CN105932542A - 一种晶体管垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体管垂直腔面发射激光器（T‑VCSEL），属于集成光电子器件技术领域。该T‑VCSEL包括：按照外延生长的次序依次排布的缓冲层、下端面分布式布拉格反射镜、集电极区、基极区、发射极区、上端面分布式布拉格反射镜，以及分别与集电极区、基极区、发射极区导通的集电极、基极电极、发射极电极；所述基极区中设置有量子阱有源区；所述集电极设置于所述缓冲层的背面；缓冲层与下端面分布式布拉格反射镜具有与集电极区相同的掺杂类型。本发明可以将从发射极区注入的载流子在集电极区的传输路径长度从现有的数十微米缩短至几微米，从而有效减少内阻的电压降对于器件工作状态的控制所产生的不利影响，同时改善集电极区内电势的横向分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体管垂直腔面发射激光器(Transistor Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，简称T-VCSEL)，属于集成光电子器件技术领域。
背景技术
基于III-V族材料的高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于出射光束易于光纤耦合、阈值电流低、直调带宽大、支持片上检测、易于实现二维阵列、生产成本低廉等优势，已经广泛应用于短距离光通信网络、数据中心以及USB,PCIExpress,HDMI等消费类电子产品中。目前，全球主要的VCSEL制造商均已推出覆盖850nm至1550nm波长、单通道速率为25Gb/s的产品。但随着包括片上、片间在内的短距离光通信对带宽需求的不断提升，如何进一步提高VCSEL的直调带宽便成了人们关注的焦点。当前，拓展VCSEL直调带宽的主要机理有：缩短腔内光子寿命以及减小器件的寄生效应和热效应。基于这些机理形成的主要手段包括缩小器件的尺寸和谐振腔长度、操控模式的腔内损耗、以及采用导热性更为优良的材料等。由此带来的性能改良已经将VCSEL的直调带宽提升到了28GHz(无误码传输速率提高到了57Gb/s)，但此带宽仍然无法有效应对2020年单通道短距离通信100Gb/s的发展趋势。
光子器件和系统高密度单片集成的发展趋势，要求器件具备低功耗、多功能的特点。在此趋势下，研制兼具高能效、大带宽的创新型多功能光子器件成为满足实际应用需求的可靠解决途径。针对传统垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件面临的功能单一和直调带宽瓶颈，一直以来，研究者们就在尝试将同样基于III-V的晶体管结构融入包括VCSEL在内的激光器设计中，探索新型光电器件所具有的独特功能特征及其应用，早在1980年，集成光子学奠基者、加州理工大学著名教授A.Yariv等就尝试将异质结双极性晶体管(HBT)和边发射半导体激光器集成到同一块芯片上，用HBT驱动激光器发光；2010年，荷兰飞利浦公司(CN102474072 B)将光电三极管结构集成于VCSEL的下端面布拉格反射镜之中(VCSEL有源区位于三极管结构外部)，利用光电三极管的开关来控制VCSEL中载流子的运动方向。近年来，相关领域的主要研究方向逐渐集中在利用晶体管中基于其载流子动力学特征的超高响应速度带动VCSEL直调带宽的提升。2004年，美国伊利诺伊州立大学的M.Feng和LED的发明者N.Holonyak首次提出将量子阱(QW)引入基于GaAs材料HBT的基极区，并于2005年获得了首个常温下有光输出的T-laser(参见[M.Feng,N.Holonyak,G.Walter and R.Chan,“Roomtemperature continuous wave operation of a heterojunction bipolar transistor laser”,Applied Physics Letters,vol.87,no.13,p.131103(2005)])。与传统laser相比，当T-laser处于放大工作状态时，从发射区进入基区的少数载流子除了部分参与受激辐射外，剩余的载流子能够在反向偏压的基极-集电极作用下迅速从厚度很薄的基极区逃逸至集电极区，因而有效避免了存在于传统laser中的光子与载流子的谐振效应，抑制了高速调制时谐振频率的产生，实现提升调制带宽的功能。而T-VCSEL在T-laser的基础上还拥有诸如圆形出射光束易于耦合，阈值电流低，支持片上检测，易于实现二维阵列，生产成本低廉等独特优势，T-VCSEL的制作工艺不仅与基于同样材料的微波器件兼容，其垂直光出射特性更有利于与微波电器件的平面集成。
为了进一步提高晶体管垂直腔面发射激光器的光输出效率，瑞典皇家工学院申请的发明专利SE:2013051451:W(US:201314648993:A)中公开了一种新型的晶体管垂直腔面发射激光器，其基本结构如图1所示。与现有其它T-VCSEL器件的总体结构相同，按外延生长的顺序SE:2013051451:W中的T-VCSEL器件可以分为缓冲层、下端面分布式布拉格反射镜(DBR)、集电极区、基极区、发射极区以及上端面分布式布拉格反射镜(DBR)六个主要组成部分以及分别与集电极区、基极区、发射极区导通的集电极、基极电极、发射极电极，量子阱有源区设置于基极区中。该方案的主要创新之处主要为几下几点：
1、器件的总体结构采用PNP型：在此之前的T-VCSEL采用的是NPN型结构,由于在基极区量子阱之上的导电层中不可避免的使用P型掺杂(一般是Zn或C)，不仅造成比N型杂质高的多的光吸收，更重要的是存在P型受主杂质离子向量子阱内的扩散的现象，伴随产生的量子阱混合效应将严重影响其发光性能。为此，该方案的总体结构采用PNP型，即器件中的集电极区、基极区、发射极区的掺杂类型依次为P型、N型、P型。采用掺Si的N型基极区可以保持量子阱材料的完整性，从而使之具有与本征InGaAs量子阱相接近的发光效率。
2、电介质型上端面反射镜：该方案采用周期性结构的电介质材料SiO2与无定形Si作为上端面DBR的组成成分，具有十分突出的优越性，与其它采用周期性导电层AlGaAs/GaAs的DBR相比。该结构将DBR的厚度从几十微米的减小为2-3微米，极大缩减了载流子在发射极中的运动路径，减小了相关内阻上热效应与电压降，提高了输出光功率。
3、发射极区的载流子限制注入方式：T-VCSEL结构必须引入载流子限制注入方式来实现受激辐射所需要的阈值增益。专利SE:2013051451:W中分别设计了反向偏压的PN结与反向偏压的掩埋隧道结来实现横向的载流子限制注入。与反向偏压的PN结相比，反向偏压的掩埋隧道结可以有效降低寄生电容效应，其等效电阻随驱动电流增大而减小；采用该结构后原本P型发射区中，部分P型层结构被N型层结构所取代，因此有助于输出光功率的提高(P型受主杂质离子的光吸收远高于N型施主杂质离子)；此外，还具有简化工艺的作用，掩埋隧道结结构只需二次外延工艺，而反向偏压PN结结构需要二次与三次外延工艺。
综上可知，专利SE:2013051451:W所提出的T-VCSEL结构可有效提升光输出效率。然而，无论是专利SE:2013051451:W所提出的T-VCSEL结构还是其他现有T-VCSEL结构，普遍存在一个关键问题，制约了器件性能的进一步提高：T-VCSEL随输入电流的增加,器件的工作状态从放大迅速转变为饱和，从而失去增强调制带宽的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的随输入电流增加而失去增强调制带宽功能的不足，提供一种晶体管垂直腔面发射激光器，通过T-VCSEL器件结构的改进，能够迫使载流子的运动方式以中心处的垂直运动为主，减少串联内阻引起的电压降，提高有源区的发光与载流子运输效率。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种晶体管垂直腔面发射激光器，包括：按照外延生长的次序依次排布的缓冲层、下端面分布式布拉格反射镜、集电极区、基极区、发射极区、上端面分布式布拉格反射镜，以及分别与集电极区、基极区、发射极区导通的集电极、基极电极、发射极电极；所述基极区中设置有量子阱有源区；所述集电极设置于所述缓冲层的背面；缓冲层与下端面分布式布拉格反射镜具有与集电极区相同的掺杂类型。
进一步地，所述集电极区设置有氧化物层，用于限制器件非中心位置处基极电极-集电极之间垂直方向的载流子运动。
进一步地，所述基极区包括分别位于垂直方向的上导电层和下掺杂层，以及设置于上导电层与下掺杂层之间的量子阱有源区；所述量子阱有源区包括沿垂直方向的一组叠层，每个叠层由势垒层和量子阱层构成，所述势垒层具有与所述上导电层和下掺杂层相同的掺杂类型。其中，势垒层、上导电层、下掺杂层这三者具有相同的掺杂浓度；或者，上导电层的掺杂浓度大于下掺杂层的掺杂浓度，各势垒层的掺杂浓度介于上导电层与下掺杂层的掺杂浓度之间，且各势垒层的掺杂浓度随着与上导电层之间距离的增大而减小。
本发明还可进一步结合专利SE:2013051451:W中所提出的结构创新，从而得到以下三种优选方案：
所述晶体管垂直腔面发射激光器的整体结构为PNP型。。
所述上端面分布式布拉格反射镜为电介质型分布式布拉格反射镜，其为由SiO2与无定形Si沿垂直方向周期性排布的周期性结构。
所述发射极区具有反向偏压的掩埋隧道结或者反向偏压的PN结，以实现横向的载流子限制注入。
本发明晶体管垂直腔面发射激光器可以为GaAs基、或InP基、或GaN基晶体管垂直腔面发射激光器。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过将集电极调整至器件层结构的底部，可以将从发射极区注入的载流子在集电极区的传输路径长度从现有的数十微米缩短至几微米，从而有效减少内阻的电压降对于器件工作状态的控制所产生的不利影响，同时改善集电极区内电势的横向分布。
本发明进一步在集电极区引入氧化物限制层起到限制载流子注入的作用，能够阻断器件边缘位置基极-集电极之间垂直方向的载流子运动，确保载流子的主要运动路径和方向为沿中心注入区的垂直方向运动，消除由于器件内部横向电势分布不均匀对工作状态的影响。
本发明进一步在基极区采用调制掺杂的方式，即将原来不掺杂的势垒层改为与基极区的导电层相同的掺杂类型，从而消除了原来存在于基极导电层与本征势阱层之间的能带势垒，进一步降低基极区的内阻及电子的累积效应，有助于基极区中的电子往本征量子阱中的扩散运动。本发明进一步在基极区采用渐变的调制掺杂方式，引入不同浓度层结构间的内建电场来加速注入基极区的少数载流子往集电极区的扩散漂移。
本发明晶体管垂直腔面发射激光器可使用现有成熟的半导体工艺制备，生产成本较低。
附图说明
图1为一种现有的T-VCSEL器件结构示意图；
图2为本发明对集电极区的改进原理示意图；
图3为本发明对基极区的改进原理示意图；
图4a～图4h为具体实施例中各工序的产品状态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
现有T-VCSEL存在一个重要缺陷：随输入电流的增加,器件的工作状态从放大迅速转变为饱和，从而失去增强调制带宽的功能。其本质原因在于：由于载流子的限制注入，受激辐射主要发生在处于器件中心处附件的有源区，然而载流子整体的运动路径除了包含沿器件中心处的垂直方向，还包括了由于对应电极位置所带来的水平方向，且后者的路径长度远大于前者，这一点在集电极区表现的尤为明显，整个器件的层结构厚度不过几个微米，而集电极距离器件中心处的位置在几十微米以上，随着电流的增大，将在水平方向的内阻上产生相应的电压降，由此而削弱电极对器件中心处电势的控制能力，并改变器件的工作状态。
根据上述分析，本发明的思路是通过T-VCSEL器件结构的改良设计，迫使载流子的运动方式以中心处的垂直运动为主，减少器件结构的寄生内阻引起的电压降，提高有源区的发光与载流子运输效率。本发明对T-VCSEL器件结构的改进具体如下：
首先对集电极区进行改进。在现有的T-VCSEL器件结构中，如图1所示，集电极的位置处于基极区台阶的外侧上方，与发射极电极、基极电极相比，离器件中心轴(载流子主要集中区域)距离最远，导致从发射极区注入的载流子经过横向几十微米的传输路径才能到达集电极，由此产生的内阻及电压降对于器件工作状态的控制不利。针对这一问题，如图2所示，本发明将集电极的位置调整至器件层结构的底部(即缓冲层的背面)，可以将载流子在集电极区的路径长度缩短至几微米，同时改善集电极区内电势的横向分布。由于将集电极位置调整至器件底部，为了实现集电极与集电极区的电导通，位于集电极与集电极区之间的缓冲层、下端面分布式布拉格反射镜需要具有与集电极区相同的掺杂类型。例如，如基于专利SE:2013051451:W中的结构来实现上述集电极位置的调整，则其中的下端面DBR要由原来的不参与导电变成参与导电，因此其掺杂方式应由原来专利SE:2013051451:W中的不掺杂变为P型掺杂，掺杂元素为Zn或者C；同样地，缓冲层GaAs必须由专利SE:2013051451:W中的本征型变成P型，衬底由原来的半绝缘型变成P型。
将集电极移至器件底部之后，集电极区电势的横向分布将非常均匀，然而由于基极位置仍然处于基极台阶上的边缘，而发射极区的载流子是从中心轴处注入的，因此基极区仍然存在电势横向分布的不均匀现象，导致边缘处基极电极-集电极比中心位置处提前从反向偏压转入正向偏压工作状态从而产生集电极漏电流，影响器件工作状态的稳定。为此，如图2所示，本发明进一步在集电极区引入氧化物层以起到限制载流子注入的作用，能够阻断器件边缘位置基极-集电极之间垂直方向的载流子运动，确保载流子的主要运动路径和方向为沿中心注入区的垂直方向运动，消除由于器件内部横向电势分布不均匀对工作状态的影响。
本发明还进一步对基极区进行了改进，在基极区采用调制掺杂的方式，即将原来不掺杂的势垒层改为与基极区的导电层相同的掺杂类型，从可消除了原来存在于基极导电层与本征势阱层之间的能带势垒，进一步降低基极区的内阻及电子的累积效应，有助于基极区中的电子往本征量子阱中的扩散运动。具体地，改进后的基极区包括分别位于垂直方向的上导电层和下掺杂层，以及设置于上导电层与下掺杂层之间的量子阱有源区；所述量子阱有源区包括沿垂直方向的一组叠层，每个叠层由势垒层和量子阱层构成，所述势垒层具有与所述上导电层和下掺杂层相同的掺杂类型。仍以对专利SE:2013051451:W中结构进行改进为例，如图3所示，将原来不掺杂的GaAs势垒层改为与基极区上导电层相同的N型掺杂浓度，其作用是消除原来存在于N型GaAs导电层与本征GaAs层之间的能带势垒，进一步降低基极区的内阻及电子的累积效应，有助于基极区中的电子往本征InGaAs量子阱中的扩散运动。
上述改进后基极区中的上导电层、下掺杂层以及各个势垒层作为一个整体可以采用均匀掺杂的方式，即上导电层、下掺杂层以及各个势垒层均采用相同的掺杂浓度；或者采用(上导电层的掺杂浓度>势垒层的掺杂浓度>下掺杂层的掺杂浓度)的渐变掺杂的方式，即上导电层的掺杂浓度大于下掺杂层的掺杂浓度，各势垒层的掺杂浓度介于上导电层与下掺杂层的掺杂浓度之间，且各势垒层的掺杂浓度随着与上导电层之间距离的增大而减小，由此引入的基极区内建电场将有助于进入该区域的少数载流子继续往集电极区的扩散漂移运动。
上述改进的T-VCSEL器件结构方案不仅适用于GaAs衬底及相应的材料体系，同样可以适用于InP衬底、GaN衬底及其对应的材料体系。
通过对现有T-VCSEL器件的集电极区、基极区的结构改进，本发明晶体管垂直腔面发射激光器，能够迫使载流子的运动方式以中心处的垂直运动为主，减少串联内阻引起的电压降，提高有源区的发光与载流子运输效率；从而有效克服现有技术所存在的随输入电流增加而失去增强调制带宽功能的不足。本发明的结构改进并不需要增加任何新的工艺技术或设备，使用现有成熟半导体工艺技术即可实现器件的批量生产，因此具有极高的实用性。
为了便于公众理解，下面以本发明的一个优选方案为例，并结合相应的制备工艺，来对本发明技术方案进行详细说明。
本实施例中的器件结构是在SE:2013051451:W中结构基础上对集电极区、基极区进行上述改进得到。因此除以上结构特点外，器件整体为PNP型；上端面分布式布拉格反射镜为电介质型分布式布拉格反射镜，其为由SiO2与无定形Si沿垂直方向周期性排布的周期性结构；发射极区具有反向偏压的掩埋隧道结，以实现横向的载流子限制注入。
整个器件的设计出射光波长为980nm，整个层结构的外延生长均由金属有机化学气相沉积系统(MOVPE)制备，整个谐振腔的光学厚度为出射半波长的整数倍，上、下端面DBR的各层光学厚度均为四分之一出射波长。整个器件的制备过程具体如下：
首先通过MOVPE方法外延生长出图4a所示的层结构，具体过程如下：
1、在掺Zn,浓度大于1×1018cm-3的P型GaAs衬底上生长掺Zn的P型GaAs缓冲层层1，厚度为1000nm，掺杂浓度为2×1018cm-3。
2、在层1之上生长下端面DBR，由36.5周期的AlGaAs/GaAs材料构成，其中层2为渐变型AlGaAs，Al的组分在0-0.875之间变化，总厚度为100.4nm，P型掺杂浓度为2×1018cm-3，掺杂元素为Zn；层3为掺Zn的GaAs，浓度为2×1018cm-3，厚度为50.3nm。
3、下端面DBR之上为集电区层4，有掺Zn的浓度为2×1018cm-3的P型GaAs材料构成，厚度为82nm；层5为氧化限制层，由掺Zn的浓度为2×1018cm-3的P型Al0.98Ga0.02As材料构成,厚度为40nm；层6为亚集电极层，由掺Zn的浓度为2×1018cm-3的P型GaAs材料构成，厚度为42.7nm。
4、层7为集电极层，由未掺杂的本征GaAs层构成，厚度为40nm；层8为基极区下掺杂层，由掺Si的N型GaAs构成，掺杂浓度为6×1018cm-3，厚度为215nm；层9为有源区层，由未掺杂的本征In0.17Ga0.83As量子阱构成，厚度为7nm，个数为3；层10为量子阱势垒层，由掺Si的N型GaAs构成，掺杂浓度为6×1018cm-3，厚度为16nm，个数为2；层11为基极区上导电层，由掺Si的N型GaAs构成，掺杂浓度为6×1018cm-3，厚度为252nm。
5、层12为发射极层，由渐变型AlGaAs构成，Al的组分在0-0.375之间变化，P型，掺Zn的浓度为2×1018cm-3，总厚度为85nm；层13为发射极区层，由掺Zn的浓度为2×1018cm-3的P型GaAs材料构成，厚度为128.2nm。
6、层14为P型重掺杂的掩埋隧道结层，由掺Zn浓度为2×1020cm-3，厚度为10nm的GaAs材料构成；层15为N型重掺杂的掩埋隧道结层，由掺Si浓度为1×1019cm-3，厚度为20nm的GaAs材料构成；层16为帽层，由掺Si浓度为2×1018cm-3，厚度为210nm的GaAs材料构成。
层结构生长完备之后，器件的加工工艺可以简单描述为以下步骤：
1、采用湿法腐蚀的刻蚀工艺形成掩埋隧道结构成的载流子限制注入区，刻蚀掉部分区域的层14-16；所得到的中间结构如图4b所示。
2、利用MOVPE的再生长(Regrowth)工艺，在上一步的刻蚀区重新生长帽层；所得到的中间结构如图4c所示。
3、利用干法刻蚀工艺定义基极区台阶(刻蚀片上部分区域的层12-16)；所得到的中间结构如图4d所示。
4、利用湿法氧化工艺定义集电极区的载流子限制注入通道(层5)；所得到的中间结构如图4e所示。
5、采用金属蒸镀工艺制作发射极和基极的N型合金电极(合金成分为Pd/Ge/Ti/Pd/Ti/Au)；所得到的中间结构如图4f所示。
6、采用化学机械抛光工艺将衬底剪薄，并蒸镀P型合金电极(合金成分为Zn/Pd/Ti/Au)；所得到的中间结构如图4g所示。
7、采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)制作上端面电介质型DBR；所得到的最终器件结构如图4h所示。
Claims (9)
1.一种晶体管垂直腔面发射激光器，包括：按照外延生长的次序依次排布的缓冲层、
下端面分布式布拉格反射镜、集电极区、基极区、发射极区、上端面分布式布拉格反射镜，以及分别与集电极区、基极区、发射极区导通的集电极、基极电极、发射极电极；所述基极区中设置有量子阱有源区；其特征在于，所述集电极设置于所述缓冲层的背面；缓冲层与下端面分布式布拉格反射镜具有与集电极区相同的掺杂类型。
2.如权利要求1所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述集电极区设置有氧化物层，用于限制器件非中心位置处基极电极-集电极之间垂直方向的载流子运动。
3.如权利要求1所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述基极区包括分别位于垂直方向的上导电层和下掺杂层，以及设置于上导电层与下掺杂层之间的量子阱有源区；所述量子阱有源区包括沿垂直方向的一组叠层，每个叠层由势垒层和量子阱层构成，所述势垒层具有与所述上导电层和下掺杂层相同的掺杂类型。
4.如权利要求3所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，势垒层、上导电层、下掺杂层这三者具有相同的掺杂浓度。
5.如权利要求3所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，上导电层的掺杂浓度大于下掺杂层的掺杂浓度，各势垒层的掺杂浓度介于上导电层与下掺杂层的掺杂浓度之间，且各势垒层的掺杂浓度随着与上导电层之间距离的增大而减小。
6.如权利要求1～5任一项所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，其整体结构为PNP型。
7.如权利要求1～5任一项所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述上端面分布式布拉格反射镜为电介质型分布式布拉格反射镜，其为由SiO2与无定形Si沿垂直方向周期性排布的周期性结构。
8.如权利要求1～5任一项所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述发射极区具有反向偏压的掩埋隧道结或者反向偏压的PN结，以实现横向的载流子限制注入。
9.如权利要求1～5任一项所述晶体管垂直腔面发射激光器，其特征在于，其为GaAs基、或InP基、或GaN基晶体管垂直腔面发射激光器。
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