коэффициента усиления для длины волны выходного излучения 680 нм приближается к единице на уровне Рвх = 120 мкВт. Такое значение коэффициента усиления оптической мощности авторы объясняют низкой величиной внешнего квантового выхода СИД.

Основной областью применения таких ГС авторы считают создание на их основе монолитного матричного экрана для преобразования ИК-изображения в изображение видимого диапазона длин волн.

Авторы приводят формулу для расчета квантовой эффективности преобразования приборов без ПООС Qпр:

где QСИД и QГФТ – квантовая эффективность СИД и ГФТ, соответственно;

Lвых и Lвх – длина волны выходного и входного излучения, соответственно.

Предположим, что ГФТ обладает коэффициентом усиления 2000, а СИД имеет внешний квантовый выход, равный 5 % – достаточно высокие для массового производства значения. Тогда получим

Qпр = 100.

1.4. Приборы на основе гетероструктур InGaAsP

В 1979 – 1991 г.г. публикуется цикл работ [27 – 40] группы авторов из Японии. В этих работах предложен ряд конструкций ГС, полученных методом ЖФЭ в системе твердых растворов InGaAsP, основная идея которых также состоит в совмещении в одном кристалле ГФТ и СИД (или лазерного диода). В качестве возможных областей применения таких ГС авторы указывают разработку на их основе монолитных матричных усилителей оптической мощности ИК-излучения, устройств параллельной оптической памяти и твердотельного преобразователя длины волны ИК-излучения. Полученные приборы имеют длину волны выходного излучения в ближнем ИКдиапазоне. На основе разработанных ГС с ПООС в 1990 г. в научноисследовательском центре компании Matsushita Electric Industrial Company созданы макеты устройств параллельной оптической памя-

ти [36 – 40].

16

В работе [28] предложена ГС для усилителя мощности оптического излучения на основе разработанного InGaAsP-ГФТ. На рис. 1.8 условно изображена энергетическая диаграмма предложенного усилителя мощности оптического излучения, указан тип проводимости и состав слоев ГС, а также проиллюстрированы процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенные во времени.

Рис. 1.8. Энергетическая диаграмма ГС для усилителя мощности оптического излучателя

Основное падение напряжения, приложенного к ГС, происходит в области ГФТ, так как переход база-коллектор ГФТ смещен в обратном направлении. Падающий свет поглощается в базовой области ГФТ, где и генерируются электронно-дырочные пары. Электроны движутся в коллектор и эмиттер, а дырки накапливаются в базе за счет потенциального барьера на гетеропереходе эмиттер – база и смещают его в прямом направлении. Электроны инжектируются из эмиттера в коллектор и далее в активную область СИД.

Под действием внешнего излучения проводимость коллекторного слоя возрастает, а потенциал активного слоя снижается из-за инжектированных туда электронов, что приводит к перераспределению внешнего напряжения между СИД и ГФТ. Светоизлучающий диод смещается в прямом направлении и в активную область из широкозонного эмиттера инжектируются дырки. Излучательная рекомбинация носителей в активной области СИД приводит к излучению света с длиной волны, близкой к ширине запрещенной зоны этой об-

17

ласти. Усиление света может быть достигнуто благодаря получению большого коэффициента усиления ГФТ, включенного по схеме с общим эмиттером. Преобразование длины волны может быть достигнуто за счет разной ширины запрещенной зоны базового слоя ГФТ и активной области СИД. Чтобы подавить положительную оптическую обратную связь, основанную на возможном поглощении излучения СИД в коллекторном переходе ГФТ и избежать появления на ВАХ участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, авторы предлагают формировать коллекторный слой ГФТ с шириной запрещенной зоны, не превышающей ширину активной области СИД. При этом толщина коллекторного слоя должна быть больше ширины располагающейся в нем области пространственного заряда (ОПЗ).

При использовании в данной конструкции прибора ГС для получения выходного когерентного излучения может быть использована структура ДГС-лазера вместо СИД. При этом необходимо, чтобы ток, проходящий через ГС, превысил пороговое значение тока лазера. Чтобы и в этом случае иметь возможность усиливать слабый входной оптический сигнал, в работе [28] авторы предлагают использовать метод оптического смещения ГФТ, суть которого состоит в том, что ГФТ дополнительно подсвечивается таким образом, чтобы ток через ГС при отсутствии входного оптического сигнала был несколько ниже пороговой величины тока ДГС лазера, а при наличии входного оптического сигнала был выше этого значения. В качестве источника света для оптического смещения ГФТ авторы предлагают использовать СИД, выращенный на противоположной стороне подложки. На рис. 1.9 условно изображены энергетическая диаграмма такой ГС, тип проводимости и состав ее слоев, а также проиллюстрированы процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенные во времени. Напряжение на СИД, сформированном на обратной стороне подложки, может подаваться независимо от напряжения, подаваемого на усилитель, что также показано на рис 1.9.

18

– режим оптического бистабильного элемента (Optical Bista-

ble);

– режим линейного усилителя света (Light Amplification). Эти режимы будут обсуждены ниже.

При толщине p-эмиттера на основе InP СИД 5 мкм и уменьшении ширины запрещенной зоны активного слоя СИД ПООС в приборе отсутствовала, и ВАХ приборов была аналогичной ВАХ ГФТ. В обоих случаях из-за низкого коэффициента усиления ГФТ авторам не удалось получить коэффициент усиления мощности оптического излучения Рвых/Рвх больше единицы.

Вэтой работе авторы впервые выдвигают идею применения ГС с ПООС при разработке оптической памяти и оптических логических элементов для оптических систем цифровой обработки и хранения видеоинформации.

Вработе [30] авторам впервые удалось получить коэффициент усиления оптической мощности больше единицы – 1,3. Приборы были изготовлены из ГС, в которой ПООС была подавлена выращенным между СИД и ГФТ поглощающим слоем с шириной запрещенной зоны меньшей, чем у активного слоя СИД. Энергетическая диаграмма такой ГС, тип проводимости и состав ее слоев, а также процессы генерации, переноса и рекомбинации носителей, разделенные во времени, условно изображены на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Энергетическая диаграмма ГС с подавленной ПООС

В работе [32] авторы исследуют три типа гетероструктуры: ГС первого типа представляют собой конструкцию, изображенную на рис. 1.8; ГС второго типа содержали один поглощающий слой и

20

представляли собой конструкцию, изображенную на рис. 1.10; ГС третьего типа содержали два поглощающих слоя, разделенных широкозонным InP-слоем, в остальном их конструкция аналогична изображенной на рис. 1.10.

Такие ГС были получены методом двухстадийной ЖФЭ. Сплавы Au – Sn и Au – Zn наносились на поверхность ГС и подложку соответственно. Затем методом фотолитографии на поверхности ГС получали кольцевые контактные площадки и вытравливали отдельные чипы приборов. Диаметр светочувствительной площади приборов находился в интервале значений 147 ... 346 мкм. Упрощенная схема такого прибора изображена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схематичное изображение прибора

Схематическое изображение установки для измерения параметров описанных выше приборов приведено на рис. 1.12. В качестве источника света использовался СИД с длиной волны 1,15 мкм, излучение которого через оптическое волокно подводилось к прибору со стороны подложки. Излучаемый свет собирали объективом микроскопа, передавали на видеокамеру и затем на телеэкран. Для измерения выходной оптической мощности использовался Ge-фотодиод, расположенный перед объективом.

21

рукцию, изображенную на рис. 1.8, и были получены методом трехстадийной ЖФЭ.

Чтобы локализовать область излучательной рекомбинации, на p-подложке на основе InP последовательно выращивали блокирующий n-слой на основе InP и InGaAsP защитный слой, в которых методами фотолитографии формировали V-образную канавку и затем удаляли защитный слой травлением. На второй стадии процесса ЖФЭ получали СИД, а на третьей стадии – ГФТ. Таким образом, взаимное расположение СИД и ГФТ на подложке было изменено, а локализация излучающей области СИД позволила управлять расстоянием между СИД и ГФТ на стадии формирования меза-структур методами фотолитографии.

Далее обсуждаются характеристики прибора, в котором расстояние между центрами СИД и ГФТ составляло 330 мкм. Технология получения отдельных приборов аналогична описанной выше в работе [32]. Конструкция таких приборов схематично изображена на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Схематичное изображение конструкции приборов

Установка для измерения характеристик этих приборов представлена выше на рис. 1.12. Приведенная авторами ВАХ одного из приборов показана на рис. 1.14, а. На рис. 1.14, б приведены графики зависимости выходной оптической мощности прибора от входной оптической мощности, соответствующие трем нагрузочным прямым, представленным на рис. 1.14, а. Эти зависимости иллюстрируют три режима работы прибора.

23

один ГФТ управляет несколькими СИД, либо несколько ГФТ связаны оптической связью с одним СИД, и т. д.

Авторы работы [35] реализовали прибор с приблизительно постоянным коэффициентом усиления (~10) в диапазоне входной оптической мощности 1 ... 30 мкВт, работающий в режиме линейного усилителя света. Гетероструктура для такого прибора, полученная методом трехстадийной ЖФЭ, представляет собой конструкцию, изображенную на рис. 1.10. Конструкция прибора аналогична рассмотренной в работе [33]. Технологическая схема получения ГС изображена на рис. 1.15. Здесь авторы используют пассивацию поверхности меза-структуры ГФТ путем нанесения полиамида (Toray Photoneece UR3100), что позволило снизить темновой ток прибора с 4,5 мА до 30 мкА при смещении 5 В. Кроме того, авторы сформировали отдельный электрод к СИД.

Рис. 1.15. Технологическая схема получения ГС

Схема установки для измерения характеристик этих приборов изображена выше на рис. 1.12. Получение приблизительно постоянного коэффициента усиления оптической мощности, равного 10,6 … 7,8, в диапазоне входной оптической мощности 1 ... 30 мкВт, при работе прибора в режиме линейного усилителя света авторы связывают с практически полным подавлением ПООС в структуре, как в результате достижения определенного соотношения величин ширины запрещенной зоны активного слоя СИД и базового слоя ГФТ, так и за счет поглощающего слоя.

Для приборов, в которых возникает ПООС, авторы продемонстрировали способ управления глубиной обратной связи; схема,

25

поясняющая этот способ, представлена на рис. 1.16. При вытравливании V-образного желобка в активном слое СИД глубина ПООС уменьшается, что соответствующим образом отражается на ВАХ прибора (см. рис. 1.16). Таким образом, авторам впервые удалось установить характер влияния положительной оптической обратной связи на коэффициент усиления оптической мощности прибора: чем больше глубина обратной связи, тем больше коэффициент усиления оптической мощности прибора, и тем более нелинейный характер носит его зависимость от уровня входной оптической мощности.

Рис. 1.16. Схема, поясняющая способ управления глубиной обратной связи при вытравливании V-образного желобка в активном слое СИД ГС

Авторы работы [37] впервые реализовали устройство параллельной оптической памяти размером 32×32 оптических элемента, применив стандартные методы планарной технологии. Гетероструктура для такого прибора, полученная методом ЖФЭ, представляла собой конструкцию, изображенную на рис. 1.8.

Конструкция отдельного оптического элемента такого прибора аналогична рассмотренной в работах [29] и [32]. На подложке

чивающий n-слой InP (0,9 мкм; 1·1018 см–3; активный слой на основе InGaAsP (0,3 мкм; нелегированный; L = 1,3 мкм), ограничивающий

26

p-слой на основе InP (1,0 мкм; 5·1017 см–3) и контактный p-слой на основе InGaAsP (0,1 мкм, 2·1018 см–3, L = 1,1 мкм). Затем используя стандартные методы фотолитографии и селективного травления получали меза-элементы размером 16×16 мкм2, разделенные канавками шириной 4 мкм и глубиной 5 мкм. После этого наносили диэлектрик и напыляли контакты.

Конструкция полученной матрицы изображена на рис. 1.17. Площадь матрицы составляла 640×640 мкм2, общая площадь чипа – 1×1 мм2. Из рис. 1.17 видно, что в качестве нагрузочного резистора к каждому отдельному элементу матрицы использовалось продольное сопротивление n-эмиттера на основе InP. Авторы отмечают, что напыление сплава Ti – Au в канавки между меза-структурами необходимо для оптической изоляции между собой отдельных элементов матрицы.

Рис. 1.17. Конструкция матрицы параллельной оптической памяти размером 32×32 оптических элемента

На рис. 1.18 приведен график полученной авторами зависимости мощности оптического импульса, необходимой для включения элемента матрицы при записи видеоинформации, от длительности импульса для трех различных ГС. На рисунке видно, что минимальное значение энергии оптического излучения, необходимое для записи видеоинформации, составляет 1,5 пДж. Время выключения элементов матриц, изготовленных из различных ГС, составляло 26 ... 285 нс, поскольку чем больше глубина оптической связи, тем больше время выключения; время включения не превышало 5 нс.

27

Графики полученных авторами зависимостей записывающей и стирающей оптических мощностей от напряжения смещения приведены на рис. 1.20. Там же указана величина тока через оптический элемент во включенном состоянии. Авторы продемонстрировали стабильную работу матрицы при напряжении смещения на отдельном элементе 0,9 В. При этом величина записывающей и перезаписывающей оптической мощности составила, соответственно, 3,4 мкВт и 1,6 мкВт; ток через включенный элемент имел значение

200 мкА.

Рис. 1.20. Графики зависимости записывающей и стирающей оптических мощностей от напряжения смещения элемента матрицы

Зависимость величины импульса оптической мощности, необходимой для перезаписи видеоинформации, от его длительности аналогична рассмотренной в работе [37]. Время перезаписи, равное 10 нс, авторы получили при уровне оптической мощности 400 мкВт. Это время определяется емкостью коллекторного и эмиттерного переходов ГФТ.

Вработе [41] рассматривается ГС, полученная методом ЖФЭ

всистеме твердых растворов InGaAsP, содержащая СИД и расположенный на нем биполярный транзистор. Между транзистором и СИД существует оптическая и электрическая связь. На основе такой ГС изготовлен чип-элемент с тремя электродами: к эмиттеру СИД, к эмиттеру и к базе транзистора. Исследована зависимость амплитуды импульса тока, поступающего в базу транзистора, необходимого для переключения прибора из открытого в закрытое состояние, от дли-

30