CN1909312B - 深量子阱电吸收调制器 - Google Patents
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Abstract
通过嵌入深的超薄的量子阱在量子阱有源区域中产生电吸收调制器的双阱结构。由位于常规量子阱中央的嵌入的深的超薄量子阱而引起的干扰降低了在周围更大的阱中的波函数的限制能态，并且通常使得空穴和电子波函数更限制在常规的量子阱的中央。由该电吸收调制器提供的消光比通常得到增加。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及用于调制光的电吸收调制器。
背景技术
电吸收调制器用来在光通信应用中调制光。通常，电吸收调制器调制由连续光源产生的光。电吸收调制器一般通过允许或防止光通过电吸收调制器来调制光。表征电吸收调制器的光调制性能的特性的主要参数之一是消光比。消光比是电吸收调制器的最大功率输出与最小功率输出之比。通常由于在有源层中产生更多电子-空穴对而使得光吸收更高从而产生了更高的消光比。
对于光通信应用，感兴趣的是能够以40Gb/s的数据率工作的电吸收调制器。通常电吸收调制器基于量子限制斯塔克效应。跨过量子阱结构施加的电场通过量子阱限制斯塔克效应改变量子阱结构的有效带隙能量。当反向偏压施加至p-i-n结时，电吸收调制器吸收光。由于在施加反向偏压时几乎没有电流流过，调制速率受到对电吸收调制器的电容充电和放电所需要的时间的限制。
存在大量与电吸收调制器的多量子阱设计以及对性能参数的影响相关的折衷。所有的电吸收调制器的设计和操作通常代表了各种限制之间的折衷。通过更长的调制器、更多的量子阱或者更高的电压摆动操作增加吸收，可获得更高的消光比。但是调制速率受到了不利的影响，因为更长的调制器导致更高的电容而且量子阱数目的增加加大了载流子提取时间。
如上所述，典型的电吸收调制器在反向偏压下工作，该偏压产生的施加电场使得电子和空穴波函数分离，其中空穴分布朝向量子阱的p掺杂侧分布，电子分布朝向量子阱的n掺杂侧分布。这种光生载流子之间的物理分离意味着吸收降低，这与如果保持空穴和电子波函数之间的交叠相比，降低了消光比。图1通过在室温下检查八量子阱InGaAsP调制器的光电流吸收谱示出了这个效应。曲线101表示在零反向偏压下的接近理想的光电流吸收谱，在λ～1490nm处具有陡峭的带边跃迁，伴随着激子吸收谐振。当反偏电压增加至如曲线105所示的约1.25伏、如曲线110所示的约2.5伏、如曲线115所示的约3.75伏时，吸收边由于量子限制斯塔克效应移至更长的波长。随着反向偏压增加，吸收量减小，这是因为在量子阱区域中空穴和电子分布之间的分离增加。
发明内容
根据本发明，通过将深的超薄量子阱嵌入量子阱有源区中而产生电吸收调制器中的双阱结构。由位于常规量子阱中央的该嵌入的深的炒超薄量子阱而引起的干扰降低了在周围更大的阱中的波函数的限制能态，并且通常使得空穴和电子分布更限制在常规的量子阱的中央。所产生的空穴和电子波函数的空间交叠改善增加了量子阱吸收。因此，由电吸收调制器提供的消光比通常得到增加。
附图说明
图1示出反向偏压的不同值下的吸收-波长；
图2a示出根据本发明的量子阱的成分分布；
图2b示出根据本发明的对应于图2a的层结构；
图2c示出根据本发明的波长漂移-铟浓度；
图3a示出根据本发明的实施例的成分分布；
图3b示出根据本发明的光调制半导体结构的成分分布；
图3c示出根据本发明的对应于图3a的层结构；
图4a-4b示出根据本发明的处理时间和气流；
图5示出根据本发明的成分分布和现有技术的成分分布之间的比较；
图6示出根据本发明的实施例的能带图。
具体实施方式
图2a示出根据本发明的实施例的量子阱的成分分布。GaAs垒层210在InGaAs量子阱220的顶部处提供零铟含量的参考水平。InGaAs量子阱220是高度应变量子阱，其中嵌入的、深的、超薄量子阱225嵌入InGaAs量子阱220以形成子阱。量子阱220是在GaAs上使用的典型的量子阱。由嵌入的、深的、超薄量子阱225引入的干扰将量子阱220中的波函数240的限制能态230降低至限制能态235。考虑到量子阱220的典型成分InyGa(1-y)As，嵌入的、深的、超薄量子阱225的成分通常是InxGa(1-x)As的形式，其中y通常在约0.35-0.4的范围。y的值通常被选择成从没有加入嵌入的、深的、超薄量子阱225的量子阱220获得可能得到的最长波长。
图2b示出与图2a的量子阱成分分布相对应的层结构。高度应变的InGaAs量子阱层220生长在GaAs垒层210上，通常总厚度约为60埃。在生长第一约为30埃的InGaAs量子阱层220后，生长通常约10埃厚的嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层225，选择该生长以保持相干层，从而使得嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层225也是高度应变的。引入例如锑的表面活性剂以使得量子阱层或多量子阱堆栈(stack)能够相干生长。锑的引入通过在MOCVD表面重建期间提高铟原子的迁移率，防止整个量子阱结构弛豫。在生长嵌入的、深的、超薄的薄InxGa(1-x)As量子阱层220后，完成剩余的约30埃的高度应变的InGaAs量子阱层220的生长。接着在高度应变的InGaAs量子阱层120上生长GaAs垒层241。
图2c中的曲线200示出，厚度约为10埃的嵌入的、深的、超薄的InxGa(1-x)As量子阱层225的铟含量和波长偏移的关系，x的范围为约0.4至约0.85。InyGa(1-y)As量子阱层220厚度约为60埃，其中y约为0.4。不具备嵌入的、深的、超薄的InxGa(1-x)As量子阱层225的不受干扰的量子阱层对应于70埃厚的InyGa(1-x)As量子阱层，其中y约为0.4，零反偏电压下的吸收波长约为1140nm。从图2c的曲线200可见，对于大于约0.4的x值而言，零反偏电压下的吸收波长随着铟浓度近似线性(以铟成分增加0.1波长偏移约30nm的速率)偏移。在铟成分为0.8时，零反偏电压下的吸收波长增加至约1270nm。
图3a示出根据本发明的类似于图1a的成分分布。GaAs垒层330和340分别在InyGa(1-y)As量子阱层350和360的顶部处提供参考能量。InyGa(1-y)As量子阱层350和360由GaAs垒层335分开。嵌入的、深的、超薄的InxGa(1-x)As量子阱层355嵌入InyGa(1-y)As量子阱层350中，嵌入的、深的、超薄的InxGa(1-x)As量子阱层365嵌入InyGa(1-y)As量子阱层360中。还示出了AlGaAs层310和320以及GaAs(1-z)Pz层315和325的能级。非有源层的典型的掺杂水平通常为约1·1017/cm3至3·1018/cm3。
除引入额外的应变降低层338之外，图3b类似于图3a。在InyGa(1-y)As量子阱层350和360之间引入应变降低层338，将GaAs垒层335变为GaAs垒层336和GaAs垒层337。
图3c示出对应于图3a的成分图的层结构300。通常在AIXTRON 2000反应器中，生长温度通常为约400℃至600℃，例如520℃，压强通常约为100mbar量级，通过MOCVD生长层结构300。通常选择量子阱层的生长条件以防止铟偏析。通常通过改变生长速率、生长温度和量子阱层的应变来实现这一点。在约25秒的时间生长通常约150埃厚的AlGaAs层310后，在约22秒的时间生长约100埃厚的GaAs(1-z)Pz层315。GaAs(1-z)Pz层315是张应变层，该层由于起到应变补偿层的作用而被引入从而将层结构300上的总体应变最小化。GaAs(1-z)Pz层315和325通常用于补偿嵌入的、深的、超薄的InxGa(1-x)As量子阱层355和365导致的应变增加。典型的z值为约0.05-约0.30。
通常，GaAs(1-z)Pz层315和325可分别位于InyGa(1-y)As量子阱层350和360、以及GaAs垒层330和340的周围。也可以采用其它类型的应变补偿层GaAsN、AlGaAsP、GaInP、InGaAsP、AlInGaAsN。
在GaAs(1-z)Pz层315上生长GaAs垒层330。厚约100埃的GaAs垒层330的生长通常需要16秒。在GaAs垒层330上生长厚约30埃的InyGa(1-y)As量子阱层350，生长时间约为4秒，其中y通常为约0.3-0.45。然后将嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355嵌入InyGa(1-y)As量子阱层350中。在根据本发明的实施例中，x的值通常选择成在接近1300nm处实现吸收。厚约10埃的嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355生长时间通常为3秒。接着生长另外的厚度约为30埃的InyGa(1-y)As量子阱层350，生长时间通常为4秒。在InyGa(1-y)As量子阱层350上生长GaAs垒层335。GaAs垒层335的生长通常需要16秒，厚度约为100埃。
在GaAs垒层335上生长InyGa(1-y)As量子阱层360(y通常为约0.3-0.45)，生长时间约为4秒，通常厚度约为30埃。然后将嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层365嵌入InyGa(1-y)As量子阱层360中。通常厚约10埃的嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层365生长时间通常为3秒。接着生长另外的厚度约为30埃的InyGa(1-y)As量子阱层360，生长时间为4秒。在InyGa(1-y)As量子阱层360上生长GaAs垒层340。GaAs垒层340的生长通常需要16秒，厚度通常约为100埃。持续约22秒生长GaAs(1-z)Pz层325，厚度约100埃。GaAs(1-z)Pz层325是张应变层，该层由于起到应变补偿层的作用而被引入从而将层结构300上的总体应变最小化。可以采用其它的应变补偿层。然后生长AlGaAs层320约25秒，厚度通常约为150埃。
图4a和4b示出根据本发明的InyGa(1-y)As量子阱层350、360以及嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355、365的两个生长方案的相关的气体流动。图4a中，首先开始三甲基镓气流410和三乙基镓气流420。将三甲基铟气流415开启约4秒以生长第一、约30埃的InyGa(1-y)As量子阱层350。与三甲基铟气流415同时关闭三乙基镓气流420，并开启三甲基铟气流440约3秒以生长嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355。当嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355生长完毕时，开启三乙基镓气流420，并又开启三甲基铟气流415约4秒，以生长最后的约30埃厚的InyGa(1-y)As量子阱层350。接着生长GaAs垒层335约5秒。当GaAs垒层335生长完毕时，开启三甲基铟气流415约4秒以生长第一、约30埃的InyGa(1-y)As量子阱层360。与三甲基铟气流415同时关闭三乙基镓气流420，并开启三甲基铟气流440约3秒以生长嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层365。当嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层365生长完毕时，开启三乙基镓气流420，并又开启三甲基铟气流415约4秒，以生长最后的约30埃厚的InyGa(1-y)As量子阱层360。
在图4b中，首先开始三甲基镓气流450。开启三甲基铟气流455约4秒以生长第一、约30埃的InyGa(1-y)As量子阱层350，接着与三甲基镓气流450一起关闭三甲基铟气流455。然后开启三乙基镓气流460和三甲基铟气流480约3秒以生长嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355。当嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层355生长完毕时，开启三甲基镓气流450，并开启三甲基铟气流455约4秒以生长最后的约30埃厚的InyGa(1-y)As量子阱层350。接着生长GaAs垒层335约5秒。当GaAs垒层335生长完毕时，开启三甲基铟气流455约4秒，以生长第一、约30埃的InyGa(1-y)As量子阱层360，接着与三甲基镓气流450一起关闭三甲基铟气流455。然后开启三乙基镓气流460和三甲基铟气流480约3秒以生长嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层365。当嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)As量子阱层365生长完毕时，开启三甲基镓气流450，并开启三甲基铟气流455约4秒以生长最后的约30埃厚的InyGa(1-y)As量子阱层350。
根据本发明，深量子阱层可用在如InGaAsSb、InP、InGaAsP、AlInGaAs和InGaN的其它材料系统中。例如，图5示出根据本发明的分别具有嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)N量子阱层520、522、524和526的InyGa(1-y)N多量子阱层510、512、514和516的成分分布，叠加在现有技术InyGa(1-y)N多量子阱层511、513、515和517的成分分布上。注意，分别具有根据本发明的嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)N量子阱层520、522、524和526的InyGa(1-y)N多量子阱层510、512、514和516完全类似于分别具有嵌入的、深的InxGa(1-x)As量子阱层355和365的InyGa(1-y)As量子阱层350和360，并由GaN垒层501、503和505分隔。通常InyGa(1-y)N多量子阱层511、513、515和517中每一个的厚度都为约3nm至约4nm。使用分别具有嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)N量子阱层520、522、524和526的InyGa(1-y)N多量子阱层510、512、514和516，使得InyGa(1-y)N多量子阱层510、512、514和516的铟含量能够降低几个百分点。但是，对于嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)N量子阱层520、522、524和526而言，典型的x值通常大于约0.5。
在常规的现有技术InyGa(1-y)N多量子阱层511、513、515和517中出现的强压电场，导致在常规的现有技术InyGa(1-y)N多量子阱层511、513、515和517中电子和空穴的波函数分离，这也降低了量子阱的吸收。
根据本发明，可以用类似于InGaAs和InGaN系统中的结构，在InGaAsP材料系统中构造电吸收调制器。讨论相关的InGaAsP材料系统的文献包括：Billia et al.，IEEE Photonics Technology Letters，vol.17，no.1，pp.49-51，2005；Ishikawa et al.，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.30，no.2，pp.562-569，1994；以及Minch et al.，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.35，no.5，pp.771-782，1999，在此引入这些文献作为参考。
例如，对于典型的通信应用而言，在InxGa(1-x)AsyP(1-y)材料系统中是应变平衡(导致与极化无关)的电吸收调制器通常具有这样的垒层：其带隙能量为约1350nm至约1400nm，并具有x的典型值为约0.51，y的典型值约为0.75的成分。InxGa(1-x)AsyP(1-y)多量子阱层通常具有约1600nm的带隙能量，x的典型值为约0.74，y的典型值约为0.75。在每层InxGa(1-x)AsyP(1-y)多量子阱层中的嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层再次起到降低每个InxGa(1-x)AsyP(1-y)多量子阱的带隙能量的作用。例如，对于带隙能量约为1700nm，张应变约为0.4％而言，每个嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层的x值都约为0.48，y值都约为1。对于约为0.5％的压应变而言，每个嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层的x值都约为0.66，y值都约为0.89。注意，嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层的砷含量高于其所嵌入的InGaAsP量子阱的砷含量。另一方面，在InGaAsP材料系统中，每个嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层的铟含量可以更高或更低。
可选地，根据本发明，例如，对于典型的通信应用而言，在InxGa(1-x)AsyP(1-y)材料系统中电吸收调制器可能是晶格匹配的(导致与极化相关)，其通常具有这样的垒层：带隙能量为约1350nm至约1400nm，并具有x的典型值为约0.69，y的典型值约为0.68的成分。InxGa(1-x)AsyP(1-y)多量子阱层通常具有约1600nm的带隙能量，x的典型值为约0.61，y的典型值约为0.84。在InxGa(1-x)AsyP(1-y)多量子阱层的每一个中嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层再次起到降低每个InxGa(1-x)AsyP(1-y)多量子阱的带隙能量的作用。例如，对于带隙能量约为1700nm并且晶格匹配的结构而言，每个嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层的x值都约为0.54，y值都约为0.98。注意，嵌入的、深的、超薄InxGa(1-x)AsyP(1-y)量子阱层的砷含量高于其所嵌入的InGaAsP量子阱的砷含量。还应当注意的是，也可以采用晶格匹配的InxGa(1-x)As作为嵌入的量子阱。
图6示出处于反偏电压下的根据本发明的深量子阱电吸收调制器结构的能带图600。在能带图600中，嵌入的深量子阱615位于常规的量子阱610的中央。在反偏电压下，当不存在深量子阱615时，电子波函数625和空穴波函数620通常并未对准。嵌入的深量子阱615的存在提供了额外的限制：起到了将空穴和电子分布朝向量子阱610的中央局域化的作用。因此，嵌入的深量子阱615有效地将空穴和电子从它们各自的界面推向量子阱610的中央，如阴影部分的电子波函数625’和阴影部分的空穴波函数620’所示。所产生的电子和空穴分布之间的空间交叠的改进在量子阱610中提供了更强的吸收。这使得具有嵌入的深量子阱结构的电吸收调制器的消光更大。
虽然深量子阱提供更强的吸收，但是对于给定的施加电场而言，斯塔克移动得到减小。这是与根据本发明的深量子阱结构相关的折衷。但是，深量子阱结构提供了相当大的设计自由度，因为嵌入的深量子阱615可以从常规量子阱610的中央移动，以优化深量子阱电吸收调制器的性能。类似地，可以调整嵌入的深量子阱615的成分和厚度以提高性能。根据本发明的嵌入的深量子阱结构提供了提高电吸收调制器的性能的额外的自由度。
尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，根据上面的说明书，许多替换方式、改进和变化是显而易见的。因此，本发明旨在包括所有在所附的权利要求书的精神和范围之内的其它的这种替换方式、改进和变化。
Claims (19)
1.一种电吸收调制器，包括：
衬底；
在所述衬底上形成的多个半导体层；
所述多个半导体层之一包括具有第一成分的第一量子阱区域；以及具有第二成分的第二量子阱区域，所述第二量子阱区域嵌入在所述第一量子阱区域中，
其中，所述半导体层之一是张应变层。
2.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二成分的铟含量比所述第一成分的高。
3.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二成分的砷含量比所述第一成分的高。
4.如权利要求1到3的电吸收调制器，其中所述张应变层包含GaAsP。
5.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二量子阱区域包含铟、镓和砷。
6.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二量子阱区域包括铟、镓和氮。
7.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二量子阱区域包括铟、镓和磷。
8.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第一量子阱区域包括磷。
9.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第一量子阱区域包括锑。
10.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二量子阱区域嵌入在所述第一量子阱区域的中央。
11.如权利要求1的电吸收调制器，其中所述第二成分的第二带隙在数值上小于所述第一成分的第一带隙。
12.一种用于制备电吸收调制器的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成多个半导体层，其中所述半导体层之一包括具有第一成分的第一量子阱区域；以及
将第二量子阱区域嵌入所述第一量子阱区域中，所述第二量子阱区域具有第二成分，
其中，所述半导体层之一是张应变层。
13.如权利要求12的方法，其中所述第二成分的第二带隙在数值上小于所述第一成分的第一带隙。
14.如权利要求12的方法，其中所述第二成分的铟含量比所述第一成分的高。
15.如权利要求12的方法，其中所述第二成分的砷含量比所述第一成分的高。
16.如权利要求12的方法，其中所述第一量子阱区域包括磷。
17.如权利要求12的方法，其中所述第二量子阱区域包含铟、镓和砷。
18.如权利要求12的方法，其中所述第二量子阱区域嵌入在所述第一量子阱区域的中央。
19.如权利要求12的方法，其中所述第二量子阱区域包括铟、镓和磷。
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