NL8801561A - Inrichting voor optische signaalverwerking met transistorwerking. - Google Patents

Description

Inrichting voor optische signaalverwerking met transistor-werking

De onderhavige uitvinding betreft een inrichting volgens conclusie 1.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding een inrichting voor optische signaalverwerking te verschaffen, waarmee op eenvoudige wijze de grootte van een lichtstroom of lichtbundel in halfgeleidermateriaal kan worden beïnvloed.

Bekende inrichtingen voor optische signaalverwerking maken gebruik van niet-lineaire effecten; nadeel zijn de vrij grote benodigde vermogens en/of traagheid daarvan. Fabry-Pérot-resonators of van superrooster gebruikmakende resonators zijn hiervoor benodigd; deze zijn moeilijk integreerbaar.

Eveneens is een inrichting met zogeheten gedistribueerd teruggekoppelde transistorwerking bekend, waarbij een rooster wordt toegepast. Deze inrichting is eveneens gebaseerd op niet-lineaire effecten.

Het is voorts een doel van de onderhavige uitvinding een inrichting te verschaffen, waarmee schakelsnelheden in de orde van picoseconde tot subpicoseconde kunnen worden bereikt.

Verdere kenmerken, details en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand van een beschrijving van voorkeursuitvoeringsvormen van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding, geïllustreerd aan de hand van een tekening, waarin tonen: fig. 1 een schematisch aanzicht van de opbouw van een eerste voorkeursuitvoeringsvorm; fig. 2 een schema van de bandstructuur van de opbouw uit fig. 1; fig. 3 een schema van de opbouw van een tweede voorkeursuitvoeringsvorm; fig. 4 een grafiek waarin de absorptie- en reflec-tiecoëfficient zijn uitgezet tegen de ladingsdragersdichtheid voor de TE-modus van de opbouw uit fig. 3; fig. 5 een zelfde grafiek als die uit fig. 4 voor de TM-modus van de opbouw uit fig. 3; fig. 6 een schematisch aanzicht van een derde voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 7 een perspectivisch aanzicht van de uitvoeringsvorm uit fig. 6; fig. 8 een grafiek waarin de absorptie- resp. reflectiecoëfficient zijn aangegeven als functie van de ladingsdragersdichtheid voor de opbouw uit fig. 6, voor verschillende invalshoeken; fig. 9 een vierde voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding; en fig. 10 een schematisch bovenaanzicht van de opbouw uit fig. 4.

Op een substraat 1 uit GaAs (fig. 1) is een laag AlGaAs:Si 2, bijv. met een dotering van 3.1018 siliciumatomen per cm3, aangebracht, waardoor een grensgebied 3 in het GaAs-substraat ontstaat. Vanwege tussen geleidingsbanden van GaAs en AlGaAs bestaande discontinuïteit migreren de elektronen vanuit het AlGaAs naar het GaAs-substraat 1, waardoor in het aan het AlGaAs grenzende grensgebied 3 van het GaAs-substraat 1 een tweedimensionaal “gas" van elektronen met zeer hoge mobiliteit ontstaat. Op de strook AlGaAs:Si is een van een elektrisch contact te voorziene poort of gate 4 aangebracht.

Wanneer aan de poort 4 geen spanning wordt aangelegd, kan door het kanaalgebied 2 volgens pijlen L een lichtbundel gestuurd worden (in fig. l vanaf de linkerzijde [source] naar de rechterzijde [drain]), die ongehinderd zal passeren, daar het "elektronengas" 3 onder bepaalde omstandigheden een volmaakte spiegel voor dit licht vormt. Hierbij is van belang dat de elektronendichtheid in het grensgebied 3 zo groot mogelijk is. Het is belang dat de plasmafrequentie van het elektronengas groter is dan de frequentie van het ge bruikte licht. De beweeglijkheid van de elektronen moet eveneens groot genoeg zijn om dissipatie van de bundel in het elektronengas te voorkomen; selectief gedoteerde heterojuncties voorzien hierin (transistorwerking, lichtmodulerende werking).

Door nu aan de poort 4 een spanning aan te leggen, wordt het elektronengas in het gewenste gebied 3 onder de poort 4 verarmd, waardoor de reflectie-eigenschappen van het grensgebied 3 afnemen en de lichtsterkte van source naar drain afneemt. Dientengevolge wordt met de poort 4 een transistorwerking voor licht verkregen, overeenkomstig aan die bij een veldeffecttransistor.

Fig. 2 toont de bandenstructuur van de opbouw uit fig. 1, waarin Eq het niveau van de geleidingsband aangeeft en Ep het Ferminiveau aangeeft.

in een tweede uitvoeringsvorm (fig. 3) bestaat laag 6 bijv. uit ongedoteerd Alo^Gao^As van 1-10 yum dikte (dissipatie door van donoren afkomstige vrije elektronen wordt vermeden), een gedoteerd deel 7 AlGaAs:Si (bijv. 3.1018 cm“3) van 60 nm, waardoor in het halfgeleidende GaAs-sub-straat 8 een schematisch aangeduid gebied 9 ontstaat, waarin zich het spiegelende elektronengas opbouwt.

Wanneer licht door laag 6 wordt gestuurd, vertoont de opbouw uit fig. 3 een absorptie- en reflectiecoëfficient als functie van verschillende golflengten, die verschillend is voor de verschillende polarisatie-modi van het invallende licht (fig. 4: TE-modus, fig. 5: TM-modus). In beide grafieken geven de, de linksonder beginnende curven de reflectiecoëfficient aan, terwijl de absorptiecoëfficiënt door krommen die van linksboven naar rechtsboven lopen, wordt bepaald. De afstand tussen de reflectie- en absorptiekromme bepaalt de transmissie voor de opbouw uit fig. 3. De krommen uit fig. 4 en 5 betreffen de berekende krommen gebaseerd op de Maxwell-vergelijkingen en de plasmadynamische eigenschappen van het elektronengas.

In de TE-modus zijn elektronenconcentraties van 1020 cm-3 vereist voor het verkrijgen van een voldoende grote reflectie bij een golflengte van 10 /im. Voor kortere golflengtes zijn grotere concentraties noodzakelijk. In de TM-modus bestaat een piek in de R-waarde bij 5.1018 cm-3 bij 10 jU,m. De concentraties zijn vrijwel het maximum wat bij een AlGaAs-GaAs grensvlak bereikt kan worden. Belichting van de gehele structuur met een bron van de juiste golflengte (fotonenenergie groter dan dé bandafstand van bijv. GaAs) kan zowel diepe donorniveaus exciteren en elektron-gatparen creëren waardoor de elektronendensiteit (in het kanaal) toeneemt. Zodoende wordt het mogelijk licht met kleinere golflengte dan lO^m te moduleren.

Voorts kunnen halfgeleiders worden gebezigd, waarin de elektronen een kleinere effectieve massa hebben. Hetero-juncties tussen bijv. CdTe en InSb of een geforceerde laag GaAs-GalnSb combineren grotere elektronendichtheden met een kleinere effectieve elektronenmassa; de plasmafrequentie en de reflectiecoëfficient worden verhoogd; de mobiliteit is hoger; de dissipatie wordt verkleind.

Een verder geoptimaliseerde structuur (fig. 6, 7) omvat een niet-gedoteerd GaAs-substraat 11, een laag AlAs:Si van 60 nm dikte, een laag 13 uit GaAs van 30 nm dikte, een daarop aangebrachte laag 14 AlAs:Si van 60 nm dikte en een golfgeleider 15 daarboven uit niet-gedoteerd GaAs. Tussen de lagen 11 en 12 ontstaat een schematisch met 16 aangegeven elektronengas van bijv. 10 nm dikte, in de laag 13 een elektronengas van bijv. 30 nm dikte en in de GaAs-golfgeleider een met 17 aangeduid elektronengas van 10 nm dikte. Op de golfgeleider is een stuurpoort 18 aangebracht.

Een dergelijke dubbele heterojunctie-opbouw is beschreven in het artikel "Physical limits of heterostructure field-effect transistors and possibilities of novel quantum field-effect devices", IEEE J. of Qua, El., vol. QE-22, nr.

9, pag. 1845-1852, 1986 van H. Sakaki. Hierin beschreven dubbele heterojunctie-opbouw verzorgt een veel dikker elektronengas dan boven beschreven. Hierdoor stijgt de reflectiecoëfficient en daalt de absorptie-(dissipatie)-coëfficiënt voor zowel de TE- als TM-modus (voor de TM-modus wordt de reflectiepiek breder waardoor de component minder gevoelig wordt voor elektronendichtheidsfluctuaties). Door het op elkaar stapelen van een aantal van deze dubbele heterojunc-ties verbeteren de reflectie-eigenschappen. De modulatiediep-te voor het licht wordt bepaald door de maximale dikte van een uitputtingslaag die door een poortspanning te veroorzaken is; materiaalparameters zoals dotering en diëlektrische constante zijn hierop van invloed, bijv. bij een selectief gedoteerde GaAs-AlGaAs-dubbele-heterojunctie (3.1018 cm""3) bijv. «/50 nm. Bij minimale poortlengte wordt slechts een enkele dubbele heterojunctie gebruikt (de totale dikte van het elektronengas binnen een dergelijke structuur bedraagt «/50 nm). Indien meerdere lagen op elkaar gestapeld dienen te worden en volledige modulatie van het kanaallicht verkregen moet worden, moet de poortlengte worden vergroot (extra op- en neergaande beweging van de lichtstraal in de lichtgeleider, afhankelijk van het aantal toegevoegde dubbele heterojuncties.

De invalshoek van de steilheid van de reflectiecurve (fig. 8) biedt de mogelijkheid transistorwerking met een grote "transconductantie" te verkrijgen, dat wil zeggen een grote verandering in lichtintensiteit gedeeld door de verandering van poortspanning, daar een toeneming van de elektronendichtheid van ongeveer 50% de transistor van "UIT" naar "AAN" dringt, In de in fig. 4 voorgestelde structuur strekken twee van de drie elektronengassen zich ook buiten het poort-gebied uit. De schakelsnelheid wordt onder meer bepaald door de kleinste van de twee afmetingen van de poort, dat wil zeggen lengte en breedte. De gekozen invalshoek bepaalt een minimumwaarde voor de poortlengte (bijv. voor 10 /^m golflengte en een invalshoek van 89® bedraagt de minimum poortlengte 0,5 mm); korte schakeltijden worden verkregen door de breedte te verkleinen. Bij licht van een golflengte van 10/m kan een lichtgeleider (uit GaAs) van lOyum hoog en 1,5/un breed (theoretisch) werken bij een klokfrequentie van 100 GHz tot 1 THz, afhankelijk van de gekozen invalshoek en derhalve van het aantal te verplaatsen elektronen. De schakelsnelheid zal derhalve bepaald worden door transmissielijnvertraging in de elektrische poort.

Bij een vierde uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding (fig. 9, 10) is een kanaalgebied 22 voorzien van een poortgebied 26, waarvan een stuurgebied 27 deel uitmaakt. Dit stuurgebied is gedoteerd met donoren over een dikte van bijv. 60 nm. De eerste laag van bijv. 10 nm gerekend vanaf het grensgebied, is niet gedoteerd en reflecteert de resulterende elektronenlaag onvoldoende vanwege onvoldoende dichtheid.

Indien een lichtstraal door poortgebied 26 wordt gestuurd, kan met deze lichtstraal een gebied 28 van het grensgebied 23 een voldoende reflectiecoëfficient worden gegeven, waardoor de lichtstraal als poortsignaal dient. Het is ook mogelijk dat de elektronenlaag voldoende reflecteert; dan zal door een lichtstraal door het poortgebied heen een extra hoeveelheid elektronen worden getransporteerd naar het reeds aanwezige elektronengas, waardoor voor de TM-modus de reflectie afneemt. Dit tweede geval werkt inverterend. Zoals in fig. 10 te zien is, kan één poortlichtstraal (pijl G) meer dan één poortgebied 26 sturen, indien deze lichtstraal G sterk genoeg is en op niet-getoonde wijze met een overeenkomstig volgend poortgebied 26 is gekoppeld.

Een andere mogelijkheid tot geheel optisch schakelen maakt gebruik van de banddalen in de bovenste geleidings-band van GaAs of inSb. Indien bijv. in GaAs een lichtstraal van 0,31 eV golflengte of kleiner wordt gebruikt, zullen elektronen overgebracht worden naar het bovenste dal, waardoor de piasmafreguentie met een factor 8 daalt. De reflectiecoëfficient daalt hierdoor tot een verwaarloosbare waarde. De relaxatietijd van de elektronen is uiterst kort 1 psec.) zodat een uiterst snelle gehele optische schakeling mogelijk is. Dit schakelmechanisme werkt inverterend, waardoor logische toepassingen mogelijk worden.

Een laatste geheel optische schakeling verkrijgt men door als poortsignaal een lichtstraal te gebruiken met een golflengte gelijk aan of iets korter dan de bandgapgolf-lengte van de halfgeleider die het elektrongas bevat en ze loodrecht op de lagenstructuur te laten invallen. Daar de halfgeleider die de elektronen bevat steeds de kleinste band- gap bezit in de besproken structuren zal een poortsingaal van de gepast golflengte enkel in het spiegelend deel elektron-gatparen schappen (bijv. golfgeleider uit ongedoteerd AlAs en substraat uit GaAs bedekt met bijv. een 1/x.m dikke ongedoteerde AlAs-bufferlaag golfgeleider en buffer gescheiden door een dubbele heterojunctiestructuur tussen GaAs en AlAs:Si). Met een minimum aan. vermogen (jaW^um2) kan men aldus extra elektronen in het reeds aanwezige elektronengas scheppen die in de TM-modus de transistor zullen "UIT" schakelen. Ook deze uitvoering werkt inverterend. Daar in deze uitvoering geen elektronen meer ruimtelijk verplaatst hoeven te worden, maar schakeling via creatie en annihilatie van elektron-gatparen gebeurt, wordt hier de schakeltijd enkel bepaald door de generatie- en de recombinatietijden van deze paren; dit kan in enkele tientallen femtoseconden gebeuren.

Een verdere vervolmaking van dit laatste ontwerp bekomt men door een aantal van deze heteroj uncties op elkaar te stapelen (het groeien van een zogenaamd superrooster). Hierdoor kan Bragg reflectie of constructieve interferentie bekomen worden zodat de reflectie-coëfficient voor het schuin invallende licht (in de golfgeleider) groot wordt (/^l) en men minder licht verliest in het kanaal. Daar het poortsig-naal (dat loodrecht invalt) enkel in de elektrongaslagen wordt geabsorbeerd zal het door het gehele superrooster kunnen doordringen (dit in tegenstelling tot de uitvoering met elektronische poort waar de modulatiediepte bepaald werd door de Debye-lengte in de halfgeleider) en telkens in het kleine bandgapmateriaal elektron-gatparen creëren. Hierdoor wijzigt zich de brekingsindex van het kleine bandgapmateriaal en wijkt men af van de Bragg- en/of interferentievoorwaarden waardoor de reflectiecoëfficient sterk afneemt.

Door met halfgeleiders te werken waar de effectieve massa van de electronen zeer klein is, kan met kortere golflengtes werken in het kanaal en kan eventueel dezelfde golflengte gebruikt worden voor kanaal en poortsignaal. Dit kan bijv. in een structuur met inSb als elektrongasdrager (bijv* een heterojunctie tussen het eerder genoemde CdTe en InSb): een kanaalgolflengte van 2,4 yam of langer kan hier gebruikt worden volgens onze theorie; daar de bandgap van InSb slechts 0,17 eV bedraagt (dit komt overeen met een golflengte van 7,3 ^um) kan met InSb gebaseerde systemen een geheel optische inverterende cascadeerbare schakelaar gemaakt worden die in het fsec-gebied schakelt: dit opent de weg naar volledig optische informatieverwerking met een bandbreedte in het THz-gebied (o.a. optische computers met THz-optische klok).

Voordelen van de met bovenbeschreven inrichting verkregen signaalverwerkingseigenschappen zijn de volgende: - doordat een elektronengas wordt toegepast, kunnen hoge snelheden bereikt worden; - de noodzaak van kleine, niet lineaire effecten wordt vermeden door het licht in materiaal met een kleine brekingsindex te leiden; - vermogensdissipatie zal uiterst klein zijn en de beschreven voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding sluiten aan bij de bekende halfgeleidertechnieken.

Claims (11)

1. Inrichting voor optische signaalverwerking met transistorwerking, omvattende een lichtgeleidend kanaal, een grensgebied tussen het kanaal en het via dat grensgebied met het kanaal verbonden substraat en een poortgebied dat met het substraat en/of kanaal verbonden is en dat zodanig met het grensgebied gekoppeld is, dat de lichtreflecterende eigenschappen van het grensgebied daarmee stuurbaar zijn.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij het poortgebied voor aansturing met een elektrische potentiaal van een elektrisch aansluitcontact is voorzien.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij het kanaal Al'GaAs:Si omvat.

4. inrichting volgens conclusie 3, waarbij tenminste een deel van het kanaal minder sterk gedoteerd is.

5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het poortgebied voor aansturing met een elektrische potentiaal van een elektrisch aansluitcontact is voorzien.

6. Inrichting volgens conclusie 3, 4 of 5, waarbij het poortgebied door middel van een tweede lichtgeleidend kanaal met het grensgebied koppelbaar is.

7. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij het poortgebied via het tweede kanaal met een tweede poortgebied van een soortgelijke inrichting koppelbaar is.

8. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het kanaal uit niet-gedoteerd GaAs bestaat, het substraat uit GaAs bestaat en het grensgebied een dubbele heterojunctiestructuur tussen GaAs en AlAs:Si omvat.

9. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het kanaal uit niet-gedoteerd AlAs bestaat, het substraat een l/xm, niet-gedoteerde AlAs-laag omvat en het grensgebied tussen kanaal en substraat een dubbele hetero junctie uit GaAs en AlAs:Si omvat.

10. Inrichting voglens een van de voorgaande conclusies, waarbij het kanaal uit niet-gedoteerd CdTe bestaat, het substraat CdTe omvat en het grensgebied tussen kanaal en substraat een dubbele heterojunctie tussen InSb en bijv. met Si gedoteerd CdTe omvat.

11. Inrichting volgens een van de conclusies 1, 3-10, waarbij de koppeling tussen poortgebied en grensgebied wordt gevormd door een invallende lichtstraal met een golflengte gelijk aan of kleiner dan een waarde van de golflengte die in staat is een elektron-gatpaar te recreëren in de halfgeleider met de kleinste bandafstand, bijv. 1,4 eV voor GaAs en 0,17 eV voor InSb.