DE1231353B - Elektrolumineszente Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H05b

Deutsche KL: 2If-89/03

J 26962 VIII c/21f
24. November 1964
29. Dezember 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolumineszierenden Halbleiterdiode, vorzugsweise mit negativer Kennlinie, und eine nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiterdiode.

Wegen größer werdenden Arbeitsgeschwindigkeiten der datenverarbeitenden Maschinen wurde die Bedeutung des Lichtes als Träger logisch zu verknüpfender Informationen immer größer. Durch diesen Bedarf an sehr schnellen Schaltelementen und Trägern bzw. Wandlern wurden auf dem Gebiet der elektro-optischen und optisch-elektrischen Wandler vielseitige Versuche unternommen. So wurde z. B. durch die deutsche Patentschrift 1 048 346 eine als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung für Stromelektrolumineszenz, bei der die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen an den Übergangsstellen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps ausgenutzt ist, bekannt, die dadurch charakterisiert ist, daß ein für die zu erzeugende Strahlung durchlässiger Halbleiterkristall mit mindestens drei Zonen unterschiedlichen Leitungstyps Verwendung rindet, die so an eine Wechselspannung gelegt sind, daß jeweils die in Durchlaßrichtung belasteten Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps strahlen, während die nicht in Durchlaßrichtung liegenden Übergänge zugleich als kapazitive Strombegrenzung dienen. Die als Lichtquelle dienende Halbleiteranordnung nach dieser Erfindung besteht aus einem Halbleiterkörper, vorzugsweise einem Halbleiterkristall, insbesondere einem Einkristall, in dem analog einer Transistoranordnung mindestens zwei Übergänge zwischen Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, vorzugsweise entgegengesetzten Leitungstyps, hintereinandergeschaltet sind, bei der ebenfalls das Rekombinationsleuchten, das an den Übergangszonen auftritt, ausgenutzt wird.

Durch die deutsche Patentschrift 1052 563 ist auch eine Anordnung und ein Herstellungsverfahren für Injektions-Lumineszenzlampen, bei denen als Träger des Leuchtens beidseitig kontaktierte, unmittelbar von Gleich- oder Wechselstrom, bevorzugt jedoch von Gleichstrom durchflossene Kristalle verwendet werden, bekanntgeworden. Die Anordnung nach dieser Patentschrift ist dadurch charakterisiert, daß die zur Lichterzeugung rekombinierenden Ladungsträger von zwei dünnen, sich gegenüberstehenden Oberflachenschichten unterschiedlichen Leitungstyps in den hochohmigen Kristall injiziert werden und die die Lichterzeugung bewirkende Rekombination der von den Oberflächenschichten injizierten Elektronen und Löcher in dem hochohmigen Volumeninneren des Kristalls bewirkt wird. Prak-Elektrolumineszente Halbleiterdiode und
Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Böhmer, Patentanwalt,

BÖblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Ralph Sidney Levitt, Ossining, N. Y.;
Kurt Weiser, Millwood, N. Y.;
William Paul Dumke,
Chappaqua, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. November 1963
(326 171, 326 114)

tisch durchgeführt wird diese Anordnung nach der Patentschrift durch eine Mischung von 50 % reinstem Zinksulfid und 50% reinstem Zinkselenid, die zusammen in einem geeigneten Tiegel in einer Schutzgasatmosphäre bei etwa 1650° C niedergeschmolzen und durch langsameres Herabführen in kältere Ofenteile im Laufe von vielen Stunden zum Erstarren gebracht wird. Durch Sägen, Ätzen und Eindiffundieren von Fremdatomen wird aus dem so gewonnenen Einkristall die Erfindungsgemäße Anordnung geschaffen.

Durch die deutsche Patentschrift 1 054 179 ist ein weiteres Halbleiterelement bekanntgeworden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halbleiterkörper aus einer ersten Zone besteht, in der sich Ladungsträger unter Aussendung einer Rekombinationsstrahlung rekombinieren, und aus einer zweiten Zone, die ein verbotenes Energieband aufweist, dessen Breite kleiner ist als die Quantenenergie der Rekombinationsstrahlung und in die die Rekombinationsstrahlung aus der ersten Zone eintritt, so daß die lektrische Leitfähigkeit in dieser zweiten Zone je nach Intensität der Rekombinationsstrahlung verändert wird.

Durch die USA.-Patentschrift 3 064 132 ist eine weitere elektrolumineszente Halbleiteranordnung bekanntgeworden. In dieser Patentschrift wird be-

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schrieben, daß sich besonders zur Herstellung Indium, Arsenide, Indium-Antimonide, Gallium-Arsenide und GaUium-Antimonide und andere n-p-n-p- oder p-n-p-n-Zusammenstellungen eignen. Die Schmelzung erfolgt bei einer Temperatur von 1100 bis 1200° C in einer Atmosphäre eines Akzeptormaterials, das z. B. Indium, Gallium, Aluminium oder Bor sein kann. Eine anschließende weitere Diffusion findet bei der Temperatur zwischen 600 und 1200° C statt. Dazwischen wird die Halbleiteranordnung geschliffen und geätzt. Außerdem ist in einer Veröffentlichung in »Journal of the Electrochemical Society«, Bd. 110, Nr. 11 vom November 1963, auf S. 1153 bis 1159 ein Diffusionsprozeß beschrieben. Nach dieser Veröffentlichung ist es bekannt, als Akzeptor für Gallium-Arsenide-Kristalle, Zink und als Donator Tellur zu verwenden. Es wird darauf hingewiesen, daß diese beiden Elemente sich besonders zur Herstellung von elektrolumineszenten Halbleiterdioden in Gallium-Arsenide-Form eignen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zu schaffen, das neben der Umwandlung von optischer in elektrische und elektrischer in optische Energie zusätzlich auch noch die logische Verknüpfung und Speicherung von Informationen ermöglicht.

Das elektrolumineszente Halbleiterbauteil, das der Lösung dieser Aufgabe dient, ist dadurch charakterisiert, daß in einem Halbleiterkörper ein erster Bereich niedrigeren Widerstands mittels Akzeptoren kleiner Energiestufe und ein unmittelbar angrenzender zweiter Bereich hohen Widerstands mittels Akzeptoren höherer Energiestufe gebildet ist, dem sich mindestens ein dritter, vorzugsweise aus dem unveränderten Ausgangsmaterial bestehender, Donatoren enthaltener Bereich niedrigen Widerstands anschließt, und daß die beiden Bereiche niedrigen Widerstands mit üblichen ohmschen Kontakten versehen sind.

Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen elektrolumineszierenden Halbleiterbausteins ist dadurch charakterisiert, daß zuerst die zweite Schicht durch allseitige Diffusion von Mangan, Kobalt oder Chrom in einem n-leitenden Galüum-Arsenid-Körper und dann die erste Schicht durch anschließende allseitige Diffusion, von Zink, Kadmium oder Magnesium derart, daß nur eine geringere Eindringtiefe, als das bei der ersten Diffusion erreicht wird, hergestellt wird, und daß daran anschließend die durch die Diffusion erzeugten Bereiche mit Ausnahme einer Seite an den übrigen Seiten des Gallium-Arsenid-Körpers entfernt werden.

Ein aus drei Bereichen bestehendes und zwei ohmsche Anschlüsse aufweisendes Bauteil kann gemäß der Erfindung als Lichtverstärker, als Lichtwandler und als Quantenverstärker Verwendung finden.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Darstellung einer Schaltung mit einer elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand zur Erläuterung des Erfindungsgedankens,

F i g. 2 die Kennlinie einer elektrolumineszenten Diode mit negativem Kennlinienbereich gemäß der Erfindung,

Fig.3a und 3b die Spektralverteilung der in F i g. 1 dargestellten Schaltung in ihren beiden stabilen Zuständen,

Fig.4 die Darstellung der Energiebänder der in F i g. 1 gezeigten Diode,

F i g. 5 und 6 Schnittansichten der erfindungsgemäßen Diode in verschiedenen Schritten ihres Herstellungsverfahrens,

F i g. 7 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und ihre Verwendung in einer Schaltung als photonengekoppelter Schalter, F i g. 8, 9 und 9 a Kennlinien der in F i g. 7 gezeigten Anordnung,

F i g. 10 die Schaltung eines das erfindungsgemäße

ίο Halbleiterbauteil enthaltenden Licht- bzw. Quantenverstärkers,

Fig. 11 Schnittansichten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens,

Fig. 12 und 13 Schnittansichten der erfindungsgemäßen Anordnung in verschiedenen Schritten des Herstellungsverfahrens.

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer elektrolumineszenten Halbleiterdiode mit wenigstens drei Bereichen verschiedenen Leitungstyps und einem üchtempfindlichen Übergang. Als erfinderisch wird beansprucht, daß in einen Halbleiterkörper ein erster Bereich (P) niedrigen Widerstands mittels Akzeptoren kleiner Energiestufe und ein unmittelbar angrenzender zweiter Bereich (P⁰) hohen Widerstands mittels Akzeptoren höherer Energiestufe angeordnet ist, dem sich mindestens ein dritter, vorzugsweise aus dem unveränderten Ausgangsmaterial bestehender, Donatoren enthaltender Bereich (N) niedrigen Widerstands anschließt und daß die beiden Bereiche (P und N) niedrigen Widerstands mit üblichen ohmschen Kontakten versehen sind.

Bei Raumtemperatur ist die Stromspannungskennlinie dieser Diode gleich den Stromspannungskennlinien gewöhnlicher Gallium-Arsenid-Dioden mit flache Energieniveaus aufweisenden Akzeptoren, beispielsweise Zink oder Cadmium im Bereich der p-leitenden Schicht. Bei Temperaturen im Bereich des flüssigen Stickstoffes zeigen diese Dioden einen sehr hohen Reihenwiderstand bei Spannungen bis zu etwa 1 V, in denen die bekannten Dioden anfangen zu leiten. Ist die Durchbruchsspannung erreicht, so gelangt die Diode in einen Bereich negativen Widerstands, in dem der Strom mit fallender Spannung steigt, wobei die charakteristische Durchbruchspannung eine Funktion des Diffusionsprofils ist.

In beiden Bereichen, also unterhalb und oberhalb der Durchbruchspannung, tritt Elektrolumineszenz auf. Dabei ist zu beachten, daß die spektrale Intensitätsverteilung in beiden Zuständen, d. h. unterhalb und oberhalb der Durchbruchspannung sehr verschieden ist. Außerdem verändert sich die Gesamtintensität des Lichtes beim Übergang vom einen Zustand in den anderen sehr beträchtlich. Die Lichtintensität kann im Bereich des höheren Stromes um 10- bis lOOmal größer sein als im Bereich des niedrigen Stromes. Eine weitere Eigenschaft dieser Diode besteht darin, daß bei Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge die Stromspannungskennlinie sich während der Zeit der Beleuchtung verändert, und zwar derart, daß die Durchbruchspannung geändert wird. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um die Diode durch Bestrahlung aus ihren niedrigleitenden in ihren hochleitenden Zustand zu überführen. Die Schaltgeschwindigkeit der Diode aus ihrem niedrigleitenden in ihren hochleitenden Zustand und umgekehrt liegt in der Größenordnung von 10 Nanosekunden. Auf Grund ihrer Eigenschaften eignet sich die Diode als

Lichtverstärker, so daß sie in geeigneter Abwandlung als Bildwandler Verwendung finden kann. Da die Diode auf optischem Wege geschaltet werden kann und zwei verschiedene optische Zustände aufweist, können mit ihr eine große Anzahl von optischen logischen Kreisen verwirklicht werden.

Die in F i g. 1 dargestellte Diode 10 besteht aus einem η-leitenden Gallium-Arsenid-Körper, der eine pMeitende Schicht 14 hohen Widerstands und eine p-leitende Schicht 12 niedrigen Widerstands aufweist, die durch Diffusion mit Mangan und Zink erzeugt werden. Ohmsche Kontakte 18 und 20 sind am n-leitenden Bereich 16 und am p-leitenden Bereich 12 angeordnet. Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung enthält die veränderliche Vorspannungsquelle 22, einen Lastwiderstand 24 und einen Schalter 26.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, liegt, die eigentliche Grenzfläche zwischen der p°-leitenden Schicht 14 und der η-leitenden Schicht 16. Die einen niedrigen Widerstand aufweisende p-leitende, mit Zink dotierte Schicht 12 spielt, wie im folgenden noch näher zu erläutern sein wird, gemeinsam mit der mit Mangan dotierten p°-Schicht eine entscheidende Rolle in bezug auf die Charakteristik der Anordnung. Vorläufig sei kurz darauf hingewiesen, daß die Diode durch Diffusion von Mangan in einen n-leitenden Galliurn-Arsenid-Kristall und durch anschließende, in eine wesentlich geringere Tiefe eindringende Zinkdiffusion in den gleichen Kristall verwirklicht wird. Durch diese Diffusion wird die neben dem n-leitenden Bereich liegende p°-Schicht 14 erzeugt, deren Leitfähigkeit im wesentlichen durch Mangan bestimmt wird, und anschließend die p-leitende Schicht 12 erzeugt, deren Leitfähigkeit im wesentlichen durch Zink bestimmt wird.

Die Funktionsweise der Anordnung ist aus den in F i g. 2 dargestellten Kurven ersichtlich, die ein Stromspannungsdiagramm darstellen. Die ausgezogene Linie stellt die Diodenkennlinie ohne äußere Einwirkung durch Lichtenergie, während die gestrichelte Linie die Kennlinie durch eine äußere Lichtquelle bestrahlten Diode darstellt. Wird bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung der Schalter 26 geschlossen und die Diode bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes, als bei etwa 77 ⁰K gehalten und die Spannung der Quelle 22 langsam von 0 nach aufwärts verändert, so wird man zunächst beobachten, daß der Strom recht langsam mit der Spannung steigt. Dieser Bereich der Kurve wird als der Bereich niedriger Leitfähigkeit oder hohen Widerstands bezeichnet. Steigt die Spannung über den Punkt t, so gelangt man in den negativen Widerstandsbereich der Diodenkennlinie, in der bei steigendem Strom die Spannung sinkt. Unter der Voraussetzung eines festen Widerstandes 24 wird sich der Zustand der Diode einstellen, der durch den Schnittpunkt c der Belastungslinie Ll mit der ausgezogenen Kennlinie gebildet wird. Mit anderen Worten, die Punkte c und I, welche die Schnittpunkte der Belastungskennlinie Ll mit der Kennlinie der Diode darstellen, kennzeichnen die beiden stabilen Zustände der Diode für einen gegebenen Widerstand 24. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Diode vom Punkt I zum Punkt.c durch Anlegung einer Zusatzspannung umgeschaltet werden kann, die genügt, die Kennlinie durch den Punkt t zu durchlaufen. Bei einer gegebenen Vorspannung und durch eine Messung des Diodenstroms kann festgestellt werden, ob er für den Punkt c oder für den Punkt I charakteristisch ist, so daß man feststellen kann, ob zu irgendeinem Zeitpunkt eine Zusatzspannung angelegt wurde, die geeignet ist, die Diode aus ihrem durch den Punkt I in den durch den Punkt c gekennzeichneten Zustand zu überführen.

Durch die gestrichelte Kurve der F i g. 2 wird eine weitere wichtige Eigenschaft der vorliegenden Diode gekennzeichnet. Die gestrichelte Kurve stellt die Kennlinie der von einer äußeren Lichtquelle beleuchteten Diode dar. Aus dieser Kurve ist zu ersehen, daß der Diodenwiderstand bei Fremdbeleuchtung in bestimmten Bereichen herabgesetzt wird und daß der kritische oder der Umschaltpunkt der Diode zum Punkt t' verschoben wird. Aus der Gegenüberstellung der gestrichelten und ausgezogenen Kurven der F i g. 2 ist zu ersehen, daß die Diode im Punkt I im unbeleuchteten Zustand bei einer Spannung Vl stabil ist. Wird die Diode durch eine äußere Lichtquelle bestrahlt, so geht die Kennlinie in die gestrichelte Kurve über, bei der die Spannung Vl größer ist als die dem Punkt f zugeordnete Spannung.

Auf diese Weise wird die Diode umgeschaltet und in Punkt c im Bereich großer Ströme stabil, in dem die beiden Kurven im wesentlichen zusammenfallen. Wird die Beleuchtung abgeschaltet, so verbleibt die Diode im Punkt c auf der den nicht beleuchteten Zustand zugeordneten Kennlinienkurve.
Aus den vorhergehenden Erläuterungen ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäße Diode entweder durch Erhöhung der Spannung über den kritischen Punkt t oder durch Beleuchtung derselben, so daß der kritische Punkt t kleiner wird als die Vorspannung der Diode, von dem Zustand niedriger Leitfähigkeit in den Zustand hoher Leitfähigkeit umgeschaltet werden kann. Das Umschalten aus dem Zustand niedriger Leitfähigkeit in den Zustand hoher Leitfähigkeit kann demnach entweder durch Licht oder durch Erhöhung der Spannung erfolgen. Andererseits ist es leicht einzusehen, daß ein Zurückschalten zum Zustand niedriger Leitfähigkeit nur durch zeitweises Unterbrechen des Stromkreises durch Öffnen des Schalters 26 oder durch Herabsetzen der Spannung V_v des Teilstromes durchgeführt werden kann, so daß die Diode in ihren durch den Punkt I gekennzeichneten Zustand übergeführt wird.

In den F i g. 3 a und 3 b ist die spektrale Verteilung

der Strahlung einer erfindungsgemäßen Diode vor und nach dem Umschalten aus dem Zustand niedriger Leitfähigkeit in den Zustand hoher Leitfähigkeit dargestellt.

In F i g. 3 a wird die spektrale Verteilung im Zustand kleiner Ströme gezeigt. Es ist zu ersehen, daß die Intensität des Lichtes von 0,89 μπι Wellenlänge, die charakteristisch für die mangandotierte p°-Schicht ist, wesentlich größer ist als die der Strahlung von 0,84 μηι Wellenlänge, die charakteristisch ist für die zinkdotierte p-Schicht.

Nach dem Umschalten in den Zustand hoher Leitfähigkeit wird, wie aus F i g. 3 b zu entnehmen, die Intensität der Strahlung im Bereich von 0,84 μπι größer sein als die der Strahlung im Bereich von 0,89 μπι Wellenlänge.

Erläuternd sei noch darauf hingewiesen, daß der Maßstab der Lichtintensität in F i g. 3 a dreißigmal größer als der der F i g. 3 b ist, d. h., daß die Intensität des Lichtes in Fig. 3b dreißigmal größer ist. Bei der Aufnahme der oben angegebenen Kurven

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war die Spannung der Spannungsquelle und der p° und η bezeichnet. Das Ferminiveau wird durch

Arbeitswiderstand so gewählt, daß die Dioden im eine gestrichelte Linie dargestellt, die durch diese

Zustand niedriger Leitfähigkeit 5 mA und im Zu- drei Bereiche hindurchgeht.- Im Hinblick auf geladene

stand hoher Leitfähigkeit 6OmA Strom führen. Es und ungeladene Verunreinigungen wird die p°- ist dadurch erklärlich, daß die gesamte Lichtausbeute 5 Schicht durch eine konstante Dichte N_D von positiv

nach dem Umschalten etwa dreißigmal größer ist als geladenen Donatorionen, eine gleiche Dichte von

vor dem Umschalten. Außerdem ist zu beachten, daß negativ geladenen Manganionen und eine nicht

das Verhältnis der Intensitätsänderung der Strah- gleichförmige Dichte von neutralen Manganatomen

lung im Bereich von 0,84 μΐη Wellenlänge wesentlich gekennzeichnet. In der p-Schicht sind die N_D positiv

größer ist als das der Strahlung im Bereich von 10 geladenen Donatorionen kompensiert durch die

0,89 μΐη Wellenlänge. ' gleiche Anzahl von negativen Zinkionen und alle

Daher ist ein Strahlungsdetektor mit einem Filter, Manganzentren sind neutral. Die Zinkatome, die in

das nur Strahlung mit 0,84 \tm Wellenlänge durch- Überschuß zu N₀ sind, verursachen die leitenden

läßt, zur Feststellung, ob die Diode im Bereich Löcher. An der Grenzfläche zwischen den p- und p°-

niedriger oder hoher Leitfähigkeit arbeitet, besonders 15 Schichten befindet sich eine vergleichbare Anzahl von

vorteilhaft. Durch Änderung der Schichtdicken und negativen Mangan- und Zinkionen. Die angegebenen

der Zink- und Manganverunreinigungen in der Diode Akzeptorenniveaus von 0,4 Elektronenvolt für Zn

wird das angegebene Verhältnis der spektralen Ver- und für Mangan von 0,1 Elektronenvolt stammen aus

teilung ebenfalls verändert. Es kann aber ganz all- Veröffentlichungen.

gemein gesagt werden, daß die durch die Zinkver- 20 In F i g. 5 sind die verschiedenen Schritte des erfin-

unreinigungen erzeugten Spektrallinien ein genaueres dungsgemäßen Herstellungsverfahrens schematisch

Mittel zur Feststellung des Schaltzustandes sind als dargestellt. Gemäß Fig. 51 wird ein Block von n-lei-

die durch die Manganverunreinigung bedingten tendem Gallium-Arsenid in der gewünschten Form

Linien. dargestellt. Im zweiten Verfahrensschritt wird eine

Obwohl die Vorgänge innerhalb derartiger Dioden 25 p°-Leitfähigkeit verursachende Verunreinigung in das

theoretisch noch nicht vollständig geklärt sind, wird Material des Blocks eindiffundiert. Als besonders

im folgenden ein kurzer Überblick der Arbeitsweise vorteilhaft für den zweiten Verfahrensschritt hat sich

dieser Dioden gegeben. Die Schicht hohen Wider- Mangan erwiesen. Anschließend erfolgt eine zweite

Standes p° 14 wird durch Einführen von Mangan Diffusion, bei der eine andere p-Leitfähigkeit ver-

(Mn) als die den Leitfähigkeitstyp bestimmende Ver- 30 ursachende Substanz in den Halbleiterblock ein-

unreinigung bewirkt. Sie wird von den beiden Schich- diffundiert wird. Zu diesem Zweck hat sich insbeson-

ten niedrigen "Widerstandes 12 und 16 eingeschlossen. dere Zink als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Ein-

Die Schicht 12 enthält Zink als die den p-leitenden dringtiefe der zweiten Diffusion ist nicht kritisch, nur

Zustand bedingende Verunreinigung. Die den n-lei- muß darauf geachtet werden, daß sie geringer ist

tenden Zustand bedingende Verunreinigung des aus 35 als die der ersten Diffusion, da eine p°-Schicht erhal-

Gallium-Arsenid bestehenden Ausgangskristalls kann ten bleiben muß. Durch Veränderung der Breite der

durch irgendeine der Substanzen Te, Se oder Si er- p°-Schicht können die charakteristischen Eigenschaf-

zeugt werden. Die Schicht hohen Widerstandes p° ist ten der Diode bestimmt werden. Es ist weiterhin

dadurch existent, daß bei 77 ⁰K praktisch alle Man- darauf zu achten, daß die die p-Leitfähigkeit der

ganzentren, die im Überschuß zu denen sind, die die 40 zweiten Schicht bestimmenden Verunreinigungen

ursprünglich in dem η-leitenden Gallium-Arsenid- Akzeptoren mit flacheren Energieniveaus als die

Kristall enthaltenen Donatoren kompensieren, neu- Akzeptoren mit tieferen Energieniveaus aufweisen,

tral sind. Bei niedrigen Strömen von der Batterie 22 die durch Mangan erzeugt werden. Nach der zweiten

der F i g. 1, bevor der negative Widerstandsbereich Diffusion hat die Anordnung die Gestalt der

erreicht wird, durchqueren die Elektronen die p°- 45 Fig. 5ΙΠ. Als nächster Schritt werden die Rückseite

Schicht und kombinieren sich mit den Löchern in der und die Seitenflächen der Anordnung abgeschliffen

Nachbarschaft der pp°-Grenzfläche. Untersuchungen oder sonstwie entfernt, so daß sich die in Fig.5IV

über den Ursprung des Lichtes in derartigen Dioden dargestellte pp°n-Anordnung ergibt. Außerdem wer-

während der Veränderung der Spannungen und der den Ohmsche Kontakte in an und für sich bekannter

Ströme haben gezeigt, daß die Dicke der p°-Schicht 50 Weise an der p- und der η-Schicht der Anordnung

etwa 30 μηι beträgt. angebracht.

Ist die kritische Schwellenspannung erreicht, was In F i g. 6 werden die einzelnen Schritte eines etwas

beispielsweise bei 4 V bei einem gegebenen Last- abgewandelten Herstellungsverfahrens schematisch

widerstand der Fall ist, setzt der negative Widerstand dargestellt. Bei diesem Verfahren werden eine oder

bis zum Absinken der Spannung auf etwa 2,2 V ein. 55 mehrere Flächen des Halbleiterkörpers mit Masken

Die Kurve im Strom-Spannungs-Diagramm wird in bedeckt, so daß die anschließende Entfernung un-

diesem Punkt wieder positiv, und die spektrale Ver- erwünschter diffundierter Schichten wegfällt. In

teilung und die Intensität des Lichtes als eine Funk- Fig. 61 wird ein Gallium-Arsenid-Körper von der

tion des Stromes vor und nach dem Bereich negativen gewünschten Form mit einer Maske M dargestellt.

Widerstandes zeigt, daß die Lichtemission begleitet 60 Zur Erzeugung der p°-Schicht erfolgt eine erste

wird von einem Auffüllen der Zink- und Mangan- Diffusion mit Mangan und anschließend eine zweite

Zentren mit Löchern. Diffusion mit Zink zur Erzeugung einer P-Schicht.

In F i g. 4 ist ein übliches Energiebänderdiagramm Die Ergebnisse der einzelnen Verfahrensschritte werfür eine elektrolumineszierende Diode mit negativem den in den Fig. 611 und 6III dargestellt. An-Widerstandsbereich bei 77 ⁰K dargestellt, die nach 65 schließend werden die Seitenflächen der Anordnung dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. in geeigneter Weise entfernt, so daß sich nach Wegin diesem Diagramm sind die Leitungs-und Valenz- nähme der MaskeM die in Fig. 6IV dargestellte bänder entsprechend den drei Schichten der Diode p, Anordnung ergibt. Es ist natürlich auch möglich,

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außer der Rückseite der Anordnung auch die Seiten- tration in den betreffenden p°- und p-Schichten

flächen mit Masken oder anderen die Diffusion ver- schwankt.

hindernden Schutzschichten zu bedecken, so daß eine Die gleichen oder ähnlichen Ergebnisse werden erBearbeitung durch Schleifen, Ätzen oder Polieren zielt, wenn man an Stelle von Mangan Chrom und an der Anordnung nach Beendigung der Diffusions- 5 Stelle von Zink Cadmium oder Magnesium verschritte ganz entfällt. wendet.

Die im Zusammenhang mit den F i g. 5 und 6 be- Eine Abwandlung des oben beschriebenen Verschriebenen Diffusionsschritte werden beispielsweise fahrens zur Herstellung eines abgeänderten Halbin einem dicht verschlossenen und evakuierten Quarz- leiterelementes gemäß der Erfindung wird in F i g. 11 rohr oder -ofen durchgeführt, der mit geeigneten io dargestellt. Mit I wird in Fig. 11 ein n-leitender Heizungswindungen versehen ist. Zur Durchführung Halbleiterkörper mit geeigneter Donatorenkonzendes Verfahrens wird der Kristallkörper erst gereinigt tration bezeichnet. Als besonders vorteilhaft hat sich und geätzt, anschließend in das Quarzrohr oder den zu diesem Zweck Gallium-Arsenid erwiesen, das in Quarzofen gemeinsam mit beiderseits des Kristalls Fig. 11 mit I und η bezeichnet wird. Anschließend angeordneten, jedoch etwas abgesetzt liegenden Vor- 15 wird ein p-Leitfähigkeit erzeugendes Material, beiräten an Zink und Mangan untergebracht. An- spielsweise Mangan, eindiffundiert, wodurch eine schließend wird der Quarzbehälter dicht verschlossen p-leitende Schicht entsteht, die, wie in Fig. Uli zu und ausgepumpt, und dann wird der Teil des Be- ersehen, den η-leitenden Teil der Anordnung allseitig hälters, der den Gallium-Arsenid-Kristall und das umgibt. Anschließend wird die Anordnung, wie aus Mangan enthält, in geeigneter Weise erhitzt, so daß 20 Fig. 11III zu ersehen, an einer Seite geschliffen, gedie erste Diffusion stattfindet. Anschließend wird der läppt, geätzt oder sonstwie behandelt, um die diffun-Teil des Behälters, der den Zinkvorrat enthält, er- dierte Manganschicht an einer Seite des Plättchens hitzt, so daß die zweite Diffusionsschicht, wie in den zu entfernen. Anschließend wird durch Diffusion Fig. 5III und 6III gezeigt, eingebracht wird. eine weitere p-leitende Schicht erzeugt, so daß sich

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens 25 die in F i g. 11IV dargestellte Anordnung ergibt. Die

wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, daß die Diffusion erfolgt in diesem Falle zweckmäßigerweise

eine η-Leitfähigkeit bedingenden Verunreinigungen mit Zink. Die Tiefe der zweiten Diffusion wird so

des Gallium-Arsenid-Keims eine Konzentration von gewählt, daß die gewünschten Eigenschaften des

2 bis 4 · 10¹⁷ cm"³ aufweisen und der Kristall sehr Endprodukts erzielt werden. Die zweite p-leitende

fein poliert und in einem evakuierten Quarzrohr zu- 30 Schicht enthält eine Verunreinigung, die Akzeptoren

sammen mit einem einzigen Manganmetallschnipsel mit flacherem Energieniveau erzeugt als die Akzep-

untergebracht wird. Der erste Diffusionsschritt wird toren des mit Mangan dotierten Bereiches, wozu

während einer Zeitdauer von etwa 4 Stunden bei unter anderem beispielsweise Zink geeignet ist. Das

einer Temperatur von etwa 900 ⁰C durchgeführt und sich ergebende Plättchen wird anschließend an den

ergibt eine Schicht von etwa 100 μπι Eindringtiefe. 35 Seitenflächen durch Schleifen, Ätzen, Läppen od. dgl.

Die pn-Grenzflächen werden anschließend durch so behandelt, daß die diffundierten Schichten ent-

elektrolytisches Ätzen in einer KOH-Lösung einge- fernt werden und sich eine Anordnung gemäß

ebnet. Das auf diese Weise erhaltene Plättchen wird Fig. 11V ergibt. Das so erhaltene Element besteht

erneut in ein Qarzrohr eingeschlossen, diesmal jedoch aus einer p-leitenden Schicht P, aus einer zweiten

zusammen mit einem Schnipsel aus Zinkmetall und 40 Schicht aus halbisolierendem Material, welche als

eine zweite Diffusion findet während einer Zeitdauer Schicht hohen Widerstands P⁰ dient, einer inneren

von 15 bis 45 Minuten bei einer Temperatur von η-leitenden Schicht JV und schließlich einer p-leiten-

etwa 900 ⁰C statt. den Schicht P, die in ihrer Zusammensetzung der

Zeit und Temperatur der zweiten Diffusion mit zuerst genannten p-leitenden Schicht gleicht. Die Zink wurden so gewählt, daß die Eindringtiefe des 45 GaAs-Plättchen werden nach der oben beschriebenen Zinks wesentlich geringer als die des Mangans, also Aktivierung in parallelepipedförmige Körper von etwa 70 μΐη, betragen soll. Die zweite Diffusion ändert 250 · 120 · 120 μηα³ gespalten. Ohmsche Kontakte der Relativlage der ersten Grenzfläche zwischen dem werden anschließend mit Hilfe von Zinn an der η-leitenden Gallium-Arsenid und der p°-Schicht, die η-leitenden Seite des Elementes und mit Hilfe von durch Mangandotierung entsteht, nicht, so daß sich 50 Indium an der p-leitenden Seite des Elementes hereine p°-Schicht von etwa 30 μπι Dicke ergibt. Das gestellt.

Plättchen wird anschließend in Parallelepipeds von Eine Abwandlung des oben beschriebenen Veretwa 250-120 μπι² Fläche aufgespalten. Ohmsche fahrens zur Herstellung eines PP°NP-Halbleiter-Kontakte werden an den η-leitenden Seiten mit Hilfe elementes wird an Hand der Fig. 12 erläutert. Bei von Zinn und an den p-leitenden Seiten mit Hilfe 55 diesem Verfahren findet eine Maske M Anwendung, von Indium erstellt. Zusammenfassend sei noch fest- durch die ein Schleif-, Läpp- oder Ätzschritt gemäß gestellt, daß die p-Schichtl2 etwa 70 μπι dick, die Fig. Hill vermieden werden kann. Nach Beendi-Schicht p° hohen Widerstands etwa 30 μπι und die gung der zweiten Diffusion werden die Seitenflächen, verbleibende η-leitende Schicht des Gallium-Arsenid- entsprechend des an Hand der Fig. 11 beschriebe-Kristalls etwa 75 μπι dick ist. Die Konzentration von 60 nen Verfahrens, entfernt, so daß sich ein Halbleiter-Zink in der p-leitenden Schicht 12 dieser Anordnung element ergibt, wie es in Fig. 6V dargestellt ist.
beträgt etwa 10²⁰ Atome cm~³ und die Kozentration Ein anderes abgewandeltes Verfahren zur Hervon Magan in der p°-Schicht 14 etwa 10¹⁸ cm"³. stellung der erfindungsgemäßen Anordnung wird an Durch Änderung der Diffusionstemperaturen und Hand der F i g. 13 erläutert. Dabei wird, anstatt nach der Diffusionszeiten werden Dioden erzielt, die im 65 der ersten Diffusion die Rückseite des Plättchens wesentlichen gleiche Eigenschaften haben, deren durch Ätzen und Läppen von der manganverunreispektrale Intensitätsverteilung jedoch geringfügig mit nigten Schicht zu befreien, das ganze Plättchen in Veränderung der Mangan- und Zink-Atomkonzen- zwei Teile geschnitten, wie das in Fig. 13III darge-

stellt ist. Nach diesem Verfahrensschritt schließen sich die im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12ΙΠ bis V gezeigten Verfahrensschritte an.

Mit Hilfe des in Fig. 7 dargestellten Halbleiterbauteils können große Ströme sehr schnell geschaltet werden. Das Halbleiterelement 2 besteht aus einem GaUium-Arsenid-Kristall, an dessen einer Seite eine lumineszierende Injektionsdiode und an dessen anderer Seite eine lichtempfindliche PP°N-Diode mit negativem Widerstand liegt, so daß die von der lumineszierenden Diode emittierten Photonen zur Steuerung des Widerstands der PP°N-Diode dienen. Die Kopplung wird dadurch erreicht, daß beide Elemente eine gemeinsame η-leitende Schicht JV aufweisen. Bei der Herstellung des beschriebenen Gallium-Arsenid-Bauteils erhält man eine Schicht 6, die Zink oder ein anderes Material zur Herstellung von Akzeptoren mit flachem Energieniveau, beispielsweise Cadmium enthält und innerhalb des Gallium-Arsenid-Plättchens eine p-leitende Schicht P mit niedriger Impedanz bildet. Die Schicht 8 bildet eine Isolierschicht oder eine Schicht hoher Impedanz und wird mit P⁰ bezeichnet. Sie enthält Mangan oder andere Substanzen zur Erzeugung von Akzeptoren mit tiefen Energieniveaus, beispielsweise Chrom als wichtigste Verunreinigung. Der Bereich 10 besteht aus dem η-leitenden Gallium-Arsenid und wird mit JV "bezeichnet. 12 ist ein weiterer Bereich mit niedriger Impedanz, der mit P bezeichnet wird und die gleichen Verunreinigungen wie die Schicht 6, und zwar Zink, enthält.

Die Batterie 14, die über den Widerstand 16 und den geschlossenen Schalter 18 mit dem Bauteil 2 verbunden ist, liefert eine in Durchlaßrichtung liegende Vorspannung für die Schichten 6, 8 und 10 der PP°N-Diode. Die Batterie 20, die über den geschlossenen Schalter 22 mit dem Bauteil 2 verbunden ist, liefert an die aus den Schichten 10 und 12 bestehende lumineszierende Injektionsdiode eine in Durchlaßrichtung liegende Spannung, die von einer genügenden Größe ist, um die Diode lumineszieren zu lassen.

Eine spiegelnde Schicht 24 ist an der äußeren Fläche der P-Schicht 12 angeordnet, die eine Reflexion des Lumineszenzlichtes in Richtung auf die P°-Schicht 8 bewirkt. Die Anordnung würde aber auch ohne die besagte reflektierende Schicht 24 arbeiten.

Die Arbeitsweise der in F i g. 7 dargestellten Anordnung wird im folgenden an Hand der Z₁₄-F₁₄-DIagramme der F i g. 8 und 9 näher erläutert. Die Bereiche 6, 8 und 10 bilden eine Anordnung, die, wenn sie durch die Spannung der Batterie F₁₄ in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, einen negativen Widerstand zeigen. Bei geschlossenem Schalter 18 und bei niedrigen Werten von + F ist die Impedanz der PP⁰N-Diode auf Grund der Eigenschaften des Bereiches 8 sehr hoch, so daß der Punkt I auf der Kurve J_2n=O der F i g. 8 den stabilen Zustand hoher Impedanz des Teils der Anordnung zeigt, der als elektrolumineszente Diode mit negativem Widerstand angesprochen werden kann. Wird die Spannung F₁₄ bis zu dem Punkt t erhöht, der der Schwellenwertspannung der elektrolurnineszenten Diode mit negativem Widerstand entspricht, so wird die letztere umgeschaltet, und die i₁₄-F₁₄-Kurve I₂₀=O zeigt die Eigenschaften im negativen Widerstandsbereich. Ein stabiler Zustand, der durch den Punkt B angedeutet ist, wird als der Zustand niedriger Impedanz der elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand bezeichnet.

Diese hat auch die Eigenschaft, daß die Schwellenwertspannung herabgesetzt wird, wenn Energie in Form von Licht dem Bereich hohen Widerstands P⁰ zugeführt wird. Die Kurve Z₂₀ >0 der Fig. 8 ist eine Darstellung im z'₁₄-F₁₄-Diagramm, wenn Licht durch den Strom Z₂₀ erzeugt wird, der

ίο durch die PN-Grenzfläche 10 bis 12 auf den Bereich P⁰ der Diode 6-8-10 fällt. Es ist daraus zu ersehen, daß das Umschalten der elektrolumineszenten Diode mit negativem Widerstand bei einer niedrigeren Spannung t' erfolgt, wenn Licht zur Einwirkung gelangt. Der Punkt B kennzeichnet im wesentlichen den gleichen stabilen Zustand bei niedriger Impedanz der Diode, unabhängig davon, ob die Diode unter der Einwirkung von Licht auf den Bereich P⁰ oder ohne diese Einwirkung betrieben wird.

Die Diode 6-8-10 kann durch Entfernung der Beleuchtung und durch kurzzeitiges Öffnen des Schalters 18 in ihren ersten stabilen Zustand (Punkt I) übergeführt werden. Es ist natürlich auch möglich, das Umschalten in den ersten Zustand durch das Anlegen von negativen Impulsen zu bewirken, die die Vorspannung V_u kurzzeitig so weit senken, daß die Spannung kleiner als V_x wird, was eine Rückkehr der Diode 6-8 in ihrem Zustand niedriger Impedanz (Punkt I) zur Folge hat. L ist die Belastungskennlinie der elektrolumineszierenden Diode mit negativer Impedanz.

Zusammengefaßt sei noch einmal festgestellt, daß für den Fall, in welchem sich die Diode 6-8-10 in ihrem durch B gekennzeichneten Zustand niedriger Impedanz befindet und in den durch den Punkt I gekennzeichneten Zustand hoher Impedanz übergeführt werden soll, die an der Diode in Durchlaßrichtung liegende Spannung bis unter den Wert V_x herabgesetzt werden muß. Der Bereich PP⁰JV in F i g. 7 ist deshalb von Wichtigkeit, weil er als Schalter mit negativem Widerstand wirkt. Die elektrolumineszenten Eigenschaften sind nur eine Nebenerscheinung des Schaltvorganges, aber diese Eigenschaft ist als ein optisches Mittel zur zerstörungsfreien Feststellung des Zustandes des photonengekoppelten Schalters von Wichtigkeit. Das Lumineszenzlicht kann, ohne den Schaltzustand der Diode zu beeinflussen, abgefühlt werden.
Ein wesentliches Merkmal dieser Anordnung, bei der zwei Dioden mit einer gemeinsamen Basis N-B.ereich 10 erzeugt werden, ist die sehr enge Kopplung zwischen einer lumineszierenden Injektionsdiode (Bereiche 10 und 12) und einer elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand (Bereiche 6, 8 und 10), so daß ein schnelles Schalten der elektrolumineszierenden Diode mit negativem Widerstand möglich ist. Schaltzeiten von mindestens 10~⁷ Sekunden sind auf diese Weise realisierbar. Die Anordnung gemäß F i g. 7 wirkt als ein sehr schnelles Dreielektrodenschaltbauteil oder Relais bei dem der Strom z'_an als Steuerstrom dient. Die Einschaltzeit des durch die Diode 10 bis 12 erzeugten Lichtes beträgt höchstens 10~⁹ Sekunden, und seine Intensität ist über einen weiten Bereich dem Strom i,

proportional.

In F i g. 9 a wird die Stromspannungskennlinie der in Fig. 7 dargestellten Anordnung für verschiedene Werte von Z₂₀ dargestellt, bei denen z'_2O in Schritten

von 5 mA gesteigert wird. In dieser Schaltung beträgt der Widerstand von R16 200 0hm, und die Batterien 14 und 20 wurden durch zeitlich veränderbare Generatoren ersetzt. Wie schon früher erwähnt, wird die Anordnung bei einer Temperatur von 77 ⁰K betrieben. Die Schwellenwertspannungen schwanken zwischen 3,8 und 1,5 Volt, und der Strom i verändert sich dabei von 1,0 bis zu 2,5 mA. Wie aus F i g. 9 zu entnehmen, ist der Gewinn oder die Verstärkung der Anordnung PPW in der Form dargestellt

oder das Verhältnis zwischen dem Strom der durch die Diode 6-8-10 in ihrem Zustand niedriger Impedanz und dem Strom der durch die Diode in ihrem Zustand hoher Impedanz fließt. Dieser Gewinn kann auch durch das Verhältnis

dargestellt werden, wobei R₁₆ der Wert des Widerstandes 16 der Fig.7 und R_P^_N die Impedanz der Diode 6-8-10 ist. Der Gewinn der ganzen Anordnung

(PP⁰NP) kann geschrieben werden als

AIa

AL,

hi (in Punkt B) — hi (in Funkt I)

Uo — 1*20

Wie aus Fig. 9 zu entnehmen, kann bei Z₂₀=O (kein Licht) und 4Ό von der Größe von rnAzf J₁₄ in der Größenordnung von einigen 100 mA sein (durch die Größe von R₁₆ bedingt), was einem hohen Gewinn entspricht.

In der Schaltung nach Fig. 10 ist die durch die Bereiche 10 und 12 gemäß F i g. 7 gebildete Lichtquelle durch eine äußere Lichtquelle ersetzt.

Auf diese Weise kann die Anordnung als Lichtverstärker verwendet werden. Gemäß Fig. 10 bilden die Bereiche 6, 8 und 10 PPW eine elektrolumineszierende Diode mit negativem Widerstand. 30 ist eine Wechselstromquelle £ (r), die für jeden Halbzyklus eine in Durchlaßrichtung wirkende Vorspannung liefert, die jedoch nicht genügt, die Diode über den veränderlichen Widerstand 36 ohne Beleuchtung ihres P°-Bereiches umzuschalten. Die Lichtquelle 34 wird mittels der Linse 36 auf den η-leitenden Bereich 10 fokussiert, während 38 ein dichroitisches Filter ist, das die Wellenlänge A₁ der Lichtquelle 34 durchläßt, jedoch die Wellenlänge A₂, die in der Diode erzeugt wird, reflektiert. Obwohl das dichroitische Filter 38 ebenso wie die reflektierende Schicht in der F i g. 7, die Wirkungsweise der Anordnung verbessert, kann die Anordnung auch ohne dieses Filter arbeiten. Das Filter 40 ist so ausgebildet, daß das Licht der Wellenlänge A₁ unterdrückt, jedoch Licht der Wellenlänge A₂ durchläßt. Eine Linse 42 fokussiert das durchgelassene Licht auf den Detektor 44.

Hat das von außen einfallende Licht I_ex weniger Energie je Photon als das emittierte Licht I_em, d. h. daß die Energie von außen einfallenden Photonen kleiner ist als die Energie des emittierten Photons, wirkt die Anordnung als ein Quantenverstärker. Bei Verwendung von Mangan als eine Verunreinigung zur Erzeugung von Akzeptoren flachen Energieniveaus in Gallium-Arsenid und einer Ionisierungsenergie von 0,1 Elektronenvolt wird ein Quanten gewinn von 10 erreicht, da die Energie des emittierten Photons 1,0 Elektronenvolt beträgt. Durch Veränderung der Tiefe der Verunreinigung kann man kleinere Quantenverstärkungen mit tiefen Verunreinigungen und größere Quantenverstärkungen mit flacheren Verunreinigungen erzielen. Liegt das einfallende Licht im infraroten Bereich und das emittierte Licht der PP°N-Diode im sichtbaren Spektrum, so kann eine matrizenförmige Anordnung derartiger

ίο Dioden dazu verwendet werden, ein im langwelligen Infrarotbereich liegendes Bild in ein im kurzwelligen Infrarotbereich liegendes Bild zu verwandeln. Durch geeignete Dotierung des Gallium-Arsenids mit Zusammensetzungen der Gruppen III und IV mit breiterem Bandabstand, beispielsweise mit Gallium-Phosphit, können an Stelle von im nahen Infrarot liegenden Bildern im sichtbaren Spektralbereich liegende Bilder erzeugt werden.

Emittiert die Anordnung in ihrem gut leitenden Zustand mehr Photonen je Sekunde, als zur Auslösung der Umschaltung von der Lichtquelle 34 benötigt werden, so ergibt sich ein Lichtverstärker. Um eine Modulation der Quelle 34 in weiten Grenzen übertragen zu können, ist es erforderlich, daß die Vorspannungsfrequenz E (t) der Stromquelle 30 größer als die Modulationsfrequenz der Lichtquelle 34 ist. Wird nämlich bei positivem Potential von E (t) die Lichtquelle 34 eingeschaltet, so ergibt sich eine Herabsetzung des Schwellenwertes der Diode 6-8-10. Die Diode wird dadurch in ihren Zustand niedriger Impedanz umgeschaltet, und es ergeben sich relativ hohe Werte des Stromes Z₃₀, welche die Erzeugung von Licht der Wellenlänge A₂ zur Folge haben, das durch den Detektor 44 festgestellt wird.

Sinkt E (i) auf einen Wert unterhalb des besagten Schwellenwertes oder nimmt einen negativen Wert an, so fällt die Diode 6-8-10 in ihren Zustand hoher Impedanz zurück, und die dabei fließenden kleinen Werte von Z₃₀ verursachen geringfügige oder gar

keine Lumineszenz der Diode. Folglich wird kein Licht zum Detektor 44 gelangen. Solange die Frequenz der Stromquelle 30, die die Vorspannung in Durchlaßrichtung für die Diode PPW liefert, größer ist, als die Frequenz, mit der die Lichtquelle 34 an- und abgeschaltet wird, wirkt die Schaltung gemäß F i g. 10 als ein Verstärker, der die Modulationscharakteristik der Quelle 34 beibehält. Hat die Quelle 34 eine Wellenlänge X₁ die gleich der Wellenlänge X₂ ist, dann kann das Filter 40 entfernt werden.

Die Anordnung wirkt als Umformer wenn das Licht der Quelle 34 eine Wellenlänge A₁ größer als A₂ hat, wobei A₂ die Wellenlänge des in der Diode erzeugten Lichtes während des Schaltvorganges ist. So könnte beispielsweise X₁ in langwelligem Infrarot-Bereich

liegen und der Detektor 44 würde infrarotes Licht feststellen, dessen Wellenlänge kürzer als das der Quelle 34 ist.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszente Halbleiterdiode mit wenigstens drei Bereichen verschiedenen Leitungstyps und einem lichtempfindlichen Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterkörper ein erster Bereich (P) niedrigen Widerstands mittels Akzeptoren kleiner Energiestufe und ein unmittelbar angrenzender

zweiter Bereich (P⁰) hohen Widerstands mittels Akzeptoren höherer Energiestufe angeordnet ist, dem sich mindestens ein dritter, vorzugsweise aus dem unveränderten Ausgangsmaterial bestehender, Donatoren enthaltender Bereich (N) niedrigen Widerstands anschließt und daß die beiden Bereiche (P und N) niedrigen Widerstands mit üblichen Ohnischen Kontakten versehen sind.

2. Elektrolumineszenter Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein Grundkörper aus η-leitendem Gallium-Arsenid besteht.

3. Elektrolumineszenter Halbleiter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Akzeptoren mit kleiner Energiestufe für die erste Schicht (P) aus Zink, Cadmium oder Magnesium, die Akzeptoren mit höherer Energiestufe für die zweite Schicht (P⁰) aus Mangan, Kobalt oder Chrom bestehen und daß die Donatoren der dritten Schicht (N) aus Tellur ao und/oder Silizium bestehen.

4. Elektrolumineszenter Halbleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Dotieren der ersten, zweiten und dritten Schicht Zink (für P), Mangan (für P⁰) und Tellur (für N) verwendet ist.

5. Elektrolumineszenter Halbleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der ersten Schicht (P) etwa 10²⁰ cm~³ Zink und die der zweiten Schicht (P⁰) etwa 10¹⁸ cm~³ Mangan beträgt.

6. Elektrolumineszenter Halbleiter nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Verwendung als ein in einem Stromkreis mit steuerbar veränderlicher Spannung liegender bistabiler Baustein, der durch Spannungsänderung und/oder Lichteinwirkung aus einem stabilen Zustand in den anderen überführbar ist.

7. Elektrolumineszenter Halbleiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die im steigenden und im fallenden Kennlinienbereich in verschiedenen Frequenzbereichen Maxima (0,84 und 0,89 μΐη) aufweisende emittierte Lumineszenzstrahlung als Kriterium für den Schaltzustand der Anordnung dient.

8. Elektrolumineszenter Halbleiter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine vierte Schicht (P 12) vorgesehen ist, die auf die dritte Schicht (NlO) folgt, die wenigstens teilweise mit einer kugelförmige Bereiche aufweisenden reflektierenden Schicht (24) nach außen abgeschlossen ist.

9. Elektrolumineszenter Halbleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sein N-Bereich (10) an eine Mittelelektrode angeschlossen ist, die den zwei jeweils an die äußeren Elektroden (6 und 12) angeschlossen und jeweils eine Stromquelle (14 und 20) enthaltenden Stromkreisen gemeinsam ist, derart, daß durch die auftretende Lumineszenzstrahlung des ersten steuernden Stromkreises (14) der gesteuerte Stromkreis (20) vom steigenden Kennlinienbereich [(Z) in F i g. 8 und 9] in den fallenden Kennlinienbereich (B) übergeht.

10. Elektrolumineszenter Halbleiter nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Lichtverstärker, Lichtwandler oder Quantenverstärker.

11. Verfahren zur Herstellung eines elektrolumineszenten Halbleiters nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die zweite Schicht (P⁰) durch allseitige Diffusion von Mangan, Kobalt oder Chrom in einen η-leitenden Gallium-Arsenid-Körper und dann die erste Schicht (P) durch anschließende allseitige Diffusion, von Zink, Cadmium oder Magnesium derart, daß nur eine geringere Eindringtiefe als bei der ersten Diffusion erreicht wird, hergestellt wird, und daß daran anschließend die durch die Diffusion erzeugten Bereiche (P⁰ und P) mit Ausnahme einer Seite an den übrigen Seiten des Gallium-Arsenid-Körpers entfernt werden (IV in den F i g. 5 und 6 sowie V in den Fig. 11 und 12).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß von der entgegengesetzten Außenfläche des dritten Bereichs (N) aus durch Diffusion mittels Akzeptoren kleiner Energiestufe ein vierter Bereich (P 12) erzeugt wird und daß der erste (6), der dritte (10) und der vierte Bereich (12) in an und für sich bekannter Weise mit Ohmschen Kontakten versehen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (P 6) und vierte Bereich (P 12) mit der gleichen Substanz dotiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1048 346,
1052563,1054179;

USA.-Patentschriften Nr. 2 817 783, 3 064132; Journal of the Electrochemical Soc, Bd. 110, Nr. 11, November 1963, S. 1153 bis 1159, insbesondere S. 1154.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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