RU2557359C2 - Лазер-тиристор - Google Patents

Abstract

Использование: для получения управляемой последовательности мощных лазерных импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что лазер-тиристор содержит катодную область (1), включающую подложку n-типа проводимости (2), широкозонный слой n-типа проводимости (3), анодную область (4), включающую контактный слой p-типа проводимости (5), широкозонный слой p-типа проводимости (6), одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область (13), первую базовую область (7), слой p-типа проводимости (8), вторую базовую область (9), слой n-типа проводимости (10), волноводную область (12), оптический Фабри-Перо резонатор, образованный естественно сколотой гранью (14) с нанесенным просветляющим покрытием и естественно сколотой гранью (15), первый омический контакт (16), второй омический контакт (18), мезаканавку (19), третий омический контакт (20), при этом параметры материалов слоев первой и второй базовых областей удовлетворяют определенным выражениям. Технический результат: обеспечение возможности увеличения пиковой выходной оптической мощности и снижение амплитуды сигнала управления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к квантовой электронной технике, а точнее к импульсным инжекционным лазерам.

Получение управляемой последовательности 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 достичь необходимого быстродействия при высоких мощностях импульсного лазерного излучения и сохраняющих преимущества полупроводниковых лазеров.

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.

Известный инжекционный лазер (см. Wang, X., Crump, P., Wenzel, H., Liero, A., Hoffmann, T., Pietrzak, A., Schultz, C.M., 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 p-типа проводимости, а также Фабри-Перо резонатор, полосковый контакт к эмиттеру p-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, частотой 1 кГц и амплитудой до 240 А.

Недостатком известного инжекционного лазера является сложность конструкции всей системы лазер-источник за счет необходимости использования внешнего мощного импульсного источника тока, генерация только достаточно длинных импульсов (длительность более 100 нс).

Известный инжекционный лазер (Hallman L.W., Haring K., Toikkanen L., Leinonen T., Ryvkin B.S., Kostamovaara J.T. "Compact laser pulser for TOF SPAD rangefinder application" Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XII. Edited by Heisterkamp, Alexander; Meunier, Michel; Nolte, Stefan. Proceedings of the SPIE, Volume 8247, article id. 82471A, 10, p. (2012)), включающий AlGaAs/GaAs гетероструктуру, состоящую из активной области, расположенной в волноводном слое, заключенном между широкозонным эмиттером n-типа и эмиттером p-типа проводимости, а также Фабри-Перо резонатор, полосковый контакт к эмиттеру p-типа проводимости, размеры которого ограничены длиной Фабри-Перо резонатора и шириной излучающей апертуры. Известный инжекционный лазер демонстрировал генерацию оптических импульсов амплитудой 40 Вт, длительностью 87 пс и максимальной частотой 20 кГц. Генерация оптических импульсов осуществлялась за счет прямой накачки импульсами тока длительностью 1.5 нс и амплитуды 15 А. Уменьшение длительности оптического импульса и снижение амплитуды тока накачки удалось достичь за счет использования эффекта модуляции добротности.

Недостатком известного инжекционного лазера является сложность конструкции всей системы лазер-источник из-за необходимости использования внешнего мощного генератора импульсов тока в виде дискретного лавинного транзистора.

Известен инжекционный лазер (см. J. Klamkin, R.K. Huang, J.J. Plant, M.K. Connors, 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, - 1st April 2010, Vol. 46, No.7, p.522-523), включающий AlGaAs/InGaAs гетероструктуру, сформированную в ней секцию усиления, ограниченную протравленными мезаканавками и гранями Фабри-Перо резонатора. С p-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 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 мощного ключа, позволяющего управляющими сигналами малой мощности переключать высокую электрическую мощность.

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)) реализован конструкцией 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 20∙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_0.2Ga_0.75As p-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 p-типа проводимости с концентрацией 10¹⁵ см^-3, активная область на основе GaAs толщиной 0.1 мкм p-типа проводимости с концентрацией 10¹⁵ см^-3, вторая часть волноводного слоя на основе Al_0.25Ga_0.75As толщиной 0.1 мкм p-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 p-типа проводимости легированный до концентрации 2∙10¹⁸ см^-3 толщиной 1 мкм и контактный слой GaAs p-типа проводимости легированный до концентрации 10¹⁹ см^-3 толщиной 0.5 мкм.

Предложенная конструкция демонстрировала ВАХ с характерной областью 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.

Недостатком является то, что необходим внешний оптический источник управляющего сигнала, что усложняет конструкцию, а также низкие значения мощности лазерного излучения.

В патенте US 005204871 A 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 эмиттеры 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 являются низкие значения токов до 50 мА, которые пропускает прибор.

В патенте ЕР 0273344 предложен n-p-n-p лазер-тиристор, включающий область анода, область катода и базовую область, которая расположена между анодом и катодом. Базовая область состоит из p-базы, покрывающей катодную область и с первого по третий слои n-базового слоя. При этом первый слой n-базы покрывает слой p-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.

Недостатком данного изобретения является 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.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является лазер-тиристор (см. Slipchenko S.O., Podoskin A.A, 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)), 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 p-типа проводимости толщиной 0.4 мкм, широкозонный слой Al_0.35Ga_0.65As p-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 p-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 p-n переход. Ширина запрещенной зоны квантоворазмерных слоев активной области и первой базовой области обеспечивает 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 p-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 слой 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), 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 p-n перехода, что ведет к снижению градиента концентрации фотогенерированных дырок и как следствие уменьшению максимального тока и повышению амплитуды управляющего сигнала.

Задачей настоящего изобретения являлось разработка такой конструкции лазера-тиристора, которая бы обеспечивала увеличение пиковой выходной оптической мощности и снижение амплитуды сигнала управления.

Поставленная задача решается тем, что лазер тиристор включает выращенную на подложке n-типа проводимости гетероструктуру, содержащую катодную область, включающую широкозонный слой n-типа проводимости, подложку n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой p-типа проводимости, широкозонный слой p-типа проводимости, 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 p-типа проводимости, вторую базовую область, расположенную со стороны широкозонного слоя анодной области, включающую 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, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны контактного слоя и формирующий область инжекции через активную область, второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны подложки, мезаканавку, дотравленную до второй базовой области, расположенную вдоль 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

$$E_{B1\_MAX}\le E_{AR}$$

$$E_{B2\_MIN}\ge EAR+3\cdot k\cdot T$$

,

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_P+0.5·10^-4

$${\Delta }_P=\sqrt{\frac{2\cdot \in \cdot {\in }_0\cdot N_D}{q\cdot \left(N_A+N_D\right)\cdot N_A}}\cdot \left({\varphi }_C-U_{MAX}\right)$$

где D_B1 - толщина первой базовой области (см);

Δ_P - толщина области объемного заряда коллекторного p-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).

Заявляемый лазер-тиристор поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображен известный лазер-тиристор;

на фиг.2 показан заявляемый лазер-тиристор;

на фиг.3 показаны спектр спонтанного излучения активной области известного лазера-тиристора отн. ед. - кривая 1; спектр поглощения первой базовой области известного лазера-тиристора (α_B1) отн. ед. - кривая 2; спектр поглощения второй базовой области известного лазера-тиристора (α_B2) отн. ед. - кривая 3;

на фиг.4 показаны спектр спонтанного излучения активной области заявляемого лазера-тиристора отн. ед. - кривая 4; спектр поглощения первой базовой области заявляемого лазера-тиристора (α_B1) отн. ед. - кривая 5; спектр поглощения второй базовой области заявляемого лазера-тиристора (α_B2) отн. ед. - кривая 6.

Известный лазер-тиристор (см. фиг.1) содержит катодную область 1, включающую подложку n-типа проводимости 1, широкозонный слой n-типа проводимости 3, анодную область 4, включающую контактный слой p-типа проводимости 5, широкозонный слой p-типа проводимости 6, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область 13, первую базовую область 7, расположенную со стороны широкозонного слоя катодной области 1, включающую слой p-типа проводимости 8, вторую базовую область 9, расположенную со стороны широкозонного слоя анодной области 4, включающую широкозонный слой n-типа проводимости 10, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим электроны в активную область 13, слой n-типа проводимости 11, волноводную область 12, расположенную между анодной областью 4 и второй базовой областью 9, включающую квантово-размерную 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 5 p-типа проводимости 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 19, вытравленную до второй базовой области 9, расположенную вдоль первого омического контакта 16, третий омический контакт 20 ко второй базовой области 9, расположенный на дне мезаканавки 19.

Предлагаемый инжекционный лазер (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 p-типа проводимости 5, широкозонный слой p-типа проводимости 6, одновременно являющийся слоем оптического ограничения лазерной гетероструктуры и эмиттером, инжектирующим дырки в активную область 13, первую базовую область 7, расположенную со стороны широкозонного слоя катодной области 1, включающую по меньшей мере один слой p-типа проводимости 8, вторую базовую область 9, расположенную со стороны широкозонного слоя анодной области 4, 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 квантово-размерную 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 p-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 19, вытравленную до второй базовой области 9, расположенную вдоль первого омического контакта 16, третий омический контакт 20, ко второй базовой области 9, расположенный на дне мезаканавки 19.

Улучшение выходных характеристик заявляемого лазера-тиристора обеспечиваеся за счет повышения эффективности передачи тока дырок из анодной области в первую базовую область посредством увеличения доли поглощенного спонтанного излучения активной области в первой базовой области.

Тиристорные структуры формируются на основе структур с тремя p-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 p-типа проводимости, инжектирующие электроны и дырки, соответственно, в активную область и одновременно являющиеся слоями оптического ограничения, расположенную между широкозонными эмиттерами волноводную область, в которую помещена активная 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 p-эмиттера в n-эмиттер, является утечным и для эффективных лазерных гетероструктур стремится 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 p-n переходов необходимым условием наличия отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) (именно ОДС определяет существование выключенного и включенного состояний) является обратная связь n-p-n и p-n-p 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 (фиг.3 кривая 1, 2; фиг.4 кривая 4, 5). Вопрос расположения лазерной гетероструктуры решался исходя из диффузионных механизмов протекающих токов. Т.к. 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 (фиг.3 кривая 4, 5). Данное условие выполняется, когда ширина запрещенной зоны квантово-размерной активной области больше максимальной ширины запрещенной зоны первой базовой области.

Т.к. 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 p-n перехода, а оставшаяся часть является электронейтральной). Коллекторный p-n переход - это p-n переход, сформированный на границе первой и второй базовых областей. Это значит, что обратное напряжение на коллекторном p-n переходе уменьшает толщину электронейтральной области, что ведет к увеличению градиента концентрации и амплитуды протекаемого тока. Т.к. остальные p-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 p-n переходов, когда область объемного заряда первой базовой области сравняется с ее толщиной. Чтобы эффект смыкания p-n переходов оставался нечувствительным к внешним флуктуациям, необходимо, чтобы толщина первой базовой области была на 0.5 мкм больше толщины области объемного заряда коллекторного p-n перехода (Δ_P) при максимальном рабочем напряжении (U_MAX). В свою очередь U_MAX не может превышать напряжение лавинного пробоя.

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. Видно, что 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 во второй базовой области существует слой, спектр поглощения которого перекрывается со спектром спонтанного излучения активной области (фиг.3 кривая 1, 3). Это ведет к снижению эффективности оптической передачи дырочного тока анодной области. В предлагаемом лазере-тиристоре вторая базовая область формируется из слоев, спектры поглощения которых не перекрываются со спектром спонтанного излучения активной области (фиг.4 кривая 4, 6), что дает максимальную эффективность оптической передачи дырочного тока анодной области в первую базовую область. Т.к. ширина спектра спонтанного излучения ограничена энергетическим диапазоном 3 кТ, то достаточно, чтобы минимальная ширина запрещенной зоны слоя второй базовой области на 3 кТ превышало ширину запрещенной зоны активной области.

Настоящий лазер-тиристор работает следующим образом. Лазер-тиристор параллельно с емкостью подключается к постоянному источнику напряжения. К первому 16 и второму 18 омическому контакту прикладывалась разность потенциалов, соответствующая выбранному максимальному рабочему напряжению, так что положительный потенциал соответствовал анодной области 4, а отрицательный - катодной области 1, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии. На первом этапе происходила зарядка конденсатора от внешнего источника напряжения, при этом лазер-тиристор находился в выключенном состоянии с бесконечно высоким сопротивлением. На втором этапе подачей управляющего импульса к третьему омическому контакту 20 лазер-тиристор переводился в открытое состояние, характеризуемое малым последовательным сопротивлением, что обеспечивало протекание в цепи тиристора тока разрядки конденсатора. Для включения лазера тиристора к третьему омическому контакту 20 прикладывался управляющий сигнал, обеспечивающий прямое смещение лазерной гетероструктуры. При протекании тока конденсатор разряжается, что формирует импульс тока и оптической мощности.

Пример

За базовую лазерную гетероструктуру возьмем конструкцию, представленную в работе (Д.А. Винокуров, А.В. Лютецкий, Д.Н. Николаев, В.В. Шамахов, К.В. Бахвалов, В.В. Васильева, Л.С. Вавилова, М.Г. Растегаева, И.С. Тарасов. Характеристики лазерных диодов, излучающих на длине волны 850 нм, с различными способами компенсации внутренних механических напряжений в гетероструктуре AlGaAs(P)/GaAs, ФТП, 2013, том 47, выпуск 8, стр 1078-1081), включающую широкозонный эмиттер N-типа проводимости на основе слоя Al_0.4Ga_0.6As, легированный кремнием до концентрации 8∙10¹⁷ см^-3 _, и P-типа проводимости на основе слоя Al_0.4Ga_0.6As, легированный магнием до концентрации 2∙10¹⁸ см^-3, толщина каждого эмиттера 1.5 мкм, контактный слой p-типа проводимости на основе слоя GaAs, легированный магнием до концентрации 2∙10¹⁹ см^-3 толщиной 0.3 мкм, нелегированный волноводный слой на основе Al_0.3Ga_0.7As толщиной 1 мкм, активная область на основе GaAs толщиной 10.5 нм. За счет эффектов размерного квантования ширина запрещенной зоны активной области смещена в коротковолновую область и соответствует энергии 1.459 эВ. Анодная область сформирована на основе широкозонного эмиттера P-типа проводимости и контактного слоя p-типа проводимости. Видно, что разница ширины запрещенных зон широкозонного эмиттера n-типа проводимости на основе Al_0.4Ga_0.6As (ширина запрещенной зоны 1.97 эВ) и активной области составляет 0.511 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_0.4Ga_0.6As, не поглощает спонтанное излучение активной области и обеспечивает максимальную оптическую связь с первой базовой областью. Материал первой базовой области на основе слоя GaAs p-типа проводимости имеет ширину запрещенной зоны 1.43 эВ, что меньше, чем ширина запрещенной зоны активной области, а значит, первая базовая область, выполненная на основе слоя GaAs p-типа проводимости, обеспечит максимальное поглощение спонтанного излучения активной области. При максимальном рабочем напряжении U_MAX=15 В и концентрации легирующей примеси для первого базового слоя 10¹⁶ см^-3 толщина первой базовой области:

N_A=10¹⁶ см^-3 концентрации акцепторов в первой базовой области;

N_D=8·10¹⁷ см^-3 - концентрации доноров во второй базовой области;

∈=13.3 - диэлектрическая проницаемость первой базовой области;

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

φ_C=1.34 В - контактная разность потенциалов p-n перехода между первой и второй базовой областью;

q=1.6·10^-19 Кл - заряд электрона;

Δ_P=1.44 мкм - толщина область объемного заряда в первой базовой области;

D_B1=1.94 мкм толщина первой базовой области.

Коллекторная область выполнена на основе слоя Al_0.4Ga_0.6As N-типа проводимости, толщиной 0.5 мкм, легированного кремнием до концентрации 8∙10¹⁷ см^-3. Длина Фабри-Перо резонатора взята 1.5 мм, коэффициент отражения просветляющего покрытия 5% на естественно сколотой грани 14, коэффициент отражения отражающего покрытия 95% на естественно сколотой грани 15. Ширина первого 16 и третьего омического контакта 20 выбрана 200 мкм, что обеспечивает технологическую простоту монтажа электрического контакта. Глубина мезаканавки 19 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 1 мкФ (Slipchenko S.O., Podoskin A.A, 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, соответствующая выбранному максимальному рабочему напряжению 15 В, так что положительный потенциал соответствовал анодной области 4, а отрицательный катодной области 1, при этом лазер-тиристор находился в закрытом состоянии. На первом этапе происходила зарядка конденсатора от внешнего источника напряжения, 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 p-n перехода лазерной гетероструктуры. Амплитуда управляющего сигнала, обеспечивающая включение лазера-тиристора, составила 5 А/см². В результате были получены лазерные импульсы амплитудой 50 Вт, длительностью до 200 нс.

Claims (4)

1. Лазер-тиристор, включающий выращенную на подложке n-типа проводимости гетероструктуру, содержащую катодную область, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, подложку n-типа проводимости, анодную область, включающую контактный слой p-типа проводимости, по меньшей мере один широкозонный слой p-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, расположенную со стороны широкозонного слоя катодной области, включающую по меньшей мере один слой p-типа проводимости, вторую базовую область, расположенную со стороны широкозонного слоя анодной области, включающую по меньшей мере один широкозонный слой n-типа проводимости, по меньшей мере один из которых одновременно является 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 квантово-размерного активного слоя, оптический Фабри-Перо резонатор, первый омический контакт к анодной области, сформированный со стороны контактного слоя и формирующий область инжекции через активную область, второй омический контакт к катодной области, сформированный со стороны подложки, мезаканавку, дотравленную до второй базовой области, расположенную вдоль первого омического контакта, третий омический контакт, ко второй базовой области, расположенный на дне мезаканавки, отличающийся тем, что 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_P+0.5·10^-4
$${\Delta }_P=\sqrt{\frac{2\cdot \in \cdot {\in }_0\cdot N_D}{q\cdot \left(N_A+N_D\right)\cdot N_A}\cdot \left({\varphi }_C-U_{MAX}\right)}$$

где D_B1 - толщина первой базовой области (см);
Δ_P - толщина области объемного заряда коллекторного p-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).

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 p-типа проводимости элемент, выбранный из группы: c, S, Mg, Be, Zn, или их комбинацию.

4. Лазер-тиристор по п.1, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена в системе твердых растворов A3B5.

Images