DE2311417A1 - Elektrolumineszierende anordnung - Google Patents

Description

FPHN,6371. Va/EVH.

231H17

GÜNTHER M. DAVID

Anmelder: Π. V. i.. ■ · -> LLuJLA^rENFASRIEKEN

AL»e: pHK- 6371
Anmeldung vomi 2. HärZ 1973

Elektrolumineszierende Anordnung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolumineszierende Anordnung, die einen monolithischen kristallinen Halbleiterkörper und in elektrischer Reihenanordnung mindestens enthaltt

- eine erste Kontaktelektrode,

- ein erstes OberflSchengebiet von einem ersten Leitfähigkeit styp, wobei die erwähnte erste Elektrode auf mindestens einem Teil der Oberfläche dieses ersten Gebietes angebracht ist,

- ein zweites Gebiet, das an das erste Gebiet grenzt und den zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei der Uebergang zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet elektrolumineszierende Eigenschaften aufweist,

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- eine photoleitende Schicht aus einem halbisolierenden Material mit einer verbotenen Bandbreite, die kleiner als die Energie der Photonen ist, die von dem genannten Uebergang emittiert werden können,

- eine zweite Kontaktelektrode.

Die Wiedergabevorrichtungen, deren Leuchtelement eine Diode mit einem elektrolumineszierenden Uebergang ist, weisen den Vorteil auf, dass sie nach dem Lambertschen Gesetz ausstrahlen und auf diese Weise in dem ganzen Raum sichtbar sind, der oberhalb der Ebene, in der die Emissionsfläche liegt, definiert ist. Der Vorteil eines damit einhergehenden grossen Sichtbarkeitswinkels würde verloren gehen, wenn, zur Verbesserung des Kontraste und der Leserlichkeit bei starker Umgebungsbeleuchtung, die Anordnung in einem Hohlraum begrenzt werden müsste. Die Leserlichkeit dieser Abbildungen, die ungeschützt verwendet- werden, ist von der Umgebungsbeleuchtung abhängig, und wenn sich diese Beleuchtung ändert, ist es günstig, die Spannung oder den Speisestrom der elektrolumineszierenden Diode derart zu ändern, dass ein nahezu konstanter Kontrast beibehalten wird. Im Falle einer sich vielfach und schnell ändernden Umgebungsbeleuchtung, wie in einem Fahrzeug und in einem Flugzeug, wird die Notwendigkeit einer Regelung von Hand dadurch vermieden, dass die Stromregelung mit Hilfe eines photoelektrischen Elements durchgeführt wird, das mBglichst nahe bei der Wiedergabevorrichtung angeordnet ist und das mit einem elektrischen Regelsystem verbunden ist.

Die so erhaltene Kontrastregelung macht die Anordnung

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sehr verwickelt und umfangreich. Sogar wenn ein einziges lichtempfindliches Element für ein Gebilde von elektrolumineszierenden Elementen verwendet wird, bleibt das Gebilde von notwendigen Hilfsschaltungen verwickelt.

Dagegen wurden elektrolumineszierende Anordnungen vorgeschlagen, deren Helligkeit zwei sehr verschiedene Werte annehmen kann, wobei die Anordnung unter der Einwirkung einer gewünschten Beleuchtungsstärke zwischen diesen beiden Werten hin und her schwankt. Es wurden zahllose Anordnungen dieser Art vorgeschlagen (siehe z.B. die französische Patentschrift 1.U18.687). Diese Anordnungen wirken nicht proportionall weiter ist es z.B. nicht möglich, eine Abbildung mit einem konstanten Kontrast zu erhalten, wenn sich die Umgebungsbeleuchtung Ändert.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine einfache und sehr wenig Raum beanspruchende Vorrichtung zur Regelung der Helligkeit einer Anordnung mit einem elektrolumineszierenden Uebergang durch Umgebungsbeleuchtung zu schaffen; weiterhin bezweckt die Erfindung, eine Anordnung mit einem monolitischen elektrolumineszierenden Uebergang zu schaffen, d'ie Mittel enthält, mit deren Hilfe die Helligkeit als Funktion der von der Anordnung empfangenen Strahlung geändert werden kann.

Ausserdem bezweckt die Erfindung, eine elektrolumineszierende Anordnung zu schaffen, deren Helligkeit dem Lichtstrom, den sie empffingt, nahezu proportional ist.

Nachstehend wird ein kompensiertes Halbleitermaterial als "halbisolierend" bezeichnet, wenn darin eine Kompensation durch bestimmte Fehler des Kristallgitters herbeigeführt oder

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durch eine geeignete Dotierung mit Verunreinigungen mit einem mehr oder weniger tiefen Energiepegel erhalten wird; Diese

Kompensation ruft einen spezifischen Widerstand des Materials

2 8 in der Grössenordnung von 10 - 10 α,cm hervor. Derartige Materialien können den ersten oder den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, je nachdem die Majoritätsladungsträger Elektronen oder Löcher sind.

Die Erfindung benutzt die Photoempfindlichkeit, die ein Gebiet eines Halbleiterkristalls aufweist, wenn dieses Gebiet einer Behandlung unterworfen wird, die dazu dient, ihm die Merkmale eines halbisolierenden Materials zu verleihen. Die Leitfähigkeit eines derartigen Gebildes wird durch Absorption von Photonen, deren Energie grosser als die verbotene Bandbreite des Materials ist, durch Bildung von Elektron-Loch-Paaren und durch das Ansammeln ausgelöster Ladungsträger erhöht.

Andererseits benutzt die Erfindung die Eigenschaft eines Halbleitermaterials, das es für Strahlung mit einer Wellenlänge, die einer die verbotenen Bandbreite des Materials überschreitenden Energie entspricht, absorbierend ist und für Strahlung mit einer Wellenlänge, die einer diese verbotene Bandbreite unterschreitenden Energie entspricht, verhältnismässig durchlässig ist.

Nach der Erfindung ist die elektrolumineszierende Anordnung, die einen monolithischen kristallinen Halbleiterkörper und in elektrischer Reihenanordnung enthält!

- eine erste Kontaktelektrode,

- ein erstes Oberflächengebiet von einem ersten Leitfähigkeits-

» wobei die erwähnte erste Elektrode auf mindestens

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einem Teil der Oberfläche dieses Gebietes angebracht wird, ein zweites Gebiet vom zweiten dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp das an das erste Gebiet grenzt, wobei der Uebergang zwischen diesen beiden Gebieten elektroluraineszierende Eigenschaften aufweist,

- eine photoleitende Schicht aus einem halbisolierenden Material mit einer verbotenen Bandbreite, die niedriger als die Energie der Photonen ist, die von dem genannten Uebergang emittiert werden können,

- eine zweite Kontaktelektrode,

dadurch gekennzeichnet, dass die genannte photoleitende Schicht und der genannte Uebergang optisch voneinander durch eine absorbierende Schicht aus einem Material getrennt werden, dessen verbotene Bandbreite zwischen der des Materials der photoleitenden Schicht und der Energie der Photonen liegt, die von dem genannten Uebergang emittiert werden können, wobei die beiden Schichten den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen.

In der Anordnung nach der Erfindung ist die photoleitende Halbleiterschicht optisch gegen den elektrolumineszierenden Uebergang isoliert. Venn Ladungsträger von Kontaktelektroden in die Anordnung injiziert werden, wird der Uebergang zwischen dem ersten Gebiet und dem zweiten Gebiet elektrolumineszierend» wobei das Spektrum des emittierten Lichts insbesondere durch die Art und die Dotierung der Materialien dieser beiden Gebiete bestimmt wird. Einerseits tritt das in Richtung auf die Oberfläche der Anordnung emittierte Licht über die erste Elektrode heraus, die z.B. durchlässig oder

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porös ist; andererseits wird das in Richtung auf die halbisolierende Schicht emittierte Licht in der zweiten Schicht absorbiert, die infolge ihrer verbotenen Bandbreite stark absorbierend wird, und dieses Licht kann die genannte halbisolierende Schicht nicht erreichen. Dagegen kann Strahlung, die von Beleuchtung ausserhalb der Anordnung herrührt und deren Wellenlänge einer die verbotene Bandbreite des Materials der absorbierenden Schicht unterschreitenden Energie entspricht, aber grosser als die verbotene Bandbreite des Materials der halbisolierenden Schicht ist, in die Anordnung eindringen, ohne wesentliche Absorption die Schicht, die die elektrolumineszierende Strahlung zurückhält, durchlaufen, und die halbisolierende Schicht erreichen, wo sie absorbiert wird und einen Photoleitungseffekt herbeiführt. Eine Herabsetzung des spezifischen Widerstandes der photoleitenden Schicht wird auf diese Weise erhalten durch alles Licht, dessen Wellenlänge einer die verbotene Bandbreite des diese Schicht bildenden Materials Oberschreitenden Energie entspricht, das diese Schicht erreichen kann, wodurch die Stromstärke in der Anordnung zunehmen und die elektrolumineszierende Diode stärker ausstrahlen kann.

Die Photoleitfähigkeit einer halbisolierenden Schicht ist von der Anzahl empfangener und absorbierter Photonen und von der Zunahme der Photoleitung G abhängig, welche durch das Verhältnis "T/t der Lebensdauer χ der ausgelösten Träger und der Sammelzeit t bestimmt wird» Andererseits kann die Kurve der von einer elektrolumineszierenden Diode als Funktion des

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diese Diode durchfliessenden Stromes ausgesandten Leistung meistens über ihren grossten Teil einer geraden Linie gleich gesetzt werden. Dadurch wird eine Aenderung der Helligkeit der Anordnung erhalten, die dem von der in dieser Anordnung enthaltenen photoleitenden Schicht empfangenen Lichtstrom nahezu proportional ist. Die Anordnung erfordert keine Relais und keine Hilfeschaltungen und beansprucht nur sehr wenig Raum. Es ist möglich, wahlweise die Helligkeit der Anordnung zu Ändern, ohne dass die Speisequelle geändert wird, zu welchem Zweck eine angepasste Strahlungsquelle verwendet wird« Die Anordnung ist selektiv; die Wahl der Materialien der absorbierenden und photoleitenden Schichten ermöglicht eine Selektion in dem Vellenlftngenbereich der Strahlung, die zur Steuerung der Photoleitung verwendet wird. Die Dicke der photoleitenden Schicht wird als Funktion des hochstzulässigen Reihenwiderstandes beim Fehlen eingehender Strahlung bestimmt, wobei die OberflSche der Schicht und der spezifische Widerstand des kompensierten Materials berücksichtigt werden; dieser spezifische Widerstand ist selber abhKngig von dem Kompensationsfaktor des Materials, gleich wie der Absorptionskoeffizient dieser Schicht, der, unter Berücksichtigung der Dicke dieser Schicht, die Anzahl der absorbierten Photonen bestimmt, die Elektron-Loch-Paare bilden können, die die Leitfähigkeit der Schicht als Funktion der empfangenen Strahlung erhöhen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Unterschied in der verbotenen Bandbreite zwischen den die

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absorbierende Schicht und die photoleitende Schicht bildenden Materialien oder zwischen den die absorbierende Schicht und die Gebiete der elektrolumineszierenden Diode bildenden Materialien durch Konzentrationsunterschiede an gemeinsamen Bestandteilen der Materialien mit verschiedenen, aber einander nahe liegenden Kristallkonstanten und demselben Kristallsystem herbeigeführt, wodurch die Kristallgitter aneinander angepasst sind. Gallium-Aluminiumarsenid Ga₁ Al As, wobei 0 < χ < 0,^0 ist, ist ein Beispiel dieser zusammengesetzten Materialien, mit dem es möglich ist, epitaktische Ablagerungen vorzunehmen, deren verbotene Bandbreite zwischen der von Galliumarsenid und der von Aluminiumarsenid eingestellt werden kann, was der Regelung der Aluminium- und der Galliumkonzentration zu verdanken ist.

Im letzteren Falle sind das erste p-leitende Gebiet und das zweite η-leitende Gebiet aus Ga₁ Al As hergestellt, wobei 0,3 < x <0,4 ist, und besteht z.B. die absorbierende Schicht aus Ga₁ Al As, wobei 0 < χ < 0,3 ist, und die photoleitende Schicht aus kompensiertem GaAs.

In gewissen Ffillen ist es zur Herstellung einer monolithischen Anordnung mit zwei Materialien mit verschiedenen verbotenen Bandbreiten und schwer vereinbaren Kristallgittern möglich, das eine Material epitaktisch auf dem anderen abzulagern unter Zwischenfügung einer Zwischenschicht, einer sogenannten Pufferschicht, deren Zusammensetzung sich allmählich zwischen den Zusammensetzungen der beiden Materialien Sndert. Die Breite eines verbotenen Bandes ändert sich all-

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mählich mit der Zusammensetzung und diese Pufferschicht umfasst vorzugsweise wenigstens teilweise die absorbierende Schicht, die zwischen der photoleitenden halbisolierenden Schicht aus einem ersten Material und dem zweiten Gebiet der elektrolumineszierenden Diode aus einem zweiten Material angebracht werden muss· Die Pufferschicht enthSlt vorzugsweise die absorbierende Schicht und wenigstens einen Teil der photoleitenden Schicht, wobei die letztere auf einem Pegel der verbotenen Bandbreite liegt, der niedriger als der der absorbierenden Schicht ist.

Die Anordnung besteht vorzugsweise aus einem ersten Gebiet und einem zweiten Gebiet, welche Gebiete aus Ga11iumarsenidphosphid GaAe₁^_xP_x hergestellt sind, wobei 0 < χ < 0,4 ist, wShrend die absorbierende Schicht aus Galliumarsenidphosphid besteht, wobei die Phosphidkonzentration in der Dickenrichtung der Schicht von dem Uebergang ab von χ auf 0 abnimmt, und die halbisolierende Schicht aus kompensiertem Galliumarsenid hergestellt ist.

Ein anderes geeignetes Material ist Galliumindiumphosphid Ga In. P. Das erste und das zweite Gebiet bestehen aus dieser Verbindung, wobei χ = 0,25 ist. Die absorbierende Schicht und die photoleitende kompensierte Schicht liegen in der Pufferschicht, in der sich die Galliumkonzentration von einer Konzentration entsprechend χ = 0,25 zu einer Konzentration entsprechend χ = 0 Ändert.

Wenn das Material des ersten und des zweiten Gebietes ein Halbleitermaterial mit direkter Bandstruktur ist, von dem aus die Photonenemissionen durch direkte Rekombinationen

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zwischen Leitungsband und Valenzband herbeigeführt werden, ist die Absorption des Materials für das emittierte Licht beträchtlich. Es ist z.B. bekannt, dass es möglich ist, eine Absorption in einem für Strahlung undurchlässigen n-leifcenden Gebiet zu erhalten, das an einen elektrolumineszierenden pn-Uebergang grenzt, der dann nur über das p-leitende Gebiet ausstrahlen kann. In diesem Falle ist der Uebergang aus einem Material mit direkter Bandstruktur dadurch hergestellt, dass die beiden Gebiete in genügendem Masse dotiert werden. In einer besonderen Ausführungsform enthält die Anordnung nach der Erfindung einen pn-Uebergang in einem stark dotierten Material mit direkter Bandstruktur, wobei das Oberflächengebiet das p-leitende Gebiet ist und das η-leitende Gebiet eine genügende Dicke aufweist, um selber die die ausgesandte Strahlung absorbierende Schicht zu bilden.

Die Anordnung wird z.B. als Ganzes aus Galliumarsenid hergestellt und enthält ein Oberflächengebiet, ein unter liegendes Gebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, welche beiden Gebiete stark dotiert sind, eine kompensierte dünne Schicht und ein Substrat mit niedrigem spezifischem Widerstand, wobei die Energie der vom Uebergang emittierten Photonen etwas die verbotene Bandbreite von Galliumarsenid überschreitet. Das unterliegende Gebiet ist für diese Photonen stark absorbierend. Die dünne kompensierte Schicht wird über den Teil der von aussen herrührenden Strahlung erreicht, deren Wellenlänge grosser als die der emittierten Photonen ist.

Die Dicke der absorbierenden Schicht wird durch den

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Absorptionskoeffizienten 06 dieser Schicht für die von dem Uebergang emittierte Strahlung oder den nach dem Durchlaufen der Gebiete der Diode verbleibenden Teil der Strahlung bestimmt. Vorzugsweise ist die Dicke der absorbierenden Schicht mindestens gleich dem Dreifachen des Absorptionsabstandes 1/ä , was eine Schwächung der einfallenden Stärke im Verhältnis 1/e entspricht.

Die Struktur der Anordnung nach der Erfindung kann verschiedene Aspekte aufweisen. In einer erste! Ausführungsform die einer sogenannten transversalen Struktur entspricht, sind die beiden Elektroden auf zwei einander gegenüber liegenden Flächen befindlich. In diesem Falle ist die lumineszl«rende Emissionsfläche zugleich die Fläche, über die die Strahlung, die auf die photoleitende Schicht einwirkt, eintritt. In einem ersten Falle muss diese Strahlung das erste Oberflächengebiet, das zweite Gebiet und die absorbierende Schicht durchlaufen, um die photoleitende Schicht zu erreichen; in diesem Falle sind die Schichten parallel und übereinander angeordnet und weisen eine gleiche Oberfläche auf, wobei die Dicken des Oberflächengebietes und des zweiten Gebietes minimal sind. In einem zweiten Falle wird die Oberfläche des Oberfllchengebietes beschränkt und ausserhalb dieses Gebietes braucht die auf die photoleitende Schicht einwirkende Strahlung nur das zweite Gebiet und die absorbierende Schicht zu durchlaufen, und die photoleitende Schicht zu erreichen.

Diese Ausftihrungsform wird vorzugsweise durch Epitaxie und Diffusion und/oder Ionenimplantation erhalten; die

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verschiedenen Gebiete und Schichten sind parallel und übereinander angeordnet» Vorzugsweise ist der Uebergang ein örtlich diffundierter Uebergang, dessen Oberfläche wesentlich kleiner als die Oberfläche der photoempfindIichen Schicht, z.B. mindestens eine Grössenordnung kleiner, ist.

Das Gebilde der obenerwähnten Gebiete und Schichten kann oft nicht sichern, dass die Anordnung eine genügende mechanische Festigkeit aufweist. Es wird dann ein Substrat benötigt und die Anordnung enthält: ein erstes Oberflächengebiet, ein zweites Gebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, eine absorbierende Schicht, eine photoempfindliche Schicht und ein Substrat mit niedrigem spezifischem Widerstand und mit genügender Dicke und vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die halbisolierende Schicht.

Die halbisolierende Schicht wird durch Ionenimplantation oder Diffusion in das Substrat oder durch epitaktische Ablagerung auf dem Substrat erhalten. Die anderen Gebiete und Schichten werden durch Epitaxie und, sofern es das Oberflächengebiet anbelangt, gegebenenfalls durch Diffusion erhalten. Ein Kontakt wird dann auf dem Substrat mit Hilfe z.B. eines Metallniederschlags auf der der halbisolierenden Schicht gegenüber liegenden Fläche befestigt, wobei das Substrat dann die zweite Elektrode der Anordnung bildet.

Die erste Elektrode muss dann die von der Anordnung emittierte Strahlung und auch die Strahlung durchlassen, die die photoleitende Schicht anregen muss. Diese erste Elektrode ist entweder transparent oder porös und besteht aus einem Metallring oder einem Gitter, das auf der Oberfläche

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des ersten Gebietes niedergeschlagen wird.

Die andere Elektrode lSsst keine Strahlung durch und wird entweder auf der halbisolierenden Schicht oder auf dem Substrat z.B. in Form eines aufgedampften Metallniederschlags angebracht.

Im ersten Fall wird eine dünne Schicht stark dotierten Halbleitermaterials vom gleichen LeitfShigkeitstyp wie die halbisolierende Schicht derart zwischen der letzteren Schicht und dem Metallniederschlag angeordnet, dass ein guter nichtgleichrichtender Kontakt sichergestellt wird.

In dieser Ausführungsform können die EmissionsoberflSche der Anordnung und gegebenenfalls der Uebergang eine konvexe Form aufweisen und z.B. kugelförmig gestaltet sein, wie dies von bestimmten elektrolumineszierenden Dioden bekannt ist, um das VerhSltnis zwischen der Menge an emittiertem Licht und der Menge am Uebergang gebildeten Lichtes durch Herabsetzung der Verluste infolge Totalreflexion an der Oberfläche zu verbessern. Das einfallende Umgebungslicht dringt in die Anordnung über die gekrümmte OberflSche ein, aus der die emittierte Strahlung austritt.

In einer anderen Ausführungsform, die einer sogenannten lateralen Struktur entspricht, sind die beiden Elektroden, die eine Injektion von Ladungsträgern in die Anordnung ermöglichen, auf derselben ebenen Fläche dieser Anordnung gelegen. In diesem Falle empfSngt die lumineszierende Emissionsoberflfiche die Strahlung der Umgebungsbeleuchtung, aber die die Umgebungsstrahlung empfangende OberflSche kann ein grösseres Gebiet umfassen. Die verschiedenen Gebiete und Schichten sind parallel

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und übereinander angeordnet und können durch, örtliche Epitaxie und Diffusfcnanerhalten werden. Vorzugsweise ist die Oberfläche der photoleitenden Schicht, die die von aussen herrührende Strahlung erreicht, mindestens eine Grössenordnung grosser als die Oberfläche des örtlichen elektrolumineszierenden Uebergangs.

Die bisher an Hand verschiedener Ausführungsformen nach der Erfindung beschriebenen Anordnungen können nicht nur ein erstes einen Uebergang bestimmendes Gebiet, sondern auch ein Mosaik von Uebergängen enthalten. So ist eine monolithische elektrolumineszierende Anordnung nach der Erfindung, die verschiedene je für sich anzuregende elektrolumineszierende Elemente enthält, die in einem gemeinsamen kristallinen Träger integriert werden können und die je ein erstes Oberflächengebiet von einem ersten Leitfähigkeitstyp, ein zweites an das erste grenzende Gebiet von einem dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wobei der Uebergang zwischen diesen beiden Gebieten elektrolumineszierende Eigenschaften aufweist, und einen Teil einer halbisolierenden und photoleitenden Schicht enthalten der gegebenenfalls verschiedenen Elementen gemeinsam ist, wobei Kontaktmittel auf mindestens einem Teil der Oberfläche jedes der ersten Gebiete angebracht sind, dadurch, gekennzeichnet, dass eine absorbierende Schicht aus einem Material mit einer verbotenen Bandbreite, die niedriger als die Energie der Photonen ist, die von den genannten Uebergängen emittiert werden können, optisch die verschiedenen Uebergänge von den verschiedenen Teilen der photoleitenden Schicht trennt, wobei das Material der letzteren Schicht eine verbotene

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Bandbreite hat, die niedriger als die der genannten absorbierenden Schicht ist, und wobei Mittel zum Injizieren von Ladungsträgern auf der genannten photoleitenden Schicht angebracht sind.

Die Isolierung zwischen den ersten Gebieten verschiedener Elemente wird je nach den Umständen mit Hilfe von Nuten oder Schlitzen, die gegebenenfalls mit einem Isoliermaterial, z.B. SiO_, SioNk oder einem Epoxydharz, gefüllt sind, oder durch Isolierungsdiffusion erhalten, die Uebergänge bilden, die in der Sperrichtung polarisiert sind, wobei die ersten Gebiete örtlich diffundierte Gebiete in einem Material vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.

Die Verfahren zur Herstellung der verschiedenen Abwandlungen der Anordnung basieren auf üblichen Techniken, insbesondere Ionenimplantation, Diffusion, Epitaxie und Photoätzen. Die Schicht, die halbisoiierend und photoleitend sein muss, kann durch Kompensation erhalten werden; im Falle eines Substrats aus Galliumarsenid kann z.B. eine photoleitende Schicht durch Dotierung mit Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel oder Kobalt erhalten werden, wodurch es möglich wird, spezifische Widerstände in der Grössenordnung von 10 -.10· α.cm erhalten, oder eine solche photoleitende Schicht kann durch Dotierung mit Hilfe von Chrom oder Sauerstoff erhalten werden, wodurch es möglich wird, spezifische Widerstände in der

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Grössenordnung von 10 - 10 n.cm zu erhalten, je nach der Art und der Konzentration des Dotierungsmaterials.

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung elektrolumineszierender Anordnungen, deren Lichtleistung von von

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aussen herrührender Strahlung und insbesondere von der Umgebungsbeleuchtung geregelt wird. Die Erfindung lSsst sich vorteilhaft bei Signalleuchten, Anzeigerleuchten von vielerlei Art, wie alfanumerischen oder XY-Matrixanordnungen, bei Aenderung der Umgebungsbeleuchtung, wie in Fahrzeugen und insbesondere in Plugzeugen, anwenden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen)

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 ein Energiepegeldiagramm eines Gebildes von Gebieten und Schichten, die eine Anordnung nach der Erfindung bilden können;

Fig. 3 ein Diagramm, das das EnergieSpektrum von von einer Anordnung empfangenem Licht darstellt;

Fig. k einen schematischen Schnitt durch eine Anordnung gemSss einer Abwandlung der ersten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung, und

Fig. 6 einen schematischen Schnitt durch ein Gebilde von Anordnungen nach der Erfindung.

Bei der Herstellung der elektrolumineszierenden Anordnung nach Fig. 1 wird von einem Halbleiterkristall ausgegangen, der als Substrat 1 dient. Dieses Substrat 1 besteht aus Galliumarsenid vom n-Leitfähigkeitstyp. Auf diesem Substrat 1 ist eine Galliumarsenidschicht 2, 3 niedergeschlagen,

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von der ein Teil 2, der eine geringe Dicke aufweist, mit Kupfer kompensiert ist, wShrend ein Teil 3 dieser Schicht, der η-leitend ist, eine geringe Dicke und ausserdem einen bestimmten Galliumphosphidgehalt aufweist, welcher Gehalt von dem Substrat 1 zu dem Gebiet k z.B. von 0 auf kO% zunimmt, wonach eine Schicht aus Galliumarsenidphosphid mit 40$ Phosphid angebracht wird, die η-leitend ist und das Gebiet 4 bildet, in das ein Gebiet 5 vom p-Leitfähigkeitstyp eindiffundiert ist, das dann mit dem Gebiet k einen elektrolumineszierend en Uebergang 6 bildet. Auf der Aussenoberflache des Gebietes 5 ist eine Metallelektrode 8 niedergeschlagen, die die Form eines Ringes aufweist, während auf dem Substrat eine Metallschicht 9 niedergeschlagen ist. Die Elektroden und 9 sind mit einer Spannungsquelle 10 verbunden, die zum Anlegen einer Vorwärtsspannung für den Uebergang 6 dient.

Wenn eine Strahlung 11 zu der Anordnung geschickt wird, durchlauft mindestens ein Teil dieser Strahlung die Schichten k und 3 und erreicht die Schicht 2 und macht sie leitend. Wegen der Polarisierung der Anordnung werden die Elektronen an der Schicht 3 gesammelt und ein Strom durchläuft den elektrolumineszierenden Uebergang 6, wobei dieser Strom von der Zunahme der Photoleitung der Schicht 2 abhängig ist. Wenn sich die Stärke der Strahlung 11 ändert, ändert sich die Photoleitung der Schicht 2 in derselben Richtung und ändern sich somit ebenfalls der Strom durch den Uebergang und die Helligkeit dieses Uebergangs. Die Stärke der emittierten Strahlung 12 hängt von der Beleuchtung auf dem Pegel der Anordnung ab.

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Das vom Uebergang 6 emittierte Licht beeinflusst die Schicht 2 nicht. Obschon das Gebiet k nämlich für die emittierte Strahlung durchlässig ist, wird die letztere zunftchst von der Schicht 3 absorbiert, die eine verbotene Bandbreite aufweist, die von dem Gebiet h zu der Schicht abnimmt. Die Kurve A der Fig. 2 zeigt ein Diagramm dieser verbotenen Bandbreite als Funktion der Tiefe von der Oberfläche 7 der Anordnung her. In derselben Figur werden die Gehalte an Galliumphosphid χ in der Verbindung GaAs₁ P durch die Kurve B dargestellt und ein Schnitt gestattet die Erkennung der verschiedenen Schichten der Anordnung« In diesem Diagramm sind die gegenseitigen Verhältnisse der Dicken der verschiedenen Schichten nicht berücksichtigt.

In den Schichten 5 und k ist der Gehalt χ gleich χ ; die verbotene Bandbreite weist den Wert E₁-E₀ auf. In der Schicht 3 nimmt der Gehalt χ von X₁ auf x„ und in der Schicht 2 von X^ ^au** ^X3 ^aD· ^Der Koeffizient x~ ist im oben beschriebenen Beispiel gleich Nullj die verbotene Bandbreite variiert von E-i-E_Q zu E_-E_o < E₁-E₀ in der Schicht 3 und von E₂-E- zu E_-E_Q <- ^E2"^E0 ^{ln der Schicnt 2}·

Das Diagramm nach Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Spektrums von weissem Licht der Umgebungsbeleuchtung, wobei die Kurve C dieses Diagramms die Anzahl empfangener Photonen als Funktion der Energie dieser Photonen angibt. Die Photonen mit einer Energie von mehr als Er = E₁-E₀ werden von den Schichten h und 5 absorbiert, während die Photonen mit einer Energie von mehr als E,- = E₃-E_n von der Schicht 3 absorbiert werden; die verbleibenden Photonen mit einer Energie von

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mehr als E^ können von der photoempfindlichen Schicht 2 absorbiert werden. Die Kurve D gibt die Anzahl der in der letzteren Schicht absorbierten Photonen als Punktion der Energie dieser Photonen an.

Die Anordnung nach Fig. 4 ist eine elektrolumineszierend« Diode, deren Geometrie gleich der Weierstrass*sehen Kugel ist, die es ermöglicht, die Verluste, die durch Reflexion an der Fläche zwischen der Diode und der Umgebung herbeigeführt werden, herabzusetzen. Ein Uebergang 44 befindet sich zwischen den Gebieten 45 und 46, die entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen aufweisen. Das Gebiet 43 ist das absorbierende Gebiet, das das photoempfindliche halbisolierende Gebiet 42 vor der Strahlung des Uebergangs 44 schützt. Die undurchlässigen Metallelektroden 4o und 50 und die Spannungsquelle 51 gestatten einen Stromdurchgang in der Anordnung. Eine dünne Schicht 41 , die stark dotiert ist und den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Schichten 45, 43, 42 aufweist, wird zwischen der Elektrode 40 und der Schicht 42 angeordnet, um einen guten, nichtgleichrichtenden ohmsehen Kontakt sicherzustellen.

Die vom Uebergang 44 emittierte Strahlung 48 tritt über die Kugeloberfläche 47 aus der Anordnung heraus. Die von aussen herrührende Strahlung 49 dringt über dieselbe Oberflache ein.

Die Anordnung nach Fig. 5 weist eine sogenannte laterale Struktur auf, bei der die beiden Elektroden auf derselben Seite der Anordnung angebracht sind. Die Anordnung ist aus einer Platte 61 aus einem Halbleitermaterial mit geringem

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spezifischem Widerstand hergestellt. In dieser Platte werden durch Niederschlagen oder Diffusion angebracht: das Gebiet 62, das den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Platte aufweist, aber derart kompensiert ist, dass ein hoher spezifischer Widerstand erhalten wird; das Gebiet 63» das den gleichen Leitfähigkeitstyp, aber eine grössere verbotene Bandbreite als das Material des Gebietes 62 aufweist; das Gebiet 64, das den gleichen Leitfahigkeitstyp, aber eine grössere verbotene Bandbreite als das Gebiet 63 aufweist und das Gebiex vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, das einen elektrolumineszierend en Uebergang 66 bildet. Elektroden 67 und 68 und eine Spannungsquelle 69 ermöglichen es, die obengenannten Gebiete in Reihe zu speisen.

Verschiedene Vorrichtungen nach der Erfindung können gemäss verschiedenen Anordnungen gruppiert -werden. Der Schnitt nach Fig. 6 zeigt elektrolumineszierende Dioden mit einer gemeinsamen Elektrode, die aus einer Halbleiterplatte hergestellt sind.Die Elektrolumineszierenden Uebergänge 70 zwischen ' den Gebieten 86 und den Gebieten 85 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp liegen in der gleichen Ebene. Die Schichtteile 8k schützen die photoempfindliche Schicht 83 vor Strahlung der elektrolumineszierenden Dioden. Ein Substrat 81 vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Gebiete 83, 84 und 85, aber mit einem geringeren spezifischen Widerstand, dient als Träger. Die gemeinsame Elektrode 82 und die einzelnen porösen Elektroden 89 werden mit nicht dargestellten Spannungsquellen verbunden. Die erregten Dioden senden über ihre Fläche 88 eine lokalisierte Strahlung aus. Die verschiedenen Dioden

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werden durch Nuten 87» die mit einem Isoliermaterial gefüllt sind, das wenigstens die halbisolierende Schicht 83 und vorzugsweise das Substrat 81 erreicht, gegeneinander isoliert.

Eine Anordnung nach Fig. 1 kann mit Erfolg durch bekannte Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen hergestellt werden. Es wird z.B. von einem Substrat aus einkristallinem Galliumarsenid ausgegangen, das mit Tellur in

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einer Konzentration von 5 · 10 Atomen/cm dotiert ist, welches Substrat die Form einer Scheibe mit einer Dicke von 150/um aufweist. Auf diesem Substrat wird durch Epitaxie aus der Dampfphase eine Schicht aus Galliumarsenid niedergeschlagen, das mit Kupfer kompensiert ist und einen spezifischen

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Widerstand von 10 - 10 n.cm aufweist. Nach dem Niederschlagen einer Schicht mit einer Dicke von 10/um wird der Vorgang fortgesetzt, indem in den Reaktor eine Verbindung aufgenommen wird, die Phosphor zusetzen kann, und der Zusatz dieser Verbindung wird allmählich erhöht, wobei die Dotierung während der letzten neuen Phase mit Selen oder Tellur erfolgt.

Die Dicke der so hergestellten Pufferschicht beträgt 20 ,um und die Zusammensetzung eines Niederschlags am Ende dieser Behandlung ist GaAs_Q ^₁Pq oq. Der Niederschlagvorgang wird dann ohne Aenderung des Phosphorgehalts fortgesetzt, bis eine Dicke von 10 /um erhalten ist.

Eine örtliche Zinkdiffusion mit einer mittleren Kon-

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zentration von 10 Atomen/cm erfolgt bis zu einer Tiefe von 5/^um, um den elektrolumineszierenden Uebergang zu erhalten. Die Elektroden werden durch Vakuumdampfen von Aluminium

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auf der Seite der elektrolumineszierenden Diode und von Zinn auf der Seite des Substrats niedergeschlagen.

Es wurde mehrere Male festgestellt, dass die Intensität der emittierten Strahlung der beschriebenen Anordnungen nach der Erfindung etwa proportional mit der Intensität des Umgebungslichtes zunimmt.

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Claims (2)

1. FPHN.6371.

   2 Π 1 1L; 1 7

   PATENTANSPRUECHE:

   Elektrolumineszierende Anordnung, die einen monolithischen kristallinen Halbleiterkörper und mindestens in elektrischer Reihenanordnung enthältt

   - eine erste Kontaktelektrode,

   - ein erstes Oberflächengebiet von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei die genannte erste Elektrode auf mindestens einem Teil der Oberfläche dieses ersten Gebietes angebracht ist,

   - ein zweites Gebiet, das an das erste Gebiet grenzt und den zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei der Uebergang zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet elektroluminezierende Eigenschaften aufweist,

   - eine photoleitende Schicht aus einem halbisolierenden Material mit einer verbotenen Bandbreite, die kleiner als die Energie der Photonen ist, die vom genannten Uebergang emittiert werden können,

   - eine zweite Kontaktelektrode,

   dadurch gekennzeichnet, dass die genannte photoleitende Schicht und der genannte Uebergang optisch durch eine absorbierende Schicht aus einem Material voneinander getrennt werden, das eine verbotene Bandbreite aufweist, die zwischen der des Materials der photoleitenden Schicht und der Energie der Photonen liegt, die von dem genannten Uebergang emittiert werden, wobei die beiden Schichten vom zweiten Leitfähigkeitstyp sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gebiete bildende Material und das die absorbierende

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   2 Ή 1 k ! 7

   Schicht bildende Material verschiedene Konzentrationen an gemeinsamen Bestandteilen aufweisen und in demselben Kristallsystem mit verschiedenen, nahe beieinander liegenden Kristallparametern kristallisieren.

   3· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die absorbierende Schicht bildende Material und das die photoleitende Schicht bildende Material verschiedene Konzentrationen an gemeinsamen Bestandteilen aufweisen und in demselben Kristallsystem mit nahe beieinander liegenden Kristallparametern kristallisieren. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3t dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der absorbierenden Schicht in einer Pufferschicht liegt, in der die Konzentration an den genannten Bestandteilen sich allmählich zwischen den Werten dieser Konzentration zu beiden Seiten der Pufferschicht ändert.

   5« Anordnung nach einem der Ansprüche 3 und k_t dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der photoleitenden Schicht in einer Pufferschicht liegt, in der die Konzentration der genannten Bestandteile sich zwischen den Werten dieser Konzentration zu beiden Seiten der Pufferschicht ändert. 6· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die absorbierende Schicht aus dem zweiten Gebiet des HalbleiterkOrpers besteht und aus einem Material mit direkter Bandstruktur hergestellt ist.

   7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der absorbierenden Schicht mindestens gleich dem Dreifachen des Absorptionsabstandes 1/dC ist,

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   wobei Ot der Absorptionskoeffizient des Materials dieser Schicht für die vom Uebergang emittierte Strahlung ist.

   8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der photoleitenden Schicht, die von der von aussen herrührenden Strahlung erreicht wird, mindestens eine GrBssenordnung grosser als die Oberfläche des elektrolumineszierenden Uebergangs ist.

   9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gebiet eine konvexe Aussenoberflache besitzt, über die die vom Uebergang emittierte Strahlung heraustritt und die von aussen herrührende Strahlung eindringt.

   10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ι dadurch gekennzeichnet, dass sie verschiedene je für sich zu erregende elektrolumineszierende Elemente enthalt, die in einem gemeinsamen kristallinen Träger integriert werden können.

   11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Materialien hergestellt ist, die aus mindestens einem Element aus der durch Gallium, Indium und Aluminium gebildeten Gruppe und aus mindestens einem Element aus der durch Arsen und Phosphor gebildeten Gruppe bestehen.

   12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet p-leitend und das zweite Gebiet n-leitend ist und die Gebiete aus Galliumarsenidphosphid GaAs. P hergestellt sind, wobei 0 < χ <0,U ist, während die absorbierende Schicht η-leitend ist und aus GaAS.. P besteht,

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   wobei χ von seinem Wert in den genannten Schichten auf 0 abnimmt, und die photoleitende Schicht aus kompensiertem Galliumarsenid GaAs besteht, das einen spezifischen Wider-

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   stand zwischen 10 und 10 n.cm aufweist.

   13· Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet p-leitend und das zweite Gebiet n—leitend ist und die Gebiete aus Galliumaluminiumarsenid Ga₁ Al As hergestellt sind, wobei 0,3 ^ x ■<£ 0,4 ist, während die absorbierende η-leitende Schicht aus Galliumaluminiumarsenid Ga₁^_xAl_xAs hergestellt ist, wobei 0 < χ <0,3 ist, und die

   photoleitende Schicht aus kompensiertem Galliumarsenid mit

   2 8 eines spezifischen Widerstand zwischen 10 und 10 α.cm besteht.

   i4. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13t dadurch gekennzeichnet, dass das Material der photoleitenden Schicht kompensiertes Galliumarsenid ist, wobei die Kompensation durch Zusatz eines Elements aus der durch Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan, Chrom und Sauerstoff gebildeten Gruppe herbeigeführt wird.

   15· Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die -verschiedene je für sich anzuregende elektrolumineszierende Elemente enthält, die in einem gemeinsamen kristallinen Träger Integriert werden können und die je ein erstes Oberfllchengebiet von einem ersten Leitfähigkeitstyp, ein zweites an das erste grenzendes Gebiet von einem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, wobei der Uebergang zwischen diesen beiden Gebieten elektrolumineszierende Eigenschaften aufweist, und

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   einen Tell einer halbisolierenden und photoleitenden Schicht enthalten, der gegebenenfalls verschiedenen Elementen gemeinsam ist, wobei Kontaktmittel auf mindestens einem Teil der Oberfläche jedes der ersten Gebiete angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine absorbierende Schicht aus einem Material mit einer verbotenen Bandbreite, die niedriger als die Energie der Photonen ist, die von den genannten UebergSngen emittiert werden können, optisch die verschiedenen UebergSnge von den verschiedenen Teilen der photoleitenden Schicht trennt, wobei das Material der letzteren Schicht eine verbotene Bandbreite aufweist, die niedriger als die des Materials der genannten absorbierenden Schicht ist, und wobei Mittel zum Injizieren von Ladungsträgern auf der genannten photoleitenden Schicht angebracht sind«

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