DE2412505A1

DE2412505A1 - Halbleiter-elektrolumineszenz-anzeigeeinheit

Info

Publication number: DE2412505A1
Application number: DE2412505A
Authority: DE
Inventors: Jacques Isaac Pankove
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1974-03-15
Publication date: 1974-10-03
Also published as: JPS49129496A; FR2222713A1; FR2222713B1; US3864592A; GB1455354A; JPS5319517B2; CA1009352A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dn.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 400D Düsseldorf 3D · Gecilienallee 76 · Telefon 43273s

14. März 1974 29 188 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N₀Y. 10020 (V₀St.A₀)

"Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit, und insbesondere auf eine Anzeigeeinheit, deren Anzeigemuster auf einem Einzelkörper aus Galliumnitrid gebildet wird₀

Es besteht ein Bedarf an miniaturisierten Lumineszenzanzeigen, insbesondere solchen des alphanumerischen Typs zur Verwendung in Uhren, Elektronenrechnern u,dgl_o Eine bekannte Anzeigeeinheit dieser Art verwendet. Elektrolumineszenz-Halbleiterbauelemente, die generell als Lichtemissionsdioden oder LED¹S bezeichnet werden,, Derartige LED¹S weisen generell einen Einkristallkörper aus Halbleitermaterial, z.B«, Galliumphosphid, Galliumarsenidphosphid oder Galliumaluminiumarsenid mit Zonen entgegengesetzten Leitungstyps auf, zwischen denen ein PN-Übergang gebildet ist. Zum Anlegen einer Spannung an den PN-Übergang dienen Metallschichtelektroden, die auf einem Teil jeder der Zonen niedergeschlagen sind_e Bei Anlegen einer Vorspannung an die LED wird nahe dem PN-Übergang Licht im Körper erzeugt. Dieses Licht wird aus der LED dort emittiert, wo der PN-Übergang eine Oberfläche der LED schneidet und/oder aus einer freiliegenden Oberfläche der LED.

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Die LED¹S werden generell dadurch zu Anzeigevorrichtungen gemacht, daß eine Vielzahl von ihnen, jeweils in Form von Strichen und/oder Punkten, auf einem Substrat in dem gewünschten Muster, Z₀B. als Segmentblock für eine numerische Anzeige zusammengestellt wird. Anschlußdrähte werden mit den Zonen jeder der LED's verbunden, um die Vorspannung der einzelnen LED .'s zu ermöglichen. Diese Art von LED-Anzeigevorrichtungen ist nach Aufbau und Anordnung wegen der benötigten Anzahl von kleinen LED's und der für die LED's erforderlichen Verdrahtungen kompliziert.

Bei einer anderen Art von LED-Anzeige ist ein Körper aus Halbleitermaterial eines Leitungstyps vorgesehen, auf dessen einer Oberfläche eine Vielzahl von in gegenseitigem Abstand angeordneten Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps eindiffundiert ist_o Die eindiffundierten Zonen bilden PN-Übergänge mit dem Körper, wobei sich die Übergänge bis zur Körperoberfläche erstrecken Die eindiffundierten Zonen sind nach Form und Anordnung so vorgesehen, daß sie das gewünschte Anzeigemuster bilden» Metallschichtelektroden sind auf jeder der eindiffundierten Zonen und der die eindiffundierten Zonen umgebenden Körperoberfläche niedergeschlagen. Diese Anzeigeart ist ebenfalls schwer herzustellen, da sie die Ausbildung einzelner Diffusionszonen voraussetzte Beiden zuvor beschriebenen LED-Anzeigen haftet darüber hinaus der Nachteil begrenzter Lichtemission an, da das Licht entweder nur entlang der PN-Übergänge oder aus derjenigen Oberflächenzone emittiert wird, die von Elektroden frei ist, da die Elektroden die Emission eines Teils des Lichts verhindern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile bekannter Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheiten zu be-

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seitigen-und insbesondere eine einfachere Herstellung und bessere Lichtausbeute bei Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheiten zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit zeichnet sich dadurch aus, daß auf einer Oberfläche eines isolierenden Körpers aus Galliumnitrid eine optisch transparente Schicht aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist und auf der entgegengesetzten Körperoberfläche elektrisch leitende Elektroden in einer das gewünschte Anzeigemuster ergebenden Anordnung angebracht sind»

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit;

Figo 2 eine perspektivische Ansicht auf die Vorderseite der Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit mit den lumineszierenden Anzeigebereichen; und

Fig, 3 bis 6 Schnittansichten, in denen die verschiedenen Herstellungsschritte der Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit dargestellt sind.

In Fig₀ 1, auf die zunächst Bezug genommen wird, ist die beschriebene Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit mit 10 bezeichnet« Die Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit 10 weist ein flaches Substrat 12 aus einem elektrisch isolierenden und optisch durchlässigen Material, z_eBo Saphir auf. Auf einer Oberfläche des Sub-

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strats 12 ist eine Schicht 14 aus elektrisch leitendem, optisch durchlässigem Material angeordnet, das vorzugsweise aus elektrisch leitendem kristallinem Galliumnitrid besteht,. Auf der Oberfläche der elektrisch leitenden Galliumnitridschicht 14 ist ein Körper 16 aus isolierendem kristallinen Galliumnitrid angeordnet. Der isolierende Galliumnitridkörper 16 nimmt vorzugsweise eine kleinere Fläche als die Oberfläche der elektrisch leitenden Galliumnitridschicht 14 ein. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, erstreckt sich die elektrisch leitende Galliumnitridschicht 14 über den gesamten Umfang des isolierenden Galliumnitridkörpers 16 hinaus.

Auf der Oberfläche des isolierenden Galliumnitridkörpers 16 ist eine Vielzahl von Metallschichtelektroden 18vorgesehen, die in dem gewünschten Anzeigemuster angeordnet sind,, Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Metallschichtelektroden 18 in Form einer numerischen Anzeige der Ziffer 8 angeordnet. Eine zusätzliche Metallschichtelektrode 20 ist auf der Oberfläche des isolierenden Galliumnitridkörpers 16 nahe der Unterseite der Ziffer 8 vorgesehen und dient als Dezimalpunkt_o Ein Metallschichtkontakt 22 bedeckt den über den Umfang des isolierenden Galliumnitridkörpers 16 vorstehenden Teil der Oberfläche der elektrisch leitenden Galliumnitridschicht 14. Die Elektroden 18 und 20 und die Kontaktschicht 22 können aus einem beliebigen Metall hergestellt werden, welches einen guten ohm'sehen Kontakt mit dem Galliumnitrid bildet, so. z.B. aus Indium oder einer Schicht aus Chrom, das mit einer Nickelschicht überzogen ist.

Zur Verwendung der Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit 10 müssen noch Anschlußdrähte 26, 28 und 30 an jede der Elektroden 18 und 20 und an dem Kontakt 22

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angeschlossen werden,, Der Kontakt 22 ist über seinen Anschluß 30 mit einem Pol einer elektrischen Spannungsquelle, z.B. einer Batterie oder eines Impulsgenerators verbunden. Wenn als Spannungsquelle eine Gleichstromquelle, Z₀B₀ eine Batterie, verwendet wird, ist jede der Elektroden 18 und 20 über den ihr zugeordneten Anschlußdraht 26 und 28 und geeignete Schaltvorrichtungen mit dem anderen Pol der Gleichstromquelle verbunden. Wenn eine geeignete Gleichspannung zwischen dem Kontakt 22 und einer oder mehreren Elektroden 18 und 20 ansteht, wird Licht von dem isolierenden Galliumnitridkörper 16 emittiert, das durch das Substrat 12 und die elektrisch leitende Galliumnitridschicht .14 sichtbar ist_o Das Licht nimmt die Form der unter Vorspannung stehenden Elektrode 18 oder 20 an. Wenn daher entsprechend Fig. 2 alle Elektroden 18 und 20 gleichzeitig unter Vorspannung stehen, haben die durch das Substrat 12 fallenden Lichtbündel die Form der Zonen 24 und bilden eine 8 in Blockform sowie einen Dezimalpunkt. Durch Anlegen der Vorspannung an verschiedene der Elektroden 18 erhält das durch das Substrat 12 sichtbare Licht andere Formen, so daß verschiedene Ziffern durch die Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit 10 zur Anzeige gebracht werden können. Andere Elektrodenkonfigurationen können zur Erzeugung von Buchstaben und Zahlen in einer alphanumerischen Anzeige verwendet werden. Um die Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit 10 herzustellen, wird eine Oberfläche einer größeren Scheibe 12 aus elektrisch isolierendem, optisch transparentem Material mit einer Schicht 14 aus optisch transparentem, elektrisch leitendem Galliumnitrid in der in Figo 3 gezeigten Weise belegt. Die elektrisch leitende Galliumnitridschicht 14 wird auf der Scheibe 12 epitaktisch, z₀B„ durch Epitaxie aus der Dampfphase, niedergeschlagen. Einer in dieser Weise niedergeschlagenen Galliumnitridschicht ist

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wegen natürlicher, unkontrollierter Donatoren, z.B, Stockstoff-Gitterlöcher, die im Material gebildet werden, ein hochleitender N-Leitungstyp eigen. Die elektrisch leitende Galliumnitridschicht 14 wird sodann mit einer Maskierschicht, z„B. aus Siliziumoxid oder Wolfram überzogen, die als Maske gegen weiteres epitaktisches Wachsen der Galliumnitridschicht wirkt. Sodann werden die Maskierschicht in auf gegenseitigem Abstand stehenden Zonen entfernt und Maskierschichtstreifen 32 auf der leitenden Galliumnitridschicht 14 in der in Figo 3 dargestellten Weise stehengelassene Dies kann dadurch geschehen, daß die die Maskierstreifen bildenden Zonen der Maskierschicht unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Methoden mit einem Photolack überzogen werden. Die nicht überzogenen Bereiche der Maskierschicht können sodann in einem Ätzvorgang entfernt werden.

Die elektrisch isolierenden Galliumnitridkörper 16 werden sodann auf den Zonen der elektrisch leitenden Galliumnitridschicht 14 zwischen den Maskierstreifen 32 entsprechend Fig. 4 niedergeschlagen. Die isolierenden Galliumnitridkörper 16 werden epitaktisch in derselben Weise wie die elektrisch leitende Galliumnitridschicht 14 niedergeschlagen. Beim Niederschlagen der isolierenden Galliumnitridkörper 16 wird jedoch ein Akzeptor-Dotierstoff, z.B„ Zink, Beryllium, Magnesium oder Lithium, in die Körper eindotiert. Es wird eine derart ausreichende Menge von Akzeptor-Dotierstoffen in die Galliumnitridkörper 16 eingeführt, daß alle zunächst im Galliumoxid gebildeten Donatoren kompensiert werden, so daß die Galliumnitridkörper 16 zu Isolierkörpern werden. Die Maskierstreifen 32 werden sodann mit Hilfe eines geeigneten Ätzmittels ent-

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fernt, um einen Teil der Oberfläche der elektrisch leitenden Galliumnitridschicht 14 um jeden der isolierenden Galliumnitridkörper 16 herum freizulegen.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, werden sodann die Oberflächen der isolierenden. Galliumnitridkörper 16 und der freigelegten Zonen der leitenden Galliumnitridschicht 14 mit einer Metallschicht 34 überzogen. Die Metallschicht 34 besteht aus dem Metall oder der Metallkombination, das bzw«, die für die Elektroden 18 und 20 sowie den Kontakt 22 vorgesehen ist. Die Metallschicht 34 wird sodann zur Bildung der Elektroden 18 und 20 sowie des Kontakts 22 selektiv weggeätzt. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen eines Photolacks auf die Zonen der Metallschicht 34 erfolgen, welche den Kontakt 22 und die Elektroden und 20 bilden sollen, wobei herkömmliche photolithographische Methoden Verwendung finden,, Die nicht abgedeckten Teil der Metallschicht 34 werden sodann mit einem geeigneten Ätzmittel entfernt. Dadurch entstehen die Elektroden 18 und 20 auf den isolierenden Galliumnitridkörpern 16 sowie der Kontakt 22 auf der Oberfläche der leitenden Galliumnitridschicht 14 um die isolierenden Galliumnitridkörper 16 herum (Fig. 6)_o

Die einzelnen Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheiten 10 werden sodann durch Schnitte durch die Isolierscheibe 12, die leitende Galliumnitridschicht 14 und die Kontaktschicht 22 entlang Linien zwischen den isolierenden Galliumnitridkörpern 16 zerteilt. Die Halbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheiten 10 können durch beliebige Schnittmethoden, z_eB_o mit Hilfe eines Lasers, zerteilt werden. Sofern jedoch eine Anzeigevorrichtung erwünscht ist, welche mehr als eine Gruppe von Anzeigemustern vereinigt, so wird die Scheibe 26 so zerteilt, daß jedes Einzelstück bzw. jede Einheit

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zwei oder mehr isolierende Galliumnitridkörper 16 umfaßt« Nachdem die Anschlußdrähte an die verschiedenen Elektroden 18 und den Kontakt 22 angebracht sind, kann auch eine Schutzschicht aus einem geeigneten Isolierstoff, z„B. einem Kunststoff auf die Elektroden, den
Kontakt und den isolierenden G-alliumnitridkörper aufgebracht werden. Außerdem können die Anschlußdrähte
gleichzeitig an alle Elektroden und den Kontakt unter Verwendung einer metallischen Form angebracht werden, die an einem Rahmen alle Anschlüsse hält. Nachdem die Anschlüsse angebracht sind, werden sie von dem Rahmen abgetrennt.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit findet also ein Einzelkörper aus Halbleitermaterial, d.h. der isolierende Galliumnitridkörper, Verwendung, wobei das Anzeigemuster durch die Metallschichtelektroden gebildet wird, welche auf dem Halbleiterkörper
niedergeschlagen sind. Bei der Elektrolumineszenz-Halbleiter-Anzeigeeinheit wird die Lumineszenzanzeige durch die Oberfläche des Halbleiterkörpers an der den Elektroden gegenüberliegenden Körperseite sichtbar« Daher stören die Elektroden die Emission des Lichts aus dem Halbleiterkörper nicht, und es ergibt sich eine relativ helle Anzeige. Außerdem ist die beschriebene Elektrolumineszenz-Halbleiter-Anzeigeeinheit relativ einfach herzustellen, da das Anzeigemuster durch die Form und Anordnung der Elektroden definiert ist, welche relativ leicht durch herkömmliche photolithograph!sehe Methoden gebildet werden können. Darüber hinaus gelingt es, mit der beschriebenen Elektrolumineszenz-Halbleiter-Anzeigeeinheit eine alphanumerische Anzeige mit einer Vielzahl von Einzelzeichen auf einem einzigen Substrat als integrierte Schaltungseinheit herzustellen«,

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York, N₀Y₀ 10020 (VpSt₀A₀)

Patentansprüche:

M.jHalbleiter-Elektrolumineszenz-Anzeigeeinheit, dadurch gekennzeichnet , daß auf einer Oberfläche eines isolierenden Körpers (16) aus Galliumnitrid eine optisch transparente Schicht (14) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist und auf der gegenüberliegenden Körperoberfläche elektrisch leitende Elektroden (18, 20) in einer das gewünschte Anzeigemuster ergebenden Anordnung angebracht sind.
2. Anzeigeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optisch transparente, elektrisch leitende Schicht (14) aus leitendem Galliumnitrid besteht.
3ο Anzeigeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die optisch transparente, leitende Galliumnitridschicht (14) auf einer Oberfläche eines Substrats (12) aus elektrisch isolierendem, optisch transparentem Material angeordnet ist_o
4. Anzeigeeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (12) aus Saphir besteht, die leitende Galliumnitridschicht (14) eine auf dem Substrat niedergeschlagene epitaktische Schicht ist und der isolierende Galliumnitridkörper (16) eine auf der leitenden Galliumnitridschicht (14) angeordnete epitaktische Schicht ist₀

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Anzeigeeinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeich net , daß der isolierende Galliumnitridkörper (16) eine kleinere Fläche als diejenige der leitenden Galliumnitridschicht (14) einnimmt, wobei die leitende Galliumnitridschicht über die Randbegrenzungen des isolierenden Galliumnitridkörpers (16) vorspringt, und daß der über die Randbegrenzungen des. isolierenden Galliumnitridkörpers (16) vorspringende Teil der Oberfläche der leitenden Galliumnitridschicht (14) mit einem Metallschichtkontakt (22) belegt ist.

Anzeigeeinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß mehrere isolierende Galliumnitridkörper (16) auf der leitenden Galliumnitridschicht (14) in gegenseitigem Abstand angeordnet und mehrere elektrisch leitende Elektroden (18, 20) auf der Oberfläche jedes der isolierenden Galliumnitridkörper (16) angebracht sind.

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