DE1219120B - Elektrolumineszente PN-Halbleiterdiode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H05b

HO3c

Deutsche KL: 2If-89/03

Nummer: 1219120

Aktenzeichen: J 25843 VIII c/21 f

Anmeldetag: 15. Mai 1964

Auslegetag: 16. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszente PN-Halbleiterdiode.

Es ist bekannt, daß Halbleiterdioden, die aus einer halbleitenden Verbindung, z. B. aus Galliumarsenid oder Galliumphosphid bestehen, in der Lage sind, auf Grund von Rekombinationsvorgängen innerhalb der Sperrschicht sowohl inkohärentes als auch kohärentes Licht unter jeweils verschiedenen Betriebsbedingungen auszusenden. Eine solche Diodenlichtquelle besteht im wesentlichen aus einer PN-Sperrschicht, die in ihrer Durchlaßrichtung mit einer pulsierenden Spannung beaufschlagt wird, wobei die Lichterscheinungen in der Nähe der Sperrschicht beobachtet werden. Die zur Steuerung der Lichtemission benötigte Energie wird von einem geeigneten Stromversorgungsgerät mit einem zwischengeschalteten Steuersystem geliefert, das im wesentlichen Transistorverstärkerschaltungen umfaßt. Für eine Reihe von Anwendungen ist dieses Steuersystem ziemlich kompliziert und aufwendig.

Für Anwendungen, bei denen besonders die Geräteabmessungen eine Rolle spielen, ist es besonders wünschenswert, über kompakte Geräte zu verfügen, die aus einer Halbleiterlichtquelle bestehen, bei denen diese sowie das erforderliche Zubehör einen einheitlichen Geräteblock bilden. Dabei sollte der Verlust an elektrischer Energie während der Umsetzung gering sein. Zur Zeit waren derartige Geräte nicht verfügbar, auch wurden fast ausschließlich reine Diodenstrukturen als lichterzeugende Bauteile benutzt.

Die Erfindung setzt sich daher zur Aufgabe, eine steuerbare, verbesserte Halbleiterlichtquelle zu erstellen, die zusammen mit den zugehörigen Steuermitteln und Versorgungsquellen einen einheitlichen Block bildet. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer elektrolumineszenten PN-Halbleiterdiode, die aus einer halbleitenden Verbindung, z. B. Galliumarsenid besteht, die Diode erfindungsgemäß durch Hinzunahme einer weiteren Schicht vom entgegengesetzten Leitungstyp (P oder N) nach Art eines PNP- oder NPN-Transistors aufgebaut ist, wobei sich diese dritte Schicht als Emitter (12) zur Modulation des auszusendenden Lichtes nach unten an die dünne Basisschicht anschließt, die ihrerseits zusammen mit der Kollektorschicht diejenige Sperrschicht bildet, von der das Licht ausgeht.

Weitere Eigenschaften der elektrolumineszenten Diode nach der Erfindung gehen aus der Beschreibung sowie den Figuren hervor:

F i g. 1 stellt schematisch die Schaltung einer elektrolumineszenten Halbleitervorrichtung nach der Erfindung dar;

Elektrolumineszente PN-Halbleiterdiode

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y. (V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Melvin Klein,

Poughkeepsie, Dutches, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Mai 1963 (283 414)

F i g. 2 zeigt einen Seitenriß einer etwas abgeänderten lumineszenten Halbleitervorrichtung;

Fig. 3 betrifft eine weitere Modifikation des Erfindungsgegenstandes.

Die in Fig. 1 dargestellte lumineszente Halbleitervorrichtung besteht aus einer Transistorstruktur 10 aus Halbleitermaterial einer halbleitenden Verbindung, mit einem Basisbereich Il eines ersten Leitfähigkeitstyps zwischen den Emitter- und Kollektorbereichen 12 bzw. 13 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit den PN-Sperrschichten 14 und 15.

Das verwendete Halbleitermaterial aus einer chemischen Verbindung ist z. B. Galliumarsenid oder GaI-liumarsenidphosphid. Es ist bekannt, daß hiermit aufgebaute Sperrschichten beim Durchgang eines elektrischen Stromes in Durchlaßrichtung in der Lage sind, infolge von Rekombination der Ladungsträger Licht zu emittieren. Die Sperrschichten 14 und 15 können sowohl durch Legierung als auch durch Diffusion hergestellt werden; im folgenden sind sie als durch Diffusion entstanden dargestellt. Zu diesem Zweck können die Emitter- und Basisbereiche 12 bzw. 11 hergestellt werden, indem Zink in herkömmlicher Weise in ausgewählte Bereiche des Ausgangsplättchens vom N-Typ (Basisbereich 11) eindiffundiert wird. Die Diffusionstemperatur und -dauer wird so

so gewählt, daß die sich einstellende Dickenabmessung des Basisbereichs zwischen den Sperrschichten 14 und 15 eine hohe Stromverstärkung β des Transistors

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gewährleistet. Zu diesem Zweck ist die Basisstärke Verbindung £4 befindet sich zwischen einer der

vorzugsweise nicht größer als 1 μΐη. ^: -"^; Klemmen 23 und der Emitterklemme 16 und die Ver-

Die elektrolumineszente Halbleiterdiode 10 besitzt bindung 25 zwischen der anderen Klemme 23 und

eine Emitterklemme 16, die ohmisch in herkömm- dem Basisplättchen 20. Eine Steuersignalquelle 27

licher Weise am Emitterbereich 12 angebracht ist. 5 liefert ein geeignetes Signal an die' Klemmen 23. Bei

Eine Kollektorklemme 17 ist in geeigneter Weise an dieser Quelle kann es sich um einen herkömmlichen

einem Ring 18 aus leitendem Material angebracht, Signalgenerator, wie z. B. einen Wechselstromsignal-

der ohmisch mit dem peripheren Teil des Kollektor- generator, handeln. Vorzuziehen ist jedoch ein Im-

bereichs 13 verbunden ist. Dünne Isolierschichten 19 pulsgenerator zur Erzeugung periodischer Impulse,

aus einem geeigneten Material, wie z. B. Silizium- io durch die der Transistor stark leitend gemacht und in

dioxyd, oder eine mehrfache Schicht, z. B. eine erste die Sättigung getrieben wird. Beim vorliegenden

Schicht aus Siliziumdioxyd mit einer darüberliegen- Transistor sind die Impulse negativ, und ihre Ampli-

den dünnen Glasschicht, sind teilweise auf der Ober- tude, Dauer und Frequenz sind so gewählt, daß die

und der Unterseite des Transistors aufgebracht, um Sättigung des Transistors ohne dessen Zerstörung

die bis zu diesen Flächen reichenden Teile der Sperr- 15 herbeigeführt wird.

schichten 14 und. 15 gegen Verschmutzung zu schüt- Wenn ein negatives Signal, z. B. in Form eines Imzen und unerwünschte Oberflächeneffekte zu verhin- pulses, an den Basisbereich 11 angelegt wird, wird der dem. Diese Oberflächenbeschichtung erfolgt durch Transistor 10 stark leitend. Da eine Schaltung mit thermische Zersetzung einer Siloxanverbindung, wo- gemeinsamem Emitter verwendet wird und der Basisdurch eine dünne Siliziumdioxydschicht entsteht. Da- 20 bereich 11 eine geringe effektive Stärke hat, liegt ein nach wird auf die Siliziumdioxydschicht eine dünne hoher Stromverstärkungsfaktor β vor, so daß durch Glasschicht aufgebracht, indem die Vorrichtung in geringe Änderungen des Basisstroms große Änderuneiner organischen Flüssigkeit, die eine Suspension gen des Kollektorstroms hervorgerufen werden; der von fein verteilten Glasteilchen enthält, zentrifugiert Transistor wird daher in die Sättigung getrieben, wird. Hierdurch bildet sich auf der Siliziumdioxyd- 25 Hierdurch wird nun der Kollektorbereich 13 in bezug schicht eine dünne, homogene Schicht von Glasteil- auf den Basisbereich 11 in Durchlaßrichtung vorgechen. Durch chemische Reaktion der Teilchen mit spannt, und angrenzend an die Grenzschicht 15 zwider Siliziumdioxydschicht erhält man die gewünschte sehen Kollektor 13 und Basis 11 entsteht ein Lichtzusammengesetzte Schicht 19. Mittels herkömmlicher signal, das durch den Lichtleiter 26 weitergeleitet Ätzverfahren werden durch die genannten Schutz- ₃₀ wird, z. B. zu einer lichtempfindlichen Vorrichtung, schichten 19 geeignete Löcher geätzt, um die dar- Infrarotlicht entsteht bei Verwendung eines Halbleiunterliegenden Teile des Halbleitermaterials mit den termaterials aus Galliumarsenid. Liegen keine optisch erforderlichen Klemmen zur Zuführung der elektri- ebenen, durch Rristallspaltung oder durch Polieren sehen Energie zu versehen. Ein oder mehrere Basis- erzeugte reflektierenden Halbleiterflächen vor, so entplättchen 20 können ohmisch in herkömmlicher ₃₅ steht wegen des Fehlens von optisch resonanten Ge-Weise am Basisbereich angebracht werden. -. bilden inkohärentes Licht. Die Lichtemission hört

Die elektrolumineszente transistorartige Halbleiter- auf, wenn die Größe des angelegten Signals so weit diode nach der Erfindung umfaßt weiter die Betriebs- abnimmt, daß die Sättigung des Transistors 10 verschaltung. Hierbei ist der Transistor 10 in einer schwindet. Es können also kleine Änderungen eines Schaltung . mit gemeinsamem Emitter angeordnet. ₄₀ Parameters des Steuersignals, z. B. dessen Amplitude Außerdem ist der Kollektorbereich 13 gegenüber dem · oder Frequenz, zur Modulation oder zur Ausschal-Basisbereich 11 in Sperrichtung vorgespannt. Der tung des Lichtsignals der Halbleitervorrichtung ver-Emitterbereich 12 ist über seine Klemme 16 geerdet. wendet werden. Je höher der yS-Wert des Transistors Die Kollektorklemme 17 ist an die Emitterklemme 16 ist, um so geringer ist die Größe des angelegten Siüber einen Widerstand 21 und eine Spannungsquelle ₄₅ gnals, die nötig ist, um den Transistor in die Sättigung 22 angeschlossen, die so gepolt ist, daß die Grenz- _zu treiben. Weil solche Materialien wie Galliumschicht 15 zwischen Kollektor und Basis in Sperrich- arsenid eine kurze Rekombinationslebensdauer betung vorgespannt wird. sitzen, zeigen sie nicht nur eine gute Lichtausbeute,

Die Betriebsschaltung umfaßt außerdem eine sondern sind auch geeignet, schnell geschaltet oder Steuervorrichtung mit zwei Klemmen 23 und den 50 moduliert zu werden. Es ist bekannt, daß durch Küh-Verbindungen 24 und 25. Das zugeführte elektrische lung des Transistors des Systems eine größere Licht-Steuersignal soll eine solche Kennlinie besitzen, daß ausbeute erhalten werden kann, weil Beschädigungsder zwischen den Emitter- und Kollektorbereichen 12 möglichkeiten durch Überhitzung usw. wesentlich und 13 entstehende Stromfluß groß ist gegenüber dem reduziert werden.

Strom des Steuersignals, so daß der Transistor 10 in ₅₅ Das oben beschriebene lichtemittierende System die Sättigung getrieben wird. Hierdurch ergibt sich erfährt einen kleineren Spannungsabfall über seine eine Vorspannung des Kollektorbereichs 13 bezüglich Emitter- und Kollektorbereiche als dies über die des Basisbereichs 11 in Durchlaßrichtung, und es Klemmen einer lichtemittierenden Diode der Fall ist. wird ein Lichtsignal im Bereich der Sperrschicht 15 Dies ist insofern besonders vorteilhaft, als das Tranzwischen Kollektor und Basis erzeugt. Dieses Licht- 60 sistorsystem mit einem höheren Wirkungsgrad arbeisignal wird durch einen Lichtleiter 26, der aus einem ten kann, weil die Energie im Transistor selbst umgegeeigneten durchsichtigen Material, wie z.B. Glas, be- setzt wird. Zusätzlich wird durch die Kompaktheit stehen kann und mit der Oberseite des Kollektorbe- des Systems Platz gespart. Außerdem ist der zum Bereichs 13 verbunden ist, weitergeleitet. Statt dessen treiben des Transistors erforderliche Steuersignalkann jedoch auch ein anderes Medium, z.B. Luft, 65 strom um die Größenordnung des Stromverstärkungsfür die Weiterleitung des erzeugten Lichts zu einer faktors β des Transistors kleiner als der zum Betreigeeigneten lichtempfindlichen Auswertvorrichtung, ben einer separaten elektrolumineszenten Diode bez. B. einer Siliziumphotozelle, verwendet werden. Die nötigte Strom.

Das Transistorsystem nach der Erfindung kann in Verbindung mit Audio- und Videomodulation von Licht in Multiplexsystemen und als Lichtquelle für Lochkarten- und Bandlesevorrichtungen verwendet werden.

Das in Fig. 2 dargestellte elektrolumineszente transistorartige System entspricht im allgemeinen demjenigen von F i g. 1. Daher sind entsprechende Teile, obwohl sie eine etwas andere Form besitzen können, in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es handelt sich jedoch hierbei um eines der sogenannten planaren Gebilde vom NPN-Typ; alle Sperrschichten erstrecken sich bis zur Oberfläche. Der N-Kollektorbereich 13 bildet ein Ausgangsplättchen, das z. B. aus mit Tellur dotiertem Galliumarsenid besteht, und die Basis- und Emitterbereiche 11 und 12 werden in aufeinanderfolgenden Diffusionsschritten hergestellt. Als zu diffundierender Störstoff zur Bildung des P-Basisbereichs 11 kann Zink verwendet werden. Zur Herstellung des N-Emit- ao terbereichs 12 wird Schwefel, Selen oder Tellur in einen ausgewählten Teil desP-Basisbereichs eindiffundiert. Die N-Störstellen werden in ausgewählte Bereiche eindiffundiert durch eine dünne kohärente Schicht aus Siliziummonoxyd, deren Stärke im Bereich von 2000 bis 20 000 Ä liegt (üblich sind 2500 A), während die übrigen Bereiche des Halbleiterkörpers mit einer wesentlich stärkeren Siliziummonoxydschicht bedeckt werden, die als Diffusionsmaske dient. Die dünne Schutzschicht verhindert die Entstehung unerwünschter Verbindungen in Form von Chalkogeniden auf den ausgewählten Flächen der halbleitenden Verbindung und ermöglicht zugleich die Diffusion der N-Störstelle in das Halbleiterplättchen, die sonst nicht eintreten würde. Dann werden Emitter- und Basisklemmen 16 und 20 in herkömmlicher Weise an den betreffenden Bereichen angebracht, während eine mit Öffnungen versehene Platte 18 als Kollektorklemme dient. Nach Belieben kann auch ein Glas- oder anderer durchsichtiger Überzug 30 in die Öffnung in der Platte 18 eingebettet werden.

Die Wirkungsweise des Systems von F i g. 2 gleicht im wesentlichen der an Hand von F i g. 1 beschriebenen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß wegen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in Verbindung mit dem Transistor von F i g. 2 eine Kollektorvorspannung verwendet wird, die bezüglich ihrer Polarität der in Fig. 1 verwendeten entgegengesetzt ist.

Das in F i g. 3 dargestellte System gleicht fast genau dem von F i g. 2. Der einzige Unterschied besteht darin, daß ein Teil des Kollektorbereiches 13 weggeätzt worden ist, um den Lichtweg innerhalb des N-Halbleitermaterials 13 herabzusetzen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszente PN-Halbleiterdiode, die aus einer halbleitenden Verbindung, beispielsweise aus Galliumarsenid besteht, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Hinzunähme einer weiteren Schicht vom entgegengesetzten Leitungstyp (P oder N) nach Art eines PNP- oder NPN-Transistors aufgebaut ist, wobei sich diese dritte Schicht als Emitter (12) zur Modulation des auszusendenden Lichtes nach unten an die dünne Basisschicht (11) anschließt, die ihrerseits zusammeln mit der Kollektorschicht (13) diejenige Sperrschicht (15) bildet, von der das Licht ausgeht.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingegebene Steuersignal (27) eine hinreichend große Amplitude besitzt, um den Transistor (10) in die Sättigung zu treiben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1144 416;
Elektrotechnik, vom 13. 4.1963, Nr. 10, S. 12.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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