CN1319175C - 基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵 - Google Patents

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Abstract

一种基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，列阵中的每个光调制器/探测器的结构相同，其中包括：一衬底；一布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上；一多量子阱光吸收区，该多量子阱光吸收区制作在布拉格反射镜上，该多量子阱光吸收区的面积小于布拉格反射镜的面积；一高反布拉格反射镜，该高反布拉格反射镜制作在多量子阱光吸收区上，该高反布拉格反射镜的面积与多量子阱光吸收区的面积相同；正电极制作在高反布拉格反射镜上；负电极制作在布拉格反射镜上，并在多量子阱光吸收区的一侧；二氧化硅绝缘层、淀积在器件表面。

Description

基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，更具体的说，涉及一种基于激子效应的多量子阱光调制/光探测器列阵器件。
背景技术
随着垂直腔面发射激光器(VCSEL)和金属-半导体-金属(MSM)光探测器等适宜于光子集成的半导体器件的不断成熟和完善，波长在850nm附近的光通讯技术在短距离的并行光互连中焕发出新的活力。尤其是集光输入、输出及处理于一体的具备实时处理功能的智能像素(SmartPixels)的出现，更是将并行光互连技术推向一个新的台阶。但是，由于用于光发射的激光器和用于光接收的探测器结构上的差异，使得SmartPixels的制备要么工艺非常繁琐，要么器件功能受到限制。因此，寻找一种工艺兼容性好、具有较好性价比的器件结构是Smart pixels走向实用化的当务之急。
发明内容
本发明的目的就是提供一种既具备光的输入输出功能、又具有较高量子效率、制备工艺完全兼容的光子集成调制器/探测器列阵器件。考虑到系统集成的需要，本发明具有倒装焊的结构特点。
本发明一种基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，列阵中的每个光调制器/探测器的结构相同，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上；
一多量子阱光吸收区，该多量子阱光吸收区制作在布拉格反射镜上，该多量子阱光吸收区的面积小于布拉格反射镜的面积；
一高反布拉格反射镜，该高反布拉格反射镜制作在多量子阱光吸收区上，该高反布拉格反射镜的面积与多量子阱光吸收区的面积相同；
正电极制作在高反布拉格反射镜上；
负电极制作在布拉格反射镜上，并在多量子阱光吸收区的一侧；
三氧化硅绝缘层淀积在器件表面。
其中所说的衬底是为砷化镓材料。
其中多量子阱光吸收区是以砷化镓/铝镓砷多量子阱为吸收区、具有非对称谐振腔的P-i-n结构。
其中砷化镓/铝镓砷多量子阱，是由50对砷化镓/铝镓砷量子阱组成，在850nm处具有尖锐的吸收峰。
其中列阵中的单元具有完全相同的结构特征。
其中所说的布拉格反射镜是铝镓砷/砷化铝材料。
其中所说的高反布拉格反射镜是为铝镓砷/砷化铝材料。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明材料结构剖面示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，列阵中的每个光调制器/探测器的结构相同，其特征在于，其中包括：
一衬底201，该衬底201是为砷化镓材料；
一布拉格反射镜202，该布拉格反射镜202制作在衬底201上，其中所说的布拉格反射镜202是铝镓砷/砷化铝材料；
一多量子阱光吸收区204，该多量子阱光吸收区204制作在布拉格反射镜202上，该多量子阱光吸收区204的面积小于布拉格反射镜202的面积，其中多量子阱光吸收区是以砷化镓/铝镓砷多量子阱为吸收区、具有非对称谐振腔的P-i-n结构，其中砷化镓/铝镓砷多量子阱，是由50对砷化镓/铝镓砷量子阱组成，在850nm附近具有尖锐的吸收峰；
一高反布拉格反射镜205，该高反布拉格反射镜205制作在多量子阱光吸收区204上，该高反布拉格反射镜205的面积与多量子阱光吸收区204的面积相同，其中所说的高反布拉格反射镜205是为铝镓砷/砷化铝材料；
正电极207制作在高反布拉格反射镜205上；
负电极208制作在布拉格反射镜202上，并在多量子阱光吸收区204的一侧；
二氧化硅绝缘层203、206淀积在器件表面。
其中列阵中的单元具有完全相同的结构特征。
本发明器件的制备是基于半导体量子阱中的“激子”效应---处于量子阱中的激子吸收峰会随外加电场产生偏移。首先，利用分子束外延法(MBE)在砷化镓(GaAs)衬底上生长出以砷化镓/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)多量子阱为吸收区、具有非对称法布里-珀罗腔(ASFP)的p-i-n结构的材料，非对称法布里-珀罗腔是由两组反射率不同的布拉格结构的反射镜组成，其高低反射率在850nm附近分别为98％和30％。然后利用台面光刻技术将材料深刻至N型布拉格层，形成一个个分离的台面光调制器/探测器结构，最后分别为每个光调制器/探测器做好正负电极。这里，正负电极同处于与衬底相对一侧的平面上，器件的光窗口开在衬底一侧，是通过腐蚀除去不透光的衬底形成的，这样的结构使本发明很容易与其他材料制作的逻辑处理电路通过倒装焊实现混合光电集成。
如上所述制作的列阵中，每个器件都具有完全相同的结构，使用方法也非常接近：光从衬底一侧经具有较低反射率的布拉格结构进入多量子阱区并被部分吸收，进而被另一侧高反布拉格反射镜反射返回，吸收的多少可以通过调整加在器件正负电极上的偏压以改变多量子阱区激子吸收峰的位置来控制。当器件不加偏压时，其工作波长850nm位于ASFP腔模式波长且与激子吸收峰的位置相重合，器件对入射光具有很大的吸收和较小甚至为0的反射；当外加偏压而使激子的吸收峰向长波长方向移动时，850nm处的吸收系数减小，吸收减少而反射增大。因此，就器件本身来说，即可以作探测器，也可以作调制器。当器件作为调制器使用时，正负电极接调制电压信号；当器件作为探测器使用时，正负电极作为光电流的输出端子。
下面结合1×20列阵器件对制作过程及用法作进一步的说明，请参照示意图。
一、材料的生长制备
请参阅图2光调制器/探测器列阵的材料结构图，衬底采用半绝缘的GaAs。其制作工艺步骤如下：
1、在衬底101上生长厚度为72.5nm的(AlAs)，然后生长厚度为69nm的铝镓砷(Ga0.9Al0.1As)；同样的结构再重复一次，形成2对4层的n型布拉格半透半反镜102。
2、在102上生长厚度为122.5nm的n型AlAs和厚度分别为50nm和40nm的n型、i型铝镓砷(Al0.7Ga0.3As)作为缓冲层103。
3、在103上生长50对GaAs/AlGaAs量子阱结构作为吸收区104，组分及厚度参见图2。
4、在104上生长p型缓冲层105，组分及厚度参见图2。
5、在105上生长20.5对半的p型布拉格高反镜106，组分及厚度参见图2。
6、在106上生长p型的GaAs作为盖帽层107。
二、1×20光调制器/探测器面阵的形成
将步骤一生长好的材料通过光刻、淀积等工艺形成一个个独立的调制器/探测器，请参阅结构示意图1，每个RCE调制器/探测器具有各自的正负电极。其中201是衬底，202是n型布拉格高反镜，204是吸收区，205是p型布拉格半透半反镜，210是被探测光。具体制作工艺如下：
1、第一次光刻，刻至n型布拉格层，形成1×20台面列阵，每个台面呈长方形，长宽各为160μm、60μm，台面与台面中心间距300μm。
2、淀积二氧化硅绝缘层203、206。
3、第二次光刻，刻蚀出40×40μm2的正负电极窗口。
4、镀金属层。
5、第三次光刻，形成正负电极207、208。
至此，参阅图1，可以看出本发明具有如下的结构特点：一种光调制器/探测器列阵器件，光调制器/探测器单元在器件上呈线阵排列在一个衬底上，其中的每一个单元既可以作光调制器，也可以作探测器使用，它是由生长在GaAs衬底201上的由布拉格结构202、205形成的非对称法布里-珀罗腔、分别制作在202和205上的正负电极207、208、以及位于非对称法布里-珀罗腔中的多量子阱激子吸收区204所构成，203和206是淀积的二氧化硅绝缘层。
需要说明的一点是，光探测器/调制器面阵在与逻辑处理电路倒装焊完毕后，需要将不透光的衬底腐蚀除去，露出光窗口。被探测光通过n型布拉格结构进入由50对GaAs/AlGaAs量子阱组成的吸收区，继而被p型布拉格结构返回，再一次经过量子阱吸收区、n型布拉格结构输出，输出光强的大小可以通过加在正负电极上的反偏电压来控制。

Claims (7)

1、一种基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，列阵中的每个光调制器/探测器的结构相同，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上；
一多量子阱光吸收区，该多量子阱光吸收区制作在布拉格反射镜上，该多量子阱光吸收区的面积小于布拉格反射镜的面积；
一高反布拉格反射镜，该高反布拉格反射镜制作在多量子阱光吸收区上，该高反布拉格反射镜的面积与多量子阱光吸收区的面积相同；
正电极制作在高反布拉格反射镜上；
负电极制作在布拉格反射镜上，并在多量子阱光吸收区的一侧；
二氧化硅绝缘层、淀积在器件表面。
2、根据权利要求1所述的基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，其特征在于，其中所说的衬底是为砷化镓材料。
3、根据权利要求1所述的基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，其特征在于，其中多量子阱光吸收区是以砷化镓/铝镓砷多量子阱为吸收区、具有非对称谐振腔的P-i-n结构。
4、根据权利要求3所述的基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，其特征在于，其中砷化镓/铝镓砷多量子阱，是由50对砷化镓/铝镓砷量子阱组成，在850nm处具有尖锐的吸收峰。
5、根据权利要求1所述的基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，其特征在于，其中列阵中的单元具有完全相同的结构特征。
6、根据权利要求1所述的基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，其特征在于，其中所说的布拉格反射镜是铝镓砷/砷化铝材料。
7、根据权利要求1所述的基于激子效应的多量子阱光调制器/探测器列阵器件，其特征在于，其中所说的高反布拉格反射镜是为铝镓砷/砷化铝材料。
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