RU11400U1 - Инжекционный источник оптического излучения - Google Patents

Abstract

1. Инжекционный источник оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, образующей активную область, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных барьерным слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, отличающийся тем, что в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда, барьерный слой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенной зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещенной зоны примыкающего к этой границе основного слоя активной области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в этой яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в этой яме, или из двух сверхрешеток, или двух варизонных полупроводниковых тверды

Description

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Заявляемая группа полезпых моделей относится к полупроводниковым излучающим приборам, таким как светодиоды и лазеры, и предназначена для получения спонтанного или стимулированного излучения в средней и дальней инфракрасных областях электромагнитного спектра. Такие полупроводннковые приборы могут быть использованы для мониторинга окружающей феды, бесконтактного контроля химического состава различных веществ, а также в системах связи, в медицине и в других областях.

Известно несколько типов полупроводниковых источников оптического излучения, в частиости полупроводниковых оптических квантовых генераторов, длина волны излучения которых находится в средней и дальней инфракрасных областях спектра.

Наибольщее распространение получили инжекционные полупроводниковые лазеры (см.Физический энциклопедический словарь.- М.: изд-во Советская энциклопедия.- 1984, с.570-571). Для получения излучения в инфракрасной области спектра активную область такого инжекционного лазера выполняют из слоев полупроводникового материала с узкой запрещенной зоной, главным образом, из различных солей свиица, что позволяет генерировать кванты света с энергией, близкой к щирине запрещенной зоны. Генерация в такой лазере возникает за счет инжекции неравновесных носителей заряда через р-п переход или гетеропереход и их последующей рекомбинации через запрещенную зону. Набор длин волн, генерируемых известным лазером, ограничен существующими материальными системами, из которых изготавливают активную область, и не превышает 30 мкм. В то же время низкая выходная мощность излучения ограничивает область его применения.

Известен униполярный квантовый каскадный лазер, состоящий из многопериодной полупроводниковой структуры, каждый период которой coдq)жит активиую область, размещенную между эмиттером и коллектором. Активная область представляет собой набор специально сконструированных квантовых ям, разделенных туннельно прозрачными барьерами, в которых, в зависимости от конструктивных особенностей, возможны оптические переходы либо между энергетичеMKH6:H01S03/19 HOI L33/00

(варианты)

скими состояниями в соседних ямах (так называемые диагональные переходы), либо внутри одной ямы (так называемые вертикальные переходы), либо Moigoiy минизонами, если слои активной области образуют сверхрешетку. Эмиттер и коллектор предназначены для обеспечения инжекции электронов в активную область и, как правило, выполняются в виде сверхрешеток с переменным шагом. Для обеспечения режима генерации все наборы структуры размещают между снабженными контактами специальными слоями, образующими оптический волновод, (см. F. Capasso et. al. - Infrared (4-11 In) Quantum Cascade Lasers. -Solid State Communication.1997, vol. 102, pp231-236). Использование в известном лазере оптических переходов между уровнями размерного квантования в квантовых ямах и сверхрешетках позволило избавиться от зависимости длины волны генерации от ширины запрещенной зоны материала активной области. Создание структур с периодически повторяющимися слоями активной области позволяет повысить квантовый выход за счет увеличения числа повторяющихся слоев активной области. Известный униполярный каскадный лазер позволяет получать стимулированное излучение в диапазоне от 4 мкм до 13 мкм.

Однако для изготовления такого известного источника излучения необходимо использовать высокотехнологическое оборудование для создания прецизионных эпитаксиальных слоев. Кроме того, известный источник излучения имеет высокий пороговый ток из-за больших потерь на безызлучательных переходах.

Известен источник оптического излучения на основе полупроводниковых гетероструктур II типа (см. патент США №5 588 015 по кл. Н 01 S 03/19, опубликован 24.12.1996). Известный источник содержит активную область, состоящую из двух слоев, образующих квантовые ямы, в которых возможны диагональные излучательные переходы между энергетическими состояниями в соседних ямах, находящихся зоне проводимости и в валентной зоне. Это позволяет избавиться от потерь на безызлучательных переходах, связанных с испусканием оптических фононов, и уменьшить пороговый ток.

Конструкция известного источника оптического излучения, с одной стороны, не позволяет подстраивать длину волны генерируемого излучеиия электрическим полем, а, с другой стороны, ограничивает возможное число периодов слоев активной области, так как значительное увеличение числа периодов приводит к рассогласованию по энергии уровней активной области, находящихся далеко друг

от друга. В результате ограничены возможности увеличения квантового выхода и мощности излучения известного источника.

Известен инжекционный источник оптического излучения, совпадающий с заявляемыми полезными моделями по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип ( см. патент О11А№ 5 799 026 по кл. Н 01 S 03/19, опубликован 25.08.1998). Известный источник-прототип создан на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, содержащей по меньщей мере один набор из эмиттера, коллектора и расположенной между ними а стивной области, а также содержащей на противоположных сторонах структуры два слоя с пониженным показателем преломления, образующими световод, и нанесенными на них омическими контактами, обеспечивающими протекание тока через структуру. Активная область, в которой носители излучают фотоны, содержит три основных слоя с квантовыми ямами, разделенных барьерными слоями, туннельно прозрачными для носителей заряда в отсутствии внешнего электрического напряжения. Две соседние ямы имеют по меньшей мере по одному разрешенному энергетическому уровню в валентной зоне, а третья яма, примыкающая к эмиттеру, имеет по меньшей мере один разрешенный энергетический уровень в зоне проводимости.

При приложении к структуре внешнего электрического напряжения происходит инжекция электронов из эмиттера в яму одного основного слоя и их последующая рекомбинация с дырками, располагающимися в яме соседиего основного слоя, что приводит к испусканию фотонов, то есть происходит излучательная электронно-дырочная рекомбинация между соседними ямами. Третья квантовая яма с разрешенным энергетическим уровнем, находящимся в валентной зоне, с одной стороны, препятствует уходу носителей за счет туннелирования из активной зоны в коллектор, а, с другой стороны, обеспечивает резонансное туннелирование носителей с уровня в валентной зоне соседней квантовой ямы в коллектор, что создает условия для быстрого опустошения уровня, на который переходят носители в процессе испускания света. Наличие третьей ямы позволяет уменьшить толщину второй ямы, находящейся в валентной зоне, что приводит к более сильному проникновению волновой функции дырок за пределы ямы и, в конечном итоге, к более сильному перекрытию волновых функций электронов и дырок, участвующих в излучательной рекомбинации. Такое конструктивное рещение увеличивает эффективность излучатепьных процессов и уменьшает токи утечки.

в известном инжекционнон источнике оптического излучения приложение внешнего напряжения не приводит к смещению энергетических уровней активной области относительно друг друга. Для создания инверсной заселенности носителей используют инжекцию электронов из эмиттера в нелбгированную яму основного слоя через прямоугольный барьер. При этом электрическое напряжение падает главным образом не на барьере, а на нелбгированной квантовой яме. В результате в известном источнике-прототипе отсутствует возможность подстройки длины волны излучения электрическим полем. Конструкция известного источника также накладывает ограничение на максимальное количество наборов ( то есть периодов) основных слоев активной области, так как их значительное увеличение приводит к рассогласованию по энергии уровней активной области, находящихся далеко друг от друга. В условиях массового промышленного производства реализация высокоточных технологий затруднительна. Известный источник работает при одновременном выполнении условий резонансного туннелирования Нд всех барьерах. Распределение заряда, флуктуации падения напряжения приводят к уменьшению тока, протекающего через структуру и, соответственно, к ухудшению эффективности работы источника. Очевидно, что при увеличении количества наборов слоев (периодов) активной области, соединенных последовательно, величина максимального тока будет определяться наиболее слабым звеном, то есть тем, в котором условие резонансного туннелирования выполняется хуже. При большом числе наборов слоев (периодов) активной области этих слабых звеньев будет больше, а условия резонансного туннелирх)вания всех хуже, что неизбежно приведет к ограничению максимального числа наборов слоев (периодов) активной области и, соответственно, к ограничению максимальной эффективности источника излучения.

Задачей, решаемой заявляемой группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом, являлось создание такого инжекционного источника оптического излучения, который бы, при сохранении достоинств источника-прототипа, позволял генерировать излучение, лежащее в средней и дальней инфракрасной областях спектра, обеспечивал возможность подстройки длины волны генерации с помощью внешнего электрического поля и позволял повысить квантовый выход и мощность генерируемого излучения за счет возможности значительного увеличения числа наборов основных слоев активной области.

Поставленная задача решается тем, что в инжекционном источнике оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, образующей активную область, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных барьерным слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда; барьерный слой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенной зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещенной зоны примыкающего к этой границе основного слоя активной области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со споем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в яме, либо барьерный слой состоит из двух сверхрешеток или двух варизонных полупроводниковых твердых растворов, у одной из упомянутых сверхрешеток или у одного из упомянутых твердых растворов край зоны проводимости совпадает с краем зоны проводимости основного слоя на их границе, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны совпадает с краем валентной зоны основного слоя на их границе, при этом у первой из упомянутых сверхрешеток или у первого из упомянутых растворов край зоны проводимости монотонно возрастает по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в валентной зоне, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны монотонно уменьшается по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в зоне проводимости и на общей границе упомянутых сверхрешеток или растворов край зоны проводимости первой сверхрешетки или первого раствора лежит по энергии выше края валентной зоны второй сверхрешетки или второго раствора. В этом варианте выполнения источника он представляет собой светодиод. Поставленная задача решается также тем, что в инжекционном источнике оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, образующей активную область с плоскопараллельными боковыми гранями, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных барьерным слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда; барьерный слой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенной зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещениой зоны примыкающего к этой границе основиого слоя активиой области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в этой яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в этой яме, или из двух сверхрешеток или двух варизонных полупроводниковых твердых растворов, у одной из упомянутых сверхрешеток или у одного из упомянутых растворов край зоны проводимости совпадает с краем зоны проводимости основиого слоя на их границе, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны совпадает с краем валентной зоны основного слоя на их границе ,при этом у первой из упомянутых сверхрешеток или у первого из упомянутых растворов край зоны проводимости монотонно возрастает по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в валентной зоне, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны монотонно уменьшается по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в зоне проводимости, и на общей границе упомянутых сверхрешеток или растворов край зоны проводимости первой сверхрешетки или первого раствора лежит по энергии выше края валентной зоны второй сверхрешетки или второго раствора. Гетероструктура также содержит снабженные омическими контактами внешние слои из полупроводникового материала с показателем преломления, меньшим показателя преломления слоев активной области. В этом варианте выполнения источника он представляет собой инжекционный лазер (при числе наборов основных слоев больше одного - каскадный), излучение из которого выходит через боковые грани гетеррструктуры.

Поставленная задача решается также тем, что в инжекционном источнике оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, снабженной на внешних слоях омическими контактами и образующей активную область, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда; барьерный сяой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенный зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещенной зоны примыкающего к этой границе основного слоя активной области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в этой яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в этой яме, или из двух сверхрешеток или двух варизонных полупроводниковых твердых растворов, у одной из упомянутых сверхрешеток или у одного из упомянутых растворов край зоны проводимости совпадает с краем зоны проводимости основного слоя на их границе, а у второй из

упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов кран валентной зоны совпадает с краем валентной зоны основного слоя на их границе ,при этом у первое из упомянутых сверхрешеток или у первого из упомянутых растворов край зоны проводимости монотонно возрастает по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в валентной зоне, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны монотонно уменьшается по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в зоне проводимости, и иа общей границе упомянутых сверхрешеток или растворов край зоны проводимости первой сверхрешетки или первого раствора лежит по энергии выше края валентной зоны второй сверхрешетки или второго раствора. В источнике один из омических контактов выполнен полупрозрачным, а другой омический контакт выполнен зеркально отражающим. В этом варианте выполнения источник представляет собой вертикальный инжекционный лазер, из1 чение из которого выходит в направлении перпендикулярном плоскости слоев источника.

В инжекциониом источнике барьерный слой может быть выполнен толщиной не менее 2 нм, в этом случае он является туннельно непрозрачным для носителей заряда в отсутствии внешнего электрического поля. По меньшей мере один основной слой активной области может быть выполнен в виде сверхрешетки, которая представляет из себя набор слоев полупроводникового материала, разделенных барьерными слоями, туннельно прозрачными для носителей заряда.

Основные слои активной области могут быть выполнены из InAs и GaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Са Im.z As.

Основные слои могут быть также выполнены из IiiAs и GaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из А1х Gai-x Sb. Слои из InAs или его твердого раствора выполняют толщииой не менее 10 нм, а слои из GaSb или его твердого раствора выполняют толщиной не менее 3 нм.

В зависимости от толщины и состава твердого раствора барьерного слоя и прилегающих к нему основных слоев активной области заявляемый источник может иметь любую требуемую длину волны генерации в диапазоне, по меньшей мере, от 4 мкм до 100 мкм и дополнительно позволяет осуществлять подстройку длины волны генерации с помощью варьирования приложенного к источнику электрического напряжения. Кроме того, заявляемая конструкция источника позволяет значительно увеличивать число наборов (периодов) активной области, поскольку подстройка уровней активной областей, находящихся далеко друг от друга происходит автоматичесзки. В известной конструкции биполярного каскадного лазера активная область и эмиттер разделены прямоугольным барьером. Инжекция носителей в активную область достигается при приложении электрического напряжения к структуре. Это напряжение падает на барьере, расположенном между эмиттером и активной областью. Величина напряжения, соответствующего режиму геиерации, имеет строго определенное значение, соответствуюпдее наиболее эффективному туннелированию носителей из эмиттера на уровень размерного квантования носителей в яме InAs. В многонериодных структурах из-за неизбежных неоднородностей, таких как неточности размеров слоев, локальное искажение напряжения в слоях, флуктуации плотности тока и т.п. появляются дополнительные потери из-за того, что режимы функционирования отдельных слоев не совпадают. С увеличением числа периодов эти потери возрастают. Например, из-за разницы в толщинах барьеров на разных барьерах будет разное напряжение и, соответственно, не будут выполняться условия для туннелирования носителей в активную область. Это увеличивает потери и приводит к невозможности функционирования структуры при больщом числе наборов слоев (периодов) активной области. Заявляемая конструкция позволяет функционировать источнику источнику оптического излучения с большим числом наборов слоев (периодов) активной области, что достигается использованием специальных варизонных барьеров между основными слоями активной области, которые автоматически обеспечивают условия генерации за счет изменения коэффициента прозрачности и уменьшения электрического сопротивления барьерного слоя под действием электрического поля. В заявляемом источнике оптического излучения при достижении порогового напряжения, приводящего к туннелированню носителей между слоями в одном из наборов, дальнейшее увеличение напряжения в нем не происходит, в то время как в других наборах активной зоны напряжение увеличивается до тех пор пока не будет достигнут режим туннелирония. Этот механизм действует и внутри барьерного слоя, в том числе, когда он составной. Это позволяет очеиь сильно увеличивать число периодов структуры и пропорционально повышать квантовый выход и мощность излучения.

Заявляемый источник оптического излучения иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 приведена зонная диаграмма двух наборов слоев (периодов) активной области заявляемого источника оптического излучения в отсутствии внешнего электрического напряжения в случае, когда край зоны проводимости барьерного

слоя совпадает с краем зоны проводимости одного из осиовных сяоев (Л Е - высюта барьера, образованного варизонным твердым раствором, эВ; Е - край зоны проводимости, эВ; Ev-край валентной зоны, эВ; EF-уровень Ферми, эВ, который должен располагаться между разрешенными состояниями смежных ям), на фиг. 2 приведена та же зонная диаграмма, что и на 4№Г.1, но в условиях, когда к каждому из наборов слоев (периодов) активной области приложено напряжение U Д Е/е в прямом направлении (е - заряд электрона).

на фиг. 3 показана зонная диаграмма двух наборов слоев (периодов) активной области заявляемого источника оптичесясого излучения в отсутствии внешнего электрического напряжения в случае, когда край валентной зоны барьерного слоя совпадает с краем валентной зоны одного из основных слоев.

на фиг. 4 приведена та же зонная диаграмма, что и на фиг. 3, но в условиях, когда к каждому из наборов слоев (периодов) активной области приложено напряжение U А Е/е в прямом направлении.

на фиг. 5 показана зонная диаграмма двух наборов слоев (периодов) активной области заявляемого источиика оптического излучеиия в отсутствии внешнего электрического напряжения в случае, когда барьерный слой состоит из двух сверхрешеток или из двух варизоиных твердых растворов.

на №1г, б приведена та же зонная диаграмма, что и на фиг. 5, но в условиях, когда к каждому из наборов слоев (периодов) активной области приложено напряжение U Л Е/е в прямом направлении.

на фиг. 7 приведена схематическая конструкция заявляемого источника излучения в качестве светодиода.

на фиг. S показана схематическая конструкция дополнительных слоев с оптическим покрытием для обеспечения режима лазерной генерации с выводом излучения в направлении, параллельном плоскости слоев структуры. на фиг. 9 приведена зонная диаграмма одного периода устройства-прототипа. На фигурах приведеиы следующие обозиачения:

1- основной слой активной области, имеющий яму в зоне проводимости;

2- основной слой активной области, имеющий яму в валентной зоне;

3- барьерный слой;

6- излучаемый квант света;

7- омический контакт;

8-слой, с показателем преломления, меньшим показателей преломления основных слоев 1,2 структуры.

Дополнительные обозначения, приведенные на фиг.9:

9- эмиттер;

10- коллектор;

11-дополнительный слой;

12, 13, 14, 15 - туннельно прозрачные барьеры;

16,17- уровни размерного квантования соответственно в слоях 1,2;

18 - запрещенная зона, препятствующая туннелированию носителей из ямы 1 в

коллектор 10.

Заявляемый источник оптического излучения работает следующим образом. Прикладываемое к контактам 7 источника в прямом направлении напряжение падает на барьерных слоях 3, выполаживая их наклон и смещая по энергии друг относительно друга уровни активной области в основных слоях 1 и 2. При этом электроны в основном слое 1 и дырки в основном слое 2 приближаются друг к другу в координатном пространстве, что приводит к увеличению перекрытия волновых функций электронов и дырок. При достижении критического напряжения в одном из наборов слоев 1,2, 3 (периодов) активной области, соответствующего сильиому перекрытию волновых функций электронов и дырок, расположенных в соседних слоях 1,2, барьерный слой 3 между ними становится туннельно прозрачным и его сопротивление падает. Тем самым дальнейшего увеличения падения напряжения на этом барьерном слое 3 не происходит, а дальнейщий рост напряжения на источнике приводит к увеличению напряжения на остальных барьерных слоях 3. Когда все барьерные слои 3 становятся туннельно прозрачными, сопротивление источника уменьшается и происходит резкий рост тока через источник за счет диагонального туннелирования 5, которое сопровождается спонтанным оптическим излучением 6 (в этом случае заявляемый источник работает в режиме светодиода). При дальнейшем увеличении тока и достижении инверсной заселенности носителей возиикает обратная связь и генерация света (в этом случае заявляемый источник работает в режиме лазера). Увеличение мощности источника и его квантового выхода достигается увеличением числа наборов слоев 1,2,3 (периодов) активной области источника. Выполнение одного контакта 7 оптически полупрозрачным, а

другого контакта 7 - зеркально отражающим, позволяет выводить генерируемое источником изз ченне в направлении перпендикулярном плоскости слоев источника. Дополнение структуры источника слоями 8 обеспечивает вывод генерируемого излучения в направлении параллельном плоскости слоев источника. Пример. Был изготовлен каскадный инжекционный СВбТОДИОД p-GaSb/GaSb/{InAs/Alv«,o,3-o,i Оа,,7 o.9Sb/Alo,i Gao.9 8Ь}50периодов/Сга8Ь/р-Оа8Ь. Каскадный инжекционный лазер выполнен в виде многослойной гетероструктуры, изготовленной методом молекулярно-лучевой эпитаксии и состоит из подложки рGraSb, активной области, выполненной в виде 50 (наборов) периодов трехслойной системы InAs/Al er o,3 0,1 .7 o,Sb/Alo,i Gao,9 Sb, слои которой имели толщину 12 нм, 10 нм и 5 нм соответственно, и омических контактов, нанесенных на противоположные плоскости структуры. Барьерные слои, разделяющие основные слои активной области, были изготовлены из варизонного твердого раствора ,3,i Ga)ru-o,7o,9Sb, в котором процентное содержание алюминия плавно уменьщается от 30 до 10 на толщине 10 нм от слоя InAs до слоя Alo.i Gao. Sb. Такой состав обеспечивает необходимую форму барьера между основными слоями активной области. При приложении к источнику напряжения в прямом направлении через него протекает ток, который сопровождается излучательной рекомбинацией носителей в активной области.

Пример 2 . Был изготовлен каскадный инжекционный С 6ТОДИОд: n.-InAs/InAs/{ Gao.i 1ио.9 As /Gaw« o,i-o.s Inirer o,9-o.sAs/ GaSb }50nepHoflOB/IiiAs/n-InAs. Каскадный инжекционный лазер выполнен в виде многослойной гетероструктуры, изготовленной методом молехулярно-лучевой эпитаксии и состоит из подложки пInAs, активной области, выполненной в виде 50 (наборов) периодов трехслойной системы Gao.i Iiio.s As ,i o.s .9-o,sAs/ GaSb, слои которой имели толщину 12 нм, 10 нм и 5 нм соответственно, и омических контактов, нанесенных на противоположные плоскости структуры. Барьерные слои, разделяющие основные слои активной области, были изготовлены из варизоиного твердого раствора ,1 o.s .9 o.sAs, в котором процентное содержание индия плавно уменьщается от 90 до 50 на толщине 10 нм от слоя Gao.i 1по.9 As до слоя Ga Sb. Талсой состав обеспечивает необходимую форму барьера между основными слоями активной области. При приложении к источнику напряжения в прямом направлении через него протекает ток, который сопровождается излучательной рекомбинацией носителей в активной области.

Claims (18)

1. Инжекционный источник оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, образующей активную область, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных барьерным слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, отличающийся тем, что в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда, барьерный слой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенной зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещенной зоны примыкающего к этой границе основного слоя активной области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в этой яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в этой яме, или из двух сверхрешеток, или двух варизонных полупроводниковых твердых растворов, у одной из упомянутых сверхрешеток или у одного из упомянутых растворов край зоны проводимости совпадает с краем зоны проводимости основного слоя на их границе, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны совпадает с краем валентной зоны основного слоя на их границе, при этом у первой из упомянутых сверхрешеток или у первого из упомянутых растворов край зоны проводимости монотонно возрастает по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в валентной зоне, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны монотонно уменьшается по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в зоне проводимости, и на общей границе упомянутых сверхрешеток или растворов край зоны проводимости первой сверхрешетки или первого раствора лежит по энергии выше края валентной зоны второй сверхрешетки или второго раствора.

2. Инжекционный источник по п.1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен толщиной не менее 2 нм.

3. Инжекционный источник по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один основной слой активной области выполнен в виде сверхрешетки.

4. Инжекционный источник по п.1, отличающийся тем, что основные слои выполнены из InAs и CaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Ca_xIn_1-xAs.

5. Инжекционный источник по п.1, отличающийся тем, что основные слои выполнены из InAs и CaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Al_xGa_1-xSb.

6. Инжекционный источник по п.4 или 5, отличающийся тем, что слои из InAs или его твердого раствора выполнены толщиной не менее 10 нм, а слои из CaSb или его твердого раствора выполнены толщиной не менее 3 нм.

7. Инжекционный источник оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, образующей активную область с плоско-параллельными боковыми гранями, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных барьерным слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, а также содержащей снабженные омическими контактами внешние слои из полупроводникового материала с показателем преломления, меньшим показателя преломления слоев активной области, отличающийся тем, что в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда, барьерный слой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенной зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещенной зоны примыкающего к этой границе основного слоя активной области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в этой яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в этой яме, или из двух сверхрешеток или двух варизонных полупроводниковых твердых растворов, у одной из упомянутых сверхрешеток или у одного из упомянутых растворов край зоны проводимости совпадает с краем зоны проводимости основного слоя на их границе, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны совпадает с краем валентной зоны основного слоя на их границе, при этом у первой из упомянутых сверхрешеток или у первого из упомянутых растворов край зоны проводимости монотонно возрастает по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в валентной зоне, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны монотонно уменьшается по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в зоне проводимости, и на общей границе упомянутых сверхрешеток или растворов край зоны проводимости первой сверхрешетки или первого раствора лежит по энергии выше края валентной зоны второй сверхрешетки или второго раствора.

8. Инжекционный источник по п.7, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен толщиной не менее 2 нм.

9. Инжекционный источник по п.7, отличающийся тем, что по меньшей мере один основной слой активной области выполнен в виде сверхрешетки.

10. Инжекционный источник по п.7, отличающийся тем, что основные слои выполнены из InAs и CaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Ca_xIn_1-xAs.

11. Инжекционный источник по п.7, отличающийся тем, что основные слои выполнены из InAs и GaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Al_xCa_1-xSb.

12. Инжекционный источник по п.10 или 11, отличающийся. тем, что слои из InAs или его твердого раствора выполнены толщиной не менее 10 нм, а слои из CaSb или его твердого раствора выполнены толщиной не менее 3 нм.

13. Инжекционный источник оптического излучения на основе гетероструктуры II типа полупроводниковых соединений и/или их твердых растворов, снабженной на внешних слоях омическими контактами и образующей активную область, содержащую по меньшей мере один набор из разделенных барьерным слоем двух основных слоев, один из которых образует квантовую яму, находящуюся в зоне проводимости, а другой основной слой образует квантовую яму в валентной зоне, при этом каждая из двух упомянутых ям имеет по меньшей мере одно разрешенное энергетическое состояние, отличающийся тем, что один из омических контактов выполнен полупрозрачным, а другой омический контакт выполнен зеркально отражающим, в отсутствии внешнего электрического поля разрешенное энергетическое состояние в яме, находящейся в зоне проводимости, лежит по энергии ниже разрешенного энергетического состояния в яме, находящейся в валентной зоне, а барьерный слой является туннельно непрозрачным для носителей заряда, барьерный слой выполнен из полупроводниковой сверхрешетки или из варизонного полупроводникового твердого раствора, край запрещенной зоны у которых на одной из гетерограниц совпадает с краем запрещенной зоны примыкающего к этой границе основного слоя активной области, при этом край зоны проводимости барьерного слоя монотонно возрастает по энергии по направлению ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в валентной зоне, и на самой гетерогранице превышает по энергии уровень разрешенного состояния в этой яме, или край валентной зоны барьерного слоя монотонно уменьшается по энергии ко второй гетерогранице со слоем, содержащим яму в зоне проводимости, и на самой границе расположен ниже по энергии уровня разрешенного состояния в этой яме, или из двух сверхрешеток или двух варизонных полупроводниковых твердых растворов, у одной из упомянутых сверхрешеток или у одного из упомянутых растворов край зоны проводимости совпадает с краем зоны проводимости основного слоя на их границе, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны совпадает с краем валентной зоны основного слоя на их границе, при этом у первой из упомянутых сверхрешеток или у первого из упомянутых растворов край зоны проводимости монотонно возрастает по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в валентной зоне, а у второй из упомянутых сверхрешеток или у второго из упомянутых растворов край валентной зоны монотонно уменьшается по энергии по направлению к основному слою, содержащему яму в зоне проводимости, и на общей границе упомянутых сверхрешеток или растворов край зоны проводимости первой сверхрешетки или первого раствора лежит по энергии выше края валентной зоны второй сверхрешетки или второго раствора.

14. Инжекционный источник по п.13, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен толщиной не менее 2 нм.

15. Инжекционный источник по п.13, отличающийся тем, что по меньшей мере один основной слой активной области выполнен в виде сверхрешетки.

16. Инжекционный источник по п.13, отличающийся тем, что основные слои выполнены из InAs и CaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Ca_xIn_1-xAs.

17. Инжекционный источник по п.13, отличающийся тем, что основные слои выполнены из InAs и CaSb или их твердых растворов, разделенных барьерным слоем из Al_xCa_1-xSb.

18. Инжекционный источник по п.16 или 17, отличающийся тем, что слои из InAs или его твердого раствора выполнены толщиной не менее 10 нм, а слои из CaSb или его твердого раствора выполнены толщиной не менее 3 нм.