DE1276817B - Semiconductor light emitting diode with very high luminous efficacy - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

H05bH05b

Deutsche KL: 2If-89/03 German KL: 2If-89/03

Nummer: 1276 817Number: 1276 817

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

Anmeldetag: 15. Februar 1966 Filing date: February 15, 1966

Auslegetag: 5. September 1968Open date: September 5, 1968

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher Lichtausbeute zur Erzeugung von Lichtimpulsen.The invention relates to a semiconductor light emitting diode with a very high light yield for generating Light pulses.

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.It is known that in conventional light emitting diodes, the charge carrier recombination Luminescence radiation generated at the pn junction inside a semiconductor body on the way to the outside is already largely reabsorbed again, which reduces the light output of such luminescent diodes is greatly reduced.

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.Various proposals have already been made to increase the yield. For example can the absorption can be reduced by making the semiconductor zone to be penetrated very thin makes or the material of this zone so that their effective band gap with respect to his eV value is greater than the quantum energy of the emitted luminescent light.

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.In all conventional luminescence diodes, the charge carriers were recombined on pn junction, which occurs in a defined way inside the light emitting diode by diffusion, by epitaxial Waxing or alloying had to be generated. In each case, a considerable part of the went generated radiation is already lost inside the semiconductor through reabsorption.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine praktisch absorptionsfreie Lumineszenzdiode, d. h. eine solche mit sehr hoher Lichtausbeute anzugeben sowie deren Anwendungsverfahren aufzuzeigen.The object of the present invention is to provide a practically absorption-free light emitting diode, d. H. to specify one with a very high luminous efficiency and to show its application method.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf eine Oberfläche eines nicht notwendigAccording to the invention, this object is achieved in that one is not necessary on a surface

Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher
LichtausbeuteVery high semiconductor light emitting diode
Light output

Anmelder:Applicant:

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

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Manfred Zerbst, 8000 MünchenDr. Manfred Zerbst, 8000 Munich

dotierten Halbleiterkörpers eine für die an dieser Oberfläche durch Ladungsträgerrekombination hervorgerufene Lumineszenzstrahlung durchlässige, einen Ladungsträgerhindurchtritt verhindernde Isolatorschicht aufgebracht und dieser eine für dasdoped semiconductor body for the one caused on this surface by charge carrier recombination Luminescence radiation permeable insulator layer preventing the passage of charge carriers upset and this one for that

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.ao luminescent light also permeable, electrically conductive layer is placed in front of it, the semiconductor contacted with one electrode and the electrically conductive layer with another electrode without a barrier layer is.

Dabei soll die Isolatorschicht die aus dem Halbleiterkörper kommenden Ladungsträger praktisch nicht leiten, so daß diese sich an der Grenzfläche stauen können.In this case, the insulator layer is supposed to practically remove the charge carriers coming from the semiconductor body do not conduct, so that they can accumulate at the interface.

Weitere Einzelheiten gehen aus der folgenden Erläuterung und aus den F i g. 1 bis 5 hervor.Further details can be found in the following explanation and in FIGS. 1 to 5.

Fig. 1 bzw. 2 geben den Aufbau der erfindungsgemäßen Lumineszenzdiode wieder; es bedeutetFig. 1 and 2 show the structure of the invention Light emitting diode again; it means

1 = Halbleiterkörper (insbesondere dotiert),1 = semiconductor body (especially doped),

2 = Isolatorschicht (durchlässig für Lumineszenzlicht),2 = insulating layer (permeable to luminescent light),

3 = elektrisch leitende Schicht \ Maschengitter (F i g. 1),3 = electrically conductive layer \ mesh grid (Fig. 1),

(durchlässig für Lumineszenzlicht) J Festkörperplatte (Fig. 2),(permeable to luminescent light) J solid-state plate (Fig. 2),

4 = Halbleiteroberfläche (Grenzfläche Halbleiterkörper—Isolatorschicht), 5 und 6 = sperrschichtfreie Kontakte für die beiden Elektroden der Diode.4 = semiconductor surface (interface between semiconductor body and insulator layer), 5 and 6 = contacts free of a barrier layer for the two electrodes of the 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).3 indicates how the energy bands (V = valence band, L = conduction band) bend at the interface 4 in the semiconductor body 1; the character of the semiconductor should not be intrinsically conductive at this interface (relative position of the Fermi level F with respect to valence band V and conduction band 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-If a voltage of suitable polarity is applied to the electrodes, minority carriers m collect at the interface 4 in the semiconductor body 1, while the majority carriers M migrate through the circuit onto the electrically conductive layer 3 (cf. FIG. 3). F i g. 4 is intended to illustrate the charge carrier concentration. If the electrodes are short-circuited, the majority carriers M flow again through the semiconductor body 1 to the interface 4 (FIG. 5) as a result of the desired electrical neutrality and recombine with particular intensity directly on the semiconductor surface 4 with the minority carriers m located there.

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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.nescent light, the wavelength of which is determined by the semiconductor material, can then be applied to the insulator layer and penetrate the upstream electrically conductive layer with practically no absorption. the The luminous efficacy of such a light emitting diode is very high.

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 BedingungPartial recombination also occurs when the voltage on the electrodes is reduced. The luminescent diode according to the invention can therefore, according to a further concept of the invention, be used to generate pulsed light emission by allowing the applied voltage to increase and decrease alternately, in particular periodically. That is feasible, e.g. B. by using a direct voltage U _{0 on} which a low-frequency alternating voltage of the amplitude U ₀ ^ U _{0 is} superimposed. The low frequency must be such that the condition

" < —"<-

erfüllt ist, wobei r die Zeitkonstante der dielektrischen Relaxation im Halbleiter ist.is fulfilled, where r is the time constant of the dielectric relaxation in the semiconductor.

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.If, in particular, an amplitude-modulated, low-frequency alternating voltage is superimposed on the direct voltage CZ _{0, then light pulses with periodically fluctuating intensity are generated periodically.} A light emitting diode according to the invention operated in this way could then, for. B. Find application for message transmission with the help of light.

Wegen ihrer besonders günstigen optischen und zugleich elektrischen Eigenschaften werden bevorzugt folgende Materialien verwendet:They are preferred because of their particularly favorable optical and electrical properties the following materials are used:

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.Doped A ⁿⁱ B ^v material, in particular GaAs, as the semiconductor body 1, free of a barrier layer with the. an electrode 5 contacted;
SiO ₂ , SiO, CaF or Al ₂ O ₃ as insulator layer 2, SnO ₂ , In ₂ O ₃ , CdO or ZnO as electrically conductive layer 3, contacted with the other electrode 6 without a barrier layer.

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). 40 surface (4) of a, in particular doped semiconductor body (1), an insulator layer (2) which is permeable to the luminescence radiation caused by charge carrier recombination and which prevents charge carrier penetration is applied and an electrically conductive layer (3) which is also permeable to the luminescent light is placed in front of this , wherein the semiconductor body (1) is contacted with one electrode (5) and the electrically conductive layer (3) with another electrode (6) without a barrier layer (FIGS. 1 and 2).

2. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitende Schicht (3) ein Maschengitter vorgesehen ist (Fig. 1).2. luminescent diode according to claim 1, characterized in that as an electrically conductive one Layer (3) a mesh is provided (Fig. 1).

3. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitende Schicht (3) eine Festkörperplatte vorgesehen ist (Fig. 2).3. luminescent diode according to claim 1, characterized in that as electrically conductive Layer (3) a solid plate is provided (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).4. Luminescent diode according to claim 1 or 3, characterized in that the semiconductor body (1) made of doped A ^m B ^v material, in particular of GaAs, the insulator layer (2) made of silicon oxide and the electrically conductive layer (3) made of SnO ₂ (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.5. Light modulation by means of a luminescent diode according to one of claims 1 to 4, characterized in that periodic light pulses are generated by using a direct voltage (Z7 ₀ ) with a superimposed low-frequency alternating voltage of amplitude (w ₀ ^ J7 ₀ ) as the operating voltage.

6. Lichtmodulation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Lichtimpulse variiert wird, indem der Gleichspannung (U₀) eine niederfrequente, amplitudenmodulierte Wechselspannung überlagert wird.6. Light modulation according to claim 5, characterized in that the intensity of the light pulses is varied by a low-frequency, amplitude-modulated alternating voltage is superimposed on the direct voltage (U ₀ ).

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 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 757.1. Semiconductor light emitting diode very high luminous efficacy for generating light pulses, characterized in that on a S Considered publications :.
German Patent No. 1052 563;
German Auslegeschriften Nos. 1194 976, 1219121; British Patent No. 765 076;
U.S. Patent No. 2,880,346;
Zeitschrift für Naturforschung, Vol. 8 a, 1953, and 757. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 809 599/220 8.68 © Bundesdruckerei Berlin809 599/220 8.68 © Bundesdruckerei Berlin