DE2002134A1

DE2002134A1 - Optisch auslesbarer Informationsspeicher

Info

Publication number: DE2002134A1
Application number: DE19702002134
Authority: DE
Inventors: Engeler William Ernest; Marvin Garfinkel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-01-21
Filing date: 1970-01-19
Publication date: 1971-08-12
Also published as: JPS508318B1; US3623026A; FR2037047A1; FR2037047B1; GB1305801A

Description

Optisch auslesbarer Informationsspeicher

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y. USA

Die Erfindung betrifft optisch auslesbare Informationsspeicher,, und im besonderen Informationsspeicher, in denen elektromagnetische Strahlung integriert und der integrierte Wert gespeichert wird und optisch auslesbar ist.

Die Bedeutung, die optisch auslesbare Langzeit- und Kurzzeit- oder Zwischenspeicher besonders auf dem Computergebiet haben, ist bekannt. Besondere Beachtung wurde BildsReichern geschenkt, die beispielsweise in manchen Rechenanlagen in großer Zahl verwendet werden. In solchen Bildspeichern wird ein Bild momentan gespeichert j und zu einem bestimmten Zeitpunkt wird dann die gespeicherte Information optisch wieder ausgelesen, um beispielsweise ein Bild zu rekonstruieren.

Da man immer kleinere und zuverlässigere Speicher benötigt, wurden Pestkörper-Bildspeicher entwickelt, und solche .Festkörper-Bildspeicher gibt es dank der Fortschritte auf dem Halbleitergebiet in zahlreichen Ausführungsformen.

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In zahlreichen Pestkörper-Bildspeichern kann jedoch nur ein einziger Bildpunkt gespeichert werden, da zwischen seinen verschiedenen Speicherelementen durch Photoleitung ein übersprechen auftritt. Ein weiterer Nachteil vieler Bildspeicher besteht darin, daß in ihnen das Licht nicht integriert wird. Von solchen Speichern wird beim Auslesen nur ein Bild von dem abgegeben, was sie im Augenblick des Auslesens "sehen". Ein solcher Speicher kann daher noch nicht einmal als Kurzzeit- oder Zwischenspeicher verwendet werden. Es sind auch Bildspeicher mit p-n-Photodioden bekannt. Solche Bildspeicher müssen jedoch zum Auslesen gewöhnlich mit einem Elektronenstrahl abgetastet werden. Durch die bisherigen Versuche, die Nachteile der bekannten Bildspeicher zu überwinden, wurden die Bildspeicher keineswegs einfacher und zuverlässiger, sondern immer komplizierter.

Erfindungsgemäß wird nun zum Speichern eines Bildes ein Kondensator verwendet, dessen eine Platte ein elektrischer Leiter und dessen andere Platte ein Halbleiter ist und dessen Dielektrikum aus einer Isolationsschicht besteht. Ein solcher Kondensator soll im folgenden als CIS-Kondensator (Conductor-Insulator-Semiconductor) bezeichnet werden. Der CIS-Kondensator wird auf eine bestimmte Spannung aufgeladen, die die Energiebänder des Halbleiters an der Oberfläche so verzerrt, daß im Halbleiter unterhalb des elektrischen Leiters eine Verarmungszone entsteht. Der Halbleiter ist so ausgewählt, daß in ihm Minoritätsträger nur in beschränktem Umfang erzeugt werden können, so daß der Ungleichgewichtszustand erhalten bleibt, der durch das Aufladen ausgelöst worden ist. Zum Einspeichern von Information werden nun im Halbleiter Minoritätsträger in einer Menge erzeugt, die in einem ganz bestimmten Verhältnis zur einlaufenden Information steht, die beispielsweise in der Form einer elektromagnetischen Strahlung auf den CIS-Kondensator auffallen kann, deren Energie mindesten gleich der Badnbreite des Halbleiters ist. Die Zahl der erzeugten Minoritätsträger ist proportional dem integrierten Pluß der elektromagnetischen Strahlung. Durch das elektrische Feld innerhalb der Verarmungssone werden die erzeugten Minoritätsträger

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zur Halbleiteroberfläche geschwemmt und dort unterhalb des elektrischen Leiters mit nur geringen Verlusten gespeichert. Nun wird die Kondensatorspannüng umgepolt und damit wird die Richtung des elektrischen Feldes geändert. Die Minoritätsträger werden dadurch in das Innere des Halbleiters hinein injiziert. Bei der Rekombination der Minoritätsträger wird elektromagnetische Strahlung in einer Menge emittiert> die der Zahl der erzeugten und gespeicherten Minoritätsträger und somit dem aufgefallenen und integrierten Fluß der elektromagnetischen Strahlung propor-tional ist.

Ein erfindungsgemäßer CIS-Bildspeieher weist ein Halbelitermaterial auf, in dem Minoritätsträger nur thermisch und durch Tunneleffekt erzeugt werden können. Bei dieser Ausführungsform werden ein elektrischer Leiter und ein Isolator verwendet, die für Strahlung durchlässig sind, deren Energie der Bandbreite des Halbleiters entspricht, per Leiter und der Halbleiter sind durch eine nur dünne Isolationsschicht voneinander getrennt. Wenn der CIS-Bildspeicher beziehungsweise der CIS-Kondensator auf eine bestimmte Spannung aufgeladen worden ist und elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird, die durch den elektrischen Leiter und die Isolationsschiht hindurchgeht und deren Energie der Bandbreite des Halbleiters entspricht, werden im Halbleiter innerhalb der Verarmungszone oder in der iJähe davon Minoritätsträger erzeugt, die sich zur Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Isolationsschicht bewegen. Wenn nun die Spannung umgepolt und damit die Richtung des elektrischen Feldes geändert wird, werden die Minoritätsträger in den Halbleiter hinein injiziert, so daß durch Rekombination wieder elektromagnetische Strahlung entsteht* Die Strahlungsmenge ist wieder, wie bereits erwähnt, dem integrierten Fluß derjenigen Strahlung proportional₄ deren Energie der Bandbreite des Halbleiters entspricht.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

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Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen CIS-Kondensator, der eine Ausführungsform der Erfindung ist.

Figuren 2a bis 2e zeigen den Zustand der Energiebänder eines erfindungsgemäßen CIS-Bildspeicherkondensators unter den verschiedenen Betriebsbedingungen.

Figuren 3 bis 6 sind Querschnitte durch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer CIS-Bildspeicherkondehsatoren.

Kürzlich hat man gefunden, daß man CIS-Kondensatoreh dazu verwenden kann, in das Innere des Halbleiters Minoritätsträger zu injizieren, so daß man auf Wunsch auf einen p-n-übergang oder auf einen Injizierungskontakt verzichten kann. Wenn beispielsweise der Halbleiter p-leitend ist und der ohmsche Leiter gegenüber dem Halbleiter stark positiv gemacht wird, werden die Energiebänder des Halbleiters so verzerrt, daß sich in der Halbleiterzone direkt unterhalb des ohmschen Leiters eine Verarmungszone bildet. Wenn die ionisierten Fehlstellenzentren in hoher Konzentration vorliegen und wenn das elektrische Feld stark ist, beginnen die Minoritätsträger, sich durch den quantenmechanischen Tunneleffekt an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Isolatorschicht anzusammeln. Wenn dann die Spannung umgepolt und die Richtung des elektrischen Feldes somit geändert wird, werden die Minoritätsträger in den Halbleiter hinein geschwemmt. Wenn man als Halbleiter eine III-V-Verbindung wie GaAs verwendet, in der direkte Bandübergänge möglich sind, kann man auf Grund der auftretenden Rekombinationen der Ladungsträger eine Elektrolumineszenz beobachten. Halbleiter, in denen direkte Öandübergänge möglich sind, können als Halbleiter definiert werden, in denen Rekombinationen auftreten können, ohne daß während der Rekombinationen ein Phonon erzeugt oder absorbiert zu werden braucht.

Es wurde nun gefunden, daß es durch die richtige Auswahl des Halbleitermaterials für einen CIS-Kondensator (und durch die

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Auswahl der Betriebäbdingungen) möglich ist, innerhalb des Halbleiters gezielt Minoritätsträger zu erzeugen, so daß es möglich ist, einen CIS-Kondensator als ,optisch auslesbaren Informationsspeicher zu verwenden. .

Die Figur 1 zeigt nun, wie ein CIS-Kondensator aufgebaut sein kann, der sich als optisch auslesbarer Speicher verwenden läßt. Dieser Kondensator 10 weist eine p-leitende Haibleiterunterlage 11 auf, auf der eine Isolationsschicht 12 liegt. Auf die Isolationsschicht 12 ist eine Platte 13 aufgelegt worden, die aus einem ohmschen Leiter besteht. Mit "14" ist elektromagnetische Strahlung, bezeichnet worden, die die Platte 13 und die Isolationsschicht 12 durchdringt. Unten an der Unterlage "11 ist durch gestrichelte Linien ein Kontakt 15 dargestellt worden, der als Spitzenkontakt ausgebildet ist. Statt dessen kann man auch einen p-n-übergang verwenden. Es sei bemerkt, daß man Minoritätsträger entweder durch den Strahl 14 oder über den Kontakt 15 erzeugen kann, so daß es sich hier um zwei verschiedene Verfahren handelt.

Die Figur 2a zeigt nun den Verlauf der Energiebänder im Halbleiter eines CIS-Kondensators, bevor der Kondensator aufgeladen ist* Die Linien 16 und 17 stellen die Ränder des Leitfähigkeits- und des Valenzbandes dar. Die Linie 18 ist das Ferminiveau im Halbleiter, das näher am Valenzband liegt, weil der verwendete Halbleiter nach Voraussetzung p-leitend sein "soll. Die Stärke des resultierenden elektrischen Feldes ist in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Isolationsschicht gleich Null. " ■■■-■■■■ .'-" ; ^{; ;:} '■-

Wenn nun,'Wi"e""ih der Figur 2 b dargestellt ist, eine Spannung V^ angelegt wif'd, ale so gepolt ist, daß die Platte 13 positiv gegenüber der Halbleiterunterlage positiv wird, bildet sicn'Hm' - ^w; Halbleiter 11 unterhalb der Platte 13 eine Verarmungszone 19. '" Zu Beginn stammt die ganze Ladung, die durch die von außen angelegte Spannung'lh"; Bewegung gesetzt wird j von" lonlsler^en" Fehlst eilen (Dotierungszehtreri) äüs^ einem;""grenzs:ehlc^:h%näheri 'Öeblefe-, (das heißt, * aus der Verarmungszone_; 19)-> -aus, »dem _;Major.itätsträr

ger (positive Löcher) herausgeschwemmt worden sind.

Wenn keine Minoritätsträger vorhanden sind, ragt die Verarmungszone 19 mit steigender Vorspannung selbst dann immer weiter in den Halbleiter hinein, wenn der Bandrand 16 unter das Ferminiveau 18 gedrückt wird. Dieses ist in der Figur 2c dargestellt, in der die Vorspannung mit V. bezeichnet worden ist.

Die Oberfläche des Halbleiters unter der Metallplatte 13 befindet sich nun in einem Ungleichgewichtszustand. Die Breite der Verarmungszone ändert sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dotierungskonzentration. Die Minoritätsträger, die in der Verarmungszone oder in ihrer Nähe erzeugt werden, werden durch das elektrische FEId innerhalb der Verarmungszone zur Halbleiteroberfläche geschwemmt. Der Grund, warum Minoritätsträger immer erzeugt werden, liegt in dem normalen Gleichgewichtsvorgang, nach dem Minoritätsträger immer entstehen und anschließend wieder rekombinieren. In Kadmiumsulfid entstehen beispielsweise bei Zimmertemperatur immer größenordnungsmäßig 10 Ladungsträger pro ecm und Sekunde. Wenn man die Verarmungsschicht 19 ausreichend schmal macht, kann die Zahl der Minoritätsträger, die in der Zeiteinheit an der Halbleiteroberfläche ankommen, sehr klein gemacht werden. Wenn man als Beispiel wieder CdS betrachtet und sich vor Augen hält, daß zur Bildung einer Inversi-

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onsschicht etwa 10 Elementarladungen pro qcm benötigt werden, so wurde gefunden, daß bei einer Dicke der Verarmungsschicht von

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etwa 10 cm eine Zeit von größenordnungsmäßig 10 Sekunden benötigt wird, bevor sich an der Oberfläche des Halbleiters das Gleichgewicht für die innerhalb des Halbleiters thermisch erzeugten Träger eingestellt hat. Wenn man daher die Dotierungskonzentration richtig wählt, kann man eine Verarmungsschicht erreichen, die durch ihre Dicke verhindert, daß eine nennenswerte Zahl thermisch erzeugter Minoritätsträger an der Oberfläche der Halbleiterunterlage 11 ankommt. Wenn man einen Halbleiter mit einer sehr geringen Bandbreite wie beispielsweise Indiumantimondid verwendet, ist bei Zimmertemperatur die thermische Erzeugung von

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Ladungsträgern der praktisch allein bestimmende Prozeß, und CIS-Bildspeicherköndensatoren mit InSb als Halbleiter müssen daher
auch bei ganz dünnen Verärmürigszohen gekühlt werden, wenn man
sie erfinduhgsgemäß verwenden Will«

Wenn man die Dotierungskonzentration ausreichend hoch wählt,
kann man sher dünne Verarmuhgszoneh erreichen* Dann können aber die elektrischen Felder innerhalb der Verarmungszone so groß
sein, daß Minoritätsträger die Oberfläche des Halbleiters 11 unterhalb der elektrisch leitenden Platte 13 durch Tunneleffekt
erreichen können» So können beispielsweise in der Figur 2c Elektronen aus dem Valenzband 17 durch Tunneleffekt durch das verbotene Energieband innerhalb der Verarmungszone in das Leitfähigkeitsband 16 in der Oberflächehihversionsschicht gelangen. Diese Auswirkung des Tunneleffektes kann man sehr klein machen,
wenn man die Dotierungskönzehtration im Halbleiter einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigen läßt, der von Halbleitermaterial zu Halbleitermaterial schwankt. Für CdS wurde beispiels-

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Weise gefunden, daß bei einer Dotierungskonzentration von 10.

Dotierungszentren pro ecm die Auswirkung dieses Tunneleffektes
noch hingenommen werden kann.

Die notwendige Dotierungskonzentration ändert sich also von
Halbleitermaterial zu Halbleitermaterial. Man sollte Verarmungszonen vermeiden, deren Dicken geringer als einige hundert 8 betragen. Dadurch ist eine ungefähre untere Grenze für die Dicken der Verarmungszonen gegeben.

Weiterhin ist es wichtig, daß Minoritätsträger nicht noch auf
andere Weise entstehen. Das Halbleitergebiet unterhalb der Platte Ij darf daher nicht mit einem entgegengesetzt dotierten Halbleitergebiet in elektrischer Verbindung stehen, also beispielsweise nicht mit einem η-leitenden Gebiet, wenn der Halbleiter
p-leitend ist. Weiterhin ist es wichtig, daß die Oberfläche des Halbleiters neben der Platte 13 (in Figur 1) keine inversionsschicht trägt. Dieses kann im allgemeinen dadurch erreicht wer-

den, daß» man in die Isolatorschicht eine positive Ladung einbaut. Die thermische Erzeugung von Minoritätsträgern an der Oberfläche wird außerdem dadurch vermindert, daß man das Oberflächenpotential niedriger als das Inversionspotential hält.

Da somit die Erzeugung von Minoritätsträger in der Halbleiterunterlage 11 stark erschwert ist, kann ein CIS-Kondensator als Informationsspeicher verwendet werden. Hierzu sei auf Figur 2 d verwiesen. Dort ist gezeigt, daß Minoritätsträger gezielt erzeugt oder von außen eingeführt werden können, beispielsweise durch lektromagnetiöche Strahlung, die als Strahl lh dargestellt ist.

olche elektromagnetische Strahlung kann dann von dem Halbleiter absorbiert werden, wenn ihre Energie höher als der Bandabstand im Halbleiter ist. Dann werden paarweise Elektronen und Löcher erzeugt. Ein solches Elektron-Loch-Paar ist bei "20" dargestellt worden. Wenn der Hinoritätsträger in der Verarmungsschicht oder in ihrer Nähe erzeugt wird, wird er zur Oberfläche der Unterlage 11 geschwemmt und dort gespeichert. Die Zahl der Minoritätsträger, die die Oberfläche erreichen, ist daher dem integrierten elektromagnetischen Fluß proportional, der nach dem Aufladen der Platte 13 auf die Unterlage 11 auffällt.

Die Figur 2 e zeigt den letzten Schritt, der auftritt, wenn die Spannung an der Platte 13 umgepolt worden ist. Dadurch hat sich auch die Richtung des elektrischen Feldes geändert, und die Minorität st rager, die sich an der Oberfläche der Halbleiterunterlage angesammelt haben, werden in den Halbleiter hinein getrieben. In dem Halbleiter rekombinieren die Minoritätsträger mit den Majoritätsträgern, und während dieser Rekombination wird ein ganzer Blitz oder Impuls von elektromagnetischer Strahlung emittiert. Die Intensität des Strahlungsimpulses 21 ist dem integrierten elektromagnetischen Fluß proportional, der aufgefallen ist. Die im CIS-Kondensator eingespeicherte Information kann also wieder ausgelesen werden, und die beim Auslesen auftretende Ausgangsgröße ist ein Maß für den integrierten Fluß der auf den Halbleiter aufgefallen ist. Zur Erzielung eines hohen Wirkungs-

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grades ist es wichtig, daß in dem Halbleiter direkte Bandübergänge auftreten können. Zu den Halbleitern mit diesen Eigenschaf ten gehören beispielsweise GaAs, InSb, CdS, CdTe und GaAsT_1-für χ größer als 0,7» Wenn hohe Wirkungsgrade nicht erforderlich sind, kann man auch Halbleitermaterialien wie Galliumphosphid
verwenden.

In den Figuren 2a bis 2e und im besonderen.in der Figur 2 d ist
nur eine Möglichkeit dargestellt, wie man Minoritätsträger erzeu gen kann. Wie bereits erwähnt wurdej ist in der Figur 1 aber
auch ein Kontakt 15 dargestellt worden, der ein Spitzenkontakt
oder ein p-n-übergang sein kann, über diesen Kontakt kann man
eine vorgegebene Anzahl von Minoritätsträgern zwecks Speicherung injizieren. Die Strahlungsmenge, die nach der Umpolung der Platte 13 emittiert wird, ist wieder ein Maß für die Anzahl der
in den Halbleiter injizierten und an der Halbleiteroberfläche
unterhalb der Metallplatte 13 gespeicherten Minoritästräger. Somit erhält man beim Auslesen der eingegebenen Information wieder eine optische· Ausgangsgröße.

In den Figuren 1 und 2 ist außerdem dargestellt, daß die einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Platte 13 und durch die Isolatorschicht 12 hindurch geht. Bei dieser Betriebsart
kann man die Unterlage 11 beliebig dick machen, so daß die Herstellung von CIS-Kondensatoren einfach wird. Die ohmsch leitende Platte.13 kann eine aufgestäubte Molybdänschicht mit einer Dicke von etwa 200 R.sein. Molybdänschichten mit solchen Dicken sind
für sichtbares und für langwelligeres Licht teildurchlässig.
Die Wahl des Materials hängt jedoch hauptsächlich von der Wellen länge der zum Einschreiben der Information verwendeten Strahlung und von der Empfindlichkeit de's Halbleitermaterials ab. Die Plat te 13 braucht auch nicht aus einem Metall zu bestehen. Man kann
hierfür auch andere Stoffe wie beispielsweise eine dünne Schicht aus Zinnoxyd, verwenden.

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Die Isolationsschicht 12 wird zweckmäßigerweise aus Siliziumdioxyd hergestellt, und ihre Dicke kann etwa 1000 Ä betragen.

Unter anderen Umständen kann es erwünscht sein, die einfallende elektromagnetische Strahlung nicht von oben durch die Platte 13 hindurch, sondern von unten direkt in die Halbleiterunterlage eindringen zu lassen. Dann kann die Halbleiterunterlage nicht mehr beliebig dick gemacht werden, weil die Elektron-Loch-Paare so nahe an der Verarmungszone erzeugt werden müssen, daß die Minoritätsträger die Oberfläche oberhalb der Verarmungszone erreichen können. Dann brauchen aber die Platte 13 und die Isolatorschicht 12 nicht mehr optisch trasparent zu sein. Dann kann man beispielsweise als Platte 13 eine Molybdänschicht mit einer Dicke von etwa 5000 Ä verwenden.

Wieviel Strahlung beim Auslesen emittiert wird und welche WeI-lenlänge diese Strahlung aufweist, hängt weitestgehend vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Das Emissionsmaximum von CdS, einer II-VI-Verbindung, liegt bei einer Temperatur von 77°K bei einer Wellenlänge von etwa 4950 S. Dieser Wert stimmt mit dem Bandabstand in CdS gut überein. Wenn man andere II-VI-Verbindungen wie CdSe verwendet, die für die Erzeugung von Licht einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, erhält man beim Auslesen Strahlungsimpulse mit anderen Wellenlängen. Noch andere Wellenlängen kann man erhalten, wenn man III-V-Verbindungen wie GaAs oder InSb verwendet.

Auch durch die Auswahl von Donatoren und ihren Einbau in den Halbleiter kann man erreichen, daß die Energie der emittierten Strahlung von den Bandabständen abweicht. In mehr oder weniger großem Umfang nehmen die ionisierten Dotierungszentren an dem Rekombinationsprozeß teil. Das hängt hauptsächlich von den Ladungseigenschaften dieser Zentren ab. Mit Kupfer dotierte II-VI-Verbindungen emittieren beispielsweise Licht mit einer anderen Wellenlänge als mit Silber dotierte II-VI

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Die Figureni?a bis 2e gelten unter der Annahme, daß die Halb.le.i-· terunterläge p-leitend ist. In manchen E'ällen .wird man es Vorziehen einen n--leitenden Halbleiter zu verwenden. Dann wird die Platte 13 negativ vorgespannt, und die Im Halbleiter erzeugten Minoritätsträger sind electropositive Löcher* Nach einer gewissen Zeit wird die Platte 13 umgepolt, und.es finden dann wieder Rekombinationen statt,, bei denen Strahlung emittiert wird, wie es bereits beschrieben wurde.. .

Figur 3 ist ein Querschnitt durch einen andere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser ·Ausführungsform sind in die Isolatorschicht Hilfskondensatorplatten eingebaut worden, deren "Wirkung darin besteht, ■ daß sich nur in ganz bestimmten Gebieten der , lialbleiterunterlage,Inversionsschichten bilden, wenn die Platte des CIS-Kondensators vorgespannt wird. , ..-■'.-. . ^:

In der Figur 3 trägt eine Halbleiterunterlage23 eine Isolationsschieht 24, die ihrerseits zum Teil durch eine metallisch" leitende Platte 25 a'Döedeälct"lst". Soviohl die Isolationsschicht 24 als auch die Platte 25 sind für Strahlungsenergien,-durchlässig.j die die mit dem Banäabsband innerhalb des Halbleiters vergleichbar sind. In die Isolationsschicht. 24 ist eine Hilfskondensatorplatte 26 eingelagertί die zur Halbleiteroberfläche parallel angeordnet ist. Diese Hilfskondensatorplätte kann ringförmig ausgebildet sein oder auch einen andere Form haben. ■■. .

Während des Betriebs wird ddie Hilfskondensatorplätte 26 auf einem festen Potential gehalten, so daß sich auf der Halbleiterunter'-lage 23 nur direkt unter der Platte 25 eine Verarmungsschicht bildet, deren Außenrand durch den Innenrand der Hilfskondensatorplätte 26 begrenzt ist. Durch die Hilfskondensatorplätte wird daher Größe und Gestalt der Inversionsschicht genau definiert, und somit kann sieh die inversionsschicht auch nicht weiter auf der .Halbleiteroberfläche ausdehnen, was stören würde. Wenn man mit niedrigeren Betriebsspannungen arbeiten möchte₄ kann man die' Isolationsschicht an den Steilen, dünner machenj .die durch die Innenränder der Hilfskondensatorplatte 26 begrenzt sind»

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Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Inversionsgebiet an einer ganz bestimmten Stelle der Halbleiteroberfläche entsteht. Wie bei der Ausführungsform nach Figur 3 ist auf der Halbleiterunterlage 28 eine Isolationsschicht 29 aufgebracht worden. In die Isolationsschicht 29 wurde eine Vertiefung eingeätzt. Oben auf dieser Vertiefung ist eine elektrisch leitende Platte 30 aufgelegt, die mit ihreia Rand über den Rand der Vertiefung herübergreift.

Wie bei der Ausführungsform nach Figur 3 sind auch hier die !Platte 30 und die Isolationsschicht 29 für Strahlungsenergie© durchlässig, die mit dem Bandabstand im Halbleiter vergleichbar sind.

Vienn zwischen die Halbleiterunterlage 28 und die Platte 30 eine !Spannung angelegt wird, bildet sich an der Oberfläche der HaIbleiterunterlage 28 unter dem Boden der Vertiefung ir der Isolationsschicht 29 ein Inversionsgebiet 31, das sich jedoch nicht weiter ausbreiten kann, weil die Feldstärken des größeren Abstandes zwischen der Platte 30 und der Kalbleiterunterlage 28 wegen hierzu nicht ausreichen. V.'ie dick die Isolationsschicht sein muß, hängt Hauptsächlich von der Größe des elektrischen Feldes in der Isolationsschicht ab. Durch die Ausbildung der Isolationsschicht nach Figur h wird also erreicht, daß das Inversionsgebiet nach Lage und Verlauf genau definert ist, so daß sich das Inversionsgebiet 31 nicht in benachbarte Gebiete der Halbleiter oberfläche ausdehnen kann.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, mit der man beispielsweise komplette optische Bilder speichern und anschließend zu einem späteren Zeitpunkt wieder abrufen kann. Diese Ausführungsform weist eine Halbleiterunterlage 35 auf, die mit einer Isolationsschicht 36 überzogen ist. In der Isolationsschicht 36 sind eine große Anzahl von Hilfskondensatorplatte 37 dicht gepackt eingelagert worden. Auf der

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ganzen Isolationsschicht liegt eine elektrisch leitende Schicht 38"-auf. Wie In den bisherigen Ausführungsbeispielen sind die Isolationsschicht 36 und die elektrisch leitende Schicht 38 für Strahlungsenergien zumindest teildurchlässig, die mit dem Bandabstand in der Halbleiterunterlage vergleichbar sind. Die Hilfskondensatorplatten stellt man zweckmäßigerweise dadurch her, daß man eine geschlossene Metallschicht aufbringt und dann diese Schicht durchweg mit Öffnungen versieht, also sie beispielsweise durch eine Maske ätzt. Dann sind diese Hilfskondensatorplatten 37 auch alle elektrisch miteinander verbunden.

Während des Betriebs werden die Hilfskondensatorplatten 37 auf einem festen Potential gehalten, so daß, wenn an die elektrisch leitende Schicht 38 eine Spannung angelegt·wird, nur an solchen Stellen Inversionsschichten 39 gebildet werden, die nicht direkt unterhalb der Hilfskondensatorplatten 37 liegen. Die Hilfskondensatorplatten dienen also wieder dazu, eine störende Oberflächeninversion unterhalb der Hilfskondensatorplatten 37 zu unterbinden, so daß die ganze Ausführungsform nach Figur "5 als ein Speicher aus einer großen Anzahl von GIS-Kondensatoren aufgefaßt werden kann, die jeweils unterhalb der öffnungen in der elektrisch leitenden Schicht 37 liegen. .

Wenn-nun die elektrisch leitende Schicht 38 umgepolt wird, werden die gespeicherten Minoritätsträger, die.beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung erzeugt worden sein können, in die Halbleiter_;un.terlage 35 hineingeschwemmt und rekombineren dort mit Majoritätsträgern. Während dieser Rekombination wird wieder elektromagnetische Strahlung in einer Menge emittiert, die proportional dem auf die Ausführungsform nach Figur 5 aufgefallenen integrierten Strahlungsfluß ist, so daß- ein aus einzelnen Bildpunkten zusammengesetztes Bild, wieder gewonnen werden kann.

Um die einzelnen CIS-Kondensatore/i zu definieren, können die Hilfskondensatorplatten 37 beliebig angeordnet werden. Die Dichte der einzelnen CIS-Kondensatoren, die zum Teil von der Anord- _r.

nung der Hilfskondensatorplatten 37 abhängt, kann größenordnungsmäßig etwa 10 pro qcm betragen. ,

Die Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, mit der beispielsweise ein auffallendes optisches Bild gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wiedergewonnen werden kann. Wie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen ist eine Halbleiterunterlage 40 vorgesehen, deren eine Seite mit einer Isolationsschicht 41 versehen ist. Die Isolationsschicht 41 ist mit einer großen Anzahl von Vertiefungen 42 versehen worden, die in einem bestimmten Muster in der Isolationsschicht verteilt sind, über das Ganze ist wieder eine elektrisch leitende Schicht gelegt worden.

Bei den bisher im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen ist der Halbleiter als Unterlage verwendet worden. Als Unterlage kann aber auch ein anderer Stoff wie beispielsweise Glas aienen, auf den dann das Halbleitermaterial aufgebracht wira.

Die Vertiefungen 42 sind so ausgebildet, daß die Isolationsschicht 4l am Boden dieser Vertiefungen dünner als außernalb der Vertiefungen ist und daß der Boden der Vertiefungen und die restliche Oberfläche der Isolationsschicht parallel zueinander verlaufen. Die Vertiefungen 42 werden zweckmäßigerweise in einem X-Y-Koordinatensystem angeordnet, jedoch sind auch andere Anordnungen möglich, über die ganze Isolationsschicht 41 wird eine praktisch gleichmäßig dicke elektrisch leitende Schicht 43 .gelegt, die eine Metallschicht sein kann, so daß an den Koordinaten der Vertiefungen 42 wieder diskrete CIS-Kondensatoren geschaffen werden, denen die elektrisch leitende Schicht 43 gemeinsam ist. Wenn die elektrisch leitende Schicht 43 auf eine bestimmte Spannung aufgeladen wird, bildet sich in der Halbleiterunterlage bei jedem CIS-Kondensator direkt unterhalb der Vertiefungen 42 eine Verarmungsschicht aus. Da die Dicke der Isolationsschicht '-\ 1 außerhalb der Vertiefungen erheblich größer ist, werden in denjenigen Gebieten der Halbleiterunterlage 40, die nicht direkt unt.--r aen Vertiefun-

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gen liegen j. keine Inversions schichten aus. Wie"".groß- die Dicke der Isolationsschicht, ^l sein muß, hangt zum großen Teil davon ab, wie stark das elektrische Feld sein muß, um die Minoritätε-träger'zur Oberfläche des Halbleiters 40 hin zu schwemmen. Wenn." beispielsweise !Cadmiumsulfid "verwendet-, wird j ist" "eine--Dicke von 1000 A ausreichend. Wenn man elektromagnetische Strahlung verwendet, beispielsweise in der Form eines projizierfcen optischen Bildes, oder wenn man auf ..andere _a Weise-"--in der If ähe der Verarinungs zonen '4^ -Hinoritätsträ^er. erzeugt, können zur Speicherung von Information sämtliche CIS-Kondensatoren gleichzeitig herangezogen, werden.. Wenn die Minoritätsträger durch einfallende elektromagnetische Strahlung erzeugt werden und"-wenn die elektrisch leitende Schicht. 43 dann umgepolt wird.,, wird von jedem einzelnen CIS.Kondensator " eine !Strahlungsmenge "emittiert₅ die dem Wert des integrierten elektromagnetischen.Flusses proportional ist, der auf den CIS-Kondens at or aufgefallen ist. · -. -

Man kann die Ausführungsformen nach denFiguren 5 und 6 aber auch dazu verwenden, durch Einführen von Minoritätsträger in bestimmte- CIS-Λ'οηά ensat or en alpha-nuraerisehe Zeichen nachzubilden. Hierbei können die Minoritätsträger entweder durch elektromagnet tische Strahlung oder durch Trägerinjektion über Spitzenkontakte oder p-n-übergiinge erzeugt werden. Im letzten Fall ist es nichtnotwendig, dais die .Isolationsschicht und die elektrisch leitende Schicht optisch transparent sind,

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Claims

atentanspruche

Optisch auslesbarer Informationsspeicher mit einem in einer Sichtung dotierten Halbleitermaterial, auf dessen eine Oberfläche eine Isolationsschicht aufgelegt ist» dadurch gekennzeichnet» daß auf der Isolationsschicht eine ohmseh leitende Platte abgeschieden ist, durch die nach Vorp&nnung in einer Richtung im Halbleitermaterial direkt unterhalb der Platte eine VeramungsEone und ein elektrisches Feld

rorgerufen ist» daß» das Halbleitermaterial nur mit einer solchen Konzentrationn dotiert ist, daß funneleffekt für Minoritätsfcräger durch die Verarmungsisone hindurch aur Halbleiteroberfläche unterhalb der Platte au vernachlässigen ist * daß eine Einrichtung aur Erzeugung van Minoritätsträgern in dem Halbleitermaterial vorgesehen ist», die dann durch das elektrische Feld innerhalb der VerarmungsBone zur Oberfläche des Halbleiteraaterials unterhalb der Platte geschwemmt und dort gespeichert sind, und daß die Spannung an der Platte uapolbar ist, so daß vom Halbleitermaterial elektromagnetische Strahlung emittiert ist, deren Senge der Zahl der Minoritätsträger proportional ist, die an der Halbleiteroberfläche unterhalb der Platte gespeichert worden sind.

Informationsspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial tin Material ist, in dem direkte Bandübergänge möglich sind.

3. Informationsspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial !Cadmiumsulfid, Kadmiumselenid oder Kadmiumtellurid ist.

4. Informationsspeicher nach Anspruch i, dadurch g@- k. ennzeic^net, daß die ohmsch leitende Platte und die Isolationsschicht für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, deren Energie dem Bandabstand im Halbleiter entspricht*

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5v Informationsspeicher nach Anepiüehitj da d u r c h g e k e η η ze i c h η et , d a -ß die Isolationsschicht ein dünneres Gebiet aufweist, das von einem dickeren Gebiet umgeben ist, daß die ohmsch leitende Platte' auf dem dünneren Gebiet der Isolationsschicht abgeschieden ist, so daß nach Vorspannung der Platte direkt unterhalb des dünneren Gebietes der Isolationsschicht in dem Halbleitermaterial eine ■Verarmungsschicht gebildet ist* und daß die Dicke des dickeren Gebietes so groß ist, daß nach Vorspannung der Platte im Halbleiter unterhalb des dickeren Gebietes keine Verarmungszone gebildet ist.

6. Informationsspeicher nach Anspruch 1, dadurch

ge k e η η ζ ei c h η et

d a ß innerhalb der Isolati

onsschicht eine Kondensatorplatte eingelagert ist, die auf einem festen Potential zu halten ist, so daß die Bildung von Verarmungszonen unterhalb der Kondensatorplatte verhindert ist, wenn die ohnsch leitende Platte vorgespannt ist.

7". Informationsspeicher nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k en η ζ e i c h η e t , daß die Kondensatorplatte in. der Isolationsschicht als kreisringförmige Platte ausgebildet ist und daß die ohmsch leitende Platte .über der öffnung in der kreisringförmigen Kondensatorplatte angeordnet ist, so daß in dem Halbleitermaterial nur unterhalb der öffnung in der kreisringförmigen Kondensatorplatte eine .VerarmüngszoTie hervorgerufen ist, wenn die Platte auf der Isolationsschicht vorgespannt ist.

8. Optisch äuslesbare Informationsspeicherplatte _s da durch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Informationsspeichern: nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis ¹J zusammengesetzt ist, die in einem vorgegebenen Schema angeordnet sind und denen das Halbleitermaterial, die Isolationsschiehten und die ohmsch leitenden Platten gemeinsam sind. ' ' """ " "■-·■'"■ /

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9. Informationsspeicherplatte nach Anspruch 8 j soweit Anspruch 8 von Anspruch 5 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dünneren Gebiete der Isolationsschichten der einzelnen Informationsspeicher Vertiefungen in der allen einzelnen Informationsspeichern gemeinsamen Isolationsschicht sind.

10. Informationsspeicherplatte nach Anspruch 8, soweit Anspruch 8 von den Ansprüchen 6 und 7 abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Isolationsschichten der einzelnen Informationsspeicher eingelagerten Kondensatorplatten durch eine einzige Lochplatte gebildet sind.

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