Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда



Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда
Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда
Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда

 


Владельцы патента RU 2400000:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) (RU)
Южный научный центр Российской академии наук (RU)

Лазер содержит полуизолирующую подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, образующую гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, а также имеющие горизонтальное взаимное расположение области эмиттеров первого и второго типов проводимости. Верхний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения второго типа проводимости, а нижний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения второго типа проводимости. В лазер введены управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки. Омические контакты к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости расположены на верхней грани полупроводникового кристалла. Нижняя граница зоны проводимости активной области совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя, верхняя граница валентной зоны активной области совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя. Технический результат заключается в увеличении быстродействия устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к области квантовой электронной техники и интегральной оптоэлектроники, а более конкретно - к интегральным инжекционным лазерам.

Известен инжекционный полупроводниковый лазер (см. «Инжекционный полупроводниковый лазер», Д.М.Демидов, С.Ю.Карпов, В.Ф.Мымрин, А.Л.Тер-Мартиросян, RU 2309501 С1, 2007 г.), содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхний и нижний дополнительные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно к верхнему и нижнему волноводным слоям собственной проводимости, а также к обеим сторонам квантово-размерной активной области собственной проводимости, причем омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости расположен на нижней поверхности подложки второго типа проводимости, примыкающей к области эмиттера второго типа проводимости.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, квантово-размерная активная область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является пониженное быстродействие, обусловленное инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в активной области лазера.

Известен инжекционный лазер (см. «Инжекционный лазер», Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, И.С.Тарасов, Д.А.Винокуров, RU 2259620 С1, 2005 г.), содержащий подложку, активную квантово-размерную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхний и нижний дополнительные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно к верхнему и нижнему волноводным слоям собственной проводимости, а также к обеим сторонам квантово-размерной активной области собственной проводимости, причем омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости расположен на нижней поверхности подложки второго типа проводимости, примыкающей к области эмиттера второго типа проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости примыкают соответственно к верхнему и нижнему дополнительным слоям собственной проводимости, области эмиттеров первого и второго типов проводимости являются слоями оптического ограничения.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, активная квантово-размерная область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является пониженное быстродействие, обусловленное инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в активной области лазера.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является инжекционный гетеролазер на основе квантовых точек (А.Р.Ковш, Д.А.Лившиц, А.Е.Жуков, А.Ю.Егоров, М.В.Максимов, В.М.Устинов, И.С.Тарасов, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов, D.Bimberg // Письма в ЖТФ, 1999 г., том 25, №11), содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, область квантовых точек, расположенную в квантово-размерной активной области собственной проводимости, причем области эмиттеров первого и второго типов проводимости являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости расположен на нижней поверхности подложки второго типа проводимости, примыкающей к области эмиттера второго типа проводимости.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, квантово-размерная активная область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхняя и нижняя области оптического ограничения.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является пониженное быстродействие, обусловленное инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в активной области лазера, а также сравнительно большим (десятки пикосекунд) временем захвата носителей заряда на энергетические состояния в квантовых точках, участвующие в лазерной генерации.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия устройства.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую сверху к верхнему волноводному слою, нижнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую снизу к нижнему волноводному слою, введены управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом подложка полуизолирующая, области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, омические контакты к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости расположены на верхней грани полупроводникового кристалла, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости активной области совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя, верхняя граница валентной зоны активной области совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя, верхний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения, нижний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в увеличении быстродействия инжекционного лазера.

На фиг.1 приведена структура предлагаемого интегрального инжекционного лазера с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда. На фиг.2 приведена зонная диаграмма гетероструктуры лазера при включающей полярности управляющего напряжения. На фиг.3 приведена зонная диаграмма гетероструктуры лазера при отключающей полярности управляющего напряжения.

Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда содержит подложку 1, квантово-размерную активную область собственной проводимости 2, верхний волноводный слой собственной проводимости 3 и нижний волноводный слой собственной проводимости 4, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости 2, область эмиттера первого типа проводимости 5, область эмиттера второго типа проводимости 6, омический контакт 7 к области эмиттера первого типа проводимости 5, омический контакт 8 к области эмиттера второго типа проводимости 6, верхнюю область оптического ограничения второго типа проводимости 9, примыкающую сверху к верхнему волноводному слою 3, нижнюю область оптического ограничения второго типа проводимости 10, примыкающую снизу к нижнему волноводному слою 4, управляющую область первого типа проводимости 11, примыкающую сверху к подложке 1, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости 10 и образующую с ней p-n-переход, омический контакт 12 к управляющей области первого типа проводимости 11, управляющий металлический контакт 13, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости 9 и образующий с ней переход Шоттки, при этом подложка 1 полуизолирующая, области эмиттеров первого и второго типов проводимости 5, 6 имеют горизонтальное взаимное расположение, омические контакты 7, 8 к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости 5, 6 расположены на верхней грани полупроводникового кристалла, квантово-размерная активная область 2 образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями 3, 4, причем нижняя граница зоны проводимости активной области 2 совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя 3, верхняя граница валентной зоны активной области 2 совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя 4, верхний волноводный слой 3 образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения 9, нижний волноводный слой 4 образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения 10.

Работает устройство следующим образом.

При подаче положительного напряжения на омический контакт 7 относительно омического контакта 8 происходит инжекция электронов из области эмиттера второго типа проводимости 6 в верхний волноводный слой собственной проводимости 3 и квантово-размерную активную область собственной проводимости 2, и инжекция дырок из области эмиттера первого типа проводимости 5 в нижний волноводный слой собственной проводимости 4 и квантово-размерную активную область собственной проводимости 2. Если при этом подается положительное напряжение на омический контакт 12 к управляющей области первого типа проводимости 11, примыкающей сверху к подложке 1, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости 10 и образующей с ней p-n-переход, относительно управляющего металлического контакта 13, примыкающего сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости 9 и образующего с ней переход Шоттки, зонная диаграмма гетероструктуры лазера принимает вид, показанный на фиг.2, и происходит передислокация максимума амплитуды волновых функций электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне в квантово-размерную активную область собственной проводимости 2, что приводит к пространственному совмещению максимумов амплитуды волновых функций носителей и генерации (или увеличению интенсивности) стимулированного излучения. Благодаря областям оптического ограничения 9 и 10 электромагнитное поле поперечной моды концентрируется в основном в волноводных слоях 3, 4 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2.

При подаче положительного напряжения на управляющий металлический контакт 13, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости 9 и образующий с ней переход Шоттки, относительно омического контакта 12 к управляющей области первого типа проводимости 11, примыкающей сверху к подложке 1, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости 10 и образующей с ней p-n-переход, и действующем положительном напряжении на омическом контакте 7 относительно омического контакта 8, зонная диаграмма гетероструктуры лазера принимает вид, показанный на фиг.3. При этом происходит передислокация максимума амплитуды волновых функций электронов в зоне проводимости из квантово-размерной активной области собственной проводимости 2 в верхний волноводный слой собственной проводимости 3 и передислокация максимума амплитуды волновых функций дырок в валентной зоне из квантово-размерной активной области собственной проводимости 2 в нижний волноводный слой собственной проводимости 4, что приводит к пространственному разделению максимумов амплитуды волновых функций носителей и снижению интенсивности (или полному исчезновению) стимулированного излучения.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда.

Учитывая, что при изменении полярности управляющего напряжения уровень инжекции электронов и дырок из областей эмиттеров остается неизменным, максимальная частота модуляции интенсивности стимулированного излучения инжекционного лазера соответствует терагерцовому диапазону, поскольку определяется инерционностью управляемого пространственного совмещения и разделения (передислокации) максимумов амплитуды волновых функций носителей заряда: электронов в пределах квантово-размерной активной области и верхнего волноводного слоя, и дырок в пределах квантово-размерной активной области и нижнего волноводного слоя.

Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую сверху к верхнему волноводному слою, нижнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую снизу к нижнему волноводному слою, отличающийся тем, что в него введены управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом подложка полуизолирующая, области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, омические контакты к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости расположены на верхней грани полупроводникового кристалла, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости активной области совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя, верхняя граница валентной зоны активной области совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя, верхний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения, нижний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой технике, квантовой оптоэлектронике и может быть использовано для разработки мощных когерентных импульсных источников излучения на основе эпитаксиально-интегрированных гетероструктур.

Изобретение относится к полупроводниковым лазерам и может быть использовано для систем оптической (диодной) накачки твердотельных и газовых лазеров, инфракрасной подсветки целей, контроля и управления летательными аппаратами, беспроводной оптической связи в свободном пространстве, обработки материалов, в медицине и т.д.
Изобретение относится к полупроводниковой, оптоэлектронной технологии, квантовой электронике. .

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к полупроводниковым лазерам. .

Изобретение относится к устройству полупроводниковых инжекционных лазеров и технологии их изготовления и может быть использовано для создания лазерных матриц многоканальных оптоволоконных интерфейсов.

Изобретение относится к технологии производства тонких оксидных монокристаллических пленок и может быть использовано в оптике. .

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может быть использовано для накачки твердотельных лазеров. .

Изобретение относится к квантовой электронной технике и может быть использовано для накачки твердотельных лазеров. .

Изобретение относится к резонаторам полупроводниковых лазеров с лучеиспускающей поверхностью на основе гетероструктур

Изобретение относится к полупроводниковой электронике

Предложенная группа изобретений относится к полупроводниковым лазерам. Полупроводниковый лазер включает гетероструктуру, выращенную на подложке, содержащей буферный слой, покровный слой, контактный слой, активную область с активной квантовой ямой либо с активными квантовыми ямами, выполненную в p-n- и/или в p-i-n- переходе, сформированном в окружающих ее слоях полупроводника, с показателем преломления активной квантовой ямы либо с показателями преломления активных квантовых ям, превышающих показатели преломления окружающих слоев полупроводника. Волновод сформирован всеми слоями гетероструктуры за счет разности показателей преломления активной квантовой ямы либо активных квантовых ям и окружающих слоев полупроводника, при этом подложка легирована сильнее, чем область с квантовой ямой или чем область с квантовыми ямами, степень легирования подложки составляет 1018-3*1018 см-3, буферный слой выполнен с той же степенью легирования, что и подложка, покровный слой легирован слабо, слабее, чем подложка, степень легирования покровного слоя составляет 1017-5*1017 см-3, контактный слой легирован сильно, степень легирования контактного слоя составляет 1019-5*1019 см-3. Технический результат заключается в снижении поперечной расходимости излучения, уменьшении внутренних оптических потерь, удешевлении и упрощении производства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике. Полупроводниковый лазер содержит гетероструктуру, выращенную на подложке GaAs, ограниченную перпендикулярными оси роста торцовыми поверхностями, с нанесенными на них покрытиями, с одной стороны - отражающим, а на другой - антиотражающим, и включающую волноводный слой с активной областью, сформированный p-i-n-переход, контактный слой и ограничительные слои, показатели преломления последних меньше показателей преломления подложки и других слоев, контактный слой и смежный с ним ограничительный слой легированы акцепторами, а подложка и другой ограничительный слой легированы донорами. В гетероструктуру включен буферный слой GaAs, легированный донорами и размещенный между подложкой и ограничительным слоем, а активная область волноводного слоя содержит, по крайней мере, три квантовые ямы InGaAs, выполненные в p-i-n-переходе, сформированном волноводным, буферным и ограничительными слоями, кроме того, толщины волноводного слоя и смежного с буферным ограничительного слоя выбраны таким образом, чтобы обеспечить потери на выход излучения в подложку в диапазоне 10-50 см-1 и угол выхода излучения в подложку φ в диапазоне 0-3°. Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения расходимости излучения. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике. Инжекционный лазер с модулированным излучением на основе гетероструктуры содержит секцию (1), секцию (2) управления, элемент (3), обеспечивающий электрическую изоляцию первого омического контакта (4) секции (1) усиления от второго омического контакта (5) секции 2 управления, элемент (6), обеспечивающий оптическую связь секции (1) усиления и секции (2) управления, оптический резонатор для ФПМ и оптический резонатор для ЗМ. Секция (1) усиления включает активную область (11), состоящую из по меньшей мере одного квантоворазмерного активного слоя, расположенную в волноводном слое (12), заключенном между широкозонным эмиттером (13) n-типа проводимости и широкозонным эмиттером (14) p-типа проводимости, первый омический контакт (4) к широкозонному эмиттеру (14) p-типа проводимости, подложку (15), третий омический контакт (16) к подложке (15). Секция (2) управления включает активную область (17), состоящую по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, расположенную в волноводном слое (18), заключенном между широкозонным эмиттером (19) n-типа проводимости и широкозонным эмиттером (20) p-типа проводимости, второй омический контакт (5) к широкозонному эмиттеру (20) p-типа проводимости, подложку (15), третий омический контакт (16) к подложке (15). Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения мощности сигналов управления. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Данный нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент обеспечивается: базовой секцией структуры, которая включает в себя сапфировую подложку (0001) и слой AlN, сформированный на подложке; и секцией структуры светоизлучающего элемента, которая включает в себя слой покрытия n-типа полупроводникового слоя AlGaN n-типа, активный слой, имеющий полупроводниковый слой AlGaN, и слой покрытия p-типа полупроводникового слоя AlGaN p-типа, при этом упомянутый слой покрытия n-типа, активный слой и слой покрытия p-типа сформированы на базовой секции структуры. Плоскость (0001) подложки наклонена под углом наклона, равным 0,6-3,0°, и мольная доля AlN слоя покрытия n-типа равняется 50% или более. Изобретение обеспечивает возможность улучшить качество кристалла основанного на AlGaN полупроводникового слоя, сформированного на сапфировой подложке (0001), посредством оптимизации угла наклона, и увеличить светоизлучающий выход нитридного полупроводникового ультрафиолетового светоизлучающего элемента. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

Использование: для полупроводниковых лазеров, возбуждаемых током, светом, электронным пучком. Сущность изобретения заключается в том, что конструкция полупроводникового лазера на основе гетероструктуры, содержащая лазерный кристалл, теплоотвод со стороны эпитаксиальных слоев гетероструктуры, подводящие ток электроды и гибкие электрические проводники, при этом подводящие ток электроды расположены параллельно оси резонатора лазерного кристалла, а гибкие электрические проводники соединяют подложку гетероструктуры непосредственно с электродами одной полярности. Технический результат: обеспечение возможности повышения мощности излучения лазера в непрерывном режиме генерации или максимальной и средней мощности в импульсном режиме генерации, снижения последовательного сопротивления, повышения кпд, а также повышения надежности, уменьшения габаритов, повышения выхода годных изделий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх