垂直腔面發(fā)射激光器與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和模擬

周廣正 李穎 蘭天 代京京 王聰聰 王智勇

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124)

垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting lasers,VCSELs)和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(heterojunction bipolar transistor,HBT)都是縱向電流器件,可以集成在同一外延片上,通過(guò)HBT基極電流調(diào)制VCSELs的輸出光功率.本文設(shè)計(jì)了一種VCSELs與HBT集成結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括VCSELs和PNP InGaP/GaAs HBT,為直接串聯(lián)結(jié)構(gòu),并利用PICS3D軟件模擬了該集成結(jié)構(gòu)的電光特性.為了模擬能夠順利進(jìn)行,在模型中加入了過(guò)渡集電極.首先將HBT導(dǎo)通,電流由發(fā)射極流向過(guò)渡集電極,然后增大過(guò)渡集電極與N型電極之間的電壓,使VCSELs導(dǎo)通且把過(guò)渡集電極的電流降為零.由于過(guò)渡集電極的電流為零,在實(shí)際結(jié)構(gòu)中可以將其移除.模擬結(jié)果表明,當(dāng)電流增益系數(shù)為400時(shí),基極電流對(duì)輸出光功率的最大調(diào)制率達(dá)到280 mW/mA.本文所設(shè)計(jì)的集成結(jié)構(gòu)及其模擬方法對(duì)光電集成器件(opto-electronic integrated circuit,OEIC)具有一定的指導(dǎo)作用.

1 引 言

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)以其閾值電流低、調(diào)制帶寬大、易于二維集成、易與光纖耦合和成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于短距離光通行和光互聯(lián)領(lǐng)域[1-3].異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)具有功率密度高、增益高、帶寬大、相位噪聲低和線性度好等特點(diǎn),是MMIC領(lǐng)域重要的三端器件之一[4,5].因?yàn)镮nGaP/GaAs HBT在制備過(guò)程中可以利用InGaP與GaAs的高選擇刻蝕性[6],提高產(chǎn)量和均勻性,因此正逐步取代傳統(tǒng)的AlGaAs/GaAs HBT.將VCSELs與HBT集成形成光開(kāi)關(guān)集成陣列可應(yīng)用于并行光處理[7].AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室[8]首次利用分子束外延(MBE)二次外延制備了GaAs量子阱激光器與HBT集成結(jié)構(gòu),其輸出光功率對(duì)基極電流的調(diào)制率為1.2 mW/mA.Zhou等[7]設(shè)計(jì)和制備了GaAs/AlGaAs HBT和VCSELs集成的光電開(kāi)關(guān).光電開(kāi)關(guān)的電流增益為500-700,在光輸出功率為0.4和1.2 mW時(shí)的功率消耗分別為27和55 mW,直流偏置下的光功率-電流轉(zhuǎn)換效率為150 W/A.將HBT集成在VCSELs中,量子阱置于HBT的基區(qū),基極電流提供空穴載流子,發(fā)射極電流提供電子載流子,可以形成晶體管垂直腔面發(fā)射激光器(transistor VCSELs,T-VCSELs)[9-11].Shi等[10]設(shè)計(jì)的T-VCSELs包括一個(gè)Npn InGaP/GaAs HBT結(jié)構(gòu)和一個(gè)6 μm的用來(lái)限制電流和光場(chǎng)的氧化孔徑.當(dāng)基極電流為7 mA時(shí),集電極電流約為53 mA,輸出光功率超過(guò)1 mW.從數(shù)值模擬中提取的參數(shù)輸入到解析模型中,得到的大信號(hào)調(diào)制可達(dá)到40 Gbps.目前VCSELs與HBT集成主要有兩種形式：1) VCSELs和HBT利用一次外延或二次外延生長(zhǎng)在同一外延片上,但相互獨(dú)立,利用金線相連.此方法雖然保留了HBT高電流增益特性,但是外延和芯片工藝復(fù)雜; 2) VCSELs的量子阱置于HBT的基區(qū),形成T-VCSEL結(jié)構(gòu).因空穴是由基極提供的,基極電流對(duì)輸出光功率的調(diào)制率偏低.由于VCSELs和HBT都是縱向電流器件,本文設(shè)計(jì)和模擬了一種VCSELs與HBT集成結(jié)構(gòu),將VCSELs與HBT在外延結(jié)構(gòu)上直接串聯(lián),用氧化層限制電流和光場(chǎng),可以集成VCSELs和HBT的優(yōu)點(diǎn),降低工藝復(fù)雜性,提高基極電流對(duì)輸出光功率的調(diào)制率.另一方面,傳統(tǒng)的VCSEL是兩端器件,調(diào)制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)VCSEL工作,一般需要幾毫安的驅(qū)動(dòng)電流,高速驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜[12-14].本文設(shè)計(jì)的VCSEL與HBT集成結(jié)構(gòu)是三端器件,將直流偏置與交流調(diào)制分開(kāi),調(diào)制電流可降至10 μA量級(jí),大大降低了驅(qū)動(dòng)電路的功率放大需求和驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性,并可采用共N型電極(對(duì)應(yīng)HBT共發(fā)射極)工作[10,15],調(diào)制信號(hào)加在基極電極,控制VCSEL光開(kāi)關(guān).通過(guò)成熟的商業(yè)軟件模擬可以大大縮短研發(fā)周期[16,17],但是利用PICS3D模擬VCSEL與HBT集成結(jié)構(gòu)過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)模型錯(cuò)誤提示及計(jì)算不能自洽等問(wèn)題,為此本文提出加入過(guò)渡集電極,使得模擬過(guò)程能夠順利進(jìn)行.

2 理論模型

圖1為VCSELs與HBT集成結(jié)構(gòu)示意圖,VCSELs部分包括N型電極,34對(duì)Al0.12GaAs/Al0.90GaAs下DBR,3對(duì)In0.06GaAs/Al0.30GaAs量子阱有源區(qū),20 nm Al0.98GaAs氧化層,21對(duì)Al0.12GaAs/Al0.90GaAs上DBR; HBT部分包括P型InGaP發(fā)射區(qū),重?fù)诫sN型GaAs基區(qū)和P型GaAs集電區(qū).過(guò)渡集電極的設(shè)置是為了PICS3D軟件模擬能夠順利進(jìn)行,N型電極、發(fā)射極、基極和過(guò)渡集電極分別記作電極1、電極2、電極3和電極4.

HBT的電流增益可表示為[5]

其中 DB和 DE分別為基極和發(fā)射極少數(shù)載流子擴(kuò)散系數(shù),NE和 NB分別為發(fā)射區(qū)和基區(qū)的雜質(zhì)濃度,LE為發(fā)射區(qū)少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度,WB為基區(qū)寬度,ΔEg為帶隙差,kB為玻爾茲曼常數(shù),LB為基區(qū)少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度.

對(duì)于VCSELs器件,耗散功率可表示為[18]

其中 Ith為閾值電流,Rs為串聯(lián)電阻,Vd為開(kāi)啟電壓.

溫升可表示為

其中 ZT為等效熱阻.

閾值電流和微分效率隨溫度的變化可表示為

圖1 VCSELs與HBT集成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of integration of VCSELs and HBT.

輸出功率可表示為

所以對(duì)VCSELs與HBT集成結(jié)構(gòu),輸出功率可表示為

由(7)式可以看出,基極電流對(duì)輸出光功率的調(diào)制率與HBT的電流增益成正比,同時(shí)由于閾值電流和微分效率隨溫度變化,使得調(diào)制率隨基極電流的增大而減小.集成結(jié)構(gòu)的調(diào)制響應(yīng)傳遞函數(shù)可表示為[5,19]

其中 β0為HBT的直流電流增益,re為發(fā)射極電阻,Cin為輸入電容,CBC為基極和集電極間電容,fr為弛豫振蕩頻率,γ 為阻尼系數(shù),fp為寄生極點(diǎn)頻率.等式右邊第1項(xiàng)為HBT的交流增益,第2項(xiàng)為VCSEL的本征響應(yīng),第3項(xiàng)表達(dá)了VCSEL的寄生效應(yīng).

3 模擬結(jié)果

首先利用TFCal軟件模擬了加入HBT對(duì)上DBR反射率的影響(圖2).設(shè)置光從量子阱有源區(qū)入射,從上表面出射,在激射波長(zhǎng)850 nm處上DBR的反射率為99.72%,加入HBT會(huì)對(duì)DBR最上層的相位產(chǎn)生影響[19,20],加入HBT后反射率為99.57%,所以加入HBT對(duì)上DBR的在激射波長(zhǎng)處的反射率影響較小.在小于850 nm時(shí)反射率下降較多,因此實(shí)際結(jié)構(gòu)中可以適當(dāng)增大腔模波長(zhǎng),避免反射率下降而影響器件性能.

圖3為平衡態(tài)時(shí)的能帶,為了簡(jiǎn)化模型,采用等效材料代替整個(gè)DBR,所以DBR處的能帶為水平直線.PICS3D軟件模擬過(guò)程中需要滿足一些自洽條件,若直接在基極或N型電極加電壓,電流不能直接由發(fā)射極流到N型電極,因此模擬過(guò)程中在旁邊加入一個(gè)過(guò)渡集電極.首先,在過(guò)渡集電極和基極加電壓讓HBT導(dǎo)通,電流從發(fā)射極流向過(guò)渡集電極,且過(guò)渡集電極與N型電極的電壓在VCSELs閾值電壓以下.圖4(a)顯示了HBT導(dǎo)通時(shí)集成結(jié)構(gòu)的能帶圖,E-B結(jié)正偏導(dǎo)通,空穴在基區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于基區(qū)厚度,E-B結(jié)注入基區(qū)的空穴通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入B-C結(jié),由于B-C反偏,空穴很快被掃入集電區(qū),過(guò)渡集電極與N型電極所加電壓小于P-N結(jié)開(kāi)啟電壓,VCSEL不能導(dǎo)通,因此電流流向過(guò)渡集電極.圖4(b)顯示了HBT導(dǎo)通時(shí)的集成結(jié)構(gòu)內(nèi)部電流分布,從圖4(b)可以看出電流由發(fā)射極經(jīng)過(guò)基區(qū)、集電區(qū)和P-DBR流向過(guò)渡集電極.電流會(huì)經(jīng)過(guò)P-DBR是因?yàn)镻-DBR摻雜較高,電阻率較低.

圖2 不同結(jié)構(gòu)DBR反射率Fig.2.Reflectivity of different DBRs.

圖3 平衡態(tài)時(shí)集成結(jié)構(gòu)的能帶Fig.3.Band diagram of integrated structure at equilibrium.

逐漸增大過(guò)渡集電極和N型電極之間的電壓,同時(shí)開(kāi)啟光子密度與漂移-擴(kuò)散耦合模型,量子阱產(chǎn)生光增益,VCSELs達(dá)到激射條件.圖5(a)為集成結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時(shí)的能帶結(jié)構(gòu),同樣E-B結(jié)正偏,B-C結(jié)反偏,過(guò)渡集電極與N型電極所加電壓大于VCSEL的開(kāi)啟電壓.圖5(b)顯示了導(dǎo)通時(shí)集成結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電流分布,從圖5(b)可以看出,電流從發(fā)射極經(jīng)基區(qū)、集電區(qū)和VCSEL流向N型電極,氧化孔徑對(duì)電流有明顯的限制作用.圖6顯示了過(guò)渡集電極和N型電極電流隨過(guò)渡集電極電壓的變化(V1=-6 V).隨著過(guò)渡集電極電壓增大,其電流減小,N型電極電流增大,在V4=-4.1 V,即過(guò)渡集電極與N型電極的電壓約1.9 V時(shí),過(guò)渡集電極電流為零,此時(shí)可以移除過(guò)渡集電極,而不影響集成結(jié)構(gòu)的電光特性.

圖4 HBT處于放大狀態(tài)時(shí)的(a)能帶圖,(b)集成結(jié)構(gòu)內(nèi)部電流分布Fig.4.Integrated structure when HBT is in an amplified state：(a) Band diagram; (b) current distribution.

圖5 HBT和VCSEL同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的集成結(jié)構(gòu) (a)能帶圖; (b)內(nèi)部電流分布Fig.5.Integrated structure when both HBT and VCSELs were conducted：(a) Band diagram; (b) current distribution.

圖6 過(guò)渡集電極和N型電極電流隨過(guò)渡集電極電壓的變化Fig.6.Relations of interim collector currentwith voltage of interim collector.

保持過(guò)渡集電極電流為零,進(jìn)一步模擬了N型電極電流和輸出光功率隨電壓的變化.圖7為不同基極電流下N型電極的電流隨電壓的變化,電流增益約為400.當(dāng)基極電流為22 μA時(shí),N型電極電流約為9 mA.圖8為不同基極電流下輸出光功率隨N型電極所加電壓的變化,當(dāng)基極電流為22 μA時(shí),輸出光功率超過(guò)4 mW,基極電流對(duì)輸出光功率的最大調(diào)制率達(dá)280 mW/mA.模型中加入了熱模型,熱源包括焦耳熱、光吸收、非輻射復(fù)合和Thomson熱.圖9(a)顯示了基極電流為10 μA時(shí)器件內(nèi)部的溫度分布,量子阱有源區(qū)處最高溫度達(dá)386 ℃.圖9(b)顯示了有源區(qū)最高溫度和輸出光功率隨基極電流的變化.從圖9(b)可以看出,隨著基極電流的增大,有源區(qū)最高溫度增加,輸出光功率先增大后趨于飽和,一方面隨著溫度的升高量子阱對(duì)載流子的限制作用減小,另一方面增益-腔模失配增大,閾值電流增大,微分效率減小,導(dǎo)致輸出光功率降低.

圖7 不同基極電流下N型電極電流隨電壓的變化Fig.7.I1 varying with V1 at different base currents.

圖8 不同基極電流下輸出光功率隨N型電極電壓的變化Fig.8.Output power varying with V1 at different base currents.

圖9 (a)基極電流為10 μA時(shí)器件內(nèi)部溫度分布; (b)有源區(qū)溫度和輸出光功率隨基極電流的變化(V1=-6 V)Fig.9.(a) Temperature distribution of the device at a 10 μA base current; (b) temperature in active region and output power varying with the base current (V1=-6 V).

圖10 集成結(jié)構(gòu)的交流光增益Fig.10.The ac power gain of integration structure.

本文利用PICS3D模擬了集成結(jié)構(gòu)的交流光增益特性.圖10顯示了基極電流為10 μA時(shí)交流光增益的模擬結(jié)果,從圖10可以看出其截至頻率超過(guò)1 GHz.單獨(dú)模擬VCSEL得到其調(diào)制響應(yīng)的-3 dB帶寬為25 GHz,由(8)式可知加入HBT限制了集成結(jié)構(gòu)的調(diào)制速率,需進(jìn)一步優(yōu)化HBT結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何尺寸來(lái)提高調(diào)制速率.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)和建立了VCSELs與InGaP/GaAs HBT集成結(jié)構(gòu)模型,利用PICS3D軟件模擬了集成結(jié)構(gòu)的光電特性,模擬過(guò)程中加入過(guò)渡集電極,通過(guò)先開(kāi)啟HBT,再改變過(guò)渡集電極與N型電極之間的電壓使VCSELs導(dǎo)通,之后保持過(guò)渡集電極電流為零.模擬結(jié)果表明,集成結(jié)構(gòu)的電流增益達(dá)到400,基極電流對(duì)輸出光功率的最大調(diào)制率達(dá)到280 mW/mA.當(dāng)基極電流為22 μA時(shí),輸出光功率超過(guò)4 mW.由交流光增益的模擬結(jié)果可知截至頻率超過(guò)1 GHz.本文建立的集成結(jié)構(gòu)和模擬方法還可用于LED,LD和DFB等發(fā)光器件與HBT的集成,對(duì)光電集成具有一定的指導(dǎo)作用.