DE2431129B2 - Elektrolumineszierende Halbleiteranordnung - Google Patents
Elektrolumineszierende HalbleiteranordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrolumineszierende Halbleiteranordnung entsprechend dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Halbleiteranordnung dieser Art ist aus der DE-AS 12 85 623 bekannt.
Es sei bemerkt, daß sich die im folgenden verwendeten Ausdrücke, wie »Lichtleistung«, »Lichtstrom«,
»Lichtausbeute«, »Lumineszenz«, auf jede Strahlung beziehen, die von einem elektrolumineszierenden
Sender im verwendeten Energiebereich emittiert wird, der dem Empfindlichkeitsbereich des Empfängers
entspricht Die Ausdrücke beziehen sich somit auf das sichtbare Spektrum, z. B. im Falle einer elektrolumineszierenden
Wiedergabeanordnung, aber auch auf den Infrarotbereich, z. B. im Falle einer Photokopplungsanordnung
mit Empfängern, die für das Infrarot
ίο empfindlich sind.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie /= [(V) einer elektrolumineszierenden
Diode mit PN-Übergang weist bei Speisespannungen in der Durchlaßrichtung und in linearen Koordinaten eine bekannte Form auf. Bei
<5 Speisespannungen, die unterhalb einer Schwellenspannung liegen, die in der Nähe der Spannung liegt, dit der
Mindestenergie der Rekombinationsübergänge der Ladungsträger entspricht, ist die Impedanz der Diode
sehr hoch; bei Speisespannungen mit zunehmenden Werten oberhalb dieser Schwellenspannung nimmt die
Impedanz der Diode schnell ab und wird die Neigung der Kurve, die der differentiellen Admittanz (Wechselstromleitwert)
der Diode entspricht, die eine Funktion des Reihenwiderstandes der beiden Gebiete der Diode
ist, besonders steil.
Es ist bekannt, daß der von einer elektrolumineszierenden Diode emittierte Lichtstrom sich mit der Stärke
des sie durchfließenden Stromes ändert. Obgleich bei verhältnismäßig geringer Stromstärke die Lichtausbeu-
jo te der Dioden niedriger als bei der dem Normalbetrieb
entsprechenden Stromstärke ist, ist die bei einem schwachen Strom auftretende Emission nicht immer
gleich Null und auch nicht immer vernachlässigbar. Insbesondere in logischen Anordnungen kann die
J5 Lumineszenz, die durch Restströme, durch Isolierungsmängel und durch Dämpfung eines Speisekreises
herbeigeführt wird, besonders störend sein. Die Diodenmosaike, insbesondere die Matrizen vom XY-Typ,
weisen oft Streuströme auf, die auch eine unzeitige Lumineszenzwirkung veranlassen können.
Bei der aus der bereits genannten DE-AS 12 85 263 bekannten Halbleiteranordnung wird von einer normalen
elektrolumineszierenden Diode mit einem sich bis zur Oberfläche erstreckenden PN-Übergang ausgegangen,
die als eine Parallelschaltung aus einer vertikalen Diode und einer lateralen Diode betrachtet werden
kann. Die Auswirkungen dieser lateralen Diode werden bei dieser bekannten Anordnung dadurch verringert,
daß die vertikale Diode völlig von einem hochohmigen Bereich umgeben wird, um so zu erreichen, daß die
Linearität zwischen der erzeugten Lichtmenge und dem Speisestrom auch im Bereich niedriger Stromstärken
verbessert wird. Dies erfordert jedoch ein kompliziertes Herstellungsverfahren.
Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 so auszugestalten, daß die Diode unterhalb eines bestimmten Schwellwertes des
Speisestromes keine Strahlung mehr emittiert, die
μ Linearität zwischen der erzeugten Lichtmenge und dem
Speisestrom also herabgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Kennlinie der Strombahn wird als Funktion der etwaigen durch die Speisung oder durch die Anordnung
selber herbeigeführten Ströme bestimmt
Da die differentielie Admittanz der Strombahn im
Schnittpunkt kleiner als die differentielle Admittanz der
Diode ist, nimmt der Wert des Stromes durch die Strombahn in bezug auf den Strom in der Diode ab,
wenn der Wert des Gesamtstromes zunimmt Bei Speiseströmen geringen Wertes, wie insbesondere bei
den durch schlechte Isolierung herbeigeführten Streuströmen, fließt ein großer Teil des Gesamtstromes über
die Stroinbahn. Bei Speiseströmen hohen Wertes fließt
ein kleiner Teil des Gesamtstromes über die genannte Strombahn und der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung
wird nicht nennenswert beeinträchtigt
F i g. 1 der Zeichnungen zeigt in linearen Koordinaten
die Kurven l-f(V) von Strömen als Funktion der
angelegten Spannung in einer Anordnung nach der Erfindung. Die Kurve D ist die Kurve I=*f(V) der
elektrolumineszierenden Diode mit PN-Übergang der Anordnung: diese weist bei einer Spannung Vc
(nachstehend als Schwellenspannung bezeichnet), deren Wert der Potentialschwelle des Obergangs der Diode
entspricht, einen scharfen Knick auf. Die Kurve Fist die Kurve I=f(V) der Strombahn, die parallel zu der
elektrolumineszierenden Diode der Anordnung angeordnet ist Diese Bahn besteht aus einem Element mit
einer differentiellen Admittanz, die im Schnittpunkt der Kurven Dund Fniedriger als die der elektroljmineszierenden
Diode ist Die Kurve G bezieht sich auf die durch die Diode und die Bahn gebildete Gesamtanordnung.
Die Strombahn kann z.B. aus einem Widerstand bestehen, dessen Kennlinie I=f(V)eine Gerade ist, die
durch den Punkt /=0, V=O geht. Der Wert dieses Widerstandes ist höher als der Wert des Reihenwiderstandes
der beiden Gebiete der elektrolumineszierenden Diode.
Fig.2 der Zeichnungen bezieht sich auf eine
entsprechende, erste Ausführungsform und zeigt: bei D die Kurve I=f(V) einer elektrolumineszierenden Diode,
bei R die Kenngerade des zu dieser Diode parallelen Widerstandes und bei M die Kurve /= /finder durch die
Diode und den Parallelwiderstand gebildeten Anordnung.
Nach einer weiteren Ausführungsform enthält die Strombahn eine Diode, die in der Durchlaßrichtung
vorgespannt ist, und nachstehend als parallele Diode « bezeichnet wird. Die genannte parallele Diode weist
einen PN-Übergang auf, dessen Schwellenspannung, die der Potentialschwelle des genannten Überganges
entspricht, niedriger als die der elektrolumineszierenden Diode ist. Außerdem ist der Gesamtwiderstands- so
wert der Reihenwiderstände der Gebiete und der Kontaktanschlußmittel der genannten parallelen Diode
höher als der Gesamtwiderstandswert der Gebiete und der Kontaktanschlußmittel der elektrolumineszierenden
Diode.
F i g. 3 der Zeichnungen bezieht sich auf diese zweite Ausführungsform und zeigt: bei D die Kurve I=f(V)
einer elektrolumineszierenden Diode, bei P die Kurve I=f(V)der parallelen Diode mit einer Schweilenspannung
Vp, die niedriger als Vc ist, und bei N die Kurve *"
I=f(V) der durch die beiden parallelen Dioden gebildeten Anordnung.
Die Herstellung der Anordnung nach der Erfindung in den verschiedenen vorerwähnten Ausführungsformen
erfordert nur die bekannten, gewöhnlich bei der *>■"'
Herstellung von Halbleiteranordnungen verwendeten Techniken.
Die Erfindung läßt sich hei jeder elektrolumineszierenden
Diode verwenden, die für digitale Anordnungen, eine Wiedergabeanordnung, eine Photokopplungsanordnung
oddgl. Anordnungen bestimmt ist Die Erfindung läßt sich besonders gut in Mosaiken
elektrolumineszierender Dioden mit planarer Struktur verwenden, welche Mosaike z. B. Kombinationen
getrennter, auf einem einzigen Träger befestigter Dioden oder Kombinationen diffundierter Dioden in
einem einzigen Kristall sind Es ist günstig, die Erfindung bei in einer ΛΎ-Matrix angeordneten Dioden zu
verwenden, wo leicht parasitäre Oberflächenströme auftreten können.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft bei Photokopplungsanordnungen verwendet werden, die einen Photosender
und einen Photoempfänger enthalten, die gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei die
Eigenschaften des Photoempfängers die Werte der Lichtleistung des Photosenderelements bestimmen,
dessen Speisung andererseits bestimmten Anforderungen genügt.
Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 4 im Schnitt und schaubildlich eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 5 im Schnitt und schaubildlich eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 6 im Schnitt und schaubildlich eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 7 im Schnitt und schaubildlich eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 8 im Schnitt und schaubildlich eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 9 teilweise schematisch im Schnitt eine sechste Ausführungsform der Erfindung.
In den verschiedenen Ausführungsformen der Anordnung
nach der Erfindung ist meistens eine diffundierte planare elektrolumineszierende Diode gewählt, die in
einer Scheibe aus III-V-Halbleitermaterial gebildet
wird.
Die in Fig.4 dargestellte Anordnung enthält eine elektrolumineszierende Diode, die durch ein Gebiet 1
gebildet wird, das in ein Substrat 2 vom entgegengesetzten Leitungstyp diffundiert ist, wobei ein Übergang 3
gebildet wird. Die Oberfläche des Kristalls wird von einer isolierenden und passivierenden Schicht 4
geschützt, mit Ausnahme der beiden Flächen, die für Kontakte mit den beiden Gebieten der Diode reserviert
sind. Die Kontaktmittel für diese beiden Flächen bestehen aus Metallniederschlägen bei 5 auf dem Gebiet
1 und bei 6 auf dem Substrat 2. Auf der Isolierschicht 4 wird örtlich eine Schicht 7 mit einem bestimmten
spezifischen Widerstand niedergeschlagen, deren Oberfläche auf einen schmalen Streifen beschränkt ist, der
mit den Metallniederschlägen 5 und 6 in Kontakt ist. Dieser Streifen 7 bildet die Bahn, die parallel zu der
elektrolumineszierenden Diode angeordnet ist. Der Streifen 7 ist gegen die Diode durch die passivierende
Schicht 4 isoliert.
Die Anordnung nach F i g. 5 enthält eine elekfrolumineszierende Diode, die durch Diffusion eines ersten
Gebiets 21 in ein das zweite Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp bildendes Substrat 22 erhalten ist,
wobei der Übergang bei 23 liegt. Die Oberfläche des Kristalls wird von einer isolierenden und passivierenden
Schicht 24 geschützt. Metaüniederschläge 25 und 26 bilden die Kontaktmittel der Gebieie 2! bzw. 22.
Zwischen den Metallniederschlägen 25 und 26 in einem Fenster der Schicht 24 ist eine Schicht 27 die s«s einem
Material mit einem bestimmten spezifischen Widerstand hergestellt ist und deren Oberfläche auf dieses
Fenster beschränkt ist, auf der Oberfläche des Substrats 22 niedergeschlagen und steht einerseits mit dem
Kontakt 25 und andererseits mit dem Kontakt 26 in Verbindung. Diese Schicht 27, die die Form eines
Streifens aufweist, bildet die zu der elektrolumineszierenden Diode parallele Bahn. Der Streifen 27 schließt
örtlich den Übergang 23 kurz und ist nicht gegen die beiden Gebiete der Diode isoliert.
Die in Fig.6 dargestellte Anordnung enthält eine
elektrolumineszierende Diode, die durch Diffusion eines P-Ieitenden Gebietes 81 in ein ein zweites Gebiet vom
N-Leitungstyp bildendes Substrat 82 erhalten ist, wobei der Übergang bei 83 liegt. Die Oberfläche des Kristalls
wird von einer isolierenden und passivierenden Schicht 84 geschützt. Metallniederschläge 85 und 86 bilden die
Kontaktmittel der Gebiete 81 bzw. 82. Eine Schicht 87 aus einem Halbleitermaterial vom gleichen Leitungstyp
wie das Gebiet 81 und mit einer geringeren verbotenen Bandbreite als das Material der Gebiete 81 und 82 ist
mit jedem der beiden Gebiete in Kontakt. Die Schicht
87 bildet mit dem Gebiet 82 einen HeteroÜbergang 88, dessen Kennlinie eine niedrigere Schwellenspannung
als die des Übergangs 83 der elektrolumineszierenden Diode aufweist. Die Schicht 87 und der HeteroÜbergang
88 bilden die zu der elektrolumineszierenden Diode parallele Strombahn.
Die Anordnung nach F i g. 7 enthält eine elektrolumineszierende Diode, die durch Diffusion eines P-Ieitenden
Gebietes 91 in ein ein zweites Gebiet vom N-Leitungstyp bildendes Substrat 92 erhalten ist, wobei
der Übergang bei 93 liegt. Die Oberfläche des Kristalls wird von einer isolierenden und passivierenden Schicht
94 geschützt. Metallniederschläge 95 und 96 bilden die Kontaktmittel der Gebiete 91 bzw. 92. Eine niedergeschlagene
Schicht 99 aus einem metallischen Material bildet durch Kontakt mit dem Gebiet 92 einen
Übergang 98 vom Schottky-Typ. Eine Schicht 97 aus einem Material, z. B. einem Halbleitermaterial der
gleichen Art wie das Material der elektrolumineszierenden Diode und vom gleichen Leitungstyp wie das
Gebiet 91 ist in ohmschem Kontakt mit einerseits dem Niederschlag 95 und andererseits dem Niederschlag 99.
Die Schicht 97 und die Schottky-Diode 98 bilden die zu der elektrolumineszierenden Diode parallele Strombahn.
Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung enthält eine elektrolumineszierende Diode, die durch Diffusion eines
Gebietes 1.1 in ein Substrat vom entgegengesetzten Leitungstyp erhalten ist, wobei sich der Übergang bei 13
befindet. Die Oberfläche des Kristaiis wird von einer
isolierenden und passivierenden Schicht 14 geschützt. Metallniederschläge 15 und 16 bilden die Kontaktmittel
des Gebietes 11 und des Substrats 12. Auf der Isolierschicht 14 ist örtlich eine Schicht 17 niedergeschlagen,
deren Oberfläche auf einen schmalen Kon taktstreifen beschränkt ist, der einerseits mit dem
Metallniederschlag 15, aber andererseits bei 18 mit der Oberfläche des als zweites Gebiet dienenden Substrats
in Kontakt ist Dieser Kontakt 18 zwischen dem Streifen 17 und dem Substrat 12 bildet eine Schottky-Diode. Der
Streifen 17 und die Schottky-Diode 18, die auf diese Weise in Reihe liegen, bilden die Strombahn, die zu der
elektrolumineszierenden Diode parallel liegt
In einem Teilschnitt nach F i g. 9 ist eine Abwandlung der vorhergehenden Ausfuhrungsform dargestellt Nach
dieser Abwandlung ist ein Niederschlag 35, der als Kontaktmittel auf dem ersten Gebiet 31 der Diode
dient, an einer oder mehreren nahezu punktförmigen Kontaktstellen 38 mit dem zweiten Gebiet 32 in
Kontakt, das durch das Substrat gebildet wird, wobei diese Kontakte durch die isolierende und passivierende
Schicht 34 gehen.
Der Widerstand der niedergeschlagenen Schicht 35, der mit dem Widerstand der Kontakte 38, die ebenfalls
kleine Schottky-Dioden bilden, kombiniert ist, bildet die zu der elektrolumineszierenden Diode parallele Strombahn.
Der Kontakt auf dem zweiten Gebiet 32 besteht aus einer leitenden Schicht 36.
Die Art der Materialien, die zur Herstellung der gemäß der Erfindung hinzugefügten Strombahn dienen
sowie die Abmessungen dieser Strombahn sind als Funktion des Materials der elektrolumineszierenden
Diode, der etwaigen Anforderungen in bezug auf die Lage und der optischen und elektrischen Eigenschaften
dieser Diode bestimmt. So sind z. B. planare elektrolumineszierende
Dioden aus Galliumarsenidphosphid, die eine Strahlung roter Farbe emittieren, gemäß einer
-YV-Matrix angeordnet und müssen je eine Lichtleistung
aufweisen, die mindestens gleich 2 Millilumen ist, wenn die entsprechende Reihe und die entsprechende Spalte
erregt werden, wobei der hindurchgeführte Strom mindestens gleich 12 mA ist, während sie nahezu keine
Leistung aufweisen sollen, wenn die entsprechende Reihe und die entsprechende Spalte nicht gleichzeitig
erregt werden; Streuströme, die schätzungsweise 0,2 mA betragen, können durch nicht erregte Dioden
hindurchgehen.
Die Schwellenspannung dieser Dioden aus GaAsP beträgt 1,7 V. Der Wert des hindurchgeführten Stromes
muß höher als der des Streustromes sein und wird auf mindestens 1 mA festgesetzt. Die Kurve der Lichtleistung
als Funktion des hindurchgeführten Stromes für eine Diode vom betrachteten Typ gibt an, daß die Diode
als gelöscht betrachtet werden kann, wenn der Strom in der Größenordnung von 0,1 mA liegt und daß sie eine
Lichtleistung von 2 Millilumen bei einem Strom von
10 mA aufweist. Die Strombahn muß von einem Strom von 0,9 mA durchlaufen werden, wenn die Speisespannung
so groß ist, daß durch die elektrolumineszierende Diode ein Strom von 0,1 mA fließt was; einer Spannung
entspricht, die in unmittelbarer Nähe der Schwellenspannung liegt. Der Widerstand der Strombahn beträgt
dann 1800 Ω, wenn die Speisespannung in der Größenordnung von 1,7 V liegt In diesem Falle kann die
Strombahn z. B. aus einer niedergeschlagenen oder
so diffundierten Oberflächenwiderstandsschicht bestehen, deren Widerstand zwischen 1000 Ω/D für eine Oberfläche
mit einem Länge/Breite-Verhältnis von 1,8 und 20 Ω/ D für ein Oberflächenverhältnis von 90 liegt. Eine
Indiumoxidschicht (In^) mit einem spezifischen
Widerstand = 2 · 10~3Ω · cm mit einem Oberflächenwiderstand von 200 Ω/D
bei einer Dicke von 100 nm wird z. B. auf einer Fläche mit einer Lunge von 03 mm
und einer Breite von 0,1 mm niedergeschlagen. Wenn die Speisespannung höher als die Schwellenspannung
ist, nimmt die Admittanz der elektrolumineszierenden
Diode schnell zu und wird der Strom in der Strombahn nahezu vernachlässigbar klein; bei einem Gesamtstrom
von 12 mA, bei dem die Speisespannung in der Größenordnung von 1,8 V liegt beträgt der Strom in
es der Strombahn 1 mA, während der Strom in der Diode
11 mA beträgt und die Diode eine Lichtleistung
aufweist die höher als 2 Millilumen ist
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Elektrolumineszierende Halbleiteranordnung
mit einem einkristallinen Halbleiterkörper mit einer Oberflächenzone, die das erste Gebiet einer
elektrolumineszierenden Diode bildet, deren zweites Gebiet durch den Halbleiterkörper gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine, eine Strombahn
bildende lokalisierte Schicht eingeordnet ist, die mit beiden Gebieten der elektrolumineszierenden
Diode in elektrischem Kontakt ist, und die so bemessen ist, daß ihre Strom-Spannungs-Kennlinie
und die der elektrolumineszierenden Diode sich schneiden und ihre differenzielle Admittanz im
Schnittpunkt kleiner als die der Diode ist. .
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombahn einen Widerstand
aufweist, dessen Wert höher als der Wert des Durchlaßwiderstandes der elektrolumineszierenden
Diode ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt zwischen der
Strombahn und dem zweiten Gebiet ein Schottky-Kontakt ist (F i g. 8).
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombahn aus einem Halbleitermaterial
hergestellt ist, dessen verbotene Bandbreite kleiner als die des Materials der elektrolumineszierenden
Diode ist und mit dem zweiten Gebiet (82) der elektrolumineszierenden Diode (81,82,83) einen
PN-Übergang (88) bildet (Fig. 6).
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombann aus einer Oberflächenschicht
(97) eines Halbleitermaterials mit niedrigem spezifischen Widerstand besteht, daß eine Metallschicht,
die einen ohmschen Kontakt mit der Oberflächenschicht (97) und mit dem ersten Gebiet
(91) der elektrolumineszierenden Diode (91, 92, 93) bildet, zwischen der Oberflächenschicht und dem
ersten Gebiet angeordnet ist, und daß eine Metallschicht (99), die einen ohmschen Kontakt mit
der Oberflächenschicht (99) und einen Kontakt mit rein gleichrichtenden Eigenschaften mit dem zweiten
Gebiet (92) der elektrolumineszierenden Diode (91, 92, 93) bildet, zwischen der Oberflächenschicht
und dem zweiten Gebiet angeordnet ist (F i g. 7).
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombahn aus einer metallenen
Oberflächenschicht (35) besteht, deren Kontakt mit dem ersten Gebiet (31) der elektrolumineszierenden
Diode eine verhältnismäßig große Oberfläche aufweist und ohmisch ist und deren Kontakt (38) mit
dem zweiten Gebiet (32) dieser Diode eine verhältnismäßig kleine Oberfläche aufweist und
gleichrichtende Eigenschaften besitzt (F i g. 9).
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