Оптоэлектронное устройство Советский патент 1993 года по МПК H01L31/12 

(Л

С

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

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

Известны устройства, в которых оптический и электронный модулирующий элементы интегрированы в гибридную схему. Режим глубокой высокочастотной релаксационной пульсации в них реализуется с помощью генерации пикосекундных электрических импульсов, формируемых диодами с накоплением заряда либо лавинными транзисторами. Однако из-за наличия паразитных реактивностей в гибридных оп- тоэлектронных устройствах заметно ограничена возможность управления амплитудой и формой модулирующего сигнала, и, как следствие, импульсная мощность не превышает 200 мВ при модуляции оптических импульсов длительностью 50 пс.

1 Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является оптоэлектронное устройство, содержащее биполярный фототранзистор и лазерный элемент, выполненное в виде многослойной структуры на основе полупроводников А3В, включающей л+-подлож: ку и расположенные последовательно р-, п-, п-, р-, р+-слои, причем п+- p-n-слои образуют фототранзисторный, а п-р-р+ - лазерный элементы, и три электрода, два из которых образуют контакт с подложкой и р+-слоем.

Вертикальное расположение лазерного и биполярного фототранзисторного элементов уменьшает паразитные реактивности, а наличие положительной электрической и оптической обратной связи расширяет функциональные возможности оптоэлектронXI00

VI

КЭ О v|

ы

ного устройства. Между тем, оптический и электронный элементы, формирующие оп- тоэлектронное устройство, не обеспечивают высокочастотной релаксационной пульсации, так как амплитуда электрического сигнала ограничена несколькими сотнями миллиампер, а время нарастания тока лежит в наносекундном диапазоне длительностей. При этом сочетание больших амплитуд и малых длительностей нарастания тока принципиально исключено. Фундаментальное ограничение связано с известными эффектами Кирка, оттеснения тока к краю эмитгерного перехода и др. В результате мощность оптических импульсов в оптоэ- лектронном устройстве ограничена и не превышает 100 мВт.

Целью изобретения является увеличение мощности сверхкоротких импульсов. Физическая сущность предлагаемого решения основана на использовании лавинного пробоя фототранзистора, инициируемого световым потоком из лазерного элемента.

На фиг.1 изображена конструкция опто- электронного устройства; на фиг.2 - электрическая схема включения.

Оптоэлектронное устройство содержит электрод 1 к подложке 2, а также базовый и коллекторный слои 3 и 4, формирующие коллекторный переход п+-р-п биполярного фототранзистора.. К коллекторному слою 4 фототранзистора непосредственно примыкает эмиттер 5 лазерного элемента, содержащего также активную область 6, ограниченную слоями 5 и 7. К эмиттеру 5 лазерного элемента выполнен электрод 9, а к слою 7 - электрод 9.

Электрическая схема включения, представленная на фиг.2, содержит источник 10 напряжения, ограничивающее сопротивление зарядной линии Ry 500 кОм 11, отрезок коаксиального кабеля 12, длина которого задает длительность импульса накачки лазера, ограничивающее сопротивление цепи управления RH 500 Ом 13, генератор 14 импульсов, Оптоэлектронное устройство 15, нагрузочное сопротивление RH 50 Ом 16.

При подаче импульса управления через электрод 8, выполненный к эмиттеру 5 лазерной п-р-р+-структуры, происходят ин- жекция неосновных носителей заряда в активную область б лазерного элемента их рекомбинации с испусканием квантов света. На этом этапе лазерный элемент находится в предпороговом режиме генерации. Конструкция оптоэлектронного устройства такова, что большая часть потока фотонов попадает в коллектор 4 и поглощается в области объемного заряда коллекторного р- n-перехода фототранзистора. Для локализации большей части перепада потенциала напряжения в области оптического поглощения (характерный размер области собственного поглощения 10 мкм) коллекторный

p-n-переход фототранзистора сформирован на основе слоев с концентрацией легирующей примеси N 1015 . При этом нижний предел значений концентрации определяется лишь возможностями технологических

режимов формирования п - р-п-структуры фототраизистора и составляет в настоящий момент N 10 . .

Инжектированные носители за время пролета области пространственного заряда

коллекторного p-n-перехода достигают пороговой энергии ионизации EI и ударная ионизация становится возможной, если напряжение на p-n-переходе больше напряжения лавинного пробоя UB, а ширина

области пространственного заряда соответствует максимальной напряженности поля при пробое, На основе экспериментальных зависимостей напряжения лавинного пробоя и максимального поля Ем от концентрации легирующей примеси для р-п- переходов на основе арсенида галлия установлено минимальное значение напряжения UB 25QB, начиная с которого реализуется лавинный механизм ударной

ионизации в п+ -p-n-структурах фототранзисторного элемента с концентрацией легирующей примеси ,

Минимальное значение напряжения UB 250 В определяет и нижний предел

толщины слоев, достаточной для размещения области пространственного заряда.коллекторного p-n-перехода - W:

«°.

1/2

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

о- 1 - W2/2L2 0,5 или ,

где L- диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базе фототранзистора. Значения диффузионной длины для арсенида галлия с концентрацией легирующей примеси N 1015см 3 лежат в диапазоне 15100 мкм. Оценка толщины слоев, образующих коллекторный p-n-переход, выполненная в соответствии с отличительной частью фор11/2

мулы изобретения Irr r - Tu l. SW L,

Г 1 е-2501 2$Я| ТТ

свидетельствует о соответствии полученных значений указанному диапазону. Иными словами приведенное в отличительной части формулы изобретения ограничение суммарной толщины W слоев является необходимым и достаточным условием работоспособности предлагаемого оптоэлект- ронного устройства.

Пример. Структура изготавливалась методом жидкостной эпитаксии. На подложках из n+ - GaAs сначала выращивался высоковольтный коллекторный рп-переход биполярного фотот ранзистора на основе слабо легированного арсенида галлия с концентрацией носителей N (10™ - 5 -1014) Суммарная толщина слоев не превышала 50-55 мкм, что обеспечивало напряжение лавинного пробоя UB 250 В. Далее методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии выращивалась гетероструктура лазерного элемента, содержащая слой широкозонного эмиттера, два нелегированных волноводных слоя, окружающих квантово- размерную активную область, и второй широкозонный слой р+-AlxGai-xAs. Оптически прозрачный широкознный n-слой эмиттера лазерного элемента легированный Те до уровня 51 10 см , ограничивал, с одной стороны, активную область лазерного элемента, а с другой, область пространственного заряда высоковольтного биполярного фототранзистора. При изготовлении лазерных резонаторов с зеркальными гранями применялось травление либо скалывание в плоскости спайности.9

5

0

5

0

5

Режим лавинного включения оптоэлек- тронногоустройства по схеме, представленной на фиг.2, обеспечивал протекание модулирующего электрического импульса амплитудой в 5-10 А за время менее 200 пс. Мощность оптического импульса составляла 3 Вт при длительности менее 20 пс. Проведенные оценки показывают, что предложенная структура при уровне накачки 3-5 КА/мс2 способна генерировать оптические импульсы мощностью более 20 Вт с одной грани лазерного элемента при длительности импульса 10 пс.

Формула изобретения

.Оптоэлектронное устройство, содержащее биполярный фототранзистор и лазерный элемент, выполненные в виде, многослойной стоуктуры На основе полупроводников А Б , включающей п+-подлож- ку и расположенные последовательно р, п, п, р, р+ - слои, причем подлжка и р-п-слои образуют фототранзисторный, а п-р-р-ла- зерный элементы, и 3 электрода, два из которых образуют контакт с подложкой и р+ -слоем, отличающееся тем, что, с целью увеличения мощности сверхкоротких импульсов, п- и р-слои, образующие коллекторный переход фототранзистора, выполнены с концентрацией, выбранной в

13 °лс °

интервале 10 ° N 1015 , и суммарной толщиной W обоих слоев

25011/2

где L-диффузионная

длина неравновесных носителей заряда в базе фототранзистора, q - заряд электрона, Ј - диэлектрическая проницаемость, а третий электрод выполнен к n-слою, являющемуся эмиттером лазерной п-р-р-структуры.

12

15