DE69017643T2 - Optische Verarbeitung mit einer mehrschichtigen Heterostruktur. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft die Verwendung nicht linearer optischer Materialien für die vollständige Be- bzw. Verarbeitung von Signalen im optischen Bereich und im besonderen die Verwendung von halb-isolierenden Mehrfach-Quantentrogstrukturen, die große elektro-optische Effekte zeigen.
Hintergrund der Erfindung
• Der photorefraktive Effekt, der auf Ladungstransport in elektrooptischen Materialien basiert, ist eine optische Nicht-Linearität, die für die optische Bildverarbeitung nützlich ist. Wenn ein nicht gleichförmiges Beleuchtungsmuster bei einer geeigneten Wellenlänge auf ein photorefraktives Medium auftrift, wird das Beleuchtungsmuster zeitweilig in dem Medium als Muster von Brechungsindexänderungen gespeichert. Bei typischen Anwendungen kann das Muster, das beispielsweise ein Beugungsgitter oder Hologramm sein kann, einen Lichtstrahl beugen, der hier der Operandenlichtstrahl genannt wird, der sich durch dieses ausbreitet. Als Ergebnis der Beugung durch das Medium ist der Operandenstrahl beim Verlassen des Mediums in einem anderen Zustand als beim Eintreten in dieses. Falls das gespeicherte Muster dem Zweck, beispielsweise der Modulation dient, stellt die Änderung des Zustandes das Aufbringen eines Signals auf den Operandenstrahl dar. Alternativ können zwei oder mehrere Strahlen, die gleichzeitig im Medium vorhanden sind, auf kompliziertere Weise wechselwirken, um so beispielsweise die Kreuzkorrelation von zwei sich räumlich ändernden Intensitätsmustern, oder ein holographisches Interferogramm zu erzeugen. (Siehe P. Günter und J.P. Huignard, The Photorefractive Effect, Springer Verlag, 1987, für die rückblickende Zusammenfassung von Anwendungen.)
• Der photorefraktive Effekt basiert auf der Photoanregung freier elektrischer Ladungsträger (Elektronen oder Löcher oder beide) in elektrooptischen Kristallen. Die Ladungsträger migrieren dann weg von den beleuchteten Bereichen zu Einfangstellen, entweder durch Diffusion oder durch Drift in einem externen angelegten elektrischen Feld. Die sich ergebende Umverteilung der Ladung erzeugt Raumladungsfelder innerhalb des Kristalls, die wiederum Brechungsindexänderungen durch den elektrooptischen Effekt erzeugen. Die Brechungsindexänderung pro absorbiertem Photon ist in elektro-optischen Materialien proportional zu nisrij/εj, wobei ni der Brechungsindex rij der lineare elektro-optische Koeffizient und εj die Dielektrizitätskonstante ist. Einige typische Materialien, welche relativ hohe Werte dieser Güteziffer aufweisen, sind BaTiO&sub3;, Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;, Sr1-xBaxNb&sub2;O&sub5;, InP, GaAs und CdTe. Bei allen diesen Materialien ist, falls diese mit den geeigneten Absorptionszentren und Einfangzentren optimiert sind, die für die photorefraktive Bildverarbeitung benötigte Energie pro Bit in der Größenordnung von 1 pJ für ein Bit mit einem Quadratmicrometer. Die Relaxationszeit hängt lediglich von der dielektrischen Relaxationszeit des Materials ab und ist daher allgemein länger für Isolatoren als für Halbleiter. Im Bereich der interessierenden Materialien ändert sich die Relaxationszeit typischerweise von Nanosekunden zu Sekunden, obwohl Materialien sowohl schnellere als auch langsamerer Relaxationszeiten aufweisen können. Wenn die Relaxationszeit relativ langsam ist, sind Laserintensitäten von weniger als 1 mW/cm² häufig ausreichend, um Echtzeit- Bildverarbeitung bei beugungsbegrenzter räumlicher Auflösung durchzuführen. Die Theorie und Anwendungen von optischen Materialien werden beispielsweise diskutiert in A.M. Glass, "Materials for Optical Information Processing", Science, Band 226 (1984), Seiten 657-662.
• Ein weiterer nicht linearer optischer Effekt, der zu dem linearen elektro-optischen Effekt analog ist, ist die resonante Elektroabsorption, die nahe der Bandkante von schichtförmigem Halbleitermaterial in Form von Mehrfach-Quantentrögen (Multiple Quantum Wells, MQWs), wie beispielsweise GaAs-AlGaAs-Mehrlagen-Heterostrukturen, auftritt. Die gebundenen Quantentrogzustände dieser Anordnung führen zu einem scharfen exzitonischen Raumtemperatur-Absorptionspeak in dem Heterostruktur-Absorptionsspektrum nahe der Bandkante. Die Form des exzitonischen Peaks und daher die diesem zugehörigen optischen absorbierenden und Brechungsindex-bezogenen Wirkungen, sind empfindlich gegenüber elektrischen Feldern innerhalb des Materials. (Die Empfindlichkeit des optischen Absorptionskoeffizienten gegenüber elektrischen Feldern wird als "Elektroabsorption" bezeichnet.) Wenn ein elektrisches Feld senkrecht zu den Quantentrogschichten angelegt wird, wird dieser Effekt der Quanteneinschluß-Starkeffekt (Quantum Confined Stark Effect, QCSE) genannt und wenn das elektrische Feld parallel zu den Schichten angelegt wird, beruht die Verbreiterung auf Feldionisation. Interne elektrische Felder, die in Antwort auf angelegte externe Felder auftreten, ändern die Elektronen- und Loch-Energieniveaus der Quantentröge. Als Folge wird der exzitonische Peak verbreitert und/oder zu niedriger Energie verschoben. Da dieser Effekt ein resonanter Effekt ist (dies bedeutet, daß das einfallende Licht bei einer Wellenlänge in der Nähe der exzitonischen Absorption liegt), ist dieser generell viel empfindlicher gegenüber elektrischen Feldern als der nicht resonante lineare elektro- optische Effekt, der typischerweise im Volumen photorefraktiver Kristalle verwendet wird.
• Eine Einrichtung, welche die Elektroabsorption verwendet, ist die selbst-elektro-optische Effekteinrichtung (Self-Electro-Optic-Effect Device, SEED). In einer SEED wird die Heteroanordnung durch einen Serienwiderstand mit Vorspannung versehen. Von der optischen Absorption in den Quantentrögen herrührender Photostrom bewirkt einen Spannungsabfall entlang des Widerstandes, welcher das angelegte Feld in der Heteroanordnung senkt und als Folge deren optische Absorption ändert. SEEDs sind vorteilhaft für optisches Schalten, da lediglich sehr dünne Schichten, typischerweise von ungefähr 1 Micrometer Dicke, benötigt werden. Demgegenüber benötigen photorefraktive Festkörper- bzw. Volumenkristalle eine optische Wechselwirkungslänge von ungefähr 1 cm. Als Folge der hohen Empfindlichkeit der Elektroabsorption benötigen SEEDs sehr geringe Mengen optischer Energie. Beispielsweise kann ein Ein-Aus-Kontrastverhältnis von 2:1 in Transmission erreicht werden bei Verwendung von lediglich 4 fJ pro Quadratmicrometer optischer Energie. SEEDs leiden jedoch an dem Nachteil, daß, da die Heteroanordnung in den Richtungen parallel zu den Schichten elektrisch leitet, parallele Mehrkanalverarbeitung, beispielsweise Bildverarbeitung, lediglich möglich ist, wenn individuelle Pixel netzförmig angeordnet sind und mit individuellen elektrischen Kontakten versehen sind. Die individuellen Pixel sind typischerweise beispielsweise durch Ätzmesas unter Verwendung photolithographischer Techniken isoliert. Dies beschränkt die räumliche erreichbare Auflösung auf die Auflösung der lithographischen Bearbeitung, die für die Retikulierung und individuellen Kontakte benötigt wird. Im speziellen ist es unwahrscheinlich, daß beugungsbegrenzte Auflösung unter Verwendung dieser Technologie erreicht werden kann. Die Theorie und Anwendungen von Elektroabsorption werden beispielsweise in A.M. Glass "Materials for Photonic Switching and Information Processing", MRS Bulletin, Band l3, Nr. 8 (1988), Seiten 16-2o und D.A.B. Miller et al., "Electric Field Dependence of Optical Absorption Near the Bandgap of Quantum Well Structures", Phys. Rev. Band B32 (1985), Seiten 1043-1060, diskutiert.
• Somit ist es in vielen Anwendungen vorteilhaft, die großen resonanten elektro-optischen Effekte nahe den Exzitonenzuständen der Quantentrogstrukturen zu nutzen, da sehr kurze optische Wechselwirkungslängen, typischerweise von 1 Micrometer, benötigt werden und da sehr geringe optische Energie, typischerweise einige pJ pro Quadratmicrometer benötigt werden. (In der Praxis ist, da die große Pixelgröße typischerweise durch konventionelle Lithographie erhalten wird, die benötigte Energie einige pJ pro Pixel.) Fachleute auf diesem Gebiet waren jedoch bis dato nicht in der Lage, eine elektro-optische Heterostruktur zur Verfügung zu stellen, die parallele, Mehrkanal- Bildverarbeitung bei beugungsbegrenzter Auflösung durchführen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
• Eine Mehrlagen-Heterostruktur kann halb-isolierend hergestellt werden durch deren Erzeugen in einer ausreichend dichten Volumenverteilung von tiefen Verunreinigungsniveaus. Es wurde entdeckt, daß als Folge derartiger Behandlung, individuelle Bildauflösungselemente auf einfache Weise mittels der halb-isolierenden Eigenschaft der behandelten Heterostruktur isoliert werden. Diese Bearbeitung stellt somit ein elektro- optisches Medium zur Verfügung, das bei der Bildverarbeitung nützlich ist, das die Auflösung von photorefraktiven Einrichtungen mit der Empfindlichkeit und kurzen Wechselwirkungswellenlänge von Quantentrogeinrichtungen kombiniert. Dies ermöglicht es, beugungsbegrenzte Bildauflösung zu erreichen, während optische Energieanforderungen minimiert werden. Wie bei dem üblichen photorefraktiven Effekt werden Photo- Ladungsträger unter tiefen Niveaus (in diesem Falle in oder nahe der Quantentroganordnung) umverteilt, welches das Auftreten innerer Raumladungsfelder bewirkt. Bei vorliegender Erfindung sind jedoch die Änderungen des Brechungsindex und des optischen Absorptionskoeffizienten durch die Wirkung der internen Felder auf Exzitonen mit Quanteneinschluß bereitgestellt.
• Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.
• Bei einer Ausführungsform umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung mit: einem photoleitfähigen, photorefraktivem Medium, einer Einrichtung zum Beleuchten des Mediums mit sich räumlich ändernder elektromagnetischer Strahlung und einer Einrichtung, die ein angelegtes elektrisches Feld innerhalb des Mediums ausbilden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine halb-isolierende, monolithische, Mehrlagen-Heteroanordnung umfaßt, die wenigstens vier Schichten hat, wobei die Heteroanordnung eine laterale Erstreckung hat, die größer als deren Dicke ist und die Heteroanordnung eine flächige Verteilung von tiefen Niveaus hat, die Photoladungsträger über im wesentlichen ihre gesamte flächige Erstreckung lokalisieren können, so daß, wenn sich räumlich ändernde elektromagnetische Strahlung einer geeigneten Wellenlänge durch das Medium absorbiert wird, Photoladungsträger durch die tiefen Niveaus lokalisiert bzw. örtlich festgelegt werden, welches ein internes sich räumlich änderndes elektrisches Feld und eine sich räumlich ändernde Verteilung von Brechungsindexänderungen innerhalb des Mediums bewirkt.
Figurenbeschreibung
• Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mehrlagen-Heteroanordnung, die in der Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Heteroanordnung von Fig. 1, die weiterhin daran ausgebildete Elektroden hat, um eine Einrichtung mit paralleler Geometrie auszubilden,
• Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der Heteroanordnung von Fig. 1, die ferner daran ausgebildete Elektroden hat, um eine Einrichtung mit senkrechter Geometrie auszubilden,
• Fig. 4 zeigt ein Beugungsspektrum und ein Elektroabsorptionsspektrum der Einrichtung aus Fig. 2.
Detaillierte Beschreibung
• Mehrlagen-Heteroanordnungen sind auf dem Fachgebiet bekannt und werden beispielsweise beschrieben in G.H. Döhler, "Semiconductor Superlattices - A New Material for Research and Applications," Physica Scripta, Band 24 (1981), Seiten 430-439. In Kürze dargestellt umfaßt eine Mehrlagen-Heteroanordnung eine Folge von epitaxialen Halbleiterschichten derart, daß die Materialien von benachbarten Schichten verschiedene Werte der Bandlücke haben. Die Schichten sind typischerweise sehr dünn, typischerweise von ungefähr 100 Å Dicke. Aufgrund der Bandlückendifferenz besteht die Neigung zum Einschluß von Ladungsträgern in denjenigen Schichten, welche die kleinere Bandlücke haben. Eingeschlossene Ladungsträger können sich innerhalb der Schicht bewegen, können sich jedoch nicht auf einfache Weise in der Normalenrichtung zu der Ebene der Schichten bewegen. Somit verhalten sich die Schichten mit kleinerer Bandlücke oder einschließenden Schichten als Quantentröge (Quantenmulden). In den Quantentrögen eingeschlossene Ladungsträger haben Energieeigenzustände, die im wesentlichen durch die Dicke der einschließenden Schicht, die Höhe der Energiebarriere, welche durch die Bandlückendifferenz erzeugt wird, und die effektive Masse der eingeschlossenen Ladungsträger bestimmt ist. Korrelierte Elektronen-Loch-Paare, die Exzitonen genannt werden, werden durch die Absorption von Licht bei der exzitonischen Peakwellenlänge erzeugt und werden innerhalb der Quantentröge eingeschlossen. (Für die vorliegenden Zwecke wird mit "Licht" eine beliebige elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich des Spektrums bezeichnet.) Falls der Quantentrog mehr als einen Eigenzustand trägt, treten optische Übergänge ebenfalls zu höher energetischen eingeschlossenen Zuständen auf. In typischerer Weise findet der Übergang zu einem ionisierten Zustand statt, in welchem das Elektron oder das Loch oder beide Ladungsträger quasi-frei sind und sich durch die Anordnung in drei Dimensionen bewegen können. (Die Ladungsträger, die als Ergebnis von optischer Absorption quasi-frei werden, werden hier als Photoladungsträger bezeichnet.) Für die Zwecke der Erfindung sollte der Quantentrog wenigstens ein eingeschlossenes Exziton tragen, so daß das optische Spektrum wenigstens einen gut definierten exzitonischen Absorptionspeak enthält. Als generelle Regel gilt darüber hinaus, daß je schärfer der exzitonische Absorptionspeak ist, um so empfindlicher dieser gegenüber dem angelegten elektrischen Feld ist.
• Es sollte in dieser Hinsicht festgehalten werden, daß obwohl exzitonische Absorption aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern bevorzugt wird, andere Arten optischer Anregung ebenfalls Elektroabsorption aufweisen. Somit können Mehrlagenstrukturen, die keine Exzitonenabsorption zeigen, bei optischen Wellenlängen nahe der Absorptionskante verwendet werden. Beispielsweise müssen Elektronen- und Loch-Eigenzustände nicht in der gleichen Halbleiterschicht eingeschlossen werden, sondern können in benachbarten oder auf andere Weise naheliegenden Schichten vorhanden sein.
• Bestimmte Verunreinigungsatome oder strukturelle Defekte sind in der Lage, Photoladungsträger zu binden. Wenn die Bindungszustands-Energie relativ nahe zur Mitte der Bandlücke liegt (d.h. wenigstens 0,1 eV von der Leitungsbandkante oder der Valenzbandkante), wird ein derartiger gebundener Zustand als tiefes Niveau bezeichnet. Für die Zwecke der Erfindung besteht das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung tiefer Niveaus in Protonenimplantation, obwohl andere Verfahren ebenfalls nützlich sind. Tiefe Niveaus werden beispielsweise auf einfache Weise durch Implantation von Sauerstoffionen oder durch Einwirkenlassen von Neutronen auf die Heteroanordnung oder durch Dotieren der Heteroanordnung mit bestimmten Verunreinigungen erzeugt. Beispielsweise ist in GaAs der Dotierstoff Chrom und in InP der Dotierstoff Eisen nützlich für die Erzeugung tiefer Niveaus. Protonenimplantation ist jedoch zu bevorzugen, da es bekannt ist, daß diese den scharfen exzitonischen Absorptionspeak der Heteroanordnung bewahrt und ein relativ einfaches Verfahren für das Einbringen von tiefen Niveaus nach der Präparation der Mehrlagenanordnung darstellt.
• Für die Zwecke der Erfindung ist es erwünscht, eine Volumenkonzentration der tiefen Niveaus in dem Bereich von 10¹&sup6; cm&supmin;³ bis 10¹&sup9; cm&supmin;³ zu haben, jedoch wird es bevorzugt, von 10¹&sup6; cm&supmin;³ bis 10&supmin;³ cm zu haben. Bei dieser Konzentration sind im wesentlichen alle beweglichen Ladungsträger ausgefroren, vorausgesetzt, daß die Schichten nicht absichtlich dotiert worden sind, um eine hohe Ladungsträgerdichte vor der Implantation zu erzeugen. Typische Ladungsträgerdichten im Zustand des Aufwachsens von undotierten GaAs-Schichten, die durch MBE oder MOCVD aufgewachsen wurden, liegen im Bereich von 10¹&sup4; bis 10¹&sup5; cm&supmin;³, wobei im wesentlichen alle Ladungsträger durch Einfang an tiefen Niveaus bei Konzentrationen der tiefen Niveaus von 10¹&sup6; cm&supmin;³ bei Raumtemperatur eingefangen sind.
• Der spezifische Widerstand der Heterostruktur hängt von der Konzentration der tiefen Niveaus sowie von der Dichte der flachen Niveaus (d.h. Donatoren und Akzeptoren) ab. Der spezifische Widerstand bestimmt wiederum teilweise die Relaxationszeit der Heterostruktur. Dies bedeutet, daß die Ladungspolarisation, die an den Defekten eingefangen wird, evtl. durch Rekombination der Photoladungsträger dissipiert wird und somit die Relaxationszeit der Heterostruktur äquivalent zur charakteristischen Polarisations-Lebensdauer ist, während welcher ein Bruchteil von 1/e der Photoladungsträger rekombinieren, d.h. zu ihren unpolarisierten Orten zurückkehren. Falls die Relaxationszeit zu kurz ist, wird sehr intensive Beleuchtung benötigt, um das erwünschte Muster der Brechungsindexänderung zu erzeugen und lediglich eine kurze Zeitdauer steht danach zur Verfügung zur Verarbeitung des Operandenstrahls. Falls demgegenüber die Relaxationszeit zu lang ist, antwortet das Material zu langsam auf Änderung der einfallenden Lichtstrahlen. Obwohl derartige langsame Antwort für bestimmte Speicheranwendungen nützlich sein kann, werden für die meisten Anwendungen eine Relaxationszeitdauer von einer Microsekunde bis 10 Millisekunden gewünscht. Die Relaxationszeit ist proportional dem Produkt des spezifischen Widerstandes der Heteroanordnung in der Richtung des Ladungstransports (Elektron- und Lochversatz) und deren dielektrischen Konstanten in der gleichen Richtung. Somit kann beispielsweise eine Heteroanordnung von GaAs-AlGaAs mit einer dielektrischen Konstanten ε von ungefähr 10 ε&sub0; die Relaxationszeit auf ungefähr 1 Millisekunde eingestellt werden durch Einstellen des spezifischen Widerstandes auf ungefähr 10&sup9;Ω-cm, der sich aus einer Konzentration von tiefen Niveaus von ungefähr 10¹&sup6; cm&supmin;³ ergibt.
• Zwei Einrichtungsgeometrien werden bedacht, eine, in welcher das angelegte elektrische Feld parallel zu den Schichten der Heterostruktur ist, und eine, in welcher das angelegte Feld senkrecht zu den Schichten ist. (Die zweite "senkrechte" Geometrie ist ähnlich der bei den SEEDs eingesetzten.) Da beide Geometrien nützlich sind, ist festzuhalten, daß die senkrechte Geometrie bestimmte Vorteile für die Bildverarbeitung großen Maßstabs hat. Da das externe elektrische Feld entlang der relativ kleinen Dicke der Heteroanordnung angelegt wird, werden relativ niedrige angelegte Spannungen benötigt. Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit der Einrichtung mit senkrechter Geometrie verbessert durch Begrenzen des Abstands, den die Photoladungsträger im angelegten Feld driften können, relativ zu dem Abstand, den diese in der parallelen Geometrie driften. Dies bedeutet, daß in der senkrechten Geometrie wenigstens eine der Feldelektroden von der Heteroanordnung durch eine isolierende Pufferschicht getrennt werden muß, um kurzschließende Photoelektronen von einem Bereich des Bildes zu einem anderen zu vermeiden. In der Heteroanordnung erzeugte Photoladungsträger bewegen sich senkrecht zur Schicht und werden letztlich an der Grenzfläche zwischen der Heteroanordnung und der Pufferschicht eingefangen. Als Folge können keine Photoladungsträger über einen Abstand, der größer als die Dicke der Heteroanordnung ist, driften. Demgegenüber driften Photoladungsträger innerhalb und parallel zu beispielsweise einer GaAs-Schicht typischerweise 10 Micrometer pro Kilovolt angelegten Potentials zwischen den Elektroden.
• Ein weiterer Vorteil der senkrechten Geometrie besteht in der Möglichkeit des elektrischen Schaltens. Dies bedeutet, das Polarisationsmuster kann sehr schnell entladen werden durch plötzliches Wandeln der Pufferschicht von einem Isolator zu einem Leiter. Dies kann beispielsweise durchgeführt werden durch Ausbilden der Pufferschicht aus halbleitenden Materialien und Verwenden von Übergangs-Feldeffekten oder Photoleitfähigkeit, um die Leitfähigkeit der Pufferschicht zu schalten.
• Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 besteht der Mehrfachquantentrog(MQW-) Abschnitt 10 der Mehrlagen-Heteroanordnung 20 beispielsweise aus 60 Schichten von GaAs, abwechselnd mit 60 Schichten von Al0,3Ga0,3As. Die GaAs- Schichten sind 75 Å dick und die Al0,3Ga0,7As-Schichten 40 sind 100 Å dick, welches zu einer gesamten MQW-Dicke von 1,05 um führt. Die Heteroanordnung 20 wird auf einem GaAs-Substrat 50 durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) aufgewachsen. Als erstes wird die GaAs-Schicht 60 bis zu einer Dicke von 0,2 um aufgewachsen. Dann wird die Al0,3Ga0,7As-Schicht 70 bis zu einer Dicke von 1,3 um aufgewachsen. (Die Schicht 70 ist die Ätzstopschicht und wird verwendet, um die Heteroanordnung gegenüber dem Ätzmittel zu schützen, wenn das Substrat nachfolgend durch Ätzen entfernt wird.)
• Nachdem die Schicht 70 aufgewachsen ist, wird der MQW-Abschnitt 10 aufgewachsen, beginnend mit einer Schicht von Al0,3Ga0,7As. Nachdem die letzte MQW-Schicht von GaAs aufgewachsen ist, wird die Schicht 80 von Al0,3Ga0,7As zu einer Dicke von 0,5 um aufgewachsen. Das Substrat 50 wird dann durch Ätzen zur Schicht 70 wie vorstehend beschrieben entfernt.
• Es ist vorteilhaft, AlxGa1-xAs und GaAs als Materialien der Heteroanordnung zu verwenden, da die Technologie für das Präparieren von Quantentrögen nun auf einfache Weise verfügbar ist. Zusätzlich sind die optischen und elektrischen Eigenschaften von GaAs gut geeignet für Anwendungen bei 0,83 Micrometern, wo Laser einfach verfügbar sind. Andere Materialien können jedoch ebenfalls auf einfache Weise verwendet werden, beispielsweise InP, InxGa1-xAsyP1-y-Heteroanordnungen sowie andere Kombinationen von II-V und II-VI-Halbleitersystemen.
• Bei der Konstruktion einer Heteroanordnung ist die Auswahl von Materialien für die abwechselnden Schichten 30 und 40 auf verschiedene Arten beschränkt. Die Materialien müssen nahezu gitterangepaßt sein (derartige nahezu gitterangepaßte Schichten umfassen Übergitter mit verspannten Schichten), es muß eine Diskontinuität im Leitungsband oder dem Valenzband, oder beiden bei jeder Grenzfläche zwischen den Materialien vorhanden sein und die Diskontinuität bzw. Ungleichförmigkeit muß in wenigstens einem der Materialien Anlaß zu wenigstens einem eingeschlossenen Eigenzustand in dem Leitungsband oder dem Valenzband geben. Die Heteroanordnung kann entweder von Typ I (beide, die Leitungs- und Valenzbandkante des zweiten Materials liegen innerhalb der Bandlücke des ersten Materials) oder vom Typ II sein (beide, Leitungsband- und Valenzbandkante des zweiten Materials liegen energetische niedriger als die entsprechenden kanten des ersten Materials).
• Die gesamte Dicke des Abschnitts 10 der Anordnung sollte wenigstens ungefähr 100 um sein, um aber adäquate optische Absorption für wirkungsvolle Bildaufzeichnung bereitzustellen, sollte der Abschnitt 10 wenigstens 4 Schichten enthalten und enthält vorzugsweise wenigstens 5 Paare von Schichten 30 und 40, wobei jede Schicht eine Dicke von wenigstens ungefähr 30 Å, jedoch nicht mehr als ungefähr 300 Å hat. Vorzugsweise sollte der Abschnitt 10 nicht mehr als ungefähr 10 um dick sein, da wesentlich dickere Anordnungen schwierig durch MBE oder MOCVD, den bevorzugten Herstellungstechniken, herzustellen sind. Letztlich ist die Dicke des Abschnitts 10 durch optische Absorption beschränkt. Dies bedeutet, daß die Wellenlänge des Operanden-Lichtstrahls gleich oder nahe der Exzitonen Wellenlänge ist, welche den elektro-optischen Effekt bewirkt. Folglich wird, falls die Heteroanordnung zu dick ist, diese das meiste des Lichtes im Operandenstrahl absorbieren und wird daher für optische Informationsverarbeitung nicht nützlich sein. Die Absorptionslänge bei einem typischen Exzitonen-Absorptionspeak ist ungefähr 1 um Falls die verwendete Wellenlänge in den Schwanzabschnitt des Absorptionspeaks fällt (Tail Portion), wird die Extinktion viel niedriger sein und in diesem Falle können Dicken bis zu ungefähr 100 um toleriert werden. Da tatsächlich die Empfindlichkeit des elektro-optischen Effektes in diesem Bereich niedriger ist, wären dann dickere Schichten erwünscht. Der gesamte Effekt auf dem Operandenstrahl ist das Produkt des elektro-optischen Effektes und der Dicke des elektro-optischen Materials, durch welches der Strahl tritt.
• Nachdem das Substrat entfernt ist, wird eine gleichförmige Verteilung tiefer Niveaus, beispielsweise durch Implantation der Heterostruktur mit einer Dosis von 10¹² Protonen pro Quadratzentimeter bei einer Implantationsenergie von 200 keV erreicht. Diese Dosis erzeugt eine Volumendichte von tiefen Niveaus von ungefähr 10¹&sup6; cm&supmin;³ oder etwas höher, welche den mittleren spezifischen Widerstand typischen undotierten Materials auf 10&sup9; Ohm-cm anhebt. Wie vorstehend beschrieben kann die Relaxationszeit durch Ändern der Dosis eingestellt werden, um den spezifischen Widerstand zu ändern (oder durch Ändern der Dotierungskonzentration der Schichten). Wie ebenfalls vorstehend beschrieben können die tiefen Niveaus ebenfalls durch beispielsweise Sauerstoffimplantation, Dotierung oder Neutronenschädigung erzeugt werden.
• Als nächstes werden zwei Elektroden (90 und 100 in Fig. 2 oder alternativ 90' und 100' in Fig. 3) für das Anlegen des externen Feldes ausgebildet. Ein typisches Elektrodenmaterial zur Verwendung in der parallelen Geometrie ist Chrom-Gold, das durch Aufdampfen der Metalle in Vakuum abgeschieden wird, wie es auf diesem Fachgebiet bekannt ist. Falls die Einrichtung parallele Geometrie, wie in Fig. 2 dargestellt, haben soll, werden dann Elektroden 90 und 100 direkt an einer Fläche der Heteroanordnung, beispielsweise direkt an der Oberfläche der Schicht 80 abgeschieden. Eine derartige Elektrode wird in der Form eines Streifens auf jeder Seite der Heteroanordnung abgeschieden.
• Falls demgegenüber die Einrichtung senkrechte Geometrie haben soll, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, liegt jede der Elektroden 90' und 100' über einer vollständigen Fläche der Heteroanordnung und wird daher in der Form einer Fläche bzw. eines Blattes abgeschieden. Die Elektroden 90' und 100' müssen bei der Wellenlänge des aufzuzeichnenden Beleuchtungsmusters und bei der Wellenlänge des Operandenstrahls teilweise transparent sein. Ein typisches Elektrodenmaterial, das im Wellenlängenbereich 0,8 um bis 1,5 um teilweise transparent ist, ist eine Schicht aus Gold mit weniger als 100 Å Dicke, die durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird. Eine bevorzugte Elektrode ist jedoch eine dotierte Halbleiterschicht mit einem spezifischen Widerstand von weniger als ungefähr 1 kΩ pro Quadrat. Die Schicht kann mit MBE oder alternativ mit einer beliebigen anderen Abscheidungstechnik präpariert sein (da epitaxiales Aufwachsen nicht benötigt wird). Der Kontakt zu dem Halbleiter wird mit einer Metallschicht (d.h. Gold) am Umfang des beleuchteten Bereiches hergestellt. Im Falle der senkrechten Geometrie muß darüber hinaus wenigstens eine der Elektroden von der Heteroanordnung durch eine zwischenliegende Pufferschicht 110 oder 115 getrennt werden, um kurzschließende Ladungsträger von einem Bildbereich zu einem anderen wie vorstehend beschrieben zu vermeiden. Die Pufferschicht kann aus einem beliebigen Material mit ausreichend hohem spezifischen Widerstand bestehen, lediglich vorausgesetzt, daß diese für die Betriebswellenlänge oder den Betriebswellenlängenbereich der Einrichtung ausreichend transparent ist und daß dieses auf zweckmäßige Weise an der Heteroanordnung abzuscheiden ist. Der spezifische Widerstand ist ausreichend hoch, falls dieser höher als zwei mal der spezifische Widerstand der halb-isolierenden MQW-Schichten (während der Beleuchtung) ist. Ein praktisches Material zur Ausbildung von Pufferschichten ist Siliziumdioxid, welches auf einfache Weise direkt an der Schicht 70 oder der Schicht 80 von Fig. 1 durch eine von verschiedenen Techniken, die für die IC-Herstellung gut bekannt sind, wie beispielsweise Elektronenabscheidung oder Plasma-unterstützte Abscheidung, abgeschieden werden kann.
• Um ein Polarisationsmuster in der Heteroanordnung zu erzeugen, wird zuerst ein angelegtes elektrisches Feld durch Anlegen einer Potentialdifferenz an die Elektroden erzeugt. Bei der parallelen Geometrie wird typischerweise ein Feld von ungefähr 4kV/cm angelegt. Bei der senkrechten Geometrie können Felder von bis zu 100 kV/cm angelegt werden. (Wie vorstehend beschrieben ist die Relaxationszeit von Einrichtungen in senkrechter Geometrie relativ frei von den Wirkungen der Driftlänge in hohen angelegten Feldern. Da zusätzlich die Pufferschicht elektrisch nicht leitet, wird Joulsches Heizen der Einrichtung vermieden.) Beispielhafte Feldlinien 120 sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Einrichtung wird dann einem nicht gleichförmigen Beleuchtungsmuster bei einer geeigneten Wellenlänge ausgesetzt. Geeignete Wellenlängen sind diejenigen, die nahe dem exzitonischen Absorptionspeak nahe der Bandkante der Heteroanordnung liegen. Fig. 2 und 3 zeigen beispielsweise helle Interferenzstreifen 130 und dunkle Interferenzstreifen 140, welche auf die Heteroanordnung fallen und die sich ergebenden polarisierten Bereiche 150.
• Fig. 4 zeigt ein Elektroabsorptionsspektrum 160 und ein Beugungsspektrum 170, das für die hier beschriebene Heteroanordnung bei einer einfallenden Lichtintensität von 400 uW/cm² und einem angelegten Feld von 4 kV/cm charakteristisch ist. Das Beugungsspektrum 170, welches nachstehend detaillierter beschrieben wird, zeigt, wie die Stärke des photorefraktiven Effektes sich mit der zur Aufzeichnung verwendeten Wellenlänge ändert (d.h. zur Erzeugung des Polarisationsmusters). Es ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß ein geeigneter Wellenlängenbereich für das Ausnutzen der Elektroabsorption der Heteroanordnung von ungefähr 826 nm bis ungefähr 829 nm bei dieser speziellen Anordnung reicht und ein geeigneter Wellenlängenbereich für das Ausnutzen der Photorefraktion der Heteroanordnung von ungefähr 823 nm bis ungefähr 832 nm reicht. Es ist festzuhalten, daß die Spektren 160 und 170 Differenzspektren sind, die durch Subtraktion des Spektrums, das in der Abwesenheit eines angelegten Feldes erhalten wird von demjenigen, das in der Anwesenheit des angelegten Feldes erhalten wird, effektiv erhalten wird. Es ist ebenfalls festzuhalten, daß die dargestellten Spektren in Bezug auf die Antwortkennlinien der Maßgeräte nicht normiert sind und diese daher lediglich von qualitativem statt quantitativem Wert sind. Bei höheren angelegten Feldern ist dieser Wellenlängenbereich größer.
• Um das Spektrum 170 zu erhalten, wurde ein Beugungsgitter in der Heteroanordnung aufgezeichnet. Dies bedeutet, die Heteroanordnung wurde in einer herkömmlichen Zweiwellenmischanordnung angeordnet, in welcher zwei Laserstrahlen innerhalb der Heteroanordnung mit einem Halbwinkel von 10º sich überschnitten, welches zu einem sinusförmigen optischen Interferenzmuster mit einer Periode von 2,4 um führte. An den hellen Abschnitten des Interferenzmusters angeregte Photoladungsträger bewegten sich in der Ebene der Quantentröge (d.h. parallel zu den Schichten der Heteroanordnung), um das angelegte Feld abzuschirmen und wurden eventuell an den tiefen Niveaus eingefangen. Die sich ergebende eingefangene Raumladung erzeugte ein räumlich moduliertes internes elektrisches Feld, welches wiederum Anlaß zu sowohl einem Elektroabsorptionsgitter als auch einem photorefraktiven Brechungsindexgitter durch den QCSE gab. Da die Heteroanordnung im Vergleich zur Periode der Gitter dünn ist, verhielten sich die aufgezeichneten Gitter als (dünne) Raman-Nath-Gitter und erzeugten im wesentlichen Beugung in die Ordnungen +1 und -1. Der Beugungswirkungsgrad (d.h. das Verhältnis der gebeugten zur einfallenden Lichtintensität) wurde unter Verwendung der Beugung der ersten Ordnung von einem der einfallenden Strahlen gemessen. Dieser Beugungswirkungsgrad ist die Quelle des Spektrum 170 von Fig. 4. Es ist festzuhalten, daß bei Wellenlängen, bei welchen die Elektroabsorption auf Null abfällt, d.h. bei ungefähr 825 nm und ungefähr 830 nm, die gesamte Beugung auf den photorefraktiven Brechungsindexgitter und nicht auf dem Elektroabsorptionsgitter beruht.
Beispiel
• Eine Mehrlagen-Heteroanordnung von AL=0,3Ga0,7As und GaAs wurde wie vorstehend beschrieben hergestellt. Ein Beugungsgitter mit einer Periode von 2,4 um wurde in der Heterostruktur unter Verwendung von zwei optischen Strahlen, die von einem abstimmbaren Dauerstrich-Te-Saphir-Laser stammten, aufgezeichnet. Die Beugung erster Ordnung von einem der einfallenden Strahlen wurde durch eine phasenverrastete Erfassung des Ausgangssignals von einer Silizium-Photodiode gemessen, während das angelegte Feld bei einer Frequenz von 170 Hz moduliert wurde. Das Beugungssignal wurde bei der doppelten Modulationsfrequenz beobachtet, da die exzitonischen elektrooptischen Effekte gegenüber dem Vorzeichen des angelegten Feldes unempfindlich sind.
• Der Maximumwert des Gleichgewichtszustands-Beugungswirkungsgrades wurde als 10&supmin;&sup5; herausgefunden bei einer einfallenden optischen Intensität von 400 uW/cm² und einem angelegten elektrischen Feld von 4 kV/cm. Der gemessene Beugungswirkungsgrad stieg mit angelegtem elektrischen Feld an, war jedoch als Funktion der einfallenden Intensität über den untersuchten Intensitätsbereich, d.h. von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 mW/cm² im wesentlichen konstant. Aus Messungen der Photoleitfähigkeit wurde die Sättigungsintensität des Beugungswirkungsgrades zu 0,1 uW/cm² berechnet. Bei einer einfallenden optischen Intensität von 400 uW/cm² und einem angelegten elektrischen Feld von 4 kV/cm wurde die Gitter-Relaxationszeit auf 1,3 ms abgeschätzt. Bei einem Beugungswirkungsgrad von 4 x 10&supmin;&sup5; wurde die Aufzeichnungsempfindlichkeit der Heteroanordnung zu 30 fJ/bit herausgefunden, wobei der Bitbereich das Quadrat der Gitterperiode ist. Diese Energie ist ungefähr 2 Größenordnungen niedriger als bei nicht resonantem halb-isolierenden GaAs bei einem äquivalenten Beugungswirkungsgrad.

Claims (8)

1. Vorrichtung für optische Verarbeitung, umfassend:

ein photoleitendes, photorefraktives Medium (20),

eine Einrichtung zur Beleuchtung des Mediums mit sich räumlich ändernder elektromagnetischer Strahlung (130) und

eine Einrichtung (90, 100, 90', 100'), die ein aufgebrachtes elektrisches Feld innerhalb des Mediums ausbilden kann,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Medium eine halb-isolierende, monolithische, Mehrlagen- Heteroanordnung mit wenigstens vier Schichten umfaßt,

wobei die Heteroanordnung eine flächige Erstreckung hat, die größer als deren Dicke ist, und die Heteroanordnung eine flächige Verteilung von tiefen Niveaus hat, welche Photoladungsträger im wesentlichen über deren gesamte flächige Erstreckung festlegen kann, so daß, wenn sich räumlich ändernde elektromagnetische Strahlung einer geeigneten Wellenlänge durch das Medium absorbiert wird, Photoladungsträger durch die tiefen Niveaus örtlich festgelegt werden, welches ein sich räumlich änderndes elektrisches Feld und eine sich räumlich ändernde Verteilung von Brechungsindexänderungen innerhalb des Mediums bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heteroanordnung ionenimplantiertes Halbleitermaterial umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heteroanordnung dotiertes Halbleitermaterial umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heteroanordnung Halbleitermaterial umfaßt, in welches Wasserstoffionen oder Sauerstoffionen implantiert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heteroanordnung III-V- Material oder II-VI-Material umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heteroanordnung mit Eisen oder Chrom dotiertes III-V-Material umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher das Medium einen optischen exzitonischen Absorptionspeak aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Heteroanordnung eine Mehrfach-Quantentrog-Anordnung umfaßt.