DE2716205A1 - Festkoerperanzeigevorrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents
Festkoerperanzeigevorrichtung und verfahren zu deren herstellungInfo
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Description
MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD. Osaka, Japan
11 Festkörperanzeigevorrichtung und Verfahren zu deren
Herstellung "
Priorität: 12. April 1976, Japan, Nr. Sho 51-41586 (41586/1976)
Die Erfindung betrifft eine Festkörperanzeigevorrichtung gemäss
Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Eine solche Festkörperanzeigevorrichtung ist vorzugsweise aus einem Halbleiterkristall einer III-V-Verbindung hergestellt.
In jüngerer Zeit ist die Technik zur Herstellung von sogenannten
III-V-Halbleiterkristallen beträchtlich weitergebildet
worden, so dass man in der Lage war, eine mehrere lichtemittierende Dioden aufweisende Festkörperanzeigevorrichtung
mit einem Einkristall einer III-V-Verbindung herzustellen.
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-Jt-
Eine bekannte Festkörperanzeigevorrichtung weist die in Fig.1
gezeigte Struktur auf (wie sie beispielsweise in der US-PS 3 456 167 beschrieben ist), bei der lichtemittierende Segmente
durch p-n-Ubergänge gebildet werden, die in einer bekannten Planars"truktür gebildet sind, oder die in Fig.2 gezeigte
Struktur (die beispielsweise in der US-PS 3 419 742 beschrieben ist), bei der lichtemittierende Segmente durch p-n- ,
Übergänge gebildet sind, die in einer bekannten Mesa-Struktur gebildet sind. Solche herkömmlichen lichtemittierenden Vorrichtungen
haben den Nachteil, dass das von den ρ-n-Übergangen
emittierte Licht in alle Richtungen des transparenten Substrats gestreut wird, was dazu führt, dass die Kontur der dargestellten
Ziffer, des dargestellten Buchstabens oder des dargestellten Zeichens unklar wird.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung gemäss Fig. 1, bei der in
einem η-leitenden GaP-Substrat 1' p-leitende diffundierte
Zonen 2* gebildet sind, sodass zwischen diesen ein p-n-Übergang
besteht, und bei der ein Paar Elektroden 3 und 4 vorgesehen ist, die mit dem η-leitenden Substrat 11 bzw. dem p-leitenden
diffundierten Zonen 21 verbunden sind, wird Licht von den
Zonen um die p-n-übergänge ausgestrahlt. Das emittierte Licht streut in alle Teile des Substrates 1' und wird von allen Teilen
des Substrates nach aussen gestrahlt, wodurch die Kontur des angezeigten Musters unkenntlich wird. Um die Kontur klar
und deutlich zu machen, ist es deshalb erforderlich, eine Licht abschirmende Maske 5 mit Öffnungen eines festgelegten
Husters zu bilden. Bei der herkömmlichen Mesa-Vorrichtung ge-
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mäss Fig. 2, bei der p-leitende, epitaktisch erzeugte Zonen 2"
auf einem η-leitenden Substrat 1" gebildet und die epitaktisch gezüchteten Zonen 2" und ein Teil des Substrats 1" mesaförmifjj
geätzt sind, um mehrere tfesa-Vorsprünge zu erzeugen, wobei
auf einem Teil einer jeden Licht emittierenden Stirnfla ehe
eine Elektrode 4" gebildet ist, wird das Licht von den Zonen um die p-n-Ubergänge emittiert. Das emittierte Licht streut
in alle Teile des Substrates 1" und wird von allen dessen Punkten nach aussen gestrahlt, wodurch die Kontur des angezeigten
Musters unkenntlich wird. Um die Kontur mit der Vorrichtung gemäss Fig. 2 klar und deutlich zu machen, sollte
die Mesa-Ätzung sehr tief gemacht werden, um durch Erzeugung der mesa-geätzten Oberflächen zu verhindern, dass eine unerwünschte
Emission von Licht, das von einem anderen Teil als den ein Muster bildenden Stirnflächen nach aussen abgestrahlt
wird, auftritt.
Überdies sind bei beiden bekannten Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 die Elektroden auf einem Teil der Licht emittierenden
Flächen der Vorrichtung vorgesehen, und, deshalb geht ein Teil des emittierten Lichtes durch die Abschirmwirkung
dieser Elektroden verloren.
Ein eigener älterer Vorschlag zur Überwindung des geschilderten Problems besteht in einer Festkörperanzeigevorrichtung
mit einem Halbleitersubstrat, das wenigstens einen mesaförmigen Teil mit einem darin befindlichen p-n-Übergang aufweist
und eine erste Elektrode auf dessen Stirnfläche.
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-X-
Dieses Substrat weist eine zweite Elektrode auf, wobei vom
Licht p-n-Ubergang mittels Totalreflexion /durch die mesa-förmig
geätzte schräge Fläche geleitet und von der Bodenoberfläche des Substrats abgestrahlt wird. Diese Bodenoberfläche liegt
auf derjenigen Seite des Substrats, die der die Elektrode aufweisenden Oberfläche entgegengesetzt ist (ältere Anmeldung
P 2 626 564.5).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte
Festkörperanzeigevorrichtung verfügbar zu machen, die eine klare und helle Anzeige ermöglicht und zur einfachen Massenproduktion
geeignet ist.
Diese Aufgabe wird bei der vorausgesehenen Festkörperanzeigevorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen
Festkörperanzeigevorrichtung gibt Anspruch 5 an.
Somit besteht die Lösung der Aufgabe in einer ein Halbleitersubstrat
umfassenden Festkörperanzeigevorrichtung mit wenigstens zwei mesa-förmigen Teilen, von denen jeder eine sich
auf dem Substrat fortsetzende erste Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine zweite Zone mit einem dem Leitfähigkeitstyp der ersten Zone entgegensetzten anderen Leitfähigkeitstyp
und eine auf der Oberfläche der zweiten Zone gebildete Elektrode aufweist. Wenigstens einer der mesa-förmig geätzten Teile
weist zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone einen p-nübergang
auf. In wenigstens einem weiteren der mesa-förmig
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geätzten Teile ist der p-n-Ubergang durch Anlegen einer übermässigen
Sperrspannung an diesen zum Durchbruch gebracht worden, wodurch ein ohmscher Kontakt zwischen diesen gebildet
ist. Von den p-n-Ubergängen emittiertes Licht wird mittels des Phänomens der Totalreflexion durch die bei der mesa-Ätzung
entstandenen Schrägflächen effizient geleitet und dann von den Bodenoberflächen des Substrats emittiert. Diese Bodenoberflächen
liegen auf derjenigen Seite des Substrats, die denen mit Elektroden versehenen Flächen entgegengesetzt sind'.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen :
Figuren 1 und 2 Seitenschnittansichten bekannter Vorrichtungen ;
Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer Ausführungs
form einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. Aa) bis d) schematische Seitenschnittansichten zur Erläuterung
von Herstellungsschritten für die erfindungsgemässe Vorrichtung;
Fig. 5 eine Rückansicht der Halbleiterscheibe der
in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform;
Fig. 6 eine Vorderansicht der die Halbleiterscheibe
der Fig. 5 tragenden Trägerplatte.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 3 bis 6 erläutert, welche eine bevorzugte Ausführungsform
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der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigen.
Gemäss Fig. 3 umfasst die erfindungsgemässe Festkörperanzeigevorrichtung
ein Einkristall-Halbleitersubstrat einer III-V-Verbindung einer Leitfähigkeitsart. Beispielsweise handelt es
sich bei dem Substrat 1 um einen η-leitenden GaP-Einkristall mit einer Dicke von 0,2 mm bis 0,3 nun. Eine (^iT)-Fläche des
III-V-Einkristalls wird als Hauptfläche verwendet. Auf der
O^)-Hauptfläche des Substrats 1 ist durch eine bekannte
Flüssigphasen-Epitaxie-Züchtungsmethode eine η-leitende GaP-Schicht 2 mit einer Dicke von etwa 20/um gebildet. Zwischen
dem η-leitenden Substrat 1 und der p-leitenden Zone 2 besteht
ein p-n-Ubergang, auch p-n-Sperrschicht genannt. Auf dem Substrat
1 sind dann wenigstens zwei mesa-förmig geätzte Voksprünge
7 und 6 gebildet. Jeder der mesa-förmig geätzten Vorsprünge 7 weist einen p-n-Ubergang 102 zwischen der n-leitenden
Zone 1 und der p-leitenden Zone 2 auf. Ein weiterer mesa-förmig geätzter Vorsprung 6 weist keine p-n-Sperrschicht zwischen der
η-leitenden Zone 1 und der p-leitenden Zone 2 auf. Die Grenzschicht zwischen der η-leitenden Zone 1 und der p-leitenden
Zone 2 ist nämlich nicht als Ubergangssperrschicht, sondern als eine einen ohmschen Kontakt bildende Grenzschicht ausgebildet.
Auf allen Stirnflächen der Mesa-Teile 7 und 6 sind
Elektroden erzeugt. Diese Elektroden sind sowohl mechanisch als auch elektrisch, beispielsweise durch Lotschichten 10 und
10·, mit Leitern 11 und 12 verbunden, bei denen es sich beispielsweise
um eine Au-platierte Cu-Schicht handelt, die auf der aus einem Isolator, beispielsweise Keramik wie Aluminiumoxid,
hergestellten Trägerplatte 8 gebildet ist.
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Zur Anzeige mittels Lichtemission wird die beschriebene Vorrichtung
mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, wobei nach Wahl einer oder mehrere der Leiter 11 mit einem positiven Anschluss
und der Leiter 12 mit einem negativen Anschluss der Spannungsquelle verbunden sind. Wenn die Gleichspannung in
Durchlassrichtung für den p-n-Ubergang 102 angelegt wird, wird
in Nachbarschaft des p-n-Ubergangs 102 Licht emittiert, das mittels Totalreflexionen durch die mesa-förmig geätzten
Schrägwände durch die Bodenoberfläche 101 nach aussen geleitet wird. Da die Bodenoberfläche 101 kein Hindernis, wie Elektroden,
aufweist, geht nichts von dem emittierten Licht infolge Abschirmung durch eine Elektrode verloren, so dass das
emittierte Licht auf wirksame Weise von der Bodenoberfläche 101 nach aussen gestrahlt wird.
Eine Methode zur Herstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung
wird nachfolgend anhand der Figuren 4 a) bis d) erläutert.
Als Ausgangsbasis wird ein Einkristall-Halbleitersubstrat einer III-V-Verbindung einer ersten Leitfähigkeitsart, beispielsweise
ein η-leitendes GaP-Einkristallsubstrat 1, mit einer Dicke von
0,2 bis 0,3 mm als Ausgangssubstrat verwendet. Eine (1HT)-Fläche
des Einkristalls wird als Hauptfläche verwendet. Als Donatordotierstoff befindet sich im Substrat S mit einer Kon-
17 3
zentration von 3 bis 8 χ 10 ' Atomen/cm . Dann wird gemäss
Fig. 4 a) eine dünne Epitaxieschicht 110 desselben Halbleiters und der ersten Leitfähigkeitsart, beispielsweise n-1 eitendes
GaP mit einer Dicke von etwa 20 bis 30 /um, erzeugt und zwar
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beispielsweise durch eine bekannte Flüssigphasen-EpitaxjezUchtungsmethode.
Als Donatordotierstoff für die Epitaxieschicht 110 wird für Rotstrahlung Te in einer Konzentration
von 8 bis 10 χ 10 ' Atomen/cm5 und werden für Grünstrahlung
17 3 N in einer Konzentration von 1 - 2 χ 10 ' Atomen/cm und
16 ~*i
Te in einer Konzentration von 8 - 10 χ 10 Atomen/cnr verwendet.
Die η-leitende Epitaxieschicht 110 bildet im Schnittbild
der Fig. 3 einen Teil des η-leitenden Einkristallsubstrats 1.
Gemäss Fig.Ab) wird auf der Oberfläche der Epitaxieschicht no
eine weitere dünne Epitaxieschicht 2 einer zweiten, d.h., zur Leitfähigkeitsart der dünnen Epitaxieschicht 110 entgegengesetzten
Leitfähigkeitsart, erzeugt, beispielsweise eine p-leitende
GaP-Schicht mit einer Dicke von etwa 20 bis 30/um, die beispielsweise
durch einen weiteren Flüssigphasen-Epitaxie" Züchtungsschritt erzeugt wird. Als Akzeptordotierstoff für die
Paare von Zn und p-leitende Epitacieschicht 2 werden für Rotstrahlung / in einer
Konzentration von 1 - 2 χ 10 ' Atomen/cm-3 verwendet. Im Fall
von Grünstrahlung werden Zn in einer Konzentration von 1 - 2 χ 10 Atomen/cm' und N in einer Konzentration von
17 ^5
1 - 2 x 10 Atomen/cm verwendet. Zwischen der n-leitenden
Epitaxieschicht no und der p-leitenden Epitaxieschicht 2 ist
ein p-n-Ubergang gebildet.
Dann werden gemäss Fig. 4c) mittels einer bekannten Metalldampf-Niederschlagsmethode
und einer bekannten Elektrodenformungsmethode (wie chemisches plattieren)wenigstens zwei Metallelektrodenschichten
9 und 91 mit einem speziellen Muster auf
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"Jf"
der Oberfläche der zweiten Epitaxieschicht2 gebildet. Beispielsweise ist Au, das eine geringe Menge (beispielsweise
1 Prozent) Be enthält, für die Metallelektrodenschichten 9 und 91 geeignet.
Als nächstes wird die Scheibe unter Verwendung der Metallelektrodenschichten
9 und 9' als Ätzmasken gemäss Fig. 4d)
mesa-förmig geätzt. Als Ätzmittel für die Mesa-Ätzung ist
heisse und hochkonzentrierte Phosphorsäure mit einer Temperatur von 130 bis 20O0C und einer Konzentration von 70 bis 95 Volumenprozent
geeignet, wobei eine Temperatur von 150 bis 180 C und eine Konzentration von etwa 90 Volumenprozent zu bevorzugen
sind. Bei Verwendung des genannten Ätzmittels für die
Ätzung der (ΐί?)-Hauptfläche des GaP-Einkristalls wird die
Ätzung mit einer Geschwindigkeit von 12/um/Minute vollzogen,
und es wird eine mesa-förmig geätzte Oberfläche gebildet, die einen Winkel von etwa 50° gegenüber der (ΪΪΪ)-Hauptfläche
aufweist. Dieser Winkel von 50° ist geeignet für eine Reflexion durch das Phänomen der Totalreflexion des am p-n-Ubergang
emittierten Lichtes in den mesa-förmig geätzten Vorsprüngen durch die Bodenoberfläche 101 nach aussen.
Die Scheibe wird dann dadurch elektrisch und mechanisch angeschlossen, dass die Metallelektroden 9 und 9' auf die Leiterschichten
11 und 12 einer Trägerplatte 8 aus Keramik aufgelötet werden, wie es Fig. 3 zeigt.
Schliesslich wird eine elektrische Behandlung vorgenommen, um den p-n-Ubergang im mesa-förmig geätzten Vorsprung 6 kurzzuschliessen
und zum Durchbruch zu bringen, wodurch der p-n-Uber-
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-Xf-
gang in eine ohmisch kontaktierende Verbindungsfläche umgewandelt wird. Die Behandlung geht so vor sich, dass eine Sperrgleichspannung
angelegt wird, welche die Sperrdurchbruchsspannung des p-n-Ubergangs übersteigt. Beispielsweise wird bei
einer Vorrichtung gemäss Fig. 3, die rot strahlt, eine Sperrspannung von 10 bis 12 V angelegt, wobei die positive Polarität
an den Leiter 12 angelegt wird und die negative Polarität an das Substrat 1, beispielsweise durch Berühren mit einer
Nadel« die mit dem negativen Anschluss der Quelle verbunden ist, und dadurch wird der p-n-Übergang im Vorsprung 6 zum
Durchbruch gebracht. Im Fall der Herstellung einer grün strahlenden Vorrichtung wird zur Herbeiführung des Durchbruchs eine
Spannung von 30 bis 40 V angelegt.
Die mittels der beschriebenen Verfahrensschritte erhaltene Anzeigevorrichtung emittiert Licht von den Licht emittierenden
Übergängen 102, wenn eine Spannung derart angelegt wird, dass das positive Potential am Leiter 11 und das negative Potential
am Leiter 12 anliegt.
Ein tatsächliches Beispiel einer Sieben-Segment-Ziffernanzeigevorrichtung
ist in den Figuren 5 und 6 gezeigt. Dabei zeigt Fig. 5 eine Rückansicht eines Substrats 1 mit sieben Zifferanzeigesegmenten
7, ... mit einem Punktanzeigesegment 7* und
einem ohmisch kontaktierenden Teil 6. Die Anzeigesegmente 7, sind die mesa-förmig geätzten Vorsprünge 7, ... die je einen
Licht emittierenden p-n-Übergang enthalten. Beim ohmisch kontaktierenden Teil 6 handelt es sich um die mesa-förmig geätzten
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Vorsprünge, in denen der p-n-Ubergang dadurch zerstört worden
ist, dass dessen Durchbruch herbeigeführt worden ist. Die in Fig. 5 gezeigten Elektroden 9,... und 91 auf den mesaförmig
geätzten Vorsprüngen 7,... und 6 sind mit den Leitern 11,... bzw. 12 der in Fig. 6 in Vorderansicht gezeigten Trägerplatte
8 verbunden.
Anstelle des erwähnten GaP-Kristalls kann ein Kristall oder
können Kristalle aus GaAsP oder GaN gleichermassen verwendet werden, da diese Kristalle physikalische und chemische Eigenschaften
haben, die denen von GaP analog sind. GaAs mit der (100)-Hauptfläche kann unter Benutzung eines Ätzmittels aus
NaOH und H2O2 ebenfalls verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich :
Da alle Elektroden der Halbleiterscheibe auf den Stirnflächen der mesa-förmigen Vorsprünge vorgesehen sind, besteht kein Bedürfnis,
eine zusätzliche Elektrode auf der Bodenoberfläche oder auf dem mesa-förmig geätzten unteren Teil des Substrats
zu bilden, und deshalb ist sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung der Halbleiterscheibe mit der Trägerplatte
sehr leicht, und es besteht keine Notwendigkeit, eine Verbindung an der Bodenoberfläche des Substrats 1 herzustellen.
Da keine Elektrode auf der Lichtausgangsoberfläche 101 vorhanden ist, tritt überdies kein Verlust an emittiertem Licht infolge
einer Abschirmung durch die Elektrode auf.
Da sich alle Elektroden der Halbleiterscheibe auf einer Ober-
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fläche des Substrats befinden, die der Lichtausgangsoberfläche
101 entgegengesetzt ist, kann, wenn die Trägerplatte in Form einer integrierten Schaltung als Treib- oder Steuerschaltung
hergestellt wird, welche das den Elektroden zugeführte Signal erzeugt, die Herstellung der Anzeigevorrichtung
effizient gemacht werden, indem eine manuelle Verdrahtung auT der entgegengesetzten Oberfläche vermieden wird. Mittels einer
solchen Kombination mit der integrierten Schaltung bietet die Vorrichtung eine recht grosse Anwendungsvielfältigkeit.
Da die durch ifesa-Ätzung erhaltenen schrägen Oberflächen der
mesa-förmig geätzten Vorsprünge 7,... das von den Licht emittierenden
übergängen 102,... emittierte Licht wirkungsvoll reflektieren,
sind die Konturen der emittierenden Segmente klar und die Anzeige ist hell.
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Claims (6)
1.j Festkörperanzeigevorrichtung mit einem Halbleitersubstrat,
enthaltend wenigstens zwei mesaförmig geätzte Vorsprünge, die je eine auf dem Substrat sich fortsetzende erste Zone
erster Leitfähigkeitsart, eine zweite Zone einer der ersten Leitfähigkeit entgegengesetzten zweiten
Leitfähigkeitsart und eine auf der Oberfläche der zweiten
Zone gebildete Elektrode aufweisen, wobei wenigstens einer der mesaförmig geätzten Vorsprünge zwischen der ersten und
der zweiten Zone einen lichtemittierenden p-n-Ubergang aufweist, durch den ein lichtemittierendes Segment gebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein anderer (6) der mesaförmig geätzten
Vorsprünge (6,7) Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeitsart (1, 2') aufweist, die sich ohne Bildung einer Ubergangssperrschicht
zwischen ihnen berühren, so dass ein ohmisch kontaktierendes Segment (91) gebildet ist.
2. Festkörperanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem anderen mesaförmig geätzten
Vorsprung (6) die erste Zone (1) und die zweite Zone (21)
einander mit einer zwischen ihnen liegenden kurzgeschlossenen Schnittfläche berühren.
3. Festkörperanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einkristallines
GaP mit einer (5HT)-Fläche als Hauptfläche ist.
709845/074»
ORIGINAL INSPECTED
4. Festkörperanzeigevorrichtung nach Anspruch 3» dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat (1) η-leitend und die zweite Zone (2) eine p-leitende Epitaxieschicht ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Festkörperanzeigevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem einkristallinen
Halbleitersubstrat (1) einer ersten Leitfähigkeitsart eine Epitaxieschicht^) einer zur ersten Leitfähigkeitsart entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitsart erzeugt
und dadurch ein p-n-Ubergang zwischen dem Halbleitersubstrat und der Epitaxieschichtgebildet wird,
dass wenigstens zwei Metallelektroden (9» 91) eines speziellen
Musters auf der Epitaxieschichtgebiidet werden,
dass das Halbleitersubstrat unter Benützung der Metallelektroden als Ätzmasken derart mesa-geätzt wird, dass
wenigstens zwei mesaförmig geätzte Vorsprünge (6, 7) des speziellen Musters erzeugt werden,
und dass der p-n-Übergang in wenigstens einem der mesaförmig geätzten Vorsprünge (6) kurzgeschlossen wird, während
der p-n-Übergang in wenigstens einem anderen (7) der mesaförmig geätzten Vorsprünge belassen wird.
6. Festkörperanzeigevorrichtung mit einem Halbleitersubstrat, enthaltend
wenigstens einen mesaiörmig geätzten, lichtemittierenden
Vorsprung mit einer ersten Zone einer ersten Leitfähigkeitsart, mit einer zweiten Zone einer der ersten Leit-
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fähigkeitsart entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitsart und mit einer auf der Oberfläche der zweiten Zone gebildeten
Elektrode, wobei die erste Zone und die zweite Zone einen lichtemittierenden p-n-Übergang zwischen sich bilden,
gekennzeichnet durch wenigstens einen inesaförmig geätzten
ohmisch kontaktierenden Vorsprung (6) mit einer dritten Zone (1) der ersten Leitfähigkeitsart, einer vierten Zone
(21) der zweiten Leitfähigkeitsart und einer auf der Oberfläche
der vieren Zone (2') gebildeten weiteren Elektrode (9')» wobei die dritte Zone, die vierte Zone und die
weitere Elektrode dieselben Ursprünge und Eigenschaften wie die erste Zone, die zweite Zone und die auf der zweiten
Zone aufgebrachte Elektrode haben, die dritte Zone (1) land die vierte Zone (21) jedoch ohne p-n-Ubergangssperrschicht
zwischen sich aneinander grenzen.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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