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Optische Mehrschicht-Halbleiterstrahlungsquelle Die Erfindung betrifft
eine optische Mehrschicht-Halbleiter strahlungsquelle aus wenigstens zwei mit Elektroden
versehenen Ralbleiterschichten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps.
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Bei der Herstellung von tumineszenzdioden aus Halbleitermaterialien,
die ihre eigene Bumineszenzstrahlung stark absorbieren (zum Beispiel GaAs, GaAsP),
muß der die Strahlung erzeugende pn-Sbergang wenige Mikrometer unter der Halbleiteroberfläche
angeordnet sein, damit wenigstens ein Teil der im Kristall erzeugten Strahlung die
Haibleiteroberfläche erreicht.
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Bei so geringen Abständen diffundiert aber ein Teil der Minoritätsträger
an die Oberfläche und rekombiniert dort, ohne dabei Strahlung im gevmnschten Wellenlängenbereich
auszusenden.
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Durch diesen zweiten Effekt sinkt aber der Wirkungsgrad der Lumineszenzdiode
ebenfalls. Nachdem bei zu großem Abstand des strahlungserzeugenden pn-Überganges
von der Oberfläche die Verminderung des Wirkungsgrades der Lumineszenzdiode infolge
starker Eigenabsorption herabgesetzt wird und andererseits bei zu geringem Abstand
des strahlungserzeugenden pn-Uberganges an der Oberfläche Minoritätsträger durch
Rekombination verlorengehen, ohne dabei die gewünschte Strahlung zu erzeugen, was
ebenfalls die Herabsetzung des Wirkungsgrades der Lumineszenzdiode zur Folge hat,
so ist es klar, daß es einen gewissen optimalen Abstand des strahlungserzeugenden
pn-tfberganges von der Halbleiteroberfläche geben muß, für welchen der Wirkungsgrad
der Lumineszenzdiode optimal ist.
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Es ist bereits bekannt (vergleiche "Proceedings of the IEEE", Vol.
60, Februar 1972, Seiten 156 bis 223, "Light-Emitting Diode'1, A. A. Bergh and P.
J. Dean), den optimalen Abstand des die Strahlung erzeugenden pn-2berganges von
der Halbleiteroberfläche zu berechnen. Selbst bei optimaler Dimensior.ierung sinkt
jedoch, durch die obengenannten Effekte bedingt, die Strahlungsausbeute einer Bumineszenzdiode
um einen Faktor 5 bis 10 ab.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optische Halbleiterstrahlungsquelle
anzugeben, bei der der Abstand zwischen der die Strahlung erzeugenden pn-Ubergangsschict
und der Oberfläche sehr klein gemacht werden kann, ohne daß eine wesentliche Rekombination
von freien Ladungsträgern an der Oberfläche auftritt, wodurch die Strahlungsausbeute
solcher Halbleiterstrahlungsquellen gegenüber den bisher bekannten Halbleiterstrahlungsquellen
wesentlich verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einer der
die Strahlung erzeugenden Halbleiterschichten ein als Schirm wirkender Halbleiterfilm
mit einem zum Beitfähigkeitstyp der benachbarten Halbleiterschicht entgegengesetzten
Beitfähigkeitstyp vorgesehen ist.
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Der auf der Halbleiterschicht angebrachte, als ein Schirm wirkende:
Halbleiterfilm bewirkt bei geeigneter Dotierung, daß die Halbleiterschicht zwischen
dem strahlungserzeugenden pnübergang und der Oberfläche dünner als bei bisher bekannten
Bumineszenzdioden gehalten werden kann, ohne dabei eine wesentliche Rekombination
von Minoritätsträgern an der Oberfläche zuzulassen.
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Es ist vorteilhaft, daß der Halbleiterfilm höchstens 1 /um dick ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die zum -Halbleiterfilm
benachbarte Halbleiterschicht 0,3 /um bis 3 /um dick ist.
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Es ist-weiterhin vorteilhaft, daß die an die zum Halbleiterfilm benachbarte
Halbleiterschicht angrenzende Halbleiterschicht 100 /um bis 1 000 /VJfl dick ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Dotierungskonzentration
des Halbleiterfilms 1019 bis 1022 com 5 beträgt.
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Es ist vorteilhaft, daß die Dotierungskonzentration der zum Halbleiterfilm
benachbarten Halbleiterschicht ca. 1019 cm 3 beträgt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die an die zum Halbleiterfilm benachbarte
Halbleiterschicht angrenzende Halbleiterschicht eine Dotierungskonzentration von
ca. 2 . 1017 cm 3 hat.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterfilm
aus siliciumdotiertem GaAs? oder GaAs besteht.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die zum Halbleiterfilm benachbarte
Halbleiterschicht aus zinkdotiertem GaAsP oder GaAs besteht.
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Es ist auch vorteilhaft, daß die an die zum Halbleiterfilm benachbarte
Halbleiterschicht angrenzende Halbleiterschicht aus silielumdotiertem GaAsP oder
GaAs besteht.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Halbleiterfilm
nicht kontaktiert ist und aus n-leitendem Halbleitermaterial besteht.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß der Halbleiterfilm
kontaktiert ist und bei Betrieb der Halbleiterstrahlungsquelle an das gleiche elektrische
Potential gelegt wird wie die an die zum Halbleiterfilm benachbarte Halbleiterschicht
angrenzende Halbleiterschicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Rand der Zeichnung näher erläutert:
Es zeigt die Figur einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße optische Mehrschicht-Halbleiterstrahlungsquelle.
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In der Figur ist eine Halbleiterschicht 1 des einen Leitungstyps dargestellt,
dem eine Halbleiterschicht 4 von einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Beitfähigkeitstyp
überlagert ist. Die Halbleiterschicht 1 ist etwa 100 /um bis 1 000 /um dick und
kann gegebenenfalls auch auf einem Substrat angeordnet sein, wodurch die mechanische
Stabilität erhöht wird.
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Auf der Halbleiterschicht 4 befindet sich ein Halbleiterfilm 7, dessen
ieitfähigkeitstyp wiederum dem ieitfähigkeitstyp der Halbleiterschicht 4- entgegengesetzt
ist. Der Kontakt 2 der Halbleiterschicht 1 ist mit dem symbolisch angedeuteten äußeren
Anschluß 3 verbunden. Der Kontakt 5 der Halbleiterschicht 4 ist mit dem symbolisch
angedeuteten äußeren Anschluß 6 verbunden.
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Die Erfindung wird am folgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert:
Eine optische Mehrschicht-Halbleiterstrahlungsquelle, wie sie in der Figur dargestellt
wird, bestehe aus einer n-dotierten Halbleiterschicht 1, einer p-dotierten Halbleiterschicht
4 und einem n-dotierten Halbleiterfilm 7. Das Material der n-dotierten
Halbleiterschicht
1 bestehe beispielsweise aus siliciumdotiertem Galliumarsenidphosphid (GaAsP) oder
GaAs mit einer Dotierungskonzentration von ca. 2 . 1017 cm 3. Die Halbleiterschicht
4 bestehe aus zum Beispiel zinkdotiertem GaAsP mit einer Dotierungskonzentration
von ca. 1019 cm 3. Der Halbleiterfilm t bestehe beispielsweise aus siliciumdotiertem
GaAsP von einer Dotierungskonzentration von 1019 bis 102°-cm 5. Die Halbleiterschicht
1 wird dabei über einen Kontakt 2 mit einem äußeren'Anschlflß 3 und die Halbleiterschicht
4 wird über den Kontakt 5 mit einem äußeren Anschluß 6 so verbunden, daß die Anordnung
in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Der Halbleiterfilm 7 kann kontaktiert sein,
muß aber nicht in jedem Palle kontaktiert sein. Trägt der Halbleiterfilm 7 einen
Kontakt, so wird dieser bei Betrieb der Halbleiterstrahlungsquelle an etwa das gleiche
elektrische Potential gelegt wie die an die zum Halbleiterfilm 7 benachbarte Halbleiterschicht
4 angrenzende Halbleiterschicht 1. Durch eine geeignete Vorspannung wird jedoch
dafür gesorgt, daß bei maximal zulässigem Strom der Strom über die äußeren Anschlüsse
3 und 6 wesentlich größer ist als derjenige, der über den Kontakt am Halbleiterfilm
7 fließt.
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Die Schirmwirkung im Falle eines nichtkontaktierten Halbleiterfilms
7 kommt dadurch zustande, daß bei Stromfluß der in Vorwärtsrichtung vorgespannten
Halbleiteranordnung nicht nur Elektronen zischen dem Halbleiterkörper 1 und der
Halbleiterschicht 4 fließen, sondern auch Elektronen in den nichtkontaktierten Halbleiterfilm
7 so lang abfließen, bis das Potential des Halbleiterfilms 7 gleich dem Potential
des Halbleiterkörpers 1 ist. Der Elektronenzufluß in den Halbleiterfilm 7 beziehungsweise
das am Kontakt des Halbleiterfilms 7 angelegte Potential erzeugt in dem Halbleiterfilm
7 eine negative Ladung, die den weiteren Übertritt von Elektronen aus der Halbleiterschicht
4 in den Halbleiterfilm 7 verhindert. Die aus der Halbleiterschicht 1 in die Halbleiterschicht
4 injizierten Elektronen bleiben somit selbst bei geringer Schichtdicke der
Halbleiterschicht
4 innerhalb dieser Halbleiterschicht und können mit den Löchern der Halbleiterschicht
4 in gewünschter Weise strahlungserzeugend rekombinieren, da ihr Austritt aus der
Oberfläche, dank der Schirmwirkung des Halbleiterfilms 7, weitgehend unterbunden
ist. Durch die Schirmwirkung des Halbleiterfilms 7 wird somit nicht nur der Verlust
an rekombinationsfähigen Elektronen stark herabgesetzt. Selbige Schirmwirkung ermöglicht
vielmehr auch, die Dicken der Halbleiterschicht 4 und des Halbleiterfilms 7 stark
herabzusetzen, was wiederum eine Verminderung der Absorption der erzeugten Strahlung
im Halbleitermaterial zur Folge hat. Durch die Anbringung des erfindungsgemäßen
Halbleiterfilms 7 wird somit der Wirkungsgrad derartiger optischer Halbleiterstrahlungsquellen
stark heraufgesetzt.
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Weiterhin sei erwähnt, daß mit der Anbringung des Halbleiterfilms
7 auch eine Diffusion der Löcher der Halbleiterschich 4 in den Halbleiterfilm 7
gegeben ist. Die l.öcherkonzentration in dem Halbleiterfilm 7 ist aber relativ gering,
weil deren übergang aus der Halbleiterschicht 4 in den Halbleiterfilm 7 durch das
vorhandene Grenzflächenpotential behindert wird.
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Außerdem ist die Beweglichkeit der Löcher viel kleiner als die Beweglichkeit
der Elektronen. Deshalb fiüirt dieser Verlust an rekombinationsfähigen Löchern nur
in sehr geringem und in der Praxis vernachlässigbarem Maße zu einer Herabsetzung
des Wirkungsgrades hiervon betroffener optischer Halbleiterstrahlungsquellen.
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Die hier beschriebene Methode zur Erhöhung des Wirkungsgrades kann
zum Beispiel auf Bumineszenzdioden oder auch in entsprechender Weise auf mehrschichtige
strahlungsemittierende Anordnungen, wie zum Beispiel Thyristoren, angewendet werden.
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12 Patentansprüche 1 Figur