DE4000023A1

DE4000023A1 - Optisch gesteuerte elektronische resonanztunnelbauelemente

Info

Publication number: DE4000023A1
Application number: DE4000023A
Authority: DE
Inventors: Daniel S Chemla; David A B Miller; Stephan Schmitt-Rink
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-01-09
Filing date: 1990-01-02
Publication date: 1990-07-12
Anticipated expiration: 2010-01-03
Also published as: GB9000088D0; JPH02231777A; US5047810A; GB2226916B; DE4000023C2; GB2226916A

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen mit Halbleiterbauelemen ten, deren Betrieb auf dem Resonanztunneln von Ladungsträ gern durch eine Quantenlochzone (Quantentopfzone) beruht.

Die Schaltgeschwindigkeit von Bauelementen war schon immer der durch seine Bedeutung herausragende Betriebsparameter von Halbleiterbauelementen, wie sie in der Nachrichtentech nik, für Schaltvorgänge und für Rechner eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Bauelement-Schaltgeschwindigkeit wur den zahlreiche verschiedene physikalische Effekte untersucht. Ein physikalisches Phänomen, das zu schnelleren Halbleiter bauelementen geführt hat, ist das Tunneln von Teilchen durch eine Energiebarriere, insbesondere das Resonanztunneln in Strukturen mit zwei oder mehr Energiebarrieren.

In Resonanztunnelbauelementen umgeben (zweidimensional) zwei oder mehr Energiebarrierenschichten ein oder mehrere Potential lochschichten. Ein Resonanztunneln erfolgt, wenn ein Ladungs träger ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Feld durch einen energetischen Eigenzustand des Potentiallochs tunnelt. Hier sei beispielsweise hingewiesen auf das elektronische Doppelbarrieren-Resonanztunnelbauelement, wie es in Appl. Phys. Lett. 24, S. 593-5 (1974) beschrieben ist.

Versuche, die Betriebskennlinien von Doppelbarrieren-Reso nanztunnelbauelementen zu verbessern durch Modulieren der Dotierung, Schaffung ungleicher Barrierenhöhen und derglei chen haben zu einigem Erfolg bei der Verbesserung der Bau element-Schaltgeschwindigkeit geführt. Allerdings hängt der Erfolg dieser und anderer Verbesserungsmethoden praktisch vollständig von der Verbesserung der Ladungsträgerbeweglich keit bei angelegtem elektrischem Feld ab.

Resonanztunnelbauelemente mit verbesserter Schaltgeschwindig keit werden dadurch realisiert, daß sie anstelle eines opti schen Steuerelements zum Umschalten des Bauelements von einem stabilen Zustand in den anderen ein optisches Steuerelement enthalten. Die Verbesserungen der Schaltgeschwindigkeit er folgen deshalb, weil die optischen Prozesse, die von dem optischen Steuerelement eingeleitet werden, beträchtlich schneller ablaufen als die elektronischen Prozesse, die durch herkömmliche elektrische Steuerelemente induziert werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein optoelektro nisches Bauelement mindestens eine Doppelbarrieren-Quantenloch Halbleiter-Heterostruktur, die gesteuert umgeschaltet wird von einem aktiven Zustand in einen inaktiven Zustand, und umgekehrt, in dem optische Signale einfallen, deren mittle re Photonenenergie geringer ist als der Bandabstand der He terostruktur, wobei der aktive Zustand des optoelektronischen Bauelements gekennzeichnet ist durch das Leiten von Ladungs trägern durch Resonanztunneln.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung enthält das opto elektronische Bauelement Ausgestaltungen mit Halbleiterdioden und Transistoren.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Leitungsbandprofile für eine Doppelbarrie ren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur, die Resonanztunneln zeigt,

Fig. 4 eine graphische Darstellung von über der Spannung aufgetragenem Strom für das Bauelement nach Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines beispielhaf ten elektronischen Bauelements mit der Heterostruktur nach Fig. 1, die ein elektrisches Steuerelement aufweist,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines optoelektro nischen Bauelements gemäß der Erfindung,

Fig. 7 das Leitungsbandprofil einer zweiten Aus führungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelements, und

Fig. 8 eine beispielhafte Schichtstruktur für eine zweite Ausführungsform des erfin dungsgemäßen optoelektronischen Bauele ments.

Elektrisch gesteuerte Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter- Heterostruktur-Bauelemente, die Resonanztunneln von Ladungs trägern in dem aktiven oder leitenden Betriebszustand zeigen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. In den Fig. 1 bis 5 sind Leitungsbandprofile, IV-Kennlinien und eine beispielhafte Ausgestaltung eines solchen elektrisch gesteuerten Bauelements mit einer Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur dargestellt.

Wie aus den Fig. 1 bis 4 hervorgeht, ist das Prinzip des Resonanztunnelns schematisch dargestellt, wonach mindestens ein quasi-begrenzter Eigenzustand in einem durch zwei schmale Barrieren eingegrenzten Quantenloch in Übereinstimmung mit dem Fermi-Niveau einer dotierten Zone außerhalb einer Barriere gebracht wird, in dem eine Vorspannung angelegt wird. Eine Re sonanz-Zunahme in der Tunnel-Wahrscheinlichkeit und mithin ein Strom-Maximum ergibt sich, wenn die an die Barrierenschichten angelegte Spannung so beschaffen ist, daß das Fermi-Niveau außerhalb der Barriere gleich der Energie einer der Eigenzu stände (E ₀, E ₁) in dem Quantenloch ist. Zusätzliche Vorspan nung zerstört die Resonanz-Ausrichtung und verursacht das Auf treten eines Zustands negativen differentiellen Widerstands.

Gemäß Fig. 1 sind auf einander abgewandten Seiten einer Quan tenlochschicht 13 Barrierenschichten 12 und 14 gebildet. Außer halb der Barrierenschichten 12 und 14 sind externe Schichten 11 und 15 gebildet. Die Kombination der Schichten 11 bis 15 definiert eine Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Hetero struktur (im folgenden: Heterostruktur) 10. Die externen Schich ten 11 und 15 weisen dotiertes Halbleitermaterial mit schma lem Bandabstand auf, zum Beispiel GaAs. Die Barrierenschich ten 12 und 14 weisen undotiertes Halbleitermaterial mit brei tem Bandabstand auf, zum Beispiel AlGaAs, welches mit gerin ger Dicke von etwa 20 bis 50 A gewachsen ist. Die Quantenloch schicht 13 weist ein undotiertes Halbleitermaterial mit ge ringem Bandabstand auf, zum Beispiel GaAs, das mit einer Dicke von etwa 50 bis 250 A gewachsen ist. Im allgemeinen enthalten die Schichten 11, 13 und 15 Halbleitermaterial mit praktisch identischen Bandabständen. Das Fermi-Niveau E _f ist oberhalb des Bandabstands E _c in den Schichten 11 und 15 dargestellt. Quasi-beschränkte Eigenzustände E ₀ und E ₁ sind in der Quanten lochschicht 13 dargestellt. Typische Werte für die Energien der quasi-beschränkten Eigenzustände bezüglich E _c liegen im Bereich von 30 bis 100 meV, abhängig von der Breite und der Zusammensetzung der Quantenlochschicht 13. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist an die Heterostruktur 10 kein elektrisches Feld angelegt. In diesem Zustand fließt kein Strom durch die Heterostruktur.

In Fig. 2 steht die Heterostruktur 10 unter dem Einfluß eines angelegten Feldes, das durch eine Spannung V _f induziert wird. Der Spannungsanstieg bringt den quasi-beschränkten Eigenzu stand E ₀ in Übereinstimmung mit E _f, was einen Stromfluß durch die Heterostruktur zur Folge hat. Der Strom fließt, bis eine Spannung (V _c) an die Heterostruktur 10 gelegt wird, die aus reicht, um den Eigenzustand E ₀ auf ein Niveau unterhalb der Leitungsbandenergie E _c zu bringen.

Die Zunahme des Stroms aufgrund des Resonanztunnelns für Span nungen oberhalb V _f und der anschließende scharfe Abfall des Stromflusses für Spannungen gleich oder oberhalb V _c sind in der graphischen Darstellung nach Fig. 4 veranschaulicht, in der der Strom gegenüber der Spannung aufgetragen ist.

Eine repräsentative Bauelementstruktur, die die Profile und Kennlinien der in Fig. 1 bis 4 dargestellten Doppelbarrieren- Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur 10 aufweisen, ist in Fig. 5 in Form eines elektrisch gesteuerten Resonanztunnel bauelements 50 dargestellt. Das Bauelement 50 kann nach her kömmlichen Epitaxiemethoden hergestellt sein, zum Beispiel mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie oder der Dampfphasen- Epitaxie wie zum Beispiel der Metall-organisch-chemischen Dampfniederschlagung. Der Wachstumsprozess beginnt mit einem GaAs-Substrat 52, das mit Silicium dotiert ist, so daß es n⁺-leitend ist. Auf dem Substrat 52 ist epitaktisch eine GaAs- Pufferschicht aufgebracht, die mit Silicium dotiert ist (n⁺ mit etwa 5 × 10¹⁷ Atomen/cm³), und die eine Dicke von etwa 1 Mikrometer besitzt. Oberhalb der Schicht 53 ist eine nomi nell undotierte Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-He terostruktur 51 gewachsen. Die Heterostruktur umfaßt: eine GaAs-Schicht 54 mit einer Dicke von etwa 0,25 Mikrometer; eine Barrierenschicht 55 aus AlAs mit einer Dicke von etwa 20 Å; eine Quantenlochschicht 56 aus GaAs mit einer Dicke von etwa 70 Å; eine Barrierenschicht 57 aus AlAs mit einer Dicke von etwa 20 Å und eine undotierte Kanalschicht 58 mit einer Dicke von etwa 200 Å.

Die Barrieren- und Quantenlochschichten besitzen homogene oder heterogene Zusammensetzungen, wie im Fall der linear abgestuften Barrierenschichten oder einer parabolisch abge stuften Quantenlochschicht. Typischerweise ist der Bandab stand des für die Quantenlochschicht ausgewählten Materials geringer als der Bandabstand des für die Barrierenschichten ausgewählten Materials.

Ein Heteroübergang in Form eines modulations-dotierten Hetero übergangs ist oberhalb der Heterostruktur 51 gewachsen. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besteht ein beispielhafter modulations dotierter AlGaAs/GaAs-Heteroübergang aus: einer vorab gewach senen Kanalschicht 58; einer nominell undotierten Abstands schicht 59 aus AlGaAs (der Al-Molenbruch beträgt 0,35) mit einer Dicke von etwa 80 Å; einer dotierten Donatorschicht 60 mit einer Dicke von etwa 400 Å, n⁺-dotiert mit Silicium in einer Konzentration von etwa 2 × 10¹⁸/cm³. In diesem Hetero übergang enthält die Kanalschicht 58 ein Elektronengas hoher Beweglichkeit mit einer Dichte von etwa 10¹⁸/cm³, von den Ausgangsdonatoren in der Donatorschicht 60 räumlich getrennt durch die Abstandsschicht 59. Die Verwendung eines modulations dotierten Heteroübergangs ist wünschenswert, da die Bildung eines einen geringen Widerstand aufweisenden Ohmschen Kontakts mit dem Heteroübergang erleichtert wird, während Dotierstoffe von der Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur 51 ferngehalten werden. Außerdem stellt die Abstandsschicht 59 ein Mittel zur Passivierung der benachbarten Kanalschicht 58 dar.

Eine Kontaktschicht 61 enthält dotiertes, n⁺-leitendes GaAs auf der Donatorschicht 60. Die Kontaktschicht 61 besitzt eine Dotierstoffkonzentration von annähernd 2×10¹⁷/cm³ aus Silicium und hat eine Dicke von etwa 1400 Å.

Auf den Schichten 61 und 52 sind elektrische Kontaktstücke 62 und 63 gebildet. Zu deren Bildung werden übliche Photo lithographie- und Metallisiermethoden eingesetzt. Für die Kontaktstücke 62 und 63 kommen homogene und legierte Metalle in Betracht. Beispielsweise eignet sich zur Bildung der Kon taktstücke das sukzessive Aufdampfen von Germanium, Gold, Silber und Gold, gefolgt durch eine kurze Warmbehandlung (Glühen) bei einer geeigneten Temperatur.

Der Fachmann versteht, daß das in Fig. 5 dargestellte Bau element eine elektrisch gesteuerte Resonanztunneldiode mit einer Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur und der modulations-dotierten Zone ist. Die Diode arbeitet im wesentlichen so, wie es oben in bezug auf die Fig. 1 bis 4 erläutert wurde. Das heißt: Durch Anlegen einer Span nung an die Kontaktstücke 62 und 63 kann man das Bauelement veranlassen, durch Resonanztunneln von Ladungsträgern zu lei ten, vorausgesetzt, daß die angelegte Spannung ausreicht, damit der niedrigste quasi-begrenzte Eigenzustand innerhalb der Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur übereinstimmt mit dem Fermi-Niveau E _f außerhalb der Barrie renschicht.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements, bei dem von der Erfindung Gebrauch gemacht ist. Der Ausdruck "optoelektronisches Bauelement" ist so zu ver stehen, daß er jedes Bauelement innerhalb der Familie der optisch gesteuerten elektronischen Bauelemente umfaßt, das in der Lage ist, durch Resonanztunneln von Ladungsträgern durch eine Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruk tur in einem leitenden Zustand zu arbeiten. Als elektronische Bauelemente betrachtet man Dioden oder Transistorstrukturen, wie beispielsweise FETs, Bipolar-Bauelemente, Unÿunktions- Bauelemente und dergleichen.

Das in Fig. 6 dargestellte optoelektronische Bauelement ent hält die für das Diodenbauelement 50 (Fig. 5) dargestellten Halbleiterschichten und Kontaktstücke in Kombination mit einer Lichtquelle 64. Die Lichtquelle 64 enthält eine Leuchtdiode, einen Halbleiterlaser oder irgendeine andere Lichtquelle, die geeignet ist, optische Signale zu erzeugen, deren mitt lere Photonenenergie v geringer ist als der Bandabstand der Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur. Das heißt: v ist kleiner als E _c-E _v, wobei E _c das Energieniveau eines Leitungsbandes und E _v das Energieniveau des Valenzbandes ist.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, enthält das optoelektronische Bauelement eine Modifizierung der Substratschicht 52 derge stalt, daß optische Signale von der Lichtquelle 64 die Hetero struktur erreichen können. Diese Modifizierung wird erreicht durch Verwendung der Metallisierung des Kontaktstücks 63 als Maske für anschließendes Ätzen der Substratschicht 52. Stoff selektive chemische Naß-Ätzmittel, wie zum Beispiel eine Kom bination aus Wasserstoffperoxyd und Ammoniumhydroxid (pH etwa 7,2) beseitigen bei Zufuhr zu dem freiliegenden Abschnitt des Substrats zwischen den Abschnitten des Kontaktstücks 63 den freiliegenden Bereich des Substrats 53. Der Ätzvorgang wird angehalten, wenn eine geeignete Menge des Substrats 57 beseitigt ist, was zum Beispiel dann der Fall ist, wenn die Schicht 53 freiliegt.

Der Fachmann erkennt, daß das Modifizieren der Substratschicht 52 deshalb notwendig ist wegen der hohen Absorption der auf treffenden optischen Signale in der GaAs-Substratschicht 52. Während die oben erläuterte Modifizierung es gestattet, daß optische Signale auf die Heterostruktur auftreffen, so hat die Modifizierung aber auch zur Folge, daß die Festigkeit des Bauelements leidet, so daß es möglicherweise leider bricht oder Risse erleidet, wenn mechanische Kräfte einwirken. Um diesem Problem zu begegnen und wegen des Erfordernisses der Modifizierung des Substrats werden andere Stoffsysteme betrach tet, bei deren Wachstum die Substratschicht völlig transpa rent (nicht-absorbierend) für einfallende optische Signale ist. Solche Stoffsysteme enthalten Halbleiterverbindungen aus Stoffsystemen der Gruppe III-V auf InP-Basis und derglei chen, wie sie unten näher erläutert werden.

Im Betrieb wird das optoelektronische Bauelement nach Fig. 6 vorzugsweise in einen nicht-leitenden Zustand vorgespannt. Im allgemeinen reicht ein durch eine an die Kontaktstücke 62 und 63 angelegte Vorspannung V _b, wobei V _b größer als V _c ist, induziertes elektrisches Feld aus, um die Heterostruktur 51 zu veranlassen, ein Leiten zu verhindern. Auf die Hetero struktur 51 optische Signale verursachen ein kleines inter nes elektrisches Feld innerhalb der Quantenlochschicht, wel ches dem durch die Vorspannung induzierten elektrischen Feld entgegenwirkt. Dieser Effekt ist für vorgespannte Quanten löcher bereits beschrieben in Phys. Rev. Lett., Band 59, Nr. 9, Seiten 1018-21 (1987). Der Effekt der Doppelbarrieren-Quanten loch-Halbleiter-Heterostruktur wird wie folgt verstanden: Wenn die Diode gerade oberhalb der Sperrspannung V _c vorge spannt ist, erzeugt ein optischer Lichtimpuls mit einer mitt leren Photonenenergie unterhalb des Bandabstands eine AC-Stark- Verschiebung der quasi-begrenzten Eigenzustände (E ₀, E ₁) in Richtung höherer Energie und die Erzeugung eines internen statischen elektrischen Feldes, das dem durch die angelegte Vorspannung induzierten elektrischen Feld entgegengesetzt ist. Bezüglich der AC-Stark-Verschiebung sei beachtet, daß sich nur die quasi-begrenzten Eigenzustände in Richtung höhe rer Energie bewegen, ohne eine entsprechende Bewegung des Leitungsband-Minimums E _c, da die Kopplung der Energienieveaus in dem dotierten Material außerhalb der Barrierenschichten mit dem durch Licht induzierten Feld ausgelöscht wird durch das Exklusionsprinzip. Der interne statische Feldeffekt kom biniert sich mit dem AC-Stark-Effekt, um den Eigenzustand E ₀ in Übereinstimmung zu bringen mit dem niedrigsten besetz ten Niveau des Materials außerhalb der Barrierenschichten (Zone 11). Im Ergebnis wird der Kennlinien-Betriebspunkt der Diode zu einem Punkt zurückbewegt, an dem die Diode leitet aufgrund des Resonanztunnels von Ladungsträgern durch die Heterostruktur. Wenn die optischen Signale nicht mehr auf die Heterostruktur auftreffen, kehrt die Diode in ihren nor malen, nicht leitenden Zustand bei einer Vorspannung, die größer als die Sperrspannung V _c ist, zurück.

Sowohl die Intensität der optischen Signale als auch deren mittlere Photonenenergie bezüglich des Bandabstands der Doppel barrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur 51 bestimmen die Stärke des internen elektrischen Feldes, welches von den von der Lichtquelle 64 kommenden, auf die Heterostruktur 51 auftreffenden optischen Signalen induziert wird. Durch Ver suche wurde festgestellt, daß in einem GaAs-Quantenloch eine 5 meV betragende Verschiebung (Verstimmung) erhalten wird bei einfallenden optischen Signalen von etwa 200 MW/cm² mit einer Impulsbreite von etwa 100 fs im transparenten Bereich des Quantenlochs. In einem weiteren Versuch wurde festgestellt, daß typische Werte für die Impulsintensität der auf das GaAs- Quantenloch (≈ 100 Å) auftreffenden Signale zwischen MW/cm² (Pikosekundenimpulse) und 1 GW/cm² (Femtosekundenimpulse) liegen, wenn diese eingesetzt werden zum Verstimmen der mitt leren Photonenenergie unter die Leitungsbandenergie durch etwa 30 meV bis 50 meV. Schließlich wurde durch einen weite ren Versuch bestimmt, daß ein GaAs-Quantenloch von 100 Å eine Verschiebung des quasi-begrenzten Eigenzustands von 0,22 meV bringt bei optischen Signalen mit einer Intensität von 8 MW/cm² und eine mittlere Photonenenergie von angenähert 30 meV unter halb des Leitungsbandes des Quantenlochs.

Die tatsächliche Beziehung zum Bestimmen des Ausmaßes der Verschiebung für den quasi-beschränkten Eigenzustand in Ab hängigkeit der optischen Signale bei der Energie v lautet wie folgt:

wobei μ _cv das Zwischenband-Übergangs-Matrixelement ist; ξ _ν das optische Feld (der Frequenz v) ist; E₀ die Energie des ersten Niveaus in dem Quantenloch ist; ν die Photonenenergie des optischen Feldes ist; [E₀- ν] die Verstimmung (eV) ist; |⌀(r=0) | ² das Quadrat der Hüllfunktion des Excitons für e = 0 ist; N _s die Sättigungsdichte ist und δ E₀ die Verschiebung in dem quasi-begrenzten Eigenzustand (eV) ist.

wobei I die Intensität der optischen Signale ist, ausgedrückt in W/cm².

Fig. 7 und 8 zeigen das Diagramm eines Leitungsbandprofils beziehungsweise einen beispielhaften Aufbau einer Halbleiter schichtstruktur für einen optisch gesteuerten Resonanztunnel- Bipolartransistor gemäß der Erfindung. Das elektronische Bau element nach Fig. 7 und 8 enthält eine Emitterzone 81, eine Basiszone 83 und eine Kollektorzone 85. Elektrische Kontakt stücke 87, 89 und 91 befinden sich an der Emitterzone, der Basiszone beziehungsweise der Kollektorzone. Die Kontaktquali tät wird verbessert durch die Verwendung stark dotierter Zo nen 93, 95 und 97, die mit der Emitterzone, der Basiszone beziehungsweise der Kollektorzone in Berührung stehen. Wie in der Figur dargestellt, ist das elektrische Kontaktstück 89 ein ringförmiger Kontaktpunkt. Sämtliche Schichten sind auf einem geeigneten Substrat 82 durch Wachstum gebildet.

Bei Bedarf wird das Substrat 82 in der Nähe der Basiszone geätzt, damit optische Signale von der Lichtquelle 90 auf die Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur innerhalb der Basiszone auftreffen. Das dargestellte elektro nische Bauelement verwendet einen Heteroübergang, wobei die Emitterzone einen breiteren Bandabstand aufweist als der der Emitterzone benachbarte Abschnitt der Basiszone. Der Hetero übergang ist vom Typ I, so daß die Leitungs- und Valenzbän der in der Zone breiten Bandabstands oberhalb beziehungsweise unterhalb den Leitungs- und Valenzbändern in der Zone schma len Bandabstands liegen. Obschon zur Erzeugung einer nahezu abrupten Emitterzone gemäß Fig. 7 eine allmähliche Bandab stands-Abstufung verwendet wird, können auch andere Methoden zum Bilden der Emitterzone eingesetzt werden, beispielsweise das entartete Dotieren.

In einer speziellen Ausführungsform enthält die Emitterzone AlGaAs mit einem Aluminium-Molenbruch von weniger oder gleich 0,4 und einer n-Dotierung mit einer Konzentration von mehr als 10¹⁷cm/³. Die Basiszone ist p-leitend und hat eine Do tierstoffkonzentration von etwa 2 × 10¹⁸cm/³ bei einer Dicke von etwa 800 bis 1000 A. Vorzugsweise befindet sich die Dop pelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur zentrisch innerhalb der Basiszone. Im allgemeinen sollte die Basiszo nen-Dicke, gemessen zwischen der Emitterzone und der nächsten Barriere in der Heterostruktur, kleiner gewählt werden als die streuende mittlere freie Weglänge eines Elektrons, das von dem Emitter injiziert wird, jedoch größer als die bei einer Vorspannung von 0 gegebene Verarmungsbreite auf der p-Seite des Emitter-Basis-Übergangs. Bevorzugt handelt es sich bei der Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter-Hetero struktur um GaAs/AlGaAs oder GaAs/AlAs, wie es in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wurde.

Herstellungsmethoden umfassen das Halbleiter-Schichtwachstum, die Photolithographie und Kontakt-Metallisierung gemäß obiger Beschreibung. Beispielhafte Bauelementfertigung für AlGaAs/ GaAs-Bipolartransistoren ist beschrieben in Appl. Phys. Lett., 46, S. 600-603 (1985).

Im Betrieb wird der Basis-Emitter-Übergang im allgemeinen in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der Basis-Kollektor- Übergang im allgemeinen in Sperrichtung vorgespannt wird. Wenn sich die Basis-Emitter-Spannung erhöht, nimmt die Energie differenz zwischen der Spitze der ballistischen Elektronen in der Emitterzone und dem ersten quasi-beschränkten Eigenzustand in der Quantenlochschicht ab. Wenn die beiden Energieniveaus übereinstimmen, werden von dem Emitter ballistisch Elektro nen in den Resonanz-Eigenzustand innerhalb des Quantenlochs geschossen und unterliegen einer Resonanztunnelung durch die Heterostruktur bei einer Durchtrittswahrscheinlichkeit von angenähert eins. Um dieses Bauelement erfindungsgemäß zu be treiben, können die Basis-Emitter-Vorspannung und die Basis- Kollektor-Spannung so gewählt werden, daß das elektronische Bauelement entweder in einen Resonanz-Leitungszustand (nor mal-ein) oder einen nicht-Resonanzzustand (normal-aus) gelangt. Optische Signale von einer Lichtquelle 90, die eine mittlere Photonenenergie unterhalb des Bandabstands der Heterostruktur aufweisen, treffen auf die Basiszone des elektronischen Bau elements auf. Für ein elektronisches Bauelement, das so vor gespannt ist, daß es normalerweise eingeschaltet ist, ver anlassen die von der Lichtquelle 90 kommenden optischen Sig nale die oben beschriebene AC-Stark-Verschiebung und das Auf treten des internen entgegengerichteten elektrischen Feldes, um eine Verschiebung des quasi-begrenzten Eigenzustands zu veranlassen. Als Ergebnis wird der Transistor durch die auf treffenden optischen Signale von dem Normal-Ein-Zustand um geschaltet in einen nicht-leitenden Aus-Zustand. In ähnlicher Weise wird bei einem elektronischen Bauelement, das so vorge spannt ist, daß es normalerweise ausgeschaltet ist, durch optische Signale von der Lichtquelle die oben beschriebene AC-Stark-Verschiebung sowie das interne entgegengesetzte elektrische Feld bewirkt, um eine Verschiebung des quasi eingegrenzten Eigenzustands zu veranlassen. Im Ergebnis wird der Transistor von seinem Normal-Aus-Zustand in einen reso nanten leitenden Ein-Zustand von den eintreffenden optischen Signalen geschaltet.

Oben wurde das Stoffsystem GaAs/AlAs für die Herstellung des elektrisch gesteuerten Bauelements mit der Heterostruktur angegeben, es können jedoch auch andere Materialkombinatio nen aus anderen Halbleitergruppen III-V ausgewählt werden, zum Beispiel GaAs/AlGaAs, InGaAs/InAlAs, InGaAs/InGaAlAs, GaAsSb/GaAlAsSb und InGaAsP/InP. In diesen Halbleitersyste men können die Schichten an geeignete GaAs- oder InP-Substrate gitter-angepaßt sein. Eine Gitter-Fehlanpassung ist ebenfalls möglich, wobei über dem Substratmaterial gefilterte Schichten wachsen. Schließlich ist eine Ausdehnung der Bauelementstruk turen auch möglich auf Halbleiterverbindungen der Gruppe II-VI und der Gruppe II-IV.

Claims

1. Optoelektronisches Bauelement mit aktivem und inaktivem Betriebszustand, von denen der aktive Zustand dem Leiten durch Resonanztunneln von Ladungsträgern entspricht, umfas send: mindestens eine Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter- Heterostruktur (10), eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Halbleiter-Heterostruktur, eine Einrichtung zum Anlegen eines Signals an die Hetero struktur, um den Betriebszustand des optischen Bauelements zu steuern, wobei die Signalanlegeeinrichtung eine Quelle für ein optisches Signal enthält, dessen mittlere Photonen energie geringer ist als ein Bandabstand, der Doppelbarrie ren-Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Doppelbarrieren- Quantenloch-Halbleiter-Heterostruktur im wesentlichen un dotiert ist.

3. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzungen bestehen, welche aus der Gruppe III-V ausgewählt sind.

4. Bauelemente nach Anspruch 2, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzungen bestehen, die aus der Gruppe II-VI ausgewählt sind.

5. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzungen bestehen, die aus der Gruppe II-IV ausgewählt sind.

6. Optoelektronisches Bauelement mit aktivem und inaktivem Betriebszustand, von denen der aktive Zustand dem Lei ten durch Resonanztunneln von Ladungsträgern entspricht, umfassend: ein elektronisches Schaltungselement, das min destens eine Doppelbarrieren-Quantenloch-Halbleiter- Heterostruktur enthält, und eine Einrichtung zum Anle gen eines elektrischen Potentials an die Heterostruktur, eine Einrichtung zum Anlegen eines Signals an die Hetero struktur, um den Betriebszustand des optoelektronischen Bauelementes zu steuern, wobei die Signalanlegeeinrich tung eine Quelle für ein optisches Signal enthält, dessen mittlere Photonenenergie geringer ist als der Bandab stand der Heterostruktur.

7. Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die Heterostruktur im wesentlichen undotiert ist.

8. Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzun gen bestehen, die aus der Gruppe III-IV ausgewählt sind.

9. Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzungen bestehen, die aus der Gruppe II-VI ausgewählt sind.

10. Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzungen bestehen, die aus der Gruppe II-IV ausgewählt sind.

11. Bauelement nach Anspruch 7, bei dem das elektronische Schaltungselement eine Resonanztunneldiode enthält.

12. Bauelement nach Anspruch 11, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzun gen bestehen, die aus der Gruppe III-IV ausgewählt sind.

13. Bauelement nach Anspruch 7, bei dem das elektronische Schaltungselement einen Resonanztunnel-Bipolartransistor enthält.

14. Bauelement nach Anspruch 13, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzun gen bestehen, die aus der Gruppe III-IV ausgewählt sind.

15. Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Heterostruktur in einer Basiszone des Bipolartransistors enthalten ist.

16. Bauelement nach Anspruch 15, bei dem die Heterostruktur Materialverbindungen aufweist, die aus Zusammensetzun gen bestehen, die aus der Gruppe III-V ausgewählt sind.