TW201101530A - Light emitting semiconductor methods and devices - Google Patents

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TW201101530A
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Gabriel Walter
Milton Feng
Nick Holonyak
Han Wui Then
Chao-Hsin Wu
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Quantum Electro Opto Sys Sdn
Univ Illinois
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201101530 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於回應於電信號而產生光發射及雷射發 射的若干種方法及元件。本發明亦係關於自具有改良效率 之半導體元件產生高頻光發射及雷射發射的若干種方法， 且係關於增加來自半導體發光元件之光輸出。 【先前技術】 本文先前技術之一部分在於可操作為發光電晶體及電晶 體雷射之異質接面雙極電晶體的發展。可例如參考美國專 利第 7,091,082 號、第 7,286,583 號、第 7,354,780 號、第 7,53 5,034號及第7,693，195號；美國專利申請公開案第 US2005/0040432 號、第 US2005/0054172 號、第 US2008/0240173 號、第 US2009/0134939號及第 US2010/0034228號；以及 PCT 國 際專利公開案第WO/2005/020287號及WO/2006/093883號。亦 可參考以下公開案：M. Feng, N. Holonyak，Jr.,及W_ Hafez， Appl. Phys. Lett. 84，151 (2004)之發光電晶體：來自 InGaP/GaAs異質接面雙極電晶體之光發射；M. Feng，N. Holonyak，Jr”及R. Chan, Appl· Phys. Lett. 84，1952 (2004)之量子 井基極異質接面雙極發光電晶體；M. Feng, N. Holonyak，Jr.， B. Chu-Kung, G. Walter,及R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84, 4792 (2004)之II型GaAsSb/InP異質接面雙極發光電晶體；G. Walter, N. Holonyak，Jr.，M. Feng，及R. Chan，Appl. Phys· Lett. 85, 4768 (2004)之異質接面雙極發光電晶體之雷射操作；R. Chan, M. Feng, N. Holonyak，Jr.，及G. Walter, Appl. Phys. Lett. 147656.doc 201101530 86，131114 (2005)之電晶體雷射之微波操作及調變；Μ. Feng，N. Holonyak，Jr.，G. Walter,及R. Chan, Appl. Phys. Lett. 87，131103 (2005)之異質接面雙極電晶體雷射之室溫連續微 波操作；F. Dixon，R· Chan, G. Walter，N. Holonyak, Jr., M. Feng, X. B. Zhang, J. H. Ryou, R. D. Dupuis, Appl. Phys. Lett. 88, 012108 (2006)之可見光譜發光電晶體；N. Holonyak及 M Feng, Spectrum, IEEE Volume 43, Issue 2, Feb. 2006之電晶體雷 Λ 射；M. Feng, N. Holonyak, Jr.，R. Chan, A. James,及 G. Walter, o
Appl. Phys. Lett. 88，063509 (2006)之多輸入電晶體雷射近臨 限值中之信號混合；以及R. Chan，N. Holonyak, Jr.，A. James，及 G. Walter, Appl. Phys. Lett. 88，14508 (2006)之電晶體雷射之集極 電流增益圖及基極量子井電晶體上之類比重組；G. Walter， A. James, N. Holonyak，Jr·, M. Feng,及R. Chan, Appl. Phys. Lett. 88, 232105 (2006)之異質接面雙極電晶體雷射中之集極崩潰；M. Feng, Ν· Holonyak, Jr·, R. Chan, A. James,及 G. Walter, ❹ Photonics Technology Letters, IEEE Volume 18 Issue: 11 (2006) 之方波信號與電晶體雷射之高速（/spl ges/1 GHz)電及光學 相加、混合以及處理；B. F. Chu-Kung et al.，Appl. Phys. Lett. 89, 082108 (2006)之漸變基極InGaN/GaN異質接面雙極發光電 晶體；M. Feng, N. Holonyak, Jr.，A. James，K. Cimino，G. Walter，及R. Chan, Appl. Phys. Lett. 89，113504 (2006)之量子 井AlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs電晶體雷射之載流子壽命及 調變頻寬；G. Walter, A. James, N. Holonyak, Jr.，及 M. Feng， Appl. Phys. Lett. 90，091109 (2007)之電晶體雷射中之線性調 147656.doc 201101530 頻’線寬增強之弗朗兹凯爾迪什（Franz-Keldysh)減少；A. James, G. Walter, M. Feng,及Ν· Holonyak，Jr·, Appl. Phys. Lett. 90, 152109 (2007)之量子井電晶體雷射中之光子輔助崩潰、 負電阻及切換；A. James, N. Holonyak，M. Feng,及G. Walter, Photonics Technology Letters，IEEE Volume: 19 Issue: 9 (2007)之 電晶體雷射之Franz-Keldysh光子輔助電壓操作切換；H.W. Then，Μ· Feng，N. Holonyak，Jr.,及C. Η· Wu, Appl. Phys. Lett. 91，033505 (2007)之改變基極量子井設計及摻雜之量子井n-p-n異質接面雙極發光電晶體之操作中之有效少數載流子 壽命之實驗測定；M. Feng, N. Holonyak，Jr·，H. W. Then，及G. Walter, Appl. Phys. Lett. 91, 053501 (2007)之電晶體雷射操作 之電荷控制分析；H. W. Then，M. Feng,及N. Holonyak，Jr.， Appl. Phys. Lett. 91，183505 (2007)之藉由電晶體雷射之第一 激發態之操作及調變之光學頻寬增強；B.F.Chu-Kung，C.H. Wu, G. Walter, M. Feng, N. Holonyak, Jr., T. Chung, J.-H. Ryou, 及R_ D· Dupuis，Appl· Phys. Lett. 91，232114 (2007)之高電流增 益（β>49)發光InGaN/GaN異質接面雙極電晶體之調變；Η. W. Then, G. Walter, M. Feng,及 N. Holonyak, Jr·, Appl. Phys. Lett. 91，243508 (2007)之量子井電晶體雷射之集極特 性及差分光學增益；F· Dixon, M. Feng, Ν· Holonyak, Jr·，Yong Huang, X. B. Zhang, J. H. Ryou,及R. D· Dupuis, Appl. Phys. Lett. 93, 021111 (2008)之具有1544奈米發射波長之電晶體雷 射；以及H.W. Then, G· Walter, Μ· Feng, &N.Holonyak，Jr· Appl. Phys. Lett. 93，163504 (2008)之利用輔助基極信號之 147656.doc 201101530 異質接面雙極電晶體雷射操作之光學頻寬增強。
圖1及2說明一現有斜電荷發光器，即以上參考專利檔及 公開案中所描述之一發光電晶體。一 n+ GaAs子集極區域 105具有一沈積於其上之η型GaAs集極區域11〇，接著為一 p+ AlGaAs/GaAs基極區域120，其具有一n型InGaAs量子井 (QW)120。一射極臺面沈積於該基極之上，且包含η型 InGaP射極層130及nSAK}aAwL隙層14〇以及一 n+ GaAs披 覆層150。橫向氧化習知地可用於獲得環狀氧化物141且形 成中央孔隙。集極電極或接觸金屬展示於丨〇7處，基極接 觸金屬展示於122處，以及射極接觸金屬展示於152處。圖 2展示圖1金屬之一平面圖，即將集極接觸（未展示共同連 接）相對，基極接觸122包含一外環狀環，以及射極接觸 152包含一内環狀環。 圖1亦具有說明典型發光電晶體操作中電子電流及電洞 電流之流動的箭頭。如所描述’例如’在以上參考標中， 由於敎基㈣子.電洞重組之「斜」基極f荷分佈（如可 在元件能帶圖上說明）與於反向偏星集極接面處電荷「收 集二之競爭’因此選擇（「過濾、」）且僅容許基極中以皮秒 數里級之有效壽命的「快速」重組（由量子井輔助），所以 發光電晶體'電晶體雷射及某些雙端發光器有時被稱為 「斜電荷」元件。[可例如參考以上所列播，纟包含來考 吳國專利申請公開案第US20剛034228號中所揭示之兩終 端式斜電荷發光器]。 在現有斜電荷元件中，在基極及射極接觸之後放置光學 I47656.doc 201101530 腔或窗(部分由一氧化物形成之一孔隙界定)。由於斜電荷 元件之高基極片電阻及大電流增益（射極電流），所以跨基 極-射極接面之電壓差沿著由氧化物孔隙 ^ 大的。因為電流注入在電歷差最大之區物:= 以此迫使重組事件(其等導致所需光學輸出)沿著該氧化物 孔隙之周圍而集中。接面電壓朝著該光學腔之中央遞減。 此現象表示於圖！及2中，且可從如圖3之簡化電路模型中 所示之元件操作之模型化而獲得進一步理解。在圖3十， 該等區域及接觸對應於圖^之相同參考數位之區域及接 觸。在該模財，307、320及330分別代表集極、基極及 射極電阻，308代表集極電流分量，以及34〇代表基極墙 極電壓之空間分量。圖艸首先看到的是，電子傳導之最 小電阻路控係沿著由該氧化物孔隙界定之邊緣。在圖3之 模型中’此導致以實質上大於V3，以及νι實質上大於 V2此引起f組事件之大多數集中於更接近基極層之邊 緣且少數重組於該基極層之中央處或其附近（見圖2之光 輸出表示之草圖）。 圖4為展示該元件之經㈣光學輸出（如以#之_器光 電流)作為元件基極電流（以mA)之—函數的—圖。較大射 極直從几件之光學輸出於較大基極電流輸入處飽和。光飽 和係由於量子井飽和。 一在圖5中，不同射極大小(因此’孔隙大小)之光學輸出 密度及射極n迷、度被方便地正規化為孔隙周圍「區」 (鑲嵌在圖5中之陰影區）。該區域係藉由呈現恒定淺穿透至 147656.doc 201101530 該光學腔中而決定。結果指示重組沿著該元件之邊緣而集 中。因此’最大光輸出係藉由由該氧化物孔隙而不是總光 學腔區界定之作用周圍而決定。 -圖6說明各種射極大小之脈衝電流量測，其等展示1〇〇/〇 .與50%脈衝電流量測兩者之光輸出大體上係相同的。結果 指示元件之光飽和不是由於加熱而是由於集中之量子井飽 和而引起。 〇 圖7為圖1之該類型現有元件之照片俯視圖，其中標記集 極（C)、基極（B)以及射極（E)金屬，且光學腔或窗係由一箭 頭指示。該圖之發光電晶體具有一1〇微米射極臺面及孔隙 界疋之6¼米光學腔。在基極及射極接觸之後定位該光學 腔（即，位於極及射極接觸之上，如圖”。因此，此元件之 作用周圍約為18微米。類似地，圖8展示一現有斜電荷發 光二極體，其中標記射極（E)及基極/汲極（BD)金屬，且同 樣该70件具有一 10微米射極臺面及孔隙界定之6微米光學 〇 腔。同樣在基極及射極接觸之後定位該光學腔。同樣，此 元件之作用周圍約為i 8微米。 在所描述類型之元件中，如上指出，在基極及射極接觸 之後放置光學腔或窗。由於斜電荷元件之高基極片電阻及 大電流增益（射極電流），所以跨基極_射極接面之電壓差沿 著由氧化物孔隙界疋之邊緣係最大的。如上所解釋，因為 電流注入在電壓差最大之區域中係最大的，所以此迫使重 組事件(其等導致所需光學輪出)沿著該氧化物孔隙之周圍 而集中。接面電麼朝著該光學腔之甲央遞減，同時也帶來 147656.doc 201101530 缺點。 本發明之一態樣之目的係克服現有發光元件之此等及其 他限制，諸如所描述之斜電荷發光器，以及改良發光及雷 射半導體元件之光發射。 接著處理本發明之又一態樣之背景。 使用直接帶隙III-V材料及電子-電洞注入以及重組之半 導體發光二極體（LED)及雷射多年來在顯示及光波通信中 之許多應用中一直起著引導作用。雖然半導體雷射通常主 導長距通信鏈結，但是快速自發光波發射器可為短距光學 資料通信之具有吸引力的解決方案，且諸如較小臨限值操 作、高產量及減少之驅動器及回饋控制複雜性顯著降低發 射器之總體成本、形狀因子及功率消耗。再加上適當的腔 設計，諸如一諧振腔，在980奈米處發射之自發光源已被 證實達成高達27%之外部量子效率（T!ext)以及5奈米窄之發 射光譜寬度（見 J. J· Wierer，D. A. Kellogg,及 N. Holonyak, Jr.，Appl. Phys. Lett. 74, 926 (1999))。然而，到目前為止 之最快自發光源（一發光二極體）採用高達7x 1019 cnT3之ρ-摻雜以達成1.7 GHz之一頻寬（即，約100 ps之重組壽命）， 代價為内部量子效率減少至10%或更少（見C. H· Chen，M. Hargis, J. M. Woodall, Μ. R. Melloch, J. S. Reynolds, E. Yablonovitch及 W· Wang，Appl. Phys· Lett. 74, 3140 (1999))。 實際上，諸如LED或RCLED之較高效率自發元件使用小於 1 GHz之頻寬，限制自發光發射器（LED及RCLED)之實際 商業應用至小於1 Gb/s。 147656.doc -10· 201101530 先前已經提出，利用一高速異質接面雙極電晶體（ΗΒΤ) 結構之異質接面雙極發光電晶體（HBLET)有可能用作具有 超過10 GHz之速度的一光源（見M. Feng，N. Holonyak，Jr.， 及 W. Hafez，Appl. Phys. Lett. 84，151 (2004); M. Feng，N‘
Holonyak，Jr.，及R. Chan, Appl. Phys. Lett. 84，1952 (2004); W. Snodgrass，B. R. Wu，K. Y. Cheng，&M.Feng，IEEEIntl.
Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 663-666 (2007))。一電 _ 晶體雷射之室溫、連續波操作進一步說明一實際輻射重組 〇 中心（即，未掺雜量子井）可併入於一 HBLET之重摻雜基極 區域中（見 M. Feng, N. Holonyak，Jr·，G. Walter,及 R. Chan, Appl. Phys. Lett· 87, 131103 (2005))。由於電晶體中斜電荷 居量（tilted-charge population)之短基極效應，HBLET之基 極區域中之有效少數載流子壽命可藉由調整摻雜及併入 QW而逐步減少至低於100 ps(見H. W. Then, M. Feng, N_ Holonyak, Jr,及C. H. Wu，「改變基極量子井設計及摻雜 0 之量子井η-ρ-η異質接面雙極發光電晶體之操作中之有效少 數載流子壽命之實驗測定」Appl· Phys. Lett·，vol. 91, 033505, 2007 ; G. Walter，C. H. Wu, H. W. Then, M. Feng,及 N. Holonyak, Jr.，「4.3 GHz光學頻寬發光電晶體」（提交至 Appl. Phys· Lett.)，2009, supra)。實際上，不管 HBT之高固 有速度，由於包含非固有載流子傳輸效應之因素以及需要 包含在傳統高速HBT元件中不存在之光提取特徵（諸如氧 化物孔隙），HBLET之微波效能係受限於寄生電容。 本發明之一態樣之目的係解決先前元件及技術之此等限 147656.doc -11- 201101530 制，以及改良包含三終端式發光電晶 隨及兩終端式’斜雷片^ 發光器之斜電荷發光元件及技術之操作。 ” 〇 【發明内容】 在本發明之-第-態樣之一形式t 細能W權π |7 發光半導體元件經 、-且心以獲付载沭子注入至基極區域 ^ ^与勻性’且基極盥 射極電極之間之光學腔不會引起元 Μ 扛, 之射極與基極（或基 極/及極）電極之間之有害的電壓 技術中。 如先前 關於本發明之又一離揭由 恭丄帝 也樣申清人已經發現異質接面雙極 =晶體(Μ”或斜電荷發光二極體之橫向縮放可改良 學特性兩者。例如，固有電晶體之快速重組動 子可精由縮小—射極孔隙以減少橫向非固有「類寄生 /」《電而利用。快速自發調變速度 而導致的高產量及可靠性以及啦或斜電荷發光= 較小臨限值操作提供對雷射源之具有吸引力的替代物，尤 其用於短距光學資料通信及互連中。 按照本發明之玆笛 乂进 。亥第一態樣之一形式，闡述—種用於自具 有文良效率之兩終端式半導體元件產生光發射之方法，該 方法包3以下步驟：提供一分層式半導體結構，其包含包 括至）一〆及極層的—半導體汲極區域、設置於該沒極區域 上且包含至少 ^ 基極層的一半導體基極區域、以及設置於 该基極區域之—八 4刀上且包括一射極臺面（該射極臺面包
3至V 極層）的一半導體射極區域丨在該基極區 提供展現量子大I 八小政應之至少一區域；提供一基極/汲極 147656.doc 201101530 電極，其具有於該基極區域之一曝露表面上之一第一部分 以及與該沒極區域輕合之另—部分，且提供於該射極區域 之表面上之-射極電極；相對於該基極α極電極及該射 極電極施加信號以自該基極區域獲得光發射；以及組態該 基極/汲極電極及該射極電極以達成介於該等電極之間之 區域中之電壓分佈之大體上均句性。 在本發明之此形式之—實施例中，介於該等電極之間之
〇 ㈣極m何形狀經組態以促進介於該等電極之間之 區域中之電壓分佈之大體上均勻性。在此實施例之一形式 中，該射極臺面具有一大體上直線性表面部分，且提供該 等電極之步驟包括沿著該射極臺面之該表㈣分之一側提 供》亥射極電極以及提供該基極/沒極電極之該第—部分於 鄰近該射極臺面表面部分之相對側之該基極區域表面之一 部刀上°亥射極電極及該基極/汲極電極之該第一部分可 為相對之線性傳導帶。 按照本發明之該第一 態樣之另一形式，提供一種用於自 ”有改良a率之二終端式半導體元件產生光發射之方法， 該方法包含以下步驟：提供一分層式半導體結構，其包含 包括至少-集極層的一半導體集極區域、設置於該集極區 域上且包含至少―基極層的_半導體基極區域、以及設置 於=基極區域之—部分上且包括-射極臺面（該射極臺面 包含至少-射極層）的_半導體射極區域；在該基極區域 中提供展現$子大小效應之至少—區域；提供—集極電極 於該集極區域上’提供—基極電極於該基極區域之一曝露 147656.doc •13· 201101530 表面上以及提供一射極電極於該射極區域之表面上；相對 於該集極、基極及射極電極施加信號以自該基極區域獲得 光發射；以及組態該基極電極及該射極電極以達成介於該 等电極之間之區域中之電壓分佈之大體上均勻性。 按照本發明之該進一步態樣之一第一形式之一實施例， 閣述一種用於產生代表高頻電輸入信號分量之高頻光學信 號分量之方法，該方法包含以下步驟：提供一半導體電晶 體結構，其包含介於一第二半導體類型之半導體射極及集 極區域之間之一第一半導體類型之一基極區域；在該基極 區域中提供展現量子大小效應之至少一區域；提供分別與 射極、基極及集極區域耦合之射極、基極及集極電極丨相 對於4射極、基極及集極電極施加電信號（包含該高頻電 k號分置）以借助於該量子大小區域自該基極區域產生輸 出自發光發射，該輸出自發光發射包含代表該高頻電信號 分量之鬲頻光學信號分量；提供用於該光發射之一光學腔 或窗於介於該基極電極與該射極電極之間之區域中；以及 縮放該光學腔或窗之橫向尺寸以回應該高頻電信號分量而 控制光發射之速度。 在本發明之此態樣之該第一形式之一實施例中，該方法 進一步包括提供設置於射極區域之上之一孔隙，且橫向尺 寸之该縮放包含縮放該孔隙之尺寸。在此實施例之一版本 中，該孔隙一般為圓形的且經縮放至較佳直徑約丨0微米或 更小’且更佳直徑約5微米或更小。在此實施例之另一版 本中，窗或腔大體上為矩形，且橫向尺寸之該縮放包括提 147656.doc •14- 201101530 供具有較佳約1 ο微米或更小線性尺寸之窗或腔，且更佳直 徑約5微米或更小。在該方法之一實施例之實踐中，該高 頻電信號分量具有至少約2 GHz之一頻率。 Ο 〇 按照本發明之該進一步態樣之一進一步形式之一實施 例，闡述一種用於產生代表高頻電信號分量之高頻光學信 號分量之方法，該方法包含以下之步驟：提供—分層式半 導體結構’其包含包括至少極層的_半導體沒極區 域、設置於該汲極區域上且包含至少一基極層的一半導體 基極區域、以及設置於該基極區域之一部分上且包括一射 極臺面（該射極臺面包含至少一射極層）的—半導體射極區 域；在該基極區域中提供展現量子大小效應之至少一區 域；提供一基極/汲極電極，其具有於該基極區域之一曝 露表面上之一第一部分以及與該汲極區域耦合之另一^ 分’且提供於該射極區域之表面上之一射極電極·相對於 該基極/汲極電極及該射極電極施加信號以自該基極區域 產生光發射；提供用於該光發射之_光學腔或窗於介於該 基極/汲極電極之該第一部分與該射極電極之間之區域 中；以及縮放該光學腔或窗之橫向尺寸以回應該高頻電信 號分量而控制光發射之速度。 在本發明之此態樣之該進-步形式之-實施例中，該射 極臺面具有一大體上直線性表面部分，且提供該等電極之 步驟包括沿著該射極臺面之該表面部分之一側提供該射極 電^及提供該基極/没極電極之該第—部分於鄰近該射 極室面表面部分之相對側之該基極區域表面之一部分上。 147656.doc -15- 201101530 在此實施例中，提供該等電極之步驟進—步包括提供該射 極電極及該基極/汲極電極之該第一部分作為相對之線性 傳導帶，且橫向尺寸之該縮放包括提供具有較佳約ι〇微米 或更小線性尺寸之窗或腔，且更佳約5微米或更小。 從結合所附圖式考慮之以下詳細描述，本發明之更多特 徵及優點將變得更加顯而易見。 【實施方式】 圖9為按照本發明之該第一態樣之一實施例之一經改良 斜電荷發光電晶體元件之圖。本文之元件可使用例如用於 沈積III-V半導體層之習知半導體沈積技術以及如例如在本 文之先前技術部分中所列出之專利及公開案中所描述之元 件製造及加工技術而製造。自下而上，該元件包含n+子集 極區域905、η型集極區域910及含量子井926之？+基極區域 920。射極臺面包含η型射極層今刊及#射極彼覆層95〇。在 忒貫例中，該元件為一 ηρη斜電荷發光電晶體，應瞭解其 原理亦適用於ρηρ元件》集極電極或接觸金屬表示於9〇7 處。基極接觸金屬表示於922處，以及射極接觸金屬表示 於952處。 在圖9之該實施例中，光學腔有利地放置於射極與基極 電極之間。射極電阻（re)係相對於射極電流與基極電流比 (β+l)而調諧，使得由於電子傳導而導致之電壓降等於由 於電洞自相反方向橫向傳導時之基極電流而導致之電壓 降。此導致跨基極-射極接面之一更均勻電壓降。射極電 阻可藉由改變片電阻及改變射極臺面之幾何形狀（下文圖 147656.doc 16 201101530 π)而調諧。 圖10展示圖9實施例之元件操作之一電路模型。在圓 中，該等區域及接觸對應於圖9中之相同參考數位之區域 及接觸。在該模型中，1007、1〇2〇及1〇3〇分別代表集極、 基極及射極電阻，1008代表集極電流分量，以及ι〇4〇代表 基極/射極電壓之空間分量。如該圖中所見，使跨基極-射 極接面之電壓降大體上均勻，使得V1、V2、”及…將大 致相同。此意味著重組事件在光學腔中將大致均勻。 跨基極及射極接面之大體上對稱之電壓降可藉由調諧射 極臺面之片電阻及幾何形狀而達成，舉例而言，藉由利用 光學腔或窗（在該情形下由曝露之射極臺面界定）之一幾何 形狀以獲得所需電阻。例如，圖u⑷及11(b)之圖展示相 對之基極及射極接觸或電極帶，且作為陰影區，產生之光 可自該曝露之射極臺面發射。相較於圖u(a)之「類型2」 元件，圖11(b)之「類型丨」元件將展現較大射極電阻及較 小基極電阻。 圖12為具有一10微米χι〇微米「類型2」光學腔或窗設計 之一斜電荷發光電晶體的一照片俯視圖。近似對稱之電壓 分佈以獲得均句光發射係藉由設計Rb = ((3+1)Re而達成。此 元件之有效周圍為10微米。 圖13展示圖7(實線-現有元件）及圖12(虛線_其一實施例 之實例）中所示之元件之發光電晶體光學輪出（偵測器光電 流）相對於射極電流。儘管具有10微米之—作用周圍（圖 12) ’其幾乎為現有設計（圖7)之18微米周圍的—半，但本 147656.doc -17- 201101530 文之分散式設計結構被看作在達到光學飽和之前可約為射 極電流注入之兩倍大。此指示由於本文之分散式設計，所 以重組中涉及光學腔或窗之一較大作用區。 圖14及圖15展示具有本文之一實施例之分散式設計特徵 之兩終端式斜電荷發光二極體，其具有放置於射極與基極/ 汲極之間之光學腔以及經調諧之射極電阻。在圖14中，— p型基極區域1440設置於無意摻雜之〇型汲極區域1433與^ 型射極區域1450之間，使得在該射極區域與該基極區域之 間有一第一半導體接面，以及在該基極區域與該汲極區域 之間有一第二半導體接面。該基極區域144〇包含量子大小 區域1441，諸如例如一或多個量子井或量子點之—或多個 區域。該汲極1433之下係n型子汲極1434。該射極之上係 一射極彼覆層及接觸區域146〇。該射極區域具有以射極接 觸1453方式耦合至其之射極電極。一基極/汲極電極與基 極及汲極區域耦合。該基極/汲極電極為沈積於（在該實施 例中）該基極區域及子汲極區域上之一金屬接觸147〇。如 圖14中所示，一正偏壓電壓1491相對於該射極接觸“Μ而 施加至該基極/汲極接觸147〇，且一 AC電壓1492亦相對於 此等接觸而施加。圖14元件中之電子及電洞之流動係由該 圖中之箭頭展示。借助於量子井之基極區域中之重組導致 光發射波^及腔組態可增加至此結構以便容許此元件用 作兩接面雷射二極體、兩接面譜振腔發光二極體或兩接面 垂直腔電晶體雷射。（例如’典型上及下分佈布拉格反射 鏡（DBR)可提供於該圖14元件中以獲得—光學諧振腔）。輕 147656.doc -18- 201101530 射重組最佳化於圖14中於1485處所代表之作用光學區域 中。從圖15之照片俯視圖，可看見圖14之元件的射極及基 極/汲極金屬以及光學腔或窗區域。 對於圖14之該實施例之一實例（亦見WaUer，wu，Then，
Feng,及Holonyak，Applied Physics Letters，94, 231125 (June， 2009))，用於製造兩接面斜電荷發光二極體之晶體之蟲晶 層自基板向上包含一 3000 A η型推雜GaAs緩衝層、一 500 ¢) A漸變 Alo.30Gao.70As偈限層、一 213 人漸變 A1〇 3〇Ga0_70As 至
Al0_9〇Ga。.丨。As氧化物緩衝層、一 595 A η型 AlQwGaowAs可 氧化孔隙層以及另一 213 Α漸變Al〇.9()Ga(M()AS至 Al0.3〇Ga〇.7〇As氧化物緩衝層。頂部上生長一 557 a n型
GaAs接觸層、一 120 A InGaP姑刻終止層及一 2871 Α未摻 雜「汲極」層。該「汲極」層恰在該丨3 5 8 A基極層之下， 該13 5 8 A基極層包含兩個未摻雜ip A inGaAs量子井及一 具有平均摻雜為3xl019 cm·3之Al0.〇5Ga〇.95As層。該異質結 〇 構射極包含一 5U A η型In〇.49Ga〇.51P層、一 213 A漸變
Al0.3〇Ga〇.7〇As 至 Al0.9〇Ga〇.丨0As 氧化物緩衝層、一 595 A η型
Al0.98Ga0.02As 可氧化孔隙層、另一213 Α 漸變 Ai〇9〇Ga〇i〇As 至Alo.3oGao.7oAs氧化物緩衝層及一 500 A漸變Alo.wGauoAs 侷限層。該結構藉由一 2000 A GaAs頂部接觸層而完成。 該孔隙是可選的。可參考圖16之表，其最後一行指示相對 於圖15之圖的層描述。 兩接面斜電荷LED係藉由首先執行濕蝕刻步驟以形成射 極及基極-「汲極」臺面，接著自子_「汲極」層至基板執 147656.doc •19- 201101530 行隔離I虫刻而製造。接著執行金屬化步驟以提供所需電 接觸。已完成之LED僅具有兩個端：⑷至射極層之一接 觸及（b)跨基極及「及極」層之另一接觸（見圖⑺。該基 極-「汲極」形成具有一反向内建電場之一 接面，該電 %由經由延伸至基極之共同接觸金屬獲得之一共同電位 (「零電位差）維持。零基極·「沒極」電位差確保在基極_ 「及極」邊界處不存在基極電荷居量密度，因此在基極中 建立動態「斜」射極至「汲極」居量，其首先在上文中描 述因此，⑨極」層起著與一種三終端式hblet中之集 極類㈣作用。它容許從基極（Id)移除多餘的少數載流 子’猎由該基極-「沒極」Η接面處之内建電場而自基極 至「汲極」「偏移」。在自射極至「汲極」之渡越中之基極 載流子（不會在基極渡越時間内重組）被去除，「耗盡」。此 藉由防止基極中之「慢」電荷之積聚而致能斜電荷LED之 快速調變。該斜電荷LED具有一 HBLET之高速光學調變特 性。 斜電荷LED可經偏麼作為一般兩終端式元件，只是操作 更决。在外部該斜電荷LED顯示類似於一”接面二極體之 特性的-電/部性（見圖17)。因為基極及「沒極」被金屬 化且統―電位’所以「導通」電塵藉由射極-基極電位差 而决疋。圖18中所示之叫光學輸出特性係自該元件之底 部發射(透過基板)而獲得。該插圖之廣輕射發射光譜 (FWHM〜％奈米）展示該LED操作於自發重組中。光料值 發生於>1000奈米處’其對應於Ιικ}_量子井之接地態渡 147656.doc -20- 201101530 越（1，24 eV)。隨著内部「電晶體」增益β=/β//5增加，光學 輸出當超出10 m Α時飽和，導致基極（重組）電茂 飽和。此實例之光學輸出因為光提取效率而處 於低微瓦範圍中，假設自半導體GaAs空中介面之一單出射 錐僅為約1.4%。為了獲得元件之光學回應，光學輸出係藉 由一光纖自該元件頂部發射而收集且利用連接至一 Agilent N5230A網路分析器之一 12 GHz 光電偵測器而量測。 0 圖19中展示4=40、50及60 mA之斜電荷LED之光學回應。資 料展示非常適合的一單極點回應形式丑⑺， 其中/5 α = 。對於此實例，獲得在4=6〇 1^處 之7 GHz之一 -3 dB頻寬’其對應於一有效的rB=23 pS。 圖20展示本文之另一實施例，其利用一穿隧接面作為汲 極區域。可參考例如 M. Feng, N. Holonyak, Jr.，H. W. Then C.H. Wu，及 G. Walter，Appl. Phys. Lett. 94，04118 (2009) 之穿隧接面電晶體雷射。在圖20中，具有與圖14之參考數 〇 位相同的元件對應圖14之此等元件。在圖20中，穿隨接面 之P+層1930鄰近於基極1440且該穿隧接面之n+層1931鄰近 於一 η型子汲極層1434。 以下將描述本發明之又一態樣。對於本發明之此態樣之 一實施例之一實例，用於使用M〇CVD製造之—異質接面 雙極發光電晶體（HBLET)之晶體之磊晶層包含—3〇〇〇 A ” 型重摻雜GaAs緩衝層，接著一 500 A π型AlQ.3()Ga()6()As 層 /斩邊Al〇.3〇Ga〇.7〇As至Al〇_9〇Ga〇. 10As氧化物緩衝層、 —600 A „型A1() 98Ga() G2AS可氧化層及隨後一漸變 147656.doc • 21 - 201101530
Al0.9〇Ga〇.1()As至Al〇 30Ga〇.7〇As氧化物緩衝層，該漸變 Al0.9GGa().1()As至Al〇 3GGaG.7〇As氧化物緩衝層完成底部披覆 層。此等層之後為一 557 A n型子集極層、一 12〇 A InowGa^P蝕刻終止層、一 2871 a未摻雜GaAs.極層及 一 1358 A平均;?摻雜 3xi〇19cni-3 AlGaAs/GaAs漸變基極層（作 用層）’該AlGaAs/GaAs漸變基極層包含兩個未摻雜112 A InGaAs量子井（為λί^80奈米設計）。利用生長上披覆層而 完成磊晶HBTL結構，該等層包含一 511 Α ”型In〇 49Ga〇 5iP 寬間隙射極層、一漸變Al〇 3〇Ga〇川^至Al〇 9〇Ga〇 i〇As氧化 物緩衝層、一 600 A «型Alo.wGaowAs可氧化層及一漸變 八1〇.9。63〇.1。八3至八1().3()〇3〇.7〇八3氧化物緩衝層以及一5〇〇人《 型入10.30〇&0.7〇八3層。最後，利用一 2000 A重摻雜《型GaAs 接觸層而封頂該HBLET結構。在各種標準蝕刻及接觸金屬 化步驟之後，本文之該第一實例之已完成之元件在1〇微米 射極臺面上具有一〜6微米氧化物孔隙直徑Da。 圖2 1中展示該元件橫截面及其俯視圖佈局之一簡化示意 圖。一n+ GaAs子集極區域2105具有沈積於其上之一 η型 GaAs集極區域2110，接著為p+ AlGaAs/GaAs基極區域 2120 ’該基極區域具有一或多個未摻雜InGaAs量子井 (QW)。一射極臺面形成於該基極之上且包含 極層2130、n型AiGaAGL隙層214〇及一 n+ GaAs彼覆層 2150。橫向氧化可用於形成中央孔隙。集極接觸金屬展示 於2107處’基極接觸金屬展示於2122處，以及射極金屬展 示於2152處。 147656.doc •22· 201101530 圖22(a)及22(b)中分別展示集極Ι-V及光學輸出特性。該 元件展現高達30(或30 dB)之一電流增益β(=ΔΙ(；/ΔΙΒ)，例 如，在Ib=2 mA及Vce=2 V處。圖3(b)中之光發射係自具有 一大區域光電偵測器之元件之底部量測。假設垂直入射之 菲涅耳（Fresnel)反射損失，自該GaAs空中介面之一單出射 錐之光提取效率約為1.4%。（見M. G. Craford，High Brightness Light Emitting Diodes, Semiconductors and Semimetals, Vol. 48, Academic Press, San Diego, CA, p. 56 (1997))。光學輸出之廣光譜特性（見圖（b)之插圖； FWHM=76奈米）指示HBLET操作之自發重組之寬度。此實 例之HBLET不會併入一諧振腔，應瞭解諧振腔之使用將大 大增加光學輸出提取。 利用BC埠作為rf輸入來操作共集極HBLET容許同步之電 至光學輸出轉換以及在EC輸出琿處之電輸出增益。由於其 三埠性質，所以雖然在此組態中，該元件在BC埠處不會 提供一同步電輸出增益，但是其光學輸出亦可回應在EC埠 處之輸入調變信號。使用EC埠作為rf輸入，其具有用於最 大功率傳送之較佳匹配輸入阻抗（標準50 Ω)的優點。埠 輸入阻抗因反向偏壓BC接面而一般高於EC輸入阻抗’且 在最大化電路效能需要高輸入阻抗的情況下可能是有利 的。 在本文之一實例中，利用一具有頻寬212 GHz之高速 η光電偵測器以及一 50-GHz電光譜分析儀來量測光學回 應。一頻率產生器（0.05-20 GHz)用於至該元件之輸入信 147656.doc •23- 201101530 號。在圖23(b)及圖23(a)中分別展示共集極hblET對在 Ib-2 mA及VBC〜0 V偏壓處之BC及EC rf輸入調變之光學回 應（條件為反向偏壓BC接面）。在兩者情形下，在_3 dB處 之回應頻寬dB為4.3 GHz。在圖24中，可見隨著Ib自i mA 增加至2 mA，f3 dB自2.8 GHz改良至4.3 GHz。展示光學輸 出及回應頻寬至高為IB=2 mA，其中光學輸出（見插圖之曲 線圖）因飽和及加熱而開始降低。 光學回應H(f)可表達為： H(f) = —__ 1+-— ’ （ 1) *3 ϋΒ 其中Α。為電至光學轉換效率，及6 dB為在_3 dB處之頻寬。 G dB係藉由以下關係而與有效基極載流子重組壽命％有關 (不存在文激重組，但包含非所要之寄生Rc充電時間之效 應）， 因此，4_3 GHz之& dB的—值對應於37…之―％。因為 同等密度之電子（n cm-3)及電洞（p cm.3)被注入至中性未捧 雜作用區域中以保持電荷"生，所以在一雙異質接面 (DH)户小„發光二極體中不容易達成亞⑽Μ重組速度。因 此需要—極南注入能級及（相等地）一高電荷居量（因為 LWc^B^n.p.Vo卜η·ν〇1/ΓΒ)以便達成高重組速度。在一 HBLET中，電洞藉由在基極中ρ摻雜而㈣，且當自異質 接面射極左人〇數載流子）電子時由—歐姆基極電流重新 147656.doc -24. 201101530 :應。此外’相對於在一雙異質接面…二極體中之電荷 積」條件’動態「斜」電荷流動條件在與基極重組競 :維持^具有電集極（反向偏壓BC接面）之電晶體之基極 X由於「斜」基極居量，電流流動係電荷分佈中之斜率 且在不需要最大載流子密度的情況下高電流密度 疋可％的。因此’異質接面雙極電晶體（ΗΒΤ^-η結構具 Ο
有優於雙異質接面尺，、結構之固有優點(在如何處理電荷 上）。 因此，本文之HBLET中觀察之37 ps載流子壽命指示， 。自發重組可係「快速」，且藉由進一步減少非所要之寄生 可能性’較高調變速度是可能的。再者，由於不存在通常 f元件中所觀察到之弛豫振盈，以及相比於雷射回應 之母10倍頻-40 dB斜率，超過3 dB頻寬之每10倍頻_2〇 dB 之較小仏號衰減斜率，所以一 HBLET有可能利用於高於 4.3 Gb/s之資料速率處，同時具有用於短距光學資料通信 之優點。 在本文之更多實例中’雖然如前面所述製造元件，但是 元件具有藉由《-Al0_98Ga〇.〇2As層（圖1之孔隙層14〇)選擇性 橫向氧化作用而達成之5微米，8微米，及13微米的射極孔 隙寬度。圖25中展示具有5微米（曲線圖0))及13微米（曲線 圖（b))之孔隙寬度以及具有vbc=〇(即，短路基極及集極）之 HBLET之集極ι_ν特性。圖26展示自三個元件之每一者之 底側1測之相應光學光輸出特性L-IB。在可比較之基極電 流IB處，具有一 5微米孔隙之元件達成比丨3微米元件高2.4 147656.doc -25· 201101530 倍之電流增益。然而，13微米HBLET產生一高出2.4倍之 光學輸出。當元件在半絕緣基板上且在沒有任何溫度控制 的情況下操作時，電流增益β及光學輸出因過度加熱而在 高偏壓條件（VCEk2 V)處飽和。雖然較大元件總重組輻射 增加，但是僅輻射重組之一小部分發生於固有電晶體基極 區域内。由於此等實例中所採用之類「環」幾何形狀，所 以適當的固有電晶體基極跨越一同心區域，該同心區域具 有正比於DA/2之一半徑以及例如由ί標記之一固有元件寬 度（作用邊緣）。因此，固有基極重組與總（非固有及固有） 重組之比例大體上反比於孔隙寬度DA，且因此藉由簡單比 例〜πϋΑί/π (DA/2)2=4i/DA而縮放。隨著減少元件孔隙大小 DA，經注入之載流子之一越來越大之比例限制於固有電晶 體基極區域（即，高於4i/DA)，導致較高電流密度及增強之 電流增益。然而，對於一較大橫向幾何形狀（即，較大 DA，且因此較低4i/DA)，對非固有基極（輻射及非輻射）重 組之載流子貢獻增加，導致一較低β及相稱較高光輸出。 元件（圖26之插圖）之一典型光學光譜展示76奈米之一 FWHM且表明元件正作業於自發重組中。對於此等實例， 來自GaAs空中介面之一單出射錐之光提取效率非常低。假 設垂直入射之菲涅耳（Fresnel)反射損失，提取效率估計為 1.4%。（見 W. Snodgrass, B. R. Wu, Κ· Y. Cheng,及M. Feng, IEEE Inti. Electron Devices Meeting (IEDM), pp. 663-666 (2007))。 在圖27中，HBLET作業於共集極組態中，其中rf輸入施 147656.doc -26- 201101530 加於EC埠處’且Vbc=〇 v。雖然在此組態中該元件不會提 供一同步輸出電增益，但是EC輪入阻抗ZEC係良好地匹配 於用於最大功率傳送之源極阻抗（標準50 Ω)。在此實例 中’同樣利用一 12 GHz ρ-ί-«光電偵測器及一 50-GHz電光 譜分析儀量測光學回應。此外，一高達20 GHz之掃頻產生 器同樣被用於至該元件之輸入信號。圖27展示分別藉由Da =5、8及13微米之孔隙大小之HBLET而達成之4.3、2.8及 ◎ 1.8 GHz之最大頻寬光學回應。因為輻射重組之一較大部 分限制於HBLET之固有基極，其中載流子之固有重組速度 與自集極I-V特性（圖25)及光學L_Ib特性（圖26)導出之觀察 值一致係更快，所以利用採用一較小孔隙之HBLET獲得較 高頻寬。各種孔隙大小之HBLET之光學頻寬相對於偏壓基 極電流IB之曲線圖（圖28)展示隨著增加偏壓電流（Ib且因此 ιΕ)而在光學頻寬中之增加。從圖25及26顯而易見，在光學 特性及電特性因加熱而開始飽和處達成最大頻寬。 〇 纟沒有受激重組的情況下，我們可簡單地將光學回應表 達為一單極點轉移函數H(f)，其中fsdB代表3 dB頻率。值 f3dB藉由f3dB=l/(27rrB)而與—非固有基極載流子重組壽命^ 有關。因此，由值GHz(對於仏=5微米之元件）推 斷出37 PS之一非固有％，而— I%微米孔隙元件獲得88 ps 之一^。因此，橫向非固有重組形成一等效類似寄生RC 充電時間’該充電時間限制元件之光學頻寬。因此，藉由 橫向縮放，可藉由「多路傳輸」（經由高電流密度）及「限 制」（經由較小孔隙）载流子以僅供給源自或自固有電晶體 147656.doc •27· 201101530 基極產生之輻射重組而改良元件之效能。由於在元件構造 中存在一有限（寄生）橫向邊緣，獲得之37 ps之％仍佔主導 或在非固有上受限。此容許固有電晶體基極重組壽命可遠 快於37 ps，且意味著更高之自發光學頻寬是有可能的。 在以上圖1 4至圖1 6中，揭示一種兩終端式斜電荷發光二 極體之一實施例，該發光二極體具有一非圓形（例如，矩 形）區域作為其在線性射極及基極電極或接觸（其等可為相 對之傳導帶）之間之光學腔或窗。如所描述，此組態具有 作用區域中之載流子注入之增強均勻性及高效率光輸出的 〇 優點。上述之縮放優點亦可適用於此組態。可參考圖”之 簡化橫載面，其中一 n+ GaAs子汲極29〇5具有沈積於其上 之一 ^型汲極區域29H)，接著為具有一或多個InGaAs量子 井（QW)之p+ AK}aAs/GaAs*極區域292〇。一射極臺面形 成於該基極之上且包含一 nS InGaP射極層293〇及一可選η 型AlGaAs孔隙層2940及一 n+ GaAs彼覆層295“射極電極 金屬展不於2952處，及基極/汲極電極金屬展示於296〇 處。線性基極與射極電極之間之一類似組態亦可用於一種 Ο 三終端式發光電晶體或雷射電晶體。同樣，上述之縮放優 點適用於此等元件組態。 π雖然已經參考特定較佳實施例描述本發明，但是對於熟 習此項技術者而言將可作出本發明之精神及範圍内之變 動：例如’可採用適當的反射器以增強輸出自發光學發射 ^提取。此外，雖然已經描述自發發射LET及二極體，但 疋應瞭解’藉由適當的反射諸振器，亦可設計出受益於所 147656.doc -28 - 201101530 述特徵之電晶體雷射及二極體雷射。 【圖式簡單說明】 圖1為一現有斜電荷發光電晶體元件之一實例之— 面圖； 、菊· • 圖2為圖1元件之接觸或電極之一平面圖； 圖3為代表圖1元件之有關操作之一電路模型； 圖4為展示不同射極直徑％之元件之光學輸出（如偵測器 0 光電流）作為基極電流之一函數的一圖； 圖5展示不同射極直徑De之元件之正規化光學輸出密度 作為超過邊緣密度之射極電流之一函數的一圖。該插圖= 不發光區域作為一正規化孔隙周圍區域的一表示。該區域 係藉由假設恒定淺穿透至該光學腔中而決定； 圖6展示光電流量測作為各種射極大小（以微米）之元件 之射極電流的一函數，其展示每個曲線上之1〇%及5〇%脈 衝電流點； 〇 圖7為圖1之該類型現有元件之照片俯視圖，其中標記集 極（c)、基極（B)以及射極（E)金屬，且光學腔由一箭頭指 示； 圖8為在2010年1月7曰申請且讓與本申請案之相同受讓 人之同時待審美國專利申請案號第12/655,8〇6號中所描述 之該類型斜電荷發光二極體的一照片俯視圖； 圖9為按照本發明之一實施例之一經改良斜電荷發光電 晶體之一實例之一橫截面圖，且其可用於實踐本發明之該 方法之一實施例； 147656.doc -29- 201101530 圖ι〇展示圖9實施例之元件操作之一電路模型； 圖11(a)及11(b)展示在本發明之實施例中所採用之相對 之基極及射極接觸或電極帶； 圖12為具有一 微米χι〇微米類型2光學腔設計之一斜電 荷發光電晶體的一照片俯視圖； 圖13展示圖7(實線）及圖12(虛線）中所示之元件之發光電 晶體光學輸出（偵測器光電流）相對於射極電流； 圖14為按照本發明之一實施例之一種兩接面斜電荷發光 二極體之一簡化橫截面圖； 圖15為圖14之元件的一照片俯視圖，其中標記射極⑻ 及基極/汲極（BD)金屬，且光學腔由一箭頭指示； 圊16為展示圖15元件之一實例之半導體層的一表； 圖17展示圖15及16之元件之j_v特性； 輸出L-I特性，且在該插圖中， 圖18展示自元件基板底部量測之_、16元件之光學光 ’任意單元中之輸出光譜； ' 50及60 mA處圖15、16元件
圖19展示在偏壓電流Ie=4〇 ' $ 之光學輸出回應，分別展示3.2 一牙隧接面作為該元件之汲極區域之本發明 之一實施例之一簡化橫截面圖； 之一實施例之一
簡化橫截面； ，以及在圖（b)中展示圖 大區域光電偵測器之元 圖20為利用
21元仵之光学輸出特性。自具有 147656.doc •30· 201101530 件之底部量測光發射； 圖23在圖⑷及中分別展示共集極hblet元件對在 Ib=2 mA及VBC〜0 V偏壓處之此及沉rf輸入之光學回應（條 件為反向偏壓BC接面）； . 圖24為展示F3dB(以GHz)作為用於以DA〜6微米及VBC在 〇V處之HBLET之EC輸入埠調變之Ib的一函數的一曲線 圖。該插圖展示光學輸出（以微瓦之偵測器輸出）作為込之 〇 一函數； 圖25在曲線圖（a)及（b)中展示具有射極大小為（a) ^^=5微 米及（b) DA=13微米的實例之HBLET集極IV特性； 圖26展示此實例之具有Da=5微米、Da=8微米及Da=13微 米之三個元件之HBLET光學光輸出（自底部量測）作為基極 電流IB之一函數，其中VBC=〇 V。該插圖展示任意單元之 光谱為波長之一函數； 圖27為此例之具有Da=5微米、Da=8微米及Da=13微米之 β 一個元件之正規化回應為頻率之一函數的一曲線圖，其中
Vbc=〇 ; 圖28為此實例之具有DA=5微米、Da=8微米及Da=13微米 之三個元件之光學頻寬作為基極電流之一函數的一曲線 圖；及 圖29為可採用本發明之—實施例之一斜電荷發光二極體 之一簡化橫截面圖。 【主要元件符號說明】 105 n+GaAs子集極區域 147656.doc -31· 201101530 107 集極電極或接觸金屬 110 η型GaAs集極區域 120 p+ AlGaAs/GaAs基極區域 122 基極接觸 126 η型InGaAs量子井 130 η型InGaP射極層 140 η型AlGaAs孔隙層 141 環狀氧化物 149 2AC電壓 150 n+ GaAs彼覆層 152 射極接觸金屬 210 5n+ GaAs子集極區域 307 集極電阻 308 集極電流分量 320 基極電阻 330 射極電阻 340 基極/射極電壓之空間分量 905 n+子集極區域 907 集極電極或接觸金屬 910 η型集極區域 920 ρ +基極區域 922 基極接觸金屬 926 量子井 930 η型射極層 147656.doc -32- 201101530 950 n+射極披覆層 952 射極接觸金屬 1007 集極電阻 1008 集極電流分量 1020 基極電阻 1030 射極電阻 1040 基極/射極電壓之空間分量
1433 η型汲極區域 1434 η型子没極層 1440 ρ型基極區域 1441 量子大小區域 1450 η型射極區域 1453 射極接觸 1460 射極披覆層及接觸區域 1470 基極/汲極接觸 1485 作用光學區域 1491 正偏壓電壓 1930 穿隧接面之ρ+層 1931 穿隧接面之η+層 2107 集極接觸金屬 2110 η型GaAs集極區域 2120 p+AlGaAs/GaAs 基極區域 2122 基極接觸金屬 2130 η型InGaP射極層 -33· 147656.doc 201101530 2140 η型AlGaAs孔隙層 2150 n+GaAs 彼覆層 2152 射極金屬 147656.doc 34-

Claims (1)

  1. 201101530 七、申請專利範圍： 1· 一種用於自一具有改良效率之兩終端式半導體元件產生 光發射之方法，該方法包括以下步驟： 提供一分層式半導體結構，其包含包括至少一汲極層 的一半導體汲極區域、設置於該汲極區域上且包含至少 一基極層的一半導體基極區域、以及設置於該基極區域 之一部分上且包括包含至少一射極層之一射極臺面的一 半導體射極區域； 在該基極區域中提供展現量子大小效應之至少一區 域； 提供一基極/汲極電極，其具有於該基極區域之一曝露 表面上之一第一部分以及與該汲極區域耦合之另一部 分’且提供一射極電極於該射極區域之表面上； 相對於該基極/汲極電極及該射極電極施加信號以自該 基極區域獲得光發射；及 以達成介於該等電 極之間之區域中之電壓分佈之大體上均勻
    4.如請求項3之方法， 方法，其中該射極臺面具有一 〇 組態該基極7汲極電極及該射極電極以 大體上直線 147656.doc 201101530 P 77且其中提供該等電極之步驟包括：沿著該 面之該表面部分之-側提供該射極電極；以及提 —基極Λ及極電極之該第—部分於鄰近該射極臺面表面 部分之相對側之該基極區域表面之-部分上。 5. 女明，項4之方法’其中提供該等電極之步驟進一步包 括：提供該射極電極及該基極/汲極電極之該第一部分作 為相對之線性傳導帶。 二胡长項5之方法’其中提供該射極電極及該基極/汲極 電極之該第-部分作為相對之線性傳導帶之該步驟進一 步包括：提供該等傳導帶為具有大體上相同之長度。 7. 如請求項5之方法，其中提供該射極電極及該基極/汲極 電極之該第-部分作為相對之線性傳導帶之該步驟進一 步包括：提供該等傳導帶為不同長度的，使得介於該等 傳導帶之間之射極臺面之表面係呈梯形。 8. 如明求項丨之方法，其中在該基極區域中提供展現量子 大小效應之一區域之該步驟包括：提供至少一量子井。 9. 如請求項丨之方法，其進一步包括提供封圍該基極區域 )。卩为之一光學諧振腔’使得該光發射包括雷射 發射。 10· —種用於自一具有改良效率之三終端式半導體元件產生 光發射之方法，該方法包括以下步驟： 提供一分層式半導體結構，其包含包括至少一集極層 的一半導體集極區域、設置於該集極區域上且包含至少 一基極層的一半導體基極區域、以及設置於該基極區域 147656.doc 201101530 Ο 11. 〇 12. 13, 14. 之一部分上且包括包含至少一射極層之一射極臺面的一 半導體射極區域； 在該基極區域中提供展現量子大小效應之至少—區 域； 提供一集極電極於該集極區域上、提供一基極電極於 該基極區域之一曝露表面上以及提供一射極電極於該射 極區域之表面上； 相對於該集極、基極及射極電極施加信號以自該基極 區域獲得光發射；及 組態該基極電極及該射極f極以達成介於該等電極之 間之區域中之電壓分佈之大體上均勻性。 如明求項1 0之方法，其進一步包括組態該基極電極與該 射極電極之間之該射極臺面之幾何形狀以達成介於該基 極電極與該射極電極之間之該區域中之電壓分佈之大體 上均勻性。 如請求項1()之方法，其進_步包括在介於該基極電極與 -亥射極電極之間之該區域巾提供用於該光發射之一光學 腔。 如-月求項1G之方法，其中該射極臺面具有—大體上直線 面邛刀，且其中提供該等電極之步驟包括：沿著該 身二極臺面之該表面部分之—側提供該射極電極；以及提 X基極％極於鄰近該射極臺面表面部分之相對側之該 基極區域表面之一部分上。 求項13之方法，其中提供該等電極之該步驟進一步 147656.doc 201101530 15 16. 17. 導帶提ί、該射極電極及該基極電極作為相對之線性傳 如明求項14之方法’其中提供該射極電極及該基極 & in 4kl λ. ^ =目對之線性傳導帶之該步驟進一步包括：提供該等 傳導帶為具有大體上相同之長度。 青求項14之方法，其中提供該射極電極及該基極電極 作為:對之線性傳導帶之該步驟進—步包括：提供該等 ，導π為不同長度的’使得介於該等傳導帶之間之射極 s面之表面係呈梯形。 一種用於回應於電信號而產生光發射之兩終端式發光半 導體元件，該元件包括： 刀層式半導體結構，其包含包括至少一及極層的— 半導體汲極區域'設置於該汲極區域上且包含至少一基 極層的一半導體基極區域、以及設置於該基極區域之一 邛分上且包括包含至少一射極層之一射極臺面的一半導 體射極區域； 该基極區域含有展現量子大小效應之至少一區域；及 一基極/汲極電極，其具有接觸該基極區域之一曝露表 面之一凸緣部分及接觸該汲極區域之另一部分；以及在 該射極區域之該表面上之一射極電極，相對於該基極/汲 極電極及該射極電極施加該等電信號以引起自該基極區 域之光發射； s亥基極/汲極電極及該射極電極經組態以獲得介於該等 電極之間之該區域中之電壓分佈之大體上均勻性。 147656.doc 201101530 月求項17之疋件，其中組態該等電極之間之該射極臺 面之幾何形狀以獲得介於該等電極之間之該區域令之電 麼分佈之大體上均勾性。 19,如請求項18之元件，其進—步包括在介於該基極續極電 歡該凸緣部分與該射極電極之間之該區域中用於該光 發射之一光學腔。 20. 如π求項此％件，其中該射極臺面具有—大體上直線 0 丨生表面邛刀，且其中沿著該射極臺面之該表面部分之一 側設置該射極電極’以及該基極/㈣電極之該凸緣部分 設置於鄰近該射極臺面表面部分之相對側之該基極區域 表面之一部分上。 21. 如請求項17之元件，其中該汲極區域包括一穿隧接面， 該穿隨接面包括-η+層及—ρ+層，其中該ρ+層鄰近該基 極區域。 22. —種用於回應於電信號而產生光發射之三終端式發光半 〇 導 體元件’該元件包括： 刀層式半導體結構，其包含包括至少一集極層的一 半導體集極區域、設置於該集極區域上且包含至少一基 極層的一半導體基極區域、以及設置於該基極區域之一 部分上且包括包含至少一射極層之一射極臺面的一半導 體射極區域； s玄基極區域含有展現量子大小效應之至少一區域；及 在該集極區域上之一集極電極，在該基極區域之一曝 露表面上之一基極電極，以及在該射極區域之該表面上 147656.doc 201101530 之-射極電極’相對於該集極、基極及射極電極施加該 等電信號以引起自該基極區域之光發射； 該基極電極及該射極電極經組態以獲得介於該等電極 之間之該區域中之電壓分佈之大體上均勻性。 23 24 25 如”月求項22之元件，其中組態介於該基極電極與該射極 電極之間之该射極臺面之幾何形狀以獲得該區域中之電 壓分佈之大體上均勻性。 电 如請求項22之元件，其進—步包括在介於該基極電極與 該射極電極之間之該區域中用於該光發射之_光學腔。 種用於產生代表-高頻電輸入信號分量之__高頻光$ 信號分量的方法，該方法包括以τ步驟： 、 提供-半導體電晶體結構，其包含介於一第二半導體 類型之半導體射極區域與集極區域之間之—第—半心 類型之—基極區域； 立 、Μ &極&域中提供展現量子大小效應之至少—區 基極及集極區域耦合之射極、基 提供分別與該射極、 極及集極電極； ^於該射極' 基極及集㈣極施加包含該高頻電信 之電信號以借助於該量子大小區域自該基極區域 :出自發光發射’該輸出自發光發射包含代表該高 頻電k號分量之該高頻光學信號分量； 一光學腔於介於該基極 :及 電極與該 提供用於該光發射之 射極電極之間之區域中 147656.doc 201101530 縮放該光學腔之橫向尺寸以回應該高頻電信號分量而 控制光發射之速度。 26. 如請求項25之方法’其進一步包括提供設置於該射極區 域之上之一孔隙’且其中§亥等橫向尺寸之縮放包含縮放 該孔隙之尺寸。 27. 如請求項26之方法，其中該孔隙大體上為圓形的且經縮 放至直徑為約1〇微米或更小。 ❹ 28.如請求項26之方法，其中該孔隙大體上為圓形的且經縮 放至直徑為約5微米或更小。 29. 如請求項25之方法’其中該腔大體上為矩形的，且其中 該橫向尺寸之縮放包括提供該腔具有約1〇微米或更小之 線性尺寸。 30. 如請求項25之方法，其中該腔大體上為矩形的，且其中 該橫向尺寸之縮放包括提供該腔在直徑上具有約5微米 或更小之線性尺寸。 〇 3 如請求項28之方法，其中該高頻電信號分量具有至少約 2 GHz之一頻率。 32. 如請求項30之方法，其中該高頻電信號分量具有至少約 2 GHz之一頻率。 33. 如請求項25之方法，其中尺寸之縮放包含：增加集極區 域厚度到至少約250奈米。 34. 如請求項25之方法，其中施加電信號之該步驟包含：以 一共集極組態操作該半導體電晶體。 35. 如請求項25之方法，其進一步包括提供封圍該基極區域 147656.doc 201101530 之至少一部分之一光學諧振腔，且其中該輸出發射包括 雷射發射。 3 6· —種用於產生代表一高頻電信號分量之—高頻光學信號 分量的方法’該方法包括以下步驟： 提供一分層式半導體結構，其包含包括至少一汲極層 的一半導體汲極區域、設置於該汲極區域上且包含至少 一基極層的一半導體基極區域、以及設置於該基極區域 之一部分上且包括包含至少一射極層之一射極臺面的一 半導體射極區域； 在該基極區域中提供展現量子大小效應之至少一區 域； 提供一基極/汲極電極，其具有在該基極區域之一曝露 表面上之一第一部分以及與該汲極區域耦合之另一部 分，以及提供在該射極區域之該表面上之一射極電極； 相對於該基極/汲極電極及該射極電極施加信號以自該 基極區域產生光發射，· 提供用於該光發射之一光學腔於介於該基極/汲極電極 之忒第一部分與該射極電極之間之區域中；及 縮放該光學腔之橫向尺寸以回應該高頻電信號分量而 控制光發射之速度。 37.如凊求項36之方法，其中該射極臺面具有一大體上直線 性表面部分’且其中提供該等電極之步驟包括：沿著該 射極臺面之該表面部分之—側提供該射極電極；以及提 供該基極/没極電極之該第—部分於鄰近該射極臺面表面 147656.doc 201101530 部分之相對側之該基極區域表面之一部分上。 38.如明求項37之方法，其中提供該等電極之步驟進一步包 括.提供該射極電極及該基極/汲極電極之該第一部分作 為相對之線性傳導帶。 39·如叫求項38之方法，其中該腔大體上為矩形的，且其中 °亥桜向尺寸之縮放包括：提供該腔具有約10微米或更小 之線性尺寸。 〇 4〇·如請求項38之方法，其中該腔大體上為矩形的，且其中 該橫向尺寸之縮放包括提供該腔具有約5微米或更小之 線性尺寸。 41_如請求項4〇之方法，其中該高頻電信號分量具有至少約 2 GHz之一頻率。 42. —種用於產生代表一高頻電信號分量之一高頻光學信號 分量的方法，該方法包括以下步驟： 提供一分層式半導體結構’其包含包括至少一汲極層 〇 的一半導體汲極區域、設置於該汲極區域上且包含至少 一基極層的一半導體基極區域、以及設置於該基極區域 之一部分上且包括包含至少一射極層之一射極臺面的一 半導體射極區域； 在該基極區域中提供展現量子大小效應之至少一區 域； 提供一基極/沒極電極，其與該基極區域麵合且與該淡 極區域耦合，以及提供與該射極區域耦合之一射極電 極； 147656.doc 201101530 提供設置於該射極區域之上之一孔隙； 相對於該基極/汲極電極及該射極電極施加信號以自該 基極區域產生光發射；及 縮放該孔隙以回應該高頻電信號分量而控制光發射之 速度。 43. 44. 如請求項42之方法，其中該孔隙大體上為圓形的且經縮 放至直徑為約10微米或更小。 如請求項42之方法，其中該孔隙大體上為圓形的且經縮 放至直徑為約5微米或更小。 147656.doc
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