PL71396B1 - - Google Patents

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest element elektroluminescencyjny zawierajacy krysztal fo¬ sforku galu, posiadajacy w siatce krystalicznej pu¬ lapki azotowe, który posiada strefe o przewodni¬ ctwie typu p i strefe o pi^wodnictwie typu n, tworzace zlacze p—n.Szybki ii rotaszerzajacy sie irozwój wielu dziedzin, które wymagaja optycznych sygnalizacji i wskaz¬ ników, takich jak na przyklad dziedzina maszyn matematycznych,, narzucily potrzebe poszukiwania nowych elementów emitujacych swiatlo, które maja dluga zywotnosc, silne swiecenie, niezawodnosc i prostote. W dodatku jest pozadane, aby te przy¬ rzady pracowaly przy niskich napieciach i ipradach.Ostatnio coraz szersze zastosowanie maja elemen¬ ty 'zlaczowe z tak zwanymi pulapkami izoelektro- nicznymi, które dzialaja jako osrodki radiacyjne, tym samym wytwarzajac luminescencje przy przy¬ lozeniu napiecia wywolujacego przeplyw pradu.Przypuszcza sie, ze dzialanie tych pulapek polega na tym, ze sa one utworzone przez jeden pierwia¬ stek, zastepujacy w siatce krystalicznej drugi pier¬ wiastek z tej samej kolumny ukladu okresowego, chociaz osrodek formowany w ten sposób nie ma ladunku sieci, wywoluje on defekt sieci krystalicz¬ nej, który przyciaga dziury i elektrony. Dziura i e- lektron przyciagane do tego miejsca rekombinuja wytwarzajac promieniowanie. Przykladem materia¬ lu z izoelektrcffiicznymi pulapkami jest fosforek ga¬ lu domieszkowany azotem, w (którym azot izoelek- 10 15 20 25 30 tronicznie wymienia fosfor w siatce krystalicznej, tworzac w ten sposób pulapki* do których sa frirzy- ciagane zarówno dziury jak i elektattiy. Pewne zwiazki, gdy sa domieszkowane odpowiednimi za¬ nieczyszczeniami donozowymi i akceptorowymi, wytwarzaja zielona luminescencje w temperaturze pokojowej przy przylozeniu do zlacza napiecia sta¬ lego o wartosci kilku voitów i charakteryzuja sie dluga zywotnoscia i niezawodnoscia.W diodzie elektroluminescencyjnej ze zlaczem pnn opisywanego typu, calkowity prad zmienia sie wedlug ffiuntocji exp qV/mKT, gdzie q jest ladun¬ kiem, V jest malpieciem polaryzacji, k jest stala Boltzmana^ T jest temperatura w stopniach Kelvi- ina, a n jest stala, w przyblizemu równa 2. Nato¬ miast emitowane swiatlo zmienia sie wedlug funk¬ cji exp qV/kT.Prad iniekcyjny, który decyduje o ilosci emito¬ wanego swiatla, jest jedynie mala czescia calkowi¬ tego pradu. Oznacza to, ze wiekszosc pradu stanowi strate dla procesu radiacyjnego wskutek (rekombi¬ nacji nieradiacyjnych. Takie nieradiacyjne rekom¬ binacje maja miejsce w osrodkach wygaszania w zlaczu i daja efekt zmniejszania pradu pozostajace¬ go dla procesu rekombinacji radiacyjnej.Stwierdzono, ze wzrost poziomu domieszkowa* nia zanieczyszczenia denarowego, którym moze byc na przyklad tellur lub selen, powoduje szybki spa¬ dek wydajnosci emitowania swiatla. Jest to przy¬ pasywane temu faktowi, ze dodatkowe atomy dono- 71 39671 396 rowe wytwarzaja dodatkowe osrodki wygaszania z szybkoscia wieksza niz szybkosc wzrostu pradu iniekcyjnego. Ponadto stwierdzono, ze uzycie siarki jako zanieczyszczenia donorowego powoduje wy¬ twarzanie osrodków wygaszania,, które jest co naj- 5 mniej o rzad wielkosci mniejsze niz dla telluru czy selenu.Niniejszy wynalazek dostarcza elementu elektro- lumiinesicencyjinego, zawierajacego krysztal fosforku galu, posiadajacy pulapki .azotowe w siatce krysta- 10 licznej, który zawiera strefe o przewodnictwie typu p i strefe o przewodnictwie typu in, które formuja zlacze p-n. W elemencie tym strefa o przewodni¬ ctwie typu n zawiera siarke o koncentracji odpo¬ wiedniej do wytworzenia nadmiaru donorów nad 15 akceptorami w zakresie 5 X 1016 do 2 X 1017 cm.-3.Stwierdzono,, ze gdy poziom domieszkowania siar¬ ki jest taki,, ze róznica w ilosci atomów donora- wych i akceptorowych jest w wyzej wymienionym zakresie, element wedlug wynalazku osiaga wyso- 20 kie wydajnosci.. Chociaz te wydajnosci sa nizsze niz dla porównania w diodach o emisji czerwonej, to czulosc ludzkiego oka na swiatlo zielone jest w przyblizeniu trzydziestokrotnie wieksza niz czulosc na czerwien,, zatem jaskrawosc zielonej diody jest porównywalna,, a przy niskich poziomach siarki na¬ wet wieksza niz jaskrawosc diod czerwonych.W przykladzie wykonania niniejszego 'wynalazku diody zlaczowe z GaP sa wykonywane sposobem, przy którym epitaksjalne narastanie warstwy do- 30 mieszkowanego azotem i domieszkowanego cynkiem fosforku galu nastepuje na domieszkowanym siar¬ ka zarodku z fosforku galu. Utrzymywany jest ni¬ ski poziom siarki, w zakresie wymienionym powy¬ zej. Przy przylozeniu odpowiedniej polaryzacji,, to 35 jest napiecia 2V,, dioda emituje zielone swiatlo z obszaru n z wydajnoscia przynajmniej, o rzad wiel¬ kosci wyzsza niz podobne diody wykorzystujace ja¬ ko domieszke tellur lub selen. Diody wykonane w ten sposób wykazuja wzrost wydajnosci ze wzro- 40 stem pradu bez nasycenia az ido wartosci pradu 00 najmniej 1 A.Wynalazek jest przykladowo objasniony na, ry¬ sunku,, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie element wedlug wynalazku, a fig. 2 przedstawia 45 wylkres, obrazujacy zmiany wydajnosci w funkcji zmian poziomu domieszkowania.Na fig.. 1 przedstawiono element elektrolumine¬ scencyjny ze zlaczem p-n„ który w temperaturze pokojowej emituje swiatlo w zielonym zakresie wi- ^ dma„ na przyklad w pasmie o szerokosci okolo 300 ,A° polozonym wokól dlugosci fali 5650 A°.Element 11 posiada krysztal 12 z fosforku galu domieszkowanego siarka, w celu wytworzenia w krysztale przewodnictwa typu n. Warstwa 13 o prze- 55 wodnictwie typu p z domieszkowanego azotem, do¬ mieszkowanego cynkiem GaP jest osadzana na krysztale 12, najlepiej na 'drodze epitaksjalnego wzrostu, tworzac zlacze p-n.Elektryczne kontakty 16 i 17 odpowiednio do eo warstw lub stref typu p i n moga byc wykonane z jialkiegos odpowiedniego materialu, takiego jak na przyklad stop zloto cynk lub cyna. Pomiedzy kon¬ taktami 16 i 17 jest wlaczone w kierunku przewo¬ dzenia zródlo 18 napiecia, pokazane schematycznie 65 jako bateria, a w celu kontrolowania wartosci na¬ piecia polaryzujacego przykladanego do elementu 11, szeregowo z tym zródlem wlaczony jest zmien¬ ny opornik 19.Podczas pracy, gdy odpowiednie napiecie, na przyklad 2 lub 3 V, jest przylozone ido elementu 11, emituje on zielone swiatlo. Zgodnie z aktualna teo¬ ria, elektrony z obszaru 12 typu n sa przesuwane poprzez zlacze 14 do domieszkowanego azotem ob¬ szaru typu p, gdzie sa one wychwytywane w miej¬ scach izoeHektronicznych pulapek, wraz z dziurami istniejacymii w obszarze typu p. W ten isposób wy¬ chwytywane 'dziury i elektrony rekombinuja wy¬ twarzajac zielone swiatlo. Jedynie mala czesc cal¬ kowitego pradu wytwarzanego przez przylozenie napiecia jest zuzywana w procesie rekombinacji radiacyjnej, reszta jest wytracana na nieradiacyjina rekombinacje elektronów i dziur w „osrodkach .wy¬ gaszania" w obszarze zlacza. Stwierdzono, ze próba zwiekszenia pradu iniekcyjinego poprzez zwiekszone domieszkowanie donorowo zwieksza „osrodki wy¬ gaszania" w wiekszym nawet stopniu, tym samym zmniejszajac wydajnosc, zamiast zakladanego pier¬ wotnie wzrostu wydajnosci.Na fig. i2 przedstawiono wykres elektrolumines- icencyjnej wydajinosci w funkcji róznicy koncen¬ tracji idonorów ND i akceptorów NA. Mozna zauwa¬ zyc, ze domieszkowanie sianka wedlug ikrzywej na fig. 2 daje pozadane, wyzsze wydajnosci dla dowol¬ nej koncentracji donorowej ND niz w przypadku telluru, co przedstawia krzywa na fig, 2 i ze wy¬ dajnosc obniza sie ze wzrostem koncentracji dono¬ rów z o wiele mniejsza szybkoscia niz dla domiesz¬ ki teliurowej. Chociaz tego nie pokazano, selen za¬ chowuje sie zupelnie podobnie ido telluru. Maksy¬ malna wydajnosc dla diomieisizki siarkowej na wy¬ kresie z fig. 2 wystepuje dla nadmiaru donorowej koncentracji siarki okolo 5 X1016 -do 2 X1017 na centymetr siescienny. Przy obecnej technice jest niezmiernie trudno uzyskiwac koncentracje siarki nizsze niz 5 X 1016 na om3, aczkolwiek nalezy zau¬ wazyc, ze nawet wyzsze wydajnosci moglyby byc uzyskiwane przy jeszcze nizszej koncentracji siar¬ ki. Pomiary do wykresu z fig. 2 byly wykonywane przy calkowitym pradzie o wartosci 5 imA. W ten sposób na fig. 2 rzedna przedstawia prad, a odcie¬ ta przedstawia przewage domieszki donorowej mad akceptorowa. Zwiekszenie pradu nie zmienia ksztaltu krzywych, ilecz jedynie przesuwa je w gó¬ re, dajac zwiekszona wydajnosc calkowita.Tak wiec zostala wynaleziona technika wytwa¬ rzania diod typu pokazanego na fig. 1 o optymal¬ nych koncentracjach siarki, w celu luzyskania mak¬ symalnej wydajnosci pokazanej na fig. 2.Element 11 jest wykonywany przez narastanie domieszkowanego siarka krysztalu GaP w sposób nastepujacy. Okolo 50 gramów galu wklada sie do chemicznie czystego i odgazowanego naczynia kwarcowego, które jest nastepnie oprózniane do cisnienia lO-6 mm Hg podczas ogrzewania do tem¬ peratury il000°C w ciagu jednej godziny. Nastepnie do naczynia wklada sie 5 igramów GaP i 100 mi- krogramów Ga^ i naczynie to jest ponownie oprózniane ido cisnienia 10-6 mm Hg i uszczelniane.Po uszczelnieniu naczynie jest wstawiane do pieca i podgrzewane do temperatury 1200°C na okres szesciu godzin, lub do czasu osiagniecia stanu rów-71396 6 nowagi. Potem jest ono chlodzone z szyibkoscia 30°C na 'gadzine do temperatury pokojowej, po czym jest ono otwierane a narosle (krysztaly GaP, do¬ mieszkowane siarka ido koncentracji 1017 cm-8 sa oddzielane od galu ipirzez wytrawianie w H1NO3.Koncentracja siarki moze byc zmieniana w wyzej wsporniniainych granicach przez zmiane ilosci GaaSg, dodawianej ido naczynia. Tak wytworzony krysztal o przewodnictwie typu n zawiera równiez szczatko¬ wa idomieszke azotu, a wlasciwolsci moga ibyc po¬ lepszone przez dodanie kontrolowanych ilosci azotu.[Krysztal GaP jesit polerowany w plaszczyznie 111, trawiony, oczyszczany i umieszczany we wzdluznie przechylnej lódce, tak ze fosforowa po¬ wierzchnia iczolowa jest napromieniona. W dlrugim koncu lódki umieszcza sie (2 gramy Ga i 0,2 grama GaP a lódka jest umieszczona w piecu z gradien¬ tem temperatuirowym w jego miejscu o tempera¬ turze pokojowej. Przez piec kierowany jest prze¬ plyw pary, zawierajacej mieszanine H2 i gazu NHS, a w punkcie pieca .posiadaj acyim temperature 600°C jest umieszczana lódka zawierajaca icynk. Przechyl¬ na lódka jest nastepnie przesuwana w piecu do obszaru o (temperaturze 900^, gdzie w tej prze¬ chylnej lódce cynk reaguje z galem. Przechylna lódka jest potem podnoszona do obszaru o tempe¬ raturze okolo 1040°C, a Ga, GaP, cynik i NH3 osia¬ gaja warunek równowagi tworzac domieszkowany azotem, domieszkowany cynkiem GaP rozpuszczo¬ ny w roztworze galu. Domieszkowanie cynkiem jest takie, ze powoduje koncentracje akceptorów okolo 5X1017 cm-8. Lódka jest nastepnie przechy¬ lana tak, ze roztwór galu przeplywa nad domiesz¬ kowanym siarka krysztalem GaP. Na tym etapie temperatura jest nieco podwyzszona, to jest o 1° lub 2°C, w celu zwiOzenia powierzchni krysztalu.Piec jest nastepnie chlodzony do temperatury 900°C w ciagu 15 do 30 minut, po czym lódka jest prze¬ suwana do zimnego konca pieca. Lódka jest potem wyciagana z pieca i domieszkowany siarka krysztal fosforku galu typu m, posiadajacy narosnieta epi- 5 taksjalnie warstwe typu p, tworzaca zlacze, jest wyjmowany. Krysztal jest nastepnie obrabiany cieplnie w powietrzu o teirnperaturze 625°C w ciagu póltorej godziny w celu poprawienia wydajnosci.Uformowana w ten sposób dioda jest z kolei ob- 10 cinana,, polerowana oraz zostaja do niej dolaczone kontakty.Opisany sposób jest niezawodna droga wytwa¬ rzania jednolicie domieszkowanych diod z GaP.Zwazywszy, ze zasady niniejszego wynalazku moga 15 byc stosowane do innych materialów, Iwortzacych inne typy diod elektroluminesciencyjnych, niektóre z powyzszych etapów moga byc zmieniane w zalez¬ nosci od specyfiki materialów. Sposób zapewnia wy¬ soki stopien kontroli nad domieszkowaniem siarki 20 w celu uzyskania optymalnej wydajnosci, bez wzgledu na typy wchodzacych w gre materialów. iDla specjalistów bedzie oczywiste,, ze wzrost do- mieszkowaneji siarka warstwy na zarodku domiesz¬ kowanym cynkiem da takie same wyniki, jakie zo- 25 staly tutaj opisane. PL

Claims (5)

1. Zastrzezenie patentowe 1. Element elektroluminescencyjny, zawierajacy 30 krysztal [fosforku galu, z pulapkami azotowymi w siatce krystalicznej, który posiada strefe o prze- wodniiictwie typu p i strefe o przewodnictwie typu n, tworzace zlacze p-n, znamienny tym, ze strefa (12) o przewodnictwie typu n zawiera siarke o koneen- 35 tracji odpowiedniej, do wytworzenia nadmiaru do¬ norów (ND) nad akceptorami (NA) w zakresie 5 x 1016 do 2 x 1017 cm3.KI. 21f,89/03 71396 MKP H05b 33/16
2. 2. FIG I li 17 10"
3. 3. FIG. 2 i i io-*i-
4. 4. O
5. 5. *»-1- dem»tjik6van°ie $*»crk« dorwUiikoWome fcJ/urfcm 10 ¦ 10' 10' /V/-Afc (CM~$) RSW Zakl. Graf. W-wa, ul. Srebrna 16, z. 350-74/O — 120 + 20 egz. Cena 10 zl PL