一种基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器的制作方法

技术特征：
1.一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于包含：(i)至少一个吸收调制区，吸收调制区包含单周期或多周期的ii类断带能隙量子阱结构；(ii)对ii类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置，用于产生垂直于ii类断带能隙量子阱结构材料层所在平面的电场；一个周期单元的所述ii类断带能隙量子阱结构，由第一势垒、电子势阱、空穴势阱和第二势垒组成，所述电子势阱和空穴势阱置于第一势垒和第二势垒之间且不依赖相对叠放次序；所述电子势阱与空穴势阱相邻，电子势阱的体材料导带带边的能量低于空穴势阱的体材料价带带边的能量，形成ii类断带能隙异质结；所述第一势垒和第二势垒对电子势阱和空穴势阱中的电子态波函数和空穴态波函数形成量子限制，导带最低子带带底的电子态波函数主体限制在电子势阱中，价带最高子带带顶的空穴态波函数主体限制在空穴势阱中；当在ii类断带能隙量子阱结构两端施加开态偏压时，量子阱处于正常带隙相，电子势阱的导带最低子带带底的能量高于空穴势阱的价带最高子带带顶的能量；当在ii类断带能隙量子阱结构两端施加关态偏压时，量子阱处于反转带隙相，电子势阱的导带最低子带带底的能量低于空穴势阱的价带最高子带带顶的能量。2.如权利要求1所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述ii类断带能隙量子阱结构的电子势阱的材料选自inas、inassb、ingaas、ingaassb中的至少一种；空穴势阱的材料选自gasb、gainsb、gaalsb、gaassb、gaalassb、gainassb、gaalinsb、gaalinassb中的至少一种；第一势垒、第二势垒的材料选自alsb、algasb、algaassb、alinsb、algainsb、alinassb、algainassb中的至少一种。3.如权利要求1所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器包括波导耦合构型或垂直入射构型。4.如权利要求3所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述波导耦合构型具有波导结构，至少包含：基底层；在基底层上侧依次设有第一包覆层、波导芯层和第二包覆层；在基底层下侧或第一包覆层经刻蚀露出的台面上侧设有第一接触电极；在第二包覆层上侧设有第二接触电极；所述波导芯层中包含至少一个吸收调制区；第一包覆层和第二包覆层分别采用重摻杂半导体单层或多层结构；第一接触电极和第二接触电极分别通过第一包覆层和第二包覆层对吸收调制区施加偏压，构成所述对ii类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置。5.如权利要求4所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述波导芯层可采用分别限制结构，还包含第一分别限制层和第二分别限制层；所述第一分别限制层和第二分别限制层为掺杂半导体材料或多层结构，分别与吸收调制区的下界面和上界面相邻，第一分别限制层和第二分别限制层的光学折射率大于第一包覆层和第二包覆层的光学折射率。6.如权利要求4所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述基底层还包含衬底和缓冲层，所述缓冲层的厚度不低于200nm，用于释放应变、隔绝位错和杂质，以减小衬底对器件的影响；所述第一包覆层的下界面和上界面处分别设置第一过渡层和第二过渡层，第二包覆层
的下界面和上界面处分别设置第三过渡层和第四过渡层，过渡层用于减小因相邻区域层界面突变带来的寄生电压降；过渡层的摻杂浓度分别介于其两侧相邻材料的摻杂浓度之间。7.如权利要求3所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述垂直入射构型是光垂直于吸收调制区的材料层所在平面入射，至少包含：底包覆层、吸收调制区、顶包覆层、底电极和顶电极；所述底包覆层和顶包覆层为摻杂半导体单层或多层结构；吸收调制区置于底包覆层和顶包覆层之间；底电极为透明电极或光栅电极或开有透光窗口，底电极设置在底包覆层经刻蚀的露出台面上侧并形成电学接触；顶电极为透明电极或光栅电极或开有透光窗口，顶电极设置在顶包覆层上侧并形成电学接触；底电极和顶电极分别通过底包覆层和顶包覆层对吸收调制区施加偏压，构成对所述ii类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置。8.如权利要求7所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述底包覆层下侧设有底高反射膜，或顶包覆层上侧的顶电极的透光窗口区域内设有顶高反射膜，或同时设有底高反射膜和顶高反射膜；底高反射膜和顶高反射膜分别由多个介质层交替堆叠形成的分布布拉格反射器或金属薄膜构成，形成具有对称或非对称的法布里
‑
珀罗腔结构。9.如权利要求7所述一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其特征在于所述底高反射膜、顶高反射膜、底包覆层或顶包覆层中至少一层的上侧或下侧可设置金属条光栅，用于增加入射光的垂直电场分量与吸收调制区的耦合，光栅周期小于或等于红外电吸收调制器的选定工作波长。10.一种对选定光的电光调制方法，其特征在于包括以下步骤：1)将一个电吸收调制器或电光调制器置于选定光的传播路径上，其中所述电吸收调制器或电光调制器的调制区需包含具有如下特征的半导体单层或多层结构：a.所述半导体单层或多层结构的能带结构具有导带和价带，所述导带带底的电子态和价带带顶的电子态分别属于该体系哈密顿量性质不同的本征态，可通过导带带底电子态和价带带顶电子态的性质区分导带和价带；b.所述半导体单层或多层结构存在正常带隙相，导带底的能量高于价带顶的能量；c.所述半导体单层或多层结构存在反转带隙相，导带底的能量低于价带顶的能量；d.通过改变施加在所述半导体单层或多层结构上的偏压，使其由正常带隙相转变为反转带隙相；e.所述半导体单层或多层结构在正常带隙相和反转带隙相时对选定光具有显著不同的吸收率或折射率；2)通过对电吸收调制器或电光调制器的调制区施加偏压，使得步骤1)中半导体材料或多层结构处于所述正常带隙相；3)改变步骤2)中所述的偏压，使得步骤1)中所述半导体单层或多层结构处于反转带隙相；4)重复步骤2)和3)，缩小满足步骤2)和步骤3)中所需偏压的差值，找到发生正常带隙相到反转带隙相转变的临界偏压；5)将开态偏压设置在步骤4)中找到的临界偏压附近，稍偏离临界偏压且使半导体单层或多层结构恰好处于正常带隙相；
6)设置好步骤5)中开态偏压后，改变施加在半导体单层或多层结构上的偏压，即可使其发生正常带隙相到所述反转带隙相的转变，达到关态；正常带隙相到反转带隙相的转变导致半导体单层或多层结构的吸收率或折射率发生显著变化；实现以相对小的偏压摆幅使选定光的强度或相位获得较显著的调制。

技术总结
一种基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，涉及半导体光电子领域。包含(i)至少一个吸收调制区，吸收调制区包含单周期或多周期的II类断带能隙量子阱结构；(ii)对II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置；一个周期单元的II类断带能隙量子阱结构由第一势垒、电子势阱、空穴势阱和第二势垒组成，电子势阱和空穴势阱置于第一势垒和第二势垒之间且不依赖相对叠放次序，电子势阱的体材料导带带边的能量低于空穴势阱的体材料价带带边的能量。可采用波导耦合构型或垂直入射构型，以较小偏压摆幅获得较大消光比，调制效率高。可同时对横磁模极化的中红外光和横电模极化的远红外光进行调制。器件覆盖面较小，适于半导体芯片集成。成。成。


技术研发人员：李俊 陈盟
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2021.07.13
技术公布日：2021/11/4