DE1285623B

DE1285623B - Elektrolumineszenzdiode

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Publication number: DE1285623B
Application number: DE19651285623
Authority: DE
Priority date: 1964-04-30
Filing date: 1965-04-30
Publication date: 1973-10-04
Also published as: MY6900236A; US3456167A; DE1285623C2; US3404304A; NL6505554A; GB1110281A

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszente F i g. 11 eine perspektivische Schnittansicht der

Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Halb- gemäß Fig. 1OA bis 1OF hergestellten Ausführungsleiterkörper mit einer ersten Zone eines bestimmten form,

Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Zone des ent- Fig. 12 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Aus-

gegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die an die erste 5 führungsform nach F i g. 11,

Zone angrenzt und mit dieser einen flächenhaften F i g. 13 eine graphische Darstellung des durch die

gleichrichtenden Übergang bildet. Vorrichtung gemäß Fig. 11 fließenden Stromes als

Eine bekannte Vorrichtung dieser Art besteht aus Funktion der angelegten Spannung, einem Halbleiterkörper aus Galliumarsenid (GaAs), Fig. 14 eine graphische Darstellung der Quantenweicher nach Anlegen einer Spannung an die beiden io ausbeute als Funktion des durch die Vorrichtung Zonen infolge des Stromflusses durch den gleichrich- fließenden Stromes,

tenden Übergang eine optische Strahlung im Infra- F i g. 15 eine Schnittansicht einer Abwandlung der

rotgebiet abgibt. Diese Halbleitervorrichtung ist in Ausführungsform gemäß Fig. 11, verschiedener Hinsicht unbefriedigend. Der Wir- Fig. 16A bis 16D Schnittdarstellungen des Her-

kungsgrad, d. h. das Verhältnis zwischen der Anzahl 15 Stellungsverfahrens einer weiteren Ausführungsform der erzeugten Lichtphotonen und der zugeführten gemäß der Erfindung,

elektrischen Energie bedarf einer Verbesserung. Ins- F i g. 17 eine perspektivische Schnittansicht der gebesondere bei niederen Stromstärken ist die erzeugte maß Fig. 16A bis 16D hergestellten Ausführungs-Lichtmenge gering. Eine Linearität zwischen der er- form,

zeugten Lichtmenge und der zugeführten elektrischen 20 Fig. 18 ein elektrisches Ersatzschaltbild der VorEnergie konnte nicht erzielt werden. Daneben zeigt richtung nach F i g. 17,

diese Halbleitervorrichtung bei längerer Betriebs- F i g. 19 eine graphische Darstellung der Lichtdauer eine Änderung ihrer Kenndaten, da bei gleich- leistung der Vorrichtung nach Fi g. 17 in Abhängigbleibender zugeführter Energie die Anzahl der er- keit vom Stromfluß, zeugten Photonen zurückgeht. 25 Fig. 20 eine Schnittansicht der Vorrichtung nach

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dieser F i g. 17 in besonderer Anwendung in einem Strom-Nachteile, was erfindungsgemäß dadurch erreicht kreis und

wird, daß die zweite Zone in ihrem mittleren Teil F i g. 21 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung

einen hochleitfähigen ersten Bereich enthält, der in nach Fig. 17 in einer anderen Anwendung bei einem einen hochohmigen ihn umgebenden zweiten Bereich 3° elektrischen Stromkreis.

übergeht und auf diese Weise vom äußeren Rand der Bei den bekannten elektrolumineszenten Halbgleichrichtenden Übergangsfläche isoliert ist, und daß leitervorrichtungen tritt ein Volumenstrom I_B auf, außerdem der elektrische Kontakt für die zweite dem die angestrebte Betriebsweise zugeschrieben wird. Zone am ersten Bereich und für die erste Zone in der Er wird durch folgende Gleichung ausgedrückt: Nähe des äußeren Randes vorgesehen ist. 35 qv

An Hand der F i g. 1 bis 21 werden in Vergleich j_B __ /_{o e}F_g φ

mit der zuvor beschriebenen bekannten Vorrichtung

mehrere Ausführungsformen der Erfindung erläutert. I₀ ist eine Konstante, q ist die Elektronenladung,

Es zeigt V ist die Spannung am Übergang, k ist die Boltz-

F i g. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer 40 mann-Konstante, und T stellt die absolute Temperabekannten elektrolumineszenten Halbleitervorrich- tür dar. Dieser Strom wird gewöhnlich als &r-Strom tung aus Galliumarsenid, bezeichnet. Daneben tritt ein Oberflächenstrom I_P auf,

F i g. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Vor- der durch folgende Gleichung dargestellt wird: richtung nach F i g. 1, _q ν

F i g. 3 eine graphische Darstellung der elektrischen 45 / ₌ j> — J_x e"^kT. (2)

Ströme durch die Vorrichtung nach F i g. 1 als Funktion der angelegten Spannung, I_x ist eine weitere Konstante, η ist eine ganze Zahl

Fi g. 4 A bis 4 K Schnittansichten zur Darstellung größer als 1. Diese beiden Ströme werden gewöhnlich des Herstellungsverfahrens einer bevorzugten Aus- als w&T-Strom bezeichnet. Bei Beobachtung der führungsform gemäß der Erfindung, 5° Stromspannungscharakteristik ist es möglich, zu be-

F i g. 5 eine perspektivische Schnittdarstellung der stimmen, ob neben dem &T-Strom eine n&T-Stromgemäß Fig. 4A bis 4K hergestellten Ausführungs- komponente vorliegt, form, Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht

F i g. 6 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Vor- einer Vorrichtung mit Galliumarsenidübergang zur richtung nach F i g. 5, 55 Erzeugung optischer Strahlung. In eine Fläche einer

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Ströme Einkristallplatte 2 aus Galliumarsenid, gewöhnlich durch die Vorrichtung nach F i g. 5 in logarith- mit n-Leitf ähigkeit, ist ein Bereich 4 mit p-Leitfähigmischem Maßstab in Abhängigkeit von der in line- keit eindiffundiert, welcher stark dotiert und von arem Maßstab dargestellten Spannung, größerer elektrischer Leitfähigkeit ist als die ur-

F i g. 8 A bis 8 C Ansichten der lichtemittierenden 60 sprüngliche Platte 2. Der Bereich 4 wird wegen seiner Fläche der Vorrichtung aus F i g. 1 zur Erläuterung hohen Leitfähigkeit mit P+ bezeichnet. Die Grenzen des Abbaueffektes mit Bezug auf den Lichtausgang zwischen den beiden Bereichen 2 und 4 bilden den in Abhängigkeit von der Betriebszeit, kegelstumpfförmigen Übergang 6 oder den Über-

Fig. 9 eine Schnittansicht einer Abwandlung der gangsbereich, welcher sich mit seinem Kegelmantel-Ausführungsform gemäß F i g. 5, 65 teil in Richtung auf die Oberfläche 8 erstreckt und

Fig. 1OA bis 1OF Schnittansichten eines Herstel- diese schneidet. In dem dargestellten Fall ist die lungsverfahrens einer anderen erfindungsgemäßen eigentliche Übergangsfläche von kreisförmiger Ge-Ausführungsform, stalt, und die Schnittlinie zwischen dem Mantelteil

des Übergangs und Fläche 8 bildet einen Kreis. Lediglich aus Darstellungsgründen ist der wirksame Teil des Übergangs, welcher innerhalb der Masse des Körpers und parallel zur Oberfläche der Vorrichtung verläuft, durch eine strichlierte Linie 7 eingeschlossen. Ein ringförmiger, durch die strichlierte Linie 9 eingeschlossener äußerer Teil des Übergangs, welcher den die Oberfläche der Vorrichtung schneidenden Abschnitt des Übergangs und einen in die Masse des Körpers hinein verlaufenden kegelförmigen Abschnitt umfaßt, wird als peripherer Teil des Übergangs bezeichnet. Der ÄT-Volumenstrom I_B fließt, wie oben festgestellt, durch den wirksamen Teil 7 des Übergangs, während der periphere η AT-Strom I_P durch beide Bereiche 7 und 9 fließt. Im Bereich 4 ist ein Ohmscher Kontakt 10 vorgesehen; in ähnlicher Weise ist an dem Bereich 2 ein ringförmiger Ohmscher Kontakt 12 angeordnet. Mit den Ohmschen Kontakten sind Elektroden 16 und 18 vorhanden, so daß das Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten einen Stromfluß durch den Übergang hindurch verursacht. Dabei bewirkt der AT-Strom l_B die Erzeugung von optischer Strahlung, die schematisch in Fig. 3 als N₀ angedeutet ist. Gewöhnlich wird eine Schicht aus Siliziumdioxyd 14 auf der Oberfläche der Vorrichtung zwischen den Kontakten während der Fabrikation der Vorrichtung ausgebildet, so daß der Übergang dort geschützt ist, wo er die Fläche der Vorrichtung schneidet. Dieser Schutz ist jedoch nicht in der Lage, den peripheren Stromfluß merklich zu reduzieren.

Das Ersatzschaubild der Vorrichtung aus F i g. 1 ist in F i g. 2 dargestellt und umfaßt zwei Dioden 7 und 9, die zueinander parallel liegen, da ein Teil des Gesamtstromeinganges durch den peripheren Übergangsabschnitt 9 entsprechend Gleichung (2) fließt, während der Rest durch den wirksamen Übergangsabschnitt 7 entsprechend Gleichung (1) fließt.

Die beiden Stromkomponenten I_B und I_P fließen zusammen durch die Elektrode 18 im Ersatzschaubild aus.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Vorrichtung gemäß Fi g. 1 ist graphisch in F i g. 3 dargestellt. Der gesamte Diodenstrom ist in logarithmischem Maßstab in Milliampere auf der Ordinate aufgetragen. Die Diodenspannung ist in Volt in linearem Maßstab auf der Abszisse abgetragen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode 9 ist eine Gerade, die mit I_P bezeichnet ist. Das gleiche gilt für die Kennlinie I_B der Diode 7, die ebenfalls eine Gerade, jedoch mit anderem Neigungswinkel ist. Da der Strom I_B die einzige Komponente darstellt, die die Erzeugung von Licht in der Vorrichtung bewirkt, ist es offensichtlich, daß die angestrebte Kennlinie, oder das, was sich als die ideale Kennlinie bezeichnen läßt, die mit I_B bezeichnete Kurve ist. Es wurde jedoch gefunden, daß die Vorrichtung der Fig. 1 beide Komponenten zeigt und daß zur Gewinnung der Gesamtkennlinie der Vorrichtung die beiden Ströme sich addieren, um die Kennlinie / zu liefern, die, wie dargestellt, gleich der Summe l_B und I_P ist. Es ist zu beachten, daß bei niederen Spannungen der Gesamtstrom der Vorrichtung der /p-Kurve folgt, während bei höheren Spannungen der Strom der/_ß-Kurve folgt. Bei ausreichend hohen Strömen, etwa oberhalb 100 mA, knickt die zusammengesetzte Kurve, wie dargestellt, nach rechts über, und zwar wegen des Volumen-Reihenwiderstands der Vorrichtung, welcher hier ohne Bedeutung ist. Es ist deshalb ersichtlich, daß wenigstens eine Wirkung des peripheren Stromes I_P sich darin äußert, daß die Erzeugung einer wesentlichen optischen Strahlung bei niederen Strömen verhindert wird. In Fig. 3 ist weiterhin die Kennlinie des Lichtausgangs ./V₀ als Funktion der an die Diode angelegten Spannung dargestellt. Da der Strom I_B den Lichtausgang N₀ erzeugt und diese beiden Größen einander proportional sind, verläuft die Kurve iV₀ parallel zur Kurve

ίο Iß. Wenn deshalb der ideale Strom I_B graphisch als Funktion des Lichtausgangs dargestellt wird, resultiert, wie später noch gezeigt, eine lineare Beziehung. Wegen der Existenz der Stromkomponente I_P ist jedoch der Lichtausgang iV₀ keine lineare Funktion

des Gesamtstromes der Vorrichtung.

In den Fig. 4A bis 4K, welche die Herstellungsmethode einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigen, sind Schnittansichten einer Platte aus Galliumarsenid-Halbleitermaterial während verschie-

ao dener Herstellungsstufen dargestellt. Zu Anfang wird eine dünne Schicht aus Siliziumdioxyd 22 auf der Oberfläche 24 der einkristallinen Galliumarsenidplatte20 abgeschieden, wobei diese Platte gewöhnlich η-leitend ist.

Die Fläche 24 wird zweckmäßigerweise vor der Abscheidung der Siliziumdioxydschicht poliert. Die Siliziumdioxydschicht kann durch irgendwelche geeigneten Maßnahmen abgeschieden werden, beispielsweise durch Zerstäubung oder durch Absetzung des Siliziumdioxydes aus dem Dampfzustand mit pyrolytischer Zersetzung einer geeigneten organischen Verbindung. Alle diese Vorgänge sind an sich bekannt und werden deshalb hier nicht mehr beschrieben. Nach Abscheidung der Oxydschicht wird eine photographische Maskier- und Ätztechnik benutzt, um bestimmte Teile des Oxydes zu entfernen, so daß die Diffusion einer als Dotiermittel benutzten Verunreinigung in die Platte hinein stattfinden kann. Lediglich aus Gründen der Darstellung wird die Platte in ihrer Geometrie als kreisförmig angenommen, wobei die Schnittansichten der Figuren längs eines Plattendurchmessers verlaufen. An der Mitte der Platte wird, wie in Fig. 4B dargestellt, eine kreisförmige Öffnung 26, in der Nähe des Plattenumfangs, der die Öffnung 26 umgibt, wird ein Ring 28 in das Oxyd eingeschnitten. Die verwendete photographische Technik ist dem Fachmann bekannt und umfaßt die Maskierung desjenigen Teiles des Oxydes, welcher auf der Oberfläche verbleiben soll, und Abätzung des restlichen Oxydes mit Hilfe eines passenden Ätzmittels, das nur das Oxyd, nicht aber die Galliumarsenidplatte angreift. Nachdem das Oxyd, wie in F i g. 4 B dargestellt, teilweise entfernt ist, wird die Platte zusammen mit einer geeigneten Verunreinigung, beispielsweise Zink oder Zinkarsenid (ZnAs₂), in eine Quarzampulle eingeschlossen und auf eine Temperatur von etwa 900° C während etwa 4 Minuten erhitzt. Dadurch wird die Verunreinigung veranlaßt, unter den Öffnungen in der Oxydschicht bis zu einer Tiefe von etwa 8 Mikrometer einzudiffundieren. Die Verunreinigung bestimmt die p-Leitfähigkeit, wenn sie in einen η-Halbleiter eindiffundiert ist. Auf diese Weise wird ein Bereich 30 mit p-Leitfähigkeit unter der Öffnung 26 gebildet, welcher von der ursprünglichen η-leitenden Platte durch einen gleichrichtenden Übergang 7 getrennt ist. In ähnlicher Weise wird unterhalb der Ringöffnung 28 ein Ringbereich 32 gebildet, welcher ebenfalls p-leitend ist.

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Bei der praktischen Herstellung werden die Bereiche Gold aufgedampft, anschließend mit Nickel plattiert

30 und 32 in Bereiche mit relativ hoher p-Leitfähig- und legiert, so daß sich ein einstückiger, ringförmiger

keit verwandelt, so daß sie besser als F+-Bereiche Ohmscher Kontakt 54 sowohl mit der ursprünglichen

bezeichnet werden, was angibt, daß diese Bereiche η-leitenden Plattenfläche 44 und dem P+-Bereich 32

von wesentlich höherer Leitfähigkeit als die Ursprung- 5 ergibt, welcher diese beiden Teile kurzschließt. Hier-

liche Platte sind. auf werden Elektroden 56 und 58 mit den Kontakten

Im Unterschied zu anderen Verunreinigungen, 52 bzw. 54 verschweißt. Der Schnitt 51 des Überweiche gewöhnlich im Zusammenhang mit Silizium- gangs mit der Fläche ist in Wirklichkeit eine Ver- und Germanium-Halbleitern benutzt werden, diffun- längerung des zentralen wirksamen Übergangs 7 und diert das Zink oder Zinkarsenid durch eine Silizium- io stellt den unwirksamen Übergangsbereich 51 dar, dioxydschicht hindurch, während die üblichen, bei durch weichen der unerwünschte periphere Strom Silizium und Germanium verwendeten Verunreini- ohne entsprechende Vorkehrungen fließen würde, gungen durch eine Siliziumdioxydschicht blockiert Der Kontakt 54 schließt jedoch diesen unwirksamen werden. Auf diese Weise durchdringt das Diffundier- Übergangsbereich kurz. Irgendein an dieser Stelle mittel den Oxydbelag und bildet dünne, ringförmige 15 durch den Übergang fließender Strom wird durch den Kanalbereiche 34 und 36, die unterhalb des Oxydes Kontakt als »shunt« abgeleitet. Der wirksame VoIuliegen und p-Leitfähigkeit aufweisen. Die Wirkung menübergang 7 ist jedoch nicht kurzgeschlossen und der Oxydschicht besteht jedoch darin, die Ober- vom Kontakt 54 durch den einen hohen Widerstand flächenkonzentration der Verunreinigung an der aufweisenden, ringförmigen Kanalbereich 34 isoliert. Plattenoberfläche unter der Oxydschicht in starkem ao All dies ist klar in der perspektivischen Ansicht der Maße zu reduzieren, und zwar im Gegensatz zu der vollständigen Vorrichtung gemäß F i g. 5 dargestellt, relativ hohen Oberflächenkonzentration der Verun- die ebenfalls einen »Querschnitt an einem Durchreinigung an denjenigen Oberflächenstellen der Platte, messer der Platte zeigt. Wie später noch erläutert, wo diese unmittelbar mit den Öffnungen in Verbin- fließt lediglich ein sehr kleiner Prozentsatz des an die dung steht. Als Ergebnis hiervon haben die Diffu- 25 Vorrichtung angelehnten Gesamtstromes durch den sionsbereiche unterhalb der Oxydschicht eine relativ Kanal 34.

geringe elektrische Leitfähigkeit. Die Kanalbereiche Das Ersatzschaltbild für die Vorrichtung gemäß

sind entsprechend dem oben beschriebenen Diffusi- Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt und umfaßt den wirk-

onsverfahren sehr dünn und besitzen eine Tiefe von samen Übergang 7 zwischen dem Mittelbereich 30

etwa 1 Mikrometer. 30 und der ursprünglichen Platte 20, wobei der Über-

Nachdem die Diffusion der verschiedenen Bereiche gang 7 parallel zu einem Widerstand R_g liegt, der den abgeschlossen ist, wird, wie in Fig. 4D dargestellt, äquivalenten Widerstand des Kanals 34 zwischen das Oxyd von der Plattenoberfläche entfernt und eine dem Kontakt 54 und dem wirksamen Übergangsneue Schicht aus Siliziumdioxyd aufgelegt, die die bereich 30 darstellt. Ein peripherer Übergang liegt gesamte Oberfläche abdeckt (vgl. Fig. 4E). An- 35 nicht vor, da ein solcher durch den Kontakt 54 kurzschließend wird eine ringförmige Öffnung 42 im Oxyd geschlossen ist. Der Strom durch die Diode 7 ist der an der Peripherie der Platte hergestellt, die den ideale oder Volumenstrom I_B nach Gleichung (1), dünnen, ringförmigen Diffusionsbereich 36 und einen während der nun als peripherer Strom I_P bezeichnete kleinen Abschnitt des tiefen Ringbereiches 32 frei- _{s d h d widerstand} _R _{wird; gleich} V _ist> legt, wie dies in Fig. 4F dargestellt ist. Die Platte 40 ^s ^ö Rg
wird nun in ein Ätzmittel eingetaucht, welches das wobei V die Spannung an der Diode darstellt. Es ist Siliziumdioxyd nicht angreift, jedoch die frei liegen- jedoch zu beachten, daß der periphere Strom von den Teile der Platte unterhalb der Öffnung 42 weg- demjenigen verschieden ist, der durch einen Überätzt. Die Platte wird in dem Ätzmittel während einer gang an der Peripherie der Vorrichtung fließt.
Zeit belassen, die ganz ausreicht, um den ifc-Übergang 45 Die Strom-Spannungs-Kennlinien der Vorrichtung zwischen dem Bereich 36 und der ursprünglichen aus F i g. 5 sind in F i g. 7 dargestellt. Der Stromfluß Platte herunterzuätzen, so daß, wie in Fig. 4G dar- durch den parallelen WiderstandR₃ oder derjenige gestellt, eine Fläche 44 mit η-Leitfähigkeit freigelegt Strom, der durch den engen Kanalbereich 34 parallel wird. Hierauf wird wiederum die Oxydschicht 40, wie zum Übergang 7 verläuft, ist in der Darstellung mit in Fig. 4H dargestellt, entfernt, so daß eine neue 50 Jb₀ bezeichnet und variiert linear als Funktion der Schicht 46 gemäß F i g. 41 aufgebracht werden kann. Diodenspannung. Bei sehr niederen Spannungen fließt Anschließend wird in diese Oxydschicht eine kreis- der größte Teil des an die Diode gemäß F i g. 5 angeförmige Öffnung 48 eingeschnitten, die den Mittel- legten Stromes durch den parallelen Widerstand R_g. bereich 30 freilegt. Ferner wird eine ringförmige Öff- Bei einer Diodenspannung von etwa 0,8 bis 1,0 V nung 50 im Oxyd ausgebildet, so daß der Umfang der 55 fließt jedoch nahezu der gesamte, an die Vorrichtung Platte und ein Teil des ringförmigen P+-Bereiches angelegte Strom durch den Diodenübergang 7. Die frei liegt, wie dies in Fig. 4J gezeigt ist. In dieser Kurve des zusammengesetzten Stromes im Ersatz-Ausbildung umfaßt die Vorrichtung einen gleichrich- schaubild gemäß Fig. 6 ist als I_B+ I_P bezeichnet, tenden Übergang, der die Fläche 44 der Platte an der Aus den Kurven ist ersichtlich, daß die ideale Stelle 51 schneidet. Schließlich werden an denjenigen 60 fcT-Kennlinie der verbesserten Vorrichtung bei etwa Flächen der Vorrichtung, die durch die Öffnungen der gleichen Stromstärke erreicht wird wie bei der im Oxyd frei liegen, Metallkontakte angebracht. Bei- nicht verbesserten Vorrichtung gemäß F i g. 1. Jedoch spielsweise wird eine Legierung aus 4% Zink und geht die Abweichung der Kurve von der &T-Kenn-96°/o Gold aufgedampft und mit der Fläche des Be- linie bei niederen Strömen auf den Widerstand R₈ reiches 30 durch Legieren verbunden, so daß sie mit 65 zurück und nicht auf einen peripheren nkT-Stromdieser einen Ohmschen Kontakt 52 bildet. Auf die fluß.

durch die Öffnung 50 hindurch frei liegende Fläche Die voranstehend besprochenen Schaubilder illu-

wird eine Legierung aus 0,6% Antimon und 99,4% strieren die elektrischen Kennlinien nicht verbesser-

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ter und der erfindungsgemäß verbesserten Vorrich- len Abhängigkeit vom Strom verbleibt, und zwar über tungen mit im wesentlichen identischen Abmessun- eine unbegrenzte Betriebszeit hinweg. Offensichtlich gen und Parametern mit Ausnahme des einen hohen ist der nAT-Stromfluß an der Peripherie des Über-Widerstand aufweisenden Kanalbereiches und des gangs die Ursache des hier in Rede stehenden Mankurzgeschlossenen Kontaktes bei der erfindungsge- 5 gels, und die Ausschaltung dieses n&T-Stromes vermäßen Vorrichtung. Ein Beispiel für die Abmessun- hütet jegliche Alterungserscheinung. Die Tatsache, gen und Parameter der erfindungsgemäßen Vorrich- daß die Vorrichtung bei niederen Stromstärken nicht tung ist: Durchmesser des wirksamen P+-Bereiches mehr Licht als die nicht verbesserte Vorrichtung er-30 gewöhnlich bis etwa 0,125 mm, Innendurchmesser zeugt, ist verhältnismäßig unwichtig, da die Vorrichdes tiefen, ringförmigen Bereiches 32 etwa 1,25 mm. io tung gemäß F i g. 5 in erster Linie für hohe Ströme Dies führt zu einem ringförmigen Kanalbereich 34 (hohe Leistungen) verwendet wird. Aus der graphimit einer seitlichen Abmessung von etwa 1,125 mm. sehen Darstellung läßt sich für hohe Ströme entneh-Der oben beschriebene Diffusionsprozeß liefert einen men, daß der Strom der &T-Kennlinie folgt. Um die Kanalbereich mit etwa 300 Ohm. Ausbeute der Vorrichtung bei niederen Stromstärken

Zu den Vorteilen der Ausführungsform gemäß 15 zu verbessern, braucht lediglich die Größe von R_g Fig. 5 gehört die Tatsache, daß kein Strom durch gesteigert zu werden.

den unwirksamen Teil 51 des Übergangs fließt, wo Eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß

dieser eine Fläche der Vorrichtung schneidet, und F i g. 5 ist im Schnitt in F i g. 9 dargestellt. Diese Vordaß im Zusammenhang damit in unerwarteter Weise richtung besitzt dieselben elektrischen Eigenschaften gefunden werden konnte, daß die Lebensdauereigen- 30 wie die zuvor beschriebene Ausführungsform gemäß schäften beträchtlich verbessert sind. Die auf diese der Erfindung, ist jedoch etwas einfacher herzustellen. Weise wesentlich verringerte Alterung ist schaubild- Bei der vorangehenden Ausführungsform wurde der lieh in den F i g. 8 A bis 8 C dargestellt. F i g. 8 A zeigt tiefe, ringförmige P+-Bereich 32 deswegen geschafin Draufsicht die lichtemittierende Oberfläche einer fen, um die Herstellung einer Ohmschen Verbindung Vorrichtung, beispielsweise die Fläche der Vorrich- as zum engen Kanalbereich 34 zu erleichtern. Es ist tung aus F i g. 1 gegenüber dem elektrischen Kontakt nämlich leichter, eine Ohmsche Verbindung zum 10. Wie in Fig. 8A dargestellt, wird das Licht gleich- stark leitenden P+-Bereich 32 herzustellen als zu förmig auf der ganzen Oberfläche der Vorrichtung dem einen hohen Widerstand aufweisenden Bereich während dessen erster Inbetriebnahme emittiert. 34. Solche Verbindungen lassen sich jedoch herstel-Nach einigen Stunden Betriebsdauer beginnen jedoch 30 len, um die Vorrichtung gemäß Fig. 9 mit Metalldunkle Linien oder Streifen am Rand der licht- kontakten 54 auszurüsten, die direkt mit dem Kanalemittierenden Oberfläche zu erscheinen, wobei diese bereich 34 und der η-leitenden Platte 20 verbunden Linien, wie in Fig. 8B dargestellt, in Winkeln von sind. Auf diese Weise lassen sich einige Fabrikationsetwa 60° zueinander geneigt sind. Diese Winkel ent- stufen einsparen bzw. kann die Notwendigkeit einer sprechen vermutlich der Kristallstruktur der Gallium- 35 photographischen Maskierung mit ringförmiger Öffarsenidplatte. Durch quantitative Messungen ergibt nung und die Schaffung des tiefen P+-Bereiches 32 sich, daß der gesamte Lichtausgang bei gleichem Ein- umgangen werden.

gangsstrom abgenommen hat. Nach weiterem Betrieb Im nachstehenden wird eine weitere Ausführungs-

der Vorrichtung werden die Dunkellinien länger und form der Erfindung beschrieben, die zu besserer Auszahlreicher und verlaufen gegebenenfalls über den 40 beute als die voranstehend beschriebene Ausführungsgesamten Durchmesser der Platte, so daß sie einen form führt, die weiterhin einen linearen Zusammenerheblich großen Teil des Oberflächenbereiches (vgl. hang zwischen Lichtausgang und Stromeingang bei F i g. 8 C) einnehmen. Es läßt sich leicht einsehen, niederen Stromstärken besitzt und bei der die erdaß derjenige Teil der Platte, der von den Dunkel- wähnte Alterungserscheinung weitgehend vermindert linien besetzt ist, kein Licht mehr emittiert, und es 45 ist. Die Fig. 1OA bis 1OF zeigen eine Galliumist anzunehmen, daß die entsprechenden Teile des arsenidplatte während verschiedener Herstellungsgleichrichtenden Übergangs innerhalb der Platte mit stufen dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform. Bezug auf die Lichterzeugung unwirksam geworden Eine Schicht 72 aus Siliziumdioxyd wird auf der sind, so daß sie einen Stromverlust darstellen. Der Oberfläche einer einkristallinen Galliumarsenidplatte Grand für das Auftreten dieses Effektes ist noch nicht 50 70 abgeschieden. Maskier- und Ätztechniken gelanrestlos verständlich, und es konnte bisher hierfür gen zur Anwendung, um in der Oxydschicht eine noch kein einleuchtender Grund angegeben werden. kreisförmige öffnung76 gemäß Fig. 1OA zu erzeu-Es ist jedoch offensichtlich, daß eine Vorrichtung, gen. In die Platte wird dann eine geeignete Verundie mit dem eben beschriebenen Mangel behaftet ist, reinigung eindiffundiert, wie dies bereits zuvor bezu keiner zuverlässigen Anwendung in einer Schal- 55 schrieben wurde. Auf diese Weise entsteht ein P+- tung führt. Bereich 78 unterhalb der Öffnung 76, welcher gemäß

Die quantitative Beobachtung des Lichtausgangs Fig. 1OB mit der η-leitenden Galliumarsenidplatte bei konstanten Strömen in Abhängigkeit von der Be- 70 einen gleichrichtenden Übergang 82 bildet. Die triebsdauer bei einer Vorrichtung mit Einrichtungen Verunreinigung dringt auch durch die Siliziumdioxydzur Ausschließung des Stromflusses durch den un- 60 schicht 72 hindurch und bildet einen sehr dünnen, wirksamen peripheren Übergangsteil, wie dies bei der mit Diffusionsmaterial durchsetzten Kanalbereich 80, oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausfüh- welcher in ringförmiger Gestalt den kreisförmigen rungsform der Fall ist, zeigt an, daß die Dunkellinien P+-Bereich 78 umgibt. Wiederum ist der Bereich 80 nicht auftreten und daß der Lichtausgang konstant p-leitend, besitzt jedoch einen sehr hohen Widerstand, bleibt. Dies ist offensichtlich ein überraschendes und 65 Die Oxydschicht 72 wird hierauf entfernt, und es sehr brauchbares Ergebnis. Das Ergebnis ist deswegen wird eine neue Schicht über die gesamte Oberfläche sehr brauchbar, weil die Betriebsparameter (Licht- der Platte abgesetzt. Anschließend wird ein Teil des ausgang) der Vorrichtung in der gleichen funktionel- Siliziumdioxyds entfernt, so daß eine ringförmige

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Öffnung 86 entsteht, die einen Teil des Kanalbereichs 80 freilegt, wie dies in F i g. 10 C dargestellt ist. Die restliche Oxydschicht 84 bedeckt den gesamten P+- Bereich 78 und einen Teil des Kanalbereiches 80. Die Platte wird hierauf bis unterhalb des zwischen dem Kanalbereich 80 und der Platte 70 gebildeten Übergangs abgeätzt (vgl. Fig. IOD), wobei die Siliziumdioxydabdeckung 84 die darunterliegende Platte davor bewahrt, vom Ätzmittel angegriffen zu werden. Auf diese Weise wird ein Teil des Kanalbereiches entfernt und ein Teil verbleibt, wobei der letztere an den P+-Bereich 78 angrenzt. Anschließend wird die Oxydschicht 84 wieder entfernt und eine weitere Schicht auf der gesamten Plattenfläche abgesetzt. Diese Oxydschicht wird teilweise abgeätzt, so daß sich eine Mittelöffnung 92 in der Schicht ergibt, deren Durchmesser etwas kleiner als der Durchmesser des PH—Bereiches 78 ist und die den größten Teil dieses Bereiches freilegt. Weiterhin wird eine ringförmige Öffnung 94 am Plattenumfang erzeugt, die sowohl den P+-Bereich als auch den Kanalbereich 80 umgibt, die sich jedoch nicht bis zum Kanal 80 erstreckt (Fig. 10E). Schließlich werden entsprechend Fig. 1OF geeignete Metallkontakte96 im P+-Bereich78 und 100 zur η-leitenden Platte am Plattenumfang ausgebildet, wobei mit den Kontakten 96 und 100 Elektroden 98 und 102 verbunden werden.

Die Ausführungsform einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt, wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, einen wirksamen Übergang 82, der zwischen dem mittleren P+-Bereich und der Platte 70 liegt. Weiterhin schneidet der Übergang die Fläche 81 der Vorrichtung am Umfang des ringförmigen Kanalbereiches 80. Jedoch wird ein Stromfluß über den peripheren Übergangsbereich 81 durch den hohen Widerstand des Kanalbereiches 80 verhindert, wie dies schon bei der voranstehend beschriebenen Vorrichtung der Fall war, obwohl in diesem Fall der periphere Übergangsbereich elektrisch nicht kurzgeschlossen ist.

Das elektrische Ersatzschaubild für diese Ausführungsform ist in Fig. 12 dargestellt und umfaßt eine Diode 79, die das Äquivalent des wirksamen Übergangsbereiches darstellt. Parallel zur Diode ist hintereinander der äquivalente Widerstand R_g des Kanalbereiches 80 und der periphere Diodenbereich 81 geschaltet. Die Betriebsweise der Vorrichtung läßt sich am besten im Zusammenhang mit der graphischen Darstellung der F i g. 13 beschreiben, die den Gesamtstrom der Vorrichtung in logarithmischem Maßstab auf der Ordinate in Abhängigkeit von der auf der Abszisse in linearem Maßstab abgetragenen Spannung zeigt. Bei niederen Spannungen wird der durch die Vorrichtung fließende Gesamtstrom durch die Diode 81 gesteuert, d. h., bei ausreichend kleinen Spannungen ist die Impedanz der Diode 81 groß im Vergleich mit dem Widerstand R_g, jedoch klein im Vergleich zur Impedanz der Diode 79. Wenn die Spannung an der Vorrichtung steigt, wird die Impedanz der Diode 81 klein, und der Spannungsanstieg erscheint am Widerstand .R^ so lange, bis bei höheren Spannungen der Spannungsanstieg an der Diode 79 ersichtlich ist. Dies alles tritt bei niederen Spannungen und sehr geringen Strömen ein, beispielsweise bei Strömen zwischen 0,1 und etwa 1,0 mA, wie in F i g. 13 angegeben. Oberhalb 1,0 mA wirkt die Vorrichtung so, als würde sie lediglich den idealen &T-Strom umfassen. Es ist zu beachten, daß die Stromstärke, bei der der Vorrichtungsstrom der idealen AT-Stromkurve zu folgen beginnt, sehr viel kleiner ist als bei der nicht verbesserten Vorrichtung gemäß F i g. 1 und der zuvor beschriebenen, erfin-S dungsgemäßen Ausführungsform. Dies folgt aus der Reihenschaltung der Diode 81 mit dem Widerstand 80. Auf diese Weise ist die wirksame Verbesserung bei kleinen Strömen sehr viel größer als bei der anderen Ausführungsform. Obwohl ein gewisser ίο peripherer Strom durch die Diode 81 fließt, ist er unbedeutend gegenüber dem, welcher durch die nicht verbesserte Vorrichtung gemäß F i g. 1 fließt, und auf diese Weise sind die Alterungserscheinungen zum großen Teil vermindert.

Zur weiteren Veranschaulichung der durch die Erfindung vermittelten Verbesserung ist in Fig. 14 die Quantenausbeute n_E als Funktion des gesamten Diodenstroms in mA dargestellt. Die Quantenausbeute ist in einem linearen Maßstab und der Strom in

ao logarithmischem Maßstab aufgetragen. Die Quantenausbeute ist definiert als das Verhältnis der Menge des Lichtausganges zur Gesamtanzahl der Einheiten des an die Vorrichtung angelegten, elektrischen Stromes. Unter der Voraussetzung des Idealfalles, in dem der allein durch die Vorrichtung fließende Strom der &T-Volumenstrom durch den wirksamen Übergangsteil ist, liegt eine konstante Beziehung zwischen der erzeugten Lichtmenge und dem Eingangsstrom vor, was in der Zeichnung mit η = konstant angegeben ist. In diesem Falle variiert der Lichtausgang linear mit dem Diodenstrom. Die Ausbeute als Funktion des Gesamtstromes für die Vorrichtung gemäß F i g. 1 ist in der Darstellung bei A gezeigt, wo ersichtlich ist, daß der Gesamtstrom durch die Vorrichtung einen beträchtlichen Wert erreichen muß, z. B. 100 mA, bevor die Ausbeute sich dem Idealfall annähert. Die Ausbeutekurve als Funktion des Gesamtstromes für die eben beschriebene, erfindungsgemäße Ausführungsform ist in der Zeichnung bei B dargestellt, wo ersichtlich ist, daß die Ausbeute bei allen Stromstärken beträchtlich verbessert und etwa die Hälfte der idealen Ausbeute bei einem Strom erreicht, der kleiner als 1 mA ist. Bei der in Fig. 15 dargestellten Abwandlung der eben beschriebenen Ausführungsform erstreckt sich der Kanalbereich überall zur Seite der Platte. Anstatt der Anbringung eines Kontaktringes 100 auf der Oberseite der Platte gemäß Fig. 11 wird ein solcher ringförmiger Kontakt 104 nun an der Unterseite der

so η-leitenden Platte an deren Umfang vorgesehen. Das in der Vorrichtung erzeugte Licht wird durch die vom Kontakt 104 umgebene Öffnung 108 emittiert. Im übrigen entspricht diese Vorrichtung in elektrischer Hinsicht der zuvor beschriebenen Vorrichtung.

In den Fig. 16A bis 16D ist das Herstellungsverfahren einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Figuren zeigen in Schnittansichten einer Platte aus Galliumarsenid-Halbleitermaterial die verschiedenen Herstellungsstufen dieser Ausführungsform, wobei die Herstellung ähnlich derjenigen der Vorrichtung gemäß F i g. 4 ist. Zunächst wird auf der Oberfläche 124 einer einkristallinen Platte 120 aus Galliumarsenid eine dünne Lage 122 aus Siliziumdioxyd gemäß Fig. 16A abgeschieden. Dies erfolgt dadurch, daß nach Polieren der Plattenoberfläche 124 reaktiv ein Film aus Siliziumdioxyd (SiO₂) aufgesprüht wird, und zwar mit einer Dicke

von etwa 6000 A. Daneben können auch andere geeignete Verfahren zur Aufbringung der Oxydschicht zur Anwendung gelangen. Lediglich aus Darstellungsgründen ist die Platte wieder kreisförmig angenommen, wobei die Schnittansichten gemäß F i g. 16 A bis 16 D entlang eines Plattendurchmessers genommen sind. In der Plattenmitte wird entsprechend Fig. 16 B eine ringförmige Öffnung 126 in die Oxydschicht eingeschnitten. Ferner wird eine ringförmige Öffnung 128 in der Oxydschicht am Umfang der Platte angebracht, die die Öffnung 126 umgibt, was durch photographische Maskier- und Oxydätztechniken erreicht wird. Hierauf wird eine Verunreinigung durch die Öffnungen im Oxyd bis zu einer Tiefe von etwa 0,075 mm eindiffundiert. Es ist ersichtlich, daß unterhalb der kreisförmigen Öffnung 126 ein kreisförmiger Bereich 130 mit P+-Leitfähigkeit ausgebildet wird und unterhalb der ringförmigen Öffnung 128 am Plattenumfang ein Ringbereich 132 mit ebenfalls P+-Leitfähigkeit entsteht. Neben einer Diffusion durch die erwähnten Öffnungen diffundiert die Verunreinigung auch durch die Oxydschicht hindurch und bildet einen dünnen, ringförmigen, mit Diffusionsmaterial durchsetzten Kanal 134, der unterhalb der Oxydschicht liegt. Die ursprüngliche Galliumarsenidplatte ist η-leitend, während das in die Platte eindiffundierte Zink oder Zinkarsenid die Platte in den betreffenden Bereichen p-leitend macht. In der Praxis werden die Diffusionsbereiche unterhalb der Öffnungen im Oxyd in Bereiche mit relativ hoher p-Leitfähigkeit umgewandelt, und zwar wegen der hohen Oberflächenkonzentration der Verunreinigung. Diese Bereiche werden deshalb als P+-Bereiche bezeichnet.

Der Einfluß der Oxydschicht geht dahin, die Oberflächenkonzentration der Verunreinigung unterhalb der Oxydschicht weitgehend einzudämmen, und zwar im Vergleich mit der Oberflächenkonzentration der Verunreinigung an der Plattenoberfläche, die unterhalb der öffnungen liegen. Als Folge hiervon besitzt der p-leitende Kanalbereich 134 eine geringe elektrische Leitfähigkeit und wirkt als relativ hoher Widerstand gegenüber einem seitlichen Stromfluß zwischen den durch ihn verbundenen Bereichen 130 und 132. Der Kanalbereich 134 ist sehr dünn, seine Stärke liegt in der Größenordnung von etwa 1 Mikrometer oder kleiner. Der Übergang zwischen dem mittleren Bereich 130 und der ursprünglichen Platte stellt den wirksamen Übergang der Vorrichtung dar, während der unwirksame Teil des Übergangs eine Fläche 109 der Platte am Umfang an einer Stelle schneidet, die vom wirksamen Teil beträchtlich entfernt und von diesem durch den Kanalbereich 134 von hohem Widerstand getrennt ist. Die Oberflächenschnittstelle 109 ist der Ort, wo der unerwünschte periphere Strom fließt, wenn er nicht unterdrückt wird.

Nachdem die Diffusionsbereiche gebildet sind, werden an den Bereichen 130, 132 und an der η-leitenden Platte 120 in der oben beschriebenen Weise metallische Kontakte angeordnet.

Beispielsweise wird eine Legierung aus 4% Zink und 96% Gold aufgedampft und dann mit den Bereichen 130 und 132 legiert, so daß sich dort Ohmsche Kontakte 136 und 138 bilden. Eine Legierung aus 0,6% Antimon und 99,4% Gold wird auf die Bodenfläche der η-leitenden Platte 120 aufgedampft, anschließend mit Nickel plattiert, teilweise abgeätzt, um lediglich einen Ring 140 zu belassen, und schließlich legiert, so daß sich ein Ohmscher Kontakt bildet. Der Kontakt 136 dient als Anode, der Ringkontakt 140 als Kathode, während der Kontakt 138 als später noch zu beschreibender Schutzring dient. Passende Elektroden 150, 152 und 156 werden mit den Kontakten 136, 138 bzw. 140 verschweißt, wodurch die elektrischen Anschlüsse für die Vorrichtung entstehen. Die ringförmige Ausbildung des Kontaktes 140 auf der gegenüberliegenden Fläche der Platte ermöglicht den Lichtaustritt aus der Vorrichtung, wenn ein Vorwärtsstrom durch den Übergang 107 mit Hilfe der Elektroden 150 und 156 geleitet wird. Ohne Anlegung einer irgendwie gearteten Vorspannung an den Schutzring 138 fließt nur ein geringer peripherer Strom durch den Übergang, wo dieser die Fläche 109 der Vorrichtung schneidet. Jedoch ist eine vollständige Unterdrückung dieses Stromes erstrebenswert.

Die komplette Vorrichtung ist perspektivisch in F i g. 17 wiedergegeben, und zwar im Schnitt entlang eines Plattendurchmessers. Zur vollständigen Unterdrückung des peripheren Stromflusses an der Schnittstelle 109 des Überganges mit der Oberfläche wird zwischen die Elektroden 150 und 152 eine passende Vorspannung V_g angelegt, die aus einer Spannungsquelle 154 stammt, deren positive Klemme mit der Elektrode 150 verbunden ist. Das elektrische Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß F i g. 17 ist in Fi g. 18 dargestellt und umfaßt einen Widerstand R_g, der in Reihe mit einer Diode 109 geschaltet ist, wobei diese Reihenschaltung parallel zu einer Diode 107 liegt. Der Widerstand R_g ist der äquivalente Reihenwiderstand des Kanalbereiches 134 gegenüber einem Stromfluß zwischen den Bereichen 130 und 132. Die Diode 109 ist äquivalent zur Diode an der Schnittstelle Übergang/Oberfläche, wo der periphere Strom unterdrückt werden soll, während die Diode 107 dem wirksamen Übergang der Vorrichtung äquivalent ist. Die Vorspannung 154 liegt am Reihenwiderstand R_g. Durch passende Einstellung der Spannung V„, was zur Ausbildung eines Stromes I_g durch den Reihenwiderstand R_g führt, kann der Spannungsabfall an der Diode 109 auf 0 reduziert oder sogar in umgekehrter Richtung vorgespannt werden, wodurch der periphere Strom I_P vollständig unterdrückt wird. Die Verwendung einer relativ kleinen Spannung V_g und eines relativ kleinen Vorspannungsstromes l_s wird durch den hohen Wert des Widerstandes R_g ermöglicht. Auf diese Weise ist die im Aufbau des Schutzrings verbrauchte elektrische Leistung unbedeutend. Tatsächlich ist dieser Leistungsbetrag klein im Vergleich zu derjenigen Leistung, die wegen des peripheren Stromflusses in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 verlorengeht. Als ein Ergebnis dieser Anordnung läßt sich so insgesamt ein Gewinn an Ausbeute verwirklichen. Wegen der Unterdrückung des peripheren Stromflusses ist der durch die Vorrichtung fließende Strom gänzlich durch den wirksamen Übergang der Vorrichtung beherrscht. Für alle praktischen Zwecke ist der Gesamteingangs- und Ausgangsstrom gleich dem Volumen-AT-Strom I_B. In einem solchen Fall nimmt der Gesamtstrom gegenüber der Spannungscharakteristik die ideale Kennlinienform an, und dies ist die gleiche Form, wie sie die idealen I_B- und 2V₀-Kurven aus Fig. 3 haben.

Der Durchmesser des wirksamen P+-Bereichs der Vorrichtung wird gewöhnlich bei etwa 0,125 mm gewählt. Der Innendurchmesser des ringförmigen

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P+-Bereiches 132 wird bei etwa 1,25 mm gewählt, ist eine Stromquelle erforderlich, um der Vorrichtung wobei die Abmessungen der Öffnungen in der Oxyd- den Betriebsstrom zuzuführen. In bestimmten Anschicht dementsprechend eingestellt werden. Dies Wendungsfällen, z. B. wenn die Vorrichtung in eine führt zu einem ringförmigen Kanalbereich 134, des- Miniaturschaltung eingebaut wird, sind getrennte sen Seitenabmessungen bei etwa 1,125 mm liegen. 5 Stromquellen gewöhnlich nicht verfügbar, insbeson-Der obenerwähnte Diffusionsprozeß führt, wie früher dere solche, deren Klemmen von der übrigen Schalbereits festgestellt, zu einer Kanaltiefe von lediglich rung isoliert sind. Um die verbesserte Vorrichtung etwa 0,75 μπι. Der Widerstand dieses Bereichs gegen- an Anwendungen dieser Art anzupassen, wurde die über einem seitlichen Stromfluß beträgt dann etwa Schaltung gemäß F i g. 20 entwickelt, bei der die 300 Ohm. Es wurde gefunden, daß eine Vorspannung io Notwendigkeit einer getrennten Vorspannungsquelle von etwa 1,2 V ausreicht, um einen peripheren Strom- umgangen ist.

fhiß vollständig zu unterdrücken, was zu einem Die Vorrichtung der F i g. 20 entspricht derjenigen

Strom von etwa 4 mA durch den ringförmigen Kanal in F i g. 17. Die Anode oder die mit dem P+-Bereich 134 führt. Auf diese Weise beträgt die erforderliche verbundene Klemme 150 ist an einen Bezugspunkt elektrische Leistung etwa 5 mW. Es ist noch zu be- 15 bzw. an Erdpotential 180 angeschlossen. Die Schutzachten, daß der Stromfluß durch den Reihenwider- ringklemme 152 ist mit einem konstanten Potential stand R_g sich weder addiert noch subtrahiert zu dem- 184 über einen Strombegrenzungswiderstand 182 verjenigen Strom, der durch die Hauptelektrode der bunden. Die Spannungsquelle 184 kann der Haupt-Vorrichtung fließt, so daß er in keiner Weise die leistungsspeiseausgang der Schaltung sein, an welchen ideale Kennlinie der Vorrichtung oder die lineare ao die Vorrichtung angelegt ist. Wie dargestellt, ist der Beziehung zwischen Strom und Lichtausgang beein- Schutzring mit der negativen Klemme dieses Ausgangs flußt. verbunden, so daß der Schutzring negativ mit Bezug

Der Lichtausgang 2V₀ in μW ist als Funktion des auf das Erdpotential vorgespannt ist, an welches die Vorwärtsstromes durch die Vorrichtung in mA auf Klemme 150 angeschlossen ist. Die Größe des Widerder Darstellung gemäß Fig. 19 für verschiedene 35 Standes 182 wird so gewählt, daß der angestrebte VorVorspannungen Vg dargestellt. Sowohl für die Ordi- Spannungseffekt erreicht wird, wobei gewöhnlich der nate als auch für die Abszisse wurde ein logarith- Schutzring vollständig in Gegenrichtung vorgespannt mischer Maßstab gewählt. Die verschiedenen Stei- wird, um einen peripheren Stromfluß auszuschalten, gungen für die verschiedenen Vorspannungen treten beispielsweise entsprechend der Kurve V_e = —1,2 V deutlich hervor. In dieser Zeichnung in doppelt- 30 in F i g. 19. Im Betrieb der Vorrichtung wird die an logarithmischem Maßstab stellt lediglich eine gerade die η-leitende Platte 120 angeschlossene Klemme 156 Linie mit einer Steigung von 45° eine lineare Funk- mit einer geeigneten Antriebsquelle, beispielsweise tion dar. Es ist deshalb ersichtlich, daß lediglich die einem Verstärker 186 (das Wort in seinem breitesten mit Vg — —1,2 V bezeichnete Kurve, welche einen Sinne verstanden) verbunden oder auch an eine anperipheren Stromfluß der Stärke 0 durch die Diode 35 dere Signalquelle angeschlossen, die den Antriebs- 109 ergibt, eine lineare Funktion zwischen Lichtaus- strom liefert. Das Potential an der Klemme 156 wird gang und Diodenvorwärtsstrom liefert. Für alle an- relativ zu Klemme 150 negativ gehalten, so daß am deren Vorspannungen und für eine übliche Licht- Übergang eine geeignete vorwärts gerichtete Vorquelle mit Übergang ohne Vorspannung des Schutz- spannung entsteht. Auf diese Weise kann ein Signal ringes (in der Zeichnung nicht dargestellt) ist die 40 zwischen der Eingangsklemme 188 des Verstärkers Quantenausbeute der Vorrichtung bei allen Strom- und der Erde angelegt werden. Solange das Signal an stärken beträchtlich reduziert. Dies ist deutlicher in der Klemme 156 in seiner Spannung mit Bezug auf der graphischen Darstellung der Fig. 14 gezeigt, die die Klemme 150 negativ bleibt, liefert die Vorrichdie Quantenausbeuten in linearem Maßstab als tung einen LichtausgangiV₀, der proportional zum Funktion des gesamten Diodenstroms in mA zeigt. 45 Stromfluß I ist. Da das Potential zwischen den Klem-Im Falle eines gegenvorgespannten Schutzringes, um men 150 und 152 konstant bleibt, und zwar ohne so den peripheren Stromfluß vollständig zu unter- Rücksicht auf das Potential an der Klemme 156, drücken, bleibt die Ausbeute der Vorrichtung bei bleibt auch die Verstärkung der Vorrichtung bei allen allen Strömen konstant, während bei einer Diode Antriebssignalen konstant. Da sich alle Klemmen der ohne Schutzring ein beträchtlicher Stromfluß erreicht 50 Vorrichtung auf eine einzige Spannungsquelle, wie werden muß, bevor die Ausbeute diejenige des gegen- dargestellt, beziehen können, ist die Betriebsweise vorgespannten Zustandes erreicht. In Wirklichkeit der Vorrichtung der Benutzung einer getrennten Vormuß der Strom eine Höhe von etwa 100 mA er- Spannungsbatterie mit konstantem Potential äquivareichen, bevor die Ausbeute der Vorrichtung diejenige lent. Diese Schaltung kann dadurch abgewandelt mit gegenvorgespanntem Schutzring erreicht. Der 55 werden, daß beispielsweise die Schutzringklemme 152 Grund, warum der periphere Stromfluß bei niederen mit Erdpotential und die Klemme 150 mit einem Strömen in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine stärker positiven Potential verbunden wird. Rolle spielt, liegt darin, daß der wirksame Übergang Um eine konstante Verstärkung als Funktion des

nicht ausreichend in Vorwärtsrichtung bei diesen ge- Eingangsstromes aufrechtzuerhalten, muß die Vorringen Strömen vorgespannt ist. 60 richtung vollständig gegenvorgespannt sein, um peri-Neben dem Vorteil der gesteigerten Ausbeute der pheren Stromfluß zu unterdrücken, wie dies in der Vorrichtung und der erreichten, vollständigen Line- Kurve mit V_g — —1,2 V der Fig. 19 dargestellt ist. arität zwischen Lichtausgang und Gesamtstromein- Ein anderes Schutzringpotential, das den peripheren gang sind auch die Lebensdauereigenschaften der Stromfluß nicht vollständig unterdrückt, führt zu einer Ausführungsform gemäß F ig. 17 merklich verbessert. 65 nichtlinearen Funktion zwischen Lichtausgang und Die Ausführungsform gemäß F i g. 17 benötigt, Stromeingang, wie dies in den übrigen Kurven der wie dargestellt, eine besondere Batterie 54, die die F i g. 19 gezeigt ist. Dieser letztere Effekt kann vorerforderliche Gegenvorspannung V_g liefert. Daneben teilhaft in der Schaltung gemäß Fig. 20 ausgenutzt

werden, um bestimmte analoge Funktionen auszuführen, die der Strom-Lichtausgangs-Kennlinie entsprechen. Um die Vielseitigkeit der Vorrichtung zu steigern, wenn diese für solche Zwecke eingesetzt wird, kann die Schaltung nach F i g. 21 benutzt werden, die mit derjenigen aus Fig.20 identisch ist, mit der Ausnahme, daß die Schutzringklemme 152 als Steuerklemme benutzt wird. Bei dieser Anwendung kann die Vorrichtung als wirkliche Dreiklemmenvorrichtung aufgefaßt werden mit einer Steuerelektrode zur Variation der Verstärkung als Funktion des Steuersignals. Die Steuersignalquelle ist allgemein als Verstärker 190 mit Eingangsklemme 192 dargestellt. Das Steuersignalpotential ist mit Bezug auf die Klemme 150 negativ. Die übrigen Verhältnisse bleiben die gleichen. Auf diese Weise können eine Kurvenschar — die beispielsweise in F i g. 19 dargestellt—und entweder eine oder beide der Potentiale an den Klemmen 152 und 156 variiert werden. Eine solche Betriebsweise entspricht dem Arbeiten ao einer Triodenröhre oder eines Transistors an den nichtlinearen Enden ihrer Arbeitskennlinien. Es ist ersichtlich, daß zahlreiche analoge Funktionen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht werden, wenn diese hierzu benutzt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszente Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer ersten Zone eines bestimmten Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die an die erste Zone angrenzt und mit dieser einen flächenhaften gleichrichtenden Übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (4) in ihrem mittleren Teil einen hochleitfähigen(P+) ersten Bereich (30; 78; 130) enthält, der in einen hochr ohmigen (P) ihn umgebenden zweiten Bereich (34; 80; 134) übergeht und auf diese Weise vom äußeren Rand (51; 81; 109) der gleichrichtenden Übergangsfläche (7) isoliert ist, und daß außerdem der elektrische Kontakt (52, 54; 96, 100; 96, 104; 136, 140) für die zweite Zone (4) am ersten Bereich (30; 78; 130) und für die erste Zone (20; 70; 120) in der Nähe des äußeren Randes vorgesehen ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Galliumarsenid besteht.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (4) einen dritten hochleitfähigen Bereich (32; 132) umfaßt, der an den zweiten Bereich (34; 134) angrenzt und ihn seitlich umgibt.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische kurzschließende Verbindung (54) den Bereich (32 bzw. 34) mit der ersten Zone (20) verbindet.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (132) an einen elektrischen Kontakt (138) angeschlossen ist, der gegenüber dem Kontakt (136) des ersten Bereichs (130) elektrisch vorgespannt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 809 648/1552