CN104485578A - 一种晶体管激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体管激光器及其制作方法。所述方法包括：选择一衬底；依次生长缓冲层、下集电极层、集电极层、基极层及电流阻挡层；选择性腐蚀掉一部分电流阻挡层材料；生长有源层、发射极层及接触层；腐蚀制作发射极脊波导至电流阻挡层；器件基极层材料与有源层材料间的电流阻挡层可以作为发射极波导刻蚀的停止层，从而可以高精度的控制波导高度。通过选择性腐蚀掉发射极波导下的电流阻挡层材料，形成了对载流子侧向扩散的限制，有利于减少载流子在有源区侧壁的非辐射复合。这些措施可明显提高器件性能。

Description

一种晶体管激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，特别涉及一种晶体管激光器及其制作方法。

背景技术

2005年，美国依利诺依大学的一个研究小组在世界上首先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).]，仅利用较为简单的外延及制作工艺该器件同时实现了激光器的发光功能和晶体管的放大功能。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。在一定的基极一集电极电压下，电子会由集电区注入基区，在量子阱区与空穴复合发光。光波在前后两个解理腔反射镜面之间来回反射得到放大，超过一定强度后由端面出射。因此，这种器件不仅有常规晶体管的电信号放大功能，同时还具备了由电信号向光信号转换的功能[IEEE Spectrum，Vol 43，P.50(2006)]。正因有此特点，晶体管激光器将有可能在光子互联、光电子集成(OEIC)以及光信号处理等方面发挥巨大作用。

在所报道的浅脊型晶体管激光器结构中，量子阱有源区被置于基区之中，对于NPN型器件这个结构有一个明显的缺点：在使用能够对空穴浓度进行线性控制的Zn作为p型掺杂杂质时，Zn容易从上下两个方向扩散到有源区之中，导致有源区材料质量显著下降，恶化器件发光性能[J.Appl.Phys.，Vol 103，P.114505(2008)]。在已报道的深脊型晶体管激光器中[Optics Letters，Vol 36 P.3206(2011)]，量子阱有源层被置于基极层之上，从而避免了Zn从上方向量子阱的扩散.但InP基深脊型晶体管激光器的有源层与基极层材料均为InGaAsP或者InGaAlAs，这给器件发射极波导的制作带来了困难，波导的高度只能由干法或湿法刻蚀的时间控制，存在很大的误差，导致器件性能的波动。另外，深脊型晶体管激光器量子阱有源区侧壁处于暴露状态，大量的悬挂键等缺陷导致了载流子严重的非辐射复合，使得采用深脊波导结构的激光器件的性能明显恶化。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种晶体管激光器的制作方法，以提高器件发射极波导的制作精度，同时减少载流子非辐射复合的影响，制作高性能晶体管激光器。

本发明提供了一种晶体管激光器的制作方法，其包括如下步骤：

步骤1、选择一衬底；

步骤2、在衬底上表面依次生长缓冲层、下集电极层、集电极层、基极层及电流阻挡层；

步骤3、选择性腐蚀掉一部分电流阻挡层；

步骤4、依次生长有源层、发射极层及接触层；

步骤5、在被腐蚀掉一部分电流阻挡层区域之上腐蚀制作发射极脊波导至电流阻挡层；

步骤6、分别制作发射极电极、基极电极和集电极电极。

本发明还提供了一种晶体管激光器，其包括：

衬底；

依次生长在衬底上表面的缓冲层、下集电极层、集电极层、基极层、电流阻挡层、有源层、发射极层和接触层；其中，所述电流阻挡层有部分区域被腐蚀形成有至少一个窗口；

发射极脊波导，其通过腐蚀有源层、发射极层和接触层而制作在所述电流阻挡层被腐蚀掉的区域之上；

发射极电极；

基极电极；

集电极电极。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

器件基极层材料与有源层材料间的电流阻挡层可以作为发射极波导刻蚀的停止层，从而可以高精度的控制波导高度。通过选择性腐蚀掉发射极波导下的InP层材料，避免了该层材料对载流子在发射极与基极间流动的阻挡，又同时形成了对载流子侧向扩散的限制，有利于减少载流子在有源区侧壁的非辐射复合。这些措施可明显提高器件性能。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明进行进一步描述，其中：

图1-图5为本发明中晶体管激光器器件的制作工艺流程示意图。

图6为本发明中有源层材料结构示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1至图6所示，以InP基器件为例，本发明提供一种晶体管激光器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、选择衬底10；所述衬底可以是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底；

步骤2、在衬底10上表面依次生长缓冲层20、下集电极层30、集电极层40、基极层50及一层电流阻挡层60，如图1所示。

所述基极层50材料为InGaAsP材料。电流阻挡层60为In_xGa_1-xP材料(其中0≤x≤1)。电流阻挡层60为不掺杂，或以N型-P型-N型或P型-N型-P型的顺序调制掺杂；电流阻挡层60材料具有比基极层50及有源层70材料宽的带隙，在不掺杂的情况下即对电流具有一定的阻挡作用。进行调制掺杂时PN结的反向截止作用可更有效的形成对电流的阻挡作用；

步骤3、选择性腐蚀掉一部分电流阻挡层60材料，如图2所示；

步骤4、生长有源层70、发射极层80及接触层90，如图3所示。

步骤5、腐蚀制作发射极脊波导r至电流阻挡层60，如图4所示。由于有源层材料70与电流阻挡层材料60具有不同的化学及物理特性，电流阻挡层材料60可以作为腐蚀停止层，制作发射极波导r时在其高度方向的刻蚀自动停止于电流阻挡层60，从而可以精确的确定波导高度。发射极脊波导r位于所述电流阻挡层60被腐蚀掉的区域之上，在发射极波导r下方的电流阻挡层60被选择性腐蚀掉的区域形成一个窗口，避免了该层材料对载流子在发射极与基极间流动的阻挡，又同时形成了对由基极流向发射极的载流子侧向扩散的限制，有利于减少载流子在有源区侧壁的非辐射复合。

步骤6、腐蚀掉脊波导r之外的部分电流阻挡层60，露出基极层50；分别在接触层90之上制作发射极电极91，在露出的基极层50之上制作基极电极51及衬底层10下表面制作集电极电极11，如图5所示。

其中有源层70包括下分别限制层71，多量子阱层72及上分别限制层73，如图6所示；

其中所述器件是NPN型或PNP型。

其中所述集电极电极也可制作于下集电极层30之上，这时需要将集电极电极位置处集电极层30之上的集电极层40及基极层50腐蚀掉，露出集电极层材料30。

本发明还公开了一种晶体管激光器，其包括：

衬底；

依次生长在衬底上表面的缓冲层、下集电极层、集电极层、基极层、电流阻挡层、有源层、发射极层和接触层；其中，所述电流阻挡层有部分区域被腐蚀形成有至少一个窗口；

发射极脊波导，其通过腐蚀有源层、发射极层和接触层而制作在所述电流阻挡层被腐蚀掉的区域之上；

发射极电极；

基极电极；

集电极电极。

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，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 (9)

1.一种晶体管激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选择一衬底；

步骤2、在衬底上表面依次生长缓冲层、下集电极层、集电极层、基极层及电流阻挡层；

步骤3、选择性腐蚀掉一部分电流阻挡层；

步骤4、依次生长有源层、发射极层及接触层；

步骤5、在被腐蚀掉一部分电流阻挡层区域之上腐蚀制作发射极脊波导至电流阻挡层；

步骤6、分别制作发射极电极、基极电极和集电极电极。

2.根据权利要求1所述的一种晶体管激光器的制作方法，其特征在于，所述电流阻挡层为不掺杂或以N型-P型-N型或P型-N型-P型的顺序调制掺杂材料。

3.根据权利要求2所述的一种晶体管激光器的制作方法，其特征在于，所述电流阻挡层材料具有比基极层及有源层材料宽的带隙，在不掺杂时，对电流具有一定的阻挡作用；在调制掺杂时，PN结的反向截止作用形成对电流的阻挡作用。

4.根据权利要求1所述的一种晶体管激光器的制作方法，其特征在于，所述晶体管激光器是NPN型或PNP型。

5.根据权利要求1所述的一种晶体管激光器的制作方法，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。

6.根据权利要求1所述的一种晶体管激光器的制作方法，其特征在于，所述电流阻挡层材料为腐蚀制作发射脊波导时的腐蚀停止层。

7.根据权利要求1所述的一种晶体管激光器的制作方法，其特征在于，所述发射极电极制作接触层上，所述基极电极在发射极脊波导两侧被腐蚀掉电流阻挡层后露出的基极层上，所述集电极电极制作在衬底层下表面或集电极层。

8.一种晶体管激光器，其包括：

衬底；

依次生长在衬底上表面的缓冲层、下集电极层、集电极层、基极层、电流阻挡层、有源层、发射极层和接触层；其中，所述电流阻挡层有部分区域被腐蚀形成有至少一个窗口；

发射极脊波导，其通过腐蚀有源层、发射极层和接触层而制作在所述电流阻挡层被腐蚀掉的区域之上；

发射极电极；

基极电极；

集电极电极。

9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述有源层包括下分别限制层、多量子阱层及上分别限制层。