Полупроводниковая гетероструктура для импульсного излучателя света Советский патент 1993 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к оптоэлектро- цке, в частности, к конструкциям полупроводниковых гетероструктур (ГС) для |шульсных излучателей света.

Целью изобретения является разработке такой конструкции ГС, которая бы обеспечила работу с ней при любой полярности внешнего смещения и привела бы к увеличь нию эффективности и мощности излучения.

Предлагаемая конструкция ГС обеспе- ;чи вает возможность работы с ней при любой полярности внешнего смещения за счет ее п лной симметрии относительно УБС как по TV пу проводимости и уровню легирования, так и по ширине запрещенной зоны осталь- ннх слоев. В этом случае оба P-N (N-P) гетероперехода могут работать и в прямом смещении, как инжектирующие неосновные ж сители в базовую область, и при обратном Смещении, как область где происходит развитие лавины носителей обоих типов. При этом потенциальный барьер для неосновных носителей в базовой области со стороны обратносмещенного P-N (N-P) гетероперехода сохраняется при любой полярности внешнего смещения. Указанное соотношение между шириной запрещенной зоны области проводимости противоположного типа и шириной запрещенной зоны ШБС обеспечивает односторонний характер ин- жекции неосновных носителей в ШБС и позволяет дополнительно ограничить основные носители в базовой области за счет энергетического барьера на прямо- смещенном инжектирующем (N-P (P-N) гетеропереходе, Кроме того, наличие дополнительного широкозонного слоя в базовой области со стороны инжектирующего N-P (P-N) гетероперехода с толщиной меньше эффективной диффузионной длины неосновных носителей приводит к тому, что излучательная рекомбинация происходит в слое непосредственно прилегающем к изо- типному Р-Р (N-N) гетеропереходу, где плотность каналов безилучательной рекомсл

с

оо со

XI

со

Os

ю

бинации значительно ниже, чем в ОПЗ N-P (P-N) гетероперехода, что и приводит к повышению мощности и эффективности излучения. Необходимым условием существования генерации в данной конструкции ГС и возникновения импульсного излучения в УБС является наличие энергетического барьера для неосновных носителей на переходе от УБС к ШБС со стороны обратносме- щенного P-N (N-P) гетероперехода. Барьер присутствует, если толщина ШБС больше ширины располагающейся в этом слое области пространственного заряда при максимальном падении напряжения на обратносмещенном P-N (N-P) гетеропере- ходе.

Предлагаемая конструкция ГС может работать как в спонтанном, так и в когерентном режимах излучения импульсов света.

На фиг.1 приведено условное изобра- жениё предлагаемой конструкции ГС.

На фиг.2 упрощенно показаны подключение предлагаемой конструкции ГС к источнику питания, ее энергетическая диаграмма при постоянном смещении раз- личной полярности и процессы переноса носителей, реально разделенные во времени, в случае, когда ГС выполнена по схеме N-P-N.

фиг.З аналогично иллюстрирует случай схемы P-N-P.

ГС содержит (см.фиг.1) подложку (1) с проводимостью противоположного по отношению к базовой области (N(P)) типа, на которой расположен ограничивающий ба- зовую область слой (2) с проводимостью такого же (N(P)) типа, базовую область с проводимостью первого .(Р(М)) типа, состоящую из последовательно расположенных дополнительного широкозонного базового слоя (3), узкозонного базового слоя (4) и широкозонного базового слоя (5). и расположенный на базовой области ограничивающий ее слой (6) с проводимостью противоположного по отношению к базовой области (М(Р)) типа.

Принцип работы предлагаемой конструкции ГС наглядно поясняется на конкретной схеме ее исполнения. Для определенности ниже будет рассматриваться слу- чай схемы N-P-N (см.фиг.2).

Рассмотрим режим работы ГС в диодном включении (режим с плавающей базой), когда базовая область ГС не подключена к внешним электрическим це- пям. Последовательно с ГС к источнику питания подключается ограничительный резистор.

Так как ГС симметрична относительно УБС, то прикладываемое внешнее смещение может иметь любую полярность. При этом один из P-N гетеропереходов смещается в прямом направлении (эмиттерный переход), а другой в обратном (коллекторный переход). Для определенности предложим, что прямосмещенным является ближний к подложке N-P гетеропереход и будем далее использовать номера слоев в соответствии с фиг.1.

При увеличении внешнего смещения выше величины напряжения лавинного пробоя У(лп) коллекторного перевода (при условии достаточно малого тока генерации в ОПЗ коллекторного перехода) емкость коллекторного перехода C(cb) (барьерная емкость обратносмещенного перехода) заряжается током через ограничительный резистор до напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода. Как только напряжение.,на С(сЬ) достигает этого значения, в коллекторном переходе происходит лавинное умножение носителей. Электроны лавины уходят из ограничивающего базовую область слоя (6) под контакт и перезаряжают C(cb) до напряжения, меньшего напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода. Полученные в лавине дырки переносятся в УБС (4), где дальнейшему их движению препятствует энергетический барьер в валентной зоне на переходе от УБС (4) к ШБС (3) возникающий за счет различных уровней легирования этих слоев, и вызывает дополнительное смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, что приводит к инжекции электронов из-под контакта сначала в подложку (1), потом в ограничивающий базовую область слой (2), а затем через эмиттерный переход и в ШБС(3), дрейфу электронов из ШБС(3) в УБС (4) и к рекомбинации в нем электронно-дырочных пар с излучением квантов света. Так как в предложенной конструкции ГС (при прочих равных условиях) плотность каналов безизлучательной рекомбинации в области изотипного P-P(N-N) перехода от ШБС (3) к УБС (4), значительно ниже чем в области прямосмещенного N-P(P-N) гетероперехода (в случае когда базовая область ГС несимметрична, т.е. состоит только из двух слоев и УБС непосредственно прилегает к прямосмещенному N-P(P-N) гетеропереходу) то эффективность и мощность излучения в УБС повышается. Движению электронов из УБС (4) в коллекторный переход препятствует энергетический барьер в зоне проводимости на переходе от УБС (4) к ШБС (5). Одновременно с рекомбинацион- ными процессами в базовой области C(cb) вновь заряжается до напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода током через ограничительный резистор и описанный вь ше цикл повторяется.

Возникают импульсыизлучения в УБС и тока через ГС (ток перезаряда С(сЬ)), время Hiрастания которых определяется време- нем развития лавины носителей, временем Af ейфа дырок из ОПЗ обратносмещенного Р- N гетероперехода в УБС и временем необходимым для инжекции электронов в YliC. Время спада импульсов определяется в еменем рекомбинации электронов в УБС. Чистоту импульсов будет определять время Зс ряда C(cb) до напряжения пробоя коллек- т( рного перехода. Время заряда С(сЬ) зави- ci т от величины этой емкости, от величины ef разряда и от величины тока заряда (ток рез ограничительный резистор).

Необходимая для возникновения генерация в ГС величина напряжения внешнего 1ещения цепи питания ГС определяется ком генерации в ОПЗ коллекторного пе- PI ;хода (ток утечки). Ток утечки коллекторно- i перехода является постоянной ставляющей тока перезаряда C(cb), поэму C(cb) может быть заряжена до напряжения пробоя коллекторного перехода У(лп) при таком значении напряжения внешнего лещения, при котором ток заряда С(сЬ) че- зз ограничительный резистор (последова- льно с ГС подключенный к источнику лтания) превысит ток утечки коллекторно- перехода.

Необходимым условием существования генерации в данной конструкции ГС и возникновения импульсного излучения в УБС является наличие энергетического барьера Я ля неосновных носителей на переходе от УБС к ШБС со стороны обратносмещенного F -N(N-P) гетероперехода. Барьер присутствует, если толщина ШБС больше ширины располагающейся в этом слое области пространственного заряда при максимальном гадении напряжения на обратносмещен- - ом P-N(N-P) гетеропереходе.

Если величины энергетического барье- а в базовой области и образующегося при гавинном пробое коллекторного перехода ;аряда таковы, что при инжекции в УБС со стороны прямосмещенного N-P гетеропе- f входа электроны заполняют свободные со- стояния в УБС до уровня, с которого становится возможным надбарьерная ин- хекция электронов в ШБС, прилежащий к юллекторному переходу, и захват в нем электронов полем ОПЗ обратносмещенно- too коллекторного перехода в то время, когда напряжение на коллекторном переходе не упало ниже величины напряжения лавин- його пробоя этого перехода, то приведет к увеличению величины разряда С(сЬ) и, следовательно, уменьшению частоты следования импульсов. Если надбарьерная инжек- ция электронов в коллекторный переход произойдет позже указанного времени, то

это приведет к меньшей величине переразряда C(cb), но и в этом случае произойдет уменьшение частоты следования импульсов.

Предлагаемая конструкция ГС, реализованная в системе твердых растворов с обратной пропорциональной зависимостью коэффициента преломления от ширины запрещенной зоны (например в системе AI(x)Ga(1-x)As, выполняет функции оптического резонатора для излучения в УБС. Это позволяет данной конструкции ГС, с необходимой для когерентного излучения толщиной слоев в базовой области, эффективно работать и в режиме когерентного импульсного излучения. Так как в предлагаемой конструкции ГС уровень инжекции неосновных носителей в УБС определяется величинами заряда, образованного при лавинном пробое коллекторного перехода, и возможного дополнительного прямого смещения эмиттерного перехода, а его максимальное значение определяется высотой энергетического барьера на гетеропереходе от УБС к ШБС (со стороны коллекторного перехода), то режим импульсного когерентного излучения наблюдается во всем частотном диапазоне существования генерации в конкретной ГС.

Управление частотой следования импульсов в данной конструкции ГС осуществляется несколькими способами (внешние воздействующие факторы):

-управление величиной тока заряда C(cb) (временем заряда за счет изменения

. величины внешнего смещения;

-управление величиной перезаряда C(cb) за счет стимулирования эффекта над- барьерной инжекции носителей из базовой

области ГС в коллекторный переход (см.выше) либо дополнительным смещением эмиттерного перехода, либо дополнительной подсветкой УБМ излучением с соответствующей длиной волны;

- управление величиной перезаряда C(cb) за счет дополнительной подсветки коллекторного перехода излучением с соответствующей длиной волны; при этом изменяется не только величина образованного при лавинном пробое коллекторного перехода заряда но и ток утечки коллекторного перехода.

Увеличение величины внешнего смещения обеспечивает увеличение тока заряда C(cb), а значит уменьшение времени заряда

C(cb) и увеличение частоты следования импульсов.

Дополнительное смещение в прямом направлении эмиттерного перехода, либо дополнительная подсветка УБС излучением с соответствующей длиной волны, стимулирует надбарьерную инжекцию неосновных носителей в ШБС (см.выше) и далее в коллекторный переход, что приводит к увеличению величины перезаряда C(cb) и уменьшению частоты следования импульсов. В том случае когда надбарьерная инжекция неосновных носителей в коллекторный переход имеет место без дополнительного прямого смещения эмиттерного перехода, то дополнительное смещение эмиттерного перехода в обратном направлении позволит уменьшить ее уровень и приведет к увеличению частоты следования импульсов.

Увеличение мощности дополнительной подсветки коллекторного перехода излучением с соответствующей длиной волны приводит к увеличению образованного при лавинном пробое коллекторного перехода заряда, а значит и увеличению величины перезаряда C(cb) и уменьшению частоты следования импульсов. Увеличение тока утечки, вызванное дополнительной подсветкой коллекторного перехода, также приведет к уменьшению частоты следования импульсов.

Таким образом предлагаемая конструкция ГС может работать и в транзисторном включении, когда в качестве базового, контакта к ГС может выступать электрический контакт к УБС. Такой режим работы ГС является в ряде случаев более предпочтительным, так как предоставляет большие возможности использования данной конструкции ГС.

Из анализа работы конструкции ГС ясно, что при повышении частоты следования импульсов до определенного значения скорость инжекции носителей в УБС превысит темп рекомбинации электронно-дырочных пар в этом слое, что приведет к возникновению (или увеличению уже имеющейся) надбарьерной инжекции неосновных носителей в коллекторный переход (смГвыше). При дальнейшем увеличении частоты генерации надбарьерная инжекция приведет к возникновению постоянного во времени тока через коллекторный переход, а значит и к увеличению тока утечки коллекторного перехода, который является током перезаряда C(cb). При достижении частоты срыва генерации f(cp) ток утечки коллекторного перехода дтанет равной величине тока через ограничительный резистор и C(cb) не сможет заряжаться до напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода - произойдет срыв генерации импульсов. В этом случае ГС излучает свет и пропускает ток с постоянной интенсивностью, что может привести к тепловому прибрюколлекторно- го перехода. Следовательно, предельную частоту следования импульсов в данной конструкции ГС будет определять время

рекомбинации неосновных носителей в УБС.

Таким образом, в paccмofpeннoй конструкции ГС при значениях внешнего смещения выше /(лп) реализуется генерация

импульсов тока через ГС и излучения в УБС (в спонтанном и когерентном режимах), частота которых изменяется за счет изменения внешнего смещения, дополнительного смещения инжектирующего N-P(P-N) гетероперехода и дополнительной подсветки УБС и(или) обратносмещенного P-N(N-P) гетероперехода излучением с соответствующей длиной волны.

Предложенная конструкция ГС для импульсного излучателя света была реализована в системе твердых растворов AI(x)Ga(1-x)As методом жидкофазной эпи- таксии. Эпитаксиальные многослойные ГС выращивались по схеме N-P-N в устройствах прокачного типа на подложках N QaAs ориентации (100), легированных Sn.

Толщина слоев и диапазоны изменения состава и концентраций легирующей примеси для ГС, предназначенной для работы в

спонтанном режиме, приведены в таблице 1. Области проводимости N-типа, ограничивающие базовую область, состоят из двух слоев, различающихся уровнем легирования. В таблице 1 этом две пары слоев: 1,2 и

6,7 слои. Непосредственно примыкающие к базовой области слои (2 и 6) имеют меньший уровень легирования чем внешние слои N- областей (1 и 7). Поверхностный слой (8) необходим для формирования омического

контакта к ГС.

При испытаниях приборов на основе указанной ГС (см.табл. 1) были получены следующие параметры:

-генерация импульсов в ГС наблюда- лась при увеличении величины внешнего

смещения выше значений напряжения лавинного пробоя P-N(NrP) гетеропереходов (+40 и -30 В соответственно), что подтверждает возможность работы предлагаемой конструкции ГС при любой полярности внешнего смещения;

-полный диапазон перестройки частоты следования оптоэлектронных импульсов от 1 кГц до 1 МГц;

-амплитуда регистрируемого оптиче- жого сигнала на меза-структурах в 1,5 раза превышала соответствующую величину, полученную при испытаниях меза-структур

на основе конструкции ГС по прототипу, что подтверждает повышение мощности и эффективности излучения предлагаемой конструкции ГС.

Толщина слоев и диапазоны изменения состава и концентраций легирующей при- меси для ГС, предназначенной для работы |в когерентном режиме, приведены в таблице 2.

При испытаниях приборов на основе указанной ГС(см.табл.2) были получены еле- дующие параметры:

-генерация импульсов когерентного импульсного излучения в ГС наблюдалась при увеличении величины внешнего смещения выше значений напряжения лавинного пробоя P-N(N-P) гетеропереходов (+20 и 15 В соответственно), что подтверждает возможность работы предлагаемой конструкции ГС при любой полярности внешнего смещения;

-полный диапазон перестройки частоты следования импульсов когерентного излучения от 50 кГц до 250 кГц.

-Формулаизобретения Полупроводниковая гетероструктура

для импульсного излучателя света на основе твердых растворов соединений , содержащая область проводимости первого типа со слоями, один из которых имеет

меньшую ширину запрещенной зоны и больший уровень легирования, чем второй широкозонный слой с толщиной, меньшей эффективной диффузионной длины неосновных носителей, но большей максимальной ширины области пространственного заряда в этом слое при наибольшем рабочем значении внешнего смещения гетерост- руктуры, и две области проводимости противоположного типа, которые ограничивают с двух сторон область проводимости первого типа проводимости, первая из которых расположена на подложке и имеет ширину запрещенной зоны большую, чем у широкозонного слоя области первого типа проводимости, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения работы гетероструктуры- при любой полярности внешнего смещения и увеличения эффективности и мощности излучения, дополнительно введен третий слой первого типа проводимости, расположенный между узкозонным слоем первого типа проводимости и первой областью второго типа проводимости, толщиной, меньшей эффективной диффузионной длины неосновных носителей, но большей максимальной ширины области пространственного заряда в этом слое, и с шириной запрещенной зоны большей, чем у центрального узкозонного слоя области первого типа проводимости, а обе области второго типа проводимости выполнены с шириной запрещенной зоной большей, чем у широкозонных слоев области первого типа проводимости.

Использование: изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к конструкциям полупроводниковых гетероструктур для импульсных излучателей света. Сущность изобретения: гетероструктура обеспечивает возможность работы с ней при любой полярности внешнего смещения за счет полной ее симметрии относительно узкозонного базового слоя как по типу проводимости и уровню легирования, так и по ширине запрещенной зоны остальных слоев. 3 ил ., 2 табл.

Таблица t

Таблица 2

фиг.1

Фиг I

-ЛФФЛ r

Ф

w