[发明专利]光电导器件

说明书

相关申请

本申请要求美国临时专利申请第60/633,862号的优先权，该申请的申请日为2004年12月7日，其全部内容在此被参考引用。

技术领域

本发明涉及外延生长型半导体。

背景技术

为了通过激光脉冲产生皮秒(picosecond)或者亚皮秒(subpicosecond)级电瞬态，需要使用特殊加工过的半导体，最合适的为低温生长型GaAs(LT-GaAs)。基于这种材料的光电导开关能够对短激光脉冲做出快速响应并且当被配置为脉冲发生器时能够产生快速的电瞬态。它还可以配置成采样门以对未知电波的短暂的(皮秒级)片段进行采样和测量。通过顺序采样组成电波的所有片段来重建和显示电波形状，这是采样示波器的本质。采样门越快，电波就可以更快地被测量。辐射损伤的蓝宝石上硅也可以用作光电导开关的基底半导体，尽管它比LT-GaAs的光电导特性差。良好的开关效率的条件是激光的波长在半导体中被强烈吸收。对于GaAs，意味着880nm或更短的波长，对应着与GaAs能带隙、即1.42eV相等的光子能量。大于880nm的波长穿过半导体而不被显著吸收。

对于强烈吸收的需求源于需要所有光生电子-空穴对(载流子)位于光电导间隙的高电场区域。形成的深于该区域的载流子对光电导过程没有太大作用。电场的深度约为形成光电导开关的电极间距(0.50～2.0μm)大小，尽管最强的电力线是在该表面的第一个微米之内的那些电力线。

确实有在GaAs(及硅)中的吸收良好的飞秒(femtosecond)(10-^-15s)脉冲激光器，并在以往25年中被用来产生皮秒和亚皮秒电脉冲。这种激光器中最常见的一种为Ti:蓝宝石(在800nm激发)，其体积大，是水冷却的，且购买和维护昂贵。它们还不能利用光纤放大器进行放大，在该波长下的光纤元件难以制造(如果不是不可能的话)，需要使用自由空间的光学装置来替代。

理想的光源是与其他电信部件兼容且可以用一般半导体泵激光器直接泵激的光源。它具有充分宽的发射波段以支持飞秒级脉冲。它还具有适合光纤放大的波长。此外还省电，是空气冷却的，紧凑且合乎Telcordia规格的免维护，且工作寿命长。新的电信激光技术已经给出这样两种根据工作波长划分的激光器。它们分别是工作在1550nm的Er:玻璃激光器和工作在1060nm的Nd:玻璃激光器或者镱激光器。这些波长在GaAs中产生接近零的光电流。为了利用这些新的光源需要开发一种新的半导体使之适合这些波长。

利用这些波长中的任何一个意味着半导体的能带隙必须小于等于该激光的光子能量。1060nm和1550nm的能带隙大约分别为1.15eV和0.8eV。作为在电信产业通常所用的半导体，生长于InP上的In_0.53Ga_0.47As的能带隙为0.77eV并强烈吸收直至1650nm的光。然而，问题在于这样的半导体如同所有缩小能带隙半导体一样，在配置为光电导开关时受到严格限制。

发明内容

本发明总体而言是一种半导体结构，例如光电导开关，包括：GaAs或者InP衬底；生长于衬底上的In_xGa_1-xAs外延层，其中x大于约0.01且小于约0.53：和在In_xGa_1-xAs外延层上生长的作为罩层(caplayer)的更宽能带隙的外延层。

所述开关使利用波长大于例如880nm的亚皮秒激光器来产生和/或采样亚皮秒电脉冲成为可能。

In_xGa_1-xAs层的厚度约为0.1～2.0μm，更宽能带隙的外延罩层的厚度可以为约更宽能带隙的外延罩层可以是InP。或者，罩层也可以是化学定量的GaAs或者非化学定量的GaAs、化学定量的AlGaAs或者非化学定量的AlGaAs、或者化学定量的InAlAs或非化学定量的InAlAs。非化学定量的外延层通常在比通常生长化学定量的外延层所需温度低数百度的温度下生长。

开关10在外延结构生长后进行原地(in-situ)或非原地(ex-situ)后退火加工。后退火温度范围可以为约400～700℃，后退火持续时间范围为约5～30分钟。