光晶体管

本发明属于光束强度的转换、选通、调制领域。特别是实现高速光调制、光开关和光探测的光晶体管。

迄今为止，所使用和生产的光调制、光开关和光探测的器件种类繁多，所利用的原理也各不相同，如现有的红外光调制技术利用的物理效应是法拉弟磁偏转、光析变和Kerr效应、利用磁场和电场下固体光学性质的变化来实现，但其制造工艺都极为复杂，在申请日为90.01.23申请号为92108312.2的中国专利申请“测量半导体非平衡载流子寿命的新方法”中，提出利用光注入移动反射边从而使另一束频率在反射边上的入射光在半导体表面的反射率大幅度地变化来测载流子寿命，这个原理，也可在光调制、光开关和光探上得以发展应用。

本发明的目的是提供一种制造工艺简单、便于操作的实现高速光调制、光开关和光探测兼有这三种功能的光晶体管。是利用光作用下半导体光学性质的变化来实现光调制，调制幅度大时是光开关，调制灵敏度高时是光探测。

本发明的目的是这样来达到的，由表面平整在红外波段有良好反射、样品中暗载流子浓度接近工作光束要求的浓度的窄带或零禁带半导体材料做成敏感样品。用单色性好的相干光或具有连续谱的非相干光作为偏置光束照射敏感样品，产生光生载流子，将敏感样品的等离子体振荡反射边移到并维持在所需频率的位置;再用一束波长在红外到亚毫米波段的激光作为工作光束照射敏感样品，且使 工作光束的光斑被复盖在偏置光束的光斑内，利用敏感样品等离子体振荡反射边的陡峻的频率特性，用偏光束的强度适度变化而使反射光束或透射光束的强度产生相应的灵敏变化，从而实现高速光调制、光开关和光探测。

先对本发明的附图作一简单说明。

图1是用经典振子模型计算的77K时HgCdTe（x＝0.2）的反射谱。实线和虚线分别对应于ωp为125厘米-1和184厘米-1。

图2是本发明光晶体管的配置图。图中Ie表示工作光束4的强度，Ib为偏置光束5的强度，Ic为反射光束6的强度，7为透射光束。

图3是常用晶体管。基发射极e、基极b和集电极c三电极分别与光晶体管的工作光束Ie、偏置光束Ib、反射光束Ic相对应。

图4是采用薄样品和衬底8的光晶体管配置图。

图5是从衬底的倾斜侧面法线方向11和13引入偏置光束的光晶体管配置图。

图6是从一个倾斜面及该侧面对边的平面法线方向13、14引入偏置光束的光晶体管示意图。

图7是具有尖劈形侧面衬底的光晶体管示意图。

下面结合附图对本发明作详细阐述。

众所周知，在半导体反射谱的低频端有一个陡峻的等离子体反射边，习惯上把介电函数的实部∈1在[0，1]区间内的反射谱定义为等离子体反射边，简称为反射边。这反射边的位置和等离子体频率ωp有关，反射边的陡峻程度和对等离子体振荡的阻尼有关，整个反射谱R（ω）可以用一个经典的振子模型定量描述：

ω2p = (4πNee2)/(ε∞m＊s) （3）

其中n和K分别是折射率和消光系数，∈1和∈2是介电函数∈（ω）的实部和虚部，∈∞是所有带间跃迁项对介电函数的贡献，ωj、Sj和 j分别是振子频率、强度和阻尼，ωp和 p分别是等离子体频率和等离子体阻尼，Ne是载流子浓度，e是电子电荷，m＊s是载流子有效质量的能带平均值。

请参阅图1，其中的实线是77K时HgCdTe（x＝0.2）的等离子体频率在125厘米-1时的反射谱，可以用经典的振子模型准确地拟合，其他参数列于表1。反射谱有个极小值Rmin，其频率位置为ωmin＝174厘米-1，当ωmin远大于振子频率时，Rmin接近于零，此时∈1＝1。在ωmin的低频端，反射率急剧上升，直到接近全反射，此时∈1＝0。

本发明的独创之处在于把自由载流子浓度Ne和光生载流子联系起来，从而把能产生本征激发的红外辐射和反射边的频率位置联系了起来，进而又利用反射边陡峻的频率特性，用反射边去反射一束入射激光，从而把反射激光强度的变化和反射边频率位置的移动联 系起来，成为灵敏的指示。

参阅图2，用一束红外辐射对入射激光束进行调制，即用能产生光生载流子的偏置光束5，其强度为Ib，Ib的变化会引起激光反射光束6强度Ic相应的变化。如果这种调制足够灵敏，且入射光束4的强度Ie足够强时，Ic的变化幅度将大大超过Ib的变化幅度，这是一种非常灵敏的光调制效应，也可以看成是探测红外辐射的新方法和新器件。另一方面，当偏置光束5的红外辐射很强时，反射边被大幅度地移动，参见图1虚线所示，此时ωp＝184厘米-1。对入射光束的反射率可以从接近零变化到全反射，如在图1中由实线上的点1移到虚线上的点2处，就这个意义来说，这又是一种光开关的新方法和新器件。如图2配置的效应可以在气体、真空中、也可以在液体、固体介质中实现，三个光束Iε、Ib、Ic也可以由光纤传输。

但是激光器往往只有一些分立频率的激光发射，欲用反射边去反射激光，可以使用一束强度稳定的光束作为偏置光束去照射样品，产生并保持数目恒定的光生载流子从而将敏感样品的等离子体振荡反射边移动到所需的频率位置。从多年的研究工作表明，在简并的窄带半导体中不存在Landau阻尼，因此反射边被移向高频以后，其陡峻的形态不会改变。这是一个很重要的理论依据，详情请参阅Qian  Dingrong，L.Liu，W.Szuszkiewicz  and  W.Bardyszewski，Phys，Rev，B44，5540（1991）。

如果一束光束将反射边移到所须的频率位置后并稳定维持不变，我们称这束光为本底光束。另外再用一束辅助光束照射样品并产生光生载流子去调制或开关入射激光束，这辅助光束又可被称为调制光束或开关光束。本底光束和辅助光束的光子频率可以不一样，但 它们须能在样品内产生光生载流子，所以它们的波长可以在从可见到红外的宽广范围内。本文中如果没有特别说明，偏置光束泛指本底光束和辅助光束。当然也可以不使用辅助光束，而令偏置光束自身强度在所需要的数值间切换或变化，其较低的强度用以移动和维持样品的等离子体反射边在适当的频率位置，而较高的强度用以调制或开关光晶体管。

参见图2和图3，所示的光调制和开关器的功能极其类似于晶体管，所以称它为光晶体管。它的物理基础当然不是PN结，而是光和等离子体振荡的互相作用。强度为Ie的入射光束可称为工作光束4，强度为Ic的反射光束6又可称为输出光束。光晶体管在真空、气体、液体或固体介质中都能工作，三个光束通过所在介质传播或由光纤传输。将反射光束投向红外探测器则构成组合探测器，光晶体管的功能类似光的前置放大器。

类似于晶体管的共发极放大倍数，可以引入光晶体管的光强度调制倍数β：

β= (dIc)/(dIb) = (dR)/(dωp) （4）

其中ωb和Ib为偏置光束5的频率和强度，Ie为工作光束4的强度，Ic为反射光束6的强度，η为偏置光中的调制或开关光束的量子效率，τ是光生非平衡载流子弛豫时间，A为光照面积，d为本征吸收长度， 为普郎克常数。

为使光晶体管的调制作用达到最大，工作光束的频率ωe恰好等于dR/dωp的极大值所在频率ω1，这频率略小于ωmin。由于室温下τ短，可以制成高速开关，低温下τ大，正好做高灵敏度调制 器。

对77K时的碲镉汞HgCdTe和硒化汞HgSe样品分别计算了各种浓度下的反射谱参数、材料参数及光晶体管光强调制倍数，结果列于表2，计算中所用的参数列于表1。

由表2可知，对77K的HgCdTe（x＝0.2）材料，用波长为λb＝10.6微米和8.49微米的调制光束对波长λe＝118.8微米和49.3微米的甲醇激光器的强谱线的工作光束调制非常有效：输出光束的功率变化分别是调制光束功率变化的1812倍和156倍。这里假定偏置光束的能量ωe＝Ef+Eg，其中Ef是费米能级，Eg是禁带宽度，工作光束的功率分别是100毫瓦和20毫瓦，事实上甲醇激光器的输出还可以更强。这就是说，用波长为118.8微米和49.3微米的工作光束可以很灵敏地探测波长分别短于10.6微米和8.49微米的红外辐射。

为了进一步说明光晶体管的调制作用，计算了使ω1处的反射率增加1%，即dR’（ω）＝1%，必须增加的光生载流子浓度dNe和必须增加的偏置光束功率dIb。参阅表2和表3，光子能量为0.0939+0.0246＝0.1185电子伏特（λb＝10.5微米）和0.0939+0.0521＝0.146电子伏特（λb＝8.49微米）的调制光束功率dIb分别为0.549微瓦和1.28微瓦时，光生载流子浓度增加dNe＝1.02×1014厘米-3和1.19×1014厘米-3，可以使ω1处的反射率增加1%，即dR（ω1）＝1%。

表3还给出了HgCdTe（x＝0.2）光晶体管的开关性能。当ωmin＝90厘米-1和214厘米-1时，为使ωmin处的反射率从Rmin增加到90%，须注入光生载流子使其浓度增加量△Ne分别为3.56×1016厘米-3和8.84×1016厘米-3，这要求波长λb＝10.5微米和8.49微米的开关光束功率分别为△Ib＝0.191毫瓦和0.59毫瓦。这表明光晶体管的 开关性能是很灵敏的。

表中还计算了77K时的HgSe光晶体管的性能，波长分别为λb＝3.77微米，1.52微米和1.05微米的偏置光束对波长为λe＝λl＝10.5微米，5微米和3.6微米的工作光束有一定的调制作用。同样，任何波长短于上述λb的光束都可以作为调制光束。由于所需的调制功率△Ib比较大，所以还不能作微弱红外辐射的探测。但是，考虑到1.06微米处有很强的激光，并且3.6微米是很有希望的红外光纤通讯波长，HgSe光晶体管很有应用前景。

光晶体管器件的样品3分别可采用厚样品和薄样品。但样品厚度tpl须等于或大于l2/tpc，l是等离子体吸收长度，tpc是光电导探测器厚度。样品形状无特殊要求，表面要平整，在红外波段有良好的反射。样品3中暗载流子浓度应尽量接近工作光束Ie的频率要求的浓度，其数值请参见表2。这样可以降低对偏置光束功率的要求。对于相同的载流子浓度，采用开禁带半导体时偏置光束的光子能量较采用零禁带半导体时大，可供实际应用时选择。在样品厚度来说，对厚样品的厚度无要求，但薄样品的厚度应等于或大于等离子体吸收长度，这个吸收长度和载流子浓度有关，对于实际应用的光晶体管，其值在100微米左右。薄样品是胶合或外延生长在衬底8上，衬底材料和胶合面应能透过偏置光束和工作光束。

下面介绍一些实施例。

1.反射式光开关器

参见图2，使用厚样品，工作光束4和偏置光束5照射样品3的表面，入射角必须小于全反射角，偏置光束5的光斑必须大于工作光束4的光斑。反射光束6则从样品表面反射射出。偏置光束5的强度Ib 应刚好使反射谷的频率ωmin等于入射的工作光束4的光子频率ωe，此时反射光束6的强度Ic接近于零，即图1中点1位置。若强度Ib增加，且幅度足够大，则反射边大幅度移动，以致使反射边顶部全反射区移动到ωe处，如图1点2所示，此时反射光束强度Ic接近入射的工作光束4的强度Ie。

如果使用开关光束，可以从任何小于全反射角的方向入射。

使用薄样品，工作光束4从样品正面照射，偏置光束从样品正面或可在样品背面方向9、10中任意一方向入射，入射角都应小于全反射角，反射光束6则从样品前表面反射出。

2.反射式光调制器

使用厚样品，三个光束的配置情况与反射式开关器相同。不同之处在于偏置光束5的强度Ib须刚好使dR/dωp极大值所处的频率ω1等于工作光束4的光子频率ωe，此时调制灵敏度最高，用偏置光束5去调制反射光的强度，而组成随偏置光束5功率变化产生反射光束6功率相应变化的光功率调制器，采用调制光束时，ωe应为调制光束的光子频率。当调制光束不是激光，而是具有连续谱的红外辐射时，ωe则应是辐射功率谱的峰值频率。调制光束的频率和入射方向都可以和本底光束不一样，但有两点要求不变：入射角必须小于全反射角，光斑必须大于工作光束的光斑，ω1略小于ωmin。

反射光束的功率变化可以大于、等于或小于偏置光束的功率变化，这与两个光束的频率有关，当反射光束功率变化大于偏置光束功率变化时，如果把外来的微弱红外辐射当作偏置光的辅助光束，光晶体管就成了一个红外探测器。对于微弱的外来辐射，波长较长的反射光束功率有强得多的变化。

应该指出，如图4所示那样使用薄样品时，偏置光束、工作光束和反射光束的配置情况以及对偏置光束强度的要求都和采用薄样品的反射式光开关相同。若偏置光束或调制光束是先经衬底8射向样品3背面，如由方向9入射，这时衬底材料的禁带宽度限制了它的光子能量最大值，这就意味着衬底又是调制光束的一个滤波器，在实际应用上是很有意义的。

3.透射式光开关器

所说的样品3的等离子体振荡反射谱的反射谷所处的频率等于入射的工作光束4的光子频率，而当偏置光束5强度适当增加，工作光束将从样品表面几乎全反射，而透射光束强度几乎为零，而组成随偏置光束强度变化引起透射光束强度有大幅度变化的透射式光开关器。

使用厚样品，工作光束沿样品前表面法线方向入射，透射光束7沿样品背面法线方向射出。偏置光束从样品前表面倾斜法线射入，其强度使ωmin＜ωe，此时工作光束光强Ie透过样品，吸收微弱，只有反射损失，透射光束强度可以达到0.6Ie或更强，偏置光束增强或加上开关光束以后，Ie接近全反射，透射光束强度接近于零。如在样品入射表面蒸发增透层，可大大降低反射损失，透射光束强度可达到0.9Ie以上。

使用薄样品，工作、偏置和反射三个光束的配置情况同采用厚样的反射式光开关相同，不同之处在于先经过衬底再到样品背面的方向10也是偏置光束的可供选择的入射方向。当然偏置光束的强度必须是使ωl＝ωe。如果在样品入射而蒸发增透层，可以大大降低反射损失，但偏置光束须从衬底背面方向射入。当偏置光强增加到 使反射边低频端的全反射区移到ωe时，由于介电函数的急剧变化，增透层不再能阻挡工作光束从样品表面反射，透射光强因而趋于零。

只能用开禁带半导体做透射式光开关器。

4.红外组合探测器

如果在稳定的偏置光束以外，还有单色的或连续的相干或非相干的红外辐射照到样品3上，并产生光生载流子，反射光束强度会相应地出现较大的变化，即所说的调制灵敏度极高，即dIc/dIb＞＞l时，配合现有的光子探测器或热探测器去接收反射光束6，这时偏置光束5作为本底光束，被测红外辐射作为辅助光束，而构成红外组合式探测器，这里dIb为辅助光束的强度变化，dIc为因dIb而引起的反射光束的强度变化。被测红外辐射的光子频率可以与本底光束相同或不相同。这种组合探测器的探测率将因光晶体管对红外辐射的光放大而显著提高，其产生一复合噪声限是光电导探测器的（tpltpc）1/2/l倍。

5.多用途的光开关和光调制器

本发明所说的样品3可以是厚样品，也可以是薄样品，薄样品的厚度必须大于等离子体吸收长度，大多数情况下这个长度小于100微米。薄样品是胶合或外延生长在能透过偏置光束和工作光束的宽禁带半导体衬底8上。这样，偏置光束不但可以从样品正面入射，还可以沿诸如方向9、10等经衬底射向样品背面，但由于零禁带半导体的暗载流子浓度高，所以只能在工作波长较短时使用。又由于在零禁带半导体中产生带间跃迁所需的光子能量小于开禁带半导体，所以对于同样较短的工作波长，采用零禁带半导体时偏置光束的光子能量为低。

将图4的衬底一组对边磨成斜面，使衬底8与样品3的接合面与斜面的夹角12大于偏置光束的全反射角，但须小于衬底8和样品3界面上的全反射角，又组成了一种多用途的光晶体管，参见图5，其特点在于偏置光束从斜面法线方向11和13入射到衬底8，并在两界面之间多次全反射，在到达衬底和样品的界面时，由于二者的折射率相近，所以可以几乎不受反射地透入样品产生光生载流子。或者将一组侧面中的一面磨成斜面，另一面保持平面，参见图6，此时偏置光束可以从斜面的法线方向13和斜面对边平面的法线方向14入射。

更加方便和有效的方法是在偏置光束入射面上分别生长半导体激光器，一个作为本底光束，另一个作为开关光束或调制光束。

图5所示的光晶体管具有以上介绍的多种功能，是一种集成光电子器件。

另一设计如图7所示，将实底的一组对边磨成由互相垂直的两平面构成的尖劈形。各劈形平面的法线方向15、15′、16、16′分别供本底光束和辅助光束入射或生长半导体激光器提供本底光和辅助光。互相垂直的两平面15与15′，或16与16′构成对偏置光的角反射器，保证多次反射并最终被样品3吸收。

6.光谱扫描器

如果本底光束强度按照锯齿波、正弦波、矩形波等方式变化，反射边的频率位置将相应的有规律的移动。对于具有连续谱的工作光束，光晶体管将有规律地调制其相应的频率分量，给出有趣的结果。例如，当本底光强按照线性锯齿波方式变化并加上调制光束时，输出光束中被调制的部分将正比于在反射边的频率范围内的工作光 束的强度，此进光晶体管的功能类似于扫频仪或光谱仪。它能给出工作光束的光强谱，其分辨率是反射边的频率宽度。

本发明有如下积极效果：

1.本发明提供的光晶体管兼有高速光调制，光开关和光探测三种功能。制造工艺简单并便于操作。

2.应用本发明既可以使用分立元件，又可在集成光路中实现光调制、光放大和光探测。本光晶体管能在真空、气体、液体或固体介质中工作，也可以分别在低温或室温下工作，并能通过这些介质或用光纤传播或传输偏置光束和工作光束。

3.对本光晶体管配置一定方式的本底光束和工作光束，可组成光谱扫描器。

4.在光晶体管的衬底斜面上生长半导体激光器可组成带光源的集成光电子器件。

5.将本发明的光晶体管的反射光束投射到通常的探测器上可组成红外组合探测器，光晶体管的灵敏的功率调制性能使得它象一个光学前置放大器。这个组合探测器的产生一复合噪声限的探测率的理论值是光电导探测器的（tpltpc）1/2/l倍，其中tpl和tpc分别是光晶体管样品厚度和光电导探测器厚度，l是等离子体吸收长度。

表1.77K时HgCdTe（x＝0.2）和HgSe的声子和能带参数，其中△为自旋-轨道裂距，Eg为禁带宽度，P为动量矩阵元。

HgSe HgCdTe ωj(cm-1) 132   120   111 154.86  125.22  111.66 Sj 7   0.5   0.5 0.211  3.27  0.44 гj(cm-1) 5    4     5 8.05   6.2    7.6 ε∞    12.5    12.6 ωp(cm-1)   940    125 △(ev)   0.4     1.0 Eg(ev)   -0.20     0.0939 P(10-8ev·cm)  7.5    8.0

表2.77K时HgCdTe（x＝0.2）和HgSe的反射谱参数、电学参数及光晶体管的光强调制倍数β，其中ω为dR/dωp极大值所在的频率，β的数值按（4）式在ω＝ω1处计算，计算参数：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为真空中光速，h为普朗克常数，Eg为禁带宽度，Ef为费米能级，mf为在费米面上的有效质量，μ为迁移率，mo为自由电子质量。

HgCdTe HgSe ω1(cm-1) 84.2   203 943.4  2000  2770 λ1(μm) 118.8   49.3 10.5    5     3.6 (dR/dωp)｜max(%cm) 4.06  4.68 2.00   1.16   0.92 ωmin(cm-1) 90   214 989   2094  2898 Rmin(10-3) 14.4   15.8 4.31  2.76  2.27 ωp(cm-1) 109   184 940  2001  2770 Ne(1018cm-3) 0.0225  0.0824 7.868  72.25  190.0 Eg(ev) 0.0939  0.0939 -0.20  -0.20  -0.20 Ef(ev) 0.0246   0.0521 0.329  0.817  1.18 λb(μm) 10.5   8.49 3.77  1.52  1.05 γp(cm-1) 10       10 24    40    50 mf(m。) 0.0120   0.0164 0.0653  0.133  0.182 μ(103cm2/SV) 77.8     56.9 5.95  1.76  1.02 le(mw) 100    20 20   500   500 β 1812   156 1.59  2.15  0.62

表3.77K时HgCdTe（x＝0.2）和HgSe材料光晶体管的调制和开关性能