DE2329697A1

DE2329697A1 - Lichtemittierende halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2329697A1
Application number: DE2329697A
Authority: DE
Inventors: Harold Donald Edmonds
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-09
Publication date: 1974-01-24
Also published as: IT988682B; US3806777A; GB1442808A; FR2191396B1; JPS5215516B2; CA1010976A; JPS4970581A; FR2191396A1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 146

Lichtemittierende Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiteranordnung, bestehend aus einem kontaktierten und in Durchlaßrichtung betriebenen Halbleiterübergang mit einer der vorgegebenen Lichtemissionsfläche entsprechenden aktiven Flächenausdehnung .

Derartige Halbleiteranordnungen sind insbesondere als lichtemittierende Dioden bekannt, die bei Betrieb in Durchlaßrichtung Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums abgeben. Ihr Aufbau besteht darin, daß in einem Halbleitersubstrat durch Einbringen einer Halbleiterzone entgegengesetzten Leitungstyps ein TN-Übergang gebildet wird.

Beim Übergang eines Elektrons in einem Halbleiter in einen niedrigeren Energiezustand kann die freiwerdende Energie als Photon emittiert werden. Die Wellenlänge des emittierten Photons hängt von der freiwerdenden Energie ab. Üblicherweise bezeichnet man mit Licht jene Photonen, deren Wellenlänge im sicht-

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baren Spektralbereich liegt. Die Wellenlänge kann in gewissem Grade dadurch gesteuert werden, daß die Art des Lichtemissionsmechanismus gesteuert wird. Die bekannte effektivste Art der Lichtemission ergibt sich beispielsweise durch radiative Rekombination von Löchern und Elektronen in einem Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand, wenn er in Durchlaßrichtung betrieben wird. Die Wellenlänge der dabei auftretenden Emission hängt nur vom Bandabstand des Halbleitermaterials ab, aus dem die Emission erfolgt. Man kann die Wellenlänge also durch Änderung des Bandabstandes beeinflußen. Die Auswahl des Halbleitermaterials, der Zusammensetzung, die Einwirkung externer magnetischer Felder, Veränderungen der Umgebungstemperatur, die Auswirkung mechanischer Spannungen und ähnliches sind bereits dazu benutzt worden, den Bandabstand und damit die Wellenlänge des emittierten Lichtes zu steuern.

Lichtemittierende Dioden, die Licht im sichtbaren Spektralbereich abgeben, erfordern ein Halbleitermaterial, das einen weiten Bandabstand aufweist, indem die radiative Rekombination im sichtbaren Spektralbereich erfolgen kann. Man verwendet gewöhnlich Materialien wie Galliumarsenidphosphit, das sich dadurch auf unterschiedliche Wellenlängen einstellen läßt, dass der Anteil des Phosphors entsprechend eingestellt wird. Das Galliumarsenidphosphit wird dabei üblicherweise epitaktisch auf ein Galliumarsenidsubstrat aufgewachsen, wobei zur Erzielung eines möglichst störungsfreien Kristallwachstums durch eine Übergangsschicht der Unterschied in der Kristallstruktur zwischen Galliumarsenid und Galliumphosphit ausgeglichen wird. Der PN-Übergang wird gewöhnlich durch Eindiffusion von Akzeptoren, beispielsweise Zink, erzeugt. Zur Vervollständigung der lichtemittierenden Diode ist der PN-Übergang beidseitig zu kontaktieren und eine geeignete Spannung, die zur Rekombination der injizierten Elektronen führt, anzulegen.

Derartige Dioden sind als Anzeigelampen verwendbar, sie können zur numerischen Ausgabe von Daten und in Form einer Matrix zur

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Anzeige beliebiger, insbesondere alphanumerischer Zeichen eingesetzt werden.

In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall sind Dioden sowohl mit Gleichstrom als auch mit impulsförmigem Strom betreibbar. Einer der wesentlichsten Betriebsparameter ist zweifellos der externe Wirkungsgrad. Der externe Wirkungsgrad gibt an, wieviel der zugeführten elektrischen Energie in optische Energie oder Licht umgesetzt werden.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine lichtemittierende Halbleiteranordnung anzugeben, die einen gegenüber den bekannten Anordnungen wesentlich erhöhten Wirkungsgrad aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der HalbIeiterübergang unter Beibehaltung der Lichtemissionsfläche in einzelne lichtemittierende Übergänge bildende Teilelemente unterteilt ist und daß der Abstand zwischen den Teilelementen so klein gewählt ist, daß die Teilelemente für den Betrachter aufgrund des beschränkten Auflösungsvermögens nicht unterscheidbar sind. Die Lichtausbeute wird insbesondere auch dadurch wesentlich erhöht, daß die die Teilelemente bildenden Zonen jeweils nur an ihrem Umfang kontaktiert sind·und daß die Kontakte sämtlicher Teilelemente miteinander verbunden sind. Auf diese Weise erhält man eine gleichförmige Helligkeit, wobei die Bereiche höchster Stromdichte im wesentlichen nicht durch Kontaktmaterial abgedeckt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.l den Verlauf des relativen äußeren Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Injektionsstromdichte und des Injektionsstromes bei einer lichtemittierenden Diode, die aus

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einem Galliumarsenidphosphit Halbleitermaterial besteht und deren PN-Übergang durch Eindiffusion von Zink gebildet ist;

Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer zum

Stand der Technik gehörenden lichtemittierenden Diode in einem Galliumarsenidphosphit-Substrat und

Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Diodenanordnung bestehend aus diskreten, miteinander verbundenen Dioden in einem Galliumarsenidphosphit-Substrat.

Der äußere Wirkungsgrad ist ein Maß für das Vermögen der erfindungsgemäßen Anordnung, elektrische Energie in optische Energie umzuwandeln. Aus Fig.l ist der Verlauf dieses Wirkungsgrades als Funktion vom Injektionsstrom und von der Stromdichte für eine lichtemittierende Diode aus Galliumarsenidphosphit-Halbleitermaterial (GaAs₁ P ). Außer dem genannten Halbleitermaterial eignen sich auch Materialien, wie Galliumaluminiumarsenid, Aluminiumarsenid, Aluminiumphosphit, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Galliumphosphit und ähnliche für die Herstellung von lichtemittierenden PN-Übergängen. Der Injektionsstrom für einen kleinen lichtemittierenden Halbleiterbereich liegt in der Größenordnung von wenigen Milliampere. Bei den Anordnungen nach Fig.2 und 3 liegt der Injektionsstrom in der Größenordnung von 0,5 Milliampere. Die Stromdichte ist eine wichtige Größe, aus der sich der bei einer lichtemittierenden Diode erforderliche Strom ergibt, da die Fläche der Diodenanordnung enthalten ist. Die Stromdichte J ist als J = — definiert, wobei der Eingangs-

2 injektionsstrom I in Ampere und die Fläche A in cm angegeben

wird. Damit erhält man bei einer aktiven Diodenfläche von 3x10"^

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cm und einem Injektionsstrom von 1 Milliampere eine Strom-

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dichte von etwa 3,3 Ampere/cm . Unter Zuhilfenahme des Kurven-

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Verlaufes nach Fig.l kann die aktive Fläche so verändert werden, daß ein Maximum des Wirkungsgrades erhalten wird. Durch Reduzierung der aktiven Fläche wird die Stromdichte erhöht, gleichzeitig wird der äußere Wirkunggrad entsprechend angehoben. Der schraffierte Teil der Fig.l gibt den Bereich an, in dem bei einer Galliumarsenidphospit-Diode der höchste Gewinn erzielt wird.

Eine durch den Kurvenverlauf nach Fig.l wiedergegebene Anordnung

-4 2 mit einer aktiven Fläche von 3 χ 10 cm und einem Strom zwischen 0,5 und 2 Milliampere wird im Bereich des niedrigsten Wirkungsgrades betrieben. Daraus ist zu ersehen, daß man durch das erfindungsgemäße Aufteilen der aktiven Fläche einer bestimmten lichtemittierenden Diodenanordnung in diskrete PN-Übergänge die aktive Fläche beträchtlich reduzieren kann. Dadurch kann die Anordnung bei einem viel größeren Wirkungsgrad betrieben werden, der in Abhängigkeit vom Strompegel und vom Aufbau der diskreten Struktur und ihrer Geometrie in vielen Fällen um den Faktor 10 erhöht sein kann. Fig.3 zeigt ein typisches Beispiel einer erfindungsgemäß aufgeteilten Diodenfläche. Es handelt sich um eine lichtemittierende Diodenanordnung für ein einzelnes Element, das in einer typischen 5x7 Matrix für eine alphanumerische Anzeige verwendbar ist. Zum Unterschied dagegen zeigt die Fig.2 die Anordnung eines bekannten Elementes, bei dem üblicherweise ein lichtemittierender PN-Übergang verwendet ist und bei dem die Kontakte zur Stromzuführung direkt über dem dotierten Bereich verläuft.

Es ist aus Fig.l zu ersehen, daß bei lichtemittierenden Halbleiterdioden im Bereich maximaler Stromdichte die maximale Lichtausbeute erzielt wird. Die bekannte, in Fig.2 dargestellte lichtemittierende Anordnung mit einem Galliumarsenidphosphit-Substrat 2 auf einem Galliumarsenidkorper 3 weist einen PN-Übergang 4 auf, der in üblicher Weise durch einen ihn überquerenden metallischen Leiterstreifen 5 kontaktiert ist.

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Der Leiterstreifen bedeckt also gerade den Bereich, in deir die höchste Stromdichte und damit die höchste Lichtemission auftritt.

Die in Fig.3 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung besteht aus entsprechendem Halbleitermaterial und weist in bezug auf die äußere Begrenzung den gleichen Flächenbedarf des PN-Überganges auf wie die bekannte Anordnung nach Fig.2.

Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, daß der PN-Übergang in eine Mehrzahl von Teilübergängen 6 aufgeteilt ist, die jeweils an ihrer Peripherie kontaktiert und an eine Stromquelle 7 angeschlossen sind. Das von der gleichen Gesamtfläche emittierte Licht ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Anordnung um etwa 200% vermehrt.

Vergleicht man den Strombedarf einer mit Gleichstrom betriebenen lichtemittierenden Diode für eine bestimmte Helligkeit mit dem erforderlichen mittleren Strom, der zur Erzielung derselben Helligkeit bei Impulsbetrieb erforderlich ist, und trägt den mittleren Strom in Abhängigkeit vom Gleichstrom auf, so erhält man einen Kurvenverlauf mit dem Anstieg 1 für gleiche Helligkeitswerte. Stellt man jedoch bei Impulsbetrieb eine visuelle Steigerung der Helligkeit fest, so erhält man einen Kurvenverlauf mit einem Anstieg von weniger als 1. Dieser Effekt kann quantitativ durch den Steigerungsfaktor beschrieben werden, der sich aus dem Verhältnis von Strom bei Gleichstrombetrieb zu Mittelwert des Stromes bei Impulsbetrieb ergibt. Bei durchgeführten praktischen Versuchen wurde mit Impulsbreiten von 20 Nanosekunden bis 1,25 Millisekunden bei einem Tastverhältnis von 1% und 5% gearbeitet. Es kann allgemein gesagt werden, daß zur Erzielung einer vergleichbaren Helligkeit der Mittelwert des Stromes bei Impulsbetrieb etwa um den Faktor ,2-5 geringer ist als der erforderliche Strom bei Gleichstrombetrieb. Der Steigerungsfaktor ist umgekehrt proportional dem

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Tastverhältnis. Bei einem Tastverhältnis von 5% und einer Im-

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pulsbreite von 20x10 Sekunden war bereits ein höherer Mittelwert des Stromes bei Impulsbetrieb erforderlich, um die bei Gleichstrombetrieb festgestellte Helligkeit zu erreichen. Der beschriebene Effekt wurde auch beobachtet, wenn zum Zwecke der Elimination irgendwelcher psychophysikalischer Effekte das abgestrahlte Licht bei Impulsbetrieb und bei Gleichstrombetrieb verglichen wurde. Der Steigerungsfaktor nimmt mit größer werdendem Tastverhältnis ab, was in Einklang mit den Vergleichsergebnissen der zwei Betriebsarten steht. Der festgestellte Effekt ist also nicht psychophysikalischer Art, sondern ist der lichtemittierenden Anordnung selbst zuzuschreiben. Wie bereits beschrieben, ist im Gleichstrombetrieb der Wirkungsgrad bei niedrigen Stromdichten gering und erreicht ein Maximum mit zunehmender Stromdichte. Diese Tatsache gilt auch für Impulsbetrieb und ist die Ursache für das Auftreten des beobachteten Steigerungsfaktors. Bei geringen Tastverhältnissen liegt der Spitzenstrom im Impulsbetrieb im Bereich maximalen Wirkungsgrades, während im Gleichstrombetrieb im Bereich eines niedrigen Wirkungsgrades operiert wird. Bei Impulsbetrieb ist also ein geringerer Mittelwert des Stromes erforderlich, um die gleiche Helligkeit wie im Gleichstrombetrieb zu erreichen.

Die Helligkeitssteigerung im Impulsbetrieb ist eine Folge des höheren äußeren Wirkungsgrades bei höheren Stromwerten und beruht nicht auf psychophysikalisehen Effekten des menschlichen Auges. Es ist dargestellt worden, daß ein höherer Mittelwert des Stromes im Impulsbetrieb als Gleichstrom im Gleichstrombetrieb erforderlich ist, wenn die Impulsbreite auch bei geringem Tastverhältnis genügend gering ist. Auch der Steigerungsfaktor nimmt mit größer werdenden Strompegeln ab, bis auch bei geringem Tastverhältnis keine Steigerung mehr erhalten wird, wenn der Gleichstrom so hoch ist, daß der maximale äußere Wirkungsgrad erreicht wird.

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Der Steigerungseffekt ist Eigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials selbst zuzuschreiben.

Durch die Erfindung wird eine vorgegebene Lichtemissionsfläche mit höherem Wirkungsgrad dadurch erhalten, daß der an und für sich vorzusehende PN-Übergang entsprechender Fläche in eine Vielzahl von diskreten Teilübergängen aufgeteilt wird. Diese Teilelemente werden so kontaktiert, daß die Bereiche maximaler Stromdichte und damit maximaler Helligkeit nicht überdeckt sind. Als Ergebnis erhält man eine lichtemittierende Diodenanordnung mit wesentlich verbesserten Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der gleichförmigen Helligkeit. Man erhält einen maximalen Wirkungsgrad, indem die aktive, lichtemittierende Fläche einer vorgegebenen PN-Übergangsfläche wesentlich vermindert wird. Dabei werden die äußeren Abmessungen der lichtabstrahlenden Fläche beibehalten, es wird lediglich der eine entsprechende Fläche aufweisende PN-Übergang in eine Vielzahl von Teilelementen zerlegt. Die einzelnen die Teilelemente bildenden PN-übergänge liegen so dicht beieinander und sind so elektrisch kontaktiert, daß bei Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung eine Lichtemission zustande kommt, bei der aufgrund des beschränkten Auflösungsvermögens des menschlichen Auges nicht die Lichtemission der diskreten Teilelemente, sondern eine gleichförmige Lichtemission der sämtliche Teilelemente umfassenden Gesamtfläche feststellbar ist. Jedes Teilelement ist an seinem Umfang kontaktiert und mit den weiteren Teilelementen der vorgegebenen Gesamtfläche verbunden. Die Gestalt der einzelnen lichtemittierenden Teilelemente kann beliebiger Art sein. In Fig.3 ist ein spezielles Ausführungsbeispiel einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt.

Die Herstellung einer derartigen Anordnung kann nach einem der geeigneten bekannten Verfahren erfolgen. Die Struktur oder Geometrie der Anordnung richtet sich nach dem jeweiligen speziellen Anwendungsfall. Werden beispielsweise lichtemittierende

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Dioden zur numerischen Anzeige verwendet, so kann die Anordnung aus sieben in der genannten Weise aufgeteilten lichtemittierenden Bereichen bestehen, die einzeln adressierbar sind. Zur Herstellung dieser Struktur wird vorzugsweise die bekannte phötolithographische Maskierungs- und Ätztechnik verwendet.

Auf eine P-leitende Galliumarsenidphophit-Schicht wird durch Anwendung der Photoätztechnik eine Diffusionsmaske aus Al₃O₃ aufgebracht. Die Maske weist im Bereich der einzelnen, durch die Aufteilung entstandenen Teilelemente entsprechende Fenster auf. Durch eine Zink-Diffusion erfolgt im Bereich dieser Fenster die Eindiffusion der N-dotierten Zonen, deren Tiefe beispielsweise etwa 2 Micron beträgt. Nach der Diffusion wird die N-leitende Galliumarsenidphosphit-Schicht mit einem Silber-Tellur-Kontakt kontaktiert. Anschließend wird jede P-leitende Zone mit einem Silber-Zink-Kontakt versehen. Mit Hilfe einer Aluminiummetallisierung werden diese Kontakte und damit die diffundierten, P-dotierten Zonen miteinander verbunden. Der Abstand zwischen den einzelnen diffundierten Zonen ist gleich oder geringer als der Abstand, der vom menschlichen Auge noch aufgelöst werden kann. Das bedeutet also, daß die aktive, lichtemittierende Gesamtfläche, die aus vielen diskreten Segmenten oder Einzelelementen besteht, als eine einzige, zusammenhängend lichtemittierende Fläche erscheint.

Unter Berücksichtigung des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges sollten die Teilelemente für einen Betrachtungsabstand von etwa 30 cm keinen größeren Abstand als etwa 45 μ m haben.

Bei Zufuhr des maximal zur Verfügung stehenden Injektionsstromes ist die auf jedes Teilelement bezogene Stromdichte wesentlich höher als bei einer Anordnung/ die aus einem einzigen PN-Übergang besteht. Das bedeutet also, daß die aktive Fläche um etwa 30% gegenüber der gesamten zur Verfügung stehenden

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Fläche reduziert werden kann, um eine wesentlich höhere Stromdichte zu erzielen. Verbunden mit dieser Maßnahme ist eine
wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades, was wiederum eine Reduzierung des Injektionsstromes möglich macht. Die Kontakte zu den einzelnen Teilelementen können so angeordnet werden, daß
sie jedes Teilelement lediglich am Umfang kontaktieren. Damit ist die kontaktierte Fläche wesentlich geringer als bei einer unaufgeteilten bekannten Anordnung. Außerdem gewährleistet diese Kontaktanordnung, daß infolge der gleichförmigeren Verteilung des Injektionsstromes eine gleichförmige Helligskeitsverteilung erzielt wird.

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Claims

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Patentansprüche

Lichtemittierende Halbleiteranordnung, bestehend aus einem kontaktierten und in Durchlaßrichtung betriebenen Halbleiterübergang mit einer entsprechenden aktiven Flächenausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterübergang unter Beibehaltung der Lichtemissionsfläche in einzelne lichtemittierende übergänge bildende Teilelemente unterteilt ist und daß der Abstand zwischen den Teilelementen so klein gewählt ist, daß die Teilelemente für den Betrachter aufgrund des beschränkten Auflösungsvermögens nicht unterscheidbar sind.
2. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelemente aus in eine Halbleiterschicht eines ersten Leitungtyps eingebrachten Zonen des zweiten Leitungtyps bestehen.
3. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, · dadurch gekennzeichnet, daß die die Teilelemente bildenden Zonen jeweils nur an ihrem Umfang kontaktiert sind und daß die Kontakte sämtlicher Teilelernente miteinander verbunden sind.
4. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung im Gleichstrombetrieb zur Lichtemission angeregt wird.
5. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung im Impulsbetrieb zur Lichtemission angeregt wird.
6. Lichtemittierende Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Halbleitermaterial aus der Galliumarsenidphosphit, Gallium-

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aluminiumarsenxd, Galliumphosphid Galliumnitrid, AIuminiumarsenid, Aluminiumphosphit und Aluminiumnitrid enthaltenden Gruppe besteht.

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