DE1932130A1 - Elektrolumineszentes Bauelement - Google Patents
Elektrolumineszentes BauelementInfo
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Description
Western Electrio Company Incorporated Logan 12-6-3
Neu York 7. N.Y-. 1QOO7. V.St.A.
Sie Erfindung besieht sioh auf ein elefctroluminessentes
Bauelement Bit einen Galliumphosphid-Ktistall, der Stiokstoff-Einfangsentren
im Kristallgitter enthält und eine
p-leitende sowie eine η-leitende Zone aufweist, die einen
pn-übergang bilden.
Die rasch zunehmende Entwicklung auf zahlreichen Anwendungsgebieten,
bei welchen eine optische Bildwiedergabe oder Anzeige erforderlich ist, beispielsweise auf den Gebiet
der elektronischen Rechner und der Nachrichtenübertragung,
führte zu einer Suche nach neuen lichtemittierenden Bauelementen, die sich durch lange Lebensdauer,
intensive Leuchtkraft, Betriebszuverlässigkeit und Einfachheit auszeichnen. AuSerdem ist es wünschenswert, dafl
diese Bauelemente bei niedrigen Spannungen und Strömen betrieben werden können.
In neuerer Zeit hat die Klasse von Übergang-Bauelementen
groSes Interesse erfahren, die als *isoel©ktroisieche Binfangsentren"
bekannte Stellen zeigen, welche als Strahlende Zentren wirken, um dadurch Lumineszenz auf das Anlegen
einer Stromflufi erzeugenden Spannung hin zu erzeugen.
Ia Hahmen von Vermutungen über die genaue Natur
dieser Binfangzentxaß wurde angenommen, daß diese durch
y -
909801/1121
ein Element gebildet »erden, das für. ein anderes derselben
Spalte des periodischen Systems im Kristallgitter substituiert ist. Obgleich ein auf diese Weise gebildetes Zentrum keine resultierende ladung besitzt,
erzeugt es einen Sitter-Defekt, der löcher und Elektronen anzieht. Ein solcherart von diesem Zentrum angezogenes
Loch und Elektron rekombinieren und erzeugen dabei Strahlung. Ein Beispiel eines isoelektronischen Einfangzentrum-Material
ist mit Stickstoff dotiertes Galliumphosphid, in welchem der Stickstoff den Phosphor im Kristallgitter isoelektronisch substituiert und dadurch Einfangszentren
erzeugt, von welchen sowohl Löcher als auch Elektronen angezogen weiden. Daher erzeuger! gewiete Verbindungen, weiiri sie. mit geeigneten Donator-ur.d Akzep'or-Dotier
st offen dotiert siiul, bei ZiBiinertejnptiftuj grtu e
Lumineszenz auf das Anlegen einiger Toltgleichspannung ?
an den Übergang hin und zeichnen eich durch lange Lebensdauer
und Betriebssuverlässigkeit aus.
Bei einer elektroluaineszenten pn-Übergangsdiode der beschriebenen Klasse ändert sich der Gesamtstrom mit
exp qV/nkT, wobei q. die Ladung bedeutet, ferner 7 die
Vorspannung, k die Boltzmann Kostante, T die absolute
Temperatur und η eine Konstante Mit dem ungefähren Wert
von 2. Andererseits ändert sich das emittierte Licht mit exp
Der Injektionsstrom, der den Betrag dee emittierten
9 0 9 8 81/112« BAB original
Lichtes bestimmt, ist nur ein kleiner Bruchteil des
Gesamt Stroms. Dieses bedeutet, daß das meiste des Stroms
für den strahlenden Prozeß durch nichtstrahlende Rekombinationen
verloren geht» Diese nichtstrahlenden Rekombinationen
finden an "Auslöschungszentren" im pn-übergang
statt und äußern sich in einer Reduzierung des für den Prozeß der strahlenden Rekombination verfügbaren
Stroms.
Es nurde entgegen Theorie und Praxis nun gefunden, daß
eine Erhöhung der Dotierstoffkonzentration des Donators, der beispielsweise Tellur oder Selen sein kann, eine
starke Abnahme des Lichtemissionsirirkungsgrades ergibt.
Dieses wird dem Umstand angeschrieben, daß zusätzliche
Donator-Atome zusätzliche Auslöschungszentren in-einem
größeren Ausmaß als das Ausmaß der Zunahme des Injektionsstroms erzeugen. Andererseits nurde nun gefunden, daß die
Verwendung von Schiefe! als der Donator-Dotierstoff zu
einer Erzeugung von Auffldsohußgszentren führt, die zumindest
eine Größenordnung kleiner ist, als für Tellur
oder Selen.
Demgemäß ist ein elektroluminsszentes Bauelement mit einem
ßalliumphosphid-Kristall, der Stickstoff-Einfangzentren
im Kristallgitter enhält und eine p-leitende sowie eine
η-leitende Zone aufweist, die einen pjä-übergang bilden,
erfindungsgeaäfi dadurch gekennzeichnet, daß die n-lei-
tende Zone Schwefel in ©iner Konzentration enthält,
9098817 1 121
die zum Erzeugen eines Überschusses an Donatoren gegen-
1 fi 17
über Akzeptoren im Bereich von 5 x 10 bis 2 χ 10 'cwT
ausreichend ist.
Es wurde ermittelt, daß, wenn der Schwefeldotierungsgrad
so ist» daß die Anzahl der Donatoratome weniger der Anzahl der Akzeptoratome im vorstehend erwähnten Bereich
liegt» außergewöhnlich hohe Wirkungsgrade erhältlich sind, Obgleich die Wirkungsgrade kleiner als für vergleichbare
rotlichtemittierende Dioden sind, M die Empfindlichkeit
des menschlichen Auges gegenüber Grünlicht annähernd
das Dreißigfache der Empfindlichkeit gegenüber Rotlicht?
folglich ist die Helligkeit der "grünen" Mode mit der
von roten Dioden vergleichbar und bei niedrigen Schwefelkonzentrationen
sogar noch größer als bei roten Dioden.·
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung werden
pn-ttbergangs-GaP-Diöden hergestellt» durch ein Verfahren, nach welchem eine Schicht aus stickstoffdotierte», sinkdotiertem
GaP auf einer schwefeldotierten GaP-Unterläge
epitaktisch aufwachsen gelassen wirdi Die Schwefelkonzentration
wird wünsehenswerterweise niedrig und innerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs gehalten. Wach
Anlegen einer geeigneten Spannung, beispielsweise 2 Volt, emittiert die Diode Grünlichtaus der η-Zone mit einem
Wirkungsgrad, der zumindest eine Größenordnung größer ist als bei ähnlichen Dioden, die entweder Selen oder Tellur
als das Dotiermittel verwenden. Auf diese Weise herge-
90 9881/1126
stellte Dioden «eigen zunehmenden Wirkungsgrad mit zunehmendem Strom bis auf zumindest ein lapIre ohne Sättigung.
einzelnen erläutert! es zeigent
Pig. 1 eine sohematisohe Ansicht eines erfindungsgemäs-8en elektrolumineszenten Bauelementes und
Pig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des
Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Dotieritoffkonzentration in ge* a sen elektrolumineszenBauelementen.
Pig. 1 zeigt ein einfaches elektrolumineszentes Bauelement mit einem pn-übergang, das lioht im grünen Bereich
des Spektrums emittiert, beispielsweise ein bei der Wellenlänge 5650 % zentriertes Band bei Zimmertemperatur mit einer Band-Halbwertsbreite von etwa 150 2.
Das Bauelement 11 der Pig. 1 weist einen öalliumphosphid-Eristall auf, der zum Erhalt einer η-Leitung mit
Sohwefel dotiert ist. Eine p-leitende Schicht 13 mit
Stickstoffdotiertem, zinkdotiertem Galliumphosphid ist
auf dem Kristall 12, vorzugsweise im Wege epitaktisohen
Waohstums niedergeschlagen, wodurch ein pn-übergang 14
gebildet ist.
• . ORJQiNALiNSPECTED
9Q9811/112· —*- —
Elektrische Kontakte 16 und 17 zu den ρ und η-Zonen können
aus jedem geeigneten Material, z.B. aus einer Gold-Zink-Legierung oder aus Zinn, hergestellt. Eine Spannungsquelle
18, die schematisch als Batterie dargestellt ist, ist für einen Betrieb des Bauelementes 11 in Durchlassrichtung an
die Kontakte 16 und 17 über einen variablen Widerstand angeschlossen, der seinerseits zur Steuerung der zugeführten Vorspannung dient.
Beim Betrieb, wenn eine ausreichend« Spannung, beispielsweise 2 oder 3 Volt an das Bauelement 11 angelegt wird,
emittiert dieses Grünlicht. Entsprechend der vorliegenden Theorie wird angenommen, daß Elektronen von der n-Zone 12 durch den Übergang 14 hindurch in die Stickstof f dotiert e p-Zone geschwemmt werden, wo sie an den
isoelektronischen Einfangszentren zusammen mit den in der p-Zone vorhandenen Löchern eingefangen werden. Die
solcherart eingefangenen Löcher und Elektronen rekombinieren zur Erzeugung von Grünlicht. Nur ein kleiner Teil
des von der angelegten Spannung erzeugten Gesamtstroms wird bei dem strahlenden Etkombinationsprozess ausgenutzt, während der Best durch nichtstrahlende Rekombination von Elektronen und Löchern an den Ausllechungssentren im Ubergangsbereioh vernichtet wird. Es wurde
gefunden, daS Anstrengungen zur Erhöhung des Injektionsetroms mit Hilfe einer erhöhten Donator-Dotierung, die
JLuelöechungB»«ntr«n mit *ln«r noch gr9fl«r«j3 öeschwindig-
909*817112$
keit anwachsen läßt, so daß der Wirkungsgrad tatsächlich
reduziert, statt wie früher angenommen erhöht wird. In Fig. 2 ist ein Diagramm dee Elektrolumineszenz-Wirkungsgrades
in Abhängigkeit von der Differenz von Donat"or- und Akzeptorkonzentration dargestellt.
Man sieht, daß eine Schwefel-Dotierung wesentlich höhere Wirkungsgrade für jede Donator-Konzentration im
Vergleich zu Tellur liefert, und daß der Wirkungsgrad
mit zunehmenden Dönatorlsonzentrationen viel langsamer
abfällt als im Falle einer Dotierung mit Tellur. Obgleich nicht dargestellt, verhält sich Selen recht
ähnlich wie Tellur. Maximale Wirkungsgrade für eine Schwefeldotierung treten entsprechend dem Diagramm
nach Fig. 2 bei einer Schwefel-Donatorüberschusskonzentration von etwa 5 x 10 bis 2x10 ' cm"^ auf. Mit
■ - . es
gegenwärtigen Methoden ist/äußerst schwierig, Schwefel-
1 6 —^5
Konzentrationen von weniger als 5 χ 10 cm zu erreichen,
obgleich die Annahme vernünftig erscheint, daß hiermit sogar noch höhere Wirkungsgrade erreicht werden könnten.
Die Messungen !für das Diagramm der Fig. 2 erfolgten bei
5 Milliamplre Gresamtstrom. Erhöhter Strom ändert nicht die Form der Kurven, sondern schiebt diese lediglich nach
oben, um den erhöhten Gesamtwirkungsgrad wiederzugeben.
Es wurde daher eine Methode zum Erzeugen von Dioden der
in Fig. 1 dargestellten Art «it den optimalen Schwefelkonzentrationen
entwickelt, uk den in.JIg. 2 dargestell-
909881/112$ : .
- g. - ■
ten maximalen wirkungsgrad zu erhalten.
Das Bauelement 11 wird durch. Züchten eines schwefeldotierten
Galliumphosphid-Kristalls wie folgt hergestellt. Etwa 50 Gramm Gallium werden in ein chemisch reines
und entgastes Quarzgefäß eingeführt, das dann auf 10 Torr evakuiert wird, während es eine Stunde lang auf
1000° 0 erhitzt wird. Fünf Gramm GaP und 100 Mikrogramm
Ga2S, werden dann in das Gefäß eingeführt, das
dann erneut auf 10 Torr evakuiert und abgeschmoizen wird. Nach dem Abschmelzen wird das Gefäß in einen Ofen
verbracht und auf 1200° C sechs Stunden lang oder bis
Gleichgewicht erhalten wird, erhitzt. Sodann wird das Ganze mit 30° 0 pro Stunde auf Zimmertemperatur abgekühlt,
wonach das Gefäß geöffnet und die gewachsenen · Galliumphosphid-Kristalle, die mit 1017cm""3 Schwefel
dotiert sind, von dem Gallium durch Eintauchen in BNO, abgetrennt werden. Die Schwefelkonzentration wird
innerhalb der vorstehend erwähnten Grenzen geändert durch entsprechende Änderung der dem fefäS zugegebenen AaS--Menge.
Der so erzeugte Kristall, der η-leitend ist, enthält gleichfalls eine Stickstoffrestdotierung, und die
Eigenschaften können verbessert werden, wenn kontrollierte Stickstoffmengen zugegeben werden.
Der Galliumphosphidkristall wird dann auf den (,11I)-KUL-cheß
eben poliert, geätzt und gereinigt und dann in ein Kipp-Schiffchen verbracht, so daß eine Ihosphor-909881/1126
9 . 193213Q
Piaehe exponiert ist. Am anderen Ende des Schiffohens
«erden 2 Grama Gallium und 0,2 Gram» Galiuumphosphid angeordnet,
wonach, damn das Schiffchen in den sich, auf
Zimmertemperatur befindlichen feil eines Temperaturgradient
-Of ens verbracht wird. Der Ofen wird mit einer durchströmenden Gasaischung aus H« und NH, beaufschlagt,
und ein Zink enthaltendes Schiffchen wird stromaufwarte
von Kipp-Schiffchen im 60Q°C~Bereich. des Ofens angeordnet.
Das RLppschiffchen wird dann in den 900°G-Bereich,
des Ofens bewegt, wo das Zink mit dem Gallium in dem
Kipp-Sehiffchen reagiert. Das Kipp-Schiffchen wird dann auf etwa 1040° C angehoben r während das Gallium» das
Galliumphosphid, das Zink und das NH, einen Gleichgewicht
saustand erreichen, um N-dotiertes, Zn-dotiertes Galliumphosphid zu erzeugen, das in der Galliualgsuag aufgelöst
ist. Die Zinkdotierung ist so, daß eine Äkaeptorkonzentration
von annähernd 5 x 10 cm J erzeugt wird.
Das Schiffchen wird dann gekippt, so daß die Galliumlösung auf den ächweftldotierten GaUiumphospfeid-Kristall
aufflieSt. Zu diesem Zeitpunkt ^ird die Temperatur
leicht angehoben, beispielsweise u® 1 oder 2°, um die
Oberfläche des Kristalls %\λ bejsstsen. Der Ofen «irö dann
auf 900° C im Verlauf vsm 15 Ms 30 Minuten abgekühlt, wonach,
dann das Schiffchen sum kaXtsn öfenend© gesolioben
. Das Sciäiff eitsja ^Ird dann aus d©a Cf en aatn©i«Ben und
j4-l©iteM®p'G©liwefelä©tiert© ©alliuapäQSßMdkristall,
eiis© ©fitsktiseä aufgsraaeliseae, ©in@a Üfeorgang bildenp«=>8@Msät
at'ifgeistg wtvä entfernt, Der Kristall
dann in luft bei 625° C eine halbe Stunde lang zur Verbesserung
des Urkungsgrades warn behandelt.
Die so erzeugte Diode wird dann auf Größe geschnitten,
poliert und leontaktiert.
Die beschriebene Methode ist ein zuverlässiger Weg zum Erhalt gleichförmig dotierter Salliumphosphid-Dioden.
Soweit die Erfindung auf andere Materialien, die andere elektrolumineszente Diodentypen bilden, angewandt werden
kann, können sich gewisse der vorstehenden öoaritte in
Abnängigkeit aer speziellen Materialien etwas änaern. Das Verfanren ermöglicht einen hohen Genauigkeitsgraa der
Kontrolle über die Schwefeldotierung zum Erhalt eines
optimalen Wirkungsgrades, und zwar unabhängig von den betroffenen Material-Typen.
Aus dem Obigen ist auch für den Fachmann ersichtlich, daß das Züchten einer schwefeldotierten Schicht auf einer
zinkdotierten Unterlage zu den gleichen Ergebnissen führen wird, wie diese hier beschrieben sind.
9 0 9 8 8 1/112 6
Claims (2)
- - 11 Patentansprücheί 1.] Elektrolumineszentes Bauelement mit eine» Galliumpho sphi dkri st all, der Sticfcstoff-Einfangzentren im Kristallgitter enthält und eine p-leitende sowie eine η-leitende Zone aufweist, die einen pn-übergang bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitende Zone (12) Schwefel in einer Konzentration enthält, die zum Erzeugen eines Überschusses an Donatoren gegenüber Akzeptoren im Bereich von 5x10 bis17 —3
2 x 10 cm ausreichend ist. - 2. Verfahren zum Herstellen des Bauelementes nach Anspruch 1, zur Verwendung bei Zimmertemperatur durch Erhitzen von Gallium, Galliumphosphid und Galliuasulfid in einem evakuierten Gefäß bei etwa 1200° C, bis Gleichgewicht erreicht ist, durch anschließendes Abkühlen mit etwa 30° C pro Stunde auf Zimmertemperatur und Abtrennen der entstandenen n-leitenden Galliumphosphidkristalle, durch Polieren der (111)-Kristallflachen und durch epitaktisches Züchten einer p-leitenden SBbLcht auf einer Phosphor-.Fläche des Kristalls durch Erhitzung in einer Mischung von H« und HH-, gefolgt von einer Warmbehandlung bei etwa 625° 0 in luft, dadurch gekennzeichnet, daß das Gallium, das Galliumphosphid und das Galliumsulfid im Verhältnis von annähernd 10 ti 5 zu 100 χ 10 vorhanden sind. '909881/112 6Leerseite
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