DE2030368B2 - PNPN SEMICONDUCTOR ELEMENT - Google Patents

PNPN SEMICONDUCTOR ELEMENT

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DE2030368B2
DE2030368B2 DE19702030368 DE2030368A DE2030368B2 DE 2030368 B2 DE2030368 B2 DE 2030368B2 DE 19702030368 DE19702030368 DE 19702030368 DE 2030368 A DE2030368 A DE 2030368A DE 2030368 B2 DE2030368 B2 DE 2030368B2
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Description

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sukzessive abgekühlt wird. Zwei ZwischenschichtenThe object of the present invention is to be successively cooled. Two intermediate layers

ein Halbleiterelement der eingangs genannten Art 12 und 13 haben eine solche Dickenabmessung, α«a semiconductor element of the types 12 and 13 mentioned at the beginning have such a thickness dimension, α «

so auszubilden, daß das Element als Diode betrieben identisch 1st mit der DivTusionslänge des 1Mine erheits-designed in such a way that the element operated as a diode is identical to the division length of the 1Mine

cino negative Widerstandscharakterlstik auch bei trägers in GaAs, und sind etwa 1 bis 40 μ die*, uiecino negative resistance characteristics even with carriers in GaAs, and are about 1 to 40 μ the *, uie

Zimmertemperatur aufweist und ein Lichtausgangs- 5 pnpn-Dlode 10 wird unter folgenden BedingungenHas room temperature and a light output 5 pnpn diode 10 is under the following conditions

signal relativ hoher Intensität erhalten wird. hergestellt: Die Dicke der GaAs-Platte vom n-iyprelatively high intensity signal is obtained. Manufactured: The thickness of the n-type GaAs plate

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- ist etwa 50 μ, die Konzentration der lreien eWKiro-According to the invention, this task is achieved by about 50 μ, the concentration of the free eWKiro-

löst, daß die Dotierung von mindestens drei Schich- nen durch Dotierung mit Si ist ΐ·ιυ /cm·, αιβsolves that the doping of at least three layers by doping with Si is ΐ · ιυ / cm ·, αιβ

ten aus den gleichen amphoteren Dotieratoraen be- Dicken der Zwischenschichten vom p-Typ und n-iypth from the same amphoteric dopants with thicknesses of the p-type and n-type intermediate layers

sieht und daß die drei Schichten aus der flüssigen io sind beide 2 bis 10 μ, die Ladungsträgerkonzentra-sees and that the three layers of the liquid io are both 2 to 10 μ, the charge carrier concentration

Phase durch epitaxiales Wachstum derart gebildet tionen durch Si sind beide etwa 1 · lü»«/cm·, diePhase formed by epitaxial growth in this way

sind, daß die Dicke der zwei Zwischenschichten mit obere p-Typ-Schicht ist etwa 100 μ dick und dieare that the thickness of the two intermediate layers with top p-type layer is about 100μ thick and the

der Dillusionslänge der Minoritätsträger in der ver- Ladungstra'gerkonzentraüon etwa 1 · 1^"'0"1 · ßin the dillusion length of the minority carriers in the charge carrier concentration about 1 · 1 ^ "' 0 " 1 · ßin

wendeten Halbleiterverbindung annähernd identisch erster ohmscher Kontakt 15 ist mit dem buDstrat nThe semiconductor connection used is almost identical to the first ohmic contact 15 with the buDstrat n

ist I5 vom η-Typ verbunden, und ein zweiter ohmscher 5 is connected from the I η-type, and a second resistive

' Das die Erfindung aufweisende Halbleiterelement Kontakt 16 ist mit der oberen p-Typ-Schicht 14 ver-'The semiconductor element contact 16 having the invention is connected to the upper p-type layer 14

ist auf Grund der Dotierung der verschiedenen bunden.is due to the doping of the various bonds.

Schichten mit den gleichen Dotieratomen durch epi- Die Kontakte 15 und 16 dienen zur Zutülirung taxiales Wachstum auf relativ einfache Weise her- einer Anregungsspannung von der Spannungsquelle stellbar. Da ein i-Bereich hohen Widerstandes bei so 17 zur Vorspannung der Diode zwischen den rudern erfindungsgemäßen Halbleiterelement nicht vor- ständen niedriger und hoher Niveaus, ücr ^angesehen ist, weist das erfindungsgemäße Halb- nungsweg schließt weiter eine Signalquelle IH und lehrelement eine verbesserte Schaltgeschwindig- einen Belastungswiderstand 19 (AL) ein.
keit auf. Die pnpn-Diode 10 weist eine negative Wider-Vorteilhafte Ausgestaltungen des die Erfindung 25 Standscharakteristik vom stromgesteuerten Typ auf, aufweisenden Halbleiterelements sind in den Unter- wie sie durch die Spannungs-Strom-Funktion in ansprüchen gekennzeichnet. Fig. 2 dargestellt ist. Wie aus diesem Funktions-Layers with the same doping atoms by epi- The contacts 15 and 16 are used for the supply of taxial growth in a relatively simple manner, an excitation voltage can be set from the voltage source. Since an i-region of high resistance at so 17 for biasing the diode between the rows of semiconductor elements according to the invention is not considered to be low and high levels, the half-way according to the invention further includes a signal source IH and teaching element an improved switching speed. a load resistor 19 (AL).
on. The pnpn diode 10 has a negative resistance. Advantageous configurations of the semiconductor element having the current-controlled type, the invention 25 are characterized in the sub- as they are characterized by the voltage-current function in claims. Fig. 2 is shown. As from this functional

Ausführungsbeispiele des die Erfindung aufweisen- verlauf zu sehen ist, ist die Charakteristik in drei den Halbleiterelements werden nachstehend an Hand Hauptbereiche unterteilt: den Sperrbereich (I), den der Figuren näher beschrieben. Von den Figuren 30 Bereich negativen Widerstandes (II) und den Leitzeigt bereich (III). Zur Erklärung der Si-pnpn-VerbmdungExemplary embodiments of the course of the invention can be seen, the characteristic is in three The semiconductor elements are divided below on the basis of main areas: the blocking area (I), the of the figures described in more detail. From the figures 30 area of negative resistance (II) and the lead shows area (III). To explain the Si-pnpn connection

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine die Erfindung soll die Diode vom η Ip2 «3 ρ 4- Auf bau als zweiFig. 1 is a cross section through the invention, the diode from η Ip2 «3 ρ 4- on construction as two

aufweisende PNPN-Diode sowie eine daran ange- Transistoren vom nlp2n3- und ρ2«3ρ4-Autbauhaving PNPN diode and one connected to it transistors from the nlp2n3 and ρ2 «3ρ4 structure

schlossene Schaltung, betrachtet werden. Ist die Summe der Stromverstar-closed circuit. Is the sum of the electricity

Fig. 2 eine typische Spannungs-Strom-Charak- 35 kungsfaktoren (Fl + F2) kleiner als eins, dann stelltFig. 2 shows a typical voltage-current characteristic factor (Fl + F2) smaller than one, then represents

teristik der in F i g. 1 gezeigten pnpn-Diode, die pnpn-Diode den Sperrzustand dar; ist cue Summeteristics of the in F i g. 1 shown pnpn diode, the pnpn diode represents the blocking state; is cue sum

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Poten- (Fl +F2) größer als eins, dann entspricht das demFig. 3 is a schematic representation of the potential (Fl + F2) greater than one, then this corresponds to

tialverteilung in der Diode, Leitzustand; Fl und F2 sind die Stromverstarkungs-tial distribution in the diode, conduction state; Fl and F2 are the power amplification

Fi g. 4 eine graphische Darstellung einer typischen faktoren der beiden Transistoren nlp2n3 undFi g. 4 shows a graph of a typical factor of the two transistors nlp2n3 and

Strom-Strahlungsleistungsausgangscharakteristik der 4° ρ 2 η 3 ρ 4.Current-radiant power output characteristic of the 4 ° ρ 2 η 3 ρ 4.

Diode, Sollten die Schichten ρ4 und nl so vorgespanntDiode, layers ρ4 and nl should be so biased

F i g. 5 ein Spektrum der ausgesandten Strahlungs- sein, daß die erstere positiv und die letztere negativF i g. 5 be a spectrum of the emitted radiation, that the former is positive and the latter is negative

leistung der Diode, ist, dann sind die Verbindungen /12 und /34 vor-power of the diode, then the connections / 12 and / 34 are available.

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Spannungs- gespannt, während die Zwischenverbindung/23F i g. 6 is a graphic representation of the stresses while the interconnection / 23

Belastungs-Charakteristik der Diode und 45 rückwärts gespannt ist, was zur Folge hat, daß emLoad characteristic of the diode and 45 is biased backwards, with the result that em

Fig. 7 einen Querschnitt durch ein gegenüber dem kleiner Strom fließt, wenn die angelegte Spannung in F i g. 1 abgewandeltes pnpn-Halbleiterelement. verhältnismäßig niedrig ist. Das entspricht dem Bein F i g. 1 ist ein Querschnitt durch eine Diode 10 reich I in F i g. 2.Fig. 7 shows a cross section through an opposite which small current flows when the applied voltage in Fig. 1 modified pnpn semiconductor element. is relatively low. That corresponds to the leg F i g. 1 is a cross section through a diode 10 in FIG. 1. 2.

vom pnpn-vier-Schichten-Aufbau mit negativer Ein Anwachsen der angelegten Spannung mit derfrom the pnpn four-layer structure with negative A, the voltage applied increases with the

Widerstandscharakteristik und Lichtemission gezeigt. 50 Diodencharakteristik im Bereich I bewirkt em An-Resistance characteristics and light emission shown. 50 Diode characteristics in area I cause an on

Die Diode 10 ist aus einer Halbleiterkristallplatte heben der Elektronen, die von der Schicht η 1 lnjihergestellt, deren Grundkörper ein Si-dotierter GaAs- ziert sind, durchziehend zur Verbindung /34 mit dem Einkristall (nl) 11 vom η-Typ ist Die Halbleiter- Ergebnis einer Verbesserung der Löchennjizierung platte 11 weist einen hohen Energieabstand zwischen von der Schicht ρ 4. Erreichen die injizierten Lochei den Bändern und einen niedrigen Widerstandswert 55 von der Schicht ρ 4 die Verbindung/12, dann beauf. Das Element weist eine extrem dünne Si-dotierte fördern sie die Injektionen der Elektronen von dei GaAs-Schicht(p2)12 vom p-Typ und eine GaAs- Schicht η 1, was ein Anwachsen der Injektion vor Schicht (n3) 13 vom η-Typ und eine weitere Si- Elektronen und Löchern zum Basisbereich ρ 2 uno dotierte GaAs-Schicht (p4) 14 vom p-Typ auf der «3 bewirkt. Daraus folgt die sogenannte Elektronen-Oberfläche der Halbleiterplatte 11 auf. Die Grenzen 60 Vervielfachung. Auf der anderen Seite ist die Verbinzwischen den einzelnen Schichten stellen die Verbin- dung/23 umgekehrt vorgespannt, so daß eine hohe düngen/12, /23 und /34 dar. Jede der Schichten Spannung herrscht mit dem Ergebnis, daß eineElek-12. 13, 14 wird typischerweise durch einen epi- tronenvervielfachung auftritt, hervorgerufen durch taxialen Wachstumsprozeß aus der flüssigen Phase eine Elektronenlawine, die durch Durchbruch ausgezüchtet, worin eine Schmelze, wie etwa eine Ga- 65 gelöst wird. Als Folge der obenerwähnten Vorgänge Schmelze, mit einer GaAs-Quelle und Si-Beimengung werden die Schichten 77 3 und ρ 4 durch Elektroner als sogenannte amphoterische Beimengung auf die und Löcher überflutet, die sich ansammeln und du Oberfläche der Halbleiterplatte 11 aufgebracht und Verbindung/23 in Durchlaßrichtung zur graduellerThe diode 10 is made of a semiconductor crystal plate lift the electrons, which are produced by the layer η 1 lnji, the base body of which is a Si-doped GaAs, traversing to the connection / 34 with the single crystal (nl) 11 of the η-type. Result of an improvement in the hole injection plate 11 has a high energy gap between from the layer ρ 4. If the injected holes reach the strips and a low resistance value 55 from the layer ρ 4, the connection / 12 then applies. The element has an extremely thin Si-doped they promote the injections of electrons from the GaAs layer (p2) 12 of the p-type and a GaAs layer η 1, which increases the injection before layer (n3) 13 of the η- Type and a further Si electrons and holes to the base region ρ 2 uno doped GaAs layer (p4) 14 of the p-type on the «3 causes. The so-called electron surface of the semiconductor plate 11 follows from this. The limits 60 multiplication. On the other hand, the connection between the individual layers represents the connection / 23 reversely biased, so that a high fertilization / 12, / 23 and / 34 represent. 13, 14 is typically caused by epitron multiplication, caused by taxial growth from the liquid phase to an avalanche of electrons that grow through breakthrough in which a melt, such as a Ga 65, is dissolved. As a result of the above-mentioned processes of melt, with a GaAs source and Si admixture, the layers 77 3 and ρ 4 are flooded by electrons as a so-called amphoteric admixture on the and holes that accumulate and are applied to the surface of the semiconductor plate 11 and compound / 23 in the forward direction to the more gradual

Reduzierung der Spannung vorspannen, mit dem Er- mit / als dem Antriebsstrom und η als einer von der gebnis eines Abfalls der Spannung zwischen den Diode abhängenden Konstanten.
Schichten η 1 und ρ4 (Bereich II in Fig. 2). Dieser Der Mechanismus der Lichtemission beruht, wieBias voltage reduction, with er with / as the drive current and η as a constant depending on the result of a drop in voltage between the diode.
Layers η 1 and ρ4 (area II in Fig. 2). This The mechanism of light emission is based on how

Abfall setzt sich fort, bis das Gleichgewicht der bekannt ist, auf der Rekombination von Löchern und Spannung an der Verbindung/23 erreicht ist, was 5 Elektronen. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit im wesentlichen eine Leitfähigkeitsbedingung bedeu- der Rekombination zwischen von der Schicht η 1 intet, bei der ein großer Strom hindurchgehen kann. jizierten Elektronen und den von der Schicht ρ 4 Diese Leitfähigkeitsbedingung des Leitbereichs liefert injizierten Löchern, die an den beiden Verbindungsdieselbe Spannungs-Strom-Charakteristik dieser stellen /12 und /34 aus Gründen des Baus der pnpn-Diode wie bei einer herkömmlichen pn-Diode. io pnpn-Diode stattfinden. Die Lichtemissionsausbeute F i g. 3 zeigt schematisch die Potentialverteilung der bei der erfindungsgemäßen Lichtemissionsdiode ist pnpn-Diode für den thermischen Gleichgewichtszu- jedoch größer als bei herkömmlichen Lichtemissionsstand (a), in Vorspannung des Sperrbereiches (b) und dioden. Sind die Verbindungen /12 und /34 in leides Leitbereiches (c). tender Richtung vorgespannt, während die Zwischen-Fall continues until the equilibrium is known on the recombination of holes and Voltage reached at connection / 23 is what 5 electrons. There is a high probability essentially a conductivity condition meaning the recombination between from the layer η 1 intet, where a great current can go through. projected electrons and those from the layer ρ 4 This conduction condition of the conduction region provides injected holes that are the same at the two junctions Voltage-current characteristics of these places / 12 and / 34 for reasons of the construction of the pnpn diode as with a conventional pn diode. io pnpn diode take place. The light emission efficiency F i g. 3 schematically shows the potential distribution in the light-emitting diode according to the invention pnpn diode for thermal equilibrium increase, however, larger than with conventional light emitting stands (a), in bias of the blocking region (b) and diodes. Are the connections / 12 and / 34 in suffering Control area (c). in the tender direction, while the intermediate

Wie bereits beschrieben wurde, weist die pnpn- 15 verbindung/23 in entgegengesetzter Richtung vorDiode keine durch Dotierung mit einer Beimengung gespannt ist, dann rekombiniert ein Teil der von der mit verhältnismäßig tiefem Niveau gebildete Halb- Schicht «1 injizierten Elektronen mit den Löchern isolationsschicht auf und verwendet nicht die Doppel- in derselben Schicht η 1. Die verbleibenden injizierten injektion, so daß eine negative Widerstandscharak- Elektronen erreichen die Verbindung /34 und reteristik aufzuweisen ist. Dafür kann nicht eintreten, 20 kombinieren mit den Löchern in den Schichten ρ 2 daß bei Zimmertemperatur der negative Widerstand und η 3 und rekombinieren weiter mit den Löchern der pnpn-Diode unwirksam ist, während die her- in der Nachbarschaft der Verbindung/34, so daß kömmliche pin-Diode keine negative Widerstands- nach und nach die Elektronen verschwinden. Dascharakteristik bei Zimmertemperatur hat, da die selbe Phänomen läuft mit den von der Schicht ρ 4 halbisolierende Schicht bei Zimmertemperatur leitend 25 injizierten Löchern ab. Wenn die injizierten Elektrowird. Bei der verbesserten pnpn-Diode haben die nen und Löcher die Verbindung /23 erreichen, rufen Schwellenspannung Vth und -strom ZiA und die Be- sie eine Vervielfachung der Träger hervor. Auf dem legungsspannung Vh und -strom Ih die folgenden Wege zu den Verbindungen/12 und /34 oder di-Werte: Vth = 2 bis 25 V, ItIi = OA bis 2OmA, rekt an den Verbindungen/12 und /34 rekombi- Vh = 1,3 bis 1,4 V, /ft = 1 bis 70 mA. Diese Werte 30 nieren diese vervielfachten Träger und erzeugen sind für die Darstellung der Charakteristik der pnpn- Licht, wodurch die Ausbeute der Lichtemission beDiode wesentlich. Die Belegungsspannung Vh ist eine trächtlich ansteigt. As already described, the pnpn connection / 23 has in the opposite direction before the diode is not strained by doping with an admixture, then part of the electrons injected by the half-layer «1 formed at a relatively low level recombines with the hole insulation layer and does not use the double in the same layer η 1. The remaining injected injection, so that a negative resistance charak- electrons reach the compound / 34 and has reteristics. This cannot occur, 20 combine with the holes in the layers ρ 2 that at room temperature the negative resistance and η 3 and recombine further with the holes of the pnpn diode is ineffective, while the one in the vicinity of the connection / 34, so that conventional pin diode no negative resistance - gradually the electrons disappear. The characteristic at room temperature is that the same phenomenon occurs with the holes conductively injected from the layer ρ 4 of the semi-insulating layer at room temperature. When the injected electric becomes. In the improved pnpn diode, the holes and holes reach the junction / 23, cause the threshold voltage Vth and current ZiA and the bees cause the carriers to multiply. On the application voltage Vh and current Ih the following paths to the connections / 12 and / 34 or di values: Vth = 2 to 25 V, ItIi = OA to 20mA, right at the connections / 12 and / 34 recombi- Vh = 1.3 to 1.4 V, / ft = 1 to 70 mA. These values renate these multiplied carriers and are used to represent the characteristics of the pnpn light, which means that the yield of the light emission is essential. The occupancy voltage Vh increases significantly.

auf die Art des Halbleitermaterials bezogene Kon- F i g. 5 zeigt ein Spektrum der von der pnpn-DiodeCon- F i g related to the type of semiconductor material. 5 shows a spectrum of the pnpn diode

stante. Die Schwellenspannung Vth und der Schwel- ausgesandten Strahlung. Die Wellenlänge der von lenstrom Ith können durch entsprechende Wahl der 35 der pnpn-Diode ausgesandten Strahlung liegt bei Fertigungsparameter geeignet gewählt werden. Die Zimmertemperatur etwa bei 940 πΐμ und bei der Schalt- oder Anschaltzeit der pnpn-Diode ist durch Temperatur des flüssigen Stickstoffs bei etwa 890 πΐμ. die Elektronen- und Lochwanderungszeit durch den Die pnpn-Diode arbeitet also bei Zimmertemperatur Basisbereich der pnp- und npn-Transistoren be- zufriedenstellend. Die äußere Quantenausbeute der stimmt. Die Schaltgeschwindigkeit ist deshalb desto 40 pnpn-Diode liegt bei 2 bis 3 °/o.
höher, je dünner der Basisbereich ist. Da zwei Zwi- In F i g. 6 sind die experimentellen Werte aufge-stante. The threshold voltage Vth and the threshold emitted radiation. The wavelength of the emitted radiation of lenstrom Ith out can be selected at suitable production parameters is by appropriate selection of 35 of the pnpn diode. The room temperature is around 940 πΐμ and the switching or on time of the pnpn diode is due to the temperature of the liquid nitrogen at around 890 πΐμ. The pnpn diode works satisfactorily at room temperature in the base area of the pnp and npn transistors. The external quantum yield is true. The switching speed is therefore the 40 pnpn diode is 2 to 3%.
higher, the thinner the base area. Since two inter- In F i g. 6 shows the experimental values

schenschichten der obigen pnpn-Dioden extrem dünn tragen, die die Abhängigkeit der Vorspannung V von sind, werden befriedigende Frequenzeigenschaften der Kapazität C zeigen,
erhalten. Wegen der pnpn-Struktur kann die pnpn-DiodeCarrying layers of the above pnpn diodes extremely thin, which are the dependence of the bias voltage V on, will show satisfactory frequency properties of the capacitance C,
obtain. Because of the pnpn structure, the pnpn diode

Die Einschaltzeit der obigen pnpn-Diode beträgt 45 als eine Reihe von pn-np-pn betrachtet werden. Es etwa 1 nstc. Dieser Wert ist um etwa eine Größen- kann aus dieser Zeichnung entnommen werden, daß Ordnung kleiner als bei den Si-dotierten pnpn-Schalt- die Charakteristiken für beide Richtungen (umgedioden bekannter Art. Die pnpn-Diode kann schnell kehrt und vorwärts) eine wesentlich gleiche Symmegeschaltet werden, da sie keine Schicht hohen Wi- trie wie die Polarität der Vorspannung aufweisen derstandes enthält, der durch Dotierung mit einer 50 und daß die Charakteristiken vertikal verschober Beimengung mit tiefem Niveau gebildet wird — im werden, wenn die Diode bestrahlt wird.
Gegensatz zu den herkömmlichen pin-Dioden. Die Es wird nun ein Beispiel für die Herstellung eineiThe turn-on time of the above pnpn diode is 45 to be considered as a series of pn-np-pn. It about 1 nstc. This value is about one size - can be seen from this drawing that order is smaller than with the Si-doped pnpn switching - the characteristics for both directions (reversed diodes of known type. The pnpn diode can quickly reverse and forward) a substantial the same symmetry, since they do not have a high-wi layer like the polarity of the bias voltage contains the state which is formed by doping with a 50 and that the characteristics of vertically displaced admixture with a low level - im become when the diode is irradiated.
In contrast to the conventional pin diodes. There will now be an example of making a

pnpn-Diode 10 weist auch eine Lichtemission auf, pnpn-Diode der oben beschriebenen Art gegeben was in F i g. 4 durch den Strom-Strahlungsleistungs- Als Beimengung wird nur Si verwendet. Die dre ausgang dargestellt ist. Die obige pnpn-Diode stellt 55 Schichten pnp 12, 13 und 14 können auf einem Sub eine Art von Injektionsemissionsdiode dar, und die strat 11 vom η-Typ in einem einzigen Prozeß durcl Intensität des Infrarotlichtes ist proportional dem epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase gebil Diodenstrom. Wie aus F i g. 4 entnommen werden det werden. Bei GaAs können die Atome der Gruppf kann, ist des ausgesandte Licht annähernd propor- IV, wie Si, Ge und Sn, sowohl als Donatoren wi< tional dem Antriebsstrom. Unabhängig vom Typ des 60 auch als Akzeptoren wirken und werden deshalb all Bereiches, positivem oder negativem Widerstand, amphoterische Beimengungen bezeichnet Die Atomi kann die von der Diode kommende Strahlungs- der Gruppe IV wirken als Donatoren, wenn sie eil leistung P immer so sein, daß die Lichtemission pro- Ga-Atom des GaAs-Gitters ersetzen, und als Akzep portional dem Antriebsstrom ist. toren, wenn sie As ersetzen. Im allgemeinen win PNPN diode 10 also has a light emission, PNPN diode of the type described above given what is shown in FIG. 4 due to the current radiation power. Only Si is used as an admixture. The dre output is shown. The above pnpn diode represents 55 layers pnp 12, 13 and 14 can be a kind of injection-emitting diode on one sub , and the strat 11 of the η-type in a single process by the intensity of the infrared light is proportional to the epitaxial growth from the liquid phase Diode current. As shown in FIG. 4 can be removed. With GaAs the atoms of the group can, the emitted light is approximately proportional IV, like Si, Ge and Sn, both as donors wi <tional to the drive current. Regardless of the type of 60, they also act as acceptors and are therefore referred to in all areas, positive or negative resistance, amphoteric admixtures replace the light emission per Ga atom of the GaAs lattice, and as accepportional to the drive current. if they replace Ace. In general, win

Die Ausgangsstrahlungsleistung P kann angenähert 65 erne n-Typ-Schicht erhalten, wenn Si-dotiertes GaA ausgedrückt werden durch aus der geschmolzenen Phase im stöchiometrischeiThe output radiant power P can be obtained approximately 65 in an n-type layer when Si-doped GaA are expressed by from the molten phase in the stoichiometric i

Zustand wächst, weil das aus der geschmolzene) P ~ 7", Phase gewachsene GaAs überflüssiges Ga aus denState grows because the GaAs grown from the molten) P ~ 7 "phase becomes superfluous Ga from the

stöchiometrischen Zustand erhält infolge der Reduk- Anwachsen der Zahl der Ga-Leerstellen gegenüberstoichiometric state is obtained as a result of the Reduk increase in the number of Ga vacancies compared to

tion der Si-Konzentration im Ga-Gitter und eines der Zahl der As-Leerstellen, so daß eine Schicht mittion of the Si concentration in the Ga lattice and one of the number of As vacancies, so that a layer with

Anwachsens der Si-Konzentration im As-Gitter. Das η-Leitfähigkeit wächst.Increase in the Si concentration in the As lattice. The η-conductivity increases.

Wachsen der Si-dotierten GaAs-Epitaxialschicht Die Entwicklung dieser neuen Epitaxialwachsnach dem Verfahren der Züchtung aus der flüssigen 5 tumstechnik ist in großem Maß nützlich beim Her-Phase bewirkt das Wachsen einer GaAs-Schicht vom stellen einer GaAs-lichtemittierenden Diode mit nen-Typ bei verhältnismäßig hoher Temperatur, wäh- gativem Widerstand vom oben beschriebenen Typ. rend ein Übergang von η nach ρ im Wachsen bei Ein Si-pnpn-Element wird in der Praxis als pnpnabnehmender Temperatur auftritt. Schalter oder SCR-Element verwendet, aber es istGrowing the Si-doped GaAs epitaxial layer. The development of this new epitaxial wax The process of growing from liquid tumbling technology is to a great extent useful in the Her phase causes a GaAs layer of the N-type GaAs light emitting diode to grow at a relatively high temperature, partial resistance of the type described above. rend a transition from η to ρ while growing at A Si-pnpn-element is in practice called pnpn-decreasing Temperature occurs. Switch or SCR element used, but it is

Die Temperatur dieses Überganges vom n- zum io schwierig, ein gleichartiges GaAs-Element mit derThe temperature of this transition from n to io difficult to find a similar GaAs element with the

p-Typ hängt von verschiedenen Faktoren, wie etwa herkömmlichen epitaxialen Wachstumstechnik zup-type depends on various factors, such as conventional epitaxial growth technique too

der Kristallorientierung des GaAs und der Art der fertigen. Der Diffusionsweg des Minderheitsträgersthe crystal orientation of the GaAs and the type of finished. The diffusion path of the minority carrier

Beimengung, ab. Der Übergang wird auch durch die für GaAs ist sehr klein, etwa vom Wert 1 bis 10 μ,Admixture, from. The transition is also very small for GaAs, roughly from the value 1 to 10 μ,

Temperaturabnahmegeschwindigkeit während des und die Dicken der zwei Zwischenschichten müssenRate of temperature decrease during and the thicknesses of the two intermediate layers must

Wachsens beeinflußt. Dieser Übergang zeigt das oben 15 so gesteuert werden, daß diese etwa gleich dem Diffu-Growing affected. This transition shows that above 15 are controlled in such a way that this is approximately equal to the diffusion

beschriebene Verhalten bei Wachstum der p-Typ- sionsweg sind, damit negative Widerstandscharak-described behavior during growth of the p-typing path, so that negative resistance charac-

Schicht zu Beginn der Abkühlung, während an- teristiken auftreten. Bei den herkömmlichen Herstel-Layer at the beginning of cooling, while an- teristics occur. In the conventional manufac-

schließend mit anwachsender Temperaturabnahme- lungsverfahren war eine derartige Steuerung unmög-closing with increasing temperature decrease process, such a control was impossible.

geschwindigkeit eine n-Typ-Schicht wächst und dar- lieh.speed an n-type layer grows and borrows.

auffolgend ein spontaner Übergang zum Wachstum 20 Die GaAs-lichtemittierende Diode negativen Wieiner p-Typ-Schicht erfolgt. Am Anfang soll die derstandes des obigen Typs hat den Vorteil, daß Temperaturabnahmegeschwindigkeit 0,2° C/min be- Lichtemission auftritt und bei einem optischen Ostragen, damit eine Schicht vom p-Typ wächst. zillator, optischen Verstärker, optischen Modulator Schichten vom η-Typ und vom p-Typ wachsen auf- oder anderen verschiedenen optischen logischen Syeinanderfolgend bei einer hohen Temperatur- 25 stemen angewendet werden kann. Die pnpn-Diode abnahmegeschwindigkeit von 10° C/min. Das bedeu- kann weiterhin durch Hinzufügen einer Torelektrode tet, daß drei Schichten vom p-, n-, p-Typ allein durch zu einer oder zwei der Zwischenbasisschichten ange-Steuerung der Temperatur und der Temperatur- wendet werden. F i g. 7 zeigt die pnpn-Diode mit abnahmegeschwindigkeit wachsen. Die Dicke der Hinzufügen der Torelektrode. In dieser Zeichnung entsprechenden Schichten wird bestimmt durch die 30 ist der Bereich 20 vom p-Typ vorzugsweise durch Temperaturabnahmegeschwindigkeit und die Dauer, einen Diffusionsprozeß hergestellt worden. Der Be- und entsprechend kann die Dicke genau bestimmt reich 20 ist in die Zwischenschicht 12 mit Zn hinwerden durch richtige Steuerung der Wachstumszeit. eindiffundiert, und mit diesem p-Typ-Bereich 20 ist Eine nach dem obigen Verfahren gewachsene Si- ein dritter ohmscher Kontakt 21 verbunden. Das in dotierte GaAs-lichtemittierende Diode mit negativem 35 F i g. 7 dargestellte Element unterscheidet sich nur Widerstand wird charakterisiert durch eine ausge- in diesem Punkt von dem in F i g. 2 dargestellten, zeichnete Quantenausbeute der Lichtemission, die Mit einer in Leitrichtung liegenden Vorspannung an etwa zehnmal so groß ist wie bei herkömmlichen der Anode 16, deren Größe über deT Durchbruchs-Dioden. spannung der pnpn-Diode liegt, befindet sich diefollowed by a spontaneous transition to growth 20 The GaAs light emitting diode negative Wieiner p-type shift occurs. At the beginning, the stand of the above type has the advantage that Temperature decrease rate 0.2 ° C / min when light emission occurs and with an optical east bearing, so that a p-type layer grows. zillator, optical amplifier, optical modulator Η-type and p-type layers grow on or other different optical logic sequentially can be used at a high temperature. The pnpn diode take-off speed of 10 ° C / min. This can also mean adding a gate electrode tet that three layers of p-, n-, p-type alone by control to one or two of the intermediate base layers the temperature and the temperature. F i g. 7 shows the pnpn diode with increase the rate of decrease. The thickness of adding the gate electrode. In this drawing corresponding layers is determined by the 30, the region 20 is preferably of the p-type Rate of temperature decrease and the duration, a diffusion process has been established. The loading and accordingly, the thickness can be precisely determined rich 20 in the intermediate layer 12 with Zn by properly controlling the growing time. diffused in, and with this p-type region 20 is A Si grown according to the above method is connected to a third ohmic contact 21. This in doped GaAs light emitting diode with negative 35 F i g. 7 only differs Resistance is characterized by a difference at this point from that in FIG. 2 shown, recorded the quantum yield of the light emission, the With a bias in the conduction direction about ten times the size of conventional anode 16, the size of which is about deT breakdown diodes. voltage of the pnpn diode is, the

Der p-n-Übergang und seine Abhängigkeit von der 40 pnpn-Diode im hochleitenden Zustand. Zu diesem Temperaturabnahmegeschwindigkeit kann phäno- Zeitpunkt tritt Lichtemission in der Nachbarschaft menologisch folgendermaßen erklärt werden: In der pn-Verbindungen /12 und /34 auf. Sogar im einem Prozeß epitaxialen Wachstums aus einer Si- Zustand geringer Leitung bei Anwendung einer Vordotierten Flüssigkeit wächst gewöhnlich, wenn Ga spannung in Leitrichtung am Torkontakt 21 ist die und As in der geschmolzenen Zone stöchiometrisch 45 pnpn-Diode so geschaltet, daß sie anschaltet. Vom ausgeglichen sind, eine GaAs-Schicht vom η-Typ, Standpunkt der Verwendung als elektronisches odei weil das System dazu neigt, Ga-Leerstellen zu er- optoelektronisches Schaltelement sind folgende nützzeugen, die durch Si-Atome besetzt werden. liehen Merkmale der pnpn-Diode aufzuzählen:The p-n junction and its dependence on the 40 pnpn diode in the highly conductive state. To this The rate of decrease in temperature can be pheno- Time when light emission occurs in the vicinity can be explained menologically as follows: In the pn connections / 12 and / 34 on. Even in the a process of epitaxial growth from a low conductivity Si state using predoped Liquid usually grows when Ga is the voltage in the conduction direction at the gate contact 21 and As in the molten zone stoichiometrically 45 pnpn diode switched so that it turns on. From the are balanced, an η-type GaAs layer, from the point of view of use as an electronic odei because the system tends to produce Ga vacancies. which are occupied by Si atoms. enumerate borrowed features of the pnpn diode:

Besitzt auf der anderen Seite das flüssige SystemOn the other hand, owns the liquid system

ein gewisses Übermaß an Ga, dann wird die Situation 50 a) Verstärkung eines elektrischen Signals und Umumgekehrt. Der wesentliche Parameter zur Steuerung Wandlung in ein Lichtausgangssignal,
der Situation ist das Überkühlungsphänomen nahe b) Oszillation eines elektrischen Signals und Um· der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase Wandlung in ein Lichtausgangssignal als Lichtbei einer gegebenen Temperatur, d. h., daß die Nei- impulsoszillator,
gung zur Lieferung von Ga-Leerstellen oder As-Leer- 55 c) bistabiler Schalter oder Speicherelement,
stellen durch die Differenz der Segregationskonstan- d) Moduiation eines Lichtausgangssignals mil ten von Ga und As und ehe Diffusionskonstante von einem elektrischen Signal *"
Si-Atomen in die Leerstellen bestimmt wird, die alle . * 1 1» · ν Λ, , „,,
SmpSurabhängig sind. Gemäß dem Gründeten- e) optoelektronischer Ankuppler und Isolator.a certain excess of Ga, then situation 50 a) amplification of an electrical signal and vice versa. The essential parameter for controlling conversion into a light output signal,
the situation is close to the overcooling phenomenon b) oscillation of an electrical signal and conversion of the interface between liquid and solid phase into a light output signal as light at a given temperature, ie
supply of Ga vacancies or As vacancies 55 c) bistable switch or storage element,
set by the difference of Segregationskonstan- d) modu i at ion of a light output mil diffusion constant th of Ga and As and before an electric signal * "
Si atoms in the vacancies is determined, all. * 1 1 »· ν Λ ,," ,,
Are dependent on SmpSur. According to the principle - e ) optoelectronic coupler and isolator.

ment sind bei einem flüssigen System mit einem 60ment are in a liquid system with a 60

Übermaß von Ga und niedriger Temperaturabnahme- Die Halbleiter aus den Komponenten der GruppiExcess of Ga and low temperature decrease- The semiconductors from the components of the group

geschwindigkeit mehr As-Leerstellen als Ga-Leer- m bis V außer GaAs sind GaP, InP, GaSb, GaN stellen vorhanden, so daß die Si-Beimengung die AlSb, AlAs, (GaAs)AL Ga(AsP) und (GaAl)P, un( As-Leerstellen emnimmt, wodurch die p-Leitfähig- die amphoterischen Beimengungen außer Si sind Gt keit entsteht. Bei hoher Temperaturabnahmege- 6s und Sn. Das die Erfindung aufweisende Halbleiter schwindigkeit fördert ein Überkühlungsphänomen bauelement kann aus allen obigen Halbleitei die Segregation von As-Atomen und ein relatives materialien hergestellt sein.speed more As vacancies than Ga vacancies - m to V except GaAs are GaP, InP, GaSb, GaN so that the Si admixture contains AlSb, AlAs, (GaAs) AL Ga (AsP) and (GaAl) P, un ( As vacancies, whereby the p-conductivity- the amphoteric admixtures except Si are Gt arises. With a high temperature decrease, 6s and Sn. The semiconductor embodying the invention speed promotes an overcooling phenomenon component can consist of all of the above semiconductors the segregation of As atoms and a relative material must be established.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209528/42 1 sheet of drawings 209528/42

Claims (4)

1 2 solcher duroh Verwendung dieser neuen Elemente Patentansprüche: vereinfachten Schaltungen nicht aufgenommer worden.1 2 such use of these new elements claims: simplified circuits not been included. 1. PNPN-Halbleiterelement aus vier aufeinan- Die Halbleiterelemente des genannten Typs weiser derfolgenden, wechselweise einen entgegengesetz- 5 meist eine dreischichtige pin-Struktur auf, Beispiels· ten Leitfähigkeitstyp aufweisenden Schichten, die weise wird auf einem η-leitenden GaAs-Substrat eir aus der gleichen Halbleiterverbindung aus EIe- Bereich i hohen Widerstandes dadurch gebildet, dal; menten der Gruppe III bis V bestehen und eine mit einem Akzeptormaterial relativ tiefen Niveaus Dotierung aufweisen, mit Mitteln zur Vorspan- wie etwa Mn, dotiert wird, und ein Bereich ρ gerin· nung der vier Schichten in Leitrichtung, d a - io gen Widerstandes wird durch eine weitere Dotierunj durch gekennzeichnet, daß die Dotie- mit einem Akzeptormaterial flachen Niveaus, wie rung von mindestens drei Schichten (12 bis 14) etwa Zn, erhalten.1. PNPN semiconductor element made up of four successive The semiconductor elements of the type mentioned wiser the following, alternately an opposing 5 mostly a three-layer pin structure, for example th layers having conductivity type, which is eir on an η-conductive GaAs substrate formed from the same semiconductor compound from EIe region i high resistance in that; Groups III to V exist and one with an acceptor material with relatively low levels Have doping, is doped with means for biasing such as Mn, and a region ρ is small tion of the four layers in the conduction direction, i.e. the resistance is achieved by further doping characterized in that the doping with an acceptor material flat levels, such as tion of at least three layers (12 to 14) such as Zn obtained. aus den gleichen amphoteren Dotieratomen be- Der i-Bereich weist tiefe Einfangzentren für Elek-composed of the same amphoteric doping atoms. The i-region has deep capture centers for elec- steht und daß die drei Schichten (12 bis 14) uus tronen und Löcher auf, deren Wirkungsquerschnitistands and that the three layers (12 to 14) uus tronen and holes, their effective cross sections der flüssigen Phase durch epitaxiales Wachstum 15 für Löcher sich merklich von dem für Elektronerthe liquid phase by epitaxial growth 15 for holes is noticeably different from that for electrons derart gebildet sind, daß die Dicke der zwei unterscheidet. In einer solchen pin-Struktur kanrare formed so that the thickness of the two is different. In such a pin structure can Zwischenschichten (12, 13) mit der Diffusions- eine Doppelinjektion ein bedeutendes AnwachserIntermediate layers (12, 13) with diffusion and double injection are a significant growth agent länge der Minoritätsträger in der verwendeten der Lebensdauer im i-Bereich zur Folge haben unclength of the minority carrier in the used the lifetime in the i-range result in unc Halbleiterverbindung annähernd identisch ist. bewirken, daß die Diode einen negativen WiderstandSemiconductor compound is almost identical. cause the diode to have negative resistance 2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch 20 aufweist, da im Endeffekt der i-Bereich leitfähigkeitsgekennzeichnet, daß die Halbleiterverbindung moduliert wird. Für Materialien wie GaAs ist dei GaAs ist und die amphoteren Dotieratome Si Wirkungsquerschnitt der Einfangzentren für Löchei sind. beträchtlich größer als der für Elektronen. Bei An-2. Semiconductor element according to claim 1, characterized in that, in the end, the i-region is characterized by conductivity, that the semiconductor compound is modulated. For materials like GaAs, dei GaAs is and the amphoteric doping atoms Si is the cross-section of the capture centers for Lochei are. considerably larger than that for electrons. When arriving 3. Halbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch liegen einer geringen Spannung in Durchschlagsrichgekennzeichnet, daß die zwei Zwischenschichten 25 tung unterhalb einer Schwellspannung, die eine (12,13) eine Dicke von 1 bis 40 μ haben. Doppelinjektion von Löchern und Elektronen in der3. Semiconductor element according to claim 2, characterized in that there is a low voltage in the dielectric line, that the two intermediate layers 25 device below a threshold voltage, the one (12,13) have a thickness of 1 to 40 μ. Double injection of holes and electrons in the 4. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch i-Bereich bewirkt, fließt ein sehr geringer Strom. Dies gekennzeichnet, daß eine an einer der Zwischen- beruht darauf, daß die injizierten Löcher durch die schichten (12) anliegende Torelektrode (20, 21) Einfangzentren eingefangen werden. Wird die vorgesehen ist. 30 Schwellenspannung erreicht, dann ist die elektrische4. Semiconductor element according to claim 1, thereby causing i-region, a very small current flows. this characterized in that one at one of the intermediate relies on the injected holes through the layers (12) adjacent gate electrode (20, 21) capture centers are captured. Will the is provided. 30 threshold voltage is reached, then the electrical Feldstärke auf einen Wert angewachsen, bei dem dieField strength increased to a value at which the Lochwanderungszeit durch den i-Bereich in deiHole migration time through the i-area in dei Größenordnung der Niedrigniveau-Löcher liegt. Hiei beginnt der Bereich negativen Widerstandes. Be:Order of magnitude of the low-level holes. This is where the area of negative resistance begins. Be: Die Erfindung bezieht sich auf ein PNPN-HaIb- 35 noch größerem Strom breitet sich dieses Phänomer leiterelement aus vier aufeinanderfolgenden, wechsel- über den ganzen i-Bereich aus und bewirkt eine Umweise einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf- Wandlung dieses Bereiches in einen Halbleiterbereich, weisenden Schichten, die aus der gleichen Halb- in dem sowohl die Löcher als auch die Elektroner leiterverbindung aus Elementen der Gruppe III zu einem beträchtlich erhöhten Stromfluß beitragen bis V bestehen und eine Dotierung aufweisen, mit 40 Die pin-Dioden haben daher normalerweise zwei sta-Mitteln zur Vorspannung der vier Schichten in Leit- . bile Zustände, zwischen denen sie geschaltet werder richtung. können. Sie können jedoch aus Gründen des An-The invention relates to a PNPN-Halb- 35 even larger current spreads this phenomenon ladder element from four consecutive, alternating across the entire i-area and causes a redirection an opposite conductivity type - conversion of this area into a semiconductor area, pointing layers, made up of the same half- in which both the holes and the electrons Conductor connection from elements of group III contribute to a considerably increased current flow to V exist and have a doping, with 40. The pin diodes therefore normally have two sta means to bias the four layers in conductive. bile states between which they are switched direction. can. However, for reasons of Ein derartiges PNPN-Halbleiterelement ist aus der Wachsens der Lebensdauer in dem i-Bereich nichi USA.-Patentschrift 3 064132 bekannt. sehr schnell geschaltet werden. Sie zeigen einen nen-Such a PNPN semiconductor element is incapable of growing the life in the i region U.S. Patent 3,064,132 is known. can be switched very quickly. They show a Auf dem Gebiet der Optoelektronik sind sowohl 45 nenswerten negativen Widerstand bei extrem nied· Elemente entwickelt worden, wie die Laserdiode und rigen Temperaturen, z. B. bei der Temperatur vor die lichtemittierende Diode, welche die Umwandlung flüssigem Stickstoff (77° K), während der negative von elektrischer Energie in Lichtenergie betreffen, Widerstand bei Zimmertemperatur praktisch ver· als auch Elemente, wie Fototransistoren, Fotoleiter schwindet. Ferner ist bei dieser Diode nachteilig und Fotodioden, welche die Umwandlung von Licht- 50 daß sie bei Zimmertemperaturen kein Licht aus· energie in elektrische Energie betreffen. Eine Schal- sendet und die Lichtemissionsausbeute extrem niedtung aus einer Kombination dieser beiden durch ein rig ist. Eine gute Ausbeute kann nur bei extrerr Lichtmedium aneinandergekoppelten Elemente kann niedrigen Temperaturen in der Nähe von 77° K errelativ leicht verwirklicht werden, aber im allgemei- halten werden.In the field of optoelectronics, both 45 significant negative resistance at extremely low Elements have been developed such as the laser diode and temperatures, e.g. B. at the temperature before the light-emitting diode, which converts liquid nitrogen (77 ° K), while the negative of electrical energy in light energy, resistance at room temperature practically changes as well as elements such as phototransistors, photoconductors dwindling. This diode is also disadvantageous and photodiodes, which convert light 50 so that they do not emit light at room temperatures · energy into electrical energy. A sound sends and the light emission yield is extremely low is made up of a combination of these two through one rig. A good yield can only be achieved with extrerr Light medium coupled elements can have low temperatures in the vicinity of 77 ° K errelatively easily realized, but generally held. nen wird zusätzlich ein passendes Schalterelement, 55 Aus der französischen Patentschrift 1 529 040 isi Verstärkerelement oder elektrisches Schwingelement eine elektrolumineszierende Halbleiterdiode bekannt oder eine Schaltung mehrerer derartiger Elemente die aus GaAs besteht und deren N- und P-Schichi benötigt, damit die Schaltung zufriedenstellend ar- beide mit Si dotiert und durch epitaxiales Wachstuir beitet. Das heißt, daß jede herkömmliche optoelek- aus der flüssigen Phase gebildet sind,
tronische Schaltung des obigen Typs infolge der gro- 60 Aus der deutschen Patentschrift 966 571 ist eir ßen Anzahl von Elementen verhältnismäßig kompli- PNPN-Halbleitervierschichtelement bekannt, desser ziert ist. Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet ha- zwei Zwischenschichten eine Dicke aufweisen, die ben zu verschiedenen lichtemittierenden Dioden mit kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsträgei negativem Widerstand geführt, die eine doppelte in der verwendeten Halbleiterverbindung ist.
Funktion ausüben können. Obwohl voraussichtlich 65 Aus der Zeitschrift »Scientia Electrica«, Bd. 11 dieser neue Typ von Halbleitern in optoelektroni- 1965, Nr. 1, S. 22 bis 32, ist es bekannt, bei PNPN-sehen Schaltungen eine beträchtliche Vereinfachung Halbleitervierschichtelementen eine an einer der Zwibringen wird, ist bisher die industrielle Produktion schenschichten anliegende Torelektrode vorzusehenIn addition, a suitable switch element is required. both doped with Si and processed by epitaxial growth. That means that every conventional optoelectronic is formed from the liquid phase,
tronic circuit of the above type as a result of the large number of elements known from German Patent 966 571, which is decorated with a relatively complex PNPN semiconductor four-layer element. Research results in this field have two intermediate layers have a thickness that has led to different light-emitting diodes with less than the diffusion length of the minority inertia negative resistance, which is double in the semiconductor compound used.
Be able to perform a function. Although this new type of semiconductors in optoelectronic 1965, no the Zwibringen is, so far, the industrial production is provided with layers adjacent gate electrode
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