Оптичний модулятор

Реферат: Оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникової структури містить p- і n-області, а також омічні контакти до них. Проміж p- і n-областями розміщено напівпровідник з забороненою зоною, меншою, ніж заборонені зони p- і n-областей. UA 99283 U (54) ОПТИЧНИЙ МОДУЛЯТОР UA 99283 U UA 99283 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напівпровідниковій електроніки, а саме до конструкцій оптичних модуляторів - приладів для керування інтенсивністю світла, і може бути використана в системах вимірювальних приладів, автоматики та оптичного зв'язку. Відомі конструкції напівпровідникових оптичних модуляторів, що містять напівпровідниковий кристал з p-n-переходом на одній грані і омічним контактом на протилежній грані [1]. Принцип дії оснований на поглинанні інфрачервоного (ІЧ) випромінювання вільними носіями заряду (електрони та дірки) в об'ємі напівпровідника. Керуючи концентрацією вільних носіїв у напівпровіднику шляхом електричної інжекції, можна змінити прозорість середовища стосовно ІЧ випромінювання. Якщо до p-n-переходу і омічному контакту підключити зовнішнє джерело напруги, то при прикладенні прямого зміщення через p-n-перехід в базу діода інжектуються неосновні носії заряду, що знижують прозорість кристала в ІЧ області, оскільки має місце внутрізонне поглинання ІЧ світла вільними носіями. Таким чином відбувається амплітудна модуляція інтенсивності ІЧ випромінювання. Ступінь модуляції світла, що проходить крізь кристал, залежить від рівня інжекції носіїв, ефективність модуляції m=(I0-I)/I0, де I0 - світловий потік на вході модулятора, I - світловий потік на виході, є одним з головних параметрів, що характеризують амплітудну модуляцію світла. Недоліком такого модулятора є мала величина ефективності модуляції. Найближчим аналогом є оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникової структури, що містить p-n-перехід, а також омічні контакти до р- і n-областей [2], причому p-n-перехід виготовлено з напівпровідників з різкою шириною забороненої зони. Найближчий аналог являє собою p-GaAs-n-AlxGa1-xAs гетероперехід. Тверді розчини Аl0.3Ga10.7Asn-типу отримували на підкладках з p-GaAs. Легування твердого розчину здійснювали додаванням в розплав донорних домішок (телур, кремній). Як підкладки використовували pGaAs, легований цинком. Товщина n-шару Аl0.3Ga0.7As становила 0.3 мкм (товщина області просторового заряду в ньому - 0.04 мкм); товщина р-шару GaAs становила 0.5 мкм (товщина області просторового заряду - 0.02 мкм). Для отримання омічних контактів методом вплавлення використовували метали Ag, Au або Ni з добавками телуру або олова для n-напівпровідника і цинку або марганцю для р-області. Недоліком цього модулятора (найближчого аналога є недостатньо значна величина ефективності модуляції (~40 %). Рівень інжекції в такому гетерогенному р-n-переході можна підвищити, збільшуючи концентрацію легуючої домішки в емітерний частині р-n-переходу (nAlxGa1-xAs). Однак домішки мають межу розчинності в напівпровідниках, тому вводити їх у великих концентраціях не вдається. Крім того, велика концентрація домішки призводить до збільшення дефектності напівпровідника і збільшенню рекомбінаційної складової струму через р-n-перехід. Сильно підвищувати пряму напругу, що прикладається до гетероструктури, також не можна, оскільки кристал розігрівається зростаючим струмом і інжекційні властивості р-nпереходу погіршуються. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечити підвищення ефективності модуляції світла. Поставлена задача вирішується тим, що оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникової структури, що містить р- і n-області, а також омічні контакти до цих областей, згідно з корисною моделлю, в якій проміж р- і n-областями розміщено напівпровідник з забороненою зоною, меншою, ніж заборонені зони р- і n-областей. Це спроможне забезпечити підвищення ефективності модуляції ІЧ світла. На Фіг. 1 показано схематичну конструкцію оптичного модулятора. На Фіг. 2 показано схематичне зображення ширини забороненої зони (а) і енергетичну зонну діаграму оптичного модулятора з вузькозонним напівпровідником (GaAs), розташованим проміж двома широкозонними напівпровідниками (n-Alx1Ga1-x1As і p-Alx2Ga1-x2As) (б). На Фіг. 3 приведено залежність ефективності модуляції від густини інжекційного струму: і -nAlx1Ga1-x1As-GaAs-p-Alx2Ga1-x2As- модулятор, 2 -р-GaAs-n-AlxGa1-xAs-структура (найближчий аналог). Оптичний модулятор (Фіг. 1) складається з напівпровідникової підкладки 1(n-GaAs), епітаксійного шару напівпровідника (емітер) n-типу провідності 2 з шириною забороненої зони Eg1, епітаксійного шару вузькозоного напівпровідника 3 (активний шар) з шириною забороненої зони Eg2 (GaAs), епітаксійного шару напівпровідника (емітер) р-типу провідності 4 з шириною забороненої зони Egl, омічних контактів 5 і 6 до р- та n-областей відповідно. Робота оптичного модулятора пояснюється за допомогою енергетичної зонної діаграми (Фіг. 2). При малому прямому зміщенні (мінус на n-емітер, плюс на p-емітер) через структуру протікає невеличкий струм, концентрація нерівноважних носіїв заряду в базі мала і ІЧ світло проходить крізь базу, практично не поглинаючись. Із зростанням струму має місце інжекція нерівноважних носіїв - електронів із n-області та дірок із p-області в вузькозонний напівпровідник (в активний 1 UA 99283 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шар). Як відомо, при досить сильних струмах має місце суперінжекція - основа дії світлодіодів та лазерів на подвійних гетероструктурах [3]. Завдяки потенційним бар'єрам на границях гетеропереходів електронно-діркова плазма локалізована в "потенційному ящику" середнього шару (активний шар). Тому концентрація інжектованих в активний шар нерівноважних носіїв заряду є надзвичайно високою. Інфрачервоне світло, яке проходить крізь структуру модулятора, що пропонується, поглинається на цих носіях дуже інтенсивно. Ефективність модуляції структури на базі подвійної гетероструктури (Фіг. 3, гр. 1) значно перевищує ефективність модуляції структури з поодиноким гетеропереходом (Фіг. 3, гр. 2). Рівень легування активної області може бути довільним і визначається тільки умовами отримання мінімального прямого струму, що забезпечує велику концентрацію нерівноважних носіїв заряду в активній області для ефективного поглинання падаючого ІЧ-випромінювання. Експериментальні зразки оптичного модулятора являли собою подвійну гетероструктуру nAlx1Ga1-x1As-GaAs-p-Alx2Ga1-x2As. Структури з вузькозонним шаром напівпровідника, укладеним між двома широкозонними, були реалізовані на основі гетеропереходів в системі AlAs-GaAs (Фіг 1, 2). Перший шар nAlx1Ga1-x1As з вмістом AlAs в межах (10…50 мол. %, тобто x1=0.1…0.5) легувати телуром або 16 18 -3 оловом (концентрація електронів в зоні провідності n=5 • 10 …5 • 10 см ). Шар GaAs або твердий розчин з вмістом AlAs, меншим, ніж у першому і третьому шарах або навмисно не леговані, або легували германієм, цинком або кремнієм. Третій шар p-Alx2Ga1-x2As (x2=0.1…0.5) 18 19 -3 легувати германієм або цинком (концентрація дірок у валентній зоні р = 5 • 10 …5 • 10 см ). Зміна вмісту AlAs в гетеропереходах на обох кордонах вузькозонного активного шару встановлювалася в межах 10 …. 40 мол. %, що забезпечувало зміну ширини забороненої зони на величину 0.12…0.5 еВ. Всі три шари гетероструктури отримували методом рідкофазної епітаксії. Процес вирощування проводили у відкритій системі в середовищі водню. Підкладкою служила пластина n-GaAs. Товщини шарів в одержуваної структурі визначаються температурою кристалізації, інтервалом охолодження і швидкістю охолодження. Оптимальні товщини шарів: емітери n- і р-типу - 2…5 мкм, активна область - 0.4…2 мкм. Склад твердих розчинів на межах розділу визначали методом мікрорентгеноспектрального аналізу і на основі вивчення спектрів електролюмінісценції. Для отримання омічних контактів методом вплавлення використовували метали Ag, Au або Ni з добавками телуру або олова для n-напівпровідника і цинку або марганцю для p-області. Для порівняльної дослідної перевірки було виготовлено також оптичний модулятор на основі гетерогенного p-GaAs-n-AlxGa1-xAs- переходу (прототип) з такими ж геометричними розмірами. Джерелом ІЧ випромінювання служив лазер ЛГ-47 (λ = 10.6 мкм). В окремих випадках використовували спектрометр ІКС-21 з глобаром і призмою з NaCl, а також модель абсолютно чорного тіла з температурою порожнини 500 К. Рівень потужності падаючого на модулятор ІЧ світла регулювали за допомогою градуйованих фільтрів з CaF2, а також за допомогою неселективних ослаблювачів (металеві сітки, кремнієві пластинки). Потужність променю від ІЧ 2 джерела не перевищувала 200 мВт/см . Як фотоприймачі на виході оптичного модулятора служили термостовпчик, який було відградуйовано по випроміненню абсолютно чорного тіла (температура порожнини 500 К), чи фоторезистор на основі твердого розчину CdHgTe. Вимірювання показали, що ефективність модуляції ІЧ світла для структур, що пропонуються (n-Alx1Ga1-x1As-GaAs-p-Alx2Ga1-x2Asp-GaAs-n-AlxGa1-xAs), майже в півтора рази вища, ніж для структури-прототипу (р-GaAs-n-AlxGa1-xAs). На Фіг. 3 показана залежність ефективності модуляції від інжекційного струму для цих пристроїв. Насичення величини m при густині струму 2 I5 А/см обумовлене тим, що при таких струмах починається перехід структури в режим інжекційної електролюмінесценції, тобто гетероперехід починає працювати, як світловипромінюючий діод. В базі має місце інтенсивна рекомбінація носіїв заряду і концентрація нерівноважних вільних носіїв, на яких поглинається ІЧ випромінення, вже не збільшується. Технологія виготовлення оптичного модулятора на базі подвійної гетероструктури не відрізняється від технології звичайних модуляторів (гемопереходи), вони можуть виготовлятися на будь-якому підприємстві електронної промисловості. Економічна ефективність при впровадженні корисної моделі полягає в тому, що для застосування одного приладу дає можливість отримати глибину модуляції, яку можна отримати включенням двох звичайних модуляторів. Користь напівпровідникового оптичного модулятора на базі р-n-гетеропереходу полягає в тому, що вартість його виготовлення співпадає з вартістю модуляторів на базі гомогенних р-n-структур в той час, як ефективність його набагато вища. 2 UA 99283 U 5 Джерела інформації: 1. R.B. McQuistan, J.W. Shultz. Modulation of infrared by the free carrier adsorption / / J. Appl. Phys., 1964, V. 36, p. 1243-1248. 2. Патент України № 89074, МПК (2014.01) H01L 31/10 (2006/01),G 02 F 1/0,10.04.2014. 3. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП. - 1998. - Т. 32, в. 1. - С. 3-18. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Оптичний модулятор, виготовлений з напівпровідникової структури, що містить p- і n-області, а також омічні контакти до них, який відрізняється тим, що проміж p- і n-областями розміщено напівпровідник з забороненою зоною, меншою, ніж заборонені зони p- і n-областей. 3 UA 99283 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4