NPN异质结双极型晶体管激光器

摘要

本发明涉及半导体激光器技术领域，公开了一种NPN异质结双极型晶体管激光器，包括衬底(1)、缓冲层(2)、下包层(3)、亚集电极层(4)、集电极层(5)、基极层(6)、量子阱有源区层(7)、发射极层(8)、上包层(9)和接触层(10)。其中量子阱有源区层位于所述基极层与发射极层之间，一方面减少了基极层中掺杂杂质Zn向有源区层的扩散，另一方面也减少了基极层中掺杂杂质Zn向发射区层的扩散，有助于同时提高器件的光学和电学性能。由发射极注入的电子一部分在量子阱有源区层中辐射复合发光，另一部分被集电极层收集，形成集电极电流。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，特别涉及一种NPN异质结双极型晶体管激光器。

背景技术

2005年，美国伊利诺依大学的一个研究小组在世界上首先报道了一种称为异质结双极型晶体管激光器的半导体器件[Appl.Phys.Lett.Vol.87，P.131103(2005).]，仅利用较为简单的外延及制作工艺该器件同时实现了激光器的发光功能和晶体管的放大功能。与普通晶体管的不同之处在于，晶体管的基区中引入了一个量子阱。在一定的基极-集电极电压下，电子会由集电区注入基区，在量子阱区与空穴复合发光。光波在前后两个解理腔反射镜面之间来回反射得到放大，超过一定强度后由端面出射。因此，这种器件不仅有常规晶体管的电信号放大功能，同时还具备了由电信号向光信号转换的功能[IEEE Spectrum，Vol 43，P.50(2006)]。正因有此特点，晶体管激光器将有可能在光子互联、光电子集成(OEIC)以及光信号处理等方面发挥巨大作用。

在所报道的晶体管激光器结构中，量子阱有源区被置于基区之中，对于NPN型器件这个结构有一个明显的缺点：在使用能够对空穴浓度进行线性控制的Zn作为p型掺杂杂质时，Zn容易从上下两个方向扩散到有源区之中，导致有源区材料质量显著下降，恶化器件发光性能[J.Appl.Phys.，Vol 103，P.114505(2008)]。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种NPN异质结双极型晶体管激光器，以降低晶体管激光器的结构复杂度，减少p型掺杂杂质对器件有源区材料质量的影响。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种NPN异质结双极型晶体管激光器，包括，

一衬底1；

一缓冲层2，该缓冲层2生长在所述衬底1上；

一下包层3，该下包层3生长在所述缓冲层2上；

一亚集电极层4，该亚集电极层4生长在所述下包层3上；

一集电极层5，该集电极层5生长在所述亚集电极层4上；

一基极层6，该基极层6生长在所述集电极层5上；

一量子阱有源区层7，该量子阱有源区层7生长在所述基极层6上；

一发射极层8，该发射极层8生长在所述量子阱有源区层7上；

一上包层9，该上包层9生长在所述发射极层8上；

一接触层10，该接触层10生长在所述上包层9上。

上述方案中，所述衬底1是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底。

上述方案中，所述量子阱有源区层7位于所述基极层6与所述发射极层8之间，在该量子阱有源区层7中阱材料厚度为7～12nm，垒材料厚度为6～15nm，有源区量子阱的个数为1～3个。

上述方案中，由发射极层8注入的电子一部分在量子阱有源区层7中辐射复合发光，另一部分被亚集电极层4收集，形成集电极电流。

上述方案中，所述下包层3和上包层9用于对器件的光场及电场进行限制，二者具有相同的材料和厚度，且厚度在0.4～1.2微米之间。

上述方案中，所述亚集电极层4的厚度为30～70nm，所述集电极层5的厚度为60～200nm，所述基极层6的厚度为30～120nm，所述发射极层8的厚度为30～120nm，所述接触层10的厚度为100nm。

上述方案中，所述基极层6与所述发射极层8共同作为所述量子阱有源区层7的波导层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种NPN异质结双极型晶体管激光器，与已经报道的将量子阱有源区置于基区材料之中的结构不同，是将量子阱有源区置于n型发射极材料和p⁺基极材料之间，这一方面改变了p型掺杂杂质由两个方向向有源区材料扩散的状况，有利于降低有源区中掺杂杂质的浓度，进而改善有源区材料质量；另一方面，将量子阱有源区置于n型发射极材料和p⁺基极材料之间，有源材料层起到了阻挡基极p型掺杂杂质向发射极扩散的作用，有利于改善器件的电学性能。

2、本发明提供的这种NPN异质结双极型晶体管激光器，发射极与基极材料共同作为位于二者之间的有源区的波导层，可以提高器件的发光性能。

附图说明

图1是本发明提供的镓砷(铟磷)基NPN异质结双极型晶体管激光器的剖面示意图。

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。

如图1所示，图1是本发明提供的镓砷(铟磷)基NPN异质结双极型晶体管激光器的剖面示意图，该NPN异质结双极型晶体管激光器包括，

一衬底1；

一缓冲层2，该缓冲层2生长在所述衬底1上；

一下包层3，该下包层3生长在所述缓冲层2上；

一亚集电极层4，该亚集电极层4生长在所述下包层3上；

一集电极层5，该集电极层5生长在所述亚集电极层4上；

一基极层6，该基极层6生长在所述集电极层5上；

一量子阱有源区层7，该量子阱有源区层7生长在所述基极层6上；

一发射极层8，该发射极层8生长在所述量子阱有源区层7上；

一上包层9，该上包层9生长在所述发射极层8上；

一接触层10，该接触层10生长在所述上包层9上。

上述衬底1是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底。量子阱有源区层7位于所述基极层6与所述发射极层8之间，在该量子阱有源区层7中阱材料厚度为7～12nm，垒材料厚度为6～15nm，有源区量子阱的个数为1～3个。由发射极层8注入的电子一部分在量子阱有源区层7中辐射复合发光，另一部分被亚集电极层4收集，形成集电极电流。下包层3和上包层9用于对器件的光场及电场进行限制，二者具有相同的材料和厚度，且厚度在0.4～1.2微米之间。亚集电极层4的厚度为30～70nm，所述集电极层5的厚度为60～200nm，所述基极层6的厚度为30～120nm，所述发射极层8的厚度为30～120nm，所述接触层10的厚度为100nm。所述基极层6与所述发射极层8共同作为所述量子阱有源区层7的波导层。

请再参照图1，并结合以下具体实施例详细介绍本发明提供的NPN异质结双极型晶体管激光器。

第一实施例

本实施例是生长镓砷基NPN异质结双极型晶体管激光器的具体工艺方法，具体包括以下步骤：

1)在洗好的镓砷衬底1上生长约500nm厚的镓砷缓冲层2；

2)在镓砷缓冲层2上生长0.4～1.2微米厚的铟镓磷(In_0.49Ga_0.51P)或铝镓砷(Al_xGa_1-xAs(0＜x≤1))下包层3，对光场及电场进行限制；

3)在下包层3上生长厚度为30～70nm的n⁺镓砷亚集电极层4；

4)在亚集电极层4上生长厚度为60～200nm的i型或弱n型掺杂的镓砷集电极层5；

5)在镓砷集电极层5上生长厚度为80～120nm的p⁺镓砷基极层6；

6)在镓砷基极层6上生长i型铟镓砷/镓砷量子阱有源区7，其中铟镓砷阱厚度为7～12nm，镓砷垒的厚度为6～15nm，包含1～3个周期。将量子阱有源区层7置于所述基极层6之上，一方面减少了基极层中掺杂杂质Zn向有源区层的扩散，另一方面也减少了基极层中掺杂杂质Zn向发射区层的扩散，有助于同时提高器件的光学电学性能。由发射极注入的电子一部分在量子阱有源区中辐射复合发光，另一部分被集电极收集，形成集电极电流；

7)在量子阱有源区7上生长厚度为80～120nm的n型铝镓砷(Al_xGa_1-xAs(0＜x＜1))发射极层8，与基极镓砷层6共同作为有源区的波导层；

8)在铝镓砷发射极层8上生长厚度为0.4～1.2微米的n型上包层9，材料与下包层相同，对光场及电场进行限制；

9)在上包层9上生长厚度为100nm的n⁺镓砷接触层10。

第二实施例

本实施例是生长铟磷基NPN异质结双极型晶体管激光器的具体工艺方法，具体包括以下步骤：

1)在洗好的铟磷衬底1上生长约500nm厚的铟磷缓冲层2；

2)在铟磷缓冲层2上生长0.4～1.2微米厚的铟磷下包层3，对光场及电场进行限制；

3)在铟磷下包层3上生长厚度为30～70nm的n⁺铟磷亚集电极层4；

4)在亚集电极层4上生长厚度为60～200nm的i型或弱n型掺杂的铟磷集电极层5；

5)在铟磷集电极层5上生长厚度为80～120nm的p⁺铟镓砷磷或铟铝镓砷基极层6；

6)在铟磷基极层6上生长i型铟镓砷磷量子阱有源区层7，发光波长为1.2～1.6微米，其阱材料为铟镓砷磷，厚度为7～12nm，垒材料为铟镓砷磷或铟铝镓砷(与基极层6材料相同)，厚度为6～15nm，包含1～3个周期；将量子阱有源区层7置于所述基极层6之上，一方面减少了基极层6中掺杂杂质Zn向有源区层的扩散，另一方面也减少了基极层6中掺杂杂质Zn向发射区层的扩散，有助于同时提高器件的光学电学性能。由发射极注入的电子一部分在量子阱有源区中辐射复合发光，另一部分被集电极收集，形成集电极电流；

7)在有源区层7上生长厚度为80～120nm的n型发射极层8，材料为铟镓砷磷或铟铝镓砷，与基极层6共同作为有源区的波导层；

8)在发射极层8上生长厚度为0.4～1.2微米的n型铟磷上包层9，对光场及电场进行限制；

9)在上包层9上生长厚度为100nm的n⁺铟镓砷接触层10。

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。