專利名稱：：光晶體管的制作方法
技術領域：
：本發明屬于光束強度的轉換、選通、調制領域。特別是實現高速光調制、光開關和光探測的光晶體管。迄今為止，所使用和生產的光調制、光開關和光探測的器件種類繁多，所利用的原理也各不相同，如現有的紅外光調制技術利用的物理效應是法拉弟磁偏轉、光析變和Kerr效應、利用磁場和電場下固體光學性質的變化來實現，但其制造工藝都極為復雜，在申請日為90.01.23申請號為92108312.2的中國專利申請“測量半導體非平衡載流子壽命的新方法”中，提出利用光注入移動反射邊從而使另一束頻率在反射邊上的入射光在半導體表面的反射率大幅度地變化來測載流子壽命，這個原理，也可在光調制、光開關和光探上得以發展應用。本發明的目的是提供一種制造工藝簡單、便于操作的實現高速光調制、光開關和光探測兼有這三種功能的光晶體管。是利用光作用下半導體光學性質的變化來實現光調制，調制幅度大時是光開關，調制靈敏度高時是光探測。本發明的目的是這樣來達到的，由表面平整在紅外波段有良好反射、樣品中暗載流子濃度接近工作光束要求的濃度的窄帶或零禁帶半導體材料做成敏感樣品。用單色性好的相干光或具有連續譜的非相干光作為偏置光束照射敏感樣品，產生光生載流子，將敏感樣品的等離子體振蕩反射邊移到并維持在所需頻率的位置;再用一束波長在紅外到亞毫米波段的激光作為工作光束照射敏感樣品，且使工作光束的光斑被復蓋在偏置光束的光斑內，利用敏感樣品等離子體振蕩反射邊的陡峻的頻率特性，用偏光束的強度適度變化而使反射光束或透射光束的強度產生相應的靈敏變化，從而實現高速光調制、光開關和光探測。先對本發明的附圖作一簡單說明。圖1是用經典振子模型計算的77K時HgCdTe(x＝0.2)的反射譜。實線和虛線分別對應于ωp為125厘米-1和184厘米-1。圖2是本發明光晶體管的配置圖。圖中Ie表示工作光束4的強度，Ib為偏置光束5的強度，Ic為反射光束6的強度，7為透射光束。圖3是常用晶體管。基發射極e、基極b和集電極c三電極分別與光晶體管的工作光束Ie、偏置光束Ib、反射光束Ic相對應。圖4是采用薄樣品和襯底8的光晶體管配置圖。圖5是從襯底的傾斜側面法線方向11和13引入偏置光束的光晶體管配置圖。圖6是從一個傾斜面及該側面對邊的平面法線方向13、14引入偏置光束的光晶體管示意圖。圖7是具有尖劈形側面襯底的光晶體管示意圖。下面結合附圖對本發明作詳細闡述。眾所周知，在半導體反射譜的低頻端有一個陡峻的等離子體反射邊，習慣上把介電函數的實部∈1在區間內的反射譜定義為等離子體反射邊，簡稱為反射邊。這反射邊的位置和等離子體頻率ωp有關，反射邊的陡峻程度和對等離子體振蕩的阻尼有關，整個反射譜R(ω)可以用一個經典的振子模型定量描述ω2p=(4πNee2)/(ε∞m＊s)(3)其中n和K分別是折射率和消光系數，∈1和∈2是介電函數∈(ω)的實部和虛部，∈∞是所有帶間躍遷項對介電函數的貢獻，ωj、Sj和j分別是振子頻率、強度和阻尼，ωp和p分別是等離子體頻率和等離子體阻尼，Ne是載流子濃度，e是電子電荷，m＊s是載流子有效質量的能帶平均值。請參閱圖1，其中的實線是77K時HgCdTe(x＝0.2)的等離子體頻率在125厘米-1時的反射譜，可以用經典的振子模型準確地擬合，其他參數列于表1。反射譜有個極小值Rmin，其頻率位置為ωmin＝174厘米-1，當ωmin遠大于振子頻率時，Rmin接近于零，此時∈1＝1。在ωmin的低頻端，反射率急劇上升，直到接近全反射，此時∈1＝0。本發明的獨創之處在于把自由載流子濃度Ne和光生載流子聯系起來，從而把能產生本征激發的紅外輻射和反射邊的頻率位置聯系了起來，進而又利用反射邊陡峻的頻率特性，用反射邊去反射一束入射激光，從而把反射激光強度的變化和反射邊頻率位置的移動聯系起來，成為靈敏的指示。參閱圖2，用一束紅外輻射對入射激光束進行調制，即用能產生光生載流子的偏置光束5，其強度為Ib，Ib的變化會引起激光反射光束6強度Ic相應的變化。如果這種調制足夠靈敏，且入射光束4的強度Ie足夠強時，Ic的變化幅度將大大超過Ib的變化幅度，這是一種非常靈敏的光調制效應，也可以看成是探測紅外輻射的新方法和新器件。另一方面，當偏置光束5的紅外輻射很強時，反射邊被大幅度地移動，參見圖1虛線所示，此時ωp＝184厘米-1。對入射光束的反射率可以從接近零變化到全反射，如在圖1中由實線上的點1移到虛線上的點2處，就這個意義來說，這又是一種光開關的新方法和新器件。如圖2配置的效應可以在氣體、真空中、也可以在液體、固體介質中實現，三個光束Iε、Ib、Ic也可以由光纖傳輸。但是激光器往往只有一些分立頻率的激光發射，欲用反射邊去反射激光，可以使用一束強度穩定的光束作為偏置光束去照射樣品，產生并保持數目恒定的光生載流子從而將敏感樣品的等離子體振蕩反射邊移動到所需的頻率位置。從多年的研究工作表明，在簡并的窄帶半導體中不存在Landau阻尼，因此反射邊被移向高頻以后，其陡峻的形態不會改變。這是一個很重要的理論依據，詳情請參閱QianDingrong，L.Liu，W.SzuszkiewiczandW.Bardyszewski，Phys，Rev，B44，5540(1991)。如果一束光束將反射邊移到所須的頻率位置后并穩定維持不變，我們稱這束光為本底光束。另外再用一束輔助光束照射樣品并產生光生載流子去調制或開關入射激光束，這輔助光束又可被稱為調制光束或開關光束。本底光束和輔助光束的光子頻率可以不一樣，但它們須能在樣品內產生光生載流子，所以它們的波長可以在從可見到紅外的寬廣范圍內。本文中如果沒有特別說明，偏置光束泛指本底光束和輔助光束。當然也可以不使用輔助光束，而令偏置光束自身強度在所需要的數值間切換或變化，其較低的強度用以移動和維持樣品的等離子體反射邊在適當的頻率位置，而較高的強度用以調制或開關光晶體管。參見圖2和圖3，所示的光調制和開關器的功能極其類似于晶體管，所以稱它為光晶體管。它的物理基礎當然不是PN結，而是光和等離子體振蕩的互相作用。強度為Ie的入射光束可稱為工作光束4，強度為Ic的反射光束6又可稱為輸出光束。光晶體管在真空、氣體、液體或固體介質中都能工作，三個光束通過所在介質傳播或由光纖傳輸。將反射光束投向紅外探測器則構成組合探測器，光晶體管的功能類似光的前置放大器。類似于晶體管的共發極放大倍數，可以引入光晶體管的光強度調制倍數ββ=(dIc)/(dIb)=(dR)/(dωp)(4)其中ωb和Ib為偏置光束5的頻率和強度，Ie為工作光束4的強度，Ic為反射光束6的強度，η為偏置光中的調制或開關光束的量子效率，τ是光生非平衡載流子弛豫時間，A為光照面積，d為本征吸收長度，h為普郎克常數。為使光晶體管的調制作用達到最大，工作光束的頻率ωe恰好等于dR/dωp的極大值所在頻率ω1，這頻率略小于ωmin。由于室溫下τ短，可以制成高速開關，低溫下τ大，正好做高靈敏度調制器。對77K時的碲鎘汞HgCdTe和硒化汞HgSe樣品分別計算了各種濃度下的反射譜參數、材料參數及光晶體管光強調制倍數，結果列于表2，計算中所用的參數列于表1。由表2可知，對77K的HgCdTe(x＝0.2)材料，用波長為λb＝10.6微米和8.49微米的調制光束對波長λe＝118.8微米和49.3微米的甲醇激光器的強譜線的工作光束調制非常有效輸出光束的功率變化分別是調制光束功率變化的1812倍和156倍。這里假定偏置光束的能量ωe＝Ef+Eg，其中Ef是費米能級，Eg是禁帶寬度，工作光束的功率分別是100毫瓦和20毫瓦，事實上甲醇激光器的輸出還可以更強。這就是說，用波長為118.8微米和49.3微米的工作光束可以很靈敏地探測波長分別短于10.6微米和8.49微米的紅外輻射。為了進一步說明光晶體管的調制作用，計算了使ω1處的反射率增加1%，即dR’(ω)＝1%，必須增加的光生載流子濃度dNe和必須增加的偏置光束功率dIb。參閱表2和表3，光子能量為0.0939+0.0246＝0.1185電子伏特(λb＝10.5微米)和0.0939+0.0521＝0.146電子伏特(λb＝8.49微米)的調制光束功率dIb分別為0.549微瓦和1.28微瓦時，光生載流子濃度增加dNe＝1.02×1014厘米-3和1.19×1014厘米-3，可以使ω1處的反射率增加1%，即dR(ω1)＝1%。表3還給出了HgCdTe(x＝0.2)光晶體管的開關性能。當ωmin＝90厘米-1和214厘米-1時，為使ωmin處的反射率從Rmin增加到90%，須注入光生載流子使其濃度增加量△Ne分別為3.56×1016厘米-3和8.84×1016厘米-3，這要求波長λb＝10.5微米和8.49微米的開關光束功率分別為△Ib＝0.191毫瓦和0.59毫瓦。這表明光晶體管的開關性能是很靈敏的。表中還計算了77K時的HgSe光晶體管的性能，波長分別為λb＝3.77微米，1.52微米和1.05微米的偏置光束對波長為λe＝λl＝10.5微米，5微米和3.6微米的工作光束有一定的調制作用。同樣，任何波長短于上述λb的光束都可以作為調制光束。由于所需的調制功率△Ib比較大，所以還不能作微弱紅外輻射的探測。但是，考慮到1.06微米處有很強的激光，并且3.6微米是很有希望的紅外光纖通訊波長，HgSe光晶體管很有應用前景。光晶體管器件的樣品3分別可采用厚樣品和薄樣品。但樣品厚度tpl須等于或大于l2/tpc，l是等離子體吸收長度，tpc是光電導探測器厚度。樣品形狀無特殊要求，表面要平整，在紅外波段有良好的反射。樣品3中暗載流子濃度應盡量接近工作光束Ie的頻率要求的濃度，其數值請參見表2。這樣可以降低對偏置光束功率的要求。對于相同的載流子濃度，采用開禁帶半導體時偏置光束的光子能量較采用零禁帶半導體時大，可供實際應用時選擇。在樣品厚度來說，對厚樣品的厚度無要求，但薄樣品的厚度應等于或大于等離子體吸收長度，這個吸收長度和載流子濃度有關，對于實際應用的光晶體管，其值在100微米左右。薄樣品是膠合或外延生長在襯底8上，襯底材料和膠合面應能透過偏置光束和工作光束。下面介紹一些實施例。1.反射式光開關器參見圖2，使用厚樣品，工作光束4和偏置光束5照射樣品3的表面，入射角必須小于全反射角，偏置光束5的光斑必須大于工作光束4的光斑。反射光束6則從樣品表面反射射出。偏置光束5的強度Ib應剛好使反射谷的頻率ωmin等于入射的工作光束4的光子頻率ωe，此時反射光束6的強度Ic接近于零，即圖1中點1位置。若強度Ib增加，且幅度足夠大，則反射邊大幅度移動，以致使反射邊頂部全反射區移動到ωe處，如圖1點2所示，此時反射光束強度Ic接近入射的工作光束4的強度Ie。如果使用開關光束，可以從任何小于全反射角的方向入射。使用薄樣品，工作光束4從樣品正面照射，偏置光束從樣品正面或可在樣品背面方向9、10中任意一方向入射，入射角都應小于全反射角，反射光束6則從樣品前表面反射出。2.反射式光調制器使用厚樣品，三個光束的配置情況與反射式開關器相同。不同之處在于偏置光束5的強度Ib須剛好使dR/dωp極大值所處的頻率ω1等于工作光束4的光子頻率ωe，此時調制靈敏度最高，用偏置光束5去調制反射光的強度，而組成隨偏置光束5功率變化產生反射光束6功率相應變化的光功率調制器，采用調制光束時，ωe應為調制光束的光子頻率。當調制光束不是激光，而是具有連續譜的紅外輻射時，ωe則應是輻射功率譜的峰值頻率。調制光束的頻率和入射方向都可以和本底光束不一樣，但有兩點要求不變入射角必須小于全反射角，光斑必須大于工作光束的光斑，ω1略小于ωmin。反射光束的功率變化可以大于、等于或小于偏置光束的功率變化，這與兩個光束的頻率有關，當反射光束功率變化大于偏置光束功率變化時，如果把外來的微弱紅外輻射當作偏置光的輔助光束，光晶體管就成了一個紅外探測器。對于微弱的外來輻射，波長較長的反射光束功率有強得多的變化。應該指出，如圖4所示那樣使用薄樣品時，偏置光束、工作光束和反射光束的配置情況以及對偏置光束強度的要求都和采用薄樣品的反射式光開關相同。若偏置光束或調制光束是先經襯底8射向樣品3背面，如由方向9入射，這時襯底材料的禁帶寬度限制了它的光子能量最大值，這就意味著襯底又是調制光束的一個濾波器，在實際應用上是很有意義的。3.透射式光開關器所說的樣品3的等離子體振蕩反射譜的反射谷所處的頻率等于入射的工作光束4的光子頻率，而當偏置光束5強度適當增加，工作光束將從樣品表面幾乎全反射，而透射光束強度幾乎為零，而組成隨偏置光束強度變化引起透射光束強度有大幅度變化的透射式光開關器。使用厚樣品，工作光束沿樣品前表面法線方向入射，透射光束7沿樣品背面法線方向射出。偏置光束從樣品前表面傾斜法線射入，其強度使ωmin＜ωe，此時工作光束光強Ie透過樣品，吸收微弱，只有反射損失，透射光束強度可以達到0.6Ie或更強，偏置光束增強或加上開關光束以后，Ie接近全反射，透射光束強度接近于零。如在樣品入射表面蒸發增透層，可大大降低反射損失，透射光束強度可達到0.9Ie以上。使用薄樣品，工作、偏置和反射三個光束的配置情況同采用厚樣的反射式光開關相同，不同之處在于先經過襯底再到樣品背面的方向10也是偏置光束的可供選擇的入射方向。當然偏置光束的強度必須是使ωl＝ωe。如果在樣品入射而蒸發增透層，可以大大降低反射損失，但偏置光束須從襯底背面方向射入。當偏置光強增加到使反射邊低頻端的全反射區移到ωe時，由于介電函數的急劇變化，增透層不再能阻擋工作光束從樣品表面反射，透射光強因而趨于零。只能用開禁帶半導體做透射式光開關器。4.紅外組合探測器如果在穩定的偏置光束以外，還有單色的或連續的相干或非相干的紅外輻射照到樣品3上，并產生光生載流子，反射光束強度會相應地出現較大的變化，即所說的調制靈敏度極高，即dIc/dIb＞＞l時，配合現有的光子探測器或熱探測器去接收反射光束6，這時偏置光束5作為本底光束，被測紅外輻射作為輔助光束，而構成紅外組合式探測器，這里dIb為輔助光束的強度變化，dIc為因dIb而引起的反射光束的強度變化。被測紅外輻射的光子頻率可以與本底光束相同或不相同。這種組合探測器的探測率將因光晶體管對紅外輻射的光放大而顯著提高，其產生一復合噪聲限是光電導探測器的(tpltpc)1/2/l倍。5.多用途的光開關和光調制器本發明所說的樣品3可以是厚樣品，也可以是薄樣品，薄樣品的厚度必須大于等離子體吸收長度，大多數情況下這個長度小于100微米。薄樣品是膠合或外延生長在能透過偏置光束和工作光束的寬禁帶半導體襯底8上。這樣，偏置光束不但可以從樣品正面入射，還可以沿諸如方向9、10等經襯底射向樣品背面，但由于零禁帶半導體的暗載流子濃度高，所以只能在工作波長較短時使用。又由于在零禁帶半導體中產生帶間躍遷所需的光子能量小于開禁帶半導體，所以對于同樣較短的工作波長，采用零禁帶半導體時偏置光束的光子能量為低。將圖4的襯底一組對邊磨成斜面，使襯底8與樣品3的接合面與斜面的夾角12大于偏置光束的全反射角，但須小于襯底8和樣品3界面上的全反射角，又組成了一種多用途的光晶體管，參見圖5，其特點在于偏置光束從斜面法線方向11和13入射到襯底8，并在兩界面之間多次全反射，在到達襯底和樣品的界面時，由于二者的折射率相近，所以可以幾乎不受反射地透入樣品產生光生載流子。或者將一組側面中的一面磨成斜面，另一面保持平面，參見圖6，此時偏置光束可以從斜面的法線方向13和斜面對邊平面的法線方向14入射。更加方便和有效的方法是在偏置光束入射面上分別生長半導體激光器，一個作為本底光束，另一個作為開關光束或調制光束。圖5所示的光晶體管具有以上介紹的多種功能，是一種集成光電子器件。另一設計如圖7所示，將實底的一組對邊磨成由互相垂直的兩平面構成的尖劈形。各劈形平面的法線方向15、15′、16、16′分別供本底光束和輔助光束入射或生長半導體激光器提供本底光和輔助光。互相垂直的兩平面15與15′，或16與16′構成對偏置光的角反射器，保證多次反射并最終被樣品3吸收。6.光譜掃描器如果本底光束強度按照鋸齒波、正弦波、矩形波等方式變化，反射邊的頻率位置將相應的有規律的移動。對于具有連續譜的工作光束，光晶體管將有規律地調制其相應的頻率分量，給出有趣的結果。例如，當本底光強按照線性鋸齒波方式變化并加上調制光束時，輸出光束中被調制的部分將正比于在反射邊的頻率范圍內的工作光束的強度，此進光晶體管的功能類似于掃頻儀或光譜儀。它能給出工作光束的光強譜，其分辨率是反射邊的頻率寬度。本發明有如下積極效果1.本發明提供的光晶體管兼有高速光調制，光開關和光探測三種功能。制造工藝簡單并便于操作。2.應用本發明既可以使用分立元件，又可在集成光路中實現光調制、光放大和光探測。本光晶體管能在真空、氣體、液體或固體介質中工作，也可以分別在低溫或室溫下工作，并能通過這些介質或用光纖傳播或傳輸偏置光束和工作光束。3.對本光晶體管配置一定方式的本底光束和工作光束，可組成光譜掃描器。4.在光晶體管的襯底斜面上生長半導體激光器可組成帶光源的集成光電子器件。5.將本發明的光晶體管的反射光束投射到通常的探測器上可組成紅外組合探測器，光晶體管的靈敏的功率調制性能使得它象一個光學前置放大器。這個組合探測器的產生一復合噪聲限的探測率的理論值是光電導探測器的(tpltpc)1/2/l倍，其中tpl和tpc分別是光晶體管樣品厚度和光電導探測器厚度，l是等離子體吸收長度。表1.77K時HgCdTe(x＝0.2)和HgSe的聲子和能帶參數，其中△為自旋-軌道裂距，Eg為禁帶寬度，P為動量矩陣元。</tables>表2.77K時HgCdTe(x＝0.2)和HgSe的反射譜參數、電學參數及光晶體管的光強調制倍數β，其中ω為dR/dωp極大值所在的頻率，β的數值按(4)式在ω＝ω1處計算，計算參數A＝1×10-2cm2，d＝1×10-4cm，η＝0.7，τ＝5×10-6s，Ie＝1×10-3w。λ1＝2πc/ω1，λb＝hc/Ef(HgSe)或λb＝hc/(Eg+Ef)(HgCdTe)，c為真空中光速，h為普朗克常數，Eg為禁帶寬度，Ef為費米能級，mf為在費米面上的有效質量，μ為遷移率，mo為自由電子質量。</tables>表3.77K時HgCdTe(x＝0.2)和HgSe材料光晶體管的調制和開關性能權利要求1.一種光晶體管，包括敏感樣品、偏置光束和工作光束，其特征在于a)敏感樣品3由表面平整在紅外波段有良好的反射，樣品中暗載流子濃度接近工作光束要求的濃度的窄禁帶或零禁帶半導體材料做成；b)用單色性良好的相干光或具有連續譜的非相干光作為偏置光束5照射樣品3，產生光生載流子，將樣品3的等離子體振蕩反射邊移到并維待在所需的頻率位置；c)用一束激光作為工作光束4照射樣品3，并使工作光束在樣品上的光斑被覆蓋在偏置光束的光斑內，利用樣品3等離子體振蕩反射邊的陡峻的頻率特性和利用偏置光束5的強度適度變化去調制作為輸出的反射光束6或透射光束7的強度產生靈敏的相應變化。2.根據權利要求1所規定的光晶體管，其特征在于所說的樣品3的反射譜R(ω)的等離子體反射邊上dR(ω)/dωp達到極大值所處的頻率等于入射工作光束4的光子頻率，用偏置光束5去調制反射光的強度，而組成隨偏置光束5功率變化產生相應的反射光束6功率變化的光功率調制器。3.根據權利要求1所規定的光晶體管，其特征在于所說的樣品3的等離子體振蕩反射譜的反射谷所處的頻率等于入射的工作光束4的光子頻率，而偏置光束5的強度適當增加，使工作光4的反射光束6的強度從由反射谷決定的微弱數值增長到由反射譜頂部全反射區給出的接近工作光束4的強度，利用反射光束6作為輸出而組成反射式光開關器，或利用透射光束7作為輸出而組成透射式光開關器。4.根據權利要求1所規定的光晶體管，其特征在于所說的偏置光束5的波長是在可見光到紅外波段范圍內;偏置光束5或是由一束光組成，其強度在兩個相鄰的數值間切換，較低的強度用以移動和維持樣品3的等離子體振蕩反射邊在所需的頻率位置，較高的強度用以調制或開關光晶體管;偏置光束5或是由本底光束和輔助光束兩束光組成，本底光束和輔助光束的光子頻率相同、或不相同，本底光束用來移動和維持樣品3的等離子體振蕩反射邊在所需的頻率位置，輔助光用來調制或開關光晶體管。5.根據權利要求2所規定的光晶體管，其特征在于所說的反射光束6投射到配置的光子探測器或熱探測器上響應后輸出，偏置光束5作為本底光束，而輔助光束由被測光束來擔任，從而構成組合探測器。6.根據權利要求1所規定的光晶體管，其特征在于所說的偏置光束5的本底光束光強按線性鋸齒波方式變化，另加輔助光束進行調制;作為輸出的反射光束6中被調的部分正比于在反射邊的頻率范圍內的工作光束強度，而給出了工作光束4的光強頻譜，而組成光譜掃描器。7.根據權利要求1所規定的光晶體管，其特征在于所說的樣品3是薄樣品，薄樣品的厚度大于等離子體吸收長度，薄樣品膠合或外延生長在禁帶較寬因而能透過偏置光束和工作光束的半導體襯底8上。8.根據權利要求7所規定的光晶體管，其特征在于所說的襯底8的一組對邊的兩個側面或一個側面磨成斜面，襯底8與樣品3的接合面與斜面的夾角12大于偏置光束的全反射角，且又小于襯底8和樣品3的界面上的全反射角，這時偏置光束又能沿斜面的法線方向11和13入射，或沿斜面的法線方向13和斜面對邊平面的法線方向14入射。9.根據權利要求7所規定的光晶體管，其特征在于所說的襯底8的一組對邊側面磨成相垂直的兩平面構成的尖劈形，各劈形平面的法線方向15、15’、16、16’分別供本底光束和輔助光束入射。10.根據權利要求8所規定的光晶體管，其特征在于所說的襯底8的任意一組對邊的斜面或平面上生長半導體激光器，偏置光束由這生長于入射面上的半導體激光器提供。全文摘要本發明提供了一種光晶體管。它是一種新穎的光電器件，是利用光生載流子去調制自由載流子的等離子體振蕩和外來電磁輻射的相互作用，大幅度地改變反射率，從而實現高速光調制和光開關以及光探測。其功能恰如一個晶體三極管，不同的是光束代替了電流。本發明還提供了光功率調制器、組合探測器、反射式或透射式光開關器、光譜掃描器等不同光晶體管的實施方案。文檔編號G02F3/00GK1064357SQ9210833公開日1992年9月9日申請日期1992年2月25日優先權日1992年2月25日發明者錢定榕申請人:中國科學院上海技術物理研究所