DE1265318B - Elektro-optisches Halbleiterbauelement zur Verstaerkung von elektrischen Signalen oder von Strahlungssignalen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WTBWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g -39/00

N18889 VIII c/21 g
12. September 1960
4. April 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektro-optisches Halbleiterbauelement zur Verstärkung von elektrischen Signalen oder von Strahlungssignalen, bei dem ein mit Elektroden versehener elektrolumineszierender Körper und wenigstens ein mit Elektroden versehener photoempfindlicher Halbleiterkörper baulich vereinigt und optisch und/oder elektrisch miteinander gekoppelt sind.

Elektro-optische Halbleiterbauelemente eines solchen Aufbaues können bekanntlich unter anderem als elektrische Verstärkereinheiten verwendet werden, bei denen das elektrische Eingangssignal den Elektroden des elektrolumineszierenden Körpers, der optisch mit einem photoleitenden Körper gekoppelt ist, zugeführt wird, in welchem Körper die elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der im Strahlungskörper erzeugten Strahlungsintensität gesteuert wird und dessen Elektroden demzufolge den elektrischen Ausgang bilden. Solche Bauelemente können auch als Strahlungsverstärker verwendet werden, bei denen das Eingangssignal des Elementes durch ein Strahlungssignal elektromagnetischer oder korpuskularer Art gebildet wird, das einem photoleitenden Körper zugeführt wird und in diesem Körper die elektrische Leitfähigkeit beeinflußt, während dieser photoleitende Körper elektrisch mit einem elektrolumineszierenden Körper gekoppelt ist, an dem die elektrische Spannung auch durch die elektrische Leitfähigkeit im photoleitenden Körper gesteuert wird, so daß in diesem elektrolumineszierenden Körper ein Strahlungssignal mit einer von der im photoleitenden Körper auftretenden elektrischen Leitfähigkeit abhängigen Strahlungsintensität erzeugt wird. Dadurch, daß bei den obigen Verwendungsmöglichkeiten dieses Schaltungselementes als elektrischer Verstärker oder als Strahlungsverstärker eine elektrische bzw. optische Rückkopplung zwischen Ein- und Ausgang eingeführt wird, können bistabile oder schwingende elektrooptische Systeme erhalten werden. Als elektrolumineszierende Stoffe werden die normalen elektrolumineszierenden Stoffe, wie Zinksulfid, verwendet. Es wurde jedoch auch schon vorgeschlagen, als elektroluminezsierenden Körper eine sogenannte pn-Rekombinationsstrahlungsquelle zu verwenden, unter der hier ein Halbleiterkörper mit einem pn-übergang zu verstehen ist, in dem die Strahlung durch Rekombination von Ladungsträgern, welche beim Betrieb des pn-Überganges in der Vorwärtsrichtung im Halbleiterkörper in der Umgebung des pn-Überganges injiziert werden, erzeugt wird. Der Aufbau und die Verwendung der obigen Schaltungselemente sind unter anderem beschrieben in einem Artikel von Elektro-optisches Halbleiterbauelement
zur Verstärkung von elektrischen Signalen
oder von Strahlungssignalen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Gesinus Diemer, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 14. September 1959 (243 338)

R. E. Hal st ed im Buch »Solid state phenomena in electric circuits«, S. 275 bis 287, herausgegeben von dem Polytechnic Institute of Brooklyn, NewYork 1957.

Da diese Schaltungselemente unter anderem zur Anzeige oder zum Verstärken eines Signals verwendet werden oder um eine Schaltwirkung auszuführen, ist es wichtig, daß sie schnell auf Änderungen in der Signalstärke reagieren. Da die Empfindlichkeit und der Verstärkungsfaktor dieser Schaltungselemente auch durch die Photoempfindlichkeit des photoleitenden Körpers bestimmt werden, und zwar besonders proportional zu dem μ · r-Produkt des verwendeten Photoleiters sind, wobei unter μ und τ die effektive Beweglichkeit bzw. die effektive Lebensdauer der freien Ladungsträger zu verstehen ist, ist es erwünscht, einen Photoleiter mit einem hohen μ · r-Produkt zu verwenden.

Die für die bekannten Schaltungselemente dieses Typs üblichen Photoleiter, wie die Sulfide und Selenide, z. B. von Cadmium, welche meistens in einer für die Photoleitfähigkeit aktivierten Form verwendet werden, besitzen zwar ein günstig hohes μ · T-Produkt; sie weisen jedoch eine zu große Ansprechzeit auf, und dies ist die Ursache dafür, daß bekannte Schaltelemente dieser Art für viele Anwendungszwecke zu träge sind.

"Mit der Ansprechzeit eines Photoleiters wird hier in üblicher Weise die Zeit gemeint, die erforderlich ist, um eine Änderung eines Strahlungssignals in die sich daraus ergebende gewünschte effektive Ände-

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rung der elektrischen Leitfähigkeit umzuwandeln. hoher Verstärkungsfaktor erzielbar ist, während

Diese Ansprechzeit kann nicht kürzer gemacht wer- weiter die verbotene Energiezone auch wieder nicht

den als die Lebensdauer τ der Ladungsträger, die für so groß ist, daß eine kurze Ansprechzeit infolge einer

diese bekannten Photoleiter in einem Aktivierungs- zu großen Wahrscheinlichkeit für den hinderlichen

zustand hoher Photoempfindlichkeit von der Größen- 5 und schwer zu vermeidenden Einbau tiefliegender

Ordnung von einer Millisekunde ist. In der Praxis ist Haftstellenniveaus nicht mehr auf einfache Weise

die Ansprechzeit dieser Photoleiter jedoch besonders erzielbar wäre.

durch die Wirkung sogenannter Haftstellen verlän- Besonders in den Fällen, wo eine optische Koppgert, lung zwischen photoempfindlichem Körper und

Es wurde auch bereits eine elektro-optische An- io elektrolumineszierendem Strahlungskörper erwünscht Ordnung vorgeschlagen mit einer pn-Rekombinations- ist, sollen selbstverständlich die üblichen Maßnahmen strahlungsquelle aus Silizium und einem photoleiten- getroffen werden, wie eine geeignete Auswahl und den Teil aus Germanium. Die Halbleitermaterialien Anpassung des zu verwendenden photoempfind-Germanium und Silizium besitzen zwar eine relativ liehen und elektrolumineszierenden Stoffes hinsichtkurze Lebensdauer, aber eine relativ niedrige Beweg- 15 lieh des Frequenzbereiches der maximalen Strahlichkeit der Ladungsträger, so daß das Produkt dieser lungsemission bzw. -empfindlichkeit, so daß die Größen, das ein Maß für die Photoempfindlichkeit Frequenz der durch den elektrolumineszierenden darstellt, relativ niedrig ist. Außerdem ist, insbeson- Stoff erzeugten Strahlung dem Empfindlichkeitsmaxidere bei Germanium, die Größe der verbotenen mum des photoempfindlichen Stoffes entspricht. Zu Energiezone gering, um eine hohe elektrische Feld- 20 diesem Zweck können die beiden Stoffe, wenn stärke zuzulassen und einen hohen Verstärkungs- erwünscht, auf übliche Weise durch Einbau von Gitfaktor zu erreichen. terstörstellen, wie Verunreinigungen, aktiviert werden.

Bei einem Halbleiterbauelement der eingangs er- Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform

wähnten Art erhält man einerseits einen günstig eines Schaltungselementes nach der Erfindung

hohen Wert der Empfindlichkeit und andererseits 25 besteht der elektrolumineszierende Strahlungskörper

eine günstig kurze Ansprechzeit, wenn gemäß der ebenfalls aus einer A_mB_v-Verbindung oder einem

Erfindung der photoempfindliche Halbleiterkörper Mischkristall solcher Verbindungen, vorzugsweise

aus einer solchen A_niB_v-Verbindung oder einem aus einer solchen Verbindung mit einer verbotenen

solchen Mischkristall zweier oder mehrerer A_niB_v- Energiezone größer als 1 eV. Auf diese Weise wird

Verbindungen besteht, daß er einerseits einen einer 3° ein Schaltungselement nach der Erfindung mit einem

kurzen Ansprechzeit entsprechenden geringen Wert einfachen, besonders geeigneten Aufbau erhalten, bei

der Lebensdauer τ der Ladungsträger und anderer- dem sowohl der elektrolumineszierende Körper als

seits einen so hohen Wert der Ladungsträgerbeweg- auch der photoempfindliche Körper einer A₁₁₁By-

lichkeit/i aufweist, daß zur Erzielung einer hohen Verbindung bestehen, was möglich ist, weil diese

Empfindlichkeit das Produkt μ ■ τ möglichst groß ist. 35 A_mB_v-Verbindungen auch sehr geeignet sind als

Als A_niB_v-Verbindung wird hier in üblicher Weise elektrolumineszierende Körper, die, gegebenenfalls eine intermetallische halbleitende Verbindung eines nach geeigneter Aktivierung, zweckmäßig der spek-Elementes A₁Q der dritten Spalte des periodischen tralen Verteilung der Photoleitfähigkeit in dem eben-Systems mit einem Element 2?_v der fünften Spalte falls aus einer A_inB_v-Verbindung bestehenden photodes periodischen Systems bezeichnet, insbesondere 40 empfindlichen Körper angepaßt werden können. Beieine solche Verbindung zwischen einem Element aus spiele solcher besonders geeigneten elektroluminesder Gruppe Bor, Aluminium, Gallium und Indium zierenden Verbindungen sind AlAs, GaP, AIP, InP einerseits und einem Element aus der Gruppe Stick- oder Mischkristalle GaP und InP, deren elektrostoff, Phosphor, Arsen und Antimon andererseits. lumineszierende Eigenschaften an sich schon bekannt

Diese A_mB_v-Verbindungen eignen sich ganz 45 sind. Auch die Verbindung GaN ist in diesem Zubesonders zur Verwendung in den obenerwähnten sammenhang besonders geeignet. Vorzugsweise wird Bauelementen, da sie bekanntlich eine sehr hohe der elektrolumineszierende Strahlungskörper dann in Beweglichkeit und kurze Lebensdauer der Ladungs- Form einer pn-Rekombinationsstrahlungsquelle verträger aufweisen können; infolge des verhältnis- wendet, zu welchem Zweck die A_InByVerbmdungen mäßig hohen Wertes der Beweglichkeit kann trotz 5° mit Aktivatoren zu p- oder η-Leitfähigkeit dotiert der erwünschten kurzen Lebensdauer der Ladungs- werden, was ebenfalls sehr zweckmäßig ist und woträger noch ein günstiger hoher Wert des μ · τ-Pro- durch zugleich der Vorteil erhalten wird, daß Betrieb duktes erzielt werden, wodurch sowohl eine genügend bei verhältnismäßig niedriger Gleichspannung mögkurze Ansprechzeit wie auch ein ausreichend hoher lieh ist.
Verstärkungsfaktor erhalten werden. 55 Die Herstellung, Dotierung und Aktivierung von

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung dient A₁₁₁B _v-Verbindungen sowie auch deren Verwendung

als Material des photoempfindlichen Körpers eine in verschiedenen Arten von Halbleiteranordnungen

A₁₁₁By-Verbindung mit einer Größe der verbotenen sind schon in der Literatur ausführlich beschrieben.

Energiezone zwischen Leitungsband und Valenzband In dieser Fachliteratur ist jedoch kein Hinweis auf

zwischen etwa 1 und 2,5 eV, wie z. B. InP, GaP, 60 die besondere Eignung dieser Verbindungen zur Ver-

GaAs, AlSb, AlAs oder Mischkristalle von GaAs Wendung in elektro-optischen Halbleiteranordnungen

und GaP, d.h. die Verbindung GaAs_1-^P_x, in der von der hiervor beschriebenen Art oder auf die

0 <. χ < 1 ist. Der spezifische Widerstand dieser dadurch erzielbaren Vorteile vorhanden,

halbleitenden Verbindungen hat im eigenleitenden Wieterhin wird bemerkt, daß für Elektronenstrahl-

Zustand bei den normalen Betriebstemperaturen 65 anordnungen bereits vorgeschlagen wurde, eine

einen günstigen hohen Wert, wodurch eine hohe fluoreszierende Schicht auf einem Halbleiterkörper

Grenzempfindlichkeit und durch die Zulässigkeit anzubringen, um mittels dieser flluoreszierenden

einer hohen elektrischen Feldstärke zugleich ein Schicht den Elektronenstrom in Lichtquanten um-

zusetzen. Es handelt sich dabei offensichtlich nicht um eine elektro-optische Anordnung im Sinne der Erfindung, und es wird ein fluoreszierender Körper statt eines elektrorumineszierenden Körpers verwendet. Im übrigen wurde dabei auch nicht die Verwendung von A_mB_v-Verbindungen vorgeschlagen. Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen, einen pnpn-Schalter mittels einer Strahlungsquelle zu zünden. Auch dabei ist jedoch nicht die Verwendung als elektro-optische Anordnung zur Strahlungsverstärkung, zur elektrischen Verstärkung oder zum Schalten möglich, da keine elektrische Kopplung vorliegt, dem elektrolumineszierenden Körper kein zu verstärkendes Signal zugeführt und kein Verstärkersignal am photoempfindlichen Körper abgenommen wird. Das pnpn-Schaltelement ist bereits an sich instabil und wird mittels Strahlung gezündet. Bei einem elektro-optischen System nach der Erfindung hingegen ist der photoempfindliche Teil selbst nicht instabil; die Instabilität wird erst durch optische und elektrische Kopplung der beiden Körper erreicht.

Ein Schaltungselement nach der Erfindung kann in folgender Weise aufgebaut werden:

Als elektrolumineszierender Körper kann z. B. ein GaP-Kristall verwendet werden, in dem durch Verwendung eines Akzeptors, z. B. Zink, und eines Donators, wie z. B. Schwefel, ein pn-übergang angebracht ist. Zwischen den Kontakten im p- bzw. η-Gebiet wird eine Spannung in der Vorwärtsrichtung angelegt, wodurch eine pn-Rekombinationsstrahlungsquelle erhalten wird. Diese kann auf einem gemeinsamen Träger mit einem mit zwei Kontakten versehenen photoleitenden Körper aus GaAs zusammengebaut werden. Das GaAs kann, wenn erwünscht, noch durch Einbau von Verunreinigungen besonders aktiviert werden. Wenn diese Körper in Reihe geschaltet werden und wenn an diese Reihenschaltung eine geeignete Spannung angelegt wird, kann diese Vorrichtung als Strahlungsverstärker verwendet werden. Wenn eine optische Rückkopplung zwischen Strahlungskörper und photoleitendem Körper erwünscht ist, z. B. zum Erzielen eines bistabilen Elementes oder einer elektrischen Verstärkereinheit, kann ein Halbleiterkörper verwendet werden, der teilweise aus GaP und teilweise aus GaAs besteht, wobei der eine Teil über eine allmähliche Mischkristallbildung zwischen diesen Verbindungen in den anderen übergehen kann. Der GaP-Teil kann dann wieder auf analoge Weise als pn-Rekombinationsstrahlungsquelle und der GaAs-Teil als photoleitender Körper ausgebildet sein. ^mr

In einer anderen Ausführungsform kann z. B. ein elektrolumineszierender Strahlungskörper aus ZnS verwendet werden, der z. B. mit einer atomaren Konzentration von 10"^s Kupfer und 0,9-IO-³ AIuminium aktiviert ist und zwischen einer Aluminiumelektrode einerseits und einer durchsichtigen Zinnoxydelektrode andererseits auf einem Glasträger in Form einer Schicht von z. B. 50 μΐη Dicke, mit der Zinnoxydelektrode dem Glasträger zugewendet, angeordnet ist. Für eine Ausführung als Strahlungsverstärker ohne optische Rückkopplung kann auf dem gleichen Träger neben der elektrolumineszierenden Schicht ein photoleitender Körper, z. B. aus Galliumarsenid, in Reihenschaltung angeordnet werden. Ist eine optische Kopplung zwischen den beiden Körpern erwünscht, so kann diese auf einfache Weise dadurch erzielt werden, daß der photoleitende Körper auf der anderen Seite des durchsichtigen Glasträgers gegenüber der elektrolumineszierenden Schicht angeordnet wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektro-optisches Halbleiterbauelement zur Verstärkung von elektrischen Signalen oder von Strahlungssignalen, bei dem ein mit Elektroden versehener elektrolumineszierender Körper und wenigstens ein mit Elektroden versehener photoempfindlicher Halbleiterkörper baulich vereinigt und optisch und/oder elektrisch miteinander gekoppelt sind, gekennzeichnet durch die Verwendung eines photoempfindlichen HaIbleitexkörpers aus einer A_mB_v-Verbindung oder aus einem Mischkristall zweier oder mehrerer A₁₁₁By-Verbindungen, der einerseits einen geringen Wert der Lebensdauer (τ) der Ladungsträger und andererseits einen so hohen Wert der Ladungsträgerbeweglichkeit (μ) aufweist, daß das Produkt μ ■ τ möglichst groß ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des photoempfindlichen Halbleiterkörpers eine verbotene Energiezone zwischen 1 und 2,5 eV hat.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrolumineszierende Körper ebenfalls aus einer A₁₁₁By-Verbindung oder aus einem Mischkristall zweier oder mehrerer A_niB_v-Verbindungen besteht.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des elektrolumineszierenden Körpers eine verbotene Energiezone größer als 1 eV hat.

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrolumineszierende Körper als pn-Rekombinationsstrahlungsquelle ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 1054179, 1130 535, 109;

deutsche Auslegeschriften Nr. 1047 944,
695, 1064556, 1081925;

USA.-Patentschrift Nr. 2589 704;

Elektrotechnik, 1959, Nr. 11, S. 19;

Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 10 a, 1955,
Heft 6, S. 501, 502.

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