基於量子阱結構的光開關器件的製作方法

2023-05-15 05:56:21

本發明屬於半導體技術領域，尤其涉及一種基於量子阱結構的光開關器件。

背景技術：

光電導開關是基於半導體材料的光電子器件，用光照射半電導材料，在其內部產生光生載流子，電阻率下降而使器件導通；無光照時，器件截止。光電導開關可用於電信號的高速採樣、開關以及毫米波和太赫茲波的產生和探測等方面。

常用的半導體光電導材料包括低溫生長的砷化鎵、硒化鎘、銦化磷、無定形矽等。常規的基於半導體材料的光電導開關，為了減小光開關的開關時間，常用低溫生長、摻雜、粒子束轟擊等技術在半導體內部產生缺陷，從而減小載流子的壽命。這些方法雖然可以減小光開關的開關時間，但同時也降低了光生載流子的遷移率，從而限制了器件的速度和頻帶寬度。

隨著光通信和半導體材料的發展，使用光通信波段半導體鎖模雷射器和光纖耦合的光電導開關器件得到發展，但開關比、速度和頻帶寬度仍然不理想，需要從半導體材料和器件結構方面進一步改進。

技術實現要素：

發明目的：針對以上問題，本發明提出一種基於量子阱結構的光開關器件。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所採用的技術方案是：一種基於量子阱結構的光開關器件，包括襯底，襯底上生長緩衝層，緩衝層上生長量子阱有源層；其中，量子阱有源層從上到下依次包括第一勢壘層、第一隔離層、第一溝道層、第二溝道層、第二隔離層和第二勢壘層。

第二溝道層為空穴阱或電子阱；第一溝道層和第二溝道層之間可分布有光吸收夾層。

量子阱有源層上表面設有共面波導電極，包括第一電極，第二電極，第三電極，第四電極，第五電極和第六電極；第三電極和第四電極為歐姆接觸，與第二溝道層連通，並與第一勢壘層、第一隔離層、第一溝道層通過絕緣層隔離；第一電極和第二電極可為叉指型電極結構。

光信號從器件上表面入射或器件下表面入射或同時從上、下表面入射；光信號是單波長光信號，是一個調製光信號；或者是含有多個光波長的光信號，每個光波長的幅度和相位都可以被調製；或者是用於控制的光脈衝和被調製的光信號的拍頻信號。

有益效果：與現有技術相比，本發明的量子阱有源區具有兩個導電溝道，因此在導電溝道中不存在光生電子-空穴之間的庫倫吸引而造成的載流子遷移率不高的問題，使第一溝道層中光生電子遷移率大大提高，同時空穴不參與第一溝道的導電，從而避免了空穴遷移率低的問題，進而消除了光生電子-空穴之間的庫倫吸引的影響，使第一溝道層中光生電子遷移率大大提高，同時也消除了空穴遷移率低的缺陷。本發明只有高遷移率的電子參與第一溝道信號的傳輸，從而可以提升光開關的速度和頻率特性。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的俯視圖；

圖2是本發明實施例1沿a方向的剖視圖；

圖3是本發明實施例1沿b方向的剖視圖；

圖4是光光混頻信號示意圖；

圖5是本發明實施例2的俯視圖；

圖6是本發明實施例3的俯視圖；

圖7是本發明實施例3沿a方向的剖視圖；

圖8是本發明實施例3沿b方向的剖視圖；

圖9是本發明實施例4的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。

實施例1

如圖1-3所示是本發明所述的基於量子阱結構的光開關器件，包括襯底1，襯底1上生長緩衝層2，緩衝層2上生長量子阱有源層。其中，量子阱有源層從上到下依次包括：第一勢壘層8、第一隔離層7、第一溝道層6、第二溝道層5、第二隔離層4、第二勢壘層3。第二溝道層5的禁帶寬度大於第一溝道層6的禁帶寬度。第一勢壘層8和第二勢壘層3為δ摻雜，其中，勢壘層8為n型重摻雜，勢壘層3為p型重摻雜。

量子阱有源層的上表面設置如圖1所示的電極結構，含有共面波導電極，包括第五電極17、第一電極9、第二電極10和第六電極18。第三電極11和第四電極12為歐姆接觸，並通過n型重摻雜與第二溝道層5連通，n型重摻雜區域如圖3中的13和14，並與第一勢壘層8、第一隔離層7、第一溝道層6通過絕緣層15、16隔離，絕緣層可以是氧化物、電介質或溝槽。

第一勢壘層8、第一隔離層7、第一溝道層6為n型，第二溝道層5為p型。在無光照信號時，由於第二勢壘層3電離受主的作用，第一溝道層6的電子被完全耗盡，使第一溝道層6保持關斷狀態，此時第二溝道層5導通。光信號由器件上表面入射或器件下表面入射或同時從上、下表面入射，使第一溝道6產生電子-空穴對，光信號的能量大於第一溝道層材料的禁帶寬度且小於第二溝道層材料的禁帶寬度。電子-空穴對在垂直電場的作用下迅速分離，光生電子處於第一溝道層中，導通信號；空穴在電場作用下運動至第二溝道層，第二溝道可為空穴阱，使光生空穴通過第二溝道層流出器件。

光信號可以是單波長光信號，單波長光信號是一個調製光信號；也可以是含有多個光波長的光信號，其中每個光波長的幅度和相位都可以被調製；也可以是用於控制的光脈衝和被調製的光信號的拍頻信號，例如光脈衝採樣光信號。

如圖4所示，光信號由若干光信號通過一個合光器件形成，比如說用於控制的光脈衝和被調製的光信號，但不限於此。

器件工作時可以外加電信號於量子阱有源層內側的電極9和電極10，光照下，信號由光生電子經第一溝道層6傳遞，光生空穴被限制在第二層溝道層，被電極11、12抽取，不影響電信號傳遞。

襯底1選用ⅲ-ⅴ族半導體材料，緩衝層2、第一勢壘層8、第一隔離層7、第一溝道層6、第二溝道層5、第二隔離層4、第二勢壘層3的材質均選用與襯底晶格常數相近ⅲ-ⅴ族半導體材料。

襯底1可選用但不限於inp等。緩衝層2可選用但不限於inxal(1-x)as等，0<x<1。第一勢壘層8可選用但不限於inxal(1-x)as等，0<x<1。第一隔離層7可選用但不限於inxal(1-x)as等，0<x<1。第一溝道層6可選用但不限於inxga(1-x)as等，0<x<1。第二溝道層5可選用但不限於gasbyas(1-y)等，0<y<1。第二隔離層4可選用但不限於gasbyas(1-y)等，0<y<1。第二勢壘層3可選用但不限於inxal(1-x)as等，0<x<1。

在一些實施例方案中，第一溝道層6和第二溝道層5之間還分布有插入層。插入層的材質可以選用但不限於inxga(1-x)sbyas(1-y)等，0<x<1，0<y<1。

實施例2

如圖5所示，共面波導電極9和10之間為叉指型電極結構，其它結構與實施例1相同。

實施例3

如圖6-8所示，共面波導電極9為肖特基電極結構，並通過絕緣層19、20與接地電極17、18隔離。

第一溝道層6為增強型，第一電極9不加電壓時，第一溝道層被夾斷。第二溝道層5為耗盡型，第一電極9不加電壓時導電溝道導通。第一溝道層和第二溝道層皆為n型半導體材料。工作時，第一電極9加電壓，所加電壓小於第一溝道層6的閾值電壓，使第一溝道層6保持關斷狀態，此時第二溝道層5已導通。光信號由器件上表面入射使第一溝道層產生電子-空穴對，光信號的能量大於第一溝道層材料的禁帶寬度且小於第二溝道層材料的禁帶寬度。電子-空穴對在第一電極9形成的垂直電場作用下迅速分離，電子處於第一溝道層6中導通，實現了電信號從第一電極9到第二電極10的傳遞。空穴在電場作用下向第二溝道層5漂移並與第二溝道層5中的電子複合並通過由第三電極11、第四電極12組成的外電路釋放光生空穴，使其不在第二溝道層累積，從而使光生空穴不影響第一溝道信號的傳輸。

該實施例中共面波導電極9和10之間也可以為叉指型電極結構。

實施例4

如圖9所示，在第一溝道層6和第二溝道層5之間分布有光吸收夾層21，第一溝道層6和第二溝道層5的禁帶寬度均大於光吸收層21的禁帶寬度，光信號的能量大於光吸收層21的禁帶寬度且小於第一溝道層6和第二溝道層5的禁帶寬度，光吸收層21可以是多層量子阱結構的光吸收層，亦可以是與目前單行載流子探測器具有相同的結構，例如光吸收層摻雜漸變等。器件其它結構可以與實施例1相同，亦可以與實施例2相同。