DE1464331C3 - Elektrisch steuerbares opto-elektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch steuerbares optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem

Halbleiterkörper, der in einem seiner Teile einen zwischen zwei Elektroden befindlichen pn-Übergang enthalt, der beim Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung Photonen emittiert und der einen Teil enthält, der sich zwischen zwei Elektroden befindet und der für die von dem pn-Übergang emittierten Photonen photo-empfindlich ist.

Es ist bekannt, daß Vorrichtungen dieser Art als elektrische Verstärkerelemente oder Schaltelemente anwendbar sind. Das elektrische Eingangssignal wird über die Elektroden dem für die Strahlungsemission bestimmten pn-Übergang zugeführt, der dieses elektrische Eingangssignal in ein optisches Signal umwandelt, das über den Körper dem photo-empfindlichen Teil zugeführt wird, der in der heutigen Form als Photowiderstand ausgebildet ist und der dieses optische Signal wieder in ein verstärktes, elektrisches Signal umwandelt, das den Elektroden des photo-empfindlichen Teils entnommen werden kann.

Weiter ist das Verfahren zur Herstellung für die Strahlungsemission geeigneter pn-Übergänge bekannt; bei diesen für die Strahlungsemission geeigne-, ten pn-übergängen ist es auch bekannt, daß sich die

*· elektrische Energie mit einer hohen Quantenausbeute in Photonen umwandeln kann. Unter Quantenausbeute wird hier die Anzahl von Photonen verstanden, die für jeden den pn-Ubergang überquerenden Ladungsträger emittiert wird; bei den pn-Strahlungsquellen kann die Ausbeute sogar dem Wert 1 nahe kommen. Es ist z.B. in einem Artikel von R. J. KeynesundT.M. Quistin »Proceedings I.R.E.« (1962) Band 50, No. 8, Seiten 1822 bis 1833 die Emission starker Linienstrahlung mit einem Galliumarsenidpn-Übergang beschrieben, wobei die praktische Möglichkeit vorgeschlagen wird, auf diese Weise für nahezu jeden injizierten Ladungsträger ein Strahlungsphoton zu emittieren. In einem Artikel von J. I. Pankove und J. E. Berkeheiser in »Proceedings I.R.Ε.«, Sept. 1962, Band 50, No. 9, Seiten 1967 bis 1977, wird weiter die praktische Möglichkeit einer zweckvollen Lichtmodulation bei Mikrowellenfrequenzen nachgewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zweckvolle Ausführungsform und weitere bevorzugte Ausführungsformen eines elektrisch steuerbaren opto-elektronischen Halbleiterbauelementes anzugeben, welche den wesentlichen Vorteil haben, daß sie, da sie einerseits in Hinsicht auf den Aufbau des Halbleiterkörpers den für normale pnp- oder npn-Transistoren bekannten Ausführungen und Techniken stark verwandt sind, aber andererseits die grundsätzlich verschiedene Wirkung eines opto-elektronischen Halbleiterbauelementes ausnützen, in hohem Maße die Vorteile dieser Transistoren und die des opto-elektronischen Halbleiterbauelementes in sich kombinieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der photo-empfindliche Teil des Halbleiterkörpers zwischen seinen beiden Elektroden einen pn-Übergang enthält, der beim Anlegen einer Spannung in Sperrichtung die von dem Photonen-emittie-

: renden pn-Übergang emittierten Photonen absorbiert und durch diese Photonenabsorption elektrische Ladungsträger bildet, und daß der Abstand zwischen

j dem Photonen-emittierenden pn-Übergang und dem für die emittierten Photonen photo-empfindlichen pn-Ubergänge mindestens eine Diffusionslänge der Minoritätsträger in dem Zwischengebiet beträgt.

Das steuerbare opto-elektronische Halbleiterbauelement nach der Erfindung entspricht somit den bekannten pnp- oder npn-Transistoren in dem Sinne, daß in beiden Fällen ein den elektrischen Eingang bil-

dender pn-Übergang vorhanden ist, der in Durchlaßrichtung betrieben wird, und ein den elektrischen Ausgang bildender pn-Übergang, der in Sperrichtung betrieben wird. Diese Übereinstimmung ergibt die Möglichkeit, die in der Transistortechnik gesammelten Erfahrungen in Hinsicht auf die Herstellung, den strukturellen Aufbau des Körpers und die Anwendung in Schaltungen besonders vorteilhaft auszunutzen.

Da die Wirkungsweise des Halbleiterbauelementes nach der Erfindung sich nicht auf die Diffusion von Ladungsträgern von einem pn-Übergang nach dem anderen pn-Übergang gründet, wie dies bei einem normalen pnp- oder npn-Übergang gründet, wie dies bei einem normalen pnp- oder npn-Transistor der Fall ist, sondern auf die eine opto-elektronische Vorrichtung kennzeichnende Photonenübertragung von einem pn-Übergang auf einen anderen pn-Ubergang, kann ein wesentlicher Nachteil gerade des üblichen Transistors beseitigt werden. Die Photonenübertragung erfolgt praktisch mit Lichtgeschwindigkeit, so daß der Abstand zwischen den beiden pn-Ubergängen in Hinsicht auf die obere Grenzfrequenz keine Einschränkung bedeutet, im Gegensatz zu den üblichen Transistoren, in denen die Ladungsträgerdiffusion mit einer im Vergleich zu der Lichtgeschwindigkeit sehr niedrigen Diffusionsgeschwindigkeit erfolgt. Aus diesem Grunde und auch, um den Verlust einer Anzahl Ladungsträger durch Rekombination bei der Diffusion zu vermeiden, ist es bei einem Transistor der üblichen Bauart erforderlich, den Abstand zwischen beiden pn-Übergängen erheblich kleiner als eine Diffusionslänge der Minoritätsträger in der Zwischenzone zu wählen. In der Praxis schließt dies die Forderung nach einer sehr guten Reproduzierbarkeit dieses Abstandes ein, und insbesondere bei hohen Frequenzen und hohen Schaltgeschwindigkeiten führt dies zu äußerst schwierig herstellbaren kurzen Abständen, und zwar in dem Maße, daß der in der Praxis ausnutzbare Frequenzbereich der normalen Transistören nach oben begrenzt ist. Bei dem Bauelement nach der Erfindung hat dagegen dieser Abstand praktisch keinen Einfluß auf die obere Grenzfrequenz, und es kann auch in hohem Maße vermieden werden, daß Photonenenergie verlorengeht, wobei gerade eine direkte Diffusion von Ladungsträgern dadurch verhindert wird, daß der Abstand groß und mindestens gleich einer Diffusionslänge oder größer gewählt wird.

Da die Photonen sich von dem Photonen-emittierenden pn-Ubergang her in den weiteren Teil des Halbleiterkörpers ausbreiten können und durch den hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials in hohem Maße daran gehindert werden, aus dem Körper herauszutreten, hat man eine weitgehende Freiheit in der Auswahl der Lage des photo-empfindlichen pn-

Überganges, in vielen Fällen können vorteilhaft der Photonen-emittierende pn-Übergang und der photo-empfindliche pn-Übergang in einem gewissen Abstand einer gegenüber und parallel zueinander in dem Körper untergebracht werden und außerdem kann vorteilhaft gewünschtenfalls der photo-empfindliche pn-Übergang mit einer größeren Flächenausdehnung ausgebildet werden als der Photonenemittierende pn-Übergang. Eine solche Ausfüh-

rungsform ist ähnlich der normaler Transistoren. Wenn jedoch unter Umständen die Photonenverteilung in einem anderen Teil des Körpers günstiger ist, ist es vorteilhaft, den photo-empfindlichen pn-Ubergang in diesem anderen Teil anzuordnen. Das elektrisch steuerbare opto-elektronische Halbleiterbauelement nach der Erfindung bietet in dieser Hinsicht wegen der Photonenkopplung zwischen den beiden pn-Übergängen eine größere Freiheit und andere Möglichkeiten bei der Anordnung der pn-Übergänge einander gegenüber als der normale Transistor.

Es kann nicht nur vorteilhaft die an sich bekannte Photoempfindlichkeit benutzt werden, die sich auf die Auslösung direkter Übergänge aus dem Valenzband in das Leitungsband gründet, die z.B. dann eintritt, wenn die Breite des verbotenen Bandes des photoempfindlichen Teiles gleich der Energie der Photonen oder kleiner als diese ist; es ist auch möglich, einen photo-empfindlichen pn-Übergang anzuordnen, der auf an sich bekannte Weise in seiner Umgebung Störstellen enthält, welche die Photoempfindlichkeit hervorrufen. In diesem Falle kann gewünschtenfalls das verbotene Band des photo-empfindlichen Teiles auch gleich der Energie der emittierten Photonen oder größer sein.

Der Photonen-emittierende pn-Ubergang und der photo-empfindliche pn-Übergang sind vorzugsweise in dem Körper durch Material voneinander getrennt, das praktisch keine Störstellen enthält, welche die erzeugten Photonen absorbieren können, so daß kaum ein Photonenverlust zwischen den beiden Übergängen auftritt. Für bestimmte Anwendungen, bei denen eine elektrische Trennung zwischen Eingang und Ausgang des Halbleiterbauelementes gewünscht ist, kann diese Trennung durch Halbleitermaterial mit hohem spezifischen Widerstand vorgenommen werden, das ganz oder teilweise aus dem erwähnten Material besteht, das praktisch keine die Photonen absorbierenden Störstellen enthält.

Bei einer bevorzugten Ausführung eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung sind in einem Halbleiterkörper ein Photonen-emittierender pn-Übergang und ein photo-empfindlicher pn-Übergang angeordnet und das Dotierungsmaterial, das bei dem erstgenannten pn-Übergang die die Photonenemission bewirkenden Störstellen bildet, ist das gleiche, wie das Material, das in dem zweiten pn-Übergang die die Photoempfindlichkeit hervorrufenden Störstellen für die Energieumwandlung bildet. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders günstige Anpassung der Photonenemission des einen Überganges an die Photoempfindlichkeit des anderen Überganges. In dieser Beziehung hat sich als besonders günstig erwiesen, einen Halbleiterkörper aus Galliumarsenid anzuwenden, wobei sowohl die die Photonenemission bewirkenden Störstellen als auch die die Photoempfindlichkeit hervorrufenden Störstellen aus Zink bestehen.

Es ist empfehlenswert, die räumliche Ausdehnung der die Photonenemission bewirkenden Störstellen von dem zugehörigen Photonen-emittierenden pn-Übergang in Richtung auf den photo-empfindlichen pn-Übergang zu begrenzen, um unerwünschte Energieumwandlung in dem Zwischengebiet in einen zu großen Abstand von dem photo-empfindlichen pn-Ubergang zu vermeiden. Es befinden sich vorzugsweise die mit der Photonenemission zusammenhängenden Störstellen innerhalb eines Volumens des Halbleiterkörpers, das praktisch in einem Abstand von maximal 3, maximal 2 oder vorzugsweise sogar maximal einer Diffusionslänge der Minoritätsträger von dem Photonen-emittierenden pn-Übergang in

Richtung auf den photo-empfindlichen pn-Übergang endet. Der photo-empfindliche pn-Übergang befindet sich dabei vorzugsweise noch weiter in dem Körper in einem Abstand von wenigstens einer Diffusionslänge von diesem Volumen entfernt. Wenn also die

ίο Dotierung mit diesen Störstellen sich bis zu einem Abstand von z.B. Diffusionslängen von dem Photonenemittierenden pn-Übergang ausdehnt, so beträgt der Abstand zwischen den beiden pn-Übergängen vorzugsweise mindestens 4 Diffusionslängen. Die Photonenemission kann auf einer der beiden Seiten oder auf den beiden Seiten des Photonen-emittierenden pn-Überganges auftreten.

Wenn ein photo-empf indlicher pn-Übergang vorhanden ist, in dem die Energieumwandlung der Photonen in elektrische Energie durch die darin vorhandenen Störstellen erfolgt, befinden sich diese Störstellen, die mit der Photonenempfindlichkeit zusammenhängen, vorzugsweise in einem Volumen des Halbleiterkörpers, das sich in Richtung auf den Photonen- ^

emittierenden pn-Übergang praktisch nicht weiter von dem photo-empfindlichen pn-Übergang erstreckt als die Verarmungszone dieses Überganges nach dem Anlegen der zum Betrieb gewünschten Sperrspannung oder vorzugsweise sogar nicht weiter als die Verarmungszone im schwebenden Zustand dieses pn-Überganges, d.h., wenn keine äußere Spannung angelegt wird. Auf diese Weise wird die Energieumwandlung in dem photo-empfindlichen pn-Ubergang auf denjenigen seiner Teile begrenzt, der sich dazu optimal eignet, da die Energieumwandlung in einem größeren Abstand von diesem Übergang, von wo aus die durch die Photonen erzeugten Ladungsträger infolge zu langsamer Diffusion den photo-empfindlichen pn-Übergang nicht oder nur teilweise erreichen können, begrenzt ist; auf diese Weise werden der Wirkungsgrad der Umwandlung und die Schaltgeschwindigkeit erhöht.

Es kann weiter vorteilhaft sein, den Halbleiterkörper wenigstens örtlich mit einem spiegelnden Niederschlag zu versehen, der dazu beiträgt, die durch den ( Photonen-emittierenden pn-Übergang emittierten Photonen nach dem photo-empfindlichen pn-Ubergang zu reflektieren.

Zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes werden außer dem vorstehend beschriebenen Halbleiterkörper Mittel wie eine Spannungsquelle oder Stromquelle eingefügt, um an dem Photonen-emittierenden pn-Ubergang wenigstens zeitweilig eine Spannung in der Durchlaßrichtung und an den photo-empfindlichen

pn-Übergang eine Sperrspannung anzulegen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung;

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Verlauf der Störstellendichte in dem Halbleiterkörper für zwei in verschiedener Weise hergestellte Halbleiterbauelemente nach der Erfindung;

Fig. 4 zeigt ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung im Querschnitt.

Bei dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1 enthält der Halbleiterkörper 1 einen Photonen-emittierenden pn-Übergang 2, der einen an ihn grenzenden

Teil 3 des Körpers von einer p-leitenden Zone 4 trennt. Auf der p-leitenden Zone 4 kann gewünschtenfalls noch ein Niederschlag 5 angebracht werden, um die am pn-Ubergang erzeugten Photonen zu reflektieren. Auf beiden Seiten dieses pn-Überganges 2 sind Elektroden 6 und 7 vorgesehen.

Im Betrieb wird der pn-Übergang 2 in Durchlaßrichtung betrieben, wozu im vorliegenden Falle an die mit der p-leitenden Zone 4 verbundenen Elektrode 6 eine gegen die Elektrode 7 positive Spannung angelegt wird. In der Figur ist die dazu erforderliche Stromquelle mit E₁ bezeichnet, die z.B. eine Gleichstromquelle sein kann, der das Eingangssignal auf moduliert ist. Das Halbleitermaterial in der Umgebung des pn-Überganges 2 ist auf an sich bekannte Weise derart gewählt und dotiert, daß Photonen mit der gewünschten Energie mit einer Quantenausbeute von mehr als 0,1 emittiert werden können, daß aber vorzugsweise nahezu der Wert 1 erreicht wird.

Die in der Umgebung des pn-Überganges 2 erzeugten Photonen bewegen sich im Körper 1 direkt oder gegebenenfalls nach Reflexion an der Oberfläche des Körpers 1 nach einem zweiten pn-Ubergang 8, der auch eine η-leitende Zone 9 des Körpers 1 von einer p-leitenden Zone 10 trennt. Der pn-Übergang 8, im weiteren photo-empfindlicher pn-Übergang genannt, ist derart ausgebildet, daß er beim Anlegen einer Sperrspannung die von dem pn-Ubergang 2 stammenden Photonen wieder in elektrische Energie in Form freier Ladungsträger umwandeln kann, und ist damit als gesperrte Photodiode wirksam, zwischen deren Elektroden 7 bzw. 11 ein elektrisches Ausgangssignal über den Belastungswiderstand L abgenommen werden kann. Im Betrieb wird also der pn-Übergang 8 in Sperrichtung betrieben, indem der mit der p-leitenden Zone 10 verbundene Zuführungsdraht 11 an eine negative Spannung gegen den Zuführungsdraht 7 gelegt wird. Die erforderliche Spannungsquelle ist mit E₂ bezeichnet. Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung liefert unter anderem dadurch eine Energieverstärkung, daß bei einem niedrigen Eingangswiderstand des in Durchlaßrichtung geschalteten pn-Uberganges 2 freie Ladungsträger in Photonen umgewandelt werden, während diese Photonen bei einem hohen Widerstand der in Sperrrichtung betriebenen pn-Diode 8 wieder in freie Ladungsträger zurückgewandelt werden, die einen Ausgangsstrom erzeugen.

Die pn-Übergänge 2 und 8 liegen in einem hinreichend großen Abstand voneinander, d. h. in einem Abstand mindestens einer Diffusionslänge, so daß eine zwischen den Elektroden 7 und 11 angelegte Spannung wenig oder keine Wirkung auf den pn-Übergang 2 hat.

Die Elektrode 7 ist gemeinsam. Es ist auch möglich, wie es durch die gestrichelte Linie 12 angedeutet ist, eine vierte Elektrode 12 anzubringen. In diesem Falle kann über die Elektroden 6 und 7 die Spannung an den pn-Übergang 2 und an die Elektroden 11 und 12 die Spannung an den pn-Übergang 8 angelegt werden. Werden diese vier Elektroden verwendet, kann ein zwischen den Elektroden 7 und 12 liegender Teil des Körpers 1 aus einem Halbleitermaterial mit einem hohen spezifischen Widerstand bestehen, das durch eigenleitfähiges oder praktisch praktisch eigenleitfähiges Material gebildet wird und infolgedessen den Ausgangskreis 11,12 elektrisch weitgehend von dem Eingangskreis 6, 7 trennt.

Die Störstellen, die zur Erzeugung einer Photonenemission in der Umgebung des Photonen-emittierenden pn-Überganges 2 eingebaut sind, werden vorzugsweise lediglich in denjenigen Teil des Körpers eingebracht, der Photonen emittieren soll. Dies bedeutet, daß diese Störstellen vorzugsweise nur in der unmittelbaren Nähe des pn-Uberganges 2 in einem Abstand von vorzugsweise weniger als 2 oder 3 Diffusionslängen, vorzugsweise sogar von weniger als einer

Diffusionslänge von dem pn-Übergang 2 in Richtung auf den pn-Übergang 8 angebracht werden. Der pn-Übergang 8 liegt dabei vorzugsweise noch in einem Abstand einer Diffusionslänge weiter, als das mit

. Photonenemission hervorrufenden Störstellen dotierte Gebiet von dem ersten pn-Übergang 2 entfernt ist. Photonenemission hervorrufende Störstellen, die zu weit von dem pn-Übergang 2 entfernt angebracht werden, könnten nicht mehr oder doch weniger wirksam Photonen erzeugen; sie könnten im Gegenteil als störende Absorptionszentren im Zwischengebiet 13 wirken, ohne daß sie zum Ausgangsstrom am photoempfindlichen pn-Übergang 8 beitragen würden.

Die Störstellen, die die Photoempfindlichkeit hervorrufen, werden vorzugsweise auf denjenigen Teil

der Umgebung des pn-Überganges 8 beschränkt, in dem sie zu einer wirksamen Energieumwandlung führen können, die einen Ausgangsstrom erzeugt. Vorzugsweise werden sie in der Umgebung des pn-Überganges 8 sogar so angeordnet, daß sie sich in Richtung

auf den pn-Übergang 2 praktisch nicht weiter als die Verarmungszone des pn-Uberganges 8 erstrecken, wie diese im schwebenden Zustand an diesem pn-Ubergang auftritt. Es wird so gleichzeitig die Diffusionszeit der Ladungsträger gekürzt. Andererseits müssen sie jedoch in so großem Maße vorhanden sein, daß ein überwiegender Teil der eintreffenden Photonen in freie Ladungsträger umgewandelt werden kann.

Die pn-Ubergänge 2 und 8 sind somit im Körper vorzugsweise durch ein Zwischengebiet 13 voneinander getrennt, das aus Material besteht, das praktisch keine Störstellen enthält, welche die Photonen absorbieren können. Auf einer Seite des Zwischengebietes 13 befindet sich der Photonen-emittierende pn-Übergang 2, der in seiner Umgebung einen Gehalt an Photonenemission hervorrufenden Störstellen aufweist und auf der anderen Seite der photo-empfindliche pn-Übergang 8 mit Rekombinationszentren, welche die Photoempfindlichkeit hervorrufen. Die Photonenemission hervorrufenden Störstellen des emittierenden Überganges und die Rekombinationszentren des photo-empf indlichen pn-Überganges können, was weiter unten noch beispielsweise näher erörtert wird, durch den gleichen Dotierungsstoff gebildet werden.

Die Trennung zwischen den beiden pn-Übergängen 2 und 8 ermöglicht eine hohe Unabhängigkeit des Ausgangskreises 7,11 oder 11,12 von dem Eingangskreis 6, 7, wobei der Abstand zwischen den beiden pn-Übergängen 2 und 8 keinen wesentlichen Faktor bildet, der die obere Grenzfrequenz beeinflußt, da die Photonen sich mit Lichtgeschwindigkeit von dem pn-Übergang 2 nach dem pn-Übergang 8 bewegen.

An Hand der schematischen graphischen Darstellungen der Fig. 2 und 3 werden nachstehend zwei Verfahren zur Herstellung und zum Aufbau eines Halbleiterkörpers für die Anwendung in einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung näher erläutert. In den Fig. 2 und 3 sind in der Ordinate in beiliegen-

den Einheiten die Störstellendichte C und in der Abszisse der Abstand 5 in dem Körper 1 in beliebigen Einheiten in linearem Maßstab, gemessen auf einer Mittellinie, z.B. der gestrichelten Linie 14 in Fig. 1 des Halbleiterkörpers, aufgetragen.

Der Halbleiterkörper 1 besteht im wesentlichen aus η-leitendem Galliumarsenid, das gleichmäßig mit Tellur dotiert ist, was durch die Linie Tel in Fig. 2 dargestellt ist. In zwei einander gegenüberliegende Oberflächen des Körpers 1 ist Zink eindiffundiert, wodurch auf beiden Seiten des Körpers 1 der in Fig. 2 durch ZnI und Zn2 hergestellte Zinkkonzentrationsverlauf entsteht. Da Zink ein Akzeptor ist, werden infolgedessen zwei pn-Übergänge 2 und 8 an den Stellen gebildet, an denen die Linien ZnI und Zn2 die Linie Tel kreuzen. Auf beiden Seiten einer mittleren, überwiegend mit Tellur dotierten p-leitenden Zone sind in diesem Beispiel zwei vorwiegend mit Zink dotierte p-leitende Zonen entstanden, in denen die Konzentrationslinien ZnI und Zn2 der Zinkdotierung den für eine Diffusion kennzeichnenden exponentiellen Verlauf haben.

Nicht nur als Akzeptor-Störstelle, sondern auch als Photonenemission hervorrufendes Material dient das Zink in der Umgebung des Photonen-emittierenden pn-Überganges 2, und in der Umgebung des photoempfindlichen pn-Überganges 8 als Rekombinationszentrum, das zur Photoempfindlichkeit beiträgt. Die Photonenemission ist in der Nähe des pn-Überganges 2 im wesentlichen auf das durch die Linien 23 und 24 umrissene Volumen konzentriert, in dem eine hinreichende Konzentration an Zink vorhanden ist, während die Energieumwandlung und die Erzeugung freier Ladungsträger, die zum Ausgangsstrom beitragen, im wesentlichen in dem durch die Linien 25 und 26 umrissenen Volumen des photoempfindlichen pn-Überganges 8 stattfinden. Die Linien 25 und 26 markieren geeignete Begrenzungen der Verarmungszone des pn-Überganges 8, wenn eine zum Betrieb geeignete Sperrspannung angelegt wird.

In dem Beispiel nach Fig. 2 wirkt das Zink nicht nur als Photonenemission hervorrufendes Material oder als photoempfindliche Zentren, sondern auch als der den Leitfähigkeitstyp bestimmende Akzeptor. Es ist jedoch gewünschtenfalls auch möglich, außer Zink einen anderen den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Akzeptor einzubauen, der gemeinsam mit dem Zink die Lage der pn-Übergänge bestimmen kann.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung, in der die Konzentration C über den Abstand 5 einen anderen Konzentrationsverlauf in dem sonst auf ähnliche Weise mit einer pnp-Struktur ausgebildeten Halbleiterkörper hat. In diesem Falle ist der Halbleiterkörper dadurch hergestellt worden, daß auf beiden Seiten einer n-leitenden, mit Tellur dotierten Galliumarsenidplatte eine mit Zink dotierte p-leitende Galliumarsenidschicht durch epitaktisches Aufwachsen angebracht wurde. Die Zinkkonzentrationen in den p-leitenden epitaktischen Schichten sind mit Z«3 bzw. Zn4 und die Tellurkonzentration in der ursprünglichen Platte mit Tel bezeichnet. Infolge der Epitaxietechnik fallen die zwei pn-Übergänge 2 und 8 praktisch mit den Begrenzungen zwischen der ursprünglichen Halbleiterplatte und den darauf aufgebrachten epitaktischen Schichten zusammen.

Die Photonen werden in diesem Falle in dem p-leitenden Gebiet nahe dem Übergang 2 emittiert, z.B. in dem zwischen den Linien 29 und 2 liegenden Volumen, und praktisch nicht in dem η-leitenden, mit Tellur dotierten Gebiet, da in dieses mit einer höheren Konzentration dotierte η-leitende Gebiet nur wenige Ladungsträger injiziert werden und dort nur wenig Zinkzentren vorhanden sind. Die Energieumwandlung der Photonen in freie Ladungsträger erfolgt nahe dem pn-Übergang 8 im wesentlichen in dem Volumen des Körpers zwischen dem pn-Übergang 8 und einer weiteren Linie 30, welche die Grenze der dem pn-

Übergänge zugehörigen Verarmungszone in der zinkdotierten p-leitenden Schicht 10 angibt. In dem an den pn-Ubergang 8 grenzenden Teil des n-leitenden Zwischengebietes 9 wird praktisch keine oder nur wenig Energie umgewandelt, da sich nur wenige

¹S Zink-Störstellen in diesem Gebiet befinden.

Das opto-elektronische Halbleiterbauelement nach Fig. 3 hat eine pnp-Struktur. Sie läßt sich auch als eine pninp- oder eine pnn~np-Struktur ausbilden, wobei i bzw. n~ ein Zwischengebiet aus praktisch eigenleitfähigem Halbleitermaterial bzw. ein mit einer niedrigen Tellurkonzentration dotiertes, schwach nleitendes Zwischengebiet bedeuten. In diesem Falle wird die Tellurkonzentration in den weiter nach außen *<, liegenden Teilen E und F auf dem Niveau Tel auf- v

^a5 rechterhalten, während in dem dazwischenliegenden Teil D die Tellurkonzentration gering (n~) oder praktisch Null ist (eigenleitfähig), während die Zink enthaltenden Teile ungeändert bleiben. Diese geänderte Struktur läßt sich z.B. dadurch schaffen, daß auf einem Ausgangskörper D mit Eigenleitung oder schwacher η-Leitung die Teile E und F auf epitaktischem Wege mit einer höheren Tellurkonzentration aufgebracht werden. Die geänderte Tellurkonzentration ist in Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. In dieser Ausführungsform der Vorrichtung ist der pn-Übergang 2 von dem pn-Ubergang 8 durch den Teil mit hohem spezifischen Widerstand D getrennt, so daß der Photonen-emittierende Eingangsteil des Bauelementes und der photo-empfindliche Ausgangsteil praktisch unabhängig voneinander sind, und zwar in dem Maße, daß die elektrische Rückkopplung gering oder sogar nicht wahrnehmbar ist. Der zinkdotierte Galliumarsenid-pn-Übergang 2 emittiert bekanntlich beim Anlegen einer Spannung

in der Durchlaßrichtung bei einer Umgebungstempe- ( _t ratur von 18° C (Zimmertemperatur) Infrarotphotonen mit einer Wellenlänge von etwa 9100 A, was einem Energiequant von 1,36 eV entspricht. Die Energie dieser Quanten ist kleiner als der Bandabstand des Galliumarsenids, der bei Zimmertemperatur etwa 1,43 eV beträgt; daher werden sie nur schwach in dem tellurdotierten η-leitenden Zwischengebiet absorbiert. Es ist infolgedessen ein verhältnismäßig großer Abstand zwischen beiden Übergängen zuläs-

sig, ohne daß die Übertragung beeinträchtigt wird. Es ist weiter einleuchtend, daß statt der in dem Beispiel in der Fig. 3 beschriebenen epitaktischen zinkdotierten p-leitenden Galliumarsenidschicht Zn4, die den photo-empfindlichen pn-Übergang 8 bildet, auch eine andere p-leitende epitaktische Schicht, z. B. aus einem Material mit demselben oder einem kleineren Bandabstand als der Energie der Photonen verwendet werden kann, was vorstehend bereits in allgemeinem Sinne angegeben wurde. Dann kann wegen der an sich bekannten Photoempfindlichkeit infolge direkter Band-Band-Übergänge im p-leitenden Material auch eine besonders wirksame Energieumwandlung erzielt werden. Aus den bekannten halbleitenden Elemen-

ten, wie Germanium und Silizium, und aus AⁱⁿB^v-Verbindungen kann auf einfache Weise ein Material mit einem geringeren Bandabstand als dem des Halbleitermaterials gewählt werden, das für den Photonen-emittierenden pn-Übergang verwendet wird.

Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung, in dem der Verlauf der Störstellendichte praktisch dem in Fig. 2 dargestellten entspricht.

In die Oberfläche einer Einkristallplatte aus n-leitendem tellurdotierten Galliumarsenid mit einer Dicke von etwa 100 μΐη wird allseitig langsam Zink bis zu einer Tiefe von etwa 10 μπι eindiffundiert, so daß eine Halbleiterplatte entsteht, die innen n-leitend ist und allseitig mit einer p-leitenden Oberflächen- ¹S schicht umgeben ist. Die Tellurkonzentration in der ursprünglichen Platte beträgt z.B. 3 · 10¹⁷ Atome/ cm³, und die Zinkdiffusion wird bei etwa 1000° C während etwa 3 Minuten in einer Dampfatmosphäre aus Zink und Arsen durchgeführt, in der der Partialdruck des Zinks 0,5 at und der des Arsens 0,25 at beträgt. An der Oberfläche entsteht eine Zinkkonzentration von etwa 10²⁰ Atome/cm³. Die unerwünschten Teile dieser p-leitenden Diffusionsschicht werden auf eine in der Halbleitertechnik übliche »5 Weise durch Ätzen oder durch Kombination mit mechanischer Bearbeitung, z.B. durch Läppen und darauf erfolgendes Ätzen, entfernt, wobei auf eine an sich bekannte Weise Maskierungsschichten beim Ätzen benutzt werden, damit nur örtlich die p-leitenden Zonen 4 und 10 (Fig. 4) auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Körpers beibehalten werden. Das Ätzmittel kann z.B. eine Ätzflüssigkeit aus 3 Volumteilen konzentrierter HNO₃, 3 Volumteilen Wasser und 1 Volumteil 40% HF sein, während die Maskierungsschicht für das Ätzen aus jedem ätzbeständigen Wachs, z.B. Apiezon, bestehen kann. Auf den zwei p-leitenden Zonen 4 und 10 und auf dem zwischenliegenden n-Ieitenden Teil 13 des Körpers werden Kontakte 6, 7 und 11 angebracht, indem Zinn bei 450° C auflegiert wird, wobei für die Kontakte 6 und 11 Zinnkügelchen und für den Kontakt auf dem Teil 13 bzw. ein aus Zinn bestehender Ring verwendet werden. Der pn-Ubergang 2 ist für die Photoemission bestimmt, während der pn-Übergang 8 als photoempfindlicher pn-Ubergang benutzt wird. Die Fläche des photo-empfindlichen pn-Übergangs 8 ist, damit mehr Photonen eingefangen werden, größer als die des Photonen-emittierenden pn-Überganges 2 ausgebildet.

Das Halbleiterbauelement nach Fig. 4 ist kreissymmetrisch zur Achse 14; seine Abmessungen können beispielsweise etwa folgende sein:

Der Durchmesser des Zwischengebietes 13, 3 bis 4 mm und die Dicke der Halbleiterplatte, einschließlich der p-leitenden Zonen 4 und 10, 0,1 mm; der Durchmesser des pn-Überganges 8 etwa 0,75 mm und der Durchmesser des pn-Uberganges 2 etwa 0,1 mm; der Abstand der beiden pn-Übergänge 2 und 8 von der Halbleiteroberfläche 10 μπι. Der Abstand zwischen den pn-Übergängen 2 und 8 beträgt damit etwa 80 μτα, wobei die Diffusionslänge in dem n-leitenden Galliumarsenid kleiner als 1 μπι ist.

Ein reflektierender Niederschlag (5 in Fig. 1) ist in der Fig. 4 nicht angedeutet. Ein solcher reflektierender Niederschlag kann jedoch durch Polieren der Halbleiteroberfläche und durch darauf folgendes Niederschlagen eines geeigneten Materials, z.B. Aluminium, hergestellt werden, das außerdem als Kontaktmaterial statt des Legierungskontaktes 6 benutzt werden kann, wobei zwischen dem Aluminium und dem Halbleiter noch eine Isolierschicht aus Siliziumoxid angebracht werden kann.

An den pn-Übergang 8 kann im Betrieb eine Vorspannung in Sperrichtung von z.B. 5 bis 10 V und an den pn-Übergang 2 eine Vorspannung in Durchlaßrichtung von 1 bis 2 V angelegt werden. Die Wirkung dieses Halbleiterbauelementes läßt sich dadurch verbessern, daß sie bei einer Temperatur unter der üblichen Zimmertemperatur von 18° C, z.B. bei 77° K, betrieben wird; hierzu kann flüssiger Stickstoff als Kühlmittel verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Elektrisch steuerbares opto-elektronisches Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der in einem seiner Teile einen zwischen zwei Elektroden befindlichen pn-Übergang enthält, der beim Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung Photonen emittiert, und der einen Teil enthält, der sich zwischen zwei Elektroden befindet und der für die von dem pn-Übergang emittierten Photonen photo-empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der photo-empf indliche Teil des Halbleiterkörpers (1) zwischen seinen beiden Elektroden (7 und/oder 12, 11) einen pn-Übergang (8) enthält, der beim Anlegen einer Spannung in Sperrichtung die von dem Photonen-emittierenden pn-Ubergang (2) emittierten Photonen absorbiert und durch diese Photonenabsorption elektrische Ladungsträger bildet, und daß der Abstand zwischen dem Photonen-emittierenden pn-Übergang (2) und dem für die emittierten Photonen photo-empfindlichen pn-Übergang (8) mindestens eine Diffusionslänge der Minoritätsträger in dem Zwischengebiet (13) beträgt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonen-emittierende pn-Ubergang (2) und der photoempfindliche pn-Übergang (8) einander gegenüber und parallel zueinander in dem Halbleiterkörper (1) angeordnet sind.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der photo-empfindliche pn-Übergang (8) eine größere Flächenausdehnung als der Photonen-emittierende pn-Übergang (2) hat.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonen-emittierende pn-Übergang (2) beim Betrieb in Durchlaßrichtung Photonen emittiert, deren Energie kleiner ist als die Breite des verbotenen Bandes des Halbleitermaterials des an den Photonen-emittierenden pn-Übergang (2) angrenzenden Zwischengebietes (13).

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der photo-empfindliche Teil des Halbleiterkörpers (1) aus einem Halbleitermaterial besteht, bei dem die Breite des verbotenen Bandes kleiner ist als die Breite des verbotenen Bandes des Halbleitermaterials des an den Photonen-emittierenden pn-Übergang (2) angrenzenden Zwischengebietes (13).

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der photo-empfindliche Teil (8, 30 Fig. 3) des Halbleiterkörpers (1) als epitaktische Schicht auf das an den Photonen-emittierenden pn-Übergang (2) angrenzende Zwischengebiet (13) aufgebracht ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Ubergang (8) des photo-empfindlichen Teils des Halbleiterkörpers (1) mit der Grenze zwischen der epitaktischen Schicht und dem an den Photonen-emittierenden pn-Übergang (2) angrenzenden Zwischengebiet (13) zusammenfällt (Fig. 3).

8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonen-emittierende pn-Übergang

(2) und der photo-empfindliche pn-Ubergang (8) im Halbleiterkörper (1) durch ein Zwischengebiet (13) voneinander getrennt sind, das nahezu keine Störstellen enthält, welche die emittierten Photonen absorbieren können.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengebiet (13) des Halbleiterkörpers (1), das keine die emittierten Photonen absorbierenden Störstellen enthält, mit zwei Kontaktelektroden (7,12) versehen ist, von denen eine (7) als eine Kontaktelektrode für den Betrieb des Photonen-emittierenden pn-Ubergangs (2) und die andere (12) als eine Kontaktelektrode für den Betrieb des photo-empfindlichen pn-Ubergangs (8) dient.

10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Photonenemission bewirkenden Störstellen in einem Teil des Halbleiterkörpers (1) vorhanden sind, der in einem Abstand von maximal drei, zwei oder einer Diffusionslänge von dem Photonenemittierenden pn-Übergang (2) in Richtung auf den photo-empfindlichen pn-Übergang (8) endet.

11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der photo-empfindliche pn-Übergang (8) von dem mit die Photonenemission bewirkenden Störstellen versehenen Teil des Halbleiterkörpers (1) einen Abs Land von mindestens einer Diffusionslänge hat.

12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Photonenabsorption bewirkenden Störstellen sich in einem Teil des Halbleiterkörpers (1) befinden, der sich in Richtung auf den Photonen-emittierenden pn-Ubergang (2) nicht weiter von dem photo-empfindlichen pn-Übergang (8) fort erstreckt, als die nach dem Anlegen der für den Betrieb vorgesehenen Sperrspannung an dem photo-ernpfindlichen pn-Übergang (8) auftretende Raumladungsschicht.

13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der die Photonenabsorption bewirkende Störstellen enthaltende Teil des Halbleiterkörpers (1) nur bis zur Grenze der ohne Vorspannung auftretenden Raumladungsschicht des photo-empfindlichen pn-Ubergangs (8) erstreckt.

14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) mit einem die emittierten Photonen reflektierenden Niederschlag (5) versehen ist.

15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den Photonen-emittierende pn-Übergang (2) enthaltende Teil des Halbleiterkörpers (1) aus Galliumarsenid besteht.

16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die Photonenemission bewirkenden Störstellen durch Zink gebildet werden.