Суперлюминесцентный диод Советский патент 1987 года по МПК H01L33/00 

. Изобретение относится к области устройств со стимулированным излучением, в частности, к полупроводниковым устройствам для генерирования, усиления и модуляции излучения, и мо жет быть использовано в волоконнооптических линиях связи, оптических гироскопах и так далее. Суперлюминесцентный диод является промежуточным звеном между полупроводниковым лазером и обычным светодиодом. Ширина его спектра излучения в три-четыре раза меньше, чем у светодиода, что объясняется наличием инверсной населенности в активной среде. Известна конструкция суперлюминесцентного диода, содержащего полос ковую активную область, расположенную перпендикулярно сколотым граням полученную диффузией цинка и имеющую длину в два раза меньшую по сра нению с общей длиной диода. Таким образом, устраняется влияни оптической обратной связи при отражении излучения от сколотных граней. Однако в известных конструкциях суп рлюминесцентных диодов коэффициент отражения на границе ,активй6й. и пассивной областей достаточен для быстрого возникновения генерации, что снижает область линейности ватт амперной характеристики, кроме того длина волны излучения, как и в обыч ных лазерах и светодиодах, сильно зависит от инжекционного тока и тем пературы окружающей среды. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является суперлюминесцентный диод, включающий полупроводниковую структуру с полосковой активной областью расположенной под углом к отражающим граням полупроводниковой структуры. В этом случае практически все от раженное от граней диода излучение поглощается в его пассивных областя и лишь небольшая часть возвращается в волновод. Отсутствие пассивной об ласти между активной .областью и выходными гранями позволяет получить большую мощность излучения. К существенным недостаткам такой структур относится высокая нелинейность ватт амперной характеристики, что обусло лено быстрым сужением спектра излучения и появлением генерации. Длина волны излучения в этом случае, как обычно, увеличивается при увеличении температуры с постоянной 3 А/К для лазерного режима и 3-5 А/К для спонтанного режима. Экстраполяция температурной зависимости на температурный интервал 300-500 К. дает значение этой постоянной . Целью изобретения является повыщение линейности ватт-амперной характеристики и снижение температурной зависимости длины волны излучения в температурном диапазоне 300470 К.- Указанная цель достигается тем, что в известном суперлюминесцентном д,иоде на основе полупроводниковой структуры с полосковой активной областью, расположенной под углом к граням структуры, активная область выполнена с периодически меняющейся щириНой, причем период ее изменения Л и максимальная ширина D равны 10 100 мкм, а отношение максимальной ширины D к минимальной d - удовлетворяет соотношению: 10 4 100. а Такое конструктивное решение позволяет при минимальной простоте конструкции и технологии изготовления достичь увеличения линейности ватт-, а лперной характеристики и снижения температурной зависимр сти длины волны вшироком диапазб1Ге температур за счет определенным образом выполненного полоскового контакта, позволяющего модулировать область возбуждения активного слоя при протекании через структуру инжекционного тока. На чертеже дано предлагаемое .„ устройство, на подложке I которого . последовательно расположены нижняя пассивная область 2, активная область, 3, р-п-переход 4, верхняя пассивная область 5, которая включает в себя слои 6 и 7, полосковый контакт 8, В качестве примера изготовлен диод на основе системы GaAs/GaAlAs, В его конструкции на подложке I толщиной - 100 мкм из n-GaAs и ориентированной в плоскости (100) изготовлена полупроводниковая структура, представляющая собой последовательно

расположенные n-GaAs - подслой толщийой 8 мкм и n-Gaa g5 1о,ь5 As - ограничивающий слой толщиной 3 мкм (нижняя пассивная область 2), GaAs - активный слой 3 толщиной 0,4 мкм и р - п переход 4, образованный между активным слоем 3 и верхней пассивной областью 5, которая, в свою очередь,

состоит из p-Gao,,if ограничивающего слоя толщиной 1,5 мкм, p-GaAs слоя 6 толщиной 2,5 мкм и n-GaAs слоя 7 толщиной 1,5 мкм. В описанной структуре с помощью химического травления создана канавка определенной формы глубиной 3,5 мкм. Эта канавка расположена под углом оС 9 - 16° к сколотым граням структуры. Для обеспечения протекания тока только через металлический контакт 8 канавка должна быть вытравлена на- глубине не менее, чем толыщна верхнего n/GaAs слоя 7,

Устройство pli6oTaeT следующим образом. При пропускании тока через контакт 8 носители распространяются, в основном, через вытравленную в верхней пассивной области 5 канавку, что происходит из-за ограничивающего действия р - п-перехода, образованного между двумя верхними слоями 6 и 7 из GaAs, который смещен в обратном направлении и создаёт потенциальный барьер для носителей. Вследствие периодического изменения границ полоскового контакта 8 область, возбуждаемая носителями в активном слое 3, имеет подобную конфигурацию.

По достижении в активной области 3 инверсной населенности распространяющееся в продольном направлении спонтанное излучение начинает усили- ,ТР йектр излучения сужаемся, как в обычном суперлюминесцентном диоде. Однако, если в обычном диоде мощность излучения с током растет нелинейно, то в предлагаемом - практически линейно. Это происходит вследствие того, что в областях активного слоя, сформированных под щирокими частями полоскового контакта, условия Для возникновения суперлюминесценции возникают быстрее в поперечном, по отношению к оси полоскового контакта, направлении. При зтом происходит обеднение инверсной населенности, что позволяет снизить удельную мощность супердюминесценции,. в широких областях. Этот факт, в

свою очередь, приводит к линеаризации токовой зависимости мощности излучения, распространяющегося вдоль продольной оси полоскового контакта, В экспериментах линейность ватт-ампе.рной характеристики сохраняется в диапазоне температур 300 - 473 К, а постоянная дрейфа длины волны излу0 чения с температурой равна 2 А/К. Оценка показывает, что при высоких температурах большую роль в процессах рекомбинации может играть диагональное туннелирование между одними 5 и теми же, близкими к квазиуровням Ферми, состояниями в зонах. При этом, с увеличением температуры растет вероятность этого процесса, что стаби-. лизирует длину волны. Геометрические 0 размеры полоскового контакта связаны в основном с выбором максимальной эффективности срыва генерации, В зависимости от необходимой мощности излучения выбирается период изменения щирины полоски. Обычно длина светоизлучающих приборов равна 200 250 мкм, что связано с выбором оптимального коэффициента оптических потерь в активном слое. Исходя из 0 этого, а также из того, что только f при наличии, по крайней мере, одной широкой области полоскового контакта осуществляется срыв усиления в продольном направлении, максимальный 5 период равен 100 мкм. Минимальный |период определяется из размеров щирокой области контакта. Если поперечный размер щирокой области D минимален, то минимален и период А. Минимальный поперечный размер широкой области контакта определен из эксперимента и равен не менее, чем десяти минимальным размерам узкой области d. Следовательно,- почти все размеры полоскового контакта определяются из поперечных размеров его узких областей. Минимальная щирина контакта в узкой части d равна 1 мкм. Выбор такой величины связан, во-первых, - . 0 со Сложностью изготовления контактов с меньшей шириной, а, во-вторых, с тем, что прибор с таким контактом имеет низкую выходную мощность и малый ресурс. Максимальная ширина узд кой части контакта равна 10 мкм, что объясняется снижением подавления уси,ления в этих областях и увеличением нелинейности ватт-амперной характеристики при дальнейшем ее увеличении, особенно в крайних точках температурного диапазона. При 300 К с увеличением максимальной ширины узкой части более 10 мкм линеаризация ватт-амперной характеристики минимальна, а при 470 К с увеличением этого размера падает порог катастрофиче.ской деградации. Минимальный поперечный размер широкой области контакта ) равен 10 мкм, а максимальньй - 100 мкм, Минималь ньй период Л отсюда равен 10 мкм

Области применения предлагаемого суперлюминесцентного диода: контрольно-измерительные комплексы, оптические гирометры.

I

В предлагаемом диоде низкая чувствительность -длины волны излучения к температуре и высокая линейность ватт-амперной характеристики позволяют считать этот прибор более предпочтительным для применения в различной аппаратуре.

СУПЕРЛКМИНЕСЦЕНТНЫЙ ДИОД, включающий полупроводниковую структу: ру с полйсковой активной областью, ; расположенной, под углом к граням структуры, отличающийся тем, что, с целью стабилизации длины волны излучения и увеличения линейности ватт-амперной характеристики в области температур 300-470° К, активная область выполнена с периодически маняющейся шириной, причем период ее изменения А и максимальная ширина D равны 10-100 мкм, а отношение максимальной ширины D к минимальной ширине d - удовлетворяет сос . отношению: 00 ср z 00