DE1589197C3

DE1589197C3 - Lichtemittierende Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1589197C3
Application number: DE1589197A
Authority: DE
Inventors: Lewis Arthur Wappinger Falls Davidson; John Peter Troy Wasula
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-09-21
Filing date: 1967-09-16
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE1589197B2; GB1180758A; FR1538071A; DE1589197A1; US3508111A

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiteranordnung mit einem pn-Übergang zwischen einer ersten dotierten Zone und einer in dieser eingelassenen zweiten, entgegengesetzt dotierten Zone, wobei die erste Zone mit mindestens zwei Elektroden und die zweite Zone mit mindestens einer Elektrode versehen ist, mit deren Hilfe der pn-übergang zur Lichtemission anregbar ist und bei der sich auf der von der zweiten Zone abgewandten Seite der ersten Zone eine dritte, entgegengesetzt dotierte und mit einer weiteren Elektrode kontaktierte Zone befindet die mit der ersten Zone ebenfalls einen pn-Übergang bildet

Die Funktionsweise lichtemittierender Halbleiteranordnungen ist im wesentlichen bekannt Sobald in einem Halbleiter ein Elektron auf einen niedrigeren Energiezustand übergeht wird die dabei freiwerdende Energie in Form von Lichtenergie emittiert Die Wellenlänge des emittierten Lichtes hängt vom Energieverlust des Elektrons ab. Im allgemeinen versteht man unter dem Begriff Licht die Aussendung solcher Photonen, deren Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich liegt Im folgenden wird jedoch die allgemeinere Bedeutung des Begriffes der Lichtemission verwendet, der die Emission von Photonen sämtlicher Wellenlängen aus einem Halbleiter umfaßt

Da die Wellenlänge des Lichtes vom stattfindenden Energieübergang bestimmt wird, kann sie bis zu einem bestimmten Grade dadurch gesteuert werden, daß die Ursache der Lichtemissioh beeinflußt wird. Beispielsweise ergibt sich in bekannter Weise eine Lichtemission durch die Rekombination von Defektelektronen und Elektronen in einem Halbleiter mit direktem Übergang bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung. Die Wellenlänge dieser schmalbandigen Lichtemission ist eindeutig vom Bandabstand des Halbleiters abhängig, von dem sie ausgeht. Aus diesem Grund kann die Wellenlänge durch Veränderung des Bandabstandes festgelegt werden. Es ist bekannt, den Bandabstand durch Wahl des Halbleitermaterials und/oder dessen Zusammensetzung, durch äußere Magnetfelder, durch die Umgebungstemperatur und durch mechanische Spannungszustände zu verändern und damit dje Wellenlänge zu beeinflussen.

Ein weiterer Mechanismus der Lichtemission hat seine Ursache im elektrischen Durchbruch von pn-Übergängen. Dabei findet eine sehr breitbandige Lichtemission statt die somit als weißes Licht in Erscheinung tritt

Gegenstand des älteren DE-PS 12 28 337 ist bereits eine lichtemittierende Halbleiteranordnung mit einem pn-Übergang zwischen einer ersten dotierten Zone und einer in diese eingelassenen zweiten, entgegengesetzt dotierten Zone.

In der Nähe des an die Oberfläche der Anordnung tretenden pn-Überganges und parallel hierzu sind auf der zweiten Zone eine streifenförmige Elektrode und auf der ersten Zone eine oder mehrere voneinander ι getrennte Elektroden angeordnet, über die die Lichtemission angeregt wird. Diese Halbleiteranordnung ' weist die Nachteile auf, daß sich keine definierten ! linienförmigen Lichtquellen bilden lassen und daß eine Steuerung der Lichtaustrittsstellen nur durch Zu- oder Abschalten der Spannung möglich ist

Für viele Anwendungen wäre es erstrebenswert und notwendig, neben einer Möglichkeit zur Beeinflussung der Frequenz eine Möglichkeit zur Beeinflussung und

Steuerung der Austrittsstelle des an pn-Übergängen auftretenden Lichtes zur Verfügung zu haben. In dieser Hinsicht ist es lediglich bekannt an jeder Stelle, an der eine Lichtemission stattfinden soll, einen gesonderten pn-Übergang anzuordnen.

Diese Methode ist offensichtlich mit großen Nachteilen behaftet An Nachteilen seien beispielsweise hervorgehoben die erforderliche starke Metallisierung zum Zwecke der Kontaktierung und/oder Maskierung unerwünschter Lichtaustrittsstellen und ferner die zwangsläufig erforderliche Dicke der lichtemittierenden Schichten. Außerdem ist es nicht möglich, eine gesteuerte Lichtemission über ausgedehntere Flächen oder eine elektronische Auswahl der lichtemittierenden Zonen zu erzielen. Ebenso lassen sich keine definierten linienförmigen Lichtquellen bilden.

Aus der DE-AS 1119 120 ist eine lichtemittierende Halbleiteranordnung bekannt die einen ersten pn-Übergang zwischen einer ersten dotierten Zone und einer in diese eingelassenen zweiten, entgegengesetzt

dotierten Zone umfaßt Die beiden Zonen sind mit Elektroden versehen, über die der pn-Übergang zur Lichtemission angeregt wird. Auf der von der zweiten Zone abgewandten Seite der ersten Zone ist eine dritte,

entgegengesetzt dotiert und ebenfalls mit einer Elektrode versehene Zone angeordnet, die mit der ersten Zone einen zweiten pn-übergang bildet.

Bei dieser Struktur entspricht der lichtemittierende erste pn-übergang dem Basis-Kollektorübergang eines Transistors, dessen Emitter von der dritten Zone gebildet wird. Über diesen Emitter ist das vom Basis-Kollektorübergang emittierte Licht modulierbar. Auch bei dieser Anordnung trägt die gesamte Fläche des pn-Überganges zur Lichtemission bei. Das Problem, linienförmige Lichtquellen zu erzeugen, ist hier nicht angesprochen.

Linienförmige Lichtquellen eignen sich beispielsweise ganz besonders zur Speicherung von Daten auf photographischen Filmen oder zur augenblicklichen Erkennung unterschiedlicher Bedingungen. Mit einstellbaren Lichtaustrittsstellen lassen sich elektrooptische Signalwege steuern. Einstellbare Lichtaustrittsstellen eignen sich ferner zur Darstellung numerischer oder alphanumerischer Zeichen oder anderer Muster, die entweder gespeichert, gedruckt oder kurzzeitig sichtbar gemacht werden sollen.

Demgemäß ist es die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine lichtemittierende Halbleiteranordnung anzugeben, die eine Einstellung und Steuerung der Lichtaustrittsstellen über eine gesonderte Steuerspannung gestattet und die Möglichkeit bietet, eine linienförmige Lichtemission zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für eine lichtemittierende Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der räumliche Abstand der zweiten Zone von der dritten Zone und die Dotierung des zwischen diesen beiden Zonen liegenden Kanals so gewählt und aufeinander abgestimmt sind, daß durch Anlegen einer Sperrspannung an die weitere 35· Elektrode der dritten Zone und das damit verbundene Verschieben der entstehenden Verarmungszone in den Kanal der in diesem fließende Längsstrom so herabgesetzt ist, daß nur noch der zwischen den Elektroden der ersten und zweiten Zone liegende Teil der pn-Übergangsfläche Licht emittiert

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt

Die lichtemittierende Halbleiteranordnung nach der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt:

F i g. 1 eine Anordnung mit einem als Lichtquelle dienenden pn-übergang,

Fig.2 einen Querschnitt der Anordnung gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine numerische Anzeigeeinrichtung, in der die Erfindung angewendet ist,

Fig.4 eine diskrete reihenweise Anordnung linienförmiger Lichtquellen nach der Erfindung,

F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der F i g. 4, F i g. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 der F i g. 4,

Fig.7 eine weitere erfindungsgemäße lichtemittierende Anordnung, die eine flächenhafte Lichtquelle darstellt

Im folgenden seien die F i g. 1 und 2 betrachtet Eine Lichtquelle 10 aus einem monokristallinen Halbleiterkörper enthält eine n-Ieitende Zone 12, eine p-Ieitende Zone 14 und eine η-leitende Zone 16. Der lichtemittierende pn-Übergang 18 endigt an der Oberfläche der Halbleiterlichtquelle 10 in dem mit 20 bezeichneten Bereich. Der pn-übergang 22 befindet sich unterhalb des pn-Überganges 18. Die Elektroden 24 und 26, die zu beiden Seiten des pn-Überganges 18 angeordnet sind, bilden elektrische Kontakte zur Zone 14 der Anordnung. Die Elektrode 28 steht mit der Zone 12 und die Elektrode 30 mit der Zone 16 in leitender Verbindung.

Der von der direkten Umgebung der Elektroden abfließende Strom verringert die Vorspannung des pn-Überganges. Der aktive Teilbereich, in dem Strom fließt, ist viel kleiner als die tatsächliche räumliche Ausdehnung des pn-Überganges.

Dieser Effekt wird dadurch um so verwickelter, daß der längs des Kanals 34 zwischen den beiden pn-Übergängen 18 und 22 fließende Strom in jedem Punkt durch den senkrecht zur Oberfläche fließenden Strom vermindert wird. Zur Kennzeichnung dieser Erscheinung ist eine nichtlineare Differentialgleichung erforderlich. Die genaue Form dieser Gleichung hängt von der Art des Mechanismus der Lichtemission und von der Gesetzmäßigkeit ab, die den Querstrom als Funktion des am pn-Übergang 18 liegenden Potentials angibt.

Die Steuerung der Lichtemission 32 wird durch Steuerung des Stromweges erzielt. Der fließende Strom ergibt sich in jedem Punkt aus dem dort herrschenden Potential. Das Potential ist aber auch von der Materialzusammensetzung, also der Dotierung und dem Halbleitermaterial, und von dem Aufbau der Anordnung abhängig.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß F i g. 1 und 2 läßt sich folgendermaßen darstellen. Es sei zunächst angenommen, daß beide Elektroden 24 und 26 elektrisch geerdet sind und daß über die Elektrode 28 an die Zone 12 ein positives Potential angelegt ist. Durchbrüche erfolgen an den Stellen Ci und C2. Diese Durchbrüche sind von einer Lichtemission 32 begleitet Der Strom fließt zur nächstgelegenen Elektrode 24 oder 26. Bei genügend tiefliegendem Übergang 18 bewirkt die Eigenabsorption des Halbleitermaterials, daß lediglich an den Stellen, an denen der Übergang an die Oberfläche tritt ein linienförmiger Lichtaustritt stattfindet

Es sei nunmehr der Fall betrachtet bei dem die Elektrode 24 potentialfrei ist. Wenn in diesem Fall trotz geeigneter Vorspannung an Elektrode 26 an der Stelle C\ der Durchbruch aufrechterhalten werden sollte, dann muß entlang des Pfades A ein Strom fließen. Das mit dem Stromfluß verbundene Potentialfeld überlagert sich dem durch die zugeführte Vorspannung gegebenen und das Potential ist dort am größten, wo der Kanal 34 zwischen dem pn-Übergang 18 und dem pn-Übergang 22 schmal und die Dotierung verhältnismäßig gering ist Dadurch ergibt sich an der Stelle Q eine Spannung, die geringer ist als die Durchbruchsspannung, so daß ein Durchbruch nicht stattfindet In entsprechender Weise erfolgt an der Stelle Q und nicht an der Stelle Ci ein Durchbruch, wenn Elektrode 26 offen und Elektrode 24 an-einer den Durchbruch bewirkenden Vorspannung liegt Das Anlegen geeigneter Vorspannungen an die genannten Elektroden bewirkt daß entlang der vertikalen Linien L\ und Lz der Anordnung gemäß F i g. 1 Licht emittiert wird. Die entlang der Linien 36 und 38 an die Oberfläche tretenden Teile des pn-Überganges emittieren in diesem Falle kein Licht

Die beschriebene Wirkungsweise ist unabhängig von dem Mechanismus der Lichtemission. Beispielsweise erfordert im Unterschied zu einer Lichtemission eines in Sperrichtung betriebenen pn-Überganges die Lichtemission eines in Durchlaßrichtung betriebenen pn-Überganges lediglich eine Änderung der Stromrichtung bzw. der Polarität der Vorspannung. Allgemein

ausgedrückt, die genannte Lokalisierung des Lichtaustritts kann erzielt werden, wenn die Voraussetzungen so festgelegt werden, daß entlang des Kanals 34 zwischen den beiden pn-Übergängen 18 und 22 ein genügend großer Potentialabfall erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Struktur erfordert einen räumlichen Abstand zwischen dem pn-Übergang 18 und dem pn-Übergang 22 in der Größenordnung von 0,5 bis 5 μπι. Der elektrische Abstand, der als Abstand zwischen den wirkenden Verarmungszonen definiert ist, ist wesentlich geringer als der räumliche Abstand. Die erforderliche Dotierung muß in der Größenordnung von 10¹⁵ bis 10¹⁷ Atomen pro cm³ liegen und muß im Hinblick auf die Größe des Abstandes der beiden pn-Übergänge 18 und 22 abgestimmt sein. Die Einstellung der beiden genannten Größen des Kanals 34 ist kritisch und bestimmt den Widerstand dieses Kanals in bezug auf den Längsstrom. Die genannten Daten sind im wesentlichen unabhängig vom Halbleitermaterial.

Ein isolierender pn-Übergang zum Halbleitersubstrat liefert zusammen mit der Elektrode 30, an die eine nicht dargestellte Sperrspannungsquelle angeschlossen ist, die Möglichkeit, den Längsstrom in dem Kanal 34 zusätzlich zu steuern. Die Zuführung der Sperrspannung verschiebt die Verarmungszone weiter in den Kanal 34 hinein, verringert also die aktive Kanalbreite und vergrößert den Widerstand für den Längsstrom.

Die in Fig.3 gezeigte Anordnung stellt eine Weiterbildung der Anordnung gemäß F i g. 1 und 2 dar und eignet sich insbesondere als numerische Anzeigeeinrichtung. Es treten anstelle von einem pn-Übergang zwei pn-Übergänge 40 und 42 an die Oberfläche der Anzeigevorrichtung. Die Elektroden 44 und 46 stellen die elektrische Verbindung zu den jeweils zugeordneten inneren Zonen 48 und 50 her. Die Elektroden 52,54,56, 58, 60, 62 und 64 sind dicht an den an die Oberfläche tretenden pn-Übergängen angeordnet und stellen individuelle elektrische Kontakte zu den äußeren Zonen her. Die gesteuerte Zufuhr von Vorspannungen an diese Elektroden — unter Beachtung der anhand der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung beschriebenen Prinzipien — erlaubt es, die Zahlen 1 bis 9 als Lichtzeichen darzustellen.

In den F i g. 4,5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem diskrete Lichtlinien steuerbar entlang des an die Oberfläche tretenden pn-Überganges 70 erzeugt werden können. Eine Elektrode 72 ist mit der inneren Zone 74 verbunden. Die Elektroden 76, 78,80, 82,84 und 86.sind mit der äußeren Zone verbunden. Die Anzahl der mit der äußeren Zone verbundenen Elektroden richtet sich nach der gewünschten Anzahl der linienförmigen Lichtaustritte. Diskrete linienförmige Lichtaustritte lassen sich gesteuert hervorrufen, wenn die in Verbindung mit der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 angegebenen Prinzipien beachtet werden. Die in geeigneter Weise bewirkte Potentialänderung in der Längsrichtung ergibt in diskreten Abschnitten des an die Oberfläche tretenden pn-Überganges eine Lichtemission. Die zwischen den einzelnen Elektroden längs des pn-Überganges 70 liegenden Zonen 90 (Fig.6) können zur Herabsetzung der Leitfähigkeit einer Diffusion von kompensierenden Dotierungsstoffen unterworfen oder auch durch Ätzung entfernt werden. Jede dieser Techniken beeinflußt die Potentialveränderung in Längsrichtung.

Die bis jetzt beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die linienförmige Lichtemission entlang eines an die Oberfläche tretenden pn-Überganges. Es läßt sich jedoch auch eine flächenhafte Lichtemission erzielen, die von einem pn-Übergang ausgeht. Ein Beispiel, bei dem zwei Übergänge verwendet werden, ist in Fig.7 dargestellt Die Elektrode 100 stellt den elektrischen Kontakt zur Zone 102 und die Elektrode 104 zur Zone 106 her. Der lichtemittierende pn-Übergang 108 liegt ausreichend dicht unter der Oberfläche der Anordnung, so daß eine flächenhafte Lichtemission stattfinden kann, die über die Elektrode 100 gesteuert wird. Die Ausdehnung der Elektrode 100 kann in bezug auf die lichtemittierende Fläche gering sein. Die Art der Lichtemission ist abhängig von der Änderung des Potentials längs des pn-Überganges 108 und von dem Einfluß der Eigenschaften des zwischen dem pn-Übergang 108 und dem in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang 112 liegenden Kanals 110 auf den Längsstrom. Die Verarmungszone des pn-Überganges 112 wirkt auf den Strom in dem Kanal 110 und unterstützt damit die Änderung des Potentials längs des lichtemittierenden pn-Überganges 108. In einer Abwandlung der gezeigten Anordnung kann das von der Zone 114 ausgehende starke Licht auf Wunsch dadurch unterdrückt bzw. auf einen definierten Flächenbereich zwischen den Elektroden beschränkt werden, daß entweder die Zone 114 entsprechend maskiert oder teilweise durch Ätzung entfernt wird. Die flächenhafte Lichtemission kann durch die Anordnung und Form der Elektroden eingestellt werden.

Der Vollständigkeit halber sind im folgenden die Daten eines funktionsfähigen Ausführungsbeispiels angegeben.

Der verwendete Halbleiterkörper besteht aus Silicium und ist auf einen Wert von 0,012 Ohm-Zentimeter mit Antimon dotiert. Auf das Silicium wurde eine phosphordotierte (8 χ 10¹⁴ Atome pro cm³) epitaktische Schicht von etwa 7,3 μπι Dicke aufgebracht Dieses derartig vorbereitete Substrat wurde anschließend in einem Diffusionsofen bei 97O⁰C während 15 Minuten in trockener Sauerstoff atmosphäre und während 105 Minuten in Wasserdampf oxidiert Anschließend wurde in einem Photo-Ätz-Verfahren mit anschließender Diffusion die Zone 14 hergestellt Nach erneuter Oxydation und Anwendung des üblichen Photo-Ätz-Verfahrens wurde die Zone 12 eindiffundiert Schließlich wurden geeignete Elektroden auf den Zonen 12, 14 und 16 angebracht Die auf diese Weise hergestellte Anordnung ist in F i g. 1 und 2 dargestellt Die räumliche Breite des Kanals 34 ist 1,5 μπι und die elektrische Breite 0,8 μπι. Der Kanal 34 ist mit etwa 10¹⁵ bis 10·⁶ Atomen pro cm³ dotiert

Eine Lichtemission im Bereich der Linien L\ und La (Fig. 1) findet statt wenn beide Elektroden 24 und 26 elektrisch verbunden werden und der pn-Übergang 18 bis zum Durchbruch in Sperrichtung vorgespannt wird. Eine einseitige Lichtemission in Form nur einer Linie zeigt sich, wenn entweder die eine oder die andere der Elektroden 24,25 elektrisch offen bleibt Im Bereich der Linien 36, 38 des pn-Überganges 18 zeigt sich keine Lichtemission.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtemittierende Halbleiteranordnung mit einem pn-übergang zwischen einer ersten dotierten Zone und einer in dieser eingelassenen zweiten, entgegengesetzt dotierten Zone, wobei die erste Zone mit mindestens zwei Elektroden und die zweite Zone mit mindestens einer Elektrode versehen ist, mit deren Hilfe der pn-übergang zur Lichtemission anregbar ist, und bei der sich auf der von der zweiten Zone abgewandten Seite der ersten Zone eine dritte, entgegengesetzt dotierte und mit einer weiteren Elektrode kontaktierte Zone befindet, die mit der ersten Zone ebenfalls einen pn-übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Abstand der zweiten Zone (12) von der dritten Zone (16) und die Dotierung des zwischen diesen beiden Zonen liegenden Kanals (34) so gewählt und aufeinander abgestimmt sind, daß durch Anlegen einer Sperrspannung an die weitere Elektrode (30) der dritten Zone (16) und das damit verbundene Verschieben der entstehenden Verarmungszone in den Kanal (34) der in diesem fließende Längsstrom so herabsetzbar ist, daß nur noch der zwischen den Elektroden der ersten (14) und zweiten Zone (12) liegende Teil der pn-Übergangsfläche Licht emittiert

2. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (14) auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der zweiten Zone (12) auf der gleichen Oberflächenseite durch Elektroden (24,26) kontaktiert ist

3. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Abstand der zweiten (12) von der dritten Zone (16) im Bereich von 0,5 bis 5 μπι und die Dotierung des Kanals im Bereich von 10¹⁵ bis ΙΟ¹⁷ Atome/cm³ liegt

4. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (12) so dünn ausgebildet ist, daß sie vom Licht durchstrahlt werden kann.