[發明專利]光電導器件

有效

• 申請號: 200580041877.4
• 申請日: 2005-12-07
• 公開（公告）號: CN101313412A
• 公開（公告）日: 2008-11-26
• 發明（設計）人: 羅伯特·N·薩克斯;馬修·M·加茲維耶基;斯蒂文·L·威廉姆森
• 申請（專利權）人: 派克米瑞斯有限責任公司
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 王以平

相關申請

本申請要求美國臨時專利申請第60/633,862號的優先權，該申請的申請日為2004年12月7日，其全部內容在此被參考引用。

技術領域

本發明涉及外延生長型半導體。

背景技術

為了通過激光脈沖產生皮秒(picosecond)或者亞皮秒(subpicosecond)級電瞬態，需要使用特殊加工過的半導體，最合適的為低溫生長型GaAs(LT-GaAs)。基于這種材料的光電導開關能夠對短激光脈沖做出快速響應并且當被配置為脈沖發生器時能夠產生快速的電瞬態。它還可以配置成采樣門以對未知電波的短暫的(皮秒級)片段進行采樣和測量。通過順序采樣組成電波的所有片段來重建和顯示電波形狀，這是采樣示波器的本質。采樣門越快，電波就可以更快地被測量。輻射損傷的藍寶石上硅也可以用作光電導開關的基底半導體，盡管它比LT-GaAs的光電導特性差。良好的開關效率的條件是激光的波長在半導體中被強烈吸收。對于GaAs，意味著880nm或更短的波長，對應著與GaAs能帶隙、即1.42eV相等的光子能量。大于880nm的波長穿過半導體而不被顯著吸收。

對于強烈吸收的需求源于需要所有光生電子-空穴對(載流子)位于光電導間隙的高電場區域。形成的深于該區域的載流子對光電導過程沒有太大作用。電場的深度約為形成光電導開關的電極間距(0.50～2.0μm)大小，盡管最強的電力線是在該表面的第一個微米之內的那些電力線。

確實有在GaAs(及硅)中的吸收良好的飛秒(femtosecond)(10-^-15s)脈沖激光器，并在以往25年中被用來產生皮秒和亞皮秒電脈沖。這種激光器中最常見的一種為Ti:藍寶石(在800nm激發)，其體積大，是水冷卻的，且購買和維護昂貴。它們還不能利用光纖放大器進行放大，在該波長下的光纖元件難以制造(如果不是不可能的話)，需要使用自由空間的光學裝置來替代。

理想的光源是與其他電信部件兼容且可以用一般半導體泵激光器直接泵激的光源。它具有充分寬的發射波段以支持飛秒級脈沖。它還具有適合光纖放大的波長。此外還省電，是空氣冷卻的，緊湊且合乎Telcordia規格的免維護，且工作壽命長。新的電信激光技術已經給出這樣兩種根據工作波長劃分的激光器。它們分別是工作在1550nm的Er:玻璃激光器和工作在1060nm的Nd:玻璃激光器或者鐿激光器。這些波長在GaAs中產生接近零的光電流。為了利用這些新的光源需要開發一種新的半導體使之適合這些波長。

利用這些波長中的任何一個意味著半導體的能帶隙必須小于等于該激光的光子能量。1060nm和1550nm的能帶隙大約分別為1.15eV和0.8eV。作為在電信產業通常所用的半導體，生長于InP上的In_0.53Ga_0.47As的能帶隙為0.77eV并強烈吸收直至1650nm的光。然而，問題在于這樣的半導體如同所有縮小能帶隙半導體一樣，在配置為光電導開關時受到嚴格限制。

發明內容

本發明總體而言是一種半導體結構，例如光電導開關，包括：GaAs或者InP襯底；生長于襯底上的In_xGa_1-xAs外延層，其中x大于約0.01且小于約0.53：和在In_xGa_1-xAs外延層上生長的作為罩層(caplayer)的更寬能帶隙的外延層。

所述開關使利用波長大于例如880nm的亞皮秒激光器來產生和/或采樣亞皮秒電脈沖成為可能。

In_xGa_1-xAs層的厚度約為0.1～2.0μm，更寬能帶隙的外延罩層的厚度可以為約更寬能帶隙的外延罩層可以是InP。或者，罩層也可以是化學定量的GaAs或者非化學定量的GaAs、化學定量的AlGaAs或者非化學定量的AlGaAs、或者化學定量的InAlAs或非化學定量的InAlAs。非化學定量的外延層通常在比通常生長化學定量的外延層所需溫度低數百度的溫度下生長。

開關10在外延結構生長后進行原地(in-situ)或非原地(ex-situ)后退火加工。后退火溫度范圍可以為約400～700℃，后退火持續時間范圍為約5～30分鐘。