DE1278003B

DE1278003B - Elektrolumineszente Halbleiterdiode fuer optische Sender oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1278003B
Application number: DEV26565A
Authority: DE
Inventors: Herbert Kroemer
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1963-08-16
Filing date: 1964-08-12
Publication date: 1968-09-19
Also published as: GB1075247A; US3309553A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche Kl.:

H 05b

HOIs

2If-89/03

21g-53/08

Nummer: 1278 003

Aktenzeichen: P 12 7β 003.9-33 (V 26565)

Anmeldetag: 12. August 1964

Auslegetag: 19. September 1968

Die Erfindung betrifft elektrolumineszente Halbleiterdioden für Polung in Flußrichtung, die auf derjenigen Seite der Ubergangszone, die als Quelle für die Minioritätsträger wirkt, stärker dotiert sind, wie sie aus der USA.-Patentschrift 3 059117 bekanntgeworden sind, und insbesondere solche Dioden, die für optische Sender oder Verstärker verwendet werden.

Erfindungsgemäße Halbleitergeräte können für verschiedene Zwecke verwendet werden, die Beschreibung soll jedoch auf die Verwendung eines erfmdungsgemäßen Gerätes als Laser, allerdings nur für die Zwecke der Beschreibung und Erläuterung, gerichtet sein. Es ist hervorzuheben, daß das Konzept der Erfindung nicht auf Laser-Anwendungen allein beschränkt ist.

Strahlung oder Laser-Wirkung kann von Halbleitern in einer Weise durch die Rekombination von injizierten Überschußladungsträgern erreicht werden. Durch Anregung gewisser Halbleiter mit Hilfe von Lichtenergie oder elektrischem Strom emittieren diese Halbleiter Licht, Infrarot oder eine andere Strahlung.

Strahlungserzeugende oder Laser-Strukturen auf Festkörperbasis waren auf Halbleiter mit direktem Energieübergang beschränkt, wie Galliumarsenid, Indiumarsenid und Indiumphosphid, und auf Halbleiterlegierungen GaAs_xP₁ _ _x und Ga_xIn₁ _ _xAs. Es war nicht möglich, hoch strahlende Rekombinationen mit üblichen Halbleitern mit indirektem Energieübergang zu erzielen, wie Ge, Si, GaP ζ. Β., weil eine sehr hohe Trägerinjektionsdichte erforderlich ist. Halbleiter mit indirektem Energieübergang sind dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektron vom niedrigsten Energiezustand im Leitfähigkeitsband nicht in der Lage ist, strahlungserzeugend mit einem Loch im höchsten Energiezustand im Valenzband zu rekombinieren. Damit höhere Elektronenzustände Elektronen enthalten, ist es erforderlich, daß sehr hohe Trägerdichten injiziert werden, so daß Halbleiter mit indirektem Energieübergang in der Lage sind, Licht durch Rekombination zu emittieren.

Weiter sind bekannte Halbleiter-Strahlungserzeuger oder Laser mit einer homogenen Sperrschicht versehen, d. h., die beiden Seiten der pn-Sperrschicht bestehen aus einem einzigen Halbleitermaterial. Bei einer homogenen Sperrschicht können keine höheren Trägerdichten als die Dotierungsdichte auf der stärker dotierten Seite der Sperrschicht injiziert werden, und deshalb ist es nicht möglich, Trägerdichten oder eine Besetzungsverteilung zu realisieren, die hoch genug sind, die Entartungsschwelle des Halbleiters zu über-Elektrolumineszente Halbleiterdiode für optische Sender oder Verstärker

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter:

Dipl.-Ing. H. K. Bernhardt, Patentanwalt,
8000 München 23, Mainzer Str. 5

Als Erfinder benannt:

Herbert Kroemer, Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 16. August 1963 (302 647)

ao winden, noch die höheren Trägerdichten, die dazu benötigt werden, eine Laser-Wirkung in Halbleitern mit indirektem Energieübergang hervorzurufen.

Die Entartungsschwelle kann als die Besetzungsverteilung definiert werden, bei der injizierte Elektronen mehr als die Hälfte der verfügbaren Elektronenzustände auf der unteren Kante des Leitfähigkeitsbandes füllen und über dem mehr als die Hälfte der Elektronenzustände an der oberen Kante des Valenzbandes leer ist oder mit Löchern gefüllt ist.

Der Wert der Entartungsschwelle hängt von dem verwendeten Halbleitermaterial ab. Bei Zimmertemperatur kann dieser Wert beispielsweise etwa 10¹⁸ Träger pro Kubikzentimeter sein. Die Entartungsschwelle fällt jedoch mit fallender Temperatur, sie ist etwa proportional T^3/2, wobei T die absolute Temperatur bezeichnet. Um optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es erwünscht, eine injizierte Trägerdichte zu verwenden, die eng an der Entartungsschwelle liegt. Um kohärente Lichtemission zu erhalten, ist es erforderlieh, daß die injizierte Trägerdichte größer ist als die Entartungsschwelle. Weil nur begrenzte Trägerdichte bei üblichen pn-Sperrschichten möglich ist, wie sie in den zur Zeit bekannten Halbleiterlasern verwendet werden, muß die Entartungsschwelle durch extreme Abkühlung der Struktur gesenkt weren, um eine brauchbare Besetzungsverteilung zu schaffen.

Es ist damit klar, daß, wenn hohe Injektionsdichten verfügbar gemacht werden, keine Notwendigkeit mehr besteht, Halbleiterlaser auf extrem tiefe Temperatüren abzukühlen. Wenn hohe Injektionsdichten verfügbar gemacht werden, können auch Halbleiter sowohl mit indirektem Energieübergang als auch mit

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direktem Energieübergang dazu gebracht werden, bei tive Spannung an die η-leitende Injektorelektrode 14. Umgebungs- oder Zimmertemperaturen zu strahlen Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht

oder kohärent zu strahlen. die Laser-Basis 10 aus einem Germaniumeinkristall-

Mit zur Zeit bekannten Halbleiterlasern mit homo- block, und die Injektorelektroden 12 und 14 bestehen genen Sperrschichten wird das Licht von einem Ende 5 aus Galliumarsenid, das in geeigneter Weise dotiert der Sperrschicht meist in einer Richtung im wesent- ist. Die Sperrschichten zwischen den ungleichen liehen senkrecht zum Stromfluß abgestrahlt. Es wäre Materialien werden als heterogene Sperrschichten im erwünscht, alternativ kohärentes Licht zu erzielen, Gegensatz zu homogenen Sperrschichten bezeichnet, das quer zur Sperrschichtfläche des Laser-Körpers Wenn die Halbleiterdiode nach der Erfindung unter und in Richtung des Stromfiusses emittiert wird, so io Verwendung dieser speziellen Materialien hergestellt daß die Lichtemission eine Fläche beträchtlicher wird, läßt man zwei Schichten aus GaAs auf einem Breite überdeckt. Germaniumblock oder einer anderen Basis mit einer

Durch die Erfindung soll also eine elektrolumines- Dicke von etwa 100 μΐη oder weniger wachsen, zente Halbleiterdiode verfügbar gemacht werden, bei Die GaAs-Schichten werden in der Weise gebildet,

der eine hohe Trägerdichte erreichbar ist, um die 15 daß zunächst eine Schmelze aus Gallium mit einem soeben erläuterten Vorteile zu erzielen bzw. Nach- kleinen Prozentsatz Arsen vorbereitet wird. Der teile zu beseitigen. Arsengehalt in der Schmelze hängt von der Wachs-

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß temperatur ab, die beispielsweise zwischen 350 und ausgegangen von einer elektrolumineszenten Halb- 750 ⁰C liegen kann. Bei einer Wachstemperatur von leiterdiode der eingangs genannten Art, und diese 20 500 ⁰C wird eine Mischung mit etwa 5 Atomprozent bekannte Halbleiterdiode wird dadurch verbessert, Arsen verwendet. Die vorbereitete Schmelze wird daß die Halbleiterdiode diesseits und jenseits der langsam auf etwa 600 ⁰C erhitzt, so daß das Arsen Übergangszone aus verschiedenem Material »hete- mit dem Gallium reagiert, um GaAs zu bilden. (Statt rogen« aufgebaut ist und daß das Material mit dem dessen kann eine entsprechende Menge von GaAs in größeren Bandabstand stärker dotiert ist als das 25 Gallium gelöst werden, um eine geeignete Mischung Material mit dem kleineren Bandabstand. Bei Halb- zu bilden.) Um das Restarsen, das nicht reagiert hat, leiterbauteilen zur Stromverstärkung ist es bereits aufzulösen, wird die Schmelze während der ersten bekannt, einen heterogenen Kristall zu verwenden, 10 Minuten der langsamen Erwärmung wiederholt geder aus einem Material mit relativ kleinem Band- rührt.Wenn die Schmelze etwa 600 ⁰C erreicht, wird abstand und einem Material mit größerem Band- 30 die Temperatur für wenigstens 10 Minuten gehalten, abstand zusammengesetzt ist (deutsche Auslegeschnft damit das überschüssige Arsen verdampfen kann und 1 054179). um irgendwelche Kondensationskerne zu entfernen.

Das Material mit dem kleineren Bandabstand kann Die Temperatur der Schmelze wird dann schnell um bei der erfindungsgemäßen elektrolumineszenten etwa 100 ⁰C in einer Zeitspanne von weniger als Halbleiterdiode ein Material mit direktem oder in- 35 10 Minuten herabgesetzt. Wenn die Temperatur der direktem Energieübergang sein, so daß auch diese Schmelze etwa 500 ⁰C erreicht, wird der Germaniumletzteren Materialien im Sinne der Aufgabe der Er- block schnell in die unterkühlte Schmelze eingetaucht, findung für solche Dioden verwendet werden können. Der Block wirkt als Ansatzpunkt, so daß das GaAs

Der Grundgedanke der Erfindung kann in einer auf dem Blockträger epitaktisch wächst. Vor dem großen Anzahl von Ausführungsformen verwirklicht 40 Eintauchen wird der Germaniumblock auf eine werden; spezielle Merkmale der wichtigsten Ausfüh- höhere Temperatur als die Schmelze erwärmt, d. h. rungsformen sind in den Unteransprüchen zusammen- beispielsweise über 600 ⁰C. Der Block wird für gestellt. Diese Merkmale sind in der folgenden detail- wenigstens 1 Minute in der Schmelze gelassen und lierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeich- dann herausgezogen, so daß eine GaAs-Schicht genung erläutert; es zeigt 45 bildet wird, die beispielsweise 5 bis 20 μπι dick ist.

Fig. 1 schematisch eine Halbleiterdiode für op- Die erwähnten Schritte werden in einer reduzierenden tische Sender oder Verstärker nach der Erfindung, Atmosphäre durchgeführt, beispielsweise unter einem

F i g. 2 und 3 teilweise geschnittene Ansichten von Wasserstoff. Ausführungsformen der Erfindung, Es ist bekannt, daß handelsübliches Arsen Ver-

F i g. 4 und 5 Ansichten anderer Ausführungs- 5° unreinigungen enthält, die nur η-leitende GaAsformen der Erfindung, Injektorelektroden liefern. Um die Intensität der

Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere Ausfüh- n-Leitungsdotierung zu erhöhen, so daß höhere rungsform der Erfindung und Trägerdichten erreicht werden, wird eine n-Leitfähig-

F i g. 7 bis 9 schematisch noch weitere Ausfüh- keitsdotierung, wie Zinn, der Schmelze in einer Prorungsformen der Erfindung. 55 portion von 1 % relativ zur Mischung hinzugefügt.

Es ist zu erwähnen, daß die Zeichnung nur zur Um jedoch einen Halbleiter-Laser mit hohem

Veranschaulichung dienen soll und daß die Teile Wirkungsgrad zu erhalten, wird eine der beiden nicht in genauen Proportionen dargestellt sind. GaAs-Schichten vorzugsweise als p-leitende Injektor-

Gemäß dem Schema F i g. 1 besteht ein Halbleiter- elektrode 12 hergestellt, indem eine p-Leitfähigkeits-Strahlungserzeuger nach der Erfindung aus einer 60 dotierung, wie Zink, eindiffundiert wird. Um das Zn schwach dotierten Basis 10 aus einem Material mit in die GaAs-Schicht einzuführen, werden der Basisgeringem Bandabstand, einer p-leitenden Injektor- block und das Zn-Dotiermaterial in einem evakuierten elektrode 12 aus einem Material mit höherem Band- Quarzgefäß für 1 Stunde auf etwa 800 ⁰C erwärmt, abstand auf einer Seite der Basis und einer η-leiten- Die Zn-Dotierung kann eine Legierung von 90% den Injektorelektrode 14 ebenfalls mit höherem Band- 65 Indium und 10% Zink enthalten, wobei Zink das abstand auf der anderen Seite der Basis 10. Eine primäre Diffusionselement ist und das Indium als Gleichstromquelle 16 liefert eine positive Spannung Puffer wirkt, um zu hohen Zn-Dampfdruck zu veran die p-leitende Injektorelektrode 12 und eine nega- hindern. Um die n-Leitfähigkeitsdotierung der ande-

5 6

ren GaAs-Injektorelektrode zu erhalten, wird die überdeckt. Eine Reflexionsschicht 24, beispielsweise

η-leitende Schicht mit einem Film aus im Vakuum aus Aluminium, die zwischen der η-leitenden Injek-

oder aus dem Dampf niedergeschlagenen SiO₂ mas- torschicht 14 und der leitenden Elektrode 22 liegt,

kiert, ehe die Zn-Dotierung erfolgt. Das Zn diffun- dient dazu, die Lichtstrahlung in Richtung auf die

diert schnell in die exponierte GaAs-Schicht, aber 5 p-leitende Schicht 12 hin zu reflektieren, so daß das

relativ langsam in den Germaniumblock, und die Licht senkrecht durch die Schicht 12 abgestrahlt wird.

Diffusion hört tatsächlich an der Ge-GaAs-Sperr- Eine andere Ausführungsform gemäß F i g. 4 be-

schicht-Grenzfläche auf. Nach dem Diffusionsvorgang steht aus einem rechteckigen Körper, der eine leitende

wird der SiO₂-Maskennlm von der η-leitenden Schicht Flächenelektrode 26 auf der Oberfläche der n-leiten-

mit Salzsäure entfernt. io den Injektorelektrode 28 enthält und eine reflek-

Bei einer anderen Methode zur Herstellung eines tierende Schicht 30 zwischen der leitenden Elektrode Halbleiterlasers mit Injektorelektroden verschiedener 26 und dem Injektor 28. Eine Reihe voneinander Leitfähigkeit auf jeder Seite der Laser-Basis werden entfernter und durchlässiger leitender Streifen 32, die zwei Germaniumblöcke verwendet, die Rücken an durch einen Silberüberzug gebildet sein können, sind Rücken in eine GaAs-Lösung gebracht werden. Auf 15 auf der p-leitenden Injektorelektrode 34 angeordnet, der exponierten Seite jedes Blockes wächst η-leiten- An jeden leitenden Streifen 32 wird mit einer Leitung des GaAs, während die dicht aneinanderliegenden 36, die an einen gemeinsamen Anschluß an die posi-Flächen unbenetzt bleiben. Die Kanten bleiben eben- tive Klemme der Energiequelle 16 geführt ist, eine falls unbenetzt, indem die Blockkanten mit kolloidem positive Spannung zugeführt, während an die Elek-Graphit bedeckt werden. Nach Anwachsen geeigneter 20 trode 26 eine negative Spannung gelegt wird. Auf η-leitender Injektorelektroden werden die Blöcke in diese Weise strahlt das Licht in einer Reihe von voneine zweite GaAs-Lösung gebracht, die durch Hinzu- einander getrennten parallelen Strahlen durch die fügung von 1% Zn p-leitend gemacht wurde, wobei frei liegender Flächen der p-leitenden Injektorelekdie aufgewachsenen η-leitenden Schichten dicht an- trode 34 ab. Ersichtlich können Kreuzgitteranordeinander in einer Rücken-an-Rücken-Lage liegen. 35 nungen oder andere Formen geschaffen werden, in Dann läßt man die p-leitenden Injektorelektroden denen eine Reihe von voneinander getrennten, auch wachsen, und der Graphitüberzug wird anschließend kohärenten Strahlen gebildet wird. Weiter ist zu ervon den Kanten der beiden Blöcke entfernt. Ferner wähnen, daß Strahlung entweder quer zum Stromfluß ist zu berücksichtigen, daß Halbleiterdioden mit In- oder in der gleichen Richtung wie der Stromfluß jektorelektroden durch Aufdampfen epitaktischer 30 emittiert werden kann, je nach der geometrischen Schichten hergestellt werden können. Form und den Reflexionseigenschaften des Gerätes.

Nachdem Injektorelektroden verschiedener Leit- In F i g. 5 ist eine zylindrische Halbleiterdiode für fähigkeit aufgewachsen sind, werden die Körper zur optische Sender dargestellt, die ringförmige leitende gewünschten Form oder Größe geschnitten oder ge- Elektroden 38 und 40 am Umfang der p-leitenden spalten, wie in den F i g. 2 bis 6 gezeigt wird. Ge- 35 Injektorelektrode 42 bzw. der η-leitenden Injektoreignete leitende Elektroden 18 und 20 werden auf elektrode 44 aufweist, die auf unterschiedlichen Seiten den Injektorelektroden durch Aufdampfen, Plattieren einer Basis 46 angeordnet sind. Das Licht kann als oder andere geeignete Maßnahmen in irgendeiner kreiszylindrischer Strahl abgestrahlt werden, der mit gewünschten Form gebildet, wobei Schirm- oder dem Zylindermedium koaxial ist.
Maskentechniken verwendet werden. Die Elektroden 40 In F i g. 6 ist eine andere Ausführungsform der können durch Aufbürsten oder Aufsprühen von Erfindung dargestellt, eine Struktur, die durch eine Silberfarbe oder durch Aufdampfen von dünnen η-leitende Schicht 48 mit einer Reihe von gleichförmig leitenden Filmen, beispielsweise Zinnchlorid oder entfernten Nuten oder Rippen 50 gekennzeichnet ist. Gold, in bekannter Weise gebildet werden. Die leiten- Die Nuten oder Rippen 50 haben dreieckige Querden Elektroden können undurchlässig oder licht- 45 schnittsform mit einem Winkel von 90° zwischen durchlässig hergestellt werden, oder sie können eine zwei Dreieckseiten und können durch Fräsen oder Kombination von undurchlässigen und transparenten andere bekannte Verfahren hergestellt werden. Die Bereichen bilden, so daß eine selektive Flächentrans- Spitze jeder Rippe 50 ist mit einer leitenden Schicht mission für das Licht möglich wird. 52 bedeckt, die durch Aufstreichen von Silber oder

Verschiedene Strukturen nach der Erfindung sind 50 durch Aufdampfen von Gold oder Zinnchlorid herin den F i g. 2 bis 6 dargestellt. Gemäß F i g. 2 besteht gestellt werden kann. Die leitenden Schichten 52 sind eine Ausführungsform der Erfindung aus einer einzeln durch eine gemeinsame Verbindung mit der scheibenartigen Basis 10 (teilweise dargestellt), die Energiequelle 16 verbunden. Die Halbleiterdiode zwischen einer p-leitenden Injektorelektrode 12 und kann durch Schließen eines Schalters 54 angeregt einer η-leitenden Injektorelektrode 14 angeschlossen 55 werden, der zwischen einer leitenden Umfangselekist. Ringförmige leitende Elektroden 18 und 20, die trode 56 an der p-leitenden Schicht 58 und der aus Silberfarbe gebildet sein können, sind auf den Energiequelle 16 liegt. Die Halbleiterdiode nach Injektorelektroden 12 bzw. 14 angeordnet und an F i g. 6 kann aus einer Serie von Reihen aus genuteeine Gleichstromquelle 16 angeschlossen. Beim An- ten Einkerbungen oder Rippen bestehen, wobei jede legen von Gleichspannung von beispielsweise 1,0 Volt 60 Reihe einzeln mit einem getrennten Schalter 54, 54 a, wird Strahlung oder Licht quer zur Ebene der Basis- 54b ... gesteuert wird, so daß eine selektive Anscheibe 10 emittiert. Selbstverständlich kann der regung möglich ist. Auf diese Weise können Daten Durchmesser der Basis 10 so groß sein, daß die bei der Datenverarbeitung oder Bilder dargestellt Strahlung radial von der Basis 10 emittiert wird. werden. Es ist zu erwähnen, daß weitere Schalter bei

In F i g. 3 ist eine Halbleiterdiode für einen 65 den Energiequellen für die anderen möglichen Ausoptischen Sender ähnlich F i g. 2 dargestellt, bei der führungsformen geschaltet werden können, deren jedoch eine durchgehende leitende Elektrode 22 die einer der Einfachheit halber ausschließlich in F i g. 6 ganze Fläche der η-leitenden Injektorelektrode 14 dargestellt ist. Andere geometrische Formen und

leiterbasis und Halbleiter-Injektorelektroden mit enger Gitteranpassung können gemäß den Lehren der Erfindung verwendet werden.

Beispielsweise können Verbindungen aus Elementen der Gruppen III und V des Periodischen Systems der Elemente als Strahlungsemittierende Basis verwendet werden. Die Injektorelektroden können aus III-V-Verbindungen oder II-VI-Verbindungen hergestellt werden. Enge Gitteranpassungen zur zahlen-

o mäßigen Herabsetzung von Fehlstellen an den Grenzschichten der Sperrschichten sind erwünscht.

Beispiel 1
Eine Gruppe III-V-Verbindung wie GaP kann als

werden.

Beispiel 2

Strukturen als die dargestellten können nach den Lehren der Erfindung hergestellt werden.

Die Fig. 7 bis 9 sollen andere mögliche Formen zeigen, bei denen die erfindungsgemäße Kombination ausgenutzt wird, um Trägerinjektion hoher Dichte in eine Basis mit indirektem Energieübergang in Verbindung mit einer Verhinderung des Wiederaustritts von Trägern aus der Basis zu verwirklichen, so daß hochwirksame Strahlungserzeugende Rekombinationen auftreten.

In F i g. 7 sind zwei p-leitende Injektorelektroden 58 und 60 mit großem Bandabstand auf einem η-leitenden Basisblock 62 mit kleinem Bandabstand angeordnet, der einen hervorstehenden Teil 64 relativ

zu einem Ende jeder Injektorelektrode 58 und 60 auf- 15 Basisblock dienen, und eine Gruppe III-V-Verbinweist. Eine Energiequelle 16 liefert positive Vorspan- dung wie AIP kann als Injektormaterial verwendet nung an die p-leitenden Injektoren und eine negative werden. In einem solchen Fall wird bei der Herstel-Spannung an die η-leitende Basis 64. lung eine Diffusionsverdrängung des Ga im GaP

Gemäß Fig. 8 sind angrenzend aneinander an durch Al durch Erhitzung in Al-Dampf auf 1200⁰C einer Kante der Basis eine p-leitende und eine 20 für 24 Stunden verwendet. Eine Mischung von 4% η-leitende Injektorelektrode 68 bzw. 70 auf einer GaAs und GaP kann statt reinem GaP verwendet Halbleiterbasis 66, wie Germanium, angeordnet. Die
Strahlung kann in Richtung des Stromflusses oder
senkrecht zu dieser Richtung erhalten werden, je nach
der geometrischen Form der Struktur und ihren Re- 25
flexionseigenschaften.

F i g. 9 zeigt eine ähnliche Form wie F i g. 8, die
Injektorelektrode 72 ist jedoch ein einheitlicher
p-leitender Körper, und die Basis 74 ist n-leitend.
Geeignete Vorspannungen werden von der Span- 30 erhalten werden. Das CdTe kann 12% InAs oder nungsquelle 16 geliefert. 13% ZnTe in Mischung enthalten.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine Im allgemeinen umfaßt die Erfindung die Verwen-

Kombination ausschließlich von Germanium und dung von Kombinationen aus Halbleitern der Grup-Galliumarsenid beschränkt, sondern umfaßt auch die pen IV, III-V oder IL-VL Die bevorzugten Halbleiter Verwendung von solchen Materialien mit relativ 35 haben kubischen Gitteraufbau, oder sie kristallisieren großem Bandabstand, die heterogene Sperrschichten entweder nach Art eines Diamantkristalls oder eines mit Halbleitern mit kleinerem Bandabstand bilden Zinkblendekristalls. Die Kombinationen von Halbkönnen und Uberschußladungsträger hoher Dichte leitern, die verwendet werden, sollen Gitterkonstanten an das Material mit geringerem Bandabstand liefern haben, die sich um nicht mehr als 1 % unterscheiden, können, um auch kohärente Strahlung bei Um- 40 Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß es zwar ergebungstemperaturen zu erzeugen. Ein Hauptpunkt wünscht ist, Halbleiter zu verwenden, die eine geringe zur Verwirklichung optimaler Strahlungswirkungs- Fehlstellendichte (kleiner als 100 cm"²) und hohe grade ist die Herabsetzung von Gitter-Fehlstellen, die Minoritäts-Träger-Lebensdauer (größer als 100 Miim allgemeinen ein Absaugen und einen Verlust von krosekunden) haben, daß aber Kristalle mit hoher Überschußträgern mit entsprechender Herabsetzung 45 Fehlstellendichte (kleiner als 100 cm~²) und hohe von Strahlungserzeugenden Trägerrekombinationen erfolgreich verwendet werden können. Selbstverständbewirken. Solche Fehlstellen werden an der hete- lieh kann vorteilhaft eine Legierung mit Verbindunrogenen Sperrschicht gebildet, wenn die beiden gen verwendet werden, die von den erwähnten Kristallgitter nicht völlig aneinander angepaßt sind. Gruppen gebildet sind, so daß eine engere Gitter-Durch Verwendung von Halbleitern mit enger Gitter- 50 anpassung und damit ein besserer Strahlungswirkungsanpassung ist es möglich, Fehlstellen an der Grenz- grad und eine bessere Ausbeute an kohärenter Strahfläche wirksam herabzusetzen, die strahlungslose
Rekombinationen der Ladungsträger mit sich bringen. Wenn man die Basisschicht als Block zuerst
wachsen läßt und anschließend die Injektorelektroden 55
auf der Basis aufwachsen läßt, befinden sich die auf-

Eine III-V-Verbindung wie InSb kann als Basis verwendet werden, und eine II-VI-Verbindung wie CdTe kann zur Bildung der Injektoren verwendet werden. Diese Kombination kann durch epitaktische Kondensation von CdTe-Dampf auf InSb bei 400 ⁰C

lung erzielt werden.

Im folgenden sind Verbindungen und ihre relative Fehlanpassung zusammengestellt:

tretenden Fehlstellen innerhalb der Injektorelektrode und nicht in der Laser-Basis selbst, so daß kein merkbarer Verlust an Rekombinationsstrom innerhalb der Basis auftritt.

Um die Gitter-Fehlanpassung herabzusetzen, die zwischen Germanium und Galliumarsenid auftreten kann, kann das Germanium homogen mit etwa 1,5 bis 3,5 Atomprozent Silizium, vorzugsweise 1,8%, li d i

Halbleiter

ZnS 60 Si GaP AIP AIAs

p g GaAs

legiert werden, oder das Germaniumarsenid kann mit 65 Ge einer kleinen Menge einer III-V-Verbindung mit ZnSe höherer Gitterkonstante legiert werden, beispielsweise CdS mit 1% GaSb. Andere Kombinationen einer Halb- HgS

β (A)

Ja(A)

5,406	0,022
5,428	0,022
5,450	0,01..
5,46..	0,17..
5,63..	0,02..
5,653	0,005
5,658	0,009
5,667	0,16..
5,83..	0,02..
5,852

	9	α (A)	-da (A)
Halbleiter		5,869 6,05.. 6,058 6,084 6,085 6,095 6,135 6,429 6,479 6,48..	0,017 0,08 0,01.. 0,026 0,001 0,010 0,040 0,294 0,050 0,00..
InP
CdSe
InAs
HgSe
ZnTe
GaSb
AlSb
HgTe
InSb
CdTe

In der mittleren Spalte sind die ungefähren Gitterkonstanten für jeden Halbleiter dargestellt, und in der rechten Spalte sind die Fehlanpassungen zwischen nacheinander aufgeführten Halbleitern angegeben. Kombinationen mit Fehlanpassungen, die kleiner als 0,1 sind oder dicht daran liegen, werden bei Berücksichtigung der Gitteranpassung bevorzugt. Es wird darauf hingewiesen, daß geringe Fehlanpassungen durch geeignete Legierung noch herabgesetzt werden können. Es ist also beispielsweise zu erkennen, daß HgSe und ZnTe mit einer Fehlanpassung von 0,001 in der erfindungsgemäßen Kombination verwendet werden. Auch nicht benachbarte Paare, wie HgSe und GaSb oder GaAs und ZnSe, können als Basis- und Injektorkombinationen nach der Erfindung verwendet werden. Im letzteren Falle kann das ZnSe mit 5,4% ZnS zur Verbesserung der Gitteranpassung gemischt werden. Andere Kombinationen, die als Basis-Injektor-Kombination zur Erzielung strahlungserzeugender Rekombinationen verwendet werden können, sind unter anderem AIP—ZnS, CdSe—ZnTe, InAs-GaSb und HgSe-AlSb.

Die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Halbleiterdiode sei am Beispiel nach F i g. 1 kurz auseinandergesetzt. Mit dem Anlegen einer Vorwärts-Vorspannung tritt eine Potentialdifferenz zwischen den Injektoren und der Basis auf. Daraufhin werden Elektronen und Löcher im mittleren Basisbereich gefangen, so daß sich sehr hohe Trägerdichten aufbauen können. Die Elektronen sind im wesentlichen im Gleichgewicht mit dem η-leitenden Injektor und werden durch das Fermi-Niveau des n-leitenden Injektors beherrscht, während die Löcher in Gleichgewicht mit dem p-leitenden Injektor sind und von seinem Fermi-Niveau beherrscht werden. Das Prinzip der Elektroneutralität fordert jedoch, daß die beiden injizierten Dichten gleich sind, und so muß auch der Abstand der beiden Bänder von den jeweiligen Fermi-Niveaus etwa gleich sein. Weil die Fermi-Niveau-Eindringung in den Basisbereich die in den Injektorelektroden übersteigt, übersteigt die Trägerdichte in der Basis ebenfalls die Dichte in den Injektoren. Die hohen Trägerdichten, die in der Basis gebildet werden, rufen eine Umkehrung der Besetzungsverteilung hervor, die sogar über dem direkten Übergang in einem Halbleiter mit indirektem Energieübergang auftreten kann. Dieser Fall tritt jedoch bei Sperrschichtstrukturen homogener Art nicht ein.

Im allgemeinen entweicht das Licht von der auch kohärent abstrahlenden Basis in eine Richtung parallel zum längsten Weg in der Basis. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Intensitätszuwachs der erzeugten Strahlung bei Längs- oder Parallelaustritt am größten ist. Der optische Gütefaktor Q für den Parallelaustritt kann jedoch herabgesetzt oder verdorben werden, indem die Kanten oder der Außenumfang der Basis facettiert oder aufgerauht werden oder daß die Injektion in diesen äußeren Bereichen weggelassen wird, so daß die Basis absorbierend wird. Auch die Verwendung von reflektierenden Schichten in der beschriebenen Art vergrößert erheblich den Strahlungsweg in der Querrichtung, und damit wird ein hoher optischer Gütefaktor Q für Queraustritt erreicht. Auf diese Weise kann eine kohärente Emission über eine wesentlich größere Fläche erzielt werden als bei bekannten optischen Sendern oder Verstärkern.

Es wurde eine elektrolumineszente Halbleiterdiode

beschrieben, die einen hohen Wirkungsgrad für kohärente Strahlung über eine große Emissionsfläche aufweist. Der Strahlungsaustritt kann in der Richtung des Stromflusses oder senkrecht dazu erhalten werden. Darüber hinaus kann die Anordnung aus üblichen Halbleitermaterialien gebildet werden, die

ao durch einen indirekten Energieübergang gekennzeichnet sind, ebenso wie aus Materialien mit direktem Energieübergang. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Diode bei Umgebungstemperaturen betrieben werden und benötigt nur eine geringe elektrische Eingangsleistung zu ihrer Anregung.

Es ist zu erwähnen, daß die Strukturen, die Materialien und Bedingungen und Parameter, die in der Beschreibung erwähnt sind, nur der Veranschaulichung dienen, und daß der Umfang der Erfindung nicht notwendigerweise hierauf beschränkt ist. Durch die Erfindung werden also viele Alternativen erfaßt, die erfolgreich auf Grund der gegebenen Lehren verwendet werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszente Halbleiterdiode für Polung in Flußrichtung, die auf derjenigen Seite der Übergangszone, die als Quelle für die Minoritätsträger wirkt, stärker dotiert ist, insbesondere verwendet für optische Sender oder Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode diesseits und jenseits der Übergangszone aus verschiedenem Material »heterogen« aufgebaut ist und daß das Material mit dem größeren Bandabstand stärker dotiert ist als das Material mit dem kleineren Bandabstand.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem kleineren Bandabstand ein Material mit direktem Energieübergang ist.

3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem kleineren Bandabstand ein Material mit indirektem Energieübergang ist.

4. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit zwei Injektorelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Injektorelektrode (68) aus einer p-leitenden und die andere (70) aus einer η-leitenden halbleitenden Schicht besteht.

5. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflektor (24) für die erzeugte Strahlung angrenzend an wenigstens eine Injektorelektrode (14) angeordnet ist.

6. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens eine Injektorelektrode (34) eine Anzahl leitender

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Streifen (32) aufgebracht sind, die der Spannungszuführung dienen.

7. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß um wenigstens eine Injektorelektrode (42) eine leitende Umfangselektrode (38) gelegt ist, die der Spannungszuführung dient.

8. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Injektorelektrode (48) mit einer Reihe Rippen (52) versehen ist, die getrennt mit Spannung versorgt werden.

9. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (62) aus einem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und die Injektorelektrode bzw. die Injektorelektroden (58, 60) aus einem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht.

10. Halbleiterdiode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorelektrode (72) die Basis (74) von einem Ende her umfaßt bzw. mehrere Injektorelektroden (68, 70) sie gemeinsam umfassen.

11. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Basis (62) und das der Injektorelektrode bzw. der Injektorelektroden im wesentlichen eng angepaßte Gitterkonstanten haben.

12. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halbleitermaterialien ein Element aus der IV. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente ist.

13. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halbleitermaterialien aus Verbindungen von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente besteht.

14. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halbleitermaterialien aus Verbindungen von Elementen der II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente besteht.

15. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halbleitermaterialien im Zinkblende-Kristalltyp kristallisiert.

16. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halbleitermaterialien im Diamant-Kristalltyp kristallisiert.

17. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Halbleitermaterialien aus einer homogenen Legierung von wenigstens zwei Halbleitermaterialien besteht.

18. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (62) aus Galliumphosphid besteht.

19. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis aus Germanium und jede Injektorelektrode aus Galliumarsenid besteht.

20. Halbleiterdiode nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Materialien derart legiert ist, daß die Kristallanpassung von Germanium und Galliumarsenid verbessert wird.

21. Halbleiterdiode nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis aus einer homogenen Legierung von Germanium und Silizium besteht.

22. Halbleiterdiode nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumgehalt zwischen etwa 1,5 und 3,5% liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 048 346,
563, 1 054179;
britische Patentschrift Nr. 914 645;
USA.-Patentschriften Nr. 2 817783, 3 059 117;
Elektronik, Bd. 12, Nr. 3 (März 1963), S. 78.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen