，使100重掺杂Si的n型GaAs层生长为基极接触层355。随后，使以下层生长：由150p型In_0.49Ga_0.51P层361和200p型Al_0.35Ga_0.65As层362构成的异质结构发射极。这后面的是隧道结370，所述隧道结包含150重掺杂C的p型Al_0.35Ga_0.65As层371和300重掺杂Si的n型Al_0.35Ga_0.65As层372。然后，上层约束或包层区域包括150n型Al_0.80Ga_0.20As氧化缓冲层381，和4000n型Al_0.95Ga_0.05As可氧化层382，300n型Al_0.80Ga_0.20As氧化缓冲层383，和500n型Al_0.35Ga_0.65As层384。所述分层结构覆盖有1000重掺杂Si的n型GaAs发射极接触层390。

制作异质结构双极pnp晶体管激光器的过程通过以下操作继续：首先使用光蚀刻步骤和使用氟利昂14(CF₄)气体的反应性离子蚀刻在晶体上图案化4μm的保护性SiN₄条带。然后，通过湿蚀刻(1∶8∶80 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O)来暴露n型GaAs接触层390和Al_0.35Ga_0.65As跃迁层384，以形成～4μm发射极台面。由于1∶8∶80 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O湿蚀刻溶液对Al_0.95Ga_0.05As层不具选择性，因此在这个实施例中使用精确(～20秒)时间蚀刻，以在Al_0.95Ga_0.05As层383的界面处停止。接下来，将宽11μm的保护性光致抗蚀剂(PR)条带置于发射极台面上且使用1∶8∶80 H₂O₂∶H₂SO₄∶H₂O选择性湿蚀刻溶液来移除未保护的层(362、370、381和382)，以显出p型In_0.49Ga_0.51P宽间隙发射极层361。然后，移除保护性光致抗蚀剂(PR)条带并使样本在被供以N₂+H₂O的炉中于425℃下氧化7分钟，以产生～0.9μm的横向氧化，而这种横向氧化又在4μm发射极台面中形成～2.2μm氧化物界定的孔隙。将样本在425℃下退火(在N₂中)7分钟以在通过等离子(CF₄)蚀刻保护性SiN₄之前再活化p掺杂物。然后，使用湿蚀刻(HCl)移除发射极层(361)In_0.49Ga_0.51P，以暴露n型GaAs基极接触层355。然后，图案化37μm PR窗口以形成用于基极触点的基极台面。然后，使用选择性蚀刻(10∶1 C₆H₈O₇∶H₂O₂)来移除从326至355的层，且通过湿蚀刻(HCl)来移除In_0.49Ga_0.51P蚀刻终止层322，以暴露重掺杂n型GaAs集电极接触层320。随后，在基极台面上形成5μm PR窗口、在发射极台面和氧化物层上形成7μm PR窗口及在集电极材料上形成20μm PR窗口，来沉积AuGe/Ni/Au(750/150/10000)以使n型金属触点同时形成至发射极接触层390、基极接触层355和集电极接触层320。在金属提离步骤后，则使样本在350℃下退火以形成欧姆触点。然后，施加聚酰亚胺层并使其在270℃下固化以减小装置的表面泄漏电流。使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)系统将附加的氮化硅层沉积于聚酰亚胺顶上。使用另一光蚀刻步骤来界定用以将触点形成至发射极、基极和集电极金属的通孔开口。使用氟利昂14(CF₄)气体和PR作为蚀刻掩膜，用反应性离子蚀刻(RIE)系统来实施到达氮化硅层的电介质通孔开口。然后，使用清洗溶剂来剥离PR。使用氧(O₂)等离子来移除用作蚀刻掩膜的聚酰亚胺层、氮化硅层。在接触通孔制作步骤后，实施另一光蚀刻步骤来沉积Ti/Au(150/2.5μm)以形成从装置至接地-信号-接地(GSG)高频探针垫的触点。在这个实例中。所述GSG探针垫被设计为400μm单元，以便可分解400μm的多个整数谐振器长度以供装置制作使用。然后，将样本研磨至～50μm的厚度。垂直于发射极条带分解HBTL样本以形成法不里-珀罗小面(以～400μm的倍数)，并将晶体的衬底侧熔结至涂有In的Cu散热器上以供装置操作使用。

图35显示在p型发射极和p型集电极上具有隧道结触点的边缘发射pnp HBT晶体管激光器。所示装置具有图32实施例的大致层结构，其具有所示的金属触点(集电极触点3121、基极触点3155和发射极触点3191)和也图解说明的电子及空穴电流路径。如在图32中，这个实例的层结构包含衬底3110、n型下部包层3115、n型集电极接触层3120、第一隧道结3125、p型子集电极3130、p型集电极3131、n型基极3140(具有QW)、p型发射极3160、第二隧道结3170、n型上部包层3180和n型发射极接触层3190。如在图式中分别由变暗的箭头490和420所表示，显示电子电流在n型材料中从发射极触点流至第二隧道结3170，及在n型材料从第一隧道结3125流至集电极触点。同样，电子电流在n型基极中的流动由变暗的箭头440来表示。如所见，第二隧道结3170操作以将电子电流转变至空穴电流(较亮的箭头470)，而第一隧道结3125操作以将空穴电流转变至电子电流。以这种方式，n型发射极接触层和上部包层中且也n型集电极接触层中的相对有利的电子电流替换传统pnp装置内p型材料中的原本为较低效率的空穴电流。

Claims (60)

1、一种用于产生可控光脉冲的方法，其包括以下步骤：

提供异质结双极晶体管结构，其包括半导体材料的集电极区域、基极区域和发射极区域；

提供包封所述晶体管结构的至少一部分的光学谐振腔；及

相对于所述集电极区域、基极区域和发射极区域耦合电信号，以在产生输出激光脉冲的受激发射模式与自发发射模式之间来回切换。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述电信号包含AC激励信号，且其中每一激励信号循环的一部分可操作以产生受激发射，且每一激励信号循环的另一部分可操作以产生自发发射。

3、如权利要求2所述的方法，其中在所述循环的所述一部分期间，所述基极区域中的电流超出所述装置的受激发射阈值，且在所述循环的所述另一部分期间，所述基极区域中的电流未超出所述阈值。

4、如权利要求3所述的方法，其进一步包括控制所述激励信号的频率以控制所述输出激光脉冲的频率及控制所述激励信号的相对幅值以控制所述输出激光脉冲的脉冲宽度。

5、如权利要求3所述的方法，其进一步包括控制所述激励信号的相对幅值以控制所述输出激光脉冲的脉冲宽度。

6、如权利要求2所述的方法，其进一步包括以至少约1GHz的频率提供所述AC激励信号。

7、如权利要求2或4所述的方法，其进一步包括以至少约3GHz的频率提供所述AC激励信号。

8、如权利要求4或5所述的方法，其中将所述脉冲宽度控制成具有小于约100皮秒的脉冲宽度。

9、一种用于产生可控光脉冲的设备，其包括：

异质结双极晶体管结构，其包括半导体材料的集电极区域、基极区域和发射极区域；

光学谐振腔，其包封所述晶体管结构的至少一部分；及

耦合构件，其用于相对于所述集电极区域、基极区域和发射极区域耦合电信号，以在产生输出激光脉冲的受激发射模式与自发发射模式之间来回切换。

10、如权利要求9所述的设备，其中所述电信号包含AC激励信号，且其中每一激励信号循环的一部分可操作以产生受激发射，且每一激励信号循环的另一部分可操作以产生自发发射。

11、如权利要求10所述的设备，其中在所述循环的所述一部分期间，所述基极区域中的电流超出所述装置的受激发射阈值，且在所述循环的所述另一部分期间，所述基极区域中的电流未超出所述阈值。

12、如权利要求9所述的设备，其进一步包括控制构件，所述控制构件用于控制所述激励信号的频率以控制所述输出激光脉冲的频率及控制所述激励信号的相对幅值以控制所述输出激光脉冲的脉冲宽度。

13、如权利要求9所述的设备，其进一步包括控制构件，所述控制构件用于控制所述激励信号的相对幅值以控制所述输出激光脉冲的脉冲宽度。

14、如权利要求10所述的设备，其进一步包括用于以至少约1GHz的频率提供所述AC激励信号的构件。

15、如权利要求10或13所述的设备，其进一步包括用于以至少约3GHz的频率提供所述AC激励信号的构件。

16、如权利要求12所述的设备，其中所述脉冲宽度经控制以具有小于约100皮秒的脉冲宽度。

17、一种用于产生高频激光脉冲的方法，其包括以下步骤：

提供异质结双极晶体管结构，其包括半导体材料的集电极区域、基极区域和发射极区域；

提供光学谐振腔，其包封所述晶体管结构的至少一部分；及

相对于所述集电极区域、基极区域和发射极区域耦合至少某些具有至少约1GHz频率的电信号，以便以至少约1GHz的频率产生输出激光脉冲。

18、如权利要求17所述的方法，其中至少某些所述电信号具有至少约3GHz的频率，且所述输出激光脉冲具有至少约3GHz的频率。

19、一种用于确定发光晶体管装置的受激发射阈值的方法，其包括以下步骤：

提供异质结双极晶体管结构，其包括半导体材料的集电极区域、基极区域和发射极区域；

提供光学谐振腔，其包封所述晶体管结构的至少一部分；

相对于所述集电极区域、基极区域和发射极区域耦合电信号；

确定差动电流增益晶体管结构作为所述晶体管基极电流的函数；及

确定所述晶体管结构的受激发射阈值基极电流作为所述基极电流，所述差动电流增益在所述基极电流下开始随着基极电流的增加而降低。

20、一种用于接收第一和第二电信号并产生作为所述第一和第二电信号的函数的光学输出的设备，其包括：

双极发光晶体管装置，其包含集电极区域、基极区域和发射极区域；

与所述集电极区域耦合的集电极电极和与所述发射极区域耦合的发射极电极，藉此可将电位与所述集电极区域和发射极区域耦合；

光学耦合，其与所述基极区域光学连通；及

第一和第二基极电极，其与所述基极区域耦合；

所述第一和第二电信号分别与所述第一和第二基极电极耦合，藉此从所述基极区域发射作为所述第一和第二电信号的函数的光学输出并将其耦合至所述光学耦合中。

21、如权利要求20所述的设备，其中所述基极区域在光学谐振腔内，所述光学谐振腔包含至少部分地反射光学辐射的反射器，且其中所述光学输出包括激光输出。

22、如权利要求20或21所述的设备，其中所述激光输出包括多个经耦合的激光束。

23、如权利要求20或22所述的设备，其中所述第一电信号具有频率f1、所述第二电信号具有频率f2，且所述光学输出包含来自由f1+f2、|f1-f2|、2f1+f2、2f2+f1、|2f1-f2|和|2f2-f1|组成的群组的频率分量。

24、如权利要求20或21所述的设备，其中所述光学耦合包括光纤。

25、如权利要求20所述的设备，其中所述基极区域包含至少一个呈现量子尺寸效应的层。

26、如权利要求20所述的设备，其中所述至少一个呈现量子尺寸效应的层包括至少一个量子阱。

27、如权利要求20或21所述的设备，其进一步包括用于产生所述第一和第二电信号的第一和第二可控振荡器。

28、如权利要求20或21所述的设备，其进一步包括：信号发生器，其用于产生所述第一和第二电信号；及移相器，其用于产生所述第一与第二电信号之间的相移。

29、一种用于产生光学输出的方法，其包括以下步骤：

提供第一和第二电信号；

提供异质结双极发光晶体管装置，其包含集电极区域、基极区域和发射极区域；

提供与所述集电极区域耦合的集电极电极和与所述发射极区域耦合的发射极电极，并相对于所述集电极电极和发射极电极耦合电位；

提供与所述基极区域光学连通的光学耦合；

提供与所述基极区域耦合的第一和第二基极电极；及

将所述第一和第二电信号分别与所述第一和第二基极电极耦合，以产生从所述基极区域发射出并耦合至所述光学耦合中的光学输出，所述光学输出为所述第一和第二电信号的函数。

30、如权利要求29所述的方法，其中所述提供双极发光晶体管装置的步骤包括提供激光晶体管，且其中所述光学输出包括激光输出。

31、如权利要求29或30所述的方法，其中所述激光输出包括多个经耦合的激光束。

32、如权利要求29或30所述的方法，其中所述第一电信号具有频率f1、所述第二电信号具有频率f2，且所述光学输出包含来自由f1+f2、|f1-f2|、2f1+f2、2f2+f1、|2f1-f2|和|2f2-f1|组成的群组的频率分量。

33、如权利要求29或30所述的方法，其中所述光学耦合包括光纤。

34、如权利要求29或30所述的方法，其中所述提供第一和第二电信号的步骤包括提供用于产生所述第一和第二电信号的第一和第二可控振荡器。

35、如权利要求29或30所述的方法，其中所述提供第一和第二电信号的步骤包括提供：信号发生器，其用于产生所述第一和第二电信号；和移相器，其用于产生所述第一与第二电信号之间的相移。

36、一种用于接收多个电信号并产生作为所述多个电信号的函数的光学输出的设备，其包括：

双极发光晶体管装置，其包含集电极区域、基极区域和发射极区域；

与所述集电极区域耦合的集电极电极和与所述发射极区域耦合的发射极电极，藉此可将电位与所述集电极区域和发射极区域耦合；

光学耦合，其与所述基极区域光学连通；及

多个电极，其与所述基极区域耦合；

所述多个电信号分别与所述多个基极电极耦合，藉此从所述基极区域发射出作为所述第一和第二电信号的函数的光学输出并将其耦合至所述光学耦合中。

37、如权利要求36所述的设备，其中所述多个电信号包括四个电信号，且所述多个基极电极包括四个电极。

38、如权利要求36或37所述的设备，其中所述晶体管装置为激光装置，且所述光学输出为激光输出。

39、如权利要求38所述的设备，其中所述光学耦合包括光纤。

40、如权利要求36所述的设备，其中所述晶体管为边缘发射激光装置，且所述光学输出为激光输出。

41、如权利要求36所述的设备，其中所述晶体管为垂直腔激光装置，且所述光学输出为激光输出。

42、一种半导体发光晶体管装置，其包括：

双极pnp晶体管结构，其具有p型集电极、n型基极和p型发射极；

与所述集电极耦合的第一隧道结，和与所述发射极耦合的第二隧道结；及

与所述第一隧道结耦合的集电极触点、与所述第二隧道结耦合的发射极触点、和与所述基极耦合的基极触点；

藉此，相对于所述集电极触点、基极触点和发射极触点施加的信号通过所述基极中的辐射复合导致来自所述基极的光发射。

43、如权利要求42所述的装置，其中所述第一隧道结包括分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与所述集电极触点耦合，且所述n+/p+区域的p+层与所述集电极耦合。

44、如权利要求42所述的装置，其中所述集电极包括与所述基极耦合的集电极层和与所述集电极触点耦合的p型子集电极层。

45、如权利要求44所述的装置，其中所述集电极层为本征或轻掺杂p型。

46、如权利要求42或43所述的装置，其中所述第二隧道结包括分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与所述发射极触点耦合，且所述n+/p+区域的p+层与所述发射极耦合。

47、一种包括如权利要求42、43或46所述的半导体发光晶体管装置的半导体激光装置，其进一步包括包封所述装置的所述基极的至少一部分的光学谐振腔。

48、如权利要求47所述的激光装置，其中所述装置的至少一部分呈分层形式，且其中所述光学谐振腔为相对于所述装置的所述至少一部分的层平面的横向腔。

49、如权利要求47所述的激光装置，其中所述装置的所述至少一部分呈分层形式，且其中所述光学谐振腔为相对于所述装置的所述至少一部分的层平面的垂直腔。

50、如权利要求42所述的装置，其中所述晶体管包括直接带隙半导体材料的异质结构。

51、如权利要求50所述的装置，其中所述装置的所述基极包括重掺杂n+区域。

52、如权利要求50所述的装置，其进一步包括所述基极中呈现量子尺寸效应的区域。

53、如权利要求52所述的装置，其中所述基极中呈现量子尺寸效应的所述区域包括量子阱层。

54、如权利要求52所述的装置，其中所述基极中呈现量子尺寸效应的所述区域包括量子点层。

55、一种用于产生用输入电信号调制的光的方法，其包括以下步骤：

提供双极晶体管装置，其包含p型集电极、n型基极和p型发射极；

提供与所述集电极耦合的第一隧道结和与所述发射极耦合的第二隧道结；

提供与所述第一隧道结耦合的集电极触点，且提供与所述第二隧道结耦合的发射极触点，并提供与所述基极耦合的基极触点；

相对于所述集电极触点、基极触点和发射极触点施加电信号以通过所述基极区域中的辐射复合导致光发射；及

用所述输入电信号来控制所述晶体管装置的基极电流，以调制来自所述晶体管装置的光发射。

56、一种半导体晶体管装置，其包括：

双极pnp晶体管结构，其具有p型集电极、n型基极和p型发射极；

与所述集电极耦合的第一隧道结和与所述发射极耦合的第二隧道结；及

与所述第一隧道结耦合的集电极触点、与所述第二隧道结耦合的发射极触点和与所述基极耦合的基极触点；

藉此，相对于所述集电极触点、基极触点和发射极触点施加的信号通过所述基极中的辐射复合导致来自所述基极的光发射。

57、如权利要求56所述的装置，其中所述第一隧道结包括分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与所述集电极触点耦合，且所述n+/p+区域的p+层与所述集电极耦合。

58、如权利要求56所述的装置，其中所述集电极包括与所述基极耦合的集电极层和与所述集电极触点耦合的p型子集电极层。

59、如权利要求58所述的装置，其中所述集电极层为本征或轻掺杂p型。

60、如权利要求56或57所述的装置，其中所述第二隧道结包括分层式n+/p+区域，其中所述n+/p+区域的n+层与所述发射极触点耦合，且所述n+/p+区域的p+层与所述发射极耦合。

Images