DE19523608C2 - Optoelektronisches Bauelement, sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauele­ ment gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zu seiner Herstel­ lung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein opti­ sches Bauelement, basierend auf zwei durch Tunnelpro­ zesse gekoppelten zweidimensionalen Ladungsträgerga­ sen.

Für eine Vielzahl von technologischen Anwendungen ist es erforderlich, optische Signale in elektrische oder umgekehrt elektrische Signale in optische umzuwandeln. Um dies für das gesamte optische Spektrum zu ermögli­ chen wurden eine Vielzahl unterschiedlicher elektro­ optischer Bauelemente entwickelt. In der Anwendung fin­ den zunehmend Bauelemente basierend auf Halbleitermate­ rialien wegen ihrer Kleinheit und ihren geringen Her­ stellungskosten Verbreitung.

Klassische optische Detektoren wie PIN- oder MSM-Detektoren beruhen auf der Trennung von photogenerier­ ten Ladungsträgern im elektrischen Feld und dem Nach­ weis des hieraus resultierenden elektrischen Stromes. Freie Ladungsträger werden hierbei entweder durch Anre­ gung von Elektronen aus dem Valenzband des Halbleiters oder aber durch Anregung von Ladungsträgern aus Stör­ stellen erzeugt.

Diesen Detektoren ist gemeinsam, daß Licht oberhalb ei­ ner gewissen, dem Bauelement spezifischen Grenzfrequenz nachgewiesen wird. Diese ist im Falle der Anregung aus dem Valenzband durch die Bandlücke des Halbleiters ge­ geben und im Falle der Anregung aus Störstellen durch deren energetische Lage innerhalb der Bandlücke des Halbleiters. Die Grenzfrequenz befindet sich je nach verwendetem Material im Sichtbaren bis Infrarotem Spek­ tralbereich. Die Detektion eines begrenzten Frequenz­ bandes ist ohne optische Filter jedoch nicht möglich.

Auf quantenmechanischen Prinzipien beruhende, optische Detektoren nutzen zum Nachweis der Photonen die Anre­ gung von Ladungsträgern aus quantisierten Zuständen. Eine Bauform beruht hierbei auf der Emission von La­ dungsträgern aus einem zweidimensionalen Ladungsträger­ gas. Die angeregten Ladungsträger werden von einem elektrischen Feld abgezogen, wobei der elektrische Strom ein Maß für die Lichtintensität ist. Aber auch dieser im langwelligen Infraroten arbeitende Detektor erlaubt keine Unterscheidung des einfallenden Lichtes oberhalb der durch die Barrierenhöhe vorgegebenen Grenzfrequenz.

Neben optischen Detektoren sind lichterzeugende Halb­ leiter Bauelemente von großer technologischer Bedeu­ tung. Hierbei kann zwischen Leuchtdioden und Halblei­ terlasern unterschieden werden.

Leuchtdioden erzeugen ihr Licht durch Rekombination von Elektronen mit Löchern oder durch Rekombination von La­ dungsträgern mit geladenen Störstellen. Die Frequenz des ausgestrahlten Lichtes wird bei Rekombination von Elektronen und Löchern durch die Bandlücke bestimmt, bei der Rekombination von Ladungsträgern mit Störstel­ len durch die energetische Lage der Störstelle inner­ halb der Bandlücke des Halbleiters. Die Frequenz des ausgesandten Lichtes liegt im sichtbaren bis infraroten Bereich des Spektrums.

Laser zeichnen sich durch die Kohärenz (feste Phasenbe­ ziehung) des emittierten Lichtes aus. Voraussetzung für das Lasern eines optischen Bauelementes ist das Errei­ chen einer Besetzungsinversion in einem System mit quantisierten Zuständen. Mit Besetzungsinversion wird ein Zustand bezeichnet, in dem energetisch höher lie­ gende Zustände stärker besetzt sind als energetisch tiefer liegende Zustände.

In den gebräuchlichen Halbleiterheterostrukturlasern wird dies durch die Injektion von Elektronen und Lö­ chern in einen Quantentopf erreicht. Die Frequenz des ausgestrahlten Lichtes wird hierbei im wesentlichen durch die Bandlücke des Halbleiters bestimmt, und liegt daher im sichtbaren bis kurzwelligen Infraroten Bereich des Spektrums.

Für den langwelligen Infrarotbereich wurden Leuchtdi­ oden basierend auf dem Tunneleffekt entwickelt, deren Eignung als Laser diskutiert wird. Die hierbei verwen­ deten Strukturen bestehen aus zwei dotierten Schichten zwischen denen zwei oder mehr Quantentöpfe eingeschlos­ sen sind. Legt man zwischen der oberen und der unteren dotierten Schicht eine Spannung an, so werden Ladungs­ träger aus dem dotierten Bereich durch eine Tunnelbar­ riere in den nächst unteren Quantentopf injiziert. Da Tunnelprozesse zwischen zweidimensionalen (2D) Ladungs­ trägersystemen nur stattfinden können, wenn die Gesam­ tenergie und der Impuls parallel zur Tunnelbarriere er­ halten bleiben, können die Ladungsträger nur für be­ stimmte Spannungen aus dem oberen Quantentopf in den nächst unteren Tunneln. Bestehen beide Töpfe aus dem gleichen Material ist dies immer dann gegeben, wenn die energetische Lage zweier Zustände im oberen und unteren Topf gleich ist.

Wird zwischen den dotierten Schichten eine Spannung an­ gelegt, so daß auf Grund des Feldverlaufes der Grundzu­ stand des oberen Topfes mit dem ersten angeregten Zu­ stand des unteren Topf es in Resonanz ist, können La­ dungsträger in den angeregten Zustand tunneln und an­ schließend unter Ausstrahlung von Licht in den Grund zu­ stand relaxieren.

Für das Erreichen einer Besetzungsinversion und somit für die Verwendung als Laser sind solche Strukturen je­ doch problematisch. Voraussetzung für die Besetzungsin­ version im unteren Topf ist das schnelle Abführen der Ladungsträger im Grundzustand. Dies kann nur dann er­ zielt werden, wenn die untere Barriere des unteren Top­ fes sehr dünn ist. Da die Ladungsträger den unteren Topf jedoch durch nicht-resonantes Tunneln verlassen, können sowohl Ladungsträger aus dem Grundzustand, wie auch aus dem angeregten Zustand abfließen. Die Tunnel­ wahrscheinlichkeit der Ladungsträger in angeregten Zu­ stände ist wegen des geringeren Abstandes von der Bar­ rierenkante jedoch größer als die der Ladungsträger im Grundzustand. Dies hat zur Folge, daß es nicht möglich ist, mehr Ladungsträger im angeregten als im Grundzu­ stand anzusammeln, wie es für eine Besetzungsinversion notwendig wäre.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein optoelektronisches Bauelement zu schaffen und ein Verfahren zur Herstel­ lung eines solchen Bauelements bereitzustellen, bei dem eine Energie- (bzw. Frequenz-)selektivität des erzeug­ ten bzw. genutzten Lichtes erzielt wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach An­ spruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Ver­ fahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 3. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungs­ formen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die getrennte, ohmsche Kontaktierung zweier durch Tunnelprozesse gekoppelten 2D-Ladungsträgergase enthaltende Kanalschichten. Ein lichtdurchlässiges Oberflächengate ermöglicht das Ver­ schieben der energetischen Quantenzustände in den 2D-Ladungsträgergasen gegeneinander.

Anforderungen an das Schichtsystem sind das Vorhanden­ sein von 2D-Ladungsträgergasen (Dicke der Schichten in der Größenordnung der Fermiwellenlänge), sowie ausrei­ chend kleiner Abstand zwischen diesen 2D-Ladungsträgergasen (kleiner als Fermiwellenlänge in der Barriere).

Auf diese Weise werden genügend hohe Tunnelströme er­ reicht.

Für den Betrieb des Bauelementes als Detektor ist ent­ scheidend, daß Tunnelprozesse nur stattfinden können, wenn die Gesamtenergie und der Impuls parallel zur Schichtstruktur erhalten bleibt. Bei Lichteinstrahlung sind photoinduzierte Tunnelprozesse zwischen den Schichten möglich. Das Photon bringt hierbei den zur Resonanz fehlenden Energiebeitrag ein. Detektiert wird wegen der 2D-2D Tunnelcharakteristik (peakförmige Strom-Spannungskennlinie) hierbei nur Licht eines schmalen Frequenzbandes. Durch eine an das Oberflächen­ gate bzw. an die Kanäle angelegte Spannung lassen sich die Quantenzustände beider Schichten steuern, was eine Verschiebung der Absorptionsbande zur Folge hat. Auf Grund der Auswahlregeln für die Absorption von Licht ist ein seitliches Einkoppeln des Lichtes erforderlich. Dies kann entweder durch eine schräge Stellung des De­ tektors zum einfallenden Licht oder durch ein seitli­ ches Anschleifen des Bauelementes erreicht werden.

Zur vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Bau­ elements als optischer Detektor ist eine getrennte Kon­ taktierung beider Kanäle vorgesehen, so daß der durch einfallendes Licht induzierte Strom von der einen zur anderen Elektrode ausschließlich über die Barriere­ schicht fließt. Damit Licht in den aktiven Bereich des Bauelementes unterhalb des Gates einfallen kann, muß dieses Gate im zu detektierenden Spektralbereich licht­ durchlässig sein.

Sind oberer Kanal und unterer Kanal getrennt kontak­ tiert, so kann wegen Energie- und Impulserhaltung nur bei einer bestimmten zwischen den Kanälen angelegten Spannung ein Tunnelstrom fließen. Diese Spannung ist durch das Gate auf der Oberfläche steuerbar.

Eine vom oberen Kanal getrennte Kontaktierung des unte­ ren Kanales kann durch einen wie oben beschriebenen Oberflächenkontakt erzielt werden, wobei jedoch zusätz­ lich dafür Sorge getragen werden muß, daß der tiefer­ liegende, untere Kontakt nicht gleichzeitig auch die darüberliegende, obere Kanalschicht kontaktiert. Es ist notwendig, den Ladungstransport durch die obere Kanal­ schicht auszuschließen. Dies kann entweder durch ein Wegätzen des oberen Kanals oder aber durch eine La­ dungsträgerverarmung mittels eines Gates erreicht wer­ den.

Der erfindungsgemäße, optische Detektor ist durch Va­ riation der Gate-Spannung auf diese Weise in der Lage, einen Energiebereich innerhalb des optischen Spektrums abzutasten. Der empfindliche Nachweisbereich liegt für gleichartig geladene, benachbarte Schichten im Infra­ rot- bis Ferninfrarotbereich (1-1000 µm), für unter­ schiedlich geladene Schichten (pn-Strukturen) im sicht­ baren bis infraroten Bereich des Spektrums (0,4-10 µm). Das Auflösungsvermögen ist im wesentlichen durch die Temperaturaufweichung der Fermikante gegeben und läßt sich daher durch Kühlung drastisch steigern (beispiels­ weise von 26 meV bei 300 K auf 1 meV bei 4 K).

Der optische Detektor ist insbesondere wegen seiner Empfindlichkeit im ferninfraroten Spektralbereich einsetzbar.

Als Leuchtdiode arbeitet das Bauelement, bringt man durch eine geeignete Spannung zwischen Oberflächengate und oberen Kanal dessen Grundzustand mit dem ersten an­ geregten Zustand des unteren Kanales in Resonanz. In diesem Fall tunneln Ladungsträger in den angeregten Zu­ stand und relaxieren dort unter Ausstrahlung von Licht in den Grundzustand. Die Frequenz des abgestrahlten Lichtes wird durch den energetischen Abstand des ange­ regten Zustandes bestimmt. Sie liegt für gleichartig geladene, benachbarte Schichten im Infrarot- bis Fern­ infrarotbereich (1-1000 µ), für unterschiedlich gela­ dene Strukturen (pn-Strukturen) im sichtbaren bis in­ fraroten Bereich des Spektrums (0,4-10 µm).

Im Vergleich zu den bisherigen Leuchtdioden, basierend auf dem Tunneleffekt, besitzt das erfindungsgemäße opt. Bauelement deutliche Vorteile für einen Betrieb als La­ ser. Die Elektronen in angeregten Zuständen können auf ihrem Weg zu den seitlichen ohmschen Kontakten relaxie­ ren, so daß im wesentlichen Elektronen im Grundzustand aus dem System abgeführt werden, was das Erreichen ei­ ner Besetzungsinversion erheblich vereinfacht. Deswei­ teren ist der verwendete Schichtaufbau kompatibel zu dem von klassischen Feldeffekttransistoren und erleich­ tert somit die Integration mit elektronischen Bauele­ menten.

Insbesondere ermöglicht das Oberflächengate einen Ein­ satz des Bauelementes als optischen Transistor. Über eine an das Oberflächengate angelegte Spannung kann die Intensität des ausgestrahlten Lichtes auf einfache Wei­ se moduliert werden. Dies zeichnet das erfindungsgemäße Bauelement gegenüber den gängigen Laser- und Leuchtdi­ oden aus.

Diese sind wegen ihrer dotierten oberflächennahen Schichten nur bedingt in eine steuerbare Bauform zu bringen. Dies gilt sowohl für die oben erwähnten klas­ sischen Leuchtdioden wie auch für die Tunnelbauelemen­ te.

In der Zeichnung sind Bauelemente gemäß der Erfindung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Funktionsprinzip des optischen 2D-2D Tunnelde­ tektors;

Fig. 2 Funktionsprinzip der 2D-2D Tunnelleuchtdiode bzw. des 2D-2D Tunnellasers;

Fig. 3 auf Tunnelprozessen zwischen zweidimensionalen Ladungsträgerschichten basierender Photodetek­ tor, Leuchtdiode bzw. Laser.

Ausführungsbeispiel 1

Die Funktionsweise des 2D-2D Tunneldetektors beruht auf photoinduzierten Tunnelprozessen zwischen quantisierten Zuständen benachbarter 2D Ladungsträgergase. Die Fig. 1 zeigt den Fall eines Elektrons Grundzustand N2₀ des Kanals 2 welches ein Photon absorbiert und in den Grundzustand N1₀ des Kanals 1 tunnelt. Die hierzu not­ wendige Photonenenergie entspricht dem energetischen Abstand der beiden Grundzustände, der durch die an die Kanäle angelegte Spannung sowie durch die Spannung des Oberflächengates variiert werden kann.

Ausführungsbeispiel 2

Die Funktionsweise der 2D-2D Tunnelleuchtdiode bzw. des 2D-2D Tunnellasers beruht auf der in Fig. 2 darge­ stellten Injektion von Ladungsträgern im Resonanzfall aus dem Grundzustand N1₀ des Kanals 1 in den ersten an­ geregten Zustand N2₁ des Kanals 2 und der anschließen­ den Relaxation des Ladungsträgers unter Lichtausstrah­ lung in den Grundzustand N2₀. Die Anordnung der Ener­ gieniveaus entspricht der eines Drei-Niveau-Lasers.

Ausführungsbeispiel 3

Der Aufbau des Infrarotdetektors gemäß Fig. 3 beruht auf einem Halbleiterschichtsystem, bestehend aus zwei ladungsführenden Kanälen K1 und K2, zwischen denen eine Barriere B1 eingeschlossen ist. Es wird je ein ohmscher Kontakt zu nur einem der Kanäle hergestellt. Zur elek­ trischen Trennung des Kontaktes des unteren Kanales vom oberen Kanal wird der obere Kanal durch eine selektive Ätzung durchtrennt. Alternativ wäre eine solche Tren­ nung auch mittels Gate möglich. Ein lichtdurchlässiges Gate ermöglicht den Lichteinfall in den aktiven Bereich des Bauelementes unterhalb des Gates. Hier tunneln La­ dungsträger photoinduziert vom 2D-Kanal in den anderen 2D-Kanal. Die dazu notwendige Photonenenergie (Frequenz) kann durch Dimensionierung des Gates be­ stimmt bzw. festgelegt werden. Der Tunnelstrom ist so­ mit ein Maß für die Lichtintensität eines schmalen, durchstimmbaren Frequenzbandes.

Zur Bildung des erfindungsgemäßen Bauelements eines solchen auf einem InP-Substrat gebildeten Halbleiter­ schichtsystems nach Fig. 3 kann dabei als Material z. B. InGaAs für die Kanäle K1 und K2 und AlInAs für die Bar­ riere B1 gewählt werden. Die in der Fig. 3 dargestell­ te Schichtenfolge entspricht ebenfalls einer Leucht- oder Laserdiode oder einem Phototransistor.

Claims (4)

1. Optoelektronisches Bauelement mit einer Schichten­ folge (Kanal 1, Barriere 1, Kanal 2) zur Erzeugung eines elektrischen Stroms durch einfallendes Licht oder zur Umwandlung eines elektrischen Stromes in Licht, wobei die Schichtenfolge mehrere durch je­ weils eine Barrierenschicht (Barriere 1) getrennte, jeweils ein 2D-Ladungsträgergas enthaltende Kanal­ schichten (Kanal 1, Kanal 2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jeweils zwei eine Barrierenschicht begrenzende Kanal schichten eine Kontaktierung (Source, Drain) derart aufweisen, daß ein Strom durch die zwischen diesen Kanalschich­ ten befindliche Barriereschicht ausbildbar ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements mit einer Schichtenfolge (Kanal 1, Bar­ riere 1, Kanal 2) zur Erzeugung eines elektrischen Stroms durch einfallendes Licht, wobei die Schich­ tenfolge so ausgebildet wird, daß mehrere, jeweils ein 2D-Ladungsträgergas enthaltende Kanalschichten (Kanal 1, Kanal 2) durch jeweils eine Barrieren­ schicht (Barriere 1) getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die oder eine erste Ka­ nalschicht (Kanal 1) mit der oder einer zweiten Ka­ nalschicht (Kanal 2) derart kontaktiert wird, daß ein elektrischer Strom durch die zwischen diesen Ka­ nalschichten befindliche Barriereschicht (Barriere 1) ausbildbar ist.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtdurchlässig ausgebildetes Oberflächengate über der obenliegenden Kanalschicht auf der Schichten­ folge angeordnet ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtdurchlässig ausgebildetes Oberflächengate über der obenliegenden Kanalschicht auf der Schichtenfolge angeordnet wird.