專利名稱：采用調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)的陣列式半導(dǎo)體激光器的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明廣義地涉及半導(dǎo)體器件(和相關(guān)的制造方法)領(lǐng)域，具體地說，涉及利用調(diào)制摻雜量子阱異質(zhì)結(jié)來實現(xiàn)陣列式多波長激光器(檢測器)的半導(dǎo)體器件(和相關(guān)的制造方法)。
先有技術(shù)多波長激光陣列用在波分復(fù)用通信系統(tǒng)上是一種有吸引力的光源。一般，這樣的激光陣列是通過制成2D(二維)陣列的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)實現(xiàn)的。VCSEL的發(fā)射波長一般在外延生長過程中由層厚度確定。
在Wipiejewski等人所著的″具有后生長波長調(diào)整的垂直腔表面發(fā)射激光二極管″一文中，提供一種垂直腔激光，它包括在底部分布式Bragg反射器(DBR)和頂部DBR反射鏡之間的有源層。
所述有源層由具有GaAs勢壘和AlGaAs包層的三個InGaAs量子阱構(gòu)成。在頂部DBR反射鏡的頂部形成GaAs調(diào)諧層、SiO2層和反射Au頂部層。在外延生長之后和金屬淀積以前對GaAs調(diào)諧層的蝕刻過程決定了激光腔的長度和垂直腔激光的相應(yīng)發(fā)射波長。在2D陣列VCSEL中，各個激光器的發(fā)射波長是通過可控蝕刻處理(利用原位電壓監(jiān)測和后來去除半導(dǎo)體氧化物)陽極氧化調(diào)整GaAs調(diào)諧層的厚度來控制的。
盡管Wipiejewski等人的垂直腔激光系列在提供2D激光陣列中各個激光元件發(fā)射波長的原位調(diào)整上是成功的，但它有許多缺點。
例如，電接點是通過GaAs調(diào)諧層形成的。因為GaAs調(diào)諧層的深度隨著波長而改變，所以所述陣列器件的閾電流改變，使所述陣列的器件非常難以控制。另外，當(dāng)如所描述的利用陽極蝕刻時，GaAs調(diào)諧層的深度難以控制，因而，所述陣列難以制造。最后，把激光陣列與支持電子線路(例如，激光驅(qū)動電路)、波導(dǎo)和/或其它光電子器件集成單片電路，在許多應(yīng)用中(諸如DWDM通信系統(tǒng))有重大的成本優(yōu)點，而Wipiejewski等人沒有提供完成這樣的集成機制。
波分復(fù)用通信系統(tǒng)還要求多波長檢測系統(tǒng)。一般，這樣的光學(xué)檢測系統(tǒng)是通過光分路器(例如，光纖Bragg光柵或薄膜濾光器)實現(xiàn)的，它把入射光信號中所需的波長分量分離出來。所述波長分量涉及光檢測器陣列。由于把光分路器與光檢測器陣列封裝在一起成本高，所述方法成本高。
在先有技術(shù)中波長多路分離是通過一個稱為陣列波長光柵(AWG)的元件完成的。這是一個布置在集成電路平面上的元件，通過波導(dǎo)引導(dǎo)所有波長從具有特定形狀的一側(cè)進(jìn)入自由空間區(qū)域(與芯片表面平行)，使得在出口側(cè)出現(xiàn)相消干擾，并由此把每一個波長引導(dǎo)到各自特定的輸出端口。這種配置在集成電路的資源上是消耗性的，并受到波長分辨率的限制(亦即，出口側(cè)的形狀只允許某些等效于光學(xué)諧振濾光器的Q值的波長間隔)。
因而，除適用于與范圍寬闊的電子線路(諸如場效應(yīng)管(FET)、雙極性類型晶體管、邏輯電路等)、波導(dǎo)及其他光電子器件單片電路集成的多波長激光/檢測機制以外，在技術(shù)上仍舊需要改善多波長激光/檢測機制。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的目的是提供一種可以與范圍寬闊的器件，諸如光發(fā)射器、光檢波器、光調(diào)制器、光放大器、晶體管和光波導(dǎo)等集成的多波長激光/檢測機制。
本發(fā)明的另一個目的是提供多波長光處理器件(多波長光發(fā)射器、多波長光檢波器、多波長光調(diào)制器、多波長光放大器)，它們更容易與范圍寬闊的器件，諸如晶體管、光波導(dǎo)和光學(xué)互連集成。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種利用由多層生長結(jié)構(gòu)形成的閘流晶體管陣列的多波長光處理器件(多波長光發(fā)射器、多波長光檢波器、多波長光調(diào)制器、多波長光放大器)，所述閘流晶體管陣列也可以用來構(gòu)建范圍寬闊的器件，諸如晶體管、光波導(dǎo)器件和光學(xué)互連。
本發(fā)明一個附加的目的是提供一種多層生長結(jié)構(gòu)，它可以用來在單一的集成電路芯片上實現(xiàn)多波長光處理器件(多波長光發(fā)射器、多波長光檢波器、多波長光調(diào)制器、多波長光放大器)和范圍很寬的光電子器件(包括FET器件、雙極晶體管器件、波導(dǎo)器件和光學(xué)互聯(lián)器件)。
本發(fā)明的另一個目的是提供制造方法，它在多層的層結(jié)構(gòu)上操作，以便產(chǎn)生閘流晶體管器件陣列，后者可以適合于起多波長光處理器件(多波長光發(fā)射器、多波長光檢波器、多波長光調(diào)制器、多波長光放大器)的作用。
按照將在下面詳細(xì)討論的這些目的，光學(xué)電子集成電路(和相應(yīng)的制造方法)包括基片、在基片上形成的多層結(jié)構(gòu)和閘流晶體管器件陣列以及在多層結(jié)構(gòu)中形成的相應(yīng)的諧振腔。適合于處理不同波長的光的諧振腔，是通過選擇性地除去所述多層結(jié)構(gòu)的一部分形成的，以便提供具有對應(yīng)于不同波長的不同垂直尺寸的諧振腔。被選擇性地除去以便提供多個波長的多層結(jié)構(gòu)的所述部分最好包括通過重復(fù)未摻雜的間隔層和未摻雜的蝕刻停止層對來形成的周期性的子結(jié)構(gòu)。所述多層結(jié)構(gòu)可以用III-V族材料形成。在這種情況下，周期性子結(jié)構(gòu)的未摻雜的間隔層和未摻雜的蝕刻停止層最好分別包括未摻雜的GaAs和未摻雜的AlAs。在通過包括氟的基于氯的氣體混合物進(jìn)行的蝕刻過程中，未摻雜的AlAs起蝕刻停止的作用。
下面將指出，多波長閘流晶體管器件陣列可以用來實現(xiàn)提供各種各樣光學(xué)電子功能，諸如發(fā)射不同波長的光的基于閘流晶體管的激光器陣列和/或檢測不同波長的光的基于閘流晶體管的檢波器陣列(例如，用于波分復(fù)用用途)。另外，多波長閘流晶體管器件陣列非常適合于與范圍很寬的光電子器件(包括FET器件、雙極晶體管器件、波導(dǎo)器件和光學(xué)互聯(lián)器件)一起單片集成。
在參考結(jié)合所提供的附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明時，本專業(yè)的技術(shù)人員將明白本發(fā)明的另外的目的和優(yōu)點。
附圖的簡要說明

圖1是表示按照本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)的簡圖，按照本發(fā)明可以由所述多層結(jié)構(gòu)制造多波長閘流晶體管陣列及其他光學(xué)電子/電子器件。
圖2A是表示示范性多層結(jié)構(gòu)的簡圖，所述多層結(jié)構(gòu)具有在按照本發(fā)明的圖1的調(diào)制摻雜量子阱有源器件結(jié)構(gòu)上面形成的7周期間隔層結(jié)構(gòu)，而且按照本發(fā)明可以由所述多層結(jié)構(gòu)制造多波長閘流晶體管陣列及其他光學(xué)電子/電子器件。
圖2B是表示由圖2A的分層結(jié)構(gòu)形成的多波長閘流晶體管陣列的示范性閘流晶體管器件的簡圖，其中通過原位蝕刻操作除去原來的7周期間隔層結(jié)構(gòu)中的3個周期。
圖2C是表示由圖2A的分層結(jié)構(gòu)形成的多波長閘流晶體管陣列的另一個示范性閘流晶體管器件的簡圖，其中在原位蝕刻操作過程中保持原來的7周期間隔層結(jié)構(gòu)。
圖3是表示按照本發(fā)明利用III-V族材料制成的示范性多層結(jié)構(gòu)的簡圖，按照本發(fā)明可以由所述多層結(jié)構(gòu)制造多波長閘流晶體管陣列及其他光學(xué)電子/電子器件。
圖4A和4B是流程圖，它們共同說明按照本發(fā)明制造圖3的多層結(jié)構(gòu)以便形成多波長閘流晶體管陣列的示范性方法。
圖5A-5E是說明圖4A和4B的制造方法的不同步驟的平面圖。
圖6A和6B是表示由圖3的分層結(jié)構(gòu)形成的兩個示范性諧振腔閘流晶體管器件的一般化結(jié)構(gòu)的簡圖。
圖7A是作為激光器的閘流晶體管示范性配置的圖示說明。
圖7B是曲線圖，說明閘流晶體管器件在非導(dǎo)通/截止工作狀態(tài)下和導(dǎo)通/接通工作狀態(tài)下的電流-電壓特性以及使閘流晶體管器件在截止工作狀態(tài)和導(dǎo)通工作狀態(tài)之間切換的工作條件。
推薦實施例的詳細(xì)說明本發(fā)明利用調(diào)制摻雜量子阱(QW)異質(zhì)結(jié)建立新型的器件結(jié)構(gòu)，它沒有與先有技術(shù)PHEMT器件和先有技術(shù)HBT器件相聯(lián)系的問題。在以下文獻(xiàn)中詳細(xì)描述這樣的新型的器件結(jié)構(gòu)美國專利6,031,243；2000年4月24日提交的美國專利申請No.09/556,285；2001年3月2日提交的美國專利申請No.09/798,316；2002年3月4日提交的國際專利申請No.PCT/US02/06802；1997年10月14日提交的美國專利申請No.08/949,504；2002年7月23日提交的美國專利申請No.10/200,967，；2000年11月10日提交的美國專利申請No.09/710,217；2002年4月26日提交的美國專利申請No.60/376,238；2002年10月25日提交的美國專利申請No.10/280,892；2002年12月19日提交的美國專利申請No.10/323,390；2002年12月19日提交的美國專利申請No.10/323,513，；2002年12月19日提交的美國專利申請No.10/323,389；2002年12月19日提交的美國專利申請No.10/323,388；2003年1月13日提交的美國專利申請No.10/340,942；這些參考文獻(xiàn)中的每一個均整個附此作參考。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖1，按照本發(fā)明的多層夾合結(jié)構(gòu)(由該多層夾合結(jié)構(gòu)可以制造本發(fā)明的器件)包括在基片10上形成的底部電介質(zhì)分布式Bragg反射器(DBR)反射鏡12。底部DBR反射鏡12一般用成對的具有不同的折射率的半導(dǎo)體或電介質(zhì)材料淀積而形成。當(dāng)具有不同的折射率的兩種材料設(shè)置在一起形成結(jié)時，光將在所述結(jié)上反射。在這樣的邊界上反射的光量是小的。但是，若多個結(jié)/層對以具有1/4四分之一波長(λ/4n)光學(xué)厚度的每一層周期性地堆疊，則從每一個邊界的反射將同相相加，在特定的中心波長λD上產(chǎn)生大的反射光量(例如，大的反射系數(shù))。在底部DBR反射鏡12上淀積的是在邏輯上由兩個HFET器件構(gòu)成的有源器件結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)中的第一個是P溝道HFET器件11(在這里是指PHFET11)，它包括層14、16、18、20和22。PHFET器件11具有一個或多個P型調(diào)制摻雜QW溝道，并利用下側(cè)(亦即，在底部DBR反射鏡12上)的柵極端子和上側(cè)的集電極端子定位。這些結(jié)構(gòu)中的第二個是N溝道HFET器件13(在這里是指NHFET 13)，它包括層22、24、26、28、30。NHFET器件13具有一個或多個N型調(diào)制摻雜QW溝道，并利用頂側(cè)的柵極端子和下側(cè)的集電極端子(它是所述P溝道器件的集電極)定位。因此，非反相N溝道器件堆疊在反相P溝道器件上，以便形成有源器件結(jié)構(gòu)。
所述有源器件分層結(jié)構(gòu)以N型歐姆接觸層14開始，N型歐姆接觸層14使得能夠在其上形成歐姆接點。在層14上淀積一個或多個N型層16。最好這樣對層16進(jìn)行摻雜，使得它在器件的任何工作范圍內(nèi)均不被耗盡，亦即，所述層中的總摻雜應(yīng)超過包含在以下描述的P型調(diào)制摻雜QW結(jié)構(gòu)20的調(diào)制摻雜層中的總摻雜電荷。層16還在光學(xué)上用作在所述結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的光學(xué)器件的下光波導(dǎo)包層的一小部分。應(yīng)當(dāng)指出，下光波導(dǎo)包層的大部分是通過下DBR反射鏡12本身提供的。在層16上淀積未摻雜的間隔層18。層14，16和18在電氣上起P溝道HFET 11的柵極的一部分的作用。在這種配置下，層14實現(xiàn)低接點電阻，而層18定義P溝道HFET 11相對于P型調(diào)制摻雜QW異質(zhì)結(jié)構(gòu)20的電容。在層18上淀積P型調(diào)制摻雜QW結(jié)構(gòu)20，后者限定一個或多個量子阱(可以由應(yīng)變或非應(yīng)變異質(zhì)結(jié)材料形成)。在P型調(diào)制摻雜QW結(jié)構(gòu)20上淀積未摻雜的間隔層22，后者形成P溝道HFET器件11的集電極。至今生長的所有各層形成具有在底部上的柵極歐姆接點的P溝道HFET器件11。
未摻雜的間隔層22還形成N溝道HFET器件13的集電極區(qū)域。在層22上淀積N型調(diào)制摻雜QW結(jié)構(gòu)，后者定義一個或多個量子阱(可以由應(yīng)變或非應(yīng)變異質(zhì)結(jié)材料形成)。在N型調(diào)制摻雜QW結(jié)構(gòu)24上淀積未摻雜的間隔層26。在層26上淀積一個或多個P型層28。最好這樣對層28進(jìn)行摻雜，使得在器件的任何工作范圍內(nèi)均不被耗盡，亦即，在所述層中的總摻雜應(yīng)當(dāng)超過包含在上述N型調(diào)制摻雜QW結(jié)構(gòu)24的調(diào)制摻雜層中的總摻雜電荷。在層28上淀積一個或多個P型歐姆接觸層30，使得能夠形成連接到其上的歐姆接點。在這種配置下，層30實現(xiàn)低的接點電阻，而層26定義所述N溝道HFET 13對所述N型調(diào)制摻雜QW異質(zhì)結(jié)構(gòu)24的電容。層28和30在電氣上用作所述N溝道HFET 13的柵極的一部分。
作為另一方案，可以把有源器件結(jié)構(gòu)描述為一對在底部DBR反射鏡12上形成的堆疊式量子阱基雙極晶體管。其中的第一個是N型量子阱基雙極晶體管(包括層14、16、18、20和22)，它們具有一個或多個P型調(diào)制摻雜量子阱，并且用下側(cè)的發(fā)射極端子(亦即，如剛才描述的在所述反射鏡上)和在上側(cè)的集電極端子定位。其中的第二個是N型量子阱基雙極晶體管，包括層22、24、26、28和30。所述N型量子阱基雙極晶體管具有一個或多個N型調(diào)制摻雜量子阱，并且用頂側(cè)的發(fā)射極端子和下側(cè)的集電極端子(這是P型量子阱基雙極晶體管的集電極)定位。因此，非反相N溝道器件堆疊在反相P溝道器件上，以便形成有源器件結(jié)構(gòu)。在這種配置下，P溝道HFET器件11的柵極端子對應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管的發(fā)射極端子，P型QW結(jié)構(gòu)20對應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管的基區(qū)，間隔層22對應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管和N型量子阱基雙極晶體管兩者的集電極區(qū)，型QW結(jié)構(gòu)24對應(yīng)于N型量子阱基雙極晶體管的基區(qū)，而N溝道HFET器件13的柵極端子對應(yīng)于N型量子阱基雙極晶體管的發(fā)射極。
在有源器件層結(jié)構(gòu)上淀積薄的未摻雜的蝕刻停止層31和設(shè)置成一個在另一個頂上的N個未摻雜的多層結(jié)構(gòu)，以便形成周期性結(jié)構(gòu)。每一個多層結(jié)構(gòu)32(形成所述周期性結(jié)構(gòu)的一個周期)包括未摻雜的間隔層32a和薄的未摻雜的蝕刻停止層32b。如下面將要詳細(xì)描述的，選擇性地蝕刻掉所述N個多層結(jié)構(gòu)，以便設(shè)置其上形成的諧振腔閘流晶體管器件的光程長度(和相應(yīng)的波長)。在每一個未摻雜的多層結(jié)構(gòu)30中，中間隔層30a的厚度確定諧振腔閘流晶體管器件的光程長度的范圍(和相應(yīng)的波長范圍)應(yīng)當(dāng)指出，周期性結(jié)構(gòu)的蝕刻停止層31和蝕刻停止層32b是任選的，但是可能是有幫助的。更具體地說，當(dāng)選擇性地蝕刻掉N個多層結(jié)構(gòu)的一些部分以便由此能夠以較高的精度和效率除去未摻雜的間隔層時，這些層起蝕刻停止器的作用。
為了形成諧振腔器件(其中，光進(jìn)入器件中和/或從所述器件側(cè)向(亦即，從垂直于圖1截面的方向)輸出)，在對周期性多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性蝕刻之后仍舊留下的該周期性多層結(jié)構(gòu)的那些部分上面形成衍射光柵和頂部介質(zhì)反射鏡。對于諧振腔激光器件，衍射光柵完成把由諧振腔產(chǎn)生的光衍射成在波導(dǎo)中側(cè)向傳播的光的功能，所述波導(dǎo)具有作為波導(dǎo)包層的頂部介質(zhì)反射鏡和底部DBR反射鏡。對于諧振腔檢測器件，衍射光柵完成把側(cè)向傳播的入射光衍射成垂直模式的功能，其中，所述垂直模式在諧振腔中被諧振吸收。
作為另一方案，光可以通過所述器件的頂面(或底部表面)的光學(xué)孔徑(未示出)以垂直方向進(jìn)入諧振腔(和/或從諧振腔出來)。在這種情況下，省去衍射光柵，而頂部介質(zhì)反射鏡和底部DBR反射鏡形成用于光垂直發(fā)射(和/或吸收)的諧振腔，使得所述器件起垂直腔表面發(fā)射激光器(檢測器)的作用。
底部DBR反射鏡和頂部介質(zhì)反射鏡之間的光程長度最好代表在所述指定的波長下的1/2波長的整數(shù)倍倍。所述光程長度受在形成頂部介質(zhì)反射鏡(從而允許所述蝕刻)之前，所述周期性多層結(jié)構(gòu)中被選擇性地蝕刻掉的部分的控制。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2A，其中表示具有在所述有源器件結(jié)構(gòu)(層14至30)上面形成的7個未摻雜的多層結(jié)構(gòu)(32-1，32-2…32-7)的示范性外延生長結(jié)構(gòu)。底部DBR反射鏡12和蝕刻停止層31之間的光程長度代表在第一波長λ1下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-1的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第二波長λ2下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-2的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第三波長λ3下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-3的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第四波長λ4下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-4的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第五波長λ5下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-5的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第六波長λ6下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-6的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第七波長λ7下1/2波長的整數(shù)倍。底部DBR反射鏡12和多層結(jié)構(gòu)32-7的蝕刻停止層32b之間的光程長度代表在第八波長λ8下1/2波長的整數(shù)倍。
在這種配置下，由所述外延生長結(jié)構(gòu)形成的諧振腔的光程長度(和相應(yīng)的波長)受在頂部介質(zhì)反射鏡形成之前多層結(jié)構(gòu)32-1...32-7中被選擇性地蝕刻掉的部分的控制。更具體地說，與第一波長λ1對應(yīng)的光程長度，是通過蝕刻掉用于所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面的7個多層結(jié)構(gòu)32-7至32-1(并且除去蝕刻停止層31)而獲得的；與第二波長λ2對應(yīng)的光程長度是通過蝕刻掉用于所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面六個多層結(jié)構(gòu)32-7至32-2(并且除去多層結(jié)構(gòu)32-1的蝕刻停止層32b)而獲得的；與第三波長λ3對應(yīng)的光程長度是通過蝕刻掉所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面的五個多層結(jié)構(gòu)32-7至32-3(并且除去多層結(jié)構(gòu)32-2的蝕刻停止層32b)而獲得的；與第四波長λ4對應(yīng)的光程長度是通過蝕刻掉所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面的四個多層結(jié)構(gòu)32-7至32-4(并且除去所述多層結(jié)構(gòu)32-3的蝕刻停止層32b)而獲得的；與第五波長λ5對應(yīng)的光程長度是通過蝕刻掉所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面的3個多層結(jié)構(gòu)32-7至32-5(并且除去多層結(jié)構(gòu)32-4的蝕刻停止層32b)而獲得的；與第六波長λ6對應(yīng)的光程長度是通過蝕刻掉所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面兩個多層結(jié)構(gòu)32-7和32-6(并且除去所述多層結(jié)構(gòu)32-5的蝕刻停止層32b)而獲得的；與第七波長λ7對應(yīng)的光程長度是通過蝕刻掉所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面的多層結(jié)構(gòu)32-7(并且除去多層結(jié)構(gòu)32-6的蝕刻停止層32b)而獲得的；與第八波長λ8對應(yīng)的光程長度是通過除去所述腔的有源器件結(jié)構(gòu)上面多層結(jié)構(gòu)32-7的蝕刻停止層32b獲得的。蝕刻處理之后，在所述結(jié)果結(jié)構(gòu)上面形成頂部介質(zhì)反射鏡(并且有可能形成衍射光柵)，以便形成多個諧振腔，其光程長度對應(yīng)于所需的波長。
例如，圖2B舉例說明結(jié)合諧振腔形成的閘流晶體管器件，其光程長度對應(yīng)于第五波長λ5；而同時圖2C舉例說明結(jié)合諧振腔形成的閘流晶體管器件，其光程長度對應(yīng)于第八波長λ8。在這兩個器件內(nèi)，一個或多個陽極端子電極(兩個表示為36a和36b)可操作地耦合到頂部P型歐姆接觸層，一個或多個N一溝道注入器端子電極(兩個表示為38a、38b)可操作地耦合到N型QW結(jié)構(gòu)，一個或多個P溝道注入器端子電極(兩個表示為38C，38D)可操作地耦合到P型QW結(jié)構(gòu)20，以及一個或多個陰極端子電極(兩個表示為40a、40b)可操作地耦合到N型歐姆接觸層14。在替代的實施例中，P溝道注入器端子(38c，38d)可以省去。在這樣的配置中，耦合到N型反相QW結(jié)構(gòu)24的N溝道注入器端子(38a、38b)用來控制這種N型反相QW溝道中的電荷，如這里描述的。在又一個替代實施例中，可以省去N溝道注入器端子(38a、38b)。在這樣的配置中，耦合到P型反相QW結(jié)構(gòu)20的P溝道注入器端子(38c，38d)用來控制這種P型反相QW溝道中的電荷，如這里描述的。
上述外延生長結(jié)構(gòu)可以用基于III-V族材料(諸如GaAs/AlGaAs)的材料系統(tǒng)實現(xiàn)。作為另一方案，采用硅-鍺(SiGe)層的應(yīng)變硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用來實現(xiàn)這里描述的多層結(jié)構(gòu)。圖3舉例說明一個示范性外延生長結(jié)構(gòu)，它利用III-V族材料來實現(xiàn)圖1的結(jié)構(gòu)和由按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形成的光電/電氣/光學(xué)器件。
圖3的結(jié)構(gòu)可以利用已知的分子束外延(MBE)技術(shù)制成。如圖所示，AlAs的第一半導(dǎo)體層151和GaAs的第二半導(dǎo)體層152是在半絕緣的砷化鎵基片149上順序地交替淀積(最好有至少7對)的，以便形成底部分布式Bragg反射器(DBR)反射鏡12。AlAs的層數(shù)最好總大于GaAs的層數(shù)，使得反射鏡的第一層和最后一層表示為層151。在推薦的實施例中，AlAs層151經(jīng)受高溫流氧化，以便產(chǎn)生化合物AlxOy，使得將在設(shè)計的中心波長形成反射鏡。這樣選擇所述中心波長，使得所述陣列不同的腔的全部諧振波長都將經(jīng)受高反射率。因此，這樣選擇反射鏡中層151和152的厚度，使得GaAs和AlxOy的最后的光學(xué)厚度是中心波長λD的1/4波長。作為另一方案，可以以在設(shè)計波長下1/4波長厚度的交替的GaAs和AlAs的層的形式來生長反光鏡，以便不使用所述氧化步驟。在這種情況下，需要多得多的對(具有典型數(shù)目諸如22對)，以便達(dá)到有效的激光發(fā)射所需的反射率。
在所述反射鏡上淀積由兩個HFET器件構(gòu)成的有源器件結(jié)構(gòu)。其中的第一個是P溝道HFET(PHFET)11(見圖1)，它具有一個或多個P型調(diào)制摻雜量子阱，并用底部(亦即，剛才描述的反射鏡12)上的柵極端子和上面集電極端子定位。其中的第二個是N溝道HFET(NHFET)13，它具有一個或多個N型調(diào)制摻雜量子阱，并用頂部上的柵極端子和下面的集電極端子定位。NHFET器件13的集電極區(qū)起PHFET器件11的集電極區(qū)的作用。但是，NHFET器件13的集電極端子是到設(shè)置在集電極區(qū)下面(上面)的P型量子阱的P型接點，而同時PHFET器件11的集電極端子是到設(shè)置在集電極區(qū)上面的N型量子阱的N型接點。因此，非反相N溝道器件堆疊在反相P溝道器件上面，以便形成有源器件結(jié)構(gòu)。
有源器件分層結(jié)構(gòu)以n+型GaAs的層153開始，層153使得在其上(例如，當(dāng)接觸閘流晶體管器件的陰極端子時，反相P溝道HFET器件的柵極端子、N溝道HFET器件的子集電極端子、或P型量子阱基雙極型器件的發(fā)射極端子)形成歐姆接點成為可能。層153具有1000-3000埃的典型厚度和3.5×1018cm-3的典型N型摻雜。N+摻雜GaAs層153對應(yīng)于圖1的歐姆接觸層14。在層153上淀積N型Alx1Ga1-x1As層154，后者具有500-3000埃的典型厚度和1×1017cm-3的典型摻雜。對于層154，參數(shù)x1最好在70％和80％之間(例如大約70％)的范圍內(nèi)。所述層用作PHFET柵極的一部分，并在光學(xué)上作為所述器件的下波導(dǎo)包層的一小部分。應(yīng)當(dāng)指出，用于在由所述器件的光學(xué)有源區(qū)域形成的波導(dǎo)中傳播的波的下波導(dǎo)包層的大部分是由下DBR反射鏡本身提供的。所述下DBR反射鏡導(dǎo)致部分地以介質(zhì)波導(dǎo)的形式并且部分地以反射鏡波導(dǎo)的形式引導(dǎo)所述光。接著是4層Alx2Ga1-x2As(155a，155b，155c和155d)。這4層(集體地標(biāo)識為155)具有大約380-500?？偤穸龋移渲衳2約為15％。第一層155a約60-80埃厚并且以平面摻雜形式進(jìn)行N+型摻雜。第二層155b約200-300埃厚并且未摻雜。第三層155c約80埃厚并且以平面摻雜的形式進(jìn)行P+型摻雜。第四層155d約20-30埃厚并且未摻雜，以便形成間隔層。所述層形成用于激光器、放大器和調(diào)制器器件的下分別限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層。N型AlGaAs層154和N型AlGaAs層155a對應(yīng)于圖1的N型層16，而未摻雜的AlGaAs層155b對應(yīng)于圖1的未摻雜的間隔層18。
所述下一層限定所述量子阱，后者在PHFET 11的工作過程中形成反相溝道。對于應(yīng)變量子阱，它包括未摻雜GaAs的間隔層156，約10-25埃厚，然后是多個約40-80埃厚的量子阱層157和未摻雜的GaAs的阻擋層158的組合。量子阱層157可以包括一定范圍的化合物。在推薦的實施例中，由化合物In0.2Ga0.8AsN形成量子阱，其氮含量從0％至5％變化，取決于所需的自然發(fā)射頻率。因而，對于0.98μm的自然發(fā)射頻率，氮含量將為0％；對于1.3μm的自然發(fā)射頻率，氮含量將為大致2％；而對于1.5μm的自然發(fā)射頻率，氮含量將約為4-5％。一般將重復(fù)所述阱阻擋層組合(例如，三次，如圖所示)，但是，也可以使用單一量子阱結(jié)構(gòu)。非應(yīng)變量子阱為是可能的。未摻雜的GaAs的最后阻擋層之后是未摻雜的Alx2Ga1-x2As層159，它形成PHFET器件11的集電極并約為0.5μm厚度。至今生長的所有層形成PHFET器件11，具有底部柵極接點。P+AlGaAs層155c和最后的未摻雜的GaAs阻擋層158之間的各層對應(yīng)于圖1的P型調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)QW結(jié)構(gòu)20。未摻雜的AlGaAs層159對應(yīng)于圖1的未摻雜的間隔層22。
層159還形成NHFET器件13的集電極區(qū)。在層159上淀積約200-250埃總厚度的摻雜的GaAs兩個層(集體地標(biāo)示為160)，它形成第一N型量子阱的阻擋層。層160比大約100埃的正常的阻擋層厚，因為它適應(yīng)生長中斷而把生長溫度從610℃(如光學(xué)質(zhì)量的Alx2Ga1-x2As層所需的)改變?yōu)橛糜谏LInGaAs的約530℃。因此，層160包括約150埃的單一層160a和約100埃的阻擋層160b。下一層161是In0.2Ga0.8As的量子阱，它是未摻雜的并且大約40-80埃厚度。應(yīng)該指出，N型量子阱層161不必具有與P型量子阱層157同樣的分子式。可以重復(fù)100埃的阻擋層160b和量子阱層161，例如，重復(fù)三次。然后有大約10-30埃的未摻雜的GaAs阻擋層162，它適應(yīng)生長中斷和生長溫度的變化。接著有四個大約300-500?？偤穸鹊腁lx2Ga1-x2As層(集體地標(biāo)示為163)。這四層(163)包括約20-30埃厚的未摻雜的Alx2Ga1-x2As間隔層163a、厚約80埃的N+型Alx2Ga1-x2As摻雜的(約3.5×1018cm-3摻雜)調(diào)制摻雜層163b、厚約200-300埃的Alx2Ga1-x2As未摻雜的的間隔層163c和厚度約60-80埃的P+型Alx2Ga1-x2As的平面摻雜層163d(約3.5×1018cm-3摻雜)。層163b和163d形成平行平板電容器的頂部平板和底部平板，所述電容器形成所有有源器件的場效應(yīng)輸入端。層163d的摻雜物質(zhì)最好是碳(C)，以便保證擴散穩(wěn)定性。與總是耗盡的層163b形成對照，在操作中層163d應(yīng)該從不被完全耗盡。對于所述光電子器件的運行，層163是上SCH區(qū)域。未摻雜的GaAs阻擋層160a和N+AlGaAs層163b之間的各層對應(yīng)于圖1的N型調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)QW結(jié)構(gòu)24。未摻雜的AlGaAs層163c對應(yīng)于圖1的未摻雜的間隔層26。
接著淀積一個或多個P型Alx2Ga1-x2As層(集體地標(biāo)示為164)，以便形成激光器、放大器和調(diào)制器器件用的上波導(dǎo)包層的一部分。應(yīng)當(dāng)指出，在由所述器件的光學(xué)有源區(qū)形成的波導(dǎo)中傳播的波用的上波導(dǎo)包層的大部分由上介質(zhì)反射鏡本身提供。上介質(zhì)反射鏡導(dǎo)致部分地以介質(zhì)波導(dǎo)的形式而部分地以反射鏡波導(dǎo)的形式引導(dǎo)所述光。層164最好具有大約500-1500埃的厚度并且包括第一薄子層164a，厚10-20埃，具有1019cm-3的P+摻雜；以及具有1×1017-5×1017cm-3的P摻雜，厚700埃的第二子層164b。層164的參數(shù)x1最好為約70％。P型層163b、164a、164b對應(yīng)于圖1的P型層28。
接著淀積歐姆接觸層165(它可以包括單一的GaAs層或GaAs(165a)和InGaAs(165b)的組合，如圖所示)。層165具有約50-100埃的厚度并摻雜至非常高水平的P+型摻雜(約1×1020cm-3)，以便允許其上歐姆接點的形成(例如，當(dāng)接觸閘流晶體管器件的陽極端子時)。
作為另一方案，可以以一對在底部DBR反射鏡(層151/152)上形成的堆疊式量子阱基雙極晶體管的形式來描述所述有源器件結(jié)構(gòu)。其中的第一個是P型量子阱基雙極晶體管(包括層153至159)，它具有一個或多個P型調(diào)制摻雜量子阱，并用下側(cè)的發(fā)射極端子(亦即，如剛才描述的，在底部反射鏡上)和上側(cè)的集電極端子定位。因此，非反相N溝道器件堆疊在反相P溝道器件上，以便形成所述有源器件結(jié)構(gòu)。在這種配置下，閘流晶體管器件的陰極端子40a、40b對應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管的發(fā)射極，P型QW結(jié)構(gòu)(層155c至158)對應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管基區(qū)，間隔層159對應(yīng)于P型量子阱基雙極晶體管和N型量子阱基雙極晶體管兩者的集電極區(qū)，N型QW結(jié)構(gòu)(層160a至163b)對應(yīng)于N型量子阱基雙極晶體管的基區(qū)，而閘流晶體管器件的陽極端子36a、36b對應(yīng)于N型量子阱基雙極晶體管的發(fā)射極。
在未摻雜的AlAs層182上淀積有源器件層結(jié)構(gòu)，后者具有大約40-100埃的厚度并且是由未摻雜的GaAs層183a和未摻雜的AlAs層183b構(gòu)成的周期性層結(jié)構(gòu)。以生長重復(fù)多次(例如圖中所示的7次)的各對的形式淀積所述GaAs層183a和AlAs層183b。由于與所述有源器件層結(jié)構(gòu)結(jié)合形成這些附加層，所以，它們在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上是與基礎(chǔ)生長結(jié)構(gòu)匹配的。所述周期性層結(jié)構(gòu)的GaAs層183a的厚度限定通過對上述周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性蝕刻而形成的諧振腔器件的波長偏移。周期性分層結(jié)構(gòu)的GaAs層183a最好具有均勻的厚度，如這里描述的，以便提供在通過對上述周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性蝕刻而形成的波長上的均勻偏移。
下面將指出，所述周期性結(jié)構(gòu)的AlAs層182和AlAs層183b是任選的，但可能是有幫助的。更具體地說，當(dāng)選擇性地蝕刻掉所述周期性結(jié)構(gòu)的一些部分時這些層用作蝕刻停止器，因此允許以較高的精度和效率順序地除去未摻雜的GaAs間隔層。當(dāng)省去AlAs層183b時，有可能在單一的生長迭代中形成GaAs間隔結(jié)構(gòu)。在這種情況下，把所述GaAs間隔結(jié)構(gòu)選擇性地蝕刻到對應(yīng)于八閘流晶體管器件陣列用的垂直腔的尺寸/波長的深度。所述處理過程要求準(zhǔn)確地控制蝕刻處理，但是所得的結(jié)構(gòu)是比較簡單的，而且可以形成波長增量較小的諧振腔。
例如，假如所述八個諧振腔的最短的波長-0是大約1550nm，而相鄰信道之間的最小頻率間隔-是大約50GHz。在這種情況下，最小波長間隔-等于2.5埃。這對應(yīng)于GaAs材料中2.5埃*nGaAs的深度，這大約是8.75埃的深度。所述腔在3_波長上諧振。因此，各諧振腔之間厚度變動將3.5*8.75埃，約30.6埃。對于所述厚度值，最好不使用周期性結(jié)構(gòu)的AlAs層183b(并且可能最好不使用周期性結(jié)構(gòu)的AlAs層182)。相反地，以大約30埃的增量，按照諧振腔的八個波長，_0，(_0，+__)，(_0，+2__)，(_0，+3__)，(_0，+4__)，(_0，+5__)，(_0，+6--)和(_0，+7--)蝕刻所述GaAs間隔結(jié)構(gòu)。
為了形成諧振腔器件(其中光側(cè)向(亦即，從垂直于圖3剖面圖的方向)進(jìn)入所述器件和/或從所述器件發(fā)射)，在所述周期性多層結(jié)構(gòu)被選擇性蝕刻之后仍舊留下的所述周期性多層結(jié)構(gòu)的部分上面形成衍射光柵(例如在美國專利6,031,243中詳細(xì)描述的)和頂部介質(zhì)反射鏡。對于諧振腔激光器件，衍射光柵完成把把諧振腔產(chǎn)生的光衍射成在波導(dǎo)中側(cè)向傳播的光的功能，所述波導(dǎo)具有頂部介質(zhì)反射鏡和作為波導(dǎo)包層的底部DBR反射鏡。對于諧振腔檢測器件，衍射光柵完成把側(cè)向傳播的入射光衍射成垂直模式的功能，其中所述垂直模式在諧振腔中被諧振吸收。
作為另一方案，光可能通過所述器件頂面(或底部表面)上的光學(xué)孔徑(未示出)沿垂直方向進(jìn)入所述諧振腔(和/或從其中出來)。在這種情況下，省去衍射光柵，而頂部介質(zhì)反射鏡和底部DBR反射鏡形成用于光垂直發(fā)射(和/或吸收)的諧振腔，使得所述器件以垂直腔表面發(fā)射激光(檢測器)的方式工作。
底部DBR反射鏡和頂部介質(zhì)反射鏡之間的光程長度最好是指定波長下1/2波長的整數(shù)倍。通過在形成頂部介質(zhì)反射鏡之前(因而允許進(jìn)行所述蝕刻)選擇性地蝕刻掉所述周期性多層結(jié)構(gòu)的一些部分來控制所述光程長度。
圖4A和4B結(jié)合圖5A-5E舉例說明制造圖3的外延生長結(jié)構(gòu)以便在公共基片上形成八個多波長閘流晶體管器件的陣列的示范性方法。在塊B2，通過定義所述結(jié)構(gòu)中對齊標(biāo)記來開始所述方法。在塊B4，所述對齊標(biāo)記用來通過注入掩模184-1，184-2…184-8進(jìn)行N型離子的注入，如圖5A所示。所述注入操作是通過注入掩模184-1…184-8并且通過周期性的分層結(jié)構(gòu)和P+型歐姆接點層165a，165b完成的，以便形成八閘流晶體管器件中的每一個的N型注入物175。最好把N型注入物175注入至接近層162的深度。
在塊B6，形成結(jié)構(gòu)的圖案并進(jìn)行蝕刻，在P+型歐姆接觸層165b上形成包圍八閘流晶體管器件的有源區(qū)域185-1，185-2…185-8的平臺，如圖5A所示。在P+型歐姆接觸層165b上，所述平臺的一部分覆蓋N型注入物175。
在塊B8，淀積金屬層174(最好包括鎢)并限定其界限，以便形成不同的器件的電極。作為塊B6的一部分，在P+型歐姆接觸層165b中的平臺上淀積金屬層174，以便形成八閘流晶體管器件的陽極端子電極36-1，36-2…36-8，如圖5B所示。金屬層174的一部分覆蓋N型注入物175，如最清楚地示于圖6A和6B的。在歐姆接觸層165b上也淀積金屬層174，以便形成每一個在基片149上整體形成的N溝道HFET器件的柵極端子電極，和/或形成每一個在基片149上整體形成的N型量子阱基雙極晶體管器件的發(fā)射極端子電極。
在塊B10，淀積掩模并形成圖案，以便暴露八閘流晶體管器件的第一組有源區(qū)域(標(biāo)記186)并且保護(hù)八閘流晶體管器件的剩余有源區(qū)域(標(biāo)記187)，如圖5C所示。然后對所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻，在所述暴露的有源區(qū)域除去原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的一個周期(層183a/183b的周期)。最好用包括氟的氯的氣體混合物作為蝕刻劑，向下蝕刻至第二AlAs層183b(例如，原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的第六周期的AlAs層183b)。然后去離子(DI)水或濕緩沖氟氫酸(BHF)中輕易地溶解所述AlAs層183b，以便暴露那里下面的未摻雜的GaAs層183a(例如，原來的7周期外延結(jié)構(gòu)的第六周期的GaAs層183a)。
在塊B12，淀積掩模并形成圖案以便暴露八閘流晶體管器件的第二組有源區(qū)域(標(biāo)記188)，并保護(hù)八閘流晶體管器件的剩余有源區(qū)域(標(biāo)記標(biāo)記189)，如圖5D所示。然后對所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻，在所述暴露的有源區(qū)域中去除原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的兩個周期(層183a/183b的周期)。最好用包括氟的氯的氣體混合物作為蝕刻劑，向下蝕刻至原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的所需周期的AlAs層183b)。然后在去離子(DI)水或濕緩沖氟氫酸(BHF)中輕易地溶解AlAs層168b，以便暴露它正面的未摻雜的GaAs層183a。
在塊B14，淀積掩模并形成圖案以便暴露八閘流晶體管器件的第三組有源區(qū)域(標(biāo)記190)，并保護(hù)八閘流晶體管器件的剩余有源區(qū)域(標(biāo)記191)，如圖5F所示。然后對所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻，在所述暴露的有源區(qū)域中去除原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的四個周期(層183a/183b的周期)。最好用包括氟的氯的氣體混合物作為蝕刻劑，向下蝕刻至原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的所需周期的AlAs層183b)。然后在去離子(DI)水或濕緩沖氟氫酸(BHF)中輕易地溶解所述AlAs層168b，以便暴露在其下面的未摻雜的GaAs層183a。在結(jié)束塊B14的操作時，已經(jīng)將所述八閘流晶體管器件的有源區(qū)域中原來的7周期外延結(jié)構(gòu)(層183a/183b的周期)的高度尺寸調(diào)整(通過塊B10，B12，B14的選擇性蝕刻操作)到對應(yīng)于所述陣列的八閘流晶體管激光器件的八個不同的光程長度(和八個不同的波長λ1…λ8)。例如，對于λ1閘流晶體管器件，在塊B10，B12，B14的蝕刻操作過程中在所述λ1閘流晶體管器件的有效區(qū)域，蝕刻掉原來的7周期外延結(jié)構(gòu)中的所有7個，例如，層183a/183b的7個周期，以便形成對應(yīng)于λ1的光程長度。對于λ3閘流晶體管器件，在塊B10和B14的蝕刻操作過程中，在所述3閘流晶體管器件的有效區(qū)域，蝕刻掉原來的7個周期外延結(jié)構(gòu)中的五個周期，例如，層183a/183b的五個周期，以便形成對應(yīng)于λ3的光程長度。對于λ8閘流晶體管器件，在塊B10，B12和B14的蝕刻操作過程中，在所述λ8閘流晶體管器件的有效區(qū)域，蝕刻掉原來的7周期外延結(jié)構(gòu)的零周期，層183a/183b的零周期，以便形成對應(yīng)于λ8的光程長度。
在塊B16，使塊B14的結(jié)果結(jié)構(gòu)具有圖案并對其進(jìn)行蝕刻，以便暴露層163c上(或附近)的區(qū)域。把N型離子注入物注入暴露區(qū)域，以便形成N+型注入物170，用來接觸所述陣列的八閘流晶體管器件的N型QW結(jié)構(gòu)24(如最清楚地示于圖6A和6B)。N+型注入物170還用來在整體地在基片149上形成的每一個N溝道HFET器件上形成源極和漏極溝道接點，和/或整體地在基片149上形成的每一個N型量子阱基雙極晶體管器件。如圖6A和6B所示，N+型注入物170最好由在注入物170上面的平臺上形成的陽極端子電極自對準(zhǔn)。
在塊B18，塊B16的結(jié)果結(jié)構(gòu)經(jīng)受蝕刻操作，最好暴露出層158或其附近的區(qū)域。把P型離子注入物注入暴露的區(qū)域，以便形成P+型注入物171，用來接觸八閘流晶體管器件P型QW結(jié)構(gòu)20(層155-158)(如最清楚地示于圖6A和6B的)。P+型注入物171還用來形成整體地在基片149上形成的每一個N溝道HFET器件用的集電極接點，以便形成整體地在基片149上形成的每一個P溝道HFET器件的源極和漏極溝道接點，以便形成整體地在基片149上形成的每一個N型量子阱基雙極晶體管器件的基極接點，和/或形成整體地在所述基片149上形成的基于每一個N型量子阱基雙極晶體管器件的集電極接點。
在塊B20，使塊B18的結(jié)果結(jié)構(gòu)具有圖案并對其進(jìn)行蝕刻操作，以便暴露出歐姆層153的區(qū)域。如圖6A和6B所示，層153暴露的區(qū)域用來形成到八閘流晶體管器件的陰極端子電極40a、40b的低電阻接點。層153的暴露的區(qū)域還用來形成整體地在基片149上形成的每一個P型HFET器件的柵極，和/或形成整體地在基片149上形成的每一個P型量子阱基雙極晶體管器件的發(fā)射極。
在塊B22中，對所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行約950℃的快速熱退火(RTA)，以便激活所有注入物。
在塊B24中，通過向下達(dá)到半絕緣的基片149的蝕刻操作(包括穿過AlAs/GaAs的反射鏡對151/152的蝕刻)使所述各器件彼此絕緣。
在塊B26中，使所述結(jié)構(gòu)在環(huán)境流中氧化，把層151轉(zhuǎn)換為A10，后者形成底部DBR反射鏡12。在所述氧化步驟過程中，通過形成非常薄的氧化物層鈍化所述蝕刻的AlGaAs層的暴露的側(cè)壁。
在塊B28中，對層179/180進(jìn)行淀積，以便形成頂部介質(zhì)反射鏡。層179/80最好包括SiO2和高折射率材料，諸如GaAs，Si或GaN。另外，如在美國專利6,031,243中詳細(xì)描述的，可以結(jié)合所述頂部介質(zhì)反射鏡的形成來形成衍射光柵。
最后，在塊B30中，淀積金屬層176、178和181(最好通過發(fā)射(lift off))并限定它們的界限。在N+型注入物170上淀積金屬層176(最好包括N型合金金屬，諸如AuGe/Ni/Au)，以便形成閘流晶體管器件的N溝道注入器端子電極38a、38b，如圖6A和6B所示。在P+型注入物171上淀積金屬層178(最好包括P型Au金屬合金，諸如AuZn/Cr/Au)，以便形成閘流晶體管器件的P溝道注入器端子電極38c、38d，如圖所示。在N+層153的平臺上淀積金屬層181(最好包括N型Au合金金屬，諸如AuGe/Ni/Au)，以便形成閘流晶體管器件的陰極端子電極40A、40B，如圖所示。還可以用金屬層176來形成整體地在基片149上形成的每一個N溝道HFET器件的源極端子電極和漏極端子電極，以便形成整體地在基片149上形成的每一個N型量子阱基雙極晶體管器件的基極端子電極，和/或形成整體地在基片149上形成的每一個P型量子阱基雙極晶體管器件的集電極端子電極。還可以用金屬層178來形成整體地在基片149上形成的每一個P溝道HFET器件的源極端子電極和漏極端子電極，形成整體地在基片149上形成的每一個P型量子阱基雙極晶體管器件的基極端子電極，和/或形成整體地在基片149上形成的N型量子阱基雙極晶體管器件的集電極端子電極。還可以用金屬層181來形成整體地在基片149上形成的每一個P溝道HFET器件的柵極端子電極，和/或形成整體地在基片149上形成的P型量子阱基雙極晶體管器件的發(fā)射極端子電極。
圖6A是剖面圖，舉例說明所述陣列的閘流晶體管器件，后者對應(yīng)于該陣列閘流晶體管器件的(八個不同波長λ1…λ8的)波長λ4。作為塊B10，B12和B14(圖4A)的選擇性蝕刻操作的結(jié)果，所述器件具有從原來的7個周期結(jié)構(gòu)留下3個周(183-1，183-2和183-3)。
圖6B是剖面圖，舉例說明所述陣列的閘流晶體管器件，后者對應(yīng)于該陣列閘流晶體管器件的八個不同波長λ1…λ8的)波長λ7。應(yīng)當(dāng)指出，作為塊B10，B12和B14(圖4A)的選擇性蝕刻操作的結(jié)果，所述器件具有原來的7個周期結(jié)構(gòu)留下的六個周期(183-1…183-6)。
如前所述，塊B10、B12和B14的選擇性蝕刻操作最好利用3個掩模來限定所述陣列的閘流晶體管器件的八不同波長λ1…λ8。這把所述陣列的制造成本減到最低。下面將指出，所述7周期外延生長結(jié)構(gòu)和相關(guān)的3掩模蝕刻操作可以容易地擴展到數(shù)目較大的波長/器件。例如，15周期外延生長結(jié)構(gòu)和相關(guān)的4掩模蝕刻操作可以用來提供16個不同波長/器件，而同時31周期外延生長結(jié)構(gòu)和相關(guān)的5掩模蝕刻操作可以用來提供32個不同波長/器件。應(yīng)當(dāng)指出，這可以通過以下關(guān)系來概括(2x-1)周期外延生長結(jié)構(gòu)和相關(guān)的X-掩?？梢杂脕硖峁?X個不同波長/器件，其中X是1以上的整數(shù)。
圖7舉例說明這里描述的閘流晶體管陣列的閘流晶體管器件的工作特性。所述閘流晶體管從非導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)(其中通過所述器件的電流I基本上為零)切換到導(dǎo)通/接通狀態(tài)(其中所述電流I顯著地大于零)，這發(fā)生在以下時刻i)陽極端子36a、36b對于陰極端子40a、40b正向偏置(例如，正偏置)；和ii)注入器電極和陽極之間的電壓偏置足以在N型調(diào)制摻雜QW異質(zhì)結(jié)構(gòu)24內(nèi)產(chǎn)生大于臨界切換電荷QCR的電荷(和/或在P型調(diào)制摻雜QW異質(zhì)結(jié)構(gòu)20內(nèi)產(chǎn)生電荷)，這是減小正向切換電壓使得不存在截止?fàn)顟B(tài)偏壓點的電荷。
還可以利用光能量把所述閘流晶體管器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)。更具體地說，所述閘流晶體管器件從非導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)(其中通過所述器件的電流I基本上為零)切換至導(dǎo)通/接通狀態(tài)(其中電流I基本上大于零)，這發(fā)生在以下時刻i)陽極端子36a、36b對于陰極端子40a、40b是正向偏置(例如，正偏置)；和ii)把足以產(chǎn)生所述臨界切換電荷QCR的光能量引入所述器件的所述量子阱結(jié)構(gòu)。
作為光電子部件，所述閘流晶體管是多功能的。若處于導(dǎo)通/接通狀態(tài)的電流I高于激光的閾值(IL)，則將出現(xiàn)激光發(fā)射。這是半導(dǎo)體激光器的操作。它可以用提供給所述器件的注入器端子電信號以及注入所述器件的光能量激活。所述配置最好通過在所述陽極和陰極端子之間施加小于所述器件的最大正向切換電壓的正向偏置達(dá)到。另外，通過產(chǎn)生偏壓電流IBIAS的電流源，使器件的注入器端子相對于陽極端子偏置。當(dāng)向所述器件的注入器端子提供輸入電脈沖(或向器件提供光脈沖)時，如果所提供的脈沖具有足以產(chǎn)生超過在所述注入器端子上拉出的偏壓電流IBIAS的電流的能量，而且這樣的電流產(chǎn)生所述臨界切換電荷QCR，則所述閘流晶體管將切換到它的導(dǎo)通/接通狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，若所述電流I超過激光閾值(I)，則將出現(xiàn)激光發(fā)射，以便產(chǎn)生從所述器件發(fā)射的輸出光脈沖。輸入脈沖減小，所述閘流晶體管將切換到截止?fàn)顟B(tài)，因為電流源向所述注入器端子提供的偏壓電流IBIAs泄漏所述QW溝道的電荷，這使所述溝道電荷降到低于保持電荷QH。在截止?fàn)顟B(tài)下，通過所述器件的電流I接近于零，從而結(jié)束從所述器件發(fā)射的相應(yīng)的輸出光脈沖。這樣，所述閘流晶體管器件可以配置成作為垂直腔激光器工作，產(chǎn)生輸出光脈沖(響應(yīng)輸入的電氣/光脈沖)。
所述閘流晶體管器件可以配置成其光檢波器的作用，它檢測輸入光脈沖并響應(yīng)檢測出來的輸入光脈沖產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電脈沖(或輸出光脈沖)。在這種配置下，當(dāng)光在這個意義上(即當(dāng)已經(jīng)產(chǎn)生足夠的電子-空穴對以便產(chǎn)生臨界切換電荷QCR時，所述閘流晶體管將切換到它的導(dǎo)通狀態(tài))被準(zhǔn)予進(jìn)入進(jìn)行檢測的所述腔時，所述閘流晶體管器件處于非導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)，并起光檢波器的作用。在導(dǎo)通狀態(tài)下，所述器件產(chǎn)生電輸出脈沖(并且有可能產(chǎn)生輸出光脈沖)。所述配置是通過在所述陽極和陰極端子之間施加小于所述器件的最大正向切換電壓的正向偏置達(dá)到的。另外，通過產(chǎn)生偏壓電流IBAS的電流源使所述器件的注入器端子相對于陽極端子偏置。當(dāng)輸入光脈沖入射到閘流晶體管時，如果所述入射光具有足夠的強度來產(chǎn)生超過在注入器端子上拉取的偏壓電流IBIAS的光電流并且這樣的光電流產(chǎn)生所述臨界切換電荷QCR，則所述閘流晶體管將切換到它的導(dǎo)通/接通狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，通過所述器件的電流I在所述器件的陰極端子(和/或在所述陽極端子)上產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電脈沖。當(dāng)入射光減少時，所述閘流晶體管將切換到截止?fàn)顟B(tài)，因為由所述電流源向所述注入器端子提供的偏壓電流IBIAS泄漏所述QW溝道的電荷，使所述溝道電荷降到低于所述保持電荷QH。在截止?fàn)顟B(tài)下，通過所述器件的電流I接近于零，從而結(jié)束所述器件的陰極端子(和/或所述陽極端子)上產(chǎn)生的相應(yīng)的輸出脈沖。當(dāng)所述閘流晶體管器件配置成垂直腔檢測器時，可以把導(dǎo)通狀態(tài)下通過所述器件的電流設(shè)置成高于所述激光閾值。所述配置在這里稱作光檢波器/發(fā)射器。它起垂直腔激光器的作用，響應(yīng)對相應(yīng)的輸入光脈沖的檢測而產(chǎn)生輸出光脈沖。
另外，所述閘流晶體管器件可以配置成起各種各樣其它光電子部件的作用，如下面描述的，包括PIN檢測器、數(shù)字光調(diào)制器、模擬光調(diào)制器和光放大器。
PIN檢測器產(chǎn)生與入射到其上的光信號成正比的電信號。為了把所述閘流晶體管器件配置成PIN檢測器，陰極端子40a、40b在電氣上浮動，并在所述N溝道注入器端子38a、38b和所述陽極端子36a、36b之間施加反向偏壓。這樣的配置建立反向偏置PIN結(jié)，它產(chǎn)生與入射到垂直腔的光信號成正比的電信號(光電流)。
數(shù)字光調(diào)制器在調(diào)制輸入的光信號時工作在兩個截然不同的光學(xué)狀態(tài)中的一個。在光學(xué)狀態(tài)1下，輸入光信號沒有吸收損失。在光學(xué)狀態(tài)2下，全部輸入光信號均被吸收。為了把閘流晶體管器件配置成數(shù)字光調(diào)制器，或者在垂直方向上或者以波導(dǎo)方式提供通過所述器件的光程，而且相對于陽極端子36a、36b把輸入信號加到N溝道注入器端子38a、38b。
當(dāng)輸入信號在N溝道注入器端子38a、38b和陽極端子36a、36b之間產(chǎn)生足以在N型調(diào)制摻雜QW異質(zhì)結(jié)構(gòu)24中產(chǎn)生其電荷大于臨界切換電荷QCR的正向偏置時，閘流晶體管工作在它的導(dǎo)通/接通狀態(tài)。這樣偏置所述器件，使得通過處于導(dǎo)通狀態(tài)的器件的電流I顯著地低于激光閾值(最好約為激光閾電流的1/3)。在這種配置下，在接通的狀態(tài)下，器件工作在光學(xué)狀態(tài)1，從而輸入的光信號沒有吸收損失。
當(dāng)輸入信號在N溝道注入器端子N溝道注入器端子38a、38b和陽極端子36a、36b之間產(chǎn)生反向偏壓，從陽極端子拉取足以把N型調(diào)制摻雜QW異質(zhì)結(jié)構(gòu)24中的電荷減少到低于保持電荷QH的電流時，所述閘流晶體管工作在它的非導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)。在截止?fàn)顟B(tài)下，器件工作在光學(xué)狀態(tài)2，因此全部輸入光信號均被吸收。
模擬光調(diào)制器在調(diào)制值范圍內(nèi)線性地調(diào)制輸入光信號。為了把閘流晶體管器件結(jié)構(gòu)配置成模擬光調(diào)制器，陰極端子40a、40b在電氣上浮動，并停止閘流晶體管功能?；蛘咴诖怪狈较蛏匣蛘咭圆▽?dǎo)方式提供通過所述器件的光程，，并把相對于N溝道注入器端子38a、38b的輸入信號加到陽極端子36a、36b，使得陽極端子36a、36b相對于N溝道注入器端子38a、38b是正偏置。在這種配置下，陽極端子36a、36b上的電壓在所述器件的吸收線性地改變的電壓電平范圍內(nèi)改變。由工作點限定所述電壓范圍的頂部(其中發(fā)生最小吸收)，其中出現(xiàn)從陽極端子36a、36b至注入器端子38a、38b的導(dǎo)電狀態(tài)。
光放大器放大輸入光信號，以便產(chǎn)生強度電平增大了的相應(yīng)的輸出光信號。為了把閘流晶體管器件配置成光放大器，省去衍射光柵并把輸入光信號注入所述器件的光學(xué)活性區(qū)域。通過負(fù)載電阻在陽極和陰極端子之間施加正向偏置，所述負(fù)載電阻把通過導(dǎo)通狀態(tài)下的器件的電流I設(shè)置在顯著地低于激光閾值IL的點上。在這種配置下，在導(dǎo)通狀態(tài)下，所述器件放大輸入光信號，以便產(chǎn)生強度電平增大了的相應(yīng)的輸出光信號。如上面描述的，可以通過相對于陽極端子36a、36b把正向和反向偏置加到N溝道注入器端子38a、38b上來把光放大器切換到導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)。可以通過調(diào)整導(dǎo)通狀態(tài)下的電流I來改變在導(dǎo)通狀態(tài)下光放大器的增益(因而改變輸出信號的強度電平)。
這樣，這里描述的閘流晶體管器件陣列可以用來實現(xiàn)提供各種各樣光學(xué)電子功能的器件的陣列。例如，為了實現(xiàn)基于閘流晶體管的發(fā)射不同波長的光(例如用于波分復(fù)用應(yīng)用的)的激光器陣列，這樣形成閘流晶體管器件陣列，使得用于閘流晶體管器件的諧振腔的垂直尺寸對應(yīng)于所需的波長。在另一個示例中，為了實現(xiàn)檢測不同波長的光(例如用于波分復(fù)用的)的基于閘流晶體管的檢波器陣列，這樣形成閘流晶體管器件陣列，使得用于所述閘流晶體管器件的諧振腔的垂直尺寸對應(yīng)于所需的波長。入射光(包括不同波長的光分量)被引導(dǎo)到所述閘流晶體管器件陣列。這樣偏置每一個閘流晶體管器件，使得特定波長的入射光分量(例如接通的特定波長的光脈沖)將被諧振吸收，并把所述器件切換到它的導(dǎo)通狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電信號。在導(dǎo)通狀態(tài)下，若這樣偏置所述器件，使得導(dǎo)通狀態(tài)下的電流I超過激光閾值IL，則所述器件可以通過激光作用產(chǎn)生相應(yīng)的輸出光信號。類似地，多波長閘流晶體管器件陣列可以用來實現(xiàn)檢測不同波長的入射光的陣列式PIN檢測器；調(diào)制不同波長的入射光的陣列式光調(diào)制器；以及放大不同波長的入射光的陣列式光放大器。
另外，圖1和3的多層結(jié)構(gòu)可以用來實現(xiàn)不同的晶體管器件(諸如N溝道HFET、P溝道HFET、P型量子阱基雙極晶體管、N型-型量子阱基雙極晶體管)、波導(dǎo)器件及其他光電子器件(諸如光學(xué)互連)。這樣的器件的細(xì)節(jié)在以前所包含的專利申請中已經(jīng)描述。因而，這里描述的多波長閘流晶體管陣列非常適合于與范圍寬闊的電子器件和光電子器件(諸如N溝道HFET、P溝道HFET、P型量子阱基雙極晶體管、N型量子阱基雙極晶體管、波導(dǎo)器件及其他光電子器件，諸如光學(xué)互連)進(jìn)行單片電路集成。
在這里已經(jīng)描述和舉例說明幾個使用調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)的多波長閘流晶體管陣列實施例和制造這樣的多波長閘流晶體管陣列的方法。盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的具體的實施例，但是本發(fā)明不打算局限于此，我們的意圖是本發(fā)明的范圍與將準(zhǔn)許的本技術(shù)領(lǐng)域一樣寬并且以類似的方式來理解本說明書。因而，盡管已經(jīng)用特定的厚度和特定的類型和摻雜強度描述了特定的層，但是下面將指出，某些過渡層可以除去和/或可以利用附加的層和/或子層，而且還可以具有不同的厚度和不同的摻雜。另外，盡管已經(jīng)參考它們的某些組分的百分?jǐn)?shù)含量描述了特定的層，但下面將指出，這些層可以以不同的百分?jǐn)?shù)利用相同的組分或利用其它組分。另外，盡管已經(jīng)描述了特定的形成和金屬化技術(shù)，但下面將指出，所描述的結(jié)構(gòu)可以以其它方式形成，并用其他金屬來形成端子。另外，盡管閘流晶體管器件、光發(fā)射器、檢波器、調(diào)制器、放大器等的特定的布置是由所描述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成的，但下面將指出，從所提供的結(jié)構(gòu)和組件可以制作其它器件和電路。因此，本專業(yè)的技術(shù)人員將會意識到，在不偏離本發(fā)明的情況下，對所提供的發(fā)明還可以進(jìn)行其它修改。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)電子集成電路，它包括a)基片；b)在所述基片上形成的多層結(jié)構(gòu)；以及c)在所述多層結(jié)構(gòu)中形成的閘流晶體管器件和相應(yīng)的諧振腔的陣列，所述諧振腔適合于處理不同波長的光。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)電子集成電路，其中，除去所述多層結(jié)構(gòu)的一些部分，以便提供具有對應(yīng)于所述不同波長的不同垂直尺寸的所述諧振腔。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)電子集成電路，其中，除去所述多層結(jié)構(gòu)的所述部分以便提供具有不同垂直尺寸的所述諧振腔的步驟包括通過重復(fù)未摻雜的間隔層和未摻雜的蝕刻停止層對來形成周期性子結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述多層結(jié)構(gòu)包括應(yīng)變硅材料。
5.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述多層結(jié)構(gòu)包括III-V族材料。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述未摻雜的間隔層包括未摻雜的GaAs而所述未摻雜的蝕刻停止層包括未摻雜的AlAs，所述未摻雜的AlAs在用包含氟的基于氯的氣體混合物進(jìn)行的蝕刻過程中起蝕刻停止器的作用。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述陣列的每一個給定的閘流晶體管器件都配置成垂直腔激光發(fā)射器件，由此提供發(fā)射不同波長的光的垂直腔激光發(fā)射器件陣列。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述陣列的每一個給定的閘流晶體管器件都配置成光學(xué)檢測器件，由此提供檢測不同波長的輸入光脈沖并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出脈沖的光檢波器陣列。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述輸出脈沖是對應(yīng)于檢測出的不同波長的輸入光脈沖的電輸出脈沖。
10.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述輸出脈沖是對應(yīng)于檢測出的不同波長的輸入光脈沖的光輸出脈沖。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述陣列的每一個給定的閘流晶體管器件包括N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)和P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)電子集成電路，其中還包括可操作地耦合到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)和P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)中的至少一個的電流源。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)電子集成電路，其中，每一個給定的閘流晶體管器件都包括在所述基片上形成的P溝道FET晶體管和在所述P溝道FET晶體管頂部形成的N溝道FET晶體管，所述P溝道FET晶體管由所述P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)形成而所述N溝道FET晶體管由所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)形成。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述P溝道FET晶體管包括底部有源層；所述N溝道FET晶體管包括頂部有源層；以及所述給定的閘流晶體管器件還包括可操作地耦合到所述頂部有源層的陽極端子；可操作地耦合到所述底部有源層的陰極端子；以及可操作地耦合到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)和所述P型摻雜P型量子阱結(jié)構(gòu)中的至少一個的注入器端子。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述注入器端子可操作地通過所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)中的至少一種N型離子注入物耦合到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述注入器端子可操作地通過所述P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)中的至少一種N型離子注入物耦合到所述P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述給定的閘流晶體管器件還包括歐姆接觸層；用于在所述歐姆接觸層上形成的所述陽極端子的金屬層；以及形成在所述歐姆接觸層和所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)之間的多個P型層。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)電子集成電路，其中還包括N型注入物，它位于用于所述陽極端子的所述金屬層下面，由此提供集中于所述給定的閘流晶體管器件的有效區(qū)域的電流。
19.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述多個P型層通過未摻雜的間隔區(qū)材料與所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)隔開。
20.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述多個P型層包括由P材料的輕摻雜層隔開的重?fù)诫sP材料的平面摻雜的頂片和底片，由此所述頂片實現(xiàn)低柵極接點電阻，而所述底片形成所述N溝道FET晶體管的電容。
21.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)電子集成電路，其中還包括電流源，它可操作地耦合到所述注入器端子，從與其耦合的量子阱結(jié)構(gòu)拉取偏壓電流；以及負(fù)載電阻，它可操作地耦合到所述陰極端子，所述陰極端子偏置所述閘流晶體管器件，使得在所述陽極和陰極端子之間存在小于所述閘流晶體管器件的最大正向切換電壓的正向偏置。
22.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成光檢波器，所述光檢波器檢測相關(guān)波長的強度足夠的入射光脈沖并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電脈沖，并在所述給定的閘流晶體管器件的陰極端子上產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電脈沖。
23.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成當(dāng)所述入射光脈沖在所述相關(guān)波長上具有足夠的強度時，在所述量子阱溝道中便產(chǎn)生超過所述偏壓電流的光電流，以便產(chǎn)生超過臨界切換電荷的溝道電荷，由此使所述閘流晶體管器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)，而當(dāng)所述入射光脈沖結(jié)束時，所述偏壓電流把所述閘流晶體管器件切換到截止?fàn)顟B(tài)。
24.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器響應(yīng)提供給注入器端子的輸入電脈沖而發(fā)射相關(guān)波長的輸出光脈沖。
25.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成使所述輸入電脈沖在所述量子阱溝道內(nèi)產(chǎn)生超過臨界切換電荷的溝道電荷，從而使所述閘流晶體管器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)，而當(dāng)所述輸入電脈沖結(jié)束時，所述偏壓電流把所述閘流晶體管器件切換到所述截止?fàn)顟B(tài)，以及其中在導(dǎo)通狀態(tài)下通過所述給定的閘流晶體管器件的電流大于所述給定的閘流晶體管器件的特征激光閾電流。
26.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述諧振腔包括底部分布式Bragg反射鏡和頂部介質(zhì)反射鏡。
27.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)電子集成電路，其中，所述閘流晶體管器件由設(shè)置在所述底部分布式Bragg反射鏡和所述頂部介質(zhì)反射鏡之間的有源器件結(jié)構(gòu)形成，并且所述多層結(jié)構(gòu)的被除去以便提供具有不同垂直尺寸的諧振腔的所述一些部分設(shè)置在所述有源器件結(jié)構(gòu)和所述頂部介質(zhì)反射鏡之間。
28.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)電子集成電路，其中還包括用于讓光通過所述頂部介質(zhì)反射鏡和所述底部分布式Bragg反射鏡中的一個的裝置，入射光通過該裝置注入所述諧振腔和/或在所述諧振腔產(chǎn)生的光通過該裝置發(fā)射出去。
29.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)電子集成電路，其中還包括在所述頂部介質(zhì)反射鏡下形成的多個衍射光柵，其中所述衍射光柵把沿著平面內(nèi)方向傳播的入射光注入所述諧振腔并且沿著平面內(nèi)方向發(fā)射在所述諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的光。
30.一種制造光學(xué)電子集成電路的方法，所述方法包括a)提供基片；b)在所述基片上形成多層結(jié)構(gòu)；以及c)在所述多層結(jié)構(gòu)內(nèi)形成閘流晶體管器件和相應(yīng)的諧振腔的陣列，所述諧振腔適合于處理不同波長的光。
31.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，選擇性地除去所述多層結(jié)構(gòu)的一些部分，以便提供具有對應(yīng)于所述不同波長的不同垂直尺寸的所述諧振腔。
32.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述多層結(jié)構(gòu)包括通過重復(fù)未摻雜的間隔層和未摻雜的蝕刻停止層對而形成的周期性子結(jié)構(gòu)。
33.如權(quán)利要求32所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中還包括選擇性地除去所述周期性子結(jié)構(gòu)的一些部分，以便提供具有對應(yīng)于所述不同波長的不同垂直尺寸的所述諧振腔。
34.如權(quán)利要求32所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述多層結(jié)構(gòu)包括應(yīng)變硅材料。
35.如權(quán)利要求32所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述多層結(jié)構(gòu)包括III-V族材料。
36.如權(quán)利要求35所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述未摻雜的間隔層包括未摻雜的GaAs，而所述未摻雜的蝕刻停止層包括在利用包含氟的基于氯的氣體混合物的蝕刻過程中起蝕刻停止器作用的未摻雜的AlAs。
37.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述陣列的每一個給定的閘流晶體管器件配置成垂直腔激光發(fā)射器件，由此提供發(fā)射不同波長的光的垂直腔激光發(fā)射器件陣列。
38.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述陣列的每一個給定的閘流晶體管器件配置成光學(xué)檢測器件，由此提供的檢測不同波長的輸入光脈沖并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出脈沖的光檢波器陣列。
39.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述輸出脈沖是對應(yīng)于檢測出的不同波長的輸入光脈沖的電輸出脈沖。
40.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述輸出脈沖是對應(yīng)于檢測出的不同波長的輸入光脈沖的光輸出脈沖。
41.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述陣列的每一個給定的閘流晶體管器件包括N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)和P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)。
42.如權(quán)利要求41所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中還包括把電流源耦合到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)和P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)中的至少一個。
43.如權(quán)利要求41所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，每一個給定的閘流晶體管器件包括在所述基片上形成的P溝道FET晶體管和在所述P溝道FET晶體管頂上形成的N溝道FET晶體管，所述P溝道FET晶體管由所述P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)形成而所述N溝道FET晶體管由所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)形成。
44.如權(quán)利要求43所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述P溝道FET晶體管包括底部有源層；所述N溝道FET晶體管包括頂部有源層；以及所述給定的閘流晶體管器件還包括可操作地耦合到所述頂部有源層的陽極端子；可操作地耦合到所述底部有源層的陰極端子；以及可操作地耦合到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)和所述P型摻雜p型量子阱結(jié)構(gòu)中的至少一個的注入器端子。
45.如權(quán)利要求44所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中還包括把N型離子注入到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)中，以便把所述注入器端子耦合到所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)的至少一個N型注入物。
46.如權(quán)利要求44所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中還包括把P型離子注入所述P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)，以便形成把所述注入器端子耦合到所述P型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)的至少一個P型注入物。
47.如權(quán)利要求44所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述給定的閘流晶體管器件還包括歐姆接觸層、用于在所述歐姆接觸層上形成的所述陽極端子的金屬層和在所述歐姆接觸層和所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)之間形成的多個P型層。
48.如權(quán)利要求47所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中還包括把N型離子注入所述多層結(jié)構(gòu)，以便形成與所述給定的閘流晶體管器件的有效區(qū)域相鄰的N型注入，以及這樣淀積所述陽極端子用的所述金屬層并使其具有圖案，使得所述金屬層位于所述N型注入物上面，使得所述N型注入物提供集中于所述給定的閘流晶體管器件的所述有效區(qū)域的電流。
49.如權(quán)利要求47所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述多個P型層由未摻雜的間隔區(qū)材料與所述N型調(diào)制摻雜量子阱結(jié)構(gòu)隔開。
50.如權(quán)利要求47所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述多個P型層包括由P材料輕摻雜層隔開的重?fù)诫s的P材料的平面摻雜的頂片和底片，由此所述頂片實現(xiàn)低的柵極接點電阻，而所述底片形成所述N溝道FET晶體管的電容。
51.如權(quán)利要求44所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中還包括把電流源耦合到所述注入器端子，使得所述電流源從與此耦合的量子阱結(jié)構(gòu)拉取偏壓電流，以及把負(fù)載電阻耦合到所述陰極端子，使所述陽極和陰極端子之間存在小于所述閘流晶體管器件的最大正向切換電壓的正向偏置。
52.如權(quán)利要求51所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成光檢波器，所述光檢波器檢測相關(guān)波長的強度足夠高的入射光脈沖并在所述給定的閘流晶體管器件的陰極端子產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電脈沖。
53.如權(quán)利要求52所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，這樣配置所述給定的閘流晶體管器件，使得當(dāng)所述相關(guān)波長的入射光脈沖具有足夠的強度時，在所述量子阱溝道內(nèi)產(chǎn)生超過所述偏壓電流的光電流，以便產(chǎn)生超過臨界切換電荷的溝道電荷，從而使所述閘流晶體管器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)，而當(dāng)所述入射光脈沖結(jié)束時，所述偏壓電流使所述閘流晶體管器件切換到截止?fàn)顟B(tài)。
54.如權(quán)利要求53所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器響應(yīng)提供給所述注入器端子的輸入電脈沖而發(fā)射相關(guān)波長的輸出光脈沖。
55.如權(quán)利要求54所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述給定的閘流晶體管器件配置成在所述量子阱溝道內(nèi)產(chǎn)生超過所述偏壓電流的電流，以便產(chǎn)生超過臨界切換電荷的溝道電荷，由此使所述閘流晶體管器件切換到導(dǎo)通狀態(tài)，而當(dāng)所述輸入電脈沖結(jié)束時，所述偏壓使所述閘流晶體管器件切換到截止?fàn)顟B(tài)，并且其中在導(dǎo)通狀態(tài)下通過所述給定的閘流晶體管器件的電流大于所述給定的閘流晶體管器件的特征激光閾電流。
56.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述諧振腔包括底部分布式Bragg反射鏡和頂部介質(zhì)反射鏡。
57.如權(quán)利要求56所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述閘流晶體管器件由設(shè)置在所述底部分布式Bragg反射鏡和所述頂部介質(zhì)反射鏡之間的有源器件結(jié)構(gòu)形成，并且所述多層結(jié)構(gòu)的被除去以便提供具有不同垂直尺寸的所述諧振腔的所述各部分設(shè)置在所述有源器件結(jié)構(gòu)和所述頂部介質(zhì)反射鏡之間。
58.如權(quán)利要求56所述的制造光學(xué)電子集成電路的方法，其中，所述諧振腔包括在所述頂部介質(zhì)反射鏡下形成的多個衍射光柵，其中所述衍射光柵把沿著平面內(nèi)方向傳播的入射光注入所述諧振腔和/或沿著平面內(nèi)方向發(fā)射在所述諧振腔中產(chǎn)生的光。
59.如權(quán)利要求30所述的制造光學(xué)電子電路的方法，其中對所述多層結(jié)構(gòu)執(zhí)行的N個圖案形成和蝕刻步驟提供具有對應(yīng)于2N不同波長的2N個不同垂直尺寸的所述諧振腔。
全文摘要
一種光學(xué)電子集成電路包括基片、在基片上形成的多層結(jié)構(gòu)和在多層結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的閘流晶體管器件和相應(yīng)的諧振腔的陣列。通過以下方法來形成適合于處理不同波長的光的諧振腔選擇性地除去多層結(jié)構(gòu)的一些部分，以便提供具有對應(yīng)于不同波長而形成的不同垂直尺寸的諧振腔。所述多層結(jié)構(gòu)的被選擇性地除去以便提供多個波長的所述部分最好包括通過重復(fù)未摻雜的間隔層和未摻雜的蝕刻停止層對而形成的周期性子結(jié)構(gòu)。所述多層結(jié)構(gòu)可以由III－V族材料形成。在這種情況下，周期性子結(jié)構(gòu)的未摻雜的間隔層和未摻雜的蝕刻停止層最好分別包括未摻雜的GaAs和未摻雜的AlAs。未摻雜的AlAs在通過包括氟的基于氯的氣體混合物進(jìn)行蝕刻的過程中起蝕刻停止器的作用。多波長閘流晶體管器件陣列可以用來實現(xiàn)提供各種各樣光學(xué)電子的功能的器件，諸如基于閘流晶體管發(fā)射不同波長的光的激光器陣列；和/或基于閘流晶體管的檢測不同波長的光(例如用于波分復(fù)用用途)的檢波器陣列。
文檔編號H01S5/183GK1871751SQ200480027320
公開日2006年11月29日 申請日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者G·W·泰勒, S·鄧肯 申請人:康涅狄格大學(xué), 歐寶公司