БИСТАБИЛЬНЫЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР Российский патент 1994 года по МПК H01L31/105 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности оптоэлектронных абсорбционных бистабильных устройств, и может быть использовано в системах оптической обработки информации для реализации логических операций И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ и т. п.

Известен бистабильный абсорбционный оптоэлектронный прибор на основе полупроводниковой р-i-n-гетероструктуры с омическими контактами [1] .

К недостаткам прибора относятся относительно низкая эффективность преобразования оптического сигнала, проявляющаяся в малой контрастности бистабильных состояний, и высокие энергетические затраты, т. е. большие напряжение питания и оптическая мощность переключения по сравнению с приборами, использующими квантоворазмерные слои полупроводников. Причина этого в том, что характерный для объемных материалов эффект Келдыша-Франца уступает Штарк-эффекту в квантоворазмерных структурах по максимально достижимой контрастности коэффициента поглощения в крутизне зависимости поглощения от электрического поля.

Известен биполярный абсорбционный оптоэлектронный прибор на основе полупроводниковой р-i-n-гетероструктуры с омическими контактами и кванторазмерными слоями в i-области [2] , принятый нами за прототип. Прибор работает на основе Штарк-эффекта при квантовом ограничении и содержит легированную подложку с омическим контактом, в которой вытравлено оптическое окно для ввода света перпендикулярно квантоворазмерным слоям. На подложке сформирована i-область с многочисленными (≈100) квантовыми ямами, крайние из которых ограничены барьерами в виде сверхрешеток. Поверх i-области располагается легированный широкозонный слой с полупрозрачным омическим контактом к нему.

Недостатками прибора-прототипа также являются недостаточная эффективность преобразования оптического сигнала и высокие энергетические затраты. На практике эти недостатки проявляются в довольно низкой контрастности состояний (отношение интенсивностей света на выходе прибора в "открытом" и "закрытом" состояниях I_вых^откр/I_вых^закрне превышает 2-3), определяемой, в первую очередь, малой длиной взаимодействия света с активным веществом, а также в недостаточно низких напряжениях питания (20-30 В) и оптической мощности переключения (20-70 мкВт при временах переключения меньших 20 мкс). Высокие энергетические затраты определяются необходимостью использования больших электрических полей ≈ 10⁵ В/см для проявления Штарк-эффекта и относительно малой крутизной зависимости коэффициента поглощения от электрического поля.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении энергетических затрат.

Цель достигается тем, что известный бистабильный абсорбционный оптоэлектронный прибор на основе полупроводниковой р-i-n-гетероструктуры с омическими контактами, содержащий в i-области по крайней мере одну квантовую яму, ограниченную барьером в виде сверхрешетки, согласно изобретению имеет гетероструктуру, допонительно снабженную волноводом, а квантовые ямы размещены в нем, причем энергетические параметры зонной структуры квантовой ямы с барьером в виде сверхрешетки связаны следующим соотношением:
- Δ ≅ (E₁ - E₀) ≅ Δ . где Е₀ - энергия нижнего энергетического уровня, локализованного в квантовой яме, отсчитываемая от дна ямы, эВ;
Е₁ - энергия нижнего края минизоны сверхрешетки, отсчитываемая от дна квантовой ямы, эВ;
Δ - энергетическая ширина минизоны сверхрешетки, эВ.

Суть изобретения заключается в следующем. Как и в прототипе, бистабильная характеристика реализуется за счет электрооптической положительной обратной связи, возникающей в результате совместного действия двух эффектов: генерации фототока в р-i-n-структуре и электромодуляции оптического сигнала в области края поглощения квантовых ям. В работе [2] теоретически обосновано условие, необходимое для бистабильной работы прибора, использующего упомянутые эффекты: уменьшение разности потенциалов на структуре должно проводить к увеличению поглощения света в ней. В приборе-прототипе указанное условие выполняется при работе в спектральной области коротковолнового крыла экситонного пика поглощения за счет длинноволнового сдвига пика при увеличении электрического поля, обусловленного Штарк-эффектом при квантовом ограничении. Для получения необходимых величин сдвига экситонного пика требуются относительно большие электрические поля ≈10⁵В/см и соответственно большие напряжения порядка 20-30 В.

В изобретении необходимая для функционирования прибора зависимость коэффициента поглощения от разности потенциалов реализуется в основном за счет принципиально другого эффекта: резонансного туннельного взаимодействия уровня энергии, локализованного в квантовой яме, с квазилокализованными состояниями "штарковой лестницы", образующейся под действием электрического поля из минизоны сверхрешетки, играющей роль барьера квантовой ямы. Резонансное взаимодействие приводит к изменению интеграла перекрытия волновых функций носителей в квантовой яме и к уменьшению силы осциллятора соответствующего перехода, что позволяет получить скачкообразное уменьшение поглощения в области экситонного пика при достижении резонансных условий. Условие резонанса может быть достигнуто при электрических полях ≈ 10⁴ В/см, на порядок меньше полей, необходимых для действия Штарк-ффекта, что определяет возможность существенного снижения напряжения питания прибора, в некоторых случаях вплоть до ноля, и обеспечивает более крутую характеристику зависимости поглощения от напряжения, что позволяет уменьшить оптическую мощность переключения. Таким образом удается добиться снижения энергопотребления при работе прибора по сравнению с прибором-прототипом. Кроме того, использование упомянутого эффекта позволяет достичь принципиально большего просветления в области края поглощения, чем эффект Штарка и, следовательно, большей эффективности преобразования оптического сигнала. Это связано с тем, что Штарк-эффект приводит в основном к сдвигу экситонного пика поглощения. При этом поглощение за пиком уменьшается слабо вплоть до максимально достижимых в диоде электрических полей порядка 2х10⁵ В/см из-за сильного размерного ограничения носителей в изолированной квантовой яме и определяет минимальную прозрачность прибора в "открытом" состоянии. В условиях резонансного взаимодействия это ограничение снимается. Экспериментально показано, что поглощение, соответствующее оптическим переходам с участием низших уровней размерного квантования в описанной квантомеханической системе, может быть уменьшено в 1,5-2,0 раза по сравнению с изолированной квантовой ямой.

Для эффективной реализации описанного принципа зонные энергетические параметры квантовой ямы и сверхрешетки должны удовлетворять определенным соотношениям. В условиях спрямленных зон (без электрического поля) уровень, локализованный в яме, должен находиться ниже верхнего края минизоны сверхрешетки, т. е. Е₀ ≅ E₁ + Δ , так чтобы увеличение электрического поля могло привести к энергетическому резонансу этого уровня с какими бы то ни было состояниями минизоны. С другой стороны, для состояний сверхрешетки в электрическом поле выполняется следующее условие. Эти состояния могут взаимодействовать лишь на расстояниях, меньших Δ /eF, где F - напряженность электрического поля, е - заряд электрона. В приближении слабого поля это условие приводит к необходимости ограничения величины Е₁ сверху: Е₁ ≅ Е₀+ Δ . При невыполнении этого условия при любых электрических полях взаимодействие между уровнем, локализованным в квантовой яме, и резонансными состояниями минизоны оказывается невозможным. Объединение описанных условий приводит к следующему ограничению, накладываемому на область допустимых значений энергетических параметров минизоны: - Δ ≅ ( E₁ - E₀ ) ≅ Δ.

В приборе-прототипе сверхрешетка введена в i-область исключительно из технологических соображений, позволяя выращивать эпитаксиальные соли м меньшим количеством примесей, и не играет функциональной роли. Поэтому в приборе-прототипе сверхрешетка занимает лишь малую часть i-области, позволяя разместить в последней много квантовых ям, обеспечивающих достаточное поглощение света при поперечном прохождении. В заявляемом устройстве сверхрешетки могут занимать значительную часть i-области, определяя электрические свойства структур, но не принимая прямого участия в поглощении света. Существенно, что в заявляемом устройстве оказывается невозможным обеспечить достаточную длину взаимодействия света с веществом квантовых ям при использовании геометрии прибора-прототипа, подразумевающей поперечное прохождение света через многочисленные квантовые ямы. Однако в заявляемом приборе практически любая длина взаимодействия света с квантовыми ямами может достигаться при использовании волноводной геометрии распространения света за счет многократных переотражений в волноводе.

Цепочка положительной обратной связи реализуется при включении прибора последовательно с источником смешения U_o и нагрузочным сопротивлением R_н следующим образом. В "открытом" состоянии при интенсивности входного оптического сигнала I_вх < I_крит фототок диода мал и напряжение U_o падает на диоде, обеспечивая максимальное просветление края поглощения за счет действия описанного механизма. При этом свет проходит через волноводную область (вдоль квантоворазмерных слоев) с минимальными потерями. Увеличение интенсивности света приводит к увеличению фототока и, как следствие, к уменьшению внешнего напряжения на диоде за счет перераспределения напряжения U_o на делителе p-i-n-диод - нагрузочное сопротивление. Это ведет к уменьшению электрического поля в i-области прибора и, соответственно, к увеличению поглощения света с выбранной длиной волны, что, в свою очередь, приводит к увеличению фототока, замыкая тем самым петлю положительной обратной связи. Процесс завершается переключением прибора в стабильное "закрытое" состояние.

Отметим, что эффективность преобразования оптического сигнала определяется соотношением интенсивностей света на выходе прибора в "открытом" и "закрытом" состояниях, которое обусловлено разницей максимального и минимального коэффициентов поглощения в квантовых ямах Δ α = = α_max - α_min для данной длины волны и выбранного напряжения смещения, конструктивными параметрами волноводных слоев (толщинами и показателем преломления) и длиной волновода w. В заявляемом приборе достигается Δ α большее, чем в приборе-прототипе, за счет уменьшения α_min. Кроме того, использование волноводного прохождения света позволяет увеличить эффективность преобразования оптического сигнала за счет выбора в каждом конкретном случае оптимальной длины волновода. В приборе-прототипе максимальная длина взаимодействия света с квантовыми ямами ≈ 1 мкм ограничена максимальной шириной i-области, необходимой для достижения нужных электрических полей. Учитывая значения коэффициента поглощения 5х10³ - 5х10⁴ см^-1, характерные для экситонного края поглощения полупроводников, это условие ограничивает максимальную контрастность прибора-прототипа значениями порядка 2-3. Использование при тех же условиях прохождения света через волновод диной ≈ 100 мкм, толщиной ≈0,5 мкм и содержащий всего одну квантовую яму, позволяет увеличить контрастность до 8-10 за счет увеличения длины взаимодействия света с активным веществом. Отметим, что несмотря на меньшую величину коэффициента волноводного поглощения в заявляемом приборе по сравнению с коэффициентом поглощения в приборе-прототипе, размеры заявляемого прибора не превосходят размеров прибора-прототипа, т. к. характерные длины волновода, обеспечивающие необходимое поглощение, находятся в диапазоне 20-300 мкм в зависимости от его геометрических параметров, в то время как прибор-прототип был выполнен в виде мезы диаметром 600 мкм, имеющей окно в 100 мкм для ввода света.

Докажем существенность признаков.

Необходимость наличия волноводной области связана с тем, что только при волноводном прохождении появляется возможность обеспечить многократное взаимодействие света с кванторазмерными слоями, т. е. значительное поглощение при их небольшом числе (до 15-20 квантовых ям). Экспериментально показано, что достаточное поглощение может быть обеспечено даже в структуре с одиночной квантовой ямой. Волноводные потери в волноводе, содержащем светоограничивающие слои, крайне малы, что позволяет увеличивать длину взаимодействия до достижения заданной эффективности преобразования оптического сигнала. Обеспечиваемая волноводной геометрией возможность работы с небольшим количеством квантовых ям допускает расположение в i-области ограничивающих квантовые ямы барьеров в виде сверхрешеток и тем самым использование описанного эффекта резонансного туннелирования, который, в свою очередь, обеспечивает снижение энергетических затрат.

Расположение активных квантоворазмерных слоев одновременно в волноводной и i-областях определяется необходимостью обеспечения взаимодействия их со светом, проходящим через волновод и возможности приложения к ним электрического поля. В противном случае достижение поставленной цели - повышение эффективности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении энергетических затрат - не представляется возможным.

Условия, накладываемые на зонные энергетические параметры квантовых ям и ограничивающих их барьеров в виде сверхрешеток, позволяют реализовать ситуацию, когда при малых энергетических полях волновые функции носителей сильно локализованы в квантовой яме, обеспечивая значительный коэффициент поглощения в спектральной области экситонного пика, тогда как увеличение электрического поля приводит к резонансному туннельному взаимодействию энергетического уровня в яме с квазилокализованными состояниями в сверхрешетке, вызывающему скачкообразное уменьшение поглощения, необходимое для выполнения поставленной цели. Накладываемые на зонные энергетические параметры ограничения должны выполняться хотя бы в одной из зон, валентной или проводимости, т. к. для достижения поставленной цели достаточно достижения резонансного условия для одного вида носителей (электронов или дырок). Достижение других возможных резонансов только улучшает параметры прибора.

Условие (Е₁-Е₀) ≥ - Δ обеспечивает достижение резонанса уровня в яме с какими бы то ни было состояниями сверхрешетки. Условие (Е₁-Е₀) ≅ - Δ ограничивает энергетическую щель между уровнем в яме и минизоной сверхрешетки, обеспечивая возможность достижения резонансного взаимодействия с состояниями минизоны сверхрешетки. Только при выполнении заданных ограничений на зонные энергетические параметры эффективно работает механизм резонансного туннельного взаимодействия и достигается поставленная цель.

Только вся заявленная совокупность признаков в результате их влияния друг на друга позволяет выявить новый физический механизм, заключающийся в туннельном резонансном взаимодействии состояния, локализованного в квантовой яме, с квазилокализованными состояниями "штарковой лестницы", образующейся в электрическом поле из минизоны сверхрешетки, являющейся барьером, ограничивающим квантовую яму. Причем возможность работы в таком режиме определяется упомянутыми ограничениями, накладываемыми на энергетические зонные параметры квантовой ямы и сверхрешетки, а достаточная величина поглощения - волноводным прохождением света. Совокупность признаков обеспечивает скачкообразное изменение поглощения света при достижении напряжения на приборе, соответствующего условию резонанса уровня в яме с состояниями "штарковой лестницы", что обеспечивает новый положительный эффект - повышение эффективности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении энергетических затрат.

На чертеже дана блок-схема заявляемого устройства.

Устройство содержит область n-типа проводимости 1; i-область 2, содержащую квантовые ямы, область р-типа проводимости 3, омические контакты к n- и р-областям 4; волноводную область 5, содержащую квантовые ямы 6; барьеры в виде сверхрешеток 7.

Устройство работает следующим образом.

Прибор с помощью омических контактов включается во внешнюю электрическую цепь последовательно с источником постоянного напряжения U_o, обеспечивающим обратное смещение диода, и нагрузочным сопротивлением R_н. Ввод и вывод оптического сигнала может осуществляться разными способами: фокусировкой света от внешнего источника с помощью микрообъектов, прямой пристыковкой к прибору выхода волоконно-оптической линии связи, инжекционного лазера, светодиода или другого устройства, а также по единому волноводу, образуемому методами планарной технологии при выполнении заявляемого прибора в составе оптоэлектронной интегральной схемы. В зависимости от интенсивности входного сигнала свет проходит по волноводу, слабо поглощаясь в "открытом" состоянии или претерпевая существенное поглощение в "закрытом" состоянии, и выходит с противоположного входу конца волновода. Прибор допускает работу с несколькими оптическими входами, обеспечивая выполнение логической операции ИЛИ-НЕ.

П р и м е р 1. Устройство выполнено на основе AlGaAs/GaAs p-i-n-гетероструктуры и имеет размеры 50х50 мкм. На подложке р-GaAs (N_A≈ 10¹⁸ см^-3) последовательно сформированы рабочие эпитаксиальные слои. Слой р-типа проводимости (N_A≈ 5х10¹⁷ см^-3) имеет толщину 1,1 мкм и состав Al_0,8Ga_0,2As. Волноводная область имеет сложную структуру и состоит из слоев р-Al_xGa_1-xAs (N_A ≈ 5х10¹⁷ см^-3) с градиентным изменением х от 0,8 до 0,4 на толщине 0,1 мкм, нелегированной i-области (N_D-N_A ≈ ≈10¹⁶ см^-3) толщиной 0,2 мкм, включающей в себя сверхрешетку состава GaAs - Al_0,4Ga_0,6As с переменным шагом, обеспечивающим градиентное изменение эффективной концентрации Al от 0,4 до 0,2, квантовую яму GaAs толщиной 100 , ограничивающие яму с обеих сторон барьеры в виде сверхрешеток, состоящих из 5 периодов с шагом 20 , состава GaAs - Al_0,4Ga_0,6As, и сверхрешеток с переменным шагом, обеспечивающих градиентное изменение эффективной концентрации A от 0,2 до 0,4, и затем слоев n A_lxGa_1-xAs (N_D ≈ 5х10¹⁷ см^-3) с градиентным изменением х от 0,4 до 0,8 на толщине 0,1 мкм. Следующий слой n-типа проводимости имеет состав Al_0,8Ga_0,2As (N_D ≈ 5х10¹⁷ см^-3) и толщину 1,1 мкм. Поверх него выращен контактный слой р⁺-GaAs (N_D ≈10¹⁸ см^-3) толщиной 0,7 мкм. С обеих сторон на структуру напылены омические золотые контакты. Численный расчет и экспериментальные данные по спектрам люминесценции и поглощения показывают, что зона легких дырок квантовой ямы и ограничивающих ее сверхрешеток имеет следующие энергетические параметры: Е₀ ≈ 20 мэВ, Е₁ ≈ 70 мэВ, Δ ≈ 100 мэВ, которые удовлетворяют упомянутым условиям, необходимым для достижения резонансного взаимодействия нижнего уровня легких дырок, локализованного в квантовой яме с квазилокализованными состояниями "штарковой лестницы", образующейся из минизоны легких дырок сверхрешетки.

Измеренные спектры волноводного поглощения показывают, что для света с длиной волны ≈ 850 нм, соответствующей пику поглощения экситона с легкой дыркой, изменение напряжения от +0,8 до -0,5 В приводит к ступенчатому уменьшению коэффициента волноводного поглощения от α_max ≈ 600 см^-1 ("закрытое" состояние) до α_min≈ 100 см^-1 ("открытое" состояние) за счет последовательных резонансов уровня легких дырок в яме с состояниями, локализованными преимущественно в 4-м, 3-м и 2-м периодах сверхрешетки, отсчитываемых от ямы. Это означает, что максимально достижимая контрастность стабильных состояний при выбранной длине волновода w = 50 мкм составляет
= 12 , где I_вх - критическое значение входной интенсивности, приводящей к переключению прибора. Максимально достижимая контрастность состояний прибора-прототипа не превышает 2-3, что наглядно демонстрирует повышение эффективности преобразования оптического сигнала. При этом необходимое напряжение смещения не превышает 2 В (при ≈ 20 В у прибора-прототипа), а оптическая мощность переключения, измеренная при тех же нагрузочных сопротивлениях R_н, оказывается в 5-7 раз меньше, чем у прибора-прототипа. При R_н = = 1 мОм, например, оптическая мощность переключения равна 8 мВт при 55 мВт у прибора-прототипа. Таким образом, контрастность состояний, определяющая эффективность преобразования оптического сигнала, оказывается в 6 раз больше, а потребление электрической мощности в (20/2)² = 100 раз и потребление оптической мощности в 5-7 раз меньше, чем у прибора-прототипа.

П р и м е р 2. Устройство выполнено на основе структуры, в которой размеры и порядок расположения слоев GaAs и AlGaAs аналогичны примеру 1, а отличие заключается в изменении ширины i-области: 0,3 мкм. В этом случае границы i-области формируются в пределах слоев AlGaAs с градиентным изменением концентрации Al, причем оптическая мода градиентного волновода оказывается ограниченной внутри i-области.

Варьирование ширины i-области позволяет оптимизировать электрооптические характеристики структуры. Прибор, выполненный на основе описанной структуры с длиной волновода 20 мкм, может работать вообще без внешнего смещения, используя встроенное электрическое поле р-i-n-диода. При этом контрастность состояний оказывается в 1,2 раза выше, а оптическая мощность переключения в 2-3 раза меньше, чем у прибора-прототипа.

Из рассмотренных примеров видно, что предложенная конструкция способна эффективно работать в системах оптической обработки информации, превосходя по основным параметрам устройство-прототип. (56) Бутусов Д. М. и др. Эффективная модуляция излучения и N-образная ВАХ для фототока при электропоглощении света в двойной p-i-n-гетероструктуре. - ФТП, т. 23, вып. 9, 1989, с. 1601.

Miller D. A. B. et all. The quantum well selfelectroopric effect device: optoelectronic bistability and oscillation, and self linearized modulation. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1985, v. 21, N 9, р. 1462.

Использование: в оптоэлектронике, в системах оптической обработки информации для реализации различных логических операций. Сущность изобретения: в бистабильном абсорционном оптоэлектронном приборе на основе полупроводниковой p-i-n-гетероструктуры с омическими контактами, содержащей в i-области по крайней мере одну квантовую яму, ограниченную барьером в виде сверхрешетки, гетероструктура снабжена волноводом. Квантовые ямы размещены в нем, причем энергетические параметры зонной структуры квантовой ямы с барьером в виде сверхрешетки связаны следующим соотношением -Δ≅(E₁-E_o)≅Δ где E_o - энергия нижнего энергетического уровня, локализованного в квантовой яме, отсчитываемая от дна квантовой ямы, эВ; E₁ - энергия нижнего края минизоны (барьера в виде сверхрешетки, ограничивающего квантовую яму), отсчитываемая от дна квантовой ямы, эВ Δ - энергетическая ширина минизоны сверхрешетки, эВ. 1 ил.

БИСТАБИЛЬНЫЙ АБСОРБЦИОННЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР на основе полупроводниковой p - i - n-гетероструктуры с омическими контактами, содержащий в i-области по крайней мере одну квантовую яму, ограниченную барьером в виде сверхрешетки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности преобразования оптического сигнала при одновременном снижении энергетических затрат, гетероструктура снабжена волноводом, а квантовые ямы размещены в нем, причем энергетические параметры зонной структуры квантовой ямы с барьером в виде сверхрешетки связаны следующим соотношением:
-Δ≅(E₁-E₀)≅Δ ,
где E₀ - энергия нижнего энергетического уровня, локализованного в квантовой яме, отсчитываемая от дна ямы, эВ;
E₁ - энергия нижнего края минизоны барьера в виде сверхрешетки, ограничивающего квантовую яму, отсчитываемая от дна квантовой ямы, эВ;
Δ - энергетическая ширина минизоны сверхрешетки, эВ.