半导体光电子激光器技术的发展.doc

半导体光电子激光器技术的发展第lO卷第8期2008年8月电子元器件主用ElectronicComponent&DeviceApplicationsVo1.1ONo.8Aug.2008半导体光电子激光器技术的发展程开富(中国电子科技集团公司第四十四研究所,重庆400060)摘要:分析了通信用光电子器件的分类,介绍了半导体光电子激光器件的发展背景和工诈原理,同时分析了半导体光电子激光器件的技术重点以及市场前景.关键词:通信;光电子器件;半导体;晶体管激光器.0引言光电子器件的技术创新一直在光通信产业的发展中起着非常重要的作用,同时,光通信产业的快速发展也为光电子器件带来了巨大的发展空间.鉴于光电子器件在电信领域的重要地位,世界各国都把发展光电子器件放在显着位置.为此,本文分析了半导体光电子激光器件的工作原理和技术要点.1光通信用晶体管激光器的提出光通信用电子器件品种繁多,而且新器件层出不穷.就目前来说,新推出的半导体光电子器件主要有:垂直腔面发射激光器(VCESL),量子阱激光器(QWL),可调谐激光器,光纤拉曼放大器(FRA),掺铒光纤激光器,波分复用器,波分复用器,光开关和不断推出的光电子集成器件等.而在这些光通信用电子器件中,晶体管激光器无疑是其中最主要的半导体通信器件之一.能够同时生成光信号和电信号的超高速晶体管无疑将为计算机业界开辟新的疆域.事实上,一旦计算机用光而不是用电来处理数据时,它将具有种种神奇功能,宇宙的神秘面纱也将随之揭开,计算功能和带宽没有限制的黄金时代也将迎来技术乌托邦.暂且不说到底需不需要全光处理器,而目前光学计算技术至少没有最基本的计算元件光子晶体管.当1947年JohnBardeen和WalterH.Brattain把收稿日期:2007092678电子元器件盔用2008.8wff)w.ecdcn两条晶体管触须线粘在锗基极上,演示了从发射极到集电极的信号功率放大功能后.晶体管这个小小器件造就了美国年产值3000亿美元的半导体行业,同时也造就了我们的数字化生活方式.这种生活方式包括了我们常用的移动电话和个人电脑,数码相机和MP3播放器,医疗成像系统和机顶盒,超级计算机和互联网,不一而足.最近几十年,晶体管给人们带来了许多东西.现在它又为我们带来了光,随之而来的还有大大加快电信网络宽带通信速度这一希望.而这一希望有可能出现在十年之内.2晶体管激光器的工作原理为了解释为什么晶体管激光器非常适合发射电信号和光信号,首先需要了解晶体管和光电子学的重要元件:基本发光二极管的工作方式.在半导体晶体里面,原子的排列导致出现一条条不同带状的密集能级.这些能带决定着晶体里面电子的能级.一般只有两条带很重要:一是价带valenceband1,它含有通常由电子占用的能级;第二就是在价带上面的那条导带(conductionband).如果价带的电子足够活跃.它就有可能跃迁到导带,这样就可以在电场的作用下随意加速,从而形成电流.价带顶部和导带底部之间的能量差就是所谓的带隙(bandgap1,能量波长通常由红外光直到可见光.通常而言,电子占用的是价带,但如果施加适量的热,光或者电压,它们就会跃迁到导带,从而留下一个空穴.这个空穴实际上是电子离开第10卷第8期20o8年8月鼹恭镱V01.10No.8Aug.2008品格后留下的空位.然而.这个电子一空穴对却是短暂的.电子会回落到阶带,与空穴复合.因为能量总是守恒的.伴随电子和空穴的这种复合而来的是能量释放.以发光二极管或者激光器为例,他们将释放出光子.该光子的能量与导带和价带的能量差即带隙能量相符.但除了能量外,电子还有动量.在硅和锗等非直接带隙材料里面.导带的最小能量和价带的最大能量将分别出现在电子动量不同值的时候.正因为如此,只有动量大小合适的源譬如晶格振动(即声子phonon1生成后,在这个过程中帮助动量守恒,导带里面的电子才会与价带里面的空穴复合,从而生成光子.这是一种概率很低的效应,瑕疵和发热声子也能够生成光子,但生成的光非常少.确实,从Bardeen和Brattain研制的原始器件发出来的光子为数极少.即使人们努力为之,这么一点光子恐怕也很难探测到.3晶体管激光器的技术突破晶体管激光器中使用的半导体复合材料.即砷化镓和磷化铟镓很容易生成光子.在这些材料(来自元素周期表的一V这一栏)中,价带的最大能量和导带的最小能量出现在电子动量相同值的时候.这些一V复合材料之所以被称为直接带隙材料,是因为被激励到导带上的电子很容易通过生成能量与带隙能量相符的光子f动量很小1,而回落到价带上.发射光子是每个发光二极管的核心机制.最简单的半导体二极管就是由两个终端子和一个结组成.这个结在两个端子之间,名为Pn结.Pn结把含有大量导带电子的区域fn型材料1同含有大量价带空穴的区域(on材料)分了开来.如果对n型区域施加负电压,电子就会通过结,流入到含有大量空穴的区域.电子与空穴复合后就可发射光信号.晶体管激光器的基本结构可以看成是被薄薄的连接层,也就是基极层分开来的两只背对背二极管.这种晶体管名为双极结晶体管fBJ1r),它是两个不同晶体管系列当中的一个,另一个是场效应晶体管.双极结晶体管直接来源于Bardeen和Brattain的点接触型晶体管,之所以这么命名,是因为主导电通道主要利用电子和空穴来传送主电流.它还与点接触型晶体管上面的三个端子f发射极,基极和集电极1使用同样的名称.BJT里面有两个Pn结:集电极一基极结和基极一发射极结.如果对基极一发射极结施加电压,从发射极注入的电子就会在基极上面扩散开来.由于基极的厚度很薄,以至于大部分电子都能够通过基极传到集电极,然后与p型基极里面的空穴复合.集电极一基极结通常工作在反向偏压下,以便收集电子,阻止空穴.偏压是在两个点之间施加的直流电压,可用于控制电路.如果on材料相对n型材料为正电荷,p-n结开始导电,就会出现正向偏压.在反向偏压下,p型材料相对n型材料为负电荷,因而其Pn结的导电并不明显.因为基极一集电极结工作在反向偏压下.故可以防止流入空穴,这样,来自发射极,通过基极的电子就会直接流入集电极,从而导致集电极处的电流是基极处电流的100倍以上.这几年来,伊利诺斯大学的MiltonFeng小组一直在开发超高速双极结晶体管,该器件由两个二极管区域组成.至少采用两种不同的半导体做成(这里是磷化铟和砷化铟镓),并且背对背放置.这种晶体管名为异质结双极晶体管fHBT),它的开关速度每秒可以达到7100亿次f即710GHz),创下了世界记录,击穿电压则超过1.7伏.半导体的雪崩击穿电压favalanchebreakdownfield)是指电场足够强,以至大量的电子和空穴脱离了半导体晶体的原子.而如果足够多的电荷载体脱离了原子,通过半导体的电流就会急剧上升,从而把半导体烧毁.之所以需要高击穿电场.是因为用这种材料制成的半导体器件能够在很小面积上承受比较高的电压,而这么高的电压加上强电流对器件来说意味着功率密度更高.在这种器件上.每平方厘米将有高达1万安的电流进入基极,而集电极输出的电流密度为每平方厘米100万安.每平方厘米1万安的基极电流密度比最先进的高速激光器所需的密度还要高出10倍到100倍,因为后者的电流密度不到每平方厘米1000安.其.2008.8电手元嚣件主用79第lO卷第8期2008年8月电子元嚣件盔用ElectronicComponent&DeviceApplicationsVo1.1ONo.8Aug.2008脉冲开关速度可能只有10GHz,要超过20GHz,其难度很大.因为Feng的HBT由直接带隙一V材料制成,这样具有破坏性的电流密度下.可能生成的是光而不是热.这些光会散发出去,消除复合中损失的能量.并不生成过多的热.事实证明,这个思路正中命题.2003年夏天,研究人员发现了能够往各方向发散的红外光.HBT既是电信号源,又是光信号源,都由基极电流驱动.称为三端口器件,该器件的发射极接地,基极作为一个输入端:反向偏压的集电极输出经过放大的电信号;而基极本身在电子和空穴复合后可输出光信号.光的发现仅仅是科研人员竭力研究实用器件工作过程中迈出的第一步.在通用性研究中采用组合略有不同的一V材料砷化铟和磷化铟镓,而不是Feng创记录的晶体管所用的磷化铟和砷化铟镓,原因是这些材料随处可得,加工起来比较容易,快速,而且成本较低.为了生成可以进行调制,以便传送信号的激光束,还必须改动晶体管的结构,以有利于光发射,并把它放大成激光束.二极管激光器采用的原理实际上与发光二极管一样,不过它需要另外几个特性.复合区的对立边缘必须能够反射,这样才能形成有助于促进复合,发射光子的谐振腔(resonantcavity),最终形成激光束.结附近的电子和空穴复合的活动区要做得比较小,以便集中并促进复合,这样,这个区就成了量子阱fquantumwel1).量子阱是非常平坦的区域,它几乎就是二维的.被束缚在其中这样一个薄层的电子和空穴具有量子力学的特性.它们的能级会受到某些值的制约,或者说被量子化了.这样,受制于这些值的电子和空穴就更有可能复合,从而发射频谱比较狭窄的光子.,由于HBT可以抽出部分增益.所以可以用部分增益来换取在基极区复合过程中增加生成的光.办法是把电子俘获在量子阱里面.在实验器件中,量子阱是一层厚度只有1O纳米的砷化铟镓.将其插入到HBT基极区后,量子阱就相当于特殊的复合中心,负责管理电荷从发射极流人到集电极.它能够在电子高速通过基极,从发射极传送到集电极时俘获部分电子.谁染在此过程中80电子元器件主硐2008.8M.ecdcacn增益减小了将近90%,但增强了电子和空穴在基极里面的复合.这种增强型复合方法的结果是从基极出来的定向光信号要强得多,此外,还能获得从集电极出来的互补性的电信号.为了把这部分光变成激光束,必须改动晶体管的边缘.也就是需要切割晶体,以便复合区的对立边缘能够反射,从而形成谐振腔.光子在反射边缘之间弹射,进而有助于发射更多光子,这些光子与复合区生成的其他光子同相.如果发光晶体管开始作为激光器以1006纳米的近红外光波长工作,那么,晶体里散射的杂散信号就会转变成强烈的定向信号,研究人员能够以每秒100亿次的速度开关这个相干激光束.激光开始生成的点称为激光阈值(1asingthreshold),该阈值取决于几个因素,包括电流和周围温度.两年前.实验当中只能在一73温度下使用发光晶体管.而最近的试验却可以在室温下使用这种器件.在实验中发现.激光阈值的电流会随着温度的变化而变化,电流在2O,25和28下分别为36mA,40mA和44mA这强烈表明:用不了多久.就可以研制出能在实际环境下工作的商品级晶体管激光器.4结束语虽然现在已经能够批量生产有望用于集成电路的晶体管激光器器件f已经可以用一片晶片生成100个这样的器件1,但还是存在许多问题,这些问题足以让研究人员在今后几年有得忙了.系统工程师必须弄清