DE2235502B2

DE2235502B2 - Elektroiumineszierende Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2235502B2
Application number: DE2235502A
Authority: DE
Inventors: Julian Robert Anthony Reigate Surrey Beale (Grossbritannien)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-07-28
Filing date: 1972-07-20
Publication date: 1978-12-14
Also published as: FR2147309A1; AU4483172A; JPS5128518B1; GB1393536A; IT969519B; DE2235502C3; US3821774A; DE2235502A1; AU464570B2; FR2147309B1; NL7210170A; CA984945A

Description

40

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolumineszierende Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Anordnung ist aus der US-PS 34 88 542 bekannt.

Die Herstellung elektrolumineszierender Halbleiteranordnungen, die Licht kürzerer Wellenlängen, und zwar grünes und blaues Licht, emittieren, bereitet viele Schwierigkeiten. Der Bandabstand von Galliumphosphid ist etwa 2,26 eV bei 300° K, so daß aus diesem Material durch Injektionselektrolumineszens kein blaues Licht erhalten werden kann. Obgleich grünes Lumineszenslicht aus Galliumphosphiddioden mit Stickstoffrekombinationszentren erhalten werden kann, ist die äußere Quantenausbeute infolge thermischer Löschung durch andere unerwünschte Dotierungszentren in dem Material niedrig.

Bei der Herstellung elektrolumineszierender Halbleiteranordnungen, die solche kürzere Wellenlängen emittieren, wurde bereits an Halbleitermaterialien mit wi größeren Bandabständen von z. B. mindestens 2,5 eV gedacht. In A"B^VI-Verbindungen, wie Zinksulfid, Cadmiumsulfid und Zinkselenid, ist der Bandabstand genügend groß. Die lumineszierenden Zentren können sich genügend tief in dem verbotenen Band befinden, um m eine erhebliche thermische Löschung zu verhindern. Es ist aber schwierig und unter gewissen Umständen sogar unmöglich, einen PN-Übergang in derartigen Halbleitermaterialien anzubringen. Dies scheint auf eine Kompensation der eingeführten Donator- oder Akzeptorverunreinigung durch das automatische Auftreten von Gitterfehlern zurückzuführen zu sein. Aus diesem Grunde trennt man bei gewissen Anordnungen den Ort der Ladungsträgererzeugung von dem Ort der Lichterzeugung. In Anordnungen mit derartigen Heteroübergängen werden Minoritätsladungsträger aus einem Material mit einem relativ kleinen Bandabstand in das lumineszierende Halbleitermaterial mit einem demgegenüber großen Bandabstand injiziert, damit sie darin Lumineszenz erzeugen.

Elektrolumineszierende Halbleiteranordnungen der eingangs genannten Art mit einer Transistorstruktur haben aber den Nachteil, daß Ladungsträger mit geringerer Energie nicht in den lumineszierenden Halbleiterkörperteil mit dem größeren Baiidabstand gelangen und so in der Kollektorschicht eine den Wirkungsgrad der Anordnung herabsetzende Raumladung bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Halbleiteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß ihr Wirkungsgrad durch Vermeiden eines Raumladungsaufbaues in der Kollektorschicht erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst

Weitere Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 und 2 eine Draufsicht auf bzw. einen Querschnitt (entlang II-II) durch eine elektrolumineszierende Halbleiteranordnung,

Fig.3 den energetischen Verlauf der Bandgrenzen entlang den in F i g. 2 eingezeichnete η Pfeilen.

Die elektrolumineszierende Halbleiteranordnung nach den F i g. 1 und 2 enthält einen zweiten Halbleiterkörperteil 1 aus einem Material mit kleinem Bandabstand, und zwar Silicium, und auf einem Teil seiner Oberfläche 2 einen ersten Halbleiterkörperteil 3 aus lumineszierendem Material mit einem großen Bandabstand, und zwar Zinkselenid. Der Halbleiterkörperteil 3 weist den N-Leitfähigkeitstyp auf und hat eine Dicke zwischen 1 und 2 μπι. Ein Teil des Halbleiterkörperteiles 3 befindet sich auf einer dicken Isolierschicht 15 rings um eine öffnung 16 in der Isolierschicht 15. Die Isolierschicht 15 kann aus Siliciumoxid bestehen und bedeckt einen großen Teil der Oberfläche 2 des Halbleiterkörperteils 1. Der Halbleiterkörperteil 3 bildet in der öffnung 16 einen HeteroÜbergang mit dem Halbleiterkörperteil 1. Die Halbleiterbandstruktur weist an dem HeteroÜbergang Sprünge auf, wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, die die Anordnung mit angelegten Vorspannungen zeigt. In F i g. 3 bezeichnen E_v bzw. E₀ die Grenzen des Valenz- bzw. Leitungsbandes. £^(1) ist der Bandabstand in dem Halbleiterkörperteil 1 aus Silicium, während £^(3) den Bandabstand im Halbleiterkörperteil 3 aus Zinkselenid bezeichnet. Die verschiedenen Teile der Anordnung sind in Fig.3, wie in den F i g. I und 2, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Eine halbdurchlässige Elektrode 11 bildet einen Kontakt mit der Oberfläche des Zinkselenid-Halbleiterkörperteils 3, die von dem Silicium-Halbleiterkörperteil 1 abgekehrt ist. Diese Elektrode 11 ist genügend dünn, um das aus dem HalbleiterkörDerteil 3 emittierte Licht

durchzulassen. Ein verdickter Teil 17 dieser Elektrode 11 liegt auf dem Teil des Halbleiterkörperteiles 3, der auf der Isolierschicht 15 liegt Dieser verdickte Teil 17 ermöglicht es, einen Anschlußleiter an die Elektrode 11 anzuschließen.

Eine Transistorstruktur befindet sich in dem Silicium-Halbleiterkörperteil 1 an der Stelle des Zinkselenid-Halbleiterkörpt.teiles 3 an der öffnung 16. Die Transistorstruktur ist ein bipolarer Transistor, der ein P-Ieitendes Kollektorgebiet 6 enthält, das durch ein N-Ieitendes Basisgebiet 5 von einem P-leitendem Emittergebiet 4 getrennt ist; es bestehen Elektrodenverbindungen 12,13 und 14 mit den Kollektor-, Basis- bzw. Emittergebieten 6,5 bzw. 4.

An dem Emitter-Basis-Übergang der Transistorstruktur wird ein Strom von Löchern erzeugt, die in bezug auf den N-Ieitenden Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 sowie in bezug auf das Siliciumbasisgebiet 5 Minoritätsladungsträger sind. Die erzeugten Löcher werden an dem in Sperrichtung vorgespannten Kollektor-Bas's-Übergang infolge des hohen elektrischen Feldes beschleunigt, so daß sie in Richtung der Pfeile von Fig.2 aus dem Silicium-Halbleiterkörperteil 1 in den N-leitenden Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 an der öffnung 16 injiziert werden. Diese Löcher erzeugen dann Lumineszenzstrahlung in dem Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3. Das Kollektorgebiet 6 ist so ausgestaltet, daß Löcher, die nicht in den Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 injiziert werden, abfließen können. Um die Löcherinjektion in den Halbleiterkörperteil 3 zu fördern, ist der HeteroÜbergang in der Durchlaßrichtung mittels einer zwischen der Elektrode 11 und dem Kollektorelektrodenanschluß 12 angelegten Spannung vorgespannt. Wenn der HeteroÜbergang in der Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wird ein Übertritt der Löcher in den Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 erleichtert, wie aus der Krümmung von E_v in F i g. 3 zu ersehen ist.

Der Pfeil a in Fig.3 veranschaulicht den Übergang von Löchern mit hoher Energie aus dem Silicium-Halbleiterkörperteil 1 in den Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3. Der Pfeil b veranschaulicht das Verhalten von Löchern, die innerhalb der Kollektorschicht in dem Silicium-Halbleiterkörperteil 1 zuviel Energie verloren haben und folglich nicht in das Zinkselenid übertreten können; diese Löcher werden über den Kollektoranschluß 12 abgeführt. Die Löcher verlieren beispielsweise Energie durch Phononenkollisionen in dem Silicium-Halbleiterkörperteil 1. Um zu verhindern, daß zuviel Energie durch ionisierende Kollisionen verloren geht, soll die zwischen dem Kollektor und der Basis angelegte Sperrspannung nicht mehr als etwa 3 V betragen. Der Kollektor 6 besteht aus einem flachen P-Ieitenden Gebiet 7 und aus einem dickeren, P-Ieitenden, streifenförmigen Gebiet 8. Das Gebiet 8 und die mit diesem Gebiet verbundene Elektrode 12 saugt die Löcher ab, die nicht in das Zinkseienidmaterial übertreten können. Das Kollektorschichtgebiet 7 weist eine Dicke von weniger als 20 nm und eine Akzeptorkonzentration von etwa 10¹⁹ Atomen/cm³ auf und wird durch Akzeptorionenimplantation an der Oberfläche 2 des Silicium-Halbleiterkörperteiles 1 hergestellt, bevor der Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 aufgebracht wird.

Gut leitende Teile 9 des Basisgebietes 5 befinden sich unterhalb der Streifen des Gebiets 8; diese gut leitenden Teile setzen die Löcherinjektion aus dem Emittergebiet 4 in diesem Teil der Transistorstruktur herab; dieser Teil

ίο der Löcherinjektion trägt nicht nur Lichtausbeute der Anordnung bei. Ein schmaler, gut leitender Teil 10 des Basisgebietes grenzt an das Kollektorschichtgebiet 7 an. Dieser schmale, gut leitende Teil 10 dient dazu, das unter Sperrvorspannung erzeugte elektrische Feld in der Nähe der Oberfläche 2 das an dem Kollektor-Basis-Übergang zu konzentrieren, wie in F i g. 3 angegeben, wodurch eine Erhöhung der Löcherenergie in der Nähe der Oberfläche 2 erzielt wird.
Wie die Draufsicht nach F i g. 1 zeigt, enden die Streifen des Kollektorgebiets 8 an eine.ii Oberflächengebiet P⁺ großen Flächeninhalts des Silicium-Halbleiterkörperteiles 1. Dieses Oberflächengebiet ^p+ ist mittels der Kollektor-Elektrode 12 in Form einer Metallschicht in einer öffnung 18 in einem Teil der Isolierschicht 15 kontaktiert, welche nicht von dem Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 bedeckt ist.

Die Basisgebietteile 9 unterhalb des Kollektorgebiets 8 sowie der Teil 10 enden in einem gemeinsamen Oberflächengebiet N+ großen Flächeninhalts des Silicium-Halbleiterkörperteiles 1. Dieses Oberflächengebiet N⁺ wird mittels der Basis-Elektrode 13 in Form einer Metallschicht in einer öffnung 19 in einem Teil der Isolierschicht 15 kontaktiert, welche nicht von dem Zinkselenid-Halbleiterkörperteil 3 bedeckt ist. Das Emittergebiet 4 ist mittels einer Metallschichtelektrode 14 auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrates 1 kontaktiert.

Das Basisgebiet 5 des Transistors kann aus einer aus N-leitendem Silicium bestehenden epitaktischen Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand gebildet sein, die auf einem gut P-Ieitenden Siliciumträger angebracht ist. Der P-leitende Träger bildet das Emittergebiet 4 und der Emitterübergang endet an der Oberfläche 2 indem gut P-leitende diffundierte Wandgebiete P⁺ über die

·*■"> Dicke der N-leitenden epitaktischen Schicht angebracht sind. Die Teile 9 des Basisgebietes können durch eine diffundierte vergrabene Schicht an der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Träger gebildet werden. Der Teil 10 des Basisgebietes 5 und die

5» Teile 7 und 8 des Kollektorgebietes 6 können durch Ionenimplantation hergestellt werden, bevor der Zinkse'eniJ-Halbleiterkörperteil 3 aufgebracht wird.

Selbstverständlich kann die Emitter-Elektrode mich an der Oberfläche 2 des Halbleiterkörperteiles 1 aufgebracht werden. Dazu kann man die Wandgebiete P⁺ kontaktieren. Statt eines P-Ieitenden Trägers, der das Emittergebiut 4 bildet, kann in diesem Falle der Emitter 4 aus P-Ieitenden Wandgebieten und einer P-Ieitenden vergrabenen Schicht bestehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elelctrolumineszierende Halbleiteranordnung mit einem ersten lumineszierenden Halbleiterkörperteil von einem ersten Leitfähigkeitstyp und einem angrenzenden zweiten Halbleiterkörperteil mit einem, in bezug auf den Bandabstand des ersten Halbleiterkörperteils kleinen Bandabstand, bei der im zweiten Halbleiterkörperteil eine Transistor- ι ο struktur mit einer Emitter-, Basis- und Kollektorschicht zur Injektion von Ladungsträgem mit hoher Energie in den ersten Halbleiterkörperteil vorgesehen ist, wobei die Kollektorschicht an den ersten Halbleiterkörperteil angrenzt und vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorschicht (6) mit einem Elektrodenanschluß (12) versehen ist und aus zwei Gebieten (?, 8) unterschiedlicher Schichtdicke besteht, da5 das Gebiet (7) mit der geringeren Schichtdicke zur Ladungsträgerinjektion dient und daß das Gebiet (8) mit der höheren Schichtdicke zur Absaugung von Ladungsträgern mit geringer Energie dient

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geringere Schichtdicke höchstens 20 nm beträgt.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leitfähigkeitstyp bestimmende Dotierungskonzentration in dem Gebiet (7) mit geringerer Schichtdicke mindestens 5,1O'Vcm³ beträgt.

4. Halbleiteranordnung r.ach pinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet (7) mit der geringeren Schichtdicke ein ionenimplantiertes Gebiet ist.