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Dokumentenidentifikation DE10006909C1 12.04.2001
Titel Verfahren und optoelektronisches Bauelement zur Erzeugung und Steuerung eines elektrischen Photostroms
Anmelder Zrenner, Artur, Dr., 80809 München, DE
Erfinder Zrenner, Artur, Dr., 80809 München, DE
DE-Anmeldedatum 16.02.2000
DE-Aktenzeichen 10006909
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2001
IPC-Hauptklasse H01L 31/102
IPC-Nebenklasse H01L 29/15   
IPC additional class // G01R 35/00  
Zusammenfassung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Bauelement zu entwickeln, bei dem der Photostrom quantitativ und zeitlich korreliert mit einzelnen Laserpulsen gesteuert werden kann.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Laserpuls mit einem elektrisch kontaktierten null-dimensionalen Halbleitersystem, das Bestandteil der erfindungsgemäßen Halbleiter-Photodiode ist, wechselwirkt und elektronische Übergänge in dem null-dimensionalen Halbleitersystem, z. B. in einem Quantenpunkt, an- oder abregt entsprechend den Rabi-Oszillationen für dieses elektronische System. Die erzeugte Anregung führt zu einem Photostrom.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Bauelement ermöglicht z. B. die Realisierung eines frequenzgesteuerten Stromnormals.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Photostroms nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Halbleiterbauelement nach den Merkmalen des Anspruch 7. Insbesondere geht es bei dem erfindungsgemässen Verfahren und Bauelement um die Möglichkeit, einen Photostrom quantitativ und korreliert mit einzelnen Laserpulsen zu generieren und zu steuern.

Aus dem Stand der Technik sind mehrere unterschiedliche Verfahren zur Steuerung eines Photostroms bekannt: Herkömmliche Photodioden sind üblicherweise als p-n, p-i-n Dioden ausgeführt. Die optische Absorption findet dabei in einem Volumenhalbleiter statt (M. Sze in: Physics of semiconductor devices, Wiley Inc., 1988/1989). Gemeinsame Eigenschaft dieser Photodioden ist eine spektrale Empfindlichkeit die bei der Energie der Bandlücke des jeweiligen Halbleitermaterials einsetzt und zu höheren Energien hin einen kontinuierlichen Verlauf aufweist. Ferner sind derartige Detektoren nur in der Lage Lichtintensitäten zu registrieren, nicht aber Phaseninformationen. Ein Verfahren zur kohärenten Kontrolle eines Photostroms wurde mittels gepulster optischer Anregung im fs-Bereich an Volumenhalbleitern demonstriert (A. Haché et al., Phys. Rev. Lett. 78, 3069 (1997)). Hier wird jedoch nur eine nicht-quantitative Kontrolle des Photostroms erreicht.

Einfache Ausführungsbeispiele von Photodioden mit Ensemblen von Quantenpunkten als absorbierendes Medium sind in L. Chu, M. Arzberger, A. Zrenner, G. Böhm, and G. Abstreiter, Appl. Phys. Lett. 75, 2247 (1999) und Fry et al. Phys. Rev. Lett. 84, 733 (2000) dargestellt. Bei den verwendeten Quantenpunkt-Ensemblen handelt es sich um inhomogen verbreiterte Anordnungen von 2-Niveau Systemen, die optische Linienbreiten vergleichbar mit denen von Volumenhalbleitern aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Bauelement zu entwickeln, bei dem der Photostrom quantitativ und zeitlich korreliert mit einzelnen Laserpulsen gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Das erfindungsgemässe Verfahren und das erfindungsgemässe Bauelement basieren auf der Tatsache, dass die energetisch niedrigsten Niveaus einzelner nulldimensionaler Systeme, wie zum Beispiel Halbleiter Quantenpunkte oder isolierte Störstellen in Halbleitern als zwei- Niveau Systeme, wie in Fig. 1b, 2a und 2b dargestellt, beschrieben werden können. In den Fig. 1-5 ist die Erfindung beispielhaft erläutert.

Zwei-Niveau Systeme 1 beschreiben ein physikalisches System, in dem Übergänge 14 zwischen zwei quantenmechanischen Zuständen betrachtet werden. Die dabei betrachteten Zustände können sich beispielsweise auf die Spinorientierung, auf die Besetzung mit Elektronen oder Exzitonen beziehen. Eine Änderung dieser Zustände kann durch das Einwirken (Absorption, Emission) elektromagnetischer Strahlung z. B. Laserpuls 12 erreicht werden. Das Verhalten von Zwei-Niveau Systemen 1 bei Anregung 14 mit elektromagnetischer Strahlung 12 ist aus der Literatur bekannt (I. I. Rabi, Phys. Rev. 51, 652 (1934) und C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, and F. Laloë, Quantum Mechanics (Wiley, New York, (1977)). Bei kohärenter gepulster Anregung 14 ergibt sich mit steigender Anregungsleistung eine Oszillation der Besetzungswahrscheinlichkeit zwischen 0% und 100%, die als Rabi-Oszillation 13' in Fig. 1c bezeichnet wird. Bei endlicher Phasenkohärenzzeit TP ergibt sich wie in Fig. 1c dargestellt eine gedämpfte Oszillation 13' der Besetzungswahrscheinlichkeit, die für sehr grosse Intensitäten gegen 50% konvergiert (inkohärenter Grenzfall). In Halbleitern kann die Anregung exzitonischer Moleküle, insbesondere die von Biexzitonen durch Einstrahlen zirkular polarisierter Pulse 12 vermieden werden (K. Brunner et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1138 (1994)).

Nach Anspruch 7 kann ein einzelnes Zwei-Niveau System in Form eines nulldimensionalen Systems 1 in einem Halbleiterbauelement elektrisch kontaktiert werden, indem eine Ladungstrennung durch Einbau in eine Schicht mit elektrischen Feld ermöglicht wird, das ein internes Feld ist, oder durch eine externe Spannung V gesteuert werden kann (siehe Fig. 3). Dies kann z. B. vorteilhaft durch eine p-i-n Struktur mit nulldimensionalen System 1 in der i- Schicht 3 zwischen einer n-Schicht 4 und p-Schicht 2 erreicht werden. Die Besetzungswahrscheinlichkeit des Zwei-Niveau Systems 1 kann damit direkt im Photostrom nachgewiesen werden.

Die Besetzungswahrscheinlichkeit eines Zwei-Niveau Systems 1 erreicht bei Erhöhung der Laser-Pulsenergie nach linearem Anstieg zunächst 100% (π-Puls 13) bevor ein Abfall wie in Fig. 1c dargestellt erfolgt. Für einen π-Puls 13 wird also genau ein Elektron-Loch Paar im Zwei-Niveau System 1 erzeugt. Eine nachfolgende Feldionisation durch Tunneln führt daher im Halbleiterbauelement zur Trennung von genau einem Elektron-Loch Paar. Bei Anregung mit π-Pulsen 13 der Wiederholfrequenz f ergibt sich deshalb ein Photostrom I = f × e, wobei e die Elementarladung ist. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement liefert daher einen streng deterministischen Photostrom, dessen Zeitstruktur selbst auf der Ebene einzelner Ladungen durch die zeitliche Abfolge der eintreffenden π-Pulse 13 gegeben ist. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist daher als frequenzgesteuertes Stromnormal geeignet.

Für den Betrieb des Halbleiterbauelements sind folgende charakteristischen Zeiten wichtig: Dies sind zum einen die Phasenkohärenzzeit TP und die Lebensdauer TL des optischen Übergangs, die im Bereich tiefer Temperaturen typisch im Bereich TP = 30 ps und TL = 1 ns. Im Betrieb einstellbar hingegen ist Breite des Laserpulses TB (minimal 10 fs), Pulswiederholfrequenz f und die vom elektrischen Feld abhängige Tunnelzeit TT des Elektrons und Lochs aus dem nulldimensionalen System 1. Bevorzugt werden die Zeiten so eingestellt, dass TT grösser als TP ist aber deutlich kleiner als TL, und TB kleiner als TP. Bei dieser Wahl der Zeiten ist es möglich, durch Einstrahlen phasengekoppelter Pulsfolgen innerhalb der Phasenkohärenzzeit eine kohärente Kontrolle des Photostroms durchzuführen. Vorteilhaft kann ein erster π-Puls 13 eine Besetzungswahrscheinlichkeit von 100% erzeugen, ein zweiter diese wieder auf 0% abregen. Da das Eintreffen jeweils nur eines π-Pulses 13 zu 100% Besetzungswahrscheinlichkeit führt, das Eintreffen keines oder zweier π-Pulse 13 jedoch zu 0%, liegt hier eine exklusiv- oder Verknüpfung vor, die im Photostrom nachweisbar ist.

Statt Ladungstrennung mittels statischer elektrischer Felder kann vorteilhaft die Ladungstrennung mittels gepulster elektrischer Felder 15 erfolgen, wie in Fig. 4a und b dargestellt. Dabei wird vorteilhaft in zeitlicher Korrelation zu den eintreffenden Laserpulsen 12 ein gepulstes elektrisches Feld 15 zeitlich so angelegt, dass eine feldinduzierte Dephasierung vermieden wird. Dadurch kann vorteilhaft die maximal verfügbare Phasenkohärenzzeit des nulldimensionalen Systems 1 genutzt.

Mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Photodioden mit einzelnen nulldimensionalen Systemen sind in Fig. 5a-d beschrieben. In der in Fig. 5a dargestellten Variante ist das nulldimensionale System 1 in eine eine undotierte, eigenleitende i- Halbleiterschicht 3 eingebettet. Die undotierte Schicht ist wiederum eingebettet zwischen einer p-leitenden Schicht 2 mit p-Kontakt 6 und einer n-leitenden Schicht 4 mit n-Kontakt 7. Es ergibt sich daher eine p-i-n Struktur. Zur elektrischen Isolation der des n-Kontakts 7 von den den übrigen Teilen der Struktur kann vorteihaft ein Isolationsmaterial 5 aufgebracht werden. Eine funktionsgleiche Variante ergibt sich durch Vertauschung der n- und p-Gebiete sowie der entsprechenden Kontakte.

In Fig. 5b ist eine p-n Struktur dargestellt. Hier befindet sich das nulldimensionale System 1 im Bereich des p-n Übergangs zwischen einer p-leitenden Schicht 2 mit p-Kontakt 6 und einer n-leitenden Schicht 4 mit n-Kontakt 7. Zur elektrischen Isolation der des n-Kontakts 7 von den den übrigen Teilen der Struktur kann wiederum vorteihaft ein Isolationsmaterial 5 aufgebracht werden. Eine funktionsgleiche Variante ergibt sich durch Vertauschung der n- und p-Gebiete sowie der entsprechenden Kontakte.

In Fig. 5c ist eine Heterostruktur dargestellt. Das nulldimensionale System 1 befindet sich hier in einer undotierten, eigenleitenden i-Halbleiterschicht 3, die eine größere Bandlücke aufweist als die übrigen Halbleitergebiete in der Struktur. Daraus ergibt sich ein Bandsprung zu den angrenzenden Halbleitergebieten 2 und 9, die als p- und p-, oder als p- und n-Gebiete ausgeführt sein können. Diese sind wiederum mit p-6 und p-10, oder aber p-6 und n-10 Kontakten verbunden. Eine funktionsgleiche Variante ergibt sich durch Vertauschung der n- und p-Gebiete sowie der entsprechenden Kontakte.

In Fig. 5d ist eine p-i-Schottky Struktur dargestellt. Das nulldimensionale System 1 befindet sich hier in einer undotierten, eigenleitenden i-Halbleiterschicht 3. Diese grenzt auf einer Seite an ein p-Gebiet 2 mit p-Kontakt 6, auf der anderen Seite an einen Schottky-Kontakt 11. Eine funktionsgleiche Variante ergibt sich durch Vertauschung der Dotierung von p nach n. Auch hier könnte es sich um eine Heterostruktur handeln, in der das i-Gebiet 3 eine höhere Bandlücke aufweist als die übrigen Halbleiterschichten. Das i-Gebiet 3 kann auch eine dotierte, verarmte Halbleiterzone sein.

In den Fig. 1a, 2a, 4 und 5a-d stellt das nulldimensionale System 1 eine Störstelle im Bereich der Bandlücke, oder einen Quantenpunkt mit einer kleineren Bandlücke und Grundzustandsenergie als der des umgebenden Halbleitermaterials dar. Der Photostrom wird über die Kontakte 6, 7, 10, 11 abgegriffen.

Das in Fig. 5a-d beschriebene optoelektronische Bauelement kann als hoch-ortsauflösender Photodetektor und als Photodetektor mit resonanter spektraler Empfindlichkeit eingesetzt werden. Beim hoch-ortsauflösenden Photodetektor ist vorteilhaft nur ein nulldimensionales System 1 elektrisch kontaktiert.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Erzeugung und Steuerung eines Photostroms dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Laserpuls (12) mit zumindest einem elektrisch kontaktierten nulldimensionalen System (1), das Bestandteil einer Halbleiter-Photodiode ist, wechselwirkt und elektronische Übergänge im null-dimensionalen System (1) an- oder abregt entsprechend den Rabi-Oszillationen (13') für die elektronischen Übergänge (14) eines null-dimensionalen Systems (1).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Laserpuls (12) genau ein einziger π-Puls (13) ist innerhalb der Phasenkohärenzzeit der elektronischen Anregung (14) des null-dimensionalen Systems (1).
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Laserpulse π-Pulse (13) sind, die innerhalb der Phasenkohärenzzeit mit der elektronischen Anregung (14) des null-dimensionalen Systems (1) wechselwirken.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das null-dimensionale System (1) im Photostrom die Anzahl und Zeitfolge der π-Pulse (13) detektiert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Photostrom, der bei Anregung mit π-Pulsen (13) gegeben ist durch Wiederholfrequenz der π-Pulse (13) mal Elektronenladung, zur Realisierung eines frequenzgesteuerten Stromnormals herangezogen wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das null-dimensionale System (1) ein Quantenpunkt ist.
  7. 7. Optoelektronisches Bauelement zur Durchführung eines Verfahrens zur Erzeugung und Steuerung eines Photostroms, insbesondere nach Anspruch 1, wobei:
    1. a) Das optoelektronische Bauelement ein Halbleiterbaulement ist.
    2. b) Das Bauelement ein einziges null-dimensionales System (1) oder zumindest eine genau bekannte Anzahl null-dimensionaler Systeme (1) mit Eigenenergien (14) innerhalb der spektralen Breite eines Laserpulses (12) aufweist.
    3. c) Das null-dimensionale System (1) sich in einer Schicht (3, 4, 8) befindet, die ein internes elektrisches Feld aufweist.
  8. 8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein einziges null-dimensionales System (1) enthält.
  9. 9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein hoch ortsauflösender Detektor ist.
  10. 10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Photodetektor mit resonanter spektraler Empfindlichkeit ist.
  11. 11. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine definierte Anzahl null-dimensionaler Systeme (1) mit bekannten Eigenenergien (14) und Positionen innerhalb des Bauelements enthält.
  12. 12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das null-dimensionale System (1) ein Quantenpunkt ist.






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