DE1489488A1 - Semiconductor diode for generating a luminescence or laser effect - Google Patents

Semiconductor diode for generating a luminescence or laser effect

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Description

Halbleiter-Diode zur Erzeugung eines Luminiszenz-oder Laser-Effektes Es sind Laser- und Luminiszenz-Dioden bekannt geworden, die aus halbleitendem Galliumarsenid und Galliumarsenid-Galliumphosphid-Mischkristallen hergestellt sind. Die Wirkung dieser Dioden beruht auf der Ladungsträgerinjektion in einem in Flußrichtung vorgespannten p-n-Übergang. Aus dem p- und n-Gebiet eines in Flußrichtung vorgespannten Halbleiters werden Ladungsträger in die Raumladungszone und die angrenzenden Bereiche injiziert und rekombinieren dort. Die freiwerdende Rekombinationsenergie wird als elektromagnetische Strahlung ausgestrahlt, deren Wellenlänge beim Galliumarsenid etwa 850 m /u beträgt. Unter geeigneten Bedingungen, nämlich bei genügend hoher Dotierung und genügend hohem Strom, also bei genügend hoher Ladungsträgerinjektion, ist die Ausstrahlung kohärent und gerichtet; die Luminiszenz-Diode arbeitet dann als Laser. In Figur 1 ist ein solcher Laser schematisch dargestellt. Zum Betrieb einer derartigen Ausführung muß a 'p-n-Übergang eine Spannung von etwa 1,5 bis 2 V liegen und ein so großer Strom.durch den Übergang fließen, daß eine Stromdichte von mehr als etwa 5000 A/cm2 erzielt wird.Semiconductor diode for generating a luminescence or laser effect There are laser and luminescent diodes are known that are made of semiconducting gallium arsenide and gallium arsenide-gallium phosphide mixed crystals are prepared. The effect This diode is based on the charge carrier injection in a forward biased p-n junction. From the p and n regions of a forward biased semiconductor charge carriers are injected into the space charge zone and the adjacent areas and recombine there. The released recombination energy is called electromagnetic Radiation emitted, its wavelength with gallium arsenide, for example 850 m / u. Under suitable conditions, namely with sufficiently high doping and a sufficiently high current, i.e. with a sufficiently high charge carrier injection, is the Broadcast coherent and directed; the luminescent diode then works as a laser. Such a laser is shown schematically in FIG. To operate such a Execution, a 'p-n junction must have a voltage of about 1.5 to 2 V and a so large a current flow through the junction that a current density of more than about 5000 A / cm2 is achieved.

Die bekannten@Luminiszenz- oder Laser-Dioden haben den Nachteil, daß die Strahlung nur von einer sehr schmalen Zone, nämlich dem p-n-Übergang selbst, nicht aber von den benachbarten p-und n-Schichten ausgeht. Daraus ergibt sich bei Verwendung der Diode als Laser der Nachteil, daß die Strahlung nur schwach gebündelt ist. . Erfindungsgemäß lassen sich diese Nachteile dadurch vermeiden, daß der Halbleiterkö-.-per aus mehreren abwechselnd aufeinanderfolgenden p- und n-Schichten aufgebaut ist. Dadurch ist die Stra!-Jung nicht mehr wie be*i den bekannten Dioden spaltförmig, sondern flächenhaft. Mit besonderem Vorteil liegt bei einer erfindungsge- mä3en Laser-Diode die Dicke der p- und n-Schichten in der dr@ir#ti- ordnung einer Wellenlänge der Laser-Strahlung oder dnruntor. :n diesem Fall wird die kohärente Strahlung durch ,diese Schi;itt@@:: nur wenig gedämpft und dadurch eine Koliären; ler ;3trc-itiltirit; -1:1.#r in Plußrichtung gepolten p-n-flbergdnk- erzwungen. Die übereinander angeordneten p- und n-Schichten können elektrisch jeweils parallel oder elektrisch in Reihe geschaltet sein.The known luminescence or laser diodes have the disadvantage that the radiation only emanates from a very narrow zone, namely the pn junction itself, but not from the adjacent p and n layers. When the diode is used as a laser, this has the disadvantage that the radiation is only weakly bundled. . According to the invention, these disadvantages can be avoided in that the semiconductor body is constructed from several alternately successive p- and n-layers. As a result, the Stra! -Jung is no longer gap-shaped as with the known diodes, but flat. A particular advantage of an inventive do laser diodes reduce the thickness of the p- and n-layers in the dr @ ir # ti- order of a wavelength of laser radiation or dnruntor. : n In this case, the coherent radiation is transmitted through this Schi; itt @@ :: only slightly subdued and therefore a colonial; ler; 3trc-itiltirit; -1: 1. # r pn-flbergdnk- poled in positive direction. The p- and n-layers arranged one above the other can each be connected electrically in parallel or electrically in series.

Bei Parallelschaltung sind die Schichten des gleichen Leitungs-. typs durch Elektroden, die gegen die Schichten des anderen Zeitungstyps isoliert sind, verbunden. Hierzu können zwei streifenförmige Elektroden auf eine zur Längsachse des Halbleiterkörpers parallele Seitenfläche auflegiert sein. Durch die Wahl des Elektrodenmaterials und/oder durch dotierende Zusätze zum Elektrodenmaterial läßt sich erreichen, daß die eine Elektrode mit den p-Schichten einen niederohmigen, sperrfreien Kontakt bildet und von den n-Schichten durch eine wesentlich höherohmige Sperrschicht getrennt ist, während die andere Elektrode sich entgegengesetzt verhält. So läßt sich z.B. eine Halbleiterdiode aus Galliumarsenid mit einer Elektrode aus reinem Zinn zur sperrfreien Kontaktierung der n-Schichten und einer Elektrode aus Zinn mit einem Zusatz von etwa 2 9& Zink zur sperrfreien Kontaktierung der p-Schichten versehen; beide Elektroden können bei einer Temperatur von 600°C auflegiert werden.When connected in parallel, the layers are of the same line. typs by electrodes insulated from the layers of the other type of newspaper, tied together. For this purpose, two strip-shaped electrodes can be placed on one to the longitudinal axis be alloyed parallel side face of the semiconductor body. By choosing the Electrode material and / or by doping additives to the electrode material achieve that one electrode with the p-layers has a low-resistance, Non-blocking contact forms and from the n-layers through a significantly higher resistance Barrier layer is separated, while the other electrode behaves in the opposite direction. For example, a gallium arsenide semiconductor diode can be left out with one electrode pure tin for block-free contacting of the n-layers and an electrode Tin with an addition of about 2 9 & zinc for non-blocking contacting of the p-layers Mistake; both electrodes can be alloyed at a temperature of 600 ° C.

Bei Reihenschaltung der p- und n-Schichten ist zwangläufig jeder zweite p-n-Übergang in Sperrichtung gepolt und trägt somit nicht zur Strählungserzeugung bei. Der Spannungsabfall in_Sperrichtung, der normalerweise größer ist als in Flußrichtung, beeinträchtigt den Wirkungsgrad einer solchen Halbleiterdiode. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades können gemäß weiterer@Erfindung die p- und n-Schichten so hoch dotiert und das Übergangsgebiet so schmal (unter 200 1) gehalten werden, daß durch die in Sperrichtung gepolten p-n-Übergänge@anstelle eines Sperrstromes mit der Charakteristik der üblichen Gleichrichterdiode ein Strom mit einer Tunnelstromcharakteristik fließt. Tier Spannungsabfall an einem solchen p-n-Übergang beträgt nur etwa 0,1 bis 0,2 V und somit nur etwa 1/10 des Spannungsabfalls an einem .in flußrichtung gepolten Übergang.If the p- and n-layers are connected in series, every second one is inevitable The p-n junction is polarized in the reverse direction and therefore does not contribute to the generation of radiation at. The voltage drop in the blocking direction, which is normally greater than in the flow direction, affects the efficiency of such a semiconductor diode. For improvement According to a further invention, the p- and n-layers can be so high in terms of efficiency doped and the transition region are kept so narrow (below 200 1) that by those polarized in the reverse direction p-n junctions @ instead of a reverse current with the characteristic of the usual rectifier diode, a current with a tunnel current characteristic flows. Tier voltage drop at such a p-n junction is only about 0.1 up to 0.2 V and thus only about 1/10 of the voltage drop at one .in flow direction polarized transition.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind anstelle der Überdotierung der in Sperrichtung gepolten p-n-Schichten zwischen die diese Übergänge bildenden p- und n-Schichten dünne, sperrfreie Metallschichten eingebettet, die sowohl mit den p- als auch mit den n-Schichten sperrfreie Kontakte ergeben;beispielsweise Schichten aus Gold oder Indium.According to a further embodiment of the invention, instead of overdoping of the reverse-biased p-n layers between those forming these junctions p- and n-layers are embedded thin, barrier-free metal layers that are both with the p- as well as with the n-layers result in non-blocking contacts; for example layers made of gold or indium.

Für die erfindungsgemäße Halbleiter-Diode eignen sich besonders Halbleiter mit sogenanntem "direkten Übergang". Als Halbleiter mit "direktem Übergang" werden Halbleiter bezeichnet, bei denen ein Übergang von Ladungsträger:. aus dem Valenz-- in das Leitungsband oder umgekehrt ohne Änderung des Impulses möglich ist. Hierfür kommen besonders die Halbleiter Galliumarsenid, Galliumantimonid,. Indiumphossphid, Indiumantimonid, Indiumarsenid und Mischkristalle aus diesen Verbindungen sowie Mischkristalle aus Galliumphosphid und Galliumarsenid in Frage.Semiconductors are particularly suitable for the semiconductor diode according to the invention with so-called "direct transition". As semiconductors with "direct transition" are Semiconductors, in which a transition of charge carriers :. from the valence-- into the conduction band or vice versa without changing the pulse. Therefor The semiconductors gallium arsenide, gallium antimonide, come in particular. Indium phosphide, Indium antimonide, indium arsenide and mixed crystals made from these compounds as well Mixed crystals of gallium phosphide and gallium arsenide are in question.

Zgr weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen; es zeigt: Figur 1 einen Halbleiter-Laser bekannter Ausführung, Figur 2 eine erfindungsgemäße Halbleiter-Diode mit mehreren aufeinanderfolgenden p-n-Schichten, deren Schichten gleichen Leitungstyps parallel geschaltet sind, Figur 3 eine erfindungsgemäße Halbleiter-Diode, bei der alle Schichten hintereinandergeschaltet sind, mit überdotierten p- und n-Schichten, Figur 4 eine Halbleiter-Diode mit metallischen Zwischenschichten anstelle der in Sperrichtung gepolten Übergänge.For a further explanation of the invention, reference is made to the drawings; It shows: FIG. 1 a semiconductor laser of known design, FIG. 2 an inventive one Semiconductor diode with several consecutive p-n layers, their layers the same line type are connected in parallel, Figure 3 shows an inventive Semiconductor diode in which all layers are connected in series, with overdoped p- and n-layers, FIG. 4 a semiconductor diode with metallic intermediate layers instead of the transitions polarized in the reverse direction.

In Figur 1 ist der Aufbau eines bekannten Halbleiter-Lasers schematisch dargestellt; Er besteht aus der beispielsweise durch Diffusion erzeugten p-Schicht 3, der n-Schicht 2 und dem dazwischenliegenden p-n-Übergang 1. Die p-Schicht 3 und die n-Schicht 2 sind jeweils mit einer Elektrode 4 versehen.The structure of a known semiconductor laser is shown schematically in FIG shown; It consists of the p-layer generated, for example, by diffusion 3, the n-layer 2 and the intermediate p-n junction 1. The p-layer 3 and the n-layer 2 are each provided with an electrode 4.

Die in Figur 2 schematisch dargestellte Halbleiter-Diode ist aus mehreren abwechselnd aufeinandergestapelten p- und n-Schichten 2, 3, z.B. aus Galliumarsenid, aufgebaut. Die p-Schichten sind durch eine metallische Elektrode 4a und die n-Schichten durch eine metallische Elektrode 4b parallelgeschaltet. Die Elektrode 4b besteht beispielsweise aus reinem Zinn, das mit den n-Bereichen sperrfreie Kontakte und mit den p-Schichten Sperrschichten bildet, während die Elektrode 4a aus Zinn mit einem Zusatz von etwa 2 % Zink besteht und infolge dieser Zusammensetzung zu den p- und n-Schichten ein der Elektrode 4b entgegengesetztes Verhalten zeigt.The semiconductor diode shown schematically in FIG. 2 is made up of several alternately stacked p- and n-layers 2, 3, e.g. made of gallium arsenide, built up. The p-layers are through a metallic electrode 4a and the n-layers connected in parallel by a metallic electrode 4b. The electrode 4b is made for example made of pure tin, the non-blocking contacts with the n-areas and forms barrier layers with the p-layers, while the electrode 4a is made of tin with an addition of about 2% zinc and as a result of this composition to the p- and n-layers show a behavior opposite to that of electrode 4b.

In Figur 3 ist eine Halbleiter-Diode dargestellt, die mehrere abwechselnd aufeinanderfolgende p-Schichten ? und n-Schichten 8 enthält. Die zur Strahlungserzeugung-ausnutzbaren, in Flußrichtung gepolten p-n-Übergänge sind mit 5 und die in Sperrichtung gepolten und daher keine Strahlung erzeugenden p-n-Übergänge sind mit 6 bezeichnet. Da der Spannungsabfall in den Übergängen in Sperrichtung im allgemeinen erheblich größer ist als in Flußricütung, ist die Störstellenkonzentration in den p-Schichten ? und den n-Schichten 8 so groß und die in Sperrichtung gepolten /sind p-n-Übergänge 6 so schmal gewählt, daß anstelle des normaler- weise fließenden Sperrstromes ein Tunnelstrom tritt. Die Breite des Übergangsgebietes beträgt etwa 100 R, höchstens aber 200 Figur 4 gibt eine ebenfalls aus mehreren p-Schichten 9 und n-Schichten 10 in abwechselnder Folge zusammengesetzte Halbleiter-Diode wieder. Die in Fußrichtung gepolten p-n-Übergänge sind in diesem Ausführungsbeispiel mit 11 bezeichnet. Zwischen den in Sperrichtung gepolten p=n-Schichten ist jeweils eine Metall- , zwisehenschicht 12 eingebettet. Diese Zwischenschichten 12 bestehen aus einem Metall, das sowohl mit den p- als auch mit den n-Schichten sperrfreie Kontakte ergibt. Bei dieser Anordnung entfällt die bei der Ausführung -nach Figur 3 geforderte Bedingung für die Störstellenkonzentration.In Figure 3, a semiconductor diode is shown, the several alternating p-layers? and contains n-layers 8. The pn junctions which can be used for generating radiation and are polarized in the flow direction are denoted by 5 and the pn junctions which are polarized in the reverse direction and therefore do not generate radiation are denoted by 6. Since the voltage drop in the transitions in the reverse direction is generally considerably greater than in the flow direction, is the concentration of impurities in the p-layers? and the n-layers 8 as large and the polarized in the reverse direction /are pn junctions 6 chosen so narrow that instead of the normal wise flowing reverse current a tunnel current occurs. The width of the transition region is approximately 100 R, but at most 200. FIG. 4 shows a semiconductor diode also composed of several p-layers 9 and n-layers 10 in alternating sequence. The pn junctions polarized in the foot direction are denoted by 11 in this exemplary embodiment. A metal intermediate layer 12 is embedded in each case between the p = n layers polarized in the reverse direction. These intermediate layers 12 consist of a metal which results in non-blocking contacts with both the p-layers and the n-layers. With this arrangement, the condition for the concentration of impurities required in the embodiment according to FIG. 3 does not apply.

Die Halbleiter-Dioden gemäß Figur 2 und 3 können nach dem bekannten epitaktischen Verfahren und durch anschließende Kontaktierung nach ebenfalls bekannten Legierungsverfahren hergestellt werden. Eine Galliumarsenid-Diode nach Figur 4 läßt sich beispielsweise durch abwechselndes Abscheiden oder Aufdampfen von p-Gal-liumarsenid, n-Galliumarsenid und Gold oder Indium im Hochvakuum oder durch abwechselnde elektrolytische Abscheidung dieser Schichten herstellen. Nach dem Aufdampfen bzw. nach dem elektrolytischen Abscheiden wird die Diode einige Sekunden auf etwa 800°C (Gold) bzw. auf etwa 4000C (Indiurn) erhitzt. Dabei* legiert die Gold-- bzw: Indiumschi cht sowohl mit dem p- als auch mit dem n-Galliumsntimonid und ergibt die gewünschte sperrfreie Verbindung der p-- und n-Schichten.The semiconductor diodes according to Figures 2 and 3 can according to the known epitaxial method and by subsequent contacting according to also known Alloy processes are produced. A gallium arsenide diode according to Figure 4 can for example by alternating deposition or vapor deposition of p-gal-lium arsenide, n-gallium arsenide and gold or indium in a high vacuum or by alternating produce electrolytic deposition of these layers. After evaporation or After the electrolytic deposition, the diode is heated to around 800 ° C for a few seconds (Gold) or heated to about 4000C (indium). * Alloys the gold or: indium shi works well with both p- and n-gallium antimonide and gives the desired one lock-free connection of the p- and n-layers.

Claims (9)

Patentansprüche 1. Halbleiter-Diode zur Erzeugung eines Luminiszenz- oder Laser-Effektes, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus mehreren abwechselnd aufeinanderfolgenden p- und n-Schichten aufgebaut ist. 1. A semiconductor diode for generating a laser or Luminiszenz- effect, characterized in that the semiconductor body from a plurality of alternately consecutive p- and n-layers is constructed. 2. Halbleiter-Diode zur Erzeugung eines Laser-Effektes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke de-r p- und n-Schichten in der Größenordnung einer Wellenlänge der Laser-Strahlung oder darunter liegt. 2. Semiconductor diode for generating a laser effect according to claim 1, characterized in that the thickness of the p- and n-layers in the order of magnitude of a wavelength of the laser radiation or below. 3. Halbleiter-Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des einen Leitungstyps durch Elektroden, die gegen die Schichten des anderen Leitungstyps isoliert sind, elektrisch parallelgeschaltet sind. 3. Semiconductor diode according to claim 1 or 2, characterized in that that the layers of one conduction type by electrodes which are against the layers of the other line type are insulated, are electrically connected in parallel. 4. Halbleiter-Diode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden Streifen aus einem derart dotierten Material auf den Halbleiterkörper aufgebracht, z.B. auflegiert sind, daß die Elektroden mit den Schichten des einen Leitungstyps einen niederohmigen, sperrfreien Kontakt und mit den Schichten des anderen Leitungstyps eine hochohmige Sperrächicht bilden. 4. Semiconductor diode according to claim 3, characterized in that strips of such a doped material is applied to the semiconductor body, e.g. are alloyed that the electrodes with the layers of one conduction type have a low-resistance, barrier-free Contact and with the layers of the other type of conduction a high-resistance barrier layer form. 5. Halbleiter-Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten elektrisch in Reihe geschaltet sind., 5. semiconductor diode according to claim 1 or 2, characterized in that all layers are electrically connected in series., 6. Halbleiter-Diode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß . die p- und n-Schichten so hoch dotiert und die Übergangsbereiche so schmal sind, daß durch die in Sperrichtung gepolten p-n-Übergänge anstelle eines Sperrstromes ein Tunnelstzo m fließt. 6. Semiconductor diode according to claim 5, characterized in that. the p- and n-layers are so highly doped and the transition areas are so narrow that the polarized in the reverse direction p-n junctions instead of a reverse current a tunnel zone m flows. 7. Halbleiter-Diode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die in Sperrichtung gepolten p-n-Übergänge dünne t sperrfreie Metallschichten eingebettet sind. B. 7. Semiconductor diode according to claim 5, characterized in that between the polarized in the reverse direction p-n junctions are embedded in thin t barrier-free metal layers. B. Halbleiter-Diode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenschichten Gold oder Indium verwendet ist. Semiconductor diode according to claim 7, characterized in that gold or Indium is used. 9. Halbleiter-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial mit. direktem Übergang verwendet ist. 9. Semiconductor diode according to one of the preceding claims, characterized in that a semiconductor material with. direct transition is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2261527A1 (en) * 1972-12-15 1974-07-04 Max Planck Gesellschaft SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING IT

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