Светоуправляемые приборы на основе полупроводниковых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз. № ; 0 0 8?.

. . ПЕРЕПЕЛИЦЫН ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 681.7.068.621.396.2

СВЕГОУПРАВЖЖЕ ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

(специальность 01.04.10 - физика полупроводников

и диэлектриков)

^АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

С анкг-Петербург 1991

ис%.и 101 ¡51

Работа выполнена в Ленинградском ордена Ленина физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе АН СССР.

Научные руководители:. Лауреат Государственной премии,

доктор физико-математических наук, профессор Ярошецкий И.Д.,

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Кашерининов П.Г.

Официальные оппоненты: Лауреат Ленинской премии, доктор

физико-математических наук, профессор Б.В.Царенков,

кандидат физико-математических наук, профессор Э.И.Крупицкий.

Ведущая организация: Московский научно-исследовательский институт связи (ЦНИИС).

Защита состоится /5 Лц/'угя 1992 г. в /О часов на з;асе-дании специализированного совета К.003.23.01 в Физико-техничес-•ком институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

Отзывы на авторефератов двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

Г.С.куликов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время одной из актуальных задач современной тоиги ки волоконно-оптической связи (ВОЛС1 является разработка и волг,: зация ВОЛС с полностью оптической обработкой и адресацией информ.о циошюго сигнала непосредственно в канале передачи. Новая светоуп равляеыая элементная база, позволяшая производить управление па раметрами световых потоков о помощью света, должна значительно пс высить надежность и пропускную способность ВОЛС за счет больших потенциальных возможностей оптических методов и, что существенно важно, позволит избавиться от электрических кабелей,сопровождаю иих волоконные линии, котошс предназначены для управления коммутацией светсвых потоков. Основой элементной базы полностью оптических ВОЛС должен стать оптический логический элемент, в котором один световой поток или Илишьс непосредственно управллот параметрами другого светового потока без промежуточного прообразовать в электрический сигнал и обратно. Рдзрпботка оптичесгсих логических элементов на основе существующих нелинейных оптических сред в силу разных причин - низкое быстродействие (двухслойные структуры) либо большая энергия переключения, приходящаяся на бит передаваемой информации (бистабильные среды), встречает серьзныо технические трудности, что не позволяет реализовать на их основе оптические логические элементы для систем оптической обработки информашпт и ВОЛС. обладающие высоким быстродействием и малой внергией переключения.Поэтому для их реализации необходимо использовать иные нелинейные оптические среды и принципы ойтическои модуляции световых потоков.

Нелью данной работы является разработка нсзых физических принципов записи оптической информации л светоуправляемых оптических свел, создание на их основе оптических логических элементов, обладающих малой энергией переключения и высоким быстродействием, а также разработка и создание светоуправляешх приборов для систем оптической обработки информации и ВОЛС.

Научная новизна и практическая ценность работы связана с изучением нового явлеггая - фотостимулировагшой перестройки электрических полей в объеме туннельных ШШ структур и их ютетики. Эти исследования позволили провести качественный теоретический анализ проиессов. обусловленных освещением, вывести основные соотпошеггая. описывакшо перераспределения полой в рамках дрейФссого и диФФузи-

- k -

опно-двейФового пвиблскенкй. Полученная в ходе теоретического анализа и экспериментальных исследований информация дала возможность тзодложить новый пвшшип записи оптической информации в виде профиля распределения напряженности электрического поля, обвззовэнно-го зарядами свободных носителей, а также разработать оптическую своду - туннельные МДП структуры на основе высокосмных полупроводниковых электвооптических кристаллов. На базе разработанных сред били предложены. разработаны и реализованы светсуправляемт оптические логические' элементы, на основе которых были созданы светоуп-рзвляемые приборы. предназначенные для систем оптической обгзабот-ки информации и ВОЛС с параметрами (глубина модуляции, быстродействие, энергия переключения), существенно превосходящими суиоствую-шяе аналога (структуры МЛП-ЖК).

Аттаобанкя результатов работы. Основные результата^ работы докладывались на 13- и 14й Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1983 г., Санкт-Петербург, 1991 г.) изложит в трудах координационного совещания социалистических стран по физическим проблемам оптоэлектроники (Баку, 1939 г.). 1- Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Легашград, 1989 г.), III- Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлект-•■ роклке, (Ереван, 1987 г.). Всесоюзной конференции по Физическим проблемам оптической связи (Севастополь, 1990 г.), Всесоюзной конференции "Физика и применение контакта металл-полупроводник" (Киев. 1987г.), 11- и 12- Всесоюзных конференциях по Физике полупроводников (Кишинов, 19S9 г.. Киев, 1990 г.). Всесоюзной конференции по Фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках и др. Основные результаты работы изложены в трех статьях и двух отчетах о НИР. Приоритет технических решений защитен 2 авторскими свидетельствами.

Структура и обт,ем пдботн. Диссертация состоит из введения. 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 179 страниц печатного текста, 49 шеукков, 2 таблицы. Список цитируемой литературы составляет 63 наименования.

1 рстор,ше положения, вшоптшип ття яяшту

1. Предложен новый ггвиншпг записи оптической информации в структурах на основе внеокоомных електрооптических полупроводниковых кристаллов с неинжектирушиш контактами в виде профиля электшческого поля, обусловленного протеканием через

структуру сквозных токов мопополявной илжогаш. ссвззовашгах зарядами сео6ошшх йотоноситолей.

2. Пвовелен кэчестве1-ный теоретический анализ йотосттауливозашой перестройки электрических полей к их кинетики в ствукт\ве типа ш(тд)м. Получены соотношения. описиваюшяе хавактев профиля поля в двейбовом и /таЯ&узиогаю-двеййовом шжйлп:<:с!г/ях. Слела-пы опенки пвелелышх' паваметвоЕ основных хавактовистик структуры: быствогействия и оневгии переключения, а тага:е получено со-' отношение, описывавпее взаимосвязь этих характеристик.

3. Экспериментально исследованы хавактев повеваспвслелеппя напряженности электвнческих полей и их кинетика в осъсме таясталлов таких структур пол действием освещения при протекания йотото-ков мопополявной инжекпии.

4. Показано, что таите структура могут быть использованы в качестве оптических логкчос х элементов в светоупвзвлясмых приборах. Проведена оптимизация параметров структуры с цольм созлагшя но ее основе опипеского логического элемента.

5. На основе олнеканалышх оптических лсппеских элементов предложены, разработаны и реализованы следукзие светоупвавляешо епти-чесгае приборы: светоупвавляемый оптнчесгсй затвов - усилитель, коммутатов оптических каналов 1x2, преобразователь лля умоньшо-1шя ллитэльноети оптических импульсов. Пв&йложен многоканальный оптический логический элемент для ПЬМС. Основ'ше Етнамические и эповгетпческие характеристики пвеллйаишш? оптических логичос-1 гак элементов превосходят супествукпие аналога (МШ-КК).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во пвелегггот обоснована актуальность теш. ейошулггоована цель работы, указана научная новизна и тактическая ценность результатов. пвиводепи основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный хавактев. В начале глава отмечается, что определявшей тенденцией современного развития оптоэлектвокики является использование оптических методов в системах оптической информации и ВОЛС. В технике оптической связи , преимущества оптических методов - высокое быстродействие и параллельность по большому числу каналов - могут быть реализованы чевез пвименение пространственного, ввемекного и спектрального уплотнения. для реализации котовых необходима светоуправляемая элемент-

пая база. Ее основу должны составить оптические логический элементы .обладающие высоким быстродействием, большой глубиной модуляции и малой энергией переключения. Поскольку световые потоки не могут непосредственно управлять друг другом, то для того, чтобы перенести информацию с одного светового потока на другой, необходима некоторая нелинейная среда, например, материал, свойства пропускания которого зависят от интенсивности светового потока или импульса. Поэтому задача создания оптических логических элементов, в первую очередь, сводится к разработке оптических сред.

Далее анализируются причины, ограничивающие возможности создания таких элементов на основе существующих нелинейных оптических свод. Отмечается, что в настоящее время известно два основныхприн ципа функционирования оптических срод: - за счет перераспределения электрических полей в двухслойных структурах на электрооптических кристаллах под действием управлявшего (записывающего) света (структуры типа "пром", мдп-жк и др.): -за счет изиенения алектрооптических характеристик среды (коэффициентов преломления или поглощения) под действием управляющего света (эффект оптической бистабильности).

В настоящее время практическое применение нашли лишь двухслойные итруктуъы, используемые для многоканальной модуляции световых потоков, которые представляют собой сочетание слоев электвоопти-ческого и иеэлектрооптического материалов с непроходимой для Фотоносителей границей раздела между ними. Принцип записи оптической информации в двухслойных структурах заключается в преобразовании энергии излучения записывающего (¡сотового потока в олоктш-ческий заряд у границы раздела структуры, который приводит к пространственному изменению напряженности электрического поля в ее елоктвооптическом слое. Наличие непроходимой для носителей тока границы раздела между электрооптическим - неэлектрооптическим слоями приводит к сохранению зарядового рельефа после окончания цикла '"запись-считывание" и проведению операции стирания записанного изображения, поскольку профиль поля в таких структурах самопроизвольно "не стирается, т.к. электрический заряд не может стечь через границу раздела слоев. Такая конструкция структуры обеспечивает Функционирование устройств при низких энергиях переключения (Е=10~*- Ю*5) Дж/см2,но в то яе время приводит к ограничению их быстродействия р <10г цикл/с. Далее приводится анализ методов оптической ыодуляции. основанных на эффекте оптической бистаоильнос-

ти. Отмечается, что в настоящее время изучено большое число типов оптической бистабплъности. и для создания ггеактичесгатх устройств используются полупроводниковые материалы, в которых насыщение нелинейного поглощения обусловлено, б основном, тремя механизмами: насыщением поглощения вблизи экситонного резонанса, насыщением за счет эФФокта Франца - Келдыша и насыщением вблизи края зоны. Использование оптических срэл. обладающих эффектом оптической биста-стабильности, позволило создать структуры, на которых была продемонстрирована скорость переключения t-10~<2 с. однако энергия оптического.переключения в них достаточно велика. Быстродействие оп-оптичсских логических элементов, реализованных па основе tjkkx срод. ограничивается в первую очередь -большой величиной рассеива-омой- мощности, приходящейся па один бит передаваемой информации,

кроме того, оти методы требуют больших интенсивностей сестовнх по-6 й

токов I ->10 Вт/см для псреключетгпя отдельного элемента, которые трудно обеспечить в ВОЛС и системах оптической обработки ипФорма-шш. гдо для их эффективного функционирования необходимо ' большое число оптических логических элементов.

Из проведенного анализа следует, что существующие нелинейные опппескио среды не подходят для создания на их основе оптических лоппеских элементов, поскольку татае среды должны обладать но только высоким быстродействием, по и малой энергией переключения. Для их создания необходима разработка новых принципов оптической модуляции и оптических сред. Для этой цеЛ5г целесообразно использовать принципы функционирования двухслойных структур (шеющих малую энергию переключения), значительно снизив при этом время их переключения.

Далее предлагается новый принцип записи оптической информации в структурах на-основе электрооптических. полупроводниковых кристаллов с неинжектирутаяими контактам!. В таких структурах распределение напряженности электрического поля изменяется практически "синхронно" с изменением величин:; Фототока, протекающего через структуру. т.е. с изменением интенсивности. Кроме того, в таких структурах отсутствует непроходимая для носителей тока граница раздела между ее отдельными частями, что позволяет Фотоносителям беспрепятственно покидать структуру после выключения управляющего осво-иения, восстанавливая исходное распределение поля. За счет этого резко повышается быстродействие.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому анализу про-

tioccoB Фотостимштоованной перестройки электрических полей. Основной задачей проводимого качественного :еоветического анализа является сценка эффективности предлагаемого метола оптической модуляции световых потоков для разработки оптических логических элементов. Анализ процессов повествойки электрических полей проводится мп основе модельних пгедставлгнкй в рамках самосогласованной постановки задачи на пвимево базовой структуры M^s s (':'Д)м" с боль-

1 np р а

шой толщиной базовой области Sp и содержащимся в ее объеме п-р-пс-веходом. Перестройка электрических полей в структуре представляет собой отклик пвостванствекно-неоднородной системы на сильное внешнее воздействие - междузоннув оптическую накачку в условиях посто-Я1шог'о приложенного напряжения к структуре. Отклик связан с двумя Физическими характеристиками процесса: протеканием сквозного тока човез структуру и изменением в распределении напряженности электрических полей в объеме структуры, причем состояние модельной системы моггет быть описано концентрацией электронов и дырок п+(х), распределением напряженности электрического поля Е(х) и потенциала V(x). В общем случае, при использовании квазипщпшшамического приближения задача о. нелинейном отклике сводится к анализу фундаментальных уравнений Ван Росбвука. Ь рамках принятой одномерной модели в стационарном случае уравнения упрощаются и имеют вид:

fc Е(х) = ^ П+(Х) ,

где дрейфовый и диффузионный вклады для дырочного тока,соответственно, равны:

e0f+(E(x)-)E(x)n+(x).

jf = e0D+(Eu)};g

Здесь учтена возможная зависимость подвижности ß^ и коэффициента диффузии-В+ от напряженности электрического поля Е(х).

Далее получены решения уравнений (1) для двух типов профилей распределения'напряженности электрического поля Е(х) в слое Sp. соответствуют дрейфовому-и ^Музионно-лвейфовому механизмам ыо-нополярного переноса заряда, возникающих в базовой области структуры в результате воздействия оптической накачки i0 и перераспределения напряжения между областью п-в-перехода и базовой областью. В вашсах этой модели, в дрейфовом приближении, получено выражение,

описывающее профиль распределения напряженности электрического поля в области монополявного переноса для структуры с большой прозрачностью туннельной пленки ТЛ2, где накоплением дырок е области электрода М+ можно пренебречь.

2г , 87TJ . ,i/a

+ ^ (х - <„)] . (3)

Далее рассматривается связь этого решения с выражением, обсукдав-шимся юане о Лампеятом. Показано, что это решение является обобщением известного результата на случай "виртуального катода", т.е. в рассматриваемом случае его роль играет п-в-переход. Отмечены тви основных свойства этого решения.

Затем приводится Формальное решение задачи о профиле электрического поля в области монополярного переноса в диЗйузнонпо-гоей-фовом приближении при следующих предположениях: а) насыщение двейФовой скорости ¡'(2)= /JE = уо= const; б) независимость коэффициентов диффузии от величины Е: D(E)~ D0= const. ПВиблпхсгше а) реализуется при больше величинах Е. В этом случае система (1) . принимает вид;

Jj J = $^<Е(х)Шх)п+(х) - Df(E(x))^n+(x)]=0,

L -J (4)

rt 4Uen

В общем случае решения для профиля распределения поля в яййузиои по-лрейФовом приближении получить но удается. При указанных вшо предположениях и условии, что значения искомой Фикции Е(хпр) и ее производной на границе слоя x=xhp , а такие значение плотности тока J(x )=Jn палаш, получено выражение для профиля электричес-

пр о .

кого поля в диффузионно - дрейфовом приближении при D0- const и

У =const

- _1 oa0^"2np)

E(x) = тГ 0

о

«о^ + «J, - e'^^l +

О Пр 1 ^ J

rf 1 1 -«o (*■*„„) f 1

+ CJI X 4 ^ |в 0 np - I xn„ + „ 2Ц о J ^ n

(5)

WrA,» 4Ч,хпо V Snp- «0Епр f -g^s Ca= V Ve/De.

где «0 =v0/D0.

Далео пвоводится сравнение полученных решений с известной мег-

дельной системой. Показано, что при воздействии оптической накачки и отсутствии диэлектрической пленки ТД у электрода профиль поля соответствует дрейфовому приближению. С ростом диэлектрической пленки происходит деформация профиля поля, соответствующая одному из рассмотренных' случаев диффузионно-дрейфового приближения, а при отутстеии сквозного тока реализуется случай дебаевского экранирования.

На основе этих решений били получены соотношения, позволившие количественно оценить основные характеристик.!! структуры: энергию и время переключения, а также оценить эффективность предлагаемого метола оптической модуляции световых потоков. Проведенный теоретический анализ позволил в целом сделать два Еывода:

1. В туннельной Мп(ТД)М структуре заключенная в сигнале оптичес-

л, л

кой накачки И11!М) информация "синхронно" записывается в виде профиля распределения электрического поля Е(х,и. Эта информация обратимо и синхронно стирается 'при выключении сигнала оптической

л

накачки 10.

2. Теоретический анализ показывает возможность использования оптического метода управления параметрами световых потоков с помощью оптических сигналов при пропускании управляемого светового по. то).з через область п-р-перехода в диапазоне характерных времен

переключения (микросекунды) и удельной энергии переключения (нано-джоули на квадратный сантиметр).

В заключение второй главы получен критерий функционирования структур такого типа, который связывает основные параметры структуры, такие как величина приложенное напряжения, толщина базовой области структуры и др. ■ с интенсивностью освещения. На основе полученного критерия сделаны оценки предельно достшммой скорости переключения и затрачиваемой при этом оптической мощностью.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям перестройки электрических полей и их кинетики под действием ос5вещения. В начале . главы рассматриваются результаты исследований, связанней с изучением изменения области электрических полей в полупроводниковых структурах различных типов при освещении их "примесным" и "собственным" светом, э также у-квантами. Проанализированы причины, приводящие к-изменению ширины области электрических полей. Далее рассматриваются типы структуракоторые могут быть.использованы для создания оптических логических элементов. Показано, что для создания таких структур необходимо использовать высокоомные полу-

проводниковые электрооптзпеские кристаллы, содержащие малые котюпт -рации неконтролируемой примеси. Лэлее такте показано, что электрические контакты таких структур долям обеспечивать: протекание сквозных фототоков при освещении структуры; отсутствие инжекшга носителей с контакта в объем кристалла в отсутствие освещения: фоточувствительность при высоких приложенных напряжениях. Отмечается, что среди известных типов структур для создания оптических логических элементов в наибольшей степени подходят структуры, содер-stannie в объеме п-р(п-1-р)-переход, и структуры с барьером Шоттки, выполненные на основе полупроводниковых олектрооптичоских кристаллов CdTe и GaAs. поэтому для проведения экспериментальных исследований были выбрани все типы указанных вше структур.

Для изготовления туннельных МДП структур использовались монокристаллы CdTe р-тигоз проводимости с различным удельным сопротивлением р (р~ю6*ю9 Ov-см: дгп=ю"3+ io"scm2/b: ju гр=10"4+ ю~6си2/а и концентрацией неконтролируемой примеси N < 10 2ом-3, ъттсмтиа метолом горизонтальной направленной кристаллизации с компопсаштой ионами хлора. Монокристаллы представляли собой пряуоуголышо паралле лспиполы с измерениями d-h-1, где d-0.1 + 0.3 см - расстояние'коя:-ду олектродами, h-1 - S =(0.2 + 0.8)смг- средшя площадь боковых граней (электродов). На противоположных гранях кристалла создавались прозрачные электроды при помети электрохимического осаждения

о

золота, толщина покрытия составляла " 100 + 500 А. Между ними и полупроводниковым кристаллом располагались неконтролируемые. тун-нельно-прозрачные для носителей тока, диэлектрические слои, состоящие из аморфных окислов Cd и Те, возникающие за счет естественного окисления на воздухе. В ряде экспериментов для создания неодинаковых по толщине диэлектрических слоев проводилось дополнительное окисление в растворе NH40H и Н203. В монокристаллах OdTe п-р-пере-ход создавался двумя технологическими.способами: магкетронным напылением в атмосфере 0а, Аг, Н2 и методом пиролитического синтеза ме-таллоорганических соедепений Sn и In.

GaAs n-i-p- структура изготовлялась с помощью шжоотной эпктаксил на подложке p-GaAc,легированного Zп до концентрации ÍÍ к 10,8см"3. Обшая толщина -структуры составляла 300 мкм. область пространственного заряда составляла ™ 100 мкм.

Изучение распределения напряженности электрических полей- в структурах проводилось о помощью методики, основанной на регистрации интенсивности зондирующего светового потока, проходящего через

- 12 - .

структуру, при поперечном электрооптическом эффекте. Используемая методика позволяла количественно определить локальное распределение электрических полей в объеме электрооптического кристалла. Для определения стационарного распределения напряженности электрических полей осуществлялось измерение интенсивности прошедшего света в каждой точке кристалла при движении зондирующего светового пучка от одного электрода к другому, по которым в дальнейшем рассчитывалось стационарное распределение напряженности электрического поля. Для изучения динамики поля при воздействии внешнего оптического возмущения регистрировались временные зависимости выходной интенсивности пучка зондирующего света для каждого из его положений на поверхности кристалла между электродам!. По набору этих зависимостей впоследствии восстанавливалось распределение интенсивности света для произвольного момента времени 1;0 после включения и выключения внешнего освещения I - 1(х, . Профиль электрического, поля Е(х,Ы0) рассчитывался по координатному распределен 1=1(хД=10) апалопгпю расчету лля стационарного случая.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной установке, которая представляла собой комплекс электрических. оптических и механических приборов и "устройств. Приводится .от. лше установки в целом, дается ее принципиальная схема, описаны основные.элементы конструкции, а также лазерного модуля, используемого в качестве источника оптической накачки.

Далее представлены результаты экспериментальных исследований распределения напряженности электрических полей при освещении их "собственным" светом (№>г Е ) в трех ушах структур. Экспериментально исследовались: характер распределения электрических полей в объеме кристаллов таких структур; кинетика установления электрических полей при включении и выключении освещения; энергетические затраты световых потоков на перестройку поля в структуре; изменения кинетики и характер электрического поля в структуре при наличии примесных уровней.

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Во всех исследованных структурах при освещении наблюдалась перестройка электрического поля. В структурах М(ТД)П(ТД)М характер распределения полей при освещении зависит от степени туннельной прозрачности диэлектрических пленок. В структурах с туннельными пленкам высокой прозрачности электрическое поле в отсутствии ос-

веления однородно распределено но толщине кристалла. В структуре с туннельными пленками неодинаковой прозрачности электрическое поле в отсутствии освещения неоднородно распределено по толщине кристалла: большую напряженность электрическое ноле имеет около электрода с туннельной пленкой меньшей прозрачности. 2. При освещении структуры с пленками одинаковой проводимости "собственным" светом (h^ г Е ) со стороны одного из электродов распределение электрических полей становится неоднородным по толщине кристалла, большую напряженность электрическое поло клест у электрода, противоположного освещаемому. С увеличением интенсивности освещения степень деформации поля увелгсивастся. Распределение напряженности электрических полей по толщине кристалла при освещении линейно при малых интенсивностях освещения (Е(х) = ах при Л 2

К1 мВт/см ) и имеет свевхлинейный вид при больших интспсиспозтях

л .

освещения (I > 10 мВт/см ).

1. Скорость установления электрического поля в структуре при включении и выключении освещения определяется концентрацией и структурой пвимесных уровней в кристалле и соответствует (1+100)-Ю'6 с.

4. Наличие примесных центров в кристаллах обуславливает сложный характер релаксации электрических полей при включении и выключении света.

5. В структуре типа МП(ТД)М с п-в-переходом при освещении светом

со стороны n-в-перехола електвг/чесййд.'поле смещается из области 003 n-p-певехоле к электроду, противоположному освещаемому. Степень деформации поля увеличивается с увелпением интенсивности освешопия. При достаточно больших интенсивностях освещо1шя папвя- . кенность электрического поля в 00Ö п-в-перехода уменьшается практически до нуля, при этом изменение напряженности электрического поля может достигать 2-3 порядков. Скорость установления электрического поля в структура при включении освещения определяется величиной приложенного напряжения и интенсивностью засветки. С.увеличением интенсивности освещения скорость установления стационарного распределения поля увеличивается. После выключения освещения электрическое поле возвращается к исходному состоянию за ввемя (1 + Ю) • 10~в с в зависимости от наличия пвжесных уровней в кристалле. Пви достаточно высоком напряжении V0, приложенном к структуре, время установления исходного распределения поля после выключения освещения зависит от величины приложенного смещения и сс-

- 1'+ -

вешония к уменьшается с их увеличением.

6. В структурах г. р- р* на высокоомном С&Ае при освецении со стороны п-в-перехода светом Ь" г напряженность олектрического поля в области перехода уменьшается практически до нуля. Время установления электрического поля при включении и выключении освещения (1 + 10) -10"4 с.

В заключение проводится обсуждение полученных результатов, показано. что для создания оптических логических элеметов (активных елемонтов) светоулвавляемых приборов целесообвазно использовать МГ1(ТД)М ствуктувы с п-в-левеходом, а для осуществления модуляции одного оветового потока другим использовать поперечный электвооп-тический эффект Поккельса.

В четвертой главе диссертации приводятся результаты экспе-римен- , тальных исследований, связанные с оптимизацией параметров и конструкции структуры с целью использования се в качестве активного элемента {оптического логического элемента) в светоуправляемых пвисовах. Показано, что для достижения максимальной глубины модуляции целесообвазно использовать поперечный олектроотпический эффект Поккельса. Далее пвозодится обсуждение результатов экспериментальных исследований, направленных на снижение энергии переключения активного элемента. Показано, что значительного снижения энергии переключения можно добиться при создании "мелкого" п-в-перехода в структуре, -использовании в структурах толстых диэлектвических пленок. а также разделительных канавок, выполненных на гиани кристалла. противоположной освешаемсй. Отмечается, что, пошло снижения анергии переключения, это дает возмсчзюсть осуществлять модуляцию нескольких световых потоков на одном активном элементе. Двугой важной хавактевистикой активного элемента яелястся ввемя переключения. Экспевименталыю показано, что для достижения минимальной длительности переднего фронта импульса при оптическом певеключении целесообвазно использоезть структуры. созданные на основе высокоом-ных кристаллов. Вместе с тем,отмечается, что практически еромя переключения определяется длительностью саднего.фронта импульса, су-шественное влияние на'длительность которого оказывает толаиша^ диэлектрического слоя и концентрация пвш'есных .уровней, содержащихся в исходных кристаллах. Экспериментально показано, что значительного снижения длительности заднего фронта импульса е ствуктурах, соз-. данных на кристаллах, содержащих значительные концепт -

ваши ггшыесшх увовней, можно добиться за счет дополнительной под-

светки со стороны электволэ, тютпвополохпого -«пршемдчу. икпуг,ь сами света, совпадающими по частоте с импульсами управлявшего ся.. та. В этом случае дополнительная подсветка приводит' к возтишопеп:;;' в структуре рекима двойной инжекции. что приводит к роксмбинштп зашла свободных носителей, накопленного у поверхности шэлоктвл ческого слоя, и более быстрому его рассасыванию. В конце четвертая главы приводятся расчеты эффективности модуляции световых потокег; и величины вносимого затухания при использовании поперечного эло:? трооптического эффекта Поккельса. В заключение приводятся основные характеристики активного элемента, которые достигаются при оптими зации параметров структуры.

В пятой главе диссертации описаны пвиншпт работы и конструктив ные.особенности светоуправляемых приборов, разработанные т сснопе активного элемента. Отмечается, что предложенные и рззрзбогонпие приборы реализованы па серийно выпускаемой элементной базе, 'лспо-г зуемой в тохнике связи, и могут быть использованы в и системах оптической обработки оптической информации.

Коммутатор оптических каналов представляет собой прибор, который направляет поступающий в него оптический сигнал в один из двух выходных каналов в зависимости от наличия или отсутствия управляющего оптического сигнала. Активным элементом такого устройства является туннельная МП(ТД)М структура с п-р-переход...л, размещенная в корпусе устройства между входным поляризатором и полявияациошю-чувствительным отклоняющим элементом (призмой Глана). В процессе работы устройства к структуре прикладывается напряжение, ооответст-""вукиее обратной полярности п-в-перехода, при этом все поле концен-• твируется в области объемного заряда п-в-певехода структувы. При пропускании коммутируемого светового потока через 003 п-в-перехода происходит изменение его исходной плоскости поляризации на 90е, в результате чего гесь прошедший свет попадает в канал отклоненного луча. Воздействие импульса упвавляшего света приводит к "сбросу" поля из области объемного заряда п-в-певехода в бззовую область структуры и сохранению исходной плоскости поляризации, задаваемой входным поляшзатовом. При этом световой поток на ьыходе ствуктувы попадает в канал неотклоиенного луча. Далее тш.оштся описание принципа ваботы и конструктивные особенности светоупвавляемого затвора, в котором световой поток проходит на, выход только при воздействии импульса управляющего света.Принцип его действия аналогичен описанному выше, однако его основное конструктивное отлитое ззклю-

чается в том. что гмссто псляризационно - чувствительного элемента используется второй поляризатор. Показано, что такой ззтеор может работать в двух режимах: в режиме модулятора, т.е. осуществлять перенос модуляции с управляющего светового потока на первоначально немодшгрованный световой поток, и в ретю затвора, при котором он может пропускать пли задерживать на выходе первоначально промо-дулировашшй по амплитуде управляемый световой поток. Отмечается, что использование светоупвавляемого ззтеорз в режиме модулятора дает возможность реализовать на его основе усилитель оптических сигналов (оптический' транзистор) с изменяемой длиной волны управляющего и управляемого света при условии, что мощность управляющего светового потока будет минимальна, а управляемого - максимальна. На основе такого активного элемента был реализован макет затвора-усилителя с изменяемой длиной волны. Далее приводятся методика измерения основных характеристик таких приборов и результаты их измерения.

В следующем разделе главы обсуждаются возможности создания усилителя оптических сигналов, функционирующего с использованием одной длины волны управляемого и управлявшего света. Отмечается, что для его создания необходимо использовать гетсроструктуры. выполненные на основе твердых растворов 1лР/1пСалз о прозрачной для носителей тока границей раздела между ее широкозошюй и узкозошюй областью й п-р-переходсм. расположенным в широкозошюй области структуры. Приводится принципиальная схема такого устройства и схема конструкции структуры. В заключение дается описание оптического логического ■ элемента. предназначенного для многоканальной модуляции световых потоков. Такая структура представляет собой изотипную структуру олектрооптический-неэлектрооптический кристалл с п-р-пе- ' реходом, расположенным в одной из ее частей. Показано, что для ее функционирования необходимо использовать продольный электрооптический эффект Поккельса, предложена также конструкция ПВМО, функционирующего на о.снове такого оптического логического элемента.

ОПНОНННК РЕЗУЛЬТАТЫ РАВОТН

1. Предложен новый принцип записи оптической информации в структурах ив основе полупроводниковых электрооптических кристаллов в виде профиля распределения электрического поля, образованного зарядами свободных носителей пш протекании сквозного фото-

тока через структуру.

2. Предложена структуры, в которых освещение наиболее эффективно воздействует на распределение электрического поля. Ото структуры на еысокоошых электросптичосют кристаллах с малой концентрацией глубоких пгагмостах уровней, содержащие п о^гоме об ратно смешенные п~р,(п-;1-р)-переходы: типа МП(ТЛ)М зга: ín-p-p+!, а также М(ТД)П(ТЛ)М.

3. С помощью разработанной оригинальной злектросптическсй методики экспериментально исследованы распределения плснтпиче.окпх полой и их кинетика в таких структурах при воздействии поглощаемого света (hi> ).

9

4. Проведен качественный теоретический анализ характера распределения напряженности электрических полей и их кинетики, а таж рассчитан ггоойиль электрического поля г, объеме кристаллов таких структур при протекании токов мснсполяртюй илшсши в дрейфовом и диффузионно-дройФоесм приближениях. Сделаны оионгш 'тро-дельных параметров основных характеристик: скорости и оперши переключения для структур типа МП(ТД)М. который могут быть использованы в качестве оптических логических элементов в устрой ствах систем оптической обработки информации и ВОЛС. Выведен критерий функционирования светоуправляемых структур tiütii МП(ТД)П.

5. На основе обнаруженных и исследованных явлений в структурах на электрооптических кристаллах Cd'Te и GaAs предложены ейетоуп-равляемые оптические логические элементы ноеого поколения, превосходящие по быстродействию и энергетическим характеристикам существующие аналоги (например, структуры типа Фотопровод-нше-жидкий кристалл) на 2-3 порядка. • " •

6. На базе оптических логических элементов предложены. разработаны и реализованы следующие сьетоуивавляемче оптические приборы, предназначенные для волоконно-оптических линий связи и систем обработки оптической информации:

I. светоуправляемый оптический затвор с параметрами: область спектральной чувствительности

управляющего света мкм..................... 0.82-0.84

спектральный диапазон коммутируемого

света, мкм....................................' 0.95 - 1.6

время цикла t^, с ............................ Ю~э + 10 6

7 1а -

& —7 — о

георгия норь-к./ычония V, Дж/см ............... 10 + 10

Ш1ТЭН0ИЫЮСТ1. исключающего

А о

спета I, мЬт/'.:м .............................. 1 + 15

кабочое напряжение V, В....................... 100 - 400

глубина модуляции '/, %........................ 95

вносимое затухание л, дБ...................... 10 - 12

II. коммутатор оптических каналов 1x2 с параметрами: область спектральной чувствительности

управляющего света мкм..................... 0.82-0.84

спектральный диапазон коммутируемого

сёота X, мкм.................................. 0.95 - 1.6

2 ей А

анергия переключения №. Дж/см ................................10 +10"

время цикла с..........................................................10"в + 10~6

рабочее напряжение V, В..............................................100 - 400

переходные потери С, дБ..............................................>15

вносимое затухание (отдельно по

каждому каналу)л, дБ....................................................10- 12

III.усилитель мощности оптических сигналов (оптический транзистор):

IV. преобразователь для уменьшения длительности оптических импульсов:

V. предложен оптический логический элемент, предназначенный для многоканальной обработки оптической информации (пространственно-временной модулятор света).

1. светоупвавллемые оптические элементы для оптической обрпботки информации и ВОЛО/ П.Г.Кашеришшов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Перепели-иын и др.//- Электросвязь.-1990.-И Ю.-С. 37-39. Методы оптической коммутации световых потоков в системах оптической обработки информант* и г "волоконно-оптических линиях связи/ П.Г.Кашевинпнов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Пеэспелигып и др. '/ Тез. дом. Всес.науч.-техн. конф. "иптическая коммутация и и оптические сети связи".-Суздаль. 1990.-С. 40.

Ч. Фотоэлектрические домены у контакта металл - полупроводник / Н.Г.Кашершпшов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Перепелиный и др.//' Тез.

докл. Всес. конф. "Физика и применение контакта металл - полупроводник".-Киев. 1937.-С. 83.

4. Определение распределения напряженности электоичестжх полей в объеме полупроводниковых структур на электроептичоскпх тгрис-таллах/ П.Г.Кашерининов, А.В.Кичаев. Ю.Н.Псрспелицын и др.// Тез. докл. Щ Всес. конф. по физике полупроводников.-Киев, 1990.-Ч.2.-С. 36-37.

5. Исследование и разработка светоуправляемых оптических затворов для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на основе по- . лупроводникоеых.структур: Отчет о НИР/ ФТИ АН ССОР.-Л.. 1989. -93 с.

6. Нелинейные Фотоэлектрические и оптические явления в туннельных гетероструктурах на основе полуиоолгоуйшх электрооггти-ческих полупроводниковых кристаллов/ П.Г.Кажерипипов, А.В.Ки-чаев, Ю.Н.Перепелпшк и др.// Тез.докл. XI Всес. копа. по Физике полупроводников.-Кишинев, 1989.-Ч.2.-С. 190-199.

7. Фотоэлектрические явления в туннельных УЛП структурах на кристаллах СйТе. обусловленные свободными Фотоноситолями/ П.Г.Ка-шерининов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Переполииын и др.// Тез.докл. Всес. науч.конф."Фотоэлектрические яелопия в полупроводниках".-'ташкент. 1939.-С. 50-51.

8. Быстродействующие элементы для систем вычислительной оптоэлек-тропики на основе явления светоуправляемых доменов/ П.Г.Капе-рининов■ А.В.Кичаев, Ю.Н.Нерепелишш й др.//- Тез. докл. 3 Всес. конф. по вычислительной оптоэлектропике.-Ереван. 1937.-Т.1.-С. 151-152.

9. Исследование и разработка актщшх элементов коммутациоштх • приборов на оснсЕе полупроводниковых структур: Отчет о НИР/ ФТИ АН СССР.-Л.. 1988 -57 с.

10. Светоуправляемые функциональные элементы для систем оптической обработки информации/ П.Г.КзЕерннинов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Пе ■ репелшш и др.//Сб.науч.трудов АН СССР.-Л.. 1939.-С. 115—11Э.

11. Светоуправляемые функциональные элементы для систем оптической обработки информации и ВОЛС/ П.Г. Казютаякнов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Пэъепелишн и др.// Труды координационного совещания соц. стран по Физ. проблемам оптоэлектроники.-Баку, 1939.-С. 227.

12. Нелинейное явление светоуправляемых доменов электрического поля и функциональные элементы для оптической обработки информации на ого основе/ П.Г.Кашерининов, А.В.Кичаев, Ю.Н. Перепели-

иын и др.// Тез. докл. 13 Меи. конф. по когерентной и нелинейной оптике.-Минск, 1988.-Ч.2.-С. 74-75.

13. Быстрые светоуправляемые оптические логические элементы для ЕОЛС/ П.Г.Кашерининов, A.B.Кичаев, Ю.Н.Перепелинык и др.//' Тез. докл. 14 Межд. конф. по когерентной и нелинейной оптике.-Л., -1991.-Ч.2.-С. 107.

14. A.c. N 1556385. МКИ G02 F1/03. Светоуправляемый оптический затвор-усилитель/ Каменский A.B., Каиерининов П.Г.. КичаоЕ A.B., Купцов А.Д., Матюхин Д.Г., Перепелицын Ю.Н., Ярстецкий И.Л. Опубл. 8.12.1989.

15. Светоуправляемые функциональные элементы для систем оптической обработки информации/ П.Г. Каиерининов, A.B. Кичаев, Ю.Н. Перепелицын и др.// Тез.докл. I Всес. конф. по оптической обработке информации.- Л., 1989.-С. 93.

1.6. Фотонный ключ на электрооптическом кристалле CdTe/ П.Г. Каиерининов, А.В.Кичаев, Ю.Н.Перепелицын и др.// Тез.докл.' 1 Всес. конф. по физическим проблемам оптической связи.- Севастополь, 1990.- С.44.

17. Заявка N 4494764/31-25 /СССР/. Модулятор светового потока и способ модуляции./ Кашерининов П.Г., Перепелицын Ю.Н., Ярошец-йий И.Д.. Положительное решение от 13.11.1939.

РТП ЛИЯФ,зак.35,тирЛ00, уч.-изд.л„I? 12/Н-1991г, Бесплатпо