DE2538248A1

DE2538248A1 - Elektrolumineszenz-diode

Info

Publication number: DE2538248A1
Application number: DE19752538248
Authority: DE
Inventors: Francis Porret
Original assignee: Centre Electronique Horloger SA
Current assignee: Centre Electronique Horloger SA
Priority date: 1974-09-05
Filing date: 1975-08-28
Publication date: 1976-03-25
Also published as: CH600578A5; DE2538248B2; JPS5152290A; US4038580A

Description

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRICH SEIDS

62 Wiesbaden · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 12068 · Telefon (0 6121) 56 53 82
Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 -602 · Bank Deutsche Bank 395 63 72 · Nass. Sparkasse 108 00 30 65

Wiesbaden, den 25.August 1975 C 141

Centre Electronique Horloger S.A.
Neuchatel / Schweiz

Elektrolumineszenz-Diode

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolumineszenzdiode, deren Leuchtfläche durch einen Teil geringerer Dicke, der Zonen mit strahlenden Übergängen enthält, begrenzt ist.

Die Elektrolumineszenzdioden werden für eine Anzahl Anzeigevorrichtungen verwendet, z.B. für: Tischrechner, Messinstrumente oder Uhren. In vielen Fällen wird der Anwendungsbereich durch eine ungenügende Helligkeit begrenzt.

Das Licht einer Elektrolumineszenzdiode wird im allgemeinen
in der Nähe, in der Größenordnung von 1,5/an,
seiner leuchtenden und

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ebenen·Oberfläche erzeugt, um dessen Absorption zu vermindern. Infolge des hohen Brechungsindexes des verwendeten epitaxialen Materials, η = 3,5 für das Ga (As P), für die Herstellung einer solchen Diode, kann nur das in einem Konus mit einer geringen Oeffnung, mit einem halben Oeffnungswxnkel von'ungefähr 16 = aresin 1/3,5 erzeugte Licht aus dem Kristall austreten.

Im Falle von für die Emmission durchsichtigen Kristallen, Z-B. GaE (ff) GaP (ZnP),wird der Verlust eines Teiles des normalerweise verlorenen Lichtes durch die Bildung von "Mesa-Dioden", wie dies z.B in "Monolithic displays in GaP", N.E. Schumaker, Bell Labs- International Electron Devices Meeting 1973 beschrieben ist, vermindert.

Diese Dioden haben unter anderem folgende Nachteile:

- ungenügende Konzentration des Lichtes

- Lichtverluste im ganzen Kristall

- tiefe Mesastruktur, wodurch die Verbindungen und der Gebrauch von Hauben schwierig v/ird.

Es existieren andere Dioden-Typen _ffür welche die Strahlung einer starken kristallinen Absorption ausgesetzt ist. Das ist im allgemeinen der Fall bei Kristallen mit strahlender Rekombination des direkten Typs wie z.B. GaAs, JP (x<0_f45) und beim GaAs. Die Situation ist hier noch kritischer als vorhin_/da alles Licht, welches eine Totalreflexion erleidet, im Kristall absorbiert wird. Man hat schon versucht/ diese Absorption zu verhindern mittels einer Technik, die in "Improved Technique for the Preparation of Ga^Al As

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Electroluminescent Diodes", H. Beneking, Electronics Letters 8, 16, 13th January 1972, beschrieben wird.

Die Absorption des direkt austretenden Lichtes ist vermindert, aber der grösste Teil des Lichtes verbleibt im KristaiJ, v/obei es nach einer Totalflexion an der Oberfläche absorbiert wird.

Um gleichzeitig die Verluste durch Absorption und durch Totalreflexion an der Oberfläche zu vermindern, wurde schon vorgeschlagen, oberhalb des üeberganges ein durchsichtiges zusammengesetztes Material zu verwenden, dessen Oberfläche anschliessend bearbeitet wird, um Kuppeln zu bilden. Eine Struktur dieses Typs ist z.B. in "Semiconductive alloy light source having improved optical transmissivity", S.V. Galginaitis,assignor to General Electric Company, US Patent Nr. 3 3o2 o51, Jan. 31, 1967, beschrieben. Obwohl diese Strukturen interessant sind, weisen sie' einige Nachteile auf:

- Verlust des Lichtes, das ausserhalb des durch die Kuppel, definierten Raumwinkels ausgestrahlt wird.

- Hohe Kosten, da man ein Epitaxieverfahren von sehr grosser Dauer anwenden muss,und ausserdem müssen die .Kuppeln geformt werden.

Schliesslich kennt man aus der US-Patentschrift Nr. 3,703,670 Elektrolumineszenzdioden mit zylindrischen Uebergängen, die senkrecht zu einem Teil geringerer Dicke, der die Absorption herabsetzt, angeordnet sind. Eine als Elektrode dienende reflektierende Fläche erlaubt as, einen kleinen 7uiteil des Lichtes, das in eine

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ungeeignete Richtung abgestrahlt wurde, wiederzugewinnen, jedoch ist die Verbesserung der Lichtausbeute beschränkt, und das abgestrahlte Licht ist nicht über den ganzen Bereich geringerer Dicke, welcher die Leuchtfläche darstellt, homogen.

Um bei Vermeidung der oben erwähnten Nachteile den Leuchtwirkungsgrad einer Elektrolumineszensdiode zu erhöhen, und dies ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, sieht man eine Elektrolumineszenzdiode vor, deren Leuchtoberfläche durch einen Teil geringerer Dicke der Zonen mit strahlenden Uebergängen besitzt, begrenzt ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Zonen nur einen Bruchteil des genannten Teils geringerer Dicke einnehmen, die Zusammensetzung des Teils geringerer·Dicke die Absorption des Lichtes vermindert, und dass Mittel vorgesehen sind, um das Licht an der Trennfläche dieses Teiles geringerer Dicke zu reflektieren und zu streuen, womit durch Vielfachreflexion das im Innern der Diode ausgesandte Licht gewonnen v/erden kann und dadurch der Leuchtwirkungsgrad erhöht wird.

Nachfolgend werden anhand einer Zeichnung einige Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei:

Figur 1 in einer Sicht von unten eine Diode mit variabler Zusammensetzung zeigt, für eine Anzeige mit integrierten Elektrolumineszenzdioden.

Figur 2 zeigt einen Schnitt, gemäss der Linie A-A, der Diode gemäss Figur 1. 609813/0680

Figur 3 stellt ein Schema dar, welches die Rolle der Vielfachreflexion erläutert,

Figur 4 ist ein Diagramm, welches den Leuchtwirkungsgrad als Funktion der Stromdichte darstellt.

Figur 5 ist ein Diagramm, welches die Absorption als Funktion der Wellenlänge darstellt.

Figur 6 ist ein Diagramm, welches die Strahlungsintensität als Funktion der Wellenlänge darstellt.

Figur 7 zeigt in einer Sicht von oben eine Diode, worin die Zonen mit den strahlenden Uebergängen nur einen Bruchteil der Leuchtfläche einnehmen.

Figur 8 stellt einen Schnitt geraäss der Linie B-B der Diode nach Figur 7 dar.

Eine erste Ausführungsform ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Diese eignet sich besonders gut für Elektrolumineszenzdioden, die in einem Material für direkte Strahlungsübergänge gebildet sind,

wie z.B. das GaAs₁ P (x *Co,45) , das epitaxial auf einem Substrat

wie das GaAs gezogen wird, und mit welchem man Verbindungen mit veränderlicher Zusammensetzung χ erhalten keinn.

Materialien mit strahlender Rekombination des direkten Typs haben im

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Gegensatz zum GaAs₁ P (x<ÜO,45) eine Emission, deren kurzen WeI-

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lenlängen stark der fundamentalen Absorption des Kristalls unterworfen sind. So ist z.B. der Äbsorptionskoeffizientc*! des GaAs J? ungefähr 3000 cm für eine Wellenlänge, die der Emissionsspitze entspricht.

Um die Verluste durch diese starke Absorption zu vermeiden, werden in dieser ersten Ausführungsform gleichzeitig drei Mittel eingesetzt. Das erste besteht darin, vom Substrat ausgehend den Kristall unter jeder Elektrolumineszenzdiode in der Dicke zu verringern, wobei der Teil verringerter Dicke die Leuchtfläche definiert. Das zweite Mittel besteht darin, diesen Teil verringerter Dicke bis zur Höhe der üebergänge für das durch diese ausgesandte Licht durch Verändern der Zusammensetzung des Kristalls während der Epitaxie durchsichtig zu machen. Das dritte Mittel besteht darin, die Oberfläche der strahlenden Üebergänge bis auf einen Bruchteil der Leuchtfläche durch Entfernen von Material in der Nähe der üebergänge bis zur durchsichtigen Schicht zu beschränken, wodurch die gemäss Figur 2 gegen unten ausgesaridten Strahlen reflektiert und, unter Erleidung einer minimalen Absorption, durch die Leuchtfläche aus dem Kristall austreten können. Ausserdem wählt man einen reflektierenden und streuenden Boden R, der die Weihrscheinlichkeit eines Austritts eines reflektierten Strahls erhöht. Dieser Boden befindet sich ungefähr in einer Entfernung von 15 bis 4o pm von den strahlenden üebergängen in durch Abtragen des Kristalls gebildeten Ausnehmungen unter dem Leuchtteil L der Elektrolumineszenz-Dioden.. Diese Ausneh-

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—. *7 —

mungen werden durch selektives und kontrolliertes Aetzen hergestellt, und die streuenden Eigenschaften werden durch Sandstrahlen der Oberflächen der Ausnehmung verbessert und anschliessend metallisiert. Versuche haben gezeigt, dass das Verhältnis der Dicke zur Breite des Teils verringerter Dicke in der Grössenordnung eines Zehntels sein muss.

Im vorliegenden Beispiel enthält die Struktur mit variabler Zusammensetzung im wesentlichen die folgenden Schichten (Figur 2):

- Ein GaAs-Substrat 1 mit einer elektronischen Leitfähigkeit des Typs η .

- eine erste Rampe 2 mit einer Dicke von ungefähr 5o^im, worin die Zusammensetzung χ "der Epitaxialschicht von χ = 0 bis χ = X₂ wächst, wodurch,vom GaAs-Substrat ausgehend, eine durchsichtige Verbindung erreicht wird.

- eine durchsichtige Schicht 3 mit einer Dicke von ungefähr 15 /im aus GaAs₁_ P mit einer festen Zusammensetzung x„ ,

- eine zweite Rampe 4 mit einer Dicke von ungefähr 1,5/im mit einer von x„ nach χ abnehmenden Zusammensetzung,um den üebergang zwischen der Schicht 3 und der Schicht 5 zu erlauben.

- eine Schicht 5 mit einer Dicke von ungefähr 7yam aus GaAs., _r P mit einer festen Zusammensetzung X₁, in welcher man die Zone ρ der strahlenden ρ An Oebergänge durch abschliessende Diffusion eines /vkx'^pi OX^-H \-i\a (Vjin 7·\\ xn einem Qu.ürz.rolir erzeugt.

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Die epitaxialen Schichten 2 bis 5 werden während dem Wachsen mit Hilfe eines Donators wie das Se oder das Te η-dotiert. Die in der soeben beschriebenen Struktur notwendigen verschiedenen chemischen Zusammensetzungen χ werden reproduzierbar mittels der Technik der Epitaxie in der Gasphase erhalten, und überwacht, wobei diese Methode

in "The Preparation and Properties of Vapor-Deposited Epitaxial GaAs P Using Arsine and Phosphine", J.J. Tietjen and J.A. Amick, Journal of the Electrochemical Society 133, 724, 1966, beschrieben ist. Um dieses durchzuführen genügt es, die Menge und das Verhältnis der Gase PH_ und AsH , die in die Reaktionskammer eingeleitet werden, anzupassen. Da der Wert der verbotenen Zone E der Verbindung GaAs_1- P als Funktion von χ steigt, kann man es immer einrich-

JL "~ X X

ten, dass die Differenz E - E in der Grössenordnung der

gap x₂ gap X₁

Emissionsbandbreite der Schicht 5 liegt, wodurch die Schicht 3 für das durch die in der Schicht 5 gelegenen Uebergänge ausgesandte Licht durchsichtig wird.

Nach dem Wachsen der epitaxialen Schicht mit variabler Zusammensetzung von Ga(AsP) wird in der "Gasphase" auf der Zone 5 eine isolierende Nitrid schicht 6 (Si_N.) abgeschieden. In dieser isolierenden Schicht werden mittels eines konventionellen Verfahrens der Photogravur Fenster L geöffnet, wobei eine Maske aus pyrolitischem SiO„ (Vapox) benutzt wird, um stellenweise das Nitrid anzugreifen. Die Isolierschicht 6 dient einerseits als Diffusionsmaske und andererseits _fum die Elektrode und den Anschluss E₁ ausserhalb des Fensters L gemäss Figur 1 elektrisch zu isolieren.

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Die Diffusion der p-Bereiche durch das Fenster L in der Schicht 5 des η-Typ Kristalls erhält man, indem man die epitaxiale Scheibe mit einer Quelle.von Zn und Äs unter Vakuum in ein Quarzrohr stellt'. Die Diffusionsdauer beträgt 15 Stunden bei 650 C. Diese Diffusionstechnik wird häufig bei der industriellen Herstellung von Elektrolumineszenzdioden des Typs Ga(AsP) verwendet. Sie erlaubt eine Diffusion, die sich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe x. von ungefähr 1,7 /im erstreckt. Die Scheiben v/erden anschliessend geschliffen und poliert.

Anschliessend scheidet man in der Gasphase eine pyrolitische SiO-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 4ooo A ab, in welche man Fenster mittels der Photogravurtechnik öffnet,um eine Aetzmaske herzustellen, die die Herstellung einer Ausnehmung loo in der Scheibe unter den soeben hergestellten üebergängen gestattete

Das Ausrichten der Maske für das Abtragen wird, da das GaAs-Substrat für sichtbares Licht völlig undurchlässig ist, mit Hilfe eines Mikroskopes mit einem Infrarot-Lichtwandler durch die epitaxiale Schicht hindurch ausgeführt.

Das Oeffnen der Fenster im SiO₂ wird mit Hilfe von BHF (gepuffertes HF) durchgeführt, während das Abtragen des GaAs-Ga (AsP) durch ein Bad aus IiH₃O, ItH₃SO₄, 8:H₂O erzeugt wird, das ein gleichmässigcs Aetzen erlaubt.

Das Abtragen unter den Üebergängen wird durch mikroskopische Beobachtung in Transmission überwacht. Dieses erlaubt das Aetzen bei einer wphlbestimmteii Dicke der Restschicht abzubrechen.

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Nach dem Aetzen wird der Boden der abgetragenen Oberfläche durch Sandstrahlen des Rückens der Scheibe mit Hilfe eines Al₂O₃ (5^um) Pulverstrahls streuend gemacht, und anschliessend wird die verblei bende SiO₂-Schicht durch ein BHF-Bad entfernt.

Daraufhin wird die Scheibe gemäss einer konventionellen Methode, wie sie in der Ga (AsP)—Technologie verwendet wird um ohmische Kontakte herzustellen, metallisiex-t. Eine Schicht von Au-Sn von 4ooo A wird auf der η-Seite aufgedampft und eine Schicht von Al von Io^r000 ä auf der p-Seite. Vor der Vereinigung durch eine Wärmebehandlung von Io Minuten bei 47o ° C werden diese Schichten graviert, um die obere Elektrode E, mit ihren Fingern für den ohmischen Kontakt,, und die gemeinsame Elektrode E„_fum die abgetragenen Stellen abzugrenzen.

Das Au-Sn wird in den abgetragenen Teilen nicht als reflektierendes Metall beibehalten da sein Wirkungsgrad dadurch, dass es um einen ohmischen Kontakt zu bilden legiert wird, erniedrigt wird. Nach. dem. Legieren wird ein zweites Aufdampfen einer Schicht von Au oder Al von 5ooo R Dicke auf dem Rücken der epitaxialen Scheibe durchgeführt, um die Reflexionseigenschaften zu verbessern.

In einem letzten Photogravurverfahren werden im Innern der Fenstern L die örtlichen Rekombinationszonen abgegrenzt, wobei das Aetzen des epitaxialen GaAS₁ _, P .. (Typ ρ und n) mit einem Bad aus 9:H„S0^ (75 %ig), 1:H„O durchgeführt wird.

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Die Dicke von ungefähr 7 jm der Schicht 5 mit fester Zusammensetzung X^ ist notwendig, um die strahlenden Rekombinationszonen von den zahlreichen Kristalldefekten zu entfernen, die in der Nähe der zweiten Rampe 4 erzeugt v/erden. Ohne diese Vorsichtsmassnahme würden die Dioden eine wesentliche Abnahme des internen Wirkungsgrades erleiden. Würde man die Schicht 5 mit ihrer Schicht ρ auf dem ganzen Teil geringerer Dicke beibehalten, würde ihr Absorptionsvermögen den Weg, den ein Strahl in dieser Zone durchlaufen kann,und seine Chancen hinauszugelangen stark einschränken. Aus diesem Grunde wird ein grosser Bruchteil der von den Schichten 4 und 5 besetzten Oberfläche auf dem Teil verringerter Dicke durch Aetzen entfernt, wodurch verkleinerte strahlende RekombinationsZonen erzeugt v/erden, um die das Licht durch Vielfachreflexionen im Teil geringerer Dicke austreten kann. Ein weiterer Vorteil, den man aus der Verdünnung der Rekombinationszönen ziehen kann, ist daran gebunden, dass sich der elektrooptische Wirkungsgrad der Elektrolumineszenzdioden im allgemeinen als Funktion der injizierten Stromdichte erhöht. Dieses wird durch das Diagramm der Figur 5 erläutert, worin der Leuchtwirkungsgrad F einer Ga-As _P .—Diode als Funktion seiner Stromdichte j ^ ο,6 ο,4

aufgetragen ist. Der Leuchtwirkungsgrad F, das heisst der pro Einheit des injizierten Stromes ausgestrahlte Lichtfluss,ist proportional dem Wirkungsgrad einer Diode. Die Messungen wurden mit gepulstem Strom durchgeführt,um jegliche Erwärmung zu vermeiden.

Im Beispiel gemäss den Figuren 1 und 2 nimmt die gesamte Oberfläche der Rekombinationszonen 1/4 der Leuchtfläche L ein. Für einen gegebenen Diodenstrom erhält man auf diese Weise eine Erhöhung der Stromdichte, urn ciirjcm Faktor 4, welcher, eine Erhöhung des Wirkungsgrades

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um mindestens 50% nach sich zieht und eine Erhöhung der Leuchtdichte der Leuchtfläche, wodurch der Kontrast der Anzeige verbessert v/ird. Für eine Anzeige mit gegebener Leuchtdichte kann diese Erhöhung des Wirkungsgrades dazu benutzt werden, um die Intensität des Stromes zu verringern, das heisst,.um den Verbrauch der Anzeige sowie die Fläche der Halbleiterelemente für die Steuerung der Anzeige herabzusetzen.

Aus theoretischer Sicht kann man die progressive Erhöhung des inter nen Wirkungsgrades für steigende Stromdichte!! durch eine allmähliche Auffüllung des Donatorenbandes erklären, das zu einer Besetzungsinversion führt, welches nur im Laser-Betrieb erreicht wird. Die Tatsache, dass die Energieniveaus sich über das Niveau, das dem thermischen Gleichgewicht entspricht, füllen, bewirkt die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit einer Strahlungsrekombination und der Reduktion der Wieder--Absorption.

Der reflektierende streuende Boden ist ein wichtiges Element der Struktur. Er bewirkt eine isotropische Wiederverteilung des auffallenden Lichtes, d.h. ein auffallender Strahl erhält eine identische Wahrscheinlichkeit, in irgendeine Richtung zurückgeworfen zu werden.

Verschiedene Möglichkeiten, das Licht herauszubringen, sind beispielsweise in den Figuren 2 und 3 angegeben, wobei die Figur 3 einen vergrösserten Ausschnitt des abgetragenen Teils der Figur 2 darstellt. Die mit LD (direktes Licht) bezeichneten Strahlen, die einer Punktlichtquelle P entstammen, charakterisieren dio normale Emission fj

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einer Elektrolumineszenzdiode, d.h. diejenige, die der Brechung an der Grenzschicht p-Bereich-Luft unterworfen ist und in einem Konus mit begrenztem Winkel (€/2 - 16° für Ga(AsP)) austritt. Die Strahlen. LM sind Beispiele für das erfindungsgemässe Gewinnen von vielfachreflektiertem Licht.

In Figur 3 bemerkt man unter anderem drei besondere vielfachreflektierte Strahlen: LM₁,der aus einer Punktquelle austritt und durch den Boden R in einem günstigen Winkel reflektiert wird und direkt austreten kann,da er sich im Austrittskonus befindet. LM , der ebenfalls aus der Punktquelle kommt und in einem Winkel reflektiert wird, der grosser als Θ/2 = 16° ist. Er erleidet deshalb eine Totalreflexion an der Grenzschicht Kristall - Luft und fällt ein' zweites Mal auf den Boden R, wodurch er dieses Mal in die gute Ausgangsrichtung zurückgeworfen wird. LM . stellt einen Fall dar, worin das Licht zuerst nach oben geworfen wird, eine Totalreflexion an der Oberfläche erleidet und nach einer Reflexion auf dem Boden in einem günstigen Winkel austreten kann. Falls die Absorption der abgetragenen Schicht gering ist, kann der Strahl mehrere Durchgänge zwischen der Oberfläche und dem Boden durchlaufen. Dieses erhöht beträchtlich die Austrittschancen, d.h. die Fähigkeit der Struktur,das Licht herauszubringen.

Eine einfache Formel erlaubt es, den durch die Vielfachreflexionen erhaltenen Gewinn auszudrücken. Sie stammt aus einem Modell mit vereinfachter Struktur mit einer mittleren Absorption α einer Zone mit der Dicke d, einer isotropen Streuung und einem Boden R mit einer Reflexion - 1.

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.. V V W fc T Vf

Der Gewinn oder Verstärkung einer solchen Struktur, für welche

O^ · -d endlich ist (o < öC d <. Po ) gegenüber einer Struktur, welche das Herausbringen des Lichtes durch Vielfachreflexion nicht fördert ( C>< · d = ©O) , .ist durch das Verhältnis der externen Wirkungsgrade beider Strukturen gegebnen:

n_ext(äd Φ -) ....!.

ⁿext^(ad ^m) 1- (1-(η_ο/2η_χ)²) exp (-2oid)

wobei η , jeweils die Brechungsindices für Luft und des abgetragenen Teils des Kristalls sind.

Diese Formel zeigt, dass-falls α " d gegen O strebt, d.h. wenn die Absorption im Teil geringerer Dicke gegen O geht, oder seine Trans-

parenz gegen 1 - die Verstärkung gegen (2η_Ί/η ) strebt, d.h. es ergibt sich ein potentieller Gewinn von 49 für einen Ga (AsP)-Kristall, für welchen n, = 3,5 ist.

Ein Mittel _rum α · d zu vermindern ist, die Dicke der Schicht zu verringern und ein anderes, α zu vermindern. Für eine Struktur,die aus η ubereinandergelagerten Schichten besteht, ist S = -¹- S a.cL

d ^CT ^Xl

wobei a. und d. der Absorptionskoeffizient, bzw. die Dicke der Schicht i sind. Das heisst, wenn man einen Teil der Schicht durchsichtig macht, verkleinert man den mittleren Wert des Koeffizienten α,

Diese Möglichkeit wird in Figur 5 illustriert, die die Absorptionskoeffizienten α als Funktion der Wellenlänge λ darstellt, welches für zwei Zusammensetzungen x, — o,4o und x„ = o,42 von GaAS₁ P

1 λ χ—χ

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mit η-^Γί·νρ Γ.-.ί·■;■ -s-rurr-;, ;χ ~ I,*: " J.«j~"uju , zutrxrrt.

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Erzeugt man, wie vorher beschrieben und in den Figuren 2 und 3 erläutert, eine Schicht mit der Zusammensetzung x„, mit x~>x., unterhalb derjenigen mit der Zusammensetzung X₁, ist es möglich, die Durchlässigkeit der Schicht x_ (α_<α ) für die von den in der Schicht mit der Zusammensetzung X₁ gelegenen p/n Uebergänge erzeugten Strahlung sehr stark zu erhöhen- Diese Emission ist in der Figur 5 durch seine Bandbreite ΔΙ (1/2) dargestellt, wobei diese Bandbreite auf halber Höhe des Maximums der elektrolumineszenten Strahlungsintensität I , gemessen in mW pro Steradiant, gemessen wurde.

Diese Strahlung ist auf λ__τ = 652,5 nm zentriert und weist bei dieser Wellenlänge einen Absorptionskoeffizienten auf, der mindestens 25o mal schwächer ist für die Schicht mit der Zusammensetzung x~ als für diejenige mit X₁.

Figur 6 zeigt die Arbeitsweise des gesamten Systems durch ein Diagramm, worin die normierte Intensität der Elektrolumineszenz I /

I als Funktion der Wellenlänge λ in verschiedenen Fällen aufr max *

getragen ist, um den Vorteil einer Struktur, die sämtliche oben

angegebenen Charakteristiken aufweist, zu zeigen. I /I ist für ³³ -¹ r r max

folgende Fälle eingezeichnet:■

I Elektrolumineszenzdiode mit geringerer Dicke II nicht abgetragene Elektrolumineszenzdiode III Differenz zwischen I - II

IV Fall II nach Absorption über Ί Jim im Stoff mit der Komposition Xjl

V Fall IV multipliziert mit dem Gewinn durch die Vielfachref lexitrn.

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Die Kurven I und II zeigen die Strahlungsintensität einer bis 25 Jim. unter den Rekombinationszonen abgetragenen Diode und für eine andere nicht abgetragene. Beide besitzen Leuchtflächen mit der gleichen Dimension. Der durch die vorgeschlagene Struktur erzielte Gewinn ist offensichtlich und beträgt ungefähr ein Faktor 4.

Die Kurven III, IV und V erlauben es zu bestätigen, dass dieser Gewinn durch das Herausbringen des Lichtes durch Vielfachreflexionen herrührt. Da die Kurve III die Differenz zwischen den beiden gemessenen Kurven I und II ist, entspricht sie der durch Vielfachreflexionen in der abgetragenen Diode gewonnene Lichtmenge. Wenn dies der Fall ist, kann diese Lichtmenge auch von II ausgehend errechnet werden,wobei in Rechnung zu stellen ist, dass die Emission des Ueberganges in der Richtung des reflektierenden und streuenden Bodens teilweise in der Schicht mit der Zusammensetzung x_ von 7 um Dicke

absorbiert wird (Kurve IV) bevor sie durch Vielfachreflexionen gemäss der vorhergehenden Beschreibung und der angegebenen Formel (Kurve V) austreten kann. Aus der guten Uebereinstimmung zwischen den Kurven V und III geht hervor, dass die 4-fache Strahlungsverstärkung von I im Verhältnis zu II der gesuchten Extraktion des Lichtes durch Vielfachreflexionen zuzuschreiben ist.

Der in mlumen/A ausgedrückte Leuchtwirkungsgrad F berücksichtigt die spektrale Empfindlichkeit des Auges. Er ist daher eine besser angemessene Grosse als die Strahlungsintensität I ,um die. Elektrolumineszenz von Dioden einer Anzeigevorrichtung miteinander vergleichen zu können. In mlumen/A ausgedrückt verringert sich der in Figur

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6 dargestellte Gewinn auf eine Grosse um 2,5 dadurch, dass das Auge für die Kurve I weniger empfindlich ist als für die Kurve II.

Wie aus der Folge der Kurven II, IV und V hervorgeht, wird die verschiebung von I = II + V in bezug auf II gegen grössere Wellenlängen hin dadurch bedingt, dass das Licht, bevor es vielfach reflektier^ wird, durch die Schicht . 5 mit der Zusammensetzung x, absorbiert wird. Die Dicke dieser Zone erlaubt es, die p/n-Uebergänge von der Rampe 4 mit von X^ nach χ abnehmender Zusammensetzung zu entfernen. Wie weiter oben bereits erklärt wurde, ist. diese Vorsichtsmassnahme in der Ga (AsP)-Technik notwendig, da die Kristallgitterabstände der Verbindungen X₁ und x„ verschieden sind und der üebergang von einer

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Verbindung zur anderen Kristalldefekte verursacht.

Die Verwendung eines anderen Materials, z.B. Al Ga_1-As, für das ein abrupter Wechsel der Zusammensetzung möglich ist, ohne neue Kristalldefekte zu erzeugen, erlaubt es, die Dicke der Schicht 5 von Figur 2 auf etwa 2 Aim zu reduzieren, d.h. auf eine Dicke, die leicht grosser ist als die Diffusionslänge x.. Dieses vermindert die Absorption der Struktur, erhöht ihren Gewinn und vermeidet die Verschiebung der Kurve I bezüglich II.

In diesem Fall ist die für· die Gewinnung des Lichtes durch Vielfachreflexionen vorgeschlagene Struktur ähnlich derjenigen von Figur 2 mit Ausnahme der Rampen 2 und 4,deren Dicke auf 0 reduziert werden kann.

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Eine zweite Variante ist die Verwendung eines epitaxialen Materials, wie z.B. GaAS., P (N), für welches das Emissionsband einen genügenden Abstand von der Grundabsorption des Kristalls aufweist.

So ist z.B. eine Verbindung mit x_ =0,6 vom indirekten Typ. Stark mit Stickstoff dotiert, entsteht seine Emission unter Mitwirkung der Stickstoffatome, deren Energien!veausjsich im Innern der verbotenen Zone befinden. Die Energie des ausgesandten Lichts ist aus diesem Grunde kleiner als diejenige, die dem Grundabsorptionsband des Kristalls entspricht, wodurch eine beträchtliche Verminderung der Absorption eintritt. In diesem Falle ist eine Struktur mit doppelter Zusammensetzung X₁ und x„ nicht mehr notwendig, und die vorgeschlagene Struktur zur Gewinnung von Licht durch Vielfachreflexionen ist in den Figuren 7 und 8 dargestellt.

In diesen Figuren sind für die gleichen Objekte die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 vorgesehen. Man erkennt insbesondere:

- das Substrat 1 aus GaAs oder GaP, welches eine elektronische Leitfähigkeit des Typs η besitzt.

- eine einzige Rampe 2 mit einer ungefähren Dicke von 5o pm, deren Zusammensetzung χ von χ = 0 (Substrat GaAs) oder χ = 1 (Substrat GaP) bis χ = X₁ variiert und die es gestattet, die gewünschte Zusctmrnensetzung X₁ zu erlangen.

- eine durchsichtige Schicht 7 mit einer Dicke von ungefähr 15-4o pm

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aus GaAs₁_ P mit einer festen Zusammensetzung x,.

J. X-, X« x

eine Schicht 8 mit einer Dicke von ungefähr 5 bis IO um aus GaAs₁_ P (N), wahrend dem Wachstum stark mit Stickstoff do~ tiert, in die p-Bereiche der strahlenden Uebergänge diffundiert werden.

Die epitaxialen Schichten 2, 7 und 8 werden während dem Wachstum mit Hilfe eines Donators wie Se oder Te mit η dotiert.

Wie schon bereits beschrieben, werden die gewünschten verschiedenen chemischen Verbindungen dadurch erhalten und überwacht, dass die Menge und das Verhältnis von PEL· und AsEL· beim Eintritt in den Reaktor während der Epitaxie aufeinander abgestimmt werden. Die η-Dotierung wird durch Steuerung des Einströmens des Gasgemisches, das aus in einem Wasserstoffstrom verdünnten H Se oder (C₀R^)₀ Te besteht, und die Stickstoffdotierung durch Eingeben von NH_ am Ende der Epitaxie durchgeführt.

Nach diesem Wachstum wird eine Nitridschicht 6 auf der Schicht 3 abgeschieden und Fenster für die p-Diffusion durch Photogravur geöffnet. Diese Fenster weisen kleinere Abmessungen auf als die nachgehend abgetragenen Teile des Kristalls, um die Absorption der vielfach reflektierten Strahlen durch die p-Bereiche zu minimalisieren. Die folgenden Verfahrensschrxtte sind die gleichen wie für die erste AusführungsVariante und dienen dem gleichen Ziel: die Diffusion der p-Bereiche in einem Rohr, das Abtragen des Kristalls bis zur und eventuell mit einem Teil der Schicht 7 der Zusammen-

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Setzung χ_Ί, die Erstellung des streuenden Bodens, die Metällisa-

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tion und die'Gravur der Elektroden E, und E^.

Diese Ausführung weist eine vorzügliche Fähigkeit für die Gewinnung von Licht durch Vielfachrjeflexionen auf., weil sie die Transparenz der Schicht 7 mit einer geringen Absorption in der Schicht 8 für die durch die Uebergänge erzeugten Strahlung miteinander verbindet. Auf diese Weise können die ausgesandten Strahlen einige Male die Strecke zwischen der Leuchtfläche L und dem Boden R durchlaufen, bevor sie absorbiert werden, welches beträchtlicherweise ihre Wahrscheinlichkeit erhöht, aus dem Kristall austreten zu können.

Eine Aenderung dieser Ausführungsform kann einen weiteren Gewinn hervorrufen, indem rings um die p/n Uebergänge die Schicht 8 durch Aetzen abgetragen wird. Dieses Aetzen wird gemäss einem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahren für die Gravur der örtlichen Rekombinationszonen durchgeführt.

Aus der Beschreibung gehen folgende wesentliche Vorteile der vorgeschlagenen Struktur hervor:

a) der Wirkungsgrad einer Elektroluniineszenzdiode kann stark durch die Bildung von Strahlungsrekombinationszonen mit verkleinerten Ausmassen erhöht werden, wobei sich diese Zonen auf einem Teil geringerer Dicke des Kristalls mit geringer Absorption befinden, welcher Teil mit einem streuenden und reflektierenden Boden ausgestattet ist, welches die Gewinnung von Licht fördert, indem die

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Wahrscheinlichkeit des Austritts der ausgesandten und in der Struktur vielfach reflektierten Strahlen erhöht und die Ausdehnung der leuchtenden Fläche begrenzt und lokalisiert wird,

b) die begrenzten Rekombinationszonen erlauben es, für einen gleichen mittleren Diodenstrom mit höheren Stromdichten zu arbeiten (confinement-Einkapselung), welches den elektrooptischen Umwandlung swirkungsgr ad der Strahlungszonen erhöht, wobei die Begrenzungen durch die Erwärmung, die Erhöhung des durch die kleinen Abmessungen bedingten Leckstroms und die Lebensdauer der Dioden gegeben sind,

c) die Einrichtung von begrenzten Rekombinationszonen erlaubt es, einen grossen Teil der Leuchtfläche von der durch die diffundierten Bereiche und den Oberflächenschichten hervorgerufenen Absorption zu befreien, wodurch die Vielfachreflexionen stattfinden können,

d) das Abtragen des Kristalls fördert die Gewinnung von Licht in der unmittelbaren Umgebung der Rekombinationszonen und erzeugt eine bessere Lokalisiation und Konzentration des Lichtes um diese Zonen herum,

e) der streuende und reflektierende Boden vermittelt den ausgesandten Strahlen in irgendeiner Richtung eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, in einer Richtung reflektiert zu werden, in die diese Strahlen aus dem Kristall austreten können.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.)Elektrolumineszenz-Diode, deren Leuchtfläche durch einen Teil geringerer Dicke, der Zonen"mit strahlenden Uebergängen enthält, abgegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Zonen nur einen Bruchteil des Teiles geringerer Dicke einnehmen, die Zusammensetzung des Teiles geringerer Dicke die Absorption des Lichtes verringert, und dass Mittel vorhanden sind, um das Licht an der Grenzfläche dieses Teils geringerer Dicke zu reflektieren und zu streuen, womit durch Vielfachreflexion das im Innern der Diode ausgesandte Licht gewonnen werden kann und dadurch der Leuchtwirkungsgrad erhöht wird.

2. Elektrolumineszenz-Diode gemäss'· Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke zur Breite des Teiles geringerer Dicke in der Grössenordnung eines Zehntels ist.

3. Elektrolumineszenz-Diode gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Zonen ungefähr einen Viertel der Leuchtfläche einnehmen.

4. Elektrolumineszenz-Diode gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung dieses Teiles geringerer Dicke veränderlich ist und mindestens eine Strahlungs-

rekombinationszone, eine Schicht mit verminderter Absorption für

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die aus der Rekombinationszone ausgesandte Strahlung und eine Uebergangsschicht zwischen den beiden genannten Bereichen enthält.

5. Elektrolumineszenz-Diode gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Material GaAs₁ P ist/ wobei χ

i.—χ χ

ein veränderlicher Parameter seiner Zusammensetzung ist.

6. Elektrolumineszenz-Diode gemäss Anspruch 1 des indirekten Typs, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Material GaAsP (N) ist.

7. Elektrolumineszenz—Diode gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil.geringerer Dicke durch selektives Aetzen und der reflektierend-streuende Boden durch Sandstrahlen, gefolgt von einer Metallisation, erhalten wird.

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