DE2352697A1 - Elektrolumineszenz-halbleiterbauteil zum erzeugen von licht verschiedener wellenlaengen - Google Patents
Elektrolumineszenz-halbleiterbauteil zum erzeugen von licht verschiedener wellenlaengenInfo
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Description
Dtpl.-lng. H. Sauenland Dr.-lng. R. König - Dipl.-lng. K. Bergen
Patentanwälte · 4ddd Düsseldprf 3D - Cecilienalfee 76 - Tetefon 432732
18. Oktober 1973
28 864 B 2352697
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,
New York, M. Y* 10020 (Y. St0A0)
"Elektrolumineszenz-Harbleiterbauteil zum Erzeugen von
Licht verschiedener Wellenlängen"
Die Erfindung·betrifft ein Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil
zum Erzeugen von Licht mindestens drei verschiedener Wellenlängen,, "
Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteile sind im allgemeinen
Körper aus einem einkristallinen Halbleitermaterial,
das unter dem Einfluß einer Vorspannung aufgrund der Rekombination von Paaren entgegengesetzt geladener Träger
Licht entweder im sichtbaren oder im infraroten Bereich
emittierte Solche Halbleiter wurden aus Halbleiterverbindungen der Gruppen IH-V des periodischen Systems hergestellt,
Z0Bo aus Phosphiden, Arseniden und Antimoniden
von Aluminium, Gallium und Indium sowie aus Kombinationen dieser Materialien, da die hohe Bandabstandsenergie'
dieser Materialien eine Emission von sichtbarer und nalie
infraroter Strahlung ermöglicht. Die besondere Wellen-r
länge des emittierten Lichts hängt vom für die Herstellung
des Bauteils verwendeten Halbleitermaterial abo
Zum Beispiel emittiert Galliumarsenid infrarote Strahlung;
Galliumphosphid emittiert entweder rotes oder grünes Licht; Galliumarsenid-Phosphid kann rotes Licht
emittieren; Galliumnitrid kann entweder blaues oder grünes Licht emittieren und Gallium-Aluminium-Arsenid
kann entweder infrarotes oder gelbes Licht emittieren.
S. fu 403S21/Ö753
Eine Vielzahl von Elektrolumineszenz-Halble it erbauteilen
kann in einer Anordnung derart zusammenmontiert werden, daß eine flache, elektrolumineszierende Anzeigetafel
entsteht. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteil
vorzuschlagen, das in der Lage ist, mehr als eine Lichtfarbe zu emittieren, insbesondere
die drei Primärfarben rot, blau und grün, und mit dem. außerdem erreicht werden kann, daß ^ede der Farben
vom selben Punkt an der Oberfläche des Bauteils emittiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten Körper eines kristallinen Halbleitermaterials, das
in der Lage ist, bei angelegter Spannung licht zu emittieren,
wobei das emittierte Licht eine bestimmte Wellenlänge besitzt, wenn die Spannung in einer Richtung durch den
Körper verläuft, während es eine zweite Wellenlänge besitzt, wenn die Spannung in entgegengesetzter Richtung
verläuft, durch einen dem ersten Körper benachbarten zweiten Körper aus Halbleitermaterial, der in der Lage
ist, bei angelegter Spannung Licht einer dritten Wellenlänge auszusenden, das durch den ersten Körper wahrgenommen
werden kann, und durch elektrische Anschlüsse für jeden KÖrpere
Vorzugsweise bestehen die Anschlüsse aus einem ersten mit dem ersten Körper verbundenen Kontakt, einem zweiten
mit dem zweiten Körper verbundenen Kontakt und einem dritten sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten
Körper verbundenen Kontakt, wobei letzterer mit Abstand sowohl zum ersten als auch zum zweiten Kontakt
angeordnet ist.
Anhand der beiliegenden Zeichnung, in der bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind, wird die Erfindung
näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Ausführungsförm eines erfindungsgemäßen Elektromulineszenz-Halbleiterbauteils,
im Querschnitt;
Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Bauteil, in Draufsicht;
Fig, 3 das in Fig. 1 dargestellte Bauteil, von unten gesehen;
Fig«, 4 eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig„ 1
dargestellten Bauteils, in Draufsicht;
Fig. 5 eine Anordnung mehrerer Bauteile gemäß Fig. 4, in
perspektivischer Darstellung; und
Fig, 6 eine flache Anzeigetafel, die mehrere Anordnungen
gemäß Fig. 5 aufweist, in perspektivischer Darstellung.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 Ms 3 wird zunächst eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrolumineszenz-Halbleiterbauteils
beschrieben, das insgesamt mit 10 bezeichnet
iste Das Bauteil 10 weist ein flaches Substrat 12 aus einem elektrisch isolierenden Material auf, das
optisch transparent ist, wie beispielsweise Saphir. Auf einer Oberfläche 14 des Substrats 12 befindet sich ein
Körper 16 aus η-leitendem, kristallinem Galliumnitrid,
mit einer Leitfähigkeit von ungefähr 10 'Siemens (mho).
Auf der Oberfläche des leitenden Galliumnitridkörpers 16 befindet sich ein Körper 18 aus isolierendem, kristallinem
Galliumnitrid. Die Galliumnitridkörper 16 und 18 sind epitaktisch auf das Substrat aufgebracht, beispielsweise
durch Dampfphasenepitaxie. Während des anfänglichen
Schritts des Niederschlagsprozesses werden geringe oder keine Mengen an Akzeptorverunreinigung
eingeschlossen, so daß die zunächst niedergeschlagene Galliumnitridmenge leitend ist, um(den leitenden Galliumnitridkörper
16 zu bilden« Sobald ein leitender. Gallium-
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nitridkörper 16 mit gewünschter Dicke niedergeschlagen ist, wird eine Akzeptorverunreinigung, wie Zink, Cadmium,
Beryllium, Magnesium, Silizium oder Germanium in das niedergeschlagene Material eingeschlossen. In das aufgebrachte
Galliumnitrid wird eine hinreichende Menge
an Akzeptorverunreinigung eingeführt, um alle inhärent im Galliumnitrid gebildeten natürlich vorkommenden Donatoren
vollständig zu kompensieren. Auf diese Weise wird d6r isolierende Galliumnitridkörper 18 gebildete
Eine Schicht 20 aus einem elektrisch isolierenden Material,
.wie Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid, bedeckt einen kleinen Bereich des isolierenden Galliumnitridkörpers
18, und zwar an dessen Kante. Eine metallische Anschlußfahne 22 wird über die Isolierschicht
20 gezogen und erstreckt sich über die Kante der Isolierschicht, um den isolierenden Galliumnitridkörper 18 zu
berühren,. Eine kleine Kugel 24 aus weichem Metall, wie
Indium, ist oberhalb der Isolierschicht 20 auf der Anschlußfahne 22 angebrachtο Wenn es gewünscht ist, können die
Isolierschicht 20 und die Anschlußfahne 22 wegfallen und die kleine Kugel 24 in direktem Kontakt mit dem Körper
angebracht sein»
Ein Körper 26 aus einkristallinem Halbleitermaterial aus der Gruppe der III-V-Verbindungen und Mischungen davon
ist auf der anderen Oberfläche 28 des Substrats 12 befestigt« Der Körper 26 besteht aus einem Halbleitermaterial,
das in der Lage ist, Licht auszusenden, und zwar Licht einer Farbe, die unterschiedlich von der des durch
den isolierenden Galliumnitridkörper 18 ausgesandten Lichts ist, und zwar besteht der Körper 26 vorzugsweise
aus einem Halbleitermaterial, das rotes Licht emittiert, wie Galliumphosphid, Galliumarsenid-Phosphid oder
Gallium-Aluminium-Arsenido Der Körper 26 besitzt zwei
nebeneinanderliegende Bereiche 30 und 32 entgegenge-
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setzten" Leitfähigkeitstypss wodurch zwischen ihnen ein
PN-Übergang geschaffen wird. Somit stellt der Körper 26 eine elektrolumineszierende Diode dar. Die Diode 26
kann dadurch hergestellt werden, daß in einen Körper aus Halbleitermaterial einesLeitfähigkeitstyps, entweder
p-leitend oder η-leitend, ein Leitfähigkeitsmodifizierer des entgegengesetzten Typs in einen bestimmten Bereich
dieses Körpers eindiffundiert wird. Alternativ kann die
Diode 26 entsprechend dem in dem US-Patent 3 647 579 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Die Diode
26 wird auf dem Substrat 12 befestigt, wobei der Bereich 30 dem Substrat anliegt, während der Bereich 32 vom Substrat
wegweist. Eine Kugel 34 aus weichem Metall, wie . Indium, wird am Bereich 32 der Diode 26 befestigt und
dient als ein Kontakt für die Diode.
Ein Streifen 36 aus einem elektrisch leitenden Metall,
wie Nickel, erstreckt sich entlang einer Kante des Substrats 12 und überlappt eine Kante des leitenden Galliumnitridkörpers
16 und des Bereichs 30 der Diode 26. Der
Metallstreifen ist am Substrat 12, dem leitenden Galliumkörper
16 und der Diode 26 durch eine elektrisch leitende
Lötschicht 38 befestigt. Der Metallstreifen 36 dient dazu, die Diode 26 mechanisch am Substrat 12 zu befestigen
und außerdem als gemeinsamer elektrischer Kontakt für den leitenden Galliumnitridkörper 16 und den Bereich
30 der Diode 26„
Beim Gebrauch des elektrolumiheszierenden Halbleiterbauteils 10 sind· die Kontakte 22, 34 und 36 über eine Gleichstromquelle
verbundene Sobald der Strom den isolierenden Galliumnitridkörper 18 zwischen den Kontakten 22 und 36
passiert, wird vom isolierenden Galliumnitridkörper 18 Licht emittiert, das von der Oberfläche des isolierenden
Galliumnitridkörpers 18 gesehen werden kann0 Wenn der Kontakt 22 gegenüber dem Kontakt 36 negativ ist, wird
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blaues Licht vom isolierenden. Galliumnitridkörper 18
emittiert,, Wenn der Kontakt 22 gegenüber dem Kontakt
36 positiv ist, wird vom isolierenden Galliumnitridkörper 18 grünes Licht emittiert«,
Wenn durch die Diode 26 zwischen den Kontakten 34 und ein Strom geleitet wird, so daß der PN-Übergang der
Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, emittiert die Diode Licht,vorzugsweise rotes Licht. Da das Substrat
12 optisch transparent ist, und die Galliumnitridkörper 16 und 18 bezüglich rotem Licht ebenfalls transparent
sind, wird das von der Diode 26 emittierte rote Licht an der Oberfläche des isolierenden Galliumnitridkörpers
18 wahrgenommen. Durch Anschließen der Kontakte 22, und 36 über geeignete Schalter an die Stromquelle kann
das elektrolumineszierende Halbleiterbauteil 10 derart betrieben werden, daß es blaues, grünes oder rotes Licht
emittiert, das immer an derselben Oberfläche des Bauteils wahrgenommen wird.
In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
elektroluminesziexenden Halbleiterbauteils
dargestellt, das insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Das elektrolumineszierende Halbleiterbauteil 100 stimmt
in seinem Aufbau mit dem in den Figo 1 bis 3 dargestellten Bauteil 10 überein, bis auf den Unterschied, daß
nunmehr zwei mit Abstand zueinander angeordnete Metallkontaktfahnen 122a und 122b auf der freien Oberfläche
des isolierenden Galliumnitridkörpers 118 vorgesehen sind. Auf den Kontaktfahnen 122a und 122b befinden sich
Metallkugeln 124a bzw«, 124b. Bei Gebrauch dieses Elektrolumineszenzbauteils
100 wird eine der Kontaktfahnen, beispielsweise die Kontaktfahne 122a derart mit einer
Stromquelle verbunden, daß sie· gegenüber dem Kontakt negativ ist, während die andere Kontaktfahne 122b so
angeschlossen wird, daß sie gegenüber dem Kontakt 136
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positiv ist. Dadurch wird das Umschalten des elektrolumineszierenden
Halbleiterbauteils 100 auf entweder blaues oder grünes Licht erleichtert.
In Fig. 5 ist eine Anordnung 40 einer Vielzahl elektrolumineszierender
Halbleiterbauteile 100 dargestellt. Zur Bildung der Anordnung 40 werden die Bauteile 100 mit Ab-.
stand zueinander an einem länglichen Metallstreifen befestigt. Der Metallstreifen 42 dient sowohl als gemeinsamer
elektrischer Kontakt zu den isolierenden Galliumnitridkörpern und den Dioden der Bauteile 100
als auch als gemeinsame Elektrode für sämtliche Bauteile. Somit kann bei der Anordnung 40 eine gewünschte Farbe
individuell von jedem der Bauteile 100 oder auch von zwei oder mehr Bauteilen gleichzeitig emittiert werden.
Obgleich zum Aufbau der Anordnung 40 Bauteile 100 verwendet wurden, kann diese Anordnung selbstverständlich
auch durch Bauteile 10 gemäß den Fig. 1-bis 3 gebildet
werden,, *
In Fig. 6 ist eine flache Anzeigetafel 44 dargestellt,
die aus mehreren Anordnungen 40 gebildet ist«, Die Anzeigetafel
44 besitzt ein Paar flacher Platten 46 und 48 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie
Plastik oder Glas. Die obere Platte 46 sollte zudem optisch transparent sein. Die Platten 46 und 48 sind
mit Abstand zueinander parallel angeordnet. Zwischen den Platten 46 und 48 sind mehrere Anordnungen 40 parallel
zueinander vorgesehen, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei Anordnungen so gering als möglich gewählt
ist. Durch Überziehen der rückwärtigen Oberfläche des Metallstreifens 42 jeder Anordnung 40 mit einem elektrisch
isolierenden Material können die Anordnungen mit den elektrolumineszierenden Halbleiterbauteilen 100
derart eingebaut werden, daß die Bauteile 100 jeder Anordnung die isolierende Schicht auf der Rückseite
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des Metallstreifens der benachbarten Anordnung berühren. Die Anordnungen 40 werden so eingebaut, daß der isolierende
Galliumnitridkörper 118 jedes Bauteils 100 der oberen Platte 46 benachbart ist und die Bauteile 100
benachbarter Anordnungen 40 senkrecht zu den Anordnungen verlaufende Reihen bilden.
Eine erste Gruppe mehrerer mit Abstand und parallel zueinander angeordneter Metallfilmleiter 50 sind auf
der inneren Oberfläche der oberen Platte 46 vorgesehen. Jeder Leiter 50 erstreckt sich entlang einer quer verlaufenden
Reihe von Bauteilen 100 und liegt den Metallkugeln 124a der Kontaktfahnen 122a der Bauteile 100 der
entsprechenden quer verlaufenden Reihe an. Eine zweite Schar mehrerer mit Abstand und parallel zueinander angeordneter
Metallfilmleiter 52 ist auf der inneren Oberfläche der oberen Platte 46 vorgesehen« Die zweite Schar
von Leitern 52 verläuft parallel zu und alternierend mit der ersten Schar von Leitern 50. Jeder Leiter 52
liegijden Metallkugeln 124b der Kontaktfahnen 122b der Bauteile 100 in der entsprechenden quer verlaufenden
Reihe an. Eine dritte Schar von mit Abstand und parallel zueinander angeordneten Metallfilmleitern 54 ist auf
der inneren Oberfläche der unteren Platte 48 vorgesehen» Jeder Leiter 54 der dritten Schar erstreckt sich entlang
einer quer verlaufenden Reihe von Bauteilen 100 und berührt die Kugelkontakte 134 der Dioden 126 der elektrolumineszierenden
Halbleiterbauteile der entsprechenden quer verlaufenden Reihe. Somit sind in jeder quer verlaufenden
Reihe von Bauteilen 100 die Kontaktfahnen 122a elektrisch mit einem gemeinsamen Leiter 50, die
Kontaktfahnen 122b elektrisch mit einem gemeinsamen Leiter 52 und die Kontakte 134 elektrisch mit einem
gemeinsamen Leiter 54 verbunden.
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Die Leiter SO, 5% und 34 sowie die Metallstreifen 42 der
Anordnungen 40 sind über geeignete Schalter mit einer
Gleiohstromiquelle verbunden* Durch Anlegen einer Spannung
zwischen einem oder mehreren der Metallstreifen 42 und einem oder mehreren der verschiedenen Leiter 50, 52 und
54 können ein oder mehrere der elektrolumineszierenden
Hälbleiterbauteile 100 erregt werden» um Licht, der gewünschten
Farbe zu emittieren, das durch die obere Platte 46 der Anzeigetafel 44 gesehen werden kann* Die Bauteile
100 können derart erregt werden, daß das emittierte Licht ein gewünschtes Muster bildete Das emittierte Lichtmuster
kann insgesamt aus einer der drei Farben bestehen oder·
kann auch bereichsweise jede der drei Farben aufweisen. Somit kann die Anzeigetafel 44 ein Mehrfarbenmuster aus
durch die elektrolumineszierenden Halbleiterbauteile emittiertem Licht erzeugen, wobei die Helligkeit jedes
Bauteils durch die Intensität des passierenden Stroms geregelt wird.
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Claims (1)
- RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New,.York. N,Y. 10020 (V,St.A.)Patentansprüche:f 1 ,) Elektrolumineszenz—Halbleiterbauteil zum Erzeugen von ^^"^ Licht mindestens drei verschiedener Wellenlängen, gekennzeichnet durch einen ersten Körper eines kristallinen Halbleitermaterials, das in der Lage ist, hei angelegter Spannung Licht zu emittieren, wobei das emittierte Licht eine bestimmte Wellenlänge besitzt, wenn die Spannung in einer Richtung durch den Körper verläuft, während es eine zweite Wellenlänge besitzt, wenn die Spannung in entgegengesetzter Richtung verläuft, durch einen dem ersten Körper benachbarten zweiten Körper aus Halbleitermaterial, der in der Lage ist, bei angelegter Spannung Licht einer dritten Wellenlänge auszusenden, das durch den ersten Körper wahrgenommen werden kann, und durch elektrische Anschlüsse für Jeden Körper«2« Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Körper aus isolierendem Galliumnitrid besteht,3, Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, g e k e η η ζ e i c h net du r c h ein flaches Substrat aus elektrisch isolierendem und optisch transparentem Material,' auf dessen einer Seite der erste Körper und auf dessen gegenüberliegender Seite der zweite Körper befestigt ist,4. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen40982 1/OTSSdritten Körper aus elektrisch leitendem Galliumnitrid auf der einen Seite des Substrats, wobei sich der erste Körper auf dem dritten Körper befindet.5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis kt dadurch gekennzeichnet , daß die Anschlüsse aus einem ersten mit dem ersten Körper verbundenen Kontakt, einem zweiten mit dem zweiten Körper verbundenen Kontakt und einem dritten sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Körper verbundenen Kontakt bestehen, wobei letzterer mit Abstand sowohl zum ersten als auch zum zweiten Kontakt angeordnet ist.6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Körper aus einer Verbindung der Gruppe III-V und Mischungen daraus besteht und nebeneinanderliegende Bereiche entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, um im Körper einen PN-Übergang zu bilden, und daß der zweite Kontakt mit einem Bereich des zweiten Körpers und der dritte Kontakt mit dem anderen Bereich des zweiten Körpers verbunden ist.7. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kontakt sich zwischen dem dritten Körper und dem anderen Bereich des zweiten Körpers erstreckt und mit diesen verbunden ist.8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kontakt aus einem Metallstreifen besteht, der sich über eine" Kante des Substrats erstreckt und an einer Kante des dritten Körpers und des anderen Bereichs des zweiten Körpers befestigt409821/07 5 5235^8979. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Kontakt auf der Oberfläche des ersten Körpers befindet und ein vierter Kontakt auf der Oberfläche des ersten Körpers mit Abstand vom ersten Kontakt vorgesehen 1st.10» Anordnung mehrerer Bauteile gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstreifen verlängert ist und die Bauteile daran mit Abstand voneinander befestigt sind.11. Anzeigetafel, bestehend aus mehreren Anordnungen gemäß Anspruch 10,- dadurch gekennzeichnet ,-. daß die Anordnungen parallel zueinander zwischen zwei mit Abstand und parallel zueinander vorgesehenen Platten aus elektrisch leitendem Material eingebaut sind, wobei die Bauteile in parallelen Reihen sowohl entlang als auch quer zu den Metallstreifen angeordnet sind, durch mehrere, mit Abstand und parallel zueinander angeordnete Metalleiter auf der inneren Oberfläche jeder Platte, wobei jeder Leiter sich entlang einer entsprechenden quer verlaufenden Reihe der Bauteile erstreckt und jeder Leiter einer der Platten die ersten Kontakte der Bauteile der entsprechenden quer verlaufenden Reihe berührt, während jeder Leiter der anderen Platte den zweiten Kontakten der Bauteile der entsprechenden quer verlaufenden Reihe anliegt.12. Anzeigetafel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die dem ersten Körper der Bauteile benachbarte Platte optisch transparent ist.0 9 8 21/0755 °RIGiNAL
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