一种晶体管垂直腔面发射激光器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种晶体管垂直腔面发射激光器(Transistor Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称T-VCSEL)，属于集成光电子器件

技术介绍
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,PCI Express,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(CN 102474072 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的专利技术者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,“Room temperature 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专利技术专利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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：向宇，潘时龙，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32