DE69419451T2

DE69419451T2 - Farbanzeige / Farbdetektor

Info

Publication number: DE69419451T2
Application number: DE69419451T
Authority: DE
Inventors: Robert George Watling Brown; Stephen Peter Najda
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1994-04-21
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2014-04-22
Also published as: GB9308300D0; EP0621646A3; GB2277405A; DE69419451D1; EP0621646A2; EP0621646B1; US5583351A; JPH077223A

Description

Die Erfindung betrifft Farbdisplays oder -detektoren sowie optoelektronische Elemente, die zur Verwendung in solchen geeignet sind. Insbesondere betrifft sie optoelektronische Halbleiterelemente und deren Herstellung sowie ein Halbleiter-Farb-Display/Detektor mit einer Vielzahl derartiger optoelektronischer Elemente. Die Erfindung betrifft auch ein Legierungsmaterial zur Verwendung bei der Herstellung derartiger optoelektronischer Elemente, Farbdisplays und -detektoren.
Bekannte Farbdisplays können in zwei Hauptarten eingeteilt werden: i) Vakuum- oder Röhrenanzeigen wie die Kathodenstrahlröhre oder Gasentladungslampe, und ii) dünne Flachbilddisplays wie Flüssigkristall- oder Elektrolumineszenzdisplays. Die vorstehenden Displayarten zeigen eine Anzahl von Nachteilen in Zusammenhang mit ihrer Herstellung und ihrem Gebrauch. Während die Herstellung und Massenfertigung von Kathodenstrahlröhren und Gasentladungslampen eine gut eingerichtete und zuverlässige Technologie bildet, sind diese Displays sperrig und relativ zerbrechlich. Außerdem verbrauchen Kathodenstrahlröhren, Gasentladungsröhren und dergleichen viel Leistung und sind daher für tragbare oder mobile Anwendungen ungeeignet. Die oben genannten Flachdisplays überwinden einige dieser Probleme dahingehend, dass sie im allgemeinen robuster sind, weniger Energie verbrauchen und weniger sperrig als Kathodenstrahlröhren und dergleichen sind. Sie sind auch zu Massenfertigung fähig, da zu ihrer Herstellung ähnliche Techniken angewandt werden können, wie sie bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden. Jedoch ist ihre Herstellung etwas komplizierter als die IC-Fertigung, da das optisch aktive Material zwischen zwei Substrate eingebettet werden muss. Außerdem tragen die Substrate Elektroden, wie sie dazu erforderlich sind, das optisch aktive Material zu stimulieren, sowie die zugehörigen Signalleitungen, was zu einer komplizierten Mehrschichtstruktur führt. Nachteile bekannter Flachdisplays bestehen darin, dass sie schlechte Farbgleichförmigkeit, geringe Auflösung, kleinen Betrachtungswinkel und geringe Helligkeit aufweisen und im Vergleich zu Kathodenstrahlröhren und dergleichen langsam auf die Aktualisierung von Information reagieren.
Bekannte Farbdetektoren können in drei Hauptarten eingeteilt werden:
(i) Vakuum- oder Röhrendetektoren wie Orthicon- oder Vidicon(TM)-Röhren;
(ii) dünne, flache Detektoren wie Photodioden, die so optimiert oder dotiert sind, dass sie eine spezielle Wellenlänge, oder ein Band von Wellenlängen, von Licht erfassen; und
(iii) dünne, flache Detektoren wie ladungsgekoppelte Bauteile (CCD) unter Verwendung von Farbfiltern.
Die vorstehenden Farbdetektoren zeigen eine Anzahl von Nachteilen in Zusammenhang mit ihrer Herstellung und ihrem Gebrauch, insbesondere dann, wenn sie als Vollfarbendetektoren verwendet werden.
Im Fall von Vidicon(TM)-Röhren umfasst ein Vollfarbendetektor entweder drei gesonderte Röhren, wobei in jede Röhre eine Primärfarbe eingegeben wird, oder eine einzelne Röhre mit einem speziellen Targetsystem in Form einer Matrix mit Farbunterscheidungseigenschaften. Licht, das auf einen Vollfarbendetektor unter Verwendung einer Vidicon(TM)-Röhre oder derartiger Röhren fällt, wird durch optische Filter in seine Primärfarbkomponenten aufgeteilt. Demgemäß ist der Detektor wegen der elektrischen Komponenten, die zum Erzeugen und Steuern des abrasternden Elektronenstrahls und der im Detektor erforderlichen optischen Komponenten erforderlich sind, sperrig und schwer. Er reagiert auch empfindlich auf Schwingungen, die eine Fehlausrichtung des Elektronenstrahls und der optischen Komponenten hervorrufen.
Photodioden sind zur Verwendung bei einem Vollfarbendetektor ungeeignet, da eine Triade dreier Photodioden, von denen jede für eine andere Primärfarbe optimiert ist, dazu erforderlich ist, eine einzelne Farbbildzelle zu bilden. Wegen der Aufbaumaterialien, der Dotierungsmaterialien oder wegen verschiedener Dotierungsmengen für verschiedene Farben optimierte Photodioden ist es sehr schwierig, Triaden herzustellen, bei denen jede Photodiode ausreichend nahe an ihren Nachbarn liegt, um als Teil derselben Bildzelle zu erscheinen. Aus diesem Grund sind Photodioden und dergleichen für Farbkameraanwendungen ungeeignet.
Vollfarbendetektoren unter Verwendung von CCDs zeigen eine Anzahl von Vorteilen gegenüber Vakuum- oder Röhrenvorrichtungen, da sie kleiner sind und höhere physikalische und optische Stabilität aufweisen. Dennoch erfordern CCD-Vollfarbendetektoren immer noch einiges an Farbfilterung bei entweder einem Mehrröhren- oder einem Einzelröhrenformat. Dies führt erneut zu uner wünschter Sperrigkeit und unerwünschtem Gewicht. Ein weiterer Nachteil von CCD-Vollfarbendetektoren besteht darin, dass dann, wenn sie als Target in Farbkameras verwendet werden, sie nicht angemessene Schärfe zeigen und schlechte Auflösung aufweisen.
Viele der Nachteile in Zusammenhang mit bekannten Farbdisplays und -detektoren beruhen auf der Tatsache, dass die bisher bekannten optoelektronischen Elemente, die dazu verwendet werden können, im Spektralbereich von sichtbarem Rot bis zu sichtbaren Blau (und auch im UV) zu arbeiten und im wesentlichen aus denselben Materialien bestehen, unbekannt waren. Dies führte zu optoelektronischen Bauelementen, die auf verschiedenen Substraten aufgebaut waren und komplizierte und sperrige gegenseitige Verbindungen aufwiesen. Ferner wurden bekannte optoelektronische Bauelemente nicht auf Siliciumsubstraten hergestellt. Im Ergebnis konnten die wohlbekannten Techniken der Silicium-VLSI-Technologie nicht monolithisch bei optoelektronischen Bauelementen verwendet werden.
Insbesondere hat es sich gezeigt, dass optoelektronische Bauelemente, die ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke aufweisen, die ausreichend breit dafür ist, blaues Licht zu emittieren/zu absorbieren, sehr schwierig auf kontrollierte und systematische Weise zu züchten und zu dotieren sind. II- VI-Verbindungshalbleiter zeigen zwar geeignete Bandenergien für blaues Licht, jedoch sind sie nicht zur Abscheidung auf einem Siliciumsubstrat geeignet, und sie müssen unbedingt bei niedrigen Temperaturen arbeiten. Als Alternativen zu II-VI-Verbindungen wurden Nitridhalbleiter mit großer Bandlücke mit variierendem Erfolg untersucht. Obwohl blaues Licht von GaN-Bauelementen emittiert wurde, müssen derartige Bauelemente auf Saphirsubstraten aufgebaut werden, was für kommerzielle Anwendungen in verhindernder Weise teuer ist, und die Qualität des sich ergebenden Materials war wegen Gitterfehlanpassung zum Substrat und wegen der Einführung von Stickstoffleerstellen Grund der relativ hohen Züchtungstemperaturen schlecht.
Beispiele bestimmter bekannter Festkörper-Farbdetektorelemente, die keine Farbfilter verwenden sondern Anordnungen von Detektorelementen enthalten, die auf verschiedene Farbanteile des elektromagnetischen Spektrums empfindlich sind, sind in EP-A-0 166 787, US-5,138,416 offenbart. Gemäß EP-A- 0 166 787 sind die Bauelemente Phototransistoren mit elektrostatischer Induktion (SIT = electrostatic induction phototransistor), die auf dem Prinzip arbeiten, dass das Gatepotential eines SIT durch auf ihn gerichtetes Licht bestimmt wird. Strukturabmessungen von SITs wie Diffusionstiefen der SIT-Gatebereiche werden variiert, um für die erforderliche Selektivität der spektralen Empfindlichkeit zu sorgen. Das Ansprechverhalten auf blaues Licht wird dadurch verbessert, dass die Dicke der Verarmungsschicht begrenzt wird.
Gemäß US-5,138,416 wird ein mehrschichtiges photoempfindliches Farbelement aus III-V-Legierungshalbleitern hergestellt. Die Ladung vom photoempfindlichen Element wird entsprechend der Zeit gesammelt, die durch rotes, grünes und blaues Licht angeregte Ladungsträger dazu benötigen, durch die Schichten zu laufen. Der vom Element erhaltene resultierende Signalverlauf zeigt zeitliche Merkmale, die von den Beleuchtungsfarben abhängen.
Beispiele bestimmter bekannter Festkörper-Farbdisplays, einschließlich Elektrolumineszenzelementen, die unter verschiedenen Farben emittieren, sind in US-2,890,170 und US-4,211,586 offenbart. Gemäß US-3,890,170 werden zwei Matrizen roter LEDs bzw. grüner LEDs integriert, und sie können für eine rote, grüne oder orange Anzeige sorgen. Die roten LEDs bestehen aus Galliumarsenidphosphid, und die grünen LEDs bestehen aus Galliumphosphid, und die gesamte LED-Anordnung ist auf einem monolithischen Halbleitersubstrat aus Galliumarsenid oder -phosphid ausgebildet. Auf dem Substrat sind für jede Matrix Zeilen- und Spaltenadressenleitungen vorhanden, damit ein Abtastsystem für logische Adressen ein Aufleuchten der einzelnen LEDs bewirken kann, um eine Anzeige alphanumerischer Zeichen oder von Graphik zu erzeugen.
Gemäß US-4,211,586 wird eine Anordnung roter, grüner, oranger und gelber Lichtemissionsdioden auf einem gemeinsamen Galliumarsenidsubstrat hergestellt. Ein Epitaxiebereich aus GaAs1-xPx mit Gradation in vertikaler Richtung wird selektiv auf verschiedene Tiefen geätzt, und Dioden mit verschiedener Farbemission werden mit ausgewählten Konzentrationspegeln im Epitaxiebereich ausgebildet.
Bei keinem dieser Farbdisplays ist eine Vollfarbenanzeige möglich, da die verwendeten Materialien kein blaues Licht emittieren können.
Ein Halbleiter-Lichtemissionsbauelement, das zur Emission blauen Lichts angepasst werden kann, ist in EP-0 496 030 offenbart. Das Bauelement verfügt über Mischkristalle aus AlGaInN-Verbindungshalbleitern, die als Epitaxieschicht mit Gitteranpassung auf einem Substratkristall aus ZnO hergestellt sind.
Spezielle LED-Konstruktionen zur Emission blauen Lichts sind in GB-A- 2250635 und US 5,005,057 offenbart. Gemäß GB-A-2250635 wird eine epitaktisch auf eine Pufferschicht, die ihrerseits durch Epitaxie auf einem Halbleitersubstrat aus Zinksulfid, Zinkselenid oder einem Mischkristall hieraus hergestellt wurde, aufgewachsene Lumineszenzschicht aus Aluminiumnitrid, Indiumnitrid, Galliumnitrid oder einem Mischkristall mindestens zweier derartiger Nitride hergestellt.
Gemäß US 5,005,057 verfügt eine blaue LED entweder über Übergitterstruktur mit abwechselnd aufgestapelten BP- und GaxAl1-xN-(0 ≤ x ≤ 1)-Schichten oder Mischkristallstruktur aus GaxAlyB1-xyNzP1-z-(0 ≤ x, y, z ≤ 1 und x + y ≤ 1). Es sind Einzel- und Doppelheteroübergangsstrukturen offenbart.
Die Erfindung zielt darauf ab, die oben genannten Nachteile bekannter Farbdisplays zu überwinden und ein Farbdisplay zu schaffen, das dünn, leicht, robust, einfach herstellbar ist, wenig Energie verbraucht und dennoch über hohe Werte für die Helligkeit und Auflösung und einen großen Bereich von Betrachtungswinkeln verfügt.
Die Erfindung zielt auch darauf ab, die oben genannten Nachteile bekannter Farbdetektoren zu Lindern und einen Farbdetektor zu schaffen, der leicht, robust, einfach herstellbar, von vereinfachter Konstruktion ist und einen hohen Auflösungsgrad zeigt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bestimmte III-V-Nitridlegierungen durch geeignete Wahl der Elementzusammensetzungsverhältnisse so hergestellt werden können, dass sie zu einem üblicherweise verwendeten Materialsubstrat (Si oder GaP) im wesentlichen gitterangepasst sind, und um die Basis für ein optoelektronisches Element zu bilden, das durch geeignete Dotierungs- oder Quanteneingrenzungstechniken dazu veranlasst werden kann, Licht bei jeder beliebigen gewünschten Wellenlänge im Bereich des elektromagnetischen Spektrums vom sichtbaren Rot bis Ultraviolett einschließlich blau zu emittieren/zu absorbieren.
Gemäß einer Erscheinungsform ist durch die Erfindung ein optoelektronisches Element geschaffen, das auf einem Substrat ausgebildet ist und eine III-V- Nitridlegierung enthält, die im Wesentlichen an das Substratgitter angepasst ist und so ausgebildet ist, dass sie Licht mit einer gewünschten Wellenlänge im dem sichtbaren Licht entsprechenden Bereich emittiert/absor biert, und die eines der folgenden Materialien ist: InpAl1-pN1-rSbr, 0 ≤ p ≤ 1, 0 < r < 1 und AlaGa1-aNb(AscSb1-c)1-b, 0 ≤ a ≤ 1, 0 < b < 1, 0 ≤ c ≤ 1.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Substrat entweder aus Silicium oder Galliumphosphid.
Vorzugsweise verfügt das Element über einen aktiven Bereich aus InNSb oder GaAsN und einen Barrierebereich aus AlNSb.
Bei einer Ausführungsform umfasst der aktive Bereich einen aktiven Quantentrogbereich aus InN1-ySby, wobei y im Bereich 0,32 ≤ y ≤ 0,38 liegt, und Barrierebereiche aus AlN1-xSbx, wobei x im Bereich 0,57 ≤ x ≤ 0,63 liegt.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der aktive Quantentrogbereich GaAsz-1Nz, wobei z im Bereich 0,17 ≤ z ≤ 0,23 liegt, und Barrierebereiche aus AlN1-xSbx, wobei x im Bereich 0,57 ≤ x ≤ 0,63 liegt.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist durch die Erfindung ein Halbleiter-Farb-Display/Detektor mit einer Vielzahl optoelektronischer Elemente, wie sie oben definiert sind, geschaffen, wobei diese Vielzahl ein erstes Element und ein zweites Element aufweist, die auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind und zu diesem im Wesentlichen gitterangepasst sind, und sie dazu in der Lage sind, Licht mit jeweils verschiedenen vorbestimmten Wellenlängen zu emittieren/absorbieren.
Ein besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Displays/Detektors besteht darin, dass Herstellung in einem "einstufigen" Epitaxiezüchtungsprozess möglich ist, ohne gesonderte Komponenten anzubringen und optisch aktives Material zwischen Substrate einzufügen.
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist ein Halbleiter- Farbdisplay mit folgendem geschaffen: einem einzelnen Substrat und einer Anordnung elektrolumineszenter Lichtemissionselemente, die auf dem einzelnen Substrat ausgebildet sind und mit der Kristallstruktur desselben im Wesentlichen gitterangepasst sind, wobei die Elemente der Anordnung jeweils in Form eines optoelektronischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorliegen und die Anordnung für Vollfarbenanzeige ausgebildet ist und sie Elektrolumineszenzelemente für Rot, Grün und Blau aufweist, die im Wesentlichen ähnlich den III-V-Nitridlegierungszusammensetzungen ausgebildet sind, die durch Einbau von Quanteneingrenzung und/oder durch Dotierungsvariation hinsichtlich ihrer jeweiligen Emissionswellenlängen abgestimmt sind.
Nun wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine spezielle Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die zur Verwendung als Farbdisplay ausgebildet ist.
Fig. 1 ist ein Diagramm der Energielücke (eV), das über der Gitterkonstante (Å; 1Å = 0,1 nm) für einen jeweils interessierenden Halbleiter aufgetragen ist;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer InN0,65Sb0,35/AlN0,4Sb0,6-Quantentrogstruktur für drei verschiedene Trogweiten, um rote, grüne und blaue Emission zu erzielen;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Vertikalresonatorlaser-Subpixelstruktur, und es spezifiziert die Schichtzusammensetzung zum Ausbilden des aktiven Quantentrogbereichs;
Fig. 4 zeigt weitere Einzelheiten der Halbleiterschichten innerhalb der in Fig. 3 dargestellten Subpixelstruktur;
Fig. 5a zeigt ein schematisches Diagramm dreier Subpixel, die eine Rot/Blau/Grün-Baugruppe bilden, die ein Vollfarbenanzeige-Pixel bildet;
Fig. 5b zeigt einen Teil einer Anordnung von Vollfarbenanzeige-Pixeln gemäß Fig. 5a, die ein Vollfarben-Flachdisplay bildet;
Fig. 5c und 5d veranschaulichen schematisch andere mögliche Anordnungen von Subpixeln in Vollfarben-Pixelanordnungen;
Fig. 6 veranschaulicht, mit fortschreitender Vergrößerung, den Aufbau eines Displays aus Subpixeln mit Quanteneingrenzungsstruktur(en), die baugruppenmäßig zu RGB-Pixeln zusammengefasst sind, die baugruppenmäßig zu einer Anordnung von Farbpixeln zusammengefasst sind;
Fig. 7 veranschaulicht, wie ein erfindungsgemäßes Display, typischerweise mit Pixeln, mit einem Signaladressierungsschema versehen werden kann;
Fig. 8 veranschaulicht schematisch eine grundlegende Ansteuerungsschaltung zum Ansteuern eines erfindungsgemäßen Displays;
Fig. 9 zeigt schematisch eine Abfolge von Schritten zur Herstellung einer Pixelanordnung; und
Fig. 10 zeigt, wie Mikrolinsen über jedem Pixel positioniert werden können, um die scheinbare Helligkeit des Displays durch Beschränken des Emissionsraumwinkels zu verbessern.
Die folgende Beschreibung beschreibt ein Halbleiter-Farbdisplaysystem mit einer Vielzahl von aus einer Nitridlegierung hergestellten optoelektronischen Bauelementen. Die optoelektronischen Bauelemente werden mit Bandlücken hergestellt, die zur Lichtemission von rot bis blau geeignet sind, und sie werden unter Gitteranpassung durch ein Silicium(Si)substrat getragen.
Einstellbarkeit der Wellenlänge wird durch die Quanteneingrenzungseigenschaften der Halbleiter-Nanostruktur und/oder durch Variieren der Legierungszusammensetzung erzielt. Nanostrukturkristalle hoher Qualität können durch Molekularstrahlepitaxie-Techniken gezüchtet werden. Eine Beschreibung von Quanteneingrenzungstechniken und Halbleiter-Nanostrukturen sowie eine Erläuterung der in der folgenden Beschreibung verwendeten Terminologie findet sich z. B. in "Physics and Applications of Semiconductor Microstructures", M. Jaros, Oxford University Press.
Nun folgt eine speziellere Beschreibung des Halbleitersystems, wie es in einem später beschriebenen Halbleiter-Farbdisplay verwendet wird.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Energielücke (eV) über der Gitterkonstante (Å; 1Å = 0,1 nm) für interessierende Halbleiter. Die vertikale Linie bei 0,54 nm entspricht der Gitterkonstante von Silicium. Der offene Kreis bezeichnet den Γ-Punkt, und Kreuze bezeichnen den X-Punkt des Leitungsbandminimums für jeden jeweiligen Halbleiter. Die dargestellten X-Punkte gelten für AlSb und AlN. Es wird lineare Interpolation zwischen den binären Verbindungen dazu verwendet, eine Abschätzung für die Bandlücken einer Legierung zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, dass lineare Interpolation nur zu einem Schätzwerzt der Bandlückenenergie führt, da der Effekt der Bandbiegung durch Legierungen (d. h., dass tatsächlich nicht lineare Interpolation zwischen der Bandlückenenergie jeweiliger binärer Verbindungen erforderlich ist) die Bandlückenenergie um einige wenige Prozent ändert.
In Fig. 1 repräsentiert der Punkt A auf der InN-InSb-Linie eine InNSb-Legierung, die 65% Stickstoff enthält. Aus der Figur ist erkennbar, dass eine derartige InNSb-Legierung, die 65% Stickstoff enthält, an Siliciumgitter angepasst ist und eine Bandlücke mit direktem Übergang entsprechend 1,5 eV aufweist. Eine derartige InNSb-Legierung kann durch eine AlNSb- Barriere quantenmäßig eingegrenzt werden, um eine Quantentrogstruktur zu bilden. Auch repräsentiert der Punkt B auf der GaN-GaAs-Linie eine GaAsN- Legierung, die 22% Stickstoff enthält. Aus der Figur ist erkennbar, dass eine derartige GaAsN-Legierung, die 20% Stickstoff enthält, an Siliciumgitter angepasst ist und eine Bandlücke mit direktem Übergang entsprechend 1,83 eV (680 nm) aufweist. Eine derartige GaAsN-Legierung kann durch eine AlSbN-Barriere quantenmäßig eingegrenzt werden, um eine Quantentrogstruktur zu bilden. AlSb ist ein indirekter Verbindungshalbleiter mit einem X-Punkt von 1,6 eV und einem Γ-Punkt von 2,2 eV ab der Valenzbandkante. Auch ist aus Fig. 1 erkennbar, dass eine Interpolation des Γ-Punkts von AlN auf AlSb ergibt, dass eine durch einen Punkt C repräsentierte Legierungszusammensetzung AlN0,4Sb0,6 eine direkte Lücke von 4,0 eV aufweist und einerseits sowohl an InN0,65Sb0,35 und Silicium als auch andererseits an GaAs0,8N0,2 und Siliciumgitter angepasst ist.
Die Emissionswellenlänge eines unter Verwendung von InNSb hergestellten optoelektronischen Bauelements kann dadurch abgestimmt werden, dass ein kleiner Bruchteil des Indiums durch Aluminium ersetzt wird, um dadurch die Energielücke der Struktur zu erhöhen, ohne den Gitterparameter wesentlich zu ändern, oder es können Quanteneingrenzungstechniken verwendet werden, wobei die Quantentrogbreite dadurch geändert wird, dass die Dicke der InNSb-Legierungsschicht geändert wird, oder es werden aus dem Halbleitersystem Quantentrogdrähte und -punkte hergestellt. Alternativ kann eine Kombination aus Al-Dotierung und Quanteneingrenzung verwendet werden. So ist es möglich, die Bandlückenenergie des Quantentrogbereichmaterials, InNSb, so abzustimmen, dass sie Energieübergängen entspricht, wie sie zum Emittieren von Licht in Wellenlängen entsprechend rot, grün oder blau geeignet sind. Dies ist besonders vorteilhaft in bezug auf die Emission blauen Lichts, da bisher kein blaues Licht emittierendes Material hergestellt wurde, das an Siliciumgitter angepasst war.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine InN0,65Sb0,35/AlN0,4Sb0,6-Quantentrogstruktur verwendet, um für optimale Gitteranpassung an ein Siliciumsubstrat zu sorgen. Jedoch ist eine Gitter fehlanpassung von bis zu ungefähr 5% tolerierbar; größere Fehlanpassungen führen im allgemeinen zu Defekten, die das Funktionsvermögen des Bauelements beeinträchtigen. Die Zulässigkeit einer derartigen Gitterfehlanpassung sorgt für Variationsmöglichkeit der Bestandteilverhältnisse in den obigen Legierungen des Bauelements. Genauer gesagt, kann die bevorzugte Legierungszusammensetzung für die Barriere durch AlN1-xSbx repräsentiert werden, wobei x der Beziehung 0,57 ≤ x ≤ 0,63 entspricht, während die bevorzugte Nitridlegierungszusammensetzung für den Quantentrog durch InN&sub1;&submin; ySby repräsentiert werden kann, wobei y der Beziehung 0,32 ≤ y ≤ 0,38 genügt.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem eine GaAsN/AlNSb-Quantentrogstruktur verwendet wird, kann ebenfalls an Siliciumgitter angepasst werden, wie es aus Fig. 1 erkennbar ist. Wenn ein zulässiger Grad an Gitterfehlanpassung berücksichtigt wird, kann die bevorzugte Legierungszusammensetzung für die Barriere erneut als AlN1-xSbx repräsentiert werden, wobei x der Beziehung 0,75 ≤ x ≤ 0,63 genügt, während die bevorzugte Nitridlegierungszusammensetzung für den Quantentrog durch GaAs1-zNz repräsentiert werden kann, wobei z der Beziehung 0,17 ≤ z ≤ 0,23 genügt. Eine Wellenlängenabstimmung kann dadurch erzielt werde, dass ein kleiner Bruchteil des Galliums durch Aluminium ersetzt wird, und/oder durch Quanteneingrenzung.
In den Fig. 2a bis 2c ist ein schematisches Diagramm einer InN0,65Sb0,35/ AlN0,4Sb0,6-Quantentrogstruktur für drei verschiedene Trogbreiten, nämlich 20 nm, 10 nm und 5 nm dargestellt. Die Struktur 1 umfasst in jeder dieser drei Figuren einen Quantentrogbereich 2 aus einer Trogschicht aus InN0,65Sb0,35, die zwischen zwei Barriereschichten 3 aus AlN0,4Sb0,6 eingebettet ist. Aus den Fig. 2a bis 2c ist erkennbar, dass eine derartige Struktur für eine Erhöhung der Bandlückenenergie des Bandtrogmaterials für eine entsprechende Verkleinerung der Trogbreite sorgt. Diese Figur demonstriert die Abstimmbarkeit der Wellenlänge unter Verwendung von Quanteneingrenzung, wie im AlInNSb-Halbleitersystem erzielbar. Wie oben angegeben, kann eine Abstimmbarkeit alternativ in einer Struktur erzielt werden, in der die Quantentrogbreite konstant gehalten wird, wenn Aluminium in den Quantentrog eingeführt wird, um die Bandlückenenergie zu erhöhen. Auf diese Weise können ähnliche Legierungszusammensetzungen, die alle die grundlegende InNSb-Zusammensetzung aufweisen, jedoch verschieden dotiert sind, dazu verwendet werden, Licht mit verschiedenen Wellenlängen im Sichtbaren zu erzeugen.
Silicium ist ein sehr wichtiges Material in der Elektronik, und das spezielle Ausführungsbeispiel beruht daher auf Quanteneingrenzungsstrukturen unter Verwendung des InAlNSb-Legierungssystems, die im wesentlichen an ein Siliciumwafersubstratgitter angepasst sind und auf diesem aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Siliciumsubstrats besteht darin, dass Wafer mit einem Durchmesser bis zu 8" zuverlässig hergestellt wurden und derart bemessene Wafer zur Verwendung bei Displays für tragbare "Hand"- Fernseher geeignet sind.
Die Stabilität der Legierungen InN1-ySby/AlN1-xSbx, die an Siliciumgitter angepasst sein müssen (0,57 ≤ x ≤ 0,63), (0,32 ≤ y ≤ 0,38), kann theoretisch unter Verwendung der Standardtheorie von Stringfellow (J. Electronic Materials, Vol. 11, No. 5, Seiten 903 usw., 1982) demonstriert werden.
Stringfellow liefert eine Formel für die kritische Temperatur Tc, über der die Legierung hinsichtlich spinodaler Zersetzung stabil ist.
Es sei die Gibbs'sche freie Energie, die zur Tendenz einer Destabilisierung der Legierung führt, zusammen mit der Spannungsenergie, die so wirkt, sie zu stabilisieren, betrachtet. Aus der Gleichung 6 der obigen Literaturstelle ergibt sich:
Tc = Tg - Ts
mit
Tg = 8,75KΔa²x(1-x)/Ra&sub0;4,5
Ts = EΔa²/1(1-ν)RNa&sub0;²
mit K = 1,15 · 10&sup7; cal/mol Å2,5
R = Gaskonstante
E = Young-Modul
ν = Poisson-Verhältnis
Nv = Molanzahl/Einheitsvolumen
a&sub0; = Gitterkonstante der Legierung
Δ = Differenz zwischen der Gitterkonstante der binären Endelemente
x = Zusammensetzungsbruchteil
Daraus ergibt sich
Tg = 5.05x10&sup7; 1/a&sub0;2,5(Δa/a&sub0;)² x(1-x) (Grad x)
Ts = 1,36x10³a&sub0;³(Δa/a&sub0;)² (Grad K)
Damit die Legierung bei jeder Temperatur stabil ist, muss TS > TG oder TS/TG > 1 gelten.
Daher ergibt sich:
TS/TG = 2,69x10&supmin;&sup5; a&sub0;5,5/x(1-x)
wobei a&sub0; in Å gemessen ist.
Für das Aufwachsen auf Silicium gilt a&sub0; = 5,4.
Daraus ergibt sich InN0,65Sb0,35 = 1,26 AlN0,4Sb0,6 = 1,195
So sind die Tröge und Barrieren einer AlInNSb-Legierung stabil, wenn Gitteranpassung an Silicium besteht.
Es wurden ähnliche Berechnungen auf Grundlage der Theorie von Stringfellow ausgeführt, um die Stabilität der bereits für das AlGaAsNSb-System vorgeschlagenen Legierungen zu demonstrieren, nämlich GaAs1-zNz/AlN1-xSbx (0,57 ≤ x ≤ 0,63), (0,17 ≤ z ≤ 0,23).
Das zur Herstellung der Legierungsschichten verwendete Verfahren kann auf in der Technik bekannten vorhandenen Techniken beruhen. Z. B. werden im vorgeschlagenen AlInNSb-System Techniken verwendet, die aus solchen entwickelt wurden, die dazu verwendet werden, InSb und Nitridmaterialien, wie in der technischen Literatur wohlbekannt, herzustellen: [siehe (1) GaN, AlN und InN; Review J. Vac. Sci. Tech., B 10, 4, 1237 (1992); (2) Eg = 2,2 eV - Bandlücke für InN; D.W. Jenkins. R.D. Hong, J.D. Dow, Superlat. Microstruc., 3, 365, (1987); (3) a = 4,98 Å - Gitterkonstante für InN; S. Strite, J. Ruan, David J. Smith, J. Soiel, N. Manning, W.T. Choyke und N. Morkoc, Bull A.P.S., 37, 346 (1992)].
Ein Verfahren zum Herstellen der gemäß der Erfindung beschriebenen Legierungssysteme umfasst die Verwendung von entweder CVD(chemische Dampfniederschlagung/Epitaxie)- oder MBE/CBE(Molekular- oder chemische Strahlepitaxie)-Technologien (siehe Crystal Growth von A.W. Vere, Plenum Press, 1987). Elementequellen für Al, In und Sb sind zur Verwendung bei diesen Züchtungssystemen wohlbekannt. In jüngerer Zeit wurden Nitridmaterialien intensiv untersucht, und es sind zwei Stickstoffquellen bekannt - die Verwendung von Ammoniak und die Verwendung einer Radikalionenquelle (oder eines Plasmas).
Die Betriebsparameter und der Ablauf für das Schichtzüchtungssystem unter Verwendung einer gewählten Maschine können vom Züchtungsfachmann leicht erstellt werden, um zu erzielen, dass die genauen Züchtungsbedingungen und die erforderlichen Legierungsverhältnisse, wie bereits unter Bezugnahme auf die Theorie von Stringfellow demonstriert, stabil sind.
Das oben beschriebene quaternäre InAlNSb-Legierungssystem mit InNSb-Trögen und AlNSb-Barrieren kann im allgemeinen einfacher hergestellt werden, als das quintäre AlGaAsSbN-Legierungssystem mit GaAsN-Trögen und AlNSb-Barrieren. Es ist insgesamt eine Elementquelle weniger erforderlich, wenn die erstere Legierung verwendet wird, und die Steuerung des Schichtzüchtungsprozesses ist weniger kompliziert, da zwei der Elemente, nämlich N und Sb sowohl in den Trog- als auch den Barrierezüchtungsschritten dauernd abgeschieden werden, während nur ein Element umgeschaltet wird, nämlich In Al.
Nachdem die theoretische Grundlage für die Wahl spezieller Halbleiterlegierungssysteme beschrieben wurde, die dem Erfordernis einer Gitteranpassung an das Substrat und dem Wellenlängenbereich für die Licht-Emission/Erfassung genügen, und nachdem auf das ins Auge gefasste Herstellverfahren Bezug genommen wurde, werden nun geeignete Bauelementstrukturen beschrieben, die diese Systeme realisieren.
Ein Farbelement, oder Subpixel, eines Halbleiterdisplays umfasst eine Struktur mit Quanteneingrenzung, wobei die Bandlücke-Emissionswellenlänge auf eine der Wellenlängen der drei Primärfarben, d. h. rot, grün, blau, abgestimmt ist.
Ein schematisches Diagramm einer typischen Vertikalresonatorlaser-"Subpixel"struktur ist in Fig. 3 dargestellt, und ein Schichtdiagramm der vollständigen Struktur für 1 Subpixel ist in Fig. 4 dargestellt.
Die InNSb/AlNSb-Struktur des Vertikalresonatorlasers oder Oberflächen emittierenden Lasers, wie in Fig. 3 dargestellt, umfasst einen Quantentrogbereich 5, dessen Ober- und Unterseite durch optische Reflektoren 6a, 6b bedeckt ist. Wie dargestellt, umfasst der Quantentrogbereich 5 eine aktive Quantentrogschicht 5a aus InN0,65Sb0,35, die zwischen zwei Sperrschichten 5b aus AlN0,4Sb0,6 eingebettet ist. Die Bragg-Reflektoren 6a, 6b an der Ober- und der Unterseite des Bereichs 5 sind so angeordnet, dass sich Licht im Laserresonator in einer Richtung im wesentlichen rechtwinklig zu einem Siliciumsubstrat 7 erstreckt, auf dem die Laserstruktur ausgebildet ist, was diesem speziellen Lasertyp seinen Namen verleiht. Der Laserresonator 5, 6 ist durch einen SiO&sub2;-Isolator 8 mit Öffnungen 9 und 10 oben und unten am Laserresonator umgeben, so dass Licht durch die obere Öffnung emittiert werden kann, während mit dem unteren Reflektor 6b eine Elektrode 11 elektrisch verbunden werden kann. Eine weitere Elektrode 12 wird elektrisch mit dem oberen Reflektor 6a verbunden. Die Reflektoren umfassen ein Laminat aus stark reflektierenden InAlSb-Übergittern, wobei der obere Reflektor 6a dotiert ist, möglicherweise mit Be, um einen p-Halbleiter zu bilden, und der untere Reflektor 6b dotiert ist, möglicherweise mit Si, um einen n- Halbleiter zu bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die obere Elektrode 12 aus Gold. Sowohl die obere als auch die untere Elektrode 11 und 12 führen zum Siliciumsubstrat 7, wo sie mit einer herkömmlichen VLSI- Elektronik auf Si-Basis verbunden sein können.
Derartige Subpixel können durch Standardphotolithographie- und Ätztechniken hergestellt werden. Jedes Subpixel wird mit Leiterbahnen adressiert, die auf oder hinter dem Siliciumsubstratwafer 7 verlegt sind und mit den jeweiligen Elektroden 11, 12 durch Metallaufdampftechniken, wie bei der VLSI- Technologie verwendet, verbunden sind. Die Subpixel können auf ähnliche Weise wie bei Standard-LCD-Farbfernsehdisplay-Anordnungen oder dergleichen angeschlossen sein, um die zum Erzeugen eines Bilds geeigneten relevanten Signale zu verteilen. In das Substrat kann VLSI-Siliciumtechnologie eingebettet sein, und solche kann zum Empfangen und Führen eines Videosignals verwendet werden. Dies ist ein besonderer Vorteil zum Erzeugen eines kompakten Displays.
Alternativ zur Laserstruktur könnte aus dem Halbleitersystem unter Verwen dung derselben Legierung eine LED-Struktur hergestellt werden, wobei die Hohlraumreflektoren 6a, 6b weggelassen sind, oder eine Hohlraumresonator- LED mit einem unteren Reflektor von ungefähr 99% Reflexionsvermögen und einem oberen Reflektor von ungefähr 90% oder weniger Reflexionsvermögen. In jedem Fall werden drei Farbsubpixel kombiniert, um ein Vollfarbenpixel zu erzeugen.
Fig. 5(a) ist ein schematisches Diagramm, das drei Subpixel 13a, 13b, 13c, wie bereits beschrieben, zeigt, die auf eine Wellenlänge für rot, grün bzw. blau abgestimmt sind und zu einem Vollfarbenpixel 13 zusammengefasst sind, das zur Verwendung in einem Halbleiterdisplay geeignet ist. Es ist dergestalt, dass jedes Subpixel aus einem Zylinderresonatorlaser mit einem oberen Ringkontakt 12 besteht, wobei die einzelnen Subpixel gebündelt sind, um ein volles Pixel zu bilden. Pixel mit einem solchen Durchmesser umfassen Subpixel mit variablen Dicken, jedoch in der Größenordnung von 1 um, und mit Durchmessern von ungefähr 30 um, wobei diese unter Verwendung existierender Technologie herstellbar sind. Die Vollfarbenpixel 13 aus Bündeln von Subpixeln 13a, 13b, 13c können in einer Anordnung 14 von Vollfarbenpixeln angeordnet werden, die alle auf einem Siliciumsubstrat 7 hergestellt werden, wie in Fig. 5b dargestellt.
Andere mögliche Anordnungen einzelner Pixel sind in den Fig. 5c und 5d dargestellt. Gemäß diesen Figuren umfasst ein Vollfarbenpixel 13 erneut eine Gruppe aus drei Subpixeln 13a, 13b, 13c, von denen jedes eine andere Primärfarbe emittieren kann, wobei jedes Subpixel einen Teil einer "Spalte" 15 aus Subpixeln bildet, die dieselbe Farbe emittieren können. Ein Halbleiterdisplay mit einer derartigen Pixelanordnung kann einfacher unter Photolithographie-Schrittfolgen hergestellt werden als die in den Fig. 5a und 5b dargestellte Anordnung.
Ein derartiges Vollfarbenpixel bildet die Grundeinheit eines Farbdisplays, und durch Standardphotolithographie- und Ätztechniken können leicht Anordnungen von 1000 · 1000 Pixeln hergestellt werden, um für ein Vollfarbendisplay zu sorgen, das zur Verwendung als Fernsehcomputerschirm geeignet ist.
Die Art, auf die die Bestandteile zusammengebaut werden, um ein derartiges Vollfarbendisplay zu bilden, ist schematisch in Fig. 6 veranschaulicht. Eine Struktur mit einem einzelnen Quanteneingrenzungstrog, -draht oder -punkt, wie auf ein Siliciumsubstrat 7 aufgebaut, bildet Teil eines Bündels derartiger Strukturen 13, wobei jede einzelne Struktur Licht mit einer Wellenlänge emittiert, die blauem, rotem oder grünem Licht entspricht, und sie auf einem gemeinsamen Substrat 7 hergestellt ist, wobei ein Vollfarbenpixel erzeugt ist. Die Vollfarbenpixel 13 können mit einer Anordnung 14 angeordnet sein, wobei die Anordnung einen Anzeigeschirm 16 oder einen Teil eines solchen bildet. Die Anzeigeschirmeinheit kann in einem dünnen Kunststofffilm eingeschlossen sein, um ihre Oberfläche vor Beschädigung zu schützen. Eine typische Pixelanordnung besteht z. B. aus 480 Zeilen · 640 Spalten, wobei es sich um das standardmäßige 3-Farben-LC-Seitenverhältnis und -format beim Fernsehen handelt, mit insgesamt 921.600 Subpixeln. Es ist auch eine HDTV-Konfiguration möglich.
Wenn das Display in einem Fernseh-Standardsystem oder dergleichen zu verwenden ist, werden die Werte der Emissionswellenlängen im allgemeinen so gewählt, dass dem CIE-Farbmaßzahldiagramm genügt ist, um eine gute Farbe "weiß" zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird nun ein typisches Halbleiterdisplay mit den zuvor offenbarten Anzeigeelementen beschrieben, und es umfasst auf einem Siliciumsubstrat hergestellte Laser. Das Halbleitermaterial wird unter Verwendung von Lithographie- und Ätztechniken in Pixel unterteilt, um Pixel in Zeilen- und Spaltenbereichen zu erzeugen, wobei jedes Pixel mindestens drei Subpixellaser enthält, deren Ausgangsfarben rot, grün bzw. blau sind; eine derartige Unterteilung in Subpixel ist in Fig. 7 nicht dargestellt. Die Durchmesserabmessung eines Subpixels kann in der Größenordnung einiger weniger Mikrometer liegen. Es kann ein einfaches XY-Matrixadressierschema verwendet werden, wie es bei Flachtafel-Fernsehkonstruktionen Standard ist und das hier auf die dargestellte Weise dadurch anwendbar ist, dass auf Kontaktflecken 20 und 21 für Pixelspalten bzw. -zeilen zugegriffen wird. Beispiele zweier möglicher alternativer Adressierschemata werden nachfolgend beschrieben: (i) x-y-Einzelpixelwechselwirkung, bei der die Helligkeit jedes Subpixels 13a, 13b, 13c im Signal codiert wird, wie es an jeden Pixelkontaktfleck 20, 21 geliefert wird, und im auf dem Siliciumsubstrat 7 am Pixel 13 oder nahe bei diesem liegenden VLSI decodiert wird, wobei dann jeweilige Steuerungssignale an die geeigneten Laserkontakte 12 geliefert werden; oder (ii) ein System, bei dem die Spalten- und/oder Zeilenkontaktflecke in gesonderte Abschnitte unterteilt sind, wobei ein Abschnitt für jedes Subpixel eines Pixels gilt und drei gesonderte Leiterbahnen mit den jeweiligen Pixelkontaktfleck-Unterabschnitten verbunden sind, so dass sie dadurch mit dem Laserkontakt 12 des geeigneten Subpixels verbunden sind, um die Farbhelligkeit zu steuern.
Die Aufteilung benachbarter Pixelspalten kann dadurch erreicht werden, dass Isoliergräben 22 hergestellt werden, die sich in das Substrat 7 erstrecken, wobei sie anschließend mit einem dielektrischen Material 18 aufgefüllt werden, um für eine ebene Oberfläche zu sorgen, auf der Zeilentreiberleitungen 19 hergestellt werden können, die jeweils einen Zeilenkontaktfleck 21 mit den Kontakten 12 einer Pixelzeile verbinden. Alternativ kann eine Trennung dadurch erzielt werden, dass durch Ionenimplantation langgestreckte Isolationszonen erzeugt werden.
Ein Beispiel einer möglichen Schaltung zum Ansteuern eines Displays, das gemäß dem einen oder anderen der obigen Adressierschemata betrieben wird, ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Gemäß Fig. 8 legen ein Zeilentreiber 25 und ein Spaltentreiber 26 Spannungssignale an das Display 24 an. Es werden zwei Sätze von Signalverläufen erzeugt, um den Zeilentreiber 25 und den Spaltentreiber 26 zu versorgen. Ein Abtastsignalgenerator 27 liefert Zeilensignale, und ein Datengenerator 28 liefert EIN- und AUS-Signale an den Spaltentreiber 26. Die Gesamtsteuerung des zeitbezogenen und Displayformats wird durch eine Steuerlogikeinheit 23 gesteuert. Es kann nicht nur die Anordnung des Displays 24 sondern auch die Steuerelektronik integral auf einem gemeinsamen Substrat 7 ausgebildet sein.
Ein derartiges Halbleiterdisplay kann auf die folgende Weise unter Verwendung allgemeiner Techniken hergestellt werden, wobei auf Fig. 8 Bezug genommen wird. Ein Siliciumsubstrat 7, das bereits mit geeigneter VLSI-Elektronik zum Fernsehempfang und zur Erzeugung von Anzeigesteuerungssignalen versehen ist, wird mit Siliciumdioxid (in Fig. 9 nicht dargestellt), beschichtet, um eine halbisolierende Schicht auszubilden. Dann wird ein Stapel von Schichten 29, abwechselnd InNSb und AlNSb, auf dem Siliciumdioxid abgeschieden, um ein InAlNSb-Übergitter auszubilden, das für eine Quantentrog/Barriere-Struktur sehr kurzer Periode sorgt. Diese gestapelten Schichten bilden schließlich die unteren Reflektoren 6b der fertiggestellten Subpixel. Die InNSb-Schichten können während ihrer Abscheidung mit einem Fremdstoff wie Si dotiert werden, um einen n-Halbleiter zu ergeben. Die Schichten, die die Barriereschichten 5b aus AlNSb und die Trogschicht 5a aus InNSb jedes der Quantentrogbereiche 5 in den fertiggestellten Unterpixeln bilden, werden anschließend abgeschieden. Es handelt sich um Schichten 30 bzw. 31. In Fig. 9 ist zwar nur ein Quantentrogbereich dargestellt, jedoch werden drei verschiedene aufeinander abgeschieden, wobei jeder Quantentrogbereich so ausgebildet ist, dass er Licht mit einer anderen Primär farbe als derjenigen emittiert, die von den anderen Quantentrogbereichen emittiert wird.
Es ist möglich, die InAlSbN-Legierung nur für den blau emittierenden der drei Quantentrogbereiche zu verwenden. Die anderen beiden Quantentrogbereiche, nämlich die, die rot und grün emittieren, können aus anderen Legierungssystemen hergestellt werden. Jedoch ist die Verwendung ähnlicher Legierungen in allen drei Quantentrogbereichen bevorzugt, da dies den Herstellprozess vereinfacht.
Als nächstes wird ein weiterer Stapel von Schichten 32, abwechselnd InNSb und AlNSb, auf den Quantentrogschichten 30, 31 des aktiven Bereichs abgeschieden, um dadurch ein weiteres InAlSbN-Übergitter herzustellen. Die InNSb-Schichten werden mit einem Fremdstoff wie Be dotiert, um einen p- Halbleiter zu ergeben. Die zum Abscheiden der Materialien auf dem Siliciumsubstrat verwendete Technik ist typischerweise Molekularstrahlepitaxie (MBE). Wenn die jeweiligen Schichten einmal abgeschieden sind, werden Photolithographie- und Ätztechniken unter Verwendung eines Photoresists 33 verwendet, um eine Anordnung einzelner Subpixellaser auszubilden, wie es in Fig. 9(b) dargestellt ist.
Diese Stufe entspricht im wesentlichen einem Dreistufen-Prozess. Es werden drei verschiedene Maskenmuster aufeinanderfolgend verwendet, wobei jedes Gebiete des oberen Schichtbereichs, entsprechend dem Ort eines Typs von Farbemissionslaser, belichtet. Ein Ätzen wird für jeweilige Maskenmuster bis in eine Tiefe ausgeführt, die dem jeweiligen Quantentrogbereich entspricht, der dazu ausgebildet ist, Licht der Farbe zu emittieren, hinsichtlich der Entsprechung zum jeweiligen Maskenmuster besteht. Die sich ergebenen einzelnen Laserelemente sind in Fig. 9(b) schematisch dargestellt.
Dann werden alle einzelnen Laserelemente von der Maske befreit, wie es in Fig. 9(c) dargestellt ist, und es erfolgt ein Ionenätzvorgang zum Trennen der einzelnen Laserelemente, wie es in Fig. 9(d) dargestellt ist. Dann werden auf dem Laserelement die unteren Kontakte abgeschieden, so dass der unten freigelegte Barrierebereich der jeweiligen Laserelemente kontaktiert wird. Dann wird eine Polyimidschicht 34 auf und zwischen den einzelnen Laserelementen abgeschieden, wie es in Fig. 9(e) dargestellt ist. Dann legt ein oxidierender Plasmaätzprozess den oberen Laserkontakt frei, wie es in Fig. 9(f) dargestellt ist. Auf den oberen Laserkontakten wird ein Photoresist 33 abgeschieden, und auf den Laserkontakten wird Gold 35 abgeschieden, wie es in den Fig. 9(g) und 9(h) dargestellt ist.
Ein wichtiger Gesichtspunkt bei jedem Display ist die Leuchtkraft desselben und der zugehörige Energieverbrauch. Diese Werte werden nachfolgend für ein Subpixel mit Vertikallaserresonator-Struktur berechnet. Für eine derartige Struktur beträgt die Größe des aktiven Bereichs typischerweise 10 nm, mit einem Quantentrog mit einem Durchmesser von 30 um. Ein derartiger Emitter würde in AlInNSb ungefähr 1 uA aufnehmen und im ungünstigsten Fall einen Widerstand von 10&supmin;&sup6; Ω aufweisen, was einen Energieverbrauch von ungefähr 1 uW ergeben würde. Daher würde ein Display mit einer Million Elementen ungefähr 1 Watt verbrauchen, ausschließlich der Ansteuerschaltung für das Display.
Die Helligkeit einer derartigen Struktur würde ungefähr 0,2 mLm betragen, beruhend auf einem Quantenwirkungsgrad von 30%, im ungünstigsten Fall, und es würde sich eine ungünstigste Emission von 0,03 mcd bei einer Wellenlänge für grün ergeben.
Typischerweise verfügt ein normaler Fernseher über eine Leuchtstärke von 200 cd/m². Daher muss jedes der Million Pixel auf z. B. einem handtellergroßen Halbleiter-Farbdisplayschirm von 8 · 6 cm 10&supmin;&sup6; cd ausgeben, was nahezu um eineinhalb Größenordnungen geringer als die 0,03 mcd ist, wie sie von einem Vertikalresonatorlaser erwartet werden. Bei Wellenlängen für rot und blau wird von jedem Subpixel eine Emission erwartet, die zwischen einer und zwei Größenordnungen höher ist, um Werten entsprechend der CIE-Farbreaktion und dem -Farbgleichgewicht zu genügen. Selbstverständlich können die ungefähr eineinhalb Größenordnungen, die vom Laser zusätzlich verfügbar sind, diesem Bedarf genügen.
Diese Berechnungen sind Werte für den ungünstigsten Fall. Wenn sich jedoch zeigt, dass es um eine oder zwei Größenordnungen an Emission fehlt, könnte die Verwendung einer Anordnung von Quantenpunkten zum Erzeugen eines einzelnen Subpixels, oder eines anderen Halbleitermaterials mit geringerem spezifischem Widerstand die Funktionserfordernisse auf solche zurückführen, wie sie für eine erfolgreiche Schirmanzeige erforderlich sind. Außerdem kann, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, eine Anordnung von Mikrolinsen vorhanden sein, wobei jede Mikrolinse 40 über einem entsprechenden Pixel 13 positioniert ist, um die scheinbare Helligkeit des Displays zu verbessern. Die scheinbare Verbesserung der Helligkeit des Displays beruht auf der Linse, die den Raumwinkel verringert, über den Licht emittiert wird, und demgemäß wird mehr Licht zum Betrachter projiziert.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es ist eine Anzahl alternativer Strukturen und Anwendungen sowie Materialien vorgesehen. Das Quantentrogmaterial der aktiven Schicht kann z. B. relativ leicht an ein GaP-Wafersubstratgitter angepasst werden, ohne dass wesentliche Änderungen an der Nitridlegierung vorgenommen werden müssen, da GaP eine ähnliche Gitterkonstante wie Silicium aufweist. Die Struktur der optoelektronischen Bauelemente kann auch variiert werden, um die Bandlückenenergie dadurch zu erhöhen, dass die Abmessungen der Quanteneingrenzung verringert werden. Dies würde zu den bereits genannten Quantendraht- und Quantenpunktstrukturen führen. Ein anderer Typ eines optoelektronischen Bauelements, wie er verwendbar ist, ist der sogenannte "- schwellenlose Laser", der den Energieverbrauch jedes Subpixels verringern würde und dadurch zu einem Display mit sehr geringer Leistungsaufnahme führen würde.
Obwohl das hier beschriebene spezielle Ausführungsbeispiel ein Vollfarbendisplay betrifft, ist es dem angesprochenen Fachmann erkennbar, dass komplementäre Eigenschaften der Lichtemissionselemente dazu genutzt werden könnten, einen Vollfarben-Lichtdetektor zu erzeugen.
Zu industriellen Anwendungen der Erfindung gehören nicht nur Fernseh- oder HDTV-Display, Armbanduhren und Telefondisplays oder Kameras, sondern allgemeine Display/Detektor-Typen und auch 3D-Displays und solche für virtuelle Realität, die kurze Ansprechzeiten erfordern. Andere Anwendungen finden sich bei Displays mit geringer Leistungsaufnahme wie solchen, die in tragbaren Fernsehern, Mobiltelefonen oder Videotelefonen verwendet werden. Eine besonders nützliche Anwendung für Emitter kurzer Wellenlänge (d. h. blau oder UV) befindet sich bei optischen Speichersystemen hoher Dichte.
Die Erfindung ist auch bei der Bilderzeugung in optoelektronischen Neuralnetzwerksystemen und bei Mustererkennungssystemen anwendbar.
Nachdem die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, ist es ersichtlich, dass sie auf viele Arten variiert werden kann, ohne vom Schutzumfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Optoelektronisches Element (13a, b oder c), das auf einem Substrat (7) ausgebildet ist und eine III-V-Nitridlegierung enthält, die im Wesentlichen an das Substratgitter angepasst ist und so ausgebildet ist, dass sie Licht mit einer gewünschten Wellenlänge im dem sichtbaren Licht entsprechenden Bereich emittiert/absorbiert, und die eines der folgenden Materialien ist:

InpAl1-pN1-rSbr, 0 ≤ p ≤ 1, 0 < r < 1 und AlaGa1-aNb(AscSb1-c)1-b, 0 ≤ a ≤ 1, 0 < b < 1, 0 ≤ c ≤ 1.

2. Optoelektronisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (7) aus Silizium oder Galliumphosphid besteht.

3. Optoelektronisches Element nach Anspruch 1, das einen aktiven Bereich (5a) aus InNSb aufweist.

4. Optoelektronisches Element nach Anspruch 3, bei dem der aktive Bereich (5) aus InN1-ySby besteht, wobei y im Bereich 0,32 ≤ y ≤ 0,38 liegt.

5. Optoelektronisches Element nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem der aktive Bereich (5) einen aktiven Quantentrog (5a) aus InNSb und Barrierebereiche (5b, 5b) aus AlNSb aufweist.

6. Optoelektronisches Element nach Anspruch 5, bei dem die Barrierebereiche aus AlN1-xSbx bestehen, wobei x im Bereich 0,57 ≤ x ≤ 0,63 liegt.

7. Optoelektronisches Element nach Anspruch 1, das einen aktiven Bereich (5) mit einem aktiven Quantentrogbereich (5a) aus GaAsN und Barrierebereichen (5b, 5b) aus AlNSb aufweist.

8. Optoelektronisches Element nach Anspruch 7, bei dem der aktive Quantentrogbereich aus GaAs1-zNz besteht, wobei z im Bereich 0,17 ≤ z ≤ 50,23 liegt, und die Barrierebereiche aus AlN1-xSbx bestehen, wobei x im Bereich 0,575 ≤ x ≤ 0,63 liegt.

9. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dessen Emissions/Absorptions-Wellenlänge durch Dotieren des aktiven Bereichs mit Al und/oder durch Quanteneingrenzung des aktiven Bereichs ausgewählt ist.

10. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zum Emittieren oder Absorbieren von blauem Licht.

11. Halbleiter-Farb-Display/Detektor mit einer Vielzahl optoelektronischer Elemente (13a, 13b, 13c) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei diese Vielzahl ein erstes Element und ein zweites Element aufweist, die auf einem gemeinsamen Substrat (7) ausgebildet sind und zu diesem im Wesentlichen gitterangepasst sind, und sie dazu in der Lage sind, Licht mit jeweils verschiedenen vorbestimmten Wellenlängen zu emittieren/absorbieren.

12. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 11, bei dem die optoelektronischen Elemente Strukturen vom Typ mit Quanteneingrenzung aufweisen, die aus der aus Lasern, LEDs, Drähten und Punkten bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

13. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem das erste und zweite optoelektronische Element jeweils Teil einer Gruppe (13) derartiger Elemente bilden, wobei diese jeweils so ausgebildet sind, dass sie Licht mit einer Wellenlänge einer jeweiligen Primärfarbe emittieren/absorbieren.

14. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 13, bei dem die Gruppe drei dieser optoelektronischen Elemente (13a, 13b, 13c) aufweist, von denen jedes so ausgebildet ist, dass es Licht einer anderen jeweiligen Primärfarbe, nämlich Rot, Grün oder Blau, emittiert/absorbiert.

15. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, mit einer Anordnung (14) der Gruppen individueller optoelektronischer Elemente.

16. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 15, bei dem die Anordnung zur Verwendung als Display für einen Fernseher, einen Computer oder dergleichen oder zur Verwendung als Bilddetektor ausgebildet ist.

17. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem das von jedem individuellen optoelektronischen Element emittierte Licht eine Wellen länge aufweist, die derjenigen entspricht, die durch das CIE-Farbmaßzahldiagramm für die jeweilige von diesem Element emittierte Primärfarbe definiert ist.

18. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, mit einer Verarbeitungs-, Steuerungs- und Treiberschaltung (VLSI) für das Display/den Detektor, die auf dem gemeinsamen Substrat (7) liegt.

19. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 18, bei dem die Verarbeitungsschaltung so ausgebildet ist, dass sie Fernsehsignale verarbeitet und das Display/den Detektor entsprechend dazu betreibt, um dadurch einen im Wesentlichen ebenen, dünnen und kompakten Fernseh-Empfänger/Sender und ein Display/eine Kamera zu bilden.

20. Halbleiter-Farb-Display/Detektor nach Anspruch 11, bei dem vom ersten und zweiten optoelektronischen Element eines ein Element zur Emission/Absorption von blauem Licht ist.

21. Halbleiter-Farbdisplay mit einem einzelnen Substrat (7) und einer Anordnung (14) elektrolumineszenter Lichtemissionselemente (13a, 13b, 13c), die auf dem einzelnen Substrat ausgebildet sind und mit der Kristallstruktur desselben im Wesentlichen gitterangepasst sind, wobei die Elemente der Anordnung jeweils in Form eines optoelektronischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorliegen und die Anordnung für Vollfarbenanzeige ausgebildet ist und sie Elektrolumineszenzelemente für Rot, Grün und Blau aufweist, die im Wesentlichen ähnlich den III-V-Nitridlegierungszusammensetzungen ausgebildet sind, die durch Einbau von Quanteneingrenzung und/oder durch Dotierungsvariation hinsichtlich ihrer jeweiligen Emissionswellenlängen abgestimmt sind.

22. Halbleiter-Vollfarbendisplay nach Anspruch 21, bei dem die Elektrolumineszenzelemente jeweils einen Vertikalresonatorlaser (5, 6) mit Doppelheteroübergangsaufbau aufweisen, der eine Quanteneingrenzungsstruktur (5) mit einem aktiven Bereich (5a) zwischen zwei Barrierebereichen (5b, 5b) aufweist, mit einem ersten und einem zweiten Reflektor (6a, 6b) an entgegengesetzten Seiten der Quanteneingrenzungsstruktur (5), wobei der Vertikalresonatorlaser so ausgerichtet ist, dass die Reflektoren in der Richtung rechtwinklig zur Ebene des Substrats (7) voneinander beabstandet sind, so dass Licht quer zu dieser Ebene emittiert wird.

23. Halbleiter-Vollfarbendisplay nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, mit einer Anordnung von Mikrolinsen (40), die so über dem Substrat angeordnet sind, dass jede einzelne Mikrolinse so ausgebildet und positioniert ist, dass sie den Raumwinkel verkleinert, über den von einem entsprechenden Elektrolumineszenzelement (13) emittiertes Licht vom Bauteil projiziert wird.