интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда

Формула изобретения

Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую сверху к верхнему волноводному слою, нижнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую снизу к нижнему волноводному слою, отличающийся тем, что в него введены управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом подложка полуизолирующая, области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, омические контакты к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости расположены на верхней грани полупроводникового кристалла, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости активной области совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя, верхняя граница валентной зоны активной области совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя, верхний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения, нижний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области квантовой электронной техники и интегральной оптоэлектроники, а более конкретно - к интегральным инжекционным лазерам.

Известен инжекционный полупроводниковый лазер (см. «Инжекционный полупроводниковый лазер», Д.М.Демидов, С.Ю.Карпов, В.Ф.Мымрин, А.Л.Тер-Мартиросян, RU 2309501 С1, 2007 г.), содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхний и нижний дополнительные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно к верхнему и нижнему волноводным слоям собственной проводимости, а также к обеим сторонам квантово-размерной активной области собственной проводимости, причем омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости расположен на нижней поверхности подложки второго типа проводимости, примыкающей к области эмиттера второго типа проводимости.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, квантово-размерная активная область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является пониженное быстродействие, обусловленное инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в активной области лазера.

Известен инжекционный лазер (см. «Инжекционный лазер», Н.А.Пихтин, С.О.Слипченко, И.С.Тарасов, Д.А.Винокуров, RU 2259620 С1, 2005 г.), содержащий подложку, активную квантово-размерную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхний и нижний дополнительные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно к верхнему и нижнему волноводным слоям собственной проводимости, а также к обеим сторонам квантово-размерной активной области собственной проводимости, причем омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости расположен на нижней поверхности подложки второго типа проводимости, примыкающей к области эмиттера второго типа проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости примыкают соответственно к верхнему и нижнему дополнительным слоям собственной проводимости, области эмиттеров первого и второго типов проводимости являются слоями оптического ограничения.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, активная квантово-размерная область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является пониженное быстродействие, обусловленное инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в активной области лазера.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является инжекционный гетеролазер на основе квантовых точек (А.Р.Ковш, Д.А.Лившиц, А.Е.Жуков, А.Ю.Егоров, М.В.Максимов, В.М.Устинов, И.С.Тарасов, Н.Н.Леденцов, П.С.Копьев, Ж.И.Алферов, D.Bimberg // Письма в ЖТФ, 1999 г., том 25, № 11), содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, область квантовых точек, расположенную в квантово-размерной активной области собственной проводимости, причем области эмиттеров первого и второго типов проводимости являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости расположен на нижней поверхности подложки второго типа проводимости, примыкающей к области эмиттера второго типа проводимости.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, квантово-размерная активная область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхняя и нижняя области оптического ограничения.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является пониженное быстродействие, обусловленное инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в активной области лазера, а также сравнительно большим (десятки пикосекунд) временем захвата носителей заряда на энергетические состояния в квантовых точках, участвующие в лазерной генерации.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия устройства.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, содержащий подложку, квантово-размерную активную область собственной проводимости, верхний и нижний волноводные слои собственной проводимости, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости, область эмиттера первого типа проводимости, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, верхнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую сверху к верхнему волноводному слою, нижнюю область оптического ограничения второго типа проводимости, примыкающую снизу к нижнему волноводному слою, введены управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом подложка полуизолирующая, области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, омические контакты к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости расположены на верхней грани полупроводникового кристалла, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости активной области совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя, верхняя граница валентной зоны активной области совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя, верхний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения, нижний волноводный слой образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в увеличении быстродействия инжекционного лазера.

На фиг.1 приведена структура предлагаемого интегрального инжекционного лазера с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда. На фиг.2 приведена зонная диаграмма гетероструктуры лазера при включающей полярности управляющего напряжения. На фиг.3 приведена зонная диаграмма гетероструктуры лазера при отключающей полярности управляющего напряжения.

Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда содержит подложку 1, квантово-размерную активную область собственной проводимости 2, верхний волноводный слой собственной проводимости 3 и нижний волноводный слой собственной проводимости 4, примыкающие соответственно сверху и снизу к квантово-размерной активной области собственной проводимости 2, область эмиттера первого типа проводимости 5, область эмиттера второго типа проводимости 6, омический контакт 7 к области эмиттера первого типа проводимости 5, омический контакт 8 к области эмиттера второго типа проводимости 6, верхнюю область оптического ограничения второго типа проводимости 9, примыкающую сверху к верхнему волноводному слою 3, нижнюю область оптического ограничения второго типа проводимости 10, примыкающую снизу к нижнему волноводному слою 4, управляющую область первого типа проводимости 11, примыкающую сверху к подложке 1, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости 10 и образующую с ней p-n-переход, омический контакт 12 к управляющей области первого типа проводимости 11, управляющий металлический контакт 13, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости 9 и образующий с ней переход Шоттки, при этом подложка 1 полуизолирующая, области эмиттеров первого и второго типов проводимости 5, 6 имеют горизонтальное взаимное расположение, омические контакты 7, 8 к областям эмиттеров первого и второго типов проводимости 5, 6 расположены на верхней грани полупроводникового кристалла, квантово-размерная активная область 2 образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями 3, 4, причем нижняя граница зоны проводимости активной области 2 совпадает с нижней границей зоны проводимости верхнего волноводного слоя 3, верхняя граница валентной зоны активной области 2 совпадает с верхней границей валентной зоны нижнего волноводного слоя 4, верхний волноводный слой 3 образует гетеропереход первого типа с верхней областью оптического ограничения 9, нижний волноводный слой 4 образует гетеропереход первого типа с нижней областью оптического ограничения 10.

Работает устройство следующим образом.

При подаче положительного напряжения на омический контакт 7 относительно омического контакта 8 происходит инжекция электронов из области эмиттера второго типа проводимости 6 в верхний волноводный слой собственной проводимости 3 и квантово-размерную активную область собственной проводимости 2, и инжекция дырок из области эмиттера первого типа проводимости 5 в нижний волноводный слой собственной проводимости 4 и квантово-размерную активную область собственной проводимости 2. Если при этом подается положительное напряжение на омический контакт 12 к управляющей области первого типа проводимости 11, примыкающей сверху к подложке 1, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости 10 и образующей с ней p-n-переход, относительно управляющего металлического контакта 13, примыкающего сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости 9 и образующего с ней переход Шоттки, зонная диаграмма гетероструктуры лазера принимает вид, показанный на фиг.2, и происходит передислокация максимума амплитуды волновых функций электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне в квантово-размерную активную область собственной проводимости 2, что приводит к пространственному совмещению максимумов амплитуды волновых функций носителей и генерации (или увеличению интенсивности) стимулированного излучения. Благодаря областям оптического ограничения 9 и 10 электромагнитное поле поперечной моды концентрируется в основном в волноводных слоях 3, 4 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2.

При подаче положительного напряжения на управляющий металлический контакт 13, примыкающий сверху к верхней области оптического ограничения второго типа проводимости 9 и образующий с ней переход Шоттки, относительно омического контакта 12 к управляющей области первого типа проводимости 11, примыкающей сверху к подложке 1, а снизу - к нижней области оптического ограничения второго типа проводимости 10 и образующей с ней p-n-переход, и действующем положительном напряжении на омическом контакте 7 относительно омического контакта 8, зонная диаграмма гетероструктуры лазера принимает вид, показанный на фиг.3. При этом происходит передислокация максимума амплитуды волновых функций электронов в зоне проводимости из квантово-размерной активной области собственной проводимости 2 в верхний волноводный слой собственной проводимости 3 и передислокация максимума амплитуды волновых функций дырок в валентной зоне из квантово-размерной активной области собственной проводимости 2 в нижний волноводный слой собственной проводимости 4, что приводит к пространственному разделению максимумов амплитуды волновых функций носителей и снижению интенсивности (или полному исчезновению) стимулированного излучения.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда.

Учитывая, что при изменении полярности управляющего напряжения уровень инжекции электронов и дырок из областей эмиттеров остается неизменным, максимальная частота модуляции интенсивности стимулированного излучения инжекционного лазера соответствует терагерцовому диапазону, поскольку определяется инерционностью управляемого пространственного совмещения и разделения (передислокации) максимумов амплитуды волновых функций носителей заряда: электронов в пределах квантово-размерной активной области и верхнего волноводного слоя, и дырок в пределах квантово-размерной активной области и нижнего волноводного слоя.