DE69115205T2

DE69115205T2 - Optisch schaltbare Vorrichtung.

Info

Publication number: DE69115205T2
Application number: DE69115205T
Authority: DE
Inventors: Philip Dawson; Jeffrey James Harris; John Wilfred Orton
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-09-24
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2011-09-19
Also published as: EP0478060B1; JPH04234171A; EP0478060A2; US5119227A; EP0478060A3; JP3260149B2; DE69115205D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine, eine Heterostruktur aufweisende, optisch schaltbare Vorrichtung, welche eine erste Potentialwanne definiert, die durch eine Sperrschicht von einer zweiten Potentialwanne getrennt ist, welche ein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne vorsieht.
Eine solche optisch schaltbare Vorrichtung wird in einem Artikel von B. Deveaud et al. mit dem Titel 'An ultra-fast Optical Modulator: the Double-Well GaAs/GaAlAs Superlattice (DWSL)' beschrieben, welcher auf den Seiten 101 bis 103 anläßlich der High Speed Electronics International Conference 1986 veröffentlicht wurde.
Wie in dem zuvor erwähnten Artikel beschrieben, ist die zweite Potentialwanne breiter als die erste Potentialwanne, um ein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne vorzusehen, wobei die erste und zweite Potentialwanne durch eine dünne Sperrschicht eng assoziiert sind. Die relativ schmale, erste Potentialwanne wird als optisch aktiver Teil der Vorrichtung verwendet, bei welchem die exzitonische Absorption sehr schnell durch eine externe Lichtquelle oder einen optischen Strahl entfarbt oder gesättigt werden kann. Dadurch kann die Vorrichtung als optischer Schalter verwendet werden, welcher normalerweise Licht auf der Wellenlänge der Exziton- Resonanz absorbiert, jedoch eine Durchlässigkeit eines solchen Lichtes gestattet, sobald die Exziton-Absorption entfärbt oder gesättigt wird, und zwar, wenn die Energieniveaus der ersten Potentialwanne durch die, durch Photonenabsorption erzeugten Träger gefüllt sind.
Bei der in dem zuvor erwähnten Aufsatz beschriebenen Vorrichtung ist die relativ breite, zweite Potentialwanne sehr eng mit der ersten Potentialwanne assoziiert und lagert in einer, typischerweise unter 10ps (Picosekunden) liegenden Zeit rapide Überschußträger an, wodurch die optische Vorrichtung rapide in den normalen, eingeschwungenen Zustand zurückversetzt werden kann, in welchem eine Wiederherstellung der Exziton-Resonanz erfolgt, wenn der optische Strahl, welcher die Exziton-Entfarbung verursacht hat, abgeschaltet oder sein Leistungsdichteniveau so reduziert wird, daß es unter dem zur Aufrechterhaltung der Entfarbung liegt. Da sich jedoch die Überschußträger rapide wiedervereinigen, ist ein optischer Strahl mit sehr hohem Leistungsdichteniveau erforderlich, um die gewünschte Exziton-Entfärbung zu erzielen. In dem Falle, in dem große, parallele Anordnungen solcher optischen Vorrichtungen gewünscht werden, zum Beispiel zur optischen Computer- oder Bildbzw. optischen Datenverarbeitung, kann die Abführung der durch derartig hohe Leistungsdichteniveaus verursachten Ableitung großer Wärmemengen Probleme bereiten.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine, eine Heterostruktur aufweisende, optisch schaltbare Vorrichtung vorgesehen, welche eine erste Potentialwanne definiert, die durch eine Sperrschicht von einer zweiten Potentialwanne getrennt ist, welche ein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne vorsieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht eine indirekte Bandstruktur aufweist, welche ein Elektronenenergiezwischenniveau vorsieht, das eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne, jedoch eine höhere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der zweiten Potentialwanne vorsieht, wobei die Barriere eine Stärke aufweist, welche ausreichend ist, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der ersten zur zweiten Potentialwanne zu unterbinden, uni Defektelektronen von Elektron-Defektelektron- Paaren, welche in der ersten Potentialwanne durch einen optischen Einfallstrahl auf die erste Potentialwanne erzeugt wurden, zu begrenzen, während der Übergang von Elektronen der Elektron-Defektelektron-Paare von der ersten Potentialwanne zur zweiten Potentialwanne über das durch die Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau ermöglicht wird.
Somit wird in einer erfindungsgemäßen, optisch schaltbaren Vorrichtung der Übergang von Elektronen von der ersten Potentialwanne zur zweiten Potentialwanne durch das, durch die Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau ermöglicht, welches jedoch weiterhin eine Potentialbarriere für den Übergang von Defektelektronen von der ersten Potentialwanne zur zweiten Potentialwanne vorsieht, wodurch, um eine Rekombination zu unterbinden, eine zufriedenstellende Trennung der Elektronen und Defektelektronen erfolgt.
Mit einer erfindungsgemäßen, optisch schaltbare Vorrichtung kann somit eine Exziton-Entfärbung oder Sättigung erzielt werden, ohne daß die bei der in dem Aufsatz von Deveaud et al beschriebenen Vorrichtung erforderlichen, hohen Leistungsdichteniveaus in Anspruch genommen werden müssen.
Es können demnach durch Richten eines optischen Strahls mit relativ geringer Leistungsdichte, zum Beispiel 1 (ein) Wcm&supmin;² (Watt pro Zentimeter ²), auf die Heterostruktur ausreichend Elektron-Defektelektron-Paare erzeugt und ausreichend Elektronen über das, durch die Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau übertragen werden, um in einer Entfärbung von mindestens einer Exziton-Resonanz der Heterostruktur, in der Regel der 'Electron-heavy hole' (e-hh)- und der 'Electron-light hole' (e-lh)-Resonanz der zweiten Potentialwanne, zu resultieren. Die Steuerung einer Rekombination von Elektronen und Defektelektronen zur Wiederherstellung der Exziton-Resonanz erfolgt durch die Zeitdauer der Tunnelung der Defektelektronen durch die Sperrschicht, welche zumindest zum Teil durch die Stärke der Sperrschicht bestimmt wird und bezeichnenderweise etwa 0,5 bis 1µ S (Mikrosekunden) beträgt.
Die vorliegende Erfindung sieht nach einem weiteren Aspekt eine optische Schaltvorrichtung vor mit einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt, einer Vorrichtung, um einen optischen Strahl auf die Heterostruktur zu richten, wobei der optische Strahl eine Wellenlänge zur Erzeugung von Elektron-Defektelektron-Paaren in der ersten Potentialwanne aufweist, sowie einer Vorrichtung zur Steuerung der Lei stungsdichte des optischen Strahles, welche durch die Richtvorrichtung zur Schaltung des optischen Strahles zwischen einer ersten, relativ geringen, zur Exziton-Entfärbung nicht ausreichenden Leistungsdichte und einer zweiten, relativ hohen Leistungsdichte zur Erzeugung genügender Elektron-Defektelektron-Paare in der Weise, daß Elektronen von der ersten auf die zweite Potentialwanne übergehen, um eine Entfärbung von zumindest einer Exziton-Resonanz der Heterostruktur zu bewirken, um, bei einer Energie, welche mit dieser der Exziton-Resonanz äquivalent oder höher als diese ist, die Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur zu ermöglichen, vorgesehen wird.
Nach einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Absorption einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt vor, bei welchem auf die Heterostruktur ein optischer Strahl mit einer Wellenlänge zur Erzeugung von Elektron-Defektelektron-Paaren in der ersten Potentialwanne und Steuerung der Leistungsdichte des optischen Strahles so gerichtet wird, daß der optische Strahl zwischen einer ersten, relativ geringen, zur Exziton-Entfärbung nicht ausreichenden Leistungsdichte und einer zweiten, relativ hohen Leistungsdichte zur Erzeugung ausreichender Elektron-Defektelektron-Paare in der Weise geschaltet wird, daß Elektronen von der ersten auf die zweite Potentialwanne übergehen, um eine Entfarbung von zumindest einer Exziton-Resonanz der Heterostruktur zu bewirken, um, bei einer Energie, welche mit dieser der Exziton-Resonanz äquivalent oder höher als diese ist, die Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur zu ermöglichen.
Demnach kann ein optischer Strahl bei Verwendung einer solchen Vorrichtung bzw. eines solchen Verfahrens durch die Heterostruktur durch Einstellen der auf die Heterostruktur auftreffenden, optischen Leistungsdichte geschaltet bzw. moduliert werden. Diese einstellbare, optische Leistungsdichte kann durch einen separat gesteuerten, optischen Strahl vorgesehen werden und dient somit dazu, einen optischen Eingangsstrahl zu schalten und zu modulieren oder kann durch den optischen Strahl, welcher selbst gerade geschaltet wird, vorgesehen werden, so daß die Übertragung des optischen Eingangstrahles durch seine eigene Leistungsdichte gesteuert wird.
Eine solche optische Schaltvorrichtung dient zur Verwendung auf dem Gebiete der optischen Computer- bzw. Bildverarbeitung und kann überall dort von besonderem Vorteil sein, wo große, parallele Anordnungen solcher optischen Vorrichtungen erforderlich sind, da die geringen, zur Durchführung der Schaltung benötigten Leistungsdichten in einer, in der Anordnung erzeugten, geringeren Wärme als bei Parallelanordnungen bekannter Vorrichtungen, wie zum Beispiel SEEDs, resultieren und demzufolge das Problem der Ableitung solcher Wärme mindern müßten.
Bei einem anderen Beispiel kann der Heteroübergang die Leitungskanalzone einer, eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisenden Halbleiteranordnung, zum Beispiel eines Feldeffekttransistors, bilden. Bei diesem Beispiel sieht die zweite Potentialwanne den Leitungskanal der eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisenden Halbleiteranordnung vor, wobei die Leitungskanalelektronen durch die Elektronen der Elektron-Defektelektron-Paare, welche mittels eines geeigneten, optischen Strahles durch Photonenabsorption erzeugt werden, vorgesehen sind, wobei die Elektronen von der ersten Potentialwanne über das Elektronenenergiezwischenniveau, welches durch die, die erste und zweite Potentialwanne trennende Sperrschicht vorgesehen ist, transferieren. In der Praxis können viele erste und zweite Potentialwannen angeordnet werden, so daß mehrere, parallele Leitungskanäle durch die zweiten Potentialwannen vorgesehen sind, um so die Strombelastbarkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
In dem Falle, in dem eine optisch schaltbare Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Halbleiteranordnung mit hoher Mobilität vorsieht, bei welcher die Heterostruktur die Leitungskanalzone bildet, ist die Möglichkeit der Streuung der Leitungsladungsträger durch Dotierungselemente sogar geringer als in dem in zum Beispiel US Patent US-A-4 163237 offenbarten Fall, in welchem das Phänomen der sogenannten 'Modulationsdotierung' beschrieben wird. Demnach erfolgt gemäß US-A- 4163237 die Leitung in, einen schmalen Bandabstand aufweisenden Potentialwannen mit Hilfe von Ladungsträgern, welche aufgrund der Dotierung der einen breiten Bandabstand aufweisenden, die einen schmalen Bandabstand aufweisenden Potentialwannenschichten begrenzenden Sperrschichten vorgesehen werden. Durch ein derartiges Trennen der Leitungsladungsträger von den, die Leitungsladungsträger vorsehenden Dotierungselementen wird die Möglichkeit der Streuung und somit eine Reduzierung der Beweglichkeit der Leitungsladungsträger gemindert. Jedoch resultiert das Vorhandensein der Dotierungselemente in den, die Potentialwannen begrenzenden Sperrschichten, besonders bei niedrigen Temperaturen, immer noch in einer gewissen Streuung und somit einer verminderten Beweglichkeit der Ladungsträger in den Potentialwannen.
Im Gegensatz zu der in US-A-4163237 beschriebenen Situation werden die Leitungsladungsträger für die Leitungskanalzone einer, eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisenden Anordnung gemäß der Erfindung aus der ersten Potentialwanne über das Elektronenenergiezwischenniveau, welches durch die, die erste und zweite Potential wanne trennende Sperrschicht vorgesehen ist, vorgesehen. Somit wird die Quelle der Leitungsladungsträger von dem Leitungskanal in ausreichendem Maße getrennt, folglich die Möglichkeit der Streuung der Leitungselektronen vermindert und ihre Beweglichkeit entlang des(der), durch die zweite Potentialwanne(n) vorgesehenen Leitungskanales(- kanäle) weiter verbessert.
Darüberhinaus besteht, da die Elektronen in der ersten Potentialwanne durch lichtelektrische Erzeugung von Elektron-Defektelektron-Paaren vorgesehen werden, keine Notwendigkeit einer beabsichtigten Dotierung der Potentialwannen oder Sperrschichten, wodurch die Möglichkeit der durch Dotierungselemente hervorgerufenen Streuung der Leitungselektronen wesentlich vermindert wird und auf diese Weise in signifikanten Verbesserungen der Elektronenmobilität in dem durch jede zweite Potentialwanne vorgesehenen Leitungskanal resultiert.
Es kann erneut von einem, eine relativ niedrige Leistungsdichte, zum Beispiel 1 (ein) Wcm&supmin;² (Watt pro Quadratzentimeter), aufweisenden, optischen Strahl Gebrauch gemacht werden, um Elektron-Defektelektron-Paare in der ersten Potentialwanne vorzusehen, so daß ausreichend Elektronen über das, durch die Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau auf die zweite Potentialwanne übergehen.
Die Unterschiede der Energiestufen der ersten und zweiten Potentialwanne können durch Ausbildung der ersten Potentialwanne als eine relativ schmale Potentialwanne und der zweiten Potentialwanne als eine relativ breite Potentialwanne erreicht werden. Unter solchen Umständen können die erste und zweite Potentialwanne aus dem gleichen Material bestehen und die Elektronenenergieniveaus durch Regulierung der jeweiligen Starke der ersten und zweiten Potentialwanne gesteuert werden. In solch einem Falle können die erste und zweite Potentialwanne Schichten aus Galliumarsenid und die Sperrschicht eine Schicht aus Aluminiumarsenid aufweisen. In diesem Falle weist die erste Potentialwanne im allgemeinen eine Breite von weniger als 3,5nm (Nanometer), typischerweise 2,5nm, auf, während die zweite Potentialwanne im allgemeinen eine Breite von mehr als 3,5nm, typischerweise 5nm, aufweist. Die Sperrschicht besitzt im allgemeinen eine Släike von mehr als 2,5nm, typischerweise 8nm. Alternativ oder darüberhinaus können die erste und zweite Wanne durch Schichten unterschiedlicher Halbleitermaterialen gebildet werden, welche durch Sperrschichten begrenzt sind, um in der zweiten Potentialwanne ein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne vorzusehen. Auf diese Weise ist eine größere Flexibilität der zu erreichenden Energiestufenunterschiede möglich.
Vorteilhafterweise definiert die Heterostruktur mehrere erste und zweite Potentialwannen. Die Heterostruktur kann im Hinblick auf die bzw. jede zweite Potentialwanne eine, durch eine weitere Sperrschicht von der zweiten Potentialwanne getrennte, dritte Potentialwanne aufweisen, wobei die dritte Potentialwanne ein Elektronenenergieniveau vorsieht, welches eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der zweiten Potentialwanne aufweist und die weitere Sperrschicht so ausgebildet ist, daß ein Elektronenenergiezwischenniveau vorgesehen ist, welches eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der zweiten Potentialwanne, jedoch eine höhere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der dritten Potentialwanne aufweist, um den Übergang der Elektronen von der zweiten Potentialwanne auf die dritte Potentialwanne über das durch die weitere Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau, welches eine Stärke aufweist, die ausreicht, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der zweiten zur dritten Potentialwanne zu unterbinden, zu ermöglichen. Auf diese Weise sollen Elektronen und Defektelektronen noch weiter getrennt werden und aufgrund dieser Trennung ausreichend hohe, innere Elektronenfelder induzieren können, um in, durch Elektronenfelder induzierte Energieniveauverschiebungen zu resultieren, wodurch die Möglichkeit besteht, die Heterostruktur als eine optische Schaltvorrichtung zu verwenden, bei welcher durch Elektronenfelder induzierte Energieniveauverschiebungen die Übertragung eines geeigneten, optischen Strahles durch die Heterostruktur steuern.
Die Anordnung einer dritten Potentialwanne, zu welcher ein Elektronenübergang stattfinden kann, kann durch weiteres Verhindern der Rekombination von Elektronen und Defektelektronen die Schaltung eines optischen Strahles durch Entfärbung von zumindest einer, sogar bei niedrigeren Leistungsdichten als bei einer Heterostruktur mit lediglich der ersten und zweiten Potentialwanne zu erreichenden Exziton- Resonanz erfolgen. Darüberhinaus kann in dem Falle, in dem die Heterostruktur die Leitungskanalzone einer, eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisenden Vorrichtung bildet, die Anordnung einer dritten Potentialwanne, welche die Elektronen und Defektelektronen noch weiter trennt, die Möglichkeit einer Streuung der Leitungskanalelektronen reduzieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 - eine schematische Darstellung eines Energiebanddiagrammes einer optisch schaltbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 2a und 2b - graphische Darstellungen, welche schematisch einen Teil des Absorptionsspektrums einer optisch schaltbaren, erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen, um die Wirkung eines auftreffenden, optischen Strahles ausreichender Leistungsdichte zu demonstrieren;
Figur 3 - eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer optischen Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei die optisch schaltbare Vorrichtung im Querschnitt dargestellt ist;
Figur 4 - ähnlich wie Figur 3, eine schematische Darstellung einer modifizierten Version der in Figur 3 gezeigten, optischen Schaltvorrichtung;
Figur 5a und 5b - graphische Darstellungen, um die Wirkung auf das Absorptionsspektrum einer optisch schaltbaren, erfindungsgemäßen Vorrichtung mit unterschiedlichen Stufen optischer Einfall-Leistungsdichte zu demonstrieren;
Figur 6 - ein schematisches Energiebanddiagramm einer weiteren Ausführungsform einer optisch schaltbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 7 - eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer optischen Schalteinrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung einer optisch schaltbaren Vorrichtung, welche das in Figur 6 dargestellte Energiebanddiagramm und die im Querschnitt gezeigte optisch schaltbare Vorrichtung aufweist.
Figur 8 - eine schematische Darstellung und teiilweise ein Teilquerschnitt einer ersten Ausführungsform einer optisch schaltbaren Vorrichtung mit einer, eine hohe Mobilität aufweisenden Halbleiteranordnung gemaß der Erfindung in Verbindung mit einer optischen Strahlenquelle; und
Figur 9 - eine schematische Darstellung und teilweise ein Teilquerschnitt einer zweiten Ausführungsform einer optisch schaltbaren Vorrichtung mit einer, eine hohe Mobilität aufweisenden Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer optischen Strahlenquelle.
Es wird darauf hingewiesen, daß es sich insbesondere bei den Figuren 1 bis 4 und 6 bis 9 um rein schematische, jedoch nicht um maßstabsgetreue Darrstellungen handelt. Insbesondere bestimmte Maße, wie zum Beispiel die Stärke bestimmter Schichten bzw. Zonen können übertrieben, andere Maße dagegen reduziert dargestellt sein. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, daß gleiche oder ähnliche Teile in sämtlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, zum Beispiel Figur 1 bis 3, weist eine optisch schaltbare Vorrichtung 1 eine Heterostruktur 2 auf, welche eine, von einer zweiten Potentialwanne 5 durch eine Sperrschicht 4 getrennte, erste Potentialwanne 3 definiert, die ein Elektronenenergieniveau e&sub5; (Figur 1) mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau e&sub3; der ersten Potentialwanne 3 vorsieht.
Erfindungsgemäß wird die Sperrschicht so gebildet, daß sie ein Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; mit einer niedrigeren Elektronenenergie Ee als das niedrigste Elektronenenergieniveau e&sub3; der ersten Potentialwanne 3, jedoch einer höheren Elektronenenergie Ee als das niedrigste Elektronenenergieniveau e&sub5; der zweiten Potentialwanne 5 vorsieht, wobei die Sperrschicht 4 eine Stärke aufweist, welche ausreichend ist, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der ersten Potentialwanne 3 zur zweiten Potentialwanne 5 zu unterbinden, um Defektelektronen von Elektron-Defektelektron-Paaren, welche in der ersten Potentialwanne 3 durch einen optischen Einfallstrahl auf die erste Potentialwanne erzeugt wurden, zu begrenzen, während der Übergang von Elektronen der Elektron-Defektelektron-Paare von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5 über das durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; ermöglicht wird.
Somit wird bei einer optisch schaltbaren Vorrichtung der Übergang von Elektronen von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5 durch das, durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; ermöglicht. Die Sperrschicht 4 unterbindet jedoch den Übergang von Defektelektronen von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5. Auf diese Weise können Elektronen und Defektelektronen zufriedenstellend getrennt und eine Rekombination, da diese in Abhängigkeit der Defektelektronen, welche die Sperrschicht 4 durchtunneln, um die zweite Potentialwanne 5 zu erreichen, erfolgt, verhindert werden. Folglich streben die lichtelektrisch erzeugten Elektronen in den nachfolgend beschriebenen Beispielen unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 bei Auftreffen eines optischen Strahles auf die Heterostruktur 2 mit einer, zur lichtelektrischen Erzeugung von Elektron-Defektelektron-Paaren in den Potentialwannen 3 und 5 geeigneten Energie und Wellenlänge einen Übergang auf die zweite Potentialwanne 5 an. Ist die Anzahl der auf die zweite Potentialwanne 5 übergegangenen Elektronen ausreichend groß, um ein Elektronenenergieniveau e&sub5; zu füllen, erfolgt eine Entfärbung der entsprechenden Exziton-Resonanz. Obgleich in der ersten bzw. der zweiten Potentialwanne 3 bzw. 5 verbleibende, lichtelektrisch erzeugte Elektron-Defektelektron- Paare rapide rekombinieren können, werden die Elektronen, welche von der ersten Potentialwanne 3 über das durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; auf die zweite Potentialwanne 5 übergegangen sind, von ihren entsprechenden, lichtelektrisch erzeugten Defektelektronen, welche in der ersten Potentialwanne 3 verbleiben, getrennt. Die Steuerung einer Rekombination dieser getrennten Elektronen und Defektelektronen erfolgt durch die Zeitdauer der Tunnelung der Defektelektronen durch die Sperrschicht 4, welche, wie unten erwähnt, die Größenordnung von Mikrosekunden aufweisen kann.
Da die getrennten Elektronen und Defektelektronen sich nicht rapide wiedervereinigen können, ist ein optischer Strahl relativ geringer Leistungsdichte, typischerweise in der Größenordnung von einem Wcm&supmin;² (Watt pro Zentimeter), ausreichend, um zu bewirken, daß genügend Elektronen auf die zweite Potentialwanne 5 übergehen, um das Elektronenenergieniveau e&sub5; zu füllen und auf diese Weise, wie unten erläutert, zumindest die 'Electron-heavy hole' (e-hh)-Exziton-Resonanz und die 'Electron-light hole' (e-lh)-Exziton-Resonanz der zweiten Potentialwanne 5 zu entfärben und somit die Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur zu ermöglichen, wobei der optische Strahl eine Wellenlänge mit einer Energie aufweist, welche mit dieser der Exziton-Resonanz äquivalent oder höher als diese ist.
Die optisch schaltbare Vorrichtung kann, wie unten beschrieben, als optischer Schalter zur Steuerung der Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur 2 verwendet werden. In Anbetracht der Tatsache, daß lediglich eine relativ geringe Leistungsdichte erforderlich ist, um eine Entfärbung der Exziton- Resonanz zu erreichen und so die Übertragung eines optischen Strahles zu ermöglichen, eignet sich die optisch schaltbare Vorrichtung insbesondere für großflächige Anordnungen, zum Beispiel für Computer- bzw. Bildverarbeitung, wo hohe, optische Leistungsdichten andererseits zu Wärmeableitungsproblemen führen können.
Figur 3 stellt schematisch und im Querschnitt ein Beispiel einer optisch schaltbaren Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung dar, bei welcher die erste und zweite Potentialwanne 3 und 5 aus dem gleichen Material bestehen und die zweite Potentialwanne 5 breiter als die erste Potentialwanne 3 ist, um ein Elektronenenergieniveau e&sub5; mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau e&sub3; der ersten Potentialwanne 3 vorzusehen. Die die optisch schaltbare, in Figur 3 dargestellte, Vorrichtung 1 definierende Heterostruktur 2 wird auf einem Substrat 6 unter Anwendung konventioneller Schicht-für-Schicht-Aufwachstechniken, welche zur Ausbildung relativ dünner Schichten in der Größenordnung von 1 bis loonm geeignet sind, zum Beispiel Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) oder ein verwandtes Verfahren, aufgewachst. Bei diesem Beispiel weist das Substrat 6 ein halbisolierendes, monokristallines Galliumarsenid(GaAs)-Substrat auf, obgleich jedes andere geeignete III-V Halbleitersubstrat, zum Beispiel ein Indiumphosphid(InP)- oder Gallium-Antimonid(GaSb)-Substrat verwendet werden könnte.
Obgleich in Figur 3 nicht dargestellt, wird in der Regel eine epitaktische Schicht aus Galliumarsenid auf dem Substrat 6 vorgesehen, um die Morphologie der nachfolgenden Heterostruktur zu verbessern. Im Anschluß an diese Pufferschicht wird eine Sperrschicht 7 eines indirekten Bandabstandsmaterials, in diesem Beispiel Aluminiumarsenid(AlAs), welches unbeabsichtigt dotiert wird, aufgebracht. Typischerweise kann die Sperrschicht 7 eine Stärke von etwa 10nm betragen.
Sodann wird eine dünne Schicht eines direkten Bandabstandsmaterials, in diesem Beispiel unbeabsichtigt dotiertes Galliumarsenid(GaAs), vorgesehen, um die erste Potentialwanne 3 auszubilden. Die erste Potentialwanne 3 weist eine Stärke auf, welche typischerweise geringer als 3,5nm und größer als 1,9nm, im allgemeinen 2,5nm, ist. Anschließend wird die Sperrschicht 4 erneut als eine Schicht aus einem indirekten Bandabstandsmaterial, in diesem Beispiel unbeabsichtigt dotiertes AlAs, mit einer Stärke von in diesem Beispiel 8nm gebildet, an welche die zweite Potentialwanne 5, welche in diesem Beispiel aus unbeabsichtigt dotiertem Galliumarsenid besteht und typischerweise breiter als 3,5nm, vorzugsweise 5nm breit ist, anschließt. Zur Vervollständigung der Heterostruktur 2 wird sodann eine, wiederum aus unbeabsichtigt dotiertem AlAs bestehende Endsperrschicht 8 vorgesehen. Die Endsperrschicht 8 kann typischerweise etwa 10nm betragen.
Figur 1 stellt schematisch das Energiebanddiagramm zu der in Figur 3 gezeigten Heterostruktur dar, wobei, was üblich ist, Ec das Leitungsband und Ev das Valenzband der Heterostruktur 2 darstellt. Die mit Pfeil versehene Bezeichnung Ee signalisiert die Richtung der Elektronenenergieerhöhung, während die mit Pfeil versehene Bezeichnung Eh die Richtung der Defektelektronenenergieerhöhung angbit. Es steht selbstverständlich außer Zweifel, daß, obwohl lediglich einfache Defektelektronenenenergieniveaus h&sub3;, h&sub5; gezeigt sind, jede dieser Stufen ein Energieniveau leichter Defektelektronen und ein Energieniveau schwerer Defektelektronen darstellt, wobei das Energieniveau schwerer Defektelektronen jeweils eine niedrigere Defektelektronenenergie aufweist.
Wie aus Figur 1 eindeutig hervorgeht, bildet die erste GaAs-Potentialwanne 3 zusammen mit den AlAs-Sperrschichten 4 und 7 eine Struktur des Types II, das heißt, das niedrigste Elektronenenergieniveau e&sub3; der ersten GaAs-Potentialwanne 3 weist eine höhere Elektronenenergie als die X-Minimen der indirekten AlAs-Band abstandssperrschicht 4 auf. Obwohl die erste Potentialwanne 3 dazu dient, Defektelektrone zu begrenzen, können Elektronen in der ersten Potentialwanne somit rapide auf das durch die X-Minimen der AlAs-Sperrschicht 4 vorgesehene Energiezwischenniveau e&sub4; übergehen.
Die zweite GaAs-Potentialwanne 5, welche breiter als die erste Potentialwanne 3 ist, weist ein Elektronenenergieniveau e&sub5; mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; der Sperrschichten 4 und 8 auf. Folglich dient die breitere, zweite Potentialwanne dazu, sowohl Elektronen als auch Defektelektronen zu begrenzen.
Obgleich die Figuren 1 und 3 die Heterostruktur 2 als aus lediglich einer ersten Potentialwanne 3 und einer zweiten Potentialwanne 5 bestehend zeigen, können in der Praxis viele erste und zweite Potentialwannen 3 und 5, welche durch Sperrschichten, ähnlich der Sperrschicht 4, getrennt sind, vorgesehen werden.
Figur 4 stellt schematisch und teilweise im Teilquerschnitt eine modifizierte, optisch schaltbare Vorrichtung 10 dar. Bei der in Figur 4 gezeigten, modifizier ten Vorrichtung 10 sieht die Heterostruktur 20 mehrere erste und zweite Potentialwannen 3 und 5 vor, wobei jede erste Potentialwanne 3 zwischen zwei zweiten Potentialwannen 5 angeordnet und von den zweiten Potentialwannen 5 durch Sperrschichten 4 getrennt ist.
In dem in Figur 3 dargestellten Beispiel, in welchem die erste Potentialwanne 3 eine zweite Potentialwanne 5 auf lediglich einer Seite aufweist, kann die Sperrschicht 7 aus einem anderen Material als die Sperrschichten 4 bestehen, so daß die Sperrschicht 7 kein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als die erste Potentialwanne 3' aufweist, wodurch ein Übergang von Elektronen auf die Sperrschicht 7 unterbunden wird. Alternativ kann die in Figur 3 dargestellte Heterostruktur 2 so modifiziert werden, daß sie eine weitere zweite Potentialwanne 5 auf der anderen Seite der ersten Potentialwanne 3 vorsieht, welche durch eine Sperrschicht 4 von der ersten Potentialwanne 3 getrennt ist.
Wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, wird ein Fenster 60 durch das Substrat 6 der optisch schaltbaren Vorrichtung 1 beziehungsweise 10 gebildet, um Lichtdurchlässigkeit durch die optisch schaltbare Vorrichtung zu ermöglichen.
Wie oben erwähnt, erlaubt eine erfindungsgemäße, optisch schaltbare, Vorrichtung 1 beziehungsweise 10 den Übergang von Elektronen lichtelektrisch erzeugter Elektron-Defektelektron-Paare von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5 über das durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Energiezwischenniveau e&sub4;, während die Defektelektronen der lichtelektrisch erzeugten Elektron-Defektelektron- Paare zur ersten Potentialwanne 3 begrenzt werden.
Wenn somit ein optischer Strahl mit einer geeigneten Wellenlänge (in der Größenordnung von 750nm bei der oben beschriebenen Struktur), welche mit einer Energie hν äquivalent ist, die der 'Electron-heavy hole' (e-hh) Exziton-Resonanz der ersten Potentialwanne gleicht oder größer als diese ist, auf die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 auftrifft, werden Elektron-Defektelektron-Paare in der ersten Potentialwanne 3 erzeugt. Da die zweite Potentialwanne 5 breiter als die erste Potentialwanne 3 ist und ein niedrigeres Elektronenenergieniveau vorsieht, bewirkt der auftreffende, optische Strahl selbstverständlich ebenfalls eine lichtelektrische Erzeugung von Elektron-Defektelektron-Paaren in der zweiten Potentialwanne 5. Normalerweise würde relativ rapide eine Rekombination der lichtelektrisch erzeugten Elektronen und Defektelektronen erfolgen, was bei den in der zweiten Potentialwanne 5 durch Photonenabsorption erzeugten Elektronen und Defektelektronen der Fall ist.
Die Sperrschicht 4 sieht jedoch, wie oben erwähnt, ein Elektronenenergieniveau e&sub4; vor, welches eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau e&sub3; der ersten Potentialwanne 3 vorsieht und somit den Übergang von lichtelektrisch erzeugten Elektronen von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5 über das durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; ermöglicht.
Das niedrigste Defektelektronenenergieniveau h&sub4; der Sperrschicht 4 weist jedoch eine Stärke auf, welche ausreicht, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der ersten Potentialwanne 3 zur zweiten Potentialwanne 5 zu unterbinden, wodurch die in der ersten Potentialwanne durch Photonenabsorption erzeugten Defektelektronen durch Begrenzung in der ersten Potentialwanne 3 verbleiben. Die transferierten Elektronen werden somit von ihren entsprechenden, lichtelektrisch erzeugten Defektelektronen getrennt, wobei die Zeit zur Rekombination dieser Elektronen und Defektelektronen durch die Zeitdauer der Tunnelung der Defektelektronen von der ersten Potentialwanne 3 zur zweiten Potentialwanne 5 festgelegt wird. Diese Zeit wird zumindest teilweise durch die Starke der Sperrschicht 4 bestimmt, wobei die Rekombinationszeit bei der obengenannten Materialart, bei der die Sperrschicht eine Stärke von 8nm aufweist, typischerweise in der Größenordnung von 0,5 bis zu einigen Mikrosekunden liegt.
Bei dem obengenannten Beispiel, bei dem die Sperrschicht 4 aus AlAs und die Potentialwannen 3 und 5 aus GaAs gebildet sind, weist die Sperrschicht eine Stärke von 8nm auf. Im allgemeinen sollte die Sperrschicht 4, je nach Materialart, zumindest eine Stärke von 2,5nm aufweisen und in jedem Falle ausreichen, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der ersten zur zweiten Potentialwanne zu unterbinden.
Da eine Rekombination der von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5 transferierten Elektronen mit Defektelektronen nicht ohne weiteres erfolgen kann, kann auf relativ einfache Weise in der zweiten Potentialwanne 5 eine hohe Elektronenbesetzung stattfinden, wobei lediglich eine geringe Leistungsdichte, typischerwiese in der Größenordnung von 1 Wcm&supmin;² , bei dem auftreffenden, optischen Strahl erforderlich ist, um ausreichend Elektronen zu erzeugen, die auf die zweite Potentialwanne 3 übergehen, um zu bewirken, daß zumindest die 'Electron-heavy hole' (e-hh)- und die 'Electron-light hole' (e-lh)-Exziton Resonanz der zweiten Potentialwanne 5 entfärbt werden und auf diese Weise die Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20, welcher eine Wellenlänge aufweist, deren Energieterme mit der Exziton-Resonanz der zweiten Potentialwanne 5 äquivalent sind, ermöglicht wird. Es kann ebenfalls eine Entfärbung der 'Electron-heavy hole'-Exziton- Resonanz der ersten Potentialwanne 3 erfolgen. Die erste Potentialwanne 3 kann jedoch noch bei Wellenlängen absorbieren, welche mit den Energietermen der 'Electron-light hole'-Resonanz der ersten Potentialwanne 3 äquivalent oder größer als diese sind.
Die Figuren 2a und 2b sind schematische, graphische Darstellungen einer Absorption α gegenüber einer Energie (hν) in Elektronenvolt eV - welche nicht maßstabsgetreu sind - um die Wirkung eines auftreffenden, optischen Strahles einer geeigneten Wellenlänge und Leistungsdichte auf das Absorptionsspektrum der in Figur 3 beziehungsweise Figur 4 dargestellten Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 in Form eines Diagrammes aufzuzeigen.
Figur 2a stellt das Absorptionsspektrum der Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 dar, wenn kein optischer Strahl (beziehungsweise ein optischer Strahl unzureichender Leistungsdichte) auf die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 auftrifft. Wie daraus ersichtlich, sieht das Spektrum vier Hauptabsorptionsmaxima vor, wobei die Maxima A und B die'Electron-heavy hole' (e-hh)- und 'Electron-light hole' (e-lh)- Exziton-Resonanz der zweiten Potentialwanne 5 und die Maxima C und D die 'Electronheavy hole' (e-hh) und 'Electron-light hole (e-lh)-Exziton-Resonanz der ersten Potentialwanne 3 darstellen. Wie dargestellt, werden die Maxima C und D selbstverständlich bei höheren Energien erreicht und sind etwas breiter als Maxima A und B, da die erste Potentialwanne 3 schmaler als die zweite Potentialwanne 5 ist.
Figur 2b zeigt die Situation, bei der ein optischer Strahl einer geeigneten Wellenlänge und Leistungsdichte auf die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 auftrifft, um eine Exziton-Entfärbung, wie oben beschrieben, zu bewirken. Wie ein Vergleich der Figuren 2a und 2b zeigt, sind die Maxima A, B und C in Figur 2b wesentlich kleiner als in Figur 2a, so daß die Absorption der Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 bei den mit den Energien dieser Maxima äquivalenten Wellenlängen wesentlich reduziert wird. Die Wirkung auf das 'Electron-light hole'-Exziton-Resonanz-Maximum D der ersten Potentialwanne 3, welches bei wesentlich höherer Energie als die anderen Maxima A, B und C erreicht wird, ist eher geringer.
Die Figuren 5a und 5b zeigen die Ergebnisse von Niedertemperaturexperimenten, welche auf einer Heterostruktur durchgeführt wurden, die der in Figur 3 beziehungsweise 4 dargestellten Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 gleicht, bei welchen die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 von der Oberseite aus (d.h. nicht parallel zu den Schichten der Heterostruktur) mit Hilfe einer weißen Lichtquelle beleuchtet wurde und ebenfalls ein optischer Pumpstrahl mit einer Wellenlänge von 630nm und variabler Leistungsdichte auf die Heterostruktur auftraf. Das von der Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 übertragene Licht wurde unter Verwendung eines Spektrometers überwacht, wobei es sich bei den Figuren 5a und 5b um graphische Darstellungen einer Absorption α (l-t, wobei t den Übertragungsfaktor darstellt) gegenüber einer Energie (hν) in Elektronenvolt (eV) für den Energiebereich der 'Electron-heavy hole'- und 'Electron-light hole'-Exziton-Maxima A und B der zweiten Potentialwanne 5 beziehungsweise des 'Electron-heavy hole'-Maximums C der ersten Potentialwanne 3 handelt. Das Exziton-Resonanz-Maximum für das 'Electron-light hole' der ersten Potentialwanne 3 kommt, wie oben erwähnt, bei wesentlich höherer Energie (d.h. wesentlich kürzerer Wellenlänge) vor und ist nicht dargestellt. Die durch eine Vollinie dargestellte Kurve a, die durch eine gestrichelte Linie dargestellte Kurve b und die durch eine punktierte Linie dargestellte Kurve c geben das Absorptionsspektrum für einen Pumpstrahl an, welcher in seiner Leistungsdichte von Kurve a, bei welcher der Pumpstrahl abgeschaltet wird (Leistungsdichte null) zu Kurve c, bei welcher die Pumpdichte 100 Wcm&supmin;² beträgt, ansteigt.
Wie aus den Figuren 5a und 5b eindeutig hervorgeht, werden die Resonanz-Maxima A, B und C mit zunehmender Leistungsdichte des Pumpstrahles kleiner und bewegen sich ebenfalls geringfügig zu höheren Frequenzen hin. Die Wirkung ist bei der 'Electron-heavy hole'-Resonanz (e-hh) der zweiten Potentialwanne 5 am signifikantesten.
Eine optisch schaltbare Vorrichtung gemäß der Erfindung dient zur Verwendung als optischer Schalter, zum Beispiel bei Bild- bzw. optischer Computerverarbeitung, wobei sowohl die Figur 3 als auch die Figur 4 eine optische Schaltanordnung 100 bzw. 100a darstellt, welche die jeweilige, optisch schaltbare Vorrichtung 1 bzw. 10, eine optische Strahlenquelle 50 mit steuerbarer Leistungsdichte sowie eine weitere optische Strahlenquelle 60, welche durch die optische Strahlenquelle 50 geschaltet oder gesteuert werden kann, aufweist. Die optischen Strahlenquellen 50 und 60 können durch gepulste oder kontinuierliche (cw) Laser geeigneter Wellenlänge und Ausgangsleistungsdichten gebildet werden. Bei den Lasern kann es sich um Farbstofflaser oder, in Anbetracht der erforderlichen, geringen Leistungsdichten, sogar um Halbleiterlaser handeln.
Die optische Strahlenquelle 50 wird so gewählt, daß sie zumindest eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich mit einer Energie vorsieht, welche ausreicht, um die erforderlichen Elektronen in der ersten Potentialwanne 3 vorzusehen, das heißt, mit einer Energie, welche dieser der e-hh-Exziton-Resonanz der ersten Potentialwanne 3 gleicht oder höher als diese ist. Die weitere optische Strahlenquelle 60 kann eine Wellenlänge vorsehen, welche in den Energietermen mit der e-hh- oder e-lh- Resonanz der zweiten Potentialwanne 5 äquivalen ist. Die Ausgangsleistungsdichte der optischen Strahlenquelle 50 ist steuerbar.
Bei Verwendung der in Figur 3 oder 4 dargestellten Vorrichtung wird der durch die optische Strahlenquelle 50 erzeugte, optische Strahl 0 von der Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 absorbiert, wobei die Wellenlänge beziehungweise der Wellenlängenbereich des optischen Strahles mit einer Energie äquivalent ist, die der Energielücke zwischen den entsprechenden Energieniveaus der Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 gleicht oder größer als diese ist. Insbesondere die Wellenlänge beziehungsweise der Wellenlängenbereich des optischen Betriebsstrahles 0 wird so gewählt, daß diese beziehungsweise dieser in den Energietermen mit der 'Electron-heavy hole'-Exziton- Resonanz der ersten Potentialwanne 3 äquivalent oder größer als diese ist, was in diesem Beispiel heißt, daß die Wellenlänge des optischen Betriebsstrahles 0 für die oben beschriebene Heterostruktur 2 beziehungsweise 20, bei welcher die erste und zweite Potentialwanne 3 und 5 2,5nm und 5nm betragen, typischerweise 750nm beträgt.
Bei Betrieb der in Figur 3 oder 4 dargestellten, optischen Schalteinrichtung wird die Ausgangsleistungsdichte des optischen Strahles 0 der optischen Leistungsquelle 50 zwischen einer ersten Stufe, welche nicht ausreicht, um eine Exziton-Entfärbung zu bewirken, und einer zweiten Stufe in der Größenordnung von 1 Wcm&supmin;², welche ausreicht, um eine Exziton-Entfärbung zu bewirken, geschaltet, so daß, wie der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf die in den Figuren 2a und 2b sowie den Figuren 5a und Sb gezeigten, graphischen Darstellungen zu entnehmen ist, bei dem ersten Leistungsdichteniveau des optischen Strahles 0 eine signifikante Absorption des optischen Strahles X der weiteren optischen Strahlenquelle bei dem e-hh- beziehungsweise e-lh-Exziton-Resonanz-Maximum A oder B der zweiten Potentialwanne erfolgt. Bei dem zweiten, höheren Leistungsdichteniveau gehen jedoch ausreichend Elektronen lichtelektrisch erzeugter Elektron-Defektelektron-Paare, deren Erzeugung durch den optischen Strahl 0 erfolgt, über das durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Energiezwischenniveau e&sub4; auf das Elektronenenergieniveau e&sub5; der zweiten Potentialwanne 5 über, um eine Entfärbung von zumindest dem e-hh-Exziton-Maximum A und normalerweise auch dem e-lh-Exziton-Maximum B der zweiten Potentialwannen zu bewirken, so daß die Absorption des optischen Strahles X durch die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 wesentlich reduziert wird. Der optische Strahl 0 steuert beziehungsweise moduliert demnach die Intensität des Teiles X' des durch die Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 übertragenen, optischen Strahles X. Der optische Strahl 0 kann entweder lediglich zum Einbeziehungsweise Ausschalten des optischen Strahles D, zum Beispiel in einem optischen Logikschalter, oder aber um den optischen Strahl D mit optisch verschlüsselten Daten zu versehen, verwendet werden.
In dem Falle, in dem die Operationsstrahlenquelle 50 einen optischen Strahl 0 eines entsprechenden Wellenlängenbereiches vorsieht, kann der optische Strahl 0 zur Steuerung seiner eigenen Übertragung durch die optische Vorrichtung verwendet werden, wobei die weitere optische Strahlenquelle 50 weggelassen werden kann. Eine solche optische Schaltvorrichtung kann sich in beiden Fällen zur Verwendung in optischen Speicher- oder Bildverarbeitungs- beziehungsweise Datenverarbeitungsvorrichtungen eignen.
Unter Benutzung einer optisch schaltbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen die Elektronen der lichtelektrisch erzeugten Elektron-Defektelektron- Paare in der ersten Potentialwanne 5 von dem Energieniveau e&sub3; rapide auf das durch die indirekte Energielückensperrschicht 4 vorgesehene, niedrigere Energiezwischenniveau e&sub4; und von dort auf die zweite Pontentialwanne 5 über, während die lichtelektrisch erzeugten Defektelektrone in der ersten Potentialwanne 3 eingeschlossen bleiben. Die lichtelektrisch erzeugten Elektronen und Defektelektronen werden somit getrennt, um auf diese Weise eine Rekombination durch optische oder andere Mittel zu unterbinden. Die Tatsache, daß eine Rekombination lichtelektrisch erzeugter Elektronen und Defektelektronen verhindert wird, bedeutet, daß eine Entfarbung der e-hh- und möglicherweise der e-lh-Exziton-Resonanz-Maxima A und B der zweiten Potentialwanne 5 bei relativ geringen Leistungsdichtestufen, typischerwiese 1 Wcm&supmin;² erreicht werden kann, wodurch die erforderlichen Ausgangsleistungsdichtestufen der optischen Strahlenquelle 100 im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen, wie zum Beispiel SEEDS, reduziert werden können. Dieses ermöglicht die Verwendung von Halbleiterlasern mit relativ geringer Leistung und erlaubt eine Integrierung der optischen Strahlenquelle 50 in das gleiche Substrat 6, was besonders dann von Vorteil ist, wenn die optisch schaltbare Vorrichtung als optischer Schalter in einer Speicher- oder Bildverarbeitungs- beziehungsweise Datenverarbeitungsvorrichtung, wo viele solcher Schalter in Parallelschaltung erforderlich sein können, verwendet werden soll. Ebenso soll durch die Tatsache, daß das zur Exziton-Entfärbung erforderliche Leistungsdichteniveau herabgesetzt wird, die in der optisch schaltbaren Vorrichtung erzeugte Wärmemenge reduziert werden, was in einer Verminderung der mit der Ableitung solcher Wärme verbundenen Probleme resultiert.
Wie oben erwähnt, hängt eine Rekombination der Elektronen und Defektelektronen und somit der Rückgang des Exziton-Absorptionsmaximums auf seine Stärke vor erfolgter Entfärbung von der Zeitdauer der Tunnelung der Defektelektronen durch die Sperrschicht 4 ab, welche wiederum von der Stärke der Barriere abhängig ist. Bei der oben beschriebenen Barrierenstärke und Materialart kann diese Zeitdauer typischerweise einige Mikrosekunden betragen. Je nach gewünschter Anwendung kann eine solche Schaltdauer akzeptabel oder zu lang sein. Jedoch kann die Schaltdauer der optischen Vorrichtung zum Zwecke einer gewünschten Anwendung durch Änderung der Barrierenstärke entsprechend eingestellt werden.
Obgleich bei dem oben beschriebenen Beispiel unter Bezugnahme auf die Figuren 3 oder 4 der optische Strahl 0 so auf die optische Vorrichtung auftrifft, daß er sich quer zu den Schichten der Heterostruktur 2 beziehungsweise 20 befindet, kann(können) der(die) optische(n) Strahl(en) entlang den Schichten gerichtet werden, wobei keine Notwendigkeit besteht, das Fenster 60 in dem Substrat auszubilden. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, das Substrat 6 aus einem Material herzustellen, welches an (der)den Betriebswellenlänge(n) transparent ist.
Figur 6 zeigt schematisch das Energiebanddiagramm einer modifizierten, optisch schaltbaren, erfindungsgemäßen Vorrichtung 10b, welche schematisch im Querschnitt, teilweise im Teilschnitt, in Figur 7 dargestellt ist.
Wie sehr deutlich aus Figur 6 zu ersehen ist, sieht die Heterostruktur 200 der modifizierten, optisch schaltbaren Vorrichtung 10b eine dritte Potentialwanne 9 vor, welche durch eine weitere Sperrschicht 4a von der zweiten Potentialwanne 5a getrennt ist. Diese Heterostruktur 200 wird unter Anwendung konventioneller, obenerwähnter Aufwachstechniken gebildet, so daß die weitere Sperrschicht 4a ein weiteres Elektronenenergiezwischenniveau e4a mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau e5a der zweiten Potentialwanne 5a vorsieht, während die dritte Potentialwanne 9 ein noch niedrigeres Elektronenenergieniveau e&sub9; vorsieht.
Die äußeren Sperrschichten 7 und 8 können aus dem gleichen Material wie die Sperrschichten 4 beziehungsweise 4 a gebildet werden und können wiederum eine Stärke von lonm oder mehr aufweisen. Wie oben im Hinblick auf Figur 3 erwähnt, kann die Sperrschicht 7 alternativ aus einem anderen Material gebildet werden, welches ein niedrigstes Elektronenenergieniveau vorsieht, das höher als die erste Potentialwanne 3a ist, um den Übergang von Elektronen auf die Sperrschicht 7 zu unterbinden. Alternativ kann die Heterostruktur 200 so gebildet werden, daß sie um den Mittelpunkt der dritten Potentialwanne 9 herum symmetrisch ist.
Die Heterostruktur 200 kann wiederum auf einem Galliumarsenidsubstrat 6 vorgesehen und so gebildet werden, daß die erste, zweite und dritte Potentialwanne 3a, 5a und 9 aus dem gleichen Material bestehen und eine zunehmende Stärke aufweisen, um die erforderlichen Energieniveaus vorzusehen. Wie in dem oben beschriebenen Beispiel können die Potentialwannen 3a, 5a und 9 aus Galliumarsenid bestehen. Zur Erreichung der erforderlichen Elektronenenergieniveaus können die Sperrschichten 4 und -a aus Aluminiumarsenid beziehungsweise z.B. Aluminium-Galliumarsenid (AlxGa1-xAs), wobei x > 0,45 ist, z.B. Al0.8 Ga0.2 As, gebildet werden, wobei die Sperrschichten 4 und 4a eine Stärke von etwa 8nm, die Potentialwannen 3a, 5a und 9 dagegen eine Stärke von 2,5nm, 3,5nm beziehungsweise 5,0nm aufweisen.
Bei einer solchen Struktur gehen durch einen entsprechenden optischen Strahl in der ersten Potentialwanne 3a lichtelektrisch erzeugte Elektronen über das Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; der Sperrschicht rapide auf das Elektronenenergieniveau esa der zweiten Potentialwanne 5a und das weitere Elektronenergiezwischenniveau e4a der weiteren Sperrschicht 4a auf die dritte Potentialwanne 9 über, während die entsprechenden Defektelektrone auf die erste Potentialwanne 3a beschränkt bleiben. In diesem Falle wird die Trennung der Elektronen und Defektelektronen weiter erhöht, wobei es möglich sein sollte, eine Entfärbung von, in diesem Falle, der e-hh- und möglicherweise der e-lh-Exziton-Resonanz der dritten Potentialwanne 9 bei noch niedrigeren Leistungsdichtestufen, als diese bei den in den Figuren 3 und 4 dargestellten, optischen Vorrichtungen 1 und 10 erzielt werden konnten, zu erreichen. Selbstverständlich wird die zur Tunnelung der Defektelektrone zu der dritten Potentialwanne 9 erforderliche Zeit und somit die Zeit zum Rückgang der Exziton-Resonanz auf ihre volle Stärke nach Reduzierung der Leistungsdichte dieses optischen Strahles 0 erhöht.
Die modifizierte, optische, in Figur 7 dargestellte Schaltvorrichtung funktioniert in einer, ähnlich der oben, unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschriebenen Weise, jedoch soll der optische Strahl D natürlich eine Wellenlänge in dem Bereich der Exziton-Resonanz-Maxima der dritten Potentialwanne 9 vorsehen, um eine Schaltung des optisches Strahles D in Abhängigkeit der Leistungsdichte des optischen Strahles 0 zu realisieren.
Wie im Falle von Figur 4 können mehrere Potentialwannen 3a, 5a und 9 vorgesehen werden, wobei zum Beispiel die Struktur um eine dritte Potentialwanne 9 herum symmetrisch verläuft.
Die Trennung der Elektronen und Defektelektronen bei Verwendung einer optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung induziert ein inneres elektrisches Feld in der optischen Vorrichtung, welches bei ausreichender Trennung und Anzahl der Elektronen und Defektelektronen Energieniveauverschiebungen (sogenannter optischer, quantenbeschränkter Stark-Effekt) induzieren kann, die ausreichen, um die Schaltung eines optischen Strahles mit einer Wellenlänge um das entsprechende Absorptionsmaximum der Struktur herum zu steuern. Derartige elektrische Felder können zum Beispiel im Falle von Figur 7, in welcher drei Potentialwannen 3a, 5a und 9 vorgesehen sind, signifikant sein. Es besteht die Möglichkeit, diesen Effekt je nach Materialart zu verbessern, indem eine Reihe von vier oder mehr Potentialwannen und Sperrschichten mit hintereinandergeschalteten Elektronenenergieniveaus vorgesehen wird, obwohl in solch einem Falle die Schaltzeit selbstverständlich verhältnismäßig lang sein würde.
Figur 8 zeigt ein weiteres Beispiel einer optisch schaltbaren Halbleitervorrichtung 10c gemäß der Erfindung. In diesem Beispiel weist die optisch schaltbare Halbleitervorrichtung 10c eine Haibleitervorrichtung mit hoher Elektronenmobilität, einen Transistor mit hoher Elektronenmobilität (HEMT), wie dargestellt, auf, wobei die Heterostruktur 2c die Leitungskanalzone des HEMT 10c bildet.
Die die Leitungskanalzone des HEMT 10c bildende Heterostruktur 2c weist das gleiche Energiebanddiagramm wie die in Figur 1 dargestellte Heterostruktur 2 auf und gleicht somit der in Figur 3 dargestellten Heterostruktur 2 mit der Ausnahme, daß, wie ein Vergleich der Figuren 3 und 8 ergibt, die Heterostruktur 2c gegenüber dem Substrat 6 invertiert ist, so daß die Sperrschicht 8, gefolgt von der zweiten Potentialwanne 5, auf dem Substrat 6 vorgesehen ist.
Darüberhinaus zeigt Figur 8 eine auf dem Substrat 6 vorgesehene, epitaktische Pufferschicht 6b. Bei der epitaktischen Pufferschicht 6b kann es sich, wie oben erörtert, lediglich um eine epitaktische, eigenleitende Galliumarsenidschicht handeln. Jedoch kann, obgleich nicht ausdrücklich dargestellt, eine Übergitter-Pufferschicht auf der epitaktisch aufgewachsten Galliumarsenidschicht und zusätzlich zu dieser vorgesehen werden. Die Übergitter-Pufferschicht kann zum Beispiel aus welchselweise vorgesehenen Galliumarsenid- und Aluminiumarsenidschichten bestehen, welche eine Zusammensetzung aufweisen, die mit einer Alx Ga1-x As-Legierung (wobei x - 0,25 ist) äquivalenten ist. Bei Vorhandensein einer solchen Pufferschicht kann die Stärke der Pufferschicht und epitaktischen Schicht 6b jeweils etwa 0,5µm (Mikrometer) betragen. In allen anderen Beziehungen, das heißt in Bezug auf Materialart und Schichtstärken, kann die in Figur 8 dargestellte Heterostruktur 2c mit der in den Figuren 1 und 3 dargestellten Heterostruktur 2 identisch sein.
Auf der Sperrschicht 7 wird eine Deckschicht 11 aus Galliumarsenid vorgesehen, welche eine Stärke von etwa 10 bis etwa 3onm aufweist und mit einem Fremdatom des einen Leitfähigkeitstypes, das heißt, in diesem Beispiel, des n-Leitfahigkeitstypes, bis zu einem Dotierungsgrad von etwa 1,5 x 10¹&sup8; Atomen cm&supmin;³ dotiert ist.
Eingangs- und Ausgangs- beziehungsweise Source- und Drain-Zonen 21 und 22 werden durch lokale Diffusion von Dotierstoffen des einen Leitfahigkeitstypes, in diesem Beispiel des n-Leitfähigkeitstypes, von der Oberfläche aus so in den Enden der Leitungskanalzone 2 ausgebildet, daß sie sich bis in die zweite Potentialwanne 5 erstrecken. Die Dotierstoffe können aus einer entsprechend dotierten, auf der Oberfläche vorgesehenen Metallegierung, zum Beispiel einer Legierung aus Gold mit einem entsprechenden Dotierstoff, eingebaut werden. Damit die nachfolgenden Source- und Drain-Elektroden 23 und 24 einen guten, ohmschen Kontakt vorsehen, kann weiteres Gold aufgebracht werden, um die Source- und Drain-Zonen 21 und 22 zu dotieren. Es kann eine geeignete Legierung, wie zum Beispiel eine eutektische, 5 Gewichtsprozent Nickel enthaltende AuGe-Legierung, zur Ausbildung der Source- und Drain-Elektroden 23 und 24 verwendet werden.
Eine, durch geeignete Maskierung und selektive Ätzung gebildete Aussparung 25 ist zwischen der Source- und Drain-Elektrode 23 und 24 vorgesehen, um einen Bereich 70 der Endsperrschicht 7 freizulegen. Eine optische Strahlenquelle 50 sieht, wie unten erörtert, einen entsprechenden, auf den freigelegten Bereich 70 gerichteten, optischen Strahl 0 vor.
Obgleich Figur 8 die Heterostruktur 2 als aus lediglich einer ersten Potentialwanne 3 und einer zweiten Potentialwanne 5 bestehend zeigt, können in der Praxis viele erste und zweite, durch Sperrschichten ähnlich der Sperrschicht 4 getrennte Potentialwannen 3 und 5 vorgesehen werden, um die Strombelastbarkeit der Leitungskanalzone 2 zu erhöhen. Ebenso könnte die beziehungsweise jede zweite Potentialwanne 5, getrennt durch Sperrschichten, zwischen zwei ersten Potentialwannen 3 vorgesehen werden, so daß Elektronen von den beiden ersten Potentialwannen auf die zweite Potentialwanne übergehen können. Die in Figur 4 dargestellte Heterostruktur 20 könnte zur Herstellung der Leitungskanalzone eines HEMTs, welcher dem in Figur 8 dargestellten gleicht, verwendet werden.
Fachkundigen ist selbstverständlich bekannt, daß die effektive Masse eines Defektelektrons wesentlich größer als die eines Elektrons ist und daß folglich die Wahrscheinlichkeit der Tunnelung der Defektelektronen wesentlich geringer als die Wahrscheinlichkeit der Elektronentunnelung durch die Sperrschicht 4 ist.
Bei Betrieb der in Figur 8 dargestellten Vorrichtung werden, wenn eine entsprechende Spannung zwischen der Source- und Drain-Zone 21 und 22 angelegt wird und die optische Strahlenquelle 50 einen optischen Strahl 0 mit einer entsprechenden Wellenlänge (in der Größenordnung von 750 nm bei der oben beschriebenen Struktur) vorsieht, welche mit einer Energie hν äquivalent ist, die der 'Electron-heavy-hole' (e- hh)-Exziton-Resonanz der ersten Potentialwanne 3 gleicht oder größer als diese ist, welcher auf die Aussparung 70 auftrifft (wie senkrecht zu den Schichten der Leitungskanalzone 2 dargestellt), Elektron-Defektelektron-Paare in der ersten Potentialwanne 3 erzeugt.
Wie oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 erörtert, gehen die lichtelektrisch erzeugten Elektronen von der ersten Potentialwanne 3 über das, durch die Sperrschicht 4 vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; auf die zweite Potentialwanne 5 über. Die Sperrschicht 4 weist eine Stärke auf, 8nm in dem oben beschriebenen Beispiel, die ausreicht, um eine Tunnelung der lichtelektrisch erzeugten Defektelektronen, welche in der ersten Potentialwanne 3 vorgesehen werden, in die zweite Potentialwanne 5 zu unterbinden, wodurch die lichtelektrisch erzeugten Defektelektronen in der ersten Potentialwanne 3 auf diese begrenzt verbleiben.
Die transferierten Elektronen werden demnach von ihren entsprechenden, lichtelektrisch erzeugten Defektelektronen getrennt und sehen einen Leitungskanal in der zweiten Potentialwanne 5 vor, während eine angelegte Spannung zwischen der Sourceund Drain-Zone 20 und 21 beibehalten wird. Die Zeitdauer des Rückganges des HEMTs in den nichtleitenden Zustand bei abgeschaltetem, optischem Strahl 0 hängt von der Zeitdauer der Rekombination dieser lichtelektrisch erzeugten Elektronen und Defektelektronen ab, welche wiederum von der Zeitdauer der Tunnelung der Defektelektrone von der ersten Potentialwanne 3 zur zweiten Potentialwanne 5 bestimmt wird.
Da die von der ersten Potentialwanne 3 auf die zweite Potentialwanne 5 übergegangenen Elektronen nicht ohne weiteres mit Defektelektronen rekombinieren können, kann in der zweiten Potentialwanne 5 auf relativ einfache Weise eine hohe Elektronenbesetzung erfolgen, wobei lediglich eine geringe Leistungsdichte, typischerweise in der Größenordnung von 1 Wcm&supmin;², erforderlich ist, um ausreichend Elektronen zu erzeugen, damit ein Elektronenstrom entlang des durch die zweite Potentialwanne vorgesehenen Leitungskanales vorgesehen werden kann.
Da die Elektronen in der ersten Potentialwanne 3 durch lichtelektrische Erzeugung der Elektron-Defektelektron-Paare vorgesehen werden, besteht keine Notwendigkeit einer beabsichtigten Dotierung der Potentialwanne 3 beziehungsweise 5 sowie der Sperrschichten 4, 7 beziehungsweise 8, wodurch die Möglichkeit einer, durch Dotierungselemente verursachten Streuung der Leitungselektronen wesentlich reduziert wird, was zu signifikanten Verbesserungen der Elektronenmobilität in dem durch die zweite Potentialwanne 5 vorgesehenen Leitungskanal führt.
Die Strombelastbarkeit der Vorrichtung 10c mit hoher Elektronenmobilität hängt von der Anzahl der zweiten Potentialwannen 5 ab. Da jedoch bei der oben beschriebenen Materialart der Absorptionskoeffizient senkrecht zu den Schichten der Struktur ziemlich klein ist, kann eine Anzahl erster und zweiter Potentialwannen vorgesehen werden, so daß der Leitungskanal durch eine Anzahl paralleler, zweiter Potentialwannen 5, welche die Strombelastbarkeit erhöhen sollen, vorgesehen wird.
Wie oben erwähnt, wird die Zeitdauer der Rekombination der getrennten Elektronen und Defektelektronen durch die Zeitdauer der Tunnelung der Defektelektronen von der ersten Potentialwanne 3 zur zweiten Potentialwanne 5 bestimmt. Diese Zeit wird zumindest teilweise durch die Stärke der Sperrschicht 4 festgelegt, wobei bei dem obengenannten Material, bei welchem die Sperrschicht eine Stärke von 8nm aufweist, die Rekombinationszeit sich typischerweise in der Größenordnung von 0,5 bis einigen Mikrosekunden befinden kann. Folglich wird die Zeitdauer des Rückgangs des HEMTs in den nichtleitenden Zustand bei abgeschaltetem, optischem Strahl 0 zumindest teilweise durch diese Rekombinationzeit bestimmt. Die Abschaltzeit kann durch Reduzierung der Barrierenstärke zu dem 2,5nm Minimum hin verkürzt werden, obgleich hierfür, um ein Einschalten und eine Leitung des HEMTs zu ermöglichen, eine höhere Leistungsdichte des optischen Strahles 0 erforderlich sein kann.
Der in Figur 8 dargestellte, optisch geschaltete HEMT wird ebenfalls als optischer Schalter, zum Beispiel zur Bild- bzw. optischen Computerverarbeitung verwendet.
Bei der optischen Strahlenquelle 50 kann es sich um eine der obenerwähnten Arten handeln, wobei diese so gewählt wird, daß sie einen optischen Strahl mit zumindest einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich mit einer Energie vorsieht, welche ausreicht, um die erforderlichen Elektronen in der ersten Potentialwanne 3 vorzusehen, das heißt, mit einer Energie, die dieser der e-hh-Exziton-Resonanz der ersten Potentialwanne 3 gleicht oder größer als diese ist.
Figur 9 stelt schematisch und teilweise im Teilschnitt eine zweite Ausführungsform eines optisch aktivierten HEMTs 10d gemäß der Erfindung dar.
Wie eindeutig aus Figur 3 zu ersehen ist, sieht die Heterostruktur 20d des HEMTs 10d eine, von der zweiten Potentialwanne 5a durch eine weitere Sperrschicht 4a getrennte, weitere Potentialwanne 9 vor, wobei, wie ein Vergleich der Figur 9 mit den Figuren 6 und 7 zeigt, die Heterostruktur 20d der Heterostruktur 20 in der gleichen Weise wie die Heterostruktur 20C der Heterostruktur 2 entspricht. Insbesondere heißt das, daß die Heterostruktur 20d mit der Heterostruktur 20 identisch, jedoch gegenüber dem Substrat invertiert ist. Folglich trifft das in Figur 6 dargestellte Energiebanddiagramm ebenso auf die Heterostruktur 20d als auch auf die Heterostruktur 20 zu.
In anderer Hinsicht gleicht der in Figur 9 dargestellte HEMT 10d dem in Figur 8 dargestellten.
Bei einer solchen Struktur gehen durch einen entsprechenden, optischen Strahl 0' in der ersten Potentialwanne 3a lichtelektrisch erzeugte Elektronen über das Elektronenenergiezwischenniveau e&sub4; der Sperrschicht 4, das Elektronenenergieniveau esa der zweiten Potentialwanne 3a und das Elektronenenergiezwischenniveau e4a der weiteren Sperrschicht 4a rapide auf die dritte Potentialwanne 9 über, während die entsprechenden Defektelektrone auf die erste Potentialwanne 3a begrenzt verbleiben. In diesem Falle nimmt die Trennung der Elektronen und Defektelektronen weiter zu, wodurch die Möglichkeit einer Streuung, welche sich sonst nachteilig auf die Mobilität der Leitungselektronen auswirken könnte, weiter vermindert wird.
Der in Figur 9 dargestellte, modifizierte HEMT funktioniert in einer, ähnlich der in Bezug auf Figur 8 beschriebenen Weise. Selbstverständlich erhöht sich die zur Tunnelung der Defektelektronen zur dritten Potentialwanne 9 erforderliche Zeit und folglich die Schaltzeit des HEMT. Wie im Falle von Figur 1 können mehrere Potentialwannen 3a, 5a und 9 vorgesehen werden, wobei zum Beispiel die Struktur um eine dritte Potentialwanne 9 herum symmetrisch verläuft.
Obgleich die Vorrichtungen oben als mit AlAs-Sperrschichten und GaAs- Potentialwannen gebildete Vorrichtungen beschrieben worden sind, könnten auch andere III-V-Halbleitermaterialien verwendet werden, vorausgesetzt, daß das für die Sperrschicht(en) verwendete Material das(die) erforderliche(n) Elektronenenergieniveau(s) vorsehen kann.
Obwohl bei den oben beschriebenen Anordnungen die voneinander abweichenden Elektronenenergieniveaus der ersten und zweiten Potentialwanne 3 und 5 (und der dritten beziehungsweise Potentialwanne 8, sofern vorgesehen) durch Anpassung der Stärke der Schichten erreicht werden, besteht die Möglichkeit, diese Wirkung auch durch ersatzweise oder zusätzliche Verwendung einer Kombination anderer Materialien zur Veränderung der Schichtstärke zu erzielen, zum Beispiel durch Verwendung von InGaAs für die zweite Potentialwanne.
Es können auch andere Halbleitermaterialien, zum Beispiel II-VI Halbleitermaterialien oder eine Kombination verschiedener Arten Halbleitermaterialien, verwendet werden, vorausgesetzt, daß es sich bei dem verwendeten Material um ein Material mit direktem Bandabstand handelt.
Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls auf andere Halbleitervorrichtungen mit regulierbaren Leitungskanalzonen anwendbar.

Claims

1. Optisch schaltbare Vorrichtung mit einer Heterostruktur, welche eine erste Potentialwanne definiert, die durch eine Sperrschicht von einer zweiten Potentialwanne getrennt ist, welche ein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne vorsieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht eine indirekte Bandstruktur aufweist, welche ein Blektronenenergiezwischenniveau vorsieht, das eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne, jedoch eine höhere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der zweiten Potentialwanne vorsieht, wobei die Sperrschicht eine Stärke aufweist, welche ausreichend ist, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der ersten zur zweiten Potentialwanne zu unterbinden, um Defektelektronen von Elektron-Defektelektron- Paaren, welche in der ersten Potentialwanne durch einen optischen Einfallstrahl auf die erste Potentialwanne erzeugt wurde, zu begrenzen, während der Übergang von Elektronen der Elektron-Defektelektron-Paare von der ersten Potentialwanne auf die zweite Potentialwanne über das durch die Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau ermöglicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die erste Potentialwanne relativ schmal ist, während die zweite Potentialwanne relativ breit ist und somit ein Elektronenenergieniveau vorsieht, welches eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Potentialwanne durch aus dem gleichen Haibleitermaterial bestehenden Schichten gebildet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Potentialwanne Schichten aus Galliumarsenid aufweisen und die Sperrschicht eine Schicht aus Aluminiumarsenid vorsieht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die erste Potentialwanne eine geringere Breite als 3,5nm, die zweite Potentialwanne eine größere Breite als 3,5nm und die Sperrschicht eine größere Breite als 2,5nm aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die erste Potentialwanne 2,5nm breit, die zweite Potentialwanne 5nm breit und die Sperr schicht 8nm breit ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Potentialwanne durch Schichten aus unterschiedlichem Halbleitermaterial gebildet werden, welche durch Sperrschichten begrenzt sind, um in der zweiten Potentialwanne ein Elektronenenergieniveau mit einer niedrigeren Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der ersten Potentialwanne vorzusehen.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet daß die Heterostruktur mehrere erste und zweite Potentialwannen definiert.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Heterostruktur im Hinblick auf die beziehungsweise jede zweite Potentialwanne eine, durch eine weitere Sperrschicht von der zweiten Potentialwanne getrennte, dritte Potentialwanne aufweist, wobei die dritte Potentialwanne ein Elektronenenergieniveau vorsieht, welches eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der zweiten Potentialwanne aufweist und die weitere Sperrschicht so ausgebildet ist, daß ein Elektronenenergiezwischenniveau vorgesehen ist, welches eine niedrigere Elektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der zweiten Potentialwanne, jedoch eine höhere Blektronenenergie als das niedrigste Elektronenenergieniveau der dritten Potentialwanne aufweist, um den Übergang der Elektronen von der zweiten Potentialwanne auf die dritte Potentialwanne über das durch die weitere Sperrschicht vorgesehene Elektronenenergiezwischenniveau welches eine Stärke aufweist, die ausreicht, um eine Tunnelung von Defektelektronen von der zweiten zur dritten Potentialwanne zu unterbinden, zu ermöglichen.

10. Optische Schaltvorrichtung mit einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, einer Vorrichtung, um einen optischen Strahl auf die Heterostruktur zu richten, wobei der optische Strahl eine Wellenlänge zur Erzeugung von Elektron-Defektelektron-Paaren in der ersten Potentialwanne aufweist, sowie einer Vorrichtung zur Steuerung der Leistungsdichte des optischen Strahles, welche durch die Richtvorrichtung zur Schaltung des optischen Strahles zwischen einer ersten, relativ geringen, zur Exziton-Entfärbung nicht ausreichenden Leistungsdichte und einer zweiten, relativ hohen Leistungsdichte zur Erzeugung genügender Elektron-Defektelektron-Paare in der Weise, daß Elektronen von der ersten zur zweiten Potentialwanne übergehen, um eine Entfärbung von zumindest einer Exziton-Resonanz der Heterostruktur zu bewirken, um, bei einer Energie, welche mit dieser der Exziton-Resonant äquivalent oder höher als diese ist, die Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur zu ermöglichen, vorgesehen wird.

11. Optische Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, um einen weiteren optischen Strahl zu richten, welcher eine Energie aufweist, die mit dieser der Exziton-Resonanz der Heterostruktur äquivalent oder größer als diese ist.

12. Verfahren zur Steuerung der Absorption einer optisch schaltbaren Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem auf die Heterostruktur ein optischer Strahl mit einer Wellenlänge zur Erzeugung von Elektron-Defektelektron- Paaren in der ersten Potentialwanne und Steuerung der Leistungsdichte des optischen Strahles so gerichtet wird, daß der optische Strahl zwischen einer ersten, relativ geringen, zur Exziton-Entfärbung nicht ausreichenden Leistungsdichte und einer zweiten, relativ hohen Leistungsdichte zur Erzeugung ausreichender Elektron-Defektelektron-Paare in der Weise, daß Elektronen von der ersten zur zweiten Potentialwanne übergehen, um eine Entfärbung von zumindest einer Exziton-Resonanz der Heterostruktur zu bewirken, um, bei einer Energie, welche mit dieser der Exziton-Resonanz äquivalent oder höher als diese ist, die Übertragung eines optischen Strahles durch die Heterostruktur zu ermöglichen, vorgesehen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer optischer Strahl mit einer Energie, welche mit dieser der Exziton-Resonanz äquivalent oder größer als diese ist, auf die Heterostruktur gerichtet wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Heterostruktur die Leitungskanalzone einer Halbleiteranordnung mit hoher Elektronenmobilität bildet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14 in Verbindung mit einer optischen Strahlenquelle, um einen optischen Strahl zur Erzeugung lichtelektrisch erzeugter Elektron-Defektelektron-Paare in der ersten Potentialwanne vorzusehen.