CN202977500U - 一种激光器与光导半导体开关结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种激光器与光导半导体开关结构，包括基片，所述基片顶端面的两侧分别设置有电极，所述基片的底端面均匀设置有若干个垂直腔面发射半导体激光器，所述垂直腔面发射半导体激光器、基片及电极一体化封装。本实用新型在工作过程中电流根据激光照射的点形成更多的电流丝，相当于把导通电流分散，从而能够承受更大的导通电流，使得垂直腔面发射半导体激光器与光导半导体开关的使用寿命得以延长。另外，激光器与光导半导体开关的一体化封装使得生产过程中省去组装环节，便于使用，且能适应强烈的振动、冲击和高温的使用环境。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种激光器与光导半导体开关结构。
背景技术
光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switches，简称PCSS），是近年来发展迅速的一种半导体光电子器件，其工作原理本质上是利用半导体的光电效应来调制半导体光电导材料的电导率。在光导半导体开关的电极上施加一定的偏置电压，激光脉冲照射在开关的半导体材料上，产生大量的载流子，此时开关导通，产生输出电脉冲；当激光脉冲撤去后，载流子消失，开关恢复到最初的阻断状态，输出电脉冲随之消失。光导半导体开关与传统开关相比具有诸多优点，在超高速电子学、大功率脉冲产生与整形、超宽带雷达、脉冲功率和高功率微波发生器、高速光探测器和调制器、光控微波和毫米波等领域具有广泛的应用前景。
光导半导体开关有两种工作模式，分别为线性模式和非线性模式。线性模式下，光电半导体材料每吸收一个光子产生一个电子空穴对，因此，光导半导体开关的输出电脉冲幅度与光脉冲的强度基本上呈线性关系，而与施加在开关上的电场无关。线性模式下光导半导体开关的导通需要较大的触发激光能量，故所使用的激光器尺寸较大。使用中，激光通过光导纤维或者透镜照射在光导半导体开关的表面，整套装置重量和体积都比较大，内部结构复杂，不利于推广应用。
在非线性模式下，光导半导体开关的两端电极施加高电场(大于4kV/cm)。由触发激光生成的光生载流子在高电场的驱动下获得足够的能量，通过碰撞电离将半导体材料禁带的电子散射到导带中，产生大量电子空穴对。由于每吸收一个光子就能生成大量的载流子，所需的触发光脉冲能量就相比线性模式低得多，大约低3-5个数量级。这为使用激光二极管触发光导半导体开关提供了条件。此类激光器包括垂直腔面发射半导体激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers，VCSELs)、边发射激光器(Edge Emitting Lasers，EELs)、横向结条形激光器(Transverse Junction Stripe Lasers，TJSLs)，具有成本低、效率高、尺寸小的特点。因此，工作在非线性模式下的光导半导体开关更易于小型化和拓展应用领域。
光导半导体开关工作于非线性模式时，两个电极之间的导通电流不是均匀分布的，而是形成电流丝，电流过大会缩短光导半导体开关寿命，甚至直接烧毁。电流丝的分布受触发激光照射位置的影响。若触发激光覆盖整个光导半导体开关表面，电流丝则集中于光导半导体开关表面的边缘区域，使得光导半导体开关表面的边缘区域承受的电流会过大而缩短光导半导体开关的寿命。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提供一种能够承受更大的导通电流，从而延长开关和激光器寿命的激光器与光导半导体开关结构。
为实现上述目的，本实用新型的一种激光器与光导半导体开关结构，包括基片，所述基片顶端面的两侧分别设置有电极，所述基片的底端面均匀设置有若干个垂直腔面发射半导体激光器，所述垂直腔面发射半导体激光器、基片及电极一体化封装。
其中，所述垂直腔面发射半导体激光器为底部发光垂直腔面发射半导体激光器。
其中，所述电极之间的间隙设置有钝化层。
其中，所述基片与电极之间设置有n+-GaN层。
其中，所述基片为硅基片、碳化硅基片、氮化硅基片、氧化铝基片、砷化镓基片或者磷化铟基片。
其中，所述电极为金属薄膜层，所述金属薄膜层为Ni/Ti/Au复合金属层、Ni/Cr/Au复合金属层、Ni/Cr复合金属层、W/Ti/Ni复合金属层、TiN层、TiW层或者Ti/Al复合金属层。
本实用新型的有益效果：本实用新型的一种激光器与光导半导体开关结构，工作时，基片底部设置的垂直腔面发射半导体激光器发光产生的激光穿透基片，由于有若干个垂直腔面发射半导体激光器在基片的底端面均匀设置，从而触发激光照射在电极的区域以点状分布，电流则从电极正极开始，依次通过激光照射的点，直到电极负极为止，其中，在工作过程中电流根据激光照射的点形成更多的电流丝，相当于把导通电流分散，从而能够承受更大的导通电流，使得垂直腔面发射半导体激光器与光导半导体开关的使用寿命得以延长。另外，激光器与光导半导体开关的一体化封装使得生产过程中省去组装环节，便于使用，且能适应强烈的振动、冲击和高温的使用环境。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
附图标记包括：
1—基片 2—电极 3—垂直腔面发射半导体激光器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，本实用新型的一种激光器与光导半导体开关结构，包括基片1，所述基片1顶端面的两侧分别设置有电极2，所述基片1的底端面均匀设置有若干个垂直腔面发射半导体激光器3，所述垂直腔面发射半导体激光器3、基片1及电极2一体化封装。其中，所述垂直腔面发射半导体激光器3为底部发光垂直腔面发射半导体激光器，采用GaAs（砷化镓）和AlxGa(1-x)As（铝镓砷化物）材料构成，并使用外延生长工艺制备而得。
本实用新型的一种激光器与光导半导体开关结构，将基片1的一面与掩模板紧密贴合，其中，掩模板用于沉积薄膜时，对基片1的顶端面的局部或者全部面积进行遮挡，以控制薄膜沉积的区域，采用磁控溅射在基片1表面依次沉积Ni(75nm)/Ti(50nm)/Au(120nm)薄膜，获得电极2，其中，电极2的图案可由金属掩膜版、半导体光刻工艺、湿法腐蚀、干法刻蚀或者剥离工艺制备而得。然后在基片1的另一面与掩模板紧密贴合，并使用外延工艺交替生长厚度均为260nm的n-AlAs（n型砷化铝）和GaAs（砷化镓）薄膜，其中共有18层的n-AlAs与共有17层的GaAs交替生长；进一步的，使用外延工艺依次沉积AlGaAs(120nm)、InGaAs(8nm)、GaAs(8nm)、InGaAs(8nm)、GaAs(8nm)、InGaAs(8nm)、AlGaAs(120nm)薄膜；再进一步的，使用外延工艺交替生长厚度均为260nm的p-AlAs（p型砷化铝）和GaAs薄膜，其中p-AlAs和GaAs薄膜各30层交替生长；再进一步的，使用外延工艺制备一层厚度为500nm的p+GaAs接触层；最后，使用磁控溅射制备一层200nm厚的Au膜，完成垂直腔面发射半导体激光器3与光导半导体开关的一体化封装。一体化封装相对于传统的复合式封装，不但在生产过程中省去组装环节，便于使用，且能适应更恶劣的使用环境，例如，振动、冲击和高温等。
工作时，基片1底部设置的垂直腔面发射半导体激光器3发光产生的激光穿透基片1，垂直腔面发射半导体激光器3是垂直于器件表面发射激光的，激光波长比基片1的材料禁带宽度对应的光波长更长，即可穿透基片1，相对于边发射激光器和横向结条形激光器易于组成激光器阵列，且更有利于触发光导半导体开关的导通。另外，由于有若干个垂直腔面发射半导体激光器3在基片1的底端面均匀设置，从而触发激光照射在电极2的区域以点状分布，电流则从电极2正极开始，依次通过激光照射的点，直到电极2负极为止，其中，在工作过程中电流根据激光照射的点形成更多的电流丝，相当于把导通电流分散，从而使得光导半导体开关能够承受更大的导通电流，使得垂直腔面发射半导体激光器3与光导半导体开关的使用寿命得以延长。
所述电极2之间的间隙设置有钝化层，钝化层的设置可以降低光导半导体开关的暗电流。
所述基片1与电极2之间设置有n+-GaN层。若偏置电压过高或导通工作电流过大时，基片1与电极2之间会产生大量的热量，从而烧毁光导半导体开关，而设置n+-GaN层则用于改善欧姆接触，由于n+-GaN层的掺杂浓度为3×1019，高掺杂率的n+-GaN层可吸收大量的空穴到电极2附近，从而降低电极2与基片1之间的接触电阻，从而降低电极2与基片1之间产生的热量，起到保护光导半导体开关的作用。
所述基片1为硅基片、碳化硅基片、氮化硅基片、氧化铝基片、砷化镓基片或者磷化铟基片。优选的，所述基片1为砷化镓基片，砷化镓基片具有高临界击穿电场和低介电常数等特点，成为大功率半导体器件的优选材料。相比较其他材料，砷化镓基片作为光导半导体开关的基片1，具有最高的载流子迁移率、较高的暗电阻率、更高的电压转换效率。
具体的，所述电极2为金属薄膜层，所述金属薄膜层为Ni/Ti/Au复合金属层、Ni/Cr/Au复合金属层、Ni/Cr复合金属层、W/Ti/Ni复合金属层、TiN层、TiW层或者Ti/Al复合金属层。其中，金属薄膜层可采用热蒸发、磁控溅射、电子束蒸发法工艺或者外延生长制备而得。
以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (6)
1.一种激光器与光导半导体开关结构，包括基片（1），所述基片（1）顶端面的两侧分别设置有电极（2），其特征在于：所述基片（1）的底端面均匀设置有若干个垂直腔面发射半导体激光器（3），所述垂直腔面发射半导体激光器（3）、基片（1）及电极（2）一体化封装。
2.根据权利要求1所述的一种激光器与光导半导体开关结构，其特征在于：所述垂直腔面发射半导体激光器（3）为底部发光垂直腔面发射半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种激光器与光导半导体开关结构，其特征在于：所述电极（2）之间的间隙设置有钝化层。
4.根据权利要求1所述的一种激光器与光导半导体开关结构，其特征在于：所述基片（1）与电极（2）之间设置有n+-GaN层。
5.根据权利要求1所述的一种激光器与光导半导体开关结构，其特征在于：所述基片（1）为硅基片、碳化硅基片、氮化硅基片、氧化铝基片、砷化镓基片或者磷化铟基片。
6.根据权利要求1所述的一种激光器与光导半导体开关结构，其特征在于：所述电极（2）为金属薄膜层，所述金属薄膜层为Ni/Ti/Au复合金属层、Ni/Cr/Au复合金属层、Ni/Cr复合金属层、W/Ti/Ni复合金属层、TiN层、TiW层或者Ti/Al复合金属层。
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