DE2440350A1 - Light source using semiconductor material - is made up of several layers of alternating conductivities to define PN junctions - Google Patents
Light source using semiconductor material - is made up of several layers of alternating conductivities to define PN junctionsInfo
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Abstract
Description
Halbleiterstrahlungsquelle Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterstrahlungsquelle mit mehreren Sperrschichten in einem Halbleiterkörper.Semiconductor Radiation Source The present invention relates to a Semiconductor radiation source with several barrier layers in a semiconductor body.
Die iumineszenzdiode ist heute die fast ausschließlich benutzte optische Strahlungsquelle auf Halbleiterbasis. Der innere Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer Energie in optische Strahlungsenergie liegt bei Bumineszenzdioden, die im sichtbaren Spektralbereich emittieren, für Galliumphosphid unter 7 und für Galliumarsenidphosphid unter 0,4 Vo.The iuminescent diode is almost exclusively used today as an optical one Semiconductor based radiation source. The internal conversion efficiency of electrical energy in optical radiation energy is in buminescent diodes, which emit in the visible spectral range, for gallium phosphide below 7 and for Gallium arsenide phosphide below 0.4 vol.
Für die Anwendung von größerer Bedeutung ist jedoch der gesamte Wirkungsgrad der tumineszenzdiode in einer Schaltung. Die verfügbare Betriebsspannung liegt in den meisten Anwendungsfällen um ein Vielfaches über der Flußspannung der tumineszenzdiode. Besonders ungünstige Wirkungsgrade ergeben sich, wenn die tumineszenzdiode am Wechselstromnetz (220 V) betrieben wird. Die Plußspannung der tumineszenzdiode liegt nämlich nur bei ungefähr 2 V. Das bedeutet, daß weniger als 1 % der Gesamtleistung in der tumineszenzdiode umgesetzt wird, das heiß, der Gesamtwirkungsgrad der Schaltung ist bei Gallium-Arsenid-Phosphid-Dioden kleiner als 4 . 10 5.However, the overall efficiency is of greater importance for the application the tuminescent diode in a circuit. The available operating voltage is in in most applications many times over the forward voltage of the tuminescent diode. Particularly unfavorable degrees of efficiency result if the tuminescent diode is connected to the alternating current network (220 V) is operated. The plus voltage of the tuminescent diode is only at about 2 V. That means that less than 1% of the total power in the tuminescent diode that is, the overall efficiency of the circuit is in the case of gallium-arsenide-phosphide diodes less than 4. 10 5.
Aus den vorgenannten Gründen wird heute intensiv an der Verbesserung des Wirklu1gsgrades von Bumineszenzdioden gearbeitet.For the reasons mentioned above, there is intensive improvement today the efficiency of buminescent diodes worked.
Eine wesentliche Verbesserung des Wirklulgsgrades von Einzeldioden ist jedoch aus prinzipiellen Gründen nicht zu erwarten.A significant improvement in the efficiency of individual diodes however, for reasons of principle, is not to be expected.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterstrahlungsquelle anzugeben, dessen Ausgestaltung eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von mit derartigen Sendern bestückten Schaltungen möglich macht.The present invention is based on the object of a semiconductor radiation source indicate whose design an improvement in the overall efficiency of with makes circuits equipped with such transmitters possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Innern des Halbleiterkörpers eine Vielzahl k von Zonen mit abwechselnd unterschiedlicher Leitfähigkeit angeordnet sind und daß Mittel vorgesehen sind, welche die Sperrwirkung der bei mindestens einer Polarität einer an den Sperrschichten anliegenden Spannung gesperrten Sperrschichten aufheben.This object is achieved in that inside the Semiconductor body a plurality k of zones with alternately different conductivity are arranged and that means are provided which the locking effect of at at least one polarity of a voltage applied to the barrier layers is blocked Remove barriers.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Sperrschichten durch pn-Übergänge gebildet werden.A further development of the invention is that the barrier layers are formed by pn junctions.
Es ist aüch oft vorteilhaft, daß zwischen den p- und n-dotierten Zonen i-leitende Bereiche angeordnet werden.It is also often advantageous that between the p- and n-doped zones i-conductive areas are arranged.
Es ist auch vorteilhaft, daß die Zonen so stark dotiert sind, daß der Strom in Sperrichtung zwischen benachbarten Zonen durch den Tunneleffekt transportiert wird.It is also advantageous that the zones are so heavily doped that the current is transported in the reverse direction between neighboring zones through the tunnel effect will.
Weiterhin ist es für gewisse Ausführungsformen vorteilhaft, daß die Zonen so stark dotiert sind, daß der Strom in Sperrrichtung zwischen benachbarten Zonen durch den Zenereffekt oder den Lawineneffekt transportiert wird.Furthermore, it is advantageous for certain embodiments that the Zones are so heavily doped that the current in the reverse direction between adjacent Zones is transported by the zener effect or the avalanche effect.
Ei;ie Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Sperrfähigkeit der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschichten durch elektrischen Durchbruch zerstört ist.Ei; he development of the invention consists in the fact that the blocking capability the barrier layers prestressed in the reverse direction are destroyed by electrical breakdown is.
Es liegt weiterhin Im Rahmen der Erfindung, daß alle Zonen durch eine hochohmige Oberflächenschicht miteinander verbunden sind und daß der Strom durch diese Oberflächenschicht kleiner als durch die wechselweise dotierten Zonen ist.It is also within the scope of the invention that all zones by one high-resistance surface layer are connected to each other and that the current flows through this surface layer is smaller than that caused by the alternately doped zones.
Für gewisse Aus führungsbeispiele besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, daß jeweils jede der Zonen mit einer der ihr benachbarten Zonen vom entgegengesetzten Beitfähigkeitstyp metallisch leitend verbunden ist.For certain exemplary embodiments, there is a further development of the invention in that each of the zones with one of its neighboring zones from the opposite Capability type is metallically connected.
Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Zonen in der Stromflußrichtung im lIalbleiter einen Konzentrationsgradienten der Dotierung aufweisen und daß die Konzenträtion der Dotierung sich innerhalb einer Zone um einen Faktor ändert, der größer als 10 ist.It is also advantageous that the zones are in the direction of current flow have a concentration gradient of the doping in the semiconductor and that the Concentration of the doping changes within a zone by a factor that is greater than 10.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es, daß der Abstand gleichartig dotierter Zonen größer als die Diffusionslänge der beweglichen Ladungsträger ist.Another embodiment of the invention is that the distance is the same doped zones is greater than the diffusion length of the mobile charge carriers.
Es ist vorteilhaft, daß der Abstand gleichartig dotierter Zonen größer als die halbe Diffusionslänge der beweglichen Ladungsträger ist.It is advantageous that the distance between similarly doped zones is greater than half the diffusion length of the mobile charge carriers.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist es, daß der Vorwiderstand im selben Kristall wie die wechselweise dotierten Zonen integriert ist.A development of the invention is that the series resistor in the same crystal as the alternately doped zones is integrated.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die erste und/oder die letzte Sperrschicht durch eine Diode so überbrückt ist, daß die Diode in Flußrichtung vorgespannt ist, wenn die überbrückte Sperrschicht in Sperrichtung vorgespannt ist.Another embodiment of the invention is that the first and / or the last barrier layer is bridged by a diode so that the diode is forward biased when the bridged barrier is reverse biased is biased.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die erste und/oder die letzte Sperrschicht durch einen Widerstand überbrückt ist.A further development of the invention is that the first and / or the last barrier layer is bridged by a resistor.
In einigen Fällen ist es weiterhin vorteilhaft, daß die Vielzahl k der Zonen größer als 4 ist.In some cases it is furthermore advantageous that the plurality k of the zones is greater than 4.
Weiterhin ist es oft vorteilhaft, daß die Vielzahl k der Zonen größer als 9 ist.Furthermore, it is often advantageous for the multiplicity k of the zones to be greater than is 9.
Nachfolgend wird die Erfindung an der Zeichnung und an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Ausführungsform einer Halbleiterstrahlungsquelle gemäß der Erfindung, bei der die Zonen abwechselnd unterschiedlicher Leitfähigkeit unmittelbar aneinander angrenzen, Fig. 2 eine Ausführungsform der Halbleiterstrahlungsquelle gemäß der Erfindung, bei der zwischen den Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit i-leitende Bereiche vorgesehen sind.The invention is illustrated below using the drawings and exemplary embodiments explained in more detail. 1 shows an embodiment of a semiconductor radiation source according to the invention, in which the zones are alternately of different conductivity directly adjoin one another, FIG. 2 shows an embodiment of the semiconductor radiation source according to the invention, in which between the zones of different conductivity i-conductive areas are provided.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 1 im Querschnitt dargestellt. Die Zonen 2 stellen Halbleiterzonen des einen Beitfähigkeitstyps dar, während die zu den Zonen 2 alternierend angeordneten Zonen 3 Halbleiterzonen vom anderen, dem erstgenannten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Beitfähigkeitstyp darstellen. An die Halbleiterkontakte 6 wird eine äußere Spannung angelegt, angedeutet durch die symbolisch dargestellten Anschlüsse 4 und 5. Die Oberflächenschicht 8, welche die Verbindung der Zonen untereinander herstellt, kann eine hochohmige Oberilächenschicht sein, welche eindiffundiert oder einimplantiert oder aufgedampft werden kann, oder sie kann eine Metallschicht darstellen.In Fig. 1, a semiconductor body 1 is shown in cross section. the Zones 2 represent semiconductor zones of the one capability type, while the to the zones 2 alternating zones 3 semiconductor zones from the other, the former Represent conductivity type opposite conductivity type. To the semiconductor contacts 6, an external voltage is applied, indicated by the symbolically represented Connections 4 and 5. The surface layer 8, which connects the zones to one another produces, can be a high-resistance surface layer that diffuses or can be implanted or vapor-deposited, or it can represent a metal layer.
Bei einer Ausführungsform nach Fig. 1 sind in einem Halbleiterkörper 1, zum Beispiel aus Galliumphosphid, p-leitende Zoen 2 und n-leitende Zonen 3 angeordnet. Die Dotierungskonzentration der p- und der n-Zonen 2, 3 beträgt zum Beispiel 1018 cm'3. Die Dicke der Zonen 2, 3 liegt in der Größenordnung von 10 /um, wobei die Dicken der Zonen 2 einerseits und der Zonen 3 andererseits unterschiedlich sein können. Die Ausdehnung der p- und der n-Zonen parallel zur Oberfläche des Halbleiterkristalls 1 und senkrecht zur Zeichenebene ist ungefähr gleich der Ausdehnung des Ualbleiterkörpers 1 in dieser Richtung und beträgt ca. 0,5 mm. Da im Betrieb mit Gleichspannung der Anschluß 5 positiv in bezug auf den Anschluß 4 ist, ist jeweils nur jeder zweite pn-Übergang in Flußrichtung vorgespannt, während die übrigen pn-Übergänge gesperrt sind.In one embodiment according to FIG. 1, in a semiconductor body 1, for example made of gallium phosphide, p-type zones 2 and n-type zones 3 arranged. The doping concentration of the p- and n-zones 2, 3 is for example 1018 cm'3. The thickness of the zones 2, 3 is of the order of 10 μm, with the The thicknesses of zones 2 on the one hand and zones 3 on the other hand can be different can. The extension of the p and n zones parallel to the surface of the semiconductor crystal 1 and perpendicular to the plane of the drawing is approximately equal to the expansion of the semiconductor body 1 in this direction and is approx. 0.5 mm. Since in operation with DC voltage the Terminal 5 is positive with respect to terminal 4 is only every other one pn junction biased in the flow direction, while the other pn junctions are blocked are.
Um einen Stromfluß über die gesamte Anordnung zwischen den Anschlüssen 4 und 5 zu ermöglichen, kann gemäß einer besonderen Ausführungsfora der Erfindung die Dicke der Zonen 2 und 3 gemessen in der Richtung parallel zur Oberflächenschicht 8 ungefähr gleich einer halben Diffusionslänge der freien Ladungsträger gemacht werden. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge von Elektronen und Löchern überschwemnt werden, weil diese Ladungsträger auf Grund der genannten Abmessungen der Zonen noch durch die Zonen hindurch diffundieren können. Die in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge unterbrechen also bei dieser Ausführungsform den Stromfluß nicht.To have a current flow over the entire arrangement between the connections 4 and 5, according to a particular embodiment of the invention the thickness of zones 2 and 3 measured in the direction parallel to the surface layer 8 made approximately equal to half a diffusion length of the free charge carriers will. This measure ensures that the biased in the blocking direction pn junctions are flooded by electrons and holes because of these charge carriers due to the mentioned dimensions of the zones still diffuse through the zones can. The pn junctions that are biased in the reverse direction therefore interrupt this Embodiment not the current flow.
Der Start des beschriebenen Vorganges beim Anlegen der Betriebsspannung wird durch die Verbindung der Zonen 2, 3 untereinander über die Oberflächenschicht 8 bewirkt.The start of the process described when the operating voltage is applied is achieved by connecting zones 2, 3 to one another via the surface layer 8 causes.
Die Strahlungswirkung kommt dadurch zustande, daß die jeweiligen n-Zonen Elektronen in die p-Zonen injizieren, die in diesen Zonen größtenteils mit Löchern rekombinieren und dadurch optische Strahlung aussenden. Entsprechend verhält es sich mit den Löchern, die aus den p-Zonen in die n-Zonen injiziert werden.The radiation effect comes about by the fact that the respective n-zones Inject electrons into the p-zones, which in these zones are mostly with holes recombine and thereby emit optical radiation. It behaves accordingly deal with the holes injected from the p-zones into the n-zones.
Der Vorteil einer derartigen Halbleiterstrahlungsquelle besteht darin, daß bei vorgegebenem Strom ungefähr die k/2-fache optische Strahlungsleistung im Vergleich zu bekannten Lumineszenzdioden emittiert wird, wenn k die Anzahl der Zonen 2 und 3 ist. Der Spannungsabfall an diesen llalbleiterstrahlungsquellen ist ungefähr um den Faktor k/2 größer als bei den bekannten Lumineszenzdioden. Die erfindungsgemäße Halbleiterstrahlungsquelle ist daher besser an die üblicherweise zur Verfügung stehende Betriebsspannung angepaßt. Insbesondere kann bei ausreichend großer Zahl der Zonen (zum Beispiel 40 Zonen 2 und 40 Zonen 3) ein Betrieb an einem Spannungsversorgungsnetz mit 110 V beziehungsweise 220 V erfolgen, wobei nur ein relativ kleiner Vorwiderstand mit geringer Verlustleistung erforderlich ist, der im Halbleiterkörper 1 integriert sein kann.The advantage of such a semiconductor radiation source is that that at a given current approximately the k / 2 times the optical radiation power im Compared to known light emitting diodes, if k is the number of zones 2 and 3 is. The voltage drop across these semiconductor radiation sources is approximate by a factor of k / 2 larger than with the known light-emitting diodes. The inventive Semiconductor radiation source is therefore better than the one usually available Adjusted operating voltage. In particular, given a sufficiently large number of zones (for example 40 zones 2 and 40 zones 3) operation on a voltage supply network with 110 V or 220 V, with only a relatively small series resistor with low power dissipation is required, which is integrated in the semiconductor body 1 can be.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie Fig. 1 darstellt, kann der Stromtransport durch gesperrte pn-Übergänge hindurch und auch für den Fall, daß die Dicke der Zonen 2, 3 größer als eine Diffusionslänge der beweglichen Ladungsträger ist, durch folgende weitere Maßnahmen bewirkt rden: 1. Es können die in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge an den Berührungsstellen so stark dotiert sein, daß der Stromfluß zwischen den Zonen 2, 3 durch Tunneleffekt, Zenereffekt oder Lawineneffekt erfolgt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Dotierung der p- und der n-Zonen in Flußrichtung einen Konzentrationsgradienten besitzt, so daß jeweils an denjenigen pn-Übergängen, die in Flußrichtung vorgespannt sind, die Dotierungskonzentration kleiner ist. Durch diese Maßnahme wird ein Absinken der Quantenausbeute durch zu große Dotierungskonzentration vermieden.In an arrangement according to the invention, as shown in FIG. 1, can the current transport through blocked pn junctions and also for the case that the thickness of the zones 2, 3 is greater than a diffusion length of the mobile charge carriers is caused by the following additional measures: 1. It can be in the blocking direction biased pn junctions at the contact points be so heavily doped that the Current flow between zones 2, 3 by tunnel effect, zener effect or avalanche effect he follows. It is advantageous if the doping of the p- and n-zones in Direction of flow has a concentration gradient, so that in each case to those pn junctions, which are biased in the direction of flow, the doping concentration is smaller. This measure leads to a decrease in the quantum yield large doping concentration avoided.
2. Die jeweils in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergänge können durch Anlegen einer großen Sperrspannung durchschlagen werden. Es bilden sich dann Schmelzkanäle zwischen den pn-Übergängen, die den Stromfluß in Sperrichtung übernehmen.2. The pn junctions biased in the reverse direction can through Apply a large reverse voltage breakdown will. Make it up then melt channels between the pn junctions, which the current flow in the reverse direction take over.
Zur reproduzierbaren Erzeugung solcher Schmelzkanäle hat es sich bewährt, einen Kondensator mit ausreichend großer Ladespannung über das Bauelement zu entladen. The goal is to produce such melt channels in a reproducible manner proven, a capacitor with a sufficiently high charging voltage across the component to unload.
3. Eine weitere Möglichkeit, einen Stromfluß durch gesperrte pn-2bergänge zu bewirken, besteht darin, die in Sperrichtung vorgespannten pn-t!bergänge durch leitende Kontakte (zum Beispiel Metallstreifen) zu überbrücken. Diese Maßnahme ist jedoch aufwendig und führt zu Verlusten an optischer Strahlung durch Absorption. 3. Another possibility, a current flow through blocked pn-2 junctions to effect, consists in the reverse biased pn-t! transitions through to bridge conductive contacts (e.g. metal strips). This measure is however, it is expensive and leads to losses of optical radiation through absorption.
Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, daß zwischen die Zonen' 2,. 3 i-leitende Bereiche 7 eingebaut sind. Fig. 2 differs from Fig. 1 in that between the zones' 2 ,. 3 i-conductive areas 7 are installed.
Zu einer, wie in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform gelten die auf Seite 6, 7, 8 und 9 beschriebenen Ausführungsbeispiele analog. Zu beachten ist jedoch, daß bei einer gewissen endlichen Dicke der i-leitenden Bereiche der Stromfluß zwischen in Sperrichtung vorgespannten pn-8bergängen durch den angeführten Tunneleffekt nicht mehr bewirkt werden kann. For an embodiment as shown in FIG. 2, the following apply on page 6, 7, 8 and 9 described embodiments analogously. Please note however, that with a certain finite thickness of the i-conductive areas the current flow between reverse biased pn-8 junctions due to the tunnel effect mentioned can no longer be effected.
alle beschriebenen Ausführungsformen haben den Vorteil, daß sie auch mit Wechselstrom betrieben werden können. Voraussetzung für den Wechselstrombetrieb derartiger Halbleiterstrahlungsquellen ist jedoch, daß der erste und der letzte pn-Übergang entweder durch eine Diode in Flußrichtung oder durch einen Widerstand (zum Beispiel Schmelzkanal) überbrückt wird. In diesem Fall emittiert die Halbleiterstrahlungsquelle sowohl bei positiven wie auch bei negativen Spannungsphasen optische Strahlung.all of the embodiments described have the advantage that they also can be operated with alternating current. Requirement for AC operation of such semiconductor radiation sources, however, is that the first and the last pn junction either through a diode in the forward direction or through a resistor (for example melt channel) is bridged. In this case, the semiconductor radiation source emits optical radiation for both positive and negative voltage phases.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Halbleiterstrahlungsquelle liegt darin, daß sich bei derartigen Halbleiterstrahlungsquellen Isolierdiffusionen erübrigen. Isolierdiffusionen sind für derartige Halbleiterstrahlungsquellen nicht nur aufwendig, sondern sind auch bei großen Betriebsspannungen nicht anwendbar.Another advantage of a semiconductor radiation source according to the invention lies in the fact that insulating diffusions occur in such semiconductor radiation sources superfluous. Isolation diffusions are not necessary for such semiconductor radiation sources only expensive, but cannot be used even with high operating voltages.
16 Patentansprüche 2 Figuren16 claims 2 figures
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| EP0645859A1 (en) * | 1993-09-24 | 1995-03-29 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser |
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1974
- 1974-08-22 DE DE2440350A patent/DE2440350A1/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5452316A (en) * | 1993-09-24 | 1995-09-19 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser having stacked active layers with reduced drive voltage |
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