DE2311469A1 - METAL SEMICONDUCTOR CONTACT AS ELECTRO-OPTICAL CONVERTER - Google Patents
METAL SEMICONDUCTOR CONTACT AS ELECTRO-OPTICAL CONVERTERInfo
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Description
~Metall-Halbleiter-Kontakt als elektro-optischer Wandler Die Erfindung betrifft einen #Jetall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt), bestehend aus einem Halbleiter mit direkter Bandstruktur (vorzugsweise GaAs) und einer transparenten Metallelektrode Dieses Bauelement eignet sich zur Hochfrequenzmodulation des Photolumineszenz-Signals und kann insbesondere in opto-elektronischen Systemen, die mit Laserstrahlen arbeiten, zur Umwandlung eines elektrischen in ein optisches Signal vorteilhaft eingesetzt werden.~ Metal-semiconductor contact as electro-optical converter The invention relates to a # Jetall semiconductor contact (Schottky contact), consisting of one Semiconductors with a direct band structure (preferably GaAs) and a transparent one Metal electrode This component is suitable for high-frequency modulation of the photoluminescence signal and can especially in opto-electronic systems that work with laser beams, used to convert an electrical signal into an optical signal will.
Die bisherige Art der Erzeugung von modulierten optischen Signalen geschieht nach unterschiedlichen Prinzipien. Die beiden wichtigsten sind 1. Modulation von Laserstrahlen mit elektro-optisch aktiven Kristallen und 2. Modulation von Elektrolumineszenz-Dioden und Halbleiter-Lasern durch den eingespeisten Strom.The previous way of generating modulated optical signals happens according to different principles. The two most important are 1. Modulation of laser beams with electro-optically active crystals and 2. modulation of electroluminescent diodes and semiconductor lasers through the injected current.
In den bisher vorgeschlagenen Verfahren zur optischen Sommunikationstechnik werden meist diese beiden Verfahren diskutiert. Nach den vorliegenden Literaturdaten (B.Hill, Nachrichtentechnische Zeitschrift, Jahrgang 1972, Heft 9, Seiten 385-389) hat ein E-lodulationsverfahren nach 1 den Nachteil einer i.a, niedrigen Grenzfrequenz (ca. 10 leu), Die zur Modulation mit elektro-optisch aktivem Material benötigten Spannungen sind i.a. größer als einige Volt. Eine Integration von solchem Material in Halbleiterschaltungen ist außerdem schwierig. In optischen Vermittlungssystemen werden tumineszenzdioden als geeignete Lichtquellen angesehen (U.Schmidt, Süddeutsche Zeitung, Jahrgang t972, Ausgabe 206). Diese müssen mittels eines Laserstrahles durch ein lichtempfindliches Bauelement aktiviert werden. Das bedeutet einen hohen Aufwand für jede Diode. Außerdem ist die für jede Diode aufzubringende elektrische Signalleistung hoch im Vergleich zu derjenigen für einen transparenten Schottky-Yontakt.In the previously proposed methods for optical communication technology these two procedures are mostly discussed. According to the available literature data (B. Hill, Nachrichtenentechnische Zeitschrift, year 1972, issue 9, pages 385-389) an e-iodulation process according to FIG. 1 has the disadvantage of an generally low cut-off frequency (approx. 10 leu), which are required for modulation with electro-optically active material Tensions are generally greater than a few volts. An integration of such material in semiconductor circuits is also difficult. In optical switching systems tuminescence diodes are viewed as suitable light sources (U.Schmidt, Süddeutsche Newspaper, year t972, issue 206). These have to go through by means of a laser beam a photosensitive component can be activated. That means a lot of effort for every Diode. In addition, the one to be applied for each diode is electrical Signal power high compared to that for a transparent Schottky Yontakt.
Ein einfacher, leicht herzustellender elektro-optischer Wandler, der sich zur Integration in Halbleiterschaltungen (z.B. auf GaAs Basis) eignet und außerdem über eine hohe Grenzfrequenz verfügt, fehlt zur Zeit noch. Ein solches Bauelement sollte 1. ein Halbleiterbauelement sein, um die Kompatibilität mit anderen Halbleiterschaltungen zu ermöglichen, und 2. den Aufbau von optischen Verinittlungssystemen vereinfachen und verkleinern, Schließlich sollte#sein Einsatz in Datenspeichern möglich und vorteilhaft sein.A simple, easy to manufacture electro-optical converter that is suitable for integration in semiconductor circuits (e.g. based on GaAs) and also has a high cut-off frequency, is still missing at the moment. Such a component 1. should be a semiconductor device for compatibility with other semiconductor circuits to enable, and 2. simplify the construction of optical switching systems and downsize, Finally, # should be possible and beneficial to use in data stores be.
Um diese lücke zu schließen, wird erfindungsgemäß ein Vetall-Halbleiter-Kontakt als elektro-optischer Wandler vorgeschlagen, durch den sich bei Bestrahlung mit Laserlicht von geeigneter Wellenlänge und Intensität auf den transparenten Kontakt die Photolumineszenz-Intensität des Halbleitermaterials durch Anlegen einer Wechselspannung an den in Sperrichtung vorgespannten Kontakt breitbandig modulieren läßt.In order to close this gap, a metal-semiconductor contact is used according to the invention proposed as an electro-optical converter through which when irradiated with Laser light of suitable wavelength and intensity on the transparent contact the photoluminescence intensity of the semiconductor material by applying an alternating voltage can modulate broadband on the biased contact in the reverse direction.
Aufbau: Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Bauelementes.Construction: Fig. 1 shows an embodiment of the component.
Auf die Oberfläche eines Halbleiters mit direkter Bandstruktur (vorzugsweise GaAs) wird ein fTetallkontakt (Gate) aufgedampft, der möglichst gut transparent, aber auch dick genug ist, um nicht einen zu hohen Flächenwiderstand zu haben, Die Abmessungen des Kontaktes sind der jeweiligen Anwendung und den. Möglichkeiten zur Fokussierung eines Laserstrahles anzupassen. Die untere Grenze kann bei einem Kontaktdurchmesser von etwa 20 /um liegen (G.B.Stringfellow, P.E.Greene, J.Appl.Ihysics, Jahrgang 1969, Seiten 502-507). Das Halbleitermaterial sollte Epitaxiematerial mit einer hohen tumineszenzausbeute und einer Dotierungskonzentration im Bereich von 1015 bis 1017 cm 3 sein.On the surface of a semiconductor with a direct band structure (preferably GaAs) a metal contact (gate) is vapor-deposited, which is as transparent as possible, but is also thick enough not to have too high a sheet resistance, The Dimensions of the contact depend on the application and the. Ways to Adjust the focus of a laser beam. The lower limit can be a contact diameter of about 20 / um (G.B.Stringfellow, P.E. Greene, J.Appl.Ihysics, born 1969, Pages 502-507). The semiconductor material should have a high epitaxial material tuminescence yield and a doping concentration in the range from 1015 to 1017 cm 3.
Die Epitaxie schicht hat dabei eine Dicke von einigen /um.The epitaxial layer has a thickness of a few / um.
Als ohmscher Rückseitenkontakt dient eine weitere sehr gut leitende, hochdotierte Epitaxieschicht. Das Substrat ist zweckmäßigerweise eine semiisolierende Halbleiterscheibe.Another very good conductive, highly doped epitaxial layer. The substrate is expediently a semi-insulating one Semiconductor wafer.
Die Dotierung der -lumineszierenden Epitaxieschicht und der Absorptionskoeffizient für die anregende Laserstrahlung sind so aufeinander abzustimmen, daß sich eine ausreichende Modulation des Photolumineszenzsignals erzielen läßt.The doping of the -luminescent epitaxial layer and the absorption coefficient for the stimulating laser radiation are to be coordinated so that one can achieve sufficient modulation of the photoluminescent signal.
Funktionsweise: Die Verarmungsschicht im Halbleiter unter der Grenze des Metall-Halbleiter-Übergsnges läßt sich dicker machen, wenn eine Sperrspannung an den Kontakt gelegt wird. Die Photolumineszenz-Intensität I, die man außerhalb des Kristalls bei aiellenlängen, die Energien in einem Energiebereich um die Bandkantenenergie entsprechen, messen kann, hängt von der Dicke d der Verarmungsschicht ab, gemäß I 5 IO exp(- 0<αL d) exp(- αd), wobei CXL und α die Absorptionskoeffizienten für die anregende Laserstrahlung bzw. die austretende Sumineszenzstrahlung und 10 die Lumineszenz-Intensität ohne Berücksichtigung einer Verarmungsschicht sind. Zur Physik dieses Vorganges siehe: R.E.Hetrick, K.F.Yeung, J.Appl.#hysics, Jahrgang 1971, Seiten 2882-2885 und U.Langmann, Appl.Physics, Jahrgang 1973 (wird demnächst veröffentlicht).How it works: The depletion layer in the semiconductor below the limit of the metal-semiconductor transition can be made thicker if a reverse voltage is placed on the contact. The photoluminescence intensity I that one outside of the crystal at all lengths, the energies in an energy range around the band edge energy can correspond, measure depends on the thickness d of the depletion layer, according to I 5 IO exp (- 0 <αL d) exp (- αd), where CXL and α are the absorption coefficients for the stimulating laser radiation or the emitted suminescence radiation and 10 are the luminescence intensity without considering a depletion layer. To the For the physics of this process, see: R.E. Hetrick, K.F.Yeung, J.Appl. # Hysics, volume 1971, pages 2882-2885 and U. Langmann, Appl.Physics, year 1973 (will be published soon released).
Fig.2 zeigt die Lumineszenz-Intensität I bei # =870 nm an einem CrAu-GaAs Schottky-Kontakt (GaAs Bulk-Material) in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U. Die Anregung erfolgt hierbei durch einen HeNe Laser. Trägt man ln (I/Io) über oder über U auf, dann erhält man über einen weiten Spannungsbereich einen linearen Zusammenhang.FIG. 2 shows the luminescence intensity I at # = 870 nm on a CrAu-GaAs Schottky contact (GaAs bulk material) as a function of the applied voltage U. The excitation takes place here by a HeNe laser. If one transfers ln (I / Io) or across U, then one obtains a linear relationship over a wide voltage range.
Die Intensitätsmodulation kann an der Kennlinie nach Fig.2 erfolgen, wobei ein geeigneter Arbeitspunkt durch eine negative Vorspannung gewählt wird. Es ist zu erwarten, daß die obere Grenzfrequenz zwischen 100 NHz und 1 GHz, evtl. auch darüber, liegt, je nach der Abklingkonstanten für die strahlende Rekombination.The intensity modulation can take place on the characteristic curve according to Fig. 2, a suitable operating point is selected by a negative bias. It is to be expected that the upper limit frequency will be between 100 NHz and 1 GHz, possibly also above, depending on the decay constant for the radiative recombination.
Anwendung Eine geeignete Anwendung kann das Bauelement in einem optischen Vermittlungssystem nach Fig.3 finden. Die wesentlichen Elemente dieses Systems und seine Funktionsweise sind von U,Schmidt (Süddeutsche Zeitung, Jahrgang 1972, Ausgabe 206) angegeben worden. Nur werden bei Schmidt Elektrolumineszenz-Dioden als lichtemittierende Elemente eingesetzt. Ein Laserstrahl stellt die Verbindung zwischen den jeweiligen lichtemittierenden Elektrolumineszenz-Dioden auf der Eingangsseite und den lichtempfindlichen Photodioden auf der Ausgangsseite her. Die Elektrolumineszenz-Dioden werden ihrerseits über lichtempfindliche Elemente vom Laserstrahl gezündet, Der Einsatz eines Schottky-Kontaktes mit spannungsgesteuerter Photolumineszenz in einem optischen Vermittlungssystem nach Fig.3 ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Element entweder a) nur auf der Sende seite als Wandler für elektrische in optische Signale oder b) auf der Sende seite als Wandler für elektrische in optische Signale und auf der Empfangsseite als Wandler für optische in elektrische Signale (vgl. Fig.3) eingesetzt wird. Dies bringt eine starke Vereinfachung des technologischen Aufbaus und eine größere mögliche Integrationsdichte und eine wesentlich geringere erforderliche Signalleistung.Application The component can be used in an optical Find switching system according to Fig.3. The essential elements of this system and its functionality are from U, Schmidt (Süddeutsche Zeitung, 1972, edition 206). Only electroluminescent diodes are used as light-emitting diodes at Schmidt Elements used. A laser beam establishes the connection between the respective light-emitting electroluminescent diodes on the input side and the light-sensitive Photodiodes on the output side. The electroluminescent diodes are in turn Ignited by the laser beam via light-sensitive elements, the use of a Schottky contact with voltage controlled photoluminescence in an optical switching system according to Figure 3 is characterized according to the invention in that the element either a) only on the transmitting side as a converter for electrical to optical signals or b) on the transmitting side as a converter for electrical to optical signals and on the Receiving side as a converter for optical to electrical signals (see Fig. 3) used will. This brings a great simplification of the technological structure and a greater possible integration density and a much lower required Signal power.
Die Grenzfrequenz dürfte etwa so hoch wie bei Elektrolumineszenz-Dioden liegen. The cutoff frequency should be about as high as that of electroluminescent diodes lie.
Eine weitere wichtige Anwendung ist möglich. Eine binäre Information, die in einem zweidimensionalen Feld von integrierten transparenten Schottky-Kontakten in Form von Spannungswerten an den Kontakten gespeichert ist, kann bei wahlfreiem Zugriff durch einen Laserstrahl gelesen werden.Another important application is possible. A binary information, those in a two-dimensional array of integrated transparent Schottky contacts is stored in the form of voltage values at the contacts, can be optional Access can be read by a laser beam.
Null Volt an einem Kontakt bedeutet dabei maximales Photolumineszenz-Signal (z.B. logische Eins) und beispielsweise -10 Volt bedeutet etwa 15% Lumineszenz-Intensität (logische Null). Die Information in den Kontakten wird bei dem "Lesevorgang" nicht zerstört.Zero volts at a contact means the maximum photoluminescence signal (e.g. logical one) and e.g. -10 volts means about 15% luminescence intensity (logical zero). The information in the contacts is not "read" destroyed.
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