發(fā)光半導(dǎo)體方法和裝置制造方法
【專利摘要】本申請(qǐng)涉及發(fā)光半導(dǎo)體方法和裝置。一種用于產(chǎn)生表示高頻電輸入信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的方法，其包括以下步驟：提供半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)包含位于第二半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極與集極區(qū)之間的第一半導(dǎo)體類型的基極區(qū)；在基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)；提供分別與射極、基極和集極區(qū)耦合的射極、基極和集極電極；相對(duì)于射極、基極和集極電極施加包含高頻電信號(hào)分量的電信號(hào)以通過量子大小區(qū)的輔助從基極區(qū)產(chǎn)生輸出自發(fā)光發(fā)射，輸出自發(fā)光發(fā)射包含表示高頻電信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量；為基極與射極電極之間的區(qū)中的光發(fā)射提供光學(xué)腔；以及響應(yīng)于高頻電信號(hào)分量而縮放光學(xué)腔的橫向尺寸以控制光發(fā)射的速度。
【專利說明】發(fā)光半導(dǎo)體方法和裝置
[0001]本案是一件分案申請(qǐng)。本案的母案是國際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2010/001133、申請(qǐng)日為2010年4月16日、PCT申請(qǐng)進(jìn)入中國國家階段后申請(qǐng)?zhí)枮?01080016839.4、發(fā)明名稱為“發(fā)光半導(dǎo)體方法和裝置”的發(fā)明專利申請(qǐng)案。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用于響應(yīng)于電信號(hào)而產(chǎn)生光發(fā)射和激光發(fā)射的方法和裝置。本發(fā)明還涉及用于以改善的效率從半導(dǎo)體裝置產(chǎn)生高頻率光發(fā)射和激光發(fā)射和增加從半導(dǎo)體發(fā)光裝置的光輸出的方法。

【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明【背景技術(shù)】的一部分在于異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的開發(fā)，所述晶體管作為發(fā)光晶體管和晶體管激光器而操作?？衫鐓⒖?第7，091，082、7，286，583、7，354，780,7, 535，034 和 7，693，195 號(hào)美國專利；第 US2005/0040432、US2005/0054172、US2008/0240173、US2009/0134939 和 US2010/0034228 號(hào)美國專利申請(qǐng)公開案；以及第TO/2005/020287和W0/2006/093883號(hào)PCT國際專利公開案。還可參考以下公開案:“發(fā)光晶體管:來自InGaP/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的光發(fā)射(Light-EmittingTransistor:Light Emiss1n From InGaP/GaAs Heterojunct1n BipolarTransistors) ”,M ?馮(M.Feng)、N ?小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)和W ?哈菲斯(ff.Hafez)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，84，151(2004)量子阱基異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管(Quantum-Well-BaseHeterojunct1n Bipolar Light-Emitting Transistor)，，，M.馮(M.Feng) > N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)和 R.陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，84，1952 (2004) ;“11 類型GaAsSb/InP 異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管(Type-1I GaAsSb/lnP Heterojunct1n BipolarLight-Emitting Transistor) ”, M.馮(M.Feng)、Ν.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、B.楚昆(B.Chu-Kung)、G ?沃爾特(G.Walter)和 R ?陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，84，4792 (2004)；“異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管的激光操作(Laser Operat1n Of A Heterojunct1n BipolarLight-Emitting Transistor) ”, G ?沃爾特(G.Walter)、N ?小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、M.馮(M.Feng)和R.陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，85，4768(2004)晶體管激光器的微波操作和調(diào)制(Microwave Operat1n And Modulat1n Of A Transistor Laser)，，，R.陳(R.Chan)、M ?馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)和 G.沃爾特(G.Walter)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，86，131114(2005);“異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管激光器的室溫連續(xù)波操作(RoomTemperature Continuous Wave Operat1n Of A Heterojunct1n Bipolar TransistorLaser) ”，M.馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、G.沃爾特(G.Walter)和R.陳(R-Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，87，131103(2005)可見光譜發(fā)光晶體管(VisibleSpectrum Light-Emitting Transistors)，，, F.迪克森(F.Dixon)、R.陳(R.Chan)、G.沃爾特(G.Walter)、N ?小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、M.馮(M.Feng)、X.Β ?張(X.B.Zhang)、J.H.尤(J.H.Ryou)和 R.D.杜普伊斯(R.D.Dupuis)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，88，012108 (2006)；“晶體管激光器(The Transistor Laser) ”，N.霍隆亞克(N.Holonyak)和 M.馮(M.Feng)，光譜，IEEE第43卷第2期，2006年2月；“多輸入晶體管激光器中的接近閾值的信號(hào)混合(Signal Mixing In A Multiple Input Transistor Laser Near Threshold)”， M.馮(M.Feng)、N ?小霍隆亞克(Ν.Holonyak, Jr.)、R ?陳(R.Chan)、A ?詹姆斯(A.James)和 G ?沃爾特(G.Walter)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，88，063509 (2006);和“晶體管激光器的基量子阱轉(zhuǎn)變上的增益與模擬重組的集極電流映射(Collector Current Map Of Gain And StimulatedRecombinat1n On The Base Quantum Well Transit1ns Of A Transistor Laser)，，；R.陳(R.Chan)、N.小霍隆亞克(Ν.Holonyak, Jr.)、A.詹姆斯(A.James)和 G.沃爾特(G.Walter)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，88，14508(2006); “異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管激光器中的集極擊穿(Collector Breakdown In The Heterojunct1n Bipolar Transistor Laser)，，，G.沃爾特(G.Walter)、A.詹姆斯(A.James)、N.小霍隆亞克(Ν.Holonyak, Jr.)、M.馮(M.Feng)和R.陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，88，232105 (2006)晶體管激光器的方波信號(hào)的高速(/spl ges/lGHz)電和光學(xué)相加、混合和處理(High-Speed(/spl ges/lGHz)Electrical And Optical Adding, Mixing, And Processing Of Square-Wave SignalsWith A Transistor Laser) ”，M.馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、R.陳(R.Chan)、A.詹姆斯(A.James)和G.沃爾特(G.Walter)，光子技術(shù)學(xué)報(bào)，IEEE第18卷第11期(2006)分級(jí)基InGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管(Graded-Base InGaN/GaNHeterojunct1n Bipolar Light-Emitting Transistors)，，，B *F ?楚昆(B.F.Chu-Kung)等人，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，89，082108 (2006)量子阱AlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs晶體管激光器的載流子壽命和調(diào)制帶寬(Carrier Lifetime And Modulat1n Bandwidth Of A QuantumWell AlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs Transistor Laser) ”，M.馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、A.詹姆斯(A.James)、K.西米諾(K.Cimino)、G.沃爾特(G.Walter)和R.陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，89，113504(2006);“晶體管激光器中的線性調(diào)頻脈沖，線寬增強(qiáng)的弗蘭茨一凱第希減少(Chirp In A Transistor Laser, Franz-Keldysh Reduct1nof The Linewidth Enhancement) ”，G.沃爾特(G.Walter)、A.詹姆斯(A.James)、N ?小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)和Μ.馮(Μ.Feng)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，90，091109 (2007)量子阱晶體管激光器中的光子輔助擊穿、負(fù)電阻和切換(Photon-Assisted Breakdown, NegativeResistance, And Switching In A Quantum-Well Transistor Laser)，，，A.詹姆斯(A.James)、G.沃爾特(G.Walter)、M ?馮(M.Feng)和 N.小霍隆亞克(Ν.Holonyak, Jr.)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，90，152109(2007);“晶體管激光器的弗蘭茨一凱第希光子輔助電壓操作的切換(Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-Operated Switching of a TransistorLaser) ”，A.詹姆斯(A.James)、N.霍隆亞克(Ν.Holonyak)、M ?馮(M.Feng)和 G.沃爾特(G.Walter)，光子技術(shù)學(xué)報(bào)，IEEE第19卷第9期(2007)具有變化的基量子阱設(shè)計(jì)和摻雜的量子阱n-p-n異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管的操作中的有效少數(shù)載流子壽命的實(shí)驗(yàn)石角定(Experimental Determinat1n Of The Effective Minority CarrierLifetime In The Operat1n Of A Quantum-Well n-p-n Heterojunct1n BipolarLight-Emitting Transistor Of Varying Base Quantum-Well Design And Doping)”，H.W.森(Η.W.Then)、M ?馮(Μ.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)和 C.H.吳(C.H.mo，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，91，033505(2007)晶體管激光器操作的電荷控制分析(ChargeControl Analysis Of Transistor Laser Operat1n) ”，M.馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、H.W.森(H.W.Then)和 G.沃爾特(G.Walter)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，91,053501(2007);“通過晶體管激光器的第一激發(fā)狀態(tài)的操作和調(diào)制的光學(xué)帶寬增強(qiáng)(Optical Bandwidth Enhancement By Operat1n And Modulat1n Of The First ExcitedState Of A Transistor Laser)，，，H*W.森(H.ff.Then) > M.馮(M.Feng)和 N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，91，183505(2007); “高電流增益(β >49)發(fā)光 InGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的調(diào)制(Modulat1n Of High Current Gain ( β >49)Light-Emitting InGaN/GaN Heterojunct1n Bipolar Transistors)，’，B.F.楚昆(B.F.Chu-Kung)、C.H.吳(C.H.Wu)、G.沃爾特(G.Walter)、M ?馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、T.鐘(T.Chung)、J.H.尤(J.H.Ryou)和 R.D.杜普伊斯(R.D.Dupuis)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，91，232114(2007)量子阱晶體管激光器的集極特性和差分光學(xué)增益(Collector Characteristics And The Differential Optical Gain OfA Quantum-Well Transistor Laser) ”，H.W.森(H.ff.Then)、G.沃爾特(G.Walter)、M.馮(M-Feng)和 Ν.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，91，243508 (2007)；“具有 1544nm 發(fā)射波長的晶體管激光器(Transistor Laser With Emiss1n Wavelengthatl544nm) ”，F(xiàn).迪克森(F.Dixon)、M ?馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、黃勇(Yong Huang)、X.B.張(X.B.Zhang)、J.H.尤(J.H.Ryou)和 R.D.杜普伊斯(R.D.Dupuis)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，93，021111(2008);以及“具有輔助基極信號(hào)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管激光器操作的光學(xué)帶寬增強(qiáng)(Optical Bandwidth Enhancement Of Heterojunct1nBipolar Transistor Laser Operat1n With An Auxiliary Base Signal)，’，H.W.森(H.W.Then)、G.沃爾特(G.Walter)、M.馮(M.Feng)和 N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.),應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，93，163504(2008)。
[0004]圖1和圖2說明現(xiàn)有傾斜電荷光發(fā)射器的實(shí)例；也就是說，如在以上參考的專利文獻(xiàn)和公開案中描述的發(fā)光晶體管(“LET”)。n+GaAs子集極區(qū)105具有沉積于其上的η型GaAs集極區(qū)110，隨后是p+AlGaAs/GaAs基極區(qū)120，其具有η型InGaAs量子阱(QW) 126。射極臺(tái)面沉積于基極上，且包含η型InGap射極層130和η型AlGaAs孔口層140和n+GaAs包覆層150?？沙Ｒ?guī)地使用橫向氧化來獲得環(huán)形氧化物141且形成中心孔口。集極電極或接觸金屬化物展示于107處，基極接觸金屬化物展示于122處，且射極接觸金屬化物展示于152處。圖2展示圖1金屬化物的平面圖；也就是說，相對(duì)的集極接觸件(共同連接未圖示)、包含外部環(huán)形環(huán)的基極接觸件122，和包含內(nèi)部環(huán)形環(huán)的射極接觸件152。
[0005]圖1還具有說明典型發(fā)光晶體管操作中的電子流和空穴流的流動(dòng)的箭頭。如所描述，舉例來說，在以上引用的文獻(xiàn)中，發(fā)光晶體管、晶體管激光器和某些兩端子光發(fā)射器有時(shí)候稱為“傾斜電荷”裝置，原因是“傾斜的”基極電荷分布(如裝置能帶圖上所說明)，其鎖定與反向偏置集極結(jié)處的電荷“收集”相“競爭”的基極電子-空穴重組，因此選擇(“過濾”)且僅允許基極中的在大約若干微微秒的有效壽命內(nèi)的“快速”重組(由量子阱輔助)。[可例如參考上文列出的文獻(xiàn)，包含對(duì)第US2010/0034228號(hào)美國專利申請(qǐng)公開案中揭示的兩端子傾斜電荷光發(fā)射器的參考。]
[0006]在現(xiàn)有傾斜電荷裝置中，由以氧化物形成的孔口部分界定的光學(xué)腔或窗置于基極和射極接觸件之后。由于傾斜電荷裝置的較高基極薄片電阻和較大電流增益(射極電流)，基極射極結(jié)上的電壓差沿著由氧化物孔口界定的邊緣最大。這迫使重組事件(產(chǎn)生所需的光學(xué)輸出)沿著氧化物孔口的周邊定位，因?yàn)殡娏髯⑷朐陔妷翰钭畲蟮膮^(qū)中最大。結(jié)電壓朝向光學(xué)腔的中心減小。此現(xiàn)象在圖1和圖2中表示，且可進(jìn)一步從如圖3的簡化電路模型中所示的裝置操作建模來理解。在圖3中，區(qū)和接觸件對(duì)應(yīng)于圖1中具有類似參考標(biāo)號(hào)的那些區(qū)和接觸件。在模型中，307、320和330分別表示集極、基極和射極電阻，308表示集極電流分量，且340表示基極/射極電壓的空間分量。如圖1中首先所見，對(duì)于電子傳導(dǎo)的最小電阻路徑是沿著由氧化物孔口界定的邊緣。在圖3的模型中，這導(dǎo)致V4大體上大于V3，且Vl大體上大于V2。這致使大多數(shù)重組事件較靠近基極層的邊緣而定位，且在基極層中心處和附近的重組較少(見圖2的光輸出表示的草圖)。
[0007]圖4是展示裝置的隨著裝置基極電流(以mA為單位)而變的檢測到的光學(xué)輸出(作為以μA為單位的檢測器光電流)的曲線圖。較大發(fā)射器直徑裝置的光學(xué)輸出在較大基極電流輸入下飽和。光的飽和歸因于量子阱飽和。
[0008]在圖5中，不同射極大小(且因此，孔口大小)的光學(xué)輸出密度和射極電流密度方便地經(jīng)正規(guī)化為孔口周長“區(qū)域”(圖5中插圖的陰影區(qū)域)。所述區(qū)域是通過假定進(jìn)入光學(xué)腔的恒定淺滲透來確定的。結(jié)果指示重組沿著裝置的邊緣定位。因此最大光輸出由通過氧化物孔口界定的有效周長而不是總光學(xué)腔的面積來確定。
[0009]圖6說明針對(duì)各種發(fā)射器大小的脈沖電流測量，其展示針對(duì)10%和50%脈沖電流測量兩者的光輸出大體上相同。結(jié)果指示裝置的光飽和不是由加熱引起，而是由局部化量子阱飽和引起。
[0010]圖7是圖1類型的現(xiàn)有裝置的俯視圖照片，其中表示出集極(C)、基極⑶和射極(E)金屬化物，且光學(xué)腔或窗由箭頭指示。圖的發(fā)光晶體管具有1um射極臺(tái)面和6um的由孔口界定的光學(xué)腔。光學(xué)腔位于基極和射極接觸件之后(即，其上方，如圖1中)。此裝置的有效周長因此是大約18 μ m。類似地，圖8展示現(xiàn)有的傾斜電荷發(fā)光二極管，其中表示出射極(E)和基極/漏極(BD)金屬化物，且同樣,裝置具有1um射極臺(tái)面和6um的由孔口界定的光學(xué)腔。光學(xué)腔同樣位于基極和射極接觸件之后。同樣，此裝置的有效周長是大約18 μ m0
[0011]在所描述類型的裝置中，如上所述，光學(xué)窗或腔置于基極和射極接觸件之后。由于傾斜電荷裝置的較高基極薄片電阻和較大電流增益(射極電流)，基極射極結(jié)上的電壓差沿著由氧化物孔口界定的邊緣最大。如上文闡釋，這迫使重組事件(產(chǎn)生所需的光學(xué)輸出)沿著氧化物孔口的周邊定位，因?yàn)殡娏髯⑷朐陔妷翰钭畲蟮膮^(qū)中最大。結(jié)電壓朝向光學(xué)腔的中心減小，其具有伴隨的缺點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明一方面的目的是克服例如所描述的傾斜電荷光發(fā)射器等現(xiàn)有發(fā)光裝置的這些和其它限制，且改善發(fā)光和激光半導(dǎo)體裝置的光發(fā)射。
[0013]接著考慮本發(fā)明又一方面的背景。
[0014]使用直接帶隙II1-V材料的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和激光器以及電子-空穴注入和重組多年來已帶來顯示器和光波通信中的許多應(yīng)用。雖然半導(dǎo)體激光器通常在長距離通信鏈路方面占主導(dǎo)，但快速的自發(fā)光波傳輸器可為針對(duì)短程光學(xué)數(shù)據(jù)通信和光學(xué)互連的有吸引力的解決方案，因?yàn)槠溟撝递^低的操作、高制造產(chǎn)量以及降低的驅(qū)動(dòng)器和反饋控制復(fù)雜性顯著降低了傳輸器的總成本、形狀因數(shù)和功率消耗。與例如諧振腔等適當(dāng)?shù)那辉O(shè)計(jì)相結(jié)合，在980nm發(fā)射的自發(fā)光源已表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高達(dá)27%的外部量子效率(next)和窄達(dá)5nm的發(fā)射譜寬度(見J.J.維雷爾(J.J.Wierer)、D.A.科洛格(D.A.Kellogg)和N.小霍隆亞克(N.Holonyak.Jr.)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，74，926 (1999))。然而，最新展示的最快的自發(fā)光源(發(fā)光二極管)采用高達(dá)7xl019cm —3的P摻雜來實(shí)現(xiàn)1.7GHz的帶寬(即，約10ps的重組壽命)，其代價(jià)為內(nèi)部量子效率降低到10%或更小(見C.H.陳(C.H.Chen)、M ?哈吉斯(M.Hargis)、J.M.伍德爾(J.M.Woodall)、M.R.梅洛希(M.R.Melloch)、J.S.雷諾茲(J.S.Reynolds)、E.雅布洛諾維奇(E.Yablonovitch)和 W.王(ff.Wang)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，74，3140 (1999))。實(shí)際上，例如LED或RCLED等較高效率的自發(fā)裝置以小于IGHz的帶寬操作，從而將自發(fā)光發(fā)射器(LED和RCLED)的實(shí)際商業(yè)應(yīng)用限于小于I千兆位/s。
[0015]先前已提出，利用高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管(HBLET)可能潛在地充當(dāng)具有超過數(shù)十GHz的速度的光源(見M.馮(M.Feng)、N ?小霍隆亞克(N.Holonyak.Jr.)和W.哈菲斯(ff.Hafez)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，84，151 (2004)；M.馮(M.Feng)、N ?小霍隆亞克(N.Holonyak.Jr.)和R.陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，84，1952 (2004) ；ff ?斯諾德格拉斯(ff.Snodgrass)、B *R.吳(B.R.ffu)、K.Y ?程(K.Y.Cheng)和M.馮(M.Feng)，IEEE國際電子裝置會(huì)議(IEDM)，663-666頁，2007)。“晶體管激光器的室溫連續(xù)波操作”進(jìn)一步證明實(shí)際的輻射重組中心(即，未經(jīng)摻雜量子阱)可并入到HBLET的重?fù)诫s基極區(qū)中(見M.馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak.Jr.)、G.沃爾特(G.Walter)和R.陳(R.Chan)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，87，131103 (2005))。由于晶體管中的傾斜電荷填充的短基極效應(yīng)，HBLET的基極區(qū)中的有效少數(shù)載流子壽命可通過修整摻雜和并入Qff而逐漸減少到低于10ps (見H.W.森(H.W.Then)、M ?馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak.Jr.)和C.Η ?吳(C.H.Wu)，“具有變化的基量子阱設(shè)計(jì)和摻雜的量子阱n-p-n異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管的操作中的有效少數(shù)載流子壽命的實(shí)驗(yàn)確定”，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，91卷，033505，2007 ；G.沃爾特(G.Walter)、C.H.吳(C.H.Wu)、H.W.森(H.W.Then)、M ?馮(M-Feng)和N.小霍隆亞克(N.Holonyak.Jr.)，“4.3GHz光學(xué)帶寬發(fā)光晶體管(4.3GHzoptical bandwidth light emitting transistor) ”(提交到應(yīng)用物理學(xué)報(bào))，2009,見上文)。實(shí)際上，盡管HBT具有高本征速度，但HBLET的微波性能受到寄生電容的限制，原因在于包含外在載流子輸送效應(yīng)的因素和包含傳統(tǒng)高速HBT裝置中不存在的光提取特征(例如氧化物孔口)的需要。
[0016]本發(fā)明一方面的目的是解決現(xiàn)有裝置和技術(shù)的此些限制，且改善傾斜電荷發(fā)光裝置和技術(shù)的操作，包含三端子發(fā)光晶體管和兩端子傾斜電荷光發(fā)射器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]在本發(fā)明第一方面的形式中，發(fā)光半導(dǎo)體裝置經(jīng)配置以獲得進(jìn)入基極區(qū)中的載流子注入的均勻性，且基極與射極電極之間的光學(xué)腔不會(huì)像現(xiàn)有技術(shù)中那樣引起裝置的射極與基極(或基極/漏極)電極之間的電壓分布的有害的不均勻性。
[0018]關(guān)于本發(fā)明的又一方面， 申請(qǐng)人:已發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管(LET)或傾斜電荷發(fā)光二極管的橫向縮放可改善電與光學(xué)特性兩者。舉例來說，本征晶體管的快速重組動(dòng)力學(xué)可通過按比例縮小射極孔口以減少橫向外在“類似于寄生的”RC充電來管理?？焖僮园l(fā)調(diào)制速度連同由于LET或傾斜電荷發(fā)光二極管的制造簡易和閾值較低的操作帶來的高產(chǎn)量和可靠性一起提供了對(duì)激光源的有吸引力的替代，尤其是用于短程光學(xué)數(shù)據(jù)通信和互連。
[0019]根據(jù)本發(fā)明第一方面的形式，陳述一種用于以改善的效率從兩端子半導(dǎo)體裝置產(chǎn)生光發(fā)射的方法，其包含以下步驟:提供分層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含:半導(dǎo)體漏極區(qū)，其包括至少一個(gè)漏極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述漏極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面；在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)；提供具有位于所述基極區(qū)的暴露表面上的第一部分和與所述漏極區(qū)耦合的又一部分的基極/漏極電極，且在所述射極區(qū)的表面上提供射極電極；相對(duì)于所述基極/漏極和射極電極施加信號(hào)以從所述基極區(qū)獲得光發(fā)射；以及配置所述基極/漏極和射極電極以獲得位于其間的區(qū)中的電壓分布的大體均勻性。
[0020]在本發(fā)明此形式的實(shí)施例中，配置所述電極之間的所述射極臺(tái)面的幾何形狀以促進(jìn)所述電極之間的所述區(qū)中的電壓分布的大體均勻性。在此實(shí)施例的形式中，所述射極臺(tái)面具有大體上直線的表面部分，且所述提供所述電極的步驟包括沿著所述射極臺(tái)面的所述表面部分的一側(cè)提供所述射極電極，且在所述基極區(qū)表面的鄰近于所述射極臺(tái)面表面部分的相對(duì)側(cè)的一部分上提供所述基極/漏極電極的所述第一部分。所述射極電極和所述基極/漏極電極的所述第一部分可為相對(duì)的線性導(dǎo)電條帶。
[0021]根據(jù)本發(fā)明第一方面的另一形式，提供一種用于以改善的效率從三端子半導(dǎo)體裝置產(chǎn)生光發(fā)射的方法，其包含以下步驟:提供分層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含:半導(dǎo)體集極區(qū)，其包括至少一個(gè)集極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述集極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面；在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)；在所述集極區(qū)上提供集極電極，在所述基極區(qū)的暴露表面上提供基極電極，且在所述射極區(qū)的表面上提供射極電極；相對(duì)于所述集極、基極和射極電極施加信號(hào)以從所述基極區(qū)獲得光發(fā)射；以及配置所述基極和射極電極以獲得位于其間的區(qū)中的電壓分布的大體均勻性。
[0022]根據(jù)本發(fā)明又一方面的第一形式的實(shí)施例，陳述一種用于產(chǎn)生表不高頻電輸入信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的方法，其包含以下步驟:提供半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其包含位于第二半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極與集極區(qū)之間的第一半導(dǎo)體類型的基極區(qū)；在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)；提供分別與所述射極、基極和集極區(qū)耦合的射極、基極和集極電極；相對(duì)于所述射極、基極和集極電極施加包含所述高頻電信號(hào)分量的電信號(hào)以通過所述量子大小區(qū)的輔助從所述基極區(qū)產(chǎn)生輸出自發(fā)光發(fā)射，所述輸出自發(fā)光發(fā)射包含表示所述高頻電信號(hào)分量的所述高頻光學(xué)信號(hào)分量；為所述基極與射極電極之間的區(qū)中的所述光發(fā)射提供光學(xué)窗或腔；以及響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而縮放所述光學(xué)窗或腔的橫向尺寸以控制光發(fā)射的速度。
[0023]在本發(fā)明此方面的第一形式的實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括提供安置于所述射極區(qū)上的孔口，且所述縮放所述橫向尺寸包含縮放所述孔口的尺寸。在此實(shí)施例的一種型式中，所述孔口大體上為圓形的，且經(jīng)縮放為直徑優(yōu)選約10 μ m或更小，且更優(yōu)選經(jīng)縮放為直徑約5μπι或更小。在此實(shí)施例的另一型式中，所述窗或腔大體上為矩形的，且所述縮放橫向尺寸包括提供具有優(yōu)選直徑約?ο μ m或更小且更優(yōu)選約5 μ m或更小的線性尺寸的所述窗或腔。在所述方法的實(shí)施例的實(shí)踐中，所述高頻電信號(hào)分量具有至少約2GHz的頻率。
[0024]根據(jù)本發(fā)明又一方面的又一形式的實(shí)施例，陳述一種用于產(chǎn)生表不高頻電信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的方法，其包含以下步驟:提供分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含:半導(dǎo)體漏極區(qū)，其包括至少一個(gè)漏極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述漏極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面；在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)；提供具有位于所述基極區(qū)的暴露表面上的第一部分和與所述漏極區(qū)耦合的又一部分的基極/漏極電極，且在所述射極區(qū)的表面上提供射極電極；相對(duì)于所述基極/漏極和射極電極施加信號(hào)以從所述基極區(qū)產(chǎn)生光發(fā)射；為所述基極/漏極電極的所述第一部分與所述射極電極之間的區(qū)中的所述光發(fā)射提供光學(xué)窗或腔；以及響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而縮放所述光學(xué)窗或腔的橫向尺寸以控制光發(fā)射的速度。
[0025]在本發(fā)明此方面的又一形式的實(shí)施例中，所述射極臺(tái)面具有大體上直線的表面部分，且所述提供所述電極的步驟包括沿著所述射極臺(tái)面的所述表面部分的一側(cè)提供所述射極電極，且在所述基極區(qū)表面的鄰近于所述射極臺(tái)面表面部分的相對(duì)側(cè)的一部分上提供所述基極/漏極電極的所述第一部分。在此實(shí)施例中，所述提供所述電極的步驟進(jìn)一步包括將所述射極電極和所述基極/漏極電極的所述第一部分提供為相對(duì)的線性導(dǎo)電條帶，且所述縮放橫向尺寸包括提供具有優(yōu)選約10 μ m或更小且更優(yōu)選約5 μ m或更小的線性尺寸的所述窗或腔。
[0026]從結(jié)合附圖做出的以下詳細(xì)描述將更容易明了本發(fā)明的另外特征和優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是現(xiàn)有傾斜電荷發(fā)光晶體管裝置的實(shí)例的橫截面表示。
[0028]圖2是圖1裝置的接觸件或電極的平面圖。
[0029]圖3是表示圖1裝置的相關(guān)操作的電路模型。
[0030]圖4是展示具有不同射極直徑De的裝置的隨著基極電流而變的光學(xué)輸出(作為檢測器光電流)的曲線圖。
[0031]圖5展示具有不同射極直徑De的裝置的隨著射極電流對(duì)邊緣密度而變的經(jīng)正規(guī)化光學(xué)輸出密度的曲線圖。插圖展示作為經(jīng)正規(guī)化孔口周邊區(qū)域的發(fā)光區(qū)域的表示。通過假定進(jìn)入光學(xué)腔的恒定淺滲透來確定所述區(qū)域。
[0032]圖6展示針對(duì)各種發(fā)射器大小(Wym為單位)的裝置的射極電流而變的光電流測量，其在每一曲線上展示10%和50%脈沖電流點(diǎn)。
[0033]圖7是圖1類型的現(xiàn)有裝置的俯視圖照片，其中表示出集極(C)、基極⑶和射極(E)金屬化物，且光學(xué)腔由箭頭指示。
[0034]圖8是在2010年I月7日申請(qǐng)且轉(zhuǎn)讓給與本申請(qǐng)案相同受讓人的第12/655，806號(hào)共同待決美國專利申請(qǐng)案中描述的類型的傾斜電荷發(fā)光二極管的俯視圖照片。
[0035]圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的經(jīng)改善傾斜電荷發(fā)光晶體管的實(shí)例的橫截面圖，且其可用于實(shí)踐本發(fā)明方法的實(shí)施例。
[0036]圖10展示圖9實(shí)施例的裝置操作的電路模型。
[0037]圖11 (a)和圖11 (b)展示本發(fā)明實(shí)施例中采用的相對(duì)的基極和射極接觸件或電極條帶。
[0038]圖12是具有10 μ mX10 μ m類型2光學(xué)腔設(shè)計(jì)的傾斜電荷發(fā)光晶體管的俯視圖照片。
[0039]圖13展示針對(duì)圖7所示的裝置(實(shí)線)和圖12所示的裝置(虛線)的發(fā)光晶體管光學(xué)輸出(檢測器光電流)對(duì)射極電流。
[0040]圖14是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的雙結(jié)傾斜電荷發(fā)光二極管的簡化橫截面圖。
[0041]圖15是圖14的裝置的俯視圖照片，其中表示出射極(E)和基極/漏極(BD)金屬化物，且光學(xué)腔由箭頭指示。
[0042]圖16是展示圖15裝置的實(shí)例的半導(dǎo)體層的表。
[0043]圖17展示圖15和圖16的裝置的I_V特性。
[0044]圖18展示從裝置襯底底部測量的圖15、16裝置的光學(xué)光輸出L-1特性，且在插圖中展示任意單位的輸出光譜。
[0045]圖19展示分別在偏置電流Ie = 40,50和60mA下圖15、16裝置的光學(xué)輸出響應(yīng)，其展示3.2、5和7GHz的-3dB頻率f3db。
[0046]圖20是利用隧道結(jié)作為裝置的漏極區(qū)的本發(fā)明實(shí)施例的簡化橫截面圖。
[0047]圖21是其中可采用本發(fā)明的改進(jìn)的實(shí)施例的裝置的簡化橫截面。
[0048]圖22在曲線圖(a)中展示圖21裝置的集極I_V特性且在曲線圖(b)中展示其光學(xué)輸出特性。用大面積光檢測器從裝置的底部測量光發(fā)射。
[0049]圖23分別在曲線圖(a)和(b)中展示在偏置Ib = 2mA和Vbc?OV (對(duì)于反向偏置BC結(jié)的條件)下共集極HBLET裝置對(duì)BC和EC rf輸入的光學(xué)響應(yīng)。
[0050]圖24是展示在Da?6 μ m且Vbc處于O伏的情況下HBLET的EC輸入端口調(diào)制的隨著Ib而變的F3db(以GHz為單位)的繪圖。插圖展示隨著Ib而變的光學(xué)輸出(以微瓦為單位的檢測器輸出)。
[0051]圖25的繪圖(a)和(b)展示例如射極大小為(a) Da = 5um和(b)DA = 13 μ m情況下的HBLET集極IV特性。
[0052]圖26展示針對(duì)此實(shí)例的具有Da = 5 μ m、Da = 8 μ m和Da = 13 μ m的三個(gè)裝置在Vbc = OV情況下隨著基極電流Ib而變的HBLET光學(xué)光輸出(從底部測量)。插圖展示隨著波長而變的任意單位的光譜。
[0053]圖27是針對(duì)此實(shí)例的具有Da = 5 μ m、DA = 8 μ m和Da = 13 μ m的三個(gè)裝置在Vbc=O情況下隨著頻率而變的經(jīng)正規(guī)化響應(yīng)的繪圖。
[0054]圖28是針對(duì)此實(shí)例的具有Da = 5 μ m、Da = 8 μ m和Da = 13 μ m的三個(gè)裝置隨著基極電流而變的光學(xué)帶寬的繪圖。
[0055]圖29是其中可采用本發(fā)明實(shí)施例的傾斜電荷發(fā)光二極管的簡化橫截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0056]圖9是根據(jù)本發(fā)明第一方面的實(shí)施例的經(jīng)改善傾斜電荷發(fā)光晶體管裝置的圖。本發(fā)明的裝置可使用例如用于沉積II1-V半導(dǎo)體層的常規(guī)半導(dǎo)體沉積技術(shù)以及裝置制造和精飾技術(shù)來制造，例如在本發(fā)明的【背景技術(shù)】部分中列出的專利和公開案中所述的技術(shù)。從下向上，裝置包含η+子集極區(qū)905、η型集極區(qū)910和含有量子阱926的ρ+基極區(qū)920。射極臺(tái)面包含η型射極層930和η+射極包覆950。在本實(shí)例中，裝置是ηρη傾斜電荷發(fā)光晶體管，但應(yīng)了解本發(fā)明的原理也適用于ρηρ裝置。集極電極或接觸金屬化物在907處表示?；鶚O接觸件在922處表示，且射極接觸件在952處表示。
[0057]在圖9的實(shí)施例中，光學(xué)腔有利地置于射極與基極電極之間。射極電阻(Re)相對(duì)于射極電流與基極電流比(β+l)經(jīng)調(diào)諧以使得在空穴從相反方向橫向傳導(dǎo)時(shí)，由于電子傳導(dǎo)帶來的電壓降等于由于基極電流帶來的電壓降。這導(dǎo)致基極-射極結(jié)上的較均勻的電壓降。射極電阻可通過改變薄片電阻和通過改變射極臺(tái)面的幾何形狀(下文圖11)來調(diào)諧。
[0058]圖10展示圖9實(shí)施例的裝置操作的電路模型。在圖10中，區(qū)和接觸件對(duì)應(yīng)于圖9中具有類似參考標(biāo)號(hào)的那些區(qū)和接觸件。在模型中，1007、1020和1030分別表示集極、基極和射極電阻，1008表示集極電流分量,且1040表示基極/射極電壓的空間分量。如圖中所見，使基極-射極結(jié)上的電壓降大體上均勻，使得V1、V2、V3和V4將近似相同。這意味著重組事件將在光學(xué)腔中近似均勻。
[0059]基極和射極結(jié)上的大體上對(duì)稱的電壓降可通過調(diào)諧射極臺(tái)面的薄片電阻和幾何形狀來實(shí)現(xiàn)；例如，通過采用光學(xué)窗或腔(在此情況下由暴露的射極臺(tái)面界定)的幾何形狀以獲得所需電阻。舉例來說，圖11(a)和圖11(b)的圖展示相對(duì)的基極和射極接觸件或電極條帶，且作為陰影區(qū)域展示可從其發(fā)射所產(chǎn)生光的暴露射極臺(tái)面。與圖11(a)的“類型2”裝置相比，圖11(b)的“類型I”裝置將展現(xiàn)較大的射極電阻和較小的基極電阻。
[0060]圖12是具有10 μ mX10 μ m “類型2”光學(xué)腔或窗設(shè)計(jì)的傾斜電荷發(fā)光晶體管的俯視圖照片。通過設(shè)計(jì)Rb= (0+1)&來實(shí)現(xiàn)用以獲得均勻光發(fā)射的近似對(duì)稱電壓分布。此裝置的有效周長是?ο μ m。
[0061]圖13展示針對(duì)圖7所示的裝置(實(shí)線一現(xiàn)有裝置)和圖12所示的裝置(虛線一本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)例)的發(fā)光晶體管光學(xué)輸出(檢測器光電流)對(duì)射極電流。盡管具有10 μ m的有效周長(圖12)，這幾乎是現(xiàn)有設(shè)計(jì)的18 μ m周長(圖7)的一半，但本發(fā)明的分布式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)被視為能夠在達(dá)到光學(xué)飽和之前實(shí)現(xiàn)大約大兩倍的射極電流注入。這指示由于其分布式設(shè)計(jì)而在重組中涉及光學(xué)窗或腔的較大有效區(qū)域。
[0062]圖14和圖15展示具有本發(fā)明實(shí)施例的分布式設(shè)計(jì)特征的兩端子傾斜電荷發(fā)光二極管，其中光學(xué)腔置于射極和基極/漏極與經(jīng)調(diào)諧的射極電阻之間。在圖14中，ρ型基極區(qū)1440安置于無意摻雜的η型漏極區(qū)1433與η型射極區(qū)1450之間，使得在所述射極與基極區(qū)之間存在第一半導(dǎo)體結(jié)且在基極區(qū)與漏極區(qū)之間存在第二半導(dǎo)體結(jié)。基極區(qū)1440包含量子大小區(qū)1441，例如一個(gè)或一個(gè)以上量子阱或者量子點(diǎn)的一個(gè)或一個(gè)以上區(qū)。在漏極1433下方是η型子漏極1434。在射極上方是射極包覆和接觸區(qū)1460。射極區(qū)具有耦合到其的射極電極，呈射極接觸件1453的形式?；鶚O/漏極電極與基極和漏極區(qū)耦合?；鶚O/漏極電極是金屬接觸件1470,其在此實(shí)施例中沉積于基極區(qū)和子漏極區(qū)上。如圖14所示，相對(duì)于射極接觸件1453將正偏置電壓1491施加于基極/漏極接觸件1470，且還相對(duì)于這些接觸件施加AC電壓1492。圖14裝置中的電子和空穴的流動(dòng)由圖中的箭頭展示。基極區(qū)中由量子阱輔助的重組導(dǎo)致光發(fā)射?？蓪⒉▽?dǎo)和腔配置添加到此結(jié)構(gòu)以便允許此裝置充當(dāng)兩結(jié)激光二極管、兩結(jié)諧振腔發(fā)光二極管或兩結(jié)垂直腔晶體管激光器。(舉例來說，圖14裝置中可提供典型的上部和下部分布式布拉格反射器(DBR)以獲得光學(xué)諧振腔。)在有效光學(xué)區(qū)中優(yōu)化輻射重組，如圖14中在1485處表示。從圖15的俯視圖照片中，可見射極和基極/漏極金屬化物以及圖14裝置的光學(xué)腔或窗區(qū)。
[0063]對(duì)于圖14的實(shí)施例的實(shí)例(也見沃爾特、吳、森、馮和霍隆亞克，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，94,231125(2009年6月))，用于制作兩結(jié)傾斜電荷發(fā)光二極管的晶體的外延層(從襯底向上)包含3000 A η型慘雜GaAs緩沖層、500 A分級(jí)Ala3QGaQ.70As界限層、213 A分級(jí) Al0 30Ga0.70As 到 Al0 90Ga0.10As 氧化物緩沖層、595 A η 型 Al0 98Ga0.02As 可氧化孔口層以及另一213 A分級(jí)Ala9tlGaaitlAs到Ala3tlGaa7tlAs氧化物緩沖層。557 A η型GaAs接觸層、120 A InGaP蝕刻終止層和2871 A未摻雜“漏極”層生長在頂部上?！奥O”層恰好在1358 A基極層下方，其包含兩個(gè)未摻雜112 A InGaAs量子阱和具有3X1019cm_3的平均摻雜的Alatl5Gaa95As層。異質(zhì)結(jié)構(gòu)射極包含511 A η型 Ina49Gaa51P層、213 A 分級(jí)Ala3tlGaa7tlAs到Ala9tlGaaitlAs氧化物緩沖層、595 A η型Ala98Gaaci2As可氧化孔口層、另一 213 A分級(jí)Al0.9oGa0.1oAs到Ala3tlGaa7tlAs氧化物緩沖層,和500 A分級(jí)Ala3tlGaa7tlAs界限層。所述結(jié)構(gòu)以2000 A GaAs頂部接觸層完成?？卓谑侨芜x的?？蓞⒖紙D16的表，其最后一列指示相對(duì)于圖15的圖的層描述。
[0064]通過首先執(zhí)行濕式蝕刻步驟以形成射極和基極-“漏極”臺(tái)面，隨后從子“漏極”層到襯底進(jìn)行隔離蝕刻來制造兩結(jié)傾斜電荷LED。隨后執(zhí)行金屬化步驟以提供所需的電接觸件。完成的LED僅具有兩個(gè)端子:(a)到射極層的接觸件，和(b)在基極和“漏極”層上的另一接觸件(見圖15)。基極-“漏極”形成p-n結(jié)，其中經(jīng)由延伸到基極的共同接觸金屬化物而獲得由共同電位(零電位差)維持的反向內(nèi)建場。零基極-“漏極”電位差確保在基極-“漏極”邊界處不存在基極電荷填充密度，因此在基極中建立動(dòng)態(tài)的“傾斜”射極到“漏極”填充，其如上文首先所描述?！奥O”層因此執(zhí)行類似于三端子HBLET中的集極的作用。其允許從基極移除過量的少數(shù)載流子(Id)，通過基極-“漏極” P-n結(jié)處的建置場從基極“掃掠”到“漏極”。從射極輸送到“漏極”的未在基極輸送時(shí)間內(nèi)重組的基極載流子被移除(“排放”)。這通過防止基極中“緩慢”電荷的累積而實(shí)現(xiàn)傾斜電荷LED的快速調(diào)制。傾斜電荷LED擁有HBLET的高速光學(xué)調(diào)制特性。
[0065]傾斜電荷LED可經(jīng)偏置為常用的兩端子裝置，這樣就會(huì)更快地操作。在外部，傾斜電荷LED顯示出類似于p-n結(jié)二極管(見圖17)的電1-V特性。“接通”電壓由射極-基極電位差確定，因?yàn)榛鶚O和“漏極”經(jīng)金屬化且其電位統(tǒng)一。圖18所示的L-1e光學(xué)輸出特性是從裝置的底部發(fā)射(通過襯底)獲得的。插圖的寬輻射發(fā)射譜(FWHM?96nm)展示LED正在自發(fā)重組中操作。譜峰發(fā)生在λ = lOOOnm，對(duì)應(yīng)于InGaAs量子阱的接地狀態(tài)轉(zhuǎn)變(1.24eV)。光學(xué)輸出隨著Ie超過1mA而飽和，因?yàn)閮?nèi)部“晶體管”增益(β = ID/IB)增加從而導(dǎo)致基極(重組)電流Ib = ΙΕ/(β+1)飽和。此實(shí)例的光學(xué)輸出處于較低的微瓦范圍內(nèi)，因?yàn)榧俣◤陌雽?dǎo)體GaAs-空氣界面的單個(gè)逸出圓錐，光提取效率僅為約1.4%。為了獲得裝置的光學(xué)響應(yīng)，通過光纖從裝置頂部發(fā)射收集光學(xué)輸出，且用連接到安捷倫(Agilent)N5230A網(wǎng)絡(luò)分析器的12GHz p-1-n光檢測器來測量。圖19中展示對(duì)于Ie = 40,50和60mA的傾斜電荷LED的光學(xué)響應(yīng)。數(shù)據(jù)展示與H(f) =A0/(l+jf/f3dB)形式的單極響應(yīng)的優(yōu)良擬合，其中f3dB = 1/(2Π τ Β)。對(duì)于此實(shí)例，在Ie = 60mA下獲得7GHz的_3dB帶寬f3dB，對(duì)應(yīng)于有效τΒ = 23ps。
[0066]圖20展示本發(fā)明的另一實(shí)施例，其利用隧道結(jié)作為漏極區(qū)?？衫鐓⒖肌八淼澜Y(jié)晶體管激光器(Tunnel Junct1n Transistor Laser) ”，M.馮(M.Feng)、N.小霍隆亞克(N.Holonyak, Jr.)、H.W.森(H.ff.Then)、C.H.吳(C.H.Wu)和 G.沃爾特(G.Walter)，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)，94，04118 (2009)。在圖20中，具有與圖14的元件類似的參考標(biāo)號(hào)的元件對(duì)應(yīng)于圖14的那些元件。在圖20中，隧道結(jié)的ρ+層1930鄰近于基底1440，且隧道結(jié)的η+層1931鄰近于η型子漏極層1434。
[0067]接著將描述本發(fā)明的又一方面。對(duì)于本發(fā)明此方面的實(shí)施例的實(shí)例，使用MOCVD制造的用于異質(zhì)結(jié)雙極型發(fā)光晶體管(HBLET)的晶體的外延層包含3000 A η型重?fù)诫sGaAs 緩沖層，隨后是500 A η 型 Ala30Gaa60As 層、分級(jí) Ala3tlGaa7tlAs 到 Ala90Gaai0As 氧化物緩沖層600 Λ η型Ala98Gaatl2As可氧化層，以及完成底部包覆層的分級(jí)Ala9tlGaaitlAs至Ij AltlJGatl 7tlAs氧化物緩沖層。這些層隨后是557 A η型子集極層、120 A Ina49Gatl 51Ρ蝕刻終止層、2871 A未摻雜GaAs集極層,和1358 A平均ρ摻雜3xl019cnT3AlGaAs/GaAs分級(jí)基極層(活性層)，其包含兩個(gè)未摻雜丨丨2 A InGaAs量子阱(為λ?980nm設(shè)計(jì))。外延HBTL結(jié)構(gòu)以上部包覆層的生長完成，其包含511 A η型Intl 49Gatl 51P寬帶隙射極層、分級(jí)Ala3tlGaa7tlAs到Ala9tlGaaiciAs氧化物緩沖層、600 A η型Ala98Gaaci2As可氧化層,和分級(jí)Ala90Gaai0As 到 Ala30Gaa70As 氧化物緩沖層，和500 A η 型 Ala3tlGaa7tlAs 層。最終，HBLET 結(jié)構(gòu)以2000 A重?fù)诫sη型GaAs接觸層封端。在各種標(biāo)準(zhǔn)蝕刻和接觸金屬化步驟之后,本發(fā)明第一實(shí)例的已完成裝置在10 μ m射極臺(tái)面上具有約6 μ m的氧化物孔口直徑DA。
[0068]圖21中展示裝置橫截面及其俯視圖布局的簡化示意圖。n+GaAs子集極區(qū)2105具有沉積于其上的η型GaAs集極區(qū)2110，隨后是p+AlGaAs/GaAs基極區(qū)2120，其具有一個(gè)或一個(gè)以上未摻雜InGaAs量子阱(QW)。射極臺(tái)面形成于基極上，且包含η型InGaP射極層2130，和η型AlGaAs孔口層2140，和n+GaAs包覆層2150?？墒褂脵M向氧化來形成中心孔口。集極接觸金屬化物展示于2107處，基極接觸金屬化物展示于2122處，且射極金屬化物展示于2152處。
[0069]圖22(a)和圖22(b)中分別展示集極I_V和光學(xué)輸出特性。裝置例如在Ib =2mA和Vce = 2V下展現(xiàn)高達(dá)30 (或30dB)的電流增益β ( = Λ Ic/ Λ Ib)。圖3 (b)中的光發(fā)射是用大面積光檢測器從裝置的底部測量的。假定針對(duì)法線入射的菲涅耳反射損失，來自GaAs-空氣表面的單個(gè)逸出圓錐的光提取效率近似為1.4%。(見M*G.克拉福德(M.G.Craford)高亮度發(fā)光二極管、半導(dǎo)體和半金屬(High Brightness Light EmittingD1des, Semiconductors and Semimetals) ”,第48卷，學(xué)術(shù)出版社，加利福尼亞圣地亞哥，56頁，(1997))。光學(xué)輸出的寬譜特性(見曲線圖(b)的插圖；FffHM = 76nm)指示HBLET操作的自發(fā)重組的寬度。此實(shí)例的HBLET并未并入諧振腔，應(yīng)了解，諧振腔的使用將實(shí)質(zhì)性增加光學(xué)輸出提取。
[0070]以BC端口作為rf輸入來操作共集極HBLET允許同時(shí)的電到光輸出轉(zhuǎn)換，以及EC輸出端口處的電輸出增益。由于其三端口特征，其光學(xué)輸出也可響應(yīng)于EC端口處的輸入調(diào)制信號(hào)，但在此配置中，裝置未在BC端口處提供同時(shí)的電輸出增益。將EC端口部署為rf輸入具有的優(yōu)點(diǎn)是用于最大功率傳送的更好匹配的輸入阻抗(50Ω標(biāo)準(zhǔn))。BC端口輸入阻抗由于反向偏置BC結(jié)而大體上高于EC輸入阻抗，且可在為了使電路性能最大化而期望高輸入阻抗的情況下為有利的。
[0071]在本發(fā)明的實(shí)例中，以具有≥12GHz的帶寬的高速p-1-n光檢測器和50GHz電譜分析器來測量光學(xué)響應(yīng)。頻率產(chǎn)生器(0.05-20GHZ)用于對(duì)裝置的輸入信號(hào)。圖23(b)和圖23(a)中分別展示在偏置Ib = 2mA和VB。~0V(對(duì)于反向偏置BC結(jié)的條件)下共集極HBLET對(duì)BC和EC rf輸入調(diào)制的光學(xué)響應(yīng)。在兩種情況下，在_3dB下的響應(yīng)帶寬f3dB為4.3GHz。在圖24中，可見在Ib從ImA增加到2mA時(shí)，f3dB從2.8GHz改善為4.3GHz。光學(xué)輸出和響應(yīng)帶寬展示為高達(dá)Ib = 2mA，其中光學(xué)輸出(見插圖的繪圖)由于飽和和加熱而開始降級(jí)。
[0072]光學(xué)響應(yīng)H (f)可表達(dá)為

【權(quán)利要求】
1.一種用于產(chǎn)生表示高頻電輸入信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的方法，其包括以下步驟: 提供半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)包含位于第二半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極與集極區(qū)之間的第一半導(dǎo)體類型的基極區(qū)； 在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)； 提供分別與所述射極、基極和集極區(qū)耦合的射極、基極和集極電極； 相對(duì)于所述射極、基極和集極電極施加包含所述高頻電信號(hào)分量的電信號(hào)以通過所述量子大小區(qū)的輔助從所述基極區(qū)產(chǎn)生輸出自發(fā)光發(fā)射，所述輸出自發(fā)光發(fā)射包含表示所述高頻電信號(hào)分量的所述高頻光學(xué)信號(hào)分量； 為所述基極與射極電極之間的區(qū)中的所述光發(fā)射提供光學(xué)腔；以及 響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而縮放所述光學(xué)腔的橫向尺寸以控制光發(fā)射的速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供安置于所述射極區(qū)上的孔口，且其中所述縮放所述橫向尺寸包含縮放所述孔口的尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約10 μ m或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約5 μ m或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述縮放橫向尺寸包括提供具有約?ο μ m或更小的線性尺寸的所述腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述縮放橫向尺寸包括提供具有約5 μ m或更小的線性尺寸的所述腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述高頻電信號(hào)分量具有至少約2GHz的頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高頻電信號(hào)分量具有至少約2GHz的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述縮放尺寸包含將所述集極區(qū)厚度增加到至少約 250nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述施加電信號(hào)的步驟包含以共集極配置操作所述半導(dǎo)體晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供至少一個(gè)反射器以增強(qiáng)所述輸出自發(fā)光發(fā)射的提取。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括提供封閉所述基極區(qū)的至少部分的光學(xué)諧振腔，且其中所述輸出發(fā)射包括激光發(fā)射。
13.一種用于產(chǎn)生表示高頻電信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的方法，其包括以下步驟: 提供分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含:半導(dǎo)體漏極區(qū)，其包括至少一個(gè)漏極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述漏極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面； 在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)； 提供具有位于所述基極區(qū)的暴露表面上的第一部分和與所述漏極區(qū)耦合的又一部分的基極/漏極電極，且在所述射極區(qū)的表面上提供射極電極； 相對(duì)于所述基極/漏極和射極電極施加信號(hào)以從所述基極區(qū)產(chǎn)生光發(fā)射； 為所述基極/漏極電極的所述第一部分與所述射極電極之間的區(qū)中的所述光發(fā)射提供光學(xué)腔；以及 響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而縮放所述光學(xué)腔的橫向尺寸以控制光發(fā)射的速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述射極臺(tái)面具有大體上直線的表面部分，且其中所述提供所述電極的步驟包括沿著所述射極臺(tái)面的所述表面部分的一側(cè)提供所述射極電極，且在所述基極區(qū)表面的鄰近于所述射極臺(tái)面表面部分的相對(duì)側(cè)的一部分上提供所述基極/漏極電極的所述第一部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述提供所述電極的步驟進(jìn)一步包括將所述射極電極和所述基極/漏極電極的所述第一部分提供為相對(duì)的線性導(dǎo)電條帶。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述縮放橫向尺寸包括提供具有約?ο μ m或更小的線性尺寸的所述腔。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述縮放橫向尺寸包括提供具有約5 μ m或更小的線性尺寸的所述腔。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述高頻電信號(hào)分量具有至少約2GHz的頻率。
19.一種用于產(chǎn)生表示高頻電信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的方法，其包括以下步驟: 提供分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含:半導(dǎo)體漏極區(qū)，其包括至少一個(gè)漏極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述漏極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面； 在所述基極區(qū)中提供至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)； 提供與所述基極區(qū)耦合且與所述漏極區(qū)耦合的基極/漏極電極，且提供與所述射極區(qū)耦合的射極電極； 提供安置于所述射極區(qū)上的孔口； 相對(duì)于所述基極/漏極和射極電極施加信號(hào)以從所述基極區(qū)產(chǎn)生光發(fā)射；以及 響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而縮放所述孔口以控制光發(fā)射的速度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約10 μ m或更小。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約5 μ m或更小。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述高頻電信號(hào)分量具有至少約2GHz的頻率。
23.一種用于產(chǎn)生表示高頻電輸入信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的裝置，其包括: 半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)，其包含位于第二半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體射極與集極區(qū)之間的第一半導(dǎo)體類型的基極區(qū)； 在所述基極區(qū)中的至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)； 分別與所述射極、基極和集極區(qū)耦合的射極、基極和集極電極； 借此相對(duì)于所述射極、基極和集極電極施加包含所述高頻電信號(hào)分量的電信號(hào)通過所述量子大小區(qū)的輔助而從所述基極區(qū)產(chǎn)生輸出自發(fā)光發(fā)射，所述輸出自發(fā)光發(fā)射包含表示所述高頻電信號(hào)分量的所述高頻光學(xué)信號(hào)分量；以及 用于所述基極與射極電極之間的區(qū)中的所述光發(fā)射的光學(xué)腔； 所述光學(xué)腔的橫向尺寸響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而經(jīng)縮放以控制光發(fā)射的速度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其進(jìn)一步包括安置于所述射極區(qū)上的孔口，且其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約1ym或更小。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其進(jìn)一步包括安置于所述射極區(qū)上的孔口，且其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約5 μ m或更小。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述腔具有約10 μ m或更小的線性尺寸。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述腔具有約5 μ m或更小的線性尺寸。
28.一種用于產(chǎn)生表示高頻電信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的裝置，其包括: 分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含:半導(dǎo)體漏極區(qū)，其包括至少一個(gè)漏極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述漏極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面； 在所述基極區(qū)中的至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)； 具有位于所述基極區(qū)的暴露表面上的第一部分和與所述漏極區(qū)耦合的又一部分的基極/漏極電極，和在所述射極區(qū)的表面上的射極電極； 借此相對(duì)于所述基極/漏極和射極電極施加的信號(hào)從所述基極區(qū)產(chǎn)生光發(fā)射；以及用于所述基極/漏極電極的所述第一部分與所述射極電極之間的區(qū)中的所述光發(fā)射的光學(xué)腔； 所述光學(xué)腔的橫向尺寸響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而經(jīng)縮放以控制光發(fā)射的速度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述腔被縮放為具有約10 μ m或更小的線性尺寸。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述腔大體上為矩形的，且其中所述腔被縮放為具有約5 μ m或更小的線性尺寸。
31.一種用于產(chǎn)生表示高頻電信號(hào)分量的高頻光學(xué)信號(hào)分量的裝置，其包括: 分層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含:半導(dǎo)體漏極區(qū)，其包括至少一個(gè)漏極層；半導(dǎo)體基極區(qū)，其安置于所述漏極區(qū)上且包含至少一個(gè)基極層；以及半導(dǎo)體射極區(qū)，其安置于所述基極區(qū)的一部分上且包括包含至少一個(gè)射極層的射極臺(tái)面； 在所述基極區(qū)中的至少一個(gè)展現(xiàn)量子大小效應(yīng)的區(qū)； 與所述基極區(qū)耦合且與所述漏極區(qū)耦合的基極/漏極電極，和與所述射極區(qū)耦合的射極電極； 安置于所述射極區(qū)上的孔口 ；且 借此相對(duì)于所述基極/漏極和射極電極施加的信號(hào)從所述基極區(qū)產(chǎn)生光發(fā)射； 所述孔口響應(yīng)于所述高頻電信號(hào)分量而經(jīng)縮放以控制光發(fā)射的速度。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約10 μ m或更小。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述孔口大體上為圓形的，且被縮放為直徑約5 μ m或更小。
【文檔編號(hào)】B82Y20/00GK104201564SQ201410346118
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2009年4月17日
【發(fā)明者】加布里埃爾·沃爾特, 米爾頓·馮, 尼克·小霍倫亞克, 田漢威, 吳曹新 申請(qǐng)人:伊利諾斯大學(xué)理事會(huì), 量子電鍍光學(xué)系統(tǒng)有限公司