垂直腔面發射激光器與異質結雙極型晶體管集成結構的設計和模擬

周廣正 李穎 蘭天 代京京 王聰聰 王智勇

(北京工業大學激光工程研究院,北京 100124)

垂直腔面發射激光器(vertical cavity surface emitting lasers,VCSELs)和異質結雙極型晶體管(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HBT基極電流調制VCSELs的輸出光功率.本文設計了一種VCSELs與HBT集成結構,該結構包括VCSELs和PNP InGaP/GaAs HBT,為直接串聯結構,并利用PICS3D軟件模擬了該集成結構的電光特性.為了模擬能夠順利進行,在模型中加入了過渡集電極.首先將HBT導通,電流由發射極流向過渡集電極,然后增大過渡集電極與N型電極之間的電壓,使VCSELs導通且把過渡集電極的電流降為零.由于過渡集電極的電流為零,在實際結構中可以將其移除.模擬結果表明,當電流增益系數為400時,基極電流對輸出光功率的最大調制率達到280 mW/mA.本文所設計的集成結構及其模擬方法對光電集成器件(opto-electronic integrated circuit,OEIC)具有一定的指導作用.

1 引 言

垂直腔面發射激光器(VCSELs)以其閾值電流低、調制帶寬大、易于二維集成、易與光纖耦合和成本低等優點,廣泛應用于短距離光通行和光互聯領域[1-3].異質結雙極型晶體管(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,是MMIC領域重要的三端器件之一[4,5].因為InGaP/GaAs HBT在制備過程中可以利用InGaP與GaAs的高選擇刻蝕性[6],提高產量和均勻性,因此正逐步取代傳統的AlGaAs/GaAs HBT.將VCSELs與HBT集成形成光開關集成陣列可應用于并行光處理[7].AT&T貝爾實驗室[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集成結構,其輸出光功率對基極電流的調制率為1.2 mW/mA.Zhou等[7]設計和制備了GaAs/AlGaAs HBT和VCSELs集成的光電開關.光電開關的電流增益為500-700,在光輸出功率為0.4和1.2 mW時的功率消耗分別為27和55 mW,直流偏置下的光功率-電流轉換效率為150 W/A.將HBT集成在VCSELs中,量子阱置于HBT的基區,基極電流提供空穴載流子,發射極電流提供電子載流子,可以形成晶體管垂直腔面發射激光器(transistor VCSELs,T-VCSELs)[9-11].Shi等[10]設計的T-VCSELs包括一個Npn InGaP/GaAs HBT結構和一個6 μm的用來限制電流和光場的氧化孔徑.當基極電流為7 mA時,集電極電流約為53 mA,輸出光功率超過1 mW.從數值模擬中提取的參數輸入到解析模型中,得到的大信號調制可達到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在同一外延片上,但相互獨立,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雜; 2) VCSELs的量子阱置于HBT的基區,形成T-VCSEL結構.因空穴是由基極提供的,基極電流對輸出光功率的調制率偏低.由于VCSELs和HBT都是縱向電流器件,本文設計和模擬了一種VCSELs與HBT集成結構,將VCSELs與HBT在外延結構上直接串聯,用氧化層限制電流和光場,可以集成VCSELs和HBT的優點,降低工藝復雜性,提高基極電流對輸出光功率的調制率.另一方面,傳統的VCSEL是兩端器件,調制信號直接驅動VCSEL工作,一般需要幾毫安的驅動電流,高速驅動電路較為復雜[12-14].本文設計的VCSEL與HBT集成結構是三端器件,將直流偏置與交流調制分開,調制電流可降至10 μA量級,大大降低了驅動電路的功率放大需求和驅動電路的復雜性,并可采用共N型電極(對應HBT共發射極)工作[10,15],調制信號加在基極電極,控制VCSEL光開關.通過成熟的商業軟件模擬可以大大縮短研發周期[16,17],但是利用PICS3D模擬VCSEL與HBT集成結構過程中,會出現模型錯誤提示及計算不能自洽等問題,為此本文提出加入過渡集電極,使得模擬過程能夠順利進行.

2 理論模型

圖1為VCSELs與HBT集成結構示意圖,VCSELs部分包括N型電極,34對Al0.12GaAs/Al0.90GaAs下DBR,3對In0.06GaAs/Al0.30GaAs量子阱有源區,20 nm Al0.98GaAs氧化層,21對Al0.12GaAs/Al0.90GaAs上DBR; HBT部分包括P型InGaP發射區,重摻雜N型GaAs基區和P型GaAs集電區.過渡集電極的設置是為了PICS3D軟件模擬能夠順利進行,N型電極、發射極、基極和過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分別為基極和發射極少數載流子擴散系數,NE和 NB分別為發射區和基區的雜質濃度,LE為發射區少數載流子擴散長度,WB為基區寬度,ΔEg為帶隙差,kB為玻爾茲曼常數,LB為基區少數載流子擴散長度.

對于VCSELs器件,耗散功率可表示為[18]

其中 Ith為閾值電流,Rs為串聯電阻,Vd為開啟電壓.

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集成結構示意圖Fig.1.Schematic diagram of integration of VCSELs and HBT.

輸出功率可表示為

所以對VCSELs與HBT集成結構,輸出功率可表示為

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

其中 β0為HBT的直流電流增益,re為發射極電阻,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,fp為寄生極點頻率.等式右邊第1項為HBT的交流增益,第2項為VCSEL的本征響應,第3項表達了VCSEL的寄生效應.

3 模擬結果

首先利用TFCal軟件模擬了加入HBT對上DBR反射率的影響(圖2).設置光從量子阱有源區入射,從上表面出射,在激射波長850 nm處上DBR的反射率為99.72%,加入HBT會對DBR最上層的相位產生影響[19,20],加入HBT后反射率為99.57%,所以加入HBT對上DBR的在激射波長處的反射率影響較小.在小于850 nm時反射率下降較多,因此實際結構中可以適當增大腔模波長,避免反射率下降而影響器件性能.

圖3為平衡態時的能帶,為了簡化模型,采用等效材料代替整個DBR,所以DBR處的能帶為水平直線.PICS3D軟件模擬過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,電流不能直接由發射極流到N型電極,因此模擬過程中在旁邊加入一個過渡集電極.首先,在過渡集電極和基極加電壓讓HBT導通,電流從發射極流向過渡集電極,且過渡集電極與N型電極的電壓在VCSELs閾值電壓以下.圖4(a)顯示了HBT導通時集成結構的能帶圖,E-B結正偏導通,空穴在基區的擴散長度遠大于基區厚度,E-B結注入基區的空穴通過擴散進入B-C結,由于B-C反偏,空穴很快被掃入集電區,過渡集電極與N型電極所加電壓小于P-N結開啟電壓,VCSEL不能導通,因此電流流向過渡集電極.圖4(b)顯示了HBT導通時的集成結構內部電流分布,從圖4(b)可以看出電流由發射極經過基區、集電區和P-DBR流向過渡集電極.電流會經過P-DBR是因為P-DBR摻雜較高,電阻率較低.

圖2 不同結構DBR反射率Fig.2.Reflectivity of different DBRs.

圖3 平衡態時集成結構的能帶Fig.3.Band diagram of integrated structure at equilibrium.

逐漸增大過渡集電極和N型電極之間的電壓,同時開啟光子密度與漂移-擴散耦合模型,量子阱產生光增益,VCSELs達到激射條件.圖5(a)為集成結構導通時的能帶結構,同樣E-B結正偏,B-C結反偏,過渡集電極與N型電極所加電壓大于VCSEL的開啟電壓.圖5(b)顯示了導通時集成結構內部的電流分布,從圖5(b)可以看出,電流從發射極經基區、集電區和VCSEL流向N型電極,氧化孔徑對電流有明顯的限制作用.圖6顯示了過渡集電極和N型電極電流隨過渡集電極電壓的變化(V1=-6 V).隨著過渡集電極電壓增大,其電流減小,N型電極電流增大,在V4=-4.1 V,即過渡集電極與N型電極的電壓約1.9 V時,過渡集電極電流為零,此時可以移除過渡集電極,而不影響集成結構的電光特性.

圖4 HBT處于放大狀態時的(a)能帶圖,(b)集成結構內部電流分布Fig.4.Integrated structure when HBT is in an amplified state：(a) Band diagram; (b) current distribution.

圖5 HBT和VCSEL同時導通時的集成結構 (a)能帶圖; (b)內部電流分布Fig.5.Integrated structure when both HBT and VCSELs were conducted：(a) Band diagram; (b) current distribution.

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

保持過渡集電極電流為零,進一步模擬了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.當基極電流為22 μA時,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,當基極電流為22 μA時,輸出光功率超過4 mW,基極電流對輸出光功率的最大調制率達280 mW/mA.模型中加入了熱模型,熱源包括焦耳熱、光吸收、非輻射復合和Thomson熱.圖9(a)顯示了基極電流為10 μA時器件內部的溫度分布,量子阱有源區處最高溫度達386 ℃.圖9(b)顯示了有源區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時器件內部溫度分布; (b)有源區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 集成結構的交流光增益Fig.10.The ac power gain of integration structure.

本文利用PICS3D模擬了集成結構的交流光增益特性.圖10顯示了基極電流為10 μA時交流光增益的模擬結果,從圖10可以看出其截至頻率超過1 GHz.單獨模擬VCSEL得到其調制響應的-3 dB帶寬為25 GHz,由(8)式可知加入HBT限制了集成結構的調制速率,需進一步優化HBT結構參數和幾何尺寸來提高調制速率.

4 結 論

本文設計和建立了VCSELs與InGaP/GaAs HBT集成結構模型,利用PICS3D軟件模擬了集成結構的光電特性,模擬過程中加入過渡集電極,通過先開啟HBT,再改變過渡集電極與N型電極之間的電壓使VCSELs導通,之后保持過渡集電極電流為零.模擬結果表明,集成結構的電流增益達到400,基極電流對輸出光功率的最大調制率達到280 mW/mA.當基極電流為22 μA時,輸出光功率超過4 mW.由交流光增益的模擬結果可知截至頻率超過1 GHz.本文建立的集成結構和模擬方法還可用于LED,LD和DFB等發光器件與HBT的集成,對光電集成具有一定的指導作用.