CN1408073A - 具有电可调传递功能的半导体光电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电装置，它包括至少三个选定形状的半导体层(1－3)及两空气隙的交替叠放。所述半导体层(1－3)为“N”或“P”型掺杂，相邻层的掺杂类型相同或不同，所述半导体层之间由未特意掺杂(“I”型)或特意掺杂(N或P型)的隔离层(8，9)分隔开，形成一个气腔(10－1，10－2)PINIP或NIPIN结构，所述半导体层适合承受选定的相应电势。所述层(1－3)和隔离层各自的厚度和组成这样选择，使得所述结构具有至少一种适合待处理光的光传递功能，所述功能可根据施加给半导体层的选定电势加以调节。

Description

具有电可调传递功能的半导体光电装置
本发明涉及具有电可调光谱传递功能的半导体光学装置，尤其是“微光电机械”(micro-opto-électro-mécanique)装置，其缩写为MOEM。
这类装置在Chang-Hasnain等人的专利US 5629951及US5771253中特别描述过。准确地讲，它们包括一底布拉格反射镜和一顶布拉格反射镜，所述镜由不同折射指数的半导体材料交叠而成。两布拉格反射镜之间由半导体隔离层分隔开，形成充满空气的Fabry-Pérot型垂直腔。其中一镜在静电作用下可变形，以改变气腔厚度，从而改变Fabry-Pérot腔的光谱特性。因此，该结构可作为波长可调滤波器、或光电检测器又或如波长可调谐激光器。
这些装置必须使布拉格反射镜之一的各层一同移动，因而，考虑到所述悬空结构的机械刚性，必需相对较强的电场。另外，它们只能确保单一的信号光学处理功能(可调滤波)，这限制了其在高度集成的光电子元件中的使用。
本发明的目的在于弥补上面所述的全部或部分缺陷。
为此，它所提出的一种半导体装置包括：
至少三个选定形状的半导体层及两空气隙交替叠放；这些半导体层包含有“N”或“P”型掺杂剂，相邻层的掺杂剂相同或不同，所述半导体层之间由未特意掺杂的半导体隔离层(“I”型)分隔开，以确定有空腔的PINIP或NIPIN结构，所述结构包括至少两个PIN型子结构，所述半导体层适于分别承受选定的电势。
另外，在该装置中，这样选择各层和各隔离层的厚度、组成及掺杂剂，使得所述结构具有至少一种适于待处理的光并可根据半导体层的选定电势进行调节的光传递功能。
若为NIPIN或PINIP型结构，既参与构成PIN子结构(结)又参与构成NIP子结构的各半导体层可沿一个方向或两相反方向移动，以改变所述子结构的传递功能，或所述结构的传递功能。为此，待移动层只需在两不同类型(NIP及PIN)的子结构的分界面处，并合适地选择各子结构的偏压即可。在结构中添加任何一PIN或NIP子结构，则可增加可被移动的层的数量，因而增加可调光谱传递功能的数量。
因此，各半导体层和隔离层的厚度及组成这样选择，使所述结构能根据选定的交替顺序，保证一种或几种可调传递功能，这些功能适合至少包括波长滤波、换向(commutation)及调谐(accordabilité)的功能(或其它功能)。
若为NIPIN型(或PINIP型)结构，其间夹有P型(或N型)中间层的两N型(或P型)端层有利地处于不同电势下，使得所述结构形成两串联子结构PIN及NIP，所述两子结构分别被加以反向和顺向偏压。在此情况下，传递功能的调节是这样实现的：通过改变分别施加在PIN和NIP子结构上的偏压，使N型(或P型)中间层相对于两P型(或N型)端层“朝上或朝下”(电动机械)移动。
可以想出不同的及/或更复杂的实施例。所述装置尤其可包括一个(或多个)特意N型(或P型)掺杂的附加半导体层，所述附加层位于PINIP或NIPIN结构的一N型(或P型)层的上游或下游部位，由未特意掺杂的“I”型或有N或P型掺杂的隔离层将其与该层分隔开，以形成例如NIPINIP或PINIPIN、或NIPPPIN或PPPINIP或PINNNIP、又或NNNIPPPIN或PPPINNNIP型的新结构。
这样，就形成了多功能装置，具有多种适合波长滤波、换向及调谐或类似功能的可调传递功能。
所述装置的至少一个半导体层可以是有源的，以使所述装置适合检测或产生光。
另外，所述装置的结构可形成于一衬底上，衬底和该结构之间可夹有一定尺寸及掺杂的隔离层。
最好，半导体层和隔离层采用III-V型材料实施，特别是砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)。此外，这些半导体层和隔离层最好通过外延附生技术结合选择性化学腐蚀技术来实施。
本发明的其它特征及优点体现于后文中参照附图进行的更详细的描述。附图中：
——图1为根据本发明的一装置的透视简图，所述装置为PINIP型，适于换向，
——图2A和2B为图1中所示装置的一部分的横剖面图，分别为未偏压、已偏压状态，
——图2C示出了图2A(实线)和2B(虚线)中装置的传递功能，
——图3A至3C为本装置的一种变型的一部分的横剖面图，分别为未偏压、第一偏压和第二偏压状态，
——图4示出了图3A至3C中装置的传递功能，
——图5A和5B为本装置另一种变型的一部分的侧视图，分别为未偏压、已偏压状态，其中各层中有一有源层。
所附各图基本上具有特定的特征。因此，它们不仅用于齐备本发明，必要时还限定本发明。
首先参照图1描述根据本发明的一装置的第一实施例，该装置用于对外部光线进行光学处理。
在如图1所示的实施例中，装置包括三个半导体层，其中两端层1、2夹着中间层3。这些层的形状最好大致相同。在图示实施例里，各层包括形状大致为矩形的两端部4、5，它们之间通过薄片6-i(此处，i＝1-3)相连，而所述薄片的中间部分有一加宽部7。
相邻层由分隔层(或隔离层)8、9隔开。更准确地讲，这些隔离层8、9形成于半导体层1-3的端部4、5处，以使其薄片6-i悬空而由空气隙相互隔开。
这样，端层1、2的各端部薄片6-1、6-2同中间薄片6-3限定了一垂直腔10-1、10-2，其高度H1、H2由隔离层8、9的厚度确定。
如图所示，这种结构最好形成于一半导体衬底13之上，衬底和该结构之间夹有隔离层14，以使端部薄片6-2以确定距离(等于隔离层14的厚度)悬空在衬底13之上。这种装置可连接到用于引入待处理光并收集处理过的光的耦合装置(如光纤耦合装置)。根据本发明，层1-3和隔离层8、9、14采用半导体材料、最好是III-V型半导体材料来实施。例如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)，或布置在InP衬底上面的InGaAs/InP或InAlAs/InGaAlAs型异质结构、或布置在GaAs衬底上的AlAs/GaAs型异质结构、又或GaAs衬底上的InGaP/GaAs型异质结构。
当然，这些材料只形成最佳实施例。
在图1所示的实施例中，夹着半导体中间层3的半导体端层1、2特意掺加有N型或P型杂质，半导体中间层3特意掺加有P型或N型杂质，这样，相邻两层的掺杂剂类型互不相同。此外，隔离层8、9采用未特意掺加杂质的半导体材料(I型)来实施，这样，当半导体端层1和2为P型时，装置构成PINIP型结构，当两端层为N型时，装置为NIPIN型结构。衬底13及隔离层14最好为I型。
如此形成的结构由两子结构PIN和NIP构成，它们有一公共层，即中间层3。换言之，在PINIP型结构中，子结构PIN与子结构NIP共有N型掺杂层，而NIPIN结构中，子结构NIP和子结构PIN共有P型掺杂层。
显然，各子结构PIN或NIP因而构成本领域技术人员所熟知的PIN结。
为便于理解本文，后文中姑且认为，在PINIP结构里，PIN结在NIP结上方。即，P型端部薄片6-1为上薄片，而同为P型的端部薄片6-2为下簿片。
各半导体层和隔离层1、3、14的厚度和组成，因此还有腔10-1和10-2的高度H1、H2，需根据装置的工作波长、需实施的传递功能来确定。例如，如图2A所示(其中未严格按比例)，半导体端层1、2及半导体中间层3的光学厚度可以约为kλ/4，其中k为一奇数，而两腔10-1和10-2的各高度H1和H2约为5λ/4(如图2A)。隔离层14的厚度则等于λ/2。在此条件下，所述结构形成λ波长的布拉格反射器(镜)。
比如，要使装置作为换向器工作，只需调节其传递功能，使其从保证反射镜功能的静止状态(如图2A)转换到确保发送器功能(如图2B)的状态即可，反之亦然。
根据本发明，调节传递功能可通过使至少一簿片6-i、最好为中间簿片6-3的电动机械移动来实现。要确保该簿片移动，所述簿片的厚度例如为λ/4，而簿片6-1和6-2厚度为3λ/4。
该移动可通过选择各腔10-1、10-2的偏压，即选择分别施加于所述结构的各半导体层的电势来实现。
事实上，如图2A所示，未偏压时，中间簿片6-3处于静止位置(或平衡位置)。相反，如图2B所示，当PIN结(由顶层1和中间层3构成)被加以反向偏压，同时NIP结(由中间层3和底层2构成)被加以顺向偏压时，整个电场由PIN结形成的顶腔10-1来承受。中间簿片6-2因而被上簿片6-1拉动取决于施加给各层的电势及各腔的特征的一定距离。由于两子结构PIN和NIP是串联的，只需赋予簿片6-1一相对于簿片6-3的负电势，就能实现所述的偏压条件。如果将该偏压颠倒，即赋予簿片6-3一相对于簿片6-1的负电势，则电场施加在底腔10-2上，簿片6-2被簿片6-3拉动。
作为举例，当中间簿片6-3的垂直位移约为λ/4(如图2B)，顶腔10-1的高度H1约等于5λ/4时，则在以上所述的第一种偏压情况下，腔的新高度H’1则变为5λ/4-λ/4，即λ。同样，底腔10-2的高度H2变为H’2，为5 λ/4+ /4，即3λ/2。在此偏压条件下，所述结构由反射镜状态转换成大波长范围发送器状态，因而使其可作换向器使用。
图2C示出了静止(图2A，实线)、偏压(图2B，虚线)时所述结构对波长配置λ＝1.55μm的波长的传递功能；衬底及悬空簿片为InP，隔离层为In0.45Ga0.49As。
所述结构的其它实施方式可实现多种其它功能。如，可用一个装置同时实现宽带或窄带波长滤波功能的装置，以及换向和波长调谐功能。
调谐及换向由施加给各半导体层的偏压电压来控制。
仅靠同一结构就可确保实现多种功能是本发明的主要优点。为此，可在图1、2所示的PINIP型结构(或另一类三层结构如NIPIN)中，在端层1、2的上游及/或下游部位，增添一个或几个附加半导体层，如图3A-3C、5A和5B举例所示。
更详细地讲，在如图3A所示的实施例里，最初为PINIP型的结构在P型顶层1的上游(上方)有一第一半导体层11，所述层有特意N型掺杂，由未特意掺杂的半导体隔离层12(I型)将其与所述顶层1分隔开，在所述第一层11之上，又有特意N型掺杂的第二半导体层15，由特意N型掺杂的半导体隔离层16将其与所述层11隔开。另外，所述结构在P型底层2的下游(下方)，包括一特意N型掺杂的第三半导体层17，由未特意掺杂的半导体隔离层18(I型)与所述底层2隔开。第一、二、三半导体层11、15、17的尺寸与其它各层1-3的大致相同。
该NNNIPINIPIN型结构在位于顶端的N型掺杂层15与位于底端的同样为N型掺杂的层17之间，限定了五个气腔10-1至10-5。
一方面层15和11的层对，另一方面层2和17的层对，构成了布拉格反射镜。
层1-3、11、15及17的光学厚度约等于kλ/4，其中K为一奇数，而腔10-1至10-5的厚度H1至H5分别约为5λ/4、λ/4、λ/2、λ/4及5λ/4。如图4中的透射比曲线(虚线)所示，这种结构，在其未被偏压时，为一带通滤波器，其光传递功能可保证传递波长集中在约1550nm的光。
通过对不同层施加电势，或换言之，对某些结PIN(或NIP)进行偏压，可移动其中一层或几层，并籍此调节所述结构的光传递功能。
更准确地讲，如图3B所示，通过调节光学厚度为H3＝λ/2的中间气腔10-3的厚度，可改变由该带通滤波器所传递的标称波长，以传递例如波长集中在约1470nm的光(参看图4中的左侧曲线)。
所述调节这样实现：把层1的中间部分(簿片6-1)向下移动δ高度，把层3的中间部分(簿片6-3)向上也移动δ高度，以使腔10-2至10-4的高度H2、H3、H4分别约等于(λ/4)+δ、(λ/2)-2δ和(λ/4)+δ。因此，所述结构可用作一可调谐滤波器。
另外，如图3C所示，调节光学厚度H5＝5λ/4的底气腔10-5的厚度，即削弱布拉格反射器之一的反射性能，这样可将静止时(无偏压)作为滤波器-其光传递功能保证传递波长集中在约1550mn的光-工作的所述结构转变成反射器，其透射比(传递功能)在图4中以虚线表示。
该调节这样获得：把底层17的中间部分(簿片6-17)向上移动λ/4高度，以使腔10-5的高度H5大致等于λ(而非5λ/4)。如此，所述结构可作为换向器工作。
因此，如图3A至3C所示的结构至少可保证在一个大的波长范围上的可调谐滤波及换向功能。
此处需注意，由于采用了NNNIPINIPIN型叠放，可以仅使用分别连接到端层15、17及中间层3的三个电触点，对四腔10-2、10-3、10-4、10-5中任何一个的端子施加加电场所需的偏压。
推而广之，在PINIP或NIPIN型结构的基础上还可考虑其它结构，用至少两个同类类掺杂(N或P)半导体层来代替其中至少一个半导体层(最初为N或P型)，它们之间由和原层有相同掺杂类型(N或P)的隔离层分隔开，且其形状大致与所述结构各层相同。这样，可形成例如NIPPPIN、PPPINIP、PINNNIP、NNNIPPPIN或PPPINNNIP型结构。
从图5A中能更清楚看出，所述装置还可包括一个或多个有源层，以允许生成光或检测光，与前述类型的装置的一种几种无源功能结合起来。
在该实施例中，所述结构的顶部包括一PIN型半导体子结构，其构成为：P型掺杂顶层1、N型掺杂底层3，两者之间间隔有未特意掺杂的(I型)隔离层8。该结构在其底部(层3下面)还有两半导体层19和20，所述两层有特意N型掺杂，其间以及与所述层3之间由N型掺杂的半导体隔离层21、22隔开。另外，在层20之下与其相靠，所述结构还包括一些有源层，这些有源层形成可从表面发射激光的垂直腔型激光器23，在该激光器23下面与其相靠，交替叠放形成底布拉格反射镜24的两类半导体层。
在该实施例里，气腔-半导体层在激光器23之上交替放置，形成顶布拉格反射镜。此处，腔10-1至10-3的高度H1、H2、H3分别约为5λ/4、λ/4和λ/4。
静止(未加偏压)时，由层1、3、19、20构成的结构的顶部用作反射镜，由激光器23产生的光被迫从底布拉格反射镜24射出所述结构(沿箭头F1)。
相反，当以合适的方式对该结构顶部(形成顶布拉格反射镜)加以偏压时，可迫使一个(或多个)悬空簿片移动，以调节腔10-1的高度H1。在如图5B所示的实施例中，使层1的簿片6-1向下移动约λ/4的高度，以使腔10-1的高度H1的值从5 λ/4变为λ。这种对顶布拉格反射镜的反射性能的调节改变了其传递功能，使其具备透射功能。因此，激光发射最好方向朝上，这样迫使发出的光从所述结构顶部沿箭头F2射出。
在该实施例中，所述结构因而可作为光发生器和滤波装置。
根据本发明的装置最好通过外延附生技术结合选择性化学腐蚀技术来实施。可考虑不同外延附生技术，只要它们可将各层厚度控制在原子层厚度的范围内。这些技术的例子有分子束外延附生(其英文缩写为MBE)、低压有机金属化合物汽相化学沉淀(英文缩写LP-MOCVD)或有压化学流外延附生(英文缩写CBE)。
这些技术可在原子壳层内控制厚度，确保优良的结晶质量和界面清晰。另外，它们还可相当精确地控制其组成和掺杂剂。最后，它们还可很好地控制残余机械应力。
此外，还有多种化学腐蚀技术，尤其是湿法，这些技术可对各悬空部分(簿片)进行选择性微加工。湿法腐蚀技术例如有针对InGaAs/InP系统的FeCl3：H2O或HF：H2O2：H2O、针对InAIAs/InGaAlAS和GaInP/GaAs系统的HCl：H2O或HCl：H3PO4，或针对AlAs/GaAs系统的HF。
当然，其中只涉及一些生长和腐蚀技术实施例。
另外，可通过欧姆触点对半导体层施加电压，所述触点最好由AuGe或Pd-AuGe或Ti-Pt-Au合金来实施。这些触点形成于所述结构两端部层上面，或在所述结构的各半导体层上，或在端层和某些中间层上面。如前所述，使用III-V型材料来实施半导体层及隔离层尤其有利。事实上，如前所述，III-V材料的异质结构的残余机械应力相当微弱，尤其可被控制，这就保证了悬空簿片具有对其电动机械移动必不可少的相对较大的挠性。
但也可考虑使用其它材料。如晶体硅和多晶硅。晶体硅结构可通过腐蚀二氧化硅层(SiO2)的SOI型技术来实施，这种技术英文称作“smart cut”。
虽可考虑多晶结构，但因为机械应力不易控制，以及限制了滤波应用的光吸收的可能性簿片的挠性不太佳。
此外，目前，硅不能使用在包括有源层的装置中。因此，它们只能以无源元件的形式使用。
根据本发明的装置具备多种优点，因为其小尺寸可允许它们应用在高度集成的电子元件中。例如，它们可用作GaAs或InP上的可调谐激光器，或作为谐振或非谐振可调谐光电检测器，或利用其对一定波长的换向功能用作调制器(调制可以是同步检测型，以便检测针对有用的调制信号进行，没有使用削波器时的那种调制干扰)。
还可想见其它多种应用，如应用在光通信、工业控制(如农业食品)、显微测光谱术领域中，尤其是环境(气体的透射或吸收检测)领域，或医学分析领域中。
一般地，根据本发明的装置特别适合信号的光学处理。
本发明并不局限于以上以举例方式所描述的装置的实施例，它还包括本领域的技术人员在所附权利要求的范围内可预见的各种变型。

Claims (13)

1.半导体装置，其特征在于，它包括交替叠放的至少三个选定形状的半导体层(1-3)及两空气隙，
这些半导体层中至少两层(1，2)有同类型的N或P型掺杂，而至少第三层(3)含有P型或N型掺杂，所述层(1-3)之间分别由选定的相应掺杂的隔离层(8，9)分隔开，以确定一气腔结构(10-1，10-2)，所述结构包括至少两PIN型子结构，可承受选定的相应电势，
所述层(1-3)和隔离层(8，9)各自的厚度、组成及掺杂剂这样选择，使得所述结构具有至少一种适合待处理的光的光传递功能，所述功能可根据施加给半导体层以使其在静电作用下变形的选定电势而调节。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半导体层(1-3)和隔离层(8，9)各自的厚度、组成及掺杂剂这样选择，使得所述结构具有至少一种可调传递功能，适合至少下述功能之一：波长滤波、换向及调谐。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，它包括至少一个由两N型掺杂层夹着一P型掺杂层构成的堆叠，所述层(2，3)由未特意掺杂的“I”型隔离层(8，9)分隔开，以形成一NIPIN型结构，所述N型掺杂层承受不同的选定电势，以使所述结构形成两串联的子结构NIP及PIN，当所述两子结构之一被加以反向偏压的同时另一子结构被加以顺向偏压，从而这样实现所述传递功能的变换：通过改变施加在NIP和PIN子结构上的相应偏压，使P型掺杂中间层相对于两N型掺杂质层移动。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，它包括至少一个由两P型掺杂层(1，2)夹着一N型掺杂层(3)构成的堆叠，所述层(1，2，3)由未特意掺杂的“I”型隔离层(8，9)分隔开，以形成一PINIP型结构，所述P型掺杂层承受不同的选定电势，以使所述结构形成两串联的子结构PIN和NIP，当所述两子结构之一被加以反向偏压的同时另一子结构被加以顺向偏压，从而这样实现所述传递功能的调节：通过改变施加在PIN及NIP子结构上的相应偏压，使N型掺杂层(3)相对于两P型掺杂质层(1，2)移动。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，它包括至少一个半导体附加层，所述层与形成PINIP或NIPIN型结构的半导体层(1，2，3)中至少之一有同类型的掺杂(N或P)，由和其有相同掺杂类型(N或P)的隔离层将其与所述层(1，2，3)分隔开，其形状和所述结构的各层(1-3)的形状大致相同。
6、根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，各层和隔离层的厚度及组成这样选择，使得所述结构具有实现波长可调谐选择性滤波的可调光传递功能。
7.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，各层和隔离层的厚度及构成组成这样选择，使得所述结构具有至少一种附加的可调光传递功能，实现包括波长滤波、换向及调谐的功能之一。
8.根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，它包括至少一个可检测或产生光的半导体有源层(23)。
9.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述凰1-3，11)中至少两层(1，2，11)包括有可施加电势的欧姆触点。
10.根据权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，它形成于一个衬底(13)上面。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，它形成于所述衬底(13)上面，衬底与其之间夹有选定尺寸和掺杂的隔离层(14)。
12.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述半导体层(1-3，11，15，17，19，20)及隔离层(8，9，12，14，16，18，21，22)由III-V型半导体材料实施，尤其是砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)。
13.根据权利要求1至11之一所述的装置，其特征在于，所述半导体层(1-3，11，15，17，19，20)及隔离层(8，9，12，14，16，18，21，22)通过外延附生技术和选择性化学腐蚀技术来实施。
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