RU1787297C - Optoelectronic device - Google Patents
Optoelectronic deviceInfo
- Publication number
- RU1787297C RU1787297C SU904851691A SU4851691A RU1787297C RU 1787297 C RU1787297 C RU 1787297C SU 904851691 A SU904851691 A SU 904851691A SU 4851691 A SU4851691 A SU 4851691A RU 1787297 C RU1787297 C RU 1787297C
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phototransistor
- laser
- layers
- layer
- optoelectronic device
- Prior art date
Links
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims description 14
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 2
- 241001331845 Equus asinus x caballus Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Использование: в полупроводниковой квантовой электронике. Сущность изобретени : оптическа интегральна схема содержит лазерный и p-n-р бипол рный фототранзисторный элементы, разделенные оптически прозрачным слоем. Выполненное ограничение на расположение оптически прозрачного сло и концентрацию основных носителей зар да в этом слое, а также ограничение на концентрацию основных носителей зар да слоев, формирующих коллекторный переход бипол рного фототранзистора, обеспечивают необходимый и достаточный уровень внутренней электрической и оптической св зи дл эффективной модул ции усилени в активной области лазерного элемента. 2 ил.Usage: in semiconductor quantum electronics. SUMMARY OF THE INVENTION: An optical integrated circuit contains a laser and pnp bipolar phototransistor elements separated by an optically transparent layer. The restriction on the location of the optically transparent layer and the concentration of the main charge carriers in this layer, as well as the restriction on the concentration of the main charge carriers of the layers forming the collector junction of the bipolar phototransistor, provide the necessary and sufficient level of internal electric and optical coupling for effective modulation gain in the active region of the laser element. 2 ill.
Description
(Л(L
СWITH
Изобретение относитс к квантовой электронике и может быть использовано в полупроводниковой оптоэлектронике.The invention relates to quantum electronics and can be used in semiconductor optoelectronics.
Известны устройства, в которых оптический и электронный модулирующий элементы интегрированы в гибридную схему. Режим глубокой высокочастотной релаксационной пульсации в них реализуетс с помощью генерации пикосекундных электрических импульсов, формируемых диодами с накоплением зар да либо лавинными транзисторами. Однако из-за наличи паразитных реактивностей в гибридных оп- тоэлектронных устройствах заметно ограничена возможность управлени амплитудой и формой модулирующего сигнала, и, как следствие , импульсна мощность не превышает 200 мВ при модул ции оптических импульсов длительностью 50 пс.Devices are known in which optical and electronic modulating elements are integrated into a hybrid circuit. The mode of deep high-frequency relaxation pulsation in them is realized by generating picosecond electric pulses generated by diodes with accumulation of charge or by avalanche transistors. However, due to the presence of spurious reactances in hybrid optoelectronic devices, the ability to control the amplitude and shape of the modulating signal is noticeably limited, and, as a result, the pulse power does not exceed 200 mV when modulating optical pulses of 50 ps duration.
1 Наиболее близким техническим решением , выбранным в качестве прототипа, вл етс оптоэлектронное устройство, содержащее бипол рный фототранзистор и лазерный элемент, выполненное в виде многослойной структуры на основе полупроводников А3В, включающей л+-подлож: ку и расположенные последовательно р-, п-, п-, р-, р+-слои, причем п+- p-n-слои образуют фототранзисторный, а п-р-р+ - лазерный элементы, и три электрода, два из которых образуют контакт с подложкой и р+-слоем.1 The closest technical solution, selected as a prototype, is an optoelectronic device containing a bipolar phototransistor and a laser element, made in the form of a multilayer structure based on A3B semiconductors, including the l + substrate: k and arranged in series p, p, p-, p-, p + layers, where the p + - pn layers form the phototransistor, and the p-pr + laser elements, and three electrodes, two of which form contact with the substrate and the p + layer.
Вертикальное расположение лазерного и бипол рного фототранзисторного элементов уменьшает паразитные реактивности, а наличие положительной электрической и оптической обратной св зи расшир ет функциональные возможности оптоэлектронXI 00The vertical arrangement of the laser and bipolar phototransistor elements reduces spurious reactivity, and the presence of positive electrical and optical feedback expands the functionality of optoelectronic XI 00
VIVI
КЭ О v|CE About v |
ыs
ного устройства. Между тем, оптический и электронный элементы, формирующие оп- тоэлектронное устройство, не обеспечивают высокочастотной релаксационной пульсации, так как амплитуда электрического сигнала ограничена несколькими сотн ми миллиампер, а врем нарастани тока лежит в наносекундном диапазоне длительностей . При этом сочетание больших амплитуд и малых длительностей нарастани тока принципиально исключено. Фундаментальное ограничение св зано с известными эффектами Кирка, оттеснени тока к краю эмитгерного перехода и др. В результате мощность оптических импульсов в оптоэ- лектронном устройстве ограничена и не превышает 100 мВт.device. Meanwhile, the optical and electronic elements forming the optoelectronic device do not provide high-frequency relaxation pulsation, since the amplitude of the electric signal is limited to several hundred milliamps, and the current rise time lies in the nanosecond duration range. In this case, the combination of large amplitudes and small durations of current rise is fundamentally excluded. The fundamental limitation is associated with the well-known Kirk effects, the displacement of the current to the edge of the emitter transition, etc. As a result, the power of optical pulses in the optoelectronic device is limited and does not exceed 100 mW.
Целью изобретени вл етс увеличение мощности сверхкоротких импульсов. Физическа сущность предлагаемого решени основана на использовании лавинного пробо фототранзистора, инициируемого световым потоком из лазерного элемента.An object of the invention is to increase the power of ultrashort pulses. The physical nature of the proposed solution is based on the use of an avalanche breakdown of a phototransistor initiated by a light flux from a laser element.
На фиг.1 изображена конструкци опто- электронного устройства; на фиг.2 - электрическа схема включени .Figure 1 shows the design of an optoelectronic device; Fig. 2 is an electrical wiring diagram.
Оптоэлектронное устройство содержит электрод 1 к подложке 2, а также базовый и коллекторный слои 3 и 4, формирующие коллекторный переход п+-р-п бипол рного фототранзистора .. К коллекторному слою 4 фототранзистора непосредственно примыкает эмиттер 5 лазерного элемента, содержащего также активную область 6, ограниченную сло ми 5 и 7. К эмиттеру 5 лазерного элемента выполнен электрод 9, а к слою 7 - электрод 9.The optoelectronic device contains an electrode 1 to the substrate 2, as well as the base and collector layers 3 and 4, which form the collector junction of the p + -pn bipolar phototransistor. The emitter 5 of the laser element also contains an active region 6 directly adjacent to the collector layer 4 of the phototransistor bounded by layers 5 and 7. An electrode 9 is made to the emitter 5 of the laser element, and an electrode 9 is made to the layer 7.
Электрическа схема включени , представленна на фиг.2, содержит источник 10 напр жени , ограничивающее сопротивление зар дной линии Ry 500 кОм 11, отрезок коаксиального кабел 12, длина которого задает длительность импульса накачки лазера , ограничивающее сопротивление цепи управлени RH 500 Ом 13, генератор 14 импульсов, Оптоэлектронное устройство 15, нагрузочное сопротивление RH 50 Ом 16.The switching circuit shown in FIG. 2 contains a voltage source 10, limiting the resistance of the charging line Ry 500 kOhm 11, a segment of coaxial cable 12, the length of which sets the duration of the laser pump pulse, limiting the resistance of the control circuit RH 500 Ohm 13, generator 14 pulses, Optoelectronic device 15, load resistance RH 50 Ohm 16.
При подаче импульса управлени через электрод 8, выполненный к эмиттеру 5 лазерной п-р-р+-структуры, происход т ин- жекци неосновных носителей зар да в активную область б лазерного элемента их рекомбинации с испусканием квантов света . На этом этапе лазерный элемент находитс в предпороговом режиме генерации. Конструкци оптоэлектронного устройства такова, что больша часть потока фотонов попадает в коллектор 4 и поглощаетс в области объемного зар да коллекторного р- n-перехода фототранзистора. Дл локализации большей части перепада потенциала напр жени в области оптического поглощени (характерный размер области собственного поглощени 10 мкм) коллекторныйWhen a control pulse is supplied through an electrode 8 made to the emitter 5 of the laser laser + structure, minority charge carriers are injected into the active region b of the laser element of their recombination with the emission of light quanta. At this stage, the laser element is in a subthreshold generation mode. The design of the optoelectronic device is such that most of the photon flux enters the collector 4 and is absorbed in the region of the bulk charge of the collector pn junction of the phototransistor. In order to localize most of the voltage drop in the optical absorption region (the characteristic size of the self-absorption region is 10 μm), the collector
p-n-переход фототранзистора сформирован на основе слоев с концентрацией легирующей примеси N 1015 . При этом нижний предел значений концентрации определ етс лишь возможност ми технологическихThe pn junction of the phototransistor is formed on the basis of layers with a concentration of dopant N 1015. In this case, the lower limit of concentration values is determined only by the capabilities of technological
режимов формировани п - р-п-структуры фототраизистора и составл ет в насто щий момент N 10 . .modes of formation of the p - pn structure of the phototraistor and is currently N 10. .
Инжектированные носители за врем пролета области пространственного зар даInjected carriers during the passage of the spatial charge region
коллекторного p-n-перехода достигают пороговой энергии ионизации EI и ударна ионизаци становитс возможной, если напр жение на p-n-переходе больше напр жени лавинного пробо UB, а ширинаthe collector pn junction reaches the threshold ionization energy EI and impact ionization becomes possible if the voltage at the pn junction is greater than the avalanche breakdown voltage UB and the width
области пространственного зар да соответствует максимальной напр женности пол при пробое, На основе экспериментальных зависимостей напр жени лавинного пробо и максимального пол Ем от концентрации легирующей примеси дл р-п- переходов на основе арсенида галли установлено минимальное значение напр жени UB 25QB, начина с которого реализуетс лавинный механизм ударнойthe spatial charge region corresponds to the maximum field strength during breakdown. Based on the experimental dependences of the avalanche breakdown voltage and the maximum field Em on the dopant concentration for pn junctions based on gallium arsenide, the minimum voltage value UB 25QB is established, starting from which shock mechanism
ионизации в п+ -p-n-структурах фототранзисторного элемента с концентрацией легирующей примеси ,ionization in n + -p-n-structures of the phototransistor element with a concentration of dopant,
Минимальное значение напр жени UB 250 В определ ет и нижний пределThe minimum voltage value UB 250 V determines the lower limit.
толщины слоев, достаточной дл размещени области пространственного зар да.коллекторного p-n-перехода - W:layer thickness sufficient to accommodate the spatial charge region. collector pn junction - W:
«°. "°.
1/21/2
Положительна электрическа и оптическа св зь составл ющих структуру элементов такова, что с помощью бипол рного фототранзистора осуществл етс не только фотоприем лазерного излучени , но и усиление прин того сигнала. Последнее означает , что толщина слоев, образующих коллекторный p-n-переход фототранзистора , така , что, по крайней мере, удовлетвор ет неравенствуThe positive electrical and optical coupling of the constituent elements of the elements is such that not only laser photo-reception is achieved by the bipolar phototransistor, but also the amplification of the received signal. The latter means that the thickness of the layers forming the collector pn junction of the phototransistor is such that at least it satisfies the inequality
о- 1 - W2/2L2 0,5 или ,o- 1 - W2 / 2L2 0.5 or,
где L- диффузионна длина неравновесных носителей зар да в базе фототранзистора. Значени диффузионной длины дл арсенида галли с концентрацией легирующей примеси N 1015см 3 лежат в диапазоне 15100 мкм. Оценка толщины слоев, образующих коллекторный p-n-переход, выполненна в соответствии с отличительной частью фор11/2where L is the diffusion length of the nonequilibrium charge carriers in the base of the phototransistor. The diffusion lengths for gallium arsenide with a dopant concentration of N 1015 cm 3 are in the range of 15100 microns. Assessment of the thickness of the layers forming the collector p-n junction is performed in accordance with the distinctive part of form 11/2
мулы изобретени Irr r - Tu l. SW L,mules of the invention Irr r - Tu l. SW L,
Г 1 е-2501 2$Я| ТТG 1 e-2501 2 $ I | TT
свидетельствует о соответствии полученных значений указанному диапазону. Иными словами приведенное в отличительной части формулы изобретени ограничение суммарной толщины W слоев вл етс необходимым и достаточным условием работоспособности предлагаемого оптоэлект- ронного устройства.indicates compliance of the obtained values with the specified range. In other words, the limitation of the total thickness W of the layers given in the characterizing part of the claims is a necessary and sufficient condition for the operability of the proposed optoelectronic device.
Пример. Структура изготавливалась методом жидкостной эпитаксии. На подложках из n+ - GaAs сначала выращивалс высоковольтный коллекторный рп-переход бипол рного фотот ранзистора на основе слабо легированного арсенида галли с концентрацией носителей N (10™ - 5 -1014) Суммарна толщина слоев не превышала 50-55 мкм, что обеспечивало напр жение лавинного пробо UB 250 В. Далее методом низкотемпературной жидкофазной эпитаксии выращивалась гетероструктура лазерного элемента, содержаща слой широкозонного эмиттера, два нелегированных волноводных сло , окружающих квантово- размерную активную область, и второй широкозонный слой р+-AlxGai-xAs. Оптически прозрачный широкознный n-слой эмиттера лазерного элемента легированный Те до уровн 51 10 см , ограничивал, с одной стороны, активную область лазерного элемента , а с другой, область пространственного зар да высоковольтного бипол рного фототранзистора. При изготовлении лазерных резонаторов с зеркальными гран ми примен лось травление либо скалывание в плоскости спайности.9Example. The structure was fabricated by liquid epitaxy. On n + - GaAs substrates, a high voltage collector pn junction of a bipolar phototransistor based on weakly doped gallium arsenide with a carrier concentration of N (10 ™ - 5–1014) was first grown. The total layer thickness did not exceed 50–55 μm, which ensured the avalanche voltage a sample of UB 250 V. Then, a heterostructure of a laser element containing a wide-band-gap emitter layer, two undoped waveguide layers surrounding a quantum-well active region, and a second w were grown by low-temperature liquid-phase epitaxy. rokozonny layer p + -AlxGai-xAs. The optically transparent broad-gap n-layer of the emitter of the laser element doped with Te to a level of 51 10 cm limited, on the one hand, the active region of the laser element and, on the other, the spatial charge region of the high-voltage bipolar phototransistor. In the manufacture of laser resonators with mirror faces, etching or cleaving in the cleavage plane were used.
55
00
55
00
55
Режим лавинного включени оптоэлек- тронногоустройства по схеме, представленной на фиг.2, обеспечивал протекание модулирующего электрического импульса амплитудой в 5-10 А за врем менее 200 пс. Мощность оптического импульса составл ла 3 Вт при длительности менее 20 пс. Проведенные оценки показывают, что предложенна структура при уровне накачки 3-5 КА/мс2 способна генерировать оптические импульсы мощностью более 20 Вт с одной грани лазерного элемента при длительности импульса 10 пс.The avalanche mode of the optoelectronic device according to the circuit shown in Fig. 2 provided a modulating electric pulse with an amplitude of 5-10 A for less than 200 ps. The optical pulse power was 3 W for a duration of less than 20 ps. Estimates show that the proposed structure at a pump level of 3-5 KA / ms2 is capable of generating optical pulses with a power of more than 20 W from one face of a laser element with a pulse duration of 10 ps.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU904851691A RU1787297C (en) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | Optoelectronic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU904851691A RU1787297C (en) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | Optoelectronic device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU1787297C true RU1787297C (en) | 1993-01-07 |
Family
ID=21527852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU904851691A RU1787297C (en) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | Optoelectronic device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU1787297C (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507632C2 (en) * | 2012-02-09 | 2014-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Light transistor with high efficiency |
-
1990
- 1990-07-27 RU SU904851691A patent/RU1787297C/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Голдобин И.С. и др. Генерирование и регистраци пикосекундных оптических импульсов при пр мой токовой модул ции ин- жекционного гетеролазера. Письма в ЖТФ, т.11, вып.14, 1985, с.862-865. Такуума X. Физика полупроводниковых лазеров. М.: Мир, 1989, с.244-293. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2507632C2 (en) * | 2012-02-09 | 2014-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Light transistor with high efficiency |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4782222A (en) | Bulk avalanche semiconductor switch using partial light penetration and inducing field compression | |
| US4485391A (en) | Light emitting and receiving transistor for operation in alternate _sequence in an optical-fiber telecommunications systems | |
| Yen et al. | Switching of GaAs IMPATT diode oscillator by optical illumination | |
| US8294078B2 (en) | Optically-triggered multi-stage power system and devices | |
| US8796728B2 (en) | Photonically-activated single-bias fast-switching integrated thyristor | |
| US5298762A (en) | Quantum well switching device with stimulated emission capabilities | |
| US3757174A (en) | Light emitting four layer semiconductor | |
| US9543462B2 (en) | Insulated-gate photoconductive semiconductor switch | |
| US4625182A (en) | Optically triggered bulk device Gunn oscillator | |
| US4316156A (en) | Optical repeater integrated lasers | |
| RU1787297C (en) | Optoelectronic device | |
| US8183512B2 (en) | Optically-triggered power system and devices | |
| US3614447A (en) | Method for modulating semiconductor lasers | |
| US3723903A (en) | Dynamic fm control of the transverse modes of a self-pulsing semiconductor laser | |
| US4553155A (en) | High speed bias-free photodetector | |
| Harth et al. | Frequency response of GaAlAs light-emitting diodes | |
| US4555785A (en) | Optical repeater integrated lasers | |
| US5148251A (en) | Photoconductive avalanche GaAs switch | |
| US3680001A (en) | Dynamic am control of the transverse modes of a self-pulsing semiconductor laser | |
| Stabile et al. | Lateral IMPATT diodes | |
| US3424934A (en) | Electroluminescent cell comprising zinc-doped gallium arsenide on one surface of a silicon nitride layer and spaced chromium-gold electrodes on the other surface | |
| US4450567A (en) | Optical repeater integrated lasers | |
| Zhao et al. | Sensitive optical gating of reverse-biased AlGaAs/GaAs optothyristors for pulsed power switching applications | |
| RU2557359C2 (en) | Laser-thyristor | |
| US3945028A (en) | High speed, high power plasma thyristor circuit |