基于量子阱结构的光开关器件的制作方法

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种基于量子阱结构的光开关器件。

背景技术：

光电导开关是基于半导体材料的光电子器件，用光照射半电导材料，在其内部产生光生载流子，电阻率下降而使器件导通；无光照时，器件截止。光电导开关可用于电信号的高速采样、开关以及毫米波和太赫兹波的产生和探测等方面。

常用的半导体光电导材料包括低温生长的砷化镓、硒化镉、铟化磷、无定形硅等。常规的基于半导体材料的光电导开关，为了减小光开关的开关时间，常用低温生长、掺杂、粒子束轰击等技术在半导体内部产生缺陷，从而减小载流子的寿命。这些方法虽然可以减小光开关的开关时间，但同时也降低了光生载流子的迁移率，从而限制了器件的速度和频带宽度。

随着光通信和半导体材料的发展，使用光通信波段半导体锁模激光器和光纤耦合的光电导开关器件得到发展，但开关比、速度和频带宽度仍然不理想，需要从半导体材料和器件结构方面进一步改进。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于量子阱结构的光开关器件。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于量子阱结构的光开关器件，包括衬底，衬底上生长缓冲层，缓冲层上生长量子阱有源层；其中，量子阱有源层从上到下依次包括第一势垒层、第一隔离层、第一沟道层、第二沟道层、第二隔离层和第二势垒层。

第二沟道层为空穴阱或电子阱；第一沟道层和第二沟道层之间可分布有光吸收夹层。

量子阱有源层上表面设有共面波导电极，包括第一电极，第二电极，第三电极，第四电极，第五电极和第六电极；第三电极和第四电极为欧姆接触，与第二沟道层连通，并与第一势垒层、第一隔离层、第一沟道层通过绝缘层隔离；第一电极和第二电极可为叉指型电极结构。

光信号从器件上表面入射或器件下表面入射或同时从上、下表面入射；光信号是单波长光信号，是一个调制光信号；或者是含有多个光波长的光信号，每个光波长的幅度和相位都可以被调制；或者是用于控制的光脉冲和被调制的光信号的拍频信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明的量子阱有源区具有两个导电沟道，因此在导电沟道中不存在光生电子-空穴之间的库伦吸引而造成的载流子迁移率不高的问题，使第一沟道层中光生电子迁移率大大提高，同时空穴不参与第一沟道的导电，从而避免了空穴迁移率低的问题，进而消除了光生电子-空穴之间的库伦吸引的影响，使第一沟道层中光生电子迁移率大大提高，同时也消除了空穴迁移率低的缺陷。本发明只有高迁移率的电子参与第一沟道信号的传输，从而可以提升光开关的速度和频率特性。

附图说明

图1是本发明实施例1的俯视图；

图2是本发明实施例1沿a方向的剖视图；

图3是本发明实施例1沿b方向的剖视图；

图4是光光混频信号示意图；

图5是本发明实施例2的俯视图；

图6是本发明实施例3的俯视图；

图7是本发明实施例3沿a方向的剖视图；

图8是本发明实施例3沿b方向的剖视图；

图9是本发明实施例4的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

如图1-3所示是本发明所述的基于量子阱结构的光开关器件，包括衬底1，衬底1上生长缓冲层2，缓冲层2上生长量子阱有源层。其中，量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3。第二沟道层5的禁带宽度大于第一沟道层6的禁带宽度。第一势垒层8和第二势垒层3为δ掺杂，其中，势垒层8为n型重掺杂，势垒层3为p型重掺杂。

量子阱有源层的上表面设置如图1所示的电极结构，含有共面波导电极，包括第五电极17、第一电极9、第二电极10和第六电极18。第三电极11和第四电极12为欧姆接触，并通过n型重掺杂与第二沟道层5连通，n型重掺杂区域如图3中的13和14，并与第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6通过绝缘层15、16隔离，绝缘层可以是氧化物、电介质或沟槽。

第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6为n型，第二沟道层5为p型。在无光照信号时，由于第二势垒层3电离受主的作用，第一沟道层6的电子被完全耗尽，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5导通。光信号由器件上表面入射或器件下表面入射或同时从上、下表面入射，使第一沟道6产生电子-空穴对，光信号的能量大于第一沟道层材料的禁带宽度且小于第二沟道层材料的禁带宽度。电子-空穴对在垂直电场的作用下迅速分离，光生电子处于第一沟道层中，导通信号；空穴在电场作用下运动至第二沟道层，第二沟道可为空穴阱，使光生空穴通过第二沟道层流出器件。

光信号可以是单波长光信号，单波长光信号是一个调制光信号；也可以是含有多个光波长的光信号，其中每个光波长的幅度和相位都可以被调制；也可以是用于控制的光脉冲和被调制的光信号的拍频信号，例如光脉冲采样光信号。

如图4所示，光信号由若干光信号通过一个合光器件形成，比如说用于控制的光脉冲和被调制的光信号，但不限于此。

器件工作时可以外加电信号于量子阱有源层内侧的电极9和电极10，光照下，信号由光生电子经第一沟道层6传递，光生空穴被限制在第二层沟道层，被电极11、12抽取，不影响电信号传递。

衬底1选用ⅲ-ⅴ族半导体材料，缓冲层2、第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3的材质均选用与衬底晶格常数相近ⅲ-ⅴ族半导体材料。

衬底1可选用但不限于inp等。缓冲层2可选用但不限于inxal(1-x)as等，0<x<1。第一势垒层8可选用但不限于inxal(1-x)as等，0<x<1。第一隔离层7可选用但不限于inxal(1-x)as等，0<x<1。第一沟道层6可选用但不限于inxga(1-x)as等，0<x<1。第二沟道层5可选用但不限于gasbyas(1-y)等，0<y<1。第二隔离层4可选用但不限于gasbyas(1-y)等，0<y<1。第二势垒层3可选用但不限于inxal(1-x)as等，0<x<1。

在一些实施例方案中，第一沟道层6和第二沟道层5之间还分布有插入层。插入层的材质可以选用但不限于inxga(1-x)sbyas(1-y)等，0<x<1，0<y<1。

实施例2

如图5所示，共面波导电极9和10之间为叉指型电极结构，其它结构与实施例1相同。

实施例3

如图6-8所示，共面波导电极9为肖特基电极结构，并通过绝缘层19、20与接地电极17、18隔离。

第一沟道层6为增强型，第一电极9不加电压时，第一沟道层被夹断。第二沟道层5为耗尽型，第一电极9不加电压时导电沟道导通。第一沟道层和第二沟道层皆为n型半导体材料。工作时，第一电极9加电压，所加电压小于第一沟道层6的阈值电压，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5已导通。光信号由器件上表面入射使第一沟道层产生电子-空穴对，光信号的能量大于第一沟道层材料的禁带宽度且小于第二沟道层材料的禁带宽度。电子-空穴对在第一电极9形成的垂直电场作用下迅速分离，电子处于第一沟道层6中导通，实现了电信号从第一电极9到第二电极10的传递。空穴在电场作用下向第二沟道层5漂移并与第二沟道层5中的电子复合并通过由第三电极11、第四电极12组成的外电路释放光生空穴，使其不在第二沟道层累积，从而使光生空穴不影响第一沟道信号的传输。

该实施例中共面波导电极9和10之间也可以为叉指型电极结构。

实施例4

如图9所示，在第一沟道层6和第二沟道层5之间分布有光吸收夹层21，第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度均大于光吸收层21的禁带宽度，光信号的能量大于光吸收层21的禁带宽度且小于第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度，光吸收层21可以是多层量子阱结构的光吸收层，亦可以是与目前单行载流子探测器具有相同的结构，例如光吸收层掺杂渐变等。器件其它结构可以与实施例1相同，亦可以与实施例2相同。