包括具有非对称多能级的三耦合量子阱结构的光器件的制作方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月8日向韩国特许厅提交的韩国专利申请no.10-2016-0002768的优先权，通过引用将其公开内容整体合并于此。

符合示范性实施例的器件涉及包括三耦合量子阱结构的光器件，而且更具体地，涉及包括具有非对称多能级的三耦合量子阱结构的光器件，其中可以在维持高光吸收强度的同时减小三耦合量子阱结构的驱动电压。

背景技术：

三维(3d)相机可以测量到物体的表面上的多个点的距离。已经提出多种算法用于测量物体与3d相机之间的距离，而且飞行时间(tof)算法被广泛使用。根据tof算法，照明光被照射到物体，而且测量从物体反射的照明光被光接收单元接收所用的tof。可以通过测量照明光的相位延迟来获得照明光的tof，而且使用光调制器来测量相位延迟。

技术实现要素：

一个或多个示范性实施例提供包括具有非对称多能级的三耦合量子阱结构的光器件，其中可以在维持高光吸收强度的同时减小三耦合量子阱结构的驱动电压。

其他方面部分地将在以下说明书中阐述，而且部分地从说明书将是显然的，或者可以通过示范性实施例的实践习得。

根据一个示范性实施例的一个方面，提供一种光器件，包括有源层，该有源层包括两个外势垒和该两个外势垒之间的耦合量子阱。该耦合量子阱包括：第一量子阱层；第二量子阱层；第三量子阱层；第一耦合势垒，在第一量子阱层与第二量子阱层之间；以及第二耦合势垒，在第二量子阱层与第三量子阱层之间。第二量子阱层在第一量子阱层与第三量子阱层之间，第二量子阱层的能带隙小于第一量子阱层的能带隙，而且第三量子阱层的能带隙等于或小于第二量子阱层的能带隙。

例如，第三量子阱层的能带隙可以小于第二量子阱层的能带隙。

第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度可以小于第二量子阱层的厚度。

第一量子阱层的厚度可以等于第三量子阱层的厚度。

例如，第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度可以在大约1nm到大约2nm的范围中，而第二量子阱层的厚度可以在大约4nm到大约8nm的范围中。

第一耦合势垒的能带隙和第二耦合势垒的能带隙可以大于第一、第二、和第三量子阱层的能带隙，而且可以小于外势垒的能带隙。

第一耦合势垒的厚度可以允许电子和空穴隧穿通过第一耦合势垒，而且第二耦合势垒的厚度可以允许电子和空穴隧穿通过第二耦合势垒。

例如，第一耦合势垒的厚度和第二耦合势垒的厚度可以在大约1nm到大约3nm的范围中。

第一量子阱层可以包括alzga1–zas(0<z<1)，第二量子阱层可以包括gaas，第三量子阱层可以包括inxga1–xas(0≤x≤0.2)，第一和第二耦合势垒可以包括alyga1–yas(y<1)，而外势垒可以包括alxga1–xas(x≤1)，其中z<y<x。

第一、第二、和第三量子阱层可以包括inxga1–xas(0<x≤0.2)，第一和第二耦合势垒可以包括gaas，而外势垒可以包括gaasyp1–y和inyga1–yp(0.4≤y≤0.5)中的至少一个。

该光器件可以进一步包括衬底，其中第一、第二、和第三量子阱层中的每一个可以包括具有相对于该衬底的压缩应变的材料，而且外势垒可以包括具有相对于该衬底的拉伸应变的材料。

例如，第一量子阱层的组成比(x)的值可以小于第二量子阱层的组成比(x)的值和第三量子阱层的组成比(x)的值，而且第二量子阱层的组成比(x)的值和第三量子阱层的组成比(x)的值可以彼此相等。

第一量子阱层的组成比(x)的值可以小于第二量子阱层的组成比(x)的值，而且第二量子阱层的组成比(x)的值可以小于第三量子阱层的组成比(x)的值。

第一、第二、和第三量子阱层可以包括in1–xgaxas和in1–x–ygaxalyas中的至少一个，第一和第二耦合势垒可以包括in1–x'–y'gax'aly'as(x'<x，y<y')和in1–x'gax'aszp1–z(x'<x)中的至少一个，而外势垒可以包括in1–x”–y”gax”aly”as(x”<x'<x，y<y'<y”)和in1–x”gax”asz'p1–z'(x”<x'<x，z<z')中的至少一个，而且0<x,y,z<1。

该光器件可以进一步包括：下反射层，在该有源层下方，并且以第一导电类型掺杂；以及上反射层，在该有源层上方，并且以与第一导电类型电性相反的第二导电类型掺杂。

该光器件可以进一步包括至少一个微腔层，在该上反射层和该下反射层中的至少一个中，而且当该光器件的共振波长为λ时，该有源层的光学厚度和该至少一个微腔层的光学厚度可以各自为λ/2的整数倍。

该光器件可以包括反射光调制器，而且该下反射层的反射率可以大于该上反射层的反射率。

例如，该光器件可以包括透射光调制器，而且该下反射层的反射率可以等于该上反射层的反射率。

例如，该有源层可以包括第一有源层和第二有源层。

该光器件可以进一步包括：下反射层，在第一有源层下方，并且以第一导电类型掺杂；中间反射层，在第一有源层与第二有源层之间，并且以与第一导电类型电性相反的第二导电类型掺杂；以及上反射层，在第二有源层上方，并且以第一导电类型掺杂。

第一有源层的耦合量子阱的第二量子阱层的厚度可以不同于第二有源层的耦合量子阱的第二量子阱层的厚度。

在第一有源层中第三量子阱层的能带隙可以等于第二量子阱层的能带隙，而且在第二有源层中第三量子阱层的能带隙可以小于第二量子阱层的能带隙。

第一量子阱层的带隙可以在大约1.5ev到大约1.2ev的范围中，第二量子阱层的带隙可以在大约1.3ev到大约1.1ev的范围中，而第三量子阱层的带隙可以为大约1.3ev或更小。

根据另一示范性实施例的一个方面，提供一种光器件，包括有源层，该有源层包括两个外势垒和该两个外势垒之间的耦合量子阱。该耦合量子阱包括：第一量子阱层；第二量子阱层；第三量子阱层；第一耦合势垒，在第一量子阱层与第二量子阱层之间；以及第二耦合势垒，在第二量子阱层与第三量子阱层之间。第一耦合势垒的能带隙和第二耦合势垒的能带隙大于第一、第二、和第三量子阱层的能带隙，而且小于外势垒的能带隙。第一量子阱层具有第一能带隙，第二量子阱层具有小于第一能带隙的第二能带隙，而第三量子阱层具有小于第一能带隙的第三能带隙。

第三量子阱层的第三能带隙可以小于第二能带隙。

根据另一示范性实施例的一个方面，提供一种光器件，包括有源层，该有源层包括第一外势垒、第二外势垒、以及第一外势垒和第二外势垒之间的三耦合量子阱。该三耦合量子阱包括第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层、第一量子阱层与第二量子阱层之间的第一耦合势垒、以及第二量子阱层与第三量子阱层之间的第二耦合势垒。第二量子阱层在第一量子阱层与第三量子阱层之间。第二量子阱层的能带隙小于第一量子阱层的能带隙，而且第三量子阱层的能带隙等于或小于第二量子阱层的能带隙。第一量子阱层的厚度和第三量子阱层的厚度小于第二量子阱层的厚度。

附图说明

通过参照附图描述特定示范性实施例，上述和/或其他方面将变得更加明显，其中：

图1是根据一个示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的有源层的示意性能带图；

图2a、2b、和2c是分别示出相对于施加到图1所示的有源层的电压的电子的波函数和空穴的波函数的改变的曲线图；

图3示出根据比较示例的有源层的能带图中的导带；

图4是示出根据图3所示的比较示例的有源层中的电子的波函数和空穴的波函数的曲线图；

图5是根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的有源层的示意性能带图；

图6a、6b、和6c是分别示出相对于施加到图5所示的有源层的电压的电子的波函数和空穴的波函数的改变的曲线图；

图7a、7b、和7c是分别示出根据比较示例的有源层中和图1和5所示的有源层中的吸收谱的曲线图；

图8是示出根据比较示例的有源层中和图1和5所示的有源层中的吸收系数和驱动电压的曲线图；

图9是示出根据比较示例的有源层中相对于施加的电压的吸收峰的改变、和图1和5所示的有源层中相对于施加的电压的吸收峰的改变的曲线图；

图10示意性地示出根据一个示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的反射光调制器；

图11示意性地示出根据一个示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器；

图12示意性地示出根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器；

图13示意性地示出根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器；

图14a、14b、和14c是分别示出当图13所示的光调制器使用根据比较示例的有源层时以及当图13所示的光调制器使用图1和5所示的有源层时的透射特性的曲线图；以及

图15示意性地示出根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述特定示范性实施例，其中相同的引用数字始终指代相同的元件。示范性实施例可以具有不同的形式，而且不应当被解读为限于这里阐述的描述。因此，下面参照附图仅仅描述实施例以说明各个方面。诸如“的至少一个”的表达当跟随元素的列表时修饰元素的整个列表而不修饰列表的单独元素。

下面，将参照附图详细描述包括具有非对称多能级的三耦合量子阱结构的光器件。全部附图中，相同的引用数字指代相同的元件，而且为清楚和便于描述起见，可以夸大每个元素的尺寸。以下实施例仅仅是示例，表达“之上”或“上”可以不仅包括直接的上/下/左/右，还包括非接触方式的上/下/左/右。

图1是根据一个示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的有源层的示意性能带图。具体地，图1是当不向有源层施加电压或电场时有源层的能带图。

参照图1，根据示范性实施例的有源层可以包括两个外势垒和两个外势垒之间的三耦合量子阱qw。虽然为便于说明起见图1示出两个外势垒和一个三耦合量子阱qw，但是有源层中可以包括任何数量的外势垒和三耦合量子阱。

三耦合量子阱qw可以包括第一量子阱层qw1、第一耦合势垒cb1、第二量子阱层qw2、第二耦合势垒cb2、和第三量子阱层qw3，它们按此次序排列。在三耦合量子阱结构中，第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3通过第一和第二耦合势垒cb1和cb2彼此耦合。

为了耦合置于两个外势垒之间的第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3，第一和第二耦合势垒cb1和cb2可以具有比外势垒更小的厚度和更低的能级，如图1所示。例如，在图1的能带图的上部所示的导带中，第一和第二耦合势垒cb1和cb2的能级高于地电平(或第一电子e1的能级)，并且低于第一外势垒的能级。

类似地，在图1的能带图的下部所示的价带中，第一和第二耦合势垒cb1和cb2的能级高于地电平(或第一重空穴hh1的能级)，并且低于第一外势垒的能级。第一和第二耦合势垒cb1和cb2的能级高于第二重空穴hh2的能级、以及第一轻空穴lh1的能级。第一和第二耦合势垒cb1和cb2被形成为具有足够小的厚度以允许电子和空穴隧穿通过。例如第一耦合势垒cb1的厚度d2和第二耦合势垒cb2的厚度d4可以等于或小于第一量子阱层qw1的厚度d1和第三量子阱层qw3的厚度d5。例如，第一和第二耦合势垒cb1和cb2的厚度d2和d4可以为大约1nm到大约3nm。

通常，当空穴的波函数和电子的波函数很大程度重叠时，作为电子和空穴对的激发子的产生增加，这增加光器件的光吸收强度。根据示范性实施例，第二量子阱层qw2被形成为具有最大厚度以增加留在第二量子阱层qw2中的电子和空穴的波函数的部分，从而增加电子的波函数和空穴的波函数的重叠。因而，可以提高光器件的光吸收强度。换句话说，置于相反两端的第一和第三量子阱层qw1和qw3的厚度d1和d5可以小于置于第一和第三量子阱层qw1和qw3之间的第二量子阱层qw2的厚度d3。

另一方面，当第一和第三量子阱层qw1和qw3的厚度d1和d5过于小时，驱动电压可能增加而且在制造过程中可能需要精密工艺控制。考虑到此，可以确定第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的厚度d1、d3、和d5。例如，第一和第三量子阱层qw1和qw3的厚度d1和d5可以为大约1nm到大约2nm，而第二量子阱层qw2的厚度d3可以为大约4nm到大约8nm。第一量子阱层qw1的厚度d1和第三量子阱层qw3的厚度d5可以彼此相等或不同。

第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的能级低于第一电子e1的地电平。具体地，第二量子阱层qw2的能级低于第一量子阱层qw1的能级，而且第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3的能级可以彼此相等。于是，第一量子阱层qw1的带隙band-gap1大于第二量子阱层qw2的带隙band-gap2，而且第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3可以具有相同的带隙band-gap2。第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3具有两个不同的能级和非对称能级分布以使得根据示范性实施例的三耦合量子阱qw具有非对称多能级。

当第二量子阱层qw2的能级低于第一量子阱层qw1的能级时，在第二量子阱层qw2中可能发生强光吸收。此外，由于第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3具有相同的能级，第一重空穴hh1的波函数可以在第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3中更容易地和集中地分布。结果，在维持高光吸收强度的同时可以减小包括图1所示的有源层的光器件的驱动电压。

满足以上条件的第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3、第一和第二耦合势垒cb1和cb2、以及外势垒的材料可以取决于要使用的波长频带而不同地确定。例如，对于大约850nm的红外区域，alzga1–zas(0<z<1)可以用于第一量子阱层qw1，gaas可以用于第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3，alyga1–yas(y<1)可以用于第一和第二耦合势垒cb1和cb2，而且alxga1–xas(x≤1)可以用于外势垒。这里，例如，组成比满足z<y<x。该情况下，第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3以及第一和第二耦合势垒cb1和cb2的材料具有与gaas衬底相同的晶格参数，以使得不会相对于gaas衬底产生应变。

当使用大约900nm到大约1050nm的红外区域时，具有相对于gaas衬底的压缩应变的inxga1–xas可以用于第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3，而具有相对于gaas衬底的拉伸应变的gaas1–ypy或inyga1–yp可以用于外势垒(0<x≤0.2，而且0.4≤y≤0.5)。具体地，第一量子阱层qw1的组成比(x)的值可以小于第二量子阱层qw2的组成比(x)和第三量子阱层qw3的组成比(x)的值，其中第二量子阱层qw2的组成比(x)和第三量子阱层qw3的组成比(x)的值彼此相等。通过使用具有相对于第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的压缩应变的材料和使用具有相对于外势垒的拉伸应变的材料，可以补偿应力。对于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2，可以使用具有与衬底相同的晶格参数的gaas。

在大约1550nm的中红外区域，可以使用多种材料的组合，诸如in1–xgaxas和in1–x–ygaxalyas(0<x,y,z<1)。至于第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3，in1–x'–y'gax'aly'as(x'<x，y<y')和in1–x'gax'aszp1–z(x'<x)用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2，而in1–x”–y”gax”aly”as(x”<x'<x，y<y'<y”)和in1–x”gax”asz'p1–z'(x”<x'<x，z<z')用于外势垒。该情况下，inp可以用于衬底，而且可以选择第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3、以及外势垒的材料以使得第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3具有相对于inp衬底的压缩应变，而外势垒具有相对于inp衬底的拉伸应变。

当向如上所述结构的有源层的相反两端施加反转偏置电压时，多量子阱结构在特定波长频带中形成激发子以吸收光。多量子阱结构的吸收谱随着反转偏置电压增加而向更长的波长移动，以使得特定波长处的吸收程度可以随着反转偏置电压而改变。根据上述原理，通过控制反转偏置电压，可以调制具有特定波长的入射光的强度。

当调制入射光的强度时，期望增加指示施加电压时与不施加电压时之间吸收程度的差异的对比率，并且减小驱动电压以防止由发热造成的性能下降。

可以通过增加多量子阱结构中的光吸收强度和跃迁能量来增加对比率。光吸收强度与量子阱层的厚度成反比，并且与量子阱层中的空穴波函数和量子阱中的电子波函数彼此重叠的程度的平方成比例。指示吸收谱向更长波长移动的程度的跃迁能量与量子阱层的厚度的四次方成比例，而且与施加的电压的平方成比例。于是，当减少量子阱层的厚度以增加光吸收强度时，跃迁能量减少，结果，施加的电压可以增加以补偿跃迁能量的减少。另一方面，当量子阱层的厚度增加以增加跃迁能量时，空穴波函数和电子波函数彼此重叠的程度降低，从而减少由电子空穴对引起的激发子的产生，因而减少吸收强度。

根据图1所示的示范性实施例的有源层中，第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3分别通过第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2彼此连接，而且电子波的函数和空穴的波函数可以超越第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2而横跨第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3分布。于是，在有源层的总体结构中，三耦合量子阱qw可以以与一个量子阱类似的方式运作。结果，作为一个量子阱层操作的三耦合量子阱结构的总厚度大于一个量子阱的厚度，因而可以增加跃迁能量而不增加驱动电压。

图2a、2b、和2c是分别示出相对于施加到图1所示的有源层的电压的电子的波函数和空穴的波函数的改变的曲线图。图2a至2c中，in0.08gaas被用于第一量子阱层qw1，in0.137gaas被用于第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3，而gaas被用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2。

图2a示出当反向偏置电压未被施加到图1所示的有源层时电子的波函数和空穴的波函数。参照图2a，第一电子e1的波函数分布在第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3上，而且主要在第二量子阱层qw2中。第二电子e2可以不形成波函数，因为第一和第二耦合势垒cb1和cb2与第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3之间的能级差小，因而第二电子e2为被限制在第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3。第一重空穴hh1的波函数横跨第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3分布。第一重空穴hh1的波函数主要分布在第二量子阱层qw2的中央。于是，在初始状态下(例如，0v/μm)，第一电子e1的波函数可以横跨第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3广泛分布，而且第一重空穴hh1的波函数分布在第二量子阱层qw2周围。

另一方面，当向有源层施加反向偏置电压时，三耦合量子阱qw的能带倾斜以使得第一电子e1的波函数超越第一耦合势垒cb1向第一量子阱层qw1移动，而且具有与电子相反的电荷的第一重空穴hh1的波函数超越第二耦合势垒cb2向第三量子阱层qw3移动。例如，图2b示出当向有源层施加3.2v/μm的反向偏置电压时电子的波函数和空穴的波函数，而图2c示出当向有源层施加6.9v/μm的反向偏置电压时电子的波函数和空穴的波函数。参照图2b和2c，当施加的反向偏置电压增加时，三耦合量子阱qw的能带以更大的尺度倾斜以使得第一电子e1的波函数进一步向第一量子阱层qw1移动，而且第一重空穴hh1的波函数进一步向第三量子阱层qw3移动。

具体地，第三量子阱层qw3的带隙小于第一量子阱层qw1的带隙以使得第一重空穴hh1向第三量子阱层qw3快速移动，因而第一重空穴hh1被限制于第三量子阱层qw3的程度可以增加。

图3示出根据比较示例的有源层的能带图中的导带，而图4示出显示根据图3所示的比较示例的有源层中的电子的波函数和空穴的波函数的曲线图。

如图3所示，根据比较示例的有源层具有对称三耦合量子阱结构，其中第二量子阱层qw2的带隙最小，而第一量子阱层qw1和第三量子阱层qw3的带隙彼此相等。图3的比较示例中，in0.08gaas被用于第一量子阱层qw1和第三量子阱层qw3，in0.137gaas被用于第二量子阱层qw2，而gaas被用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2。与图4的曲线图相比，响应于根据示范性实施例的6.9v/μm的施加电压的相同电平，第一重空穴被更多地限制于第三量子阱层qw3。于是，第一重空穴hh1可以在更低的电压下足够地向第三量子阱层qw3移动以使得可以降低用于根据示范性实施例的包括有源层的光器件的驱动电压。

即使当施加电压时，第一电子e1的波函数的主要部分和第一重空穴hh1的波函数的主要部分保留在具有较大厚度的第二量子阱层qw2中。如上所述，当空穴的波函数和电子的波函数彼此重叠的程度大时，对应于电子和空穴对的激发子的产生增加以使得光器件的光吸收强度增加。如图2a至2c所示，由于即使当施加的电压增加时第一电子e1的波函数的主要部分和第一重空穴hh1的波函数的主要部分也保留在具有较大厚度的第二量子阱层qw2中，第一电子e1的波函数和第一重空穴hh1的波函数彼此重叠的程度可以很大。于是，根据示范性实施例，可以实现光器件的高吸收和低电压特性。

图5是根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的有源层的示意性能带图。具体地，图5是当不向有源层施加电压或电场时的能带图。除了第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的能级之间的关系之外，图5所示的有源层的基本结构类似于图1所示的有源层的基本结构。例如，第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的能级低于地电平。具体地，第二量子阱层qw2的能级低于第一量子阱层qw1的能级，而且第三量子阱层qw3的能级低于第二量子阱层qw2的能级。换句话说，能级从第一量子阱层qw1向第三量子阱层qw3降低。因而，第一量子阱层qw1的带隙band-gap1大于第二量子阱层qw2的带隙band-gap2，而且第二量子阱层qw2的带隙band-gap2大于第三量子阱层qw3的带隙band-gap3。因此，第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3具有三个不同能级，而且具有非对称能级分布，因而根据示范性实施例的三耦合量子阱qw具有非对称多能级。

例如，当调制具有大约940nm的波长的红外光时，可以选择第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的带隙以满足诸如第一量子阱qw1的带隙在从大约1.5ev到大约1.2ev的范围内、第二量子阱qw2的带隙在从大约1.3ev到大约1.1ev的范围内、以及第三量子阱qw3的带隙大约1.3ev的条件。然而，第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3的带隙可以随着使用波长和第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3中使用的材料而改变，因而第一至第三量子阱层qw1-qw3的带隙不限于前述范围。

满足前述条件的第一和第二量子阱qw1和qw2中使用的材料可以与参照图1描述的相同，而且第三量子阱qw3中使用的材料可以具有低于第二量子阱qw2的能级的能级。例如，在大约850nm的红外区域中，alzga1–zas(0<z<1)可以用于第一量子阱层qw1，gaas可以用于第二量子阱层qw2，而inxga1–xas(0<x<0.2)可以用于第三量子阱层qw3。对于从大约900nm到大约1050nm的红外区域，inxga1–xas(0<x<0.2)可以用于第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3。这里，第一量子阱层qw1中铟(in)的构成比(x)的值小于第二量子阱层qw2中铟(in)的构成比(x)的值，而且第二量子阱层qw2中铟(in)的构成比(x)的值小于第三量子阱层qw3中铟(in)的构成比(x)的值。在1550nm的中红外范围中，in1–xgaxas和in1–x–ygaxalyas可以用于第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3，其中0<x，而且y<1，而且可以选择材料以使得铟(in)的量在第一量子阱层qw1中最小，而且铟(in)的量在第三量子阱层qw3中最大。

图6a、6b、和6c是分别示出相对于施加到图5所示的有源层的电压的电子的波函数和空穴的波函数的改变的曲线图。具体地，图6a示出当不向图5所示的有源层施加反转偏置电压时电子的波函数和空穴的波函数，而图6b示出当向有源层施加大约3.2v/μm的反转偏置电压时电子的波函数和空穴的波函数。图6c示出当向有源层施加大约6.9v/μm的反转偏置电压时电子的波函数和空穴的波函数。in0.08gaas被用于第一量子阱层qw1，in0.137gaas被用于第二量子阱层qw2，而in0.15gaas被用于第三量子阱层qw3。gaas被用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2。

参照图6a至6c，当不向有源层施加电压时，第一电子e1的波函数横跨第一、第二、和第三量子阱层qw1、qw2、和qw3分布，而且第一重空穴hh1的波函数主要分布在第二量子阱层qw2中。当向有源层施加电压时，第一电子e1的波函数超越第一耦合势垒cb1向第一量子阱层qw1移动，而第一重空穴hh1的波函数超越第二耦合势垒cb2向第三量子阱层qw3移动。具体地，当图6c的曲线图与图2c和4的曲线图相比时，因为在图5中的有源层中带隙从第一量子阱层qw1到第二量子阱层qw2然后到第三量子阱层qw3依次减少，当向有源层施加电压时第一重空穴hh1向第三量子阱层qw3快速移动，从而进一步增加第一重空穴hh1被限制于第三量子阱层qw3的程度。结果，在图5所示的有源层中第一重空穴hh1可以以更低的电压向第三量子阱层qw3充分移动，而且可以进一步降低用于包括图5所示的有源层的光器件的驱动电压。

图7a、7b、和7c是分别示出根据比较示例的有源层中和图1和5所示的有源层中的吸收谱的曲线图。图7a示出根据比较示例的有源层的吸收谱，图7b示出图1所示的有源层的吸收谱，而图7c示出图5所示的有源层的吸收谱。

参照图7a，当施加的外部电场为0v/μm时，在大约926nm的波长处产生最高峰。最高峰可以由第一电子e1和第一重空穴hh1的激发对(例如，e1-hh1)引起。在大约940nm的波长处，吸收系数非常小以使得具有大约940nm的波长的光的大多数穿过有源层。随着施加的外部电场增加，吸收谱示出吸收强度减少，同时最高峰基于斯塔克(stark)效应向更长波长移动。当施加的外部电场为大约6.9v/μm时，吸收谱在大约940nm的波长处具有最高峰，而且与施加大约0v/μm的外部电场时相比具有较低的峰。于是，当使用根据比较示例的有源层时，相对于具有大约940nm的波长的光操作的光器件的驱动电压为大约6.9v/μm。

另一方面，参照图7b，当向图1所示的有源层施加大约6.0v/μm的电压时，吸收谱移动为具有大约940nm的波长处的最高峰。参照图7c，当向图1所示的有源层施加大约5.6v/μm的电压时，吸收谱移动为具有大约940nm的波长处的最高峰。于是，当使用图1所示的有源层时，相对于具有大约940nm的波长的光操作的光器件的驱动电压为大约6.0v/μm，而当使用图5所示的有源层时，相对于具有大约940nm的波长的光操作的光器件的驱动电压为大约5.6v/μm，从而在与使用根据比较示例的有源层的情况相比时减少光器件的驱动电压。

图8是示出根据比较示例的有源层中和图1和5所示的有源层中的吸收系数和驱动电压的曲线图。

参照图8，图1和5所示的有源层的吸收系数与根据比较示例的有源层的吸收系数基本相等或类似，然而，图1和5所示的有源层的驱动电压低于根据比较示例的有源层的驱动电压。吸收系数是基于电子波函数和空穴波函数彼此重叠的面积的归一化，而且当电子波函数和空穴波函数彼此重叠的程度大时，对应于电子空穴对的激发子的产生增加，从而增加吸收系数。如上参照图2a至2c和图6a至6c所述，根据示范性实施例，电子的波函数的主要部分和空穴的波函数的主要部分可以保留在最大厚度的第二量子阱层qw2中，以使得电子波函数和空穴波函数彼此重叠的程度可以很大。

图9是示出根据比较示例的有源层中相对于施加的电压的吸收峰的改变(a)、图1所示的有源层中相对于施加的电压的吸收峰的改变(b)、和图5所示的有源层中相对于施加的电压的吸收峰的改变(c)的曲线图。

如图9所示，当施加的外部电场为大约0v/μm时(或者当不向有源层施加电压时)，相对于根据比较示例的有源层和图1和5所示的有源层的吸收峰为大约925nm。当向有源层施加电压时，根据示范性实施例的有源层具有比比较示例更高的跃迁能量，以使得吸收谱可以向更长波长快速移动。于是，与比较示例相比，根据示范性实施例吸收谱可以以更低的电压达到大约940nm。例如，根据比较示例的有源层的吸收谱(a)以大约6.9v/μm达到大约940nm，图1所示的有源层的吸收谱(b)以大约6.0v/μm达到大约940nm，而图5所示的有源层的吸收谱(c)以大约5.6v/μm达到大约940nm。

因而，根据示范性实施例的包括具有非对称多能级的三耦合量子阱结构的光器件可以实现比现有技术光器件改进的光吸收特性和更低的驱动电压。根据示范性实施例的光器件不仅适用于光调制器，还适用于具有各种p-i-n二极管结构以吸收特定波长频带中的光的半导体器件。例如，示范性实施例可以应用于光学滤波器、光电二极管、太阳能电池、发光元件、光学通信系统、光学互连、光学计算器等。

图10示意性地示出根据一个示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的反射光调制器100。

参照图10，反射光调制器100可以包括：衬底110；第一接触层111，置于衬底110上；下反射层120，置于第一接触层111上；有源层130，置于下反射层120上；上反射层140，置于有源层130上；以及第二接触层141，置于上反射层140上。上反射层140和下反射层120可以被掺杂以同时担当反射层和电路径。例如，第一接触层111和下反射层120可以被掺杂为n型，而上反射层140和第二接触层141可以被掺杂为p型。有源层130没有被掺杂。因而，图10所示的透射反射光调制器100可以具有p-i-n二极管结构。例如，衬底110可以包括gaas，并且第一接触层111可以包括n-gaas。

反射光调制器100依赖于电信号而反射入射光并吸收入射光的一部分，并且调制反射光的强度。为了反射入射光，下反射层120被形成为具有大约90％或更高的反射率，并且上反射层140被形成为具有大约30％至大约50％的反射率。下反射层120和上反射层140可以是分布式布拉格反射器(dbr)，其中具有低折射率的低折射率层和具有高折射率的高折射率层交替地重复堆叠。在这种结构中，反射发生在具有不同折射率的两层(例如，低折射率层和高折射率层)之间的界面上，并且通过对所有的反射光是用相同的相位差，可以获得高折射。为此，在下反射层120和上反射层140的每一个中的低折射率层和高折射率层的光学厚度(例如，物理厚度和层材料的折射率的积)可以大约为λ/4(例如，λ指示反射光调制器100的共振波长)的奇数倍。

而且，下反射层120和上反射层140的反射可以根据堆叠的低折射率层和高折射率层的对的数量按需调整。例如，下反射层120可以包括低折射率层中的n-al0.87ga0.13as和高折射率层中的n-al0.20ga0.80as，而上反射层140可以包括低折射率层中的p-al0.87ga0.13as和高折射率层中的p-al0.20ga0.80as。

有源层130吸收光，而且具有多量子阱层结构，其中重复堆叠前述具有非对称多能级的三耦合量子阱结构以及外势垒。有源层130可以用作法布里-珀罗共振的主腔。为此，有源层130可以被形成为具有λ/2的大约整数倍的光学厚度。

当施加电压vdc时，根据示范性实施例的有源层130具有更高的跃迁能量以使得吸收谱可以向更长波长快速移动。

图11示意性地示出根据一个示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器200。

参照图11，透射光调制器200可以包括：下反射层220；有源层230，置于下反射层220上；上反射层240，置于有源层230上；第一接触层201，置于下反射层220的一侧；以及第二接触层241，置于上反射层240的一侧。第一接触层201和第二接触层241可以分别部分地置于下反射层220的一侧和上反射层240的一侧。第一接触层201和第二接触层241可以被形成为沿下反射层220和上反射层240的周边的环形以使光在其间穿过。

虽然图11未示出，但是可以在透射光调制器200中形成衬底而且接着可以从透射光调制器200去除。为了允许光穿过衬底，可以部分地去除衬底(例如，可以仅去除衬底的中央部分)。如上所述，上反射层240和下反射层220可以被掺杂以同时担当反射层和电通路。

透射调制器200依赖于电信号而使入射光pin的至少一部分穿过并吸收入射光pin的至少一部分以调制穿过透射光调制器200的光pout的强度。下反射层220和上反射层240使入射光的至少一部分穿过并反射至少一部分光以允许作为主腔的有源层230中的共振。在透射光调制器200中，下反射层220和上反射层240可以具有相同的反射率，等于大约50％。有源层230可以具有多量子阱层结构，其中重复堆叠图1或5所示的具有非对称多能级的三耦合量子阱结构以及外势垒。

当施加电压vdc时，根据示范性实施例的有源层230具有更高的跃迁能量以使得吸收谱可以向更长波长快速移动。

图12示意性地示出根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器300。图12所示的透射光调制器300可以具有比图11所示的透射光调制器200更宽的带宽。

参照图12，透射光调制器300可以包括：下反射层320；有源层330，置于下反射层320上；上反射层340，置于有源层330上；第一微腔层325，置于下反射层320中；以及第二微腔层345，置于上反射层340中。有源层330可以是用于法布里-珀罗共振的主腔，第一微腔层325和第二微腔层345担当用于法布里-珀罗共振的附加腔。为此，微腔层325和345的光学厚度可以等于λ/2的大约整数倍。第一和第二微腔层325和345可以包括将用于下和上反射层中的高折射率层材料或低折射率层材料。第一和第二微腔层325和345可以分别置于下反射层320和上反射层340上，但是可以省略第一和第二微腔层325和345中的任何一个。

虽然图12未示出，但是有源层330中的相应的量子阱层可以具有不同的厚度以增加带宽。例如，通过改变其中空穴波函数和电子波函数彼此重叠的第二量子阱层qw2的厚度，可以形成具有不同厚度的两种或更多类型的第二量子阱层qw2。通过添加第一和第二微腔层325和345并改变第二量子阱层qw2的厚度，吸收强度可以增加，而且可以改善透射光调制器300的光吸收带宽。

图13示意性地示出根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器400。

参照图13，透射光调制器400可以包括：下反射层420；有源层430，置于下反射层420上；上反射层440，置于有源层430上；以及第一微腔层421和第二微腔层422，置于下反射层420中。图13所示的透射光调制器400与图12所示的透射光调制器300的不同在于，第一微腔层421和第二微腔层422置于下反射层420中，而没有微腔层置于上反射层440中。

下反射层420可以被第一微腔层421和第二微腔层422划分为三部分。例如，下反射层420可以包括第一微腔层421下的第一下反射层420a、第一微腔层421与第二微腔层422之间的第二下反射层420b、以及第二微腔层422上的第三下反射层420c。第一下反射层420a、第二下反射层420b、和第三下反射层420c中的每一个可以包括一个或多个高折射率层和低折射率层的对。有源层430可以包括多量子阱层结构，其中重复堆叠图1或5所示的具有非对称多能级的三耦合量子阱结构以及外势垒。

图14a、14b、和14c是分别示出当图13所示的光调制器400使用根据比较示例的有源层时以及当光调制器400使用图1和5所示的有源层时的透射特性的曲线图。图14a是当使用根据比较示例的有源层时的曲线图，图14b是当使用图1所示的有源层时的曲线图，而图14c是使用图5所示的有源层时的曲线图。

图14a中，具有5.8nm的厚度的gaasp被用于外势垒，具有1.5nm的厚度的gaas被用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2，具有大约2.0nm的厚度的in0.08gaas被用于第一量子阱层qw1和第三量子阱层qw3，而具有4.8nm的厚度的in0.137gaas被用于第二量子阱层qw2。图14b的曲线图中，具有6.0nm的厚度的gaasp被用于外势垒，具有1.5nm的厚度的gaas被用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2，具有2.0nm的厚度的in0.08gaas被用于第一量子阱层qw1，具有4.8nm的厚度的in0.137gaas被用于第二量子阱层qw2，而具有2.0nm的厚度的in0.137gaas被用于第三量子阱层qw3。图14c的曲线图中，具有6.1nm的厚度的gaasp被用于外势垒，具有1.5nm的厚度的gaas被用于第一耦合势垒cb1和第二耦合势垒cb2，具有2.0nm的厚度的in0.08gaas被用于第一量子阱层qw1，具有4.8nm的厚度的in0.137gaas被用于第二量子阱层qw2，而具有2.0nm的厚度的in0.15gaas被用于第三量子阱层qw3。

参照图14a，细实线指示当不施加电压时的透射率而且对应于左纵轴，而粗实线指示当施加6.9v的反转偏置电压时的透射率而且对应于左纵轴。虚线指示不施加电压时与施加电压时之间的透射率差而且对应于左纵轴。两点链线指示解调对比(dc)而且对应于右纵轴。

如图14a所示，在大约940nm的波长处不施加电压时与施加电压时之间的透射率差tdiff为大约31％。具有大约12.6％或更多的dc的带宽为大约12nm。这里，dc可以被定义为(tmax–tmin)/(tmax+tmin)，其中tmax表示最大透射率，而tmin表示最小透射率。

参照图14b，细实线指示当不施加电压时的透射率而且对应于左纵轴，而粗实线指示当施加6.0v的反转偏置电压时的透射率而且对应于左纵轴。虚线指示不施加电压时与施加电压时之间的透射率差而且对应于左纵轴。两点链线指示解调对比(dc)而且对应于右纵轴。在大约940nm的波长处的透射率差为大约30.7％，而具有大约12.6％或更多的dc的带宽为大约11.7nm。

参照图14c，细实线指示当不施加电压时的透射率而且对应于左纵轴，而粗实线指示当施加5.6v的反转偏置电压时的透射率而且对应于左纵轴。虚线指示不施加电压时与施加电压时之间的透射率差而且对应于左纵轴。两点链线指示解调对比(dc)而且对应于右纵轴。在大约940nm的波长处的透射率差为大约30.2％，而具有大约12.6％或更多的dc的带宽为大约11.2nm。因而，如图14a至14c所示作为光调制器的主要光学特性的透射率差和带宽被维持为基本恒定，而且与图14a所示的比较示例相比，驱动电压在图14b所示的情况下以及在图14c所示的情况下减小。

图15示意性地示出根据另一示范性实施例的包括三耦合量子阱结构的透射光调制器500。

参照图15，透射光调制器500可以包括：下反射层510；第一有源层520，置于下反射层510上；中间反射层530，置于第一有源层520上；第二有源层540，置于中间反射层530上；以及上反射层550，置于第二有源层540上。这里，下反射层510和上反射层550可以被掺杂为相同电类型，而且中间反射层530可以被掺杂为与下反射层510和上反射层550的电类型相反的电类型。例如，下反射层510和上反射层550可以被掺杂为n型，而中间反射层530可以被掺杂为p型。另一方面，下反射层510和上反射层550可以被掺杂为p型，而中间反射层530可以被掺杂为n型。因而，图15所示的透射光调制器500可以具有n-i-p-i-n或p-i-n-i-p结构。

因此，透射光调制器500可以被看作具有堆叠二极管结构，其中两个二极管被并行电连接。通常，光调制器的驱动电压与有源层的总厚度(或有源层中的量子阱层的总数量)成比例。然而，在根据示范性实施例的透射光调制器500中，两个有源层520和540被并行电连接以使得用于透射光调制器500的驱动电压与具有厚度等于两个有源层520和540的厚度之和的一个有源层的光调制器相比可以被减小为大约一半。因而，可以进一步减小功耗，从而防止由发热造成的透射光调制器500的性能下降。

另外，根据示范性实施例，通过不同地形成第一有源层520的三耦合量子阱结构和第二有源层540的三耦合量子阱结构，可以改善透射光调制器500的带宽。换句话说，在第一有源层520的共振波长和第二有源层540的共振波长彼此不同的多共振模式下，吸收强度增加以使得可以改善透射光调制器500的光吸收带宽。例如，第一有源层520的三耦合量子阱结构中的第二量子阱层qw2的厚度可以不同于第二有源层540的三耦合量子阱结构中的第二量子阱层qw2。第一有源层520可以具有图1所示的三耦合量子阱结构，而第二有源层540可以具有图5所示的三耦合量子阱结构。例如，在第一有源层520中，第一量子阱层qw1可以具有第一能带隙，而第二量子阱层qw2和第三量子阱层qw3可以具有小于第一能带隙的第二能带隙。在第二有源层540中，第一量子阱层qw1可以具有第一能带隙，第二量子阱层qw2可以具有小于第一能带隙的第二能带隙，而第三量子阱层qw3可以具有小于第二能带隙的第三能带隙。

虽然已经示出和描述几个实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在示范性实施例中作出改变而不背离其范围由权利要求及其等同物限定的本公开的原理和精神。