DE1255199B - Electroluminescent fluorescent body - Google Patents

Description

DEUTSCHES WfTWl· PATENTAMTGERMAN WfTWl PATENT OFFICE

Deutsche Kl.: 21 f - 89/03 German class: 21 f - 89/03

AUSLEGESCHRIFT —EDITORIAL -

Aktenzeichen: S 93613 VIII c/21 fFile number: S 93613 VIII c / 21 f

1 255 199 Anmeldetag: 3. Oktober 19641 255 199 filing date: October 3, 1964

Auslegetag: 30. November 1967Open date: November 30, 1967

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im infraroten und sichtbaren Spektralbereich. Dabei wird von der Elektrolumineszenz Gebrauch gemacht.The invention relates to an arrangement for generating electromagnetic radiation in the infrared and visible spectral range. Use is made of electroluminescence.

Die Elektrolumineszenz der Halbleiter, im wesentlichen Zinkoxid- und Zinksulfid-Verbindungen, ist bereits bekannt (s. Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 8 a, 1953, S. 756/757, und Physical Review, Bd. 87, 1. Juli 1952, S. 151/152). Zur Erzeugung der Elektrolumineszenz wurde dabei die Austrittsarbeit Metallelektrode—Halbleiter ausgenutzt. In bekannten Fällen wurde der Halbleiterkörper, der aus Kristalliten oder Sinterschichten besteht, auf der einen Seite von einer punktförmigen und auf der anderen Seite von einer ebenen Metallelektrode berührt. Wegen der relativ wenigen Berührungsstellen war der Wirkungsgrad den Anordnungen relativ gering.The electroluminescence of semiconductors, essentially zinc oxide and zinc sulfide compounds, is already known (see Zeitschrift für Naturforschung, Vol. 8 a, 1953, pp. 756/757, and Physical Review, Vol. 87, July 1, 1952, pp. 151/152). The work function was used to generate the electroluminescence Metal electrode — semiconductor exploited. In known cases, the semiconductor body was made up of crystallites or sintered layers consists, on one side from a point-shaped and on the other side touched by a flat metal electrode. Because of the relatively few points of contact, the efficiency was the arrangements relatively low.

Es ist daher auch schon ein Leuchtkondensator bekanntgeworden (s. deutsche Auslegeschrift 1020 115), zwischen dessen Elektroden sich ein zur Lichtaussendung anregbarer Leuchtstoff befindet und wobei eine der Kondensatorelektroden in Richtung des elektrischen Feldes mit spitzen Fortsätzen versehen ist. Der Leuchtstoff besteht dabei aus einem Dielektrikum, in das halbleitende Leuchtstoffteilchen eingebettet sind. Der Leuchtstoffkörper ist hier kein Halbleiterkristall an sich, da man der Meinung war, Halbleitermaterial setze die Durchschlagfestigkeit zu sehr herab.A luminous capacitor has therefore already become known (see German interpretation document 1020 115), between the electrodes of which there is a fluorescent substance that can be stimulated to emit light and one of the capacitor electrodes being provided with pointed extensions in the direction of the electric field is. The phosphor consists of a dielectric in which the semiconducting phosphor particles are embedded. The fluorescent body is not a semiconductor crystal per se, as it was believed Semiconductor material reduces the dielectric strength too much.

Der Leuchtkondensator ist auch nur relativ schwierig und aufwendig herstellbar, da bei der Ausbildung nach der Auslegeschrift die scharfkantigen spitzen Fortsätze genau gleich lang sein sollen. Schließlich konnten die Fortsätze nur mechanisch und daher nur relativ wenig dicht gesetzt werden, so daß auch hier der Wirkungsgrad entsprechend gering war.The luminous capacitor is also relatively difficult and expensive to manufacture, since it is designed According to the interpretation, the sharp-edged pointed extensions should be exactly the same length. After all, the extensions could only be set mechanically and therefore only relatively slightly sealed, see above that here too the efficiency was correspondingly low.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrolumineszenten Leuchtstoffkörper zu schaffen, bei dem einerseits wesentlich mehr Berührungsstellen zwischen Leuchtstoff und Metall vorhanden sind und bei dem andererseits von Halbleitern Gebrauch gemacht wird.The invention is based on the object of creating an electroluminescent phosphor body, in which on the one hand there are significantly more points of contact between phosphor and metal and which, on the other hand, makes use of semiconductors.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrolumineszenten Leuchtstoffkörper, der zwischen den Platten eines Kondensators angeordnet ist und der von in Feldrichtung ausgerichteten Nadelspitzen durchsetzt ist, zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im infraroten und sichtbaren Spektralbereich. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Leuchtstoffkörper ein zweiphasig aufgebauter Halbleiterkristall ist, in dessen ElektroIumineszenter LeuchtstoffkörperThe invention relates to an electroluminescent phosphor body between the Plates of a capacitor is arranged and the needle tips aligned in the field direction is interspersed, for generating electromagnetic radiation in the infrared and visible spectral range. The inventive solution to the problem is that the phosphor body has a two-phase built-up semiconductor crystal is, in its electro-luminescent phosphor body

Anmelder:Applicant:

Siemens Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Siemens Aktiengesellschaft,
Berlin and Munich,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dipl.-Phys. Dr. Herbert Weiß, NürnbergDipl.-Phys. Dr. Herbert Weiß, Nuremberg

halbleitende Phase nadelartig langgestreckte, spitze Einschlüsse eingebettet sind, die einer zweiten, elektrisch besser leitenden Phase zugehören, die mit der ao halbleitenden Phase einen sperrenden Kontakt bilden und die parallel zueinander sowie im wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Kondensatorplatten ausgerichtet sind.
Der den erfindungsgemäßen Leuchtstoffkörper bildende zweiphasig aufgebaute Halbleiterkörper ist an sich bekannt und in der Zeitschrift für Physik. Bd. 176, Nr. 4, 1963, S. 399 bis 408, beschrieben.semiconducting phase needle-like elongated, pointed inclusions are embedded which belong to a second, electrically better conductive phase, which form a blocking contact with the ao semiconducting phase and which are aligned parallel to one another and essentially perpendicular to the surfaces of the capacitor plates.
The two-phase semiconductor body which forms the phosphor body according to the invention is known per se and is published in the Zeitschrift für Physik. Vol. 176, No. 4, 1963, pp. 399 to 408.

Unter einem hochohmigen Halbleiterkörper ist ein eigenleitender oder schwach dotierter Halbleiterkörper zu verstehen. Die elektrische Leitfähigkeit der Einschlüsse aus gut leitendem Material ist groß gegenüber der elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers. Under a high-resistance semiconductor body is an intrinsically conductive or weakly doped semiconductor body to understand. The electrical conductivity of the inclusions made of highly conductive material is high compared to the electrical conductivity of the semiconductor body.

Die Wirkungsweise und der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung soll an Hand zweier Figuren näher beschrieben werden.The mode of operation and the structure of the arrangement according to the invention are illustrated in two figures are described in more detail.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung gemäß der Erfindung;Fig. 1 shows schematically an arrangement according to the invention;

Fig. 2 zeigt schematisch eine spezielle Ausführungsform einer Anordnung gemäß der Erfindung.
In F i g. 1 ist ein hochohmiger Halbleiterkörper 1 zwischen den Platten 2 und 3 eines Kondensators angeordnet. Im Halbleiterkörper! befinden sich langgestreckte, spitze, elektrisch gut leitende, beispielsweise metallische Einschlüsse. In der Figur sind zwei dieser Einschlüsse dargestellt und mit 4 bezeichnet. Legt man an die Kondensatorplatten eine elektrische Spannung, beispielsweise von einigen Volt, so bildet sich zwischen den Platten ein elektrisches Feld aus. An den Spitzen der Einschlüsse ist dieses elektrische Feld besonders hoch. Daher werden an den Spitzen dieser Einschlüsse, auf Grund des quantenmecha-Fig. 2 shows schematically a special embodiment of an arrangement according to the invention.
In Fig. 1, a high-resistance semiconductor body 1 is arranged between the plates 2 and 3 of a capacitor. In the semiconductor body! there are elongated, pointed, electrically conductive, for example metallic inclusions. In the figure, two of these inclusions are shown and denoted by 4. If an electrical voltage, for example of a few volts, is applied to the capacitor plates, an electrical field is formed between the plates. This electric field is particularly high at the tips of the inclusions. Therefore, at the tips of these inclusions, due to the quantum mechanics

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Claims (8)

irischen Tunneleffekts, Ladungsträger in den hochohmigen Halbleiterkristall injiziert und dort in Haftstellen eingefangen. Ist beispielsweise die Platte 2 des Kondensators positiv und die Platte 3 des Kondensators negativ geladen, so werden von den der Platte 2 zugewandten Spitzen der langgestreckten Einschüsse Elektronen 5 in den Halbleiter injiziert, von den der Platte 3 zugewandten Spitzen dagegen Löcher 6. Wird das elektrische Feld umgepolt, so können die Elektronen 5 mit den Löchern 6 unter Aussendung einer infraroten oder sichtbaren elektromagnetischen Strahlung rekombinieren. Ferner können beim Umpolen des elektrischen Feldes an den zur Platte 2 gerichteten Spitzen der Einschlüsse 4 Löcher und an der zur Platte 3 gerichteten Spitzen der Einschlüsse Elektronen in den Halbleiter injiziert werden. Dies kann wiederum zu einer Rekombination unter Aussendung elektromagnetischer Strahlung führen. Man bezeichnet diesen Vorgang als Elektrolumineszenz. Auch ohne Umpolen des Feldes können Ladungs- ao träger verschiedener Vorzeichen, die von in Feldrichtung etwa hintereinanderliegenden Einschlüssen in den Halbleiterkörper injiziert werden, miteinander unter Aussendung von Strahlung rekombinieren. Da der Halbleiterkörper in der erfindungsgemäßen Anordnung aus hochohmigem Material besteht, können die Kondensatorplatten auch direkt auf den Halbleiterkörper aufgesetzt werden, ohne daß ein Zerfall des elektrischen Feldes durch elektrische Leitungsvorgänge im Halbleiterkörper auftritt. Eine derartige Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt. Auf den Halbleiterkörper 11 sind ebene Kondensatorplatten 12 und 13 aufgesetzt. Die langgestreckten, gut leitenden Einschlüsse sind mit 14 bezeichnet. Die Kondensatorplatten 12 und 13 können auf den Halbleiterkörper beispielsweise auflegiert oder aufgedampft werden. Der Halbleiterkörper kann vorteilhaft als dünne Platte ausgebildet werden, um eine zu starke Absorption der Elektrolumineszenzstrahlung im Halbleitermaterial selbst zu verhindern. Als Halbleiterkörper für die erfindungsgemäße Anordnung sind insbesondere Halbleiterkörper aus A111Bv-Verbindungen geeignet, beispielsweise aus Indiumantimonid, Indiumarsenid, Galliumantimonid, Galliumarsenid oder Galliumphosphid. Ferner eignen sich Halbleiterkörper aus AriBvi-Verbindungen, beispielsweise Zinksulfid und Cadmiumsulfid. Die elektrisch gut leitenden Einschlüsse in den Halbleiterkörpern können beispielsweise nadeiförmig oder zigarrenförmig sein. Um derartige Einschlüsse in einem Halbleiterkörper zu erhalten, kann man beispielsweise bei der Herstellung des Halbleiterkörpers vorteilhaft von quasibinären Systemen Gebrauch machen, bei denen ein Element oder eine Verbindung sich im Halbleiterkörper beim Erstarren aus der Schmelze in Form von langen Nadeln oder in ähnlicher Form ausscheidet. Solche Systeme sind beispielsweise Indiumantimonid—Nickelantimonid, Indiumantimonid—Chromantimonid, Indiumantimonid—Eisenantimonid, Indiumantimonid—Manganantimonid, Indiumarsenid—Chromarsenid, Indiumarsenid—Eisenarsenid, Indiumarsenid—Kobaltarsenid, Galliumantimonid—Chromantimonid, Galliumantimonid—Eisen—Gallium, Galliumantimonid—Kobalt—Gallium, Galliumarsenid—Chromarsenid und Galliumarsenid—Molybdänarsenid. Entscheidend ist dabei, daß es möglich ist, diese nadeiförmigen Ausscheidungen auf große Längen eines Kristalls parallel ausrichten. Die Ausrichtung kann beispielsweise durch gerichtetes Erstarren oder Zonenschmelzen erfolgen. Halbleiterkörper mit derartigen Einschlüssen und Verfahren zu ihrer Herstellung wurden bereits in anderem Zusammenhang in der deutschen Auslegeschrift 1238 987 vorgeschlagen. Halbleiterkörper mit kleiner Breite des Bandabstandes, wie beispielsweise Indiumantimonid und Indiumarsenid, müssen zur Erzielung von sperrenden Kontakten und ausreichender Hochohmigkeit etwa auf die Temperatur der flüssigen Luft gekühlt werden. Gegebenenfalls ist auch eine Umdotierung des Halbleitermaterials nötig. Die Wellenlänge der bei der Elektrolumineszenz ausgesandten elektromagnetischen Strahlung ist von der Breite des Bandabstandes des verwendeten Halbleitermaterials abhängig. Um eine im sichtbaren Spektralbereich liegende Strahlung zu erhalten, muß ein Halbleiterkörper mit einer Breite des Bandabstandes verwendet werden, die größer als 1,4 eV ist. Bei Halbleiterkörpern kleinerer Bandbreite erhält man elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich. Patentansprüche:Irish tunnel effect, charge carriers are injected into the high-resistance semiconductor crystal and trapped there in traps. If, for example, the plate 2 of the capacitor is charged positively and the plate 3 of the capacitor negatively charged, then electrons 5 are injected into the semiconductor from the tips of the elongated projections facing the plate 2, whereas holes 6 are injected into the semiconductor from the tips facing the plate 3 If the polarity of the field is reversed, the electrons 5 can recombine with the holes 6 with the emission of infrared or visible electromagnetic radiation. Furthermore, when the electrical field is reversed, holes can be injected into the semiconductor at the tips of the inclusions 4 directed towards the plate 2 and electrons can be injected into the semiconductor at the tips of the inclusions directed towards the plate 3. This in turn can lead to a recombination with the emission of electromagnetic radiation. This process is known as electroluminescence. Even without reversing the polarity of the field, charge carriers of different signs, which are injected into the semiconductor body from inclusions lying one behind the other in the field direction, can recombine with one another with emission of radiation. Since the semiconductor body in the arrangement according to the invention consists of high-resistance material, the capacitor plates can also be placed directly on the semiconductor body without a breakdown of the electric field due to electrical conduction processes occurring in the semiconductor body. Such an arrangement is shown in FIG. 2 shown. Flat capacitor plates 12 and 13 are placed on the semiconductor body 11. The elongated, highly conductive inclusions are denoted by 14. The capacitor plates 12 and 13 can, for example, be alloyed or vapor-deposited onto the semiconductor body. The semiconductor body can advantageously be designed as a thin plate in order to prevent excessive absorption of the electroluminescent radiation in the semiconductor material itself. Semiconductor bodies made of A111Bv compounds are particularly suitable as semiconductor bodies for the arrangement according to the invention, for example made of indium antimonide, indium arsenide, gallium antimonide, gallium arsenide or gallium phosphide. Semiconductor bodies made from AriBvi compounds, for example zinc sulfide and cadmium sulfide, are also suitable. The electrically highly conductive inclusions in the semiconductor bodies can be needle-shaped or cigar-shaped, for example. In order to obtain such inclusions in a semiconductor body, for example in the manufacture of the semiconductor body, use can advantageously be made of quasi-binary systems in which an element or a compound precipitates out of the melt in the form of long needles or in a similar form in the semiconductor body when it solidifies. Such systems are, for example, indium antimonide-nickel antimonide, indium antimonide-chromium antimonide, indium antimonide-iron antimonide, indium antimonide-manganese antimonide, indium arsenide-chromium arsenide, indium arsenide-iron arsenide, indium arsenide-cobalt arsenide, gallium antimonide-gall, cobalt arsenide, gallium antimonium-gall, cobalt arsenide, gallium antimonium Chromium arsenide and gallium arsenide — molybdenum arsenide. The decisive factor here is that it is possible to align these needle-shaped precipitates in parallel over long lengths of a crystal. The alignment can take place, for example, by directional solidification or zone melting. Semiconductor bodies with such inclusions and methods for their production have already been proposed in another context in German Auslegeschrift 1238 987. Semiconductor bodies with a narrow band gap, such as indium antimonide and indium arsenide, must be cooled to approximately the temperature of liquid air in order to achieve blocking contacts and sufficient high resistance. It may also be necessary to redop the semiconductor material. The wavelength of the electromagnetic radiation emitted in electroluminescence depends on the width of the band gap of the semiconductor material used. In order to obtain radiation lying in the visible spectral range, a semiconductor body with a band gap width that is greater than 1.4 eV must be used. In the case of semiconductor bodies with a smaller bandwidth, electromagnetic radiation is obtained in the infrared spectral range. Patent claims: 1. Elektrolumineszenter Leuchtstoffkörper, der zwischen den Platten eines Kondensators angeordnet ist und der von in Feldrichtung ausgerichteten Nadelspitzen durchsetzt ist, zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im infraroten und sichtbaren Spektralbereich, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoffkörper ein zweiphasig aufgebauter Halbleiterkristall (1, 11) ist, in dessen halbleitende Phase nadelartig langgestreckte, spitze Einschlüsse (4, 14) eingebettet sind, die einer zweiten, elektrisch besser leitenden Phase zugehören, die mit der halbleitenden Phase einen sperrenden Kontakt bilden und die parallel zueinander sowie im wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Kondensatorplatten (2,12, 3,13) ausgerichtet sind.1. Electroluminescent phosphor, which is arranged between the plates of a capacitor and which is penetrated by needle tips aligned in the field direction, for generating electromagnetic radiation in the infrared and visible spectral range, characterized in that the phosphor is a two-phase semiconductor crystal (1, 11) , In its semiconducting phase, needle-like, elongated, pointed inclusions (4, 14) are embedded which belong to a second, more electrically conductive phase, which form a blocking contact with the semiconducting phase and which are parallel to one another and essentially perpendicular to the surfaces of the capacitor plates ( 2.12, 3.13) are aligned. 2. Leuchtstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten (12, 13) auf den Halbleiterkristall (11) aufgesetzt sind.2. fluorescent body according to claim 1, characterized in that the capacitor plates (12, 13) are placed on the semiconductor crystal (11) . 3. Leuchtstoff körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper als flache Platte ausgebildet ist.3. fluorescent body according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor body is designed as a flat plate. 4. Leuchtstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer AⁱⁿB^v-Verbindung besteht.4. fluorescent body according to one of claims 1 to 3, characterized in that the semiconductor body consists of an A ⁱⁿ B ^v connection. 5. Leuchtstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer A¹¹B^vi-Verbindung besteht.5. fluorescent body according to one of claims 1 to 3, characterized in that the semiconductor body consists of an A ¹¹ B ^vi connection. 6. Leuchtstoffkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Indiumantimonid besteht.6. fluorescent body according to claim 4, characterized in that the semiconductor body consists of indium antimonide. 7. Leuchtstoffkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Einschlüsse aus Nickelantimonid enthält.7. fluorescent body according to claim 6, characterized in that the semiconductor body Contains inclusions of nickel antimonide. 8. Leuchtstoffkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper Einschlüsse aus Chromantimonid enthält.8. fluorescent body according to claim 6, characterized in that the semiconductor body Contains chromium antimonide inclusions.