DE7239485U

DE7239485U - Monolithische lichtanzeige mit einem matrixfeld lichtemittierender halbleiterdioden

Info

Publication number: DE7239485U
Application number: DE19727239485U
Authority: DE
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1971-10-27
Filing date: 1972-10-27
Publication date: 1973-02-01
Also published as: DE2252711B2; US3737704A; JPS4852398A; DE2252711A1

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

Manch·* 7i, 25. Oktober 1972 MelcNorrtr. 42

UneerZeichen: MO32P/G-879/8O Mo to Ida, Inc.

9401 West Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

V.St.A.

Monolithische Lichtanzeige mit einem Matrixfeld lichtemittierender Halbleiterdioden

Die Erfindung betrifft eine monolithische Lichtanzeige mit einem Matrixfeld lichtemittierender Halbleiterdioden, deren Elektroden in Reihen und Spalten mit elektrischen Leitern verbunden sind.

Sichtbare Anzeigen wie z.B. alphanumerische Anzeigen sind in mehrfacher Ausführungsform bekannt und verwenden verschiedenste lichemittierende Anordnungen,wie z.B. glühende Lampen, Gasentladungslampen, elektroluminiszierende Anordnungen und neuerdings ein lichtemittierendes Diodenfeld* Derartige Anzeigen werden in vielfacher Weise verwendet, wie z.B. zum Auslesen von Computern, für prozesssteuernde Anzeigen im Instrumentenbrett von Flugzeugen und Kraftfahr-

Fs/ba zeugen

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zeugen sowie auch bei elektrischen Uhren und elektrischen Messgeräten. Da in der Regel die meisten mit solchen Anzeigen verbundenen Einrichtungen aus elektronischen Halbleiterschaltungen bestehen, ist es wünschenswert, dass die alphanumerische Anzeige mit den Spannungen und Strömen, die normalerweise in diesen Halbleiterschaltkreisen fliessen, sowie mit der Operationsgeschwindigkeit dieser Schaltungen verträglich ist. Die am meisten verbreitete derzeitige sichtbare Anzeige verwendet Gasentladungslampen in Form von Glimmlampen, die eine verhältnismässig hohe Spannung benötigen, um die Glimmerscheintmg auszulösen. Derartige Anzeigen benötigen Halbleiteranordnungen, deren Grenzschichten hohen Sperrspannungen gewachsen sind. Für die Anzeige sind Diodenfelder in Form von Halbleiterdioden sehr wünschenswert, da sie aufgrund ihrer natürlichen Eigenschaften mit der Elektronik aus Halbleiterelementen verträglich sind.

Es wurden mehrfach Versuche unternommen, um alphanumerische Anzeigen unter Verwendung von lichtemittierenden Halbleiterdioden in einem Matrixfeld zu schaffen, wobei die Felder au.» diskreten, in Hybridform aufgebauten Dioden oder individuell adressierbaren Dioden hergestellt sind. Diodenfelder dieses Formats mit lichtemittierenden Dioden sind bisher im grossen Umfang nicht verwendbar, da sie sehr teuer herzustellen und verhältnismässig unzuverlässig sind, sowie eine relativ grossen Aufwand benötigen, um sie an Standardsysteme anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lichtanzeige mit lichtemittierenden Halbleiterdioden zu schaffen, die diese Schwierigkeiten bei der Anwendung als alphanumerische Anzeige überwindet. Dabei soll das Diodenfeld verhältnismässig wirtschaftlich mit Standardsystemen zusammenarbeiten und mit solchen verträglich sein. Diese Aufgabe wird erfin-

- 2 - dungsgemäss

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dungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen jeder Spalte des Diodenfeldes ein isolierender Kanal angebracht ist, wobei jeweils mit der einen Elektrode der zugeordneten Dioden Leiter in einer Richtung und jeweils mit der anderen Elektrode der zugeordneten Dioden Leiter in einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung angeordnet sind.

5ine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die lichtemittierenden Halbleiterdioden aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe der Materialien Galliumarsenid, Galliumphosphid und Galliumarsenidphosphid ausgewählt ist.

Bei der Verwendung geeigneter Materialien ist ferner vorgesehen, dass einer von den mit den Elektroden zugeordneter Dioden verbundener Leiter von dem isolierenden Kanal gebildet ist.

Bei einer monolithischen Lichtanzeige gemäss der Erfindung bestehen nach einer weiteren Ausf uhrungsform die Leitermaterialien der isolierenden Kanäle aus dotiertem polykristallinem Silicium

Eine nach 'en Merkmalen der Erfindung aufgebaute monolithische Lichtanzeif besteht in vorteilhafter Weise aus einer Matrix lichtemittierende*' Dioden in integriertem Aufbau, wobei die Dioden in Reihen und Spalten angeordnet sind. Ein isolierender Kanal und ein Trägersubstrat isoliert die einzelnen Diodenreihen gegeneinander> die eine gemeinsame Elektrode in einer Reihe aufweisen. Wenn diese gemeinsame Elektrode einen zu grossen Widerstand aufweist, um einen elektrischen Anschluss nur am einen Ende bzw. an den Enden dieses Leiters anzubringen, kann eine Leiterschiene in dem isolierenden Kanal dazu benutzt werden, um Anschlusskontakte entweder an

- 3 - die

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die Reihen oder Spalten vorzusehen, damit ein logisch adressierbares> wiederholt ansteuerbares System zu schaffen ist, das individuelle Dioden in alphanumerischer Form zijun Leuchten anregt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Feld monolithisch aufgebauter lichtemittierender Dioden gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 bis 5 Schnitte durch Halbleiterstrukturen in vergrösserter Darstellung, wie sie sich bei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten bei der Herstellung des lichtemittierenden Diodenfeldes ergeben;

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Teil des Diodenfeldes in vergrösserter Darstellung.

Obwohl in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung ein monolithisches Feld lichtemittierender Dioden aus Galliumarsenidphosphid beispielsweise beschrieben wird, sei bemerkt, das3 auch jedes andere lichtemittierende Diodenmaterial, wie z.B. Galliumarsenid oder Galliumphosphid oder dgl. Verwendung finden kann. Das Trägersubstrat für das Diodenfeld kann aus einem beliebigen Material hergestellt werden, das an die Kristallstruktur des Galliumarsenidphosphid ausreichend angepasst ist, um darauf das epitaxiale Aufwachsen eines Monokristalls zu ermöglichen.

- 4 - Die

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Die spezielle Auswahl des Materials hängt von mehreren Kriterien ab. Das Trägersubstrat kann gemäss der Erfindung auch aus einer Zusammensetzung von Halbleitermaterialien, Metallen oder isolierenden Materialien bestehen. Die Werte der Strombegrenzung der lichtemittierenden Dioden und damit des abgegebenen Lichtes hängen z.B. davon ab, wie das Trägersubstrat Wärme, insbesondere durch Verlustleistung entstandene Wärme, ableiten kann. Für eine maximale Ableitung der von lichtemittierenden Dioden abgegebenen Wärme ist ein lameliierter Träger mit einer leitenden metallischen Rückschicht, die gute wärmeableitende Eigenschaften aufweist, wünschenswert, sodass die lichtemittierenden Dioden mit maximaler Lichtintensität betrieben werden können. Das monokristalline Aufwachsen einer epitaxialen Schicht ist jedoch besonders einfach, wenn der Träger dasselbe monokristalline Material wie die epitaxial aufzuwachsende Schicht, jedoch die elektrische Leitfähigkeit eines halbisolierendev Materials hat. Es kann daher, um die Wärme von dem Körper des Diodenfeldes abzuleiten wünschenswert sein, nach dem Fertigstellen des Feldes die Dicke der rückwärtigen Trägerschicht zu verringern, bevor das Feld auf einem geeigneten Sockel oder in einem Gehäuse montiert wird, welche für die Wärmeableitung sorgen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Feld der lichtemittierenden Dioden gemäss Fig. eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden 20 innerhalb eines monolithischen Trägers 21, die als orthogonale Matrix in Reihen und Spalten angeordnet sind. Für das dargestellte Beispiel uiafasst die Matrix fünf lichtemittierende Dioden in jeder Reihe und sieben lichtemittierende Dioden in jeder Spalte, sodass sich eine Gesamtheit von 35 lichtemi^ttierenden Dioden für das Feld ergibt. Mit den Anoden der einzelnen lichtemittierenden Dioden der Reihen sind Kontakte Bl - B7

- 5 - verbunden

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verbunden, wogegen die Kontakt· Cl -C$ aft den Kathoden der lichtemittierenden Dioden jeder Spalt· Virbunden sind. Somit kann durch entsprechende Abtastung jede lichtemittierende Diode individuell adressiert werden, um bestimmte Dioden eines alphanumerischen Musters anzuregen, wie dies für die Zahl 5 durch einen Hof um die entsprechende Diode dargestellt ist. Jede Spalte wird während eines bestimmten Taktimpulses der logischen Matrix adressiert, wobei die für die Lichtabgabe vorgesehenen Dioden eingeschaltet werden, indem die entsprechenden Anoden über die Kontaktanschlüsse der Reihe adressiert werden. Die stromführenden Kreuzungspunkte hängen an den Kontakten Cl - C5 der Spalten und den Kontakten bl - B7 der Reihen, wie nachfolgend einzeln erläutert wird.

Die aufeinarderfolgenden Schritte bei der Herstellung des lichtemittierenden Diodenfeldes sind in den Fig. 2 bis S dargestellt, wobei das Herstellungsverfahren primär dem Zweck dient, die orthogonale Matrix des Diodenfeldes unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Arbeitsschritten zu erstellen. Gemäss Fig. 2 besteht das Trägersubstrat 21 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial, vorzugsweise einem P-leitenden Galliumarsenid, das zunächst mit einer Schicht eines geeigneten Halbleitermaterials durch ein epitaktisches Verfahren bedecVt wird, uai über dem Trägersubstrat 21 eine mcnokristalline Schicht auszubilden. Diese epitaxiale Schicht besteht vorzugsweise aus Galliumarsenidphosphid. Auf der epitaxialen Schicht 22 wird eine Maske 23 aus einem geeigneten Material, z.B. Sliciumdioxyd, angebracht, die mit Hilfe eines fotolithographischen Verfahrens mit Öffnungen 24 versehen ist. Diese Maske mit den Offnungen 24 dient als Ätzmaske, um in der epitaxialen Schicht Kanäle 25 auszubilden. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, werden diese Kanäle ausreichend tief geätzt, damit sie durch die

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gesamte N-leitende epitaxiale Schicht bis in das Trägersubstrit 21 vordringen, wodurch die N-leitende epitaxiale Schicht 22 in eine Vielzahl von parallel liegenden Erhebungen unterteilt wird.

Die gptfczte Oberfläche des Halbleiteraufbaus wird sodann mit einer geeigneten dielektrischen Schicht 26 gemäss Fig. bedeckt, über welcher eine weitere Schicht 27, vorzugsweise aus leitendem Material, angebracht wird. Diese Schicht 27 kann aus einem geeigneten dielektrischen oder leitenden Material bestehen und dient zum Auffüllen der Kanäle 25. Bei der beschriebenen und bevorzugten Ausführungsform findet ein leitendes Material hierfür Verwendung, z.B. dotiertes polykristallines Silicium oder ein Metall, um eine Leiterschiene zum Adressieren der Spalten auszubilden. Diese Leiterschiene ist nur notwendig, wenn der Widerstand der N-leitenden Schicht zu hoch ist, um am Ende der Erhebungen einen Zugang bzw. Anschluss möglich zu machen. Die Oberfläche des Trägersubstrats wird dann bis zu der Linie L-L abgetragen, womit die Schichten 27, 26 und 23 von den N-leitenden Erhebungen entfernt werden. Bei diesem Abtragen kann auch ein Teil des Gleitenden Materials entfernt werden, womit es möglich ist die Dicke der epitaxialen Schicht einzustellen.

Nach dem Läppen wird eine neue Maskierschicht 29 auf der freigelegten Oberfläche angebracht, die mit Offnungen versehen ist. Durch diese öffnungen wird das N-leitende Material der Erhebungen diffundiert- Dadurch werden P-leitende Bereiche 31 in den Erhebungen 22 ausgebildet, wodurch sich ein PN-Obergang 32 ergibt. Diese PN-Obergänge sind entlang den Erhebungen in gewissen Abständen angeordnet, wodurch die Reihen der lichtemittierenden Dioden 21 definiert werden, die elektrisch voneinander durch die isolierenden Kanäle 25 und entweder einen PN-Obergang zum Substrat oder durch ein

- 7 - Substrat

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Substrat mit einer halbisolierenden Leitfähigkeit gegeneinander getrennt sind. Die auf einer Erhebung 22 angeordneten lichtemittierenden Dioden 21 bilden eine Spalte des Feldes. In der Schicht 29 können weitere Öffnungen angebracht werden, um Kontakte 34 an den Anoden der lichtemittierenden Dioden 21 und Kontake 35 vorzusehen, die mit Teilen der Kathode der lichtemittierenden Dioden 21 und der Leiterschiene 28 verbunden sind. Anstelle neuer Öffnungen in der Schicht 29 kann auch diese Schicht entfernt und durch eine neue Maske 33 ersetzt werden, Der Schnitt gemäss Fig. 5 verläuft längs der Linie 5-5 der Fig. 6 und zeigt sowohl den Anoden- wie den Kathodenanschluss C

Eine Draufsicht auf den fertigen Aufbau des Diodenfeldes ist in vergrösserter Darstellung in Fig. 6 gezeigt, wobei die Kontakte 34 in Reihen verlaufen und die Adressenleiter für die Reihen darstellen, die im Bereich der Diode schmaler ausgeführt werden, um den am Dj.odenübergang reflektierten Lichtanteil zu verkleinern. In dem Aufbau haben alle Dioden 21 einer bestimmten Spalte einen gemeinsamen Kathodenanschluss, da die P-Diffusionen innerhalb derselben Erhebung 28 ausgeführt sind. Somit können die Kontakte 35 und die Leiterschiene 28 weggelassen werden, wenn die N-leitende Erhebung 22 eine ausreichend hohe Leitfähigkeit hat.

ί Vorausstehend wurde ein monolithisches X-Y-adressierbares

emittierendes Diodenfeld beschrieben, das mit einer minimalen Anzahl von Verfahrsnsschritten hergestellt werden kann und

\ daher sehr wirtschaftlich ist. Das Verfahren führt zu einem

leicht und zuverlässig repioduzierbaren Diodenfeld, das in beliebiger Grosse als Matrix ausgebildet sein kann.

- 8 - Schutzansprüche

Claims

Schutzansprüche

Monolithische Lichtanzeige mit einem Matrixfeld licntemittierender Halbleiterdioden, deren Elektroden in Reihen und Spalten mit elektrischen Leitern verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, das.*-* zwischen jeder Spalte des Diodenfeldes ein isolierender Kanal (28) angebracht ist, wobei jeweils mit der einen Elektrode der zugeordneten Dioden Leiter in einer Richtung und jeweils mit der anderen Elektrode der zugeordneten Dioden Leiter in einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung angeordnet sind.
2. Monolithische Lichtanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, dass die lichtemittierenden Halbleiterdioden aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe der Materialien Galliumarsenid, Galliumphosphid und Galliumarsenidphosphid ausgewählt ist.
3. Monolithische Lichtanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer voü den mit den Elektroden zugeordneter Dioden verbundener Leiter von dem isolierenden Kanal gebildet ist.
4. Monolithische Lichtanzeige nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende

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Kanal aus einem dotierten polykristallinen Silicium besteht.
5. Monolithische Lichtanzeige nach Anspruch 1, dadurch ge kenn zeichnet, dass das Trägersubstrat des Matrixfeldes halbisolierende Eigenschaften aufweist.
6. Monolithische Lichtanzeige nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat aus einem P-leitenden Halbleiter besteht.

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