3.5.2. Устройство и характеристики ПЗС-модулятора

На рис. 3.19 представлено поперечное сечение пространственного модулятора света на основе ПЗС-структуры на на барьере Шоттки в этом случае является трехфазным устройством, в котором затворы, включающие одну из фаз, являются прозрачными для представляющих интерес длин волн. Излучение с длиной волны, превышающее длину волны отсечки и падающее по нормали к устройству, модулируется с помощью эффекта электропоглощения в канале ПЗС и проходит сквозь подложку. Из рис. 3.8 было видно, что пустая яма в ПЗС имеет

Рис. 3.18. Теоретические и экспериментальные данные по поглощению (эффекта Франца - Келдыша) в

максимальное электрическое поле, в то время как полная яма, наоборот, имеет только слабое электрическое поле под барьером Шоттки. В результате для объемного электропоглощения коэффициент оптического пропускания будет наибольшим для заполненной ямы и наименьшим для пустой ямы.

Для вычисления модуляционных возможностей данного устройства рассмотрим упрощенную структуру на рис. 3.20, на котором показан один затвор ПЗС вместе с омическим контактом по отношению к каналу. Канал состоит из слоя -типа с концентрацией доноров на полубесконечной подложке. В отношении

Рис. 3.19. Поперечное сечение пространственного модулятора света на Госструктуре на GaAs.

Рис. 3.20. Поперечное сечение устройства, используемого при расчетах электропоглощения.

максимальной модуляции эта структура не является оптимальной, однако она проста для анализа и демонстрирует основные рабочие характеристики. Когда на затвор подается отрицательный по отношению к каналу потенциал, образуется вырожденный слой глубиной где задается выражением [29]

где V — канальное напряжение (т. е. потенциал на омическом контакте по отношению к затвору). Полагают, что канальное напряжение меньше величины необходимой для отсечки пли вырождения -слоя до границы раздела с полубесконечной подложкой. Электрическое поле направленное по нормали к поверхности вырожденного слоя, задается выражением

Коэффициент пропускания оптической мощности определяется соотношением

где — коэффициент оптического поглощения. Заменяя переменные с помощью уравнения (3.4), можно выразить уравнением

Используя данные относительно электропоглощения из рис. 3.18, можно вычислить зависимость коэффициента пропускания от канального напряжения для различных длин волн; такие данные показаны на рис. 3.21. Коэффициент пропускания был нормирован с помощью значения, полученного при нулевом напряжении канала (или условии заполненной ямы). Как было замечено ранее, коэффициент пропускания уменьшается с ростом напряжения канала. Таким же образом модуляция является наибольшей для длин волн, ближайших к длине волны отсечки 870 нм, определяемой шириной запрещенной зоны. Результаты расчетов для других уровней легирования (от до ) мало отличаются от данных на рис. 3.21.

В работе [15] сообщалось об экспериментальном подтверждении эффекта электропоглощения в ПЗС на GaAs. Модуляцию было трудно наблюдать отчасти потому, что максимальное напряжение канала составляло только 10 В, а также из-за «утечки» света по краям ямы, где электрическое поле не

контролировалось зарядом. Другая проблема состоит в том, что толстая подложка (порядка 300 мкм) имела значительное поглощение, особенно на длинах волн, ближайших к краю зоны, где модуляция максимальна. Эти проблемы были решены в недавно появившемся устройстве, в котором было улучшено

Рис. 3.21. Расчетная зависимость изменения относительного коэффициента пропускания от канального напряжения для структуры, показанной на рис. 3.20.

Рис. 3.22. Экспериментальные и теоретические зависимости глубины модуляции пропускания -каскадного ПЗС на GaAs. Вид тактовых сигналов: -постоянные напряжения; (2) — обычные тактовые сигналы ПЗС.

экранирование света над затворами, повышено максимальное канальное напряжение до величин около 22 В и подложка которого была уменьшена до приблизительно 50 мкм. Модуляционные характеристики этого -каскадного линейного устройства показаны на рис. 3.22 для длины волны 900 нм. Измерения были проведены и для постоянных напряжений (пустые кружочки) и для обычных ПЗС тактовых сигналов (заполненные кружочки), прикладываемых к устройству. Результаты показывают несколько меньшую глубину модуляции, чем предсказано. Имеется уверенность в том, что по меньшей мере часть различия между кривыми является результатом двумерных эффектов в квантовых ямах в ПЗС, не учтенных в представленных выше одномерных расчетах. На электрические поля в каналах ПЗС сильное влияние оказывают потенциалы электродов соседних затворов, и эти накладывающиеся поля могут искажать форму зарядовых пакетов на краях потенциальной ямы. Следовательно, электрические поля в яме не полностью определяются зарядом в яме, соответствующим уравнению (3.4).

Хотя глубина модуляции продолжает увеличиваться с ростом напряжения канала, принципиальным ограничением этого напряжения является возникновение лавинного умножения, приводящего к заполнению ям нежелательным зарядом. Проблема лавинного заряда является особенно острой для краевых областей электродов затворов, где большие различия тактовых напряжений между смежными затворами возникают в промежутке, который с необходимостью должен быть мал, чтобы избежать проблем, связанных с неконтролируемым потенциалом под затвором. На основании имеющегося в настоящее время опыта для материалов с можно предполагать верхний предел около 25 В. При больших степенях легирования электрическое поле на поверхности увеличивается для заданного канального напряжения, приводя к снижению пробойных напряжений. В. общем наибольший уровень модуляции требует высоких управляющих напряжений, что в свою очередь требует использования толстых слаболегированных каналов. Практическое ограничение канальных напряжений возникает вследствие необходимости генерировать тактовые сигналы с соответственно большим размахом. По мере того, как тактовые частоты начинают превышать значение 10 МГц, становится все более трудно создать тактовую цепь ПЗС, которая могла бы генерировать на емкостной нагрузке импульсы с малым временем нарастания и спада. При этом мощность, рассеиваемая такими формирователями тактовых импульсов, может стать излишне большой.

Данные на рис. 3.21 показывают, что даже при лучшем стечении обстоятельств спад пропускания составит самое большее 30%. Этой величины более чем достаточно для некоторых задач обработки сигналов, таких как двумерное преобразование Фурье

[16], но, видимо, это не пригодно для задач оптических вычислений. Таким образом имеются вынужденные причины для поиска альтернативных структур, которые и позволят усилить глубину модуляции, и снизят требования к управляющим напряжениям.

Недавно в [13] были представлены некоторые идеи относительно путей дальнейшего прогресса в данном направлении. Один важный момент, который следует отметить, состоит в том, что из-за ярко выраженной нелннейной зависимости между коэффициентом поглощения и электрическим полем, области ПЗС канала со слабым полем вносят непропорционально малый вклад в поглощение. Так, основная часть электропоглощения в структуре на рис. 3.8, а возникает вблизи затвора, где поле максимально. Более эффективной могла бы быть структура, в которой электрическое поле распределено однородно по большей части канала. Другим путем увеличения соотношения контраста является подход, в котором применяются многослойные структуры и управляющие электрические напряжения прикладываются к слоям параллельно, а оптическое поглощение осуществляется при последовательном прохождении слоев. Оба подхода воплощены в структуре, показанной на рис. 3.23. Основная

Рис. 3.23. Иллюстрация к методике увеличения контраста ПМС, основанного на электропоглощении и использующего многослойную комбинацию ячеек.

ячейка состоит из последовательно легированных слоев. Слои -типа сильно легированы и действуют как управляющие электроды или затворы, электрически разделяя каждую ячейку, в то время как в -слое поддерживается однородное электрическое поле для получения максимального электропоглощения. Расчеты показали, что всего лишь на 4 ячейках при 20 В может быть получено затухание в 10 дБ.

Хотя этот подход привлекателен с точки зрения рабочих характеристик, он порождает значительные трудности при изготовлении устройств. Среди многих проблем изготовления этой структуры возникает необходимость создания контактов между и -слоями с помощью глубоких каналов, протравленных в материале. Это требование увеличило бы, вероятно, минимальный размер элемента (50 мкм), что является нежелательным обстоятельством с точки зрения быстродействия и выхода годных устройств.