AT502657B1 - Speicherelement für eine optische signalausgabe - Google Patents

Description

2 AT 502 657 B1

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. 5 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 pm zu emittieren, sondern auch Ladungsträger in den tiefen Störstellen während einer gewissen Zeitspanne festzuhalten, in der diese Ladungsträger mit Hilfe einer Beleuchtung im mittleren Infrarotbe-io reich 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 pm photonics“, Solid-State Electronics, 47 (2003) 165-168), das Speicherplätze aus mit 15 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 pm erhalten werden, die vorteilhaft von Lichtwellenlei-20 tern 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 Auslesen des Speicherelementes mit Hilfe eines Lasers einen nicht anwendungsgerechten Aufwand mit sich bringt. 25 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. 30 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 Halb-35 leiterschicht 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 p-n-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 40 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 Sperrrichtung 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-n-Übergangs erheblich unterhalb der Durchbruchspan-45 nung der durch den p-n-Übergang 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 als Antwort auf eine solche Steuer-50 Spannung in Sperrrichtung 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 Schwell-55 wertes an den p-n-Übergang angelegt, so werden zwar die tiefen Störstellen ebenfalls entladen, 3 AT 502 657 B1 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 we-5 sentliche 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 io 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. 15 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. 20

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 25 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. 30 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 35 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 = 1017 cm'3. Auf diese p+-dotierte Halbleiterschicht 1 ist eine n-dotierte Halblei-40 terzwischenschicht 2, im Ausführungsbeispiel eine durch eine Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte n-dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von 1 pm und einer Ladungsträgerkonzentration von η = 2.1015 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 dargestell-45 ten Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine mit Erbium dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von ca. 70 nm, wobei die Erbiumkonzentration 1018 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 so optisch aktive Schicht 3 liegt. Während die Halbleiterschicht 4, die eine Dicke von 10 pm aufweist, eine der Ladungsträgerkonzentration der Zwischenschicht 2 entsprechende Zusammensetzung aufweist, besteht die n+-dotierte Halbleiterschicht 5 aus Silizium mit einer Ladungsträgerkonzentration η = 6.1018 cm'3. Zum Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an den durch die Halbleiterschichten 1 und 5 bestimmten p-n-Überganges dienen Elektrodenschichten 55 6 und 7. Die durch den p-n-Übergang gebildete Diode des dargestellten Ausführungsbeispiels

Claims (4)

1. 4 AT 502 657 B1 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 Halbleiter-5 Schicht 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 λ = 1,54 pm emittieren. Nach diesem "Schreibvorgang" werden die von den tiefen Störstellen aufgenommenen Ladungsträger während einer be-io schränkten Speicherzeit festgehalten, obwohl keine Steuerspannung am p-n-Übergang anliegt. Wird innerhalb eines durch die Speicherzeit begrenzten Zeitfensters der p-n-Übergang 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 15 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 20 der Erbiumionen, die mit einer Lichtemission im Wellenlängenbereich λ = 1,54 pm antworten. Diese Lichtemissionen können als optische Ausgangssignale in an sich bekannter Weise genützt werden. Liegt die Amplitude des Steuerspannungsimpulses unterhalb des Schwellwertes, so können 25 zwar die Ladungsträger von den tiefen Störstellen frei gegeben werden, 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. 30 Wie der Fig.
2. 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 35 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. 40 Patentansprüche: 1. Speicherelement für eine optische Signalausgabe mit einer optisch aktiven, kristallinen Halbleiterschicht, die tiefe Störstellen aufweist und mit einer nach einer Anregung Photo-45 nen emittierenden Substanz dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch aktive Halbleiterschicht (3) in einer Raumladungszone eines p-n-Übergangs liegt, der zum Auslesen eines optischen Signals in Rückwärtsrichtung über Elektrodenschichten (6, 7) mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist. so 2. Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der p-n-Übergang zur Signalspeicherung in Vorwärtsrichtung über die Elektrodenschichten (6, 7) mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist.
3. 3. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den p-55 und n-dotierten Halbleiterschichten (1, 5) des p-n-Übergangs einerseits und der optisch 5 AT 502 657 B1 aktiven Halbleiterschicht (3) anderseits zwei schwach n-dotierte Halbleiterzwischenschichten (2, 4) angeordnet sind.
4. 4. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elekt-5 rodenschichten (6, 7) zur Beaufschlagung der p- und n-dotierten Halbleiterschichten (1, 5) jeweils aus parallelen Leiterbahnen (6a, 7a) aufgebaut sind, die einander im Bereich von je für sich beaufschlagbaren Speicherplätzen kreuzen. io Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 15 20 25 30 35 40 45 50 55