DE102007016932A1 - Solid state radiation source, its manufacture and use - Google Patents
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Abstract
Eine neuartige Festkörper-Strahlungsquelle ähnelt einer Halbleiter-LED, ist aber einfacher aufgebaut und daher einfacher herzustellen und weist, soweit ersichtlich, ein anderes, neuartiges Wirkungsprinzip auf. Die Strahlungsquelle besteht aus einer Zone, die ein Gemisch aus mindestens zwei Materialkomponenten enthält, von denen zumindest eine ein Leiter oder Halbleiter ist, und einem an diese Gemischzone angrenzenden p-n- oder n-p-Übergang. Die Stromzufuhr erfolgt einerseits über diese Gemischzone und andererseits über den Übergang, wobei Letzterer in Durchlassrichtung oder auch vorteilhafterweise in Sperrrichtung betrieben werden kann. Diese neuartige Strahlungsquelle arbeitet in beiden Betriebsarten mit niedriger Versorgungsspannung, z. B. 3 V, und niedrigen Verlusten und benötigt daher üblicherweise keine Kühlung. Auch ein Betrieb mit Wechselspannung ist möglich.A novel solid-state radiation source is similar to a semiconductor LED, but is simpler in design and therefore easier to manufacture and has, as far as can be seen, a different, novel mode of action. The radiation source consists of a zone containing a mixture of at least two material components, at least one of which is a conductor or semiconductor, and a p-n or n-p junction adjacent to this mixture zone. The power supply takes place on the one hand via this mixture zone and on the other hand via the transition, wherein the latter can be operated in the forward direction or also advantageously in the reverse direction. This novel radiation source works in both modes with low supply voltage, z. B. 3 V, and low losses and therefore usually requires no cooling. Even operation with AC voltage is possible.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Strahlungsquelle, die zwar einer LED ähnelt, aber wesentlich einfacher aufgebaut und daher einfacher herzustellen ist. Die Festkörper-Strahlungsquelle besteht aus mindestens zwei Bereichen oder Zonen, von denen eine ein Gemisch aus mindestens zwei Materialkomponenten enthält, von denen zumindest eine ein Leiter oder Halbleiter ist, und einem an diesen Bereich angrenzenden p-n- oder n-p-Übergang, jedenfalls einen Übergang mit Diodencharakteristik. Die Stromzufuhr erfolgt einerseits über den Bereich, der die Materialmischung enthält und andererseits über den p-n- oder n-p-Übergang, wobei letzterer vorzugsweise in Sperrichtung betrieben wird. Diese Strahlungsquelle arbeitet mit niedriger Versorgungsspannung, z. B. 3 V, und niedrigen Verlusten und benötigt daher üblicherweise keine Kühlung.The The present invention relates to a novel radiation source, which is similar to an LED, but built much simpler and therefore easier to manufacture is. The solid-state radiation source consists of at least two areas or zones, one of which contains a mixture of at least two material components, from where at least one is a conductor or semiconductor, and one at this area adjacent p-n or n-p junction, at least one transition with diode characteristic. The power supply takes place on the one hand over the area, containing the material mixture and then again the p-n or n-p transition, the latter is preferably operated in the reverse direction. These Radiation source works with low supply voltage, z. B. 3 V, and low losses and therefore usually requires no cooling.
Einleitung und Stand der TechnikIntroduction and state of the art
Die bekannteste und in grosser Zahl verbreitete Festkörper-Strahlungsquelle ist die Halbleiter-Leuchtdiode, meist als LED (light emitting diode) bezeichnet, die heute kleine Glühlampen für Anzeigezwecke praktisch vollständig ersetzt hat. Im Vergleich zur Glühlampe hat die LED einen höheren Wirkungsgrad, arbeitet auch mit niedrigen Versorgungsspannungen, ist mechanisch robust und unempfindlich gegen Vibrationen und Erschütterungen und hat dazu noch eine längere Lebensdauer. Auch ihre kürzere Ansprechzeit ist in vielen Anwendungen von Vorteil. Ihre geringe Grösse erlaubt dazu die Verwirklichung neuer Designs. Ausserdem kann sie sogar aus elastischen Materialien hergestellt werden, was ihre mechanische Robustheit weiter erhöht.The best known and widely distributed solid-state radiation source is the semiconductor light emitting diode, usually referred to as LED (light emitting diode), the today small incandescent lamps for display purposes practically complete replaced. Compared to the light bulb the LED has a higher one Efficiency, also works with low supply voltages, is mechanically robust and insensitive to vibrations and shocks and has a longer one Lifespan. Even her shorter Response time is an advantage in many applications. Your low Size allows for the realization of new designs. Furthermore she can even made of elastic materials, what their mechanical Robustness further increased.
Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb können sie vorteilhaft z. B. in Signalanlagen eingesetzt werden, wo bei Verwendung anderer Lichtquellen mittels Farbfilter der grösste Teil des Spektrums, und damit der Lichtleistung, herausgefiltert wird. Auch die o. g. kürzere Ansprechzeit einer LED erweist sich in Signaleinrichtungen als Vorteil, z. B. für die Bremsleuchten eines Kraffahrzeugs.Different as light bulbs LEDs are not temperature radiators. They emit light in a limited spectral range, the light is almost monochrome. That's why they are advantageous z. B. be used in signal systems, where at Use of other light sources by means of color filters the largest part of the spectrum, and thus the light output, is filtered out. Also the o. G. shorter Response time of an LED proves to be an advantage in signaling devices, z. For example the brake lights of a Kraffahrzeugs.
Die Farbe des erzeugten Lichtes einer LED wird durch gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung bestimmt. Vor allem der Spektralbereich, also im sichtbaren Bereich die jeweilige Farbe, wird so bestimmt:
- – Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge;
- – Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, bis 1000 nm;
- – Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb;
- – Galliumphosphid (GaP) – grün;
- – Siliziumcarbid (SiC) – blau;
- – Zinkselenid (ZnSe) – blau;
- – Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün.
- Aluminum gallium arsenide (AlGaAs) - red and infrared, up to 1000 nm wavelength;
- - gallium aluminum arsenide (GaAlAs) - z. B. 665 nm, red, to 1000 nm;
- Gallium arsenide phosphide (GaAsP) and aluminum indium gallium phosphide (AlInGaP) - red, orange and yellow;
- - gallium phosphide (GaP) - green;
- Silicon carbide (SiC) - blue;
- - zinc selenide (ZnSe) - blue;
- Indium gallium nitride (InGaN) / gallium nitride (GaN) - UV, blue and green.
Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt, wie sie aus der Halbleiterfertigung bekannt sind. Da aber einige der genannten Materialien, z. B. GaAs, hochgiftig sind, erfordert ihre Verarbeitung einen hohen Sicherheitsaufwand.at The production of the LED semiconductors uses different epitaxy methods, as they are known from semiconductor manufacturing. But there are some said materials, for. As GaAs, are highly toxic, requires their processing a high security effort.
Betrieben werden LEDs in Durchlassrichtung der Diode, üblicherweise mit einem Vorwiderstand oder einer Konstantstromquelle. Die Durchlassspannung, die ja die Betriebsspannung ist, liegt je nach Halbleitermaterial und damit Farbe zwischen etwa 1,2 und 4,5 V.operated LEDs are in the forward direction of the diode, usually with a series resistor or a constant current source. The forward voltage, yes the operating voltage is, depending on the semiconductor material and thus color between about 1.2 and 4.5 V.
Halbleiterlaser (Laserdioden) bilden eine zweite wichtige Gruppe von Festkörper-Strahlungsquellen. Eine Laserdiode ist ein der Leuchtdiode (LED) verwandtes Halbleiter-Bauteil, welches im Gegensatz zur LED jedoch Laserstrahlung erzeugt. Dazu wird ein p-n-Übergang mit starker Dotierung bei hohen Stromdichten betrieben. Auch hier bestimmt das Halbleitermaterial die Wellenlänge, die der Halbleiterlaser emittiert. Sie liegt typischerweise in nahen Infrarot und Rot, es gibt jedoch auch blaue und ultraviolett strahlende Laserdioden. Es existieren verschiedene Bauarten, die sich je nach Anwendungszweck unterscheiden.Semiconductor laser (Laser Diodes) form a second important group of solid-state radiation sources. A laser diode is a semiconductor device related to the light emitting diode (LED), which, in contrast to the LED but generates laser radiation. To becomes a p-n junction operated with heavy doping at high current densities. Here too the semiconductor material determines the wavelength that the semiconductor laser emitted. It is typically in the near infrared and red, it However, there are also blue and ultraviolet radiating laser diodes. There are different designs, depending on the application differ.
Bei der Laserdiode wird die Emission von Licht durch Rekombinations-Prozesse von Elektronen und Löchern am p-n-Übergang bewirkt. Dazu sind meist die Endflächen der Laserdiode teilreflektierend ausgebildet und bilden einen optischen Resonator, in dem sich eine stehende Welle ausbilden kann. Liegt eine sog. Besetzungsinversion vor, d. h. gibt es mehr Elektronen bzw. Löcher mit einen höheren Energiezustand als solche mit einem niedrigeren, so kann die induzierte Emission zum dominierenden Strahlungsprozess werden. Dann emittiert die Laserdiode Laserstrahlung.at The laser diode is the emission of light through recombination processes of electrons and holes at the p-n junction causes. For this purpose, usually the end faces of the laser diode are partially reflecting formed and form an optical resonator in which a can form a standing wave. Is a so-called population inversion before, d. H. There are more electrons or holes with a higher energy state as such, with a lower, so can the induced emission become the dominant radiation process. Then the laser diode emits Laser radiation.
Die Besetzungsinversion wird in Laserdioden durch elektrisches Pumpen erzeugt, ein elektrischer Gleichstrom in Durchlassrichtung sorgt für stetigen Nachschub von Elektronen und Löchern.The Occupancy inversion is in laser diodes by electric pumping generates, a direct electrical current in the forward direction for steady Replenishment of electrons and holes.
Die meisten Laserdioden sind Kantenstrahler (edge emitter), d. h. das Licht verlässt den Halbleiter an dessen Bruchkante nahe an der Oberfläche quer zum Stromfluss. Da nur ein Teil der elektrischen Energie in Laserstrahlung umgewandelt wird, müssen die meisten Laserdioden gekühlt werden, da sie durch zu hohe Temperaturen zerstört würden. Die Kühlung kann beispielsweise "passiv" durch Wärmeabfuhr über eine Metallfläche erfolgen, es werden aber auch Peltier-Elemente für eine "aktive" Kühlung verwendet.Most laser diodes are edge emitters, ie the light leaves the semiconductor at its fracture edge close to the surface transverse to the current flow. Since only a portion of the electrical energy is converted to laser radiation, most laser diodes must be cooled as they are would be destroyed by too high temperatures. The cooling can, for example, be carried out "passively" by heat removal via a metal surface, but Peltier elements are also used for "active" cooling.
Die bekannteste und am weitesten verbreitete Anwendung von Laserdioden ist wohl der CD-Spieler, bei dem eine AlGaAs-Laserdiode verwendet wird, die Licht mit einer Wellenlänge von 780 nm abgibt, also am langwelligen Ende des sichtbaren Spektrums im roten Bereich arbeitet.The best known and most widely used laser diode application is probably the CD player using an AlGaAs laser diode which emits light with a wavelength of 780 nm, so at the long-wavelength end of the visible spectrum in the red region works.
Organische LEDs, sog. OLEDs, enthalten organische Materialien, sind aber ansonsten wie LEDs aufgebaut und werden ebenso betrieben. Jedenfalls wird auch bei OLEDs der vorhandene p-n-Übergang in Durchlassrichtung betrieben.organic LEDs, called OLEDs, contain organic materials but are otherwise like LEDs are built and operated as well. Anyway also in OLEDs the existing p-n junction in the forward direction operated.
Zwei Punkte sollen an dieser Stelle festgehalten werden. Zum einen ist das Grundmaterial sowohl von LEDs als auch von Laserdioden ein kristallines Halbleitermaterial, das exakt dotiert werden muss, d. h. in welches kleinste Mengen von Fremdatomen eingebracht werden müssen, um die gewünschte Funktion des Halbleiterbauteils zu erzeugen. Daher sind die für eine industrielle Fertigung notwendigen Einrichtungen aufwändig, z. B. sind Rein- und Reinsträume eine unabdingbare Voraussetzung, und die damit beschäftigten Personen sind üblicherweise hochqualifiziert. Zum zweiten wird der bei Leuchtdioden wie bei Laserdioden stets vorhandene p-n-Übergang in Durchlassrichtung betrieben.Two Points should be recorded at this point. For one thing is the base material of both LEDs and laser diodes is a crystalline one Semiconductor material that needs to be exactly doped, d. H. in which smallest amounts of impurities must be introduced to the desired To generate function of the semiconductor device. Therefore, those for an industrial Manufacturing necessary facilities consuming, z. B. are pure and clean rooms an indispensable prerequisite, and the ones involved People are common highly qualified. Second, the light-emitting diodes as in Laser diodes always present p-n junction in the forward direction operated.
Es gibt weitere, elektrisch angeregte Leuchtmittel, die keine Temperaturstrahler sind, z. B. Elektrolumineszenzstrahler. Damit hergestellte Strahlungsquellen weisen jedoch keinen p-n- oder n-p-Übergang auf. Sie sollen also hier ausser Betracht bleiben.It There are more, electrically excited bulbs that do not use thermal radiators are, for. B. electroluminescent. With it produced radiation sources however, they do not have a p-n or n-p junction. So you should out of consideration here.
Die ErfindungThe invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine universell einsetzbare, preiswerte Festkörper-Strahlungsquelle zu schaffen, die erheblich einfacher als die oben beschriebenen herzustellen ist.task The invention is to a universally applicable, inexpensive solid-state radiation source create that much easier to manufacture than the one described above is.
Die vorliegende und nachfolgend im Detail beschriebene Erfindung betrifft einen neuartigen Typ einer Festkörper-Strahlungsquelle sowie Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung. Eine solche Strahlungsquelle unterscheidet sich von den bekannten, oben beschriebenen Anordnungen signifikant in zumindest folgenden Punkten:
- – Die Strahlungsquelle besteht im Wesentlichen aus zwei Zonen oder Bereichen, die in Wechselwirkung zueinander stehen, wobei eine der Zonen, anders als bei Leuchtdioden oder Halbleiterlasern, ein im Wesentlichen amorphes Gemisch aus mindestens zwei Komponenten ist. Dieses quasi nichtmetallische Gemenge oder Gemisch muss wahrscheinlich nicht einmal homogen sein. Diese (zweite) Zone ist leitend oder halbleitend und sollte (je nach Bauweise der Strahlungsquelle) zumindest für die angeregte Wellenlänge durchlässig sein, z. B. für Strahlung im sichtbaren Bereich transparent oder etwas opak, d. h. durchscheinend.
- – Die Strahlungsquelle mit ihrem p-n- oder n-p-Übergang, d. h. derjedenfalls vorhandenen Sperrschicht, kann auf mehrere Arten betrieben werden: Im Gleichstrombetrieb nämlich in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung, wobei die erzeugte Strahlung je nach Betriebsart unterschiedliche Charakteristiken aufweist. Auch ein Betrieb mit Wechselspannung ist möglich.
- - The radiation source consists essentially of two zones or areas which interact with each other, wherein one of the zones, unlike light-emitting diodes or semiconductor lasers, is a substantially amorphous mixture of at least two components. This quasi-non-metallic mixture or mixture probably does not even have to be homogeneous. This (second) zone is conductive or semiconducting and should be permeable (depending on the design of the radiation source) at least for the excited wavelength, z. B. for radiation in the visible range transparent or slightly opaque, ie translucent.
- The radiation source with its pn or np junction, ie the barrier layer present in each case, can be operated in a number of ways: in DC operation, namely in the forward direction or in the reverse direction, the generated radiation having different characteristics depending on the operating mode. Even operation with AC voltage is possible.
Eine Strahlungsquelle gemäss der Erfindung hat im Prinzip mindestens zwei Bestandteile: Einem p-n- oder n-p-Übergang, der auch als n+-n- oder p+-p-Übergang oder ähnliche Sperrschicht ausgebildet sein kann, und einem daran angrenzenden Bereich eines Materialgemischs, das nachfolgend genauer beschrieben wird. Für den Übergang scheint wesentlich zu sein, dass er die Charakteristik einer Diode, vorzugsweise einer Zenerdiode, aufweist. (Wenn nachfolgend von einem des p-n- oder n-p-Übergang oder von Sperrschicht die Rede ist, sollen damit alle derartigen Übergänge eingeschlossen sein.) Die elektrische Kontaktierung erfolgt einerseits am Bereich mit dem Materialgemisch – nachfolgend auch als Gemischzone bezeichnet – und andererseits an derjenigen Seite des Übergangs, die gegenüber der Grenze zur Gemischzone liegt.A radiation source according to the invention has in principle at least two components: a pn or np junction, which can also be formed as an n + -n or p + -p junction or similar barrier layer, and an adjoining region of a material mixture, which will be described in more detail below. For the transition seems to be essential that it has the characteristic of a diode, preferably a Zener diode. (If one of the pn or np transition or barrier layer is mentioned below, then all such transitions should be included.) The electrical contacting takes place on the one hand at the area with the material mixture - hereinafter also referred to as mixture zone - and on the other hand on that side the transition, which is opposite the boundary of the mixture zone.
Wird die neuartige Strahlungsquelle wie eine Leuchtdiode in Durchlassrichtung betrieben, so erfolgt eine sozusagen "weiche" oder "ruhige" Emission, die der Emission einer Leuchtdiode ähnelt. Auch die Strom/Spannungs-Kennlinie ähnelt der Strom/Spannungs-Kennlinie einer Leuchtdiode; im Prinzip entsprechen beide Kennlinien der einer Halbleiterdiode.Becomes the novel radiation source as a light emitting diode in the forward direction operated, so there is a so-called "soft" or "quiet" emission, which is similar to the emission of a light emitting diode. Also the Current / voltage characteristic is similar the current / voltage characteristic of a light emitting diode; correspond in principle both characteristics of a semiconductor diode.
Interessanter ist der Betrieb der neuartigen Strahlungsquelle in Sperrrichtung des p-n- oder n-p-Übergangs. Dann verläuft die Strom/Spannungs-Kennlinie ähnlich der Kennlinie einer Zener-Diode, also mit einem ausgeprägten Knick. Bei Erreichen der Zener-Spannung, also dem Knick in der Kennlinie, erfolgt eine ausgeprägte, sozusagen "scharfe" Emission von Strahlung, deren Stärke signifikant höher ist als die maximal erreichbare Emission bei Betrieb in Durchlassrichtung des Übergangs. Es scheint, dass mit Erreichen des Zener-Knicks eine Art Avalanche-Effekt auftritt. Man könnte daher den in Sperrrichtung betriebenen p-n- oder n-p-Übergang der Strahlungsquelle auch als "Zündzone" bezeichnen.More interesting is the operation of the novel radiation source in the reverse direction of the p-n or n-p junction. Then it runs the current / voltage characteristic is similar the characteristic of a zener diode, that is with a pronounced kink. When the Zener voltage is reached, ie the kink in the characteristic curve, a pronounced, so-called "sharp" emission of radiation, their strength significantly higher is the maximum achievable emission when operating in the forward direction of the transition. It Seems that reaching the Zener Knicks a kind of avalanche effect occurs. You could therefore the reverse-biased p-n or n-p junction of Also refer to radiation source as "ignition zone".
Entscheidend für die Funktion und die Eigenschaften scheinen eine Reihe von Eigenschaften der in der Gemischzone vorhandenen bzw. für die Gemischzone verwendeten Materialien und ihr Mischungsverhältnis zu sein.critical for the Function and properties seem to have a number of properties that present in the mixture zone or used for the mixture zone Materials and their mixing ratio.
Ein erster Punkt betrifft die Materialauswahl für die Gemischzone. Wenn, was hier als Beispiel verwendet werden soll, die neuartige Strahlungsquelle in einer vorgegebenen Halbleiterstruktur, also einem kristallinen Grundmaterial, beispielsweise einem Halbleiter-Wafer oder einem Photoelement, implementiert werden soll, müssen für die Auswahl des zweiten (und möglicherweise eines weiteren) Materials folgende Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Dabei kann das kristalline Grundmaterial an der zu bearbeitenden Stelle dotiert sein oder nicht.One first point concerns the material selection for the mixed zone. If what to be used here as an example, the novel radiation source in a given semiconductor structure, ie a crystalline one Base material, for example a semiconductor wafer or a Photoelement, to be implemented, need for the selection of the second (and possibly another) material considered the following aspects become. In this case, the crystalline base material to be processed Be doped or not.
Die für die Materialauswahl zu berücksichtigenden Gesichtspunkte sind:
- – gewünschte Farbe
- – Leiter- oder Halbleiter-Eigenschaft mit Widerstandsvorgabe
- – Transparenz oder allenfalls geringe Opazität (je nach Bauweise)
- – Elektronegativität.
- - desired color
- - Conductor or semiconductor characteristic with resistance specification
- - Transparency or at best low opacity (depending on the construction)
- - Electronegativity.
Im Wesentlichen wird die Farbe bzw. Wellenlänge der Strahlungsquelle durch das Materialgemisch, insbesondere das zweite Material in der Mischzone bestimmt. Dieses zweite Material muss in der Lage sein, Photonen zu emittieren. Bekanntlich sind dazu beispielsweise Phosphor (P), Arsen (As), Schwefel (S) oder auch eine Verbindung wie Zinksulfid (ZnS) in der Lage. Bei Verwendung von kristallinem, dotiertem Silizium (Si) als Grundmaterial oder auch einem anderen Leiter oder Halbleitermaterial werden sich in Abhängigkeit vom zweiten Material etwa folgende Frequenzen bzw. Farben der neuartigen Strahlungsquelle ergeben:
- – Arsen (As) – rot;
- – Phosphor (P) – grün;
- – Zinksulfid (ZnS) – blau;
- – Schwefel (S) – gelb.
- - Arsenic (As) - red;
- - phosphorus (P) - green;
- - zinc sulfide (ZnS) - blue;
- - Sulfur (S) - yellow.
Eine vergleichbare Liste ergibt sich bei Verwendung von Germanium (Ge) als Grundmaterial. Allerdings wird sich durch die unterschiedliche Elektronegativität auch die Emission ändern.A comparable list results when using germanium (Ge) as a basic material. However, it will be different electronegativity also change the emission.
Das für die Gemischzone zu verwendende Zweitmaterial ist aber auch abhängig vom verwendeten Grundmaterial, seiner Leitfähigkeit oder seinem Widerstand, die natürlich mit seiner Dotierung zusammenhängt. D. h. bei einem p-dotierten, z. B. Bor-dotiertem Grundmaterial ist es notwendig, mindestens ein n-dotiertes Zweitmaterial zu verwenden, während bei einem n-dotierten Grundmaterial mindestens ein p-dotiertes Zweitmaterial zu verwenden ist. Bei Verwendung eines neutralen Grundmaterials wie undotiertem Silizium (S) kann sowohl n-aktives als auch p-aktives Zweitmaterial verwendet werden. Es wurde nämlich festgestellt, dass sowohl ein n-neutral-Übergang wie auch eine p-neutral-Übergang wirksam sein kann.The for the However, mixed material to be used second material is also dependent on used base material, its conductivity or its resistance, the course related to its doping. Ie. at a p-doped, z. B. boron-doped base material, it is necessary at least one n-doped second material to use while in the case of an n-doped base material, at least one p-doped secondary material to use. When using a neutral base material such as undoped silicon (S) can be both n-active and p-active Secondary material to be used. It was found that both an n-neutral transition as well as a p-neutral transition can be effective.
Es können auch andere Grundmaterialien Verwendung finden; dem Fachmann wird es nicht schwer fallen, die entsprechenden Materialkombinationen experimentell zu bestimmen.It can find other basic materials use; the expert becomes It will not be difficult, the appropriate material combinations to determine experimentally.
Auch ein Leiter kann als Grundmaterial benutzt werden, z. B. kann Aluminium durch Versetzen mit Fremdstoffen transparent oder durchscheinend gemacht werden.Also a ladder can be used as a base material, e.g. B. can aluminum rendered transparent or translucent by adding foreign matter become.
Weiterhin muss bei der Materialauswahl auf den Unterschied der Elektronegativität der verwendeten Substanzen/Materialien geachtet werden. Unter Elektronegativität, versteht man die Fähigkeit eines Atoms, in einer chemischen Bindung Bindungselektronen an sich zu ziehen. Im Wesentlichen wird sie von der Kernladung und dem Atomradius bestimmt. Üblicherweise werden Atome mit hoher Elektronegativität als elektronegativ bezeichnet, solche mit geringer Elektronegativität als elektropositiv. Es wurde gefunden, dass die Elektronegativitä ten der beiden Substanzen, die für die Gemischzone verwendet werden sollen, einen bestimmten Abstand voneinander haben sollten. Es hat sich auch gezeigt, dass die Wellenlänge der erzeugten Strahlung von der relativen Elektronegativität der verwendeten Materialien abzuhängen scheint: Bei Verwendung von zwei Materialien wurde die emittierte Strahlung umso langwelliger, je weiter die Elektronegativität der beiden Materialien auseinander liegt.Farther must be used in the material selection on the difference of electronegativity of the used Respected substances / materials. Under electronegativity, understands one's ability of an atom, bonding electrons in a chemical bond to draw. In essence, it is derived from the nuclear charge and the atomic radius certainly. Usually are atoms with high electronegativity called electronegative, those with low electronegativity as electropositive. It was found that the electronegativity of the two substances, the for the mixture zone should be used a certain distance should have each other. It has also been shown that the wavelength of the generated radiation from the relative electronegativity of the used Depend on materials seems: When using two materials was emitted Radiation the longer wavelength, the further the electronegativity of the two materials lies apart.
Ein weiterer entscheidender Punkt für die Materialauswahl und das Mischungsverhältnis ist der resultierende elektrische Widerstand der Gemischzone mit der erzeugten Materialmischung, verbunden mit der Diodeneigenschaft der sich aufbauenden Sperrschicht. Es hat sich nämlich ein bestimmtes Kriterium als entscheidend für die Funktion der neuartigen Strahlungsquelle herausgestellt.One another crucial point for the material selection and the mixing ratio is the resulting electrical resistance of the mixture zone with the generated material mixture, associated with the diode characteristic of the building up barrier. It has become a certain criterion as decisive for the function of the novel Radiation source exposed.
Dieses Kriterium ist das Erfordernis eines möglichst geringen Widerstands gemessen über die Gemischzone und die Sperrschicht (oder Diode), in Durchlassrichtung der letzteren. Es wurde festgestellt, dass das Mischungsverhältnis der beiden (oder mehr) Komponenten so bemessen sein muss, dass dieser Widerstand zumindest näherungsweise ein Minimum erreicht. M. a. W., verändert man das Mischungsverhältnis von einem Extrem (100% erste Komponente, 0% zweite Komponente) über ein mittleres Verhältnis (50% erste plus 50% zweite Komponente) zum anderen Extrem (0% erste Komponente, 100% zweite Komponente), so erreicht der elektrische Widerstand bei einem bestimmten Mischungverhältnis, das von den ausgewählten Komponenten abhängt, ein deutlich ausgeprägtes Minimum. Die so erzeugte Strahlungsquelle weist bei diesem Mischungsverhältnis Diodencharakteristik auf. Ausserhalb dieses charakteristischen Mischungsverhältnisses ist der elektrische Widerstand sehr hoch und im Prinzip richtungsunabhängig.This criterion is the requirement of the lowest possible resistance measured across the mixture zone and the barrier layer (or diode), in the forward direction of the latter. It has been found that the mixing ratio of the two (or more) components must be such that this resistance reaches at least approximately a minimum. M. a. W., changing the mixing ratio of one extreme (100% first component, 0% second component) over an average ratio (50% first plus 50% second component) to the other extreme (0% first component, 100% second component), so the electrical resistance reaches for a certain mixture ratio, which depends on the selected components, is a well-defined minimum. The radiation source thus generated has diode characteristics at this mixing ratio. Outside of this characteristic mixing ratio, the electrical resistance is very high and in principle independent of direction.
Bei betreibbaren Exemplaren der neuartigen Strahlungsquelle, wie sie weiter unten detailliert beschrieben sind, wurde ein Durchlasswiderstand kleiner als 800 bis 1000 Ω gemessen; in Minimalfall sogar im Bereich 10 bis 15 Ω. Der Widerstand in Sperrrichtung lag dagegen im MΩ-Bereich. Es scheint auch, dass die Leistung der Strahlungsquelle mit sinkendem Durchlasswiderstand steigt.at operable specimens of the novel radiation source, as they are described in detail below became an on-resistance less than 800 to 1000 Ω measured; in minimum case even in the range 10 to 15 Ω. The reverse resistance was in the MΩ range. It also appears that the power of the radiation source is decreasing On-resistance increases.
Die Herstellung einer Strahlungsquelle gemäss der Erfindung ist relativ einfach, wobei an dieser Stelle das Verfahren nur skizziert werden soll. In den weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispielen sind genaue Angaben und Beschreibungen für verschiedene Bauweisen, die verwendeten Materialien und die erhaltenen und gemessenen Ergebnisse angegeben.The Production of a radiation source according to the invention is relative simple, but at this point the procedure is only outlined should. In the embodiments described below are accurate Information and descriptions for different construction methods, the materials used and the obtained and measured results.
Das einfachste Herstellungsverfahren besteht darin, in einem gegebenen kristallinen Halbleitersubstrat, das dotiert sein kann, aber nicht muss, eine tassenförmige Vertiefung von z. B. etwa 0,5 mm Durchmesser und 0,5 mm Tiefe herzustellen, vorzugsweise mittels eines Lasers zur Materialbearbeitung. Diese "Tasse" hat einen "Boden" aus Halbleiter-Material des verwendeten Substrats, ist also kein durchgehendes Loch. Die Wände der Tasse werden nun teilweise mit einem Leitermetall, z. B. Leitsilber, beschichtet, sozusagen ausgekleidet. Dieser Leiter bildet später die eine Elektrode der Strahlungsquelle. Der Boden der Tasse besteht aus Material des Substrats, das durch die Laserbearbeitung wahrscheinlich nicht mehr vollständig kristallin ist. Nun wird das ausgesuchte zweite Material in die Tasse eingebracht, wobei die Tasse zumindest näherungsweise wieder aufgefüllt wird. Das zweite Material wird nun z. B. mittels eines Laser eingeschmolzen, wonach es mit dem Substratmaterial vielleicht eine Legierung, wahrscheinlich eher eine Mischung bildet. Das Zusammensetzung dieser Mischung, die vielleicht zum Teil nur ein Gemenge ist, entspricht dem o. g. charakteristischen Mischungsverhältnis, womit die Strahlungsquelle die für sie typische Diodeneigenschaft erhält. Schlussendlich wird die zweite Elektrode auf die Oberfläche der Gemischzone aufgebracht, natürlich in der Weise, dass sie von der ersten Elektrode isoliert ist und den Austritt der Strah lung möglichst wenig behindert. Abschliessend wird die so entstandene, neuartige Strahlungsquelle noch einem Passivierungsschritt unterworfen, wie in der Halbleitertechnologie üblich.The The simplest method of production is in a given crystalline semiconductor substrate, which may be doped, but not must, a cup-shaped Deepening of z. B. about 0.5 mm in diameter and 0.5 mm depth, preferably by means of a laser for material processing. This "cup" has a "bottom" of semiconductor material the substrate used, so is not a through hole. The Walls of the Cup are now partially with a ladder metal, z. Conductive silver, coated, lined, so to speak. This conductor later forms the one electrode of the Radiation source. The bottom of the cup is made of material of the substrate, this is probably no longer completely crystalline due to the laser processing is. Now the selected second material is introduced into the cup, the cup at least approximately again filled becomes. The second material is now z. B. melted by means of a laser, according to which it might be an alloy with the substrate material, probably rather a mixture forms. The composition of this mixture, which is perhaps only a mixture, corresponds to the o. g. characteristic mixture ratio, with which the radiation source for she gets typical diode characteristic. Finally, the second electrode on the surface applied to the mixture zone, of course in the way that it is isolated from the first electrode and the exit of the radiation as little as possible with special needs. Finally, the resulting, novel radiation source still subjected to a passivation step, as is common in semiconductor technology.
Der Fachmann könnte schon anhand dieser Beschreibung eine Strahlungsquelle gemäss der Erfindung herstellen; in den weiter unten beschriebenen Beispielen sind natürlich, soweit möglich, genauere Werte und Einstellungen angegeben. Wichtig ist, dass die Herstellung keine Reinräume erfordert, sondern in Umgebungsatmosphäre bei normaler Zimmertemperatur durchgeführt werden kann.Of the Specialist could already with reference to this description, a radiation source according to the invention produce; in the examples below, of course, so far possible, specified values and settings. It is important that the Producing no clean rooms but in ambient atmosphere at normal room temperature carried out can be.
Die so hergestellte Strahlungsquelle kann nun, wie oben bereits erwähnt, auf zwei Arten betrieben werden: In Durchlassrichtung, wobei ihre elektrische und wohl auch optische Charakteristik einer Halbleiter-Leuchtdiode ähnelt, oder in Sperrrichtung, wobei solwohl elektrisch als auch optisch eine interessantere Charakteristik zu beobachten ist.The Thus prepared radiation source can now, as already mentioned above, on Two types are operated: in the forward direction, being their electrical and probably also resembles optical characteristics of a semiconductor light emitting diode, or in the reverse direction, which is electrically as well as visually a more interesting characteristic is observed.
Die elektrische Charakteristik der in Sperrrichtung betriebenen Strahlungsquelle ähnelt der einer Zenerdiode. D. h. bei Anlegen einer ansteigenden Spannung wird in einem ersten, niedrigen Spannungsbereich keine (oder nur geringe) Strahlung generiert. Bei weiter ansteigender Spannung tritt eine Art "optischer Zener-Effekt" auf, d. h. bei Überschreitung einer bestimmten Spannung setzt die Strahlung vehement ein. Eine Strombegenzung nicht unbedingt erforderlich, z. B. dann nicht, wenn eine stabile Spannungsquelle ein Überschreiten der Maximalleistung verhindert.The The electrical characteristic of the reverse-biased radiation source is similar to that of FIG a zener diode. Ie. when applying an increasing voltage In a first, low voltage range, no (or only low) radiation generated. With further increasing voltage occurs a kind of "optical Zener effect "on, d. H. when exceeded The radiation sets in vehemently at a certain tension. A Strombegenzung not essential, z. Eg not if a stable voltage source prevents exceeding the maximum power.
Eine so hergestellte und strukturierte Strahlungsquelle weist offensichtlich eine Reihe von Vorteilen auf:
- – sie ist sehr einfach, prinzipiell in Umgebungsatmosphäre bei normaler Zimmertemperatur mit geringem apparativem Aufwand herstellbar und benötigt nicht unbedingt Reinräume;
- – die Mischungsverhältnisse der Materialien für die Gemischzone sind, im Vergleich mit der Präzision, die bei Halbleiter-Dotierungen erforderlich ist, weniger kritisch (es ist nicht die übliche Halbleiter-Dotierung);
- – sie kann "Abfall" aus der Halbleiter-Fertigung verwerten;
- – sie kann nahezu beliebig, auch nachträglich, in Halbleiter-Chips integriert werden;
- – sie benötigt (in den meisten Fällen) keine separate Kühlung;
- – sie ermöglicht optische Verbindungen unmittelbar auf Halbleiter-Chips, z. B. Si-Chips;
- – sie ermöglicht die Herstellung starrer oder flexibler Strahlungsquellen mit grosser Emissionsfläche sind, z. B. Lichtplatten, Leuchtfolien, flexible Bildschirme;
- – sie kann, sogar nachträglich, in TFT-Bildschirme integriert werden.
- - It is very simple, in principle in ambient atmosphere at normal room temperature with little equipment required to produce and not necessarily clean rooms;
- The mixing ratios of the materials for the mixture zone are less critical (it is not the usual semiconductor doping) compared to the precision required for semiconductor dopants;
- It can utilize "waste" from semiconductor manufacturing;
- - It can be almost arbitrarily, even subsequently, integrated into semiconductor chips;
- It does not require (in most cases) separate cooling;
- - It allows optical connections directly on semiconductor chips, z. Si chips;
- - It allows the production of rigid or flexible radiation sources with large emission surface are, for. Light panels, luminescent films, flexible screens;
- - It can be integrated into TFT screens, even retroactively.
Ein weiterer Punkt muss noch in Betracht gezogen werden. Eine grosse Zahl der oben beschriebenen Halbleiter-Strahlungsquellen benutzt Materialien, die relativ selten sind und als sog. Schlüsselelemente gelten; dies gilt vor allem für die in der betrachteten Technologie vielfach verwendeten Elemente Gallium und Indium, deren Jahresproduktion nur einige 100 t beträgt. Die Knappheit macht sich bereits in den Kosten bemerkbar. So ist z. B. der Preis von Indium innerhalb von drei Jahren auf ungefähr das Zwanzigfache gestiegen, diese Ressource ist jetzt schon knapp. Für Gallium, das als Nebenprodukt bei der Verhüttung von Bauxit, d. h. der Erzeugung von Aluminium, anfällt, ist ein ähnlicher Verlauf zu beobachten.Another point still needs to be considered. A large number of the semiconductor radiation sources described above use materia lien, which are relatively rare and are considered as key elements; This applies above all to the elements gallium and indium, which are often used in the technology under consideration, and whose annual production is only a few 100 t. The scarcity is already noticeable in the costs. So z. For example, within three years, the price of indium has risen twentyfold, and this resource is already scarce. For gallium, which is a by-product of the smelting of bauxite, ie the production of aluminum, a similar course can be observed.
Vor diesem Hintergrund zeigt sich ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Strahlungsquelle: Sie besteht in einer Ausführungsform aus Silizium als Grundmaterial, das in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden und daher preiswert erhältlich ist. Auch die in der Gemischzone zugesetzten Materialien wie Phosphor, Zinksulfid oder Schwefel sind jederzeit und überall problemlos verfügbar. Dies gilt auch für Arsen, bei dessen Verarbeitung allerdings gewisse Vorsichtsmassnahmen erforderlich sind.In front This background shows a further advantage of the radiation source according to the invention: It consists in one embodiment made of silicon as a base material, in virtually unlimited quantities available and therefore available inexpensively. Also in the Mixed zone added materials such as phosphorus, zinc sulfide or Sulfur are always and everywhere readily available. This also applies to Arsenic, however, with its processing certain precautions required are.
Ausgestaltungen der neuartigen Strahlungsquelle gemäss der Erfindung und des Verfahrens zu ihrer Herstellung und ihres Betriebs können der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele und den Patentansprüchen entnommen werden.refinements the novel radiation source according to the invention and the method for their manufacture and operation, the following description various embodiments and the claims be removed.
Ausführungsbeispiele und Zeichnungenembodiments and drawings
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:following be several embodiments the invention explained in more detail with reference to the drawings. The drawings show in:
Bei allen Figuren handelt es sich um schematische Darstellungen, die nicht massstabsgetreu ausgeführt sind.at all figures are schematic representations that not true to scale are.
In
Eine
dotierte erste Zone
Folgende Materialkompositionen SiX, worin X das zweite Material bezeichnet, sind für die Gemischzone experimentell untersucht worden und haben den gewünschten Effekt gezeigt:
- (1) Si + As ergibt eine rote Strahlungsquelle; Zenerspannung ca. 1,2 V;
- (2) Si + P ergibt eine grüne Strahlungsquelle; Zenerspannung ca. 3,6 V;
- (3) Si + ZnS ergibt eine blaue Strahlungsquelle; Zenerspannung ca. 4,4 V;
- (1) Si + As gives a red radiation source; Zener voltage approx. 1.2 V;
- (2) Si + P gives a green radiation source; Zener voltage approx. 3.6 V;
- (3) Si + ZnS gives a blue radiation source; Zener voltage approx. 4.4 V;
In Durchlassrichtung reicht eine Spannung von weniger als 1 V, üblicherweise 0,6 bis 0,8 V, um ein Leuchten, also eine Strahlungsemission zu bewirken. Ohne Vorwiderstand steigt der Strom schon bei Spannungsänderungen von wenigen Zehntel Volt stark an, sodass in diesem Fall meist ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung erforderlich ist.In the forward direction a voltage is sufficient of less than 1 V, usually 0.6 to 0.8 V, to cause a glow, so a radiation emission. Without a series resistor, the current rises sharply even with voltage changes of a few tenths of a volt, so that in this case usually a series resistor is required to limit the current.
Wie auch an anderer Stelle erwähnt, kann nicht nur Silizium als Grundmaterial verwendet werden, sondern ebenfalls Germanium oder andere Halbleiter. Es scheint sogar möglich, die Strahlungsemission mit einem Leiter als Grundmaterial zu erzeugen. Wenn nachfolgend meist Silizium als Beispiel für das Grundmaterial genannt wird, so dient dies dem einfacheren Verständnis, es bedeutet keine Einschränkung auf dieses Material. Weiterhin wird nochmals betont werden, dass das Grundmaterial, falls es sich um einen Halbleiter handelt, sowohl dotiert als auch undotiert verwendet werden kann.As also mentioned elsewhere, Not only can silicon be used as the base material, but also also germanium or other semiconductors. It even seems possible that Generating radiation emission with a conductor as the base material. When subsequently mostly called silicon as an example of the base material this is to simplify the understanding, it does not limit it to this material. Furthermore, it will be emphasized again that the Base material, if it is a semiconductor, both doped as well as undoped can be used.
Die gewünschte Funktion wird erzielt. wenn
- 1. der elektrische Widerstand der Strahlungsquelle in Durchlassrichtung unterhalb einer Grenze von grössenordnungsmässig 1 kΩ liegt, vorzugsweise unter 800 Ω;
- 2. die hergestellte Mischung Si + X transparent ist oder geringe Opazität aufweist;
- 3. die beiden Materialien, Si und X, verschiedene Elektronegativitäten aufweisen.
- 1. the electrical resistance of the radiation source in the forward direction is below a limit of the order of magnitude of 1 kΩ, preferably below 800 Ω;
- 2. the produced mixture Si + X is transparent or has low opacity;
- 3. the two materials, Si and X, have different electronegativities.
Hergestellt
wird die zweite Zone
Das
Mischungsverhältnis
der beiden Materialien Si und X, hier P, wird nach der folgenden,
neuen Regel bestimmt. Wie oben schon erläutert, wurde festgestellt,
dass aus einer Schmelze entstehende Mischungen wie die beschriebenen
einen charakteristischen Verlauf des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit
vom Mischungsverhältnis
zeigen, gemessen in Durchlassrichtung der entstandenden Diode. Qualitativ
verläuft
dieser so, wie in
Es hat sich auch gezeigt, dass eine Variation des Mischungsverhältnisses (ähnlich wie die Variation der Dotierung bei einer LED) einen, wenn auch begrenzten Einfluss auf die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung hat, d. h., dass die Änderung des Mischungsverhältnisses eine Farbänderung (bei Emission im sichtbaren Bereich) der erfindungsgemässen Strahlungsquelle bewirkt. Mittels einer geeigneten Auswahl des zweiten Materials und des Mischungsverhältnisses lässt sich daher praktisch jede gewünschte Farbe bzw. Wellenlänge der emittierten Strahlung einstellen.It has also shown that a variation of the mixing ratio (similar like the variation of doping in an LED) one, albeit limited Influence on the wavelength the emitted radiation, d. h. that change the mixing ratio a color change (at emission in the visible range) of the radiation source according to the invention causes. By means of a suitable selection of the second material and the mixing ratio let yourself therefore virtually any desired Color or wavelength adjust the emitted radiation.
Zwischen
der ersten Zone
Auf
der dem Übergang
In
einer ersten Betriebsart nun diese leitfähige Struktur so an eine Stromquelle
angeschlossen, dass der n-p-Übergang
in Durchlassrichtung betrieben wird. Bei den angegebenen Dotierungen
(erste Zone
Trotz dieser Ähnlichkeit zu einer LED darf aber nicht übersehen werden, dass letztere einen anderen Aufbau als die erfindungsgemässe Strahlungsquelle aufweist: Eine LED besteht üblicherweise aus einem meist n-leitenden Grundhalbleiter, auf dem eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht mit großer Löcherdichte aufgebracht ist, die bei Betrieb leuchtet. Beide Halbleiter der LED sind kristalline, mit den in der Halbleitertechnologie üblichen, äusserst geringen und exakt dosierten Mengen von Fremdatomen versetzt. Solche Dotierungen bewegen sich in der Grössenordnung von einem Donator- oder Akzeptor-Atom auf 107 bis 104 Si-Atomen.Despite this similarity to an LED must not be overlooked that the latter has a different structure than the inventive radiation source: an LED usually consists of a mostly n-type base semiconductor, on which a very thin p-type semiconductor layer is deposited with high hole density, the at operation shines. Both semiconductors of the LEDs are crystalline, with the usual in semiconductor technology, extremely small and precisely metered amounts of impurities added. Such dopants range in size from one donor or acceptor atom to 10 7 to 10 4 Si atoms.
Bei
der erfindungsgemässen
Strahlungsquelle besteht dagegen die Gemischzone
Wie oben bereits angedeutet, ist der Betrieb der erfindungsgemässen Strahlungsquelle in Sperrrichtung des inneren p-n- bzw. n-p-Übergangs verblüffend.As already indicated above, is the operation of the radiation source according to the invention in the reverse direction of the inner p-n or n-p transition amazing.
Dabei verläuft die Strom-Spannungs-Kennlinie ähnlich wie die einer Zener-Diode. Bis zum Zener-Knick wird bei ansteigender Spannung praktisch keine oder nur sehr wenig Strahlung emittiert. Bei Erreichen der Zener-Spannung erfolgt eine Art Durchbruch mit signifikanter Strahlungsemission, was man als "optischen Zenereffekt" bezeichnen könnte.there extends the current-voltage characteristic is similar like a zener diode. Up to the Zener kink, with increasing voltage practically none or only very little radiation is emitted. Upon reaching the Zener voltage a kind of breakthrough with significant radiation emission, what is called "optical Zener effect " could.
Dieser Effekt scheint keiner der bekannten Strahlungsquellen zu ähneln. Die zur Anwendung kommenden Spannungen liegen auch bei dieser Betriebsart im Niedervoltbereich, wie oben für einige Materialkombinationen bereits erwähnt, so dass der Verwendung der neuartigen Strahlungsquelle auch in dieser Betriebsart kaum Grenzen gesetzt sind. Da die neuartige Strahlungsquelle sich dabei kaum erhitzt, ist meist keine Kühlung erforderlich. Dazu kann man von einem hohen Wirkungsgrad ausgehen.This Effect does not seem to resemble any of the known radiation sources. The The voltages used are also in this operating mode in the low voltage range, as above for some material combinations already mentioned, so the use the novel radiation source hardly in this mode Limits are set. Because the novel radiation source is involved hardly heated, is usually no cooling required. For this one can assume a high efficiency.
Als dritte Betriebsart kann die neuartige Strahlungsquelle auch mit Wechselspannung betrieben werden. Diese Betriebsart scheint einen besseren Wirkungsgrad aufzuweisen als der Gleichspannung-Betrieb in Durchlassrichtung.When third mode, the novel radiation source also with AC voltage to be operated. This mode seems like one have better efficiency than the DC voltage operation in the forward direction.
Das
Halbleitermaterial Bor-dotiertes Silizium, das sich noch im Innenraum
des Aussenkontakt
In
die entstandene, ungefähr
quadratische Öffnung
wird nun eine geringe Menge pulverförmiges Phosphor (P) eingebracht.
Die Menge bestimmt sich nach der oben beschriebenen Mischregel,
d. h. je nach der Grösse
der Öffnung
bzw. des Aussenkontakt
Die
erforderliche Menge Phosphor kann leicht in Versuchen ermittelt
werden. Dazu wird zuerst eine geringe Menge Phosphor in die hergestellte Vertiefung
eingebracht und mit dem darin befindlichen Substratmaterial, dem
Bor-dotierten Silizium, z. B. durch Wärmeeinwirkung verschmolzen.
Dies geschieht am einfachsten wiederum mit dem Bearbeitungslaser,
der das in der Öffnung
befindliche Phospor mit dem darunter befindlichen dotierten Silizium verschmilzt,
wobei im Beispiel Temperaturen von ca. 1000°C erreicht werden können. So
entsteht aus den beiden verschmolzenen Materialien, die zumindest einen
Teil der Vertiefung ausfüllen
ggf. die gewünschte
Gemischzone
Dann
wird mittels einer Widerstandsmessung der elektrische Widerstand
zwischen dem Aussenkontakt und einer auf dem verschmolzenen Bereich,
der Gemischzone
Es
sei an dieser Stelle bemerkt, dass der Widerstand der so hergestellten
Struktur in der entgegengesetzten Stromrichtung im MΩ-Bereich
liegt. Offensichtlich ist also eine Diode (oder eine Vielzahl von
Dioden) mit ausgeprägter
Sperrwirkung entstanden. Diese Diodenwirkung der Struktur existiert
nur im Bereich des charakteristischen Mischungsverhältnisses.
Ausserhalb des in
Eine
vorsichtige Interpretation dieses Verhaltens könnte so aussehen, dass sich
an der Unterseite der Gemischzone
Es scheint, dass beim Einschmelzen des zweiten Materials in das dotierte Halbleitermaterial eine Sauerstoff- oder Stickstoffatmosphäre, z. B. Luft, erforderlich ist. Wurde das Einschmelzen nämlich in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. in einer Argonatmosphäre, durchgeführt, funktionierte die so hergestellte Strahlungsquelle nicht in der gewünschten Weise, zeigte jedoch messtechnisch auch Halbleitereigenschaften. Wie oben gesagt, ist der Wirkungsmechanismus noch nicht geklärt.It seems that when melting the second material in the doped Semiconductor material an oxygen or nitrogen atmosphere, for. Air, is required. Namely, the melting was in a protective gas atmosphere, for. B. in an argon atmosphere, carried out, did not work in the thus prepared radiation source in the desired Way, but also showed metrological semiconductor properties. As stated above, the mechanism of action is not yet clear.
Anschliessend
wird die Gemischzone mit einem Kontakt
Die
so hergestellte erfindungsgemässe Lichtquelle
gibt grünes,
fast monochromatisches Licht ab. Sie verhält sich wie oben beschrieben,
gibt also ein relativ weiches, gleichmässiges Licht ab bei Betrieb
in Durchlassrichtung, d. h. Leitung
Es wurden Ströme im mA-Bereich gemessen. Um eine Zerstörung der Strahlungsquelle zu verhindern, wird meist eine Strombegrenzung erforderlich sein, etwa durch einen Vorwiderstand.It were currents measured in the mA range. To prevent destruction of the radiation source, usually a current limit will be required, such as by a Series resistor.
Beim
Betrieb in Sperrrichtung, also Leitung
Beim Betrieb in Sperrrichtung wurden ebenfalls Ströme im mA-Bereich gemessen, wobei bei Erreichen der Zenerspannung der erwartete, erhebliche Anstieg des Stromes festgestellt wurde. Auch hier wird meist eine Strombegrenzung erforderlich sein, die z. B. durch eine Konstantstromquelle oder eine Stromquelle mit geeignetem Innenwiderstand gegeben sein kann.At the In the reverse direction, currents in the mA range were also measured. when reaching the zener voltage of the expected, considerable Increase in the current was detected. Again, usually one Current limitation may be required, the z. B. by a constant current source or a power source with suitable internal resistance can.
Dass die erfindungsgemässe Anordnung auch mit Wechselspannung betrieben werden kann, sei auch hier der Vollständigkeit halber hier erwähnt.That the inventive Arrangement can also be operated with AC voltage, too here the completeness mentioned here.
Die
Aussenkontakt
Da
diese Strahlungsquelle mit den gleichen Materialien wie die Lichtquelle
in
Beim
Betrieb in Sperrrichtung tritt wieder der oben beschriebene "optische Zenereffekt" auf, der mit wesentlich
stärkerer
Lichtentwicklung einhergeht. Insgesamt zeigt die "geschlossene" neuartige Strahlungsquelle
gemäss
In
In
Das
Halbleitermaterial Bor-dotiertes Silizium, das sich noch im Innenraum
des Aussenkontakts
Alternativ
kann der U-förmige
Leiter als Aussenkontakt
Auch
hier kann man sich mit aller Vorsicht die Entstehung einer Sperrschicht
Anschliessend
wird die Gemischzone
Auch
diese Lichtquelle gibt mit den verwendeten Materialien grünes, fast
monochromatisches Licht ab. Sie verhält sich wie oben beschrieben,
gibt also ein relativ weiches, gleichmässiges Licht ab bei Betrieb
in Durchlassrichtung, d. h. mit Leitung
In allen Ausführungsformen sollte es klar sein, dass, um den Strahlungsaustritt möglichst wenig zu behindern, der auf der Gemischzone befindliche Kontakt entweder so klein wie möglich gemacht oder transparent sein sollte. Auch diverse Passivierungs- und Reinigungsschritte, wie sie in der Halbleitertechnologie unumgänglich sind, sind in den Implementierungen nicht beschrieben. Dem Fachmann sollten diese Punkte keine Problem bereiten; sie sind für ihn selbstverständlich.In all embodiments it should be clear that, as possible, to the radiation emission little to hinder the contact located on the mixture zone either as small as possible should be made or transparent. Also various passivation and purification steps, such as are indispensable in semiconductor technology, are not described in the implementations. The skilled person should these points do not cause a problem; they are self-evident for him.
Auch
hier kommt es wieder darauf an, den Bereich des möglichst
niedrigen Durchlasswiderstands der so hergestellten Struktur zu
treffen, der ja nur im Bereich des charakteristischen Mischungsverhältnisses
existiert. Man muss wohl auch hier davon ausgehen, dass sich zwischen
dem Substrat
Anschliessend
wird die die Oberseite der Gemischzone Zone
Das
Substrat
Die
im Halbleitersubstrat
Auch
hier kommt es wieder darauf an, den Bereich des möglichst
niedrigen Durchlasswiderstands der so hergestellten Struktur zu
treffen, der ja nur im Bereich des charakteristischen Mischungsverhältnisses
existiert. Bei der in
Um
die so hergestellte Strahlungsquelle zum Laser zu machen, sind weitere
bauliche Massnahmen nötig.
Am unteren, den Kontakten abgewandten Ende der Gemischzone
Nun
wird in der bereits beschriebenen Weise die Schmelze aus den gewählten Komponenten
erzeugt, wobei deren Mengen entsprechend dem charakteristischen
Mischungsverhältnis,
das vorab mittels Versuchen gemäss
der oben gegebenen Beschreibung ermittelt wurde. Die Gemischzone
Auch
hier kommt es wieder darauf an, den Bereich des möglichst
niedrigen Durchlasswiderstands der hergestellten Anordnung zu treffen,
welcher ja nur im Bereich des charakteristischen Mischungsverhältnisses
existiert. Auch bei der in
Am
unteren, den Kontakten abgewandten Ende der Gemischzone
Die
Oberflächen
des Lasers sind wiederum mit SiO2-Schichten
Selbstverständlich können die
Bauweisen der in den
Die
Ähnlich wie
im Zusammenhang mit
Das
Halbleitermaterial Bor-dotiertes Silizium, das sich noch im Innenraum
des Aussenkontakt
In
die so auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats hergestellten,
ungefähr
quadratischen Öffnungen
werden nun geringe Mengen der für
die Farbe der jeweiligen Lichtquelle geeigneten Materialien eingebracht:
Zinksulfid (ZnS), auf der Oberseite eingebracht und verschmolzen,
ergibt eine blaue Lichtquelle auf der Oberseite; Phosphor (P) auf
der Unterseite eingebracht und verschmolzen ergibt eine grüne Lichtquelle.
Die Mengen bestimmen sich nach der oben beschriebenen Mischregel,
d. h. je nach der Grösse
der Öffnung
im Aussenkontakt
Die erforderlichen Mengen werden, wie oben beschrieben, in Versuchen mittels einer Widerstandsmessung ermittelt.The required amounts are, as described above, in experiments determined by means of a resistance measurement.
Natürlich kann
im Verlauf des Herstellungsprozesses auch ein Durchgangskanal im
Halbleitersubstrat geschaffen werden, der die Kontaktierung bzw.
die Stromzufuhr zur Gemischzone
Zur
Stromzufuhr werden die beiden Gemischzonen
Die
so hergestellte erfindungsgemässe Lichtquelle
gibt auf der Oberseite blaues, praktisch monochromatisches Licht
Jede
der beiden Lichtquellen kann unabhängig von der anderen betrieben
werden. Sie verhält sich
wie oben beschrieben, gibt also ein relativ weiches, gleichmässiges Licht
ab bei Betrieb in Durchlassrichtung, d. h. Leitung
Beim
Betrieb in Sperrrichtung, also Leitung
Fachleuten wird es keine Mühe bereiten, weitere Ausführungen und Variationen der Erfindung zu implementieren.professionals it will be no effort prepare, more versions and implement variations of the invention.
Claims (43)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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PCT/IB2008/000854 WO2008122877A2 (en) | 2007-04-05 | 2008-04-04 | Solid-state radiation source, production and use thereof |
EP08719438A EP2132788A2 (en) | 2007-04-05 | 2008-04-04 | Solid-state radiation source, production and use thereof |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102007016932A DE102007016932A1 (en) | 2007-04-05 | 2007-04-05 | Solid state radiation source, its manufacture and use |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102007016932A1 true DE102007016932A1 (en) | 2008-12-11 |
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Family Applications (1)
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DE102007016932A Ceased DE102007016932A1 (en) | 2007-04-05 | 2007-04-05 | Solid state radiation source, its manufacture and use |
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