DE2030368A1 - semiconductor - Google Patents
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Description
Priorität; 20. Juni 1969; Japan? Priority; June 20, 1969; Japan?
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter, insbesondere einen solchen mit einer negativen Widerstandscharakteristik und hoher Liehtemissionsausbeute.The invention relates to a semiconductor, in particular one with a negative resistance characteristic and high light emission yield.
Das Gebiet der Optoelektronik stellt einen einheitlichen Zweig dar, der sich mit modernen Produkten, wie Lichtkommunikationssystemen, Lichtcomputern und Festkörperbildwandlern, befaßt. Die Laser-Diode und die lichtemittierende Diode sind als Elemente entwickelt worden, die die Umwandlung von elektrischer in Lichtenergie betreffen, während Fototransistoren, Fotoleiter und Fotodioden als Elemente entwickelt wurden, die die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie betreffen. Eine Schaltung aus einer Kombination dieser beiden durch ein Lichtmedium aneinander-' gekoppelten Elemente kann relativ einfach hergestellt werden, aber im allgemeinen wird zusätzlich zum lichtankuppeln- The field of optoelectronics represents a uniform branch that deals with modern products such as light communication systems, light computers and solid-state image converters. The laser diode and the light emitting one Diodes have been developed as elements that involve the conversion of electrical energy into light energy while Phototransistors, photoconductors and photodiodes were developed as elements that convert light energy into concern electrical energy. A circuit from a Combination of these two together by a light medium- ' coupled elements can be made relatively easily, but in general, in addition to light coupling-
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HEC 2744 · - 2 -HEC 2744 - 2 -
den System ein passendes Schaltelement, ein Verstärkerelement oder ein elektrisch arbeitendes Schwingelement oder eine Schaltung mit mehreren der genannten Elemente benötigt, damit die Schaltung zufriedenstellend arbeitet. Sas heißt, daß jede herkömmliche optoelektronische Schaltung des obigen Typs infolge der großen Anzahl von Elementen eine verhältnismäßig komplizierte Schaltung ist. Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet haben zu verschiedenen lichtemittierenden Dioden mit negativem Widerstand zweifacher Wirkungsweise geführt. Obwohl abgesehen werden kanns daß dieser neue Typ von Halbleitern in optoelektronischen Schaltungen eine beträchtliche Kombinationsvereinfachung bringt, ist bisher die in-! dustrielie Produktion solcher durch Verwendung dieser neuen Elemente vereinfachten Schaltungen nicht aufgenommen worden. Die Elemente des neuen Typs sind meist vom dreischichtigen Aufbau.the system requires a suitable switching element, an amplifier element or an electrically operating oscillating element or a circuit with a plurality of said elements in order for the circuit to work satisfactorily. That is, any conventional optoelectronic circuit of the above type is a relatively complicated circuit due to the large number of elements. Research in this area has resulted in various negative resistance light emitting diodes with dual action. Although apart can see that this new type brings a considerable simplification combination of semiconductors in opto-electronic circuits, is so far the domestic! Industrial production of such circuits simplified by using these new elements has not started. The elements of the new type are mostly of a three-layer structure.
Ein solches Element besteht beispielsweise aus dem n-Typ-GaAs-Substrat. Ein Bereich hohen Widerstandes i wird durch Dotierung mit einer Akzeptorbeimengung mit verhältnismäßig tiefem Niveau, wie etwa Mn, erhalten! ein Bereich kleinen Widerstandes ρ wird erhalten durch Dotierung mit einer &kzeptorbeimengung mit niedrigem Niveau, ze B0 Zn.Such an element consists of the n-type GaAs substrate, for example. A region of high resistance i is obtained by doping with an acceptor admixture at a relatively low level, such as Mn! a region of low resistance ρ is obtained by doping with a low level & cceptor admixture, z e B 0 Zn.
Der i-Bereich weist tiefe Elektronenlocheinfangzentren auf, deren Wirkungsquerschnitt für ein.Loch sich merklich von demThe i region has deep electron hole trapping centers, whose cross-section for a hole differs noticeably from the
einem für ein Elektron unterscheidet. In/solchen Pin-Aufbau (pin struction) kann eine Doppelinjektion in einem bedeutenden Anwachsen der Lebensdauer im i-Bereich resultieren und bewirken, daß die Diode einen negativen Widerstand aufweist und damit der !-Bereich leitfähigkeitsmoduliert wird, Pur Materialien wie GaAa ist der Wirkungscp-erseimlfefe für löcherone differs for one electron. In / such a pin structure (pin struction) a double injection can result and cause a significant increase in the service life in the i-area, that the diode has a negative resistance and thus the! range is conductivity-modulated, Pur Materials such as GaAa are the starting point for holes
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des Zentrums beträchtlich größer als der Wirkungsquerschnitt für Elektronen, Als Folge einer Vorspannung niedrigen Niveaus unter einer Schwellspannung, die eine Doppelinjektion von Löchern und Elektronen in dem i-Bereich injiziert, fließt ein sehr kleiner Strom. Das ist die Folge davon, daß die Injektionslöcher durch diese Zentren eingefangen werden» Ist die Schwellspannung erreicht, dann ist die elektrische Feldstärke auf einen Wert angewachsen, in dem die Lochwanderungszeit durch den i-Bereieh in der Größenordnung der Lebensdauer der Hiedrigniveau-Löcher liegt. Hier beginnt· der Bereich des negativen Widerstandes. Bei noch größerem Strom übersteigt dieses Phänomen den ganzen i-Bereich und bewirkt eine Umwandlung dieses Bereiches in einen Halbleiterbereich, in dem sowohl die Löcher als auch die Elektronen zu einem stark anwachsenden Stromfluß beitragen. Die Pin-Dioden haben deshalb normalerweise zwei stabile Zustände, zwischen denen sie geschaltet werden können. Sie können jedoch aus Gründen des Anwachsens der Lebensdauer im i-Bereich nicht sehr schnell geschaltet werden. Dieses Element zeigt beträchtliche negative Widerstandscharakteristik bei extrem niedrigen Tempera>turen,d. h. bei der Temperatur flüssigen Stickstoffes (77° K), während die Charakteristik bei Zimmertemperatur praktisch verschwindet* Die naaa Diode stellt weiterhin keinen Fortschritt dar, weil sie bei Zimmertemperatur kein Licht aussendet und die Lichtemissionsausbeute extrem niedrig ist. Eine gute Ausbeute kann nur bei extrem niedrigen Temperaturen in der Nachbarschaft von 77° K erhalten werden. Aus diesem Grund besteht keine annehmbare Möglichkeit, einen weiteren Zustand der Entwicklung zu erreichen, in dem Tests mit Schaltungen, die die neuen Elemente enthalten, vorgenommen werden können.of the center is considerably larger than the cross section for electrons, as a result of a low level bias below a threshold voltage injecting double injection of holes and electrons in the i region flows in very small stream. This is the result of the injection holes are captured by these centers »If the threshold voltage is reached, then the electric field strength has increased to a value in which the hole migration time through the i-range is in the order of magnitude of the service life the lower level holes. This is where · the area of the negative resistance. When the current exceeds this phenomenon affects the whole i-area and causes a conversion of this area into a semiconductor area in which both the holes and the electrons grow rapidly Contribute current flow. The pin diodes therefore normally have two stable states between which they switch can be. However, for the sake of As the service life increases in the i range, they cannot be switched very quickly. This element shows considerable negatives Resistance characteristics at extremely low temperatures, d. H. at the temperature of liquid nitrogen (77 ° K), while the characteristic at room temperature practically disappears * The naaa diode still does not represent any progress because it has no light at room temperature emits and the light emission efficiency is extremely low. A good yield can only be achieved at extremely low temperatures in the neighborhood of 77 ° K can be obtained. For this There is no acceptable reason for another To reach the state of development by making tests on circuits containing the new elements can.
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KEC 2744 - 4 -KEC 2744 - 4 -
Entsprechend ist -es Aufgabe der Erfindung,: einen verbesserten Halbleiter zu schaffen, der einen oder mehrere der Nachteile und Begrenzungen der bekannten Elemente durch Schaffung eines Elementes besonderer Struktur eliminiert.Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Halbleiters mit befriedigender Wirkungsweise beiAccordingly, it is an object of the invention to provide an improved semiconductor which, by creating one or more of the disadvantages and limitations of the known elements one element of special structure eliminated; another The object of the invention is to provide an improved semiconductor with a satisfactory mode of operation
nuronly
hoher Zuverlässigkeit nicht/im Bereich extrem niedriger Temperaturen, sondern bei Zimmertemperatur. high reliability not / in the range of extremely low temperatures, but at room temperature.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Halbleiters mit extrem hoher Liehtemissionsausbeute mit merklicher Intensität auch bei Zimmertemperatur. Another object of the invention is to provide an improved semiconductor with extremely high light emission efficiency with noticeable intensity even at room temperature.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Halbleiters, der eine negative Widerstandscharakteristikauch bei Zimmertemperatur besitzt.Another object of the invention is to provide an improved semiconductor which also has negative resistance characteristics at room temperature.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Halbleiters, der schnell geschaltet wer- , den kann.Another object of the invention is to provide an improved semiconductor that can be switched quickly, can.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Halbleiters,; dessen Anwendung und Brauchbarkeit durch Schaffung einer- Gate-Elektrode vergrößert wird, die den Zustand der Lichtemission steuern kann,Another object of the invention is to provide an improved semiconductor; the application and usefulness of which is increased by the creation of a gate electrode, which can control the state of light emission,
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HEC 2744 - 5 -HEC 2744 - 5 -
Ein Halbleiterelement aus vier Schichten vom pnpn-Typ kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß jede der Schichten aus einem HallDleitermaterial mit hohem Energieabstand der Bänder und niedrigem Widerstandgebildet ist, daß zwei Zwischenschichten eine dem Diffusionsweg der Minderheitsträger in dem Halbleitermaterial entsprechende Dicke haben und daß Mittel zur Vorspannung der vier Schichten vom pnpn-Typ in .Leitrichtung vorgesehen sind.A four-layer semiconductor element of the pnpn type characterizes according to the invention in that each of the layers made of a Hall conductor material with a high energy spacing of ribbons and low resistance that two intermediate layers one to the diffusion path of the minority carriers have a corresponding thickness in the semiconductor material and that means for biasing the four layers of the pnpn type are provided in .Leitrichtung.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den- ^Figuren und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Von den Figuren zeigen? ' Further features and usefulnesses of the invention result from the figures and the description of exemplary embodiments. From the figures show? '
Figur 1 einen Querschnitt durch eine pnpn-Diode und die betriebsmäßige Schaltung;Figure 1 shows a cross section through a pnpn diode and the operational circuit;
Figur 2 eine typische Spannungs-Strom-Charakteristik der in Figo 1 gezeigten pnpn-DiodejFIG. 2 shows a typical voltage-current characteristic of the pnpn diode shown in FIG
Figur 3 eine sehematische Darstellung der Potentialverteilung in der Diode;FIG. 3 shows a schematic representation of the potential distribution in the diode;
Figur 4 eine graphische Darstellung einer typischenFigure 4 is a graph of a typical
Strom-Strahlungsleistungsausgangscharakteristik der Diode;Current-radiant power output characteristic the diode;
Figur 5 ein Spektrum der ausgesahdten Strahlungsleistung der Diode jFIG. 5 shows a spectrum of the radiated power the diode j
Figur 6 eine graphische Darstellung der Spannungs-Belastungs-Charakteristik der Diode; undFIG. 6 is a graph showing the voltage-stress characteristic the diode; and
Figur 7 einen Querschnitt durch eine gegenüber der in Fig. 1 abgewandelte pnpn-Diode.FIG. 7 shows a cross section through an opposite to that in FIG Fig. 1 modified pnpn diode.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Diode 10 vom pnpnvier-Schichten-Aufbau mit negativer Wideratandscharakteristik und Lichtemission gezeigt.In Fig. 1 is a cross section through a diode 10 of pnpn four-layer structure shown with negative resistance characteristics and light emission.
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HEC 2744 · - 6 -HEC 2744 - 6 -
Die Diode 10 ist aus einer Halbleiterkristallplatt® hergestellt, deren Grundkörper ein Si-dotierter GaÄs-Einkristall (nl) 11 vom n-Typ-n-Typ ist. Die Halbleiterplatte 11 weist einen hohen Energieabstand zwischen den Bändern und einen niedrigen Widerstandswert auf. Das Element weist eine extrem dünne Si-dotierte GaAs-Schicht (p2) 12 vom p-Typ und eine GaAs-Schicht (n3) 13 vom η-Typ und ein© weitere Si-dotiert© GaAs-Schicht (p4) 14 vom p-Typ auf der Oberfläche der Halbleiterplatte 11 auf. Die Grenzen zwischen den einzelnen Schichten stellen die Verbindungen J129 J23 und J34 dar. Jede der Schichten 12, 13, 14 wird typischerweise durch einen epitaxialen Wachstumsproz'eß aus der flüssigen Phase gezüchtet, worin eine Schmelze, wie etwa eine Ga-Sehmelze, mit einer GaAs-Quelle und Si-Beimengung (sog. amphotarische Beimengung) auf die Oberfläche der Halbleiterplatte 11 aufgebracht und sukzessive abgekühlt wird. Zwei Zwischenschichten 12 und 13 haben eine solche Dickenabmessung, die identisch ist mit der Diffusionslänge des Minderheitsträgers (minor carrier) in GaAs, und sind etwa 1-40 ai dick. Die pnpn-Diode. , 10 wird unter folgenden Bedingungen hergestellt! Die Dicke der GaAs-Platte vom η-Typ ist etwa 50/ι, die KonzentrationThe diode 10 is made from a semiconductor crystal plate, the base body of which is a Si-doped GaÄs single crystal (nl) 11 of the n-type-n-type. The semiconductor plate 11 has a large energy gap between the ribbons and a low resistance value. The element has an extremely thin Si-doped GaAs layer (p2) 12 of the p-type and a GaAs layer (n3) 13 of the η-type and a © further Si-doped © GaAs layer (p4) 14 of the p Type on the surface of the semiconductor plate 11. The boundaries between the individual layers, the compounds 9 J12 J23 and J34. Each of the layers 12, 13, 14 is typically grown by an epitaxial Wachstumsproz'eß from the liquid phase, wherein a melt, such as a Ga-Sehmelze, with a GaAs source and Si admixture (so-called amphoteric admixture) is applied to the surface of the semiconductor plate 11 and is successively cooled. Two intermediate layers 12 and 13 have a thickness dimension that is identical to the diffusion length of the minority carrier in GaAs, and are approximately 1-40 ai thick. The pnpn diode. , 10 is produced under the following conditions! The thickness of the η-type GaAs plate is about 50 / ι, the concentration
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der freien Elektronen durch Dotierung mit Si ist 1 χ 10 /cmι , die Dicken der Zwischenschichten vom p-Typ und n-Tjp sind, beide 2-10/u, die Elektronenkonzentrationen durch Si sind beide etwa 1 χ 10 /ei , die obere p-Typ-Schieht ist etwa 100 u dick und die Elektronenkonzentration etwa Ix 10 /^ Ein erster ohmscher Eontakt 15 ist mit dem Substrat 11 vom η-Typ verbunden, und ein zweiter ohmseher Kontakt 16 ist mit der oberen p-Typ-Schieiit 14 verbunden» · „the free electrons through doping with Si is 1 χ 10 / cmι, the thicknesses of the intermediate layers of the p-type and n-Tjp, both 2-10 / u, the electron concentrations through Si are both about 1 χ 10 / ei, the upper one p-type Schieht is about 100 microns thick, and the electron concentration is about Ix 10 / ^ a first ohmic Eontakt 15 is connected to the substrate 11 from the η-type, and a second ohmseher contact 16 is connected to the upper p-type Schieiit 14 tied together" · "
Die Kontakte 15 und 16 dienen zurThe contacts 15 and 16 are used for
spannung von der :Spaimung;sq.uell-e,.,l:7:; zn^-ßovßSß^^MB ..4er .I)ip4t zwischen den Zuständen niedriger, und hoh@r IJiTO&iiis„ lter Span-voltage from the : Spaimung ; . sq.uell-e, l: 7:; zn ^ -ßovßSß ^^ MB ..4er .I) ip4t between the states lower, and higher IJiTO & iiis "older span-
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HEC 2744 - 7 -HEC 2744 - 7 -
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schließt weiter eine Signalquelle 18 und einen KSfurther includes a signal source 18 and a KS
19 (RL) ein.19 (RL) a.
Die pnpn-Diode 10 weist eine negative Widerstandscharakteristik vom stromgesteuerten Typ auf (auch als s-Typ bezeichnet), wie sie durch die Spannungs-Strom-Funktion in Fig· 2 dargestellt ist. Wie aus diesem Funktionsverlauf zu sehen ist, ist die Charakteristik in drei Hauptbereiche unterteilt:· den Sperrbereich (I), den Bereich negativen Widerstandes « \ (II) und den Leitbereich (III). Zur Erklärung der Si-pnpn-Verbindung soll die Diode vom nip2n3p4-Aufbau als zwei Transistoren vom nlp2n3- und p2n3p4-Aufbau betrachtet werden. The pnpn diode 10 has a negative resistance characteristic of the current-controlled type (also known as s-type), as represented by the voltage-current function in FIG is. As can be seen from this function curve, the characteristic is divided into three main areas: the blocking range (I), the range of negative resistance «\ (II) and the control area (III). To explain the Si-pnpn connection the diode of the nip2n3p4 construction should be regarded as two transistors of the nlp2n3 and p2n3p4 construction.
Ist die Summe der Stromverstärkungsfaktoren (Fl4 F2)" kleiner als eins, dann stellt die pnpn-Diode den Sperrzustand dar; ist die Summe (Fl+ F2) größer als eins, dann entspricht das dem Leitzustand; Fl und F2 sind die Stromverstärkungsfafctoren der beiden Transistoren nlp2n3 und p2n3p4·If the sum of the current amplification factors (Fl 4 F2) "is less than one, then the pnpn diode represents the blocking state; if the sum (Fl + F2) is greater than one, this corresponds to the conduction state; Fl and F2 are the current amplification factors of the two Transistors nlp2n3 and p2n3p4
Sollten die Schichten p4 und nl so vorgespannt sein, daß die erstere positiv und die letztere negativ ist, dann sind die Verbindungen Jl2 und J34 vorgespannt, während die Zwischenverbindung J23 rückwärts gespannt ist, was. zur Folge hat, daß ein kleiner Strom fließt, wenn die angelegte Spannung verhältnismäßig niedrig ist. Dasentspricht dem Bereich I in Figv 2. ' ■;- ■■'■,■ : Should layers p4 and nl be biased so that the former is positive and the latter is negative, then links J12 and J34 are biased while interconnect J23 is reverse biased, which is. has the consequence that a small current flows when the applied voltage is relatively low. This corresponds to area I in Fig. 2. '■; - ■■' ■, ■:
Ein Anwachsen der angelegten Spannung mit der Diodencharakteristik im Bereich I bewirkt ein Anheben der Elektronen, die von der Schicht nl injiziert sind, durchziehend zur VerbindungJ34 mit dem Ergebnis einer Verbesserung der Löcherinjizierung von der Schicht p4. Erreichen die injizierten Löcher von der Schicht p4 die Verbindung J12, dann befördern sie die Injektionen der Elektronen von der Schicht nl, wasAn increase in the applied voltage with the diode characteristic in area I causes an increase in the electrons, injected from the layer nl, passing through to the junction J34, with the result of an improvement in hole injection from layer p4. If the injected holes from layer p4 reach junction J12, then convey they do the injections of electrons from the layer nl what
009882/153S009882 / 153S
ein Anwachsen der Injektion von Elektronen und Löchern zum Basisbereich p2 und n3 bewirkt. Daraus folgt die sog. Elektronenvervielfachung« Auf der anderen Seite ist die Verbindung J23 umgekehrt vorgespannt, so daß. eine hohe Spannung herrscht mit dem Ergebnis, daß eine Eiektronenvervielfachung auftritt, hervorgerufen durch eine Elektronenlawine, die durch Durchbruch ausgelöst wird. Als Folge der oben erwähnten Vorgänge werden die Schichten n3 und p4 durch Elektronen und Löcher überflutet, die sich ansammeln und die Verbindung J23 in Durchlaßrichtung zur graduellen Reduzierung der''Spannung vorspannen, mit dem Ergebnis eines Abfalls der Spannung zwischen den Schichten.nl und p4 (Bereich II in Figo 2). Dieser Abfall setzt sich fort, bis das Gleichgewicht der Spannung an der Verbindung J23 erreicht ist, was im wesentlichen eine Leitfähigkeitsbedingung bedeutet, bei der ein großer Strom hindurchgehen kann. Diese Leitfähigkeitsbedingung (Leitbereich) liefert dieselbe Spannungs-Strom-Charakteristik dieser pnpn-Diode wie bei einer herkömmlichen pn-Diode. Fig. 3 zeigt schematisch die Potentialverteilung der pnpn-Diode für den thermischen Gleichgewichtszustand (a), in Vorspannung des Sperrbereiches (b) und des Leitbereiches (c).an increase in the injection of electrons and holes for Causes base area p2 and n3. From this follows the so-called electron multiplication «On the other side is the connection J23 reverse biased so that. a high voltage prevails with the result that electron multiplication occurs, caused by an electron avalanche triggered by breakdown. As a result of the above-mentioned operations the layers n3 and p4 are flooded by electrons and holes that accumulate and the junction J23 in the forward direction to gradually reduce the voltage biasing, with the result of a drop in tension between the layers nl and p4 (area II in Figo 2). This drop continues until equilibrium is reached in the voltage at junction J23, which is essentially a conductivity condition at which a large current can pass through it. This conductivity condition (conductivity range) provides the same voltage-current characteristic this pnpn diode as with a conventional pn diode. Fig. 3 shows schematically the potential distribution of the pnpn diode for the thermal equilibrium state (a), in the bias of the blocking area (b) and the conducting area (c).
Wie bereits beschrieben wurde, weist die pnpn-Diode keine durch Dotierung mit einer Beimengung mit verhältnismäßig tiefem lliveau gebildete Halbisolationsschicht auf und verwendet nicht die Doppelinjektion, so daß eine negative Widerstandscharakteristik aufzuweisen ist. Dafür kann nicht eintreten, daß bei Zimmertemperatur der negative Widerstand der pnpn-Diode unwirksam ist,w ährend die herkömmliehe Pin-Diode keine negative Widerstandscharakteristik bei Zimmertemperatur hat, da die halbisolierende Schicht bei Zimmertemperatur leitend wird. Bei der verbesserten pnpn-Diode As already described, the pnpn diode has none semi-insulating layer formed by doping with an admixture with a relatively low level and used not the double injection, so that a negative resistance characteristic is to be shown. It cannot happen that at room temperature the negative resistance the pnpn diode is ineffective, while the conventional pin diode does not have a negative resistance characteristic at room temperature because the semi-insulating layer becomes conductive at room temperature. With the improved pnpn diode
009882/1536.009882/1536.
haben die Schwellspannung Vth und-etrom Ifch und die Belegungsspannung Vh und -strom Ih die folgenden Werte: Vth = 2-25 V, Ith = 0,1-20 mA, Vh = 1,3-1,4 V, Ih = 1-70 mA. Diese Werte sind für die Darstellung der Charakteristik der pnpn-Diode wesentlich. Die Belegunguspannung Vh ist eine auf die Art des Halbleitermaterials bezogene Konntante. Die Schwellspannung Vth und der Schwelletrom Ith können mit der Anwendung der pnpn-Diode wechseln. Die Schalt- oder Anschaltaeit der pnpn-Diode ist durch die Elektronen- und ' Lochwanderungszeit durch den Basisbereich der ρηρ- und npn-Transistoren bestimmt. Die Schaltgeschwindigkelt ist deshalb desto höher, je dünner der Basisbereich ist. Da zwei Zwischenschichten der obigen pnpn-Dioden extrem dünn sind, werden befriedigende Prequenzeigenschaften erhalten.have the threshold voltage Vth and -etrom Ifch and the occupancy voltage Vh and current Ih have the following values: Vth = 2-25 V, Ith = 0.1-20 mA, Vh = 1.3-1.4 V, Ih = 1-70 mA. These values are essential for representing the characteristics of the pnpn diode. The occupancy voltage Vh is a constant related to the type of semiconductor material. The threshold voltage Vth and the threshold current Ith can with change the application of the pnpn diode. The switching or connection the pnpn diode is due to the electron and hole migration time through the base region of the ρηρ and npn transistors certainly. The switching speed is therefore the higher the thinner the base area. There are two intermediate layers of the above pnpn diodes are extremely thin, satisfactory prequence properties are obtained.
Die Einschaltzeit der obigen pnpn-Diode beträgt etwa 1 Aisek. Dieser Viert ist um etwa eine Größenordnung kleiner als bei den 3i-dotierten pnpn-Schaltdioden bekannter Art, DLe pnpn-Diode kann schnell geschaltet werden, da sie keine Schicht hohen Widerstandes enthält, der durch Dotierung mit einer Beimengung mit tiefem Niveau gebildet wLrd - im Gegensatz zu den herkömmlichen Pin-Dibden. Die pnpn-Diode LO weist auch eine Lichtemission auf, was in Pig. 1 durch den Strom-Strahlungsleistungsausgang dargestellt ist. Die obige pnpn-Diode stellt eine Art von Injektionsemissionsdiode dar, und die Intensität des Infrarotlichtes ist proportional dem Diodenstrom. Wie aus-Pig«, 4 entnommen werden kann, Lst las ausgesandte Licht annähernd proportional dem Äntriobssfcrom. Unabhängig vom Typ des Bereiches, positivem oder negativem Widerstand, kann die von der Diode kommende Strahlungsleistung E' immer so sein, daß die Lichtemiosion proportional dem Antrlebsstrom ist.The turn-on time of the above pnpn diode is about 1 Aisek. This fourth is about an order of magnitude smaller than in the case of the 3i-doped pnpn switching diodes of the known type, DLe pnpn diode can be switched quickly because it does not contain a high resistance layer caused by doping with a Admixture with a low level is formed - in contrast to the conventional pin dibbing. The pnpn diode LO has also a light emission on what is in Pig. 1 through the current-radiant power output is shown. The above pnpn diode is a kind of injection emission diode, and the intensity of the infrared light is proportional to that Diode current. As can be seen from Pig «, 4, Lst read emitted light approximately proportional to the intensity of the input. Regardless of the type of area, positive or negative Resistance, the radiation power E 'coming from the diode can always be such that the light emission is proportional is the drive current.
09S-B2/1B35 BAD OR1QINAL09S-B2 / 1B35 BAD OR 1 QINAL
HEC 2744 . - 10 -HEC 2744. - 10 -
Die AusgangsStrahlungsleistung P kann angenähert ausge drückt werden durchThe output radiation power P can be approximated be pushed through
mit I al3 dem Antriebsstrom und η als einer von der Diode abhängenden Konstanten.with I al3 the drive current and η as one of the diode dependent constants.
be Der Mechanismus der Lichtemission /ruht, wie bekannt ist, auf der Rekombination von Löchern und Elektronen. Bs besteh b eine hohe Wahrscheinlichkeit der Rekombination zwischen von der Schicht nl injizierten Elektronen und den von der Schicht p4 injizierten Löchern, die an den beiden Verbindungsstellen J12 und J34 aus Gründen des Baus der pnpn-Diode stattfinden. Die Lichtemissionsausbeute bei der erfindungsgemäßen Lichtemissionsdiode ist jedoch größer als bei herkömmlichen Lichtemissionsdioden. Sind die Verbindungen Jl 2 und J34 in leitender Richtung vorgespannt, während die Zwischenverbindung J23 in entgegengesetzter Richtung vorgespannt ist, dann rekombiniert ein Teil der von der Schicht nl injizierten Elektronen mit den Löchern in derselben Schicht nl» Die verbleibenden injizierten Elektronen erreichen die Verbindung J34 und rekombinieren mit den Löchern in den Schichten p2 und n3 und rekombinieren vielter mit den Löchern in der Nachbarschaft der Verbindung J34» so dai3 nach und nach die Elektronen verschwinden. Dasselbe Phänomen läuft mit den von der Schicht p4 injizierten Löchern ab. YJenn die injizierten Elektronen und Löcher die Verbindung J23 erreichen, rufen sie eine Vervielfachung der Träger hervor. Auf dem Wege zu den Verbindungen J12 und J34 oder direkt an den Verbindungen J12 und J34- rekombinieren diese vervielfachten Träger und erzeugen -Licht-, wodurch die Ausbeute der Licht emission beträchtlich ansteigt,=be The mechanism of light emission / rests, as is known, on the recombination of holes and electrons. There is a high probability of recombination between electrons injected from layer nl and the holes injected from layer p4, which are located at the two junctions J12 and J34 for reasons of the construction of the pnpn diode occur. However, the light emission efficiency of the light emitting diode according to the invention is greater than in conventional light emitting diodes. Are the connections Jl 2 and J34 are biased in the conductive direction, while the interconnect J23 is biased in the opposite direction, then part of the recombines from the Layer nl injected electrons with the holes in the same layer nl »the remaining injected electrons reach junction J34 and recombine with the holes in layers p2 and n3 and recombine many more with the holes in the vicinity of the connection J34 » so that the electrons gradually disappear. The same phenomenon goes with the holes injected from layer p4 away. YJenn the injected electrons and holes the Reach connection J23, they call a multiplication of the Bearer. Recombine on the way to connections J12 and J34 or directly at connections J12 and J34- this multiplied carrier and generate -light-, whereby the yield of the light emission increases considerably, =
003882/1535003882/1535
BADBATH
Pig. 5 zeigt ein Spektrum der von der pnpn-Diode ausgesandten Strahlung. Die Wellenlänge der von der pnpn-Diode ausgesandten Strahlung liegt bei Zimmertemperatur etwa bei 940 mja und bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs bei etwa 890 mu. Die pnpn-Diode arbeitet also bei Zimmertemperatur zufriedenstellend. Die äußere Quantenausbeute der pnpn-Diode liegt bei 2 bis 3 c£. Pig. 5 shows a spectrum of the radiation emitted by the pnpn diode. The wavelength of the radiation emitted by the pnpn diode is around 940 mja at room temperature and around 890 mu at the temperature of liquid nitrogen. The pnpn diode works satisfactorily at room temperature. The external quantum yield of the pnpn diode is 2 to 3 c £.
In Fig. 6 sind die experimentellen Vierte aufgetragen, die die Abhängigkeit der Vorspannung von der Kapazität zeigen«In Fig. 6, the experimental fourths are plotted, the show the dependence of the preload on the capacitance "
Wegen der pnpn-Struktur kann die pnpn-Diode als eine Reihe von pn-np-pn betrachtet werden. Es kann aus dieser Zeichnung entnommen werden, daß die Charakteristiken für beide Richtungen (umgekehrt und vorwärts) eine wesentlich gleiche Symmetrie wie die Polarität der Vorspannung aufweisen und daß die Charakteristiken vertikal verschoben werden, wenn die Diode bestrahlt wird.Because of the pnpn structure, the pnpn diode can be used as a series be considered from pn-np-pn. It can be seen from this drawing it can be seen that the characteristics for both directions (reverse and forward) have substantially the same symmetry such as the polarity of the bias and that the characteristics are shifted vertically when the Diode is irradiated.
Es wird nun ein Beispiel für die Herstellung einer pnpn-Diode der oben beschriebenen Art gegeben. Als Beimengung wird nur Si verwendet. Die drei Schichten pnp 12, 13 und 14 können auf einem Substrat 11 rom η-ϊνρ in einem einzigen Prozeß durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase gebildet werden. Bei GaAs können die Atome der Gruppe IV, wie Si, Ge und Sn, sowohl als Donatoren wie auch als Akzeptoren wirken und werden deshalb als amphoterische Beimengungen bezeichnet. Die Atome der Gruppe IV wirken als Donatoren, wenn sie ein Ga-Atom des GaAs-Gritters ersetzen, und als Akzeptoren, wenn sie As ersetzen. Im allgemeinen wird eine n-Typ-Schicht erhalten, wenn Si-dotiertes GaAs aus der geschmolzenen Phase im stöchi©metrischen Zustand wächst, weil das aus der geschmolzenen Phase 'gewachsene GaAs tiberflüssiges Ga aus dem An example of making a pnpn diode will now be given of the type described above. As an admixture, only Si used. The three layers pnp 12, 13 and 14 can on a substrate 11 rom η-ϊνρ in a single process formed by epitaxial growth from the liquid phase will. In the case of GaAs, the group IV atoms such as Si, Ge and Sn, act as both donors and acceptors and are therefore referred to as amphoteric admixtures. The Group IV atoms act as donors when they replace a Ga atom of the GaAs lattice, and as acceptors, if they replace ace. In general, it becomes an n-type layer obtained when Si-doped GaAs from the molten phase grows in the stoichi © metric state because the GaAs grown from the molten phase becomes superfluous Ga from the
■■'■'■■■ 009882/1535 -'-V-. '. -V- "■; ' ^■■ '■' ■■■ 009882/1535 -'- V-. '. -V- "■; '^
stöchiometrisclien Zustand erhält infolge der Reduktion derThe stoichiometric state is maintained as a result of the reduction in the
es Si-Konzentration im Ga-Gitter und ein/Anwach se rs der Si-Konzentration im As-Gitter. Das Wachsen der Si-dotierten GaAs-Epitaxialschicht nach dem Verfahren der Züchtung aus der flüssigen Phase bewirkt das Wachsen einer GaAs-Schicht vom η-Typ bei verhältnismäßig hoher Temperatur, während ein Übergang von η nach ρ im Wachsen bei abnehmender Temperatur auftritt.there is Si concentration in the Ga lattice and an increase in the Si concentration in the As grid. Growing the Si-doped GaAs epitaxial layer by the method of growth from the liquid phase causes a GaAs layer of η-type to grow at a relatively high temperature, during a The transition from η to ρ occurs during growth with decreasing temperature.
Die Temperatur dieses Überganges vom n- zum p-Typ hängt von verschiedenen Paktoren, wie etwa der Kristallorientierung des GaAs und der Art der Beimengung, ab. Der Übergang wird , auch durch die Temperaturabnahmegeschwindigkeit während des Wachsens beeinflußt. Dieser übergang zeigt das oben beschriebene Verhalten bei Wachstum der p-Typ-Schicht zu Beginn der Abkühlung, während anschließend mit anwachsender Temperaturabnahmegeschwindigkeit eine n-Typ-Schicht wächstThe temperature of this transition from n- to p-type depends on various factors, such as the crystal orientation the GaAs and the type of admixture. The transition is also due to the rate of temperature decrease during the Growing affected. This transition shows the behavior described above in the case of growth of the p-type layer at the beginning of the cooling process, while afterwards it increases Temperature decrease rate an n-type layer grows
und darauffolgend ein spontaner Übergang zum Wachstum einer p-Typ-Schicht erfolgt. Am Anfang soll die Temperaturabnahmegeschwindigkeit 0,2° C/min betragen^ damit eine Schicht vom p-Typ wächst. Schichten vom η-Typ und vom p-Typ wachsen aufeinanderfolgend bei einer hohen Temperaturabnahmegeschwin« digkeit von 10° C/min. Das bedeutet, daß drei Schichten vom p-, n-, p-Typ allein durch Steuerung der Temperaturabnähmegeschwindigkeit wachsen« Die Dicke der entsprechenden Schich= ten wird bestimmt durch die Temperaturabnahmegeschwindigkeit und die Dauer, und entsprechend kann die Dicke genau bestimmt werden durch richtige Steuerung der Wachstumszeit0 Eine nach dem obigen Verfahren gewachsene Si-dotierte GaAs=- lichtemittierende Diode mit negativem Widerstand wird charakterisiert durch eine ausgezeichnete Quantenausbeute der Lichtemission, die etwa zehnmal- so groß ist wie bsi h©r= · köHmlichen Dioden.and subsequently there is a spontaneous transition to the growth of a p-type layer. At the beginning, the rate of temperature decrease should be 0.2 ° C / min ^ so that a p-type layer grows. Layers of the η-type and of the p-type grow successively at a high temperature decrease rate of 10 ° C./min. That is, three p-, n-, p-type layers grow by controlling the temperature decrease rate alone. The thickness of the respective layers is determined by the temperature decrease rate and the duration, and accordingly the thickness can be accurately determined by proper control the growth time 0 A Si-doped GaAs = light-emitting diode with negative resistance grown according to the above process is characterized by an excellent quantum yield of the light emission, which is about ten times as large as conventional diodes.
9 8 8 2/1539 8 8 2/153
Der p-n-Übergang und seine Abhängigkeit von der Temperaturabnahmegeschwindigkeit kann phänomenologisch folgendermaßen erklärt werden: In einem. Prozeß epitaxialen Wachstums aus einer Si-dotierten Flüssigkeit wächst gewöhnlich, wenn Ga und As in der geschmolzenen Zone stöchiometrisch aus- ■ geglichen sind, eine GaAs-Schicht vom η-Typ, weil das Systemdazu neigt, Ga-Leerstellen zu erzeugen, die durch Si-Atome besetzt werden.The p-n junction and its dependence on the rate of temperature decrease can be explained phenomenologically as follows: In one. Epitaxial growth process from a Si-doped liquid usually grows when Ga and As grow stoichiometrically in the molten zone are a η-type GaAs layer because the system does so tends to generate Ga vacancies occupied by Si atoms.
Besitzt auf der anderen Seite das flüssige System ein gewisses Übermaß an Ga, dann wird die Situation umgekehrt. Der wesentliche Parameter zur Steuerung der Situation ist das Überkühlungsphänomen nahe der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase bei einer gegebenen Temperatur, d. h. daß die Neigung zur Lieferung von Ga-Ieersteilen oder As-Leerstellen durch die Differenz der Segregationskonstanten von Ga und As und die Diffusionskonstante von Si-Atomen in die Leerstellen bestimmb wird, die alle temperaturabhängig sind. Gemäß dem Grundexperiment sind bei einem flüssigen System mit einem Übermaß von Ga und niedriger Temperaturabnahmegeschwindigkeit mehr As-Leerstellen als Ga-Leerstellen vorhanden, so daß die Si-Beimengung die As-Leerstellen einnimmt, wodurch die p-Leitfähigkeit entsteht. Bei hoher Temperaturabnahmegeschwindigkeit fördert ein Überkühlungsphänomen die Segregation von As-Atomen und ein relatives Anwachsen der Zahl der Ga-Leerstellen gegenüber der Zahl der As-Leerstellen, so daß eine Schicht mit n-Leitfähigkeit wächst.On the other hand, if the liquid system has a certain excess of Ga, then the situation is reversed. The essential parameter to control the situation is the overcooling phenomenon near the interface between liquid and solid phase at a given temperature, d. H. that the tendency to supply Ga-Ieersteile or As vacancies by the difference in the segregation constants of Ga and As and the diffusion constant of Si atoms in the vacancies is determined, all of which are temperature-dependent are. According to the basic experiment, a liquid System with an excess of Ga and a low rate of temperature decrease there are more As vacancies than Ga vacancies, so that the Si admixture occupies the As vacancies, which creates the p-conductivity. At a high rate of temperature decrease a supercooling phenomenon promotes the segregation of As atoms and their relative growth the number of Ga vacancies versus the number of As vacancies, so that a layer with n-conductivity grows.
Die Entwicklung dieser neuen Epitaxialwachstumstechnik ist in großem Maß nützlich beim Herstellen einer GaAs-lichtemittierenden Diode mit negativem Widerstand vom oben beschriebenen Typ. Das Si-pnpn-Blement wird in der Praxis alsThe development of this new epitaxial growth technique is useful in manufacturing a GaAs light emitting device to a great extent Negative resistance diode of the type described above. The Si-pnpn-Blement is called in practice
009882/153S009882 / 153S
HEC 2744 . -H-HEC 2744. -H-
2Q303B82Q303B8
pnpn-Schalter oder SCR-Element verwendet, aber es ist schwierig, ein gleichartiges GaAs-Element mit der herkömmlichen epitaxialen Wachstumstechnik "zu fertigen. Der Diffusionsweg des Minderheitsträgers für GaAs ist sehr klein, etwa vom Wert 1-10/U, und die Dicken der zwei Zwischenschichten müssen so gesteuert werden, daß diese etwa gleich dem Diffusionsweg sind, damit negative Widerstandscharakteristiken auftreten«, Bei den herkömmlichen Herstellungsverfahren war eine derartige Steuerung unmöglich. pnpn switch or SCR element is used, but it is difficult to find a similar GaAs element with the conventional one epitaxial growth technique ". The diffusion path of the minority carrier for GaAs is very small, about from Value 1-10 / U, and the thicknesses of the two intermediate layers must can be controlled so that it is approximately equal to the diffusion path such control has been impossible in the conventional manufacturing methods.
Die GaAs-lichtemittierende Diode negativen Widerstandes des obigen Typs hat den ¥orteil9 daß Mchtemission auftritt und bei einem optischen Oszillator, optischen Verstärker, optischen Modulator oder anderen verschiedenen optischen logischen· Systemen angewendet werden kann» Die pnpn-Diode kann weiterhin durch Hinzufügen einer Torelektrode zu, einer oder zwei der Zwischenbasisschichten angewendet werden» Pig« 7 zeigt die pnpn-Diode mit Hinzufügen der Torelektrode. In dieser Zeichnung ist der Bereich 20 vom p-Typ vorzugsweise durch einen Diffusionsprozeß hergestellt worden. Der Bereich 20 ist in die Zwischenschicht 12 mit Zn hineindiffundiert, und mit diesem p-Typ-Bereich 20 ist ein dritter ohmscher Kontakt 21 verbunden. Das in Pig. 7 dargestellte Element unterscheidet sich nur in diesem Punkt von dem in Figo 2 dargestellten. Mit einer in Leitrichtung liegenden Vorspannung an der Anode 16, deren Größe über'der Durchbruchsspannung der pnpn-Diode liegt, befindet sich die pnpn-Diode im hochleitenden Zustand. Zu diesem Zeitpunkt tritt Lichtemission in der Nachbarschaft der pn-Verbindungen J12 und J34 auf. Sogar im Zustand geringer Leitung bei Anwendung einer Vorspannung in. Leitrichtung am Torkontakt 21 ist die pnpn-Diode so geschaltet, daß sie anschaltet. Vom Standpunkt der Verwendung als elektronischesThe GaAs light-emitting diode the negative resistance of the above type has the ¥ orteil 9 that Mchtemission occurs, and in an optical oscillator, optical amplifier, optical modulator, or other various optical logical · systems can be applied ", the pnpn diode may further by adding a gate electrode to be applied to one or two of the intermediate base layers »Pig« 7 shows the pnpn diode with the addition of the gate electrode. In this drawing, the p-type region 20 has preferably been fabricated by a diffusion process. The region 20 is diffused into the intermediate layer 12 with Zn, and a third ohmic contact 21 is connected to this p-type region 20. That in Pig. The element shown in FIG. 7 differs from that shown in FIG. 2 only in this point. With a bias voltage at the anode 16 in the conduction direction, the magnitude of which is greater than the breakdown voltage of the pnpn diode, the pnpn diode is in the highly conductive state. At this time, light emission occurs in the vicinity of the pn junctions J12 and J34. Even in the low conduction state when a bias voltage is applied in the conduction direction at the gate contact 21, the pnpn diode is switched in such a way that it switches on. From an electronic use standpoint
9882/153g9882 / 153g
HEC 2744 - 15 -HEC 2744 - 15 -
oder optoelektronisches Schaltelement sind folgende nützliehen Merkmale der pnpn-Diode aufzuzählend or optoelectronic switching element, the following useful features of the pnpn diode are listed
a) Verstärkung eines elektrischen Signals und Umwandlung in ein Lichtausgangssignala) Amplification of an electrical signal and conversion into a light output signal
b) Oszillation eines elektrischen Signals und Umwandlung in ein Lichtausgangssignal als Lichtimpulsoszillatorb) Oscillation of an electrical signal and conversion into a light output as a light pulse oscillator
c--) bistabiler Schalter oder Speicherelementc--) bistable switch or storage element
d) Modulation eines Lichtausgangssignals mit einem elektrischen Signald) Modulation of a light output signal with an electrical one signal
e) optoelektronischer Ankuppler und Isolator.e) optoelectronic coupler and isolator.
Die Halbleiter aus den Komponenten der Gruppe III-V. außer GaAs sind GaP, InP, GaSb, GaN, AlSb, AlAs, (GaAs)Al, Ga(AsP) und (GaAl)P, und die amphoterischen Beimengungen außer Si sind Ge und Sn. Die Erfindung kann bei allen obigen Halbleitern angewendet werden.The semiconductors from the components of group III-V. except GaAs are GaP, InP, GaSb, GaN, AlSb, AlAs, (GaAs) Al, Ga (AsP) and (GaAl) P, and the amphoteric admixtures except for Si are Ge and Sn. The invention can be applied to any of the above Semiconductors are applied.
009 882/1535009 882/1535
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: KADOR, U., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. KLUNKER, H., DIPL.-ING. DR.RER.NAT. SCHMITT-NILSON, G., DIPL.-ING. DR.-ING. HIRSCH, P., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |
|
| 8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: KLUNKER, H., DIPL.-ING. DR.RER.NAT. SCHMITT-NILSON, G., DIPL.-ING. DR.-ING. HIRSCH, P., DIPL.-ING.,PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |