WO2007082329A1 - Speicherelement für eine optische signalausgabe - Google Patents

Speicherelement für eine optische signalausgabe Download PDF

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WO2007082329A1
WO2007082329A1 PCT/AT2007/000023 AT2007000023W WO2007082329A1 WO 2007082329 A1 WO2007082329 A1 WO 2007082329A1 AT 2007000023 W AT2007000023 W AT 2007000023W WO 2007082329 A1 WO2007082329 A1 WO 2007082329A1
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optically active
junction
semiconductor layer
optical signal
memory element
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I. Denis Kryzhkov
Wolfgang Jantsch
A. Boris Andreev
Tom Gregorkiewicz
F. Zakhary Krasil'nik
V.P. Kuznetsov
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Universität Linz
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Definitions

  • the invention relates to a memory element for an optical signal output having an optically active, crystalline semiconductor layer which has deep impurities and is doped with a photon emitting substance after an excitation.
  • erbium-doped crystalline silicon having deep impurities has the property of not only emitting light having an erbium-dependent wavelength of 1.54 ⁇ m after band-to-band excitation with a laser beam in the visible wavelength region but also to trap charge carriers in the deep impurities for a period of time during which these charge carriers can be released by means of mid-infrared illumination with the effect that the erbium excites the emission of light by electron-hole recombination becomes.
  • a memory element has already been proposed (M. Forcales, T.
  • the invention is therefore based on the object, a memory element for an optical signal output of the type described in such a way that especially the reading of information in a comparatively simple manner can be controlled electrically, at higher temperatures, especially at room temperature.
  • the invention achieves the stated object in that the optically active semiconductor layer is located in a space charge zone of a p-n junction, which can be acted upon by an electric field for reading out an optical signal in the reverse direction via electrode layers.
  • the invention is based on the finding that, when the optically active semiconductor layer is arranged in a space charge zone of a pn junction, the deep impurities of the optically active semiconductor layer bind free charge carriers when a forward voltage is applied, and free again when the pn junction is acted upon in the reverse direction give, depending on the size of the applied in the reverse direction of the electric field, whether the released charge carriers receive sufficient energy for excitation of the optically active substance, so that this optically active substance emits photons with a dependent of this substance or its doping wavelength.
  • a threshold value is given, on which it depends - -
  • the threshold value of the voltage for the backward application of the pn junction is considerably below the breakdown voltage of the diode formed by the pn junction, there is the advantage that by choosing a control voltage in the reverse direction of the pn junction with an amplitude between the threshold and the breakdown voltage, the charge carriers held in the deep impurities are released and can be acted upon by an energy required for the excitation of the optically active substance, so that in response to such a control voltage in the reverse direction of the pn junction, a light emission with a certain of the optically active Substance-dependent wavelength is obtained, and within a time corresponding to the average storage time of the charge carriers in the deep impurities.
  • the accumulation of the deep impurities with charge carriers can be effected in a manner known per se by illumination with short-wave light.
  • illumination with short-wave light For signal storage but can also be applied to the pn junction in the forward direction over the electrode layers with an electric field, so that both the reading and the reading of the information can be controlled by voltage pulses.
  • two differently n-doped semiconductor interlayers can be arranged between the p- and n-doped semiconductor layers of the pn junction on the one hand and the optically active semiconductor layer. to improve the excitation of the optically active substance and thus the efficiency.
  • Memory elements having a multiplicity of memory locations can be obtained in a particularly advantageous manner in that the two electrode layers for acting on the p- and n-doped semiconductor layers are each constructed from parallel conductor tracks which intersect each other in the range of memory locations that can be acted upon.
  • the memory locations can each be controlled with control pulses for reading in and out or deleting the information associated with charge carriers by filling the deep impurities.
  • Fig. 1 shows the basic structure of a memory element according to the invention in a schematic section
  • FIG. 2 shows a memory element with a plurality of memory locations in sections in a schematic diagram.
  • This n-doped semiconductor interlayer 2 follows with a In the case of the illustrated embodiment is an erbium-doped silicon layer with a thickness of about 70 nm, wherein the Erbiumkonzentration 10 18 cm "3 is.
  • the optically active layer 3 is followed by another n-doped semiconductor interlayer 4 applied by a molecular beam epitaxy, onto which an n + -doped semiconductor layer 5 is applied, between which and the p + -doped semiconductor layer 1 results in a space charge zone in the region of which the optical active layer 3 is located.
  • the semiconductor layer 4 which has a thickness of 10 ⁇ m, has a composition corresponding to the charge carrier concentration of the intermediate layer 2
  • the diode formed by the pn junction of the illustrated embodiment has a breakdown voltage of about -20 volts.
  • the information determined by the trapped in the low impurities carrier information can be read and output as an optical signal, if this voltage pulse on a structure dependent on the structure of the optically active layer 3 threshold lies.
  • This threshold value can be given as approximately -5 to -8 V according to the selected structure of the optically active semiconductor layer 3 of the exemplary embodiment.
  • the charge carriers can be released from the deep impurities, but the energy of these charge carriers is insufficient to excite the erbium ions, so that no response to the control pulse takes place in the form of a light emission. This means, with regard to the memory function of the memory element, that the memory contents can be erased before being read out.
  • a memory element according to FIG. 1 can be easily provided with a plurality of memory locations if the electrode layers 6 and 7 are dissolved into intersecting, parallel conducting paths ⁇ a and 7a, so that in FIG Junction of these interconnects 6a and 7a each result for controllable memory locations.
  • the individual memory locations can additionally be separated from one another by, for example, lithographically applied isolator areas, which, however, is not shown for reasons of clarity.

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Es wird ein Speicherelement für eine optische Signalausgabe mit einer optisch aktiven, kristallinen Halbleiterschicht (3) beschrieben, die tiefe Störstellen auf weist und mit einer nach einer Anregung Photonen emittierenden Substanz dotiert ist. Um eine elektrische Ansteuerung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß die optisch aktive Halbleiterschicht (3) in einer Raumladungszone eines p-n-Übergangs liegt, der zum Auslesen eines optischen Signals in Rückwärtsrichtung über Elektrodenschichten (6, 7) mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist.

Description

Speicherelement für eine optische Signalausqabe
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Speicherelement für eine optische Signalausgabe mit einer optisch aktiven, kristallinen Halbleiterschicht, die tiefe Störstellen aufweist und mit einer nach einer Anregung Photonen emittierenden Substanz dotiert ist.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß mit Erbium dotiertes kristallines Silizium, das tiefe Störstellen aufweist, die Eigenschaft hat, nach einer Band-zu-Band Anregung mit einem Laserstrahl im sichtbaren Wellenbereich nicht nur Licht mit einer vom Erbium abhängigen Wellenlänge von 1,54 μm zu emittieren, sondern auch Ladungsträger in den tiefen Störstellen während einer gewissen Zeitspanne festzuhalten, in der diese Ladungsträger mit Hilfe einer Beleuchtung im mittleren Infrarotbereich freigesetzt werden können, und zwar mit der Wirkung, daß durch eine Elektronen-Loch-Rekombination das Erbium zur Emission von Licht angeregt wird. Um diesen Umstand für optische Speicherelemente nützen zu können, wurde bereits ein Speicherelement vorgeschlagen (M. Forcales, T. Gregorkiewicz, J. M. Zavada, "Silicon-based all-optical memory elements for 1.54 μm photonics", Solid-State Electronics, 47 (2003) 165-168), das Speicherplätze aus mit Erbium dotiertem Silizium aufweist, die je für sich mit einem Laserstrahl angeregt werden können. Die von der Anregung abhängige Information kann dann mit Hilfe eines Lasers mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich innerhalb eines durch die Speicherzeit begrenzten Zeitfensters abgefragt werden, wobei als Ausgangssignale Lichtimpulse mit einer für Erbium charakteristischen Wellenlänge von 1 ,54 μm erhalten werden, die vorteilhaft von Lichtwellenleitern übertragen werden können. Nachteilig bei diesen bekannten Speicherelementen ist allerdings, daß der beobachtete optische Speichereffekt nur bei tiefen Temperaturen kleiner als 50 K genützt werden kann und insbesondere das Auslesen des Speicherelementes mit Hilfe eines Lasers einen nicht anwendungsgerechten Aufwand mit sich bringt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Speicherelement für eine optische Signalausgabe der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß vor allem das Auslesen von Information in vergleichsweise einfacher Art elektrisch gesteuert werden kann, und zwar bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Raumtemperatur.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die optisch aktive Halbleiterschicht in einer Raumladungszone eines p-n-Übergangs liegt, der zum Auslesen eines optischen Signals in Rückwärtsrichtung über Elektrodenschichten mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Anordnung der optisch aktiven Halbleiterschicht in einer Raumladungszone eines p-n- Überganges die tiefen Störstellen der optisch aktiven Halbleiterschicht beim Anlegen einer Vorwärtsspannung freie Ladungsträger an sich binden und bei einer Beaufschlagung des p-n-Überganges in Rückwärtsrichtung wieder frei geben, wobei es von der Größe des im Rückwärtssinn angelegten elektrischen Feldes abhängt, ob die freigegebenen Ladungsträger ausreichend Energie für eine Anregung der optisch aktiven Substanz aufnehmen, so daß diese optisch aktive Substanz Photonen mit einer von dieser Substanz bzw. deren Dotierung abhängigen Wellenlänge emittiert. Es ergibt sich somit für die in Sperrichtung des p-n-Übergangs angelegte Spannung ein Schwellwert, von dem es abhängt, - -
ob die Photonen emittierende Substanz angeregt wird. Da der Schwellwert der Spannung für die Rückwärtsbeaufschlagung des p-n-Übergangs erheblich unterhalb der Durchbruchspannung der durch den p-n-Übergang gebildeten Diode liegt, ergibt sich der Vorteil, daß durch die Wahl einer Steuerspannung im Rückwärtssinn des p-n-Übergangs mit einer Amplitude zwischen dem Schwellwert und der Durchbruchspannung die in den tiefen Störstellen festgehaltenen Ladungsträger frei gegeben und mit einer für die Anregung der optisch aktiven Substanz erforderlichen Energie beaufschlagt werden können, so daß als Antwort auf eine solche Steuerspannung in Sperrichtung des p-n- Übergangs eine Lichtemission mit einer bestimmten von der optisch aktiven Substanz abhängigen Wellenlänge erhalten wird, und zwar innerhalb einer Zeitspanne, die der durchschnittlichen Speicherzeit der Ladungsträger in den tiefen Störstellen entspricht. Voraussetzung ist, daß die tiefen Störstellen vorausgehend mit Ladungsträgern angereichert wurden. Wird eine Steuerspannung in Rückwärtsrichtung unterhalb des Schwellwertes an den p-n-Übergang angelegt, so werden zwar die tiefen Störstellen ebenfalls entladen, die optisch aktive Substanz jedoch nicht angeregt, was einer Löschung der durch das Auffüllen der tiefen Störstellen mit Ladungsträgern gegebenen Information gleichkommt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich somit Speicherelemente für eine optische Signalausgabe verwirklichen, wobei das Auslesen der Information über Spannungsimpulse als wesentliche Voraussetzung für eine vielfältige Anwendung solcher Speicherelemente angesehen werden muß. Dazu kommt, daß die beschriebene Wirkung auch bei Raumtemperatur beobachtet werden kann, was die Einsatzmöglichkeiten naturgemäß vergrößert.
Die Anreicherung der tiefen Störstellen mit Ladungsträgern kann in an sich bekannter Weise durch eine Beleuchtung mit kurzwelligem Licht erfolgen. Zur Signalspeicherung kann aber auch der p-n-Übergang in Vorwärtsrichtung über die Elektrodenschichten mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, so daß sowohl das Einlesen als auch das Auslesen der Information über Spannungsimpulse gesteuert werden kann. _ _
Um dem Umstand Rechnung zu tragen, daß die Anregung bestimmter optisch aktiver Substanzen durch Elektronen besonders wirkungsvoll ist, können zwischen den p- und n-dotierten Halbleiterschichten des p-n-Übergangs einerseits und der optisch aktiven Halbleiterschicht anderseits zwei unterschiedlich n- dotierte Halbleiterzwischenschichten angeordnet werden, um die Anregung der optisch aktiven Substanz und damit den Wirkungsgrad zu verbessern.
Speicherelemente mit einer Vielzahl von Speicherplätzen können in besonders vorteilhafter Weise dadurch erhalten werden, daß die beiden Elektrodenschichten zur Beaufschlagung der p- und n-dotierten Halbleiterschichten jeweils aus parallelen Leiterbahnen aufgebaut sind, die einander im Bereich von je für sich beaufschlagbaren Speicherplätzen kreuzen. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Speicherplätze über die sich im Bereich dieser Speicherplätze kreuzenden Leiterbahnen können die Speicherplätze je für sich mit Steuerimpulsen zum Ein- und Auslesen bzw. Löschen der durch die Auffüllung der tiefen Störstellen mit Ladungsträgern verbundenen Information angesteuert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Speicherelementes in einem schematischen Schnitt und
Fig. 2 ein Speicherelement mit einer Vielzahl von Speicherplätzen ausschnittsweise in einem schematischen Schaubild.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Das in der Fig. 1 dargestellte Speicherelement weist eine p+-dotierte Halbleiterschicht 1 als Trägerschicht auf, beispielsweise ein p+-dotiertes Siliziumsubstrat mit einer Ladungsträgerkonzentration von p = 1017 cm"3. Auf diese p+-dotierte Halbleiterschicht 1 ist eine n-dotierte Halbleiterzwischenschicht 2, im Ausführungsbeispiel eine durch eine Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte n-dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von 1 μm und einer Ladungsträgerkonzentration von n = 2.1O15 cm"3 aufgebracht. Dieser n-dotierten Halbleiterzwischenschicht 2 folgt eine mit Hilfe einer Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte optisch aktive Halbleiterschicht 3, die mit einer nach einer Anregung Photonen emittierenden Substanz dotiert ist. Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels handelt es sich um eine mit Erbium dotierte Siliziumschicht mit einer Dicke von ca. 70 nm, wobei die Erbiumkonzentration 1018 cm"3 beträgt. Der optisch aktiven Schicht 3 folgt eine weitere durch eine Molekularstrahlepitaxie aufgebrachte n-dotierte Halbleiterzwischenschicht 4, auf die eine n+-dotierte Halbleiterschicht 5 aufgetragen ist, zwischen der und der p+-dotierten Halbleiterschicht 1 sich eine Raumladungszone ergibt, in deren Bereich die optisch aktive Schicht 3 liegt. Während die Halbleiterschicht 4, die eine Dicke von 10 μm aufweist, eine der Ladungsträgerkonzentration der Zwischenschicht 2 entsprechende Zusammensetzung aufweist, besteht die n+-dotierte Halbleiteschicht 5 aus Silizium mit einer Ladungsträgerkonzentration n = 6.1018 cm"3. Zum Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an den durch die Halbleiterschichten 1 und 5 bestimmten p-n-Überganges dienen Elektrodenschichten 6 und 7. Die durch den p-n-Übergang gebildete Diode des dargestellten Ausführungsbeispiels weist eine Durchbruchspannung von ca. -20 V auf.
Wird das Speicherelement gemäß der Fig. 1 mit einem Spannungsimpuls von beispielsweise +10 V in Vorwärtsrichtung beaufschlagt, so findet im Bereich der optisch aktiven Halbleiterschicht 3 eine Band-zu-Band-Anregung statt, die eine Füllung der tiefen Störstellen dieser Schicht 3 mit freien Ladungsträgern und zugleich eine Anregung der Erbiumionen aufgrund von Elektronen-Loch- Rekombinationen mit der Wirkung nach sich zieht, daß die optisch aktiven Erbiumionen Licht im Wellenbereich von λ = 1 ,54 μm emittieren. Nach diesem "Schreibvorgang" werden die von den tiefen Störstellen aufgenommenen Ladungsträger während einer beschränkten Speicherzeit festgehalten, obwohl keine Steuerspannung am p-n-Übergang anliegt. Wird innerhalb eines durch - -
die Speicherzeit begrenzten Zeitfensters der p-n-Übergang mit einem Spannungsimpuls im Rückwärtssinn beaufschlagt, so kann die durch die in den tiefen Störstellen festgehaltenen Ladungsträger bestimmte Information gelesen und als optisches Signal ausgegeben werden, wenn dieser Spannungsimpuls über einem vom Aufbau der optisch aktiven Schicht 3 abhängigen Schwellwert liegt. Dieser Schwellwert kann gemäß der gewählten Struktur der optisch aktiven Halbleiterschicht 3 des Ausführungsbeispiels mit ca. -5 bis -8 V angegeben werden. Ein Spannungsimpuls mit einer Amplitude von -10 V, also einer Spannungsamplitude die deutlich unterhalb der Durchbruchspannung liegt, bedingt somit eine Freigabe der in den tiefen Störstellen festgehaltenen Ladungsträger und dadurch eine Anregung der Erbiumionen, die mit einer Lichtemission im Wellenlängenbereich λ = 1 ,54 μm antworten. Diese Lichtemissionen können als optische Ausgangssignale in an sich bekannter Weise genützt werden.
Liegt die Amplitude des Steuerspannungsimpulses unterhalb des Schwellwertes, so können zwar die Ladungsträger von den tiefen Störstellen frei gegeben werden, doch reicht die Energie dieser Ladungsträger nicht zur Anregung der Erbiumionen aus, so daß keine Antwort auf den Steuerungsimpuls in Form einer Lichtemission erfolgt. Dies bedeutet im Hinblick auf die Speicherfunktion des Speicherelementes, daß der Speicherinhalt vor einem Auslesen gelöscht werden kann.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, kann ein Speicherelement gemäß der Fig. 1 in einfacher Weise mit einer Vielzahl von Speicherplätzen versehen werden, wenn die Elektrodenschichten 6 und 7 in einander kreuzende, parallele Leitungsbahnen βa und 7a aufgelöst werden, so daß sich im Kreuzungsbereich dieser Leiterbahnen 6a und 7a je für sich ansteuerbare Speicherplätze ergeben. Um eine gegenseitige Beeinflussung bei der Ansteuerung benachbarter Speicherplätze zu vermeiden, können die einzelnen Speicherplätze zusätzlich voneinander durch beispielsweise lithographisch aufgebrachte Isolatorbereiche getrennt werden, was jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Speicherelement für eine optische Signalausgabe mit einer optisch aktiven, kristallinen Halbleiterschicht, die tiefe Störstellen aufweist und mit einer nach einer Anregung Photonen emittierenden Substanz dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch aktive Halbleiterschicht (3) in einer Raumladungszone eines p-n-Übergangs liegt, der zum Auslesen eines optischen Signals in Rückwärtsrichtung über Elektrodenschichten (6, 7) mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist.
2. Speicherelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der p- n-Übergang zur Signalspeicherung in Vorwärtsrichtung über die Elektrodenschichten (6, 7) mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist.
3. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den p- und n-dotierten Halbleiterschichten (1 , 5) des p-n-Übergangs einerseits und der optisch aktiven Halbleiterschicht (3) anderseits zwei schwach n-dotierte Halbleiterzwischenschichten (2, 4) angeordnet sind.
4. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektrodenschichten (6, 7) zur Beaufschlagung der p- und n- dotierten Halbleiterschichten (1 , 5) jeweils aus parallelen Leiterbahnen (6a, 7a) aufgebaut sind, die einander im Bereich von je für sich beaufschlagbaren Speicherplätzen kreuzen.
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