DE2053849C3 - Lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht - Google Patents

Lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht

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Description

Die Erfindung betrifft lichtaussendende Strukturen für mehrfarbiges Licht mit einer ersten Schicht eines Galliumphosphids eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Schicht eines Galliumphosphids mit entgegengesetzter Leitfähigkeit über der ersten Schicht, welche mit dieser einen ersten lichtaussendenden Übergangsbereich bildet, und einer dritten Schicht der ersten Leitfähigkeit über dieser zweiten Schicht, die mit einer Schicht der entgegengesetzten Leitfähigkeit einen zweiten Übergangsbereich bildet, welcher Licht einer anderen Frequenz aussendet.
Eine derartige lichtaussendende Struktur ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 539 482 bekannt. Als Halbleitermaterial werden bei dieser bekannten Struktur Galliumarsenid, Galliumarsenidphosphid verwendet. Die Schichtenfolge ist so, daß das kurzwelligste Licht Schichten mit kleinerem Bandabstand durchlaufen muß, so daß es stark absoibiert wird.
In der deutschen Auslegeschrif*. 1 278 002 wird eine aus zwei Halbleiterschichten gebildete Lumineszenzdiode auf Galliumarsenidbasis zur Abstrahlung von Licht einer einzigen Wellenlänge beschrieben. Eine der beiden Halbleiterschichten, deren äußere Oberfläche an das Medium angrenzt, in welche das Licht der einzigen Wellenlänge abgestrahlt werden soll, besitzt dabei zur Verringerung der Absorption des vor der Abstrahlung durchgehenden Lichtes ein Material mit erhöhtem Bandabstand, welches Gallium, Aluminium, Arsen und Phosphor enthält.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht zu schaffen, bei welcher die Absorption der Photonen höherer Energie auf ein Mindestmaß reduziert ist.
Dies Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dritte Schicht unmittelbar an die zweite Schicht anschließt, daß sie aus Gallium-Aluminiumphosphid gemäß der Formel GaxAl11 _X)P besteht, wobei χ größer als 0 und kleiner als 1 ist, und daß diese dritte Schicht einen Bandabstand besitzt, der größer ist als der Bandabstand der ersten oder zweiten Schicht, wobei der erste lichtaussendende Übergangsbereich bei Stromdurchgang Photonen niedrigerer Energie emittiert als der zweite lichtaussendende
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Übergangsbereich, und daß die Oberfläche der dritten Übergangsbereich von /.„ wenn dieser in Durchlaß-Schicht an das Medium angrenzt, in welches das richtung vorgespannt istTWenn beispielsweise J1 und Licht ausgestrahlt werden soll. J9 rot- bzw. grün-emittieiende Übergangsbereiche
Die genannte Aufgabe wird in vorteilhafter Weise sfcd, dann fließt beim Schließen des Schalters S1 ein
auch dadurch gelöst, daß zwischen der zweiten und 5 Strom von der Batterie in Durchlaßrichtung über den
dritten Schicht eine Zwischenschicht mit der gleichen Übergangsbereich J1, wo rotes Licht abgestrahlt wird,
Leitfähigkeit wie der der zweiten Schicht liegt, daß von dem ein Teil durch Λ' und P., hindurchtritt, wie
die dritte Schicht und die Zwischenschicht aus es in F i g. 1 dargestellt ist. Wenn der Schalter S»
Gallium-Aiuminiumphosphid gemäß der Formel geschlossen ist, fließt ein Strom in Durchlaßrichtung
Ga1Al11 _X)P besteht, wobei χ größer als 0 und kleiner io durch den Übergangsbereich /.„ an dem grünes Licht
als 1 ist, und daß die dritte Schicht und die Zwischen- ausgesendet wird, das durch P2 hindurch nach außen
schicht einen Bandabstand besitzen, der größer ist tritt. Wenn beide Schalter geschlossen sind, werden
als der Bandabstand der ersten oder zweiten Schicht, beide Übergangsbereiche in Durchlaßrichtung vorge-
wobei der erste lichtaussendende Übergangsbereich spannt, und von der Anordnung wird ein gelbes
bei Stromdurchgang Photonen niedrigerer Energie »5 Licht abgestrahlt.
emittiert als der zweite lichtaussendende Übergangs- F i g. 2 zeigt eine lichtaussendende Struktur mit
bereich, und daß die Oberfläche der Jritten Schicht vier Schichten, in welcher der Übergangsbereich Z1 an
an das Medium angrenzt, in welches das Licht aus- der Grenzfläche einer ersten Schicht P1 vom P-Typ
gestrahlt werden soll. und einer zweiten Schicht N vom N-Typ gebildet
Die Aufgabe wird ferner auch dadurch gelöst, daß «ο wird, die über der ersten Schicht angeordnet ist. Wie
riie dritte Schicht unmittelbar an die zweite Schicht aus F i g. 2 ersichtlich ist, wird der Übergangsbereich
anschließt, daß über der dritten Schicht eine vierte Z2 durch eine Zwischenschicht N1 vom N-Typ, die
Schicht der entgegengesetzten Leitfähigkeit vorhan- über der zweiten Schicht N angeordnet ist, und der
den ist, welche mit der dritten Schicht einen dritten Grenzfläche mit der dritten Schicht P., vom P-Typ
Übergangsbereich bildet, und daß die dritte und vierte as gebildet, die über der Zwischenschicht Λ', angeordnet
Schicht jeweils einen Bandabstand besitzen, der grö- ist. Wenn die Übergangsbereiche J1 und J2 auf ent-
ßer ist als der Bandabstaud der darunterliegenden sprechende Weise zur Emission von Rot und Grün
Schichten, wobei der erste lichtaussendende Über- gebracht sind, dann wird durch die oben beschriebene
gangsbereich bei Stromdurchgang Photonen niedri- Betätigung der Schalter S1 und S2 das gleiche Farb-
gerer Energie emittiert als der zweite und dritte licht- 30 bild erreicht. Wie aus der folgenden Beschreibung
aussendende Übergangsbereich, und daß die Ober- deutlich werden wird, kann es in einigen Fällen wün-
fläche der vierten Schicht an das Medium angrenzt, sehenswert sein, die Vierschichtanordnung imGegen-
in welches das Licht ausgestrahlt werden soll. satz zur Dreischichtanordnung zu verwenden.
Diese lichtaussendenden Strukturen strahlen je nach In F i g. 3 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel ihrer Beschaltung rotes oder grünes Licht aus oder 35 der Erfindung dargestellt. Hier sind drei Licht emitein rotes und grünes Mischlicht, das vom Auge als tierende Übergänge J1, J2 und J3 an den Grenzflächen »gelb« wahrgenommen wird. Bei der gewählten von Übergangsbereichen unterschiedlicher Letifähig-Schichtfolge wird das ausgesandte Licht durch die keit gebildet. Genauer gesagt, zeigt F i g. 3 eine Halbdarüberliegenden Schichten nur wenig absorbiert. leiterstruktur, die Licht von drei verschiedenen WeI-
Die Erfindung wird an Hand der Beschreibung 40 lenlängen entweder getrennt oder in irgendeiner
beispielhafter Ausführungsformen und der Zeich- Kombination aussenden kann. Wie gezeigt, ist der
nungen näher erläutert. Übergangsbereich J1 an der Grenzfläche einer ersten
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer lichtaussenden- P-SchichtP und einer zweiten N-SchichtN gebildet;
den Struktur für mehrfarbiges Licht gemäß einer Aus- der Übergangsbereich Z2 ist an der Grenzfläche der
führungsform; 45 zweiten Schicht N und einer dritten P-leitenden
F i g. 2 ist eine Seitenansicht einer anderen Aus- Schicht P1 hergestellt; und der Übergangsbereich Jx
führungsform; befindet sich an der Grenzfläche der dritten Schicht P1
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer weiteren Aus- und einer N-leitenden vierten Schicht N1. Durch
führungsform; eine entsprechende Kombinationswahl der Schalters,
F i g. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer 50 bis S4 können einzelne oder alle Üoergangsbereiche
typischen lichtaussendenden Struktur für mehrfar- in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, um so
biges Licht; Licht verschiedener Wellenlängen auszusenden.
F i g. 5 ist eine perspektivische Darstellung einer Bei den lichtaussendenden Strukturen für mehranderen Ausführungsform einer solchen Struktur. farbiges Licht nach den F i g. 1 bis 3 ist es not-
AIs Beispiel zeigt F i g. 1 eine lichtaussendende 55 wendig, den lichtaussendenden Übergangsbereich mit
Struktur für mehrfarbiges Licht, die drei übereinander der kleinsten Photonenenergie am weitesten entfernt
angeordnete Schichten aus Halbleitermaterialien mit von der Emissionsfläche oder der Oberfläche anzu-
unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp aufweist. Diese ordnen, welche an das Medium angrenzt, in wel-
Schichten sind mit P1, N bzw. P2 bezeichnet, wobei ches das Licht ausgestrahlt werden soll. Die Über-
die zwei äußeren Schichten P1 und P2 mit Leitfähig- 60 gänge mit der höchsten Photonenenergie werden
keit des P-Typs durch die zweite N-Ieitende Schicht dabei so angeordnet, daß sie der Oberfläche am
getrennt sind und an der Grenzfläche von P1 und N nächsten sind, um so die Absorption der hoch-
bzw. P2 und N zwei PN-Übergänge J1 und J2 bilden. energetischen Photonen zu verkleinern. Beispielsweise
Wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird die Rot-Emission bei einer kleineren Photonen-
wird, ist die Zusammensetzung der verschiedenen β$ energie als bei der Grün-Emission erzielt und dem-
Schichten so hergestellt, daß der Übergangsbereich Z1, zufolge wird die Grün-Emission leichter absorbiert
wenn er in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, Licht als die Rot-Emission. Es ist deshalb notwendig, den mit einer anderen Wellenlänge aussendet als der grün-emittierenden Übergangsbereich so nahe wie
möglich an der emittierenden Oberfläche anzuordnen. emittierender erster Übergangsbereich J1 kann mit
Die Absorption wird weiterhin dadurch herabgesetzt, einer ersten Schicht aus akzeptordotiertem Gallium-
daß der Bandabstand des Materials dieser äußeren phosphid, das Sauerstoff enthält, und einer zweiten
Schicht vergrößert wird. Die Vergrößerung des Band- N-Schicht aus donatordotiertem Galliumphosphid ge-
abstandes der äußeren Schicht der lichtaussendenden 5 bildet werden. Daraufhin kann als Zwischenschicht
Struktur wird dadurch erzielt, daß die betreffenden N-leitendes Gallium-AIuminiumphosphid, das bei-
Schichten aus GaxAl(1_x)P bestehen, wobei χ größer spielsweise mit Tellur als Donator dotiert ist, durch
als 0 und kleiner als 1 ist. ein epitaxiales Aufwachsverfahren aufgebracht wer-
Die in Fig. 4 dargestellte lichtaussendende Struk- den. Auf ähnliche Weise kann die dritte P-leitende tür für mehrfarbiges Licht umfaßt eine vielschichtige io Schicht über der N-leitenden Zwischenschicht geStruktur, die im wesentlichen der schematisch in wachsen werden, um den grün-emittierenden zweiten F i g. 2 gezeigten Struktur ähnlich ist. Dabei ist der Übergangsbereich J2 zu bilden, indem akzeptordotier-Übergangsbereich J1 rot-emittierend und der Über- tes Gallium-AIuminiumphosphid über die N-leitende gangsbereich J2 grün-emittierend. Eine Struktur mit Zwischenschicht gewachsen wird. Wie oben beschriediesen Eigenschaften wird auf einfache Weise auf 15 ben wurde, zeigen die lichtaussenden Strukturen mit einem Substrat 10 mit einer ersten Schicht 11 aus diesem vergrößerten Bandabstand verminderte Abeinem P-leitenden Material hergestellt. Dieses Mate- Sorptionseigenschaften gegenüber den Materialien mit rial ist ein Galliumphosphid, das mit einer geeigneten kleinerem Bandabstand bei gleichen Eimissionswellen-Akzeptorbeimengung, wie z. B. Zink, Cadmium oder längen.
Quecksilber und auch mit Sauerstoff oder ähnlichen so Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist Beimengungen mit niedrigem Niveau dotiert ist, die in F i g. 5 gezeigt. Hier ist eine Vierschichtanordnung, als Donatoren wirken. Der Übergangsbereich J1 wird die im wesentlichen der schematisch in F i g. 2 gedadurch gebildet, daß über der Schicht 11 eine N-lei- zeigten ähnlich ist, dadurch hergestellt, daß der Quertende zweite Schicht 12 eines Galliumphosphids ange- schnitt des ersten lichtaussendenden Übergangsbereiordnet wird, das mit einer geeigneten Donatorbeimen- 35 ches J1 im wesentlichen gleich dem Querschnitt des gung, wie z. B. Tellur, Selen oder Schwefel dotiert ist. zweiten Übergangsbereiches J2 ist. In denjenigen Fäl-Die zweite Schicht 12 wird vorzugsweise durch ein len, in denen rot- und grün-emittierende Übergangs-Flüssigkeits-Epitaxialverfahren gebildet. Um die viel- bereiche getrennt und kombiniert verwendet werden schichtige Struktur zu vervollständigen, wird für eine sollen, um auf diese Weise eine dritte Farbe mit einer Dreischichtanordnung eine dritte Schicht 13 aus GaI- 30 Gelbfärbung zu liefern, ist es wünschenswert, daß die lium-Aluminiumphosphid über der zweiten Schicht rot- und grün-emittierenden Übergangsbereiche im 12 beispielsweise epitaxial aufgewachsen. Damit ein wesentlichen die gleichen Querschnitte besitzen. AnKontakt zu der zweiten Schicht 12 hergestellt werden derenfalls enthält das emittierte Licht entweder rot kann, muß ein Teil der Schichten 12 und 13 entfernt und gelb oder grün und gelb oder, was auch möglich werden. Dies kann beispielsweise durch Masken- und 35 ist, eine Kombination von allen drei Farben. Obwohl Ätzverfahren erfolgen. Alternativ könnte vor dem dies in einigen Fällen nicht zu beanstanden sein mag, Aufbringen der dritten Schicht 13 die zweite Schicht so kann, falls diese Erscheinung unerwünscht ist, das 12 maskiert werden, um so das epitaxiale Aufwachsen Problem dadurch vermieden werden, daß die emittieder Schicht 13 auf einen bestimmten Bereich zu be- renden Übergänge praktisch die gleichen Querschnitte grenzen. Welches Verfahren auch immer angewendet 40 erhalten und in axialer Richtung zueinander ausgewird, die Kontakte 14,15 und 16 werden an der richtet sind.
ersten, zweiten bzw. dritten Schicht der lichtaussen- Es ist zu beachten, daß die Anzahl der Schichten
denden Struktur angebracht. nicht auf die in den Ansprüchen beschriebene Schich-
Falls es erwünscht ist, eine Vierschichtanordnung tenzahl notwendigerweise beschränkt werden muß. nach Fig. 2 herzustellen, in welcher der Übergangs- 45 Sie kann vielmehr vergrößert werden, um eine Vielbereich J2 mit einem Material gebildet ist, das einen zahl von Lichtfarben zu erhalten. Im allgemeinen sind erhöhten Energieabstand aufweist, kann die Anord- jedoch 3 Farben des Lichtes ausreichend, um alle nung in folgender Weise hergestellt werden. Ein rot- sichtbaren Farben des Spektrums zu erhalten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht mit einer ersten Schicht eines Galliumphosphids eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Schicht eines Galliumphosphids mit entgegengesetzter Leitfähigkeit über der ersten Schicht, welche mit dieser einen ersten lichtaussendenden Übergangsbereich bildet, und einer dritten Schicht der ersten Leitfähigkeit über dieser zweiten Schicht, die mit einer Schicht der entgegengesetzten Leitfähigkeit einen zweiten Übergangsbereich bildet, welcher Licht einer anderen Frequenz aussendet, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht unmittelbar an die zweite Schicht anschließt, daß sie aus GaI-iium-Aluminiumphosphid gemäß der Formel GaxAl, X1P besteht, wobei χ größer als 0 und kleiner als 1 ist, und daß diese dritte Schicht einen Bandabstand besitzt, der größer ist als der Bandabstand der ersten oder zweiten Schicht, wobei der erste lichtaussendende Übergangsbereich bei Stromdurchgang Photonen niedrigerer Energie emittiert als der zweite lichtaussendende Übergangsbereich, und daß die Oberfläche der dritten Schicht an das Medium angrenzt, in welches das Licht ausgestrahlt werden soll.
2. Lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht mit einer ersten Schicht eines Galliumphosphids eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Schicht eines Galliumphosphids mit entgegengesetzter Leitfähigkeit über der ersten Schicht, welche mit dieser einen ersten lichtaussendenden Übergangsbereich bildet, und einer dritten Schicht der ersten Leitfähigkeit über dieser zweiten Schicht, die mit einer Schicht der entgegengesetzten Leitfähigkeit einen zweiten Übergangsbereich bildet, welcher Licht einer anderen Frequenz aussendet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten und dritten Schicht eine Zwischenschicht mit der gleichen Leitfähigkeit wie der der zweiten Schicht liegt, daß die dritte Schicht und die Zwischenschicht aus Gallium-Aluminiumphosphid gemäß der Formel Gax Al11^x, P besteht, wobei χ größer als 0 und kleiner als 1 ist, und daß die dritte Schicht und die Zwischenschicht einen Bandabstand besitzen, der größer ist als der Bandabstand der ersten oder zweiten Schicht, wobei der erste lichtaussendende Übergangsbereich bei Stromdurchgang Photonen niedrigerer Energie emittiert als der zweite lichtaussendende Übergangsbereich, und daß die Oberfläche der dritten Schicht an das Medium angrenzt, in welches das Licht ausgestrahlt werden soll.
3. Lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht mit einer ersten Schicht eines Galliumphosphids eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Schicht eines Galliumphosphids mit entgegengeselzter Leitfähigkeit über der ersten Schicht, welche mit dieser einen ersten lichtaussendenden Übergangsbereich bildet, und einer dritten Schicht der ersten Leitfähigkeit über dieser zweiten Schicht, die mit einer Schicht der entgegengesetzten Leitfähigkeit einen zweiten Übergangsbereich bildet, welcher Licht einer anderen Frequenz aussendet, dadurch gekennzeichnet, daß die
dritte Schicht unmittelbar an die zweite Schicht anschließt, daß über der dritten Schicht eine vierte Schicht der entgegengesetzten Leitfähigkeit vorhanden ist, welche mit der dritten Schicht einen dritten Übergangsbereich bildet, und daß die dritte und vierte Schicht jeweils einen Bandabstand besitzen, der größer ist als der Bandabstand der darunterliegenden Schichten, wobei der erste lichtaussendende Übergangsbereich bei Stromdurchgang Photonen niedrigerer Energie emittiert als der zweite und dritte lichtaussendende Übergangsbereich, und daß die Oberfläche der vierten Schicht an das Medium angrenzt, in welches das Licht ausgestrahlt werden soll.
4. Lichtaussendende Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtaussendenden Übergangsbereiche im wesentlichen den gleichen Querschnitt besitzen und axial zueinander ausgerichtet sind.
DE2053849A 1969-11-12 1970-11-03 Lichtaussendende Struktur für mehrfarbiges Licht Expired DE2053849C3 (de)

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DE2053849B2 DE2053849B2 (de) 1974-09-19
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