DE3786791T2

DE3786791T2 - Optische ablesung einer potentialtopfvorrichtung.

Info

Publication number: DE3786791T2
Application number: DE87908088T
Authority: DE
Inventors: Israel Bar-Joseph; Tao-Yuan Chang; Daniel Chemla; David Miller
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-12-03
Filing date: 1987-11-24
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2007-11-25
Also published as: DE3786791D1; WO1988004440A1; EP0292529A1; US4761620A; EP0292529B1; KR920010051B1; JPH01501988A; JP2669679B2; KR890700233A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Halbleiterquantentrogeinrichtungen und insbesondere eine Vorrichtung dieses Typs, die ihre optischen Eigenschaften ändern kann, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß Quantentrog- oder Quantentopfeinrichtungen veranlaßt werden können, Änderungen in ihren optischen Eigenschaften zu zeigen. Siehe z. B. das für D. S. Chemla et al. am 25. Juni 1985 erteilte Patent 4 525 687. In diesem Patent von Chemla et al. wird eine Halbleitereinrichtung mit Mehrfachquantentrogstrukturen beschrieben, und diese Einrichtung kann ihre optischen Eigenschaften durch Anlegen verschiedener Potentiale über die Mehrfachquantentrogschichten ändern. Wie in Fig. 25 dieses Patents dargestellt, kann ein Feld derartiger Einrichtungen auf einem Substrat angeordnet werden, und die individuellen Einrichtungen können durch elektrische Potentiale feldgesteuert werden, um die von jeder Einrichtung in dem Feld gezeigte Absorption zu ändern.
Mit größer und größer werdenden integrierten Schaltungen wird die Möglichkeit des optischen Auslesens der in derartigen Schaltungen gebildeten Information erwünschter. Einrichtungen des in dem vorstehend bezeichneten Patent von Chemla et al. beschriebenen Typs können an geeigneten Punkten einer hochintegrierten Schaltung, einer Very-Large-Scale-integrierten Schaltung, angeordnet werden, um eine Einrichtung zum optischen Auslesen der in dieser Schaltung gebildeten Information zur Verfügung zu stellen. Die Einrichtungen in dem vorstehend bezeichneten Patent von Chemla et al. benötigen eine präzise, stabile Betriebswellenlänge der für das Auslesen derartiger Einrichtungen verwendeten optischen Quelle. Das Design integrierter Schaltungen würde weniger Schwierigkeiten bieten, falls die Quantentrogschichten in Übereinstimmung mit der durch die elektrischen Einrichtungen gegebenen Informationen einen Wechsel in ihren optischen Eigenschaften ohne enge Toleranzen der benötigten Betriebswellenlänge bereitstellen könnten.
Optische Einrichtungen, einschließlich Modulatoren, die n-i-p-idotierte Übergitter verwenden, sind durch G. H. Döhler in "Optical Engineering", Band 25, Nr. 2, Februar 1986, Seiten 211-218, beschrieben worden. Einige dieser Einrichtungen enthalten Quantentröge in intrinsischen Schichten der Struktur, um eine modifizierte Form der Einrichtung von Chemla bereitzustellen.
Modulationsdotierte Heteroübergangs-Feldeffekttransistoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind von T. J. Drummond und anderen in "Proc. IEEE", Band 74, Nr. 6, Juni 1986, Seiten 773-822, beschrieben worden.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt unsere Entdeckung zugrunde, daß die optischen Eigenschaften einer Quantentrogschicht durch elektrische Änderung der Ladungsträgerdichte in einer Quantentrogschicht signifikant geändert werden können. In der speziellen, dargestellten Ausführungsform wird ein Feldeffekttransistor (FET) hergestellt, in dem die Quantentrogschichten als Leitungskanäle des FET dienen. Durch Veränderung der Gatespannung wird der Zustand des FET aus einem abgeschnürten leeren Kanal zu einem leitenden, vollen Kanal geändert. Die entsprechenden Änderungen in der Ladungsträgerdichte in dem Trog bewirken signifikante Änderungen der optischen Eigenschaften der Quantentrogschicht.
In der speziellen beschriebenen Ausführungsform wird die Gateelektrode durch Abscheiden eines Metalls auf der Halbleiteroberfläche hergestellt, und die optischen Eigenschaften der Quantentrogschicht werden durch Projizieren des Lichtstrahls einer Quelle durch die Substratstruktur und Reflektieren des Lichtstrahls von der metallischen Gateelektrode bestimmt. Als Ergebnis wird der Lichtstrahl in vorteilhafter Weise veranlaßt, zweimal durch die Quantentrogschicht zu treten, wobei die Absorptionswirkung auf den Lichtstrahl erhöht wird, der nach seinem Austreten aus dem Substrat erfaßt wird.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung ist der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung im Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen, in welchen:
Fig. 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäß konstruierten Vorrichtung ist,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die in schematischer Form in Fig. 1 gezeigte Halbleitereinrichtung ist, zusammen mit den elektrischen Verbindungen zu dieser Einrichtung, und
Fig. 3, 4 und 5 für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nützliche Kurven und Diagramme sind.

Detaillierte Beschreibung

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß Ladungsträger durch Modulationsdotierung in einer Quantentrogschicht angeordnet werden können. Diese Technik des Dotierens trennt die Ladungsträger räumlich von den Verunreinigungen, welche diese zur Verfügung stellen, was zu Materialien mit sehr hoher Mobilität führt, die in ihren elektronischen Transporteigenschaften ausführlich untersucht wurden. Diese Technik des Modulationsdotierens wurde bei der Entwicklung von selektiv dotierten Hochgeschwindigkeits-Heterostruktur-Transistoren angewendet.
Die optischen Eigenschaften eines modulationsdotierten Quantentrogs wurden noch nicht sehr umfangreich untersucht. Wie in Fig. 5 dargestellt, bewirkt die Anordnung von Ladungsträgern in dem Quantentrog das Füllen des zweidimensionalen Unterbandes bis zum Fermienergieniveau Ef. Als Ergebnis kann die optische Absorption, die normalerweise in einem Quantentrog, der keine Ladungsträger hat, vorhanden wäre nicht gesehen werden, und die erste Absorption, die stattfinden kann, entspricht dem Absorptionsschwellenwert Et, der in Fig. 5 dargestellt ist. Dieses Verschieben der Absorptionskante wurde in einer modulationsdotierten GaAs-Quantentrogschicht beobachtet, die in dem Artikel mit dem Titel "Optical Processes of 2D Electron Plasma in GaAs-(AlGa)As Heterostructures" von A. Pinczuk et al., Solid State Comms., Band 50, Nr. 8, Seiten 735-739 (1984) beschrieben ist. Dieses gesamte Verhalten eines Verschiebens der Absorptionskante kann durch die Tatsache, daß Ladungsträger die zweidimensionalen Unterbänder bis zu dem Ferminiveau aufgefüllt haben, recht vollständig erklärt werden. Als Ergebnis können beliebige niedrigenergetische Übergänge, die normalerweise in einer Quantentrogschicht ohne Ladungsträger stattfinden könnten, nicht stattfinden, da die Ladungsträger die Unterbänder vollständig bis zu den Ferminiveaus auffüllen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ladungsträger aus der Quantentrogschicht verschoben, wenigstens in einem Abschnitt dieser Schicht, so daß Absorption wieder bei der Wellenlänge stattfinden kann, die der normalerweise in einer Quantentrogschicht ohne Ladungsträger vorhandenen entspricht.
Eine Halbleiterstruktur, in der eine Quantentrogschicht mit Ladungsträgern bereitgestellt ist, ist als Struktur 100 in Fig. 1 dargestellt. In dieser Halbleiterstruktur 100 sind epitaxiale Schichten unter Verwendung eines Molekularstrahlepitaxie-Verfahrens auf einem eisendotierten (100)-Indiumphosphid-(InP)-Substrat 101 aufgewachsen. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die erste auf dem Substrat 101 aufgewachsene Schicht eine undotierte AlInAs-Pufferschicht 102. Diese Schicht wird bis zu einer Dicke von 3000 A aufgewachsen. Oberhalb der Pufferschicht 102 wird eine undotierte Schicht 103 unter Verwendung von GaInAs bis zu einer Dicke von 100 A aufgewachsen, um einen leitenden Quantentrogkanal für das zweidimensionale Elektronengas zur Verfügung zu stellen. Diese Quantentrogschicht 103 wird von einer 20 A-Zwischenschicht 104 gefolgt, die aus AlInAs besteht, der eine aus AlInAs bestehende Schicht 105 folgt, die mit Silicium bis zu dem Gehalt von 1,2·10¹&sup8; Atomen/cm³ dotiert wurde. Das Elektronengas in der Quantentrogschicht 103 wird mit Elektronen versorgt, die aus der dotierten Schicht 105 durch die Zwischenschicht 102 übertragen wurden. Schließlich wird eine aus AlInAs bestehende undotierte Schicht 106 bis zu einer Dicke von 140 A aufgewachsen und eine Deckschicht 107 aus GaInAs, das mit Silicium bis zu dem Gehalt von 7·10¹&sup7; Atomen/cm³ dotiert ist, wird bis zu einer Dicke von 200 A aufgewachsen. Source- und Drainkontakte werden durch Einlegieren aufgedampfter AuGe/Au-Kontakte 108 und 110 in Bereiche 111 und 112 in zwei Schritten bei 400ºC und 430ºC ausgebildet. Das Schottky-Gate-Muster 109 hat zusätzlich zu der 1,6·100 um Gateelektrode 109, die in einer 5,4 um Lücke zwischen den Source- und Drainbereichen mittig angeordnet ist, zwei Anschlußflächen 210 und 211 für das Bonden, wie in Fig. 2 dargestellt.
Der Bereich der epitaxialen Schicht, der durch dieses Muster bedeckt ist, bestehend aus der Gateelektrode und den zwei Anschlußflächen für das Bonden, wird unter Verwendung langsamen chemischen Ätzens vor dem Abscheiden des aus 300 A aus Cr, gefolgt von 3000 A aus Au bestehendem Schottky-Metall, mit einer Vertiefung von 230 A versehen. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Gateelektrode deshalb in direktem Kontakt mit der Schicht 106. Schließlich werden die auf einem Wafer erzeugten Feldeffekttransistoren durch eine tiefe Mesaätzung isoliert. Während dieses letzten Schrittes wird ebenfalls eine Brücke aus Luft zwischen der für das Bonden verwendeten Gateanschlußfläche 210 und der aktiven Gateelektrode 109 gebildet. Die zweite Gateanschlußfläche 211 in Fig. 2 hat eine Größe von 100·100 um. Diese Gateanschlußfläche wurde als aneinanderhängender Teil der Source-Drain-Mesa belassen, um als aktiver Bereich in der nachstehend beschriebenen Weise für das optische Untersuchen zu dienen. Die Unterseite des Substrates 101 wurde poliert, und die individuellen Einrichtungen wurden von dem Verarbeitungswafer durch Anritzen entfernt und auf Saphirplatten befestigt, da die Einrichtungen in den durchgeführten Experimenten individuell verwendet wurden. Nach der Befestigung zeigten die Feldeffekt-Transistoreinrichtungen die in Fig. 4 dargestellten Stromspannungscharakteristiken.
Gemäß der Erfindung wird das Licht-Ausgangssignal von einer monochromatischen optischen Quelle, wie z. B. einem Laser 130, durch das InP-Substrat und die epitaxialen Schichten unter der Gateelektrode auf die aktive Anschlußfläche 211 der Gateelektrode fokussiert. Dieses Licht wird von der Cr/Au-Elektrode reflektiert und durch einen Bleisulfid-Fotodetektor 131 detektiert. Das Source-Drain-Potential wurde durch eine Potentialquelle 220, wie in Fig. 2 dargestellt, zur Verfügung gestellt und das durch die Quelle 221 zwischen der Gateelektrode und der Sourceelektrode zur Verfügung gestellte Potential wurde während des Experimentes geändert, wodurch die Anzahl der Ladungsträger in der Quantentrogschicht 103 in einem Bereich unter der Gateelektrode 109 geändert wurde. Die in Fig. 3 dargestellten Kurven sind das Ergebnis der Messung der Intensität des reflektierten Lichtstrahls bei Messung durch den Detektor 131 als Funktion sowohl der Wellenlänge des durch die Quelle 130 zur Verfügung gestellten Lichtes als auch als Funktion der Gate-Source-Spannung (ΔVgs), die durch die Potentialquelle 221 bereitgestellt wurde. Diese Änderung der Lichtintensität ist entlang der vertikalen Achse in Fig. 3 als Änderung der Absorption (differentielle Absorption) bei Änderung der Gate-Source- Spannung dargestellt. Wie in Fig. 3 dargestellt, wurde die Gate-Source- Spannung von -0,5 V bis -0,2, 0,05 oder 1 V geändert und die Wellenlänge des Lichts der Lichtquelle 130 wurde von 1000 nm bis 1700 nm geändert. Wie weiter in Fig. 3 dargestellt, wurden verschiedene optische Absorptionen für jeden der Werte der Gate-Source-Spannung erhalten. Eine große differentielle Absorption von ungefähr 3 % wurde klar an dem Ort des nz=1 Exciton-Peaks und eine etwas geringere Änderung bei der nz=2 Resonanz gesehen. Durch Betreiben der optischen Quelle 130 bei einer zu dem nz=1 Exciton-Peak korrespondierenden Wellenlänge kann das durch den optischen Detektor 131 detektierte Licht verwendet werden, um den logischen Zustand des Feldeffekttransistors zu bestimmen. Dementsprechend stellt diese Vorrichtung einen optisch lesbaren Feldeffekttransistor zur Verfügung.
Einrichtungen des als 100 dargestellten Typs können an geeigneten Punkten einer hochintegrierten Schaltung (Very-Large-Scale-integrierte Schaltung) angeordnet werden, um eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welcher in der Schaltung vorhandene Information optisch lesbar ist.
Ein qualitatives Verständnis der in Fig. 3 dargestellten Absorptionsspektren kann durch Betrachtung der Wirkung des Phasenraumfüllens und einer Bandlückenrenormalisierung erhalten werden. Wenn Ladungsträger in den durch die Schicht 103 zur Verfügung gestellten Kanal injiziert werden, ist das nz=1 Leitungsunterniveau teilweise bevölkert, und die Ladungsträger sind mit einer Fermiverteilung verteilt. Diese besetzten Zustände können nicht zur Absorption beitragen, somit ist die Absorption bei dieser Wellenlänge gedämpft. Wenn die Gate-Source- Spannung von 1,0 V abnimmt, nimmt die Anzahl der in dem durch die Schicht 103 bereitgestellten Ladungsträgerkanal anwesenden Ladungsträger zu, und das Dämpfen bzw. Quenchen der Absorption bei der zu dem nz=1 Leitungsunterniveau gehörenden Wellenlänge findet, wie in Fig. 3 dargestellt, statt. Dementsprechend kann durch Veränderung der Gatespannung die Ladungsträgerdichte in dem Quantentrog kontinuierlich verändert werden, und die Absorptionseigenschaften des Quantentrogs können geändert werden, wodurch ein Mechanismus zur Verfügung gestellt wird, mit dem die elektrischen Eigenschaften des Feldeffekttransistors optisch auslesbar sind. Aufgrund des Effektes, der diese Veränderung bewirkt, wurde dieser Effekt Phasenraum-Absorptionsdämpfung (Phase Space Absorption Quentching, PAQ) genannt.
Der Begriff "Quantentrogschicht" bzw. "Quantentopfschicht", der zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, umfaßt in seiner Bedeutung eine einzelne Heterogrenzschicht, an der die Ladungsträger durch eine Kombination der elektrostatischen Anziehung und der Heterostrukturgrenzfläche eingeschlossen sind. Einige Beispiele von Feldeffekttransistoren, die unter Verwendung anderer Techniken des Quanteneinschlusses konstruiert wurden, sind in dem Artikel von T. J. Drummond et al. mit dem Titel "Modulation Doped GaAs/(Al,Ga)As Heterojunction Field-Effect Transistors: MODFETs", Proceedings of the IEEE, Band 74, Nr. 6, Juni 1986, Seiten 773-822, beschrieben.
Das vorstehend Beschriebene ist eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obwohl die Erfindung zusammen mit einer Ausführungsform beschrieben wurde, in der das InGaAlAs-Materialsystem verwendet wird, ist es für Fachleute auf diesem Gebiet klar, daß die Erfindung gleichermaßen auf andere Halbleitermaterialsysteme anwendbar ist. Der gesamten Erfindung liegt unsere Entdeckung zugrunde, daß die Änderung der Trägerdichte in einem Quantentrog signifikante Änderung dessen optischer Eigenschaften erzeugen kann. Mehr als ein Quantentrog ist in der Halbleiterstruktur verwendbar, um die Absorptionswirkung zu erhöhen. Es ist ebenfalls für Fachleute auf diesen Gebiet klar, daß Änderungen der Absorptionseigenschaften nur auftreten können, wenn Änderungen der weiteren Eigenschaften, wie z. B. des Brechungsindex, auftreten. Dementsprechend ist die Erfindung verwendbar, um Änderungen des Brechungsindex zur Verfügung zu stellen, die wiederum durch andere Einrichtungen als solche, die Amplitudenänderungen der Lichtintensität erfassen, detektiert werden können. Die Änderung der Absorption kann durch Projektion des Lichtstrahls entlang eines Quantentrogs, der als Wellenleiter dient, mehr noch als durch die in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Quantentrogwände erhöht werden.

Claims

1. Einrichtung mit:

einem modulationsdotierten Heteroübergangsfeldeffekttransistor mit Source- und Drainbereichen (111, 112) mit jeweiligen Source- und Drainelektroden (108, 110);

einem Kanalbereich mit einer modulationsdotierten Halbleiterheterostruktur mit wenigstens einer im wesentlichen undotierten Quantentrogschicht (103) und einer dotierten Halbleiterschicht (105) in ausreichend enger Nähe zu der besagten einen Quantentrogschicht, um in dieser Ladungsträger zur Verfügung zu stellen;

und einer Gateelektrode (109), welche die Anzahl an Ladungsträgern in der wenigstens einen Quantentrogschicht verändern kann, wobei dadurch der Stromfluß zwischen den Source- und Drainbereichen durch den Kanalbereich gesteuert ist, gekennzeichnet durch

eine Lichtquelle (130) mit einer vorbestimmten Wellenlänge, die Licht durch die besagte eine Quantentrogschicht richten kann,

und eine Einrichtung (131) zum Erfassen von Änderungen in dem Licht nach Durchtreten der besagten einen Quantentrogschicht, wobei dadurch Änderungen in dem Leitfähigkeitszustand der Einrichtung detektiert werden.

2. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Halbleiterstruktur ferner eine im wesentlichen undotierte Barrierenschicht (104) enthält, die epitaxial zwischen die dotierte Halbleiterschicht und die wenigstens eine Quantentrogschicht aufgewachsen ist.

3. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Gateelektrode aus einem Material ist, das Licht bei der vorbestimmten Wellenlänge reflektieren kann, wobei die Lichtquelle positioniert ist, um das Licht zur Reflexion an der Gateelektrode durch die Quantentrogschicht zu richten und die Einrichtung zum Erfassen von Änderungen des Lichtes bei der vorbestimmten Wellenlänge positioniert ist, um das an der Gateelektrode reflektierte Licht zu empfangen.