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Die Erfindung bezieht sich auf ein Speicherelement für eine optische Signalausgabe mit einer optisch aktiven, kristallinen Halbleiterschicht, die tiefe Störstellen aufweist und mit einer nach einer Anregung Photonen emittierenden Substanz dotiert ist.
Es ist bekannt, dass mit Erbium dotiertes kristallines Silizium, das tiefe Störstellen aufweist, die Eigenschaft hat, nach einer Band-zu-Band Anregung mit einem Laserstrahl im sichtbaren Wellenbereich nicht nur Licht mit einer vom Erbium abhängigen Wellenlänge von 1 ,54 [mu]m zu emittieren, sondern auch Ladungsträger in den tiefen Störstellen während einer gewissen Zeitspanne festzuhalten, in der diese Ladungsträger mit Hilfe einer Beleuchtung im mittleren Infrarotbereich freigesetzt werden können, und zwar mit der Wirkung, dass durch eine Elektronen-Loch-Rekombination das Erbium zur Emission von Licht angeregt wird.
Um diesen Umstand für optische Speicherelemente nützen zu können, wurde bereits ein Speicherelement vorgeschlagen (M. Forcales, T. Gregorkiewicz, J. M. Zavada, "Silicon-based all-optical memory elements for 1.54 [mu]m photonics", Solid-State Electronics, 47 (2003) 165168), das Speicherplätze aus mit Erbium dotiertem Silizium aufweist, die je für sich mit einem Laserstrahl angeregt werden können. Die von der Anregung abhängige Information kann dann mit Hilfe eines Lasers mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich innerhalb eines durch die Speicherzeit begrenzten Zeitfensters abgefragt werden, wobei als Ausgangssignale Lichtimpulse mit einer für Erbium charakteristischen Wellenlänge von 1 ,54 [mu]m erhalten werden, die vorteilhaft von Lichtwellenleitern übertragen werden können.
Nachteilig bei diesen bekannten Speicherelementen ist allerdings, dass der beobachtete optische Speichereffekt nur bei tiefen Temperaturen kleiner als 50 K genützt werden kann und insbesondere das Ausle sen des Speicherelementes mit Hilfe eines Lasers einen nicht anwendungsgerechten Aufwand mit sich bringt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Speicherelement für eine optische Signalausgabe der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass vor allem das Auslesen von Information in vergleichsweise einfacher Art elektrisch gesteuert werden kann, und zwar bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Raumtemperatur.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die optisch aktive Halbleiterschicht in einer Raumladungszone eines p-n-Übergangs liegt,
der zum Auslesen eines optischen Signals in Rückwärtsrichtung über Elektrodenschichten mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Anordnung der optisch aktiven Halbleiterschicht in einer Raumladungszone eines p-n-Überganges die tiefen Störstellen der optisch aktiven Halbleiterschicht beim Anlegen einer Vorwärtsspannung freie Ladungsträger an sich binden und bei einer Beaufschlagung des pn-Überganges in Rückwärtsrichtung wieder frei geben, wobei es von der Grösse des im Rückwärtssinn angelegten elektrischen Feldes abhängt, ob die freigegebenen Ladungsträger ausreichend Energie für eine Anregung der optisch aktiven Substanz aufnehmen, so dass diese optisch aktive Substanz Photonen mit einer von dieser Substanz bzw. deren Dotierung abhängigen Wellenlänge emittiert.
Es ergibt sich somit für die in Sperrichtung des p-n-Übergangs angelegte Spannung ein Schwellwert, von dem es abhängt, ob die Photonen emittierende Substanz angeregt wird. Da der Schwellwert der Spannung für die Rückwärtsbeaufschlagung des p-nÜbergangs erheblich unterhalb der Durchbruchspannung der durch den p-nÜbergang gebildeten Diode liegt, ergibt sich der Vorteil, dass durch die Wahl einer Steuerspannung im Rückwärtssinn des p-n-Übergangs mit einer Amplitude zwischen dem Schwellwert und der Durchbruchspannung die in den tiefen Störstellen festgehaltenen Ladungsträger frei gegeben und mit einer für die Anregung der optisch aktiven Substanz erforderlichen Energie beaufschlagt werden können,
so dass "[phi]"# # #
als Antwort auf eine solche Steuerspannung in Sperrichtung des p-n-Übergangs eine Lichtemission mit einer bestimmten von der optisch aktiven Substanz abhängigen Wellenlänge erhalten wird, und zwar innerhalb einer Zeitspanne, die der durchschnittlichen Speicherzeit der Ladungsträger in den tiefen Störstellen entspricht. Voraussetzung ist, dass die tiefen Störstellen vorausgehend mit Ladungsträgern angereichert wurden. Wird eine Steuerspannung in Rückwärtsrichtung unterhalb des Schwellwertes an den p-n-Übergang angelegt, so werden zwar die tiefen Störstellen ebenfalls entladen, die optisch aktive Substanz jedoch nicht angeregt, was einer Löschung der durch das Auffüllen der tiefen Störstellen mit Ladungsträgern gegebenen Information gleichkommt.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Massnahmen lassen sich somit Speicherelemente für eine optische Signalausgabe verwirklichen, wobei das Auslesen der Information über Spannungsimpulse als wesentliche Voraussetzung für eine vielfältige Anwendung solcher Speicherelemente angesehen werden muss. Dazu kommt, dass die beschriebene Wirkung auch bei Raumtemperatur beobachtet werden kann, was die Einsatzmöglichkeiten naturgemäss vergrössert.
Die Anreicherung der tiefen Störstellen mit Ladungsträgern kann in an sich bekannter Weise durch eine Beleuchtung mit kurzwelligem Licht erfolgen.
Zur Signalspeicherung kann aber auch der p-n-Übergang in Vorwärtsrichtung über die Elektrodenschichten mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, so dass sowohl das Einlesen als auch das Auslesen der Information über Spannungsimpulse gesteuert werden kann.
Um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass die Anregung bestimmter optisch aktiver Substanzen durch Elektronen besonders wirkungsvoll ist, können zwischen den p- und n-dotierten Halbleiterschichten des p-n-Übergangs einerseits und der optisch aktiven Halbleiterschicht anderseits zwei unterschiedlich n-dotierte Halbleiterzwischenschichten angeordnet werden, um die Anregung der optisch aktiven Substanz und damit den Wirkungsgrad zu verbessern.
Speicherelemente mit einer Vielzahl von Speicherplätzen können in besonders vorteilhafter Weise dadurch erhalten werden,
dass die beiden Elektrodenschichten zur -
Beaufschlagung der p- und n-dotierten Halbleiterschichten jeweils aus parallelen Leiterbahnen aufgebaut sind, die einander im Bereich von je für sich beaufschlagbaren Speicherplätzen kreuzen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Speicherplätze über die sich im Bereich dieser Speicherplätze kreuzenden Leiterbahnen können die Speicherplätze je für sich mit Steuerimpulsen zum Ein- und Auslesen bzw. Löschen der durch die Auffüllung der tiefen Störstellen mit Ladungsträgern verbundenen Information angesteuert werden.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemässen Speicherelementes in einem schematischen Schnitt und Fig. 2 ein Speicherelement mit einer Vielzahl von Speicherplätzen ausschnittsweise in einem schematischen Schaubild.
Das in der Fig. 1 dargestellte Speicherelement weist eine p<+>-dotierte Halbleiterschicht 1 als Trägerschicht auf, beispielsweise ein p<+>-dotiertes Siliziumsubstrat mit einer Ladungsträgerkonzentration von p = 10<17>cm<"3>. Auf diese p<+>-dotierte Halbleiterschicht 1 ist eine n-dotierte Halbleiterzwischenschicht 2, im Ausführungsbeispiel eine durch eine Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte n-dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von 1 [mu]m und einer Ladungsträgerkonzentration von n = 2.10<15>cm<"3>aufgebracht.
Dieser n-dotierten Halbleiterzwischenschicht 2 folgt eine mit Hilfe einer Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte optisch aktive Halbleiterschicht 3, die mit einer nach einer Anregung Photonen emittierenden Substanz dotiert ist. Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine mit Erbium dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von ca. 70 nm, wobei die Erbiumkonzentration 10<18>cm<"3>beträgt. Der optisch aktiven Schicht 3 folgt eine weitere durch eine Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte n-dotierte Halbleiterzwischenschicht 4, auf die eine n<+>dotierte Halbleiterschicht 5 aufgetragen ist, zwischen der und der p<+>-dotierten Halbleiterschicht 1 sich eine Raumladungszone ergibt, in deren Bereich die optisch aktive Schicht 3 liegt.
Während die Halbleiterschicht 4, die eine Dicke von 10 [mu]m aufweist, eine der Ladungsträgerkonzentration der Zwischenschicht 2 entsprechende fm
Zusammensetzung aufweist, besteht die n<+>-dotierte Halbleiteschicht 5 aus Silizium mit einer Ladungsträgerkonzentration n = 6.10<18>cm<"3>. Zum Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an den durch die Halbleiterschichten 1 und 5 bestimmten p-n-Überganges dienen Elektrodenschichten 6 und 7.
Die durch den p-n-Übergang gebildete Diode des dargestellten Ausführungsbeispiels weist eine Durchbruchspannung von ca. -20 V auf.
Wird das Speicherelement gemäss der Fig. 1 mit einem Spannungsimpuls von beispielsweise +10 V in Vorwärtsrichtung beaufschlagt, so findet im Bereich der optisch aktiven Halbleiterschicht 3 eine Band-zu-Band-Anregung statt, die eine Füllung der tiefen Störstellen dieser Schicht 3 mit freien Ladungsträgern und zugleich eine Anregung der Erbiumionen aufgrund von Elektronen-Loch-Rekombinationen mit der Wirkung nach sich zieht, dass die optisch aktiven Erbiumionen Licht im Wellenbereich von [lambda] = 1 ,54 [mu]m emittieren. Nach diesem "Schreibvorgang" werden die von den tiefen Störstellen aufgenommenen Ladungsträger während einer beschränkten Speicherzeit festgehalten, obwohl keine Steuerspannung am p-n-Übergang anliegt.
Wird innerhalb eines durch die Speicherzeit begrenzten Zeitfensters der p-nÜbergang mit einem Spannungsimpuls im Rückwärtssinn beaufschlagt, so kann die durch die in den tiefen Störstellen festgehaltenen Ladungsträger bestimmte Information gelesen und als optisches Signal ausgegeben werden, wenn dieser Spannungsimpuls über einem vom Aufbau der optisch aktiven Schicht 3 abhängigen Schwellwert liegt. Dieser Schwellwert kann gemäss der gewählten Struktur der optisch aktiven Halbleiterschicht 3 des Ausführungsbeispiels mit ca. -5 bis -8 V angegeben werden.
Ein Spannungsimpuls mit einer Amplitude von -10 V, also einer Spannungsamplitude die deutlich unterhalb der Durchbruchspannung liegt, bedingt somit eine Freigabe der in den tiefen Störstellen festgehaltenen Ladungsträger und dadurch eine Anregung der Erbiumionen, die mit einer Lichtemission im Wellenlängenbereich [lambda] = 1 ,54 [mu]m antworten. Diese Lichtemissionen können als optische Ausgangssignale in an sich bekannter Weise genützt werden.
Liegt die Amplitude des Steuerspannungsimpulses unterhalb des Schwellwertes, so können zwar die Ladungsträger von den tiefen Störstellen frei gegeben werden, r. doch reicht die Energie dieser Ladungsträger nicht zur Anregung der Erbiumionen aus, so dass keine Antwort auf den Steuerungsimpuls in Form einer Lichtemission erfolgt.
Dies bedeutet im Hinblick auf die Speicherfunktion des Speicherelementes, dass der Speicherinhalt vor einem Auslesen gelöscht werden kann.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, kann ein Speicherelement gemäss der Fig. 1 in einfacher Weise mit einer Vielzahl von Speicherplätzen versehen werden, wenn die Elektrodenschichten 6 und 7 in einander kreuzende, parallele Leitungsbahnen 6a und 7a aufgelöst werden, so dass sich im Kreuzungsbereich dieser Leiterbahnen 6a und 7a je für sich ansteuerbare Speicherplätze ergeben. Um eine gegenseitige Beeinflussung bei der Ansteuerung benachbarter Speicherplätze zu vermeiden, können die einzelnen Speicherplätze zusätzlich voneinander durch beispielsweise lithographisch aufgebrachte Isolatorbereiche getrennt werden, was jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. l[Lambda]r
Mt[alpha]