CN104752952B - 一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，该激光器由GaAs基HBT和VCSEL两部分组成，所述GaAs基HBT由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的第一GaAs缓冲层、GaAs集电区、第一GaAs非掺杂间隔层、GaAs P+型掺杂基区、第二GaAs非掺杂间隔层、In0.49Ga0.51P发射区、第一GaAs帽层构成；所述VCSEL由在腐蚀截止层InGaP上依次分子束外延生长的第二GaAs缓冲层、34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层、第二GaAs帽层。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体材料及器件技术领域，尤其涉及到一种单片砷化镓(GaAs)基赝配高电子迁移率晶体管(HBT)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的结构。
背景技术
异质结双极晶体管(HBT)具有高频、高功率密度、高功率附加率以及良好的线性而倍受人没关注，在微波、高速集成电路中有着广泛的应用，大量应用于军事、太空和民用通讯领域，如毫米波雷达、电子战、智能装备、卫星通讯和辐射天文学等。在高速光通信领域，HBT器件多用于激光器的驱动电路。
垂直腔面发射激光器是近几年应用较广的一种新型光源，具有如下优点：(1)谐振腔小，易产生微腔效应，低阈值(亚毫安量级)激射；(2)谐振腔比较短，因而纵模间隔很大，动态调制频率高；(3)有源区截面呈圆对称型，光束方向性好，易耦合；(4)出光方向垂直于衬底平面，适合于并行光互连和信息处理；(5)器件体积小，可高密度地形成二维阵列激光器；(6)单片外延生长形成，便于对生长材料的质量检查与筛选，成品率高。
所以，将GaAs基HBT和垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成在同一块衬底上，形成单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构，实现器件的单片集成是本发明的一个重要价值。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，以将GaAs基HBT和VCSEL集成在同一块衬底上，实现GaAs基HBT和VCSEL单片集成。
为达到上述目的，本发明提供了一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，该激光器由GaAs基HBT和VCSEL两部分组成，所述GaAs基HBT由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的第一GaAs缓冲层、GaAs集电区、第一GaAs非掺杂间隔层、GaAs P+型掺杂基区、第二GaAs非掺杂间隔层、In0.49Ga0.51P发射区、第一GaAs帽层构成；所述VCSEL由在腐蚀截止层InGaP上依次分子束外延生长的第二GaAs缓冲层、34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层、第二GaAs帽层。
上述方案中，所述第一GaAs缓冲层用于为后续外延层的生长提供平整的界面；该缓冲层GaAs的厚度为500nm。
上述方案中，所述集电区GaAs的厚度为600nm。
上述方案中，所述P+型掺杂基区GaAs的厚度为100nm。
上述方案中，所述第一非掺杂间隔层、第二非掺杂间隔层的厚度为5nm。
上述方案中，所述发射区的厚度为50nm。
上述方案中，所述第一GaAs帽层厚度为100nm。
上述方案中，所述腐蚀截止层InGaP用于将HBT和VCSEL的外延结构隔开，在腐蚀过程中起到腐蚀截止作用；该腐蚀截止层InGaP的厚度为3nm。
上述方案中，所述沟道层In0.2Ga0.8As的厚度为12nm，所述势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为15nm。
上述方案中，所述N型下分布布拉格反射镜层由34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成。
上述方案中，所述N型下分布布拉格反射镜层由34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚4460nm。
上述方案中，所述有源层Al0.2Ga0.8As/GaAs厚250nm。
上述方案中，所述P型分布布拉格反射镜层由3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚380nm。
上述方案中，所述氧化限制层Al0.98Ga0.02As厚40nm。
上述方案中，所述P型上分布布拉格反射镜层由21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚2780nm。
上述方案中，所述第二GaAs帽层厚10nm。
有益结果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的这种单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构，是在常规GaAs基HBT外延结构的基础上，生长了腐蚀截止层InGaP、GaAs缓冲层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层、GaAs帽层。用来实现VCSEL。InGaP将HBT和VCSEL隔开，并在腐蚀过程中，起到腐蚀截止作用。
另外，本发明提供的这种单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构，可以实现更为复杂的电路，例如单片集成HBT放大器和VCSEL。
附图说明
图1是单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构的示意图；
图中：1、GaAs衬底，2、第一GaAs缓冲层，3、GaAs集电区，4、第一GaAs非掺杂间隔层，5、GaAs P+型掺杂基区，6、第二GaAs非掺杂间隔层，7、In0.49Ga0.51P发射区，8、第一GaAs帽层，9、腐蚀截止层InGaP，10、第二GaAs缓冲层，11、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层，12、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层，13、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层，14、Al0.98Ga0.02As氧化限制层，15、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层，16、第二GaAs帽层。
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。
本发明提供的这种单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构，是在常规GaAs基HBT外延结构的基础上，生长了腐蚀截止层InGaP、GaAs缓冲层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层、GaAs帽层，用来实现VCSEL。InGaP将HBT和VCSEL隔开，并在腐蚀过程中，起到腐蚀截止作用。
常规GaAs基HBT材料结构由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的GaAs缓冲层1、GaAs集电区、GaAs非掺杂间隔层、GaAs P+型掺杂基区、GaAs非掺杂间隔层、In0.49Ga0.51P发射区、GaAs帽层1构成。
VCSEL材料结构的结构由在GaAs衬底上依次生长的GaAs缓冲层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8AsP型上分布布拉格反射镜层、GaAs帽层构成。
如图1所示，图1是本发明提供的单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构的示意图，该结构由GaAs基HBT和VCSEL部分组成，所述GaAs基HBT和所述VCSEL被腐蚀截止层InGaP隔开。
所述GaAs基HBT由在由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的GaAs缓冲层1、GaAs集电区、GaAs非掺杂间隔层、GaAs P+型掺杂基区、GaAs非掺杂间隔层、In0.49Ga0.51P发射区、GaAs帽层1构成。
所述腐蚀截止层InGaP在所述N型高掺杂盖帽层GaAs上分子束外延生长而成。
所述VCSEL由在腐蚀截止层InGaP上依次分子束外延生长的GaAs缓冲层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层、GaAs帽层构成。
所述第一GaAs缓冲层用于为后续外延层的生长提供平整的界面；该缓冲层GaAs的厚度为500nm。
上述方案中，所述集电区GaAs的厚度为600nm，n型掺杂，掺杂浓度为1.5x1016cm-3。
上述方案中，所述P+型掺杂基区GaAs的厚度为100nm，p+型掺杂，掺杂浓度为4x1019cm-3。
上述方案中，所述非掺杂间隔层的厚度为5nm。
上述方案中，所述发射区的厚度为50nm,n型掺杂，掺杂浓度为3x1017cm-3。
上述方案中，所述n+型盖帽层GaAs厚度为100nm，n+型掺杂，掺杂浓度为4x1018cm-3。
所述腐蚀截止层InGaP用于将HBT和VCSEL的外延结构隔开，在腐蚀过程中起到腐蚀截止作用；该腐蚀截止层InGaP的厚度为3nm。
所述N型下分布布拉格反射镜层由34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成。
所述N型下分布布拉格反射镜层由34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚4460nm。
所述有源层Al0.2Ga0.8As/GaAs厚250nm。
所述P型分布布拉格反射镜层由3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成,厚380nm。
所述氧化限制层Al0.98Ga0.02As厚40nm。
所述P型上分布布拉格反射镜层由21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚2780nm。
所述帽层GaAs厚10nm。
下面进一步说明本发明提供的这种单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构的生长过程。
步骤1、在GaAs衬底上生长500nm的第一缓冲层GaAs，n+型掺杂，掺杂浓度为5x1018cm-3；
步骤2、在缓冲层GaAs上生长600nm GaAs集电区，n型掺杂，掺杂浓度为1.5x1016cm-3；
步骤3、在GaAs集电区上生长5nm的非掺杂间隔层GaAs；
步骤4、在非掺杂间隔层上生长100nm的p+型掺杂基区GaAs，p+型掺杂，掺杂浓度为4x1019cm-3；
步骤5、在基区GaAs上生长5nm的非掺杂间隔层GaAs；
步骤6、在非掺杂间隔层GaAs上生长50nm发射区In0.49Ga0.51P，n型掺杂，掺杂浓度为3x1017cm-3；
步骤7、在发射区GaAs上生长100nm的n+型掺杂GaAs帽层，掺杂浓度为4x1018cm-3；
步骤8、在N型高掺杂盖帽层GaAs上生长厚3nm的In0.5Ga0.5P腐蚀截止层；
步骤9、在In0.5Ga0.5P腐蚀截止层上生长厚300nm的GaAs缓冲层2；
步骤10、在第二缓冲层GaAs上生长厚4460nm的34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层；
步骤11、在N型下分布布拉格反射镜层上生长厚250nm的Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层；
步骤12、在有源层上生长厚380nm的3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8AsP型分布布拉格反射镜层；
步骤13、在P型分布布拉格反射镜层上生长厚40nm的Al0.98Ga0.02As氧化限制层；
步骤14、在氧化限制层上生长厚2780nm的21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层；
步骤15、在P型上分布布拉格反射镜层上生长厚度10nm GaAs帽层。
本发明的单片集成GaAs基HBT和VCSEL材料结构，考虑到外延生长和器件性能两方面的实际要求，各层厚度、掺杂剂量可在一定范围内，根据具体材料和器件指标进行调整。在满足外延生长可实现的前提下，实现单片集成GaAs基HBT和VCSEL。
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GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：该激光器由GaAs基HBT和VCSEL两部分组成，所述GaAs基HBT由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的第一GaAs缓冲层、GaAs集电区、第一GaAs非掺杂间隔层、GaAs P+型掺杂基区、第二GaAs非掺杂间隔层、In0.49Ga0.51P发射区、第一GaAs帽层构成；所述VCSEL由在腐蚀截止层InGaP上依次分子束外延生长的第二GaAs缓冲层、34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As N型下分布布拉格反射镜层、Al0.2Ga0.8As/GaAs有源层、3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型分布布拉格反射镜层、Al0.98Ga0.02As氧化限制层、21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As P型上分布布拉格反射镜层、第二GaAs帽层。
2.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第一GaAs缓冲层用于为后续外延层的生长提供平整的界面；该缓冲层GaAs的厚度为500nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述集电区GaAs的厚度为600nm。
4.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述P+型掺杂基区GaAs的厚度为100nm。
5.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第一非掺杂间隔层、第二非掺杂间隔层的厚度为5nm。
6.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述发射区的厚度为50nm。
7.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第一GaAs帽层厚度为100nm。
8.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：腐蚀截止层InGaP的厚度为3nm。
9.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述沟道层In0.2Ga0.8As的厚度为12nm，所述势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为15nm。
10.根据权利要求1所述的一种GaAs基HBT垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述N型下分布布拉格反射镜层由34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成；
所述N型下分布布拉格反射镜层由34.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚4460nm；
所述有源层Al0.2Ga0.8As/GaAs厚250nm；
所述P型分布布拉格反射镜层由3对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚380nm；
所述氧化限制层Al0.98Ga0.02As厚40nm；
所述P型上分布布拉格反射镜层由21.5对λ0/4光学厚度的Al0.9Ga0.1As/Al0.2Ga0.8As构成，厚2780nm；
所述第二GaAs帽层厚10nm。
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