DE2030065C2

DE2030065C2 -

Info

Publication number: DE2030065C2
Application number: DE19702030065
Authority: DE
Inventors: Junichi Sendai Miyagi Jp Nishizawa
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 1969-06-18
Filing date: 1970-06-18
Publication date: 1987-12-10
Also published as: FR2046865A1; DE2030065A1; GB1307877A; FR2046865B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Halbleiterspeicherelements nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method of operation an optoelectronic semiconductor memory element according to the preamble of the claim 1.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren (US-PS 34 17 248) wird der Übergang als Tunnelübergang betrieben, dessen Tunnelstrom durch das eingestrahlte Steuerlicht eine anhaltende Änderung erfährt. Zum Auslesen des hierdurch erzielten Speichereffektes wird bei dem bekannten Verfahren die Strom-Spannungs-Kennlinie des Übergangs abgefragt. Der mit der Abfrage der Strom-Spannungs-Kennlinie verbundene Auslesevorgang erfordert also einen unerwünschten Zeit- und Energieaufwand. Darüber hinaus muß bei dem bekannten Verfahren die Dicke des Übergangs sehr gering sein, damit der Tunneleffekt auftritt, was die Ansprechempfindlichkeit für das eingestrahlte Steuerlicht herabsetzt.In such a known method (US Pat. No. 3,417,248) the transition is operated as a tunnel transition, the Tunnel current through the irradiated control light a persistent Undergoes change. To read out the resultant Storage effect is in the known method the current-voltage characteristic of the transition is queried. The one associated with the query of the current-voltage characteristic Reading process therefore requires an undesirable time and energy expenditure. In addition, the known Process the thickness of the transition to be very small so the tunnel effect occurs, which is the responsiveness for the irradiated control light.

Bei einem anderen bekannten Verfahren (DE-AS 12 60 042), das zum Nachweis sehr schwacher Strahlung bestimmt ist, wird ein Halbleiterübergang, der sowohl Störstellen zur Bildung eines ersten tiefliegenden Energieniveaus für den Einfang von Elektronen als auch Störstellen zur Bildung eines zweiten tiefliegenden Energieniveaus für den Einfang von Löchern aufweist, fortwährend mit einer Hilfsstrahlung bestrahlt, deren Quantenenergie wenigstens gleich der Breite des verbotenen Bandes der Halbleiteranordnung ist. Durch diese Hilfsstrahlung werden also durch einen Übergang von Elektronen aus dem Valenzband zum Leitungsband freie Elektronen-Lochpaare erzeugt, wobei jedoch zunächst die solchermaßen erzeugten Elektronen von dem ersten tiefliegenden Energieniveau und die Löcher von dem zweiten tiefliegenden Energieniveau eingefangen werden. Mit zunehmender Intensität der Hilfsstrahlung erreicht jedoch das erste tiefliegende Energieniveau schließlich seine maximale Besetzung mit eingefangenen Elektronen, so daß die Lebensdauer der freien Elektronen beträchtlich zunimmt und ein überlinearer Anstieg des Photostroms im Verhältnis zur Intensität der Hilfsstrahlung erfolgt. Wird sodann zusätzlich eine schwache nachzuweisende Strahlung eingestrahlt, so erfolgt ein Übergang von Elektronen aus dem Valenzband zu dem löchereinfangenden tiefliegenden zweiten Energieniveau, was wiederum die Erzeugung von Löchern im Valenzband nach sich zieht. Diese Löcher führen zu einer Rekombination mit den Besetzungselektronen des elektroneneinfangenden ersten tiefliegenden Energieniveaus, was im Ergebnis zu einer plötzlichen Lebenszeitverkürzung der durch die Hilfsstrahlung in das Leitfähigkeitsband beförderten Elektronen führt. Somit wird durch die schwache nachzuweisende Strahlung der von der Hilfsstrahlung hervorgerufene Bereich des überlinearen Anstiegs des Photostroms empfindlich beeinflußt, was zu einer erhöhten Nachweisempfindlichkeit führt. Eine Speicherwirkung ist mit diesem Betrieb jedoch nicht verbunden.In another known method (DE-AS 12 60 042), which is intended to detect very weak radiation a semiconductor junction that has both impurities to form a first deep energy level for capturing Electrons as well as impurities to form a second low energy levels for trapping holes continuously irradiated with auxiliary radiation, whose quantum energy is at least equal to the width of the forbidden Band of the semiconductor device. Through this auxiliary radiation are made by a transition of electrons generates free electron-hole pairs in the valence band to the conduction band, but first of all the electrons generated in this way from the first low energy level and the Holes trapped from the second deep energy level will. Achieved with increasing intensity of the auxiliary radiation however, the first low energy level is finally its maximum occupation with trapped electrons, so that the Lifetime of free electrons increases considerably and a nonlinear increase in photocurrent relative to Intensity of the auxiliary radiation takes place. Then becomes additional a weak radiation to be detected is irradiated, so there is a transition of electrons from the valence band to the hole-trapping deep second energy level what again creates holes in the valence band. These holes lead to recombination with the occupation electrons of the electron trapping first deep Energy levels, resulting in a sudden reduction in lifetime by the auxiliary radiation in the conductivity band transported electrons. Thus, the weak radiation to be detected from the auxiliary radiation induced area of the non-linear rise of the photocurrent sensitive affected, leading to increased sensitivity to detection leads. This operation has a storage effect however not connected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß der Speicher- und Auslesevorgang mit erheblich geringerem Energie- und Zeitaufwand erfolgt.The invention has for its object a method of the type mentioned in such a way that the Storage and reading process with significantly lower energy and time spent.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of patent claim 1.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach der Herstellung eines geeigneten Anfangszustandes, in dem das tiefliegende Energieniveau mit Ladungsträgern besetzt ist, der Übergang für die Einstrahlung des Steuerlichtes in Sperrichtung vorgespannt wird, ergibt sich eine vorteilhafte Steigerung der Langzeitspeicherwirkung, weil die durch die Sperrvorspannung hervorgerufene Verarmungszone einer Löschung durch Ladungsträger aus dem Leitungsband oder dem Valenzband entgegenwirkt. Darüber hinaus führt sowohl der Sperrichtungsbetrieb als auch der Auslesebetrieb durch optische Erfassung der Kapazitätsänderung oder der Lichtdurchlässigkeitsänderung zu einem äußerst geringen Zeit- und Energieaufwand der gesamten Betriebsabläufe.Since in the method according to the invention after production a suitable initial state in which the deep Energy level is occupied by charge carriers, the transition biased for the irradiation of the control light in the reverse direction will result in an advantageous increase in Long-term storage effect because of the reverse bias Depletion zone caused by deletion by charge carriers counteracts from the conduction band or the valence band. In addition, both the blocking operation leads as well the reading operation by optical detection of the change in capacity or the translucency change to an extreme low time and energy consumption of the entire operational processes.

In der folgenden Beschreibung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt The invention is described in the following description an embodiment with reference to the Drawing explained in more detail. Here shows

Fig. 1a und 1b graphische Darstellungen der Beziehung zwischen der Kapazität einer Sperrschicht in Dioden aus golddotiertem Silicium und der Wellenlänge von einfallendem Licht bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs; und Figures 1a and 1b are graphs showing the relationship between the capacitance of a barrier layer in gold-doped silicon diodes and the wavelength of incident light at the temperature of the liquid nitrogen; and

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Änderung der Kapazität der Sperrschicht mit der Zeit bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Fig. 2 is a graphical representation of the change in the capacity of the barrier layer with time at the temperature of the liquid nitrogen.

Wenn eine Verunreinigung in einem Halbleiterkörper durch Licht einer Wellenlänge belichtet wird, die kürzer ist als eine durch eine zur Anregung ihrer Elektronen bis ins Leitungsband ausreichende Energiemenge Δ E bestimmte GrenzwellenlängeWhen an impurity in a semiconductor body is exposed to light of a wavelength that is shorter than a limit wavelength determined by an amount of energy Δ E sufficient to excite its electrons up to the conduction band

wobei c die Lichtgeschwindigkeit, ν die Schwingfrequenz und h die Planck'sche Konstante ist, so werden die Elektronen in das Leitungsband angehoben und erhöhen die elektrische Ladung der Verunreinigungsatome um je eine Ladungseinheit. Existieren jedoch viele Elektronen im Leitungsband oder sind die Elektronen im gefüllten Band leichter anregbar, so wird die Änderung der elektrischen Ladung der Verunreinigung sofort wieder ausgeglichen. Als Ergebnis zeigte sich im ersteren Fall kein Effekt und im letzteren Fall wird nur ein geringer Photostrom erzeugt. Um die Anwesenheit vieler Elektronen im Leitungsband zu verhindern, wird eine Verarmungsschicht verwendet, so daß keine Majoritätsträger existieren, während zur Verhinderung einer Erregung der Elektronen im gefüllten Band die ein tiefliegendes Energieniveau bildende Verunreinigung verwendet wird. Das Gleiche gilt sowohl für Löcher als auch für Elektronen.where c is the speed of light, ν is the oscillation frequency and h is the Planck constant, the electrons are lifted into the conduction band and increase the electrical charge of the impurity atoms by one charge unit each. However, if there are many electrons in the conduction band or if the electrons in the filled band are easier to excite, the change in the electrical charge of the impurity is immediately compensated for. As a result, there was no effect in the former case and only a small photocurrent was generated in the latter case. A depletion layer is used to prevent the presence of many electrons in the conduction band so that there are no majority carriers, while the low energy level impurity is used to prevent excitation of the electrons in the filled band. The same applies to holes as well as electrons.

Mit dem Ausdruck "tiefliegendes Verunreinigungs-Niveau" wird oft ein Niveau bezeichnet, das dem gefüllten Band näher ist als die Mitte des verbotenen Bandes. Tatsächlich ist dieser Ausdruck nur für ein solches Niveau angemessen, von dem aus ein Elektron durch thermische Energie nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit bis zum Leitungsband angehoben wird. Unter diesem Gesichtspunkt entspricht ein Energieniveau, das näher am gefüllten Band liegt, besser dem angestrebten Zweck.With the expression "deep pollution level" is often denotes a level that is closer to the filled volume than the middle of the forbidden band. In fact, this expression is only for adequate level from which an electron due to thermal energy with very little probability up to the conduction band is raised. From this point of view, Energy level that is closer to the filled band, better the intended purpose.

Ein Beispiel einer Verunreinigung mit einem solchen tiefliegenden Energieniveau ist Gold in p-leitendem Silicium. Wird eine golddotierte Siliciumdiode einer Lichtstrahlung ausgesetzt, so ändert sich die Kapazität der Sperrschicht der Diode mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts, wie in den Fig. 1a und 1b dargestellt ist. Die Kurve nach Fig. 1a gilt für eine n⁺p-Diode und die Kurve nach Fig. 1b für eine p⁺n-Diode. Bei einer Wellenlänge von etwa 1 µm ändert sich die Kapazität plötzlich merklich. Die Kapazität erreicht bei einer gegebenen Intensität der einfallenden Strahlung einen Sättigungswert, der sich auch dann nicht mehr erhöht, wenn weiterhin Licht einer gegebenen Lichtstärke eingestrahlt wird. Wie Fig. 2 zeigt, ändert sich die Kapazität der Sperrschicht der n⁺p-Diode bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff einige Stunden lang nach der Unterbrechung des Lichteinfalls nicht wesentlich. Die Kapazität wird also bei dieser Flüssig-Stickstoff-Temperatur bleibend gespeichert. Um diese Speicherung rückgängig zu machen, kann an die Dioden eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung gelegt werden oder es können bei erhöhter Temperatur im Vergleich zur Flüssig-Stickstoff-Temperatur Photonen mit einer Energie, die mindestens gleich der Breite des verbotenen Bandes ist, oder mit einer Energie, die zur Wiederherstellung der Ladung ausreicht, auf die Diode gerichtet werden.An example of contamination with such a low energy level is gold in p-type silicon. If a gold-doped silicon diode is exposed to light radiation, the capacitance of the barrier layer of the diode changes with the wavelength of the incident light, as shown in FIGS. 1a and 1b. The curve according to Fig. 1a applies to a n⁺p diode and the curve according to Fig. 1b for a p⁺n diode. At a wavelength of around 1 µm, the capacity suddenly changes noticeably. With a given intensity of the incident radiation, the capacitance reaches a saturation value which does not increase even if light of a given light intensity continues to be irradiated. As shown in FIG. 2, the capacitance of the barrier layer of the n⁺p diode does not change significantly at the temperature of liquid nitrogen for a few hours after the light has been interrupted. The capacity is therefore stored permanently at this liquid nitrogen temperature. In order to undo this storage, a forward bias can be applied to the diodes or photons with an energy that is at least equal to the width of the forbidden band or with an energy can be used at elevated temperature compared to the liquid nitrogen temperature , which is sufficient to restore the charge, are aimed at the diode.

Die Kurve gemäß Fig. 1a stellt das Ergebnis von Messungen mit einer n⁺p-Siliciumdiode, die mit Gold dotiert ist, bei der Flüssig-Stickstoff-Temperatur mit einer in Sperrichtung angelegten Spannung von 5 Volt dar. Wird die Wellenlänge des einfallenden Lichtes stetig erhöht, so ändert sich die Kapazität der Sperrschicht in der durch die Kurve A-A′ dargestellten Weise. Bei einer Wellenlänge von etwa 1,0 µm steigt also die Kapazität abrupt an und ändert sich dann nach Erreichen eines Maximalwertes nicht mehr wesentlich, selbst wenn die Wellenlänge erhöht wird. Dieser Zustand wird aufgrund des Speichereffektes eine verhältnismäßig lange Zeit aufrechterhalten, wie Fig. 2 zeigt. Nach zwei Tagen fällt die Kapazität von der Kurve A′ zur Kurve B. Wird die Wellenlänge dann stetig verringert, so ändert sich die Kapazität entsprechend der Kurve B-B′. Wird die Wellenlänge unstetig verändert, also der durch die gepunktete Linie eingezeichnete Bereich ausgelassen, so verläuft die Kapazität entsprechend der Kurve A-A′′ oder B-B′′. The curve according to FIG. 1a shows the result of measurements with a n⁺p silicon diode, which is doped with gold, at the liquid nitrogen temperature with an applied reverse bias voltage of 5 volts is. If the wavelength of the incident light steadily increases, the capacitance of the junction changes in the manner shown by curve A - A ' . At a wavelength of approximately 1.0 µm, the capacity increases abruptly and then does not change significantly after reaching a maximum value, even if the wavelength is increased. This state is maintained for a relatively long time due to the memory effect, as shown in FIG. 2. After two days, the capacity drops from curve A ' to curve B. If the wavelength is then steadily reduced, the capacitance changes according to the curve B - B ' . If the wavelength is changed continuously, i.e. the area shown by the dotted line is omitted, the capacitance runs according to the curve A - A '' or B - B '' .

Die Kurven von Fig. 2 entsprechen Meßergebnissen an n⁺p-Dioden, die mit Gold dotiert sind, bei der Flüssig-Stickstoff-Temperatur. Die obere Kurve wurde an einer Diode mit einer Sperr-Vorspannung von 5 Volt erhalten, die mit Licht einer Wellenlänge von 1,4 µm belichtet wurde, und die untere Kurve wurde bei einer Diode mit einer Sperr-Vorspannung von 5 Volt erhalten, die mit Licht einer Wellenlänge von 2,5 µm belichtet wurde.The curves of FIG. 2 correspond to measurement results on n⁺p diodes which are doped with gold at the liquid nitrogen temperature. The upper curve was obtained on a diode with a reverse bias of 5 volts, which was exposed to light with a wavelength of 1.4 µm, and the lower curve was obtained on a diode with a reverse bias of 5 volts, which with Light with a wavelength of 2.5 microns was exposed.

Die Kurve nach Fig. 1b stellt ein Meßergebnis an einer p⁺n-Diode ohne Vorspannung bei Flüssig-Stickstoff-Temperatur dar.The curve of Fig. 1b represents a measurement result on a p⁺n diode without bias at liquid nitrogen temperature.

Gold in p-leitendem Silicium hat weitere wichtige Eigenschaften. Es kann zwei durch die Wellenlänge unterscheidbare Zustände einnehmen, nämlich negativ einwertig und negativ zweiwertig. So kann Gold in p-leitendem Silicium hinsichtlich der Wellenlänge eine Doppelschaltwirkung erzeugen.Gold in p-type silicon has other important properties. It can assume two states that can be distinguished by the wavelength, namely negative univalent and negative bivalent. So can gold in p-type silicon in terms of wavelength generate a double switching effect.

Die Änderung der Kapazität der Sperrschicht hängt mit einer Änderung der Dicke und der elektronischen Feldstärke in der Sperrschicht zusammen. Die Änderung der Dicke der Sperrschicht kann durch eine äußere Bezugslichtquelle als Änderung der Lichtdurchlässigkeit ausgelesen werden. The change in capacitance of the junction depends on one Change in thickness and electronic field strength together in the barrier layer. The change in the thickness of the barrier layer can by an external reference light source can be read out as a change in light transmission.

Die Änderung der elektronischen Feldstärke beeinflußt die Photoeffekte. Insbesondere ist dies bei Anbringung einer dielektrischen Schicht auf der Oberfläche der Diode der Fall, wobei dann eine Änderung der Oberflächenladung auf dieser Schicht optoelektronisch feststellbar ist.The change in the electronic field strength affects the Photo effects. This is particularly the case when a dielectric layer is applied to the surface of the diode the case being then a change in the surface charge on this layer can be determined optoelectronically.

Da das durch die Diode übertragene Licht der Dicke der Sperrschicht proportional ist, erniedrigt sich die Stärke des durchtretenden Lichts auf etwa die Hälfte bis ein Drittel. Eine ähnliche Situation ergibt sich für mit Mangan oder Molybdän dotiertes Galliumarsenid oder für mit Mangan oder Eisen dotiertes Galliumphosphid. Als optoelektronischer Effekt für das Auslesen kann auch der Faraday-Effekt verwendet werden.Because that through the diode transmitted light is proportional to the thickness of the junction is, the strength of the penetrating decreases Light to about half to a third. A similar The situation arises for doped with manganese or molybdenum Gallium arsenide or for manganese or iron doped Gallium phosphide. Can also be used as an optoelectronic effect for reading out the Faraday effect can be used.

Die Empfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit der optischen Umwandlung gemäß der Erfindung sind höher als die des Photochromie-Effektes. Die Erfindung ist vielfältig anwendbar, beispielsweise können erfindungsgemäße Vorrichtungen mit transparenten Elektroden zur Mustererkennung verwendet werden, wenn sie in Matrixform angeordnet sind.The sensitivity and response speed of the optical Conversions according to the invention are higher than that of the photochromic effect. The invention has many uses, for example can devices according to the invention with transparent electrodes used for pattern recognition if they are arranged in matrix form.

Claims

1. A method for operating an optoelectronic semiconductor memory element having a semiconductor body, a p⁺n or n⁺p junction provided therein and an impurity concentration forming a low-lying energy level therein, in the operation of which an initial state is first established in which the low-lying energy level is occupied by charge carriers, and a control light is irradiated onto the p⁺n or n⁺p transition, which causes a permanent change in the state of charge by stimulating transitions from the charge carriers located at the low-energy level into the conduction band or the valence band causes, characterized in that the p⁺n or n⁺p transition to generate a depletion zone is biased before the control light irradiation and the permanent change in the state of charge as a change in electrical capacity or as a change in the light transmission of the depletion zone compared to one outer loading Zugslichtquelle is optically detected.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the semiconductor body made of silicon and the Interfering substance consists of gold.

3. The method according to claim 1, characterized in that the semiconductor body made of gallium arsenide or gallium phosphide and the contaminant by one from the group Manganese or molybdenum or from the group Manganese and iron selected element formed is.

4. Use of an operating procedure after a of claims 1 to 3 for pattern recognition, characterized in that a plurality of the semiconductor memory elements in one Matrix shape is arranged.