一种含隧道结的垂直腔型光电子器件制造技术

本发明专利技术涉及一种垂直腔型半导体光电子器件，其特征在于将隧道结置于垂直腔型半导体光电子器件的微腔中，利用隧道结的反向电流遂穿特性，实现用Ｎ型的分布反馈布拉格腔镜（ＤＢＲ）取代Ｐ型的ＤＢＲ腔镜，能有效降低垂直腔器件的串联电阻，限制侧向电流的扩散，提高电流注入有源区的均匀性，降低器件的阈值电流密度，改善器件的热特性，隧道结的材料采用均匀掺杂或多次δ掺杂，垂直腔型半导体光电子器件的顶部和底部腔镜采用Ⅲ－Ⅴ族半导体多层薄膜膜构成的ＤＢＲ、光学介质膜ＤＢＲ、高反射率金属膜、半导体薄膜／空气隙ＤＢＲ中的一种，或他们的组合；微腔中的有源区采用ＭＢＥ或ＭＯＣＶＤ生长的ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ或ＩｎＧａＮＡｓ系列量子阱。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一个种含隧道结的垂直腔型光电子器件，在光通讯系统中有重要应用。此专利技术属于半导体光电子材料、器件

技术介绍
由于光纤在1.3μm和1.55μm两个窗口中具有很低的吸收和色散，所以在长距离光纤通讯系统中主要是以这两个波段为主。此光纤的通讯系统中需要高质量的光源，并且以室温、连续、单模的方式进行工作。传统的光纤通讯系统主要采用分布反馈(DFB)半导体激光器作为光源，此激光器具有稳定的单横模和单纵模特性。但是DFB激光器的制作需要很多复杂和低成品率的工序，并且其工作性能对环境温度十分敏感，在光收发机中需要复杂的电子器件来控制其工作温度，所以这就提高了DFB激光器的价格。现在波长为1.3μm和1.55μm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)被认为是最有可能替代DFB半导体激光器的光源。VCSEL主要有三部分构成，顶分布反馈布拉格(DBR)腔镜、有源区和底分布反馈DBR腔镜。其有源区的光学厚度在几个波长的数量级，很容易实现单纵模、低阈值工作，容易制作二维高密度阵列，实现二维光互联和信息处理。并且其具有高调制速率，很适合应用在高速光纤通讯系统中。VCSEL在短波方向的发展已经十分成熟，在过去的几十年里，780-980nm波长范围内的GaAs基VCSEL取得了巨大的进展。阈值电流从几十毫安降低到了几十个微安，其对温度的敏感性下降，功率转换效率超过50％，实现了室温连续激射。但是对于长波长VCSEL研究进展缓慢，其中问题之一就是DBR反射腔镜的反射率低。长波长VCSEL一个很大的转变是用InP衬底代替GaAs衬底，相应的外延材料也改变。许多四元半导体材料已被应用在了外延层上，已广泛研究的有InGaAsP/InP、InAlGaAs/InAlAs、AlAsSb/GaAsSb、AlAsSb/InGaAlAs、AlGaAsSb/AlAsSb等等。但是三元、四元合金其热导率依次降低，理论计算表明四元合金的热导率比三元合金要低一个数量级。这几种交替生长的DBR外延材料折射率差(An)没有短波长VCSEL的AlAs/GaAs折射率差大，所以如果要获得高的反射率，必须要有很多层的DBR材料，结果是其串联电阻增大，特别是P型DBR，很容易导致激光器的热失效。而且多层的DBR导致了很高的吸收、界面散射损失，从而难以达到理论的最大反射率。提高DBR反射率，降低其串联电阻、吸收损耗和界面损耗，一种方法是选择两种材料，使他们之间要有高的折射率差，即Δn要大。可以在相同的反射率下可以减少DBR的层数，降低串联电阻，降低电压，减少热量的产生。现在很多科研工作者正在研究如何用AlGaAsSb/AlAsSb、AlAsSb/InGaAlAs材料以解决上面所述问题，但是这几种材料的导热率很低，串联电阻很大。同时许多人采用多层光学膜反射镜来代替半导体薄膜反射镜，几对材料就可以获得很好的反射率，但是光学膜不导电并且有些材料吸收较大，必须采用内腔接触，给工艺带来了一定难度；在半导体薄膜外边加金属反射镜来提高反射率，这种方法可以作为优化的方法，不能从根本上解决问题。另外一种方法是通过优化DBR的结构来达到目的。如利用MOCVD生长梯度的DBR层，由突变型改变为缓变型，也可以用于减小电阻。还有人采用在DBR层之间生长超晶格，减小对电流的阻碍，但这种方法由于超晶格层数很多，每层厚度小，所以对材料生长十分严格、成本提高。普通的垂直腔型光电子器件不仅需要n-型DBR腔镜，而且需要P-型腔镜，P-型腔镜往往具有更高的串联电阻，影响器件的工作性能。综上所述，至今为止有效降低垂直腔光电子器件的串联电阻，限制侧向电流的扩散，降低器件的阈值电流密度，改善器件的热特性至今仍是值得探讨的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种含隧道结的垂直腔型光电子器件，也即本专利技术提出了将隧道结(TJ)应用到垂直腔型光电子器件中，省去P-型DBR腔镜，顶部、底部两个腔镜均可用n-型腔镜，从而十分有效的降低器件的串联电阻，提高载流子的注入均匀性，降低器件的阈值电流。N+/P+隧道结在其他光学和电学器件里已经得到了广泛应用，在VCSEL及其它垂直腔光电子器件里是利用它的反向遂穿特性，隧道结作为整个器件的空穴源，从而可以将P型DBR用N型DBR代替。在反向偏致电压作用下，电子在隧道结处产生遂穿效应，从而产生空穴。产生的空穴在电压作用下流向有源区与电子进行辐射复合产生光子；采用隧道结的另外一个优点是可以对载流子和光场进行侧向限制，提高载流子的注入均匀性，提高量子效率。对于短波长的VCSEL，可以采用侧向氧化、离子注入等方法对AlAs/GaAs DBR进行侧向的电流限制，但是对1.3μm和1.55μm长波长的VCSEL其侧向限制比较困难。隧道结提供了解决此问题的方法，通过直接键合、二次外延、侧向腐蚀等常用方法将电流孔径限制到5-100μm，从而限制了载流子的侧向扩展，使载流子均匀注入有源区。这种隧道结结构不但可以用在VCSEL中，而且还可以应用到其它垂直腔型光电子器件中，如共振增强型光电探测器(REPD)、共振腔增强型二极管(RCLED)以及垂直腔型半导体光放大器(VCSOA)，起到提高器件性能的作用。本专利技术提供的含隧道结的垂直腔型光电子器件不仅可以降低垂直腔型光电子器件的串联电阻，减少器件的热效应，而且同时能增强对侧向载流子扩散的限制和光场约束，提高载流子注入有源区的均匀性，提高量子效率和增益。本专利技术所述的具有隧道结的垂直腔型面发射光电子器件，可以为垂直腔面发射激光器(VCSEL)包含一个底部DBR腔镜，一个顶部DBR腔镜，中间夹着一个光学谐振微腔，在谐振微腔中含有隧道结，有源层和隔离层。DBR腔镜由光学厚度为λ/4(λ为器件工作波长)折射率不同的两种材料构成，其材料包括半导体薄膜、光学薄膜。按其结构DBR腔镜包括以下6种全外延的半导体薄膜DBR，全光学膜DBR，半导体薄膜DBR与光学膜DBR组合，单层金属膜DBR，以及金属膜与上述半导体薄膜或光学膜DBR腔镜组合，或者采用半导体膜/空气隙组成DBR。光学微腔的光学厚度为数个波长，量子阱有源层处于微腔光场分布最强的地方，隧道结处于光场分布最弱的地方。根据设计的需要有源层可以是一组或者几组，一般为量子阱材料体系。隧道结可以处于底部DBR腔镜和有源层之间，或者处于顶部DBR腔镜和有源层之间。在本专利技术的垂直腔型面发射光电子器件中，顶部和底部腔镜可为半导体多层薄膜腔镜，由厚度为λ/4(λ为器件工作波长)的多层半导体薄膜构成，每层半导体薄膜为含N的化合物、含As、含P、含Sb、含Se化合物中的一种；也可为光学介质膜腔镜，由光学厚度为λ/4(λ为器件工作波长)的多层光学薄膜构成，每层的光学膜可为氧化物(Al2O3、TiO2、SiOx(0＜x＜2)、ZrO2、HfO2、或Nb2O5)或非氧化物(ZnSe、CaF2、MgF2、a-Si、Si3N4)中的一种；也可为高反射率金属膜腔镜，所述的金属膜为Ag、Au、Cu、Al、Be、Cr、Ni、Pd、Pt、Ti、W、Ge中的一种，或者其中几种形成的合金；也可以是光学膜复合腔镜，由光学厚度为λ/4(λ为器件工作波长)的多层光学膜和金属膜组合。每层的光学膜可为上述氧化物或非氧化物与上述金属膜的组合；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含隧道结的垂直腔型光电子器件，包含衬底（１）、底部分布反馈布拉格腔镜（１０）和顶部分布反馈布拉格腔镜（１２），其特征在于在底部分布反馈布拉格腔镜（１０）和顶部分布反馈布拉格腔镜（１２）中间夹有一个光学谐振微腔（１１），在谐振微腔含有一个隧道结、量子阱源层和隔离层，量子阱有源层处于微腔光场分布的最强处，隧道结处于微腔光场分布最弱处。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴惠桢，黄占超，劳燕锋，刘成，齐鸣，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]