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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Photodetektor, der
die Intensität von Licht erfassen kann und einen
elektrischen Strombetrag ausgibt, sowie auf ein diesen verwendendes
Verfahren zur Photoerfassung und insbesondere auf einen
Photodetektor, der das erfaßte Licht kaum absorbiert.
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Herkömmlicherweise sind als Photodetektoren zur Erfassung
der Intensität von Licht durch Umwandlung dessen in ein
elektrisches Signal p-i-n-Photodioden oder
Lawinenphotodioden (Avalanche-Photodioden) usw. bekannt.
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Diese Photodioden absorbieren jedoch das erfaßte Licht,
wobei aus der Energie des absorbierten Lichts Ladungsträger
erzeugt werden. Entsprechend wird das einfallende Licht kaum
durch den Photodetekßor durchgelassen. Falls derartige
Photodioden beispielsweise bei einem optischen
Kommunikationssystem mit durchgehender Leitung bzw. Bus verwendet
werden, bei dem das Signallicht seriell durch eine Vielzahl
von Empfangseinrichtungen empfangen wird, wird die
Photodiode der an vorderster Stelle im Verbindungsweg gelegenen
Empfangseinrichtung in hohem Maße das Signallicht
absorbieren, was zur Folge hat, daß danach im Grunde genommen kein
Licht mehr die zweite und sich anschließende
Empfangseinrichtungen erreicht. Dementsprechend besteht für jede
Empfangseinrichtung die Notwendigkeit, mittels eines
Halbleiterlasers oder dergleichen ein zu dem empfangenen
Signallicht identisches Signallicht zu erzeugen, wobei das auf
diese Weise erzeugte Signallicht zur nächsten
Empfangseinrichtung übertragen wird.
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Die US-A-4 873 555 offenbart einen Intraband-Quantentopf-
Photodetektor, der bei hohen Impulsraten unter Ausnutzung
eines Quantentopfes (Potentialtopf, Quantum Weil) dazu
geeignet ist, Signale hochfrequenter elektromagnetischer
Strahlung, insbesondere langweilige Infrarot-Signale mit
geringsten Fehlern in elektrische Signale umzuwandeln. Bei
diesem Photodetektor überqueren angesammelte Elektronen, die
von Photonen aus einem durch asymmetrische Barrieren
begrenzten Quantentopf hinausgeworfen werden, eine niedrigere
Barriere und werden vorzugsweise mit einer Rate, die
zumindest der Rate entspricht, mit der sie durch Photoemission
verarmen, durch Elektronen ersetzt, die durch eine höhere
Barriere tunneln. Die Struktur dieser Vorrichtung ist wie
folgt: Zwischen einer Emitter- und einer Kollektorschicht
ist eine Quantentopfschicht vorgesehen, wobei sich zwischen
der Quantentopfschicht und der Emitterschicht eine erste
Barrierenschicht und zwischen der Quantentopfschicht und der
Kollektorschicht eine zweite Quantentopfschicht befinden.
Die Höhe der Leitungsbandkante der ersten Energiebarriere
ist höher als die Höhe der Leitungsbandkante der zweiten
Energiebarriere, die höher als das Fermi-Niveau des
Quantentopfes ist. Die Dicke und die Höhe der ersten
Energiebarriere sind derart gewählt, daß durch Photoemission aus dem
Quantentopf entfernte Elektronen durch Elektronen ersetzt
werden, die vom Emitter aus durch die erste Barrierenschicht
tunneln. Während des Betriebs ist der Photodetektor
elektromagnetischer Strahlung mit einem Polarisationsvektor
ausgesetzt, der mit der Flächennormalen der Quantentopfschicht
einen Winkel bildet, und der Photodetektor ist mittels einer
Gleichspannungsquelle vorgespannt, wobei ein elektrisches
Feld bedingt, daß die Emitterschicht mit einem elektrisch
negativeren Potential verbunden ist als die
Kollektorschicht.
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Ferner ist aus der US-B-7/271 546 eine Vorrichtung mit einer
Heterostruktur bekannt, die als Photodetektor für fernes
Infrarotlicht verwendbar ist. Die Vorrichtung ist so
entworfen, daß der Frequenzbereich derart erweitert ist, daß auch
Infrarotlicht erfaßt werden kann. Darüber hinaus ist die
Erfassung von Licht mit einer veränderlichen Wellenlänge
möglich. In einem Gleichgewichtszustand befindet sich das
Energieniveau der Elektronen um einen kleinen Betrag
unterhalb des Leitungsbandes, wodurch die Erfassung von Licht mit
niedrigerer Energie (längerer Wellenlänge) ermöglicht wird.
Diese Heterostruktur ist mit elektrischen/magnetischen
Feldern beaufschlagt.
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Darüber hinaus offenbart die US-A-4 761 620 das optische
Auslesen einer Quantentopf-Vorrichtung. Eine
Quantentopfschicht dient als Stromkanal eines FET, der außerdem die
Oberfläche einer Halbleiterstruktur darstellt. Licht mit
schmaler Linienbreite bestrahlt das Substrat der
Halbleiterstruktur und wird durch die Gateelektrode des FET
reflektiert. Hochmobile Ladungsträger werden in dem Quantentopf
angesammelt. Aufgrund einer Potentialveränderung zwischen
Gate und Source des FET kommt es zu Anderungen bei der durch
die Quantentopfschicht gezeigten Absorptionskennlinie. Der
Photodetektor erfaßt durch den Quantentopf durchgetretenes
Licht zweimal und erfaßt dadurch eine Anderung des
elektrischen Zustands des FET. Eine Anderung der optischen
Eigenschaften erfolgt durch Anlegen verschiedener Potentiale quer
über die mehrfachen Quantentopfschichten.
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Die Erfindung wurde in Anbetracht dessen gemacht, bei dem
Stand der Technik die vorstehend genannten Probleme zu
lösen. Dementsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung,
sowohl einen Photodetektor, der in der Lage ist, die
Intensität von Licht zu erfassen, während er das erfaßte Licht
kaum abschwächt, als auch ein diesen Photodetektor
verwendendes optisches Kommunikationssystem bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen
Photodetektor zur Erfassung von ein vorbestimmtes
Photonenenergieniveau aufweisendem Licht, mit einer
Photoerfassungsschicht, die eine erste Halbleiterschicht; eine zweite
Halbleiterschicht, die eine drei-, zwei- oder
eindimensionale Quantentopfstruktur aufweist und in der drei-,
zwei-
oder eindimensionalen Quantentopfstruktur eine Vielzahl von
Elektronenniveaus zeigt, wobei die Energiedifferenz zwischen
den Elektronenniveaus geringfügig kleiner oder geringfügig
größer als die Photonenenergie des zu erfassenden Lichts
ist; eine dritte Halbleiterschicht; eine erste
Barrierenschicht, die an einer der Seiten der zweiten
Halbleiterschicht zwischen der ersten und der zweiten
Halbleiterschicht vorgesehen ist und ein höheres Potential als die
erste Halbleiterschicht aufweist; und eine zweite
Barrierenschicht umfaßt, die an der anderen Seite der zweiten
Halbleiterschicht zwischen der zweiten und der dritten
Halbleiterschicht vorgesehen ist und ein höheres Potential als
die dritte Halbleiterschicht aufweist; sowie einer
Einrichtung zum Anlegen von Spannung an die erste, zweite und
dritte Haibleiterschicht und die erste und zweite
Barrierenschicht, um einen durch die erste Barrierenschicht
fließenden Tunnelstrom zu erzeugen, wobei die Einrichtung zum
Anlegen von Spannung an entgegengesetzten Seiten der
Photoerfassungsschicht vorgesehen ist; und einer Einrichtung zur
Erfassung des Tunnelstroms; wobei das Einfallen des zu
erfassenden Lichts in die zweite Halbleiterschicht durch den
optischen Stark-Effekt aufgrund eines imaginären Übergangs
zwischen Subbändern eine Verschiebung der Elektronenniveaus
hervorruft, was zu einer Anderung des Tunnelstroms führt.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung anhand der
nachstehenden Beschreibung ersichtlich. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform des Photodetektors;
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Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Schichtstruktur
der vorstehenden Ausführungsform;
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Fig. 3 ein schematisches Diagramm der Potentiale bei der
vorstehenden Ausführungsform;
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Fig. 4 ein Diagramm des Photoabsorptionsspektrums des
Photodetektors bei der vorstehenden Ausführungsform;
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Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem
Detektionsstrom und der Intensität des erfaßten Lichts bei
der vorstehenden Ausführungsform;
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Fig. 6 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem
Detektionsstrom und der Intensität des erfaßten Lichts bei
einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform; und
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Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Beispiels eines Aufbaus
eines den erfindungsgemäßen Photodetektor verwendenden
optischen Kommunikationssystems.
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Fig. 1 stellt eine schematische Perspektivansicht einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform des Photodetektors und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Schichtstruktur
dieser Ausführungsform dar.
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Gemäß den Figuren 1 und 2 weist die dargestellte
Ausführungsform ein GaAs-Substrat 1 vom n-Typ, eine Supergitter-
Pufferschicht 2, eine erste n-GaAs-Schicht 3, eine
Photoerfassungsschicht 4 mit einer Multi-Quantentopfstruktur und
eine zweite n-GaAs-Schicht 5 auf. Die Photoerfassungsschicht
4 besteht aus einer undotierten (i-) AlAs-Schicht 14, einer
ersten i-GaAs-Quantentopfschicht 15, einer ersten i-AlAs-
Barrierenschicht 16, einer zweiten i-GaAs-Quantentopfschicht
17, einer zweiten i-AlAs-Barrierenschicht 18, einer dritten
i-GaAs-Quantentopfschicht 19 und einer i-AlAs-Schicht 20.
Die zweite n-GaAs-Schicht 5 besteht aus einer n-GaAs-Schicht
21 und einer n-GaAs-Deckschicht 22, deren
Störstellenkonzentration höher als die der n-GaAs-Schicht 21 ist.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, ist auf der zweiten n-GaAs-Schicht 5
ein streifenförmiger Vorsprung 30 ausgebildet, der sich in
die Einfallsrichtung des erfaßten bzw. zu erfassenden Lichts
11 erstreckt. Der unter diesem streifenförmigen Vorsprung 30
befindliche Abschnitt der Photoerfassungsschicht 4 weist
eine höhere effektive Brechzahl auf als deren andere
Abschnitte, wodurch ein Wellenleiter vom Kanaltyp gebildet
wird. Das erfaßte Licht 11 trifft auf eine Endoberfläche der
Photoerfassungsschicht 4, breitet sich durch diesen
Wellenleiter hindurch aus und tritt an der anderen Endoberfläche
der Photoerfassungsschicht 4 als das durchgelassene Licht 12
aus.
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Auf der gesamten unteren Oberfläche des Substrats 1 ist eine
aus Au/Cr bestehende erste Elektrode 6 ausgebildet. Zur
Ausbildung eines ohmschen Kontakt mit der ersten Elektrode 6
ist ein Abschnitt des Substrats 1, der Pufferschicht 2 und
der ersten n-GaAs-Schicht 3 jeweils als ein Gebiet 10
ausgebildet, in dem Au und Cr eindiffundiert sind. Auf der
zweiten n-GaAs-Schicht 5 ist eine zweite Elektrode 7
ausgebildet. Um den Abschnitt, durch den das erfaßte Licht 11
durchgelassen wird, so gut wie möglich vor
querschnittsverengenden Störstellen bzw. Verunreinigungen zu schützen,
ist die zweite Elektrode 7 auf einem Teil des
Oberflächengebiets der zweiten n-GaAs-Schicht 5 ausgebildet, wobei der
streifenförmige Vorsprung 30 ausgenommen ist. Zwischen der
ersten und zweiten Elektrode 6 und 7 ist über eine von außen
angeschlossene Spannungsquelle 8 eine Spannung angelegt.
Ferner mißt ein Amperemeter 9 den durch die erste und zweite
Elektrode 6 und 7 fließenden Strom.
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Es ist ersichtlich, daß jede geeignete Einrichtung zur
Messung des durch die Struktur gehenden Elektronenflusses
(Tunnelstroms) eingesetzt werden kann. Beispielsweise sind
d'Arsonval-Amperemeter, digitale (integrierende)
Amperemeter, Strom-Spannungs-Wandler, Strom- Frequenz-Wandler,
photooptische Wandler, thermoelektrische Wandler,
Quanteneffektvorrichtungen usw. bekannt. Da der vorliegende
Photodetektor aus einem monolithischen Halbleiter aufgebaut ist,
ist ebenfalls ersichtlich, daß die durch das erfaßte Licht
11 erzeugte Stromänderung auf demselben Substrat verarbeitet
werden könnte. Weiterhin sind Halbleiter wie Galliumarsenid
und Indiumphosphid für die Verwendung bei Quantentopf-Lasern
und elektrooptischen Modulatoren geeignet. Folglich erlaubt
der vorliegende Photodetektor möglicherweise den Bau von
effizienten optischen Computern.
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Da der durch den Photodetektor fließende Strom zu dem in die
drei- oder zweidimensionale Quantentopfstruktur (Quantum-
Well-Struktur bzw. Quantum-Line-Struktur) einfallenden Licht
in Bezug steht, können Anderungen der Lichtintensität zur
Übermittlung von Informationen genutzt werden. Die Struktur
kann allerdings auch zur Erfassung digitaler Signale durch
das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein von Licht
verwendet werden.
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Eine bei dem vorstehend beschriebenen Photodetektor
verwendete Halbleitervorrichtung wurde gemäß den Figuren 1 und 2
(nicht maßstabsgerecht) beispielsweise wie folgt
hergestellt:
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Zuerst wurden auf die (100)-Oberfläche des n-GaAs-Substrats
1 schichtweise im Wechsel GaAs- und AlAs-Schichten mit einer
Dicke von einigen 0,1 nm (A) bis mehreren nm (mehreren
zehn Å) aufgebracht, wodurch eine Supergitter-Pufferschicht
2 mit einer Gesamtdicke von 0,5 um ausgebildet wurde. Als
nächstes wurden auf dieser Pufferschicht 2
aufeinanderfolgend eine 0,5 um dicke n-GaAs-Schicht 3, eine 2 nm (20 Å)
dicke i-AlAs-Schicht 14, eine 4 nm (40 Å) dicke i-GaAs-
Quantentopfschicht 15, eine 2,2 nm (22 Å) dicke 1-AlAs-
Barrierenschicht 16, eine 4,3 nm (43 Å) dicke i-GaAs-
Quantentopfschicht 17, eine 2,2 nm (22 Å) dicke i-AlAs-
Barrierenschicht 18, eine 4 nm (40 Å) dicke
i-GaAs-Quantentopfschicht 19 und eine 2 nm (20 A) dicke i-AlAs-Schicht 20
aufgewachsen. Anschließend wurden auf der i-AlAs-Schicht 20
eine 0,5 um dicke n-GaAs-Schicht 21 und eine 0,3 um dicke
n-GaAs-Deckschicht 22 aufgewachsen. Die Ausbildung dieser
Halbleiterschichten erfolgte mittels des Verfahrens der
Molekularstrahlepitaxie (MBE). Des weiteren wurde die
Konzentration von Si, mit dem die Halbleiterschichten vom
n-Typ
dotiert wurden, derart kontrolliert, daß diese
1×10¹&sup8; cm&supmin;³ in der n-GaAs-Schicht 3 und 1×10¹&sup9; cm&supmin;³ in der
n-GaAs-Deckschicht 22 betrug.
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Als nächstes wurde auf einem Teil der Halbleiterschicht 5
unter Auslassung eines streifenförmigen Gebiets eine Mesa-
Ätzung durchgeführt, wodurch der streifenförmige Vorsprung
30 ausgebildet wurde. Dann wurden ein Au- und ein Cr-Film
mittels Gasphasenabscheidung auf der unteren Oberfläche des
Substrats 1 abgeschieden, wodurch die erste Elektrode 6
ausgebildet wurde. Danach wurde das Substrat 1 bei 400&sup0;c in
eine Wasserstoffatmosphäre gegeben, um so das Au und Cr
eindiffundieren zu lassen, wodurch das Gebiet 10 ausgebildet
wurde. Weiterhin wurden ein Au- und ein Cr-Film mittels
Gasphasenabscheidung auf einem Teil der Halbleiterschicht 5
abgeschieden, wodurch die zweite Elektrode 7 ausgebildet
wurde.
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Fig. 3 stellt eine schematische Darstellung der Potentiale
in der Photoerfassungsschicht 4 bei der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform dar. Die jeweiligen Potentiale der
Schichten sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie
sie in Fig. 2 verwendet sind. Da die Quantentopfschichten
15, 17 und 19 ausreichend dünn ausgebildet sind, werden
durch den durch die Abmessungen bestimmten Quanteneffekt
(quantum size effect) Subbänder erzeugt. Das heißt, jede der
Quantentopfschichten weist eine Vielzahl diskreter
Elektronenenergieniveaus auf. Dabei ist die Dicke usw. der
Quantentopfschicht 17 derart eingestellt, daß die
Energiedifferenz zwischen den Elektronenniveaus dieser
Quantentopfschicht 17 geringfügig größer als die Photonenenergie des
erfaßten Lichts 11 ist. Des weiteren ist die Dicke usw. der
Quantentopfschichten 15 und 19 derart eingestellt, daß die
Energiedifferenz zwischen den Elektronenniveaus dieser
Quantentopfschichten geringfügig kleiner als die
Photonenenergie des erfaßten Lichts 11 ist. Angenommen, daß die
jeweiligen inneren Energien der Subbänder der
Quantentopfschicht 17 mit der kleinsten anfangend ENa, ENb, ...
betragen, daß die jeweiligen inneren Energien der Subbänder der
Quantentopfschichten 15 und 19 mit der kleinsten anfangend
EWa, EWb, ... betragen und daß die Photonenenergie des erfaß
ten Lichts ω beträgt, sind folglich die nachstehenden
Ausdrücke erfüllt:
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EWb - EWa < ω < ENb - ENa (1)
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ω = EWb - EWa - δW(2)
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ω = ENb - ENa - δN (3)
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δW « ω (4)
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δN « ω (5)
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wobei δW < 0 und δN > 0 ist. Bei der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform erfolgt die Anpassung derart, daß unter der
Voraussetzung, daß die Wellenlänge des erfaßten Lichts 11
2,8 um beträgt, EWb - Ewa = -422 meV und ENb - ENa = 465 meV
betragen.
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Die vorstehenden Beträge von δW und δN sind sehr klein, so
daß beim Auftreffen des erfaßten Lichts 11 auf die
Quantentopfschichten der optische Stark-Effekt eintritt. Bei dieser
Erfindung wird durch Ausnutzung des optischen Stark-Effekts
Licht erfaßt. Nachstehend ist der optische Stark-Effekt
erläutert. Falls die Elektronen in einer Elektronenwolke
eines Atoms getrennte Energieniveaus aufweisen, führt die
Anwendung von Licht mit einer Photonenenergie, deren Niveau
nahe an, wenn nicht gar identisch mit diesem
Elektronenenergieniveau ist, im allgemeinen zu einer Verschiebung der
erlaubten Energieniveaus der Elektronen. Dieses pHänomen
wird optischer Stark-Effekt genannt. Bei dieser Erfindung
beziehen sich die "getrennten Energieniveaus" auf die
Energieniveaus der Subbänder einer Quantentopfstruktur.
Entsprechend ist das, was bei dieser Erfindung erhalten
wird, ein optischer Stark-Effekt aufgrund eines imaginären
Übergangs zwischen Subbändern.
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Angenommen, daß bei der Quantentopfschicht 17 die Breite des
ersten Energieniveaus ΓNa und bei den Quantentopfschichten
15 und 19 die Breite des ersten Energieniveaus ΓWa beträgt,
dann sind die folgenden Ausdrücke erfüllt:
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EWa
- ENa ≥ ΓWa + ΓNa (6)
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die
Energiedifferenz zwischen EWa und ENa auf 13,8 mev
festgesetzt.
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Halbleitervorrichtungen, welche die folgenden Bedingungen
erfüllen, absorbieren das erfaßte Licht kaum:
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δW > ΓWa + ΓWb (7)
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δN ≥ ΓNa + ΓNb (8)
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ω » ωLO (9)
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wobei ωLO die Energie eines longitudinalen optischen (LO-)
Phonons darstellt. Unter den verschiedenen Arten von
Phononen, eingeschlossen der transversalen und longitudinalen
akustischen Phononen, hat das LO-Phonon die größte
Schwingungsenergie. Falls die Photonenenergie des erfaßten Lichts
11 größer als diese LO-Phononenenergie ist, wird deswegen
die Phononenabsorption des erfaßten Lichts 11 auf einen
vernachlässigbaren Wert verringert. Diese Bedingung ist
beispielsweise bei einer dreidimensionalen Quantentopf
struktur bzw. Quantum-Well-Struktur (QWS) erfüllt, die eine
Quantentopfschicht mit einer verhältnismäßig kleinen Dicke
von mehreren nm (mehreren zehn Å) aufweist und die sich aus
abwechselnden GaAs/AlAs-Schichten zusammensetzt. Folglich
erfaßt die vorstehend beschriebene Struktur Licht, während
nur ein kleiner Betrag absorbiert wird.
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Grafisch kann die vorstehende Bedingung als ein wie in Fig.
4 gezeigtes Absorptionsspektrum ausgedrückt werden, bei dem
die horizontale Achse die Photonenenergie und die vertikale
Achse die Absorption darstellt. Ea stellt die innere Energie
des ersten Niveaus einer QWS-Quantentopfschicht mit
Ladungsträgern und Eb die innere Energie von deren zweiten Niveau
dar. Γa ist die Breite der Energie des ersten Niveaus dieser
Quantentopfschicht und Γb die Breite der Energie von deren
zweiten Niveau. Die Photonenenergie des erfaßten Lichts 11
ist dabei auf E&sub1; oder E&sub2; eingestellt. Die Differenz δ
zwischen E&sub1; oder E&sub2; und Eb - Ea erfüllt den Ausdruck:
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δ ≥ Γa + Γb.
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Nachstehend ist die Arbeitsweise dieser Ausführungsform
beschrieben.
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Zuerst wird der Fall betrachtet, bei dem kein Licht in die
in Fig. 3 gezeigte QWS eintritt. Elektronen, die der
Quantentopfschicht 15 von den Elektroden zugeführt werden,
fallen auf das erste Subbandniveau Ea herab. Dabei ist von
der Spannungsquelle 8 zwischen den Quantentopfschichten 15
und 19 eine Spannung V angelegt, so daß die Elektronen dazu
neigen, von der Quantentopfschicht 15 zu der
Quantentopfschicht 19 zu tunneln. Bei dieser Ausführungsform jedoch ist
das erste Subbandenergieniveau ENa der Quantentopfschicht 17
hinreichend höher als das erste Subbandenergieniveau EWa der
Quantentopfschichten 15 und 19, d.h. der durch den Ausdruck
(6) dargestellte Zusammenhang ist erfüllt, so daß die
Tunnelwahrscheinlichkeit niedrig ist. Wenn kein Licht in die
QWS eintritt, fließt folglich kaum ein Strom, wobei das
Amperemeter 9 einen kleinen Strombetrag mißt.
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Als nächstes wird der Fall betrachtet, bei dem Licht in die
QWS eintritt. Zur Vermeidung von Multi-Phononen-Absorption,
Absorption an freien Ladungsträgern usw. wird dieses erfaßte
Licht auf eine Weise polarisiert, daß sein Feldvektor in die
Richtung der Z-Achse zeigt, d.h. senkrecht zu den
Oberflächen der Halbleiterschichten ist. Gleichzeitig ist bei den
Quantentopfschichten der Subbandabstand wie vorstehend
angegeben auf ein Mehrfaches der LO-Phononenenergie
eingestellt. Dabei bewirkt das Einfallen von Licht in die QWS,
daß die Elektronenniveaus auf die folgende Weise durch den
vorstehend erwähnten optischen Stark-Effekt verschoben
werden:
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ENa T ENa - (euN ε)² / δN (10)
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EWa T EWa - (euW ε)² / δW (11)
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wobei e die Elementarladung, ε die Feldstärke, uN die Länge
des Übergangsdipols von dem ersten zu dem zweiten Niveau der
Quantentopfschicht 17 und uv die Länge des Übergangsdipols
von dem ersten zu dem zweiten Niveau der
Quantentopfschichten 15 und 19 darstellen.
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Da δW < 0 und δN > 0 ist, werden die ENA des ersten Niveaus
der Quantentopfschicht 17 und die Eva des ersten Niveaus der
Quantentopfschichten 15 und 19 gemäß den vorstehenden
Ausdrücken (10) und (11), wie durch die Pfeile in Fig. 3
angegeben, jeweils zur niedrigeren oder höheren Seite hin
verschoben. Infolgedessen wird ENa - EWa kleiner (d.h.
ENa - EWa < ΓWa + ΓNa), so daß die Wahrscheinlichkeit steigt,
daß die Elektronen durch die Quantentopfschicht 17 hindurch
von der Quantentopfschicht 15 zu der Quantentopfschicht 19
tunneln, wobei das Amperemeter 9 einen Strom mißt. Der
Betrag der Stark-Verschiebung der vorstehenden
Elektronenniveaus ist proportional zur Lichtintensität ε², so daß der
Betrag dieses Stroms die Lichtintensität wiedergibt, was
bedeutet, daß die Lichtintensität von dem Strombetrag
rückwärts berechnet werden kann. Fig. 5 zeigt schematisch
die Kennlinie für die Lichtintensität und den elektrischen
Strom bei dieser Ausführungsform. In Fig. 5 stellt die
horizontale Achse die Intensität des in den Photodetektor
einfallenden Lichts dar und die vertikale Achse den erfaßten
Strom.
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Im allgemeinen beträgt in einer Stoffverbindung die Länge
des Dipolmoments der vorstehenden Verschiebung zwischen den
Niveaus allenfalls mehrere 0,1 nm (Å). Bei einer QWS wie bei
dieser Ausführungsform ist die Länge des Dipolmoments
allerdings derart, daß die Größe der Quantentopfschicht
mehrere Male größer als diese ist, wobei sie so viel wie
1 nm (10 Å) oder mehr beträgt. Das heißt, der optische
Stark-Effekt aufgrund des imaginären Übergangs zwischen
Subbändern in der QWS ist stärker als gewöhnlich, was
zusammen mit den vorstehend beschriebenen Anordnung zur
Ausrichtung des Feldvektors des Lichts senkrecht zu den
Oberflächen der Halbleiterschichten und zur Verringerung von
δ in einem ausreichenden Maß erheblich zu einer Steigerung
der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Photodetektors
beiträgt.
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Während in der vorstehend erläuterten Ausführungsform
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EWa < ENa ist, ist auch die Bedingung EWa > ENa annehmbar, d.h.
die Bedingung, daß die Ewa des ersten Niveaus der
Quantentopfschichten 15 und 19 hinreichend höher als die ENa des
ersten Niveaus der Quantentopfschicht 17 ist. In diesem Fall
ist das Ungleichheitszeichen in dem Ausdruck (1) umgedreht,
wobei sich die Richtung der Stark-Verschiebung bezüglich der
durch die Pfeile in Fig. 3 angegebenen Richtung umkehrt.
Folglich bedingt das Einfallen von Licht, daß das erste
Niveau der Quantentopfschichten 15 und 19 abgesenkt und daß
das der Quantentopfschicht 17 angehoben wird, was zu einem
erhöhten Tunnelstrom führt.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß so eingerichtet werden,
daß im Gegensatz zu dem Ausdruck (6) der folgende Ausdruck
erfüllt ist:
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EWa - ENa < ΓWa + ΓNa (12)
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In diesem Fall zeigt der Photodetektor eine derartige
Kennlinie, daß wenn kein Licht in diesen eintritt, wie in
Fig. 6 gezeigt ein hoher Strom fließt, wobei der Strombetrag
mit zunehmender Lichtintensität abnimmt. Ferner kann in
diesem Fall die Richtung der Stark-Verschiebung die gleiche
wie in dem Fall von Fig. 3 oder dazu umgekehrt sein. Im
ersten Fall bewirkt das Einfallen von Licht, daß das erste
Niveau der Quantentopfschicht 17 verhältnismäßig niedrig
ist, was zu einer Verringerung des Strombetrags führt. Im
zweiten Fall bewirkt das Einfallen von Licht, daß das erste
Niveau der Quantentopfschicht 17 verhältnismäßig hoch ist,
was zu einer Verringerung des Strombetrags führt.
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Fig. 7 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel eines den
erfindungsgemäßen Photodetektor verwendenden optischen
Kommunikationssystems zeigt. In Fig. 7 wird ein von einer
Lichtsignal-Sendeeinrichtung 23 ausgesendetes Lichtsignal an
eine Vielzahl von Lichtsignal-Empfangseinrichtungen 24&sub1;,
24&sub2;, ... übertragen, die über eine Lichtleitfaser 29 in
Serie miteinander verbunden sind. Die
Lichtsignal-Empfangseinrichtungen sind jeweils mit Photodetektoren 25&sub1;, 25&sub2;, ...
ausgestattet, die jeder eine wie in Fig. 1 gezeigte Struktur
aufweisen, wobei das vorstehend genannte Lichtsignal durch
diese Photodetektoren erfaßt wird. Bei diesem Vorgang
absorbiert der Photodetektor 25&sub1; kaum Licht, so daß das
Lichtsignal an den Photodetektor 25&sub2; übertragen wird, ohne
es zu dämpfen. Auch der Photodetektor 25&sub2; erlaubt, daß das
Lichtsignal an den folgenden Photodetektor übertragen wird,
ohne es zu dämpfen. Auf diese Weise kann bei einem optischen
Kommunikationssystem, das den erfindungsgemäßen
Photodetektor verwendet, eine Vielzahl von Empfangseinrichtungen
verbunden werden, ohne in der Übertragungskette einen
Lichtsignal-Verstärker oder bei jeder Empfangseinrichtung
eine Lichtquelle vorzusehen.
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Das von den Photodetektoren 25&sub1; und 25&sub2; erfaßte Signal wird
durch Signaldemodulations-Schaltungen 26&sub1; und 26&sub2;
demoduliert und mittels aus Kathodenstrahiröhren (CRT) usw.
bestehenden Anzeigevorrichtungen 27&sub1; und 27&sub2; angezeigt.
Darüber hinaus werden diese Signaldemodulations-Schaltungen
und Anzeigevorrichtungen durch Steuerungsschaltungen 28&sub1; und
28&sub2; gesteuert.
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Abgesehen von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
kann diese Erfindung in unterschiedlicher Weise angewendet
werden. Während bei der vorstehenden Ausführungsform der
Photodetektor durch Halbleiterschichten mit einer
dreidimensionalen Quantentopfstruktur bzw. Quantum-Well-Struktur
(QWS) ausgebildet ist, ist es beispielsweise ebenfalls
möglich, den Photodetektor mit einer zweidimensionalen
Quantentopfstruktur bzw. Quantum-Line-Struktur (QLS) auszu
bilden, bei der die Haibleiterschichten als streifenförmige
Abschnitte mit einer sehr geringen Breite ausgebildet sind.
Es ist offensichtlich, daß die vorliegende
Photodetektorstruktur so angepaßt werden könnte, daß eine eindimensionale
Quantentopfstruktur bzw. Quantum-Dot-Struktur (QDS)
ausgebildet wird, die zum Einschließen der Elektronen in drei
Dimensionen dient. Während bei der vorstehenden
Ausführungsform drei Quantentopfschichten ausgebildet sind, kann
des weiteren die Anzahl der Quantentopfschichten mehr als
drei oder anstelle dessen ein oder zwei betragen. Bei
Ausbildung nur einer Quantentopfschicht kann es so
eingerichtet werden, daß sich die Differenz zwischen dem
Elektronenniveau dieser Quantentopfschicht und dem Potential der
daran angrenzenden Halbleiterschicht durch den Einfluß bzw.
das dazwischen Anordnen einer Barrierenschicht aufgrund des
optischen Stark-Effekts ändert. Im Fall der Ausbildung von
zwei Quantentopfschichten kann eine Verbesserung bei der
Empfindlichkeit erzielt werden, indem diese derart
ausgebildet werden, daß ihre jeweiligen Richtungen der
Stark-Verschiebung voneinander verschieden sind. Die vorliegende
Erfindung kann zur Bereitstellung eines
Differenz-Ausgangssignals verwendet werden, indem das erfaßte Licht durch eine
erste Struktur, die den Tunnelstrom bei Beleuchtung mit
einem Licht einer bestimmten Photonenenergie erhöht, und
durch eine zweite Struktur, die den Tunnelstrom bei
Beleuchtung mit einem Licht einer bestimmten Photonenenergie
erniedrigt, durchgelassen wird. Da Licht beim Durchtreten
durch jede Struktur kaum absorbiert wird, ist offensicht
lich, daß die vorliegende Erfindung verglichen mit auf
Photodioden aufbauenden Photodetektoren überlegene
Fähigkeiten zur Verfügung stellt. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß
aus den erfindungsgemäßen Photodetektoren Logik-Schaltkreise
aufgebaut werden können und daß zum Ermöglichen optischer
Berechnungen eine große Zahl an Photodetektoren in einer
"Bus"-Anordnung plaziert werden können. Weiterhin sind die
Materialien, aus denen die Halbleiterschichten hergestellt
werden, nicht auf GaAs und AlAs beschränkt. Verschiedene
andere Materialien können verwendet werden, wie beispiels
weise InGaAsP, ZnS, ZnTe, CdS oder CuCl. Diese Erfindung
schließt alle derartigen Anwendungsbeispiele so weit ein,
wie diese nicht vom Umfang der beigefügten Patentansprüche
abweichen.