CN101937873A - 双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法 - Google Patents

双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，该方法包括：步骤1：选择一衬底；步骤2：在该衬底上依次生长缓冲层、下包层、亚集电极层、集电极层、基极层、量子阱有源区层、发射极层、上包层以及接触层；步骤3：制作该单片集成器件的激光器单元；步骤4：制作该单片集成器件的晶体管单元。利用本发明，由于激光器与双极型晶体管具有相同的材料结构以及制作工艺，所以大大简化了该种类型光电单片集成器件的制作。

Description

双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法。
背景技术
光电集成器件(OEIC)在光纤通信系统中起重要作用，多年来一直是热门研究课题，OEIC器件利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子器件集成在同一衬底的单片上构成。目前，光接收机OEIC器件发展迅速，器件工作速率已经超过40Gb/s。相比之下，用于光发射的集成了激光器与晶体管的OEIC器件发展缓慢，主要原因之一是激光器与晶体管在材料结构及制作工艺两方面都互不兼容。
2005年，美国依利诺依大学的一个研究小组报道了一种称为异质结双极型晶体管激光器的半导体器件[Appl.Phys.Lett.Vol.87，P.131103(2005).]，与普通晶体管的不同之处在于，晶体管的基区中引入了一个量子阱。在一定的基极—集电极电压下，电子会由集电区注入基区，在量子阱区与空穴复合发光。在具有较强端面反射率和较大增益的条件下，器件具有激光发射的功能。在相反的条件下，载流子在量子阱有源区内的以非辐射复合为主，使得器件以晶体管工作时具有较大的电流/电压放大倍数。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，以简化该种类型光电单片集成器件的制作。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，该方法包括：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在该衬底上依次生长缓冲层、下包层、亚集电极层、集电极层、基极层、量子阱有源区层、发射极层、上包层以及接触层；
步骤3：制作该单片集成器件的激光器单元；
步骤4：制作该单片集成器件的晶体管单元。
上述方案中，所述衬底是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底；
上述方案中，所述量子阱有源区层生长在所述基极层与发射极层之间，或者生长在所述基极层之中。
上述方案中，所述量子阱有源区中阱材料厚度为7～12nm，垒材料厚度为6～15nm，有源区量子阱的个数为1～7个。
上述方案中，所述晶体管单元具有制作在接触层之上的发射极电极、制作在基极之上的基极电极以及制作在亚集电极层之上的集电极电极三个电极。
上述方案中，对于所述晶体管单元，通过减小器件尺寸及降低端面反射率等方法，载流子在量子阱有源区中的复合以非辐射复合为主，从而具有较高电流/电压放大系数。
上述方案中，所述激光器单元具有与晶体管单元在位置和材料两方面完全相同的三个电极。
上述方案中，所述激光器单元具有长度大于100微米及端面反射率大于30％的谐振腔，量子阱有源区层能够提供足够的增益从而实现激光发射。
上述方案中，所述激光器单元与所述晶体管单元具有相同的材料结构以及制作工艺。
上述方案中，所述激光器单元是多纵模激光器，或者是分布反馈单纵模激光器。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，器件的激光器单元和晶体管单元具有相同的材料结构和工艺结构，利用量子阱增益以及器件端面反馈的大小来控制器件实现激光器或者晶体管的功能，从而大大的简化了集成器件的制作。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容，一下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，其中：
图1是本发明提供的制作双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的方法流程图；
图2是本发明提供的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件内部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其中量子阱有源区层可以位于基极层之中，也可以位于基极层与射极层之间；制作具有较大的长度和较高的端面反射率谐振腔的激光器单元，量子阱有源区可以提供足够的增益从而实现激光发射；制作小尺寸的晶体管单元，载流子在量子阱有源区中的复合以非辐射复合为主，从而具有较高电流/电压放大系数。
如图1所示，图1是本发明提供的制作双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的方法流程图，该方法包括如下步骤：
步骤1：选择一GaAs衬底10；
步骤2：在GaAs衬底10上依次生长GaAs缓冲层20、铝镓砷下包层30、n+镓砷亚集电极层40、i型或弱n型掺杂的镓砷集电极层50、p+镓砷基极层60、i型铟镓砷/镓砷量子阱有源区70、n型铟镓磷发射极层80、n型铝镓砷上包层90以及n+镓砷接触层110。图2中i型铟镓砷/镓砷量子阱有源区70位于所述镓砷基极层60及发射极层80之间，也可以生长在所述镓砷基极层60之中，铟镓砷/镓砷量子阱有源区中阱材料厚度为7～12nm，垒材料厚度为6～15nm，有源区量子阱的个数为1～7个；
步骤3：制作集成器件的晶体管单元，该单元具有小的尺寸(长/宽度小于100微米)及低的端面反射率，载流子在该单元的量子阱有源区中的复合以非辐射复合为主，从而晶体管单元具有较高电流/电压放大系数；晶体管单元具有制作在接触层110之上的发射极电极111、制作在基极层之60上的基极电极61以及制作在亚集电极40层之上的集电极电极41三个电极；
步骤4：制作集成器件的激光器单元，其具有长度大于100微米及端面反射率大于30％的谐振腔，在这样的条件下量子阱有源区可以提供足够的增益从而实现激光发射，激光器单元可以是多纵模激光器也可以是分布反馈单纵模激光器；激光器单元具有与晶体管单元在位置和材料两方面完全相同的三个电极即制作在接触层110之上的发射极电极111、制作在基极层之60上的基极电极61以及制作在亚集电极40层之上的集电极电极41三个电极；激光器工作时集电极电极41-发射极电极111之间施加一个反向电压(集电极正、发射极负)，在一定的基极电流下激光器激射发光。
本发明制作的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件，其内部结构如图2所示。
本发明制作的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件，其激光器单元与晶体管单元具有相同的材料结构和制作工艺，所以大大的简化器件的制作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在该衬底上依次生长缓冲层、下包层、亚集电极层、集电极层、基极层、量子阱有源区层、发射极层、上包层以及接触层；
步骤3：制作该单片集成器件的激光器单元；
步骤4：制作该单片集成器件的晶体管单元。
2.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述衬底是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底；
3.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述量子阱有源区层生长在所述基极层与发射极层之间，或者生长在所述基极层之中。
4.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述量子阱有源区中阱材料厚度为7～12nm，垒材料厚度为6～15nm，有源区量子阱的个数为1～7个。
5.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述晶体管单元具有制作在接触层之上的发射极电极、制作在基极之上的基极电极以及制作在亚集电极层之上的集电极电极三个电极。
6.根据权利要求5所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，对于所述晶体管单元，通过减小器件尺寸及降低端面反射率等方法，载流子在量子阱有源区中的复合以非辐射复合为主，从而具有较高电流/电压放大系数。
7.根据权利要求5所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述激光器单元具有与晶体管单元在位置和材料两方面完全相同的三个电极。
8.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述激光器单元具有长度大于100微米及端面反射率大于30％的谐振腔，量子阱有源区层能够提供足够的增益从而实现激光发射。
9.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述激光器单元与所述晶体管单元具有相同的材料结构以及制作工艺。
10.根据权利要求1所述的双极型晶体管与半导体激光器单片集成器件的制作方法，其特征在于，所述激光器单元是多纵模激光器，或者是分布反馈单纵模激光器。
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