DE1276817B - Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher Lichtausbeute - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H05b

Deutsche KL: 2If-89/03

Nummer: 1276 817

Aktenzeichen: P 12 76 817.1-33 (S 102022)

Anmeldetag: 15. Februar 1966

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher Lichtausbeute zur Erzeugung von Lichtimpulsen.

Es ist bekannt, daß bei herkömmlichen Lumineszenzdioden die durch Ladungsträgerrekombination am pn-übergang im Inneren eines Halbleiterkörpers erzeugte Lumineszenzstrahlung auf dem Wege nach außen bereits zum großen Teil wieder reabsorbiert wird, wodurch die Lichtausbeute solcher Lumineszenzdioden stark vermindert ist.

Zur Erhöhung der Ausbeute wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht. Zum Beispiel kann die Absorption dadurch verringert werden, daß man die zu durchdringende Halbleiterzone sehr dünn macht oder das Material dieser Zone so wählt, daß deren effektiver Bandabstand bezüglich seines eV-Werts größer ist als die Quantenenergie des ausgestrahlten Lumineszenzlichts.

Bei allen herkömmlichen Lumineszenzdioden erfolgte die Rekombination der Ladungsträger am pn-übergang, der in definierter Weise im Inneren der Lumineszenzdiode durch Diffusion, durch epitaktisches Aufwachsen oder Einlegieren erzeugt werden mußte. In jedem Fall ging ein beachtlicher Teil der erzeugten Strahlung bereits im Inneren des Halbleiters durch Reabsorption wieder verloren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine praktisch absorptionsfreie Lumineszenzdiode, d. h. eine solche mit sehr hoher Lichtausbeute anzugeben sowie deren Anwendungsverfahren aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf eine Oberfläche eines nicht notwendig

Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher
Lichtausbeute

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Manfred Zerbst, 8000 München

dotierten Halbleiterkörpers eine für die an dieser Oberfläche durch Ladungsträgerrekombination hervorgerufene Lumineszenzstrahlung durchlässige, einen Ladungsträgerhindurchtritt verhindernde Isolatorschicht aufgebracht und dieser eine für das

ao Lumineszenzlicht ebenfalls durchlässige, elektrisch leitende Schicht vorgelagert ist, wobei der Halbleiter mit einer Elektrode und die elektrisch leitende Schicht mit einer anderen Elektrode sperrschichtfrei kontaktiert ist.

Dabei soll die Isolatorschicht die aus dem Halbleiterkörper kommenden Ladungsträger praktisch nicht leiten, so daß diese sich an der Grenzfläche stauen können.

Weitere Einzelheiten gehen aus der folgenden Erläuterung und aus den F i g. 1 bis 5 hervor.

Fig. 1 bzw. 2 geben den Aufbau der erfindungsgemäßen Lumineszenzdiode wieder; es bedeutet

1 = Halbleiterkörper (insbesondere dotiert),

2 = Isolatorschicht (durchlässig für Lumineszenzlicht),

3 = elektrisch leitende Schicht \ Maschengitter (F i g. 1),

(durchlässig für Lumineszenzlicht) J Festkörperplatte (Fig. 2),

4 = Halbleiteroberfläche (Grenzfläche Halbleiterkörper—Isolatorschicht), 5 und 6 = sperrschichtfreie Kontakte für die beiden Elektroden der Diode.

Fig. 3 deutet an, wie sich die Energiebänder (V = Valenzband, L = Leitungsband) an der Grenzfläche 4 im Halbleiterkörper 1 verbiegen; der Charakter des Halbleiters soll dabei an dieser Grenzfläche nicht eigenleitend sein (relative Lage des Fermi-Niveaus F bezüglich Valenzband V und Leitungsband L).

Liegt an den Elektroden eine Spannung geeigneter Polarität, so sammeln sich an der Grenzfläche 4 im Halbleiterkörper 1 Minoritätsträger m, während die Majoritätsträger M durch den Stromkreis auf die elektrisch leitende Schicht 3 wandern (vgl. Fig. 3). F i g. 4 soll die Ladungsträgerkonzentration veranschaulichen. Werden die Elektroden kurzgeschlossen, so fließen die Majoritätsträger M infolge der angestrebten elektrischen Neutralität wieder durch den Halbleiterkörper 1 zur Grenzfläche 4 (Fig. 5) und rekombinieren mit besonderer Intensität unmittelbar an der Halbleiteroberfläche 4 mit den dort befindlichen Minoritätsträgern m. Das entstehende Lumi-

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neszenzlicht, in der Wellenlänge bestimmt durch das Halbleitermaterial, kann dann die aufgebrachte Isolatorschicht und die vorgelagerte elektrisch leitende Schicht praktisch absorptionsfrei durchdringen. Die Lichtausbeute einer solchen Lumineszenzdiode ist sehr hoch.

Eine teilweise Rekombination tritt auch schon ein, wenn die Spannung an den Elektroden verringert wird. Die erfindungsgemäße Lumineszenzdiode kann deshalb nach einem weiteren Gedanken der Erfindung zur Erzeugung gepulster Lichtausstrahlung verwendet werden, indem man die anliegende Spannung abwechselnd, insbesondere periodisch, zu- und abnehmen läßt. Das ist realisierbar, z. B. durch Verwendung einer Gleichspannung U₀, der eine niederfrequente Wechselspannung der Amplitude U₀ ^ U₀ überlagert ist. Die Niederfrequenz muß derart sein, daß die Bedingung

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erfüllt ist, wobei r die Zeitkonstante der dielektrischen Relaxation im Halbleiter ist.

Wird der Gleichspannung CZ₀ insbesondere eine amplitudenmodulierte, niederfrequente Wechselspannung überlagert, so entstehen periodisch Lichtimpulse mit periodisch schwankender Intensität. Eine so betriebene erfindungsgemäße Lumineszenzdiode könnte dann z. B. Anwendung zur Nachrichtenübertragung mit Hilfe von Licht finden.

Wegen ihrer besonders günstigen optischen und zugleich elektrischen Eigenschaften werden bevorzugt folgende Materialien verwendet:

Dotiertes AⁿⁱB^v-Material, insbesondere GaAs, als Halbleiterkörper 1, sperrschichtfrei mit der . einen Elektrode 5 kontaktiert;
SiO₂, SiO, CaF oder Al₂O₃ als Isolatorschicht 2, SnO₂, In₂O₃, CdO oder ZnO als elektrisch leitende Schicht 3, sperrschichtfrei mit der anderen Elektrode 6 kontaktiert.

40 Oberfläche (4) eines, insbesondere dotierten Halbleiterkörpers (1) eine für die an dieser Oberfläche durch Ladungsträgerrekombination hervorgerufene Lumineszenzstrahlung durchlässige, einen Ladungsträgerhindurchtritt verhindernde Isolatorschicht (2) aufgebracht und dieser eine für das Lumineszenzlicht ebenfalls durchlässige, elektrisch leitende Schicht (3) vorgelagert ist, wobei der Halbleiterkörper (1) mit einer Elektrode (5) und die elektrisch leitende Schicht (3) mit einer anderen Elektrode (6) sperrschichtfrei kontaktiert ist (Fig. 1 und 2).

2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitende Schicht (3) ein Maschengitter vorgesehen ist (Fig. 1).

3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitende Schicht (3) eine Festkörperplatte vorgesehen ist (Fig. 2).

4. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus dotiertem A^mB^v-Material, insbesondere aus GaAs, die Isolatorschicht (2) aus Siliziumoxid und die elektrisch leitende Schicht (3) aus SnO₂ bestehen (Fig. 2).

5. Lichtmodulation mittels Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß periodische Lichtimpulse erzeugt werden, indem als Betriebsspannung eine Gleichspannung (Z7₀) mit einer überlagerten niederfrequenten Wechselspannung der Amplitude (w₀ ^ J7₀) verwendet wird.

6. Lichtmodulation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Lichtimpulse variiert wird, indem der Gleichspannung (U₀) eine niederfrequente, amplitudenmodulierte Wechselspannung überlagert wird.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher Lichtausbeute zur Erzeugung von Lichtimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine S In Betracht gezogene Druckschriften:.
Deutsche Patentschrift Nr. 1052 563;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1194 976, 1219121; britische Patentschrift Nr. 765 076;
USA.-Patentschrift Nr. 2 880 346;
Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 8 a, 1953, und 757.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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