DE2903336C2

DE2903336C2 - Leuchtdioden-Anzeigeeinrichtung

Info

Publication number: DE2903336C2
Application number: DE2903336A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Morimoto; Hiroshi Mobara Chiba Watanabe
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DE2903336A1; US4241281A; JPS54102886A

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdioden-Anzeigeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine derartige Anzeigevorrichtung ist aus der DE-OS 20 46 717 bekannt.

Bei der aus der DE-AS 20 46 717 bekannten Leuchtdioden-Anzeigeeinrichtung sind die Leuchtdioden einerseits über Anschlußdrähte und eine gemeinsame Elektrode und andererseits über jeweils einen Transistor und einen Halbleiterbereich eines zweiten Leitungstyps für eine Ansteuerung mit einer Spannungsquelle verbindbar. Wie die verschiedenen Halbleiterbereiche des zweiten Leitungstyps gegeneinander isoliert werden, ist der genannten DE-AS nicht entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leuchtdioden-Anzeigeeinrichtung anzugeben, bei der die Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden und ihre elektrische isolierung unter Verwendung nur einer einzigen Spannungsquelle erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Leuchtdioden-Anzeigeeinrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer matrixartigen Anordnung von lichtemittierenden Dioden für eine Anzeigeeinrichtung,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Anordnung von F i g. 1, F i g. 3 eine Schaltung für den Betrieb der Anordnun

gen gemäß den F i g. 1 und 2 bzw. 4 und 5,

F i g. 4 eine zum Teil weggebrochene, perspektivische Darstellung einer weiteren matrixartigen Anordnung von lichtemittierenden Dioden für eine Anzeigeeinrichtung, und

F i g. 5 einen Schnitt durch die Anordnung von F i g. 4 entlang B-B.

In den F i g. 1 und 2 ist mit 1 ein Halbleitersubstrat bezeichnet Halbleitermaterialien, die für das Substrat 1 verwendet werden können, umfassen binäre oder ternäre Ill-V-Verbindungshalbleiter, beispielsweise GaAs, GaP, GaAsP, GaAlAs und GaInP, binäre oder ternäre Il-VI-Verbindungshalbleiter, beispielsweise CdTe, ZnSeTe und CdMgTe, und Halbleiterelemente, beispielsweise Germanium und Silicium, die in ihren Gitterkonstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich sind wie GaAs bzw. GaAsP bzw. GaP.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 1 aus p-leitendem Silicium und das lichtemittierende Diodenelement ist aus GaP gebildet Die Diodenelemente sind auf dem Substrat 1 in der Form einer Matrix angeordnet, so daß sie Buchstaben, graphische Zeichen und dergleichen anzeigen können.
Erste Elektroden 2 für die lichtemittierende Diodenelemente sind in vorgegebenen Bereichen der Oberfläche des Substrates 1 in der Form von Streifen vorgesehen und bestehen aus Halbleiterdünnschichten, deren Leitungstyp dem Leitungstyp des Substrates 1 entgegengesetzt ist In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Elektroden 2 aus η-leitenden Siliciumschichten. Die ersten Elektroden 2 können dadurch ausgebildet werden, daß man eine monokristalline, n-leitende Siliciumschicht durch epitaxiales Wachstum aus der flüssigen Phase, durch epitaxiales Wachstum aus der Dampfphase, durch Ionenplattierungsverfahren oder durch epitaxiales Aufwachsen aus einem Strahl isonisierter Agglomerate aufwachsen läßt. Die ersten Elektroden können auch dadurch gebildet werden, daß man Phosphor, Antimon oder dergleichen (wobei diese Substanzen in Silicium als Dongtoren wirken) selektiv in bestimmte Bereiche der Oberfläche des Substrats 1 mit hoher Konzentration eindiffundieren läßt.

Die lichtemittierenden Diodenelemente 3 sind auf den ersten Elektroden 2 ausgebildet. Die Diodenelemente können nach folgendem Verfahren hergestellt werden.

Auf den ersten Elektroden 2 werden durch epitaxiales Aufwachsen erste Halbleiterschichten 3a gebildet, die denselben Leitungstyp wie die ersten Elektroden 2 haben und beispielsweise aus η-leitendem GaP bestehen.

so Sodann werden auf den jeweiligen ersten Halbleiterschichten 3a durch epitaxiales Wachstum oder durch Diffusion zweite Halbleiterschichten 3b aus p-leitendem GaP ausgebildet, wobei die zweiten Halbleiterschichten 3b pn-Übergänge mit den ersten Halbleiterschichten 3a bilden.

Auf der zweiten Halbleiterschicht 3b jedes Diodenelementes 3 wird zusätzlich eine zweite Elektrode, beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum, hergestellt, die beispielsweise aus Au-Be bestehen kann und einen ohmschen Kontakt mit dem p-leitenden GaP bildet.

Die Diodenelemente 3 sind auf den ersten Elektroden 2 in Form einer Matrix angeordnet, und die Diodenelemente, bestehend aus den Halbleiterschichten 3a und 3b sind elektrisch spaltenweise dadurch miteinander verbunden, daß Verbindungsleitungen 5 auf den zweiten Elektroden 4 aufgebondet sind. Mit anderen Worten sind die Diodenelemente 3, die auf einer Spalte der Matrix senkrecht zu den ersten Elektroden 2 angeordnet

sind, elektrisch durch je eine Verbindungsleitung 5 über die zweiten Elektroden 4 miteinander verbunden.

Auf jeder ersten Elektrode 2 ist ein Bereich 6 für einen ohmschen Kontakt vorgesehen, um die erste Elektrode 2 mit einer Leitung 7 für die Stromzufuhr zu verbinden. Wenn die erste Elektrode 2 aus Silicium besteht wie es in diesem Ausführungsbeispiel der Fall ist, ist der Bereich 6 aus Aluminium oder dergleichen durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt

Eine dritte Elektrode 8 für einen ohmschen Kontakt ist auf der Rückfläche des Substrates 1 ausgebildet so daß daran eine Leitung 9 angeschlossen werden kann. Die Leitung 9 wird dazu benutzt eine Sperrspannung zwischen dem Substrat i und den ersten Elektroden 2 anzulegen.

Die matrixartige Anordnung der lichtemittierenden Dioden kann wie folgt hergestellt werden.

Wenn das Substrat 1 aus einem p-leitenden Halbleiter hergestellt ist wie es bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist läßt man n-leitende, n-leitende und p-leitende Halbleiterschichten auf vorgegebenen Bereichen der Oberfläche des Substrats 1 nacheinander durch epitaxiales Wachstum wachsen oder durch Diffusion oder dergleichen entstehen, um eine aus vier Schichten (pnnp) bestehende Anordnung zu bilden. Von diesen vier Schichten wird die als erstes direkt auf dem Substrat 1 ausgebildete Schicht (in diesem Ausführungsbeispiel eine η-leitende Schicht) als erste Elektrode des lichtemittierenden Diodenelementes, das darauf ausgebildet wird,benutzt.

Die Stromversorgung zum Betreiben der matrixartigen Anordnung der lichtemittierenden Dioden wird nun erläutert.

Um die ersten Elektroden 2, die auf dem Substrat 1 in der Form von Streifen und in Richtung der Zeilen der matrixartigen Anordnung vorgesehen sind, von dem Substrat 1 elektrisch zu isolieren, oder um mit anderen Worten jede der Elektroden 2 elektrisch zu isolieren, wird eine Sperrvorspannung zwischen dem Substrat 1 und den Elektroden 2 angelegt. Da das Substrat 1 aus einem p-leitenden Halbleiter und die Elektroden 2 aus einem η-leitenden Halbleiter bestehen, ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Spannungsquelle mit ihrem negativen Anschluß mit dem Substrat 1 und mit ihrem positiven Anschluß mit jeder Elektrode 2 verbunden, so daß eine Sperrvorspannung zwischen dem Substrat 1 und jeder Elektrode 2 angelegt wird.

Um die Diodenelemente 3 zu betreiben, werden die Halbleiterschichten 3a und 3b in Vorwärtsrichtung vorgespannt was durch Anlage einer Spannung zwischen den Elektroden 4 und 6 geschieht.

Die ersten Elektroden 2 sind auf diese Weise elektrisch voneinander isoliert. Daher wird Licht nur von dem lichtemittierenden Diodenelement abges'rahlt, welches an einem Kreuzungspunkt liegt, wo die ausgewählte Elektrode 2 sich mit der Leitung 5 kreuzt. Selbstverständlich können auch mehrere Diodenelemente gleichzeitig angesteuert werden.

Die F i g. 3 zeigt eine Schaltung, bei der sowohl die elektrische Isolierung als auch die Ansteuerung der lichtemittierenden Diodenelemente mit einer einzigen Spannungsquelle vorgenommen wird.

Wie in F i g. 3 dargestellt ist, ist jede Anode der lichtemittierenden Diodenelemente 31, 32, 33, 34, ... über einen Schutzwiderstand Ra und je einen Schalter Sa I₁ Sa 2,..., die in Reihe geschaltet sind, mit dem positiven Anschluß einer Spannungsquelle 13 verbunden. Die ersten Elektroden 2 sind mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle 13 jeweils über einen Widerstand Rc verbunden. Zusätzlich ist jede Elektrode 2 einzeln mit dem negativen Anschluß der Spannungsquelle 13 durch jeweils einen Schalter Sei, Sc2, .. . verbindbar. Der negative Anschluß der Spannungsquelle 13 ist ferner mit dem Substrat über die dritte Elektrode verbunden.

Bei der beschriebenen Schaltung wird die Spannungsquelle 13 zwischen den ersten Elektroden 2 und dem Substrat 1 über die Widerstände Rc in Richtung einer

ίο Sperrvorspannung angelegt Daher ist das Substrat 1 elektrisch von den ersten Elektroden 2 isoliert solange der Schalter Sc offengehalten wird, so daß auch die Elektroden 2 voneinander isoliert gehalten werden.

Wenn die Schalter Sa 1 und Sc 1 geschlossen werden, um zu bewirken, daß das lichtemittierende Diodenelement 3i Licht abstrahlt wird die erste Elektrode 2, auf der das lichtemittierende Diodenelement 31 ausgebildet ist elektrisch mit dem Substrat 1 durch den Schalter Sc 1 verbunden, während eine Sperrvorspannung zwisehen den anderen ersten Elektroden 2 und dem Substrat 1 durch die Spannungsquelle 13 aufrechterhalten wird. Daher wird die spezielle erste Elektrode 2, die durch Schließen des Schalters Sc 1 ausgewählt worden ist von den anderen ersten Elektroden 2 isoliert gehalten.

Durch Schließen des Schalters Sc 1 wird die Kathode des Diodenelementes 31 elektrisch mit dem negativen Anschluß der Spannungsquelle 13 verbunden. Zusätzlich wird durch Schließen des Schalters Sa 1 die Anode des Diodenelements 31 über den Widerstand Ra elektrisch mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle 13 verbunden. Daher ist nur das Diodenelement 31 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so daß nur dieses Licht abstrahlt

Bei der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Anordnung kann eine Art Übersprechen stattfinden, indem das von dem angesteuerten Diodenelement 3 emittierte Licht in die anderen Diodenelemente 3 eintritt, die kein Licht emittieren, so daß die letzteren so aussehen, als wurden sie ebenfalls Licht emittieren. Um diese Art von Übersprechen zu verhindern, kann der Zwischenraum zwischen den lichtemittierenden Diodenelementen 3 mit einem optisch undurchlässigen, isolierenden Material ausgefüllt werden, wie dies die Anordnung nach den F i g. 4 und 5 zeigt. Wenn der Zwischenraum mit einem solchen isolierenden Material bis zu einem Niveau in Höhe der oberen Oberfläche der Diodenelemente 3 ausgefüllt ist, und damit eine flache Oberfläche bildet, wird es möglich, die Leitungen 5 mit den Elektroden 4 auf der Halbleiterschicht 3b der jeweiligen Diodenelemente beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum zu verbinden.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung wird ein η-leitender Halbleiter als erste Elektrode 2 des Diodenelements 3 verwendet, wenn ein p-leitendes Substrat 1 verwendet wird. Wenn nun eine große Zahl von Diodenelementen 3 benötigt wird, und daher die erste Elektrode 2 lang sein muß, wird der Spannungsabfall an einem Punkt, der einen großen Abstand von dem mit der Stromversorgung verbundenen Bereich 6 hat, an dem die Spannung an die erste Elektrode 2 angelegt wird, groß. Daher ist die an den einzelnen Diodenelementen 3 anliegende Spannung unterschiedlich, so daß auch du.- Leuchtstärke von verschiedenen Diodenelementen unterschiedlich ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann ein gut leitendes Material, beispielsweise Metall, entlang der Halbleiterschicht abgeschieden werden, wie es bei der in den F i g. 4 und 5 gezeigten Anord-

nung der Fall ist.

Wie bei der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Anordnung wird bei der in den F i g. 4 und 5 gezeigten Anordnung ein p-leitendes Siliciumsubstrat 1 verwendet, auf dem die lichtemittierenden Diodenelemente in Form einer Matrix angeordnet sind.

Die ersten Elektroden 2 enthalten η+-leitende Halbleiterschichten 22, die in vorgegebenen Bereichen des Substrats 1 in der Form von Streifen angeordnet und durch Dotieren von Silicium mit Verunreinigungen, beispielsweise P und Sb (die Dongtoren bilden, wenn sie in Silicium enthalten sind), in einer hohen Konzentration durch selektive Diffusion unter Wärmeeinwirkung ausgebildet sind. Ein erster isolierender Film 40 ist auf dem Substrat 1 in Form von Streifen angeordnet, so daß er jeweils zwei nebeneinanderliegende Halbleiterschichten 22 teilweise überdecken kann. Die ersten Elektroden 2 enthalten zusätzlich zu den Halbleiterschichten 22 Leiterschichten 41. Diese Leiterschichten 41 sind auf dem Substrat 1 derart angeordnet daß sie von dem Substrat 1 durch die Streifen des ersten, isolierenden Films 40 isoliert sind und in ohmschem Kontakt mit den Halbleiterschichten 22 stehen.

Erste Halbleiterdünnschichten 3a sind auf den Halbleiterschichten 22 durch epitaxiales Aufwachsen von nleitendem GaP ausgebildet. Die Halbleiterdünnschichten 3a sind beispielsweise runde Flächen. Ein zweiter isolierender Film 42 ist so angeordnet, daß er den Umfang jeder Halbleiterdünnschicht 3a umgibt. In dem Teil der oberen Oberfläche jeder Halbleiterdunn^chicht 3a, wo der zweite isolierende Film 42 nicht ausgebildet ist, ist eine zweite Halbleiterdünnschicht 3d durch epitaxiales Wachstum von p-leitendem GaP ausgebildet, die einen pn-Übergang mit der Halbleiterdünnschicht 3a bildet Daher bilden die Halbleiterdünnschichten 3a und 3d jeweils ein lichtemittierendes Diodenelement 3.

Zweite Elektroden 4 mit vorgegebenen öffnungen sind auf dem zweiten isolierenden Film 42 unter rechten Winkeln zu den ersten Elektroden 2 so angeordnet daß sie in ohmschem Kontakt mit den Halbleiterdünnschichten 3d stehen. Ein dritte Elektrode 8 für einen ohmschen Kontakt ist auf der Rückseite des Substrats 1 vorgesehen. Außerdem sind Leitungen (nicht gezeigt) mit den Leiterschichten 41 und den Elektroden 4 und 8 verbunden.

Bei der in den F i g. 4 und 5 gezeigten Anordnung sind die Leiterschichten 41 auf jeder Halbleiterschicht 22 über deren gesamter Länge angeordnet so daß die ersten Elektroden 2 über ihrer gesamten Länge auf einem gleichmäßigen Potential gehalten werden.

Bei den beschriebenen Anordnungen sind die Diodenelemente matrixartig angeordnet Es können aber auch segmentförmige, lichtemittierende Diodenelemente auf dem Substrat in der Form der Ziffer »8« angeordnet werden, um Zahlen anzuzeigen.

Bei der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung mit lichtemittierenden Diodenelementen wird die elektrische Isolierung der Diodenelemente voneinander durch eine Schaltung erzielt die eine Sperrvorspannung zwischen der ersten Elektrode und dem Substrat anlegt was mühsame Verfahrensschritte bei der Herstellung, wie Ätzen und Zerteilen, überflüssig macht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Leuchtdioden-Anzeigeeinrichtung

— mit einem Halbleiter-Substrat (1) eines ersten Leitungstyps mit daran ausgebildeten ersten Elektroden (2), die zumindest Halbleiterbereiche des zweiten Leitungstyps umfassen,

— mit ersten Halbleiterdünnschichten (3a) vom zweiten Leitungstyp, die auf den ersten Elektroden (2) ausgebildet sind,

— mit zweiten Halbleiterdünnschichten (3b) vom ersten Leitungstyp, die jeweils auf den ersten Halbleiterdünnschichten (3a) ausgebildet sind und jeweils einen elektrolumineszierenden pn-Obergang mit den ersten Halbleiterdünnschichten (3a^ bilden,

— mit zweiten Elektroden (4), die jeweils auf den zweiten Halbleiterdünnschichten (3b) ausgebildet sind, und

— mit einer Stromversorgungsschaltung mit einer Spannungsquelle (13), die wahlweise eine Betriebsspannung zwischen den ersten und den zweiten Elektroden (2 bzw. 4) erzeugt, um die elektrolumineszierenden Obergänge anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Pol der Spannungsquelle (13) einerseits mit den ersten Elektroden (2) über jeweils einen Schalter (Sc 1, 5c 2) und andererseits mit einer mit dem Substrat (1) verbundenen dritten Elektrode (8) in Verbindung steht, und daß der andere Pol der Spannungsquelle (13) einerseits jeweils über einen Widerstand (Rc) mit den ersten Elektroden (2) und andererseits über jeweils eine Reihenschaltung aus einem weiteren Schalter (Sa 1, Sa 2) und einem Widerstand (Äa^mit den zweiten Elektroden (4) in Verbindung steht.