摘要:垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs)和异质结双极型晶体管(heterojunction bipolar transistor, HBT)都是纵向电流器件, 可以集成在同一外延片上, 通过HBT基极电流调制VCSELs的输出光功率. 本文设计了一种VCSELs与HBT集成结构, 该结构包括VCSELs和PNP InGaP/GaAs HBT, 为直接串联结构, 并利用PICS3D软件模拟了该集成结构的电光特性. 为了模拟能够顺利进行, 在模型中加入了过渡集电极. 首先将HBT导通, 电流由发射极流向过渡集电极, 然后增大过渡集电极与N型电极之间的电压, 使VCSELs导通且把过渡集电极的电流降为零. 由于过渡集电极的电流为零, 在实际结构中可以将其移除. 模拟结果表明, 当电流增益系数为400时, 基极电流对输出光功率的最大调制率达到280 mW/mA. 本文所设计的集成结构及其模拟方法对光电集成器件(opto-electronic integrated circuit, OEIC)具有一定的指导作用.
关键词: 垂直腔面发射激光器/
异质结双极型晶体管/
光电集成

English Abstract

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垂直腔面发射激光器(VCSELs)以其阈值电流低、调制带宽大、易于二维集成、易与光纤耦合和成本低等优点, 广泛应用于短距离光通行和光互联领域^[1-3]. 异质结双极型晶体管(HBT)具有功率密度高、增益高、带宽大、相位噪声低和线性度好等特点, 是MMIC领域重要的三端器件之一^[4,5]. 因为InGaP/GaAs HBT在制备过程中可以利用InGaP与GaAs的高选择刻蚀性^[6], 提高产量和均匀性, 因此正逐步取代传统的AlGaAs/GaAs HBT. 将VCSELs与HBT集成形成光开关集成阵列可应用于并行光处理^[7]. AT&T贝尔实验室^[8]首次利用分子束外延(MBE)二次外延制备了GaAs量子阱激光器与HBT集成结构, 其输出光功率对基极电流的调制率为1.2 mW/mA. Zhou等^[7]设计和制备了GaAs/AlGaAs HBT和VCSELs集成的光电开关. 光电开关的电流增益为500—700, 在光输出功率为0.4和1.2 mW时的功率消耗分别为27和55 mW, 直流偏置下的光功率-电流转换效率为150 W/A. 将HBT集成在VCSELs中, 量子阱置于HBT的基区, 基极电流提供空穴载流子, 发射极电流提供电子载流子, 可以形成晶体管垂直腔面发射激光器(transistor VCSELs, T-VCSELs)^[9-11]. Shi等^[10]设计的T-VCSELs包括一个Npn InGaP/GaAs HBT结构和一个6 μm的用来限制电流和光场的氧化孔径. 当基极电流为7 mA时, 集电极电流约为53 mA, 输出光功率超过1 mW. 从数值模拟中提取的参数输入到解析模型中, 得到的大信号调制可达到40 Gbps. 目前VCSELs与HBT集成主要有两种形式: 1) VCSELs和HBT利用一次外延或二次外延生长在同一外延片上, 但相互独立, 利用金线相连. 此方法虽然保留了HBT高电流增益特性, 但是外延和芯片工艺复杂; 2) VCSELs的量子阱置于HBT的基区, 形成T-VCSEL结构. 因空穴是由基极提供的, 基极电流对输出光功率的调制率偏低. 由于VCSELs和HBT都是纵向电流器件, 本文设计和模拟了一种VCSELs与HBT集成结构, 将VCSELs与HBT在外延结构上直接串联, 用氧化层限制电流和光场, 可以集成VCSELs和HBT的优点, 降低工艺复杂性, 提高基极电流对输出光功率的调制率. 另一方面, 传统的VCSEL是两端器件, 调制信号直接驱动VCSEL工作, 一般需要几毫安的驱动电流, 高速驱动电路较为复杂^[12-14]. 本文设计的VCSEL与HBT集成结构是三端器件, 将直流偏置与交流调制分开, 调制电流可降至10 μA量级, 大大降低了驱动电路的功率放大需求和驱动电路的复杂性, 并可采用共N型电极(对应HBT共发射极)工作^[10,15], 调制信号加在基极电极, 控制VCSEL光开关. 通过成熟的商业软件模拟可以大大缩短研发周期^[16,17], 但是利用PICS3D模拟VCSEL与HBT集成结构过程中, 会出现模型错误提示及计算不能自洽等问题, 为此本文提出加入过渡集电极, 使得模拟过程能够顺利进行.

图1为VCSELs与HBT集成结构示意图, VCSELs部分包括N型电极, 34对Al_0.12GaAs/Al_0.90GaAs下DBR, 3对In_0.06GaAs/Al_0.30GaAs量子阱有源区, 20 nm Al_0.98GaAs氧化层, 21对Al_0.12GaAs/Al_0.90GaAs上DBR; HBT部分包括P型InGaP发射区, 重掺杂N型GaAs基区和P型GaAs集电区. 过渡集电极的设置是为了PICS3D软件模拟能够顺利进行, N型电极、发射极、基极和过渡集电极分别记作电极1、电极2、电极3和电极4.
图 1 VCSELs与HBT集成结构示意图
Figure1. Schematic diagram of integration of VCSELs and HBT.

HBT的电流增益可表示为^[5]

$\beta = \frac{{{D_{\rm{B}}}{N_{\rm{E}}}{L_{\rm{E}}}}}{{{D_{\rm{E}}}{N_{\rm{B}}}{W_{\rm{B}}}}}\exp \left( {\frac{{\Delta {E_{\rm{g}}}}}{{{k_{\rm{B}}}T}}} \right)\left( {1 - \frac{{W_{\rm{B}}^2}}{{L_{\rm{B}}^2}}} \right),$

其中${D_{\rm{B}}}$和${D_{\rm{E}}}$分别为基极和发射极少数载流子扩散系数, ${N_{\rm{E}}}$和${N_{\rm{B}}}$分别为发射区和基区的杂质浓度, ${L_{\rm{E}}}$为发射区少数载流子扩散长度, ${W_{\rm{B}}}$为基区宽度, $\Delta {E_{\rm{g}}}$为带隙差, ${k_{\rm{B}}}$为玻尔兹曼常数, ${L_{\rm{B}}}$为基区少数载流子扩散长度.
对于VCSELs器件, 耗散功率可表示为^[18]

${P_{\rm{D}}} = I_{{\rm{th}}}^2 \cdot {R_{\rm{s}}} + I \cdot {V_{\rm{d}}},$

其中${I_{{\rm{th}}}}$为阈值电流, ${R_{\rm{s}}}$为串联电阻, ${V_{\rm{d}}}$为开启电压.
温升可表示为

$\Delta T = {P_{\rm{D}}} \cdot {Z_{\rm{T}}},$

其中${Z_{\rm{T}}}$为等效热阻.
阈值电流和微分效率随温度的变化可表示为

${I_{{\rm{th}}}} = {I_{{\rm{th0}}}}{{\rm{e}}^{{T /{{T_0}}}}},$

${\eta _{\rm{d}}} = {\eta _{{\rm{d0}}}}{{\rm{e}}^{{{{\rm{ - }}T} / {{T_\eta }}}}}.$

输出功率可表示为

${P_0} = {\eta _{\rm{d}}}\frac{{h\nu }}{q}\left( {I - {I_{{\rm{th}}}}} \right).$

所以对VCSELs与HBT集成结构, 输出功率可表示为

${P_0} = {\eta _{\rm{d}}}\frac{{h\nu }}{q}\!\left\{\!{\frac{{{D_{\rm{B}}}{N_{\rm{E}}}{L_{\rm{E}}}}}{{{D_{\rm{E}}}{N_{\rm{B}}}{W_{\rm{B}}}}}\exp \left(\!{\frac{{\Delta {E_{\rm{g}}}}}{{{k_{\rm{B}}}T}}}\!\right)\left[\!{1\! -\! \frac{{W_{\rm{B}}^2}}{{L_{\rm{B}}^2}}} \right]{I_{\rm{B}}} \!-\! {I_{{\rm{th}}}}}\!\right\}.$

由(7)式可以看出, 基极电流对输出光功率的调制率与HBT的电流增益成正比, 同时由于阈值电流和微分效率随温度变化, 使得调制率随基极电流的增大而减小. 集成结构的调制响应传递函数可表示为^[5,19]

$\begin{split} H\left( f \right) =\; & \left| A \cdot \frac{{{\beta _0}}}{{1 + {\rm{j}}f{\beta _0}{r_{\rm{e}}}\left( {{C_{{\rm{in}}}} + {C_{{\rm{BC}}}}} \right)}}\right. \\ & \times \frac{{f_{\rm{r}}^2}}{{f_{\rm{r}}^2 - {f^2} + {\rm{j}}\left[ {{f / {(2{\text{π}})}}} \right]\gamma }} \\ &\times \left.\frac{1}{{1 + {\rm{j}}\left( {{f / {{f_{\rm{p}}}}}} \right)}} \right|^2, \end{split}$

其中${\beta _0}$为HBT的直流电流增益, ${r_{\rm{e}}}$为发射极电阻, ${C_{{\rm{in}}}}$为输入电容, ${C_{{\rm{BC}}}}$为基极和集电极间电容, ${f_{\rm{r}}}$为弛豫振荡频率, $\gamma $为阻尼系数, ${f_{\rm{p}}}$为寄生极点频率. 等式右边第1项为HBT的交流增益, 第2项为VCSEL的本征响应, 第3项表达了VCSEL的寄生效应.

首先利用TFCal软件模拟了加入HBT对上DBR反射率的影响(图2). 设置光从量子阱有源区入射, 从上表面出射, 在激射波长850 nm处上DBR的反射率为99.72%, 加入HBT会对DBR最上层的相位产生影响^[19,20], 加入HBT后反射率为99.57%, 所以加入HBT对上DBR的在激射波长处的反射率影响较小. 在小于850 nm时反射率下降较多, 因此实际结构中可以适当增大腔模波长, 避免反射率下降而影响器件性能.
图 2 不同结构DBR反射率
Figure2. Reflectivity of different DBRs.

图3为平衡态时的能带, 为了简化模型, 采用等效材料代替整个DBR, 所以DBR处的能带为水平直线. PICS3D软件模拟过程中需要满足一些自洽条件, 若直接在基极或N型电极加电压, 电流不能直接由发射极流到N型电极, 因此模拟过程中在旁边加入一个过渡集电极. 首先, 在过渡集电极和基极加电压让HBT导通, 电流从发射极流向过渡集电极, 且过渡集电极与N型电极的电压在VCSELs阈值电压以下. 图4(a)显示了HBT导通时集成结构的能带图, E-B结正偏导通, 空穴在基区的扩散长度远大于基区厚度, E-B结注入基区的空穴通过扩散进入B-C结, 由于B-C反偏, 空穴很快被扫入集电区, 过渡集电极与N型电极所加电压小于P-N结开启电压, VCSEL不能导通, 因此电流流向过渡集电极. 图4(b)显示了HBT导通时的集成结构内部电流分布, 从图4(b)可以看出电流由发射极经过基区、集电区和P-DBR流向过渡集电极. 电流会经过P-DBR是因为P-DBR掺杂较高, 电阻率较低.
图 3 平衡态时集成结构的能带
Figure3. Band diagram of integrated structure at equilibrium.

图 4 HBT处于放大状态时的(a)能带图, (b)集成结构内部电流分布
Figure4. Integrated structure when HBT is in an amplified state: (a) Band diagram; (b) current distribution.

逐渐增大过渡集电极和N型电极之间的电压, 同时开启光子密度与漂移-扩散耦合模型, 量子阱产生光增益, VCSELs达到激射条件. 图5(a)为集成结构导通时的能带结构, 同样E-B结正偏, B-C结反偏, 过渡集电极与N型电极所加电压大于VCSEL的开启电压. 图5(b)显示了导通时集成结构内部的电流分布, 从图5(b)可以看出, 电流从发射极经基区、集电区和VCSEL流向N型电极, 氧化孔径对电流有明显的限制作用. 图6显示了过渡集电极和N型电极电流随过渡集电极电压的变化(V₁ = –6 V). 随着过渡集电极电压增大, 其电流减小, N型电极电流增大, 在V₄ = –4.1 V, 即过渡集电极与N型电极的电压约1.9 V时, 过渡集电极电流为零, 此时可以移除过渡集电极, 而不影响集成结构的电光特性.
图 5 HBT和VCSEL同时导通时的集成结构　(a)能带图; (b)内部电流分布
Figure5. Integrated structure when both HBT and VCSELs were conducted: (a) Band diagram; (b) current distribution.

图 6 过渡集电极和N型电极电流随过渡集电极电压的变化
Figure6. Relations of interim collector currentwith voltage of interim collector.

保持过渡集电极电流为零, 进一步模拟了N型电极电流和输出光功率随电压的变化. 图7为不同基极电流下N型电极的电流随电压的变化, 电流增益约为400. 当基极电流为22 μA时, N型电极电流约为9 mA. 图8为不同基极电流下输出光功率随N型电极所加电压的变化, 当基极电流为22 μA时, 输出光功率超过4 mW, 基极电流对输出光功率的最大调制率达280 mW/mA. 模型中加入了热模型, 热源包括焦耳热、光吸收、非辐射复合和Thomson热. 图9(a)显示了基极电流为10 μA时器件内部的温度分布, 量子阱有源区处最高温度达386 ℃. 图9(b)显示了有源区最高温度和输出光功率随基极电流的变化. 从图9(b)可以看出, 随着基极电流的增大, 有源区最高温度增加, 输出光功率先增大后趋于饱和, 一方面随着温度的升高量子阱对载流子的限制作用减小, 另一方面增益-腔模失配增大, 阈值电流增大, 微分效率减小, 导致输出光功率降低.
图 7 不同基极电流下N型电极电流随电压的变化
Figure7. I₁ varying with V₁ at different base currents.

图 8 不同基极电流下输出光功率随N型电极电压的变化
Figure8. Output power varying with V₁ at different base currents.

图 9 (a)基极电流为10 μA时器件内部温度分布; (b)有源区温度和输出光功率随基极电流的变化(V₁ = –6 V)
Figure9. (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).

本文利用PICS3D模拟了集成结构的交流光增益特性. 图10显示了基极电流为10 μA时交流光增益的模拟结果, 从图10可以看出其截至频率超过1 GHz. 单独模拟VCSEL得到其调制响应的–3 dB带宽为25 GHz, 由(8)式可知加入HBT限制了集成结构的调制速率, 需进一步优化HBT结构参数和几何尺寸来提高调制速率.
图 10 集成结构的交流光增益
Figure10. The ac power gain of integration structure.

本文设计和建立了VCSELs与InGaP/GaAs HBT集成结构模型, 利用PICS3D软件模拟了集成结构的光电特性, 模拟过程中加入过渡集电极, 通过先开启HBT, 再改变过渡集电极与N型电极之间的电压使VCSELs导通, 之后保持过渡集电极电流为零. 模拟结果表明, 集成结构的电流增益达到400, 基极电流对输出光功率的最大调制率达到280 mW/mA. 当基极电流为22 μA时, 输出光功率超过4 mW. 由交流光增益的模拟结果可知截至频率超过1 GHz. 本文建立的集成结构和模拟方法还可用于LED, LD和DFB等发光器件与HBT的集成, 对光电集成具有一定的指导作用.