DE2311646C3 - Elektrolumineszierende Diodenanordnung - Google Patents
Elektrolumineszierende DiodenanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszierende Diodenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspru-
Ji ches I.
Eine Diodenanordnung dieser Art ist aus der DE-OS 14 89 181 bekannt.
Diese bekannte Diodenanordnung bildet einen thyristorähnlichen Schalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit
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
% Schichtenfolge und einer darauf aufbauenden elektrolumineszierenden
.Schichtenfolge besteht. Die photoleitende 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.
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 Lumines/xnzdiodcn emittierten Strahlung, der auf
h' die Photodiode» einfällt, tritt eine Verstärkung ein.
Ferner ist aus dieser Offenlegungsschrift eine elektrnluniines/ieremle
Diodenanordming 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 Pol 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 Ober einen großen Intensitätsbereich nur auf andere, von außen kommende Strahlung, die
auch Strahlung mit der Wellenlänge der vom eigenen elektrolumineszierenden Obergang abgegebenen
Strahlung enthalten kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen
Merkmab gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die zweite, an das dritte Gebiet grenzende Zone des zweiten Gebietes bildet einen Schirm für die von dem
Übergang emittierten Photonea 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.
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 Minoritätsladungsträ gern 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 de 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 Elektrant.
Der Strom in der Anordnung ist gleich diesem
l'hütustrom in dem dritten, als Basis wirkenden Gebie!
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 becinfliiUt die in Richtung .itif
ilen Transistor von d>:;n ersten, lumineszierenden
Übergang emittierte Strahlung diesen Photoslroiii
nicht weil die zweite Zone des zweiten Gebietes für diese Strahlung undurchlässig ist Die Verstärkung des
Transistor, kann durch ein übliches Verfahren ermitteU
werden und ist nahezu gleich dem Verhältnis der
ϊ Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der
Basis zu der Dicke der Basis, die zwischen dem zweiten und dem dritten Obergang liegt
Andererseits ist es bekannt daß für einen bedeutenden Arbeitsbereich die Kurve der von einer e! jktrolumineszierenden
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
ι ϊ empfangenen Lichtstrom proportional ist
Da die Lichtemission der elektrolumineszierenden Anordnung sich als Funktion der von ihr empfangenen
Beleuchtung ändert können Wiedergabevorrichtungen mit Kontrastregelung durch die Beleuchtung der
Umgebung hergestellt werden. Das Material des ersten Gebietes und der ersten Zone des zv.viten Gebietes ist
ein Material, in dem ein in der Vo. »ausrichtung
vorgespannter Übergang eine sichtbare Strahlung emittiert, wie z. B. Gallium-Aluminiumarsenid Das
>') Material der zweiten Zone des zweiten Gebietes ist ein
monolithischen Anordnung aus zwei materialien mit verschiedener Breite des verbotenen Bandes und nur
annähernd gleichen Kristallparametern notwendig, daß
das eine Material epitaktisch auf dem anderen Material niedergeschlagen wird unter Zwischenfügung einer
κ Zwischenschicht, einer sogenannten Pufferschicht deren
Zusammensetzung sich allmählich zwischen den Zusammensetzungen der beiden Materialien ändert Die
Breite des verbotenen Bandes in der Pufferschicht 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 aus Galliumarsenidphosphid hergestellt wobei die
Phosphidkonzentration in der Dickenrichtung dieser Zone von dem Übergang ab von χ auf 0 abnimmt
r>o während das dritte und das vierte Gebiet aus
Galliumarsenid besahen. Auch ein Teil der zweiten Zone kann aus halbleitendem Galliumarsenid bestehen
Dieses Material ist empfindlich für Infrarotstrahlung mt e.iie-. Wellenlänge größer als 0,9 μηι, wie sie die
>■> meisten Arten natürlichen und künstlichen Lichtes
enthalten, und es ist außerdem stark absorbierend für
Strahlungen mit kürzeren Wellenlängen, wie die von den Dioden mit dem o. g. Material emittierte Strahlung.
Andere Materialien, die aus mindestens einem Element
hl> der Spalte III des Periodischen Systems und mindestens
einem Element der Spalte V zusammengesetzt sind, sind ebenfalls geeignet, ι. B. Gallium-Indiumphosphid
Ga,_,In,P
"> z.H. in Vereinigung 'iiit Indiumphosphid mit kleinerer
verbotenen Bandbreite, und Gallium-Aluminiumarsenid zusammen mit Galliumarsenid.
Die elektrolumineszierende Diodenanordnung, die
Die elektrolumineszierende Diodenanordnung, die
Infrarotstrahlung empfängt, kann im sichtbaren Spektrum aussenden und so einen Wellen'^ngenwandler
bilden und zum Sichtbarmachen von Infrarotsignalen dienen. Fine Kombination verschiedener Anordnungen
dieser An bildet einen Bildwandler; ein Mosaik von koplanarcn 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 loneniniplanta
tion 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 * in diesem Gebiet für die vom Übergang emittierte Strahlung
bestimmt. Vorzugsweise ist diese Dicke mindestens gleich dem Dreifachen des Absorptionsabstandes I /λ,
was einer Schwächung der einfallenden Stärke in dem Verhältnis l/e! für die vom Übergang emittierte
Strahlung entspricht. Der Absorptionsabstand ist der Weg, nach dem die Intensität der Strahlung auf l/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-Ieitendes Gebiet vorgesehen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben.
Es zeigt
F ι g 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenanordnung.
i III UCI Cf l
ordnung.
Die Diodenanordnungen nach den F i g. t 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 bifdet mit
dem zweiten Gebiet einen zweiten PN-Obergang 3-, während ein viertes Gebiet 7 mit dem dritten Gebie
einen dritten PN-Übergang 8 bildet. Das dritte Gebiet: weist eine große Außenoberfläche zum Empfang voi
von außen einfallender Strahlung 13 auf. Kontakte sin< ■' bei 10 auf dem ersten Gebiet und bei 9 auf dem viertel
Gebiet angebracht und werden mit einer Spannungs quelle 11 mit niedriger konstanter Spannung verbunder
Bei der in F i g. 2 dargestellten Diodenanordnung sim
das dritte Gebiet 2, das vierte Gebiet 7 und die Kontakt!
κ* ringförmig gestaltet.
Bei der Herstellung einer Anordnung der anhand de F i g 1 beschriebenen Art kann von IH-V Halbleiterver
bindungen mit den gewünschten Eigenschaften z. B. voi einer Platte aus Galliumarsenid GaAs vom N-Tyf
i~> ausgegangen werden, das mit Tellur mit einei
Konzentration von 10" Atomen/cm3 dotiert ist. Diese Platte bildet das Substrat und die zweite Zone 1 de:
zweiten Gebiets. Das dritte Gebiet 2 (Basisgebiet) wire durch Zinkdiffusion mit einer Dicke kleiner als odei
?" gleich 2 (im und mit einer Konzentration in dei
Größenordnung von 10" Atomen/cm3 erhalten. Da: vierte Gebiei 7 (F.mitter) wird durch Zinnlegierunj
erhalten, die über etwa 1,5 μιη eindringt und zwischer
dem Emitter und dem Kollektor eine Basisdicke vor
-'"> I1S [im zurückläßt. Auf der anderen Seite der Platte is
die elektrolumineszierende Diode, die durch das Gebiei 4 und die erste Zone 5 des zweiten Gebiets gebilde
wird, enitaktisch angebracht. Diese Diode wird durch epitaktische Ablagerung von Galliumarsenidphosphic
GaAsi -,P, auf dem Substrat erhalten, wobei χ zwischer
0 und 0,4 bei einer Dicke von 40 μπι variiert. Die abgelagerte Verbindung ist N-Ieitend mit einer Konzen
tration von 5 · 10" Selen- oder Telluratomen/cm3. Da! Gebiet 4 ist ein diffundiertes Gebiet, das durch
)~> Zinkdiffusion mit einer Konzentration in der Größen
Ordnung von 10" Atomen/cm3 bei einer Tiefe von 2 μίτ
erhalten wird. Die ebene Oberfläche des elektrolumi neszierenden Übergangs 6 ist viel kleiner als die ebene
Oberfläche des licht empfindlichen Übergangs 3. Dei
4(1 elektrolumineszierende Übergang 6 weist z. B. eine
kreisförmige Oberfläche von 10~3 cm2 auf, während dei
flache zur Oberfläche der Halbleiterplatte parallele Tei
von 10^' cm2 aufweist.
4"' Eine auf die oben beschriebene Weise hergestellte
Diodenanordnung weist eine Stromverstärkung von K bis 50 auf. Bei einer von außen herrührender
Infrarotbestrahlung der empfangenden Fläche vor 50mW/em2 beträgt der Strom in der Diode 3OmA
wobei der Basisstrom in der Größenordnung vor
1,5 mA liegt. Bei einer Beleuchtung von 5ifW/cnv
beträgt der Strom in der Diode 3 mA. Zwischen dieser
beiden Beleuchtungswerten ändert sich die Helligkeit der Diodenanordnung proportional mit einem Faktor
von-etwa 10.
Claims (9)
1. Elektrolumineszierende Diodenanordnung 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, S) enthält, von denen die erste Zone (S) 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) eine 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 gekennzeichnet, daß das Grundmaterial des ersten
Gebietes (4) und der ersten Zone (5) des zweiten Gebietes (1, 5) und das Grund material der zweiten
Zone (I) des zweiten Gebietes, des dritten Gebietes (2) und des vierten Gebietes (7) us 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 I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der
zweiten Zone (I) des zweiten Gebiets gleich dem Dreifachen des Absorptionsabstandes IAx für die
vom ersten Übergang (6) emittierte Strahlung ist.
5. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurih gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Platte ist, in der das erste Gebiet (4), die
Zonen (I, 5) des /weiten Gebiets und das dritte Gebiet (2) der Anordnung übereinander liegende zur
PlaltenoberfUihe parallele Sihkhten bilden, und das
vierte Gebiet (7), das eine geringere seitliche Ausdehnung als die anderen Gebiete hat. im dritten
Ciebiet (2) eingelassen ist.
b. Dioduiianordnung nach einem tier Ansprüche I
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für von außerhalb der Anordnung einfallende Photonen (U)
zugängliche PN-Übergangsfläche zwischen dem dritten Ciebiet (2) und der zweiten Zone (1) des
zweiten Gebiets neben der Austritt'ifläche 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-Ieitend und sehr dünn ist.
8. Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Verbindungen hergestellt ist, '.'ie aus
mindestens einem der Elemente Gallium, Aluminium oder Indium und aus Arsen und/oder Phosphor
bestehen.
9. Diodenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gebiet (4) aus
epitaktisch niedergeschlagenem, mit Zink dotiertem Galliumarsenidphosphid
GaAsi-.P,
besteht, wobei 0<jr<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 /weiten Gebietes aus mit Tellur dotiertem
Galliumarsenid, das dritte Gebiet (2) aus mit Zink dotiertem Galliunursenid und das vierte Gebiet (7)
aus mit Zinn dotiertem Galliumarsenid bestehen.
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