DE1921439A1 - Lumineszierendes Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Lumines zierendes Halbleiterbauelement

Die vorliegende Erfindung betrifft ein lumineszierendes Halbleiterbauelement welches nach äusserer Anregung durch Strahlung Rekombinationsstrahlung erzeugt, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der bestrahlten Fläche bzw. in Richtung der Dickenerstreckung des Halbleiterbauelementes abgestrahlt wird. Aus Halbleitern aufgebaute optische Sender können entweder durch. Injektion über einen PN-Übergang oder durch äussere Bestrahlung mit Elektronenstrahlen oder mit Licht angeregt werden. Bei allen bisher bekannt gewordenen optischen Sendern findet die Ausstrahlung des erzeugten Lichtes in einer Richtung statt, die im wesentlichen parallel zum Verlauf der aktiven Schicht ist. Unter dieser Schicht versteht man einen relativ dünnen Bereich von 1 bis 10 ,n Dicke, in welcher die anregenden Elektronen oder Photonen wirksam sind. Die Wirkung eines optischen Senders in Richtung senkrecht zur aktiven Schicht kommt im allgemeinen nicht zustande, weil die Dicke des verstärkenden Mediums sehr gering ist im Vergleich zu der Gesamtdicke des absorbierenden Mediums, welches an die aktive Schicht angrenzt. Ein

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optischer Sender aus Halbleitermaterial mit äusserer Anregung sollte einen hohen Wirkungsgrad, einen niedrigen Schwellenwert und geringe Verluste besitzen. Weiterhin ist es wünschenswert, daß die Wirkung des optischen Senders in senkrechter Richtung zur aktiven Schicht erfolgt, da dieses für die Ausbildung eines stark gebündelten Strahles günstig ist und ausserdem eine zweidimensionale Auswahl des Ursprungsortes der erzeugten Strahlung durch Steuerung leichter durchführbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein lumineszierendes Halbleiterbauelement anzugeben, welches von aussen angeregt werden kann und bei welchem die Aussendung des erzeugten Lichtes im wesentlichen senkrecht zur bestrahlten Fläche bzw. in Richtung der Dickenersfreckung des Halbleiterbauelementes erfolgt. Das emittierte Licht soll eine geringe Divergenz aufweisen und der Ort der Strahlenanregung soll in einfacher Weise durch Ansteuerung ausgewählt werden können.

Die Vorrichtung nach der Erfindung soll weiterhin in der Lage sein. Licht sowohl infolge spontaner Emission zu liefern als auch die Lichtverstärkung nach Art des optischen Senders so hoch zu treiben, bis stimulierte Emission eintritt. Das die genannte Aufgabe lösende Halbleiterbauelement besitzt im wesentlichen eine flächenhafte Ausdehnung und ist dadurch gekennzeichnet, daß für den aktiven Bereich des Halbleiterkörpers, in dem die Anregung der Ladungsträger stattfindet, ein Halbleitermaterial mit geringerem Energiebandabstand gewählt wird, als dies für den restlichen inaktiven Bereich des Halbleiterkörpers der Fall ist, derart, daß die durch Absorption im inaktiven Bereich hervorgerufenen Verluste verhältnismässig gering sind.

Das Halbleiterbauelement nach der vorliegenden Erfindung kann entweder durch Elektronen - oder durch Lichtstrahlen von aussen

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angeregt werden. Er besteht aus einem im Verhältnis zu seiner Flächenabmessung dünnen Halbleiterkörper, dessen Materialbeschaffenheit insbesondere bezüglich des Energiebandabstandes in Richtung seiner Dickenausdehnung, d.h. von der einen Oberfläche zur andern Oberfläche hin, sich ändert. Ein an der Oberfläche einfallender Strahl erzeugt Ladungsträgerpaare, die bei ihrer Rekombination innerhalb der aktiven Schicht eine Rekombinationsstrahlung aussenden. Nach der Lehre der Erfindung wird nun die Zusammensetzung des Halbleitermaterials in der Weise gewählt, daß der effektive Energiebandabstand beispielsweise in Richtung von der Oberfläche zur Rückfläche des Halbleiterkörpers zunimmt. Insbesondere, wenn die Wirkung eines optischen Senders, d.h. also die Aussendung stimulierter Strahlung erwünscht ist, werden die Oberflächen mit geeigneten reflektierenden oder teilweise reflektierenden Schichten versehen. In einer besonderen Ausführung sform besteht der lumineszierende Halbleiterkörper aus zwei Schichten, von denen die erste eine dünne Schicht, die aktive Schicht ist, welche in der Nähe der Oberfläche liegt und der anregenden Strahlung ausgesetzt wird. Die zweite oder inaktive Schicht, die etwas dicker als die aktive Schicht ist, trägt die aktive Schicht und wird daher oft auch als Substrat bezeichnet. Die Halbleitermaterialien sind bo gewählt, daß die aktive Schicht einen kleineren Energiebandabstand hat als dies für die tragende inaktive Schicht der Fall ist. Infolgedessen wird die aktive Schicht die Rekombinationsstrahlung mit einer grösserön Wellenlänge emittieren, als dies für die inaktive tragende Schicht mit im allgemeinen starker Absorption der Fall ist. Da diese zweite Schicht jedoch nach der Lehre der vorliegenden Erfindung einen grösseren Energiebandabstand hat, reicht die Energie der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung für eine Anregung der inaktiven Schicht nicht mehr aus, wodurch sinh insgesamt eine beträchtliche Reduktion der Energieverluste in der inaktiven Schicht ergibt.

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Bei einer Meinf< Jiicht /fti ul "tür wild r.Ii. die eiste Schi clit mit einer Dicke ausgc ίiilii 1, wie- sie etwa der Eindringtiefe der anlegenden Sti ahltnig entspricht. Die zweite Schicht besitzt eine aiufi eichende Dirl e, um die erforderliche mechanische Festigkeit fiii den Gesamthalbh-itt-iWJi per sicherzustellen, besitzt jedoch die obengenannte andri-sai lige Zusammensetzung zum Zwecke der Kliminierung bzw. der !Reduzierung der Absorption des in der aktiven Schicht ei zeugten Lichtes. Kohärente Emission bzw. die Wirkung eines optischen Senders (Laser) in senkrechter Richtung zur Fläehenauffdehnung des Halhleiten-rorpers kann durch Anbringen einer Rückkopplung mittels reflektierender ader teilweise reflektierender Ahdeel schichten auf der vorderen und hinteren Oberfläche des HaIbleitei 1-öipei s ei rielt vereicii. Andererseits können die Oberflächen auch mit ι «flexionsi < duzierenden Abdeckschichten versehen werden und dei ei ioi derliclie Rüekkoppluiigsmechaiiismus durch äusscre Spiegel lealisiert weiden.

Weiteie Einzelheiten der Erfindung, der Struktur des lumineszierenden Halbleitcrbauelemeules .sowie Näheres über für den Aufbau dieser Struhtui geeignete Halbleitermaterialien und deren Züchtung gehen aus dei folgenden lieschreibung im Zusammenhang mit den Figuren hei voi. In diesen bedeuten :

Fig. IA eine schemaiische Darstellung eines ersten Aus-

fühi uugshci spicles der Erfindung, bei welchem das Iumines:,ierende Halbleiterbauelement in einem evakuierten Gefäß angebracht ii-t und mittels eines Elektronenstrahls angeregt wird. Das erzeugte Licht tritt auf drr Rückseite des Halbleiterl örpers aus;

Fig. 113 ein weiteres Ausiührungsbeispiel dei Erfindung. Die anrcgendr- Strahlung trifft in einem spitzen Winkel auf die Oberfläche des Halbleiterbauelementes und die

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erzeugte Strahlung verlässt das Halbleiterbauelement auf des sea Vorderseite ;

Fig. <i eine perspektivische Darstellung deii luminessier enden

Halbleiter bauelementes, bei welchem die aktive Schicht aus verschiedenen eindiffundierten Bereichen besteht, die auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers schachbrettartig angeordnet ist;

Fig. 3A,

3B und 3C eine schematische Darstellung der Bandstruktur von Halbleiterkristallen, wobei Fig. 3 einen undotierten Kristall, Fig. 3B einen durch Dotierung N-leitend und Fig. 3C einen durch Dotierung P-leitend gemachten Kristall zeigt;

Fig. 4 eine idealisierte graphische Darstellung zur Erläuterung

der Tatsache, daß das Emissionsspektrum der aktiven Schicht und das Absorptionsspektrum der inaktiven Schicht des lumineszenten Halbleiterbauelementes im wesentlichen bei verschiedenen Wellenlängen auftreten, wobei die Absorption im wesentlichen höheren Energien, d. h. grösseren Wellenlängen zugeordnet ist, als dies für die Emission der Fall ist;

Fig. 5A

und 5B weitere Ausführungsbeispieie des Erfindungsgedankens.

Fig. 5A zeigt ein lumineszentes Halbleiterbauelement mit einer aus zwei Schichten aufgebauten aktiven Schicht und Fig. 5B eine graphische Darstellung des Energieverlustes des auftreffenden Elektronenstrahles in Abhängigkeit der Eindringtiefe;

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-b-

Big. 6A

und 6 EJ ein weiteres Aus£iihrung;;beispiel des Erfindungs-

ge linktui:», wobei die aktive Schicht in Fig. 6A eine kontinuierliche Änderung ihrer Zusammensetzung erf'thtrt und die Fig. 6B den Molenbruch eines Konstituenten der iktiven Schicht in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche der aktiven. Schicht zeigt;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Apparatur, wie

sie zur Durchführung der Züchtung von Halbleiterbauelementen nach der Lehre der Erfindung aus der flüssigen Phase benutzt werden kann;

Fig. 8 eine etwas idealisierte graphische Darstellung zur

Erläuterung der Abhängigkeit des prozentualen Anteiles von AI As in einer Schicht aus Ga^ Al As bei der

I-x χ

Züchtung in der in Fig. 7 dargestellten Apparatur in Abhängigkeit von der Kühlrate und

Fig. 9 eine etwas idealisierte graphische Darstellung des

prozentualen Anteils von Al As innerhalb einer Schicht von Ga Al As, wie sie in der in Fig. 7 dargestellten Apparatur gezüchtet werden kann in Abhängigkeit von dem Abstand von der Oberfläche der Schicht für zwei verschiedene Kühlraten.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren beschrieben.

Fig. IA zeigt ein schematisches Diagramm einer Elektronenstrahl quelle 10, deren Elektronenstrahl 12 auf das lumineszierende HaIb-

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BAD ORtGfNAL

leiterbauelcment 14 gerichtet ist. Die Kiek ti on en strahl quelle 10 ruht auf der oberen hori7lmtale.n Wand 11-2 der Kammer 1 1-■ I A . Diese obere Wand ist herausnehmbar angeordnet, vei fchliesf-t jedoch während des Betriebes die Hauptl ammei I]· IA valuumdicht, wobei fur Befestigung die Klammern 11-3, 11-4 dienen. Die Kammer 11-lA, in der sich das lumineszierende Halbleitei bauelement 14 befindet, wild übei die Rohrleitung 11 -'5 mittels der Vakuumpumpe 11-6 evakuiert. Das¹ lumineszierende Halbleiterbauelement 14 ruht auf einer Platte 11-7A, welche gle.ich7-e.ilig Kühl zwo c] en dient und mit dem Dui chbrueh 11-18 im Zentralbei eich vergehen ist, durch welche die in dem Halbleiterbauelement 14 erzeugte ReI ombination:?- stiahlung hindurch 7u treten veimag. Diese Trägei- und Kühlplatte 11-7A ruht auf einem Rahmen innerhalb dei Kammei I]-IA und taucht hierbei in ein Kühlmittelbad 11-9A inneihalb des Behälters 11-10. Das Kühlmittel 11-9A₁ z. B. flüssige·! Stickstoff von 77° K gelangt dui ch die Rohrleitung 11-11 in den Behältei und verlässt diesen durch ein Rohr 11-12. Die Kammei 1 I-1A besitzt ein transparentes Fenster 11-13 durch welches die. Rckomhinntionsstrahluug If-A₁ die Kammei verlässt.

Das Iumincs7.iei ende Halbleiterbauelement 14 trägt auf der Obei seile die Schicht 18 und auf der Uücr-soito die.Schicht 20. Die Obei fläche 24 der Schicht 18 besitzt die Fähigkeit, in Wechselwii kung mit du eindringenden Stiahlung zu treten, und das gleiche gilt für die Oh< ι fläche 22 dei inaktiven Schicht 20, wobei die Strahlung 16 rwisclun den genannten Oberflächen 22 und 24 hin und her leileltiert wird und hieibei an Intensität uininiml. Wie es von der Konstitution von optischen Sendern her bekannt ist, wird eine ι eileklierende Spiegelfläche an dei Fläche 24A und eine teilweife ti an; -pai ente Schicht 22A an dei Oberfläche 22 der inaktiven Schicht 20 angebracht.. Die in der ersten Schicht 18 erzeugte und ggf. ". eiter verstärkte Rekombinationj'slrahhuiß H:A durehdiiiigl die ; weite Schicht 20 und gelangt durch die Oberfläche 22 des Körper:- 20 nach aus son.

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BAO ORIG'MAL

Der Elektronenstrahl 12 wird von der Elektronenkanone 27 erzeugt, wobei die Ablenkung des Elektronenstrahles in der X-Richtung durch die Elektroden 28A und 28B und in der Y-Richtung durch die Elektroden 3OA und 30B gesteuert werden. Diese sind über die Steuerleitungen 32 und 34 mit dem Strahlsteuerungsgerät 35 verbunden. Durch geeignete Steuerung über die Steuerleitungen 32 und 34 wird der Elektronenstrahl 12 auf bestimmte Punkte der Oberfläche 24 der Schicht 18 des Halbleiterbauelementes 14 gerichtet.

Fig. IB zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere für den Betrieb mit höherer Energie geeignet ist. Das Halbleiterbauelement 14 ruht auf der massiven Wärmesenke 11-17B, welche ihrerseits unmittelbar an die reflektierende Bedeckung 24B grenzt und zu dieser einen guten Wärmeübergang aufweist. Das Wärmebad 11-7B besitzt ebenfalls einen guten Wärmeübergang zu der unteren Fläche der Wärmesenke 11-7B. Bei der genannten

Anordnung und bei Einfall der anregenden Strahlung in einem spitzen Winkel auf die Oberfläche des lumines zier enden Halbleiterbauelementes 14 wird die erzeugte Strahlung von dessen oberer Fläche geliefert. Infolgedessen ist in Fig. IB die Abdeckschicht 24B vollständig und die an der Oberfläche befindliche Abdeckschicht nur teilweise reflektierend ausgebildet.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 14 mit einer speziellen aktiven Schicht 18, die aus den eindiffundierten Bereichen 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 besteht. Dieses Diffusionsmuster kann unter Benutzung konventioneller Diffusions- und Maskierungsveriahren erzeugt werden.

Im Falle der Benutzung eines Elektronenstrahles zur Lumineszensanregung wird der als Pumpquelle wirkende Elektronenstrahl durch eine. Elektronenkanone 10, wie sie in Fig. IA gezeigt ist, erzeugt. Die Elektronen treffen auf das Halbleiterbauelement 14 auf und erzeugen

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BADORIGiNAt

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hierbei Elektronen-Defektelektronenpaare in einem Bereich, der als aktive Schicht bezeichnet wird und in der Nähe der Oberfläche 24 des Halbleiterbauelementes liegt. Das Material der vorderen Schicht 18 des Elementes 14 besitzt eine Dickenabmessung, die vergleichbar mit der Dicke der aktiven Schicht ist und welche eine solche Zusammensetzung besitzt,, daß die Wellenlänge des emittierten Lichtes 16 nur schwach in der zweiten bzw. in der Substratechicht 20 absorbiert wird,. Das in der aktiven Schicht 18 durch strahlende Rekombination der Elektronen- und Defektelektronen erzeugte Licht besitzt die Eigenschaften des in den bekannten optischen Sendern erzeugten Lichtes, soferr». die Anregung bzw. die Verstärkung stark genug ist« Zue E'rzisiu&g einer derartigen Lichtverstärkung innerhalb der aktiven. Zone 18 sind geeignete Maßnahmen zur Rückkopplung vorzusehen. Eine Möglichkeit der Rückkopplung besteht in der Anbringung von reflektierenden Flächen an der Vorderseite und an der Rückseite des in Fig. 1 mit 22 und 24 bezeichneten Halbleiterbauelementes. Die in der Regel sich ausbildende Schwingungsmode parallel zur aktiven Schicht wird durch Maßnahmen unterdrückt, die zur Reduzierung der Rückkopplung s wirkung in dieser Richtung geeignet sind. Eine derartige Herabsetzung der Rückkopplung kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die seitlichen Grenzflächen des Halbleiterbauelementes 14 aufgerauht oder antiparallel geführt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, diese mit nicht reflektierenden Schichten 26 und 28 zu bedecken.

Eine weitere Möglichkeit zur Herabsetzung der Rückkoppiungswirkung in Richtung parallel zur aktiven Schicht ist in der Fig. 2 erläutert, in der inselartige Bereiche aus aktivem Material innerhalb der Oberfläche angeordnet sind, die voneinander getrennt sind durch Bereiche, die materialmässig die gleiche Zusammensetzung besitzen, wie das Substrat. In diesem Falle muss der anregende

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Strahl auf einen dieser inselartigen aktiven Bereiche auftreffen, beispielsweise auf den Bereich 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 und nicht auf einen der dazwischen liegenden nicht aktiven Bereiche, um die Wirkung des optischen Senders hervorzurufen.

Die Benützung eines Elektronenstrahles zu Anregungszwecken setzt normalerweise Drucke in der Grössenordnung von 10 Tor oder weniger voraus, Dieser Druck wird erzeugt und aufrechterhalten mit dem Vakuumsystem 11-6,, welches durch den Rohrstutzen 11-5 an die Vakuumkammer 11-1 angeschlossen ist. Die Elektronenkanone 10 kann nötigenfalls mit einem eigenen Vakuumsystem ausgerüstet werden, sofern dies erforderlich ist.

Die jeweilige Ausbildung der au verwendendem Wärmesenke hängt ab von dem mittleren Energieniveau, welchem erwünscht ist. Soll als Umgebungstemperatur eine von d^f-r Raumtemperatur abweichende Temperatur benutzt werden,, so ist eine geeignete Temperatursteuerung vorzusehen, was in bekannter Weise etwa durch sin Kühlmittelbad in Verbindung mit einer Wärmesenke 11-7A geschehen kann. In besonderen Fällen kann als Kühlmittelbad flüssiger Stickstoff für den Betrieb bei 77 K vorgesehen werden. Für niedrige durchschnittliche Energiexiiveaus kann eine geeignete Wärmequelle erhalten werden durch Einbau des Halbleiterbauelementes 14 in gutem thermischem Kontakt mit einer ringförmigen Auflage, die unter der Bezeichnung 11-7A in Fig. IA gezeigt ist. Für höhere mittlere Energieniveaus ist eine andersartige Anordnung nach Fig. IB vorzusehen. Hier befindet sich eine massive Wärmesenke 11-7B auf einer" Seite in gutem thermischem Kontakt mit dem Halbleiterbauelement ΙΆ. Der Elektronenstrahl 12 trifft in einem spitzen Winkel auf die Oberfläche der Schicht 18 auf und die Lichtausstrahlung erfolgt an der oberen Seite des Halbleiterbauelementes 14. Der Austritt des Lichtes aus der Vakuumkammer erfolgt entweder durch einen Auslaß oder er wird unter Zuhilfenahme von einem oder mehreren Spiegele a\ Verbindung mit

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einer Auelaßöffnung in konventioneller Weise realisiert, was in der Figur nicht dargestellt ist.

Die Materialien für die in den Fig. IA und IB gezeigten reflektierenden Schichten 22A und 24B sind nach den jeweils vorliegenden Umständen in geeigneter Weise auszuwählen. Wird eine Konfiguration entsprechend der Fig. IA benutzt, so ist die Schicht24A eine gut reflektierende Schicht, während die Schicht 22A ebenfalls eine Schicht mit guter Reflexion sein kann, aber nicht sein muss. Insbesondere kann auch die Schicht E2A völlig fehlen und die Oberfläche des Materials kann ohne jegliche zusätzliche Schicht bleiben. Im Falle der Konfiguration nach Fig. IB sollte die Schicht 24B zwischen der zweiten Schicht 20 des Halbleiterbauelementes und der Wärmesenke 11-7B eine total reflektierende Schicht sein, welche sich in gutem thermischen Kontakt mit dem lumineszierenden Halbleiterbauelement 14 und der Wärmesenke 11-7B befindet. Die Schicht 22B auf der Vorderfläche des Halbleiterbauelementes kann entweder gute oder weniger gute Reflexion aufweisen, was im einzelnen von dem jeweils benutzten optischen System abhängt. Es kann aber auch eine natürliche Oberfläche ohne irgendeine zusätzliche Hilfsschicht benutzt werden. Die materielle Zusammensetzung und die Funktion derartiger Schichten zur Sicherstellung bestimmter gewünschter Reflexionseigenschaften sind aus der Technik der optischen Sender weitgehend bekannt.

Im folgenden seien nunmehr die physikalischen Prinzipien der Arbeitsweise erläutert, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, wobei die Diagramme in den Fig. 3A, 3B, 3C und 4 zugrunde gelegt werden. Fig. 3A zeigt einen Halbleiter kristall mit der zugehörigen Energiebandsts".!ktur, die der Einfachheit halber in den Halbleiterkörpern eingezeichnet sind. Die vertikale Achse verläuft in Richtung steigender Elektronenenergien E. Die Bandstruktur umfasst im Falle der Eigenleitung, wie aus Fig. IA ersichtlich, das Valenzband 104,

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ein verbotenes Band 106 und das Leitungsband 108. Das Ferminiveau φ liegt innerhalb des verbotenen Bandes. Der Bandabstand, welcher das verbotene Band charakterisiert, ist durch eine beiderseits mit Pfeilen versehenen Strecke W bezeichnet. Der in Fig. 3B dargestellte Halbleiterkristall ist stark mit einer Donatorstörstellensubstanz dotiert, wodurch sich insgesamt ein N-leitender Halbleiterkörper ergibt. Als Folge von Donator stör stell en innerhalb des Halbleiterkristallgitters sind in der Nähe der Kante des Leitungsbandes Donatorniveaus verfügbar und das Ferminiveau φ , ist in Richtung auf das Leitungsband etwas angehoben. Der andere Fall des stark mit Akzeptorstörstellen dotierten Halbleiterkörpers ist in der Fig. 3C

veranschaulicht, bei welchem es sich um einen P-leitenden Halbleiterkörper handelt. Hier sieht man zusätzlich zu der in Fig· 3A dargestellten, für Eigenleitung geltenden Bandstruktur Akzeptorniveaus in der Gegend der Valenzbandkante wiedergegeben. Das Ferminiveau ist in diesem Falle etwas mehr an die: Valnenzbandkante herangerückt.

Der effektive Energiebandabstand, für welche die Absorptionskante oder das Maximum der spontanen Emission 120 (Fig. 4) ein gewisses Maß darstellen, kann bei einem dotierten Halbleiterkörper grosser oder kleiner als der Energiebandabstand des gleichen Halbleiterkörpers im undotierten Zustand sein. Im Falle von III-IV-HaIb-

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leiterkörpern neigen Akzeptor störstellen dazu, (bis etwa 10 Atome/cm

den effektiven Energiebandabstand zu verkleinern, insbesondere, wenn sie durch Donatorstörstellen teilweise kompensiert sind und unkompensierte Donator stör stellen tendieren dahin, den effektiven Bandabstand zu vergrössern. Ein erstes Halbleitermaterial mit einem kleinen Energiebandabstand als ein zweites Material weist entsprechend den Bandkanten eine Rekombinationsstrahlung auf, die eine grössere Wellenlänge besitzen, als dies für das zweite Material der "Fall ist.

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Fig. 4 zeigt ein Emissionspektrvun 120 der aktiven Schicht 18, welches weitgehend ausserhalb des Absorptionsspektrums 122 der inaktiven Schicht 20 liegen sollte. Im einzelnen ist die Lage der Absorption und Emission eines Halbleiterkristalles bestimmt durch die Verteilung der Energieniveaus im Leitungs- und Valenzband. Für einen P-leitenden Halbleiterkristall, wie er in Fig. 3C gezeigt ist, erfährt die Zustandsdichte in der Nähe der Valenzbandkante eine Modifikation durch die Akzeptorniveaus, wobei sich eine schwanzartige Verteilung der Zustandsdichten für die Akzeptorniveaus ergibt, welche in Richtung auf die Mitte des verbotenen Bandes 106 zu abnimmt und manchmal in die Zustände des Valenzbandes 104 übergeht. Werden durch Anregung von aussen in dem Halbleiterkristall Elektronen-Defektelektronenpaare erzeugt, so besitzt die hierbei durch Rekombination erzeugte Strahlung ein Maximum, dessen Lage abhängt von der Energiebandbreite des Materials und von der Verteilung der Störstellenniveaus. Das Emissionsmaximum wird bei wachsenden Akzeptorkonzentrationen in Richtung längerer Wellenlängen verschoben.

Die Absorptionseigenschaften des Materials werden ebenfalls bestimmt durch die Energiebandbreite und durch die Verteilung der Störstellenniveaus. Für einen N-leitenden Halbleiter kann die Absorpitonskante in Anwesenheit einer hohen Nettostörstellenkonzentration in Richtung auf höhere Energien zu verschoben werden, was aus der Verschiebung des Ferminiveaus zum Leitungsband hin resultiert. Ist daher die erste Schicht 18 der Fig. IA in ausreichender Weise mit Akzeptorma-

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terial dotiert (Nettoakzeptorkonzentration etwa 1 . 10 bis 3 . 10 Atome/cm ) und ist das Substrat 20 der Fig. IA N-leitendes Material

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mit einer Nettodonatorkonzentration von etwa 1. 10 bis 4 . 10

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Atome/cm , so wird die in der P-leitenden Schicht sich einstellende Emission 120 bei grösseren Wellenlängen stattfinden, als das für die starke Absorption 122 in der N-leitenden Schicht der Fall ist, wobei beide Kurven in der Fig. 4 zu finden sind. Eine weitere Möglichkeit Docket YO 9-68-012

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zur Verrückung des Emissionsmaximums in der ersten Schicht 18 in Richtung zu grösseren Wellenlängen im Vergleich mit den wesentlichen Absorptions vor gangen in der zweiten Schicht 20 besteht darin, die chemische Zusammensetzung der beiden Schichten in geeigneter Weise so zu wählen, daß der Energiebandabstand in der ersten Schicht kleiner ist als derjenige in der zweiten Schicht. Die Differenz der Energiebandabstände sollte ungefähr gleich oder grosser sein als die Linienbreite des emittierten Lichts, welche in typischer Weise in der Grössenordnung von 20-100 m eV liegt. Eine derartige Variation bezüglich des Energiebandabstandes kann leicht erhalten werden durch Variation des Molenbruchverhältnisses der Substanz

Ga, Al As. Variiert χ von 0 bis 0,4, so wächst der Energieband-1-x, χ

abstand von 1, 4 eV bis etwa 1, 9 eV. Eine Änderung von χ um etwa 0, 1 führt zu einer Energiebandabstandsänderung in der Gröss enordnung von 100-125 meV.

Trifft ein Elektronenstrahl oder ein Lichtstrahl auf die Oberfläche des lumineszenten Halbleiterbauelementes, so wird ein Teil der Strahlungsenergie als Anregungsenergie bei der Anregung der Elektronen umgesetzt. Diese gehen hierbei vom Valenzband in das Leitungsband mit den in den Fig. 3A und 3B und 3C dargestellten verschiedenen Fällen über. Die Dickenabmessung der Schicht, in der Elektronen-Defektelektronenpaare erzeugt werden, hängt ab von der Eindringtiefe des anregenden Strahles. Für einen Elektronenstrahl bewegt sich die Dicke der aktiven Schicht von etwa 1 oder 2 ,u für Elektronen mit niedriger kinetischer Energie (etwa 30 keV bis etv/a 20 oder 30 ,u für den Fall, daß die Elektronen hohe Energien von etwa 100 bis 150 keV besitzen.

Im Falle von optischer Anregung ist die Dicke der Schicht 18 der Fig. IA etwa gleich dem reziproken Wert der Absorptionskonstante für das anregende Licht. Dieser Wert liegt bei typischen Fällen, bei denen das Licht stark absorbiert wird etwa in de. C'össenordnung

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von 1 .u.

Der Grad der Anregung des Systems hängt ab von der Pumprate. Hiermit ist die Rate gemeint, mit der die Energie von der anregenden Quelle 10 nachgeliefert wird. Für beträchtlich hohe Pumpraten besitzt die Halbleiter schicht 18 eine Besetzungsinversion, d.h. einige von den bei der Rekombination von Elektronen mit Defektelektronen erzeugte Photonen in der aktiven Schicht werden verstärkt. Sorgt' man für eine ausreichende Rückkopplung, beispielsweise durch Einbau der reflektierenden Schichten 22A und 24A in Fig. IA, so führt dieser Verstärkungsvorgang zur stimulierten Emission von kohärentem Licht, d. h. die Anordnung wirkt als optischer Sender.

Ist, wie in Fig. IA angenommen wird, die Richtung der entstehenden kohärenten Strahlung senkrecht zu der aktiven Schicht, so ist es wichtig, die Verluste infolge von Absorption des ausgestrahlten Lichtes im Substrat 20 so klein wie möglich zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man für die vordere Schicht 18 der Anordnung eine andere Zusammensetzung wählt, als es für das Substrat der Fall ist. Hierbei wird man die Wahl derart treffen, daß das emittierte Licht eine grössere Wellenlänge besitzt, als es der Absorptionskante im Substratmaterial entspricht. Ein optimaler Effekt kann erreicht werden, wenn die vordere Schicht 18 etwa die gleiche Dicke besitzt, wie die oben erwähnte aktive Schicht. Wie man sieht, hängt die optimale Dickenabmessung von der Art und von der Energie der anregenden Strahlung ab. In praxi wird man für den Fall der Anregung durch Elektronenstrahlen der vorderen Schicht 18 eine Dicke geben, welche etwa gleich ist der bekannten Eindringtiefe des Elektronenstrahles und anschliessend wird man die Energie des Elektronenstrahles in geeigneter Weise ändern, bis man ein optimales Resultat erhält.

Zur Erreichung der oben beschriebenen Effekte kann für die vordere Docket YO 9-68-012 009813/1074

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Schicht eine Reihe von verschiedenen Zusammensetzungen gewählt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Akzeptor, vorzugsweise Zink in das N-leitende Halbleitermaterial, beispielsweise Gallium-Arsenid einzudiffundieren. Die Dicke dieser Schicht ist bestimmt durch die Temperatur und durch die Dauer des Diffusions Vorganges. Z. B. ergibt sich eine 5 ,u dicke Schicht durch Eindiffundieren des Materials von einer Zinkarsenquelle (ZnAs ). Bezüglich der Zinkdiffusion in Galliumarsenid sei verwiesen auf einen Artikel in dem "IBM-Journal of Research and Development¹¹, Band 12, 1968, S. 270 von J. C. Marinace et al. In der Regel wird das System in 10 Minuten auf 840 C aufgeheizt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Dickere oder dünnere Schichten erhält man durch geeignete Änderung der benutzten Zeiten bzw. Temperaturen. Das mittlere Dotierungsniveau innerhalb der aktiven Schicht 18 liegt vorzugsweise

18 18 3

im Bereich 2 . 10 bis 6 . 10 Atomkern . Diffusionen durch eine Siliziumdioxydschicht oder durch andere Diffusionsmasken ergeben eine Reduzierung der Oberflächenkonzentration und die benutzten Zeiten bzw. Temperaturen müssen abgeändert werden, um die erwünschte Tiefe der Schicht 18 zu erhalten. Die Zinkdiffusion wirkt sich dahingehend aus, daß der effektive'Bandabstand der vorderen Schicht 18 herabgesetzt wird im Vergleich zu demjenigen des N-leitenden Substrates 20, woraus sich etwa die relative Lage der in Fig. 4 dargestellten Emissions- und Absorptionsverläufe ergibt.

Andererseits besteht die Möglichkeit, die vordere Schicht 18 durch Züchten aus der Lösung zu gewinnen. Z. B. kann eine Galliumarsenidechicht gezüchtet werden auf einer Ga, , Al As-Schicht.

1-x χ

Weiterhin kann sowohl die vordere Schicht 18 als auch das Substrat

aus Ga., _x Al As bestehen, jedoch muss die vordere Schicht einen (1-x)

geringen Molenbruch an Aluminium aufweisen. Die Variation des Molenbruchs von Aluminium kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die normale Variation des Molenbruchs während des Züchtens aus der Lösung auszunutzen, wel-

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ehe aus der'Verdünnung der Aluminiumkonzentration in der Schmelze resultiert. Eine zweite Methode besteht darin, die Kühlrate während des Züchtprozesses zu variieren, wie dies aus den Fig. 8 und 9 hervorgeht. Eine weitere Technik besteht darin, Sauerstoff während des Züchtprozesses einwirken zu lassen. Die geeignete Stör Stellenkonzentration an der Oberfläche der Schicht 18 wird in empirischer Weise gewählt, um die in dieser Schicht erhaltene Strahlungs aus gangs- · energie zu optimieren. Die Konzentration kann in typischer Weise

1 ft *

von der Grössenordnung von einigen 10 Donatoren oder Akzeptoren/cm" sein.

Wie im folgenden beschrieben, bestehen einige Möglichkeiten der Modifikation des Erfindungsgedankens. Zunächst kann eine andere Struktur für das Halbleiterbauelement 14 gewählt werden, als dies in den Fig. IA, IB und 2 dargestellt ist. Bei einer solchen in Fig. 5A dargestellten Modifikation ist die vordere Schicht in zwei Bereiche aufgeteilt, die in der genannten Figur mit 130 und 132 bezeichnet sind. Zur Funktionsfähigkeit dieser Struktur ist es erforderlich, daß der effektive Bandabstand in Richtung von Schicht 130 zu Schicht 132 und weiter zum Substrat 134 anwächst. Die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung macht Gebrauch von dem bekannten Energieverlust eines Elektronen strahle s beim Durchdringen eines festen Körpers. Diese Abhängigkeit ist schematisch in Fig. 5B dargestellt und im Einzelnen in verschiedenen Literatur stellen über die Physik der Quantenelektronik dargestellt. Der Energieverlust steigt zunächst mit wachsendem Abstand von der Oberfläche leicht an, erreicht dann ein breites Maximum bei einer für das jeweilige Material charakteristischen Tiefe und fällt dann mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche stark ab. Beim Betrieb von Bauelementen mit einer mehrfachen Schicht auf der Oberseite, wie eines in Fig. 5A gezeigt ist, wird zweckmässigerweise die Energie des Elektronenstrahles 12 mit Hilfe der Strahlsteuervorrichtung 35 in der Weise variiert, daß der Hauptenergieverlust entweder in der Schicht 130, d.h. für Elektronenstrah-

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len mit höherer Energie stattfindet. Im ersten Fall wird das in der Schicht 130 erzeugte Licht nicht in den Schichten 132 und 134 absorbiert, weil diese einen grösseren Energiebandabstand besitzen. Im zweiten Fall wird das Licht hauptsächlich in der Schicht 132 erzeugt und die Schicht 130 wird in ausreichender Weise durch den Elektronenstrahl angeregt, so daß keine starken Absorptionsvorgänge auftreten. Die reflektierenden Schichten 22A und 24A werden in geeigneter Weise gewählt, wie das in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. IA und IB erläutert wurde.

Eine weitere Modifikation der Erfindung ist in der Fig. 6A dargestellt, bei welcher die vordere Schicht eine kontinuierliche Änderung bezüglich ihrer Zusammensetzung aufweist, so daß der Energiebandabstand in kontinuierlicher Weise mit dem Abstand von der Oberfläche anwächst. Bei einer derartigen Konfiguration besteht die Möglichkeit, bei anwachsender Energie des Elektronenstrahls 12 den Bereich des maximalen Energieverlustes weiter und weiter von der Oberfläche der Schicht 140 zu lokalisieren mit dem Resultat, daß das Maximum der emittierten Strahlung durch Energieänderung des Elektronenstrahles sozusagen abgestimmt werden kann. In Fig. 6A besteht an der Grenze 142 zwischen der oberen Schicht 140 und dem Substrat 144 eine Diskontinuität, jedoch braucht dies nicht unbedingt der Fall zu sein. Die Struktur 6A kann am besten realisiert werden durch Benutzung epitaktischer Aufwachsvorgänge aus der flüssigen Phase, wobei als Material Ga, Al As gewählt wird. Die Substrat-

1-x χ

Schicht 114 wird zunächst unter Benutzung einer geringfügigen Kühlrate gezüchtet und die Schicht 140 mit variabler Zusammensetzung wird dann bei erhöhter Kühlrate aufgezüchtet, wodurch sich ein reduzierter Molenbruch von Aluminium in der gezüchteten Substanz ergibt. Die Änderung des Molenbruchs in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche der Schicht 140 ist schematisch in der graphischen Darstellung der Fig. 6B gezeigt.

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Die verschiedenen Strukturen der Lumineszensvorrichtung, wie sie in den Fig. IA, IB, 2, 5A und 6A gezeigt sind, besitzen jeweils planare Oberflächen. Diese Oberfläche kann jedoch Krümmungen aufweisen. Eine Emission von kohärenter Strahlung nach dem Prinzip des optischen Senders vorwiegend senkrecht zur Oberfläche kann realisiert werden, wenn die vorderen und die hinteren Oberflächen zumindest ens innerhalb von Teilbereichen zueinander parallel verlaufen. Günstig wirkt sich auch der Gebrauch der Strukturen nach Fig. IA, IB, 2", 5A und 6A aus, wenn die Wirkung eines optischen Senders als β öl ehe nicht erreicht werden soll, da eine Reduzierung der Verluste, die durch diese Strukturen möglich ist, auch für die spontane Emission von Licht vorteilhaft ist.

Die im Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung der Erfindung erwähnte Anregung des lumeszierenden Halbleiterbauelementes 14 durch einen Elektronenstrahl besitzt eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere lassen sich hohe mittlere Energieniveaus erreichen, eine Änderung der Eindringtiefe der anregenden Elektronen kann relativ leicht durchgeführt werden, was auch für die Realisierung der Ablenkung des anregenden Strahles innerhalb einer zweidimensionalen Mannigfaltigkeit gilt. Andererseits besteht auch die Möglichkeit zur Anregung des lumineszenten Halbleiterbauelementes einen Lichtstrahl 12 zu benutzen, der von der Strahlungquelle 10 geliefert wird und in einem Bereich von der Grössenordnung 1 oder 2 .u Tiefe innerhalb des lumineszenten Festkörperelementes 14 absorbiert wird, sofern die benutzte Strahlung eine Photonenenergie besitzt, die höher ist, als es dem Energiebandabstand der oberen Schicht 18 des Halbleiter bauelementes entspricht. Die lumines zierende Halbleiterbauelement entweder entsprechend Fig. IA oder Fig. IB sind bequem im Gebrauch. Die vordere Schicht 18 besitzt eine Dicke, die in der Grössenordnung von 1 oder 2 ,u liegt. Für die in den Fig. 5A und 6A gezeigten Strukturen lässt sich die erforderliche Eindringtiefe für das Licht nicht so leicht realisieren, da hierbei die erforderliche Lichtintensität sehr Docket YO 9-68-012

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hoch wird.

Es wurden zwar Galliumarsenid und Ga, Al As in Verbindung

1-x χ °

mit den beschriebenen prinzipiellen Ausführungsbeispielen als Materialien für die lumineszierenden Halbleiterbauelemente 14 in den Fig. IA, IB, 2, 5A und 6 benutzt, jedoch sind auch andere Materialien brauchbar. Wird insbesondere der Effekt des optischen Senders angestrebt und wird die variable Material-Zusammensetzung des lumineszierenden Halbleiterbauelementes durch Dotieren bewerkstelligt, dann ist jeder Halbleiterkörper mit direktem Bandabstand an sich brauchbar, z.B. HI-V oder IV-VI Verbindungshalbleiter. Wird die Änderung der Zusammensetzung durch eine ternäre Legierung bewerkstelligt, dann können als derartige Verbindungen III-V, H-VI oderIV- VI- Verbindungen benutzt werden. Soll mit den lumineezenten Halbleiterbauelementen mehr eine spontane als eine stimulierte Emission realisiert werden, so können auch Materialien mit indirektem Energiebandabstand angewendet werden.

Obwohl in der Literatur über Halbleitertechnik eingehend über epitaktische Züchtung von Halbleitern aus der flüssigen Phase berichtet wird, sei im folgenden noch einiges über diese Kristallzüchtungstechnik gesagt, wie sie zur Herstellung von Halbleiterkörpern zur Realisierung des Erfindungsgedankens benutzt werden können.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Apparatur, wie sie zur epitaktischen Züchtung von Halbleiterkristallen aus der flüssigen Phase benutzt werden können. Die Figur zeigt die Quarzkammer 150, in welcher die kristallinen Halbleiter bzw. Verbindungshalbleiter in zweckmässiger Weise gezüchtet werden können. Zum Einlass eines internen Gases welches während der einzelnen Verfahrens schritte der Kristallzüchtung benutzt wird, ist die Eingangsöffnung 152 in dem Quarzgefäß vorgesehen. Das Gas verlässt nach Ablauf der vorgesehenen Reaktionen in dem Gefäß dieses durch die Ausgangsöffnung 154. Docket YO 9-68-012

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Ein Schiffchen 156 aus Aluminiumoxyd (Al 0 ) ist auf dem Boden des Quarzgefäßes 150 angebracht. Die Elemente der ternären Verbindung, z.B. Galium, Aluminium und Arsen, werden als flüssige Substanzen im Gleichgewicht bei einer gegebenen Temperatur in das Schiffchen eingegeben. Mittels einer Wärmequelle wird die flüssige Phase 158 aufgeheizt. Die ebenfalls zum Zwecke der Abkühlung der flüssigen Phase 158 vorgesehenen Wärmesenken sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Ein rohrförmiger elektrischer Ofen mit Temperatursteuerung kann zur Heizung des Gefäßes benutzt werden. Ein Quarzrohr 160 wird durch die obere öffnung 162 in die Quarzkammer 150 eingeführt und ist an seinem oberen Ende mit einer entfernbaren Kappe 164 versehen. Das Quarzrohr 160 ist mittels der Kupplung mit einer Verlängerung 166 aus Graphit ausgestattet. Diese besitzt einen rohrförmigen Teil 168, welcher in die Kupplung 165 eingefügt ist. Das Rohr I68 besitzt eine seitliche öffnung 170, welche unmittelbar über der Oberfläche der flüssigen Phase 158 mündet. Der Verlängerungsteil I66 aus Graphit ist so bearbeitet, daß er nach unten zu in einen flacheren Teil 172 ausmündet, auf welchem ein Festkörpersubstrat, z.B. eine einkristalline Galiumarsenidschicht 174 mittels der Klemmschraube I76 befestigt ist. Nach Durchführung der Züchtung des gewünschten, ·

für den Gebrauch als lumineszierendes Halbleiterbauelement 14 geeigneten Halbleiterkörper wird das Galiumarsenidsubstrat 164 entfernt und in bekannter Weise weiter verarbeitet.

Als Schiffchen I56 empfiehlt es sich ein Material zu verwenden, welches nicht mit den Komponenten der flüssigen Phase 158 chemisch reagiert bei den Temperaturen, bei welchen der Züchtungsprozess der kristallinen Verbindung durchgeführt wird. Ein geeigneter Druck eines inerten Gases 151 wird durch die Einlaßöffnung 152 eingegeben und dieser Druck innerhalb des Reaktionsgefäßes ISO aufrechterhalten. Hierdurch wird die Dampfbildung von hochflüchtigen Komponenten innerhalb der flüssigen Phase 998 sowie eine Reihe

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von unerwünschten Reaktionen mit Verunreinigungskomponenten innerhalb der Flüssigkeit I58 verhindert.

Bekannte geeignete inerte Gase sind beispielsweise Argon und Helium. Ein anderes bezüglich der flüssigen Phase inertes Gas ist z.B. eine sehr reine Mischung aus 10$ Hp und

Zur Züchtung einer Schicht aus GaZ₁ __\A1 As wird das Schiffchen 156 mit den Komponenten Ga, A1 und As zur Herstellung einer geeigneten flüssigen Phase, die bei einer gegebenen Temperatur sich im Gleichgewicht befindet, gefüllt. Hierbei werden z.B. folgende Mengen benutzt : 20 gr Ga, 0,055 gr Al sowie im Überschuß reines Galiumarsenid, beispielsweise 5,5 gr Galiumarsenid. Wenn erforderlich, wird eine Störstellensubstanz eines bestimmten Leitfähigkeitstyps in einer definierten Konzentration in die Flüssigkeit I58 eingebracht, beispielweise kann man zur Erzeugung von N-leitenden Halbleiterkörpern die aus den vorstehenden Komponenten bestehen, 0,005 gr Tellur in die Flüssigkeit I58 eingeben. Das Schiffchen 156 v/ird in die Kammer 15O durch eine öffnung eingebracht, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. ■

Das Quarzrohr I60 und der Graphitteil I66 werden mittels der Kupplung I67 miteinander verbunden und das Substrat 174· aus Galiumarsenid so angebracht, daß die freie Fläche senkrecht auf der (100)-Kristallrichtung steht und dann das ganze in das Reaktionsgefäß eingeführt. Das Gefäß I50 wird mit inertem Gas I5I gespult und dann wird ein geeigneter Druck in dem Reaktionsgefäß eingestellt und aufrecht erhalten. In einem Ausführungsbeispiel- wird zur Erhitzung der flüssigen Phase 158 das gesamte Reaktionsrohr I50 in einen isothermen Ofen eingebracht, welcher auf eine bestimmte Temperatur eingestellt wird, die für.die Gleichgewichtseinstellung der flüssigen Phase I58 geeignet ist, beispielsweise auf eine Temperatur von 96O⁰C. Nunmehr überlässt man die Kristallzüchtapparatur eine genügend

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lange Zeit zur Einstellung des Gleichgewichtes der flüssigen Phase sich selbst, wozu beispielsweise eine Zeit von 5 Minuten ausreichend ist. Das Substrat 17^ wird dann in die flüssige Phase 150 eingetaucht und wiederum die Gleichgewichtseinstellung zwischen der flüssigen Phase I58 bei der Arbeitstemperatur abgewartet. Es hat sich als praktisch erwiesen« die Temperatur der flüssigen Phase I58 leicht zu senken« bevor das Substrat 17^ in die Flüssigkeit eingebracht wird, wobei diese Temperaturherabsetzung etwa günstigerweise bis zu 20⁰C gewählt wird, um nach Einführung des Substrats die Temperatur wieder etwas anzuheben, beispielsweise um 10⁰C, so daß die Temperatur, bei welcher der Züchtprozess beginnt, auf einem bestimmten Punkt, beispielsweise auf 59°C festgelegt ist. Durch den Temperaturanstieg von etwa 10⁰C wird eine gute Benetzung des Galiumarsenidsubstrates mit der Schmelze sichergestellt. Für eine gleichförmige Zusammensetzung der gezüchteten Schicht von Ga₁ Al As auf dem Substrat 17^ ist eine spezielle Kühlrate auszuwählen, beispielsweise eine solche von 0,5° C - 1,0⁰C pro Minute und der Kühlvorgang bei der genannten Rate ist fortzusetzen bis die gewünschte Schichtdicke des kristallinen Verbindungshalbleiters erreicht ist.

Wünscht man im Rahmen des Züchtprozesses einen PN-Halbleiterübergang in die zu züchtende Schicht einzubauen, so wird die oben genannte flüssige Phase mit einer. Störstellensubstanz des betreffenden Leitungstyps versetzt, beispielsweise mit 0*005 gr Tellur. Nachdem man die spezielle Dicke bei dem weiteren Züchtvorgang erzielt hat, wird abgekühlt, beispielsweise von 950° C auf 915⁰C, dann wird der Kühlvorgang abgebrochen und nunmehr wird eine bestimmte Menge eines Dotierungsmittels zur Erreichung von P-Leitfähigkeit, beispielsweise Zink, in die Flüssigkeit eingegeben. Dies geschieht durch Abnahme der Kappe 164 und unter Benutzung der Bohrung 160, wobei die einzugebende Substanz durch die öffnung 170 in die flüssige Phase 166 gelangt. Anschliessend wird die Temperatur der flüssigen Phase 156 erhöht und eine genügend

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lange Zeit, beispielsweise 5 Minuten, zur Erreichung des Gleichgewichtszustandes der flüssigen Phase 15Ö abgewartet. Anschliessend wird der Kühlprozess mit der ursprünglich gewählten Kühlrate fortgesetzt, und bei Erreichen der gewünschten Schichtdicke abgebrochen. Dies geschieht zweckmässigerweise bei einer Temperatur von 860⁰C.

Durch plötzliches Erhöhen der Kühlrate über den Wert der ursprünglich benutzten Rate hinaus, wie sie im Vorstehenden für eine Schicht Ga,.,* ^ Al As mit gleichförmiger Zusammen-

p -x; χ ο /

Setzung angegeben wurde, d.h. für Werte grosser als 10 C/min wird bei einem epitaktischen Aufwachsen aus der flüssigen Phase im wesentlichen reines Galiumarsenid niedergeschlagen, so daß man auf diese Weise in der Lage ist, eine Heterojunction aus Ga/. » Al As und Galiumarsenid zu züchten.

Die Fig. 8 und 9 stellen idealisierte graphische Darstellungen dar. In Fig. 8 besitzt der prozentuale Anteil von Aluminium und Arsen in einer flüssigen, mit Galium, Aluminium und Arsen im Gleichgewicht stehenden Lösung in Abhängigkeit von der Kühlrate einen Bereich in dem diese Abhängigkeit im wesentlichen horizontal für eine im Gleichgewicht erfolgte Abkühlung verläuft. Die Kurve besitzt fernerhin einen Bereich der einen linearen Abfall in Abhängigkeit von der Kühlrate zeigt. In der Fig. 9 ist der Prozentsatz von Aluminium und Arsen in einer flüssigen Lösung im Gleichgewicht bei einer gegebenen Temperatur aufgetragen gegen den Abstand von der Fläche, an welcher der Züchtprozess auf dem Substrat begonnen wurde. Es sind zwei verschiedene Niveaus der in Fig. 9 idealisiert dargestellten Kurve ersichtlich. Für eine langsamere Kühlrate ergibt sich ein höherer prozentualer Anteil von Aluminiumarsen in der gezüchteten Schicht und für eine schnellere Kühlrate ist ein geringerer Prozentsatz Aluminiuir.arsen in der gezüchteten Schicht ersichtlich.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   ) Lumineszierendes Halbleiterbauelement mit im wesentlichen flächenhafter Ausdehnung und mit hauptsächlich in Richtung seiner Dickenererstreckung erfolgenden Aussendung der erzeugten Rekombinationsstrahlung,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß für den aktiven Bereich des Halbleiterkörpers, in den die Anregung der Ladungsträger bzw. die Erzeugung der Rekombinationsstrahlung stattfindet, ein Halbleitermaterial mit geringerem Energiebandabstand gewählt wird, als dies für den restlichen inaktiven Bereich des Halbleiterkörpers der Fall ist, derart, daß die durch Absorption in in aktivem Bereich hervorgerufenen Verluste stark herabgesetzt sind,
2. 2. Lumineszierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Energiebandabstand der aktiven Schicht in einem Abstand von der Oberfläche, der etwa der Eindringtiefe der anregenden Strahlung entspricht, unstetig ändert.
3. 3. Lumineszierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Energiebandabstand mindestens der aktiven Schicht in Richtung seiner Dickenerstreckung stetig ändert.
4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht aus mindestens zwei Schichten mit voneinander verschiedenem Energiebandabstand besteht.
5. 5. Lumineszierendes Halbleiterbauelement nach den An-Docket YO 9-68-012 009813/1074

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   Sprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Ladungsträger des Halbleiterbauelementes durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl bewirkt wird.
6. 6. Lumineszierendes Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Ladungsträger des Halbleiterbauelementes mit Hilfe der Bestrahlung von Lichtstrahlen bewirkt wird.
7. 7. Lumineszierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung ein Elektronenstrahl der Energie von J>Q keV bis I50 keV benutzt wird.
8. 8. Lumineszentes Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung tier erzeugten Rekombinationsstrahlung bzw. zur Sr-.zielung der Wirkung eines optischen Senders beide Oberflächen des Halbleiterbauelementes mit mindestens teilweise reflektierenden Schichten versehen werden.
9. 9. Lumineszentes Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 7i dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der erzeugten Rekombinationsstrahlung bzw. zur Erzielung der Wirkungsweise eines optischen Senders beide Oberflächen des Halbleiterbauelementes mit Antireflexionsbelägen versehen sind und sie zur Verstärkung erforderlichen Reflexionen mittels einer äusseren Spiegelanordnung bewerkstelligt wird.
10. 10. Lumineszierendes Halbleiterbauelement nach den An-

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    Sprüchen 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebandunterschiede innerhalb des Halbleiterkörpers durch Einbau von Störstellen in diesen
    vorgenommen wird.
11. 11. LumineszenEes Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das für den Halbleiterkörper verwendete Material durch
    Züchtung aus der flüssigen Phase gewonnen wird und aus dem Halbleitermaterial Ga₁ Al As besteht,
    wobei für die erste aktive Schicht die Grosse χ Werte zwischen 0 und 0,4,für die zweite inaktive Schicht Werte > 0,4 einnimmt. ' ·
12. 12. Lumineszentes Halbleiterbauelement nach den

    Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Anpassung der anregenden Strahlung an die jeweilige Diskontinuität in der aktiven Schicht bzw. die Einjustierung auf optimale Absorptionsverluste durch Änderung der Energie des anregenden Strahles vorgenommen wird.

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