DE1439687B2 - Festkörperbildwandler - Google Patents

Description

perbildwandler der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß der Halbleiterkörper scheibenförmig ausgebildet ist, daß die hintereinandergeschalteten pn-Übergänge mindestens eine Lumineszenzdiode und mindestens eine Photodiode bilden, und daß nur die äußeren Halbleiterzonen kontaktiert sind.

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Festkörperbildwandlers besteht darin, daß durch die Ausnutzung der Injektionselektrolumineszenz höhere Leuchtdichten als bisher erzielt werden. Außerdem gestattet der Festkörperbildwandler nach der Erfindung die Verwendung von Gleichstrom und läßt dadurch die Kapazitäten der Anordnung nicht zur Wirkung kommen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Bildwandler auch ohne Phototransistoren als Verstärker arbeitet, da die Kombination von Photodioden und Elektrolumineszenz-Dioden die Struktur eines Phototransistors hat und damit auch seine Verstärkungseigenschaften aufweist

Der Halbleiterkörper des Festkörperbildwandlers nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus Bereichen unterschiedlichen Halbleitermaterials mit verschiedenem Bandabstand. Vorzugsweise grenzen zwei Bereiche mit verschiedenem Bandabstand aneinander, wobei die Lumineszenz-Diode(n) in dem einen Bereich und der oder die pn-Übergänge der Photodiode(n) an der Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen angeordnet sind.

Der Bildwandler besteht beispielsweise aus einer Halbleiterscheibe (1), auf dessen eine Oberflächenseite eine Halbleiterschicht (4) aus anderem Halbleitermaterial aufgebracht ist Hat die Halbleiterscheibe den ersten Leitungstyp, so weist die aufgebrachte Halbleiterschicht den zweiten Leitungstyp auf, während in die der Halbleiterschicht entgegengesetzte Oberflächenseite 3i der Halbleiterscheibe eine oder mehrere Zonen vom zweiten Leitungstyp eingebracht sind.

Sollen an der Grenzfläche zwischen Halbleiterscheibe und aufgebrachter Halbleiterschicht mehrere pn-Übergänge und damit mehrere Photodioden entstehen, so empfiehlt es sich, die zwischen den pn-Übergängen liegenden Bereiche der Halbleiterscheibe von den angrenzenden Bereichen der Halbleiterschicht durch eine Isolierschicht zu trennen.

Für den Fall, daß die Elektrolumineszenz-Dioden in der Halbleiterscheibe vorgesehen sind, ist das Material für die Halbleiterscheibe so zu wählen, daß die pn-Übergänge in der Halbleiterscheibe die Eigenschaften von Elektrolumineszenz-Dioden haben. Sind die Elektrolumineszenz-Dioden dagegen in der aufgebrachten Halbleiterschicht vorgesehen, so ist für die Halbleiterschicht ein lumineszierendes Halbleitermaterial zu verwenden. pn-Übergänge können beispielsweise dann zum Leuchten gebracht werden, wenn das Halbleitermaterial, in dem sie sich befinden, aus Verbindungen von Elementen der III. Gruppe mit Elementen der V. Gruppe des periodischen Systems oder Mischungen solcher Verbindungen besteht. Außerdem kann beispielsweise auch Siliziumkarbid verwendet werden.

Es empfiehlt sich, das Halbleitermaterial für die Lumineszenz-Dioden gleichzeitig so zu wählen, daß die lumineszierenden Dioden Laserwirkung zeigen. Dies hat den Vorteil, daß die Helligkeit stärker als proportional mit dem Strom wächst und daß bei optischer Projektion des Bildes kleinere öffnungen verwendet werden können.

Die Lumineszenz-Dioden und gegebenenfalls auch die Photodioden können beispielsweise aus einem Punktraster oder Streifenraster legierter oder diffundierter pn-Übergänge bestehen.

Die Elektroden sind vorzugsweise auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht und bestehen aus durchsichtigem Material wie z. B. Zinnoxid, wenn sie die gesamte lichtaufnehmende bzw. lichtabgebende Seite bedecken.

An den Festkörperbildwandler wird eine solche Gleichspannung gelegt, daß die als Photodiode wirksamen pn-Übergänge in Sperrichtung gepolt sind. Der Festkörperbildwandler kann mit einem Bildschirm gekoppelt werden, auf den ein vergrößertes Bild des Festkörperbildwandlers projiziert wird. Der Festkörperbildwandler kann in diesem Falle aus einer kleinen einkristallinen Halbleiterscheibe bestehen.

Die Erfindung wird im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert

Die F i g. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel den grundsätzlichen Aufbau eines Festkörperbildwandlers nach der Erfindung. Nach F i g. 1 ist in eine Halbleiterscheibe 1 vom n-Leitungstyp eine Halbleiterzone 2 vom p-Leitungstyp eingebracht, die sich über den gesamten Querschnitt der Halbleiterscheibe 1 erstreckt. Die aneinandergrenzenden Halbleiterzonen 1 und 2 bilden wegen ihres entgegengesetzten Leitungstyps einen pn-Übergang 3, der bei entsprechender Wahl des Materials für die Halbleiterscheibe 1 die Eigenschaft einer Elektrolumineszenz-Diode hat Dies ist der Fall, wenn die Halbleiterscheibe 1 beispielsweise aus Galliumarsenid, Galliumphosphid, Siliziumkarbid oder aus einem Gemisch dieser Stoffe besteht

Auf die Halbleiterscheibe 1 ist auf der der p-Zone 2 gegenüberliegenden Oberflächenseite eine Halbleiterschicht 4 vom p-Leitungstyp aufgebracht, beispielsweise durch Epitaxie. Der Leitungstyp dieser aufgebrachten Schicht 4 ist dem Leitungstyp der Halbleiterscheibe 1 entgegengesetzt, so daß auch an dieser Grenzfläche zwischen der η-leitenden Halbleiterscheibe ί und der aufgebrachten Halbleiterschicht 4 ein pn-Übergang 5 entsteht. Während der pn-Übergang 3 die Funktion einer Elektrolumineszenz-Diode hat, dient der pn-Übergang 5 als Photodiode.

Die Halbleiterscheibe 1 und die Halbleiterschicht 4 haben vorzugsweise einen verschiedenen Bandabstand. Dies hat den Vorteil, daß auf der einen Seite ein normaler pn-Übergang und auf der anderen Seite eine »Hetero-Junction« vorgesehen sind, so daß die Möglichkeit besteht, das Empfindlichkeitsmaximum der Photodiode und das Maximum der Emission der lumineszierenden Diode in verschiedene Gebiete des Spektrums zu legen.

Zum Anlegen einer Gleichspannung an den Bildwandler dienen die auf die nach außen weisenden Oberflächenseiten des Bildwandlers aufgebrachten durchsichtigen Elektroden 6 und 7, die beispielsweise aus Gold bestehen. Ist die Gleichspannung so gerichtet, daß der zwischen den beiden verschiedenen Halbleitermaterialien bestehende pn-Übergang 5 in Sperrichtung gepolt ist, so ist der im Ausgangsmaterial vorhandene pn-Übergang 3 in Durchlaßrichtung gepolt Bei Belichtung des sperrenden pn-Überganges 5 fließt ein merklicher Strom über den durchlassenden pn-Übergang 3, welcher dadurch zum Leuchten angeregt wird. Auf diese Weise läßt sich durch die Anordnung der F i g. 1 ein Bild übertragen.

Da das Licht der Lumineszenz-Diode in der Nähe des pn-Überganges entsteht, empfiehlt es sich, zur Erzielung einer größeren Helligkeit, den pn-Übergang im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 mit »3« bezeichnet —

möglichst nahe an die Oberfläche des Halbleiterkörpers zu legen. Dies gestatten beispielsweise die Ausführungsformen der F i g. 2 und 3.

Die F i g. 2 zeigt ein Raster von legierten pn-Übergängen, das durch Einlegieren der Legierungspillen 8 in den n-Ieitenden Halbleiterkörper 1 entsteht In F i g. 3 sind die Iumineszierenden Dioden streifenförmig ausgebildet. Die Herstellung der Anordnung der Fig.3 kann beispielsweise so erfolgen, daß auf eine p-leitende Zone 2 einer Halbleiterscheibe 1, entweder mittels Photolacktechnik oder durch Bedampfung durch eine Schablone eine Anzahl von Streifen aus einem diffusionshemmenden Material, beispielsweise Siliziumoxid, aufgebracht wird. Durch die freigebliebenen Streifen läßt man einen Fremdstoff eindiffundieren, welcher in der Halbleiterscheibe entgegengesetzten Leitungstyp 8 im Ausführungsbeispiel den n-Typ 8 erzeugt Dadurch entstehen in der p-leitenden Zone 2 des Halbleiterkörpers 1, die Diffusionszonen 1 vom n-Leitungstyp. Es empfiehlt sich, die Eindiffusion der η-leitenden Zonen 1 von beiden Seiten der Halbleiterscheibe 1 aus vorzunehmen.

Nach diesem Diffusionsprozeß läßt man die Isolierstreifen 9 auf einer Oberflächenseite der Halbleiterscheibe über der p-Ieitenden Zone 2 stehen oder verstärkt sie durch einen Isolierstoff, welcher für die Weiterbehandlung geeigneter ist Die Weiterbehandlung besteht im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 darin, daß auf die mit Isolierstoffstreifen versehene Oberflächenseite eine Halbleiterschicht 4, beispielsweise epitaktisch, aufgebracht wird. Ist der Leitungstyp dieser Halbleiterschicht wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 dem der Diffusionszonen 1' entgegengesetzt, so entstehen an den Stellen, an denen die Halbleiterschicht mit den Diffusionszonen in unmittelbare Beruhrung kommt — in F i g. 3 zwischen den Isolierstoffstreifen 9, die pn-Übergänge 5. Die aufgebrachte Halbleiterschicht 4 unterscheidet sich nicht nur im Leitungstyp, sondern auch bezüglich des Bandabstandes vom Grundkörper 1.

Die Kontaktierung des Bildwandlers erfolgt gemäß der Darstellung in F i g. 3. Erfolgt die Lichteinstrahlung auf der im Epitaxialverfahren aufgebrachten Seite, so müssen die an die epitaktische Halbleiterschicht 4 angrenzenden pn-Übergänge 5 in Sperrichtung gepolt sein. Die auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite frei liegenden pn-Übergänge 3 wirken dann als lumineszierende Dioden.

Die in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Bildwandler haben die Struktur eines Phototransistors. Sorgt man deshalb dafür, daß zwischen den Photo- und den Lumineszenz- pn-Übergängen keine wesentliche Ladungsträger-Rekombination eintritt, so bewirken die über den sperrenden pn-übergang in die Zwischenschicht eintretenden Ladungsträger, daß der in Durchlaßrichtung gepolte pn-Übergang weitere Ladungsträger injiziert, die den Widerstand der sperrenden Schicht nochmals herabsetzen, so daß eine Stromverstärkung stattfindet.

Die Iumineszierenden Dioden brauchen jedoch nicht in den Photo-Transistor einbezogen zu werden, wie das in den F i g. 1 bis 3 der Fall ist F i g. 4 zeigt ein Beispiel, in dem zwei getrennte Schichten mit streifenförmigen Photo-Transistoren und streifenförmigen Lumineszenz-Dioden, die voneinander durch ein Gebiet / sehr geringer Leitfähigkeit getrennt sind, einzeln hergestellt und später so übereinandergelegt und miteinander verbunden werden, daß der Emitter des Photo-Transistors mit einem Pol der Iumineszierenden Diode verbunden ist, während die restlichen pn-Übergänge beider Scheiben durch eine Isolierschicht voneinander getrennt sind.

Die Leuchtdichte lumineszierender Dioden ist so groß, daß man einen kleinen Bildschirm so hell ausleuchten kann, daß er mit einer Linse vergrößert und auf einem wesentlich größeren Bildschirm betrachtet werden kann. Die Helligkeit kann noch weiter gesteigert werden, indem man als Material für die Iumineszierenden Dioden ein solches Material verwendet, welches Laserwirkung zeigt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Festkörperbildwandler, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit Halbleiterzonen verschiedenen Leitungstyps, bei dem eine Lumineszenzdiode und ein photoempfindlicher Teil hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) scheibenförmig ausgebildet ist, daß die hintereinandergeschalteten pn-Übergänge (3, 5) mindestens eine Lumineszenzdiode (5) und mindestens eine Photodiode (3) bilden, und daß nur die äußeren Halbleiterzonen (2,4) kontaktiert sind.

2. Festkörperbildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) aus Bereichen (1, 2, 4) unterschiedlichen Halbleitermaterials mit verschiedenem Bandabstand besteht.

3. Festkörperbildwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) pn-Übergang(e) (3) der Photodiode in dem einen Bereich (1, 2) und die Lumineszenzdiode an der Grenzfläche (5) zwischen den beiden Bereichen (1, 4) angeordnet sind.

4. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche (5) zwischen den Bereichen unterschiedlichen Halbleitermaterials stellenweise eine Isolierschicht (9) vorhanden ist, so daß mehrere pn-Übergänge (5) entstehen.

5. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus einer Verbindung eines Elements der III. Gruppe mit einem Element der IV Gruppe des periodischen Systems oder einem Gemisch solcher Verbindungen oder aus Siliziumkarbid besteht.

6. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial für die Lumineszenzdioden derart gewählt ist, daß die Lumineszenzdioden Laserwirkung zeigen.

7. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden durch einen Punktraster legierter oder diffundierter pn-Übergänge gebildet sind.

8. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden aus einem Streifenraster legierter oder diffundierter pn-Übergänge bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbildwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper dadurch gebildet wird, daß auf die eine Oberflächenseite einer Halbleiterscheibe (1) vom ersten Leitungstyp eine Halbleiterschicht (4) vom zweiten Leitungstyp aufgebracht wird, deren Halbleitermaterialien einen anderen Bandabstand haben als das Halbleitermaterial der Halbleiterscheibe (1), und'daß in die der aufgebrachten Halbleiterschicht (4) gegenüberliegende Oberflächenseite der Halbleiterscheibe (1) eine oder mehrere Zonen (2) vom zweiten Leitungstyp, beispielsweise durch Legieren oder Diffusion, eingebracht werden.

10. Verfahren nach Anspruch (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (4) auf die Halbleiterscheibe (1) epitaktisch aufgebracht wird.

Die Erfindung betrifft einen Festkörperbildwandler, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit Halbleiterzonen verschiedenen Leitungstyps, bei dem eine Lumineszenzdiode und ein photoempfindlicher Teil hintereinandergeschaltet sind. Eine solche Anordnung ist aus der DT-AS 1 054 179 bekannt.

Bildwandler sind bekanntlich Anordnungen, die ein aus ultrarotem oder ultraviolettem Licht bestehendes Bild in ein Bild aus sichtbarem Licht umwandeln. Die bekannten elektronenoptischen Bildwandler haben den Nachteil, daß sie einen meist aus Glas hergestellten, relativ großen evakuierten Körper benötigen und mit hohen Spannungen betrieben werden müssen.

Neben diesen elektronenoptischen Bildwandlern gibt es auch bereits Festkörper-Bildwandler, die die Erscheinung der Elektrophotolumineszenz ausnutzen. Diese Festkörper-Bildwandler sprechen aber nur auf einen ganz bestimmten Wellenbereich an und erzielen außerdem auch keine großen Helligkeiten.

Neben Elektrophotolumineszenz-Bildwandlern gibt es auch noch sogenannte Elektrolumineszenz-Bildwandler oder Festkörperbildwandler, die normalerweise eine mit einer durchsichtigen Elektrode versehene Glasplatte aufweisen, auf die eine aus einem Pulver, beispielsweise aus Zinksulfid bestehende Schicht aufgebracht ist, die so präpariert ist, daß sie beim Anlegen einer Wechselspannung leuchtet. Auf dieser Lumineszenzschicht befindet sich noch eine photoleitende Schicht, beispielsweise aus Cadmiumsulfid, die ebenfalls mit einer durchsichtigen Elektrode kontaktiert ist. Im Betriebszustand wird an die beiden Elektroden eine Wechselspannung gelegt, die derart gewählt ist, daß der Leuchtstoff bei unbelichtetem Photoleiter noch nicht zum Leuchten kommt. Das Leuchten erfolgt vielmehr erst bei Belichtung der photoleitenden Schicht. (Philips Res. Repts. 15 368-389.1960)

Diese bekannten Elektrolumineszenz-Bildwandler haben den Nachteil, daß die Aussteuerung zur Übertragung eines hellen Bildes meist nicht ausreicht. Außerdem weist auch die photoleitende Schicht eine störende Kapazität auf, die das Auflösungsvermögen des Bildwandlers beeinträchtigen.

Durch die US-PS 3 043 958 ist ein Lichtverstärker bekannt, der aus der Hintereinanderschaltung einer Elektronenlumineszenzdiode mit pn-Übertragung und aus einem photoleitenden Bereich besteht. Wir bei dieser bekannten Anordnung an die Lumineszenzdiode eine Spannung in Flußrichtung angelegt, so wird eine Strahlung erzeugt, die den elektrischen Widerstand des photoleitenden Teils der Anordnung beeinflußt.

Durch die DT-AS 1 054 179 ist schließlich ein Festkörperbildwandler bekannt, welcher ebenfalls aus der Hintereinanderschaltung einer Lumineszenzdiode und eines photoleitenden Teils besteht. An den photoleitenden Teil ist eine Spannungsquelle angeschlossen, die einen Strom im photoleitenden Teil erzeugt, der durch die Rekombinationsstrahlung aus der Lumineszenzdiode beeinflußt wird. Der in den photoleitenden Teil fließende verstärkte Strom wird bei dem bekannten Bildwandler entweder zur Rekombinationsstrahlung in einen angrenzenden dritten Halbleiterkörper verwendet oder direkt von dem photoleitenden Teil in die Lumineszenzdiode injiziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperbildwandler anzugeben, dessen Herstellung in moderner Technik möglich ist und dessen Aufbau möglichst einfach ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Festkör-