DE2311469A1

DE2311469A1 - Metall-halbleiter-kontakt als elektrooptischer wandler

Info

Publication number: DE2311469A1
Application number: DE19732311469
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Ing Langmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-08
Filing date: 1973-03-08
Publication date: 1974-10-03
Also published as: DE2311469C2

Description

~Metall-Halbleiter-Kontakt als elektro-optischer Wandler Die Erfindung betrifft einen #Jetall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt), bestehend aus einem Halbleiter mit direkter Bandstruktur (vorzugsweise GaAs) und einer transparenten Metallelektrode Dieses Bauelement eignet sich zur Hochfrequenzmodulation des Photolumineszenz-Signals und kann insbesondere in opto-elektronischen Systemen, die mit Laserstrahlen arbeiten, zur Umwandlung eines elektrischen in ein optisches Signal vorteilhaft eingesetzt werden.
Die bisherige Art der Erzeugung von modulierten optischen Signalen geschieht nach unterschiedlichen Prinzipien. Die beiden wichtigsten sind 1. Modulation von Laserstrahlen mit elektro-optisch aktiven Kristallen und 2. Modulation von Elektrolumineszenz-Dioden und Halbleiter-Lasern durch den eingespeisten Strom.
In den bisher vorgeschlagenen Verfahren zur optischen Sommunikationstechnik werden meist diese beiden Verfahren diskutiert. Nach den vorliegenden Literaturdaten (B.Hill, Nachrichtentechnische Zeitschrift, Jahrgang 1972, Heft 9, Seiten 385-389) hat ein E-lodulationsverfahren nach 1 den Nachteil einer i.a, niedrigen Grenzfrequenz (ca. 10 leu), Die zur Modulation mit elektro-optisch aktivem Material benötigten Spannungen sind i.a. größer als einige Volt. Eine Integration von solchem Material in Halbleiterschaltungen ist außerdem schwierig. In optischen Vermittlungssystemen werden tumineszenzdioden als geeignete Lichtquellen angesehen (U.Schmidt, Süddeutsche Zeitung, Jahrgang t972, Ausgabe 206). Diese müssen mittels eines Laserstrahles durch ein lichtempfindliches Bauelement aktiviert werden. Das bedeutet einen hohen Aufwand für jede Diode. Außerdem ist die für jede Diode aufzubringende elektrische Signalleistung hoch im Vergleich zu derjenigen für einen transparenten Schottky-Yontakt.
Ein einfacher, leicht herzustellender elektro-optischer Wandler, der sich zur Integration in Halbleiterschaltungen (z.B. auf GaAs Basis) eignet und außerdem über eine hohe Grenzfrequenz verfügt, fehlt zur Zeit noch. Ein solches Bauelement sollte 1. ein Halbleiterbauelement sein, um die Kompatibilität mit anderen Halbleiterschaltungen zu ermöglichen, und 2. den Aufbau von optischen Verinittlungssystemen vereinfachen und verkleinern, Schließlich sollte#sein Einsatz in Datenspeichern möglich und vorteilhaft sein.
Um diese lücke zu schließen, wird erfindungsgemäß ein Vetall-Halbleiter-Kontakt als elektro-optischer Wandler vorgeschlagen, durch den sich bei Bestrahlung mit Laserlicht von geeigneter Wellenlänge und Intensität auf den transparenten Kontakt die Photolumineszenz-Intensität des Halbleitermaterials durch Anlegen einer Wechselspannung an den in Sperrichtung vorgespannten Kontakt breitbandig modulieren läßt.
Aufbau: Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Bauelementes.
Auf die Oberfläche eines Halbleiters mit direkter Bandstruktur (vorzugsweise GaAs) wird ein fTetallkontakt (Gate) aufgedampft, der möglichst gut transparent, aber auch dick genug ist, um nicht einen zu hohen Flächenwiderstand zu haben, Die Abmessungen des Kontaktes sind der jeweiligen Anwendung und den. Möglichkeiten zur Fokussierung eines Laserstrahles anzupassen. Die untere Grenze kann bei einem Kontaktdurchmesser von etwa 20 /um liegen (G.B.Stringfellow, P.E.Greene, J.Appl.Ihysics, Jahrgang 1969, Seiten 502-507). Das Halbleitermaterial sollte Epitaxiematerial mit einer hohen tumineszenzausbeute und einer Dotierungskonzentration im Bereich von 1015 bis 1017 cm 3 sein.
Die Epitaxie schicht hat dabei eine Dicke von einigen /um.
Als ohmscher Rückseitenkontakt dient eine weitere sehr gut leitende, hochdotierte Epitaxieschicht. Das Substrat ist zweckmäßigerweise eine semiisolierende Halbleiterscheibe.
Die Dotierung der -lumineszierenden Epitaxieschicht und der Absorptionskoeffizient für die anregende Laserstrahlung sind so aufeinander abzustimmen, daß sich eine ausreichende Modulation des Photolumineszenzsignals erzielen läßt.
Funktionsweise: Die Verarmungsschicht im Halbleiter unter der Grenze des Metall-Halbleiter-Übergsnges läßt sich dicker machen, wenn eine Sperrspannung an den Kontakt gelegt wird. Die Photolumineszenz-Intensität I, die man außerhalb des Kristalls bei aiellenlängen, die Energien in einem Energiebereich um die Bandkantenenergie entsprechen, messen kann, hängt von der Dicke d der Verarmungsschicht ab, gemäß I 5 IO exp(- 0<αL d) exp(- αd), wobei CXL und α die Absorptionskoeffizienten für die anregende Laserstrahlung bzw. die austretende Sumineszenzstrahlung und 10 die Lumineszenz-Intensität ohne Berücksichtigung einer Verarmungsschicht sind. Zur Physik dieses Vorganges siehe: R.E.Hetrick, K.F.Yeung, J.Appl.#hysics, Jahrgang 1971, Seiten 2882-2885 und U.Langmann, Appl.Physics, Jahrgang 1973 (wird demnächst veröffentlicht).
Fig.2 zeigt die Lumineszenz-Intensität I bei # =870 nm an einem CrAu-GaAs Schottky-Kontakt (GaAs Bulk-Material) in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U. Die Anregung erfolgt hierbei durch einen HeNe Laser. Trägt man ln (I/Io) über oder über U auf, dann erhält man über einen weiten Spannungsbereich einen linearen Zusammenhang.
Die Intensitätsmodulation kann an der Kennlinie nach Fig.2 erfolgen, wobei ein geeigneter Arbeitspunkt durch eine negative Vorspannung gewählt wird. Es ist zu erwarten, daß die obere Grenzfrequenz zwischen 100 NHz und 1 GHz, evtl. auch darüber, liegt, je nach der Abklingkonstanten für die strahlende Rekombination.
Anwendung Eine geeignete Anwendung kann das Bauelement in einem optischen Vermittlungssystem nach Fig.3 finden. Die wesentlichen Elemente dieses Systems und seine Funktionsweise sind von U,Schmidt (Süddeutsche Zeitung, Jahrgang 1972, Ausgabe 206) angegeben worden. Nur werden bei Schmidt Elektrolumineszenz-Dioden als lichtemittierende Elemente eingesetzt. Ein Laserstrahl stellt die Verbindung zwischen den jeweiligen lichtemittierenden Elektrolumineszenz-Dioden auf der Eingangsseite und den lichtempfindlichen Photodioden auf der Ausgangsseite her. Die Elektrolumineszenz-Dioden werden ihrerseits über lichtempfindliche Elemente vom Laserstrahl gezündet, Der Einsatz eines Schottky-Kontaktes mit spannungsgesteuerter Photolumineszenz in einem optischen Vermittlungssystem nach Fig.3 ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Element entweder a) nur auf der Sende seite als Wandler für elektrische in optische Signale oder b) auf der Sende seite als Wandler für elektrische in optische Signale und auf der Empfangsseite als Wandler für optische in elektrische Signale (vgl. Fig.3) eingesetzt wird. Dies bringt eine starke Vereinfachung des technologischen Aufbaus und eine größere mögliche Integrationsdichte und eine wesentlich geringere erforderliche Signalleistung.
Die Grenzfrequenz dürfte etwa so hoch wie bei Elektrolumineszenz-Dioden liegen.
Eine weitere wichtige Anwendung ist möglich. Eine binäre Information, die in einem zweidimensionalen Feld von integrierten transparenten Schottky-Kontakten in Form von Spannungswerten an den Kontakten gespeichert ist, kann bei wahlfreiem Zugriff durch einen Laserstrahl gelesen werden.
Null Volt an einem Kontakt bedeutet dabei maximales Photolumineszenz-Signal (z.B. logische Eins) und beispielsweise -10 Volt bedeutet etwa 15% Lumineszenz-Intensität (logische Null). Die Information in den Kontakten wird bei dem "Lesevorgang" nicht zerstört.

Claims

Patent ansprüche

Metall-Halbleiter-Kontakt (Schottky-Kontakt), bestehend aus einem Halbleiter mit direkter Bandstruktur (vorzugsweise GaAs) und einer transparenten Metallelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Bauelement zur Modulation eines optischen Signals durch ein elektrisches Signal angewandt wird, indem bei Bestrahlung mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge und Intensität auf den transparenten Kontakt die Photolumineszenz-Intensität des Halbleitermaterials durch Anlegen einer Wechselspannung an den in Sperrichtung vorgespannten Kontakt breitbandig moduliert wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Halbleiter-Kontaktes nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß auf einem semiisolierenden Substratmaterial eine dünne, sehr gut leitende Kontaktepitaxieschicht (in Sonderfällen für hochgradige Integration selektiv aufgewachsen) mit einer Dotierung zwischen 1018 und 1019 Atomen je cm3 und darauf eine zweite Epitaxieschicht mit einer Dotierung zwischen 1015 und 1017 Atomen je cm3 aufgebracht werden (vgl.

Fig.1).
3. Anwendung eines Metall-Halbleiter-Kontaktes nach Anspruch 1 in einem optischen Vermittlungssystem nach Fig.3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element entweder a) nur auf der Sende seite als Wandler für elektrische in optische Signale oder b) auf der Sende seite als Wandler für elektrische in optische Signale und auf der Empfamgsseite als Wandler für optische in elektrische Signale (vgl.Fig.3) eingesetzt wird.
4. Anwendung eines Metall-Halbleiter-Kontaktes nach Anspruch 1 in Datenspeicher-Systemen, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Information in Form von Spannungspegeln an einem Kontakt durch Bestrahlung mit Laserlicht mittels der dabei auftretenden Photolumineszenz-Intensität "zerstörungsfrei gelesen" werden kann.

L e e r s e i t e