ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ Советский патент 1996 года по МПК H01L31/14 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в качестве элемента памяти, оптоэлектронного триггера и т.д. в системах оптоэлектронной обработки информации.

Целью изобретения является повышение верхней границы рабочего температурного диапазона (до температуры 450-500К).

На фиг.1 изображена конструкция предлагаемого оптоэлектронного элемента памяти; на фиг. 2 график выходных управляющих характеристик (интенсивность света от напряжения на затворе).

Элемент памяти состоит из сильнолегированной подложки 1 из арсенида галлия, например n-типа проводимости с концентрацией 10¹⁸ см^-3, прилегающего к ней полупроводникового слоя 2 твердого раствора Gа_1-zAl_zAs, одноименного с подложкой типа проводимоcти, прилегающего к последнему полупроводникового слоя 3 твердого раствора Gа_1-yAl_yAs, противоположного типа проводимости, образующего с предыдущим р-n-гетеропереход, прилегающего к нему монокристаллического изолирующего слоя 4 твердого раствора Gа_1-xAl_xAs 0 прилегающего к нему слоя 5 слаболегированного арсенида галлия, например с N_н ≈ 10¹⁴ см^-3 и толщиной d_н-10^-4 см и прилегающего к нему активного транзисторного слоя 6 арсенида галлия n-типа проводимости N_a ≈ 10¹⁷ см^-3 d_a≈10^-5 см^-3 с размещенными на нем контактами стока 7 и истока 8 и электродом затвора 9, при этом соотношение между мольными долями алюминия в слоях выбирается, например, Х≈ 0,50; Y≈ 40; Z≈0,30.

Кроме того, в слоях 4,5,6 выполнена канавка, на дне которой сформирован омический контакт 10 к широкозонному слою 3, площадь которого меньше площади световыводящего окна 11, и который имеет гальваническую связь 12 с контактами истока 8. Таким образом, между концентрацией легирующей примеси и толщиной слоя 5, а также концентрацией легирующей примеси и толщиной активного слоя 6 существует следующая взаимная связь: N_н•d_н≅N_ad_a•10^-2
В работе предлагаемого элемента памяти можно выделить три основных режима: записи, хранения и стирания записанной ранее информации.

В режиме записи вследствие наличия обратной положительной связи зависимость выходная мощность напряжение на затворе имеет гистерезисный характер (фиг. 2) Когда рабочее состояние прибора на плоскости (Р_вых, U_зап ) задается точкой 13, то при подаче на управляющий затвор напряжения, удовлетворяющего соотношению

где U₀ постоянное смещение на затворе;
ΔU управляющее напряжение,
система переходит в другое состояние, характеризуемое другой устойчивой точкой 14 "Запись".

В указанном состоянии система будет излучать существенно большую световую мощность, а по цепи истоксток потечет существенно больший ток, определяемый напряжением на области исток сток и совместной проводимостью слоев 5 и 6. Резкое увеличение выходной мощности излучаемого света при тех же напряжениях на затворе и истоке относительно подложки стали возможны благодаря приобретению добавочной (активированной светом) проводимости слоя 5 в момент подачи дополнительного "открывающего" импульса ΔU.
Считывание информации осуществляется посредством измерения интенсивности выходного излучения, либо тока исток подложка.

В режиме стирания при подаче на управляющий затвор напряжения, удовлетворяющего соотношениям (рассматриваем случай n-типа активного слоя)
,
система переходит в первоначальное состояние, характеризуемое на плоскости (Р_вых U_затв) точкой 13. В момент записи информации, благодаря тому, что канал полностью открыт (отсутствует ОПЗ в слое 6) ток, протекающий через прибор, превышает пороговое значение, в результате чего эмиссируемый p-n-гетеропереходом свет активирует дополнительную проводимость в слое 5, которая компенсирует частичную потерю проводимости канала при возвращении затвора 9 в состояние U₀.

Так как активация дополнительной проводимости в слое 5 может проводиться и от внешнего источника света, то указанный элемент может быть использован в качестве ключевого устройства в волоконных системах связи.

Так как часть невыведенного света преобразуется в неравновесные электроннодырочные пары и в дальнейшем принимает участие в излучательных рекомбинационных процессах, то имеет место частичная регенерация поглощаемой энергии.

Предлагаемый элемент является оптоэлектронной интегральной схемой, согласующейся по уровню управляющих сигналов с существующими усилительными и логическими схемами и устройствами. Рабочий температурный диапазон прибора 4-500 К, причем нижняя граница определяется чистотой материала, т.е. отсутствием вымораживания носителей на глубоких уровнях неконтролируемой примеси в слоях 2, 3, 6, что при нынешнем уровне ростовой технологии (ЖФЭ и МОС V VД) и в силу использования степени легирования, близкой к вырождению, позволяет достичь температур меньших 4К. Верхняя температурная граница определяется температурами, при которых активация проводимости слаболегированного слоя за счет поглощаемого света превышает активацию проводимости за счет термогенерации равновесных носителей в указанном слое. Количественные оценки, приведенные выше указывают на то, что ограничение за счет этого эффекта более слабое (Т= 600 К), чем ограничение из-за потери внутреннего квантового выхода, учет которых дает для верхней границы значение 450-500 К.

Таким образом, предлагаемый элемент памяти является интегральным оптоэлектронным модулем, с уровнями управляющих сигналов и питающих напряжений, соответствующих существующих интегральным усилительным и логическим схемам на кремнии и с рабочим температурным диапазоном 4-500 К. ЫЫЫ2

Оптоэлектронный элемент памяти, выполненный на сильнолегированной подложке арсенида галлия, содержащий излучательный p - n-гетеропереход, образованный гетерослоями Gа_1-yAl_yAs и Gа_1-2Al₂As, последний из которых граничит с подложкой и имеет с ней один тип проводимости при y>2, активный транзисторный слой с контактами истока и стока и электродом затвора, отделенный от указанных гетерослоев изолирующим слоем из твердого раствора Gа_1-xAl_xAs:0 и имеющий сформированную в активном и изолирующем слоях до слоя Ga_1-yAl_yAs канавку, на дне которой сформирован омический контакт с площадью, меньшей площади дна канавки, и гальванически соединенный с контактом стока, отличающийся тем, что, с целью повышения верхней температурной границы рабочего диапазона элемента, между активным транзисторным слоем и изолирующим слоем Gа_1-xAl_xAs: 0 введен слаболегированный слой арсенида галлия, толщина которого d_н и степень легирования N_н связаны с толщиной da и d_a и степенью легирования N_н активного слоя соотношением d_нN_н≅d_aN_a•10^-2, а молярные доли алюминия в упомянутых полупроводниковом и изолирующем слоях связаны соотношением x>y.

Оптоэлектронный элемент памяти, выполненный на сильнолегированной подложке арсенида галлия, содержащий излучательный p n-гетеропереход, образованный гетерослоями Gа_1-yAl_yAs и Gа_1-2Al₂As, последний из которых граничит с подложкой и имеет с ней один тип проводимости при y>2, активный транзисторный слой с контактами истока и стока и электродом затвора, отделенный от указанных гетерослоев изолирующим слоем из твердого раствора Gа_1-xAl_xAs:О и имеющий сформированную в активном и изолирующем слоях до слоя Ga_1-yAl_yAs канавку, на дне которой сформирован омический контакт с площадью, меньшей площади дна канавки, и гальванически соединенный с контактом стока, отличающийся тем, что, с целью повышения верхней температурной границы рабочего диапазона элемента, между активным транзисторным слоем и изолирующим слоем Gа_1-xAl_xAs: О введен слаболегированный слой арсенида галлия, толщина которого d_н и степень легирования N_н связаны с толщиной d_a и степенью легирования N_н активного слоя соотношением d_нN_н≅d_aN_a•10^-2, а молярные доли алюминия в упомянутых полупроводниковом и изолирующем слоях связаны соотношением x>y.