интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда

Формула изобретения

Интегральный инжекционный лазер, модулирующий частоту излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, содержащий полуизолирующую 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, отличающийся тем, что в него введены верхняя управляющая область второго типа проводимости, примыкающая к верхнему волноводному слою, нижняя управляющая область второго типа проводимости, примыкающая к нижнему волноводному слою, нижняя управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней управляющей области второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к нижней управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней управляющей области второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, верхняя и нижняя управляющие области второго типа проводимости являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости нижнего волноводного слоя находится ниже нижней границы зоны проводимости квантово-размерной активной области и при этом выше нижней границы зоны проводимости верхнего волноводного слоя, а верхняя граница валентной зоны нижнего волноводного слоя находится ниже верхней границы валентной зоны квантово-размерной активной области и при этом выше верхней границы валентной зоны верхнего 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

Предлагаемое 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 полуизолирующую 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, 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, 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 полуизолирующая подложка, квантово-размерная активная 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, 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 полуизолирующую 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, 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, 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 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 полуизолирующая подложка, квантово-размерная активная 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, 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 лазер для высокоскоростной модуляции с использованием динамического нагрева носителей (V.I. Tolstikhin and М. Mastrapasqua // "Three-terminal laser structure for high-speed modulation using dynamic carrier heating," Appl. Phys. Lett., vol. 67, pp.3868-3870, 1995), содержащий полуизолирующую 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, область базы первого типа проводимости, примыкающую к верхнему волноводному слою и к области эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области базы второго типа проводимости, причем области базы первого типа проводимости и эмиттера второго типа проводимости являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая подложка, квантово-размерная активная 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, 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.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия устройства.

Технический результат достигается тем, что в интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда введены: верхняя управляющая область второго типа проводимости, примыкающая к верхнему волноводному слою, нижняя управляющая область второго типа проводимости, примыкающая к нижнему волноводному слою, нижняя управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней управляющей области второго типа проводимости и образующая с ней р-n-переход, омический контакт к нижней управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней управляющей области второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, верхняя и нижняя управляющие области второго типа проводимости являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости нижнего волноводного слоя находится ниже нижней границы зоны проводимости квантоворазмерной активной области и при этом выше нижней границы зоны проводимости верхнего волноводного слоя, а верхняя граница валентной зоны нижнего волноводного слоя находится ниже верхней границы валентной зоны квантоворазмерной активной области и при этом выше верхней границы валентной зоны верхнего 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.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда, содержащий полуизолирующую 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, примыкающую к нижнему волноводному слою, область эмиттера второго типа проводимости, омический контакт к области эмиттера первого типа проводимости, омический контакт к области эмиттера второго типа проводимости, введены верхняя управляющая область второго типа проводимости, примыкающая к верхнему волноводному слою, нижняя управляющая область второго типа проводимости, примыкающая к нижнему волноводному слою, нижняя управляющая область первого типа проводимости, примыкающая сверху к подложке, а снизу - к нижней управляющей области второго типа проводимости и образующая с ней p-n-переход, омический контакт к нижней управляющей области первого типа проводимости, управляющий металлический контакт, примыкающий сверху к верхней управляющей области второго типа проводимости и образующий с ней переход Шоттки, при этом области эмиттеров первого и второго типов проводимости имеют горизонтальное взаимное расположение, верхняя и нижняя управляющие области второго типа проводимости являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения, квантово-размерная активная область образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями, причем нижняя граница зоны проводимости нижнего волноводного слоя находится ниже нижней границы зоны проводимости квантово-размерной активной области и при этом выше нижней границы зоны проводимости верхнего волноводного слоя, а верхняя граница валентной зоны нижнего волноводного слоя находится ниже верхней границы валентной зоны квантово-размерной активной области и при этом выше верхней границы валентной зоны верхнего 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 модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда. На фиг.2 приведена зонная диаграмма гетероструктуры лазера при полярности управляющего напряжения, соответствующей пониженной частоте оптического излучения. На фиг.3 приведена зонная диаграмма гетероструктуры лазера при полярности управляющего напряжения, соответствующей повышенной частоте оптического излучения.

Интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда содержит полуизолирующую 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, примыкающую к нижнему волноводному слою 4, 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 управляющую область второго типа проводимости 9, примыкающую к верхнему волноводному слою 3, нижнюю управляющую область второго типа проводимости 10, примыкающую к нижнему волноводному слою 4, нижнюю управляющую область первого типа проводимости 11, примыкающую сверху к полуизолирующей подложке 1, а снизу - к нижней управляющей области второго типа проводимости 10 и образующую с ней p-n-переход, омический контакт 12 к нижней управляющей области первого типа проводимости 11, управляющий металлический контакт 13, примыкающий сверху к верхней управляющей области второго типа проводимости 9 и образующий с ней переход Шоттки, при этом области эмиттеров первого и второго типов проводимости 5, 6 имеют горизонтальное взаимное расположение, верхняя и нижняя управляющие области второго типа проводимости 9, 10 являются соответственно верхней и нижней областями оптического ограничения, квантово-размерная активная область 2 образует гетеропереходы второго типа с верхним и нижним волноводными слоями 3, 4, причем нижняя граница зоны проводимости нижнего волноводного слоя 4 находится ниже нижней границы; зоны проводимости квантово-размерной активной области 2 и при этом выше нижней границы зоны проводимости верхнего волноводного слоя 3, а верхняя граница валентной зоны нижнего волноводного слоя 4 находится ниже верхней границы валентной зоны квантово-размерной активной области 2 и при этом выше верхней границы валентной зоны верхнего волноводного слоя 3, 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 в нижний волноводный слой собственной проводимости 4, а также инжекция дырок из области эмиттера первого типа проводимости 5 в 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 управляющей области второго типа проводимости 10 и образующей с ней р-n-переход, относительно управляющего металлического контакта 13, примыкающего сверху к верхней управляющей области 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 к границе между верхним волноводным слоем собственной проводимости 3 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2, а также к границе между нижним волноводным слоем собственной проводимости 4 и нижней управляющей областью второго типа проводимости 10, при этом максимум амплитуды волновых функций дырок в валентной зоне передислоцируется к границе между верхним волноводным слоем собственной проводимости 3 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2, что приводит к пространственному совмещению максимумов амплитуды волновых функций электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне вблизи границы между верхним волноводным слоем собственной проводимости 3 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2 и генерации стимулированного излучения с пониженной частотой излучения.

При подаче положительного напряжения на управляющий металлический контакт 13, примыкающий сверху к верхней управляющей области 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 управляющей области второго типа проводимости 10 и образующей с ней р-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 к границе между верхним волноводным слоем собственной проводимости 3 и верхней управляющей областью второго типа проводимости 9, а также к границе между нижним волноводным слоем собственной проводимости 4 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2, при этом максимум амплитуды волновых функций дырок в валентной зоне передислоцируется к границе между квантово-размерной активной областью собственной проводимости 2 и нижним волноводным слоем собственной проводимости 4 и частично к границе между нижним волноводным слоем собственной проводимости 4 и нижней управляющей областью второго типа проводимости 10, что приводит к пространственному совмещению максимумов амплитуды волновых функций электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне вблизи границы между нижним волноводным слоем собственной проводимости 4 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2 и генерации стимулированного излучения с повышенной частотой излучения.

Благодаря управляющим областям 9 и 10, являющимся областями оптического ограничения, лазерное излучение концентрируется в основном в волноводных слоях 3, 4 и квантово-размерной активной области собственной проводимости 2.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный инжекционный лазер с модуляцией частоты излучения посредством управляемой передислокации 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 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.