тельности этого импульса. Характер полученной авторами зависимости совпадает с характером зависимости величины мощности оптического импульса, необходимой для включения чип-элемента, от его длительности для ГС с ПООС (см. рис. 1.3). Из приведенных экспериментальных данных можно определить величину заряда, необходимого для переключения: 0,5 ... 1,0 нКл. Время включения прибора составляет 48 нс.

1.5. Приборы на основе гетероструктур AlGaAs, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии

В работах [42] и [43] описывается получение методом моле- кулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) p+–n+–i–NAdx–i–n+-ГС, где NAdx означает тонкий, толщиной 20 нм, нелегированный слой NA 1012 см–2). Полученные на основе такой ГС чип-элементы диаметром 75 мкм имели тиристорную ВАХ с напряжением темнового включения 5 ... 6 В; током включения 50 мкА; током удержания 500 мкА и напряжением в точке удержания 1 ... 2 В. Время включения составляло 300 пс. Авторами была оценена величина коэффициента петлевого усиления ( 2,3) в цепи положительной обратной связи в ГС по эквивалентной электрической схеме чип-элемента ГС.

В1985 – 1989 гг был публикован цикл работ [44 – 58] группы авторов из США, Англии и Японии. В этих работах предложен ряд конструкций ГС, полученных методом МЛЭ в системе твердых растворов GaAlAs. Основная идея таких ГС также состоит в совмещении в одном кристалле транзистора и СИД (или лазерного излучателя). В разработанных ГС использовался полученный и исследованный авторами [44] новый тип транзистора – Bipolar Inversion Channel Field-Effect Transistor (BICFET).

Вкачестве возможных областей применения таких ГС авторы указывают разработку на их основе новых типов быстродействующих устройств оптической логики и массивов оптической памяти

свысокой плотностью записи информации. Полученные приборы

имеют длину волны выходного излучения 870 нм. На основе разработанных ГС авторами в 1989 г. был создан элемент динамической оптической памяти, а на его основе разработана конструкция дву-

31

мерного массива таких элементов с функциями чтения и записи по адресу, которая подробно рассматривается в работе [58].

В работе [45] авторы впервые сообщают о реализации p-канального оптоэлектронного переключателя на двойной ГС – DOES-прибора и приводят его характеристики. Гетероструктура для такого прибора была получена методом МЛЭ на p+-подложке на основе GaAs; затем последовательно наращивали:

– буферный p+-слой состава GaAs, толщиной 0,3 мкм, легированный Be;

– широкозонный p+-слой состава AlxGa1-xAs толщиной 0,5 мкм, легированный Be;

–активный n-слой состава GaAs, толщиной 1 мкм, легированный Si до уровня 1017 см–3;

–широкозонный (барьерный) n-слой состава AlxGa1-xAs, тол-

щиной 400 Å, легированный до уровня 1017 см–3;

– верхний n+-слой состава GaAs, толщиной 0,5 мкм.

В процессе роста на переходе между активным n-слоем (коллектором) и барьерным n-слоем формировался тонкий, толщиной порядка 40 ... 60 Å, p+D-слой заряженных акцепторов (Be), который являлся базой pD-канального BICFET-транзистора.

Такой p-канальный DOES-прибор представляет собой мезаструктуру диаметром 200 мкм, верхний контакт к которой имеет форму кольца из Au/Sn. Диаметр внутренней части кольца – 130 мкм. На подложку был нанесен сплошной контакт из Au/Be. Контакты вжигались при температуре 450 °С в течении 20 с.

p-канальный DOES-прибор обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 3,3 В;

–ток включения 500 мкА;

–ток удержания 2 мА;

–напряжение в точке удержания 1,3 В.

Величина спрямляющей ВАХ оптической мощности при воздействии излучения лазерного GaAs-диода составляет 46,3 мкВт. Мощность выходного излучения линейно зависит от тока и при токе 300 мА составляет 100 мкВт. При работе прибора в режиме оптического ключа отношение мощности выходного излучения к мощности входного ИК-излучения (коэффициент усиления) составляет

Рвых/Рвх 16.

32

В работе [46] авторы сообщают о реализации n-канального DOES-прибора и приводят его характеристики. DOES-структура была получена методом МЛЭ на n+-подложке состава GaAs, легированной Si. Затем последовательно наращивали:

– буферный n+-слой состава GaAs, толщиной 0,3 мкм, легированный Si до уровня 5·1018 см–3;

– широкозонный n+-слой состава Al0,3Ga0,7As толщиной 0,5 мкм легированный Si до уровня 5·1018 см–3;

–активный p-слой состава GaAs, толщиной 0,5 мкм, легированный Be до уровня 1017 см–3;

–широкозонный (барьерный) p-слой состава AlxGa1-xAs, толщиной 400 Å, легированный до уровня 1017 см–3;

–верхний p+-слой состава GaAs толщиной 0,5 мкм.

В процессе роста на переходе между активным p-слоем (коллектором) и барьерным p-слоем формируется тонкий, толщиной порядка 30 Å, n+D-слой заряженных доноров (Si), который является базой n-канального BICFET-транзистора.

n-канальный DOES-прибор представляет собой мезаструктуру диаметром 200 мкм, верхний контакт к которой имеет форму кольца из Au/Be. Во внутренней части кольца (диаметр 130 мкм) верхний p+-слой состава GaAs был стравлен. На подложку нанесен сплошной контакт из Au/Sn. Контакты вжигались при температуре 450 °С в течении 20 с.

n-канальный DOES-прибор обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 5,9 В;

–ток включения 15 мкА;

–ток удержания 1,5 мА;

–напряжение в точке удержания 1,4 В.

Величина спрямляющей ВАХ оптической мощности при воздействии излучения GaAs-лазера составляла 8 мкВт. Мощность выходного излучения линейно зависела от тока и при токе 270 мА составляла 28 мкВт. При работе прибора в режиме оптического ключа отношение мощности выходного излучения к мощности входного ИК-излучения (коэффициент усиления) составляет Рвых/Рвх 14.

В работе [47] представлены результаты измерения времени переключения чип-элемента, описание которого дается в работе [45]. Это – p-канальный DOES-прибор). Чип-элемент монтировался на микроволновом керамическом модуле с полосковыми контактными

33

линиями. Установлено, что время включения p-канального чипэлемента импульсом оптической мощности составляет 5 ... 10 пс. Время падения мощности излучения чип-элемента, определяемое емкостью микроволнового керамического модуля, до уровня 10% составляет 10 нс.

В работе [48] представлена ГС, которая подобна рассмотренной в работе [45]. Основное отличие состоит в том, что в процессе роста на переходе между активным n-слоем и барьерным n+-слоем формировались два слоя: тонкий ( 20 Å) i- слой состава GaAs и тонкий ( 40 Å) p+-слой состава GaAs. Полученный двухэлектродный чип-элемент обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 13,2 В;

–ток включения 175 мкА;

–ток удержания 1,2 мА;

–напряжение в точке удержания 1,5 В.

Мощность выходного излучения линейно зависит от тока и при токе 100 мА составляет 209 мкВт. Время включения чипэлемнта импульсом тока составляло 500 пс, а время включения импульсом излучения 1 нс.

В работе [49] авторы сообщают о реализации p-канального DOES-прибора с тремя электродами (третий электрод – к активному слою ГС), названного LEDISTOR, и приводят его характеристики. DOES-структура была получена методом МЛЭ и аналогична рассмотренной в работе [45]. Основные технологические операции получения прибора LEDISTOR с тремя электродами такие же, как в ра-

боте [45].

p-канальный прибор LEDISTOR обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 4 В;

–ток включения 1 мА;

–ток удержания 1,6 мА;

–напряжение в точке удержания 1,3 В.

Мощность выходного излучения линейно зависит от тока и при токе 300 мА составляет 100 мкВт. Характеристика управления прибором с помощью постоянного тока через третий электрод аналогична характеристике управления с использованием внешнего излучения. Это позволяет использовать комбинированное электрооптическое управление прибором LEDISTOR. Величина постоянного тока

34

через третий электрод, спрямляющего ВАХ прибора, без применения внешней подсветки составляла 2 мА.

В работе [52] авторы сообщают о реализации n-канального прибора LEDISTOR с тремя электродами и приводят его характеристики. DOES-структура была получена методом МЛЭ и аналогична рассмотренной в работе [46]. Основные технологические операции получения прибора LEDISTOR с тремя электродами такие же, как и в работе [46].

n-канальный прибор LEDISTOR обладал тиристорной ВАХ и имел следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 6,6 В;

–ток включения 150 мкА;

–ток удержания 900 мкА;

–напряжение в точке удержания 3,2 В.

Характеристика управления прибором с помощью постоянного тока через третий электрод аналогична характеристике управления прибора с применением внешнего излучения. Величина постоянного тока через третий электрод, спрямляющего ВАХ прибора, без использования внешней подсветки составляла 160 мкА. Время выключения прибора импульсом тока через третий электрод составляло6 нс, при этом время спада мощности излучения прибора составляло 20 нс. Время включения прибора импульсом тока через третий электрод составляло 2 нс, при этом время подъема мощности излучения прибора составляло 60 нс.

В работе [53] представлены измерения времени переключения чип-элемента с тремя электродами (p-канальный прибор LEDISTOR), полученного на основе DOES-структуры, рассмотренной в работе [45]. Основные технологические операции получения прибора LEDISTOR с тремя электродами такие же, как и в работе [45].

p-канальный прибор LEDISTOR обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 4,2 В;

–ток включения 1 мА;

–ток удержания 3 мА;

–напряжение в точке удержания 1,5 В.

Чип-элемент монтировался на микроволновом керамическом модуле с полосковыми контактными линиями. Установлено, что время включения p-канального чип-элемента импульсом тока через третий электрод составляло 4 нс, а время выключения импульсом

35

тока через третий электрод составляло 26 нс. Показано, что полученные значения определяются емкостью микроволнового керамического модуля и волновым импедансом измерительной системы.

Вработе [54] проведен теоретический анализ физических свойств структуры и приведен метод расчета электрических и оптических параметров DOES-прибора.

Вработе [58] описывается получение элемента динамической оптической памяти на основе n-канального прибора LEDISTOR с тремя электродами. DOES-структура была получена методом МЛЭ и аналогична рассмотренной в работе [46]. Основные технологические операции получения прибора LEDISTOR с тремя электродами такие же, как и в работе [46].

n-канальный прибор LEDISTOR обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 8 В;

–ток включения 3 мА;

–ток удержания 4 мА;

–напряжение в точке удержания 2,8 В.

Время включения и выключения прибора импульсом тока через третий электрод составляло 10 нс. Время включения прибора импульсом оптического излучения составляло 4 нс. Полученные значения определялись импедансом измерительной системы.

На основе n-канального прибора LEDISTOR была разработана конструкция двумерного массива таких элементов с функциями чтения и записи по адресу для устройств оптической памяти с высокой плотностью записи информации.

В работах [59 – 62] описывается двойная p–n–p–n-ГС для тиристора с комбинированным оптоэлектронным управлением. На основе такой ГС был реализован управляемый двумерный массив (VSTEP-массив) размером 4×4 элемента. Авторами демонстрируется возможность использования VSTEP-массива в составе устройств динамической оптической памяти.

В работе [59] приводится описание двойной p–n–p–n-ГС для тиристора с комбинированным оптоэлектронным управлением и ее характеристики. Такая ГС была получена методом МЛЭ на n- подложке состава GaAs; затем последовательно наращивали:

– буферный n-слой состава GaAs, толщиной 0,5 мкм, легированный Si до уровня 2·1018 см–3;

36

– широкозонный n-слой состава Al0,4Ga0,6As, толщиной

1мкм, легированный Si до уровня 5·1017 см–3;

–управляющий p-слой состава GaAs, толщиной 50 Å, легированный Be до уровня 1·1019 см–3;

–активный n-слой состава GaAs, толщиной 1 мкм, легированный Si до уровня 1·1017 см–3;

200 мкм, верхний контакт к которому имеет состав Au/Cr/Au – Zn. На подложку был нанесен сплошной контакт из Au/Cr/Au – Ge – Ni. Управляющий электрод сформирован к активному n-слою. Прибор обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 4 В;

–ток включения 5 мкА;

–ток удержания 10 мкА;

–напряжение в точке удержания 1,4 В.

Мощность выходного излучения прибора при токе 100 мА составляет 214 мкВт. Время выключения прибора импульсом тока через управляющий электрод составляет 5 нс. Полученное значение на два порядка ниже времени выключения прибора без управляющего электрода. Авторы предполагают, что на разработанном приборе можно достигнуть скорости передачи информации более 1 Гбит/сек.

Авторами работы [62] реализован управляемый двумерный массив (VSTEP-массив) размером 4×4 элемента. Массив сформирован на двойной p–n–p–n-ГС для тиристора с комбинированным оптоэлектронным управлением, аналогичной рассмотренной в работе [59]. Было установлено, что время записи для массива размером N×N элементов составляет N нс. Продемонстрирована возможность использования VSTEP-массива в составе устройств динамической оптической памяти.

В работах [63 – 66] представлена разработка p–n–p–n-ГС для тиристора с оптическим управлением. На основе такой ГС создан новый оптический переключатель, состоящий из параллельно соединенных p–n–p–n-тиристорных чип-элементов.

37

Авторы работы [66] реализовали p–n–p–n-ГС для тиристора с оптическим управлением и исследовали ее характеристики. ГС была получена методом МЛЭ на n-подложке состава GaAs; затем последовательно наращивали:

–буферный n-слой состава GaAs, толщиной 0,1 мкм, легированный до уровня 2·1018 см–3;

–широкозонный n-слой состава AlxGa1-xAs, толщиной 80 нм, легированный до уровня 5·1017 см–3;

–управляющий p-слой состава GaAs, толщиной 10 нм, легированный до уровня 1·1019 см–3;

–активный n-слой состава GaAs, толщиной 1 мкм, легированный до уровня 1·1017 см–3;

– широкозонный p-слой состава AlxGa1-xAs, толщиной 0,5 мкм, легированный до уровня 5·1018 см–3;

–контактный p-слой состава GaAs толщиной 0,15 мкм легированный до уровня 1·1019 см–3.

Диаметр меза-элемента составляет 200 мкм, верхний контакт

кнему имеет состав Au/Cr. Меза-элемент обладает тиристорной ВАХ

иимеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 3 В;

–ток включения 5 ... 10 мкА;

–ток удержания 20 ... 40 мкА;

–напряжение в точке удержания 1,5 В.

Мощность выходного излучения меза-элемента при токе 300 мА составляет 350 мкВт.

Прибор представляет собой два параллельно соединенных p–n–p–n-тиристорных меза-элемента (дифференциальная пара). Переключение тока между меза-элементами дифференциальной пары

0,07 фДж/мкм2). Время переключения тока в дифференциальной паре составляет 10 нс и слабо зависит от уровня входной оптической мощности.

В работе [67] исследуется температурная зависимость параметров p+–n––p+–n––n+-структур состава GaAs с ПООС, полученных методом МЛЭ на n+-подложке состава GaAs. Обнаружено, что напряжение и ток в точке удержания монотонно уменьшаются с 3,6 В и 1,2 мА до 2,0 В и 130 мкА, соответственно, при уменьшении температуры от комнатной до 77 К. При этом ток включения монотонно возрастает с 5 мкА до 45 мкА соответственно. Температурная зави-

38

симость напряжения темнового включения имеет M-образную форму, при этом напряжение уменьшается с 19 В до 10,2 В.

Вработах [68, 69] исследуются квантово-размерные p+–...{–i– d(n+)–i–d(p+)–i–}...–n+ ГС, полученные методом МЛЭ, имеющие несколько устойчивых промежуточных состояний на ВАХ.

Вработе [70] описывают реализацию тиристорной n–p–n–p- ГС с высокой чувствительностью и низким порогом переключения и исследуют ее характеристики. ГС была получена методом МЛЭ на p-подложке состава GaAs; затем последовательно наращивали:

–буферный p-слой состава GaAs толщиной 600 нм, легированный до уровня 1·1018 см-3;

–широкозонный p-слой состава Al0,2Ga0,8As, толщиной 500 нм, легированный до уровня 1·1018 см–3;

–активный n-слой состава GaAs, толщиной 250 нм, легированный до уровня 2·1017 см–3;

–активный p-слой состава GaAs, толщиной 250 нм, легированный до уровня 2·1017 см–3;

–широкозонный n-слой состава Al0,2Ga0,8As, толщиной 250 нм, легированный до уровня 1·1018 см–3;

–контактный n-слой состава GaAs толщиной 250 нм легированный до уровня 3·1018 см–3.

Размер чип-элемента – 50 × 50 мкм. Поверхность чипэлемента пассивировалась последовательным наращиванием следующих слоев: слой AlAs толщиной 50 нм, слой GaAs толщиной 10 нм и затем слой нитрида кремния.

Верхний контакт к чип-элементу имеет состав Au – Ge – Ni. На подложку нанесен сплошной контакт из Au – Zn. Чип-элемент обладает тиристорной ВАХ и имеет следующие основные параметры:

–напряжение темнового включения 3,5 В;

–ток включения 0,1 мкА;

–ток удержания 0,9 мкА;

–напряжение в точке удержания 1,0 ... 1,5 В.

Без пассивации поверхности чип-элемента его основные параметры следующие:

–напряжение темнового включения 5 В;

–ток включения 1 мкА;

–ток удержания 30 мкА;

–напряжение в точке удержания 1,0 … 1,5 В.

39

Кроме того, авторами показано, что при пассивации поверхности чип-элемента фоточувствительность увеличивается в 200 раз. К тому же величина тока включения для непассивированного чипэлемента пропорциональна его периметру и не зависит от площади. От площади чип-элемента не зависит также и ток удержания. Полученные авторами экспериментальные данные необходимо учитывать при проектировании больших двумерных массивов из 104 … 106 элементов.

В работах [75 – 88] приведены экспериментальные результаты исследований структуры и методы расчета параметров фототранзисторов, СИД и фототиристоров.

40