DE2347670C3

DE2347670C3 - Electroluminescent semiconductor device

Info

Publication number: DE2347670C3
Application number: DE19732347670
Authority: DE
Inventors: Walter Prof. Dipl.-Phys. Dr. 8011Neukeferloh Heywang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1976-02-26

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszente Halbleiteranordnung, bestehend aus zwei in einem Hetero- oder graduierten Übergang aneinandergrenzenden Bereichen unterschiedlicher materieller Beschafferheit, bei der mindestens ein Bereich einen PN-Übergang aufweist und bei der mindestens ein Bereich mit mindestens einer Elektrode kontaktiert ist, bei der außerdem Maßnahmen vorgesehen sind, durch die in dem einen Bereich erzeugte Ladungsträger über den Hetero- oder graduierten Übergang in den zweiten Bereich aus Halbleitermaterial mit direktem Bandübergang geleitet werden, wo sie unter Entstehung von Strahlung rekombinieren.The invention relates to an electroluminescent semiconductor device, consisting of two in one Heterogeneous or graduated transition between adjoining areas of different material composition, in which at least one area has a PN junction and in which at least one Area is contacted with at least one electrode, in which measures are also provided by the charge carriers generated in one area via the hetero or graduated transition into the second Area made of semiconductor material with a direct band transition, where it forms under Recombine radiation.

Eine solche Vorrichtung ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 14 89 503 bekannt. Eine der dort beschriebenen Festkörperanordnungen weist einen — zugleich als PN-Übergang wirksamen Hetero-Übergang auf, der zwei Bereiche unterschiedlicher Bandbreite des Festkörperelements trennt und von denen wieder jeder Bereich einen PN-Übergang sowie je eine Elektrode aufweist. Ladungsträger, die in dem ersten dieser Bereiche durch Injektion und/oder Einstrahlung entstehen, gelangen über den Hetero-Übergang in den zweiten Bereich, wo sie unter Ents'ehung von Strahlung rekombinieren.Such a device is known from German laid-open specification 14 89 503. One of the there Solid-state arrangements described has a heterojunction which is also effective as a PN junction on, which separates two areas of different bandwidths of the solid-state element and from which again each area has a PN junction and one electrode each. Load carriers that are in the first These areas are created by injection and / or radiation, get into the via the heterojunction second area where they are exposed to radiation recombine.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, bei einer solchen Anordnung die strahlende Rekombinationsrate zu vergrößern und eine Möglichkeit zu schaffen, die Anordnung über ein Magnetfeld steuern zu können.It is now the object of the invention to control the radiating recombination rate in such an arrangement enlarge and create a way to control the arrangement via a magnetic field.

Es ist eine Halbleiteranordnung bekannt, bei der die Ladungsträger durch ein auf den Halbleiterkörper während des Betriebs wirkendes Magnetfeld gegen die Oberfläche des Halbleiterkörpers gelangt und dort strahlend rekombiniert. Eine solche Anordnung ist in »Journal Phys. Chem. Solides«, Vol. 8 (1959), pp 332 bis 337 bzw. in »Advances in Semiconductor Science« (August 1958), pp 332 bis 337 beschrieben.There is known a semiconductor device in which the Charge carriers are counteracted by a magnetic field acting on the semiconductor body during operation Reaches the surface of the semiconductor body and recombines there radiantly. Such an arrangement is in »Journal Phys. Chem. Solides ", Vol. 8 (1959), pp 332 bis 337 or in "Advances in Semiconductor Science" (August 1958), pp 332 to 337.

Die Erfindung geht nun von einer Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art aus und sieht dabei vor, daß der die Überschußladungsträger erzeugende Bereich als Diode mit einem PN-Übergang und je einer Elektrode beiderseits des PN-Übergangs ausgebildet ist und aus einem Halbleitermaterial mit indirektem Bandübergang besteht, und daß der für die Erzeugung der Strahlung vorgesehene zweite Bereich aus einem Halbleitermaterial mit direktem Bandübergang als im Vergleich zu dem anderen Bereich dünne Oberflächenzone ausgebildet ist, daß ferner der PN-Übergcng des ersten Bereiches sich am ÜbergangThe invention is based on a semiconductor arrangement of the type described at the outset and sees it in this case, that the area generating the excess charge carriers is a diode with a PN junction and one electrode is formed on both sides of the PN junction and is made of a semiconductor material there is an indirect band transition, and that the second area intended for the generation of the radiation made of a semiconductor material with a direct band transition than thin compared to the other area Surface zone is formed that furthermore the PN junction of the first area is at the junction

zum zweiten Bereich in einen Übergang zwischen Bereichen unterschiedlicher Dotierung fortsetzt, der mindestens an der einen Seite von dem Materia! mit direktem Bandübergang begrenzt ^ru, und daß schließlich eine magnetfelderzeugende Vorrichtung vorgesehen ist, deren Kraftlinien senkrecht zu dem von den Elektroden erzeugten elektrischen Feld stehen.continues to the second area in a transition between areas of different doping, which at least on one side of the Materia! ^r u is limited by a direct band transition, and finally a magnetic field generating device is provided, the lines of force of which are perpendicular to the electric field generated by the electrodes.

Die Erfindung wird nun an Hand der Figur näher beschrieben:The invention will now be described in more detail with reference to the figure:

Ein beispielsweise quaderförmiger Halbleiterkörper 1 besteht aus einem Halbleiter mn indirektem Bandübergang. Beispiele sind Si, Ge, GaP und AlAs. An einer Flachseite dieses Halbleiterkörpers 1 ist die den zweiten Bereich bildende Oberflächenschicht 2 aus einem Halbleitermaterial aufgebracht, welches direkte Band-Band-Übergänge mit möglichst hoher Rekombinationsrate gestattet. Als Beispiel wird Gai-xAlxAs(O<x<0,46) oder GaAs oder InAs genannt. Die Schicht 2 aus dem Halbleiter mit direktem Bandübergang hat beispielsweise eine Stärke d, die kleiner als die Diffusionslänge der aus dem Bereich 1 in die Schicht 2 diffundierenden und dort rekombinationsfähigen Ladungsträger und eventuell außerdem gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens kleiner oder gleich der Wellenlänge des durch die Rekombination in dem Halbleiter mit direktem Bandübergang der Schicht 2 entstehenden Lichtes ist. Sie bewegt sich beispielsweise in der Größenordnung von 10 μ, bis herab zu 1 μΐη und weniger.A, for example, cuboid semiconductor body 1 consists of a semiconductor with an indirect band transition. Examples are Si, Ge, GaP and AlAs. On a flat side of this semiconductor body 1, the surface layer 2, which forms the second region, is applied from a semiconductor material which allows direct band-to-band transitions with the highest possible recombination rate. Gai-xAlxAs (O <x <0.46) or GaAs or InAs are mentioned as examples. The layer 2 made of the semiconductor with a direct band transition has, for example, a thickness d that is smaller than the diffusion length of the charge carriers diffusing from the region 1 into the layer 2 and capable of recombining there and possibly also, according to a further embodiment of the inventive concept, smaller than or equal to the wavelength of the through the recombination in the semiconductor with a direct band transition of the layer 2 is the resulting light. It moves, for example, in the order of 10 μ, down to 1 μΐη and less.

Der Übergang zwischen den beiden Bereichen 1 ur.d 2 kann abrupt sein. In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, wenn sich die Bandbreite zwischen den beiden Bereichen nicht abrupt, sondern allmählich ändert. Ein solcher graduierter Übergang kann gegebenenfalls Beschleunigungseffekte auf die Ladungsträger 3s ausüben. Außerdem ist zur Vermeidung störender, niclii strahlender Übergänge nach Möglichkeit eine einkristalline Struktur anzustreben.The transition between the two areas 1 and d 2 can be abrupt. In many cases, however, it is Desirable if the bandwidth between the two areas does not change suddenly, but gradually changes. Such a graduated transition can possibly have acceleration effects on the charge carriers 3s exercise. In addition, in order to avoid disruptive, niclii radiant transitions, a single-crystalline one should be used whenever possible Strive for structure.

Der erste Bereich 1 aus dem Halbleiter mit indirektem Bandübergang der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Diode ausgebildet. Er besteht deshalb aus einer N-Ieitenden Zone 5 und einer P-Ieitenden Zone 6, die beide durch je eine Elektrode 9 bzw. 10 sperrfrei kontaktiert sind. Der Bereich 1 bestel.t beispielsweise aus einkristallinem AlAs, das in bekannter Weise dotiert ist. Für den N-leitenden Bereich kann beispielsweise eine Dotierung mit Se oder Te₁ im P-Ieitenden Bereich eine solche mit Zn vorgesehen sein. Der PN-Übergang 3 zwischen den Zonen 5 und 6 mündet in den Übergang 11 zwischen den beiden Bereichen 1 und 2.The first region 1 made of the semiconductor with an indirect band transition of the device according to the invention is designed as a diode. It therefore consists of an N-conductive zone 5 and a P-conductive zone 6, both of which are contacted without blocking by an electrode 9 or 10, respectively. Area 1 is made of single-crystal AlAs, for example, which is doped in a known manner. For the N-conductive area, for example, doping with Se or Te _{1 can be provided} in the P-conductive area, such as with Zn. The PN junction 3 between the zones 5 and 6 opens into the junction 11 between the two areas 1 and 2.

Der Bereich 2 besteht aus einem Halbleiter mit direktem Bandübergang, z. B. aus cinkristallinein GaAlAs. Die Dotierungskonzentration im Bereich 2 ist zweckmäßig kleiner als die in mindestens derjenigen Zone der angrenzenden Diode 5, 6, der durch einen PN-Übergang von dem Bereich 2 getrennt ist. Im Beispielsfalle gemäß der Figur setzt sich der PN-Übergang 3 der Diode in den angrenzenden Bereich 2 fort, so daß auch hier ein PN-Übergang 4 vorliegt. Die Zone 7 ist beispielsweise vom Leitungstyp der angrenzenden Zone 5. der Leitungstyp der Zone 8 des Bereichs 2 vom Leitungstyp der angrenzenden Zone 6. Die Dotierung dieser Zonen besteht z. B. aus den bereits für den Bereich 1 genannten Dotierungsstoffen. Die Dotierungskonzentration ist aber durchwegs um mindestens 1 bis 2 Größenordnungen kleiner als in den Zonen 5 und 6 anregenden Diode.The area 2 consists of a semiconductor with a direct band transition, e.g. B. from cinkristallinein GaAlAs. The doping concentration in region 2 is expediently smaller than that in at least that Zone of the adjacent diode 5, 6, which is separated from region 2 by a PN junction. in the In the example case according to the figure, the PN junction 3 of the diode continues into the adjacent area 2, see above that a PN junction 4 is also present here. The zone 7 is, for example, of the conductivity type of the adjacent Zone 5. the conductivity type of zone 8 of area 2 of the conductivity type of the adjoining zone 6. The doping these zones consist e.g. B. from the dopants already mentioned for area 1. The doping concentration but is consistently at least 1 to 2 orders of magnitude smaller than in zones 5 and 6 stimulating diode.

Eine Anordnung 12 zur Erzeugung eines den Halbleiterkörper 1, also die Diode aus den Zonen 5 und 6 durchsetzenden Magnetfeldes Bz, z. B. die Pole eines Elektromagneten befinden sich oberhalb und unterhalb des Bereichs 1. Die Intensität dieses Magnetfeldes wird auf die Größe des Halbleiterkörpers und der beiden Bereiche 1 und 2 sowie der Anordnung der Elektroden 9 und 10 am Bereich 1 so abgestimmt, daß auf Grund der Ablenkung durch das Magnetfeld freie Ladungsträger aus dem Bereich der Diode, also dem Bereich 1, in den Bereich 2 abwandern und dort zur Rekombination unter Entstehung von Licht gelangen. Für die Bemessung können die auf Grund des Halleffekts in den betreffenden Halbleitern, insbesondere in dem den Bereich 1 bildenden Halbleiter, gewonnenen Ergebnisse zugrunde gelegt werden. An arrangement 12 for generating a magnetic field Bz penetrating the semiconductor body 1, that is to say the diode from the zones 5 and 6, e.g. B. the poles of an electromagnet are above and below the area 1. The intensity of this magnetic field is matched to the size of the semiconductor body and the two areas 1 and 2 and the arrangement of the electrodes 9 and 10 on the area 1 so that due to the Deflection by the magnetic field, free charge carriers migrate from the area of the diode, i.e. area 1, into area 2, where they recombine with the formation of light. The results obtained on the basis of the Hall effect in the relevant semiconductors, in particular in the semiconductor forming area 1, can be used as a basis for dimensioning.

Die aus der Diode mit den Zonen 5 und 6 in den für die Lichterzeugung vorgesehenen Bereich 2 gelangenden Ladungsträger können nun auf verschiedene Weise zur Anregung von Leuchterscheinungen ausgenutzt werden. Man kann beispielsweise die Schicht 2 sehr hochohmig oder gar intrinsic-leitend machen, so daß durch die Diode etwa in gleichen Anteilen Ladungsträger beiderlei Vorzeichens in die Schicht 2 injiziert werden. Man hat dann Doppelinjektion. Um die in diese hochohmige Schicht 2 injizierten Ladungsträger miteinander beschleunigt zur Rekombination zu bringen, kann man an d'e Schicht 2 ein elektrisches Feld legen, welches etwa die Richtung des zwischen den Elektroden 9 und 10 angelegten und den Strom durch die Diode im Halbleiterkörper 1 hervorrufenden Feldes hat.Those coming from the diode with zones 5 and 6 into the area 2 provided for the generation of light Charge carriers can now be used in various ways to stimulate luminous phenomena. For example, the layer 2 can be made very highly resistive or even intrinsically conductive, so that charge carriers of both signs are injected into layer 2 by the diode in approximately equal proportions will. You then have double injections. Around the charge carriers injected into this high-resistance layer 2 with one another accelerated to bring to recombination, one can apply an electric field to layer 2, which about the direction of the applied between the electrodes 9 and 10 and the current through the diode im Has semiconductor body 1 inducing field.

Andererseits kann auch die Schicht 2 entweder nur N- oder nur P-leitend sein. In diesem Fall wird die Rekombination von denjeingen der aus dem Bereich der anregenden Diode in die lumineszenzfähige Schicht 2 auf Grund des Magnetfeldes diffundierenden Ladungsträger für die Leuchterscheinung maßgebend sein, die in der Schicht 2 auf Grund ihres Ladungsvorzeichens die Rolle der Minotirätsladungsträger spielen. Schließlich kann man auch daran denken, daß die Schicht 2 in die Zonen 7 und 8 mit unterschiedlichem Leitungstyp unterteilt wird, so daß sich auch innerhalb der Schicht 2 ein PN-Übergang befindet, der gegebenenfalls die Fortsetzung des PN-Übergangs 3 der Diode im Halbleiterkörper 1 ist; jedoch spielen die elektrischen Eigenschaften dieses PN-Übergangs 4 in der Schicht 2 keine große Rolle, so daß auf dessen Eigenschaften bei der Herstellung einer solchen Anordnung gemäß der Erfindung keine besondere Sorgfalt gelegt zu werden braucht. Es ist nun möglich, daß die Zone 7 der Schicht 2 den gleichen oder auch den entgegengesetzten Leitungstyp zur Zone 5 und den entgegengesetzten Leitungstyp zur Zone 8 erhält. Im ersten Fall rekombinieren diejenigen der Majoritätsladungsträger in den Zonen 5 und 6, welche auf Grund des Magnetfeldes in die angrenzende Zone 7 bzw. 8 gelangen, im zweiten Fall sind es die Minoritätsträger der Zonen 5 oder 6.On the other hand, layer 2 can also be either only N- or only P-conductive. In this case the Recombination of those from the area of the exciting diode into the luminescent layer 2 due to the magnetic field diffusing charge carriers for the luminous appearance be decisive, which in of layer 2 play the role of the minor charge carriers due to their charge sign. In the end one can also think of the fact that layer 2 is divided into zones 7 and 8 with different conductivity types is subdivided, so that a PN junction is also located within layer 2, which may be the Continuation of the PN junction 3 of the diode in the semiconductor body 1; however, the electric ones play Properties of this PN junction 4 in the layer 2 do not matter much, so that on its properties no particular care has to be taken in the manufacture of such an arrangement according to the invention needs. It is now possible that zone 7 of layer 2 the same or the opposite type of conduction to zone 5 and the opposite Line type to zone 8 received. In the first case, those of the majority charge carriers recombine in zones 5 and 6, which due to the magnetic field in the adjacent zone 7 and 8 in the second case it is the minority carriers of zones 5 or 6.

Zur Herstellung solcher Strukturen bieten sich vor allem die verschiedenen Verfahren der Epitaxie an, wobei auf gleiche Gittersymmetrien in den Aufwachsebenen und möglichst gleiche Gitterkonstanten und Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Hetero-Bereiche zu achten ist.The various methods of epitaxy are particularly suitable for producing such structures, with the same lattice symmetries in the growth planes and the same lattice constants and if possible Expansion coefficients of the interconnected hetero areas must be observed.

Es wurde bereits oben darauf hingewiesen, daß der Übergang zwischen den Bereichen 1 und 2 auch allmählich verlaufen kann. Der damit verbundene Übergang der Bandbreite kann gegebenenfalls analog einem Driftfeld zur Beschleunigung von Ladungsträ-It has already been pointed out above that the transition between areas 1 and 2 also can be gradual. The associated transition of the bandwidth can optionally be analog a drift field to accelerate charge carriers

gern auf ihrem Weg aus dem Bereich 1 in den Bereich 2 herangezogen werden. Ähnliches gilt für die Verwendung eines Dotierungsgradienten am Übergang zwischen den Bereichen 1 und 2.like to be consulted on their way from area 1 to area 2. The same applies to the use a doping gradient at the transition between areas 1 and 2.

Es ist klar, daß die in der Schicht 2 aus dem Halbleiter mit direktem Bandübergang erzeugten Leuchterscheinungen von der Erregung der Diode im Bereich 1, also von der an den Elektroden 9 und 10 liegenden elektrischen Spannung abhängt. Man kann diese Spannung mit einem Signal modulieren, das dann sich in dem aus der Schicht 2 austretenden Licht bezüglich dessen Intensität bemerkbar macht. Aber auch über das Magnetfeld ist eine empfindliche Steuermöglichkeit gegeben. Betreibt man den Elektromagneten 12 mit einer Wechselspannung, so kann bei Poliiii^ in der einen Richtung und genügender Intensität des Magnetfeldes die Strahlungserzeugung völlig blockiert, bei Umpolung hingegen auf ein Maximum gesteigert werden. Man kann also die von der Schicht 2 ausgesandte Strahlung sowohl über das Magnetfeld als auch über die Erregung der Diode 5,6 schalten, insbesondere auch modulieren.It is clear that the luminous phenomena produced in the layer 2 made of the semiconductor with a direct band transition from the excitation of the diode in area 1, i.e. from the one at electrodes 9 and 10 electrical voltage depends. This voltage can be modulated with a signal, which then turns into makes the light emerging from the layer 2 noticeable with regard to its intensity. But also about that Magnetic field is a sensitive control option. If you operate the electromagnet 12 with an alternating voltage, then at Poliiii ^ in one Direction and sufficient intensity of the magnetic field completely blocks the generation of radiation, if the polarity is reversed however, can be increased to a maximum. The radiation emitted by layer 2 can therefore be used Switch, in particular also modulate, both via the magnetic field and via the excitation of the diode 5, 6.

Dies gibt die Möglichkeit, einen optisch mit dem dieThis gives the option of visually matching the the

ίο erfindungsgemäße Vorrichtung enthaltenden Stromkreis gekoppelten Sekundärkreis simultan über zwe verschiedene, auf den Primärkreis unabhängig vonein ander einwirkende Signalquellen zu steuern.ίο device according to the invention containing circuit coupled secondary circuit simultaneously via two different, independent of one on the primary circuit to control other acting signal sources.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electroluminescent semiconductor device, consisting of two in one hetero- or graduated Transition of adjoining areas of different material quality in which at least one area has a PN junction and in which at least one area has at least one electrode is contacted, in which measures are also provided by which in charge carriers generated in one area via the hetero or graduated transition into the second Area made of semiconductor material with direct band transition are conducted, where they are formed recombine radiation, characterized in that the excess charge carriers generating area as a diode with a PN junction and an electrode on both sides of the PN junction is formed and made of a semiconductor material with an indirect band transition and that the second region provided for generating the radiation is made of a semiconductor material with a direct band transition as a thin surface zone compared to the other area is designed so that the PN junction of the first area is at the transition to the second Area continues into a transition between areas of different doping, which is at least is limited on one side by the material with a direct belt transition, and that Finally, a magnetic field generating device is provided whose lines of force are perpendicular to the electric field generated by the electrodes.

2. Electroluminescent semiconductor device according to claim 1, characterized in that the Area made of semiconductor material with a direct band transition from compared to the semiconductor material with indirect band transition high-resistance, in particular intrinsic conductive semiconductor material consists.

3. Electroluminescent semiconductor device according to claim 1, characterized in that the Semiconductor material with indirect band transition from AIAs, the semiconductor material with direct Band transition consists of Gai -xAkAs (O <χ £ 0.46).

4. Electroluminescent semiconductor device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the heterojunction between the semiconductor materials with direct and indirect Transition is at least partially designed as a PN transition.

5. Electroluminescent semiconductor device according to claim 4, characterized in that the Semiconductor material with a direct band transition is only N- or only P-conductive and a lower one Has impurity concentration than the zone having the opposite conductivity type Diode in the adjacent semiconductor material with an indirect band transition.

6. Electroluminescent semiconductor device according to claim 4, characterized in that the P- and N-conductive zones in the semiconductor material with an indirect band transition are set to an impurity concentration of 2 · 10 ¹⁷ , whereas those in the semiconductor material with a direct band transition are set to 2-10 ^lh cm ³ are.

7. Electroluminescent semiconductor device according to one of claims i to 6, characterized in that that the thickness of the surface zone consisting of the semiconductor material with a direct band transition smaller than the diffusion length from the area of the semiconductor material with indirect Band transition into this surface zone diffusing and recombining charge carriers selected there is.

8. Electroluminescent semiconductor device according to claim 7, characterized in that the strength the surface zone consisting of the semiconductor material with a direct band transition at most equal to the wavelength of the recombination in the surface zone Is light.