Оптоэлектронное устройство

/12 5 НО НИ ТЕНТУ м,ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Голдобин И.С. и др. Генерирование ирегистрация пикосекундных оптических импульсов при прямой токовой модуляции инжекционного гетеролазера, Письма в ЖТФ,т,11, вып.14, 1985, с.862-865,Такуума Х. Физика полупроводниковыхлазеров. М,: Мир, 1989, с.244 - 293,Изобретение относится к квантовои 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 оптоэлектронных 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,(54) ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Использование; в полупроводниковой квантовой электронике, Сущность изобретения: оптическая интегральная схема содержит лазерный и р - и - 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, Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является оптоэлектронное устройство,содержащее биполярный фототранзистор илазерный элемент, выполненное в видемногослойной структуры на основе полупроводников А В, включающей и+-подлож.ку и расположенные последовательно р-, п-,и-, р-, р -слои, причем и - р-и-слои образуют фототранзисторный, а и - р - р - лазерный элементы, и три электрода, два изкоторых образуют контакт с подложкой ир -слоем,Вертикальное расположение лазерногои биполярного фототранзисторного элементов уменьшает паразитные реактивности, аналичие положительной электрической иоптической обратной связи расширяет функциональные возможности оптоэлектрон 1787297ного устройства. Между тем, оптический иэлектронный элементы, формирующие оптоэлектронное устройство, не обеспечивают высокочастотной релаксационнойпульсации, так как амплитуда электрического сигнала ограничена несколькими сотнями миллиампер, а время нарастания токалежит в наносекундном диапазоне длительностей. При этом сочетание больших амплитуд и 4 алых длительностей нарастания токапринципиально исключено. Фундаментальное ограничение связано с известными эффектами Кирка, оттеснения тока к краюэмиттерного перехода и др. В результатемощность оптических импульсов в оптоэлектронном устройстве ограничена и непревышает 100 мВт.Целью изобретения является увеличение мощности сверхкоротких импульсов.Физическая сущность предлагаемого решения основана на использовании лавинногопробоя фототранзистора, инициируемогосветовым потоком из лазерного элемента,Ка фиг,1 изображена конструкция оптоэлектронного устройства; на фиг,2 - электрическая схема включения,Оптоэлектронное устройство содержитэлектрод 1 к подложке 2. а также базовый иколлекторный слои 3 и 4, формирующие коллекторнь 1 й переход и -р - и биполярного фототранзистора. К коллекторному спою 4фототранзистора непосредственно примыкает эмиттер 5 лазерного элемента, содержащего также активную область 6,ограниченную слоями 5 и 7. К эмиттеру 5лазерного элемента выполнен электрод 9, ак слою 7 - электрод 9,Электрическая схема включения, представленная на фиг.2, содержит источник 10напрякения, ограничивающее сопротивление зарядной линии Яу=-500 кОм 11, отрезоккоаксиального кабеля 12, длина которогозадает длительность импульса накачки лазера, ограничивающее сопротивление цепиуправления Вн = 500 Ом 13, генератор 14импульсов, оптоэлектронное устройство 15,нагрузочное сопротивление Вн = 50 Ом 16.При подаче импульса управления черезэлектрод 8, выполненный к эмиттеру 5 па+зерной и - р-р -структуры, происходят инжекция неосновных носителей заряда вактивную область 6 лазерного элемента ихрекомбинации с испусканием квантов света. На этом этапе лазерный элемент находится в предпороговом режиме генерации.Конструкция оптоэлектронного устройстватакова, что большая часть потока фотоновпопадает в коллектор 4 и поглощается вобласти обьемного заряда коллекторного ри-перехода фототранзистора, Для локализации большей части перепада потенциала напряжения в области оптического поглощения (характерный размер области собственного поглощения 10 мкм) коллекторный 5 р-и-переход фототранзистора сформированна основе слоев с концентрацией легирующей примеси й 10 см . При этом нижний предел значений концентрации определяется лишь возможностями технологических 10 режимов формирования и+ - р - и-структурыфототранзистора и составляет в настоящий момент М 10 смз.Инжектированные носители за времяпролета области пространственного заряда 15 коллекторного р-и-перехода достигают пороговой энергии ионизации Е и ударная ионизация становится возможной, если напряжение на р - и-переходе больше напряжения лавинного пробоя Ов, а ширина 20 области пространственного заряда соответствует максимальной напряженности поля при пробое, На основе экспериментальных зависимостей напряжения лавинного пробоя и максимального поля Ем от кон центрации легирующей примеси для р - ипереходов на основе арсенида галлияустановлено минимальное значение напряжения Ов = 250 В, начиная с которого реализуется лавиннь 1 й механизм ударной 30 ионизации в и - ри-структурах фототранзисторного элемента с концентрацией легирующей примеси М 1015 см з,Минимальное значение напряженияОв = 250 В определяет и нижний пределтолщины слоев, достаточной дпя размещения области пространственного заряда коллекторного р - и-перехода - Ю:2 дц ИПоложительная 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 р - и-переход фототранзистора, такал, что, по крайней мере, удовлетворяет неравенствуа=1 - В/ /21 0,5 ипи ЮЫ.,55где Е- диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базе фототранзистора.Значения диффузионной длины для арсенида галлия с концентрацией легирующей примеси й 10 см лежат в диапазоне 15 -свидетельствует о соответствии полученных значений указанному диапазону, Иными словами приведенное в отличительной части формулы изобретения ограничение сум 10 марной толщины Й/ слоев является необходимым и достаточным условием работоспособности предлагаемого оптоэлектронного устройства.П р и м е р, Структура изготавливалась15 методом жидкостной эпитаксии. На подложках из и - баАз сначала выращивался высоковольтный коллекторный ри-переход биполярного фототранзистора на основе слабо легированного арсенида галлия с концен 20 трацией носителей К = (10 - 5 10 ) см 3, Суммарная толщина слоев не превышала 50 - 55 мкм, что обеспечивало напряжение лавинного пробоя Ов = 250 В. Далее методом низкотемпературной жидкофазной25 эпитаксии выращивалась гетероструктура лазерного элемента, содержащая слой широкозонного эмиттера, два непегированных вопноводных слоя, окружающих квантоворазмерную активную область, и второй ши 30 рОКОЗОННЫй СЛОЙ р - А,Оа 1-хАЗ, ОПТИЧЕСКИ прозрачный широкознный и-слой эмиттера лазерного элемента легированный Те до уровня 5 10 см, ограничивал, с одной1 т -зстороны, активную область лазерного эле 35 мента, а с другой, область пространственного заряда высоковольтного биполярного фототранзистора. При изготовлении лазерных резонаторов с зеркальными гранями применялось травление либо скалывание в40 плоскости спайности. 9 Режим лавинного включения оптоэлектронного устройства 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. Про-. веденные оценки показывают, что предложенная структура при уровне накачки 3 - 5 КА/мс способна генерировать опти 2ческие 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 структуры на основе полупроводников А Б, включающей и -подложз + ку и расположенные последовательно р, и, и, р, р - слои, причем подлжка и р - и-слои образуют фототранзисторный, а и - р-р - лазерный элементы, и 3 электрода, два из которых образуют контакт с подложкой и р - слоем, о т п и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения мощности сверхкоротких импульсов, и- и р-слои, образующие коллекторный переход фототранзистора, выполнены с концентрацией, выбранной в интервале 10 см1 ч 10 см, и сум 13 -3 15марной толщиной И обоих слоев с с-- И 1 гдето -диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базе фототранзистора, ц - заряд электрона, Е - диэлектрическая проницаемость, а третий электрод выполнен к и-слою, являющемуся эмитте ром лазерной и - р - р-структуры,Составитель В,КорольковТехред М.Моргентал 274 Тираж ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж