DE1231353B - Electroluminescent semiconductor diode and process for their manufacture - Google Patents
Electroluminescent semiconductor diode and process for their manufactureInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.: Int. Cl .:
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H05bH05b
Deutsche KL: 2If-89/03German KL: 2If-89/03
J 26962 VIII c/21f
24. November 1964
29. Dezember 1966J 26962 VIII c / 21f
November 24, 1964
December 29, 1966
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolumineszierenden Halbleiterdiode, vorzugsweise mit negativer Kennlinie, und eine nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiterdiode.The invention relates to a method for producing an electroluminescent semiconductor diode, preferably with a negative characteristic, and a semiconductor diode manufactured according to this method.
Wegen größer werdenden Arbeitsgeschwindigkeiten der datenverarbeitenden Maschinen wurde die Bedeutung des Lichtes als Träger logisch zu verknüpfender Informationen immer größer. Durch diesen Bedarf an sehr schnellen Schaltelementen und Trägern bzw. Wandlern wurden auf dem Gebiet der elektro-optischen und optisch-elektrischen Wandler vielseitige Versuche unternommen. So wurde z. B. durch die deutsche Patentschrift 1 048 346 eine als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung für Stromelektrolumineszenz, bei der die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen an den Übergangsstellen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgenutzt ist, bekannt, die dadurch charakterisiert ist, daß ein für die zu erzeugende Strahlung durchlässiger Halbleiterkristall mit mindestens drei Zonen unterschiedlichen Leitungstyps Verwendung rindet, die so an eine Wechselspannung gelegt sind, daß jeweils die in Durchlaßrichtung belasteten Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps strahlen, während die nicht in Durchlaßrichtung liegenden Übergänge zugleich als kapazitive Strombegrenzung dienen. Die als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung nach dieser Erfindung besteht aus einem Halbleiterkörper, vorzugsweise einem Halbleiterkristall, insbesondere einem Einkristall, in dem analog einer Transistoranordnung mindestens zwei Übergänge zwischen Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, vorzugsweise entgegengesetzten Leitungstyps, hintereinandergeschaltet sind, bei der ebenfalls das Rekombinationsleuchten, das an den Übergangszonen auftritt, ausgenutzt wird.Because of the increasing working speeds of the data processing machines, the The importance of light as a carrier of logically linked information is growing. Through this The need for very fast switching elements and carriers or converters were in the field of Electro-optical and opto-electrical converters made many attempts. So was z. B. by the German patent specification 1 048 346 serving as a light source semiconductor arrangement for current electroluminescence, in which the recombination energy of electrons and holes at the transition points between zones of different conductivity types is used, known, which is characterized in that a for the radiation to be generated permeable semiconductor crystal with at least three zones of different conductivity types rindet, which are applied to an alternating voltage that each loaded in the forward direction Transitions between zones of different conductivity types radiate, while those do not radiate in the forward direction lying transitions also serve as capacitive current limitation. The one that serves as a light source Semiconductor arrangement according to this invention consists of a semiconductor body, preferably a semiconductor crystal, in particular a single crystal, in which, analogously to a transistor arrangement, at least two transitions between zones of different conductivity, preferably opposite one another Line type, are connected in series, in which also the recombination lights that are connected to the Transitional zones occurs, is exploited.
Durch die deutsche Patentschrift 1052 563 ist
auch eine Anordnung und ein Herstellungsverfahren für Injektions-Lumineszenzlampen, bei denen als
Träger des Leuchtens beidseitig kontaktierte, unmittelbar von Gleich- oder Wechselstrom, bevorzugt
jedoch von Gleichstrom durchflossene Kristalle verwendet werden, bekanntgeworden. Die Anordnung
nach dieser Patentschrift ist dadurch charakterisiert, daß die zur Lichterzeugung rekombinierenden
Ladungsträger von zwei dünnen, sich gegenüberstehenden Oberflachenschichten unterschiedlichen
Leitungstyps in den hochohmigen Kristall injiziert werden und die die Lichterzeugung bewirkende
Rekombination der von den Oberflächenschichten injizierten Elektronen und Löcher in dem hochohmigen
Volumeninneren des Kristalls bewirkt wird. Prak-Elektrolumineszente Halbleiterdiode und
Verfahren zu ihrer HerstellungThe German patent specification 1052 563 also discloses an arrangement and a manufacturing method for injection luminescent lamps in which crystals that are contacted on both sides and flowed through directly by direct or alternating current, but preferably by direct current, are used as the carrier of the lighting. The arrangement according to this patent specification is characterized in that the charge carriers recombining to generate light are injected into the high-ohmic crystal by two thin, opposing surface layers of different conductivity types and the recombination of the electrons and holes injected by the surface layers in the high-ohmic volume inside the crystal, which causes the light generation is effected. Prak electroluminescent semiconductor diode and
Process for their manufacture
Anmelder:Applicant:
International Business Machines Corporation,International Business Machines Corporation,
Armonk, N. Y. (V. St. A.)Armonk, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. H. Böhmer, Patentanwalt,Dipl.-Ing. H. Böhmer, patent attorney,
BÖblingen, Sindelfinger Str. 49BÖblingen, Sindelfinger Str. 49
Als Erfinder benannt:
Ralph Sidney Levitt, Ossining, N. Y.;
Kurt Weiser, Millwood, N. Y.;
William Paul Dumke,
Chappaqua, N. Y. (V. St. A.)Named as inventor:
Ralph Sidney Levitt, Ossining, NY;
Kurt Weiser, Millwood, NY;
William Paul Dumke,
Chappaqua, NY (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. November 1963
(326 171, 326 114)Claimed priority:
V. St. v. America November 26, 1963
(326 171, 326 114)
tisch durchgeführt wird diese Anordnung nach der Patentschrift durch eine Mischung von 50 % reinstem Zinksulfid und 50% reinstem Zinkselenid, die zusammen in einem geeigneten Tiegel in einer Schutzgasatmosphäre bei etwa 1650° C niedergeschmolzen und durch langsameres Herabführen in kältere Ofenteile im Laufe von vielen Stunden zum Erstarren gebracht wird. Durch Sägen, Ätzen und Eindiffundieren von Fremdatomen wird aus dem so gewonnenen Einkristall die Erfindungsgemäße Anordnung geschaffen. This arrangement is carried out table according to the patent specification by a mixture of 50% purest Zinc sulfide and 50% purest zinc selenide, put together in a suitable crucible in a protective gas atmosphere melted down at around 1650 ° C and brought down into colder parts of the furnace by slowing down solidified over the course of many hours. By sawing, etching and diffusing of foreign atoms, the arrangement according to the invention is created from the single crystal obtained in this way.
Durch die deutsche Patentschrift 1 054 179 ist ein weiteres Halbleiterelement bekanntgeworden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halbleiterkörper aus einer ersten Zone besteht, in der sich Ladungsträger unter Aussendung einer Rekombinationsstrahlung rekombinieren, und aus einer zweiten Zone, die ein verbotenes Energieband aufweist, dessen Breite kleiner ist als die Quantenenergie der Rekombinationsstrahlung und in die die Rekombinationsstrahlung aus der ersten Zone eintritt, so daß die lektrische Leitfähigkeit in dieser zweiten Zone je nach Intensität der Rekombinationsstrahlung verändert wird.Another semiconductor element has become known through the German patent specification 1 054 179, which thereby is characterized in that the semiconductor body consists of a first zone in which charge carriers are located recombine with the emission of a recombination radiation, and from a second zone which has a forbidden energy band, the width of which is smaller than the quantum energy of the recombination radiation and into which the recombination radiation from the first zone enters, so that the electrical Conductivity in this second zone changes depending on the intensity of the recombination radiation will.
Durch die USA.-Patentschrift 3 064 132 ist eine weitere elektrolumineszente Halbleiteranordnung bekanntgeworden. In dieser Patentschrift wird be-U.S. Patent 3,064,132 discloses another electroluminescent semiconductor device known. In this patent specification is
609 749/158609 749/158
schrieben, daß sich besonders zur Herstellung Indium, Arsenide, Indium-Antimonide, Gallium-Arsenide und GaUium-Antimonide und andere n-p-n-p- oder p-n-p-n-Zusammenstellungen eignen. Die Schmelzung erfolgt bei einer Temperatur von 1100 bis 1200° C in einer Atmosphäre eines Akzeptormaterials, das z. B. Indium, Gallium, Aluminium oder Bor sein kann. Eine anschließende weitere Diffusion findet bei der Temperatur zwischen 600 und 1200° C statt. Dazwischen wird die Halbleiteranordnung geschliffen und geätzt. Außerdem ist in einer Veröffentlichung in »Journal of the Electrochemical Society«, Bd. 110, Nr. 11 vom November 1963, auf S. 1153 bis 1159 ein Diffusionsprozeß beschrieben. Nach dieser Veröffentlichung ist es bekannt, als Akzeptor für Gallium-Arsenide-Kristalle, Zink und als Donator Tellur zu verwenden. Es wird darauf hingewiesen, daß diese beiden Elemente sich besonders zur Herstellung von elektrolumineszenten Halbleiterdioden in Gallium-Arsenide-Form eignen.wrote that indium, arsenide, indium-antimonide, gallium-arsenide are particularly suitable for production and GaUium antimonides and other n-p-n-p or p-n-p-n combinations are suitable. the Melting takes place at a temperature of 1100 to 1200 ° C in an atmosphere of an acceptor material, the Z. B. can be indium, gallium, aluminum or boron. Another one afterwards Diffusion takes place at temperatures between 600 and 1200 ° C. In between is the semiconductor device ground and etched. It is also in a publication in "Journal of the Electrochemical Society", Vol. 110, No. 11 of November 1963, on p. 1153 to 1159, a diffusion process is described. After this publication it is known to be used as an acceptor for gallium arsenide crystals, zinc and as a donor tellurium. It will pointed out that these two elements are particularly useful in the manufacture of electroluminescent Semiconductor diodes in gallium arsenide form are suitable.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zu schaffen, das neben der Umwandlung von optischer in elektrische und elektrischer in optische Energie zusätzlich auch noch die logische Verknüpfung und Speicherung von Informationen ermöglicht. The invention is now based on the object of creating a component that, in addition to the conversion From optical to electrical and electrical to optical energy, there is also the logical connection and storage of information.
Das elektrolumineszente Halbleiterbauteil, das der Lösung dieser Aufgabe dient, ist dadurch charakterisiert, daß in einem Halbleiterkörper ein erster Bereich niedrigeren Widerstands mittels Akzeptoren kleiner Energiestufe und ein unmittelbar angrenzender zweiter Bereich hohen Widerstands mittels Akzeptoren höherer Energiestufe gebildet ist, dem sich mindestens ein dritter, vorzugsweise aus dem unveränderten Ausgangsmaterial bestehender, Donatoren enthaltener Bereich niedrigen Widerstands anschließt, und daß die beiden Bereiche niedrigen Widerstands mit üblichen ohmschen Kontakten versehen sind.The electroluminescent semiconductor component, which is used to solve this problem, is characterized by that in a semiconductor body, a first region of lower resistance is made smaller by means of acceptors Energy level and an immediately adjacent second area of high resistance by means of acceptors higher energy level is formed, which is at least a third, preferably from the unchanged Starting material of existing low resistance area containing donors, and that the two areas of low resistance are provided with conventional ohmic contacts.
Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektrolumineszierenden Halbleiterbausteins ist dadurch charakterisiert, daß zuerst die zweite Schicht durch allseitige Diffusion von Mangan, Kobalt oder Chrom in einem n-leitenden Galüum-Arsenid-Körper und dann die erste Schicht durch anschließende allseitige Diffusion, von Zink, Kadmium oder Magnesium derart, daß nur eine geringere Eindringtiefe, als das bei der ersten Diffusion erreicht wird, hergestellt wird, und daß daran anschließend die durch die Diffusion erzeugten Bereiche mit Ausnahme einer Seite an den übrigen Seiten des Gallium-Arsenid-Körpers entfernt werden.A particularly suitable method for producing the electroluminescent according to the invention Semiconductor component is characterized in that first the second layer is made by diffusion on all sides of manganese, cobalt or chromium in an n-type galum arsenide body and then the first Layer by subsequent all-round diffusion, of zinc, cadmium or magnesium in such a way that only a smaller depth of penetration than that achieved in the first diffusion is produced, and that then the areas produced by the diffusion with the exception of one side on the rest Sides of the gallium arsenide body are removed.
Ein aus drei Bereichen bestehendes und zwei ohmsche Anschlüsse aufweisendes Bauteil kann gemäß der Erfindung als Lichtverstärker, als Lichtwandler und als Quantenverstärker Verwendung finden.A component consisting of three areas and having two ohmic connections can according to FIG the invention as a light amplifier, as a light converter and as a quantum amplifier use.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigtThe invention will then be explained in more detail with reference to the figures. It shows
F i g. 1 die Darstellung einer Schaltung mit einer elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand zur Erläuterung des Erfindungsgedankens,F i g. 1 shows a circuit with an electroluminescent diode with negative resistance to explain the idea of the invention,
F i g. 2 die Kennlinie einer elektrolumineszenten Diode mit negativem Kennlinienbereich gemäß der Erfindung,F i g. 2 shows the characteristic curve of an electroluminescent diode with a negative characteristic curve range according to FIG Invention,
Fig.3a und 3b die Spektralverteilung der in F i g. 1 dargestellten Schaltung in ihren beiden stabilen Zuständen,3a and 3b show the spectral distribution of the in FIG. 1 circuit shown in its two stable States
Fig.4 die Darstellung der Energiebänder der in F i g. 1 gezeigten Diode,Fig. 4 shows the energy bands of the in F i g. 1 shown diode,
F i g. 5 und 6 Schnittansichten der erfindungsgemäßen Diode in verschiedenen Schritten ihres Herstellungsverfahrens, F i g. 5 and 6 sectional views of the diode according to the invention in different steps of its manufacturing process,
F i g. 7 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und ihre Verwendung in einer Schaltung als photonengekoppelter Schalter, F i g. 8, 9 und 9 a Kennlinien der in F i g. 7 gezeigten Anordnung,F i g. 7 shows another embodiment of the arrangement according to the invention and its use in FIG a circuit as a photon-coupled switch, FIG. 8, 9 and 9 a characteristic curves of the in F i g. 7 shown Arrangement,
F i g. 10 die Schaltung eines das erfindungsgemäßeF i g. 10 the circuit of one of the invention
ίο Halbleiterbauteil enthaltenden Licht- bzw. Quantenverstärkers, ίο light or quantum amplifier containing semiconductor component,
Fig. 11 Schnittansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens,11 shows sectional views of an embodiment of the arrangement according to the invention in different Steps of the manufacturing process,
Fig. 12 und 13 Schnittansichten der erfindungsgemäßen Anordnung in verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens.12 and 13 are sectional views of the inventive Arrangement in different steps of the manufacturing process.
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer elektrolumineszenten Halbleiterdiode mit wenigstens drei Bereichen verschiedenen Leitungstyps und einem üchtempfindlichen Übergang. Als erfinderisch wird beansprucht, daß in einen Halbleiterkörper ein erster Bereich (P) niedrigen Widerstands mittels Akzeptoren kleiner Energiestufe und ein unmittelbar angrenzender zweiter Bereich (P0) hohen Widerstands mittels Akzeptoren höherer Energiestufe angeordnet ist, dem sich mindestens ein dritter, vorzugsweise aus dem unveränderten Ausgangsmaterial bestehender, Donatoren enthaltender Bereich (N) niedrigen Widerstands anschließt und daß die beiden Bereiche (P und N) niedrigen Widerstands mit üblichen ohmschen Kontakten versehen sind.The present invention is based on an electroluminescent semiconductor diode with at least three regions of different conductivity types and a light-sensitive junction. It is claimed as inventive that a first region (P) of low resistance by means of acceptors of a low energy level and an immediately adjacent second region (P 0 ) of high resistance by means of acceptors of a higher energy level is arranged in a semiconductor body, to which at least a third, preferably from the unchanged Starting material of existing, donor-containing region (N) of low resistance connects and that the two regions (P and N) of low resistance are provided with conventional ohmic contacts.
Bei Raumtemperatur ist die Stromspannungskennlinie dieser Diode gleich den Stromspannungskennlinien gewöhnlicher Gallium-Arsenid-Dioden mit flache Energieniveaus aufweisenden Akzeptoren, beispielsweise Zink oder Cadmium im Bereich der p-leitenden Schicht. Bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffes zeigen diese Dioden einen sehr hohen Reihenwiderstand bei Spannungen bis zu etwa 1 V, in denen die bekannten Dioden anfangen zu leiten. Ist die Durchbruchsspannung erreicht, so gelangt die Diode in einen Bereich negativen Widerstands, in dem der Strom mit fallender Spannung steigt, wobei die charakteristische Durchbruchspannung eine Funktion des Diffusionsprofils ist.At room temperature, the current-voltage characteristic of this diode is the same as the current-voltage characteristic common gallium arsenide diodes with acceptors having shallow energy levels, for example Zinc or cadmium in the area of the p-type layer. At temperatures in the range of the liquid nitrogen these diodes show a very high series resistance at voltages up to about 1 V, in which the well-known diodes begin to conduct. Once the breakdown voltage has been reached, then the diode in a region of negative resistance, in which the current increases with falling voltage, where the characteristic breakdown voltage is a function of the diffusion profile.
In beiden Bereichen, also unterhalb und oberhalb der Durchbruchspannung, tritt Elektrolumineszenz auf. Dabei ist zu beachten, daß die spektrale Intensitätsverteilung in beiden Zuständen, d. h. unterhalb und oberhalb der Durchbruchspannung sehr verschieden ist. Außerdem verändert sich die Gesamtintensität des Lichtes beim Übergang vom einen Zustand in den anderen sehr beträchtlich. Die Lichtintensität kann im Bereich des höheren Stromes um 10- bis lOOmal größer sein als im Bereich des niedrigen Stromes. Eine weitere Eigenschaft dieser Diode besteht darin, daß bei Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge die Stromspannungskennlinie sich während der Zeit der Beleuchtung verändert, und zwar derart, daß die Durchbruchspannung geändert wird. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um die Diode durch Bestrahlung aus ihren niedrigleitenden in ihren hochleitenden Zustand zu überführen. Die Schaltgeschwindigkeit der Diode aus ihrem niedrigleitenden in ihren hochleitenden Zustand und umgekehrt liegt in der Größenordnung von 10 Nanosekunden. Auf Grund ihrer Eigenschaften eignet sich die Diode alsIn both areas, i.e. below and above the breakdown voltage, electroluminescence occurs on. It should be noted that the spectral intensity distribution in both states, d. H. very different below and above the breakdown voltage is. In addition, the overall intensity of the light changes with the transition from one state very considerable in the others. The light intensity can be in the range of the higher current by 10- to 100 times greater than in the low current range. There is another property of this diode in that when irradiated with a certain wavelength the current-voltage characteristic curve during the time of illumination changed in such a way that the breakdown voltage is changed. These Property can be used to make the diode by irradiation from its low conductivity in its to transfer highly conductive state. The switching speed of the diode from its low conductivity in their highly conductive state and vice versa is on the order of 10 nanoseconds. on Due to its properties, the diode is suitable as a
Lichtverstärker, so daß sie in geeigneter Abwandlung als Bildwandler Verwendung finden kann. Da die Diode auf optischem Wege geschaltet werden kann und zwei verschiedene optische Zustände aufweist, können mit ihr eine große Anzahl von optischen logischen Kreisen verwirklicht werden.Light amplifier, so that it can be used as an image converter in a suitable modification. Since the The diode can be switched optically and has two different optical states, a large number of optical logic circles can be implemented with it.
Die in F i g. 1 dargestellte Diode 10 besteht aus einem η-leitenden Gallium-Arsenid-Körper, der eine pMeitende Schicht 14 hohen Widerstands und eine p-leitende Schicht 12 niedrigen Widerstands aufweist, die durch Diffusion mit Mangan und Zink erzeugt werden. Ohmsche Kontakte 18 und 20 sind am n-leitenden Bereich 16 und am p-leitenden Bereich 12 angeordnet. Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung enthält die veränderliche Vorspannungsquelle 22, einen Lastwiderstand 24 und einen Schalter 26.The in F i g. 1 shown diode 10 consists of an η-conductive gallium arsenide body, the one p has a high resistance conductive layer 14 and a low resistance p-type layer 12, generated by diffusion with manganese and zinc. Ohmic contacts 18 and 20 are on the n-type Area 16 and arranged on the p-conducting area 12. The in F i g. 1 includes circuit shown the variable bias source 22, a load resistor 24, and a switch 26.
Wie ohne weiteres einzusehen ist, liegt, die eigentliche Grenzfläche zwischen der p°-leitenden Schicht 14 und der η-leitenden Schicht 16. Die einen niedrigen Widerstand aufweisende p-leitende, mit Zink dotierte Schicht 12 spielt, wie im folgenden noch näher zu erläutern sein wird, gemeinsam mit der mit Mangan dotierten p°-Schicht eine entscheidende Rolle in bezug auf die Charakteristik der Anordnung. Vorläufig sei kurz darauf hingewiesen, daß die Diode durch Diffusion von Mangan in einen n-leitenden Galliurn-Arsenid-Kristall und durch anschließende, in eine wesentlich geringere Tiefe eindringende Zinkdiffusion in den gleichen Kristall verwirklicht wird. Durch diese Diffusion wird die neben dem n-leitenden Bereich liegende p°-Schicht 14 erzeugt, deren Leitfähigkeit im wesentlichen durch Mangan bestimmt wird, und anschließend die p-leitende Schicht 12 erzeugt, deren Leitfähigkeit im wesentlichen durch Zink bestimmt wird.As is readily apparent, the actual interface lies between the p ° -conducting layer 14 and the η-type layer 16. The low-resistance p-type, with zinc doped layer 12 plays, as will be explained in more detail below, together with the Manganese-doped p ° layer plays a decisive role in relation to the characteristics of the arrangement. Preliminary it should be pointed out briefly that the diode by diffusion of manganese into an n-conducting Galliurn arsenide crystal and subsequent zinc diffusion that penetrates to a much shallower depth is realized in the same crystal. As a result of this diffusion, the next to the n-type Area lying p ° layer 14 is generated, the conductivity of which is determined essentially by manganese is, and then the p-conductive layer 12 is produced, the conductivity of which is substantially through Zinc is determined.
Die Funktionsweise der Anordnung ist aus den in F i g. 2 dargestellten Kurven ersichtlich, die ein Stromspannungsdiagramm darstellen. Die ausgezogene Linie stellt die Diodenkennlinie ohne äußere Einwirkung durch Lichtenergie, während die gestrichelte Linie die Kennlinie durch eine äußere Lichtquelle bestrahlten Diode darstellt. Wird bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung der Schalter 26 geschlossen und die Diode bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes, als bei etwa 77 0K gehalten und die Spannung der Quelle 22 langsam von 0 nach aufwärts verändert, so wird man zunächst beobachten, daß der Strom recht langsam mit der Spannung steigt. Dieser Bereich der Kurve wird als der Bereich niedriger Leitfähigkeit oder hohen Widerstands bezeichnet. Steigt die Spannung über den Punkt t, so gelangt man in den negativen Widerstandsbereich der Diodenkennlinie, in der bei steigendem Strom die Spannung sinkt. Unter der Voraussetzung eines festen Widerstandes 24 wird sich der Zustand der Diode einstellen, der durch den Schnittpunkt c der Belastungslinie Ll mit der ausgezogenen Kennlinie gebildet wird. Mit anderen Worten, die Punkte c und I, welche die Schnittpunkte der Belastungskennlinie Ll mit der Kennlinie der Diode darstellen, kennzeichnen die beiden stabilen Zustände der Diode für einen gegebenen Widerstand 24. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Diode vom Punkt I zum Punkt.c durch Anlegung einer Zusatzspannung umgeschaltet werden kann, die genügt, die Kennlinie durch den Punkt t zu durchlaufen. Bei einer gegebenen Vorspannung und durch eine Messung des Diodenstroms kann festgestellt werden, ob er für den Punkt c oder für den Punkt I charakteristisch ist, so daß man feststellen kann, ob zu irgendeinem Zeitpunkt eine Zusatzspannung angelegt wurde, die geeignet ist, die Diode aus ihrem durch den Punkt I in den durch den Punkt c gekennzeichneten Zustand zu überführen.The mode of operation of the arrangement can be seen from the FIGS. 2 can be seen, which represent a current-voltage diagram. The solid line represents the diode characteristic without external influence by light energy, while the dashed line shows the characteristic curve irradiated by an external light source. If the in F i g. 1 shown arrangement of the switch 26 closed and the diode at the temperature of the liquid nitrogen, as kept at about 77 0 K and the voltage of the source 22 slowly changed from 0 to upwards, it will first be observed that the current is quite slow with the Tension rises. This area of the curve is known as the area of low conductivity or high resistance. If the voltage rises above the point t, one arrives at the negative resistance range of the diode characteristic, in which the voltage drops with increasing current. Assuming a fixed resistance 24, the state of the diode will be established, which is formed by the intersection point c of the load line L1 with the solid curve. In other words, the points c and I, which represent the intersections of the load characteristic Ll with the characteristic of the diode, characterize the two stable states of the diode for a given resistance 24. It is readily apparent that the diode from point I to point . c can be switched by applying an additional voltage which is sufficient to run through the characteristic curve through point t. With a given bias voltage and by measuring the diode current, it can be determined whether it is characteristic of point c or point I , so that one can determine whether at any point in time an additional voltage has been applied which is suitable to turn the diode off to convert their through the point I into the state indicated by the point c.
Durch die gestrichelte Kurve der F i g. 2 wird eine weitere wichtige Eigenschaft der vorliegenden Diode gekennzeichnet. Die gestrichelte Kurve stellt die Kennlinie der von einer äußeren Lichtquelle beleuchteten Diode dar. Aus dieser Kurve ist zu ersehen, daß der Diodenwiderstand bei Fremdbeleuchtung in bestimmten Bereichen herabgesetzt wird und daß der kritische oder der Umschaltpunkt der Diode zum Punkt t' verschoben wird. Aus der Gegenüberstellung der gestrichelten und ausgezogenen Kurven der F i g. 2 ist zu ersehen, daß die Diode im Punkt I im unbeleuchteten Zustand bei einer Spannung Vl stabil ist. Wird die Diode durch eine äußere Lichtquelle bestrahlt, so geht die Kennlinie in die gestrichelte Kurve über, bei der die Spannung Vl größer ist als die dem Punkt f zugeordnete Spannung. The dashed curve in FIG. 2 another important property of the present diode is identified. The dashed curve represents the characteristic of the diode illuminated by an external light source. It can be seen from this curve that the diode resistance is reduced in certain areas in the case of external lighting and that the critical or switching point of the diode is shifted to point t '. From the comparison of the dashed and solid curves in FIG. 2 it can be seen that the diode at point I is stable in the non-illuminated state at a voltage Vl. If the diode is irradiated by an external light source, the characteristic curve changes into the dashed curve, in which the voltage Vl is greater than the voltage assigned to point f.
Auf diese Weise wird die Diode umgeschaltet und in Punkt c im Bereich großer Ströme stabil, in dem
die beiden Kurven im wesentlichen zusammenfallen. Wird die Beleuchtung abgeschaltet, so verbleibt die
Diode im Punkt c auf der den nicht beleuchteten Zustand zugeordneten Kennlinienkurve.
Aus den vorhergehenden Erläuterungen ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäße Diode entweder
durch Erhöhung der Spannung über den kritischen Punkt t oder durch Beleuchtung derselben, so daß
der kritische Punkt t kleiner wird als die Vorspannung der Diode, von dem Zustand niedriger Leitfähigkeit
in den Zustand hoher Leitfähigkeit umgeschaltet werden kann. Das Umschalten aus dem Zustand
niedriger Leitfähigkeit in den Zustand hoher Leitfähigkeit kann demnach entweder durch Licht
oder durch Erhöhung der Spannung erfolgen. Andererseits ist es leicht einzusehen, daß ein Zurückschalten
zum Zustand niedriger Leitfähigkeit nur durch zeitweises Unterbrechen des Stromkreises
durch Öffnen des Schalters 26 oder durch Herabsetzen der Spannung Vv des Teilstromes durchgeführt
werden kann, so daß die Diode in ihren durch den Punkt I gekennzeichneten Zustand übergeführt wird.In this way the diode is switched over and becomes stable at point c in the region of high currents, in which the two curves essentially coincide. If the lighting is switched off, the diode remains at point c on the characteristic curve assigned to the non-illuminated state.
From the preceding explanations it can be seen that the diode according to the invention either by increasing the voltage above the critical point t or by illuminating the same so that the critical point t becomes smaller than the bias voltage of the diode from the state of low conductivity to the state of high Conductivity can be switched. Switching from the state of low conductivity to the state of high conductivity can therefore take place either by light or by increasing the voltage. On the other hand, it is easy to see that switching back to the state of low conductivity can only be carried out by temporarily interrupting the circuit by opening switch 26 or by reducing the voltage V v of the partial current, so that the diode is transferred to its state indicated by point I. will.
In den F i g. 3 a und 3 b ist die spektrale VerteilungIn the F i g. 3 a and 3 b is the spectral distribution
der Strahlung einer erfindungsgemäßen Diode vor und nach dem Umschalten aus dem Zustand niedriger Leitfähigkeit in den Zustand hoher Leitfähigkeit dargestellt. the radiation of a diode according to the invention before and after switching from the lower state Conductivity shown in the state of high conductivity.
In F i g. 3 a wird die spektrale Verteilung im Zustand kleiner Ströme gezeigt. Es ist zu ersehen, daß die Intensität des Lichtes von 0,89 μπι Wellenlänge, die charakteristisch für die mangandotierte p°-Schicht ist, wesentlich größer ist als die der Strahlung von 0,84 μηι Wellenlänge, die charakteristisch ist für die zinkdotierte p-Schicht.In Fig. 3 a shows the spectral distribution in the state of small currents. It can be seen that the intensity of the light of 0.89 μm wavelength, which is characteristic of the manganese-doped p ° layer is, is much larger than that of the radiation of 0.84 μm wavelength, which is characteristic of the zinc-doped p-layer.
Nach dem Umschalten in den Zustand hoher Leitfähigkeit wird, wie aus F i g. 3 b zu entnehmen, die Intensität der Strahlung im Bereich von 0,84 μπι größer sein als die der Strahlung im Bereich von 0,89 μπι Wellenlänge.After switching to the high conductivity state becomes, as shown in FIG. 3 b, the intensity of the radiation in the range of 0.84 μπι be greater than that of the radiation in the range of 0.89 μm wavelength.
Erläuternd sei noch darauf hingewiesen, daß der Maßstab der Lichtintensität in F i g. 3 a dreißigmal größer als der der F i g. 3 b ist, d. h., daß die Intensität des Lichtes in Fig. 3b dreißigmal größer ist. Bei der Aufnahme der oben angegebenen KurvenBy way of explanation it should also be pointed out that the scale of the light intensity in FIG. 3 a thirty times greater than that of FIG. 3 is b, d. that is, the intensity of the light in Figure 3b is thirty times greater. When recording the curves given above
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war die Spannung der Spannungsquelle und der p° und η bezeichnet. Das Ferminiveau wird durchwas the voltage of the voltage source and the p ° and η denoted. The Fermi level is through
Arbeitswiderstand so gewählt, daß die Dioden im eine gestrichelte Linie dargestellt, die durch dieseWorking resistance chosen so that the diodes are shown in a dashed line passing through them
Zustand niedriger Leitfähigkeit 5 mA und im Zu- drei Bereiche hindurchgeht.- Im Hinblick auf geladeneState of low conductivity 5 mA and in to- three areas passes through it.- With regard to charged
stand hoher Leitfähigkeit 6OmA Strom führen. Es und ungeladene Verunreinigungen wird die p°- ist dadurch erklärlich, daß die gesamte Lichtausbeute 5 Schicht durch eine konstante Dichte ND von positivstand high conductivity 6OmA current. It and uncharged impurities becomes the p ° - is explained by the fact that the total light yield 5 layer by a constant density N D of positive
nach dem Umschalten etwa dreißigmal größer ist als geladenen Donatorionen, eine gleiche Dichte vonafter switching is about thirty times larger than charged donor ions, an equal density of
vor dem Umschalten. Außerdem ist zu beachten, daß negativ geladenen Manganionen und eine nichtbefore switching. It should also be noted that negatively charged manganese ions and one not
das Verhältnis der Intensitätsänderung der Strah- gleichförmige Dichte von neutralen Manganatomenthe ratio of the change in intensity of the beam - uniform density of neutral manganese atoms
lung im Bereich von 0,84 μΐη Wellenlänge wesentlich gekennzeichnet. In der p-Schicht sind die ND positivment in the range of 0.84 μΐη wavelength significantly. In the p-layer, the N D are positive
größer ist als das der Strahlung im Bereich von 10 geladenen Donatorionen kompensiert durch dieis greater than that of the radiation in the range of 10 charged donor ions compensated by the
0,89 μΐη Wellenlänge. ' gleiche Anzahl von negativen Zinkionen und alle0.89 μΐη wavelength. 'equal number of negative zinc ions and all
Daher ist ein Strahlungsdetektor mit einem Filter, Manganzentren sind neutral. Die Zinkatome, die inTherefore, a radiation detector with a filter, manganese centers are neutral. The zinc atoms in
das nur Strahlung mit 0,84 \tm Wellenlänge durch- Überschuß zu N0 sind, verursachen die leitendenthat only radiation with 0.84 \ tm wavelength is through-excess to N 0 , cause the conductive ones
läßt, zur Feststellung, ob die Diode im Bereich Löcher. An der Grenzfläche zwischen den p- und p°-lets to determine if the diode has holes in the area. At the interface between the p- and p ° -
niedriger oder hoher Leitfähigkeit arbeitet, besonders 15 Schichten befindet sich eine vergleichbare Anzahl vonlow or high conductivity works, especially 15 layers there is a comparable number of
vorteilhaft. Durch Änderung der Schichtdicken und negativen Mangan- und Zinkionen. Die angegebenenadvantageous. By changing the layer thickness and negative manganese and zinc ions. The specified
der Zink- und Manganverunreinigungen in der Diode Akzeptorenniveaus von 0,4 Elektronenvolt für Znthe zinc and manganese impurities in the diode acceptor levels of 0.4 electron volts for Zn
wird das angegebene Verhältnis der spektralen Ver- und für Mangan von 0,1 Elektronenvolt stammen austhe specified ratio of the spectral supply and for manganese of 0.1 electron volts come from
teilung ebenfalls verändert. Es kann aber ganz all- Veröffentlichungen.division also changed. But it can be all-publications.
gemein gesagt werden, daß die durch die Zinkver- 20 In F i g. 5 sind die verschiedenen Schritte des erfin-What can be said in common is that the zinc treatment 20 In F i g. 5 are the different steps of the invented
unreinigungen erzeugten Spektrallinien ein genaueres dungsgemäßen Herstellungsverfahrens schematischimpurities generated spectral lines a more accurate production method according to the invention schematically
Mittel zur Feststellung des Schaltzustandes sind als dargestellt. Gemäß Fig. 51 wird ein Block von n-lei-Means for determining the switching state are shown as. According to Fig. 51, a block of n-line
die durch die Manganverunreinigung bedingten tendem Gallium-Arsenid in der gewünschten Formthe gallium arsenide caused by the manganese contamination in the desired form
Linien. dargestellt. Im zweiten Verfahrensschritt wird eineLines. shown. In the second step, a
Obwohl die Vorgänge innerhalb derartiger Dioden 25 p°-Leitfähigkeit verursachende Verunreinigung in dasAlthough the processes inside such diodes have 25 p ° conductivity causing contamination in the
theoretisch noch nicht vollständig geklärt sind, wird Material des Blocks eindiffundiert. Als besondersare theoretically not yet completely clarified, material of the block is diffused in. As special
im folgenden ein kurzer Überblick der Arbeitsweise vorteilhaft für den zweiten Verfahrensschritt hat sichThe following is a brief overview of the procedure advantageous for the second process step
dieser Dioden gegeben. Die Schicht hohen Wider- Mangan erwiesen. Anschließend erfolgt eine zweitegiven these diodes. The layer proved to be high in resistance to manganese. This is followed by a second
Standes p° 14 wird durch Einführen von Mangan Diffusion, bei der eine andere p-Leitfähigkeit ver-As of p ° 14, the introduction of manganese diffusion, in which a different p-conductivity
(Mn) als die den Leitfähigkeitstyp bestimmende Ver- 30 ursachende Substanz in den Halbleiterblock ein-(Mn) as the substance that determines the conductivity type in the semiconductor block.
unreinigung bewirkt. Sie wird von den beiden Schich- diffundiert wird. Zu diesem Zweck hat sich insbeson-causes impurity. It is diffused by the two layers. For this purpose, in particular
ten niedrigen "Widerstandes 12 und 16 eingeschlossen. dere Zink als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Ein-th low "resistance 12 and 16 included. Which zinc proved to be particularly advantageous.
Die Schicht 12 enthält Zink als die den p-leitenden dringtiefe der zweiten Diffusion ist nicht kritisch, nurLayer 12 contains zinc as the p-type penetration depth of the second diffusion is not critical, only
Zustand bedingende Verunreinigung. Die den n-lei- muß darauf geachtet werden, daß sie geringer istState-causing pollution. The den-lei- must be taken to ensure that it is lower
tenden Zustand bedingende Verunreinigung des aus 35 als die der ersten Diffusion, da eine p°-Schicht erhal-from 35 than that of the first diffusion, since a p ° layer is obtained.
Gallium-Arsenid bestehenden Ausgangskristalls kann ten bleiben muß. Durch Veränderung der Breite derGallium arsenide existing starting crystal can ten must remain. By changing the width of the
durch irgendeine der Substanzen Te, Se oder Si er- p°-Schicht können die charakteristischen Eigenschaf-by any of the substances Te, Se or Si erp ° layer, the characteristic properties
zeugt werden. Die Schicht hohen Widerstandes p° ist ten der Diode bestimmt werden. Es ist weiterhinbe procreated. The layer of high resistance p ° is determined by the diode. It is still
dadurch existent, daß bei 77 0K praktisch alle Man- darauf zu achten, daß die die p-Leitfähigkeit derexists because at 77 0 K practically all man- care must be taken that the p-conductivity of the
ganzentren, die im Überschuß zu denen sind, die die 40 zweiten Schicht bestimmenden VerunreinigungenWhole centers which are in excess of those which determine the 40 second layer of impurities
ursprünglich in dem η-leitenden Gallium-Arsenid- Akzeptoren mit flacheren Energieniveaus als dieoriginally in the η-conducting gallium arsenide acceptors with shallower energy levels than the
Kristall enthaltenen Donatoren kompensieren, neu- Akzeptoren mit tieferen Energieniveaus aufweisen,Compensate donors contained in crystal, have new acceptors with lower energy levels,
tral sind. Bei niedrigen Strömen von der Batterie 22 die durch Mangan erzeugt werden. Nach der zweitenare neutral. At low currents from the battery 22 generated by manganese. After the second
der F i g. 1, bevor der negative Widerstandsbereich Diffusion hat die Anordnung die Gestalt derthe F i g. 1, before the negative resistance area diffusion, the arrangement has the shape of the
erreicht wird, durchqueren die Elektronen die p°- 45 Fig. 5ΙΠ. Als nächster Schritt werden die Rückseiteis reached, the electrons cross the p ° - 45 Fig. 5ΙΠ. The next step will be the back
Schicht und kombinieren sich mit den Löchern in der und die Seitenflächen der Anordnung abgeschliffenLayer and combine with the holes in and sanded down the side surfaces of the assembly
Nachbarschaft der pp°-Grenzfläche. Untersuchungen oder sonstwie entfernt, so daß sich die in Fig.5IVNeighborhood of the pp ° interface. Investigations or otherwise removed so that the in Fig.5IV
über den Ursprung des Lichtes in derartigen Dioden dargestellte pp°n-Anordnung ergibt. Außerdem wer-about the origin of the light in such diodes shown pp ° n-arrangement results. In addition,
während der Veränderung der Spannungen und der den Ohmsche Kontakte in an und für sich bekannterduring the change of the voltages and the ohmic contacts in and of itself known
Ströme haben gezeigt, daß die Dicke der p°-Schicht 50 Weise an der p- und der η-Schicht der AnordnungCurrents have shown that the thickness of the p ° layer 50 is wise at the p- and the η-layer of the device
etwa 30 μηι beträgt. angebracht.is about 30 μm. appropriate.
Ist die kritische Schwellenspannung erreicht, was In F i g. 6 werden die einzelnen Schritte eines etwasIf the critical threshold voltage has been reached, which in FIG. 6 become the steps of a something
beispielsweise bei 4 V bei einem gegebenen Last- abgewandelten Herstellungsverfahrens schematischfor example at 4 V for a given load- modified manufacturing process schematically
widerstand der Fall ist, setzt der negative Widerstand dargestellt. Bei diesem Verfahren werden eine oderresistance is the case, the negative resistance continues. In this procedure, an or
bis zum Absinken der Spannung auf etwa 2,2 V ein. 55 mehrere Flächen des Halbleiterkörpers mit Maskenuntil the voltage drops to about 2.2 V. 55 several areas of the semiconductor body with masks
Die Kurve im Strom-Spannungs-Diagramm wird in bedeckt, so daß die anschließende Entfernung un-The curve in the current-voltage diagram is covered in, so that the subsequent distance
diesem Punkt wieder positiv, und die spektrale Ver- erwünschter diffundierter Schichten wegfällt. Inpositive again at this point, and the spectral desired diffused layers cease to exist. In
teilung und die Intensität des Lichtes als eine Funk- Fig. 61 wird ein Gallium-Arsenid-Körper von derdivision and the intensity of the light as a radio- Fig. 61 is a gallium arsenide body of the
tion des Stromes vor und nach dem Bereich negativen gewünschten Form mit einer Maske M dargestellt.tion of the current before and after the area negative desired shape shown with a mask M.
Widerstandes zeigt, daß die Lichtemission begleitet 60 Zur Erzeugung der p°-Schicht erfolgt eine ersteResistance shows that the light emission accompanies 60. A first layer is used to generate the p ° layer
wird von einem Auffüllen der Zink- und Mangan- Diffusion mit Mangan und anschließend eine zweiteis made up of one filling of the zinc and manganese diffusion with manganese and then a second
Zentren mit Löchern. Diffusion mit Zink zur Erzeugung einer P-Schicht.Centers with holes. Diffusion with zinc to create a P-layer.
In F i g. 4 ist ein übliches Energiebänderdiagramm Die Ergebnisse der einzelnen Verfahrensschritte werfür eine elektrolumineszierende Diode mit negativem den in den Fig. 611 und 6III dargestellt. An-Widerstandsbereich bei 77 0K dargestellt, die nach 65 schließend werden die Seitenflächen der Anordnung dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. in geeigneter Weise entfernt, so daß sich nach Wegin diesem Diagramm sind die Leitungs-und Valenz- nähme der MaskeM die in Fig. 6IV dargestellte bänder entsprechend den drei Schichten der Diode p, Anordnung ergibt. Es ist natürlich auch möglich,In Fig. 4 is a conventional energy band diagram. The results of the individual process steps are shown for an electroluminescent diode with negative denomination in FIGS. 611 and 6III. On-resistance range shown at 77 ° K, which after 65, the side surfaces of the arrangement were produced using the method according to the invention. removed in a suitable manner so that, according to the way in this diagram, the conduction and valence assumptions of the mask M result in the bands shown in FIG. 6IV corresponding to the three layers of the diode p, arrangement. It is of course also possible
9 109 10
außer der Rückseite der Anordnung auch die Seiten- tration in den betreffenden p°- und p-Schichtenin addition to the rear side of the arrangement, there is also the lateral tration in the relevant p ° and p-layers
flächen mit Masken oder anderen die Diffusion ver- schwankt.surfaces with masks or other diffusion fluctuates.
hindernden Schutzschichten zu bedecken, so daß eine Die gleichen oder ähnlichen Ergebnisse werden erBearbeitung durch Schleifen, Ätzen oder Polieren zielt, wenn man an Stelle von Mangan Chrom und an der Anordnung nach Beendigung der Diffusions- 5 Stelle von Zink Cadmium oder Magnesium verschritte ganz entfällt. wendet.the preventive protective layers so that the same or similar results are obtained by grinding, etching or polishing aims when one instead of manganese chrome and on the arrangement proceeded after the end of the diffusion of zinc, cadmium or magnesium completely omitted. turns.
Die im Zusammenhang mit den F i g. 5 und 6 be- Eine Abwandlung des oben beschriebenen Verschriebenen Diffusionsschritte werden beispielsweise fahrens zur Herstellung eines abgeänderten Halbin einem dicht verschlossenen und evakuierten Quarz- leiterelementes gemäß der Erfindung wird in F i g. 11 rohr oder -ofen durchgeführt, der mit geeigneten io dargestellt. Mit I wird in Fig. 11 ein n-leitender Heizungswindungen versehen ist. Zur Durchführung Halbleiterkörper mit geeigneter Donatorenkonzendes Verfahrens wird der Kristallkörper erst gereinigt tration bezeichnet. Als besonders vorteilhaft hat sich und geätzt, anschließend in das Quarzrohr oder den zu diesem Zweck Gallium-Arsenid erwiesen, das in Quarzofen gemeinsam mit beiderseits des Kristalls Fig. 11 mit I und η bezeichnet wird. Anschließend angeordneten, jedoch etwas abgesetzt liegenden Vor- 15 wird ein p-Leitfähigkeit erzeugendes Material, beiräten an Zink und Mangan untergebracht. An- spielsweise Mangan, eindiffundiert, wodurch eine schließend wird der Quarzbehälter dicht verschlossen p-leitende Schicht entsteht, die, wie in Fig. Uli zu und ausgepumpt, und dann wird der Teil des Be- ersehen, den η-leitenden Teil der Anordnung allseitig hälters, der den Gallium-Arsenid-Kristall und das umgibt. Anschließend wird die Anordnung, wie aus Mangan enthält, in geeigneter Weise erhitzt, so daß 20 Fig. 11III zu ersehen, an einer Seite geschliffen, gedie erste Diffusion stattfindet. Anschließend wird der läppt, geätzt oder sonstwie behandelt, um die diffun-Teil des Behälters, der den Zinkvorrat enthält, er- dierte Manganschicht an einer Seite des Plättchens hitzt, so daß die zweite Diffusionsschicht, wie in den zu entfernen. Anschließend wird durch Diffusion Fig. 5III und 6III gezeigt, eingebracht wird. eine weitere p-leitende Schicht erzeugt, so daß sichThe in connection with the F i g. 5 and 6. A modification of the prescribed diffusion steps described above are shown, for example, for the production of a modified half in a tightly sealed and evacuated quartz conductor element according to the invention is shown in FIG. 11 tube or furnace carried out, which is shown with suitable io. An n-conducting heating winding is provided with I in FIG. 11. In order to carry out semiconductor bodies with a suitable donor concentration process, the crystal body is referred to as cleaned tration. It has proven to be particularly advantageous to etch and then in the quartz tube or in the gallium arsenide for this purpose, which in the quartz furnace is denoted by I and η together with both sides of the crystal in FIG. 11. Subsequently arranged, but somewhat separated from one another, a material generating p-conductivity, containing zinc and manganese, is accommodated. For example, manganese diffused in, whereby a p-conductive layer is created which, as shown in FIG holder surrounding the gallium arsenide crystal and the. Subsequently, the arrangement, made of manganese, is heated in a suitable manner so that, as can be seen in FIG. 11III, one side is ground where the first diffusion takes place. Then the lapped, etched or otherwise treated in order to heat the earthed manganese layer on one side of the wafer, so that the second diffusion layer, as in Fig. 4, is removed. Subsequently, FIGS. 5III and 6III are shown by diffusion. another p-type layer is produced, so that
Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens 25 die in F i g. 11IV dargestellte Anordnung ergibt. DieIn the practical implementation of the method 25 the in F i g. 11IV results in the arrangement shown. the
wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, daß die Diffusion erfolgt in diesem Falle zweckmäßigerweiseit is expedient to proceed in such a way that the diffusion takes place expediently in this case
eine η-Leitfähigkeit bedingenden Verunreinigungen mit Zink. Die Tiefe der zweiten Diffusion wird sozinc impurities that cause η conductivity. The depth of the second diffusion becomes like this
des Gallium-Arsenid-Keims eine Konzentration von gewählt, daß die gewünschten Eigenschaften desof the gallium arsenide nucleus selected a concentration of that the desired properties of the
2 bis 4 · 1017 cm"3 aufweisen und der Kristall sehr Endprodukts erzielt werden. Die zweite p-leitende2 to 4 x 10 17 cm " 3 and the crystal very final product can be obtained. The second p-type
fein poliert und in einem evakuierten Quarzrohr zu- 30 Schicht enthält eine Verunreinigung, die Akzeptorenfinely polished and sealed in an evacuated quartz tube. The layer contains an impurity, the acceptors
sammen mit einem einzigen Manganmetallschnipsel mit flacherem Energieniveau erzeugt als die Akzep-together with a single manganese metal snippet with a flatter energy level than the acceptance
untergebracht wird. Der erste Diffusionsschritt wird toren des mit Mangan dotierten Bereiches, wozuis housed. The first diffusion step will gates the area doped with manganese, for which purpose
während einer Zeitdauer von etwa 4 Stunden bei unter anderem beispielsweise Zink geeignet ist. Dasis suitable for a period of about 4 hours with, inter alia, zinc, for example. That
einer Temperatur von etwa 900 0C durchgeführt und sich ergebende Plättchen wird anschließend an dena temperature of about 900 0 C carried out and the resulting platelets is then to the
ergibt eine Schicht von etwa 100 μπι Eindringtiefe. 35 Seitenflächen durch Schleifen, Ätzen, Läppen od. dgl.results in a layer of about 100 μm penetration depth. 35 side surfaces by grinding, etching, lapping or the like.
Die pn-Grenzflächen werden anschließend durch so behandelt, daß die diffundierten Schichten ent-The pn interfaces are then treated in such a way that the diffused layers
elektrolytisches Ätzen in einer KOH-Lösung einge- fernt werden und sich eine Anordnung gemäßelectrolytic etching in a KOH solution can be removed and an arrangement according to
ebnet. Das auf diese Weise erhaltene Plättchen wird Fig. 11V ergibt. Das so erhaltene Element bestehtpaves. The platelet thus obtained will be shown in Fig. 11V. The element thus obtained exists
erneut in ein Qarzrohr eingeschlossen, diesmal jedoch aus einer p-leitenden Schicht P, aus einer zweitenEnclosed again in a quartz tube, but this time from a p-conductive layer P, from a second
zusammen mit einem Schnipsel aus Zinkmetall und 40 Schicht aus halbisolierendem Material, welche alstogether with a snippet of zinc metal and 40 layer of semi-insulating material, which as
eine zweite Diffusion findet während einer Zeitdauer Schicht hohen Widerstands P0 dient, einer innerena second diffusion takes place during a period of high resistance layer P 0 , an inner one
von 15 bis 45 Minuten bei einer Temperatur von η-leitenden Schicht JV und schließlich einer p-leiten-from 15 to 45 minutes at a temperature of η-conductive layer JV and finally a p-conductive
etwa 900 0C statt. den Schicht P, die in ihrer Zusammensetzung derabout 900 0 C instead. the layer P, which in its composition of the
Zeit und Temperatur der zweiten Diffusion mit zuerst genannten p-leitenden Schicht gleicht. Die Zink wurden so gewählt, daß die Eindringtiefe des 45 GaAs-Plättchen werden nach der oben beschriebenen Zinks wesentlich geringer als die des Mangans, also Aktivierung in parallelepipedförmige Körper von etwa 70 μΐη, betragen soll. Die zweite Diffusion ändert 250 · 120 · 120 μηα3 gespalten. Ohmsche Kontakte der Relativlage der ersten Grenzfläche zwischen dem werden anschließend mit Hilfe von Zinn an der η-leitenden Gallium-Arsenid und der p°-Schicht, die η-leitenden Seite des Elementes und mit Hilfe von durch Mangandotierung entsteht, nicht, so daß sich 50 Indium an der p-leitenden Seite des Elementes hereine p°-Schicht von etwa 30 μπι Dicke ergibt. Das gestellt.The time and temperature of the second diffusion with the first-mentioned p-type layer is the same. The zinc were chosen so that the penetration depth of the 45 GaAs platelets would be much less than that of the manganese after the zinc described above, i.e. activation in parallelepiped-shaped bodies of about 70 μm. The second diffusion changes 250 · 120 · 120 μηα 3 split. Ohmic contacts of the relative position of the first interface between the then with the help of tin on the η-conductive gallium arsenide and the p ° layer, the η-conductive side of the element and with the help of manganese doping is not created, so that 50 indium on the p-conductive side of the element results in a p ° layer of about 30 μm thickness. That posed.
Plättchen wird anschließend in Parallelepipeds von Eine Abwandlung des oben beschriebenen Veretwa
250-120 μπι2 Fläche aufgespalten. Ohmsche fahrens zur Herstellung eines PP°NP-Halbleiter-Kontakte
werden an den η-leitenden Seiten mit Hilfe elementes wird an Hand der Fig. 12 erläutert. Bei
von Zinn und an den p-leitenden Seiten mit Hilfe 55 diesem Verfahren findet eine Maske M Anwendung,
von Indium erstellt. Zusammenfassend sei noch fest- durch die ein Schleif-, Läpp- oder Ätzschritt gemäß
gestellt, daß die p-Schichtl2 etwa 70 μπι dick, die Fig. Hill vermieden werden kann. Nach Beendi-Schicht
p° hohen Widerstands etwa 30 μπι und die gung der zweiten Diffusion werden die Seitenflächen,
verbleibende η-leitende Schicht des Gallium-Arsenid- entsprechend des an Hand der Fig. 11 beschriebe-Kristalls
etwa 75 μπι dick ist. Die Konzentration von 60 nen Verfahrens, entfernt, so daß sich ein Halbleiter-Zink
in der p-leitenden Schicht 12 dieser Anordnung element ergibt, wie es in Fig. 6V dargestellt ist.
beträgt etwa 1020 Atome cm~3 und die Kozentration Ein anderes abgewandeltes Verfahren zur Hervon
Magan in der p°-Schicht 14 etwa 1018 cm"3. stellung der erfindungsgemäßen Anordnung wird an
Durch Änderung der Diffusionstemperaturen und Hand der F i g. 13 erläutert. Dabei wird, anstatt nach
der Diffusionszeiten werden Dioden erzielt, die im 65 der ersten Diffusion die Rückseite des Plättchens
wesentlichen gleiche Eigenschaften haben, deren durch Ätzen und Läppen von der manganverunreispektrale
Intensitätsverteilung jedoch geringfügig mit nigten Schicht zu befreien, das ganze Plättchen in
Veränderung der Mangan- und Zink-Atomkonzen- zwei Teile geschnitten, wie das in Fig. 13III darge-The platelet is then split into parallelepipeds of a variation of the above-described Veretwa 250-120 μm 2 area. Ohmic driving for the production of a PP ° NP semiconductor contacts are on the η-conductive sides with the help of element is explained with reference to FIG. In the case of tin and on the p-conducting sides with the aid of this process, a mask M is used, made of indium. In summary, it should also be established by a grinding, lapping or etching step according to that the p-layer 12 is about 70 μm thick, which Hill can be avoided. After the termination layer p ° high resistance about 30 μm and the supply of the second diffusion, the side surfaces, remaining η-conductive layer of the gallium arsenide corresponding to the crystal described with reference to FIG. 11 is about 75 μm thick. The concentration of 60 nen process, removed, so that a semiconductor zinc results in the p-type layer 12 of this arrangement element, as shown in Fig. 6V.
is about 10 20 atoms cm -3 and the concentration. Another modified method for producing Magan in the p ° layer 14 is about 10 18 cm -3 Instead of the diffusion times, diodes are obtained which in the first diffusion have essentially the same properties on the back of the platelet, but which can be freed from the manganese-imprecise spectral intensity distribution by etching and lapping slightly with a smaller layer, changing the entire platelet the manganese and zinc atomic concentrations cut in two parts, as shown in Fig. 13III
stellt ist. Nach diesem Verfahrensschritt schließen sich die im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12ΙΠ bis V gezeigten Verfahrensschritte an.represents is. After this process step, those in connection with FIGS. 11 and 11 follow 12ΙΠ to V process steps shown.
Mit Hilfe des in Fig. 7 dargestellten Halbleiterbauteils können große Ströme sehr schnell geschaltet werden. Das Halbleiterelement 2 besteht aus einem GaUium-Arsenid-Kristall, an dessen einer Seite eine lumineszierende Injektionsdiode und an dessen anderer Seite eine lichtempfindliche PP°N-Diode mit negativem Widerstand liegt, so daß die von der lumineszierenden Diode emittierten Photonen zur Steuerung des Widerstands der PP°N-Diode dienen. Die Kopplung wird dadurch erreicht, daß beide Elemente eine gemeinsame η-leitende Schicht JV aufweisen. Bei der Herstellung des beschriebenen Gallium-Arsenid-Bauteils erhält man eine Schicht 6, die Zink oder ein anderes Material zur Herstellung von Akzeptoren mit flachem Energieniveau, beispielsweise Cadmium enthält und innerhalb des Gallium-Arsenid-Plättchens eine p-leitende Schicht P mit niedriger Impedanz bildet. Die Schicht 8 bildet eine Isolierschicht oder eine Schicht hoher Impedanz und wird mit P0 bezeichnet. Sie enthält Mangan oder andere Substanzen zur Erzeugung von Akzeptoren mit tiefen Energieniveaus, beispielsweise Chrom als wichtigste Verunreinigung. Der Bereich 10 besteht aus dem η-leitenden Gallium-Arsenid und wird mit JV "bezeichnet. 12 ist ein weiterer Bereich mit niedriger Impedanz, der mit P bezeichnet wird und die gleichen Verunreinigungen wie die Schicht 6, und zwar Zink, enthält.With the aid of the semiconductor component shown in FIG. 7, large currents can be switched very quickly. The semiconductor element 2 consists of a GaUium arsenide crystal, on one side of which there is a luminescent injection diode and on the other side of which there is a light-sensitive PP ° N diode with negative resistance, so that the photons emitted by the luminescent diode to control the resistance of the PP ° N diode are used. The coupling is achieved in that both elements have a common η-conductive layer JV. In the production of the gallium arsenide component described, a layer 6 is obtained which contains zinc or another material for producing acceptors with a flat energy level, for example cadmium, and a p-conductive layer P with low impedance within the gallium arsenide plate forms. The layer 8 forms an insulating layer or a high impedance layer and is denoted by P 0. It contains manganese or other substances used to generate acceptors with low energy levels, for example chromium as the most important impurity. The area 10 consists of the η-conductive gallium arsenide and is designated with JV ". 12 is a further area with low impedance, which is designated with P and contains the same impurities as the layer 6, namely zinc.
Die Batterie 14, die über den Widerstand 16 und den geschlossenen Schalter 18 mit dem Bauteil 2 verbunden ist, liefert eine in Durchlaßrichtung liegende Vorspannung für die Schichten 6, 8 und 10 der PP°N-Diode. Die Batterie 20, die über den geschlossenen Schalter 22 mit dem Bauteil 2 verbunden ist, liefert an die aus den Schichten 10 und 12 bestehende lumineszierende Injektionsdiode eine in Durchlaßrichtung liegende Spannung, die von einer genügenden Größe ist, um die Diode lumineszieren zu lassen.The battery 14, which is connected to the component 2 via the resistor 16 and the closed switch 18 provides a forward bias for layers 6, 8 and 10 of FIG PP ° N diode. The battery 20, which is connected to the component 2 via the closed switch 22 is, supplies the luminescent injection diode consisting of layers 10 and 12 with an in Forward voltage sufficient to cause the diode to luminesce allow.
Eine spiegelnde Schicht 24 ist an der äußeren Fläche der P-Schicht 12 angeordnet, die eine Reflexion des Lumineszenzlichtes in Richtung auf die P°-Schicht 8 bewirkt. Die Anordnung würde aber auch ohne die besagte reflektierende Schicht 24 arbeiten.A reflective layer 24 is disposed on the outer surface of the P-layer 12, the one Reflection of the luminescent light in the direction of the P ° layer 8 causes. The arrangement would, however work even without said reflective layer 24.
Die Arbeitsweise der in F i g. 7 dargestellten Anordnung wird im folgenden an Hand der Z14-F14-DIagramme der F i g. 8 und 9 näher erläutert. Die Bereiche 6, 8 und 10 bilden eine Anordnung, die, wenn sie durch die Spannung der Batterie F14 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, einen negativen Widerstand zeigen. Bei geschlossenem Schalter 18 und bei niedrigen Werten von + F ist die Impedanz der PP0N-Diode auf Grund der Eigenschaften des Bereiches 8 sehr hoch, so daß der Punkt I auf der Kurve J2n=O der F i g. 8 den stabilen Zustand hoher Impedanz des Teils der Anordnung zeigt, der als elektrolumineszente Diode mit negativem Widerstand angesprochen werden kann. Wird die Spannung F14 bis zu dem Punkt t erhöht, der der Schwellenwertspannung der elektrolurnineszenten Diode mit negativem Widerstand entspricht, so wird die letztere umgeschaltet, und die i14-F14-Kurve I20=O zeigt die Eigenschaften im negativen Widerstandsbereich. Ein stabiler Zustand, der durch den Punkt B angedeutet ist, wird als der Zustand niedriger Impedanz der elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand bezeichnet.The operation of the in F i g. The arrangement shown in FIG. 7 is illustrated below with reference to the Z 14 -F 14 diagrams in FIG. 8 and 9 explained in more detail. Areas 6, 8 and 10 form an arrangement which, when forward-biased by the voltage of battery F 14 , exhibits negative resistance. When the switch 18 is closed and at low values of + F, the impedance of the PP 0 N diode is very high due to the properties of the area 8, so that the point I on the curve J 2n = O in FIG. 8 shows the stable, high impedance state of the part of the device that can be addressed as an electroluminescent diode with negative resistance. If the voltage F 14 is increased to point t , which corresponds to the threshold voltage of the electroluminescent diode with negative resistance, the latter is switched over and the i 14 -F 14 curve I 20 = O shows the properties in the negative resistance range. A steady state indicated by point B is referred to as the low impedance state of the negative resistance electroluminescent diode.
Diese hat auch die Eigenschaft, daß die Schwellenwertspannung herabgesetzt wird, wenn Energie in Form von Licht dem Bereich hohen Widerstands P0 zugeführt wird. Die Kurve Z20 >0 der Fig. 8 ist eine Darstellung im z'14-F14-Diagramm, wenn Licht durch den Strom Z20 erzeugt wird, derThis also has the property that the threshold voltage is lowered when energy in the form of light is supplied to the region of high resistance P 0. The curve Z 20 > 0 of FIG. 8 is a representation in the z '14 -F 14 diagram when light is generated by the current Z 20 , the
ίο durch die PN-Grenzfläche 10 bis 12 auf den Bereich P0 der Diode 6-8-10 fällt. Es ist daraus zu ersehen, daß das Umschalten der elektrolumineszenten Diode mit negativem Widerstand bei einer niedrigeren Spannung t' erfolgt, wenn Licht zur Einwirkung gelangt. Der Punkt B kennzeichnet im wesentlichen den gleichen stabilen Zustand bei niedriger Impedanz der Diode, unabhängig davon, ob die Diode unter der Einwirkung von Licht auf den Bereich P0 oder ohne diese Einwirkung betrieben wird.ίο falls through the PN interface 10 to 12 on the area P 0 of the diode 6-8-10. It can be seen from this that the switching of the electroluminescent diode with negative resistance takes place at a lower voltage t ' when light is applied. The point B essentially indicates the same stable state with a low impedance of the diode, regardless of whether the diode is operated under the action of light on the region P 0 or without this action.
Die Diode 6-8-10 kann durch Entfernung der Beleuchtung und durch kurzzeitiges Öffnen des Schalters 18 in ihren ersten stabilen Zustand (Punkt I) übergeführt werden. Es ist natürlich auch möglich, das Umschalten in den ersten Zustand durch das Anlegen von negativen Impulsen zu bewirken, die die Vorspannung Vu kurzzeitig so weit senken, daß die Spannung kleiner als Vx wird, was eine Rückkehr der Diode 6-8 in ihrem Zustand niedriger Impedanz (Punkt I) zur Folge hat. L ist die Belastungskennlinie der elektrolumineszierenden Diode mit negativer Impedanz.The diode 6-8-10 can be transferred to its first stable state (point I) by removing the lighting and briefly opening the switch 18. It is of course also possible to switch to the first state by applying negative pulses that briefly lower the bias voltage V u so far that the voltage is less than V x , which causes a return of the diode 6-8 in their Low impedance condition (point I) . L is the load characteristic of the electroluminescent diode with negative impedance.
Zusammengefaßt sei noch einmal festgestellt, daß für den Fall, in welchem sich die Diode 6-8-10 in
ihrem durch B gekennzeichneten Zustand niedriger Impedanz befindet und in den durch den Punkt I gekennzeichneten
Zustand hoher Impedanz übergeführt werden soll, die an der Diode in Durchlaßrichtung
liegende Spannung bis unter den Wert Vx herabgesetzt
werden muß. Der Bereich PP0JV in F i g. 7 ist deshalb von Wichtigkeit, weil er als Schalter mit
negativem Widerstand wirkt. Die elektrolumineszenten Eigenschaften sind nur eine Nebenerscheinung
des Schaltvorganges, aber diese Eigenschaft ist als ein optisches Mittel zur zerstörungsfreien Feststellung
des Zustandes des photonengekoppelten Schalters von Wichtigkeit. Das Lumineszenzlicht kann, ohne
den Schaltzustand der Diode zu beeinflussen, abgefühlt werden.
Ein wesentliches Merkmal dieser Anordnung, bei der zwei Dioden mit einer gemeinsamen Basis
N-B.ereich 10 erzeugt werden, ist die sehr enge Kopplung zwischen einer lumineszierenden Injektionsdiode
(Bereiche 10 und 12) und einer elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand
(Bereiche 6, 8 und 10), so daß ein schnelles Schalten der elektrolumineszierenden Diode mit negativem
Widerstand möglich ist. Schaltzeiten von mindestens 10~7 Sekunden sind auf diese Weise realisierbar. Die
Anordnung gemäß F i g. 7 wirkt als ein sehr schnelles Dreielektrodenschaltbauteil oder Relais bei dem der
Strom z'an als Steuerstrom dient. Die Einschaltzeit
des durch die Diode 10 bis 12 erzeugten Lichtes beträgt höchstens 10~9 Sekunden, und seine Intensität
ist über einen weiten Bereich dem Strom i, In summary, it should be stated once again that for the case in which the diode 6-8-10 is in its low impedance state identified by B and is to be converted into the high impedance state identified by point I, the diode in Forward voltage must be reduced to below the value V x. The area PP 0 JV in FIG. 7 is important because it acts as a switch with negative resistance. The electroluminescent properties are only a by-product of the switching process, but this property is important as an optical means of nondestructively determining the state of the photon-coupled switch. The luminescent light can be sensed without affecting the switching state of the diode.
An essential feature of this arrangement, in which two diodes with a common base NB area 10 are created, is the very close coupling between a luminescent injection diode (areas 10 and 12) and an electroluminescent diode with negative resistance (areas 6, 8 and 10 ), so that rapid switching of the electroluminescent diode with negative resistance is possible. Switching times of at least 10 ~ 7 seconds can be achieved in this way. The arrangement according to FIG. 7 acts as a very fast three-electrode switching component or relay in which the current z ' an serves as a control current. The switch-on time of the light generated by the diode 10 to 12 is a maximum of 10 ~ 9 seconds, and its intensity is over a wide range the current i,
proportional.proportional.
In F i g. 9 a wird die Stromspannungskennlinie der in Fig. 7 dargestellten Anordnung für verschiedene Werte von Z20 dargestellt, bei denen z'2O in SchrittenIn Fig. 9 a, the current-voltage characteristic of the arrangement shown in FIG. 7 is shown for different values of Z 20 , in which z ' 2O in steps
von 5 mA gesteigert wird. In dieser Schaltung beträgt der Widerstand von R16 200 0hm, und die Batterien 14 und 20 wurden durch zeitlich veränderbare Generatoren ersetzt. Wie schon früher erwähnt, wird die Anordnung bei einer Temperatur von 77 0K betrieben. Die Schwellenwertspannungen schwanken zwischen 3,8 und 1,5 Volt, und der Strom i verändert sich dabei von 1,0 bis zu 2,5 mA. Wie aus F i g. 9 zu entnehmen, ist der Gewinn oder die Verstärkung der Anordnung PPW in der Form dargestelltis increased by 5 mA. In this circuit, the resistance of R16 is 200 ohms, and batteries 14 and 20 have been replaced by time-varying generators. As mentioned earlier, the arrangement is operated at a temperature of 77 ° K. The threshold voltages vary between 3.8 and 1.5 volts, and the current i varies from 1.0 to 2.5 mA. As shown in FIG. 9, the gain or gain of the arrangement PPW is shown in the form
oder das Verhältnis zwischen dem Strom der durch die Diode 6-8-10 in ihrem Zustand niedriger Impedanz und dem Strom der durch die Diode in ihrem Zustand hoher Impedanz fließt. Dieser Gewinn kann auch durch das Verhältnisor the ratio between the current through diode 6-8-10 in its low impedance state and the current flowing through the diode in its high impedance state. This gain can also through the relationship
dargestellt werden, wobei R16 der Wert des Widerstandes 16 der Fig.7 und RP^N die Impedanz der Diode 6-8-10 ist. Der Gewinn der ganzen Anordnungare shown, where R 16 is the value of the resistor 16 of Figure 7 and R P ^ N is the impedance of the diode 6-8-10. The benefit of the whole arrangement
(PP0NP) kann geschrieben werden als (PP 0 NP) can be written as
AIaAIa
AL,AL,
hi (in Punkt B) — hi (in Funkt I) hi (in point B) - hi ( in point I)
Uo — 1*20 Uo - 1 * 20
Wie aus Fig. 9 zu entnehmen, kann bei Z20=O (kein Licht) und 4Ό von der Größe von rnAzf J14 in der Größenordnung von einigen 100 mA sein (durch die Größe von R16 bedingt), was einem hohen Gewinn entspricht.As can be seen from Fig. 9, at Z 20 = O (no light) and 4Ό of the size of rnAzf J 14 can be in the order of a few 100 mA (due to the size of R 16 ), which corresponds to a high gain .
In der Schaltung nach Fig. 10 ist die durch die Bereiche 10 und 12 gemäß F i g. 7 gebildete Lichtquelle durch eine äußere Lichtquelle ersetzt.In the circuit according to FIG. 10, the circuit through the areas 10 and 12 according to FIG. 7 formed light source replaced by an external light source.
Auf diese Weise kann die Anordnung als Lichtverstärker verwendet werden. Gemäß Fig. 10 bilden die Bereiche 6, 8 und 10 PPW eine elektrolumineszierende Diode mit negativem Widerstand. 30 ist eine Wechselstromquelle £ (r), die für jeden Halbzyklus eine in Durchlaßrichtung wirkende Vorspannung liefert, die jedoch nicht genügt, die Diode über den veränderlichen Widerstand 36 ohne Beleuchtung ihres P°-Bereiches umzuschalten. Die Lichtquelle 34 wird mittels der Linse 36 auf den η-leitenden Bereich 10 fokussiert, während 38 ein dichroitisches Filter ist, das die Wellenlänge A1 der Lichtquelle 34 durchläßt, jedoch die Wellenlänge A2, die in der Diode erzeugt wird, reflektiert. Obwohl das dichroitische Filter 38 ebenso wie die reflektierende Schicht in der F i g. 7, die Wirkungsweise der Anordnung verbessert, kann die Anordnung auch ohne dieses Filter arbeiten. Das Filter 40 ist so ausgebildet, daß das Licht der Wellenlänge A1 unterdrückt, jedoch Licht der Wellenlänge A2 durchläßt. Eine Linse 42 fokussiert das durchgelassene Licht auf den Detektor 44.In this way the arrangement can be used as a light amplifier. 10, areas 6, 8 and 10 PPW form an electroluminescent diode with negative resistance. 30 is an alternating current source £ (r) which supplies a forward bias voltage for each half cycle, but which is not sufficient to switch the diode via the variable resistor 36 without illuminating its P ° range. The light source 34 is focused on the η-conducting region 10 by means of the lens 36, while 38 is a dichroic filter which transmits the wavelength A 1 of the light source 34, but reflects the wavelength A 2 generated in the diode. Although the dichroic filter 38 as well as the reflective layer in FIG. 7, improves the efficiency of the arrangement, the arrangement can also work without this filter. The filter 40 is designed in such a way that the light of the wavelength A 1 is suppressed, but light of the wavelength A 2 is allowed to pass through. A lens 42 focuses the transmitted light onto the detector 44.
Hat das von außen einfallende Licht Iex weniger Energie je Photon als das emittierte Licht Iem, d. h. daß die Energie von außen einfallenden Photonen kleiner ist als die Energie des emittierten Photons, wirkt die Anordnung als ein Quantenverstärker. Bei Verwendung von Mangan als eine Verunreinigung zur Erzeugung von Akzeptoren flachen Energieniveaus in Gallium-Arsenid und einer Ionisierungsenergie von 0,1 Elektronenvolt wird ein Quanten gewinn von 10 erreicht, da die Energie des emittierten Photons 1,0 Elektronenvolt beträgt. Durch Veränderung der Tiefe der Verunreinigung kann man kleinere Quantenverstärkungen mit tiefen Verunreinigungen und größere Quantenverstärkungen mit flacheren Verunreinigungen erzielen. Liegt das einfallende Licht im infraroten Bereich und das emittierte Licht der PP°N-Diode im sichtbaren Spektrum, so kann eine matrizenförmige Anordnung derartigerIf the externally incident light I ex has less energy per photon than the emitted light I em , ie the energy from externally incident photons is less than the energy of the emitted photon, the arrangement acts as a quantum amplifier. When using manganese as an impurity to generate acceptors of flat energy levels in gallium arsenide and an ionization energy of 0.1 electron volts, a quantum gain of 10 is achieved because the energy of the emitted photon is 1.0 electron volts. By changing the depth of the impurity, one can achieve smaller quantum gains with deep impurities and larger quantum gains with shallower impurities. If the incident light is in the infrared range and the light emitted by the PP ° N diode is in the visible spectrum, a matrix-shaped arrangement of this type can be used
ίο Dioden dazu verwendet werden, ein im langwelligen Infrarotbereich liegendes Bild in ein im kurzwelligen Infrarotbereich liegendes Bild zu verwandeln. Durch geeignete Dotierung des Gallium-Arsenids mit Zusammensetzungen der Gruppen III und IV mit breiterem Bandabstand, beispielsweise mit Gallium-Phosphit, können an Stelle von im nahen Infrarot liegenden Bildern im sichtbaren Spektralbereich liegende Bilder erzeugt werden.ίο Diodes can be used in the long-wave To transform an image lying in the infrared range into an image lying in the short-wave infrared range. By suitable doping of the gallium arsenide with compositions of groups III and IV with wider Band gap, for example with gallium phosphite, can be used in place of near infrared lying images in the visible spectral range lying images are generated.
Emittiert die Anordnung in ihrem gut leitenden Zustand mehr Photonen je Sekunde, als zur Auslösung der Umschaltung von der Lichtquelle 34 benötigt werden, so ergibt sich ein Lichtverstärker. Um eine Modulation der Quelle 34 in weiten Grenzen übertragen zu können, ist es erforderlich, daß die Vorspannungsfrequenz E (t) der Stromquelle 30 größer als die Modulationsfrequenz der Lichtquelle 34 ist. Wird nämlich bei positivem Potential von E (t) die Lichtquelle 34 eingeschaltet, so ergibt sich eine Herabsetzung des Schwellenwertes der Diode 6-8-10. Die Diode wird dadurch in ihren Zustand niedriger Impedanz umgeschaltet, und es ergeben sich relativ hohe Werte des Stromes Z30, welche die Erzeugung von Licht der Wellenlänge A2 zur Folge haben, das durch den Detektor 44 festgestellt wird.If the arrangement, in its highly conductive state, emits more photons per second than are required to trigger the switchover from the light source 34, a light amplifier results. In order to be able to transmit a modulation of the source 34 within wide limits, it is necessary that the bias frequency E (t) of the current source 30 is greater than the modulation frequency of the light source 34. If the light source 34 is switched on when the potential of E (t) is positive, the threshold value of the diode 6-8-10 is reduced. The diode is thereby switched to its low impedance state, and relatively high values of the current Z 30 result , which result in the generation of light of wavelength A 2 , which is detected by the detector 44.
Sinkt E (i) auf einen Wert unterhalb des besagten Schwellenwertes oder nimmt einen negativen Wert an, so fällt die Diode 6-8-10 in ihren Zustand hoher Impedanz zurück, und die dabei fließenden kleinen Werte von Z30 verursachen geringfügige oder garIf E (i) falls to a value below the said threshold value or assumes a negative value, the diode 6-8-10 falls back into its high impedance state, and the small values of Z 30 flowing in the process cause minor or even negative values
keine Lumineszenz der Diode. Folglich wird kein Licht zum Detektor 44 gelangen. Solange die Frequenz der Stromquelle 30, die die Vorspannung in Durchlaßrichtung für die Diode PPW liefert, größer ist, als die Frequenz, mit der die Lichtquelle 34 an- und abgeschaltet wird, wirkt die Schaltung gemäß F i g. 10 als ein Verstärker, der die Modulationscharakteristik der Quelle 34 beibehält. Hat die Quelle 34 eine Wellenlänge X1 die gleich der Wellenlänge X2 ist, dann kann das Filter 40 entfernt werden.no luminescence of the diode. As a result, no light will reach detector 44. As long as the frequency of the current source 30, which supplies the forward bias voltage for the diode PPW, is greater than the frequency at which the light source 34 is switched on and off, the circuit according to FIG. 10 as an amplifier that maintains the source 34 modulation characteristics. If the source 34 has a wavelength X 1 which is equal to the wavelength X 2 , then the filter 40 can be removed.
Die Anordnung wirkt als Umformer wenn das Licht der Quelle 34 eine Wellenlänge A1 größer als A2 hat, wobei A2 die Wellenlänge des in der Diode erzeugten Lichtes während des Schaltvorganges ist. So könnte beispielsweise X1 in langwelligem Infrarot-BereichThe arrangement acts as a converter when the light from the source 34 has a wavelength A 1 greater than A 2 , A 2 being the wavelength of the light generated in the diode during the switching process. For example, X 1 could be in the long-wave infrared range
liegen und der Detektor 44 würde infrarotes Licht feststellen, dessen Wellenlänge kürzer als das der Quelle 34 ist.lie and the detector 44 would detect infrared light whose wavelength is shorter than that of the Source 34 is.
Claims (13)
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German Auslegeschrift No. 1048 346,
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