DE2311646B2 - Elektrolumineszierende Diodenanordnung - Google Patents

Elektrolumineszierende Diodenanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszierende Diodenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspru ches 1.
Eine Diodenanordnung dieser Art ist aus der DE-OS 14 89 181 bekannt
Diese bekannte Düsenanordnung bildet einen thyristorähnlichen Schalter mit htthe-r Schaltgeschwin digkeit für hohe Durchschlagspannung. Sie ist so aufgebaut, daß von bestimmten Werten des die Anordnung durchfließenden Stromes an eine so große optische Kopplung zwischen dem elektrolumineszierenden PN-Übergang und dem Gebiet mit photoleitenden
Eigenschaften besteht, daß die Diodenanordnung von einem vergleichsweise hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand umkippt.
Weiter ist aus der DE-AS 14 39 543 ein Festkörperbildwandler bekannt, der aus einer photoleitenden
so Schichtenfolge und einer darauf aufbauenden elektrolumineszierenden Schichtenfolge besteht. Die photoleitjnde Schichtenfolge enthält eine halbisolierende Schicht, die bistabile Eigenschaften des Festkörperbildwandlers verursacht. Wird in dieser zunächst hochohmi- gen Schicht durch eine Kombination von Photoanregung und Injektion ein Strom zum Fließen gebracht, dann wird diese Schicht in einen niederohmigen Zustand umgeschaltet. Aus der DE-OS 14 39 687 ist eine elektrolumineszie rende Diodenanordnung bekannt, bei der in einem Halbleiterkörper Photodioden und Lumineszenzdioden derart vereinigt sind, daß sie als Bildwandler oder Bildverstärker dienen kann. Durch einen Teil der von den Lumineszenzdioden emittierten Strahlung, der auf die Photodioden einfällt, tritt eine Verstärkung ein. Ferner ist aus dieser Offenlegungsschrift eine elektrolumineszierende Diodenanordnung bekannt, die aus zwei Halbleiterscheiben besteht, welche durch eine Isolier-
schicht voneinander getrennt sind. In der einen Scheibe sind streifenförmige Phototransistoren, in der anderen Scheibe streifenförmige Lumineszenzdioden ausgebildet jeweils ein Pci der Lumineszenzdioden ist mit dem Emitter eines zugehörigen Phototransistors leitend verbunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Diodenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszugestalten, daß sie nicht auf die Strahlung des eigenen elektrolumineszierenden Oberganges anspricht, sondern über einen großen Intensitätsbereich nur auf andere, von außen kommende Strahlung, die auch Strahlung mit der Wellenlänge der vom eigenen elektrolumineszierenden Übergang abgegebenen Strahlung enthalten kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspröchen beschrieben.
Die zweite, an das dritte Gebiet grenzende Zone des zweiten Gebietes bildet einen Schirm für die von dem Übergang emittierten Photonen. Wenn die Diodenanordnung mit einer Spannungsquelle verbunden ist, wobei die zwischen den beiden Kontaktelektroden angelegte Spannung für den ersten und den dritten Übergang eine Vorwärtsspannung ist, werden die vom ersten Übergang emittierten Photonen in der zweiten Zone absorbiert und können das dritte Gebiet nicht erreichen. -M)
Dagegen werden die Photonen einer von außerhalb der Anordnung herrührenden Strahlung von diesem dritten Gebiet empfangen und mindestens ein Teil derselben gelangt in die Verarmungszone des zweiten in der Sperrichtung vorgespannten Übergangs. Diese Photonen bilden dort Elektron-Loch-Paare. Die Bildung von Ladungsträgern in einem Abstand von dem zweiten Übergang, der kleiner als ihre Diffusionslänge ist, erhöht die Konzentration von Minoritätsladungsträgern in dem dritten Gebiet, was eine Änderung des Potentials dieses letzteren Gebietes in bezug auf das vierte Gebiet zur Folge hat Die Potentialgrenze des dritten Überganges wird herabgesetzt, was eine Injektion von Minoritätsladungsträgern aus dem vierten Gebiet in das dritte Gebiet ermöglicht.
Wenn der Abstand zwischen dem zweiten Übergang und dem dritten Übergang genügend klein ist, rekombiniert nur eine geringe Anzahl dieser Ladungsträger in dem dritten Gebiet, die übrigen Ladungsträger gelangen in die zweite Zone des zweiten Gebiets. Dadurch wird ein Verstärkungseffekt erhalten, wobei die zweite Zone des zweiten Gebietes den Kollektor, das dritte Gebiet die Basis und das vierte Gebiet den Emitter eines Phototransistors bilden. Der primäre Photostrom in der Basis des Transistors ist gleich dem Produkt aus dem Photonenstrom, der das lichtempfindliche Gebiet erreicht aus der Quantenausbeute für die Bildung von Elektron-Loch-Paaren in diesem Gebiet und aus dem Wert der Ladung des Elektrons.
Der Strom in der Anordnung ist gleich diesem w Photostrom in dem dritten, als Basis wirkenden Gebiet multipliziert mit der Verstärkung des Transistors auf dem betrachteten Strompegel. Dieser Strom ändert sich also mit der Beleuchtung des Basisgebietes, dessen Oberfläche einer von außen herrührenden Strahlung *>·> ausgesetzt ist Dagegen beeinflußt die in Richtung auf den Transistor von dem ersten, lumineszierenden Übergang emittierte Strahlung diesen Photostrom nicht, weil die zweite Zone des zweiten Gebietes für diese Strahlung undurchlässig ist Die Verstärkung des Transistors kann durch ein übliches Verfahren ermittelt werden und ist nahezu gleich dem Verhältnis der Diffusiionslänge der Minoritätsladungsträger in der Basis ;:u der Dicke der Basis, die zwischen dem zweiten und dem dritten Übergang liegt
Andererseits ist es bekannt, daß für einen bedeutenden Arbeitsbereich die Kurve der von einer elektrolumineszierenden Diode als Funktion des sie durchlaufenden Stromes ausgesandten Leistung meistens einer Geraden gleichgesetzt werden kann. Dadurch wird eine Änderung der emittierten Strahlung erhalten, die nahezu dem vom lichtempfindlichen Teil der Diodenanordnung empfangenen Lichtstrom proportional ist.
Da die Lichtemission der elektrolumineszierenden Anordnung sich als Funktion der von ilir empfangenen Beleuchtung ändert können Wiedergabevorrichtungen mit Kontrastregelung durch die Beleuchtung der Umgebung hergestellt werden. Da: Material des ersten Gebietes und der ersten Zone des zweiten Gebietes ist ein Material, in dem ein in der Vorwärtsrichtung vorgespannter Übergang eine sichtbare Strahlung emittiert wie z. B. Gallium-Aluminiumarsenid. Das Materal der zweiten Zone des zweiten Gebietes ist ein Material mit einer niedrigeren Breite des verbotenen Bandes, z. B. Galliumarsenid; das dritte und das vierte Gebiet können ebenfalls aus diesem Material bestehen.
In gewissen Fällen ist es für die Herstellung einer monolithischen Anordnung aus zwei materialien mit verschiedener Breite des verbotenen Bandes und nur annähernd gleichen Kristallparametern notwendig, daß das eine Materia, epitaktisch auf dem anderen Material niedergeschlagen wird unter Zwischenfügung einer Zwischenschicht, einer sogenannten Pufferschicht, deren Zusammensetzung sich allmählich zwischen den Zusammensetzungen der beiden Materialien ändert. Die Breite des verbotenen Bandes in der Pufftrschicht ändert sich allmählich mit der Zusammensetzung und diese Pufferschicht bildet vorzugsweise einen Teil des zweiten Gebietes. Die Anordnung besteht z. B. aus einem ersten Gebiet und einer ersten Zone des zweiten Gebietes, die aus Galliumarsenidphosphid
GaAsi _,P,
hergestellt sind; die zweite Zone des zweiten Gebietes ist auü Galliumarsenidphosphid hergestellt, wobei die Phosphidkonzentration in der Dickenrichtung dieser Zone von dem Übergang ab von χ auf 0 abnimmt, während das dritte und das vierte Gebiet aus Galliumarsenid bestehen. Auch ein Teil der zweiten Zone kann aus halbleitendem Galliumarsenid bestehen. D'eses Material ist empfindlich für Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 0,9 μπι, wie sie die meistein Arten natürlichen und künstlichen Lichtes enthalten, und es ist außerdem stark absorbierend für Strahlungen mit kürzeren Wellenlängen, wie die von den Dioden mi; dem o. g. Material emittierte Strahlung. Andere Materialien, die aus mindestens einem Element der Spalte III des Periodischen Systems und mindestens einem Element der Spalte V zusammengesetzt sind, sind ebenfalls geeignet, z. B. Gallium-Indiumphosphid
Gai-,ln,P
z. B. in Vereinigung mit Indiumphosphid mit kleinerer verbotenen Bandbreite, und Gallium-Aluminiumarsenid zusammen mit Galliumarsenid. Die elektrolumineszisrende Diodenanordnung, die
23 Π 646
Infrarotstrahlung empfängt, kann im sichtbaren Spektrum aussenden und so einen Wellenlängenwandler bilden und zum Sichtbarmachen von Infrarotsignalen dienen. Eine Kombination verschiedener Anordnungen dieser Art bildet einen Bildwandler; ein Mosaik von koplanaren Diodenanordnungen, die z. B. gemäß einer XY-Matrix angeordnet sind, wird dann auf einem gemeinsamen Träger befestigt.
Die Diodenanordnung ist vorzugsweise eine flache Platte, in der durch epitaktische Ablagerungen und Diffusionen, ggf. durch Legieren oder Ionenimplantation die vier Gebiete hergestellt sind.
Die Dicke des ersten Gebietes ist minimal: die Dicke des absorbierenden Teiles des zweiten Gebietes wird als Funktion des Absorptionskoeffizienten λ in diesem Gebiet für die vom Übergang emittierte Strahlung bestimmt. Vorzugsweise ist diese Dicke mindestens glpirh Hpm Drmfarhen des Ahsnrntinnsahstandex 1/λ.
was einer Schwächung der einfallenden Stärke in dem Verhältnis 1/e3 für die vom Übergang emittierte Strahlung entspricht. Der Absorptionsabstand ist der Weg, nach dem die Intensität der Strahlung auf 1/e abgesunken ist.
Wenn das Material des ersten Gebietes und der ersten Zone des zweiten Gebietes ein Halbleitermaterial mit direkter Bandstruktur ist, von dem aus die Photoemissionen durch direkte Rekombinationen von Leitungsband und Valenzband herbeigeführt werden, ist die Absorption des Materials für das emittierte Licht beträchtlich. Insbesondere ist ein N-Ieitendes Gebiet für Strahlung undurchlässig, die von einem angrenzenden elektrolumineszierenden PN-Übergang emittiert wird. Um das Austreten der Strahlung zu ermöglichen, ist ein sehr dünnes P-leitendes Gebiet vorgesehen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenanordnung,
F i g. 2 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenanordnung.
Die Diodenanordnungen nach den F i g. 1 und 2 enthalten ein erstes Gebiet 4 und ein zweites Gebiet. Zwischen diesen beiden Gebieten wird ein elektrolumineszierender Übergang 6 gebildet, der eine Strahlung in der Richtung 12 emittiert. Das zweite Gebiet umfaßt zwei Zonen 1, 5, und zwar eine erste Zone 5 aus demselben Material wie das erste Gebiet, jedoch vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, und eine zweite Zone 1 aus einem material mit einer geringeren Breite des verbotenen Bandes. Ein drittes Gebiet 2 bildet mit dem zweiten Gebiet einen zweiten PN-Übergang 3,
während ein viertes Gebiet 7 mit dem dritten Gebiet einen dritten PN-Übergang 8 bildet. Das dritte Gebiet 2 weist eine große Außenoberfläche zum Empfang von von außen einfallender Strahlung 13 auf. Kontakte sind bei 10 auf dem ersten Gebiet und bei 9 auf dem vierten Gebiet angebracht und werden mit einer Spannungsquelle 11 mit niedriger konstanter Spannung verbunden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Diodenanordnung sind das dritte Gebiet 2, das vierte Gebiet 7 und die Kontakte ringförmig gestaltet.
Bei der Herstellung einer Anordnung der anhand der Fig. 1 beschriebenen Art kann von III-V-Halbleiterverbindungen mit den gewünschten Eigenschaften z. B. von einer Platte aus Galliumarsenid GaAs vom N-Typ ausgegangen werden, das mit Tellur mit einer Konzentration von 10" Atomen/cm3 dotiert ist. Diese Platte bildet das Substrat und die zweite Zone 1 des zweiten Gebiets. Das dritte Gebiet 2 (Basisgebiet) wird durch Zinkdiffusion mit einer Dicke kleiner als oder gleich 2 μΐη und mit einer Konzentration in der Größenordnung von I018 Atomen/cm3 erhalten. Das vierte Gebiet 7 (Emitter) wird durch Zinnlegierung erhalten, die über etwa 1,5 μπι eindringt und zwischen dem Emitter und dem Kollektor eine Basisdicke von 1,5 μηι zurückläßt. Auf der anderen Seite der Platte ist die elektrolumineszierende Diode, die durch das Gebiet 4 und die erste Zone 5 des zweiten Gebiets gebildet wird, epitaktisch angebracht. Diese Diode wird durch epitaktische Ablagerung von Galliumarsenidphosphid GaAsi _,P, auf dem Substrat erhalten, wobei χ zwischen 0 und 0,4 bei einer Dicke von 40 μιπ variiert. Die abgelagerte Verbindung ist N-leitend mit einer Konzentration von 5 · 10" Selen- oder Telluratomen/cm3. Das Gebiet 4 ist ein diffundiertes Gebiet, das durch Zinkdiffusion mit einer Konzentration in der Größenordnung von 1019 Atomen/cm3 bei einer Tiefe von 2 μπι erhalten wird. Die ebene Oberfläche des elektrolumineszierenden Übergangs 6 ist viel kleiner als die ebene Oberfläche des licht empfindlichen Übergangs 3. Der elektrolumineszierende Übergang 6 weist z. B. eine kreisförmige Oberfläche von 10~3 cm2 auf, während der flache zur Oberfläche der Halbleiterplatte parallele Teil des lichtempfindlichen Übergangs 3 eine Oberfläche von 10-' cm2aufweist.
Eine auf die oben beschriebene Weise hergestellte Diodenanordnung weist eine Stromverstärkung von 10 bis 50 auf. Bei einer von außen herrührenden Infrarotbestrahlung der empfangenden Fläche von 50 mW/cm2 beträgt der Strom in der Diode 30 mA, wobei der Basisstrom in der Größenordnung von 1,5 mA liegt. Bei einer Beleuchtung von 5 mW/cm2 beträgt der Strom in der Diode 3 mA. Zwischen diesen beiden Beleuchtungswerten ändert sich die Helligkeit der Diodenanordnung proportional mit einem Faktor von etwa 10.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Elektrolumineszierende Dipdenanordnung mit vier aufeinanderfolgenden abwechselnd P- und N-leitenden, in einem Halbleiterkörper angeordneten Gebieten, die miteinander drei PN-Übergänge bilden, wobei der erste PN-Übergang zwischen dem ersten Gebiet und dem zweiten Gebiet ein elektrolumineszierender Übergang ist, das erste Gebiet und das vierte Gebiet mit ohmschen Kontaktelektroden versehen sind, das dritte Gebiet aus einem Material mit photoleitenden Eigenschaften besteht, und das zweite, dritte und vierte Gebiet einen Phototransistor bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gebiet mindestens zwei Zonen (1,5) enthält, von denen die erste Zone (5) an das erste Gebiet (4) grenzt und dasselbe Grundmaterial wie dieses erste Gebiet (4) aufweist, und die zweite Zone (1) an das dritte Gebiet (2) grenzt, aus einem Material besteht, dessen Breite des verbotenene Bandes kleiner ist als die Energie der von dem ersten Übergang (6) emittierten Photonen, und so dick ist, daß die von dem ersten Übergang (6) emittierten Photonen in ihr absorbiert werden, und daß das dritte Gebiet (2) eit.e PN-Übergangsfläche (3) mit der zweiten Zone (2) aufweist, die für solche Photonen zugänglich ist, die von außerhalb der Anordnung einfallen.
2. Diodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicl.net, daß das Grundmaterial des ersten Gebietes (4) und der erstem Zone (5) des zweiten Gebietes (1, 5) und dps Grundmaterial der zweiten Zone (1) des zweiten Gebiete· des dritten Gebietes (2) und des vierten Gebietes (7) aus Mischkristallen des gleichen Kristallsystems bestehen, welche die gleichen Bestandteile, jedoch in unterschiedlicher Konzentration enthalten, wobei die Kristallparameter der beiden Mischkristalle annähernd gleiche Größe haben.
3. Diodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Gebiet (1, 5) eine Pufferzone liegt, in der sich die Konzentration der Kristallbestandteile allmählich zwischen den Werten der Konzentrationen in den angrenzenden Zonen ändert
4. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Zone (1) des zweiten Gebiets gleich dem Dreifachen des Absorptionsabstandes 1/« für die vom ersten Übergang (6) emittierte Strahlung ist.
5. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Platte ist, in der das erste Gebiet (4), die Zonen (1, 5) des zweiten Gebiets und das dritte Gebiet (2) der Anordnung übereinander liegende zur Plattenoberfläche parallele Schichten bilden, und das vierte Gebiet (7), das eine geringere seitliche Ausdehnung als die anderen Gebiete hat, im dritten Gebiet (2) eingelassen ist,
6. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für von außerhalb der Anordnung einfallende Photonen (13) zugängliche PN-Übergangsfläche zwischen dem dritten Gebiet (2) und der zweiten Zone (1) des zweiten Gebiets neben der Austrittsfläche der vom ersten Übergang (6) emittierten Strahlung liegt (Fig-2).
7. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gebiet (4) und die erste Zone (5) des zweiten Gebietes aus einem stark dotierten Material mit direkter Bandstruktur besteht, und daß das erste Gebiet (4) P-leitend und sehr dünn ist
8. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Verbindungen hergestellt ist, die aus mindestens einem der Elemente Gallium, Aluminium oder Indium und aus Arsen undVoder Phosphor bestehen
9. Diodenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gebiet (4) aus epitaktisch niedergeschlagenem, mit Zink dotiertem Galliumarsenidphosphid
GaAsi-,Ρχ
besteht, wobei 0<x<0,4 ist, daß die erste Zone (5) des zweiten Gebietes aus epitaktisch niedergeschlagenem, mit Tellur dotiertem Galliumarsenidphosphid besteht, wobei der Phosphorgehalt mit zunehmendem Abstand vom ersten PN-Übergang von χ nach 0 abnimmt, wogegen die zweite Zone (1) des zweiten Gebietes aus mit Tellur dotiertem Galliumarsenid, das dritte Gebiet (2) aus mit Zink dotiertem Galliumarsenid und das vierte Gebiet (7) aus mit Zinn dotiertem Galliumarsenid bestehen.
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