Оптоэлектронное устройство

 

Использование: в полупроводниковой квантовой электронике. Сущность изобретения: оптическая интегральная схема содержит лазерный и p-n-р биполярный фототранзисторный элементы, разделенные оптически прозрачным слоем. Выполненное ограничение на расположение оптически прозрачного слоя и концентрацию основных носителей заряда в этом слое, а также ограничение на концентрацию основных носителей заряда слоев, формирующих коллекторный переход биполярного фототранзистора, обеспечивают необходимый и достаточный уровень внутренней электрической и оптической связи для эффективной модуляции усиления в активной области лазерного элемента. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 L 31/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 4851691/25 (22) 27.07.90 (46) 07.01.93. Ьюл. N 1 (71) Физико-технический институт им, А.Ф.Иоффе (72) В.И.Корольков, Н.Ю.Орлов, А.В,Рожков, М.Н.Степанова и А.M.Ñóëòàíîâ (73) Физико-технический институт им, А.Ф,Иоффе (56) Голдобин И.С. и др. Генерирование и регистрация пикосекундных оптических импульсов при прямой токовой модуляции инжекционного гетеролазера, Письма в ЖТФ, т.11, вып.14, 1985, с.862-865.

Такуума X. Физика полупроводниковых лазеров. M.: Мир, 1989, с.244 — 293.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в полупроводниковой оптоэлектронике.

Известны устройства, в которых оптический и электронный модулирующий элементы интегрированы в гибридную схему.

Режим глубокой высокочастотной релаксационной пульсации в них реализуется с помощью генерации пикосекундных электрических импульсов, формируемых диодами с накоплением заряда либо лавинными транзисторами. Однако из-за наличия паразитных реактивностей в гибридных оптоэлектронных устройствах заметно ограничена возможность управления амплитудой и формой модулирующего сигнала, и, как следствие, импульсная мощность не превышает

200 мВ при модуляции оптических импульсов длительностью 50 пс, Ы 1787297 АЗ (54) ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Использование; в полупроводниковой квантовой электронике, Сущность изобретения: оптическая интегральная схема содержит лазерный и р — и — р биполярный фототранзисторный элементы, разделенные оптически прозрачным слоем. Выполненное ограничеwe на расположение оптически прозрачного слоя и концентрацию основных носителей заряда в этом слое, а также ограничение на концентрацию основных носителей заряда слоев, формирующих коллекторный переход биполярного фототранзистора, обеспечивают необходимый и достаточный уровень внутренней . электрической и оптической связи для эффективной модуляции усиления в активной области лазерного элемента. 2 ил. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является оптоэлектронное устройство, содержащее биполярный фототранзистор и лазерный элемент, выполненное в виде многослойной структуры на основе полупроводников А В, включающей и+-подлож.ку и расположенные последовательно р-, n-, и-, р-, р -слои, причем и — р-и-слои образуют фототранзисторный, à n — р — р — лазерный элементы, и три электрода, два из которых образуют контакт с подложкой и р -слоем.

Вертикальное расположение лазерного и биполярного фототранзисторного элементов уменьшает паразитные реактивности, а наличие положительной электрической и оптической обратной связи расширяет функциональные возможности оптоэлектрон1787297 ного устройства. Между тем, оптический и электронный элементы. формирующие оптоэлектронное устройство, не обеспечивают высокочастотной релаксационной пульсации, так как амплитуда электрического сигнала ограничена несколькими сотнями миллиампер, а время нарастания тока лежит в наносекундном диапазоне длительностей. При этом сочетание больших амплитуд и 4алых длительностей нарастания тока принципиально исключено. Фундаментальное ограничение связано с известными эффектами Кирка, оттеснения тока к краю эмиттерного перехода и др. В результате мощность оптических импульсов в оптоэлектронном устройстве ограничена и не превышает 100 мВт.

Целью изобретения является увеличение мощности сверхкоротких импульсов.

Физическая сущность предлагаемого решения основана на использовании лавинного пробоя фототранзистора, инициируемого световым потоком из лазерного элемента, Ка фиг,1 изображена конструкция оптоэлектронного устройства; на фиг.2 — электрическая схема включения.

Оптоэлектронное устройство содержит электрод 1 к подложке 2. а также базовый и коллекторный слои 3 и 4, формирующие коллекторный переход и -р — и биполярного фототранзистора. К коллекторному спою 4 фототранзистора непосредственно примыкает эмиттер 5 лазерного элемента, содержащего также активную область 6, ограниченную слоями 5 и 7. К эмиттеру 5 лазерного элемента выполнен электрод 9, а к слою 7 — электрод 9, Электрическая схема включения, представленная на фиг.2, содержит источник 10 напря>кения, ограничивающее сопротивление зарядной линии Ry== 500 кОм 11, отрезок коаксиального кабеля 12, длина которого задает длительность импульса накачки лазера, ограничивающее сопротивление цепи управления RH =- 500 Ом 13, генератор 14 импульсов, оптоэлектронное устройство 15, нагрузочное сопротивление В» = 50 Ом 16.

При подаче импульса управления через электрод 8, выполненный к эмиттеру 5 па+ зерной и — р-р -структуры, происходят инжекция неосновных носителей заряда в активную область 6 лазерного элемента их рекомбинации с испусканием квантов света. На этом этапе лазерный элемент находится в предпороговом режиме генерации.

Конструкция оптоэлектронного устройства такова, что большая часть потока фотонов попадает в коллектор 4 M поглощается в области обьемного заряда коллекторного ри-перехода фототранзистора, Для локалитолщины слоев, достаточной дпя размещения области пространственного заряда коллекторного р-и-перехода — W: (2лц и 1

Положительная электрическая и оптическая связь составляющих структуру элементов такова, что с помощью биполярного фототранзистора осуществляется не только фотоприем лазерного излучения, но и усиление принятого сигнала. Последнее означает, что толщина слоев, образующих коллекторный р — п-переход фототранзистора, такал, что, по крайней мере, удовлетворяет неравенству

a= 1 — VV /21 «0,5 ипи W L, 55 где L- диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базе фототранзистора.

Значения диффузионной длины для арсенида галлия с концентрацией легирующей примеси N «10 см лежат в диапазоне 15— зации большей части перепада потенциала напряжения в области оптического поглощения (характерный размер области собственного поглощения 10 мкм) коллекторный

5 р-и-переход фототранзистора сформирован на основе слоев с концентрацией легирующей примесиN =10 см . Приэтомнижний предел значений концентрации определяется лишь возможностями технологических

10 режимов формирования n+ — р — n-структуры фототранзистора и составляет в настоящий момент N «10 см

Инжектированные носители за время пролета области пространственного заряда

15 коллекторного р-п-перехода достигают пороговой энергии ионизации Ei и ударная ионизация становится возможной, если напряжение на р — и-переходе больше напряжения лавинного пробоя Ue, а ширина

20 области пространственного заряда соответствует максимальной напряженности поля при пробое, На основе экспериментальных зависимостей напряжения лавинного пробоя и максимального поля Е», от кон25 центрации легирующей примеси для р — ипереходов на основе арсенида галлия установлено минимальное значение напряжения Ug = 25(jB. начиная с которого реализуется лавинный механизм ударной

30 ионизации в и -р»п-структурах фототранзисторного элемента с концентрацией легирующей примеси N 1015 см з, Минимальное значение напряжения

Ов = 250 B определяет и нижний предел

1787297

7 б

100 мкм, Оценка толщины слоев, образующих коплекторный р-п-переход, выполненная в соответствии с отличительной частью фор1 е 250 1 /2 мулы изобретения — = аР/

2л и свидетельствует о соответствии полученных значений указанному диапазону, Иными словами приведенное в отличительной части формулы изобретения ограничение сум10 марной толщины W слоев является необходимым и достаточным условием работоспособности предлагаемого оптоэлектронного устройства.

Пример, Структура изготавливалась

15 методом жидкостной эпитаксии. На подложках из n — баАз сначала выращивался высоковольтный коллекторный рп-переход биполярного фототранзистора на основе слабо легированного арсенида галлия с концен20 трацией носителей N = (10 — 5 10 ) см 3.

Суммарная толщина слоев не превышала

50 — 55 мкм, что обеспечивало напряжение лавинного пробоя 0ц = 250 В. Далее методом низкотемпературной жидкофазной

25 эпитаксии выращивалась гетероструктура лазерного элемента, содержащая слой широкозонного эмиттера, два непегированных вопноводных слоя, окружающих квантоворазмерную активную область, и второй ши30 рокозонный слой р — AlxGa1-xAs. Оптически прозрачный широкознный и-слой эмиттера лазерного элемента легированный Те до уровня 5 10 см, ограничивал, с одной

1т -з стороны, активную область лазерного эле35 мента, а с другой, область пространственного заряда высоковольтного биполярного фототранзистора. При изготовлении лазерных резонаторов с зеркальными гранями применялось травление либо скалывание в

40 плоскости спайности. 9

Режим лавинного включения оптоэлектронного устройства по схеме, представленной на фиг,2, обеспечивал протекание модулирующего электрического импульса амплитудой в 5 — 10 А за время менее 200 пс.

Мощность оптического импульса составляла 3 Вт при длительности менее 20 пс. Про-. веденные оценки показывают, что предложенная структура при уровне накачки 3 — 5 КА/мс способна генерировать опти2 ческие импульсы мощностью более 20 Вт с одной грани лазерного элемента прй длительности импульса 10 пс.

Формула изобретения. Оптоэлектронное устройство, содержащее биполярный фототранзистор и лазерный элемент, выполненные в виде многослойной структуры на основе полупроводников А Б, включающей и -подложз + ку и расположенные последовательно р, и, и, р, р — слои, причем подлжка и р — п-слои образуют фототранзисторный, а и — р-р — лазерный элементы, и 3 электрода, два из которых образуют контакт с подложкой и р — слоем, о т п и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения мощности сверхкоротких импульсов, п- и р-слои, образующие коллекторный переход фототранзистора, выполнены с концентрацией, выбранной в интервале l0 см < N <10 см, и сум13 -3 15 марной толщиной W обоих слоев с

1 Е 250

ЫМЯ где 1 -диффузионная ло длина неравновесных носителей заряда в базе фототранзистара, q — заряд электрона, e — диэлектрическая проницаемость, а третий электрод выполнен к п-слою, являющемуся эмитте ром лазерной и — р — р-структуры, 1787297

I6,Фиг.2

Составитель В.Корольков

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Юрковецкая

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 274 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5