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垂直腔面发射激光器与异质结双极型晶体管集成结构的设计和模拟

周广正 李颖 兰天 代京京 王聪聪 王智勇

垂直腔面发射激光器与异质结双极型晶体管集成结构的设计和模拟

周广正, 李颖, 兰天, 代京京, 王聪聪, 王智勇
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  • 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.
      通信作者: 王智勇, zywang_bjut@126.com
    [1]

    张星, 张奕, 张建伟, 张建, 钟础宇, 黄佑文, 宁永强, 顾思洪, 王立军 2016 物理学报 65 134204

    Zhang X, Zhang Y, Zhang J W, Zhang J, Zhong C Y, Huang Y W, Ning Y Q, Gu S H, Wang L J 2016 Acta Phys. Sin. 65 134204

    [2]

    郝永芹, 冯源, 王菲, 晏长岭, 赵英杰, 王晓华, 王玉霞, 姜会林, 高欣, 薄报学 2011 物理学报 60 064201

    Hao Y Q, Feng Y, Wang F, Yan C L, Zhao Y J, Wang X H, Wang Y X, Jiang H L, Gao X, Bao B X 2011 Acta Phys. Sin. 60 064201

    [3]

    彭红玲, 韩勤, 杨晓红, 牛智川 2006 物理学报 56 863

    Peng H L, Han Q, Yang X H, Niu Z C 2006 Acta Phys. Sin. 56 863

    [4]

    杨威, 刘训春, 朱旻, 王润梅, 申华军 2006 半导体学报 27 1603

    Yang W, Liu X C, Zhu M, Wang R M, Shen H J 2006 Chin. J. Semicond. 27 1603

    [5]

    Mishra U K, Singh J 2008 Semiconductor Device Physics and Design (Dordrecht: Springer) p246

    [6]

    Liu X, Yuan J S, Liou J J 2008 Microelectron. Reliab. 48 1212

    [7]

    Zhou P, Cheng J L, Zolper J C, Lear K L, Chalmers S A, Vawter G A, Leibenguth R E, Adams A C 1993 IEEE Photonic. Tech. L. 5 1035

    [8]

    Berger P R, Dutta N K, Sivco D L, Cho A Y 1991 Appl. Phys. Lett. 59 2826

    [9]

    Feng M, Qiu J Y, Holonyak N 2018 IEEE J. Quantum Elect. 54 2000514

    [10]

    Shi W, Faraji B, Greenberg M, Berggren J, Xiang Y, Hammar M, Lestrade M, Li Z Q, Li Z M S, Chrostowski L 2011 Opt. Quant. Electron. 42 659

    [11]

    Xiang Y, Hedlund C R, Yu X, Yang C, Zabel T, Hammar M, Akram M N 2015 J Opt. Soc. Am. 23 15680

    [12]

    Kuchta D M, Rylyakov A V, Doany F E, Schow C L, Proesel J, Baks C W, Westbergh P, Gustavsson J S, Larsson A 2015 IEEE Photonic Tech. L. 27 577

    [13]

    Kishi T, Nagatani M, Kanazawa S, Kobayashi W, Nosaka H 2017 J. Lightwave Technol. 35 75

    [14]

    Rylyakov A V, Larsson A, Baks C W, Schow C L, Kuchta D M, Gustavsson J S, Proesel J E, Westbergh P 2015 J. Lightwave Technol. 33 802

    [15]

    Han W T, Feng M, Holonyak N, Han W T, Holonyak N 2013 Proc. IEEE 101 2271

    [16]

    Dems M, Beling P, Gębski M, Piskorski L, Czyszanowski T 2015 Proc. SPIE 9381 98310K-1

    [17]

    Hui L, Jia X 2018 Opt. Commun. 415 1

    [18]

    Coldren L A, Corzine S W, Milan L M 2012 Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits (2nd Ed.) (Hoboken: John Wiley & Sons) p80

    [19]

    Westbergh P, Gustavsson J S, Kögel B, Haglund A, Larsson A 2011 IEEE J. Sel. Top. Quant. 17 1603

    [20]

    Larisch G, Moser P, Lott J A, Bimberg D 2016 IEEE Photonic Technol. L. 28 2327

  • 图 1  VCSELs与HBT集成结构示意图

    Fig. 1.  Schematic diagram of integration of VCSELs and HBT.

    图 2  不同结构DBR反射率

    Fig. 2.  Reflectivity of different DBRs.

    图 3  平衡态时集成结构的能带

    Fig. 3.  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

    Fig. 4.  Integrated structure when HBT is in an amplified state: (a) Band diagram; (b) current distribution.

    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

    Fig. 5.  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

    Fig. 6.  Relations of interim collector currentwith voltage of interim collector.

    图 7  不同基极电流下N型电极电流随电压的变化

    Fig. 7.  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

    Fig. 8.  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)

    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).

    图 10  集成结构的交流光增益

    Fig. 10.  The ac power gain of integration structure.

  • [1]

    张星, 张奕, 张建伟, 张建, 钟础宇, 黄佑文, 宁永强, 顾思洪, 王立军 2016 物理学报 65 134204

    Zhang X, Zhang Y, Zhang J W, Zhang J, Zhong C Y, Huang Y W, Ning Y Q, Gu S H, Wang L J 2016 Acta Phys. Sin. 65 134204

    [2]

    郝永芹, 冯源, 王菲, 晏长岭, 赵英杰, 王晓华, 王玉霞, 姜会林, 高欣, 薄报学 2011 物理学报 60 064201

    Hao Y Q, Feng Y, Wang F, Yan C L, Zhao Y J, Wang X H, Wang Y X, Jiang H L, Gao X, Bao B X 2011 Acta Phys. Sin. 60 064201

    [3]

    彭红玲, 韩勤, 杨晓红, 牛智川 2006 物理学报 56 863

    Peng H L, Han Q, Yang X H, Niu Z C 2006 Acta Phys. Sin. 56 863

    [4]

    杨威, 刘训春, 朱旻, 王润梅, 申华军 2006 半导体学报 27 1603

    Yang W, Liu X C, Zhu M, Wang R M, Shen H J 2006 Chin. J. Semicond. 27 1603

    [5]

    Mishra U K, Singh J 2008 Semiconductor Device Physics and Design (Dordrecht: Springer) p246

    [6]

    Liu X, Yuan J S, Liou J J 2008 Microelectron. Reliab. 48 1212

    [7]

    Zhou P, Cheng J L, Zolper J C, Lear K L, Chalmers S A, Vawter G A, Leibenguth R E, Adams A C 1993 IEEE Photonic. Tech. L. 5 1035

    [8]

    Berger P R, Dutta N K, Sivco D L, Cho A Y 1991 Appl. Phys. Lett. 59 2826

    [9]

    Feng M, Qiu J Y, Holonyak N 2018 IEEE J. Quantum Elect. 54 2000514

    [10]

    Shi W, Faraji B, Greenberg M, Berggren J, Xiang Y, Hammar M, Lestrade M, Li Z Q, Li Z M S, Chrostowski L 2011 Opt. Quant. Electron. 42 659

    [11]

    Xiang Y, Hedlund C R, Yu X, Yang C, Zabel T, Hammar M, Akram M N 2015 J Opt. Soc. Am. 23 15680

    [12]

    Kuchta D M, Rylyakov A V, Doany F E, Schow C L, Proesel J, Baks C W, Westbergh P, Gustavsson J S, Larsson A 2015 IEEE Photonic Tech. L. 27 577

    [13]

    Kishi T, Nagatani M, Kanazawa S, Kobayashi W, Nosaka H 2017 J. Lightwave Technol. 35 75

    [14]

    Rylyakov A V, Larsson A, Baks C W, Schow C L, Kuchta D M, Gustavsson J S, Proesel J E, Westbergh P 2015 J. Lightwave Technol. 33 802

    [15]

    Han W T, Feng M, Holonyak N, Han W T, Holonyak N 2013 Proc. IEEE 101 2271

    [16]

    Dems M, Beling P, Gębski M, Piskorski L, Czyszanowski T 2015 Proc. SPIE 9381 98310K-1

    [17]

    Hui L, Jia X 2018 Opt. Commun. 415 1

    [18]

    Coldren L A, Corzine S W, Milan L M 2012 Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits (2nd Ed.) (Hoboken: John Wiley & Sons) p80

    [19]

    Westbergh P, Gustavsson J S, Kögel B, Haglund A, Larsson A 2011 IEEE J. Sel. Top. Quant. 17 1603

    [20]

    Larisch G, Moser P, Lott J A, Bimberg D 2016 IEEE Photonic Technol. L. 28 2327

  • [1] 邓伟, 夏光琼, 吴正茂. 基于双光反馈垂直腔面发射激光器的双信道混沌同步通信. 物理学报, 2013, 62(16): 164209. doi: 10.7498/aps.62.164209
    [2] 赵红东, 宋殿友, 张智峰, 孙 静, 孙 梅, 武 一, 温幸饶. n型DBR中电势对垂直腔面发射激光器阈值的影响. 物理学报, 2004, 53(11): 3744-3747. doi: 10.7498/aps.53.3744
    [3] 刘发, 徐晨, 赵振波, 周康, 解意洋, 毛明明, 魏思民, 曹田, 沈光地. 氧化孔形状对光子晶体垂直腔面发射激光器模式的影响. 物理学报, 2012, 61(5): 054203. doi: 10.7498/aps.61.054203
    [4] 关宝璐, 郭霞, 张敬兰, 任秀娟, 郭帅, 李硕, 揣东旭, 沈光地. 双波长垂直腔面发射激光器及特性研究. 物理学报, 2011, 60(1): 014209. doi: 10.7498/aps.60.014209
    [5] 王宝强, 徐晨, 刘英明, 解意洋, 刘发, 赵振波, 周康, 沈光地. 光子晶体垂直腔面发射激光器的电流分布研究. 物理学报, 2010, 59(12): 8542-8547. doi: 10.7498/aps.59.8542
    [6] 刘安金, 邢名欣, 渠红伟, 陈微, 周文君, 郑婉华. 光子晶体波导对垂直腔面发射激光器光束远场形貌的调控. 物理学报, 2010, 59(2): 1035-1039. doi: 10.7498/aps.59.1035
    [7] 王同喜, 关宝璐, 郭霞, 沈光地. 载流子输运和寄生参数对隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器调制特性的影响. 物理学报, 2009, 58(3): 1694-1699. doi: 10.7498/aps.58.1694
    [8] 赵红东, 康志龙, 王胜利, 陈国鹰, 张以谟. 高速调制响应垂直腔面发射激光器中的微腔效应. 物理学报, 2003, 52(1): 77-80. doi: 10.7498/aps.52.77
    [9] 彭红玲, 韩 勤, 杨晓红, 牛智川. 1.3μm量子点垂直腔面发射激光器高频响应的优化设计. 物理学报, 2007, 56(2): 863-870. doi: 10.7498/aps.56.863
    [10] 杨 浩, 郭 霞, 关宝璐, 王同喜, 沈光地. 注入电流对垂直腔面发射激光器横模特性的影响. 物理学报, 2008, 57(5): 2959-2965. doi: 10.7498/aps.57.2959
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    [12] 毛明明, 徐晨, 魏思民, 解意洋, 刘久澄, 许坤. 质子注入能量对垂直腔面发射激光器的阈值和功率的影响. 物理学报, 2012, 61(21): 214207. doi: 10.7498/aps.61.214207
    [13] 关宝璐, 刘欣, 江孝伟, 刘储, 徐晨. 多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性. 物理学报, 2015, 64(16): 164203. doi: 10.7498/aps.64.164203
    [14] 周广正, 尧舜, 于洪岩, 吕朝晨, 王青, 周天宝, 李颖, 兰天, 夏宇, 郎陆广, 程立文, 董国亮, 康联鸿, 王智勇. 高速850 nm垂直腔面发射激光器的优化设计与外延生长. 物理学报, 2018, 67(10): 104205. doi: 10.7498/aps.67.20172550
    [15] 张浩, 郭星星, 项水英. 基于单向注入垂直腔面发射激光器系统的密钥分发. 物理学报, 2018, 67(20): 204202. doi: 10.7498/aps.67.20181038
    [16] 于洪岩, 尧舜, 张红梅, 王青, 张杨, 周广正, 吕朝晨, 程立文, 郎陆广, 夏宇, 周天宝, 康联鸿, 王智勇, 董国亮. 940 nm垂直腔面发射激光器的设计及制备. 物理学报, 2019, 68(6): 064207. doi: 10.7498/aps.68.20181822
    [17] 王志鹏, 张峰, 杨嘉炜, 李鹏涛, 关宝璐. 表面液晶-垂直腔面发射激光器阵列的热特性. 物理学报, 2020, 69(6): 064203. doi: 10.7498/aps.69.20191793
    [18] 刘庆喜, 潘炜, 张力月, 李念强, 阎娟. 基于外光注入互耦合垂直腔面发射激光器的混沌随机特性研究. 物理学报, 2015, 64(2): 024209. doi: 10.7498/aps.64.024209
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    [20] 姚晓洁, 唐曦, 吴正茂, 夏光琼. 基于两正交互耦1550 nm垂直腔面发射激光器获取多路随机数. 物理学报, 2018, 67(2): 024204. doi: 10.7498/aps.67.20171902
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-11
  • 修回日期:  2019-06-15
  • 上网日期:  2019-10-01
  • 刊出日期:  2019-10-20

垂直腔面发射激光器与异质结双极型晶体管集成结构的设计和模拟

  • 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
  • 通信作者: 王智勇, zywang_bjut@126.com

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.

English Abstract

    • 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Al0.12GaAs/Al0.90GaAs下DBR, 3对In0.06GaAs/Al0.30GaAs量子阱有源区, 20 nm Al0.98GaAs氧化层, 21对Al0.12GaAs/Al0.90GaAs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

      Figure 1.  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}}}$${D_{\rm{E}}}$分别为基极和发射极少数载流子扩散系数, ${N_{\rm{E}}}$${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

      Figure 2.  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

      Figure 3.  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

      Figure 4.  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

      Figure 5.  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

      Figure 6.  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

      Figure 7.  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

      Figure 8.  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)

      Figure 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).

      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

      Figure 10.  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.

参考文献 (20)

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