一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅制造技术

本发明专利技术公开了一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅，运用光强正弦调制的、光子能量远大于半导体禁带宽度的连续激光激励半导体晶块，在其表面以下很浅的区域中产生浓度随时间也呈正弦变化的非平衡载流子；通过施加强度恒定、方向垂直于激励光入射面的静电场，非平衡载流子将向材料体内匀速漂移，其浓度随时间的周期性将在空间上展开，呈现出行波特征；由于非平衡载流子会带来半导体材料折射率的改变，因此当另一束光子能量小于禁带宽度的激光入射该晶块时，载流子浓度的空间周期性分布相当于是一个动态光栅，光栅常数可通过电场强度大小和激励光调制频率精确控制，因此该光栅可作为一种“光控光”的衍射光学元件。衍射光学元件。衍射光学元件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅


[0001]本专利技术涉及激光光学领域与半导体材料领域，特别涉及一种基于半导体非平衡载流子行波光栅的“光控光”衍射光学元件。

技术介绍

[0002]声光技术和声光器件在现代激光科技领域中得到了广泛应用，无论是在声光调制器、声光偏转器、还是声光信号处理器中，声光布拉格器件都扮演了核心光学元件的角色。作为一种衍射型光学元件，声光布拉格器件的基本原理是利用压电换能器产生超声波并在光学透明的声光晶体中传播，光弹效应会导致声光晶体中的折射率发生空间周期性变化，对于入射光而言相当于是经受了一个行波光栅的相位调制，当光波长、入射角度、以及光栅常数(即超声波的波长)满足一定关系时，可实现布拉格衍射，即透射光能量主要集中在零级衍射光和正一级衍射光上，其中正一级衍射光的衍射效率理论上可达到100％。
[0003]随着声光技术以及声光器件的发展，其技术困难与瓶颈日益显现：(1)由于特定声光晶体中的声速不可控，声波对光束的渡越时间也就不可控，且光栅常数的动态范围只能由超声的频率范围决定，而高频声波在晶体中传播的损耗严重；(2)受声光晶体生长技术的限制，材料尺寸小，成本高；(3)声光布拉格器件的加工工艺非常复杂，压电材料同声光晶体的声学耦合工艺直接影响着整个系统的性能，受制于高频率声光器件的工艺制约，目前最大带宽为4GHz。在如今集成电路技术高速发展的背景下，半导体材料与器件的加工工艺日趋成熟。如何利用成熟的半导体工艺，在保留声光布拉格器件固有优势的同时，克服其技术瓶颈，是本专利技术思考的出发点。
[0004]本专利技术提出的基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅，在保留了超声行波光栅基本特性的同时，具有以下几点优势：(1)非平衡载流子行波的波速可控，由载流子迁移率和外加电场强度决定，因此该行波对光束的渡越时间可控，且光栅常数可由电场强度以及激励光调制频率共同决定；(2)半导体单晶生长技术相对更加成熟，分米尺寸的半导体晶体材料成本相对更低；(3)不需要压电材料同声光晶体的声学表面耦合工艺，非平衡载流子直接由另一束激光照射半导体产生，能量转换效率从超声耦合效率变为载流子产生的量子效率。因此该光栅是用一束光控制另一束光的“光控光”衍射光学元件。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅，其组成要素包括掺杂半导体晶块ABCD
‑
EFGH、激励激光1、衍射激光2，其特征在于：
[0006]运用光强正弦调制的、光子能量远大于半导体禁带宽度的连续激光1从ABCD面入射形状为长方体的半导体晶块ABCD
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EFGH，在该半导体材料ABCD面以内很浅的区域中激发非平衡载流子，其浓度随时间也呈正弦变化；通过施加强度恒定、方向垂直于ABCD面的静电
场，非平衡载流子将向材料体内匀速漂移，其浓度随时间的周期性将在空间上展开，在空间上也呈现出正弦分布且具有行波特征；由于非平衡载流子会带来半导体材料折射率的改变，因此当另一束光子能量小于禁带宽度的激光2从CDGH面入射该晶块时，载流子浓度的空间周期性分布相当于是一个动态正弦体光栅，可通过精确控制光栅的参数以及激光2的入射角度实现布拉格衍射，即只具有零级衍射光3和正一级衍射光4从ABEF面出射。
[0007]所述的连续激光1是经过扩束后、光强在光斑内分布均匀地照射ABCD面，光斑在AC方向上的尺寸决定了载流子行波光栅的栅厚L；连续激光1的光子能量应远大于半导体禁带宽度，因此半导体材料对该光波长的吸收系数很大，非平衡载流子只能在ABCD面以内很浅的区域中被激发，这样才能保证在漂移过程中，载流子浓度的空间分布足够精细，趋向于完美的正弦分布。
[0008]所述的半导体晶块ABCD
‑
EFGH应为掺杂半导体材料，掺杂所带来的平衡时的多数载流子浓度应远大于激光1所激发的非平衡载流子浓度，即满足低注入条件，此时非平衡载流子的双极性迁移率μ
*
接近于少数载流子的迁移率μ。
[0009]所述的外加静电场的方向应垂直于ABCD面，能够让ABCD面以内很浅的区域中产生的非平衡载流子向材料体内匀速漂移，具体来讲，当半导体材料掺杂类型为N型时，少数载流子为空穴，电场方向应由ABCD面指向EFGH面；当半导体材料掺杂类型为P型时，少数载流子为电子，电场方向应由EFGH面指向ABCD面。
[0010]所述的非平衡载流子在外加电场下的漂移过程与扩散和复合过程是同时发生的，但当外加电场强度E0远大于2(D/τ)
1/2
/μ时，漂移过程将占主导，而扩散过程和复合过程对非平衡载流子浓度空间分布的影响可以忽略，其中D为少数载流子的扩散系数，τ为少数载流子的复合寿命；此时，载流子浓度空间分布的周期长度，即光栅常数，Λ＝μE0/f，其中f为激光1的强度调制频率；光栅常数Λ可由电场强度和激光1的调制频率来调节。
[0011]对于特定的光栅常数Λ，当激光2的入射角θ满足sinθ＝λ0/(2Λn0)时，将会发生布拉格衍射，即只具有零级衍射光3和正一级衍射光4从ABEF面出射，其中λ0为激光2在真空中的波长，n0为半导体材料在没有非平衡载流子注入时的本征折射率；当非平衡载流子带来的折射率改变幅度Δn为λ0/(4Ln0)的奇数倍时，正一级衍射光的衍射效率接近100％。
[0012]本专利技术的有益效果是：(1)保留了超声行波光栅的基本特性；(2)非平衡载流子行波的波速可控，由载流子迁移率和外加电场强度决定，因此该行波对光束的渡越时间可控，且光栅常数可由电场强度以及激励光调制频率共同决定；(3)半导体单晶生长技术相对更加成熟，分米尺寸的半导体晶体材料成本相对更低；(4)不需要压电材料同声光晶体的声学表面耦合工艺，非平衡载流子直接由另一束激光照射半导体产生，能量转换效率从超声耦合效率变为载流子产生的量子效率。该光栅用一束光控制另一束光，可作为核心光学元件应用在高衍射效率、大偏转角、大带宽的激光调制器、激光偏转器、全光信号处理等激光光学领域。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的结构示意图，其中长方体ABCD
‑
EFGH为掺杂半导体晶块，1为扩束后的激励激光，2为衍射激光，3为零级衍射光，4为正一级衍射光。
[0014]图2为不同外加电场强度下，非平衡载流子的漂移、扩散、复合效应的竞争关系示
意图，当电场强度为零或很低时，非平衡载流子浓度的空间分布由扩散和复合效应主导，而当电场强度不断增加时，漂移效应逐渐占主导。仿真中所用参数：材料为N型单晶硅，非平衡少数载流子寿命τ＝1ms，少数载流子扩散系数D＝12cm2/s，少数载流子迁移率μ＝450cm2/(V
·
s)。
[0015]图3为外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅仿真示意图，仿真所用参数：材料为N型单晶硅，电阻率为1W
·
cm，电场为5V/cm向右，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅，其特征在于：运用光强正弦调制的、光子能量远大于半导体禁带宽度的连续激光1从ABCD面入射形状为长方体的半导体晶块ABCD
‑
EFGH，在该半导体材料ABCD面以内很浅的区域中激发非平衡载流子，其浓度随时间也呈正弦变化；通过施加强度恒定、方向垂直于ABCD面的静电场，非平衡载流子将向材料体内匀速漂移，其浓度随时间的周期性将在空间上展开，在空间上也呈现出正弦分布且具有行波特征；由于非平衡载流子会带来半导体材料折射率的改变，因此当另一束光子能量小于禁带宽度的激光2从CDGH面入射该晶块时，载流子浓度的空间周期性分布相当于是一个动态正弦体光栅，可通过精确控制光栅的参数以及激光2的入射角度实现布拉格衍射，即只具有零级衍射光3和正一级衍射光4从ABEF面出射，因此该光栅是一种用一束光控制另一束光的“光控光”衍射光学元件。2.根据权利要求1所述的一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅，其特征在于：连续激光1是经过扩束后、光强在光斑内分布均匀地照射ABCD面，光斑在AC方向上的尺寸决定了载流子行波光栅的栅厚L；连续激光1的光子能量应远大于半导体禁带宽度，因此半导体材料对该光波长的吸收系数很大，非平衡载流子只能在ABCD面以内很浅的区域中被激发，这样才能保证在漂移过程中，载流子浓度的空间分布足够精细，趋向于完美的正弦分布。3.根据权利要求1所述的一种基于外加电场下载流子漂移机理的半导体非平衡载流子行波光栅，其特征在于：半导体晶块ABCD
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EFGH应为掺杂半导体材料，掺杂所带来的平衡时的多数载流子浓度应远大于激光1所激发的非平衡载流子浓度，即满足低注入条件，此时非平衡载流子的双极性迁移率μ
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接近于少数载流子的迁移率μ。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙启明，赵斌兴，王静，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：