ЛАЗЕР-ТИРИСТОР Российский патент 2020 года по МПК H01S5/00 H01L33/00 

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к импульсным инжекционным источникам лазерного излучения.

Получение высокочастотных последовательностей мощных лазерных импульсов актуально для ряда практических применений, в частности, в системах оптической связи в свободном пространстве, лазерной локации, дальнометрии. Импульсные источники мощного лазерного излучения, основанные на твердотельных лазерах, отличаются высокой стоимостью, низкой энергоэффективностью, а также большими габаритами. Построение оптических систем на основе полупроводниковых кристаллов позволит снизить стоимость и повысить энергоэффективность за счет низкой себестоимости и высокого КПД лазерных наногетероструктур. Однако для таких излучателей нет простых решений, в том числе схемотехнических, позволяющих одновременно получать мощные лазерные импульсы с высокой частотой повторения, при этом сохраняя такие преимущества полупроводниковых лазеров, как эффективность и компактность.

В известных инжекционных лазерах возможность получения управляемой последовательности мощных лазерных импульсов обеспечивается за счет прямой токовой модуляции секции усиления, пропуская импульсный ток, генерируемый внешними импульсными источниками, что приводит к существенным недостаткам, связанным с большими массогабаритными характеристиками и снижением эффективности всей системы (лазер и внешний источник), при генерации высокочастотных последовательностей лазерных импульсов.

Известный инжекционный лазер (см. Wang, X., Cramp, P., Wenzel, H., Liero, A., Hoffmann, Т., Pietrzak, A., Schultz, С.М., Klehr, A., Ginolas, A., Einfeldt, S., Bugge, F., Erbert, G., and Tränkle, G., «Root-Cause Analysis of Peak Power Saturation in PulsePumped 1100 nm Broad Area Single Emitter Diode Lasers.», IEEE J. Quant. Electron. 46(5), 658-665 (2010), включающий AlGaAs/GaAs гетероструктуру, состоящую из активной области, расположенной в волноводном слое, заключенном между широкозонным эмиттером n-типа и эмиттером р-типа проводимости, а также Фабри-Перо резонатор, полосковый контакт к эмиттеру р-типа проводимости, размеры которого ограничены длиной Фабри-Перо резонатора и шириной излучающей апертуры. Известный инжекционный лазер демонстрировал генерацию оптических импульсов амплитудой до 100 Вт длительностью 300 нс с частотой 1 кГц. Генерация оптических импульсов осуществлялась за счет прямой накачки импульсами тока длительностью 300 нс, с частотой 1 кГц и амплитудой до 240 А. Недостатками известного инжекционного лазера являются сложность конструкции всей системы лазер-источник за счет необходимости использования внешнего мощного импульсного источника тока, генерация только достаточно длинных импульсов (длительность более 100 нс).

Известен инжекционный лазер (см. J. Klamkin, R.K. Huang, J.J. Plant, M.K. Cormors, L.J. Missaggia, W. Loh, G.M. Smith, K.G. Ray, F.J. O'Donnell, J.P. Donnelly and P.W. Juodawlkis, «Directly modulated narrowband slab-coupled optical waveguide laser.», ELECTRONICS LETTERS, Vol. 46 No. 7 p. 522-523, 1st April 2010), включающий AlGaAs/InGaAs гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную протравленными мезаканавками и гранями Фабри-Перо резонатора. С р-стороны инжекция осуществлялась через полосковый контакт шириной 5,7 мкм. Электрическое ограничение формировалось за счет протравленных мезаканавок. Генерация оптических импульсов в полупроводниковом лазере была получена при накачке полупроводникового лазера внешним источником импульсами тока амплитудой 2.3 А, длительностью 35 нс и частотой 2 МГц. Пиковое значение выходной оптической мощности составило 2.3 Вт. К недостаткам заявленного устройства можно отнести необходимость использования внешнего импульсного источника, как следствие большие массогабаритные характеристики, невысокое значение пиковой выходной оптической мощности, а также необходимость модуляции тока инжекции в области усиления, что требует увеличения амплитуды тока накачки для повышения амплитуды выходного оптического сигнала.

Также существует другой подход к решению задачи генерации мощных лазерных импульсов. Подход основан на использовании интегрированного в лазерную гетероструктуру токового ключа, управляемого сигналами малой мощности.

Известный лазер-тиристор (Y. Tashiro et al., «Vertical to surface transmission electrophotonic device with selectable output light channels)), Appl. Phys. Lett., 54(4), p. 329-331 (1989) реализована конструкция на основе тиристорной n-p-n-p структуры, обеспечивающей лазерную генерацию. Конструкция гетероструктуры включала следующую последовательность слоев, выращенных на n-GaAs подложке: буферный слой GaAs n-типа проводимости толщиной 0.5 мкм, легированный до концентрации 2*10¹⁸ см^-3, слой катода Al_0.4Ga_0.6As n-типа проводимости легированный до концентрации 2*10¹⁸ см^-3 толщиной 1 мкм, слой Al_0.25Ga_0.75As р-типа проводимости толщиной 5 нм, легированный до концентрации 10¹⁹ см^-3, первая часть волноводного слоя на основе Al_0.25Ga_0.75As толщиной 0.3 мкм р-типа проводимости с концентрацией 10¹⁵ см^-3, активная область на основе GaAs толщиной 0.1 мкм р-типа проводимости с концентрацией 10¹⁵ см^-3, вторая часть волноводного слоя на основе Al_0.25Ga_0.75As толщиной 0.1 мкм р-типа проводимости с концентрацией 10¹⁵ см^-3, слой затвора n-типа проводимости на основе Al_0.25Ga_0.75As толщиной 0.5 мкм, легированный до 10¹⁷ см^-3, слой анода Al_0.4Ga_0.6As р-типа проводимости, легированный до концентрации 2*10¹⁸ см^-3 толщиной 1 мкм и контактный слой GaAs р-типа проводимости, легированный до концентрации 10¹⁹ см^-3 толщиной 0.5 мкм. Предложенная конструкция демонстрировала вольт-амперную характеристику (ВАХ) с характерной областью отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), при этом напряжение включения составляло 4 В, включение осуществлялось за счет засветки внешним оптическим импульсом. Во включенном состоянии была продемонстрирована лазерная генерация с оптической мощностью 12 мВт и максимальным током 200 мА на длине волны 875 нм. Разработанная конструкция имела сплошные полосковые контакты со стороны анода и катода, а форма кристалла обеспечивала наличие зеркал резонатора для лазерного излучения. Недостатками являются необходимость внешнего оптического источника управляющего сигнала, что усложняет конструкцию, а также низкие значения мощности лазерного излучения, низкие частоты повторения.

В патенте US 005204871 A [МПК G02F 3/02, H01L 33/00, H01S 5/26, опубл. 20.04.1993] предложена конструкция оптотиристора, обеспечивающая распространение света, в том числе и лазерного, в выбранном направлении. Предлагаемая конструкция по меньшей мере состоит из подложки, первого эмиттера, первой области ограничивающей носители заряда, первого внутреннего гетероперехода, формирующего барьер, первой области базы, второй области базы, второго внутреннего гетероперехода, формирующего барьер, второй области ограничивающей носители заряда, второго эмиттера, где части первого эмиттера и второй базовой области одного типа проводимости, а части второго эмиттера и первой базовой области противоположного типа проводимости, где первый и второй эмиттер и первый и второй внутренние гетеропереходы, формирующие барьеры, первая и вторая базовые области вместе формируют единый оптический резонатор в направлении, перпендикулярном предпочтительному направлению распространения света, и электроды обеспечивают протекание электрического тока, который направлен через предложенную конструкцию прибора. Недостатком предложенной конструкции является низкие значения токов до 50 мА, которые пропускает прибор.

В патенте ЕР 0273344 В1 [МПК G02F 3/02, G11C 11/39, H01L 31/111, опубл. 14.10.1992] предложен n-p-n-р лазер-тиристор, включающий область анода, область катода и базовую область, которая расположена между анодом и катодом. Базовая область состоит из р-базы, покрывающей катодную область и с первого по третий слои n-базы. При этом первый слой n-базы покрывает слой р-базы, третий слой n-базы покрывает область анода. Области анода и катода изготовлены из более широкозонных материалов, чем первый и третий слои n-базы, а второй слой n-базы имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем первый и третий слои n-базы, так, что улучшаются характеристики оптической связи (внешней оптической накачки) и реализуется высокая выходная оптическая мощность. Недостатками данного изобретения являются необходимость использования внешней накачки, что усложняет конечный прибор за счет включения дополнительных элементов и необходимости их тонкой юстировки, а также слишком тонкая область поглощения внешней оптической накачки, что потребует больших мощностей управляющих сигналов.

В работе (см. Slipchenko S.O., Podoskin А.А, Rozhkov A.V., Pikhtin N.A., Tarasov I.S., Bagaev T.A., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Kurniavko Y.V., Ladugin M.A., Marmalyuk A.A., Padalitsa A.A., Simakov V.A., «High-Power Pulse Semiconductor Laser-Thyristor Emitting at 900-nm Wavelength.», Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 25, Issue: 17, p. 1664 - 1667 (2013), предложен лазер-тиристор, включающий выращенную на подложке гетероструктуру AlGaAs/GaAs, содержащую катодную область, включающую широкозонный слой Al_0.35Ga_0.65As n-типа проводимости, толщиной 0.5 мкм, подложку GaAs n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой GaAs р-типа проводимости, толщиной 0.4 мкм, широкозонный слой Al_0.35Ga_0.65As р-типа проводимости, толщиной 1.9 мкм, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, расположенную со стороны широкозонного слоя катодной области, включающую слой GaAs р-типа проводимости, толщиной 2.5 мкм, вторую базовую область, расположенную со стороны широкозонного слоя анодной области, включающую широкозонный слой Al_0.35Ga_0.65As n-типа проводимости, толщиной 1.9 мкм, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, слой GaAs n-типа проводимости, толщиной 2 мкм, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую нелегированный слой Al_0.3Ga_0.7As, толщиной 0.4 мкм, в котором расположена квантоворазмерная активная область InGaAs, толщиной 9 нм. Первая базовая область непосредственно граничит со второй базовой областью со стороны узкозонного слоя n-GaAs, формируя тем самым коллекторный р-n переход. Ширина запрещенной зоны квантоворазмерных слоев активной области и первой базовой области обеспечивают поглощение части спонтанного излучения активной области в первой базовой области. Также известный лазер-тиристор включает оптический Фабри-Перо резонатор, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны контактного слоя GaAs р- типа проводимости, и формирующий область инжекции через активную область второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны подложки GaAs n-типа проводимости, мезаканавку, вытравленную на глубину, равную сумме толщин слоев анодной, волноводной областей и широкозонного слоя второй базовой области, расположенную вдоль первого омического контакта, третий омический контакт - к слою GaAs n-типа проводимости второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки. Известный лазер-тиристор обеспечивает генерацию мощных лазерных импульсов без использования внешних мощных импульсных генераторов. Генерация лазерных импульсов осуществляется за счет перевода лазера-тиристора во включенное состояние при приложении малосигнального тока управления к секции управления через третий омический контакт. В результате была продемонстрирована возможность генерации лазерных импульсов амплитудой 28 Вт, при напряжении постоянного источника питания 14 В и амплитуде управляющего сигнала от 20 А/см² до 210 А/см². Длительность лазерного импульса составила 300 нс. Недостатком предложенной конструкции является низкая эффективность оптической связи (передачи дырочного тока анода) и в результате избыточная концентрация фотогенерированных дырок в первой базовой области низка, что ограничивает максимальный ток через структуру и максимальную излучаемую оптическую мощность. Также низкая эффективность обратной оптической связи ведет к увеличению амплитуды тока управления. Низкая эффективность обратной оптической связи обусловлена наличием узкозонного слоя n-GaAs во второй базовой области, поглощающего существенную часть спонтанного излучения активной области, что ведет к уменьшению концентрации фотогенерированных дырок в первой базовой области, а также избыточной толщиной слоя первой базовой области p-GaAs, которая существенно больше толщины области объемного заряда коллекторного р-n перехода, что ведет к снижению градиента концентрации фотогенерированных дырок и, как следствие, к уменьшению максимального тока и повышению амплитуды управляющего сигнала. Также в известном лазере-тиристоре не была продемонстрирована возможность генерации высокочастотных последовательностей мощных лазерных импульсов.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является лазер-тиристор (см. [патент RU2557359, МПК H01S 5/00, опубл. 20.07.2015], принятый нами за прототип), который содержит катодную область, включающую подложку n-типа проводимости, по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один широкозонный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один из которых одновременно является слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, примыкающую к широкозонному слою катодной области, включающую по меньшей мере один слой р-типа проводимости, вторую базовую область, примыкающую к первой базовой области, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую нелегированный слой, в котором расположена активная область, состоящая по меньшей мере из одного квантоворазмерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью с нанесенным отражающим покрытием, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости, и формирующий область инжекции через активную область второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны свободной поверхности подложки n-типа проводимости, мезаканавку, вытравленную вдоль первого омического контакта, и дно мезаканавки, расположенное во второй базовой области, третий омический контакт ко второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки. Параметры материалов слоев первой и второй базовых областей удовлетворяют следующим выражениям

E_{B1_MAX}≤E_AR

E_{B2_MIN}≥E_AR+3⋅k⋅T

где E_AR - ширина запрещенной зоны активной области (эВ);

k - постоянная Больцмана;

T- температура активной области (К);

E_{B2_MIN} - минимальная ширина запрещенной зоны слоя второй базовой области (эВ);

E_{B1_MAX} - максимальная ширина запрещенной зоны слоя первой базовой области (эВ);

А для толщины первой базовой области выполняется равенство

D_B1=Δ_Р+0.5⋅10^-4

где D_B1 - толщина первой базовой области (см);

Δ_Р - толщина области объемного заряда коллекторного р-n перехода при максимальном напряжении (см);

N_A, N_D, - концентрации акцепторов и доноров в первой и второй базовой области, соответственно (см-³);

∈ - диэлектрическая проницаемость первой базовой области (отн. ед.);

∈₀=8.85⋅10^-14 Ф/см - диэлектрическая постоянная;

ϕ_C - контактная разность потенциалов коллекторного перехода (В);

q=1.6⋅10^-19 Кл - заряд электрона;

U_MAX - максимальное рабочее напряжение на лазере-тиристоре в закрытом состоянии (В).

Недостатком известного изобретения является то, что в первой базовой области используется однородное легирование, при этом, как показали исследования, проведенные в работе (Sergey Slipchenko, Aleksandr Podoskin, Olga Soboleva, Nikita Pikhtin, I1'уа Tarasov, Valentin Yuferev, «Dynamic model of pulsed laser generators based on multi-junction N-p-N-i-P heterostructures.», Proc. SPIE 9742, Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XXIV, 974201 (March 4, 2016); DOI:10.1117/12.2212583), для получения высоких пиковых мощностей лазерных импульсов, генерируемых лазерами-тиристорами, необходимо увеличивать блокирующее напряжение за счет увеличения толщины и понижения уровня легирования первой базовой области. Так в работе (Sergey Slipchenko, Aleksandr Podoskin, Olga Soboleva, Nikita Pikhtin, Il'уа Tarasov, Valentin Yuferev, «Dynamic model of pulsed laser generators based on multi-junction N-p-N-i-P heterostructures.», Proc. SPIE 9742, Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XXIV, 974201 (March 4, 2016); DOI:10.1117/12.2212583) толщина первой базовой области составила 4 мкм, что соответствует уровню легирования акцепторными примесями 10¹⁶ см^-3. С одной стороны это позволило увеличить максимальное блокирующее напряжение в эксперименте до 25 В, с другой стороны это привело к резкому падению тока удержания и резкому падению пиковой оптической мощности лазерных импульсов при работе на высоких частотах повторения из-за невозможности быстро заряжать внешний конденсатор.

Техническим результатом настоящего изобретения - заявляемого лазера-тиристора, является увеличение частоты генерации мощных лазерных импульсов при по крайней мере сохранении пиковой оптической мощности.

Технический результат достигается тем, что предложенный лазер-тиристор, включающий подложку n-типа проводимости и гетероструктуру на ней, содержит катодную область, включающую подложку n-типа проводимости и по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой р-типа проводимости и по меньшей мере один широкозонный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один из которых одновременно является слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, примыкающую к широкозонному слою катодной области, включающую первый слой р-типа проводимости, вторую базовую область, примыкающую к первой базовой области, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую по меньшей мере активную область, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью с просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью с отражающим покрытием, первый омический контакт к анодной области, находящийся со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости и формирующий область инжекции через активную область, второй омический контакт к катодной области, находящийся со стороны свободной поверхности подложки n-типа проводимости, мезаканавку с дном во второй базовой области и с боковой стороной, граничащей с плоскостью первого омического контакта, третий омический контакт ко второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки. Параметры материалов слоев первой и второй базовых областей удовлетворяют следующим выражениям:

E_{B1_MAX}≤E_AR

E_{B2_MIN}≥E_AR+3⋅k⋅T

где E_AR - ширина запрещенной зоны активной области (эВ);

k - постоянная Больцмана;

Т- температура активной области (К);

E_{B2_MIN} - минимальная ширина запрещенной зоны слоя второй базовой области (эВ);

E_{B1_MAX} - максимальная ширина запрещенной зоны первого слоя р-типа проводимости первой базовой области (эВ).

Отличием является то, что между широкозонным слоем n-типа проводимости катодной области и первым слоем р-типа проводимости первой базовой области расположен второй слой р-типа проводимости, параметры которого удовлетворяют следующим соотношениям:

0.2 мкм≥D_B2≥0.05 мкм;

8*10¹⁸ см^-3≥N_B2≥10*N_A;

D_B2, N_B2 - толщина (см) и легирование (см^-3), соответственно второго слоя р-типа проводимости первой базовой области.

А для толщины первого слоя р-типа проводимости первой базовой области выполняется равенство

D_B1=Δ_Р

где D_B1 - толщина первого слоя р-типа проводимости первой базовой области (см);

Δр - толщина области объемного заряда коллекторного р-n перехода при максимальном напряжении (см);

N_A, N_D,- концентрации акцепторов и доноров в первом слое р-типа проводимости первой базовой области и второй базовой области, соответственно (см^-3);

∈ - диэлектрическая проницаемость первой базовой области (отн. ед.);

∈₀=8.85⋅10^-14 Ф/см - диэлектрическая постоянная;

ϕ_C - контактная разность потенциалов коллекторного перехода (В);

q=1.6⋅10^-19 Кл - заряд электрона

U_MAX - максимальное рабочее напряжение на лазере-тиристоре в закрытом состоянии (В).

Технический результат достигается тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.

Технический результат достигается тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси р-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.

Технический результат достигается тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов А₃В₅.

Заявляемый лазер-тиристор поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображен известный лазер-тиристор;

на фиг. 2 изображен заявляемый лазер-тиристор.

Далее приводим список позиций, указанных на прилагаемых фигурах 1, 2:

1 - катодная область,

2 - подложка n-типа проводимости,

3 - широкозонный слой n-типа проводимости катодной области,

4 - анодная область,

5 - контактный слой р-типа проводимости,

6 - широкозонный слой р-типа проводимости анодной области,

7 - первая базовая область,

8 - первый слой р-типа проводимости первой базовой области,

9 - вторая базовая область,

10 - широкозонный слой n-типа проводимости второй базовой области,

11 - мезаканавка

12 - волноводная область

13 - активная область,

14 - первая естественно сколотая грань с нанесенным просветляющим покрытием,

15 - вторая естественно сколотая грань с нанесенным отражающим покрытием,

16 - первый омический контакт,

17- дно мезаканавки 11

18 - второй омический контакт,

19 - боковая сторона мезаканавки 11,

20 - третий омический контакт,

21 - второй слой р-типа проводимости первой базовой области.

Известный лазер-тиристор по патенту RU 2557359 (см. фиг. 1), содержит катодную область 1, включающую подложку n-типа проводимости 2 и широкозонный слой n-типа проводимости 3, анодную область 4, включающую контактный слой р-типа проводимости 5 и широкозонный слой р-типа проводимости 6, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область 13, первую базовую область 7, примыкающую к широкозонному слою 3 катодной области 1, включающую слой р-типа проводимости 8, вторую базовую область 9, примыкающую к первой базовой области 7, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости 10, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область 13, волноводную область 12, расположенную между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, включающую активную область 13, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью 14 с нанесенным просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью 15 с нанесенным отражающим покрытием, первый омический контакт 16 к анодной области 4, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости 5, и формирующий область инжекции через активную область 13, второй омический контакт 18 к катодной области 1, сформированный со стороны свободной поверхности подложки 2 n-типа проводимости, мезаканавку 11, вытравленную вдоль первого омического контакта 16, с боковой стороной 19 и дном 17, расположенным во второй базовой области 9, третий омический контакт 20 ко второй базовой области 9, расположенный на дне 17 мезаканавки 11.

Предлагаемый лазер-тиристор (см. фиг. 2) содержит катодную область 1, включающую подложку n-типа проводимости 2, широкозонный слой n-типа проводимости 3, анодную область 4, включающую контактный слой р-типа проводимости 5, широкозонный слой р-типа проводимости 6, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область 13, первую базовую область 7, примыкающую к широкозонному слою 3 катодной области 1, включающую первый слой р-типа проводимости 8, вторую базовую область 9, примыкающую к первой базовой области 7, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости 10, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область 13, волноводную область 12, расположенную между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, включающую активную область 13, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью 14 с нанесенным просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью 15 с нанесенным отражающим покрытием, первый омический контакт 16 к анодной области 4, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости 5, и, формирующий область инжекции через активную область 13, второй омический контакт 18 к катодной области 1, сформированный со стороны свободной поверхности подложки 2 n-типа проводимости, мезаканавку 11, вытравленную вдоль первого омического контакта 16, с боковой стороной 19 и дном 17, расположенным во второй базовой области 9, третий омический контакт 20 ко второй базовой области 9, расположенный на дне 17 мезаканавки 11. Между широкозонным слоем n-типа проводимости 3 катодной области 1 и первым слоем р-типа проводимости 8 первой базовой области расположен введенный второй слой р-типа проводимости 21 первой базовой области.

Улучшение выходных характеристик заявляемого лазера-тиристора, а именно, увеличение частоты генерации мощных лазерных импульсов при по крайней мере сохранении пиковой оптической мощности обеспечиваются за счет двух факторов:

(1) сильнолегированный слой р-типа проводимости 21, добавленный в первую базовую область со стороны анодной области, предотвращает эффект прокола базы при высоких блокирующих напряжениях; видно, что за счет использования второго слоя в первой базовой области с повышенным легированием для заявляемого лазера-тиристора нет необходимости увеличивать толщину первого слоя первой базовой области на 0.5 мкм для предотвращения прокола первой базовой области;

(2) в упомянутом сильнолегированном слое 21 снижается время жизни избыточных носителей заряда за счет увеличения скорости безызлучательной рекомбинации, что приводит к уменьшению коэффициента передачи электронов из анодной области в активную область, что позволяет повысить ток удержания.

Тиристорные структуры формируются на основе структур с тремя р-n переходами. Конструкция предлагаемой гетероструктуры мощного лазера-тиристора основана на использовании базовой лазерной двойной гетероструктуры раздельного ограничения, обеспечивающей эффективную генерацию мощного лазерного излучения. Двойная гетероструктура раздельного ограничения включает широкозонные эмиттеры n- и р-типа проводимости, инжектирующие электроны и дырки, соответственно, в активную область. Результатом использования такой гетероструктуры является односторонняя инжекция. Тогда общий ток через структуру определяется током излучательной рекомбинации в активной области. В этом случае ток дырок, инжектированных из р-эмиттера в n-эмиттер, является утечечным, и, для эффективных лазерных гетероструктур, стремятся к нулю. Аналогичная ситуация для токов электронов. Малые величины токов утечки, по сравнению с общим током излучательной рекомбинации, подтверждаются экспериментальными значениями внутреннего квантового выхода близкими к 100%.

В тиристорных структурах на основе гомо р-n переходов необходимым условием наличия отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) (именно ОДС определяет существование выключенного и включенного состояний) является обратная связь n-р-n и p-n-р транзисторов через базовые токи электронов и дырок соответственно. Это значит, что существует отличная от нуля компонента дырочного тока из анодной области, попадающего в первую базовую область. Аналогичная ситуация должна быть для электронного тока из катодной области, попадающего во вторую базовую область.

Интеграция тиристорного ключа в лазерную гетероструктуру подавляет возможность электрической передачи дырочного тока анодной области в первую базовую область из-за эффекта односторонней инжекции. Необходимо отметить, что сквозной ток электронов из катодной области во вторую базовую область обеспечивается в результате отсутствия барьеров в зоне проводимости на границе гетеропереходов. Передача дырочного тока анодной области может быть обеспечена за счет поглощения в первой базовой области излучения, генерируемого активной областью. Вопрос расположения лазерной гетероструктуры решался исходя из диффузионных механизмов протекающих токов. Так как дырки характеризуются меньшими подвижностями, то для обеспечения сквозного тока был выбран ток электронов. Тогда лазерная гетероструктура формируется анодной областью и второй базовой областью, а также волноводной областью, расположенной между ними. Для эффективной оптической передачи дырочного тока анодной области в первую базовую область необходимо выполнить следующее требование. Спектр поглощения первой базовой области должен перекрывать спектр спонтанного излучения активной области лазерной части гетероструктуры. Данное условие выполняется, когда ширина запрещенной зоны квантоворазмерной активной области больше максимальной ширины запрещенной зоны первой базовой области.

Ток электронов из катодной области, протекающий через первую базовую область, а значит и полный ток через лазер-тиристор, определяется диффузионным механизмом, то максимальная амплитуда тока будет зависеть от градиента концентрации избыточных носителей в электронейтральной части первой базовой области (в общем случае часть толщины первой базовой области приходится на область объемного заряда коллекторного р-n перехода, а оставшаяся часть является электронейтральной). Коллекторный р-n переход - это р-n переход, сформированный на границе первой и второй базовых областей. Это значит, что обратное напряжение на коллекторном р-n переходе уменьшает толщину электронейтральной области, что ведет к увеличению градиента концентрации и амплитуды протекаемого тока. Так как остальные р-n переходы смещены в прямом направлении, то напряжение на коллекторном переходе равно напряжению, прикладываемому к лазеру-тиристору в закрытом (выключенном) состоянии. Максимальное значение прикладываемого напряжения ограничено эффектом смыкания р-n переходов, когда область объемного заряда первой базовой области сравняется с ее толщиной. Чтобы эффект смыкания р-n переходов оставался нечувствительным к внешним флуктуациям необходимо, добавить сильнолегированный слой р-типа со стороны анодной области. Добавленный в заявляемом лазере-тиристоре сильнолегированный слой р-типа (слой 21, фиг. 2) увеличивает максимальное пробивное напряжение за счет того, что останавливает распространение электрического поля, и, таким образом предотвращает эффект смыкания р-n переходов.

Таким образом, чем большее количество накопленных избыточных фотогенерированных дырок в первой базовой области и меньше толщина оставшейся квазинейтральной части первой базовой области при данном рабочем напряжении в закрытом состоянии, тем выше градиент концентрации и больше амплитуда тока через лазер-тиристор. Наибольшее количество избыточных фотогенерированных дырок, накопленных в первой базовой области, возможно в случае минимального поглощения излучения из активной области, распространяющегося в сторону первой базовой области, в других слоях гетероструктуры, а именно во второй базовой области. В известном лазере-тиристоре вторая базовая область формируется из слоев, спектры поглощения которых не перекрываются со спектром спонтанного излучения активной области, что дает максимальную эффективность оптической передачи дырочного тока анодной области в первую базовую область. Так как ширина спектра спонтанного излучения ограничена энергетическим диапазоном 3 kT, то достаточно, чтобы минимальная ширина запрещенной зоны слоя второй базовой области на 3 kT превышало ширину запрещенной зоны активной области. Однако высокая эффективность оптической передачи дырочного тока анодной области в первую базовую область приводит к тому, что известный лазер тиристор остается в открытом состоянии и не переходит в состояние с высокой блокировкой даже при несущественных токах (менее 1 мА), которые всегда присутствуют в цепи. Это не позволяет накопить энергию во внешнем емкостном накопителе и ограничивает возможность генерации высоких частот мощных лазерных импульсов. Наиболее эффективное решение связано со снижением времени жизни избыточных носителей заряда за счет добавления сильнолегированного слоя р-типа со стороны анодной области (слой 21, фиг. 2). При этом условия, когда снижение времени жизни не влияет на эффективность работы лазера-тиристора определяются требования следующих неравенств:

0.2 мкм≥D_B2≥0.05 мкм

8*10¹⁸ см^-3≥N_B2≥10*N_A

При условии, когда толщина второго слоя р-типа проводимости больше указанного значения 0.2 мкм, снижение времени жизни начинает снижать эффективность лазера-тиристора, когда толщина второго слоя р-типа проводимости меньше указанного значения 0.05 мкм, введенный слой не оказывает влияние на время жизни и увеличения частоты повторения не происходит. Легирование второго слоя р-типа проводимости должно быть, по меньшей мере, в 10 раз выше, чем легирование первого слоя р-типа проводимости первой базовой области, при меньшем уровне легирования остановки вторым слоем р-типа проводимости электрического поля коллекторного р-n перехода не происходит и может наблюдаться эффект прокола первой базовой области. При легировании второго слоя р-типа проводимости выше уровня 8*10¹⁸ см^-3 формируется туннельный переход на границе анодной области и первой базовой области, что ведет к утечке избыточных дырок из первой базовой области в анодную область и снижению эффективности лазера-тиристора.

Заявляемый лазер-тиристор работает следующим образом. Лазер-тиристор, параллельно с конденсатором подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывается разность потенциалов от постоянного источника напряжения, соответствующая выбранному рабочему напряжению, так, что положительный потенциал соответствует анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находится в закрытом состоянии. На первом этапе происходит зарядка конденсатора от постоянного источника напряжения, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии с высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса к третьему омическому контакту 20, который обеспечивает прямое смещение р-n перехода между анодной областью и второй базовой областью, лазер-тиристор переводится в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивает протекание в цепи лазера-тиристора тока разрядки конденсатора. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности.

После полной разрядки конденсатора в цепи протекал остаточный ток, определяемый внешним источником напряжения и задающий скорость зарядки конденсатора и, как следствие, максимальную частоту повторения. Увеличение частоты повторения обеспечивается увеличением частоты подаваемых импульсов от внешнего источника управления к третьему омическому контакту 20. Если за период следования импульсов управления конденсатор не успевает заряжаться, то лазер-тиристор выдает меньшую пиковую мощность. Если период следования импульсов больше времени зарядки конденсатора, то изменения пиковой мощности не происходит. Другим фактором, определяющим максимальную частоту, является ток удержания лазера-тиристора - это минимальный ток, протекающий через лазер-тиристор, поддерживающий его в открытом состоянии, то есть если через лазер-тиристор протекает ток больший или равный току удержания, то прибор не перейдет в закрытое состояние с высоким сопротивлением, а значит не будет возможности зарядить внешний конденсатор и обеспечить условия для генерации импульсов тока в цепи лазера-тиристора.

Одновременно с импульсом тока разрядки конденсатора через лазер-тиристор протекает непрерывный ток зарядки конденсатора от постоянного источника напряжения. Чтобы лазер-тиристор перешел в закрытое состояние необходимо, чтобы ток зарядки конденсатора от внешнего постоянного источника напряжения был ниже тока удержания лазера-тиристора. Предлагаемый лазер-тиристор обладает повышенным током удержания за счет добавления сильнолегированного слоя р-типа в первую базовую области со стороны анодной области (слой 21, фиг. 2), при сохранении эффективности, что обеспечивает высокую скорость зарядки конденсатора и, как следствие, увеличение частоты генерации мощных лазерных импульсов, по сравнению с известными аналогами.

Пример 1

Проведем измерения пиковой мощности на разных частотах повторения для лазера-тиристора на основе известной конструкции. За базовую лазерную гетероструктуру возьмем лазерную часть конструкции, представленной в работе (Slipchenko, S.О., Podoskin, А.А., Soboleva, О.S., Pikhtin, N.A., Bagaev, Т.A., Ladugin, М.А., … & Tarasov, I.S., «Effect of the spatial current dynamics on radiative characteristics of high-power lasers-thyristors based on AlGaAs/GaAs heterostructures.», Journal of Applied Physics, 121(5), 2017, 054502. https://doi.org/10.1063/l.4975411), включающую широкозонный эмиттер n-типа проводимости на основе слоя Al_0.35Ga_0.65As, легированный кремнием до концентрации 10¹⁸ см^-3 и р-типа проводимости на основе слоя Al_0.35Ga_0.65As, легированный углеродом до концентрации 10¹⁸ см^-3, толщина каждого эмиттера 2 мкм, контактный слой р-типа проводимости на основе слоя GaAs, легированный углеродом до концентрации 2*10¹⁹ см^-3, толщиной 0.3 мкм, нелегированный волноводный слой на основе Al_0.3Ga_0.7As, толщиной 0.4 мкм, активная область на основе InGaAs, толщиной 10 нм. За счет эффектов размерного квантования ширина запрещенной зоны активной области смещена в коротковолновую область и соответствует энергии 1.4 эВ. Анодная область сформирована на основе широкозонного эмиттера р-типа проводимости и контактного слоя р-типа проводимости. Видно, что разница ширин запрещенных зон широкозонного эмиттера n-типа проводимости на основе Al_0.35Ga_0.65As (ширина запрещенной зоны 1.9 эВ) и активной области составляет 0.5 эВ, что существенно больше 3 kT (при комнатной температуре кТ=25 мэВ). Это значит, что вторая базовая область, включающая только широкозонный эмиттер n-типа проводимости на основе Al_0.35Ga_0.65As, не поглощает спонтанное излучение активной области и обеспечивает максимальную оптическую связь с первой базовой областью. Материал первой базовой области на основе слоя GaAs р-типа проводимости имеет ширину запрещенной зоны 1.43 эВ, что сравнимо с шириной запрещенной зоны активной области, а значит, первая базовая область, выполненная на основе слоя GaAs р-типа проводимости, обеспечит поглощение спонтанного излучения активной области. При максимальном рабочем напряжении U_MAX=40 В и концентрации легирующей примеси 5*10¹⁵ см^-3 толщина первой базовой области:

N_A=5⋅10¹⁵ см^-3 концентрации акцепторов в первой базовой области;

N_D=10¹⁸ см^-3 - концентрации доноров во второй базовой области;

∈=12 - диэлектрическая проницаемость первой базовой области;

∈₀=8.85⋅10^-14 Ф/см - диэлектрическая постоянная;

ϕ_C=1.36 В - контактная разность потенциалов р-n перехода между первой и второй базовой областью;

q=1.6⋅10^-19 Кл - заряд электрона

Δ_Р=3.3 мкм - толщина область объемного заряда в первой базовой области

D_B1=3.8 мкм толщина первой базовой области

Коллекторная область выполнена на основе слоя Al_0.15Ga_0.85As n-типа проводимости, толщиной 0.5 мкм, легированного кремнием до концентрации 10¹⁸ см^-3. Длина Фабри-Перо резонатора взята 1 мм, коэффициент отражения просветляющего покрытия 5% на естественносколотой грани 14, коэффициент отражения отражающего покрытия 95% на естественносколотой грани 15. Ширина первого 16 и третьего омического контакта 20 выбрана 200 мкм, что обеспечивает технологическую простоту монтажа электрического контакта. Глубина мезаканавки 11 составляет 3.8 мкм, что обеспечивает возможность формирования третьего омического контакта 20 ко второй базовой области 9.

Режим генератора лазерных импульсов реализуется за счет параллельного включения с внешним источником постоянного напряжения разрядного конденсатора емкостью 100 нФ (Slipchenko S.O., Podoskin А.А, Rozhkov A.V., Pikhtin N.A., Tarasov I.S., Bagaev T.A., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Kurniavko Y.V., Ladugin M.A., Marmalyuk A.A., Padalitsa A.A., Simakov V.A., «High-Power Pulse Semiconductor Laser-Thyristor Emitting at 900-nm Wavelength.)), Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 25, Issue: 17 p.1664 - 1667 (2013)). Далее к первому и второму омическому контакту прикладывалась разность потенциалов от внешнего источника напряжения, соответствующая выбранному рабочему напряжению 20 В, так, что положительный потенциал соответствовал анодной области 4, а отрицательный катодной области 1, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии. Измеряемые образцы с шириной полоска 200 мкм и длиной резонатора 1 мм имеют ток удержания 0.5 мА, что определяется экспериментально при измерении ВАХ с использованием стандартных методик. Поэтому кроме выбранного значения рабочего напряжения внешний источник обеспечивал ток в цепи не более 0.5 мА. На первом этапе происходила зарядка конденсатора от внешнего источника напряжения током 0.5 мА, при этом лазер-тиристор находился в выключенном состоянии с бесконечно высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса лазер-тиристор переводился в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивало протекание в цепи тиристора тока разрядки конденсатора. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности. Для включения лазера тиристора к третьему омическому контакту 20 прикладывался управляющий сигнал, обеспечивающий прямое смещение р-n перехода лазерной гетероструктуры. При значении тока внешнего источника напряжения 0.5 мА, который заряжает конденсатор емкостью 100 нФ на первом этапе, когда лазер-тиристор находится в выключенном состоянии, минимальное время заряда конденсатора до рабочего напряжения 20 В составляет 4 мс, что эквивалентно максимальной частоте повторения 250 Гц.

На третий омический контакт 20 подавались управляющие сигналы амплитудой, обеспечивающей включение лазера-тиристора составила, что составляло 50 А/см². Измерения проводились для частоты повторения управляющих сигналов 100, 250 и 300 Гц. Для частот повторения управляющих сигналов 100 и 250 Гц пиковая мощность лазерных импульсов составила 30 Вт при длительности лазерных импульсов 70 не и частот повторения лазерных импульсов 100 и 250 Гц, соответственно, то есть при периоде следования импульсов больше или равному времени зарядки конденсатора, конденсатор успевает полностью зарядиться и изменения пиковой мощности лазерных импульсов не происходит.

Для частоты повторения управляющих сигналов 300 Гц пиковая мощность лазерных импульсов составила 15 Вт при длительности лазерных импульсов 40 не и частоты повторения лазерных импульсов 300 Гц, то есть при периоде следования импульсов меньше, чем время зарядки конденсатора, конденсатор не успевает полностью зарядиться, и пиковая мощность лазерных импульсов падает.

При экспериментальных измерениях показано, что максимальное блокирующее напряжение достигает величины 25 В.

Пример 2

Проведем измерения пиковой мощности на разных частотах повторения для заявляемого лазера-тиристора. За базовую лазерную гетероструктуру возьмем лазерную часть конструкции, представленной в работе (Slipchenko, S.О., Podoskin, A.A., Soboleva, О.S., Pikhtin, N.А., Bagaev, Т.A., Ladugin, М.А., … & Tarasov, I.S., «Effect of the spatial current dynamics on radiative characteristics of high-power lasers-thyristors based on AlGaAs/GaAs heterostructures.», Journal of Applied Physics, 121(5), 2017, 054502. https://doi.org/10.1063/l.4975411), включающую широкозонный эмиттер n-типа проводимости на основе слоя Al_0.35Ga_0.65As, легированный кремнием до концентрации 10¹⁸ см^-3 и р-типа проводимости на основе слоя Al_0.35Ga_0.65As, легированный углеродом до концентрации 10¹⁸ см^-3, толщина каждого эмиттера 2 мкм, контактный слой р-типа проводимости на основе слоя GaAs, легированный углеродом до концентрации 2*10¹⁹ см^-3, толщиной 0.3 мкм, нелегированный волноводный слой на основе Al_0.3Ga_0.7As, толщиной 0.4 мкм, активная область на основе InGaAs, толщиной 10 нм. За счет эффектов размерного квантования ширина запрещенной зоны активной области смещена в коротковолновую область и соответствует энергии 1.4 эВ. Анодная область сформирована на основе широкозонного эмиттера р-типа проводимости и контактного слоя р-типа проводимости. Видно, что разница ширин запрещенных зон широкозонного эмиттера n-типа проводимости на основе Al_0.35Ga_0.65As (ширина запрещенной зоны 1.9 эВ) и активной области составляет 0.5 эВ, что существенно больше 3 кТ (при комнатной температуре кТ=25 мэВ). Это значит, что вторая базовая область, включающая только широкозонный эмиттер n-типа проводимости на основе Al_0.35Ga_0.65As, не поглощает спонтанное излучение активной области и обеспечивает максимальную оптическую связь с первой базовой областью. Материал первой базовой области на основе слоя GaAs р-типа проводимости имеет ширину запрещенной зоны 1.43 эВ, что сравнимо с шириной запрещенной зоны активной области, а значит, первая базовая область, выполненная на основе слоя GaAs р-типа проводимости, обеспечит поглощение спонтанного излучения активной области.

Заявляемый лазер-тиристор включает первый и второй слой первой базовой области. При максимальном рабочем напряжении U_MAX=40 В и концентрации легирующей примеси р-типа для первого слоя первой базовой области 5*10¹⁵ см^-3 толщина первого слоя первой базовой области:

N_A=5⋅10¹⁵ см^-3 концентрации акцепторов в первом слое первой базовой области;

N_D=10¹⁸ см^-3 - концентрации доноров во второй базовой области;

∈=12 - диэлектрическая проницаемость в первом слое первой базовой области;

∈₀=8.85⋅10^-14 Ф/см - диэлектрическая постоянная;

ϕ_C=1.36 В - контактная разность потенциалов р-n перехода между первой и второй базовой областью;

q=1.6⋅10^-19 Кл- заряд электрона

Δ_Р=3.3 мкм - толщина область объемного заряда в первом слое первой базовой области

D_B1=3.3 мкм толщина первого слоя первой базовой области

Между широкозонным слоем n-типа проводимости 3 катодной области 1 и первым слоем р-типа проводимости 8 первой базовой области расположен второй слой р-типа проводимости 21, со следующими параметрами: толщина второго слоя р-типа проводимости первой базовой области D_B2=0.2 мкм,

легирование р-типом проводимости второго слоя первой базовой области N_B2=5⋅10¹⁷ см^-3,

что удовлетворяет соотношениям:

0.2 мкм≥D_B2≥0.05 мкм

8*10¹⁸ см^-3≥N_B2≥10*N_A

D_B2, N_B2 - толщина (мкм) и легирование (см^-3), соответственно второго слоя р-типа проводимости первой базовой области.

Коллекторная область выполнена на основе слоя Al_0.15Ga_0.85As n-типа проводимости, толщиной 0.5 мкм, легированного кремнием до концентрации 10¹⁸ см^-3. Длина Фабри-Перо резонатора взята 1 мм, коэффициент отражения просветляющего покрытия 5% на естественносколотой грани 14, коэффициент отражения отражающего покрытия 95% на естественносколотой грани 15. Ширина первого 16 и третьего омического контакта 20 выбрана 200 мкм, что обеспечивает технологическую простоту монтажа электрического контакта. Глубина мезаканавки 11 составляет 3.8 мкм, что обеспечивает возможность формирования третьего омического контакта 20 ко второй базовой области 9.

Режим генератора лазерных импульсов реализуется за счет параллельного включения с внешним источником постоянного напряжения разрядного конденсатора емкостью 100 нФ (Slipchenko S.O., Podoskin А.А, Rozhkov A.V., Pikhtin N.A., Tarasov I.S., Bagaev T.A., Zverkov M.V., Konyaev V.P., Kurniavko Y.V., Ladugin M.A., Marmalyuk A.A., Padalitsa A.A., Simakov V.A., «High-Power Pulse Semiconductor Laser-Thyristor Emitting at 900-nm Wavelength.», Photonics Technology Letters, IEEE Volume: 25, Issue: 17 p. 1664 - 1667 (2013). Далее к первому и второму омическому контакту прикладывалась разность потенциалов от внешнего источника напряжения, соответствующая выбранному рабочему напряжению 20 В, так, что положительный потенциал соответствовал анодной области 4, а отрицательный катодной области 1, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии. За счет включения второго слоя р-типа проводимости в первую базовую область в измеряемых образцах с шириной полоска 200 мкм и длиной резонатора 1 мм ток удержания увеличился до 50 мА, что определяется экспериментально при измерении ВАХ с использованием стандартных методик. Поэтому кроме выбранного значения рабочего напряжения внешний источник напряжения обеспечивал ток в цепи не более 50 мА. На первом этапе происходила зарядка конденсатора от внешнего источника напряжения током 50 мА, при этом лазер-тиристор находился в выключенном состоянии с бесконечно высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса лазер-тиристор переводился в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивало протекание в цепи тиристора тока разрядки конденсатора. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности. Для включения лазера тиристора к третьему омическому контакту 20 прикладывался управляющий сигнал, обеспечивающий прямое смещение р-n перехода лазерной гетероструктуры. При значении тока внешнего источника напряжения 50 мА, который заряжает конденсатор 100 нФ на первом этапе, когда лазер-тиристор находится в выключенном состоянии, минимальное время заряда конденсатора до рабочего напряжения 20 В составляет 0.04 мс, что эквивалентно максимальной частоте повторения 25000 Гц.

На третий омический контакт 20 подавались управляющие сигналы амплитудой, обеспечивающей включение лазера-тиристора составила, что составляло 50 А/см². Измерения проводились для частоты повторения управляющих сигналов 10000, 25000 и 30000 Гц. Для частот повторения управляющих сигналов 10000 и 25000 Гц пиковая мощность лазерных импульсов составила 30 Вт при длительности лазерных импульсов 70 нс и частот повторения лазерных импульсов 10000 и 25000 Гц, соответственно, то есть при периоде следования импульсов больше или равному времени зарядки конденсатора, конденсатор успевает полностью зарядиться и изменения пиковой мощности лазерных импульсов не происходит. Полученные значения частот повторения лазерных импульсов для заявляемого лазера-тиристора выше значений частот повторения лазерных импульсов для известного лазера-тиристора.

Для частоты повторения управляющих сигналов 30000 Гц пиковая мощность лазерных импульсов составила 14 Вт при длительности лазерных импульсов 42 нс и частоты повторения лазерных импульсов 30000 Гц, то есть при периоде следования импульсов меньше, чем время зарядки конденсатора, конденсатор не успевает полностью зарядиться, и пиковая мощность лазерных импульсов падает.

При экспериментальных измерениях показано, что максимальное блокирующее напряжение для заявляемого лазера-тиристора достигает величины 35 В, что выше значения, полученного для известного лазера-тиристора.

Настоящее изобретение относится к лазерной полупроводниковой технике. Лазер-тиристор на основе гетероструктуры содержит катодную область (1), включающую подложку n-типа (2), широкозонный слой n-типа (3), анодную область (4), включающую контактный слой р-типа (5), широкозонный слой р-типа (6), одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область (13), первую базовую область (7), примыкающую к широкозонному слою катодной области (1), включающую первый слой р-типа (8), вторую базовую область (9), примыкающую к первой базовой области (7), включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа (10), одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область (13), волноводную область (12), расположенную между анодной областью (4) и второй базовой областью (9), включающую квантоворазмерную активную область (13), резонатор, образованный сколотой гранью (14) с просветляющим покрытием и сколотой гранью (15) с отражающим покрытием, первый омический контакт (16) к анодной области (4), сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа (5), и формирующий область инжекции через активную область (13) второй омический контакт (18) к катодной области (1), сформированный со стороны свободной поверхности подложки (2) n-типа, мезаканавку (11), вытравленную до второй базовой области (9), расположенную вдоль первого омического контакта (16), третий омический контакт (20) ко второй базовой области (9), расположенный на дне (17) мезаканавки (11). Между слоем (3) катодной области (1) и первым слоем р-типа проводимости (8) первой базовой области (7) расположен второй слой р-типа проводимости (21). Параметры материалов слоев первой и второй базовых областей удовлетворяют определенным выражениям. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения частоты повторения без снижения пиковой мощности лазерных импульсов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазер-тиристор, включающий находящуюся на подложке n-типа проводимости гетероструктуру и содержащий катодную область, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости и упомянутую подложку n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой р-типа проводимости и по меньшей мере один широкозонный слой р-типа проводимости, по меньшей мере один из которых одновременно является слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область, первую базовую область, примыкающую к широкозонному слою катодной области, включающую первый слой р-типа проводимости, вторую базовую область, примыкающую к первой базовой области, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область, волноводную область, расположенную между анодной областью и второй базовой областью, включающую по меньшей мере активную область, оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью с нанесенным просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью с нанесенным отражающим покрытием, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны свободной поверхности контактного слоя р-типа проводимости и формирующий область инжекции через активную область, второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны свободной поверхности подложки n-типа проводимости, мезаканавку с дном во второй базовой области и с боковой стороной, граничащей с плоскостью первого омического контакта, третий омический контакт ко второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки, параметры материалов слоев первой и второй базовых областей удовлетворяют следующим выражениям:

E_{B1_MAX}≤E_AR;

E_{B2_MIN}≥E_AR+3⋅k⋅Т;

где E_AR - ширина запрещенной зоны активной области (эВ);

k - постоянная Больцмана;

Т - температура активной области (К);

E_{B2_MIN} - минимальная ширина запрещенной зоны слоя второй базовой области (эВ);

E_{B1_MAX} - максимальная ширина запрещенной зоны первого слоя р-типа проводимости первой базовой области (эВ);

отличающийся тем, что между широкозонным слоем n-типа проводимости катодной области и первым слоем р-типа проводимости первой базовой области расположен второй слой р-типа проводимости первой базовой области, параметры которого удовлетворяют следующим соотношениям:

0.2 мкм≥D_B2≥0.05 мкм;

8*10¹⁸ см^-3≥N_B2≥10*N_A;

D_B2, N_B2 - толщина и легирование соответственно второго слоя р-типа проводимости первой базовой области,

а для толщины первого слоя р-типа проводимости первой базовой области выполняется равенство

где D_B1 - толщина первого слоя р-типа проводимости первой базовой области (см);

N_A, N_D - концентрации акцепторов и доноров в первом слое р-типа проводимости первой базовой области и второй базовой области соответственно (см^-3);

∈ - диэлектрическая проницаемость первой базовой области (отн. ед.);

∈₀=8.85⋅10^-14 Ф/см - диэлектрическая постоянная;

ϕ_C - контактная разность потенциалов коллекторного перехода (В);

q=1.6⋅10^-19 Кл - заряд электрона;

U_MAX - максимальное рабочее напряжение на лазере-тиристоре в закрытом состоянии (В).

2. Лазер-тиристор по п. 1, отличающийся тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси n-типа проводимости элемент, выбранный из группы: Si, Те, Ge, Sn, или их комбинацию.

3. Лазер-тиристор по п. 1, отличающийся тем, что легированная область содержит в качестве легирующей примеси р-типа проводимости элемент, выбранный из группы: С, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.

4. Лазер-тиристор по п. 1, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов А₃В₅.