CN100589012C - 量子点光调制器有源区结构 - Google Patents
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Abstract
一种量子点光调制器有源区结构，包括：一n型衬底；一n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；一第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；一量子点层生长于第一未掺杂层上面；一第二未掺杂层生长于量子点层之上；一势垒层生长于第二未掺杂层之上；一第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；一p型掺杂层，该p型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极。
Description
技术领域
本发明涉及八种量子点光调制器有源区结构，可用于制备光调制器和光开关，属于半导体光电子材料和器件领域，在光通信和光信息处理技术中有实用价值。
背景技术
光调制器和光开关都是重要的光学器件。前者可以对激光器发射光波的幅度或相位进行调制，使输入信号施加到光载波上进行传输，后者常用于光路切换、网络监控以及自动保护。
目前，光调制器和光开关可利用晶体材料的电光效应、声光效应、热光效应等物理原理制作。这些器件体积较大，不利于集成。
此外，还有利用半导体材料中的Franz-Keldysh效应(三维体材料)和量子限制斯塔克效应(二维量子阱材料)等物理原理制作的半导体光调制器和光开关。这些器件的工作电压低，功耗小，在材料和工艺上与其它光电子器件相容，易于实现与各种电子器件光学组件的集成。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种量子点光调制器有源区结构，基于量子点/量子阱多层半导体结构的能带结构随外加电场发生改变的物理原理，它们可用于制备光调制器和光开关。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
一p型掺杂层，该p型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极。
其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和p型掺杂层为GaAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
其中势垒层为AlGaAs或AlAs材料。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
一n型掺杂层，该n型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极。
其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和n型掺杂层为GaAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
其中所述势垒为AlGaAs或AlAs材料。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
其中所述势垒为AlGaAs或AlAs材料。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
一p型掺杂层，该p型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极。
其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
其中势垒层为AlGaAs或AlAs材料。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将势垒层和量子点层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一p型掺杂层，该p型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极。
其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和p型掺杂层为GaAs材料。
其中势垒层为AlGaAs或AlAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一n型掺杂层，该n型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极。
其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和n型掺杂层为GaAs材料。
其中所述势垒为AlGaAs或AlAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
其中所述势垒为AlGaAs或AlAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
本发明提供一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上；
该第二未掺杂层作为间隔层将势垒层和量子点层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
其中所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
其中势垒层为AlGaAs或AlAs材料。
其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
本发明所述量子点光调制器有源区结构的特点在于：第一、基于低维半导体材料能带结构随电场变化的物理原理工作；第二、灵敏度高；第三、结构简单，易于制备，有利于器件稳定性的提高及成本的降低；第四、可实现对某一波长范围内不同光信号的选择性光强调制或开关功能；第五、有利于器件驱动电路的设计，无需精密的驱动控制电路。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明第一实施例的结构示意图；
图2是本发明第一实施例的能带结构图；
图3是本发明第二实施例的结构示意图；
图4是本发明第二实施例的能带结构图；
图5是本发明第三实施例的结构示意图；
图6是本发明第三实施例的能带结构图；
图7是本发明第四实施例的结构示意图；
图8是本发明第四实施例的能带结构图；
图9是本发明第五实施例的结构示意图；
图10是本发明第五实施例的能带结构图；
图11是本发明第六实施例的结构示意图；
图12是本发明第六实施例的能带结构图；
图13是本发明第七实施例的结构示意图；
图14是本发明第七实施例的能带结构图；
图15是本发明第八实施例的结构示意图；
图16是本发明第八实施例的能带结构图；
图17是本发明第四实施例所述量子点光调制器光致发光光谱，两条曲线分别对应于0V和-9V外加电压；
图18是本发明第四实施例所述量子点光调制器在0V和-9V外加电压下的能带结构图。
具体实施方式
给所述光调制器结构加某一反向偏置电压(反向偏置电压是指，以所述光调制器结构的衬底一侧为电压参考点，在其生长方向一侧施加的负值电压。以下简称反向偏压)后，其吸收峰较0V偏压时发生红移。使一束光波(其光子能量介于上述量子点光调制器结构在0V偏压和某一有明显红移效应时的反向偏压之间)经过所述量子点光调制器结构。当周期性地改变所述量子点光调制器结构的偏置电压，使其在0V和上述所选择的反向偏压之间调制时，上述光波的强度即被调制。当该光调制过程仅存在“有光”和“无光”两种状态时，所述量子点光调制器即为光开关。
所述光调制器结构在所加反向偏压下吸收峰红移的物理原理如下：对于实施例一、四、六和实施例七，在电场作用下AlGaAs势垒与其量子点一侧的GaAs层形成了一个空穴的三角势阱。由于三角势阱与量子点在沿电场方向上有一定的空间距离，使得量子点中的电子能级与三角势阱中的空穴能级的能级间距随外加偏压(电场)发生改变。反向偏压越大，能级间距越小，并且基本上成线性关系。当反向偏压较小时，量子点中的空穴能级低于三角势阱中的空穴能级，使得光吸收发生在量子点内的电子、空穴能级之间。此时，吸收峰的移动并不明显。但当反向偏压超过某一临界值时，三角势阱中的空穴能级就低于量子点中的空穴能级，使得光吸收发生在量子点内的电子能级与三角势阱中的空穴能级之间。此时，吸收峰将随偏压发生明显红移，且红移量与偏压基本上成线性关系。
对于实施例二、三、五和实施例八，在电场作用下AlGaAs势垒与其量子点一侧的GaAs层形成了一个电子的三角势阱。由于三角势阱与量子点在沿电场方向上有一定的空间距离，使得量子点中的空穴能级与三角势阱中的电子能级的能级间距随外加偏压(电场)发生改变。反向偏压越大，能级间距越小，并且基本上成线性关系。当反向偏压较小时，量子点中的电子能级低于三角势阱中的电子能级，使得光吸收发生在量子点内的电子、空穴能级之间。此时，吸收峰的移动并不明显。但当反向偏压超过某一临界值时，三角势阱中的电子能级就低于量子点中的电子能级，使得光吸收发生在量子点内的空穴能级与三角势阱中的电子能级之间。此时，吸收峰将随偏压发生明显红移，且红移量与偏压基本上成线性关系。
实施例一
量子点光调制器结构请参阅图1，其能带结构请参阅图2。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一n型衬底11，在该n型衬底11上进行材料生长，n型衬底11为n型GaAs衬底。
一n型缓冲层12，该n型缓冲层12生长于n型衬底11之上，n型缓冲层为GaAs材料，厚度大于100纳米；n型缓冲层12的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展。
一第一未掺杂层13，该第一未掺杂层13生长于n型缓冲层12之上，提供了外加电压的作用空间，该第一未掺杂层13为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一量子点层14，该量子点层14生长于第一未掺杂层13上面；在上述未掺杂层13与下述未掺杂层15共同作用下，在该量子点层14内将形成三维量子化的分立能级；量子点层14为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图2中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中空穴的能级位置低于第一未掺杂层13、第二未掺杂层15、第三未掺杂层17和势垒层16。
一第二未掺杂层15，该第二未掺杂层15生长于量子点层14之上；该第二未掺杂层15作为间隔层将上述量子点层14和下述势垒层16分开；第二未掺杂层15为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下与下述势垒层16形成空穴势阱。
一第二未掺杂层15，该第二未掺杂层15生长于量子点层14之上；该第二未掺杂层15作为间隔层将上述量子点层14和下述势垒层16分开；同时在电场的作用下可与下述势垒层16形成空穴势阱；第二未掺杂层15为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下，空穴即被限制在这一势阱中。
一势垒层16，该势垒层16生长于第二未掺杂层15之上；该势垒的带隙大于上述第二未掺杂层15以及下述第三未掺杂层17的带隙；势垒16为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米；在上述第一未掺杂层13与第二未掺杂层15共同作用下，在该量子点层14内将形成三维量子化的分立能级；
一第三未掺杂层17，该第三未掺杂层17生长于势垒层16之上，并提供了外加电压的作用空间；该第三未掺杂层17为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
一p型掺杂层18，该p型掺杂层18生长于第三未掺杂层17之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；p型掺杂层18为p型GaAs，厚度大于100纳米。
实施例二
量子点光调制器结构请参阅图3，其能带结构请参阅图4。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一p型衬底21，在该p型衬底21上进行材料生长；p型衬底21为p型GaAs衬底。
一p型缓冲层22，该p型缓冲层22生长于p型衬底21之上，缓冲层为p型GaAs，厚度大于100纳米。p型缓冲层22的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展。
一第一未掺杂层23，该第一未掺杂层23生长于p型缓冲层22之上并提供了外加电压的作用空间；第一未掺杂层23为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一量子点层24，该量子点层24生长于第一未掺杂层23上面；在上述第一未掺杂层23与下述第二未掺杂层25共同作用下，在该量子点层24内将形成三维量子化的分立能级；量子点层24为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图4中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中电子的能级位置低于第一未掺杂层23、第二未掺杂层25、第三未掺杂层27和势垒层26。
一第二未掺杂层25，该第二未掺杂层25生长于量子点层24之上；该第二未掺杂层25作为间隔层将上述量子点层24和下述势垒层26分开；第二未掺杂层25为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下与下述势垒层26形成电子势阱。
一势垒层26，该势垒层26生长于第二未掺杂层25之上；该势垒的带隙大于上述未第二掺杂层25以及下述为第三未掺杂层27的带隙；势垒26为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第三未掺杂层27，该第三未掺杂层27生长于势垒层26之上，并提供了外加电压的作用空间；该第三未掺杂层27为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
一n型掺杂层28，该n型掺杂层28生长于未掺杂层27之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；n型掺杂层28为n型GaAs，厚度大于100纳米。
实施例三
量子点光调制器结构请参阅图5，其能带结构请参阅图6。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一p型衬底31，在该p型衬底31上进行材料生长；p型衬底31为p型GaAs衬底。
一p型缓冲层32，该p型缓冲层32生长于p型衬底31之上；p型缓冲层为p型GaAs，厚度大于100纳米；p型缓冲层32的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展。
一第一未掺杂层33，该第一未掺杂层33生长于p型缓冲层32之上，并提供了外加电压的作用空间；第一未掺杂层33为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一量子点层34，该量子点层34生长于第一未掺杂层33上面；在上述第一未掺杂层33与下述第二未掺杂层35共同作用下，在该量子点层34内将形成三维量子化的分立能级；量子点层34为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图6中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中电子的能级位置低于第一未掺杂层33、第二未掺杂层35、第三未掺杂层37和势垒层36。
一第二未掺杂层35，该第二未掺杂层35生长于量子点层34之上；该第二未掺杂层35作为间隔层将上述量子点层34和下述势垒层36分开；第二未掺杂层35为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下与下述势垒层36形成电子势阱。
一势垒层36，该势垒层36生长于第二未掺杂层35之上；该势垒的带隙大于上述第二未掺杂层35以及下述为第三未掺杂层37的带隙；势垒36为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第三未掺杂层37，该第三未掺杂层37生长于势垒层36之上，并提供了外加电压的作用空间；该第三未掺杂层37为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
实施例四
量子点光调制器结构请参阅图7，其能带结构请参阅图8。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一n型衬底41，在该n型衬底41上进行材料生长；n型衬底41为n型GaAs衬底。
一n型缓冲层42，该n型缓冲层42生长于n型衬底41之上；n型缓冲层42的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；n型缓冲层42为n型GaAs，厚度大于100纳米。
一第一未掺杂层43，该第一未掺杂层43生长于n型缓冲层42之上，并提供了外加电压的作用空间；第一未掺杂层43为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一量子点层44，该量子点层44位于第一未掺杂层43上面；在上述第一未掺杂层43与下述第二未掺杂层45共同作用下，在该量子点层44内将形成三维量子化的分立能级；量子点层44为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图8中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中空穴的能级位置低于第一未掺杂层43、第二未掺杂层45、第三未掺杂层47和势垒层46。
一第二未掺杂层45，该第二未掺杂层45生长于量子点层44之上；该第二未掺杂层45作为间隔层将上述量子点层44和下述势垒层46分开；第二未掺杂层45为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下与下述势垒层46形成空穴势阱。
一势垒层46，该势垒层46生长于未掺杂层45之上；该势垒的带隙大于上述未掺杂层4以及下述为未掺杂层46的带隙；势垒46为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第三未掺杂层47，该第三未掺杂层47生长于势垒层46之上，并提供了外加电压的作用空间；该第三未掺杂层47为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
实施例五
量子点光调制器结构请参阅图9，其能带结构请参阅图10。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一n型衬底51，在该n型衬底51上进行材料生长；n型衬底51为n型GaAs衬底。
一n型缓冲层52，该n型缓冲层52生长于n型衬底51之上；n型缓冲层52的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；n型缓冲层52为n型GaAs，厚度大于100纳米。
一第一未掺杂层53，该第一未掺杂层53生长于n型缓冲层52之上，并提供了外加电压的作用空间；第一未掺杂层53为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一势垒层54，该势垒层54生长于第一未掺杂层53之上；该势垒的带隙大于上述第一未掺杂层53以及下述第二未掺杂层55的带隙；势垒54为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第二未掺杂层55，该第二未掺杂层55生长于势垒层54之上；该第二未掺杂层55作为间隔层将上述势垒层54和下述量子点层56分开；第二未掺杂层55为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下与上述势垒层54形成电子势阱。
一量子点层56，该量子点层56生长于第二未掺杂层55上面；在上述第二未掺杂层55与下述第三未掺杂层57共同作用下，在该量子点层56内将形成三维量子化的分立能级；量子点层56为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图10中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中电子的能级位置低于第一未掺杂层53、第二未掺杂层55、第三未掺杂层57和势垒层54。
一第三未掺杂层57，该第三未掺杂层57生长于量子点层56之上，并提供了外加电压的作用空间；该第三未掺杂层57为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
一p型掺杂层58，该p型掺杂层58生长于第三未掺杂层57之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；P型掺杂层58为p型GaAs，厚度大于100纳米。
实施例六
量子点光调制器结构请参阅图11，其能带结构请参阅图12。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一p型衬底61，在该p型衬底61上进行材料生长；p型衬底61为p型GaAs衬底。
一p型缓冲层62，该p型缓冲层62生长于p型衬底61之上；p型缓冲层62的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；p型缓冲层62为p型GaAs，厚度大于100纳米。
一第一未掺杂层63，该第一未掺杂层63生长于p型缓冲层62之上并提供了外加电压的作用空间；该第一未掺杂层63为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
一势垒层64，该势垒层64生长于第一未掺杂层63之上；该势垒的带隙大于上述未第一掺杂层63以及下述第二未掺杂层65的带隙；势垒64为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第二未掺杂层65，该第二未掺杂层65生长于势垒层64之上；该第二未掺杂层65作为间隔层将上述势垒层64和下述量子点层66分开；第二未掺杂层65为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米。在较大的偏压下与上述势垒层64形成空穴势阱。
一量子点层66，该量子点层66生长于第二未掺杂层65上面；在上述第二未掺杂层65与下述第三未掺杂层67共同作用下，在该量子点层66内将形成三维量子化的分立能级；量子点层66为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图12中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中空穴的能级位置低于第一未掺杂层63、第二未掺杂层65、第三未掺杂层67和势垒层64。
一第三未掺杂层67，该第三未掺杂层67生长于量子点层66之上，并提供了外加电压的作用空间；第三未掺杂层67为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一n型掺杂层68，该n型掺杂层68生长于第三未掺杂层67之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；n型掺杂层68为n型GaAs，厚度大于100纳米。
实施例七
量子点光调制器结构请参阅图13，其能带结构请参阅图14。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一p型衬底71，在该p型衬底71上进行材料生长；p型衬底71为p型GaAs衬底。
一p型缓冲层72，该p型缓冲层72生长于p型衬底71之上；p型缓冲层72的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；p型缓冲层72为n型GaAs，厚度大于100纳米。
一第一未掺杂层73，该第一未掺杂层73生长于p型缓冲层72之上，并提供了外加电压的作用空间；该第一未掺杂层73为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
一势垒层74，该势垒层74生长于第一未掺杂层73之上；该势垒的带隙大于上述第一未掺杂层73以及下述第二未掺杂层75的带隙；势垒层74为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第二未掺杂层75，该第二未掺杂层75生长于势垒层74之上；该第二未掺杂层75作为间隔层将上述势垒层74和下述量子点层76分开；第二未掺杂层75为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下，与上述势垒层74形成空穴势阱。
一量子点层76，该量子点层76生长于第二未掺杂层75上面；在上述第二未掺杂层75与下述第三未掺杂层77共同作用下，在该量子点层76内将形成三维量子化的分立能级；量子点层76为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图14中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中空穴的能级位置低于第一未掺杂层73、第二未掺杂层75、第三未掺杂层77和势垒层74。
一第三未掺杂层77，该第三未掺杂层77生长于量子点层76之上，并提供了外加电压的作用空间；第三未掺杂层77为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
实施例八
量子点光调制器结构请参阅图15，其能带结构请参阅图16。
本发明一种量子点光调制器有源区结构，其中包括：
一n型衬底81，在该n型衬底81上进行材料生长；n型衬底81为n型GaAs衬底。
一n型缓冲层82，该n型缓冲层82生长于n型衬底81之上；n型缓冲层82的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；n型缓冲层82为n型GaAs，厚度大于100纳米。
一第一未掺杂层83，该第一未掺杂层83生长于n型缓冲层82之上，并提供了外加电压的作用空间；第一未掺杂层83为未掺杂的GaAs，厚度为30至60纳米。
一势垒层84，该势垒层84生长于第一未掺杂层83之上；该势垒的带隙大于上述第一未掺杂层83以及下述第二未掺杂层85的带隙；势垒84为AlGaAs或AlAs，厚度为30至70纳米。
一第二未掺杂层85，该第二未掺杂层85生长于势垒层84之上；该第二未掺杂层85作为间隔层将上述势垒层84和下述量子点层86分开；第二未掺杂层85为未掺杂的GaAs，厚度为5至10纳米；在较大的偏压下与上述势垒层84形成电子势阱。
一量子点层86，该量子点层86位于第二未掺杂层85上面；在上述第二未掺杂层85与下述第三未掺杂层87共同作用下，在该量子点层内86将形成三维量子化的分立能级；量子点层86为厚度为2单原子层的InAs或InGaAs量子点；从能带结构图16中可以看到，在这一结构中，不加偏压时量子点中电子的能级位置低于第一未掺杂层83、第二未掺杂层85、第三未掺杂层87和势垒层84。
一第三未掺杂层87，该第三未掺杂层87生长于量子点层86之上，并提供了外加电压的作用空间；该第三未掺杂层87为未掺杂的GaAs，厚度为150至250纳米。
下面以量子点光调制器实施例四，具体说明其用于光调制器和光开关的工作过程。所述光调制器在0V和-9V偏置电压时光致发光光谱的测试结果请结合参阅图17。可以看到，偏置电压为0V时发光峰的中心波长为1022nm，偏置电压为-9V时发光峰的中心波长为1082nm，红移了60nm。在上述0V和-9V偏压下，实施例四所述光调制器结构的能带结构请参阅图18。因此，将一束波长为1082nm的光波通过结构四所述量子点光调制器结构，并周期性地改变其上的偏置电压，使它在0V和-9V之间调制，从调制器透射的该1082nm光波的强度即被调制。若偏置电压在0V和-9V之间跳变，透射光即在“有光”，和“无光”这两种状态下变化，这样就实现了光开关的工作模式。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。
Claims (24)
1、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上，该势垒层为AlGaAs或AlAs材料；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
一p型掺杂层，该p型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；
所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和p型掺杂层为GaAs材料。
2、根据权利要求1所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
3、根据权利要求1所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
4、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上，该势垒层为AlGaAs或AlAs材料；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
一n型掺杂层，该n型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；
所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和n型掺杂层为GaAs材料。
5、根据权利要求4所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
6、根据权利要求4所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
7、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上，该势垒为A1GaAs或AlAs材料；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
8、根据权利要求7所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
9、根据权利要求7所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
10、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一量子点层，该量子点层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于量子点层之上；
在上述第一未掺杂层与第二未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一势垒层，该势垒层生长于第二未掺杂层之上，该势垒层为AlGaAs或AlAs材料；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于势垒层之上，提供了外加电压的作用空间；
所述势垒层的带隙大于第二未掺杂层以及第三未掺杂层的带隙；
所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
11、根据权利要求10所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用量子点层和势垒层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
12、根据权利要求10所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中量子点层为InAs或InGaAs量子点。
13、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上，该量子点层为InAs或InGaAs量子点；
该第二未掺杂层作为间隔层将势垒层和量子点层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一p型掺杂层，该p型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；
所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和p型掺杂层为GaAs材料。
14、根据权利要求13所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
15、根据权利要求13所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中势垒层为AlGaAs或AlAs材料。
16、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上，该量子点层为InAs或InGaAs量子点；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
一n型掺杂层，该n型掺杂层生长于第三未掺杂层之上，是这一结构的表面层，可用于引出正面电极；
所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层、第三未掺杂层和n型掺杂层为GaAs材料。
17、根据权利要求16所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
18、根据权利要求16所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中所述势垒为AlGaAs或AlAs材料。
19、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一p型衬底，在该衬底上进行材料生长；
一p型缓冲层，该p型缓冲层生长于p型衬底之上，该p型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于p型缓冲层之上，其可提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上，该量子点层为InAs或InGaAs量子点；
该第二未掺杂层作为间隔层将量子点层和势垒层分开，同时在外加电压的作用下与势垒层形成空穴势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
所述p型衬底、p型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
20、根据权利要求19所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
21、根据权利要求19所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中所述势垒为AlGaAs或AlAs材料。
22、一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中包括：
一n型衬底，在该n型衬底上进行材料生长；
一n型缓冲层，该n型缓冲层生长于n型衬底之上，该n型缓冲层的生长可有效防止衬底缺陷向外延层扩展；
一第一未掺杂层，该第一未掺杂层生长于n型缓冲层之上，提供了外加电压的作用空间；
一势垒层，该势垒层生长于第一未掺杂层上面；
一第二未掺杂层，该第二未掺杂层生长于势垒层之上；
所述势垒层的带隙大于第一未掺杂层以及第二未掺杂层的带隙；
一量子点层，该量子点层生长于第二未掺杂层之上，该量子点层为InAs或InGaAs量子点；
该第二未掺杂层作为间隔层将势垒层和量子点层分开，同时在外加电场的作用下与势垒层形成电子势阱；
一第三未掺杂层，该第三未掺杂层生长于量子点层之上，提供了外加电压的作用空间；
在上述第二未掺杂层与第三未掺杂层共同作用下，在该量子点层内将形成三维量子化的分立能级；
所述n型衬底、n型缓冲层、第一未掺杂层、第二未掺杂层和第三未掺杂层为GaAs材料。
23、根据权利要求22所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中采用势垒层和量子点层形成有源区，利用这一结构的能带随外加电压的变化实现光强调制，用于制备光调制器和光开关。
24、根据权利要求22所述的一种量子点光调制器有源区结构，其特征在于，其中势垒层为AlGaAs或AlAs材料。
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2007
- 2007-10-17 CN CN200710175972A patent/CN100589012C/zh not_active Expired - Fee Related
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