DE1564142A1

DE1564142A1 - Elektrolumineszentes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1564142A1
Application number: DE19661564142
Authority: DE
Inventors: R E Fern; Kurt Weiser
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-08-02
Filing date: 1966-04-30
Publication date: 1970-01-08
Also published as: FR1478897A; US3493891A; GB1069780A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING; H.E. BÖHMER

7Q3 BOBLINGEN 8IN D ELFI N G E R S.TR AS S E 49 FERNSPRECHER (07031) 6613040

Böblingen, 28. April 1966 bu-le

Anmelder:

International Business Machines Corporation/ Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen:

Neuanme1dung

-Ak-tenz. der Anmelderin: Docket 10 877 Elektrolumineszentes Halbleiterbauelement.

Die Erfindung betrifft ein elektrolumineszentes Halbleiterbauelement, das als optischer Sender zur Abgabe stimulierter Strahlung verwendet wird.

Optische Halbleitersender dieser Art sind seit längerer Zeit bekannt. Um hiermit eine stimulierte Strahlung 3u erzeugen, ist ein Halbleiterbauelement erforderlich/ das einen p-n-Übergang besitzt. Wird nun ein Strom in Vorwärtsrichtung über diesen p-n-Übergarig übertragen, dann entsteht an diesem Stör-Stellenübergang eine Anregung zur Abgabe stimulierter Strahlung, Andererseits sind auch Halbleiterbauelemente, die keinen' p-n-Übergang besitzen, als optische Sender oder Verstärker betrieben worden, indem ein solcher Pestkörper entweder einer äusserst starken Lichtstrahlung oder einem intensiven Elektronenbombardement ausgesetzt worden ist, um eine Ladungsträgerinversion zur Abgabe stimulierter Strahlung herbeizuführen. Durch diese äusserst starke Lichtstrahlung oder durch das. intensive Elektronenbombardement werden Elektron-Loehpaare

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in dem Pestkörper erzeugt, die dann bei ihrer Rekombination " Qine stimulierte Strahlung emittieren.

Gegenüber der zuletzt genannten Art von optischen Sendern oder Verstärkern besitzt die zuerst genannte Art den großen Vorteil, daß eine direkte Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie stattfindet. Voxi Nachteil ist hierbei allerdings, daß hierbei nur solche Halbleitermaterialien verwendet werden können, aus denen sich Halbleiterbauelemente herstellen lassen,

müssen
die einen p-n-Ubergang besitzen/ Die Anwendung eines solchen optischen Halbleiter-Senders ist damit aber auf eine geringe Anzahl von Halbleitermaterialien beschränkt, die an sich aufgrund ihrer Eigenschaften zum Aufbau von optischen Halbleiter-Sendern wünschenswert wären.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein elektrolumineszentes Halbleiterbauelement bereitzustellen, das unter Vermeidung der obengenannten Nachteile als optischer Halhleiter-Sender verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das auf der gesamten Länge zwischen den Elektroden Halbleitermaterial eines einzigen Leitungstyps aufweisende Halbleiterbauelement zwei hochohmige Störstellenübergänge besitzt, bei denen sich zwar jeweils der Leitungstyp nicht ändert, aber von den Elektroden her gesehen jeweils ein Übergang von einem niedrigen auf einen höheren spezifischen Widerstand stattfindet. Gegenüber bisher bekannten optischen Halbleitersendern besitzt das erfindungsgemäße elektrolumineszente Halbleiterbauelement den großen Vorteil, daß die Richtung des Stromes durch das Halbleiterbauelement im we sent liehen belanglos ist, so daß als Injektionsstrom Impulse unterschiedlicher Polarität angelegt v/erden können. Ausserdem ist die ..nzahl der verwendungs-

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fähigen. Halbleitermaterialien gegenüber bisher nicht beschränkt. Bei Betrachtung der intermetallischen Verbindungen der Gruppen A II und B VI des periodischen Systems der Elemente lassen sich Halbleitermaterialien ermitteln, deren Anwendung für elektrolumineszente Halbleiterbauelemente durchaus wünschenswert wäre. Das ergibt eich schon daraus, daß deren Bandabstände geeignet sind, eine stimulierte Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums herbeizuführen, wenn eine Ladungsträgerrekombinationherbeigeführt Wird. Es ist jedoch bekannt, daß die meisten dieser intermetallischen Verbindungen, wie z.B. Cadmium Sulfid oder Zink-Tellurid sich nicht als p-n-Übergangsdioderi herstellen lassen, da. sie nur im p-Leitungstyp oder n-Leitungstyp-auftreten. Bei Anwendung der Lehre gemäß der Erfindung jedoch lassen sich diese Materialien jedoch ohne weiteres als elektrolumineszente Halbleiterbauelemente verwenden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung ein mangan-dotierter Gallium-Arsenid-Kristall verwendet wird, bei dem an zwei gegenüber- liegenden, Elektroden tragenden Seitenflächen Zink eindiflündiert ist. Gemäß einem · weiteren Erfindungsgedanken beträgt dabei der Abstand zwischen Elektrode und dem jeweils zugeordneten Störstellenübergang etwa 25/*m und der Abstand zwischen den Störstellenübergängen etwa

Bei Betrieb des elektrolumineszenten Halbleiterbauelements wird ein Strom angelegt, dessen Stromstärke oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegt, so daß sich ein Lawinendurchbruch in den relativ hochohmigen Übeigingszonen ergibt, welcher Ladungsträger der jeweiligen umgekehrten Polarität entstehen läßt, die dann bei Rekombination mit den Majoritäts ladungsträgern eine stimulierte Strahlung auslösen.

Weiterhin ist es für das elektrclunvineszente Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung belanglos, ob das Halbleiterbäu-

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element vom p-leitenden oder η-leitenden Typ ist. Wesentlich ist nur, daß eine ohmsche Leitfähigkeit innerhalb des gesamten Halbleiterkörpers gewährleistet ist. Durch geeignete Diffusionsverfahren ist es ausserdem möglich, die Zonen sehr hohen spezifischen .viderstandes so nahe aneinander zu rücken, daß im wesentlichen nur ein StöBtellenübergang wirksam ist, weil diese Zonen ineinander übergehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert_fund aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Halbleitersender oder Verstärkers,

Pig. 2 ein Widerstandsprofil des in der Darstellung nach Fig. 1 gezeigten Halbleiterkörpers,

Fig. 3 einen impulsbetriebenen optischen Halbleitersender oder Verstärker gemäß der Erfindung,

Fig. 4 den Verlauf des Spannungsabfalls längs des in Flg. gezeigten Halbleiterkörpers,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, bei der die Lichtstärke I in Abhängigkeit von der Stromstärke i des durch den Halblleiterkörper fließenden Stroms aufgetragen ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterkörpers 2 besteht aus einem

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Gallium-Arse-nid-Kristall, der mit Mangan dotiert ist. In die den Elektroden des Kristalls unmittelbar benachbarten Zonen ist Zink eindiffundiert. Diese Zonen sind in der Darstellung nach Pig. I mit 4 bzw., 6 bezeichnet* Die Elektroden 8 und 10 sind mit den Zuführungsleitungen 12 bzw» 14 verbunden, die an einer geeigneten Spannungsquelle Io liegen. -

Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Anordnung dient die graphische Darstellung nach Pig. 2, in der schematisch der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers als Punktion der Weglänge X, bezogen auf die positive Elektrode, aufgetragen ist. Hieraus ergibt sich, daß die Zonen 4 und β innerhalb des Halbleiterkörpers jeweils durch dünne hochohmige Zonen Rl bzw. R2 begrenzt sind. Die Breite dieser hochohmigen Zonen liegt in der Größenordnung von /im. Die graphische Darstellung nach Pig: 2 zeigt nur relative Werte und keine absoluten Werte für den spezifischen Widerstand der einzelnen Zonen. Wird nun eine Spannung U der Spannungsquelle lö an die Elektroden 8 und 10 ' angelegt, dann ist das elektrische PeId in den hochohmigen Widerstandszonen Rl und R2 am stärksten ausgebildet. Wird die Spannung U erhöht, dann wächst auch die jeweilige elektrische Feldstärke an den hochohmigen Widerstandszonen Rl und R2 entsprechend an, bis schließlich ein Lawinendurchbruch stattfindet. Während eines solchen Lawinendurdioruehs werden in einer oder in beiden hochohmigen Widerstandszonen Rl und R2 Elektronen erzeugt. Die auf diese "Weise erzeugten Elektronen wandern dann zur positiven Elektrode 8 ab, indem sie in der Zinkdiffusionszone 4 unter·. StrahlungsausSendung rekombinieren. Eine solche Strahlungsrekombination findet in geringem Maße auch während eines solchen Elektronenübergangs im Zusammenwirken mit den Mangan-Premdatomen statt. Aber eine solche Strahlungsrekombination liefert nur einen relativ geringen Beitrag gegenüber der Hauptstrahlung bei Lichtemfflission. Durch Umkehren der Polarität der angelegten Spannung U findet die oben beschriebene Lichtemission in der • gegenüber liegenden Zinkdiffusionszone β statt. Der erwähnte Lawinendurchbruch stellt einen zerstörungsfreien Vorgang dar, so daß die Li eiserzeugung zyklisch

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wiederholt werden kann. ·

In· Fig. 3 wird eine Anordnung gezeigt, bei der der optische Sender ' oder Verstärker gemäß der Erfindung durch Anlegen von alternierenden Impulsen, d.h., mit Impulsen jeweils unterschiedlicher Polarität, die den Elektroden & und 10 zugeführt werden, betrieben wird. Ein Impulsgenerator 3 gibt dabei eine Impulsfolge, wie sie in Fig. gezeigt ist, mit den Impulsen a, b, c und da ab. Wird nun der erfindungsgemäße optische Sender oder Verstärker in der in Fig. gezeigten Art und Weise betrieben, dann findet die Lichtemission abwechselnd links von der hochohmigen Widerstandszorie Rl und rechts von der hochohmigen Widerstandszone R2 statt.

Gemäß der Erfindung ist ebenfalls vorgesehen, daß ein nur p-leitender Kristall vorgesehen wird, bei dem die zwischen den hochohmigen Widerstandszonen Rl und R2 liegende Zone so eingeengt wird, daß die hochohmigen Widerstandszonen Rl und R2 ineinander übergehen. In einem solchen Falle wird dann'die Lichtemission einer im wesentlichen einzigen wirksamen hochohmigen Widerstandszone ausgelöst. D.h. aber, daß zur praktischen Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung das Vorhandensein von zwei hochohmigen Widerstandszonen in einem Halbleiterkörper nicht eine unbedingte Voraussetzung darstellt.

Zur Herstellung eines p-leitenden Kristalls für eine Anordnung gemäß Fig. 1 dient eine etwa 100 f^m dicke Scheibe eines Mangan-dotiefeen Gallium-Arseriid-Kristalls, die sich in einem Gefäß befindet, das ausserdem etwas Zink-Arsenid enthält. Das Gefäß wird evakuiert versiegelt und anschließend in einen Ofen eingegeben. Die Diffusion der Zink-Fremdatome in den Mangandotierten Gallium-Arsenid-Kristall wird für eine Dauer von etwa 3 Stunden bei einer Temperatur von 850⁰C vorgenommen. Zur Herstellung der ohmischen Elektroden 8 und 10 werden Indium-Plättchen oder dergleichen an die den Zink-Diffusionszonen benachbarten Flächenbereiche anlegiert.

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Zur Herstellung der Elektroden können"auch andere Maßnahmen, wie z.B. Plattieren, dienen. Bei einer beispielsweisen Ausführung beträgt die"Weite der zwischen den hochohmigen Widerstandszonen· Rl und R2 liegenden Zone.etwa 50 m, währenddie Breite der Diffusionszonen 4 und ο jeweils etwa 25 m Deträgt.

"Die graphische Darstellung nach Fig. 4 hat zur Voraussetzung, daß der gemäß oben beschriebenem Verfahren hergestellte Halbleiterkörper insgesamt vom p-leitenden Typ ist. Die Kurve in dieser graphischen Darstellung wird nämlich, erhalten, wenn ein Strom durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Fig. 1 übertragen wird, welches insgesamt gesehen eine p-leitende Struktur aufweist. Die Spannungssprünge an den Punkten A und.C in der Kurve der graphischen Darstellung nach Fig. 4 zeigen an, daß an diesen Stellen hochohmige Widerstandszonen in dem p-leitehden Material wirksam we? sindj diese hochohmigen Widerstandszonen entsprechend so den Zonen Rl und R2 an der jeweiligen Grenze zu den Zink-Diffusionszonen.

Der Spannungsabfallverlauf über die zwischen den hochohmigen Widerstandszellen Rl und R2 gelegene Zone entspricht dem erwarteten Verlauf, wenn davon ausgegangen wird, daß.der spezifische Widerstand des ursprünglichen Halbleitermaterials, also des vor dem Zlftk-Diffuslons-Vorgang, wirksam ist. Aus dem gezeigten Kurvenveriaufergibt sich demnach auch in der Praxis, daß die Eigenschaften der In Betracht kommenden Zone in keiner Weise durch die Zink-Diffusion beeinflußt v-örden sind. Durch Ätzen des Halbleiter-JfcÖppers.. in Fig. 1, so daß die Zink-Diffusionszonen abgeätzt worden sind, ist durch Messungen diese eindeutige Zuordnung zwischen der Lage der hochohmigen Widerstandszonen und den .Lagen de? jeweils in Betracht kommenden Grenzflächen der Zink-Diffusiönszonen bestätigt worden. ■

BarÜberhinaus zeigt die in Fig. 4 dargestellte Kurve, die in der Praxis für verschiedene Stromstärken jeweils den gleichen Verlauf

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besitzt, daß das Vorhandensein eines ρ-η-Übergangs in dem in Pg. 1 verwendeten Halbleiterkörpers ausgeschlossen werden muß. Desweiteren haben Untersuchungen gezeigt, daß die Stromspannungsabhängigkeit der hochohmigen Widerstandszonen in einem relativ

großen Spannungsbereich ohmisDhist, so daß sich hieraus ergibt, daß auch die hochohmigen Widerstandszonen p-leitende Halbleiterzonen darstellen. Da die Zink-Diffusionszonen 4 und 6 niederohmig und vom p-leitenden Typ und, wie oben nachgewiesen, die Mangan-dotierte Gallium-Arsenid-Zone vom p-Leitfähigkeitstyp sind, ist damit das gesamte Halbleitermaterial des in Pig. I gezeigten Halbleiterbauelements 2 vom p-Leitfähigteeitstyp.

An dieser Stelle sei betont, daß es in keiner Weise kritisch ist, in welcher V/eise das p-leitende Halbleiterbauelement, wie z.B. der in Fig. 1 gezeigte Mangan-dotierte Gallium-Arsenid-Kristall hergestellt ist, wenn nur sichergestellt wird, daß die zur Oberflächendotierung dienenden Fremdatome, wie z.B. Zink, bei der Diffusion in den Mangan-dotierten Gallium-Arsenid-Kristall' hochohmige V/iderstandszonen innerhalb des p-leitenden Halbleiterbauelements bereitstellen. In einigen Fällen wird es wünschenswert sein, eine Diffusion bei Oberflächendotierung herbeizuführen; in anderen Fällen konr: ein epitaXtiales Aufwachsen der Oberflächen schicht bevorzugt werden bei eir.ern solchen Herstellungsverfahren. Damitsoll gesagt sein, daß die Erfindung nicht durch die Art der Herstellung des p-leitenden Halbleiterbauelements beschränkt sein soll.

Das in Fig. 1 gezeigte Halbleiterbauelement, das ein entsprechend der graphischer. Darstellung nach Fig. 2 verlaufendes Widerstandsprofil besitzt, läßt sich ausserdern unter Verwendung anderer Dotierungsmittel als Zink und Mangan in Gallium-Arsenid herstellen. Darüberhinaus können nicht nur zwei verschiedene! eine p-Leitfähigkeit herbeiführende Dotierungsmittel, und zwar andere als Zink und· Mangan verwendet werden, sondern auch zwei verschiedene eine

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η-Leitfähigkeit herbeiführende Dotierungsmittel, um eine äquivalente Halbleiterstruktur vom n-Leitfähi'gkeitstyp bereitzustellen. Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß ähnliche Halbleiterbauelemente, ob sie nun insgesamt gesehen vom n-Leltfähigkeltstyp oder vom p-Leltfähigkeitstyp sind, auch aus anderen Halbleitermaterialien als Gallium-Arsenid gebildet werden können, wenn nur gewährleistet ist, daß bei ihrer Herstellung kein p-n-Übergang entsteht, jedoch aber hOchohmige Widerstandszonen gebildet werden, so daß die erfindungsgemäße •Wirkung herbeigeführt wird.

Das Halbleiterbauelement 2 in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 emittiert Licht, wenn ein Strom hindurch geleitet wird, und zwar als Ergebnis des oben diskutierten Lawinendurchbruchseffekts. Eine solche Lichtemission wird normalerweise als Elektrolumineszens bezeichnet, die sich aufgrund der ebenfalls oben beschriebenen Rekombinationserscheinung ergibt. Wird nun das in Fig. 1 gezeigte Halbleiterbauelement mit parallelen Oberflächen versehen, die in der Zeichenebene liegen, und hochgradig poliert sind, so daß das Licht in das elektrolumineszierende

TT-Ii--, ·i. ' τ. -ι- - " -L. ·· , .«-ι *, χ. · j. ' ^ ■ ι dann entsteht Halbleiterbauelement zuruckreflektiert werden kann,«»* unter der Wirkung des so gebildeten optischen Resonators eine selektiv- -fluoreszente Ausgangsstrahlung » Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß die Anordnung gemäß vorliegenden Erfindung eine elektrölumineszente Vorrichtung ist, die bei Anwendung eines geeigneten optischen Resonators als optischer.Sender oder Verstärker wirkt. Wenn also oben von Lichtemission die Rede gewesen ist," dann bezieht sich das auf die elektrölumineszente oder selektiv-. fluorescente Wirkung der Anordnung gemäß der Erfindung..

Die graphische Darstellung nach Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Lichtstärke I, gemssen In willkürlichen Einheiten,vom durch das Halbleiterbauelement fließenden Strom i In Ampere. Die -hier> gezeigten Kurven sind bei einer Temperatur von 4,2 K gemessen. Die Kurven 18 und 20 sind bei gegeneinander unterschiedlichen

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Stromrichtungen durch das Halbleiterbauelement ermittelt. Ein solcher Wechsel in der Stromrichtung hat demnach einen geringfügigen Unterschied zwischen den beiden jeweiligen Strom-Schwellenwerten zur Folge, in dem ein Schwellenwert ungefähr bei 0,6 Ampere und der andere ungefähr bei 0,75 Ampere liegt. Es ergibt sich aber auch weiterhin,. daß die Lichtemission, abgesehen von diesem geringfügigen Unterschied, unabhängig von der Stromrichtung im Halbleiterbauelement'ist. Wird der erfindungsgemäße optische Sender oder Verstärker bei höheren Stromstärken als den genannten Schwellenwerten betrieben, dann ist die selektiv-fluoreszente Wirkung des Halbleiterbauelements in der Anordnung nach Pig. I aus der spektralen Verteilung des emj/tierten Lichtes ohne weiteres zu ersehen.

Allgemein läßt sich also feststellen, daß aufgrund der Wirkung mindestens einer hochohmigen Widerstandszone in einem Halbleiterbauelement, dessen Halbleitermaterial zwischen den Elektroden nur einen einzigen Mtfahigkeitstyp besitzt, ein Lawinendurchbruch in der hochohmigen Widerstandszone entsteht, wenn ein bestimmter Schwellenwert der Stromstärke erreicht wird. Beim Auftreten dieses Lawinendurchbruchs entstehen Ladungsträger der jeweilig anderen Polarität, die bei Rekombination mit den Majoritäts-Trägern des jeweils verwendeten Halbleiterbauelements eine Liäitemission zur Folge haben. Besitzt so das z.B. in Fig. 1 gezeigte Halbleiterbauelement die hochohmigen Widerstandszonen Rl und R2 und ist das verwendete Halbleitermaterial ausschließlich vom n-lieitenden Typ, dann werden unter der Einwirkung des von der Spannungsquelle Io abgegebenen Stromes Löscher hervorgerufen. Hierbei ist es unbeachtlich, ob die Spannungsquelle eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung, wie z.B. Impulse, abgibt. Bei Rekombination dieser Löscher mit den in diesem Falle Majoritätsträger darstellenden Elektronen entsteht Lichtemission. Wenn im anderen Falle das Halbleiterbauelement nur aus p-leitentem Halbleitermaterial besteht, dann entstehen beim Lawine'ndurchbruch in den hochohmigen Widerstandszonen Elektronen, so daß bei Rekombination dieser Elektronen mit den in diesem Falle Löscher darstellenden Majoritätsträgern ebenfalls eine Lichtemission ausgelöst wird. 909882/0947

Claims

Ί bbk

P a ΐ e η. t a π s ρ r ü c ti e

· Elektrolumineszentes Halbleiterbauelement, dadurch ge ken-η- '-"-' zeichnet, daß das auf der gesamten Länge zwischen den Elektroden Halbleitermaterial eines einzigen Leitungstyps auf we ί Serie Halbleiterbauelement zwei hochohhiige Störstelienübergänge besitzt, bei denen sich zwar jeweils der Leitungstyp nicht ändert, aber von den Elektroden her gesehen jeweils ein Übergang von einem niedrigen auf einen höheren spezifischen Widerstand'stattfindet. ■
2. Elektrolumineszentes Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung ein„-s Mangan-dotierten GaI1ium-Arsenid-Kriställs an zwei gegenüberliegenden Elektroden tragenden Seitenflächen Zink eindiffundiert ist.
3. Elektrolumineszentes Halbleiterbauelement nach Anspruch

1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Elektrode und dem jeweils zugeordneten Störstellenübergang .■ etwa 25/im und der Abstand zwischen den Störstellenübergängeii etwa¹ 50Jint beträgt·.

4/ ^Verwendung des elektroramineszenten Halbleiterbauelements ^ίίΛ—nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Betrieb oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes, "der?., angelegten Stromstärke .

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