DE2065245B2 - Elektrolumineszenz-Vorrichtung mit einem pn-übergang - Google Patents

Elektrolumineszenz-Vorrichtung mit einem pn-übergang

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DE2065245B2 DE2065245*A DE2065245A DE2065245B2 DE 2065245 B2 DE2065245 B2 DE 2065245B2 DE 2065245 A DE2065245 A DE 2065245A DE 2065245 B2 DE2065245 B2 DE 2065245B2
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Description

3 4
richtung über den Kchtemittierenden PN-Übergang auf der P-Seite des PN-Übergangs 31 erzeugt wird, durchlaufen, verstanden. Diese Verhältnisgröße wird Von hauptsächlichem Interesse sind daher die Duzuweilen als sogenannter »äußerer Quantenwirkungs- tierungskonzentrationen innerhalb einer Materialtiefe grad« der Vorrichtung bezeichvvt und ist größer als von 10 μm auf beiden Seiten des Übergangs 31. Wie der tatsächliche Eoergtewirkungsgrad, und zwar an- 5 aus der Figur hierzu hervorgeht, weist ein Ausfühnähernd um das Verhältnis zwischen der Bandlücken- rungsbeispie! einer Elektrolumhieszenz-Vorrichtung energie und der Photonenenergie. Für Vorrichtungen mit hohem Wirkungsgrad im Bereich des PN-Überder hier beschriebenen Art ist der Quantenwirkungs- gangs eine Te-Konzentration in dem N-leitenden Magrad in der Größenordnung von 20% größer als der terial von 0,9 · 10" Atome pro cm8, eine Zn-Konzentatsächliche Energiewirkungsgrad. μ tration in dem P-leiteaden Material von 3,5 · 1017
Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten Atome pro cm3 und eine O-Konzentration in dem
an Hand der Zeichnung näher erläutert; die Figur P-leitenden Material von 1,5 · 10" Atome pro cm8 auf.
zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Konzentra- Die Dotierungskonzentrationen in größerer Ent-
tion der ve-^Jiiedenen Dotierstoffe in einer Elektro- fernung von dem PN-Übergang beeinflussen den Wir-
lumineszenz-Vorrichtuag mit hohem Wirkungsgrad 15 kungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur
als Funktion der räumlichen Lage innerhalb der Vor- sekundär. Da das in der Nähe des Übergangs erzeugte
richtung (Dotiemngsprofil), wobei die Donatorkon- Licht vor dem Austritt aus der Vorrichtung den ent-
zentrationen oberhalb der Abszisse und die Akzeptor- fernteren Materialbereich unter Umständen mehrfach
konzentrationen unterhalb der Abszisse wiedergegeben durchlaufen muß, wird der Wirkungsgrad durch eine
sind. ao Absorptionswirkung des vom Übergang entfernteren
Eine Elektrolumineszenz-Vorrichtung mit dem in Materialbereichs nachteilig beeinflußt Da freie Lader Figur gezeigten Dotierungsprofil wurde durch Ab- dungsträger rotes Licht absorbieren, kann die Vorrichscheidung einer P-leitenden Schicht aus Zn- oder O-do- tung derart ausgebildet werden, daß die Dotierungstiertem Galliumphosphid aus der flüssigen Phase auf konzentration bei wachsender Entfernung von dem einem Substrat hergestellt Das Substrat wurde seiner- as PN-Übergang abnimmt Unter diesem Gesichtspunkt seits durch Abscheidung einer N-leitenden Schicht aus ist es für eine Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad Te-dotiertem Galliumphosphid aus der flüssigen Phase günstig, wenn — wie im Falle des N-leitenden Subauf einem N-leitenden, aus einer Lösung gezüchteten strats — eine dünne Schicht (etwa 10 μπι) aus stark Substrat mit schwacher Te-Dotierung gewonnen. Te-dotiertem Galliumphosphid (etwa 2 · 1018 Atome
Gemäß dem Profilabschnitt 34 steigt die Te-Konzen- 30 pro cm8) auf einem schwach dotierten Substrat abgetration in der N-leiienden Schicht bis zu einem Wert schieden und eine P-leitende Zone entsprechend einer von 0,9 · 1018 Atome pro cm* am PN-Übergang an, engen Annäherung an die Kompensation von Zn während die Netto-Akzeptorkonzentration gemäß Pro- durch O möglichst stark mit Zn und O dotiert wird, filabschnitt 32 einen Wert von 0,42 · 1018 Atome pro Auf diese Weise kann im Interesse einer wirkungscms (bei einem Anfangswert von 0,4 · 1018 Atome pro 35 vollen Injektion im Bereich des Übergangs 31 auf der cm*) besitzt. Die Messung an einer Vergleichsvorrich- N-Seite eine hohe Elektronenkonzentration, bezogen tung ohne O-Dotierung ergibt eine Zn-Konzentration auf die Löcher der P-Seite, erzielt werden. Gleichgemäß Profilabschnitt 33, welche bei einem Wert von zeitig ergibt sich eine hohe Konzentration an Zn-O-0,58 · 1018 Atome pro cm8 beginnt. Hieraus errechnet Paaren, welche im Interesse einer wirkungsvollen sich eine O-Donatorkonzentration der Ga2O3- und 40 Lichtemission günstig ist In dem von dem Übergang O-dotierten Vorrichtung zu 0,16 · 1018 Atome pro cm8. entfernten Material ist die Konzentration an freien
Da die charakteristischen Weglängen für die Elek- Ladungsträgern und damit die Lichtabsorption gering,
tronen- und Löcher-Transportprozesse für Gallium- An Stelle der vorstehend angegebenen Materialien
phosphid in der Größenordnung von 1 bis 4 μπι liegen, kann das Substrat auch mit anderen Donatoren als
liefert das Material innerhalb einer Tiefe von 10 μπι 4s Tellur dotiert werden, beispielsweise mit Schwefel,
auf der N-Seite des PN-Übergangs 31 den größten Teil Selen, Silicium oder Zinn. Ferner kommt als Quelle
der injizierten Elektronen, während der größte Anteil für die O-Dotierung außer Ca2O3 unter anderem auch
des emittierten Lichtes in einer Materialtiefe von 10 ^m ZnO in Betracht
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. nut denen keine Emission von sichtbarem Licht verPatentanspruch: bunden ist Für eine wirksame GaP-Elektrolumines-
    zenz-Vorrichtung ist ajso sowohl die wirksame In-
    Jllektrolumineszenz-Vorrichtung mit einen» PN- jektion von Elektronen in die P-Zone als auch die An-Übergang, welche eine epitaktisch auf einem N-lei- S Wesenheit von Sauerstoff-Akzeptorkomplexen ausreitenden Galliumphosphid-Substrat aulgewachsene chender Konzentration in der Injektionszone eriorder-P-leitende GaUiumphosphid-Schicht aufweist, wo- lieh.
    ^ bei für die P-Jeitende GaP-Schicht als Donator In der Vergangenheit wurden zahlreiche Unter-' Sauerstoff und als Akzeptor Zink oder Cadmium suchungen auf derartige Elektrolumineszenz-Vonichvorgesehen ist und als Donator für das <laP-Sub- io tungen gerichtet, wobei die Optimierung der Konzenstrat wenigstens ein Element aus der Gruppe S, trationen der Dotierstoffe angestrebt wurde. Zur Ver-Se, Si, So und Te vorgesehen ist, deren mittlere einfachung der Untersuchungsbedingungen sowie zur Konzentration innerhalb eines lOjan tiefen, von Optimierung der Zn- und O-Konzentrationen in dem dem PN-Übergang ausgehenden Bereichs zwischen P-leitenden Material ohne Anwesenheit einer N-lei-0,3 · 1018 und 2 ■ 1018 Atome pro cm3 beträgt, 15 tenden Schicht wurden Photolumineszenzmessungen dadurch gekennzeichnet, daß in der mit Elektroneninjektionen in das Leitfähigkeitsband P-ieitenden GaP-Schicht innerhalb eines 10 μm durch Anregung mit hochenergetrschem Licht durchtiefen, von dem PN-Übergang ausgehenden Be- geführt (USA.-Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, reichs die mittlere Konzentration der Donator- Bd. 37 [1966], S. 483 bis 486). Diese Versuche zeigen, atome zwischen 1 · 10" und 9 · 10" Atome pro 20 daß eine optimale Photolumineszenz bei einer Vorcms und die mittlere Konzentration der Akzeptor- richtung erzielt wird, bei der Galliumphosphid mit atome zwischen 2 · 10" und 1 · 1018 Atome pro 1 bis 2 · 1018 Zink- oder Cadmiumatomen je cm' und cm3 hetrSgt mit weniger als 0,8 · 1018 Sauers1offatomen je cm' do
    tiert ist. Spätere Untersuchungen wurden durch diese
    95 Ergebnisse stark beeinflußt, wobei die genannten Konzentrationsbereiche als Optimum angesehen wurden. Die optimale Donatorkcnzentration auf der N-Seite
    Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolumines- des PN-Übergangs wird von den beiden folgenden zenz-Vorrichtung der im Oberbegriff des Patenten- gegenläufigen Faktoren beeinflußt. Und zwar ist einerspruchs näher bezeichneten Art. 3° seits für eine wirkungsvolle Elektroneninjektion von
    Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (Journal of der N-Seite des Übergangs eine möglichst hohe Elek-Appüed Physics 39 [1968], S. 2977 bis 2978). tronendichte erwünscht. Andererseits wirkt jedoch bei
    Elektrolumineszenz-Vorrichtungen mit einem PN- zu hoher Elektronenkonzentration das N-leitende Übergang, die hei Strombeaufschlagung in Durch- Material absorbierend für das erzeugte Licht. Diese laßrichtung emittieren, werden bekanntlich für eine 35 Absorption ist für den Wirkungsgrad der Elektro-Reihe von Anwendungszwecken, beispielsweise als lumineszenz-Vorrichtung von außerordentlicher Be-Anzeigelichtquellen oder als Leuchtelemente in grö- deutung, da ein Großteil des erzeugten Lichtes an der fieren Bildwiedergabeeinrichtungen eingesetzt. In der- Oberfläche der Elektrolumineszenz-Vorrichtung nach artigen Elektrolumineszenz-Vorrichtungen erfolgt die innen reflektiert wird und somit die Eiektrolumines-Lichterzeugung auf Grund von Elektronen-Loch-Re- 40 zenz-Vorrichtung vor dem Austritt mehrmals durchkombinationen. quert. Es hat sich gezeigt (USA.-Zeitschrift »Solid
    Es ist bekannt, daß Galliumphosphid (GaP) ein vor- State Electronics«, Bd. 11 [1968], S. 647 bis 652), daß teilhaftes, im sichtbaren Bereich des Spektrums emittie- die optimale Donatorkon/eniration zwischen 0,3 · 1018 rendes Elektrolumineszen/material ist. Diese Verbin- und 1,0 · 1018 Atome po cm8 innerhalb des N-leitendung zählt zur Klasse der elektrischen Halbleiter mit 45 den Materials liegt. Diese Untersuchungen bezogen indirekter Bandlücke, d. h. daß für eine Elektronen- sich insbesondere auf Tellur als Donator, wobei sich Loch-Rekombination ein drittes Kristallelement, bei- jedoch auch Schwefel und Selen als im wesentlichen spielsweise eine Versetzung, eine Leerstelle, eine Sub- gleichwertige Donatoren erwiesen,
    stitution, eine Zwischengitter-Verunreinigung oder Die bei bekannten E'ektrolumineszenz-Vorrichtun-
    eine andere Abweichung vom vollkommen geordneten 50 gen maximal erzielten Wirkungsgrade liegen zwischen Kristallaufbau vorhanden sein muß. Im Falle von 1 und 2%. Obschon diese Wirkungsgrade gegenüber GaP-Vorrichtungen wird angenommen, daß das für früher erzielten Wirkungsgraden beachtlich größer eine Rekombination mit Emission von Rotlicht er- sind, so stellen sie absolut gesehen noch kein befriediforderliche dritte Kristallelement ein Verunreinigungs- gendes Ergebnis dar.
    komplex ist, der aus einem Sauerstoffion und einem 55 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Akzeptorion (meist Zn oder Cd) besteht, welche als Elektrolumineszenz-Vorrichtung der eingangs erwähn-Substitutionselemente im Kristallgitter als nächst- ten Art zu schaffen, welche einen wesentlich erhöhten liegende Nachbarpaare auf der p-Seite des Übergangs Wirkungsgrad aufweist.
    vorhanden sind. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
    in Durchlaßrichtung des PN-Übergangs wird ein 60 Kennzeichen des Patentanspruchs genannten Merkmale Elektron aus der N-Zone in die P-Zone injiziert, wo gelöst.
    dieses Elektron von dem genannten Komplex einge- Die erfindungsgemäßen Elektrolumineszenz-Vör-
    fangen wird. Anschließend wird an der gleichen Stelle richtungen weisen einen wesentlich verbesserten Wirein Loch eingefangen, welches unter Emission eines kungsgfad von 4 bis 7% auf.
    Photons im röten Spektralbereich mit dem Elektron 65 Unter »Wirkungsgrad« wird im vorliegenden Zurekombiniert. Sind jedoch im Injektionsbereich keine sammerthang das Verhältnis zwischen der Anzahl der Komplexe vorhanden, so rekombiniert das Eiektron emittierten Photonen und der Gesamtzahl der Lahn Laufe der Zeit über eine Anzahl anderer Prozesse, dungs träger (Elektronen und Löcher), welche die Vor-
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