DE2252711A1

DE2252711A1 - Monolithische lichtanzeige mit einem matrixfeld lichtemittierender halbleiterdioden

Info

Publication number: DE2252711A1
Application number: DE2252711A
Authority: DE
Inventors: Michael Garm Coleman; Lawrence Ames Grenon
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1971-10-27
Filing date: 1972-10-27
Publication date: 1973-05-10
Also published as: DE2252711B2; DE7239485U; US3737704A; JPS4852398A

Description

PATENTANWÄLTE

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

München 7i, 25. Oktober 1972

Melchiorstr. 42

Leerzeichen: MO32P/G-879/8O

Motorola, 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 »eisten Bit 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 fllessen, sowie mit der Operationsgeschwindigkeit dieser Schaltungen vertraglich ist. Die am meisten verbreitet· derzeitige sichtbare Anzeige verwendet Gasentladungslampen in Form von Glimmlampen, die eine verhältnismassig hohe Spannung benötigen, um die Glimmerseheinung auszulesen· Derartige Anseigen benötigen Halbleiteranordnungen, deren Grenzschichten hohen Sperrspannungen gewachsen sind. FOr die Anzeige sind Diodenfelder in Form von Halbleiterdioden sehr wünschenswert, da sie aufgrund ihrer natürlichen Eigenschaften üit der Elektronik aus Halbleiterelementen- vertraglich sind·

Es wurden mehrfach Versuche unternommen, um alphanumerische Anzeigen unter Verwendung von lichtemittierenden Halbleiterdioden in einem Matrixfeld zu schaffen, wobei die Felder aus 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 tie an Standardsysteme anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund· eine Lichtanzeige mit lichtemittierenden Halbleiterdiode» tu schaffen, die diese Schwierigkeiten bei der Anwendung als alphanumerische Anzeige überwindet. Dabei soll das Diodenfeld verhältnismässig wirtschaftlich mit Standardsystemen zusammenarbeiten und mit solchen vertraglich sein. Diese Aufgabe wird erfin-

- 2 - dungsgemäss

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dungsgemäss dadurch gelöst, dass sswischen 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. . .

Eine 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 Ausführungsform die Leitermaterialien der isolierenden Kanäle aus dotiertem.polykristallinem Silicium»

Eine nach den Merkmalen der Erfindung aufgebaute monolithische Lichtanzeige besteht in vorteilhafter Weise aus einer Matrix lichtemittierender 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 grössen 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 tu schaffen ist, das individuelle Dioden in alphanumerischer Form tun 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 lichten!ttierender Dioden geraäss einer bevorzugtem Ausführung*- form der Erfindung in schematischet 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 einet Ausführungsbeispieles der Erfindung ein monolithisches Feld lichtemittierender Dioden aus Galliumarsenidphosphid beispielsweise beschrieben wird, sei bemerkt, dass auch jedit 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 Mckschieht, die gute wärmeableitende Eigenschaften aufweist, wünschenswert, sodass die liehteraittierenden Dioden mit maximaler Lichtintensität betrieben werden können« Das »onokristalline Aufwachsen einer epitaxialen Schicht ist jedoch besonders einfach_t wenn der Träger dasselbe monokristalline Material wie die epitaxial aufzuwachsende Schicht, jedoch die elektrische Leitfähigkeit eines halbisolierenden 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 iii einem Gehäuse montiert wird» welche für die Wärmeableitung sorgen*

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungäform der Erfindung umfasst das Feld der lichtendttierenden Dioden gemäss Fig« I eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden 20 innerhalb eines monolithischen Trägers 21» die als orthogonale Matrix in Reihen und Spalten ungeordnet sind« Für das dargestellte Beispiel umfasst die Matrix fünf lichtemittierende Dioden in jeder Reihe und sieben lichtemittierende Dioden in jeder Spalte» sodass sich eine Gesamtheit von 35 lichtemittierenden Dioden für das Feld ergibt* Mit den Anoden der einseinen lichtemittierende Dioden der Reihen sind Kontakt© Bl- B7

-S- verbunden

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verbunden, wogegen die Kontakte Cl -CS mit den Kathoden der lichtemittierende]! Dioden jeder Spalte verbunden sind* Somit kann durch entsprechend· Abtastung jede lichtemittierende Diode individuell adressiert werden» us bestimmte Dioden eines alphanumerischen Musters anturegen, wie dies für die Zahl S durch einen Hof um die entsprechende Diode dargestellt istt Jede Spalte wird wfthrend 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 - CS der Spalten und den Kontakten Bl - B7 der Reihen» wie nachfolgend einsein erläutert wird·

Die aufeinanderfolgenden Schritte bei der Herstellung des lichtemittierenden Diodenfeldes sind in den Pig· 2 bis S dargestellt, wobei das Herstellungsverfahren primär dem Zweck dient, die orthogonale Matrix des Diodenfeldes unter Verwendung einer minimalen Ankahl von Arbeitsschritten zu erstellen. Gemäss Fig· 2 besteht das Trägersubstrat 21 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial, vorzugsweise einem P-leitenden Galliumarsenid» das xunächst mit einer Schicht eines geeigneten Halbleitermaterials durch ein epitaktisches Verfahren bedockt wird» um über dem Trägersubstrat 21 eine monokristalline Schicht auszubilden. Diese epitaxiale Schicht besteht vorzugsweise aus Oalliumarsenidphosphid. Auf der epitaxialen Schicht 22 wird eine Maske 23 aus einem geeigneten Material, z.B. Sliciumdloxyd, 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 aussubilden. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, werden diese Kanäle ausreichend tief geätzt» damit sie durch die

- 6 - , . ' ■ gesamte

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

Die giätzte Oberfläche des Halbleiteraisfbaus 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 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-leit@nden 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 N-leitenden Materials entfernt werden, womit es möglich ist die Dicke der ©pitaxialen Schicht einzustellen.

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

- 7 - Substrat

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* ϋ03!Ρ>α·Ι7·/·Ο-

Substrat mit einer haIbisolierenden Leitfähigkeit gegeneinander getrennt sind. Die auf einer Erhebung 22 angeordneten lichtemittierenden Dioden 21 bilden eine Spalt· des Feldes. In der Schicht 29 können weitere öffnungen angebracht werden, uv Kontakte 34 an den Anoden der lichtem! ttierenden Dioden 21 und Kontake SS vorzusehen, die mit Teilen der Kathode der lichtemittierenden Dioden 21 und der Leiterschiene 28 verbunden find. Anstelle neuer Offnungen in der Schicht 29 kann auch diese Schicht entfernt und durch eine neue Maske 33 ersetzt werden. Der Schnitt gemlss Flg. S verläuft längs der Linie S-S der Fig. 6 und zeigt sowohl den Anoden- wie den Kathodenanschluss.

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, us den an Diodenübergang reflektierten Lichtanteil zu verkleinern. In de» 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.

Vorausstehend wurde ein monolithisches X-Y-adressierbares emittierendes Diodenfeld beschrieben, das alt einer minimalen Anzahl von Verfahrensschritten hergestellt werden ksnn und daher sehr wirtschaftlich ist. Das Verfahren führt zu einem leicht und zuverlässig reproduzierbaren Diodenfeld, das in beliebiger Grosse als Matrix ausgebildet sein kann.

- 8 - ■ Patentansprüche 309819/1025

Claims

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Patentansprüche

Monolithische Lichtanzeige mit einem Matrixfeld lichtemittierender Halbleiterdioden, deren Elektroden in Reihen und Spalten mit elektrischen Leitern verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass 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 gekennzeichnet, dass die lichtemittierenden Halbleiterdioden aus einem Material bestehen, das aus der Gruppp der Materialien Galliumarsenid, Galliumphosphid und Galliumarsenidphosphid ausgewählt ist.
3. Monolithische Lichtanzeige nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet, dass einer von den mit den Elektroden zugeordneter Dioden verbundener Leiter von dem isolierenden Kanal gebildet ist.
4. Monolithische Lichtanzeige nach Anspruch 3, dadurch g ekennz-e i chne t_s dass ά®τ isolierend©

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Kanal aus einen 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 einen oder Mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat aus eine» P-ieitenden Halbleiter besteht.

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