DE2018318A1 - Elektrolumineszente Einrichtung - Google Patents

Description

Western Electric Comp. Ine. New Toric, N. T. ,10007 /USA

A 31 671

Elektrolumineszente Einrichtung

Bed bestimmten Abwandlungen in der Auslegung einer eine Infrarotstrahlung emittierenden GaAs-Diode ergibt sich bei Beschichtung mit eines Phosphor zur Umwandlung dieser Emission in im sichtbaren Spektralbereich liegende Strahlung eine gesteigerte Lichtausbeute. Biese Auslegungsabwandlungen umfassen form·* und abmessungsmässige Überlegungen zur Verminderung der inneren Reflexion und Absorption der infraroten Strahlungsemission innerhalb der Diode sowie abmessungsmässige und zusammensetzungsmässige Überlegungen in Anwendung auf die Beschichtung zur Reduzierung von Streuverlusten sowie zur Verminderung der inneren Reflexion von deren Strahlungsemission·

A.usf^rl^che

Die Erfindung betrifft elektrolumineszente Einrichtungen, bei denen eine Strahlung im sichtbaren Spektralbereich aus der Umwandlung infraroter Strahlungsemission entsteht·

Derzeit sind zwei verschiedene Gruppen von elektrolumineszenten Einrichtungen vom Grenzflächentyp bekannt, Die erste dieser Gruppen verwendet eine Galliumphophid-Grenzflächendiode. Bei richtiger Dotierung und Vorspannung emittiert diese Diode unmittelbar sichtbares Licht. Die wirksamste dieser Einrichtungen emittiert bei einer im roten Spektralbereich liegenden Wellenlänge von 69OO %,

Die zweite Gruppe von Einrichtungen umfaßt eine nach vorn vorgespannte, ■it Silizium dotierte Galliumarseniddiode. Der Wirkungsgrad der inneren

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Emission in einer solchen Einriehtuag ist um eine Größenordnung höher »le dsrjeaige der besten GaP-Einriefeiang .. Ungünstigerweise liegt indessen diese Emission im infraroten Vfellenlängenfee-reich. Eine früher entwickelte* Einrichtung verwendet eiae GaAs-Biode ait einer Beschichtung, die einen (die Strahlu&gsfrequenz) nach oben umwandelnden Phos-

3+ 3+ p'hor ussfnsst* liae solelis Bescfeiclitiiiig enthält Yb und Er in eiaer

MiM*' τ 4 η „ * ^ridcvild. Dieses Material wandelt die infrarote Strafe» ι in ' 1 '"r c"< brro Euircloa sacJs einssa schrittweisen Vorgang t ι- -.τ riic-'Ti^. siaseäließt (Mswsilea als "Sekundär«

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^Λ\\Ί j- I '% ~ woe-i iel· GrcnzflächenbereicJi auf einen aentralea ^r .dl ¹ } . - lii cariti de? Falbl Hgel beschränkt ist. Sine solche Struktur -9rgab eine ¥srbe®serte äußere Infraroteasissioa.

Die isit deas aa«h oben umwandelnde» Phosphor beschichteten halbkjugelförjeigert Sisrichtungea sseigea auch einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad« Diese Yerbesserung ergibt sich aus der gleichen Reduzierung der inneren Reflexion infraroter Stralilungsemission sowie der damit verbun dene» Redusiorung des Absorptionsverlustee vor der Umwandlung. Der mit einer ia sichtbaren grünen Spektralbereich emittierenden Diode von die sem Aufbau erasielbare Wirkungegrad schneidet beim Vergleich mit den be ate-a, GaP-Eiarichtungen günstig ab. Jedoch wurde bisher der postulierte Wirkungsgrad auf der Basis des gemessenen Phosphorumwandlungawirkungsgradsa sowie der erwarteten Infrarotemisslon nicht erreicht.

Strukturelle und zueaameneetsungsmäßige Abwandlungesn ergeben bei An-

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Wendungen auf beschichtete Galliumarsenid-Grenzflächendioden einen verbesserten Geeamtwifkungsgrad für die Emission sichtbarer Strahlung.

Erfindungsgemäß wird ein solcher verbesserter Wirkungsgrad in einer elektrolumineszenten Einrichtung mit einer infrarot emittierenden Diode aus einem Material mit einer hohen Absorption für deren eigene Emission zusammen mit einem Phosphor zur Umwandlung der Infrarotemission in Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erzielt, wenn folgende Merkmale vorgesehen Bind: Ein Teil, welcher durch einen Halbkugelschnitt annäherbar ist, durch den Infrarotstrahlung übertragbar ist und von dem ein zentral liegender Teil der Basis eine p-n-Halbleitergrenzflache aufnimmt, eine solche Auslegung der relativen Abmessungen der Halbkugel sowie der Grenzfläche * daß der numerische Wert des Verhältnisses r./r, gleich tg (sin" Hj/nJ ist, wobei r. der Radius der Grenzfläche, r, der Radius der Halbkugel, n₂ der Brechungsindex des Phosphors und n,j der Brechungsindex des Halbleiters sind, eine solche Ausbildung der Annäherung an eine Kugel, daß die gekrümmte Fläche im wesentlichen völlig konvex ist und 75 % der Fläche sich in einem radialen Abstand von +, 30 % von r, befinden, und eine solche Herstellung der Annäherung an eine kreisförmige Grenzfläche, daß ein Maximum von 35 % des Grenzflächenbereiches außer- . halb des Kreisbereiches liegt, welcher durch einen zentral liegenden Kreis vom Radius r. definiert ist, und ein Maximum von 35 % des Bereiches innerhalb des Kreises nicht von der Grenzfläche belegt wird.

Verschiedene strukturelle Abwandlungen machen davon Gebrauch, daß eine Fehlanpassung in dem Brechungsindex zwischen dem Halbleitermaterial sowie dem Phosphorumwandlungsmaterial geringer als bei einer Halbleiter/Luft-Zwischenfläche ist. Obgleich bestimmte zusätzliche aufbaumäßige Abwandlungen erfindungsgemäß vorgeschlagen werden, weist eine grundsätzliche Abwandlung der Ausbildung auf der Grundlage einer verminderten Fehlanpassung die Form einer Reduzierung .der Kuppenabmessung auf. Die Reduktion der Kuppenabmessung unter optimalen Bedingungen ermöglicht nichtsdestoweniger den Austritt der gleichen Menge an infraroter Strahlung von dem' Galliumarsenid in den Phosphor (im Vergleich zu derjenigen, welche bei einer Halbleiter/Luft-Zwiechenflache übergeht). Da der Umwandlungs-■echanismus auf einem Übergang mit einem Photonenübergang zweiter oder

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höherer Ordnung beruht, hängt die sichtbare abgegebene Intensität von einer quadratischen Funktion oder einer Funktion höherer Ordnung der Intensität der infraroten Beleuchtung ab. Für gegebene Bedingungen wird diese Intensität, wie sich versteht, für die kleinere Kuppenfläche gesteigert, so daß sich im Ergebnis eine wesentliche Verbesserung der Helligkeit der sichtbaren Strahlung ergibt. In einem typischen Fall liegt die Verbesserung für einen einfachen Aufbau gemäß der Erfindung bei einem Faktor von etwa 5·

Andere strukturelle Neuerungen sind für Phosphore mit niedriger Infrarotabsorption für die seitens der Diode emittierte Wellenlänge beschriefc ben; weitere Neuerungen beziehen sich auf die Reduzierung der inneren Reflexion an der Zwischenfläche von Phosphor zu Luft. (Während die im sichtbaren Spektralbereich liegende Phosphoremission typischerweise durch den Phosphor an sich nicht stark absorbiert wird, können reflektierte Strahlen in die Diode verlaufen, wo eine Absorption beachtlich wird.

Erfindungsgemässe Verbesserungen umfassen die Erleichterung der Zwischenflächen-Strahlungsübertragung durch abgestufte dielektrische Schichten. Andere Verbesserungen ergeben reduzierte Streuverluste, sowohl an den Schichtgrenzen als auch innerhalb des teilchenförmigen Materials, und zwar durch Verwendung allgemein amorpher Matrixstoffe mit Brechungsindizes, welche sich denjenigen Teilchen nähern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben eich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Hierin zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen beschichteten Galliumarsenideinrichtung im Schnitt,

Fig. 2 eine Einrichtung ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem zusätzlichen Element zur Steigerung der Strahlungsübertragung an einer ausseren Luftzwischenfläche in einer Darstellung ähnlich Fig. 1,

Fig, J> ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung, welche mit besonderem Vorteil anwendbar ist, wo der Wert

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der Infrarotabsorption innerhalb des Phosphors niedrig ist, in teilweise geschnittener Darstellung.

Die Einrichtung nach Fig. 1 wird zuerst physikalisch beschrieben, wonach die Figur als Grundlage zur Erläuterung von abmessungsmäßigen Überlegungen zur Optimierung des Betriebes dient.

Die Struktur nach Fig. 1 umfaßt eine p-n-Grenzfläche 1 entsprechend einem allgemeinen Zwischenflächenbereich zwischen einer in einer Lösung gewachsenen n-Galliumarsenidschicht 2 sowie einer in einer Lösung gewachsenen p-Galliumarsenidschicht 3· Bine oder beide Schichten sind mit einem Element dotiert, beispielsweise Silizium, gegebenenfalls in Zumischung mit Indium, um den Bandabstand zu verändern und auf diese Weise infrarote Strahlung in der gewünschten Wellenlänge zu erzeugen. Im Betrieb wird die Grenzfläche 1 durch (nicht gezeigte) Bauelemente nach vorn in ihren emittierenden Zustand mit Hilfe einer ringförmigen Kathode k sowie einer Anode 5 vorgespannt. Die auf diese Weise erzeugte infrarote Strahlungsemission verläuft durch das n-Galliumarsenid oder einen anderen im Brechungsindex angepaßten Haterialbereich 6 sowie von dort durch eine Zwischenfläche 7 in eine Phosphorschicht 8, von der ein abgebrochener Teil dargestellt ist. Der Phosphor 8 dient rur Umwandlung der GaAs-Infrarotstrahlung in Strahlung innerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereiches. Eine solche Strahlung verläuft schließlich durch die Außenfläch© der Schicht 8 in die Umgebung oder in ein anderes Medium. Im ersteren Fall kann die Außenfläche der Schicht kuppenförmig gestaltet sein, um eine innere Reflexion der sichtbaren Strahlung zu vermindern.

Eine ine einzelne gehende Beschreibung der Galliumarsenid-Grenzfläche und/oder des Phosphormaterials erscheint im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Der Gesamtwirkungsgrad hinsichtlich der Zusammensetzung der Diode kann indessen verbessert werden, indem der Bandabstand so eingestellt wird, daß eine Emission einer Wellenlänge entsprechend einem stark absorbierenden Bereich innerhalb des Phosphors entsteht. Mit Silizium dotierte GaAs-Dioden emittieren charakteristischerweise bei einer Wellenlänge von etwa 0,93^, während Phosphors, die nunmehr zur Verwendung als Umwandlungestoffe betrachtet werden, charakteristischorweise am stärksten bei einer etwas größeren WeI-

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lenlänge absorbieren, typischerweise im Bereich von 0,9^ bis 0,98 Ji· Es ist bekannt, daß eine ergänzende Dotierung mit Indium die Wellenlänge der Infrarotemission zu steigern vermag ("Physical Review Letters", Band 172, Nr. 3, 15. August I968). Ein entsprechender Bereich für die Zusammensetzung der Diode kann durch die Zusammensetzung Ga In AsSi definiert werden, wobei χ von 0 bis 0,1 läuft. Die Gehalte der Siliziumdotierung sind in der vorangehenden Formel nicht spezifiziert und liegen

19 18 ^5 charakteristischerweise in einem Bereich von 10 bis 10 /cm .

Die Optimierung der Phosphorschicht 8 stellt indessen gewisse Anforderungen an die Zusammensetzung. Hieraus entstehende zusammensetzungsmäßige Überlegungen sind an sich kein Teil der vorliegenden Erfindung, müssen jedoch bei der Gesamtauslegung der Einrichtung in Betracht gezogen werden. Die Phosphorschicht 8 weist, kurz dargelegt, eine Abhängigkeit von einem Übergang zweiter Photonen oder höherer Ordnung auf und umfaßt allgemein zwei Ionen mit geschlossener Kopplung, von denen eines als Sensibilisator (oder absorbierendes Ion) und das andere als Aktivator (oder emittierendes Ion) dienen. Eine Aufwärtsumwandlung von Phos-

phorzusammensetzungen, welche in Verbindung mit Infrarotstrahlung emittierenden Galliumarseniddioden besonders günstig sind, umfassen dreivalentes Xtterbium als Sensibilisator und dreivalentes Erbium als Aktivator. Andere Aktivatoren, welche statt des Erbiums eingebaut werden können, umfassen dreivalente Ionen von Holmium und Thulium. Erbium/Holmium-Gemische können ebenfalls günstig sein.

In Bezug auf Fig. 1 ist es wesentlich, daß der Brechungsindex von Galliumarsenid für infrarote Strahlungsemission der betrachteten Wellenlänge etwa 3»5 beträgt. Dieser mit n. bezeichnete Index ergibt sich aus der Zeichnung. Der Phosphor 8 hat einen Brechungsindex, bezogen auf die

was
gleiche Wellenlänge, von n_?,/einerseits wesentlich geringer als der Brechungsindex für GaAs, andererseits wesentlich größer als der Brechungsindex von Luft ist,,Ein representativer Wert liegt bei etwa 2 und stellt eine vernünftige Annäherung für die meisten bekannten Phosphorstoffe dar, welche für den vorliegenden Zweck in Betracht au ziehen sind. Beispielsweise unter diesen allgemeinen Wert des Brechungsindex fallende Phosphorstoffe sind Lanthanfluorid, Barium/Ytterbium-Halogenide sowie verschiedene gemischte Anionanstoffe, beispielsweise Oxihaloge-

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nide in einem stöchiometrischen Bereich, bei welchem das Verhältnis Halogenid zu Sauerstoff 1 : 1 oder höher liegt. Alle diese Stoffe enthalten, wie sich versteht, Sensibilisator- und Aktivatorionen als Dotierungsmittel, wobei eine oder beide Arten nicht als Teil in der nominellen Zusammensetzung eingeschlossen sind.

Die relativen Abmessungen der Kuppe 6 sowie der Grenzfläche 1 sind in Ausdrucken von Extremaistreblen AB erläutert, da die Richtung dieser Strahlen einen Winkel θ definiert, der gegenüber einer Radialrichtung am meisten divergiert. Wenn diese Strahlen tangential zu der Zwisehenfläche austreten, wird eine innere Reflexion gerade vermieden. Dieser Zustand tritt auf,'wenn θ = n^/n^ ist und wenn folgende Beziehung erfüllt ist:

= tg 9 = tg (sin"¹ -^) (D

^rd ⁿ1

Hierbei ist r . gleich dem Radius der Grenzfläche 1 und r, gleich dem Radius der Kuppe 6.

Gegenwärtig zur Verfugung stehende, im Infrarotbereich emittierende Kuppenstrukturen aus Galliumarsenid sind am wirksamsten hinsichtlich einer Vermeidung innerer Reflexion, wenn r, numerisch zumindest gleich 3,35 r. ist. Die obige Beziehung schreibt,·, wie sich versteht,lediglich ein minimales Verhältnis r./r, vor, da eine weitere relative Steigerung der Kuppenabmessungen zu Grenzstrahlen führt, die sich der radialen Richtung wesentlich dichter annähern. Innerhalb vernünftiger Grenzen kann daher eine Steigerung der Kuppenabmessungen derartiger Infraroteinrichtungen nicht als nachteilig betrachtet werden.

Sowohl der Umwandlungsmechanismus des Phosphors als auch dessen Brechungsindex geben Anlaß zu einer Abweichung von bisher als gültig angesehenen Auslegungskriterien der Infrarotdiode. Der Umwandlungsmechanismue ist, wie bereite bemerkt wurde, so auegelegt, daß sich der Wirkungegrad allgemein mit der zweiten oder einer höheren Ordnung der eingestrahlten Beleuchtungsleietung ändert. Demgemäß ergibt eine

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Miniaturisierung der Kuppe eine weitaus überlineare Verbesserung der Helligkeit (unter Annahme einer konstanten Gesamtbeleuchtung). Da ferner der Brechungsindex des Phosphors größer als derjenige von Luft ist, tritt eine tangentiale übertragung der Extremalstrahlen für kleinere Verhältnisse· Von r ./r, auf. Für einen Phosphor-Brechungsindex ^=S ist das Verhältnis r./r, etwa gleich 1,^5·

Die sich ergebende Verbesserung bei der abgegebenen Leistung (sichtbare Strahlungsleistung) kann aus der Gleichung

A ■ ⁽²>

bestimmt werden, wobei

P_v die Leistung der abgegebenen sichtbaren Strahlungsleistung, P_T die Leistung der anregenden Infrarotemission, welche auf

die GaAs-Phosphorzwischenflache fällt, A den Flächenbereich dieser Zwischenfläche, ' c eine Konstante des Phosphors

darstellen.

P Die Leistung oC , auf welche P_ angehoben wird, hängt von der Art des Vielphotonenübergangs ab. Für die Phosphorstoffe von unmittelbarem Interesse kann sich eine Emission durch einen zweiten Photonenprozeß bei einer im grünen Bereich liegenden Wellenlänge ergeben, oder es kann eine Kombination von Prozessen einschließlich dritter Photonenprozesse in dem roten oder blauen Wellenlängenbereich umfaßt sein. Für einen reinen zweiten Photonenprozeß ist oC numerisch gleich 2 ; dieser Wert wird in dem Rest dieses Beschreibungsabschnittes als gegeben angenommen. Da jedoch derjenige Teil der Umwandlung, welcher von einem dritten Photonenprozeß abhängig ist, hinsichtlich seines Wirkungsgrades wie der Kubus der Leistung P verändert wird, versteht es sich, daß die beschriebene Verbesserung minimal ist und daß eine Abmessungsreduzierung der Kuppe eine noch größere Verbesserung der im sichtbaren Bereich liegenden Helligkeit bis zu dem Ausmaß bietet, bei dem Photonenübergänge von

.. QO9846/ 1 1 23 _ ₉ _

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höherer Ordnung eingeschlossen sind.

Die Beziehung zwischen P^ und V- ergibt sich aus öleichung (2). Für ein Verhältnis*der Werte r ./r, von 1,45 ergibt sich für die Beziehung aus dieser Gleichung die Größe -

Die Verbesserung, welche aus einer Kuppe mit einem Verhältnis r./r_d von 1,^5 iÄ Vergleich mit erhältlichen Infrarotdioden kleinstmöglicher Abmessungen bei Betrachtung der tangentialen Extremalstrahlen entsteht (noch unter der Annahme eines reinen Photonenprozesses .zweiter Ordnung)

2 2*
ergibt sich zu (3,35) /(1,^5) = 5,3. Diese Verbesserung wird bei sonst identischen Abmessungen, Zusammensetzungen und Pumpniveaus erreicht; Unter geeigneten Umständen, wenn die Phosphorschicht 8 nach Fig. 1 im Infrarotbereich stark absorbiert und bei sichtbaren Wellenlängenberei-* chen transparent ist, kann die Schicht von solcher Dicke sein, daß eine wesentliche innere Reflexion von deren sichtbarer Strahlung verhindert wird. Die auslegungsmäßigen Betrachtungen sind ähnlich denjenigen, wie sie für die Extremalstrahlen erläutert wurden, die als tangential zu der Zwischenfläche 7 definiert wurden (da diese in größtem Ausmaß ' von der Radialrichtung abweichen). Für einen Brechungsindex innerhalb des Phosphors von etwa 2 sowie unter Annahme eines umgebenden Brechungsindex von 1 ergibt dies einen Anlass zu einer minimalen Radialschichtdicke des Phosphors von etwa 0,75 - mal dem Radius der Diodenkuppe. Wenn das Phosphorabsorptionsniveau für die betrachtete Infrarotwellenlänge entsprechend ist, (d.h. die Absorption tritt in einer geringeren radialen Dicke als oben erläutert auf), wird eine solche auslegungsmäßige Ausbildung erreicht. Wenn unter anderen Umständen der Phosphor nicht genügend für seine sichtbare Emission transparent ist oder die Infrarotabsorption nicht genügend stark ist, kann es günstig sein, die Struktur gegenüber der GrundauefUhrungsform nach Fig.'1 noch weiter abzuwandeln.

Fig. 2 betrifft den Fall, wenn es auf Grund einer beachtlichen Absorption innerhalb de« Phosphors im sichtbaren Bereich oder au» anderen

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Gründen_t welche wirtschaftliche Betrachtungen einschließen kennen, un<güaetig ist, eine Phosphorechichtdieks der angegebenen Kindestabmeesungen au verwenden. Die gezeigte Struktur umfaßt eine zusätzliche Schicht 15 aus transparentem Material, welche einen Brechungsindex in Annäherung asu demjenigen der Phosphorsehieht 16 aufweist. Innere Teile der Einrichtung sind ähnlich denjenigen nachJfig. 1 und umfassen eine Galliumarsenid-Grenzfläehe 17 aWischen einem η-Bereich 18 sowie einem p-Bereich 19« Diese Grenzfläche ist wiederum mittels einer ringförmigen . Katböd® 20 sowie einer Anode 21 mittels (nicht gezeigter*) Bauelemente nach vorn vorgespanntο Die innere Kuppe 22 kann wiederum aus einem fc m«ieite»dea SalliuBax>s©nidbloek oder anderem' hinsichtlich des BrecSmisgslsdex angepaßten Material bestehen. Eine auf Wunsch zu verwenden·» cle SeMLefet 2.3 siaßerlialb der Oberfläche des Phosphors 16 ist eine ■yisllagige dielektrische Schicht, die bei der Infrarott-Jellenlänge der Bioie stasis s^>@fleliti©£³t_i, jedoch für die sichtbaren Wellenlängen _f wel» ehe voa dem Hiosghor 16 emittiert werden, in hohe» feß transparent ist»

Bio Bieke dos* hinsiefetlieh des Brechungsindess angepaßten Schicht 15 k&nn aui der Basis der in Verbindung alt Fig_o 1 abgeleiteten Beziehungen bereelinot werdexu Die.günstige Mindestdicke für den Phosphor 16 ist diejenige, welöhe sau einer nahesu vollständigen Absorption der infraroten Strahlungsesaission führt«

^w Die Konfiguration nach Fig» 5 wiz*d am günstigsten dort verwendet, wo die Phosphorabsorption für die Diodenemission weich^ist, d.h. dort, wo die Infrarotstrahlung nicht im wesentlichen völlig innerhalb einer Pfaospfeorsefeiclst absorbiert wird* was durch aualegungsmäßige Betrachtungen ia anderer Weise vorgeschrieben sein kann. Allgemein erfolgt bei den anderen bSVorsiigten Strukturen nach der Erfindung die Endemisaion der sichtbaren Strahlung in die Umgebung durch die Außenfläche 36 eines tolbkug@ligen Seiles 30» Dieser Teil, welcher im optimalen Fall zur iaagtntialen Emission der Bxtreaalstrahlen ausgelegt ist," wie in Verbindizag ffiit Figo 1 beschrieben wurde, weist eine» Brechungsindex ataf, welofeey demjenigen des Phosphörteile 3I angepaßt iat. Diaser Phoephorteil 31 Ist a»s sin©? aufwärts' umwaadelnden Zusaaiaensetzuag der gleichen Klasse aufgetjau-fe^ wie sio vQ-rengehend erläutert wurde und dient eur vor-

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gesehenen Funktion der Erzeugung sichtbarer Strahlung aus der durch eine Diode 32 erzeugten Strahlung.

Die Diode 32, welche im einzelnen den Aufbau der Diode gemäß Fig. 1 aufweisen kann, ist wiederum mit einem halbkugeligen Abschnitt 33 versehen, welcher aus einem Galliumarsenidblock oder anderem dem Brechungsindex angepaßten Material bestehen kann. In Gemeinsamkeit mit den halbkugeligen Abschnitten der Figuren 1, 2 sind die relativen radialen Abmessungen der Grenzschichtdiode 32 sowie diejenigen des halbkugeligen Abschnittes 33 in günstiger Weise so ausgebildet, daß eine tangentiale Übertragung der Extremalstrahlen durch die halbkugelige Zwischenfläche 3k in den Phosphor 3-1 erfolgt. Die Struktur nach Fig. 3 unterscheidet eich von den anderen erläuterten Strukturen in der Ausbildung einer reflektierenden Beschichtung 35ι welche für Infrarotstrahlung der Diode 32 sowie auch für die sichtbare Emission des Phosphors 31 reflektierend ist. Die Höhe des Abschnittes 31 ist so gewählt, daß sich im wesentlichen eine völlige Absorption der infraroten Strählungsemission ergibt. Um die infrarote Strahlungsintensität durch den Phosphor.. 31 nahe ihrem Maximalwert an der Fläche 3^ zu halten, soll der Querschnittsbereich des Phosphors 31 so gering wie möglich gehalten werden* Andererseits soll der Querschnittsbereich groß genug und von solcher Form sein, daß eine wesentliche Rückstrahlung in die Kuppe 33 verhindert wird. Die relativen Durchmesser der Zwischenfläche der Teile 31* 30 sowie des halbkugeligen Teiles 30 sind gemäß den vorangehend erläuterten Grundsätzen ideal bestimmt", so daß sich eine extreme Tangentialstrahlübertragung in die Umgebung ergibt, welche die halbkugelige Fläche 36 umgibt. Das Material, auswelchem der Teil 30 zusammengesetzt ist, kann ein "inertes" Material, das hinsichtlich des Brechungsindex dem Phosphor 31 angepaßt ist, oder unter bestimmten Umständen ein Körper aus gleichem Material wie der Teil 31 sein . ,

Die Abmessungen und Konfigurationen wurden vorangehend in Ausdrücken einer optimalen Ausbildung erläutert. Ein beachtlicher Vorteil gegenüber gegenwärtig erhältlichen Strukturen kann noch.gewonnen werden, wenn eine gewisse Breit* zugelassen wird. Mit einer optimalen Kuppe versehene Infrarotstrukturen, welche gegenwärtig zur Verfügung stehen,

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weisen ein Verhältnis r./r, von zumindest 3,35 auf. Für irgendeinen denkbaren aufwärts umwandelnden Festkörperphosphor der erwähnten Art (Photonenübergang.zweiter oder höherer Ordnung) wird ein beachtlicher Vorteil bezüglich des Gesamtwirkungsgrades sowie der Ausgangsintensität für ein Verhältnis von r./r_d von 2,5 oder geringer erzielt. Für einen typischen Phosphor mit einem Brechungsindex von 2 sowie auf der Grundlage einer reinen Zweiphotonen-Umwandlung wird der erzielte Vorteil durch einen Faktor von etwa 3»75 wiedergegeben. Der optimale Fall jedoch ist der, bei welchem die Ausbildung auf den Bedingungen gemäß der Gleichung (2) beruht.

In einem bevorzugten Bereich liegen die strukturellen Abmessungen innerhalb _+ 30 oder +^ 35 % gegenüber denjenigen, welche durch die Gleichung (2) wiedergegeben sind, wie nachfolgend noch erläutert wird, da die Abweichung um einen größeren Wert einen Helligkeitsabfall von etwa 50 % ergibt. (In dem Falle eines größeren Verhältnisses r ./r wird die auffallende Infrarotemission an dem Phosphor so reduziert, daß die Helligkeit im sichtbaren Bereich zumindest wie die zweite Potenz abnimmt. In dem Fall kleinerer Verhältnisse r ./r, wird die innere infrarote Reflexion und begleitende Absorption der Infrarotstrahlung innerhalb der Diode vermindert.

Die vorangehenden Konfigurationen wurden auf der Grundlage regelmässiger geometrischer Formen erläutert, wobei angenommen wurde, daß die Diodengrenzflächen allgemein rund und an zentraler Stelle gelegen sind, während die Kuppen genau halbkugelig sind. Die gleichen Überlegungen, auf welchen die Erfindung beruht, treffen, wie sich versteht, auch für unregelmäßige geometrische Formen zu und können bis zu dem Ausmaß angewendet werden, bis zu dem die irregulären geometrischen Formen die Idealform erreichen. In der kommerziellen Produktion können wirtschaftliche Betrachtungen irreguläre geometrische Formen erfordern. Beispielsweise können halbkugelige Abschnitte einfach hergestellt werden, indem amorphe Stoffe oder zusammengesetzte Stoffe im Grundzustand verfestigt werden, wobei man sich auf die Oberflächenspannung und andere ungenügend gesteuerte Parameter zur Bestimmung der Konfiguration verläßt.

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Die aufgezählten Vorteile ergeben sich für jede konvexe Kuppe, bei welcher die radiale Abmessung für zumindest 75 % der Oberfläche innerhalb von 60 % des auf der Gleichung (2) beruhenden Optimume liegt, Ein bevorzugter Bereich ist für solche irregulären Kuppenfigurationen definiert, bei welchem 75 % der betrachteten gekrümmten Fläche in einem Abstand von ± 30 % von dem Mittelpunkt der Basis der Kuppe abliegt, und zwar beruhend auf dem gleichen optimalen Wert, wie er aus der Gleichung (2) bestimmt wurde. Ein stärker bevorzugter Bereich liegt bei 85 % _+ 15 % vor.

Die gleichen breiten und tß\Orzugten Grenzen gelten für die Außenfläche aufeinanderfolgender Schichten, beispielsweise der Phosphorsels&sbt 8 na«h Fig. 1 sowie der Abschnitte 15, 30 nach Fig. 2 bzw» 3i Eine nachteilige Wirkung der Überschreitung solcher Grenzen wurde allgemein er-*· läutert» Beispielsweise ergibt innerhalb der Kuppen der Halbleiter oder der bezüglich des Brechungsindex angepaßte» Stoffe eine Überschreitung der festgestellten Maxima eine Verminderung der infraroten Strahlungsintensität an dem Phosphor, während die Verwendung kleinerer Abmessungen eine größere innere Beflexion sowie damit zusammenhängend einen Absorptionsverlust an infraroter Strahlung verursacht.

Eine Überschreitung der festgelegten Grenzen bei aufeinanderfolgenden Schichten führt letztlich zu dem gleichen Nachteil« Allgemein eind konvexe Flächen oder Zwischenflächen im Hinblick auf die Erzeugung kleiner Strukturen ausgelegt, welche eine extreme tangentiale Strahle»*· emission ermöglichen. Die Verwendung kleinerer Abmessungen führt zu einer inneren Reflexion und letztlich zu einer Absorption allgemein zwischen Diodenteilen, obgleich solche Verluste bei bestimmten Strukturen vermindert werden können, beispielsweise durch die dielektrische Schicht 23 nach Fig. 2. Eine Überschreitung der Maxima für die konvexen Flächen, sofern es sich nicht um diejenigen der Diods oder des auf die Diode angepaßten Materials handelt, ist nicht so wesentlich, da der Haupteffekt lediglich in der Steigerung des Emisßionsbereicheß liegt. (In diesem Fall liegt kein Helligkeitsverluat zusätzlich zu demjenigen infolge der umgekehrten Abhängigkeit von dem Flächenbereich vor, wie er innerhalb einer Umwandlungsschicht infolge der Abhängigkeit nach

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einer quadratischen Funktion oder Funktion höherer Ordnung erfolgt).·

Wo festgestellt ist, daß die Phoeplio^schichten günstigerweise solche Abmessungen haben, daß sich im wesentlichen eine vollständige Infrarotabsorption ergibt, wie beispielsweise bei dem Teil 51 nach Fig. 3» ist ee als ausreichend au betrachten, wenn zumindest 75 % der Infrarotemission absorbiert t7xrd, welche in diesen Bereich eintritt. Eine Übersehreitung dieser Abmessungen hat allgemein lediglich geringe Folgen, üa oxo Phosphorstoffe der besohriebenen Art allgemein eine geringe Ab- -3ö2⁵?)t.ioa fite⁵ Uwe ©igene sweit© oder höher© Fbetonenemission. aufweisen»

Strukturen wurden hinsichtlich kreisförmiger Dioden» ©r läutert ₀ Praktische Überlegiaagen kBnnen anders formen ο^ίχοΞ'-ώο^ίΐο Sblapielsweiae kann die Verwendung von quadratischen Dioden ur'O'vJaaäisig θοχώ,ο Be:? gelinge Verlust des allg@meia.sa Wirkungsgrades kann βοΐ'ίη,β la Vos^gieiofe zn. den wirtschaftliches. YoFteiXoa "bei der Produktion σοΊϊϊα Sie ttLsfeaagsTOise der Bisäehtung ist für die meisten Zwecke su->i:>:LeclGa8i»oX3.aad_s usna d@r gesamte GreaafXäeh@ab©reicJi derart ausgelegt iets äal&s¹ S^s⁵Oh sis© kreisförmige Grenaflaeiie gemäß Gleichung (2) defiuiieffto BeE¹SiGh ia der folgenden Weise aageaäliert ?iirdi licht mehr als 35 % äoB Greaafläehenbereiches sollte außerhalb des Kreises liegen, und »icat Biete al© 35 % des Bereiches innerhalb des Kreises sollte voa dem Gpeazfläeheabeyeieh frei sein«. Die letztere Grenae ist in vieler Hin- ^ sieht die riehtigere, da sie mit der Bndhelligkeit in Beziehung steht, während die erstgenannte Grease in weitem Umfang den Wirkungsgrad be-· trifft. Eine bevorzugte Grenae hinsichtlich des von der Grenzfläche freien Teil des Kreises liegt bei etwa 20 %« ·

Sie Sründe für diese Grenzen sind bereits vorangehend erläutert worden.. Ie dem Ausmaß, ia welchem ein größerer Grenzfläehenbereich außerhalb des optimalen Kreises liegt, kann ein tangentialer Extremalstrahl-Über-

»iefet entstehen, wobei auf diese Weise eia tibermäßiger Äbsorptionsvoa infraroter Strahlung herbeigeführt* wird« In dem Ausmaß, in größere Bereich iaaerhalb des Kreises voa der Grenaschicht

die Beleuc!it«agsiatensität des Phosphors reduasiert, und

Ü.&.Q Holliflsolt isa siehtbapea !©reich t^i^d hiss'sait sasamaiaaMagead su-

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mindest mit dem Quadrat dieser Abnahme reduziert. Ein- noch größerer Grenzflächenbereich, welcher sogar die gesamte Kuppenbasie umfaßt, steigert zwar weiter die Helligkeit, ist jedoch, da der Wirkungegrad verschlechtert wird, nicht zu bevorzugen.

Optimale Strukturen der beschriebenen Art ergeben auch eine Reduzierung der Streuverluste sowohl an den Zwischenflächen als auch zwischen den Teilchen. In den meisten Fällen werden solche Verluste günstigerweise vermindert, indem Zwischenraumbereiche mit hinsichtlich des Brechungsindex angepaßten Stoffen ausgefüllt werden. Im Optimalfall ist die Anpassung genau.. Ein reeller Vorteil wird jedoch in jedem Fall erhalten, indem irgendwelches Zwischenraummaterial mit einem Brechungsindex we·* sentlich größer als 1 verwendet wird (der angenäherte Brechungsindex für das übliche gasförmige Material, welches in solchen Zwischenraum-Stellen untergebracht wird). Da jedoch die Streuveriuste lediglich durch die Verwendung von Material wesentlich reduziert wer den,, dessen Brechungsindex innerhalb von ^ 10 % angepaßt ist, sind diese Grenzen als bevorzugter Bereich zu betrachten.

Ähnliche Überlegungen ergeben sich für die dielektrischen Anpassungssehichten sowie die reflektierenden Schiohten, die zusätzlichen An-

■ ft -

passungsbereiche und dergleichen. Reflektierende Schichten sollten zumindest zu 95 % reflektierend sein, dielektrische Anpassungsschichten sollten nicht mehr als 10 % Verlust durch ,Reflexion hervorrufen, und Anpassuhgsbereiche sollten auf innerhalb + 10 % angepaßt sein .

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Claims (1)

1. Western Electric Comp. Inc.
   195 Broadway-New tork, N. Y., IOOO7/USA

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   Ansprüche

   1.B4efctroj.ual$eszente Einrichtung mit einer infrarot emittierenden Diode aus einem Material mit einer hohen Absorption für deren eigene Emission zusammen mit einem Phosphor zur Umwandlung der Infrarotemission in Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, gekennzeichnet durch einen Teil, welcher durch einen Halbkugelschnitt annäherbar ist, "durch den Infrarotstrahlung übertragbar ist und Von dem ein zentral liegender Teil der Basis eine p-h-Halbleitergrenzfläche aufnimmt, eine solche Auslegung der relativen Abmessungen der Halbkugel sowie der Grenzfläche, daß der numerische Wert des Verhältnisses r./r, gleich tgCsin n_/n^) ist, wobei r.. der Radius der Grenzfläche, r. der HadL.us der Halbkugel, n₃ der Brechungsindex des Phosphors und n* der Brechungsindex des Halbleiters sind, eine solche Ausbildung der Annäherung an eine Kugel, daß die gdrümmte Fläche, im wesentlichen völlig konvex i«t und 75 % der Fläehe sich in einem radialen Abstand von + 3<3 % von r, befinden, und eine solche Herstellung der Annäherung an eine kreisförmige Grenzfläche, daß ein Maximum von 35 % des Grenzflächenbereiches außerhalb des Kreisbereiches liegt, welcher durch einen zentral liegenden Kreis vom Radius r. definiert ist, und ein Maximum von 35#· des Bereiches innerhalb des Kreises nicht von der Grenzfläche belegt wird.

   2.Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche diejenige einer Galliumarseniddiode ist.

   3«Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbkugel im wesentlichen aus einem Material mit einem Brechungsindex innerhalb 10 % desjenigen von Galliumarsenid besteht.

   h,Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß

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   der Phosphor innerhalb eines Bereiches enthalten ist» welcher sich in inniger¹ Berührung mit einem größeren Teil der gekrümmten Oberfläche der Kuppe befindet.

   5· Einrichtung nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich im wesentlichen aus Phosphorteilchenmaterial mit Zwischenraumbereichen besteht, die im wesentlichen durch ein transparentes Material mit einem Brechungsindex inneii«lb von _♦ 10 % desjenigen von Phosphor gefüllt sind.

   6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Bereiches kuppenformig ist.

   7.. Einridhtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Fläche des Bereiches innerhalb eines zusätzlichen Bereiches mit einem zusätzlichen Material umgeben ist, das für sichtbare Strablungsemiesion im ,wesentlichen transparent ist, wobei das zusätzliche Material einen Brechungsindex innerhalb _+ 10 % desjenigen des Bereiches aufweist.

   8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine dielektrische Anpassungsschicht zwischen dem Bereich sowie dem zusätzlichen Bereich vorgesehen isti

   9· Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phosphorbereich säulenförmig ist, wobei eine Fläche von der Kuppe ent» fernt ist, die im wesentlichen zentral gegenüber sowie in inniger BerUhrung mit der ebenen Fläche einer zusätzlichen Kuppe aus trans-» parenten Material angeordnet ist, welche einen Brechungsindex innerhalb _+ 10 # desjenigen von Phosphor aufweist.

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   L e e r s e i f