DE2065245C3 - Elektrolumineszenz-Vorrichtung mit einem pn-Ubergang - Google Patents

Description

dung zählt zur Klasse der elektrischen Halbleiter mit 45 den Materials liegt. Diese Untersuchungen bezogen

indirekter Bandlücke, d. h. daß für eine Elektronen- sich insbesondere auf Tellur als Donator, wobei sich

Loch-Rekombination ein drittes Kristallelement, bei- jedoch auch Schwefel und Selen als im wesentlichen

Ipielsweise eine Versetzung, eine Leerstelle, eine Sub- gleichwertige Donatoren erwiesen,

•titution, eine Zwischengitter-Verunreinigung oder Die bei bekannten Elektrclumineszenz-Vorrichtun-

eine andere Abweichung vom vollkommen geordneten 50 gen maximal erzielten Wirkungsgrade liegen zwischen

Kristallaufbau vorhanden sein muß. Im Falle von 1 und 2%. Obschon diese Wirkungsgrade gegenüber

GaP-Vorrichtungen wird angenommen, daß das für früher erzielten Wirkungsgraden beachtlich größer

eine Rekombination mit Emission von Rotlicht er- sind, so stellen sie absolut gesehen noch kein befriedi-

forderliche dritte Kristallelement ein Verunreinigungs- gendes Ergebnis dar.

komplex ist, der aus einen Sauerstoffion und einem 55 Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine

Akzeptorion (meist Zn oder Cd) besteht, welche als Elektrolumineszenz-Vorrichtung der eingangs erwähn-

Substitutionselemente im Kristallgitter als nächst- ten Art zu schaffen, welche einen wesentlich erhöhten

liegende Nacitbarpaare auf der p-Seite des Übergangs Wirkungsgrad aufweist.

vorhanden sind. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

in Durchlaßrichtung des PN-Übergangs wird ein 60 Kennzeichen des Patentanspruchs genannten Merkmale

Elektron aus der N-Zone in die P-Zone injiziert, wo gelöst.

dieses Elektron von dem genannten Komplex einge- Die erfindungsgemäßen Elektrolumineszenz-Vorfangen wird. Anschließend wird an der gleichen Stelle richtungen weisen einen wesentlich verbesserten Wirein Loch eingefangen, welches unter Emission eines kungsgrad von 4 bis 7% auf.

Photons im roten Spektralbereich mit dem Elektron 65 Unter »Wirkungsgrad« wird im vorliegenden Zu-

rekombiniert. Sind jedoch im Injektionsbereich keine sammenhang das Verhältnis zwischen der Anzahl der

Komplexe vorhanden, so rekombiniert das Elektron emittierten Photonen und der Gesamtzahl der La-

im Laufe der Zeit über eine Anzahl anderer Prozesse, dungsträger (Elektronen und Löcher), welche die Vor-

3 ^r 4

dchtung über den lichtemittierenden PN-Übergang auf der P-Seite des PN-Übergangs 31 erzeugt wird, durchlaufen, verstanden. Diese Verhältnisgröße wird Von hauptsächlichem Interesse sind daher die Dozuweilen als sogenannter »äußerer Quar.tenwirkungs- tierungskonzentrationen inucrhalb einer Materialtiefe grad« der Vorrichtung bezeichnet i;id ist größer als von 10 μπι auf beiden Seiten des Übergangs 31. Wie der tatsächliche Energiewirkungsgrad, und zwar an- S aus der Figur hierzu hervorgeht, weist ein Ausfühnähernd um das Verhältnis zwischen der Bandlücken- rungsbeispiel einer Elektrolumineszenz-Vorrichtung energie und der Photonenenergie. Für Vorrichtungen mit hohem Wirkungsgrad im Bereich des PN-Überder hier beschriebenen Art ist der Quantenwirkungs- gangs eine Te-Konzentration in dem N -leitenden Magrad in der Größenordnung von 20% größer als der terial von 0,9 · 10¹⁸ Atome pro cm³, eine Zn-Konzentatsächliche Energiewirkungsgrad. it> tration in dem P-leitenden Material von 5,5 · 10¹⁷

Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten Atome pro cm³ und eine O-Konzentration in dem an Hand der Zeichnung näher erläutert; die Figur P-leitenden Material von 1,5 · 10" Atome pro cm³ auf. zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Konzentra- Die Dotierungskonzentrationen in größerer Enttion der verschiedenen Dotierstoffe in einer Elektro- femung von dem PN-Übergang beeinflussen den Wirlumineszenz-Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad 15 kungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur als Funktion der räumlichen Lage innerhalb der Vor- sekundär. Da das in der Nähe des Übergangs erzeugte richtung (Dotierungsprofil), wobei die Donatorkon- Licht vor dem Austritt aus der Vorrichtung den entzentrationen oberhalb der Abszisse und die Akzeptor- fernteren Materialbereich unter Umständen mehrfach konzentrationen unterhalb der Abszisse wiedergegeben durchlaufen muß, wird der Wirkungsgrad durch eine sind. 20 Absorptionswirkung des vom Übergang entfernteren

Eine Elektrolumineszenz-Vorrichtung mit dem in Materialbereichs nachteilig beeinflußt. Da freie Lader Figur gezeigten Dotierungsprofil wurde durch Ab- dungsträger rotes Licht absorbieren, kann die Vorrichscheidung einer P-leitenden Schicht aus Zn- oder O-do- tung derart ausgebildet werden, daß die Dotierungstiertem Galliumphosphid aus der flüssigen Phase auf konzentration bei wachsender Entfernung von dem einem Substrat hergestellt. Das Substrat wurde seiner- 25 PN-Übergang abnimmt. Unter diesem Gesichtspunkt seits durch Abscheidung einer N-leitenden Schicht aus ist es für eine Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad Te-dotiertem Galliumphosphid aus der flüssigen Phase günstig, wenn — wie im Falle des N-leitenden Subauf einem N-leitenden, aus einer Lösung gezüchteten strats — eine dünne Schicht (etwa ΙΟμηι) aus stark Substrat mit schwacher Te-Dotierung gewonnen. Te-dotiertem Galliumphosphid (etwa 2 · 10¹⁸ Atome

Gemäß dem Profilabschnitt 34 steigt die Te-Konzen- 30 pro cm³) auf einem schwach dotierten Substrat abgetration in der N-leitenden Schicht bis zu einem Wert schieden und eine P-leitende Zone entsprechend einer von 0,9 · 10¹⁸ Atome pro cm³ am PN-Übergang an, engen Annäherung an die Kompensation von Zn während die Netto-Akzeptorkonzentration gemäß Pro- durch O möglichst stark mit Zn und O dotiert wird, filabschnitt 32 einen Wert von 0,42 · 10¹⁸ Atome pro Auf diese Weise kann im Interesse einer wirkungscm³ (bei einem Anfangswert von 0,4 · 10¹⁸ Atome pro 35 vollen Injektion im Bereich des Übergangs 31 auf der cm³) besitzt. Die Messung an einer Vergleichsvorrich- N-Seite eine hohe Elektronenkonzentration, bezogen tung ohne O-Dotierung ergibt eine Zn-Konzentration auf die Löcher der P-Seite, erzielt werden. Gleichgemäß Profilabschnitt 33, welche bei einem Wert von zeitig ergibt sich eine hohe Konzentration an Zn-O-0,58 · 10¹⁸ Atome pro cm³ beginnt. Hieraus errechnet Paaren, welche im Interesse einer wirkungsvollen sich eine O-Donatorkonzentration der Ga₂O₃- und 40 Lichtemission günstig ist. In dem von dem Übergang ( dotierten Vorrichtung zu 0,16 · 10¹⁸ Atome pro cm³. entfernten Material ist die Konzentration an freien

Da die charakteristischen Weglängen ^rür die Elek- Ladungsträgern und damit die Lichtabsorption gering,

tronen- und Löcher-Transportprozesse für Gallium- An Stelle der vorstehend angegebenen Materialien

phosphid in der Größenordnung von 1 bis 4 μπι liegen, kann das Substrat auch mit anderen Donatoren als

liefert das Material innerhalb einer Tiefe von 10 μΐη 45 Tellur dotiert werden, beispielsweise mit Schwefel,

auf der N-Seite des PN-Übergangs 31 den größten Teil Selen, Silicium oder Zinn. Ferner kommt als Quelle

der injizierten Elektronen, während der größte Anteil für die O-Dotierung außer Ca₂O₃ unter anderem auch

des emittierten Lichtes in einer Materialtiefe von 10 μΐη ZnO in Betracht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. mit denen keine Emission von sichtbarem Licht ver-

   Patenianspruch: ^ bunden ist. Für eine wirksame GaP-Efcktrolurnines-

   zenz-Vorrichtung ist also sowohl die wirksame In-Efcktrolumineszenz-Vorrichtung mit einem PN- jektion von Elektronen in die P-Zone als auch die AnÜbergang, welche eine epitaktisch auf einem N-lei- 5 Wesenheit von Sauerstoff-Akzeptorkomplexen ausreitenden Galliumphosphid-Substrat aufgewachsene chender Konzentration in der Injeküonszone erforder-P-leitende Galiiumphosphid-Schicht aufweist, wo- lieh. .
   bei für die P-leitende GaP-Schicht als Donator In der Vergangenheit wurden zahlreiche Unter-Sauerstoff und als Akzeptor Zink oder Cadmium suchungen auf derartige Etektrolumineszenz-Vorrichvorgesehen ist und als Donator für das GaP-Sub- 10 tungen gerichtet, wobei die Optimierung der Konzenstrat wenigstens ein Element aus der Gruppe S, trationen der Dotierstoffe angestrebt wurde. Zur Ver-Se, Si, Sn und Te vorgesehen ist, deren mittlere einfachung der Untersuchungsbedingungen sowie zur Konzentration innerhalb eines 10 μπι tiefen, von Optimierung der Zn- und O-Konzentrationen indem dem PN-Übergang ausgehenden Bereichs zwischen P-leitenden Material ohne Anwesenheit einer N-lei-0,3 · 10¹⁸ und 2 ■ 10¹⁸ Atome pro cm³ beträgt, x5 tenden Schicht wurden Photolumineszenzmessungen dadurch gekennzeichnet, daß in der mit Elektroneninjektionen in das Leitfähigkeitsband P-ieilenden GaP-Schicht innerhalb eines 10 μιη durch Anregung mit hochenergetischem Licht durchliefen, von dem PN-Übergang ausgehenden Be- geführt (USA.-Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, reichs die mittlere Konzentration der Donator- Bd. 37 [1966], S. 483 bis 486). Diese Versuche zeigen, atome zwischen 1 · 10¹⁷ und 9 · 10" Atome pro 20 daß eine optimale Photolumineszenz bei einer Vorcm³ und die mittlere Konzentration der Akzeptor- richtung erzielt wird, bei der Galliumphosphid mit atome zwischen 2 · 10" und 1 · 10^Ie Atome pro 1 bis 2 · lO¹⁸ Zink- oder Cadmiumatomen je cm³ und cm³ beträgt. mit weniger als 0,3 ■ 10¹⁸ Sauerstoffatomen je cm³ dotiert ist. Spätere Untersuchungen wurden durch diese

   as Ergebnisse stark beeinflußt, wobei die genannten Kon-

   zentrationsbereichc als Optimum angesehen wurden. Die optimale Donatorkonzentration auf der N-Seite

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolumines- des PN-Übergangs wird von den beiden folgenden

   zenz-Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentan- gegenläufigen Faktoren beeinflußt. Und zwar ist einer-

   spruchs näher bezeichneten Art. 30 seits für eine wirkungsvolle Elektroneninjektion von

   Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (Journal of der N-Seite des Übergangs eine möglichst hohe Elek-

   Applied Physics 39 [1968], S. 2977 bis 2978). tronendichte erwünscht. Andererseits wirkt jedoch bei

   Elektrolumineszenz-Vorrichtungen mit einem PN- zu hoher Elektronenkonzentration das N-leitende

   übergang, die bei Strombeaufschlagung in Durch- Material absorbierend für das erzeugte Licht. Diese

   laßrichtung emittieren, werden bekanntlich für eine 35 Absorption ist für den Wirkungsgrad der Elektro-

   Reihe von Anwendungszwecken, beispielsweise als lumineszenz-Vorrichtung von außerordentlicher Be-

   Anzeigelichtquellen oder als Leuchtelemente in grö- deutung, da ein Großteil des erzeugten Lichtes an der

   fieren Bildwiedergabeeinrichtungen eingesetzt. In der- Oberfläche der Elektrolumineszenz-Vorrichtung nach

   artigen Elektrolumineszenz-Vorrichtungen erfolgt die innen reflektiert wird und somit die Elektrolumines-

   Lichterzeugung auf Grund von Elektronen-Loch-Re- 40 zenz-Vorrichtung vor dem Austritt mehrmals durch-

   kombinationen. quert. Es hat sich gezeigt (USA.-Zeitschrift »Solid

   Es ist bekannt, daß Galliumphosphid (GaP) ein vor- State Electronics«, Bd. 11 [1968], S. 647 bis 652), daß

   leilhaftes, im sichtbaren Bereich des Spektrums emittie- die optimale Donatorkonzentration zwischen 0,3 · 10¹⁸

   rendes Elektrolumineszenzmaterial ist. Diese Verbin- und 1.0 · 10¹⁸ Atome pro cm³ innerhalb des N-leiten-