DE68913877T2

DE68913877T2 - Lichtemittierende Halbleitervorrichtungen mit grossem Bandabstand.

Info

Publication number: DE68913877T2
Application number: DE68913877T
Authority: DE
Inventors: Sel Brian Colak
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-09-15
Filing date: 1989-09-11
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2009-09-12
Also published as: US4894832A; JPH0738487B2; EP0359329A3; DE68913877D1; JPH02114591A; KR900005632A; EP0359329B1; EP0359329A2

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf lichtemittierende Halbleiteranordnungen mit großem Bandabstand (LEDs) und ferner auf derartige Anordnungen, die zur Erzeugung einer Laser-Ausgangsstrahlung einen Fabry-Perot-Resonator aufweisen.
Aus Materialien mit großem Bandabstand, zum Beispiel Verbindungen der Gruppe II-VI, hergestellte Halbleiter-LEDs sind insofern wünschenswert, als sie Strahlung bei Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums abgeben. Derzeit ist die Herstellung von LEDs mit pn-Übergang aus Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand jedoch schwierig, da geeignete Materialien im allgemeinen nur entweder n-leitend oder p-leitend richtig dotiert werden können.
Trotz dieser Nachteile hat man Laserwirkung bei Anordnungen, die unter Verwendung von Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand, jedoch nur eines Leitfähigkeitstyps, hergestellt wurden, üblicherweise dadurch erreicht, daß man einen durch ein hohes Feldpotential hervorgerufenen Lawinendurchbruch, zum Beispiel in der Nahe einer Grenze zwischen Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen, erzeugte. Siehe hierzu Fern et al., US-Patent 3.493.891 (p-GaAs) und Mimura, japanische Patentanmeldung Nr. 61-144.070 (n-GaAs). Ferner hat man Laserwirkung bei derartigen Materialien nur eines Leitfähigkeitstyps auch durch ein hinter der Ionisationsfront eines Streamers angelegtes hohes Feldpotential erreicht. Siehe N.G. Basov et al., Semiconductor Streamer Lasers, J. Quantum Electronics, Band QE-13, Nr. 8, August 1988 (CdxSe1-x und ZnSe). Außerdem wurde über Lasern mittels direkter Trägerinjektion durch eine Schottky-Diode berichtet. Siehe Wade, US-Patent 3.382.454 (p-GaAs). Ferner ist allgemein bekannt, daß Laserwirkung bei derartigen Materialien auch durch optisches Pumpen oder Pumpen mittels eines Elektronenstrahlenbündels hoher Energie erreicht werden kann.
Anregung von Materialien der Gruppe II-VI mit Elektronenstrahlen ist besonders für Display-Anwendungen, zum Beispiel in der Videotechnik, interessant, da die Technologie für das Abtasten eines Bildschirms mit Elektronenstrahlen weit entwickelt ist und die Bandabstand-Energien dieser Materialien derart sind, daß gut definierte Emissionen innerhalb des sichtbaren Spektrums erzielbar sind. Allerdings sind die Wirkungsgrade von LEDs, die mit derartigen Materialien nur eines Leitfähigkeitstyps arbeiten, geringer als jene, die erzielbar wären, wenn diese Materialien sowohl n- als auch p-dotiert werden könnten, um pn-Übergänge zu erzielen. Bei solchen Materialien nur eines Leitfähigkeitstyps wären die Elektronenstrahl-Energien, die für eine Ladungsträgervervielfachung durch Lawinendurchbruch, d. h. auf die effizienteste Art, nötig wären, in der Praxis prohibitiv hoch.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, Halbleiter-LEDs mit großem Bandabstand und nur einem Leitfähigkeitstyp zu verschaffen, die durch Elektronenstrahlen mit niedrigeren als den bisher erforderlichen Energien angeregt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Halbleiterlaser mit großem Bandabstand und nur einem Leitfähigkeitstyp zu verschaffen, die durch Elektronenstrahlen mit niedrigeren als den bisher erforderlichen Energien angeregt werden können.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, LEDs und Laser mit großem Bandabstand und nur einem Leitfähigkeitstyp zu verschaffen, die verbesserte Betriebswirkungsgrade aufweisen.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, Heterostruktur-Halbleiter-LEDs und -Laser mit großem Bandabstand und nur einem Leitfähigkeitstyp zu verschaffen, die verbesserte Betriebswirkungsgrade aufweisen.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden Halbleiter-LEDs mit großem Bandabstand und nur einem Leitfähigkeitstyp verschafft, bei denen ein unterhalb des für die Ladungsträgervervielfachung durch Lawinendurchbruch erforderlichen Schwellenwertes liegendes Potential angelegt wird, wodurch die Anregung von Lichtemission durch Einbringen von Ladungsträgern bei einer niedrigeren als der sonst benötigten Energie ermöglicht wird. Das Einbringen von Ladungsträgern kann mittels eines einfallenden Strahlenbündels von Elektronen oder elektromagnetischer Strahlung, zum Beispiel Licht, oder durch Trägerinjektion, zum Beispiel von einer Diode mit pn-Übergang oder einer Schottky-Diode aus, erfolgen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden Halbleiter-LEDs mit großem Bandabstand und nur einem Leitfähigkeitstyp mit wirkungsgradverbessernden Heterostrukturen, wie Potentialmulden oder Treppen oder einer Kombination aus Potentialmulden und Treppen, verschafft, um den Wirkungsgrad der Ladungsträgervervielfachung und/oder der Rekombination bei derartigen Anordnungen zu verbessern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung verwendet eine derartige Anordnung eine in einem Substrat aus einem Einkristall-Halbleitermaterial gebildete Ladungsträgerinjektionsstruktur, die geeignet ist, epitaktisches Aufwachsen der Homostruktur oder Heterostruktur des Halbleiters mit großem Bandabstand zu unterstützen, wobei die betreffende Struktur nachstehend allgemein als "aktiver Bereich" der Anordnung bezeichnet wird. Eine solche Halbleiteranordnung kann Teil einer auf dem Substrat gebildeten Halbleiter-Matrix sein, bei der sowohl die Ladungsträgerinjektionsstruktur als auch die aktiven Bereiche zum Beispiel mittels in der IC-Technik bekannter Techniken gebildet sein können. Zum Beispiel können die epitaktisch aufgewachsenen Schichten einer die gesamte Oberfläche des Substrats bedeckenden Heterostruktur dadurch in eine Matrix getrennter aktiver Bereiche unterteilt werden, daß den gewünschten aktiven Bereichen entsprechende Bereiche abgedeckt und die freiliegenden Teile dann mit einem jeweils für die Materialien der Epitaxieschichten der Heterostruktur selektiven Ätzmittel weggeätzt werden. Wenn die einzelnen Halbleiteranordnungen einer solchen Matrix einem unterhalb des für einen Lawinendurchbruch erforderlichen Potentials liegenden Potential ausgesetzt und anschließend von einem Abtast-Elektronenstrahlenbündel abgetastet werden, ist die Matrix mit Nutzen in einer Bildwiedergabeeinrichtung, zum Beispiel einem Video-Display, einsetzbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können diese Anordnungen mit parallelen, reflektierenden Flächen versehen werden, wobei diese Flächen einen Fabry-Perot-Resonator für den Träger-Rekombinationsbereich des aktiven Bereichs der Anordnung bilden, um eine Laserwirkung des emittierten Lichts zu induzieren. Bei derartigen Laseranordnungen können die Elektroden teilweise lichtdurchlässig sein oder alternativ außerhalb des Weges des Laserlichtes liegen, um Absorption und/oder Schwächung dieses Lichts durch die Elektrodenmaterialien zu vermeiden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden naher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED, bei der die Halbleiteranordnung einem Potential unterhalb des für die Lichtemission erforderlichen Potentials ausgesetzt und die Lichtemission durch ein auf die Halbleiteranordnung auftreffendes Elektronenstrahlenbündel angeregt wird;
Figur 2 ein Energiediagramm für den aktiven Bereich der Halbleiteranordnung gemäß Figur 1, aus dem die Veränderung der Bandabstand-Energie in der Halbleiteranordnung ersichtlich ist;
Figur 3 eine Schnittansicht ähnlich dem der Figur 1, jedoch einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED, bei der der Wirkungsgrad der Halbleiteranordnung gemäß Figur 1 durch Zufügung von Potentialmulden verbessert ist;
Figur 4 ein Energiediagramm der Halbleiteranordnung gemäß Figur 3;
Figur 5 eine Schnittansicht ähnlich dem der Figur 1, jedoch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der der Wirkungsgrad der Halbleiteranordnung gemäß Figur 1 durch Zufügung von Treppen verbessert ist;
Figur 6 ein Energiediagramm der Halbleiteranordnung gemäß Figur 5;
Figur 7 eine Schnittansicht ähnlich dem der Figur 1, jedoch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der der Wirkungsgrad der Halbleiteranordnungen gemäß den Figuren 3 und 5 durch die Kombination von Potentialmulden mit Treppen verbessert ist;
Figur 8 ein Energiediagramm der Halbleiteranordnung gemäß Figur 7;
Figur 9 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED, bei der das Elektronenstrahlenbündel von Figur 7 durch eine Diode mit pn-Übergang ersetzt wurde;
Figur 10 ein Energiediagramm der Halbleiteranordnung gemäß Figur 9;
Figur 11 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED, bei der der pn-Übergang in einem Einkristall-Substratmaterial gebildet ist und ein aktiver Bereich epitaktisch auf die Substratoberfläche aufgewachsen ist;
Figur 12 ein Energiediagramm der Halbleiteranordnung gemäß Figur 11;
Figur 13 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der der aktive Bereich der Halbleiteranordnung gemäß Figur 1 durch Fabry- Perot-Flächen ergänzt ist;
Figur 14 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der Fabry-Perot-Flächen auf dem aktiven Bereich zwischen Elektroden und auf einem Substratmaterial angeordnet sind;
Figur 15 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, in der ein Teil einer erfindungsgemäßen, für den Einsatz in einer Bildwiedergabeeinrichtung geeigneten LED-Matrix dargestellt ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Im Sinne dieser Beschreibung sind unter "Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand" Halbleiter-Verbindungen zu verstehen, die auf Verbindungen von aus der Gruppe II und der Gruppe VI sowie der Gruppe III und der Gruppe V des Periodensystems ausgewählten Elementen beruhen. Beispiele für Verbindungen der Gruppe II-VI sind Zinksulfid (ZnS), Zinkselenid (ZnSe), Cadmiumsulfid (Cds) und Cadmiumselenid (CdSe). Mischverbindungen, bei denen entweder das Kation der Gruppe II oder das Anion der Gruppe VI oder beide teilweise durch eines oder mehrere andere Kationen der Gruppe II bzw. Anionen der Gruppe VI ersetzt wurden, zählen ebenfalls dazu. Beispiele hierfür sind (Zn,Cd)S, Zn(S,Se), usw. Diese Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand umfassen auch auf Verbindungen der Gruppe III-V basierende Zusammensetzungen, wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN) und Indiumphosphid (InP) sowie Mischverbindungen dieser Materialien, bei denen das Kation der Gruppe III oder das Anion der Gruppe V oder beide teilweise durch eines oder mehrere der anderen Kationen der Gruppe III bzw. Anionen der Gruppe V ersetzt sind.
Derartige Mischverbindungen sind bei der Bildung von Heterostrukturen nützlich, die - abgestimmt auf einen bestimmten Verwendungszweck der Anordnung - Schichten diskreter oder sich kontinuierlich ändernder Bandabstandenergien aufweisen (Bandabstand ist die Differenz zwischen der Energie des Leitungsbandes und des Valenzbandes eines Materials).
Figur 1 der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiter-LED 10 mit großem Bandabstand, bei der aktives Material 11 sandwichartig zwischen Elektroden 12 und 13 liegt. Das aktive Material 11 kann zum Beispiel n-ZnSe sein. Diesem Material prägt man ein positives Potential ein, indem man an die Elektrode 12 eine positive Spannung anlegt und die Elektrode 13 an Erde legt. Solch ein positives Potential verändert den Bandabstand des aktiven Materials und begünstigt damit die Lichtemission bei Auftreffen eines - durch den Pfeil bezeichneten - Elektronenstrahlenbündels auf die Anordnung.
Figur 2 zeigt ein Energiediagramm des aktiven Bereichs der Halbleiteranordnung gemäß Figur 1, wobei mit Ec das Energieniveau des Leitungsbandes und mit Ev das Energieniveau des Valenzbandes des Materials bezeichnet ist. Elektronen (bei einem Material des n-Typs die Majoritätsträger) bewegen sich im Leitungsband in einer Richtung weg von der geerdeten Elektrode 13 und hin zur positiven Elektrode 12, während Löcher (Minoritätsträger) sich entlang des Valenzbandes in einer Richtung weg von der positiven Elektrode 12 und hin zur gecrdeten Elektrode 13 bewegen. Elektron- Loch-Paare werden erzeugt, wenn ein - in Figur 1 durch den Pfeil bezeichnetes - Elektronenstrahlenbündel auf eine Oberfläche der Anordnung einfallt. Da diese Elektron-Loch-Paare rekombinieren, wird Energie in Form von Lichtemission abgegeben. Mit steigendem Potential werden immer mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt, womit die Anzahl möglicher Ladungsträgerrekombinationen und damit die von der Anordnung abgegebene Lichtmenge steigt. Wird das Potential auf einem Niveau unmittelbar unterhalb des für die Ladungsträgervervielfachung mittels Lawinendurchbruch benötigten Niveaus gehalten, löst ein auf die Anordnung einfallendes Elektronenstrahlenbündel dann einen Lawinenzustand aus.
Wie allgemein bekannt ist, versteht man unter Lawine einen Prozeß, bei dem Ladungsträger erzeugt werden, die selbst eine ausreichende Energie haben, um weitere Ladungsträger zu erzeugen, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Trägerpaare und der anschließenden Ladungsträgerrekombinationen und damit zu einer Erhöhung sowohl des Wirkungsgrades als auch der Lichtleistung der Anordnung führt.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED, bei der der Wirkungsgrad der Halbleiteranordnung gemäß Figur 1 durch Zufügung von Potentialmulden im aktiven Bereich verbessert ist. Die Anordnung 30 umfaßt also ein aktives Material 31 mit darin angeordneten Potentialmulden 32 und 33, wobei das Material sandwichartig zwischen Elektroden 34 und 35 angeordnet ist, die ihrerseits auf positivem bzw. Erdpotential gehalten werden. Wird als aktives Material zum Beispiel ZnSxSe1-x verwendet, können die Potentialmulden aus ZnSe bestehen, wobei x innerhalb des Bereichs von etwa 0,1 bis 0,3 liegt. Ein derartiger, Potentialmulden enthaltender aktiver Bereich kann in der Weise erzeugt werden, daß man zunächst eine Schicht des aktiven Materials 31 epitaktisch aufwachsen läßt, dann eine Schicht der Potentialmulde 33 durch epitaktisches Aufwachsen aufbringt, dann eine weitere Schicht aktiven Materials 31 abscheidet, dann eine weitere Potentialmuldenschicht 32 abscheidet und schließlich den Rest des aktiven Bereichs 31 aufbringt. Die Dicke der Potentialmulden kann zum Beispiel im Bereich von einigen hundert Ängström (10 Å = 1 nm) liegen, während die Gesamtdicke des aktiven Bereichs in der Größenordnung von 5 - 20 um liegen könnte.
Die Zusammensetzung der Potentialmulden wird derart gewählt, daß der Bandabstand dieser Mulden geringer ist als der des umgebenden Materials des aktiven Bereichs. Das sich daraus ergebende Energiediagramm einer derartigen Anordnung ist in Figur 4 dargestellt, wobei die Einkerbungen in den unteren Bereichen der Leitungs- und Valenzbänder bezüglich der Lage den Potentialmulden im aktiven Bereich entsprechend und den unteren Bandabstand dieser Potentialmulden darstellen.
Wenn sich im Betrieb der Anordnung Elektronen und Löcher in den angegebenen Richtungen bewegen, werden viele dieser Ladungsträger in den Potentialmulden eingefangen, so daß sich sowohl die Ladungsträgerrekombination als auch die Lichtemission in diesen Potentialmulden konzentrieren. Dieses Einfangen von Ladungsträgern ermöglicht eine effizientere Trägerrelaxation und -rekombination als dies sonst bei einer Homostruktur, wie diese in Figur 1 dargestellt ist, der Fall wäre.
In Figur 5 ist ein Querschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung 50 dargestellt, wobei der aktive Bereich zwischen der positiven Elektrode 54 und der geerdeten Elektrode 55 in drei Unterbereiche 51, 52 und 53 mit jeweils gestufter Zusammensetzung unterteilt ist. Zum Beispiel können die drei Bereiche jeweils aus n- ZnSxSe1-x bestehen, wobei zum Beispiel x von der unteren Fläche bis zur oberen Fläche jeder Schicht gleichmäßig von etwa 0,05 bis 0,3 ansteigt. Die Dicke einer solchen Schicht kann in der Größenordnung von einigen tausend Ångström liegen. Gestufte Zusammensetzungen lassen sich mittels bekannter epitaktischer Aufwachstechniken erzeugen.
Ein derartiger Schichtaufbau in gestufter Zusammensetzung führt zu einer kontinuierlichen Veränderung des Bandabstandes über die Schichten hinweg und diese wiederum resultiert in einer sogenannten "Treppen"-Struktur. Das Energiediagramm einer derartigen Struktur ist in Figur 6 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, daß die "Stufen" der Treppe im Valenzband tiefer sind als im Leitungsband. Dies ist deshalb wünschenswert, weil es die Bildung zusätzlicher Löcher (Minoritätsträger bei einem Material des n-Typs) fördert. Da die Löcher sich von der positiven zur geerdeten Elektrode der Anordnung bewegen, verändert sich die Energie ihres Valenzbandes schlagartig, wenn sie die "Stufen" herunterfallen, was zur Erzeugung zusätzlicher Löcher und damit zu einer Zunahme der Minoritätsträgerkonzentration und der Wahrscheinlichkeit der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren führt, und folglich zu einer verstärkten Lichtemission. Es versteht sich, daß, wenn für das aktive Material ein Material des p-Typs statt des n-Typs verwendet wird, die Treppenstrukturen so entworfen werden können, daß sich eine Vervielfachung von Elektronen statt von Löchern ergibt.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 70, bei der die Potentialmulden gemäß Figur 3 und die Treppenstruktur gemäß Figur 5 zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Erzeugung und Rekombination von Ladungsträgern in einem einzigen aktiven Bereich kombiniert sind. Es sind daher, in gleicher Weise wie für die Anordnung nach Figur 5 beschrieben, Treppenbereiche 71, 72 und 73 vorhanden, wobei sich im untersten Treppenbereich 73 Potentialmulden 74 und 75 befinden.
Das sich für eine derartige Anordnung ergebende Energiediagramm ist in Figur 8 dargestellt. Bei einer derartigen Anordnung bewegen sich im Betrieb die Löcher von der positiven Elektrode in Richtung Erde, wobei sie auf ihrem Weg nach unten über die Treppenstufen zusätzliche Löcher erzeugen und dann im untersten Treppenbereich die Tendenz besteht, daß sie in den Potentialmulden eingefangen werden. Auch für Elektronen, die sich von der geerdeten Elektrode weg und zur positiven Elektrode hin bewegen, besteht die Tendenz, daß sie vor Erreichen der Treppenstufen in den Potentialmulden eingefangen werden. Die eingefangenen Ladungsträger neigen dazu, wie bereits beschrieben, zu relaxieren und zu rekombinieren, um im Vergleich zu nicht eingefangenen Ladungsträgern eine Lichtemission mit besseren Wirkungsgraden zu erzeugen.
Bei den in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Anordnungen erfolgt ein gesondertes Einbringen von Ladungsträgern mittels eines auf die Oberfläche der Anordnung einfallenden Elektronenstrahlenbündels. In Figur 9 wird das Einbringen von Ladungsträgern bei einer Anordnung ähnlich der nach Figur 7 statt durch ein Elektronenstrahlenbündel durch eine Trägerinjektionsstruktur bewirkt. Bei dieser Anordnung 90 ist eine Diode 91 mit pn-Übergang über dem aktiven Bereich angeordnet, wobei die p&spplus;- und n&spplus;-Bereiche zum Beispiel so dotiert sind, daß sie ein Fremdatomkonzentration im Bereich von 10¹&sup8; bis 10¹&sup9; 1/cm³ aufweisen. Der aktive Bereich umfaßt Treppen-Schichten 92, 93 und 94, wobei die Schicht 94 Potentialmulden 95 und 96 enthält. Die über dem n&spplus;-Bereich der Diode gelegene Elektrode 97 und die über dem p&spplus;-Bereich der Diode gelegene Elektrode 98 werden jeweils auf positivem Potential gehalten, wobei das Potential der Elektrode 97 größer ist als das der Elektrode 98 und die untere Elektrode 99 auf Erdpotential gehalten wird.
Das Energiediagramm dieser Anordnung ist in Figur 10 dargestellt; dabei entspricht der untere Bereich, der dem entsprechenden Bereich in Figur 8 gleicht, den Schichten 92, 93 und 94. Der obere Bereich des Diagramms zeigt die Energieabweichung der Leitungs- und Valenzbänder für die Diode mit pn-Übergang. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, führt die Diode mit pn-Übergang, wenn sie in Sperrichtung betrieben wird, zur Injektion von Löchern in die Anordnung.
Wenn zum Beispiel die Zusammensetzungen des aktiven Bereichs so, wie vorstehend für die Anordnungen gemäß Figur 3 und Figur 5 beschrieben, gewählt sind, die Gesamtdicke des aktiven Bereichs, einschließlich der Schichten 92, 93 und 94 etwa ein Mikrometer beträgt, die Dicke des n&spplus;-Bereichs etwa 0,5 Mikrometer beträgt und die Dicke des p-Bereichs der Diode unterhalb des n-Bereichs zwischen etwa 100 und 300 Ångström liegt, führt das Anlegen eines Potentials von etwa 10 Volt an die Elektrode 97 und von etwa 5 Volt an die Elektrode 98 zur Injektion heißer Löcher in den aktiven Bereich der Anordnung.
Die Diode mit pn-Übergang kann aus jedem Halbleiter hergestellt werden, der mit den für den aktiven Bereich gewählten Materialien verträglich ist und der sowohl n- als auch p-dotiert werden kann, wie zum Beispiel Silizium oder Galliumarsenid. Alternativ kann auch eine in Sperrichtung betriebene Schottky-Diode für die Ladungsträgerinjektion eingesetzt werden.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß bei Wahl eines Materials des p- Typs für den aktiven Bereich der Anordnung natürlich eine in Vorwärtsrichtung betriebene Diode mit pn-Übergang oder eine Schottky-Diode verwendet werden muß, um die Injektion von Elektronen in den aktiven Bereich der Anordnung zu bewirken.
In Figur 11 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 100 dargestellt, bei der ein Einkristall-Halbleitersubstrat 101 vom n-Typ eine Einkristall-Schicht 102 vom p-Typ trägt, die aus demselben Material besteht und einen n&spplus;&spplus;-Bereich enthält, um zum Beispiel durch thermische Diffusion von Fremdatomen in bekannter Weise einen pn-Übergang zu bilden. Auf dieser p-Schicht 102 hat man über dem pn-Übergang durch epitaktisches Aufwachsen einen aktiven Bereich mit Schichten 103, 106 und 107 aus abgestuften Zusammensetzungen aufgebracht, wobei die Schicht 103 Potentialmuldenschichten 104 und 105 enthält. Die Schicht 103 kann zum Beispiel aus ZnSe bestehen, das im Wechsel mit Schichten 104 und 105 aufgebracht wurde, wobei die Schichten 104 und 105 jeweils aus ZnSSe bestehen. Die Schicht 106 besteht vollständig aus ZnSe, die Schicht 107 vollständig aus ZnSSe. Das Aufwachsen dieser Schichten kann auf den Bereich über dem pn-Übergang beschränkt werden, indem man die übrigen Bereiche des Substrats 102 abdeckt, oder kann auf der gesamten Oberfläche des Substrats erfolgen, in welchem Fall anschließend bestimmte Bereiche zum Beispiel durch ein Ätzverfahren entfernt werden. Danach werden auf der unteren Fläche des n-Substrats 101, der oberen Fläche des aktiven Bereichs 107 und der oberen Fläche der p-Schicht Elektroden 108, 109 bzw. 110 gebildet. Die Elektrode 108 ist positiv, die Elektrode 109 negativ und die Elektrode 110 ist geerdet. Das Energiediagramm einer derartigen Anordnung ist in Figur 12 dargestellt.
Zum Beispiel beträgt die Dicke des n&spplus;&spplus;-Bereichs etwa 0,5 um, die Dicke des p-Bereichs oberhalb des n&spplus;&spplus;-Bereichs etwa 10 - 30 nm (100 bis 300 Ångström), die Dicke der Schicht 112 etwa 0,2 bis 0,3 um, die Dicke der Potentialmulden 103, 104 und 105 in der Schicht 112 jeweils etwa 3 nm (30 Ångström) und die Dicke der Schichten 106 und 107 jeweils etwa 0,1 bis 0,2 um.
Die Ausführungsform gemäß Figur 11 kann für die Herstellung einer LED-Matrix auf einem Einkristall-Substrat verwendet werden. Eine derartige Matrix ist zum Teil in Figur 15 dargestellt, wo das Substrat 171 Anordnungen 172 trägt, die einen ähnlichen Aufbau aufweisen können, wie er in Figur 11 dargestellt ist. Zur Herstellung einer derartigen Matrix wird zunächst eine Matrix von pn-Übergängen mittels fotolithografischer Maskierung, thermischer Diffusion und epitaktischer Aufwachstechniken gebildet, wie diese auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen allgemein bekannt sind. Anschließend werden die aktiven Bereiche der Anordnungen epitaktisch gebildet, indem man entweder zunächst die Substratoberfläche so abdeckt, daß nur jene Bereiche über den Dioden freibleiben, in denen aktives Material gewünscht wird, dann die Epitaxieschichten auf die freiliegenden Bereiche aufwachsen läßt und schließlich das Maskenmaterial entfernt, oder indem man alternativ Epitaxieschichten auf die gesamte Substratoberfläche aufwachsen läßt und dann Bereiche dieser Schichten zum Beispiel durch fotolithografische Masken und selektive Ätztechniken so entfernt, daß nur aktives Material in den Bereichen über den Dioden stehenbleibt. Anschließend werden die Elektroden gebildet. Derartige Matrix-Anordnungen können zum Beispiel bei der Herstellung von Bildwiedergabeeinrichtungen Anwendung finden, bei denen Video- oder andere Informationen durch gesonderte Adressierung der einzelnen LEDs der Matrix wiedergegeben werden.
In Figur 13 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 150 dargestellt; diese Anordnung entspricht der in Figur 1 dargestellten mit der Ausnahme, daß Fabry-Perot-Flächen 154 und 155 parallel zueinander auf gegenüberliegenden Oberflächen des aktiven Bereichs 151 angeordnet sind. Bekanntlich bilden solche Flächen einen Fabry-Perot-Resonator für die Verstärkung von innerhalb des Resonators eingefangenen Lichtwellen und - wie durch den wellenförmigen Pfeil angedeutet - für die anschließende Emission von Laserlicht aus der Anordnung. Bei dieser Ausführungsform liegt die Normale zu den Fabry-Perot-Flächen parallel zu den Elektrodenflächen 152 und 153, so daß eine Schwächung oder Absorption des Laserlichts, die sonst bei Durchgang des Lichts durch das Elektrodenmaterial auftreten könnte, vermieden wird.
Figur 14 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laser-Anordnung 160. Bei dieser Anordnung 160 wird eine Schicht eines aktiven Materials 161 auf ein geeignetes Substrat 162 aufgebracht, und anschließend werden Kanäle in das aktive Material 161 geätzt und zur Bildung von Elektroden 163 und 164 mit Elektrodenmaterial aufgefüllt. Anschließend werden Fabry-Perot-Flächen in der Weise gebildet, daß reflektierende Schichten 165 und 166 auf die äußeren Flächen des aktiven Materials 161 bzw. des Substrats 162 aufgebracht werden. Wird eine positive Spannung an die Elektrode 164 angelegt, so setzt sie das aktive Material zwischen den Elektroden einem Potential aus, das geringfügig unterhalb des für einen Lawinendurchbruch erforderlichen Potentials liegt. Trifft anschließend ein Elektronenstrahlenbündel durch die reflektierende Schicht 165 hindurch auf das aktive Material 161 auf, so bewirkt dies eine Ladungsträgervervielfachung durch Lawinendurchbruch. Die Rekombination der Ladungsträger führt zur Emission von Licht, das zwischen den reflektierenden Schichten 165 und 166 oszilliert und damit eine Lichtverstärkung und eine Laser-Ausgangsstrahlung bewirkt, wie dies durch den wellenförmigen Pfeil angedeutet ist. Dieser Aufbau kann bei der Herstellung einer Matrix derartiger Anordnungen auf einem Substrat Anwendung finden. Eine solche Matrix kann besonders für die Verwendung bei Display-Anwendungen geeignet sein, wobei es durch Anlegen einer konstanten Vorspannung an die Matrix dann möglich wäre, Videoinformationen durch Abtasten der Matrix mit einem modulierten Elektronenstrahlenbündel, das eine für die Anregung einer Laser-Ausgangsstrahlung ausreichende Energie hat, wiederzugeben. Damit wird im Vergleich zu der Anordnung gemäß Figur 11 die Adressierung jedes einzelnen Elements der Matrix vermieden.

Claims

1. Lichtemittierende Halbleiteranordnung eines einzigen Leitfähigkeitstyps mit großem Bandabstand, die mindestens zwei Elektroden und einen aktiven Bereich zwischen den Elektroden aufweist, der im wesentlichen eine aus den Verbindungen und Mischverbindungen der Gruppe II-VI und der Gruppe III-V ausgewählte Einkristall- Halbleiterverbindung nur eines Leitfähigkeitstyps umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß gesonderte Mittel zum Einbringen von Ladungsträgern in den aktiven Bereich vorgesehen sind, wodurch im Betrieb durch das Anlegen eines Vorspannungspotentials, das unterhalb des für eine Ladungsträgervervielfachung durch Lawinendurchbruch erforderlichen Potentials liegt, an die Elektroden, die Anregung von Lichtemission durch gesondertes Einbringen von Ladungsträgern mit einer niedrigeren Energie als derjenigen, die ohne das Vorspannungspotential nötig wäre, möglich wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der aktive Bereich mindestens eine Potentialmulde umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Zusammensetzung des aktiven Bereichs ZnSxSe1-x vom n-Typ und die Zusammensetzung der Potentialmulde ZnSe vom n-Typ ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Zusammensetzung des aktiven Bereichs AlxGa&sub1;&submin;&sub1;N vom n-Typ und die Zusammensetzung der Potentlalmulde GaN vom n-Typ ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der aktive Bereich mindestens eine Treppe umfaßt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Zusammensetzung des aktiven Bereichs der Formel ZnSxSe1-x vom n-Typ entspricht und die Zusammensetzung sich über den Treppenbereich hinweg gleichmäßig verändert.

7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der der Wert x sich über den Treppenbereich hinweg von einem niedrigen Wert von etwa 0,05 zu einem hohen Wert von etwa 0,3 verändert.

8. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der aktive Bereich mindestens eine Potentialmulde und mindestens einen Treppenbereich umfaßt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der sich die Potentialmulde innerhalb des Treppenbereichs befindet.

10. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein gesondertes Einbringen von Ladungsträgern durch Auftreffen eines Elektronenstrahlenbündels auf eine Oberfiäche der Anordnung bewirkt wird.

11. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein gesondertes Einbringen von Ladungsträgern durch eine Ladungsträgerinjektionsstruktur auf einer Oberfläche des aktiven Bereichs bewirkt wird.

12. Anordnung nach Anspruch 11, bei der die Ladungsträgerinjektionsstruktur eine Diode mit pn-Übergang ist.

13. Anordnung nach Anspruch 11, bei der mindestens eine Ladungsträgerinjektionsstruktur in einem Einkristall-Halbleitersubstrat liegt und mindestens ein eine oder mehrere Epitaxieschichten umfassender aktiver Bereich über der Ladungsträgerinjektionsstruktur auf dem Substrat liegt.

14. Anordnung nach Anspruch 13, bei der die Ladungsträgerinjektionsstruktur eine Diode mit pn-Übergang ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, bei der das Substratmaterial aus der Gruppe aus Einkristall-Silizium und Galliumarsenid ausgewählt ist.

16. Anordnung nach Anspruch 13, bei der das Substrat eine Matrix von in Abständen angeordneten Ladungsträgerinjektionsstrukturen enthält und das Substrat eine Matrix aktiver Bereiche trägt, die oberhalb der Matrix der Ladungsträgerinjektionsstrukturen angeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Paar paralleler reflektierender Flächen vorgesehen ist, die einen Fabry-Perot-Resonator mindestens für den Rekombinationsbereich des aktiven Bereichs bilden, um dadurch die Verstärkung und Laserwirkung des emittierten Lichts zu verbessern.

18. Anordnung nach Anspruch 17, bei der die Elektroden außerhalb des Weges des Laserlichtes liegen.