DE69318755T2

DE69318755T2 - Treiberschaltung für ein pnpn Halbleiterelement

Info

Publication number: DE69318755T2
Application number: DE69318755T
Authority: DE
Inventors: Ichiro C/O Nec Corporation Tokyo Ogura
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1993-03-23
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2013-03-24
Also published as: EP0566885B1; JPH0645641A; DE69318755D1; EP0566885A1; US5677552A; JP3016302B2

Description

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für ein pnpn-Halbleiterelement.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Verwendung von Licht bei der Informationsverarbeitung läßt erwarten, daß eine Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit und eine große Kapazität möglich ist. Die optische Informationsverarbeitung wird verwendet, um eine Verarbeitung eines optischen Signals unter Verwendung optisch funktionierender Elemente zu bewirken, die Funktionen für Schwellwertverarbeitung, Rechnen, Speichern usw. haben. Als ein Vorteil der optischen Informationsverarbeitung gegenüber der elektrischen Informationsverarbeitung wird angesehen, daß diese durch die Nutzung der Inkohärenz von Licht eine Parallelverarbeitung mit hoher Dichte erlaubt. Daher werden Untersuchungen auf optische Funktionselemente gerichtet, die zweidimensional in hoher Dichte integriert werden können. Als Beispiel für optische Funktionselemente sind ein Schalter und ein optischer Thyristor mit pnpn-Struktur beschrieben worden, bei denen ein Fototransistor und ein lichtemittierendes Element mit pn-Übergang integriert sind.
Der Schalter ist im Detail offenbart in "Optical Devices of InGaAsP/InP Heterojunction Phototransistors and Inner Stripe Light-Emitting Diodes", IEEE Transaction an Electron Devices, Vol. ED-32, 1985, Seiten 2656-2660, und der optische Thyristor ist im Detail offenbart in "Double Heterostructure Optoelectronic Switch as a Dynamic Memory with Low-Power Consumption", Applied Physics Letter, Vol. 52, 1988, Seiten 679-681. Als optischer Thyristor ist ein Element von einem oberflächenemittierenden Lasertyp, in welches eine vertikale Resonatorstruktur eingebaut ist, um die Effizienz und die Geschwindigkeit der Lichtemission zu verbessern, offenbart in "Surface-Emitting Laser Operation in Vertical-to-Surface Transmission Electrophotonic Devices with a Vertical Cavity", Applied Physics Letter, Vol. 58, 1991, Seiten 1250-1251. Weiterhin ist für den Schalter ein Rücksetzvorgang beschrieben worden, bei dem ein Fototransistor innerhalb der Struktur eines optischen Schalters verwendet wird, wobei Licht in den Fototransistor durch eine Treiberschaltung eingeführt wird, die parallel zu dem optischen Schalter geschaltet ist, um einen optischen Schalter von einem EIN-Zustand in den AUS-Zustand rückzuführen.
Eine pnpn-Halbleiterstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist offenbart in "Functional Integration of Light-Triggered Static Induction Thyristor and the Static Induction Phototransistor", J. Nishizawa et al.; IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-7, Nr. 4, Seite 265 (1986).
Die vorstehend erwähnten Funktionselemente benötigen jedoch Operationen zum Steuern der Vorspannung, wenn Licht empfangen oder emittiert wird und Senken der Spannung auf einen Pegel nahe Null für das Rücksetzen, um den Ausgangszustand nach dem Schalten wiederherzustellen oder Herausziehen von Trägern mittels einer Gateelektrode, und wo diese mit hoher Dichte zweidimension integriert sind, ist es schwierig, elektrische Verdrahtungsleitungen für das elektrische Treiben einzelner Vorrichtungen durch externe elektrische Schaltungen zu legen. Weiterhin sind eine hohe Leistung und eine beträchtliche Menge Zeit für das Durchführen der Rücksetzoperation erforderlich, da die beschriebene Rücksetzoperation einen Fototransistor verwendet, was ein Absenken der Spannung, welche an den optischen Schalter angelegt ist, mittels eines parallel zum optischen Schalter geschalteten Fototransistors mit sich bringt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschaltung für ein pnpn-Halbleiterelement zu schaffen, wobei die vorstehend beschriebenen Nachteile eliminiert sind und in welcher die Vorspannungssteuerung und ein Rücksetzvorgang mit Licht durchgeführt werden können.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Treiberschaltung für ein pnpn-Halbleiterelement mit der Konstruktion gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so aufgebaut, daß die Schaltung aus einem Bipolar-Transistorelement gebildet ist, das durch die Verwendung eines Teils der pnpn-Schichtstruktur jedes der pnpn-Elemente erhalten wird, die zweidimensional auf einem Substrat ausgebildet sind, wobei die Schaltung erste bis dritte Halbleiterschichten oder zweite bis vierte Halbleiterschichten aufweist und an wenigstens eine einer ersten Gateelektrode und einer zweiten Gateelektrode des pnpn-Elementes angeschlossen ist, so daß das Zuführen und das Herausziehen von Strom bei der Transistorschaltung über die Gateelektroden erfolgt, und daß Licht in den Bipolar-Transistor so eingeleitet wird, daß der Bipolar-Transistor als ein Fototransistor wirkt.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Treiberschaltung für ein pnpn-Halbleiterelement gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 gegeben.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der begleitenden Figuren hervor, in welchen ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsform eines pnpn-Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer aktiven Schicht eines pnpn-Halbleiterelements;
Fig. 3 ein Schaltbild des Aufbaus einer Treiberschaltung für das pnpn-Halbleiterelement; und
Fig. 4 eine ähnliche Darstellung eines weiteren Beispiels des Aufbaus einer Treiberschaltung für das pnpn- Halbleiterelement.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der vorliegenden Erfindung hat eine Treiberschaltung für ein pnpn-Halbleiterelement eine pnpn-Struktur aus Halbleitermaterial vom direkten Übergangstyp, die epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen ist, und eine Elektrode, die für jede pnpn-Schicht jedes der Elemente, die durch Ätzen voneinander getrennt sind, ausgebildet ist. Ein Element der pnpn-Struktur zeigt die Charakteristika eines Thyristors, wenn an die p- und n-Elektroden an den einander gegenüberliegenden Enden des Halbleiterelementes eine Vorwärtsspannung angelegt wird. Insbesondere ein Element mit einer pnpn-Struktur verbleibt in einem Hochwiderstandszustand, in welchem kein Strom durchfließt, wenn die angelegte Vorwärtsspannung niedriger als eine Schwellwertspannung ist, wenn jedoch die angelegte Vorwärtsspannung die Schwellwert spannung übersteigt, wird das Element in einen Niedrigwiderstandszustand umgeschaltet, in welchem Strom durchfließt. Dieses Schalten findet auch dann statt, wenn Licht in das Element eingeführt wird, während die angelegte Vorwärtsspannung niedriger als die Schwellwertspannung ist.
In einem Niedrigwiderstandszustand emittiert das Element Licht, wenn Strom zugeführt wird, und ein optischer Resonator, mit dem eine Laser-Oszillation erzielt wird, wird geschaffen, indem auf jedem der oberen und unteren Enden der pnpn-Struktur des Elements ein reflektierender Mehrschichtfilm-Spiegel mit einer Dicke gleich ein Viertel der Wellenlänge des zu emittierenden Lichtes ausgebildet wird, und der aus alternierenden Schichten zusammengesetzt ist, wobei diese Schichten aus zwei Halbleitertypen bestehen und zwei unterschiedliche Brechungsindizes haben. Hierbei kann im EIN-Zustand der zugeführte Strom effektiv in der aktiven Schicht eingefangen werden und es kann Laser-Oszillation auf einem niedrigen Stromversorgungspegel erzielt werden, indem in die aktive Schicht an den Grenzflächen einer Quantenwanne eine Struktur, zusammengesetzt aus Schichten mit graduell variierender Zusammensetzung, eingesetzt wird. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wird beim Schalten an einem nichtdotierten Teil der Quantenwanne, der die aktive Schicht enthält, die Heterobarriere an der Grenzfläche der Quantenwanne durch die eingesetzten Schichten graduell variierender Zusammensetzung reduziert, woraus folgt, daß verhindert wird, daß der durch Licht erzeugte Strom durch die Quantenwanne eingefangen wird.
Ein Bipolar-Transistor, der eine Schaltung zum Steuern des pnpn-Halbleiterelementes mit Licht darstellt, kann durch die Verwendung von drei pnp- oder npn-Elektroden der Elektroden des pnpn-Elementes erhalten werden. Da die Schwellwertspannung des pnpn-Elementes durch Stromzufuhr von der Gateelektrode zum Element fällt, wenn bewirkt wird, daß der Bipolar-Transistor als ein Fototransistor wirkt, in welchen Licht eingeführt wird und der Fototransistor an die Gateelektrode angeschlossen ist, um dem Fototransistor Strom zuzuführen, kann die Schwellwertspannung des pnpn-Elementes mittels der in den Fototransistor eingeführten Lichtintensität gesteuert werden. Weiterhin kann ein Rückstellen mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden, indem an der Gateelektrode des pnpn-Elementes im EIN-Zustand Strom herausgezogen wird. Wenn der Fototransistor so geschaltet ist, daß Strom an der Gateelektrode herausgezogen wird, kann das Rückstellen des pnpn-Elementes mit hoher Geschwindigkeit durch Einführen von Licht in den Fototransistor durchgeführt werden.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines pnpn-Halbleiterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung. Das pnpn-Halbleiterelement ist so aufgebaut, daß ein Paar reflektierender Mehrschichtfilm-Spiegel 12 und 13 jeweils aus alternierenden Schichten aus GaAs und AlAs mit einer Dicke gleich λ/4n gebildet sind, die an den oberen und unteren Enden einer AlGaAs/GaAs-Schichtstruktur 11 angeordnet sind, die in einer pnpn-Struktur Übergangshalbleiterschichten vom p-Typ und vom n-Typ aufweist, wobei die vorstehend beschriebene Struktur auf einem Substrat 25 aus einem halbleitenden GaAs ausgebildet ist. In dem Ausdruck λ/4n, der die Dicke der reflektierenden Mehrschichtfilm-Spiegel 12 und 13 definiert, ist, die Wellenlänge der Laser-Oszillation und n der Brechungsindex von GaAs oder AlAs. Der obere reflektierende Mehrschichtfilm-Spiegel 12 ist vom p-Typ und der untere reflektierende Mehrschichtfilm-Spiegel 13 ist vom n- Typ. Der Brechungsindex der reflektierenden Halbleiter- Mehrschichtfilm-Spiegel, der ungefähr 99,3% beträgt, wird mit 15 GaAs/AlAs-Schichten erzielt. Eine aktive Schicht hat eine Quantenwannenstruktur aus InGaAs und AlGaAs und ist zwischen die mittlere p-Schicht und n-Schicht eingesetzt.
Das Element ist in zwei Ätzschritten in einer Mesa-Form ausgebildet. In dem ersten Schritt werden der Mehrschichtfilm und die Halbleiterschicht vom p-Typ in der AlGaAs- Schicht vom n-Typ geätzt. Im zweiten Schritt werden mehrere Schichten in den unteren Halbleiter-Mehrschichtfilm geätzt, worauf die Durchführung des Ätzens des halbisolierenden Substrats folgt. Auf dem reflektierenden Mehrschichtfilm- Spiegel vom p-Typ wird eine Anodenelektrode 21 ausgebildet, auf der AlGaAs-Schicht vom n-Typ wird eine n-Gateelektrode 22 ausgebildet, auf dem Diffusionsbereich 26, der durch Diffundieren eines p-Fremdatoms in die n-AlGaAs-Schicht gebildet ist und der sich bis zu der p-GaAs-Schicht erstreckt, wird eine p-Gateelektrode 23 ausgebildet und auf dem zweiten Mehrschichtfilm vom n-Typ wird eine Kathodenelektrode 24 ausgebildet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur des aktiven Schichtteils des pnpn-Halbleiterelements. An der Grenzfläche der Quantenwannenstruktur, in welcher InGaAs zwischen AlGaAs gehalten ist, wird eine Struktur eingesetzt, in welcher die Periode der Superstruktur von InGaAs und AlGaAs artifiziell variiert ist, so daß die mittlere Zusammensetzung graduell variiert.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Treiberschaltung für das pnpn-Halbleiterelement mit einem Aufbau ausgebildet ist, bei dem ein Paar npn-Fototransistoren an eine n-Gateelektrode angeschlossen sind. Die npn-Transistoren können durch Treiben der pnp-Struktur gemäß Fig. 1 realisiert werden, dergestalt, daß die Kathodenelektrode 24 als der Emitter, die p-Gateelektrode 23 als die Basis und die n-Gateelektrode 22 als der Kollektor wirken. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Basen offen, da die npn-Transistoren als Fototransistoren verwendet werden. Der Emitter des Fototransistors 40 ist an die n-Gateelektrode angeschlossen, der Kollektor der Fototransistors 40 ist an die positive Netzquelle 50 angeschlossen, während der Kollektor des Fototransistors 41 an die n-Gateelektrode angeschlossen ist und der Emitter des Fototransistors 41 ist an die negative Netzquelle 51 angeschlossen. Die Anode des pnpn-Elementes ist über einen Lastwiderstand an die positive Netzquelle angeschlossen und die Kathode des pnpn-Elementes ist an Masse angeschlossen.
Die positive Netzquelle ist auf einen Wert niedriger als die Schwellwertspannung des pnpn-Elementes eingestellt, so daß dem pnpn-Element ein festliegender Strom zugeführt werden kann, wenn das pnpn-Element in dem EIN-Zustand ist. Die Intensität des Lichtes 60, das in das pnpn-Element eingeführt wird, ist auf einen Wert eingestellt, bei dem das Element bei der Spannung der positiven Netzqelle nicht geschaltet werden kann und ein Steuerlicht 61 wird in den Fototransistor 41 eingeführt, während von der n-Gateelektrode Strom zugeführt wird. Daraus folgt, daß die Schwellwertspannung des pnpn-Elementes fällt, so daß es durch Auftreffen des Lichts 60 geschaltet wird. Wenn in den Fototransistor 40 bei im EIN-Zustand befindlichem Element Rückstelllicht 62 eingeführt wird, werden Träger, die in der pnpn- Struktur akkumuliert sind, von der n-Gateelektrode durch den Fototransistor abgezogen, so daß das Element in den AUS-Zustand rückgesetzt wird.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, durch die eine Treiberschaltung für das pnpn-Halbleiterelement realisiert ist, mit einem Aufbau, bei dem ein Paar npn-Fototransistoren an eine n-Gateelektrode und eine p-Gateelektrode angeschlossen sind. Der Emitter des Fototransistors 40 ist an die n-Gateelektrode angeschlossen und der Kollektor des Fototransistors 40 ist an die positive Netzquelle 50 ange schlossen. Der Emitter des Fototransistors 41 ist an die p- Gateelektrode angeschlossen und der Kollektor des Fototransistors 41 ist an die positive Netzquelle 50 angeschlossen. Der Betrieb der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich wie der der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und es wird Steuerlicht 61 in den Fototransistor 41 eingeführt, während Rücksetzlicht 62 in den Fototransistor 40 eingeführt wird. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 3 erfordert die vorliegende Konstruktion nur eine Netzquelle.
Wenn die Fototransistoren in vorstehend beschriebenen Ausführungsformen durch Fototransistoren vom pnp-Typ ersetzt werden, kann ein ähnlicher Betrieb erzielt werden, indem die Verbindungen der Emitter und der Kollektoren umgekehrt werden.
Wie im einzelnen vorstehend beschrieben und gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von Transistoren, die aus der pnpn-Struktur erzielt werden, ein pnpn-Halbleiterelement mit Lichtempfangs- und Vertikalemissions-Laser- Ausgangsfunktionen und eine Treiberschaltung, die die Vorspannungssteuerung und das Rücksetzen des pnpn-Halbleiterelements mit Licht bewirken kann, realisiert werden.
Obwohl vorstehend eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist klar zu ersehen, daß Variationen der Ausführungsform möglich sind und daß der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch die anhängenden Patentansprüche definiert ist.

Claims

1. Treiberschaltung für ein pnpn Halbleiterelement mit einer pnpn Schichtstruktur (11) mit mindestens einer ersten Halbleiterschicht vom direkten Übergangstyp mit entweder p- oder n-Leitfähigkeit, einer zweiten Halbleiterschicht vom Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt dem der ersten Halbleiterschicht, einer dritten Halbleiterschicht mit derselben Leitfähigkeit wie die erste Halbleiterschicht und einer vierten Halbleiterschicht mit derselben Leitfähigkeit wie die der zweiten Halbleiterschicht, mit Elektroden (21, 24), die für jede der ersten und vierten Halbleiterschicht vorgesehen sind, einer ersten Gate-Elektrode (23), die für die zweite Halbleiterschicht vorgesehen ist, und einer zweiten Gate-Elektrode (22), die für die dritte Halbleiterschicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung aus einem bipolaren Transistorelement gebildet ist, welches erhalten wird durch Benutzen eines Teils der pnpn Schichtstruktur jedes pnpn Elements (11), welcher zweidimensional auf einem Substrat (25) angeordnet ist, wobei die Schaltung erste bis dritte Halbleiterschichten oder zweite bis vierte Halbleiterschichten aufweist und verbunden ist mit mindestens einer der ersten Gate-Elektrode und der zweiten Gate-Elektrode des pnpn Elements, so daß mit Zufuhr und das Abziehen von Strom der Transistorschaltung durchgeführt wird durch diese Gate-Elektroden, und daß Licht eingeführt wird in den Bipolartransistor, so daß der Bipolartransistor als Phototransistor arbeitet.

2. Treiberschaltung für ein pnpn Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei ein paar von reflektierenden Spiegeln (12, 13), die jeweils auf einem Halbleitervielschichtfilm ausgeformt sind, am oberen und unteren Ende der pnpn Schichtstruktur (11) ausgeformt sind, wobei die Energie-gaps der ersten und vierten Halbleiterschicht größer sind, als die Energie-gaps der zweiten und dritten Halbleiterschicht, und daß eine nicht dotierte Schichtstruktur, welche eine aktive Schicht enthält, ausgebildet ist zwischen der zweiten Halbleiterschicht und der dritten Halbleiterschicht.

3. Treiberschaltung für ein pnpn Halbleiterelement nach Anspruch 2, wobei die aktive Schicht eine Quanten-Well-Struktur hat, wobei der Halbleiter mit einem kleinen Energie-gap und mit einer Dicke von einigen zehn nm gehalten ist zwischen einem Paar von Schichten eines anderen Halbleiters, der ein Energie-gap größer als der erste Halbleiter hat, und eine Halbleiterschicht, in welcher das Energie-gap graduell variiert innerhalb eines Bereiches von einigen zehn nm, eingefügt ist an der Zwischenfläche der Quanten-Well- Struktur.