DE3138804A1 - Halbleiteranordnung mit lokalisierten elektrolumineszierenden dioden - Google Patents
Halbleiteranordnung mit lokalisierten elektrolumineszierenden diodenInfo
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Description
"Halbleiteranordnung mit lokalisierter» e.l elektrolumineszierend
en Dioden".
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, die auf einem Halbleitersubstrat von '
einem ersten Leitungstyp mit einer Vie 1 zahl elektrolumineszierender
Dioden versehen ist, die in Zeilen und Spalten angeordnet und aus einem Gebilde mindestens einer ersten,
flachen Schicht.von einem zweiten dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp und einer diese Schicht.bedeckenden
zweiten ebenfalls flachen, --je'doch den gleichen
Leitungstyp wie das Substrat aufweisenden Schicht erhalten
sind, wobei die genannte erste Schicht mit der zweiten Schicht einen ersten pn-Ubergang mit elektrolumineszierenden
Eigenschaften und mit dem Substrat einen zweiten pn-Ubergang mit isolierenden Eigenschaften bildet, und wobei
die genannten Dioden mit an einer Oberfläche, der Anordnung liegenden Verbindungsleitern verbunden sind, die mit jeder
der genannten Schichten in Kontakt stehen.
Die elektrolumineszierenden Elemente werden oft·
in Gruppen verwendet, die Matrizen von Punkten in einer meistens gemäss: XY-Koordinaten gruppierten Anordnung bilden.
Diese Elemente sind im allgemeinen Dioden mit einem pn-Homoiibergang
oder pn-Heteroübergang, aber die genannten
Elemente werden nachstehend, ungeachtet des verwendeten Typs, mit der allgemeinen Bezeichnung "Dioden" angedeutet.
Es hat sich als besonders interessant erwiesen, diese el.ektrolumineszierenden Matrizen in· einer monolithischen
Form mit Mindestabmessungen herzustellen, aber
ihre Anwendung bringt dann eine bestimmte Anzahl Schwierigkeiten mit sich.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen müssen nämlich die elektrolumineszierenden Dioden, die eine Matrix bilden,
in einer grossen Anzahl auf einer kleinen Oberfläche angebracht und muss die Strahlungsemission jeder dieser Dioden
ausserdem in einer praktisch punktförmigen Zone lokalisiert
PHF 80.579· · . · <^ 8-9-1981
werden, die den Abmessungen der gegenüberliegenden Empfänger
angepasst ist.· Andererseits ist es zur Verbesserung der Ansprechgeschwindigkeit der genannten Dioden bekannt, die
Kapazität der Übergänge durch eine Verkleinerung der Oberfläche derselben herabzusetzen.
Diese verschiedenen Anforderungen führen "also zu
der Herstellung von Matrizen, deren wirksame Elemente (elektroluminszierende
Dioden) und wirksame Elemente (Anschlüsse . der Zeilen und/oder Spalten) einander sehr nahe liegen.
Unter diesen Bedingungen lässt sich eine.befriedigende Isolierung
zwischen den genannten Elementen oft schwer durchführen und kann nur einerseits durch eine genaue Begrenzung,
des Musters jedes dieser Elemente und andererseits durch . eine gute Homogenität' der diese Elemente voneinander tren-■15
nenden Isolierschichten erhalten werden.
Die Lokalisierung der Dioden in einer Scheibe aus einem bestimmten Halbleitermaterial wird nun im allgemeinen
durch eine 'Diffusionsbearbeitung erhalten, der das Photoätzen einer- Isolierschicht, die das genannte Material
20. bedeckt, vorangeht.
Diese Photoätzbearbeitung,. bei der chemische Verfahren benutzt werden, führt oft einen seitlichen Angriff
der zu bearbeitenden Isolierschicht und manchmal parasitäre transversale Angriffe derselben Schicht herbei, wenn die
2-5 Photoätzmaske nicht" völlig homogen ist. Diese Nachteile können dann zu Kurzschlüssen zwischen wirksamen oder unwirksamenElementen
beim Niederschlagen der Metallschichten für' den Kontaktanschluss führen.
Weiter nimmt die Lokalisierung rLer Diode eine
grosse Oberfläche der Scheibe in Anspruch; weil die Diffusion isotrop ist, ist ja die Breite der Isolierwände, die
die genannten Dioden voneinander trennen, praktisch gleich dem Zweifachen der -Diffusionstiefe.
Die bisher bekannten Lösungen zur Beseitigung dieser .Nachteile und zum Erhalten einer befriedigende -Lo-'knlisier-ung
haben immer zu der Vergrösserung der Anzahl von Bearbeitungen" zum Ätzen u:id Niederschlagen von Oxidschichten
oder .Metallschichten geführt. Diese Bearbeitungen- bleiben
PHF 80.579 ■■''■€ ' ' ' ' 8-9-1981
alle verwickelt und somit aufwendig und sind kostspielig:
Es sei bemerkt, dass aus diesem Grunde die'. Anwendung der
Matrizen nahezu nicht zugenommen hat. · ■
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine '
kompakte Matrix elektrolumineszierender Dioden zu schaffen, die ' sich einfach und schnell herstellen lässt.
Eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung, die auf einem Halbleitersubstrat von einem ersten Leitungstyp
mit einer Vielzahl lokalisierter Leuchtdi.oden versehen ist, die in Zeilen und Spalten angeordnet und aus einem Gebilde
mindestens einer ersten flachen Schicht von einem zweiten
dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp und einer diese Schicht bedeckenden zweiten ebenfalls flachen
Schicht, jedoch vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat erhalten sind, wobei die genannte erste Schicht mit der
zweiten Schicht einen ersten pn-Ubergang mit- elektrolumineszierenden
Eigenschaften und mit dem Substrat einen zweiten pn-übergang mit isolierenden Eigenschaften bildet, und wobei
die genannten Dioden mit an einer Oberfläche .der An-Ordnung liegenden Verbindungsleitern versehen sind, die mit
jeder der genannten Schichten in Kontakt stehen, ist nämlich dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolumineszierenden
Dioden von halbisolierenden Gebieten umgeben sind, deren Dicke mindestens gleich der Summe der Dicken ,der genannten'
Schichten ist, und dass die Verbindungsieiter an der Oberfläche im wesentlichen über den genannten halbisolierenden
Gebieten liegen. .
Ein halbisolierendes Material ist derart bearbeitet, dass ein sehr hoher spezifischer Widerstand erhalten
ist, der grosser als der spezifische Widerstand des nicht bearbeiteten Materials der angrenzenden Gebiete ist, damit
h 6 8'
Werte von mindestens 10 und vorzugsweise 10 bis 10 jfl /cm
erhalten werden. .
Unter diesen Bedingungen sind vom optischen Steindpunkt
die elektrolumineszierenden Dioden"befriedigend lokalisiert
und sie können vom elektrischen Standpunkt seitlich auf einfache Welse gegeneinander isoliert werden.
Die halbisolierenden Gebiete weisen übrigens einen
PHF 80.579 ' ^f 8-9-1981
genügenden spezifischen "Widerstand auf, damit die Oberfläeisenverbindungen
unmittelbar ohne Gefahr vor Kurzschlüssen
mit den wirksamen .Teilen der darunterliegenden Schichten niedergeschlagen werden können.
■ Der zweite- pn-übergang, der unter der· elektro-
lumineszierenden Diode liegt, bietet den Vorteil, dass er in der Querrichtung die elektrische Isolierung der Dioden
ermöglicht. .
So bildet die Anordnung nach der Erfindung eine Matrix "elektrolumineszierender Dioden mit praktisch punkt-.förmiger
Emission, die völlig gegeneinander isoliert sind und als ein Ganzes erregt werden können.
Der grösste Teil der Verbindungsleiter ruht auf den halbisolierenden Gebieten und ist gegen die angrenzenden
Elemente in genügendem Masse isoliert: Nur die Gebiete der genannten Verbindungen, die über anderen Verbindungen
liegen, müssen von den letzteren durch eine weitere Isolierschicht
getrennt werden. " ...
Durch diese Vereinfachung der Isolierprobleme
wird in' erheblichem Masse die Anwendung des Verfahrens zur . Herstellung der Anordnung nach der Erfindung verbessert;
bei dieser Anwendung werden übri gens nur übliche Mittel
für die.Epitaxie, · Diffusion, Implantation, Ablagerung und
·■' Photo ätzung benutzt.
Vorteilhafterweise bestehen die erste und die
zweite Schicht, die den ersten pn-übergang mit elektrolumineszlerenden
Eigenschaften bilden, aus demselben Materal . ■ oder aus Materialien mit demselben Gitterabstand, wodurch
die Spannungen und die Versetzungen infolge eines heterogenen
Charakters des Materials beseitigt werden.
Wenn das Substrat aus GaAs besteht, werden die genannten Schichten vorzugsweise entweder aus derselben
Verbindung oder aus Ga1 Al As mit demselben Gitterabstand
•'hergestellt.
" "■ .-Wenn, das Substrat aus GaP besteht, wird vorzugs-... weise die Homoepitaxie GaP/GaP angewendet. Wenn GaAs _P
" "■ .-Wenn, das Substrat aus GaP besteht, wird vorzugs-... weise die Homoepitaxie GaP/GaP angewendet. Wenn GaAs _P
■ . t , I -x x
•benutzt werden soll, wobei der Gitterabstand von dem von - GaP/verschieden ist, ist es tatsächlich notwendig, die
PHF 80.579 Sr -'.'■■ 8-9-1981 ' ■"... j
Pil ff er schicht mit einer sich allmählich ändernden Zusammensetzung
zwischen dem. Substrat und der 'ersten auf dem Sub-,
strat niedergeschlagenen Schicht anzubringen. ' · :
Vorteilhafterveise werden die Gebiete, die "die
Ausdehnung der genannten elektrolumineszierenden Dioden be- i schränken, durch Implantation von Ionen und insbesondere · '
von Protonen über die in einer Maske aus Polyimid ange- ■ j
brachten Öffnungen halbisolierend gemacht.' " .S
Es ist nämlich bekannt, dass mittels der Implantation von Ionen geeigneter Art und Energie und in richtigen
Dosen ein Gebiet aus Halbleitermaterial in ein halbisolierendes Gebiet dadurch umgewandelt werden kann, dass
Gitterfehler gebildet werden, die die Konzentration an ■ freien Ladungsträgern im Material erheblich herabsetzen,
' Eine Ausführungsform·der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie- ·
ben. Es zeigen: . . \
Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht
der Anordnung nach der- Erfindung, und
20. Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II durch dieselbe Anordnung. .
Es sei bemerkt, dass in den Figuren die geome- ·
irischen Verhältnisse nicht berücksichtigt sind; alle Ab- ■
messungen, insbesondere die Dickenabmessungen, sind der - . ,
Deutlichkeit halber nämlich übertrieben gross dargestellt. ' '
Nach den Figuren 1 und 2 ist die Anordnung gemäss ■ <
der Erfindung mit einem Substrat 1 versehen, auf dem nacheinander die epitaktischen Schichten 2 und 3 niedergeschla— gen
sind. Das Substrat 1 weist einen ersten Leitungstyp, z.B. den η-Typ, auf. Die erste flache epitaktische Schicht
- 2, die auf der Oberfläche des genannten Substrats niedergeschlagen ist, weist einen zweiten dem ersten entgegengesetzten
Leitungstyp, also den p-Typ, auf, während die '. zweite Schicht 3 den η-Typ aufweist.
Um die genannte Schicht 2 von der Oberfläche der Anordnung her zu erreichen, sind Inseln k vom p. -Typ gebildet,
die so die Kontaktelektroden bilden. Gegebenenfalls
können Inseln H- vom η —Typ gebildet werden, die mit der
■ · OÜ'Ü.'^'O I 313880V
PHF 80.579 £" "* 8-9-1981
Schicht 3 in Kontakt stehen.
Die Schichten 2 und 3 bilden einen pn-übergang
mit'elektrolumineszierenden Eigenschaften J und die Schicht
2 bildet mit dem Substrat 1 einen pn-übergang mit isolierenden Eigenschaften J_. Die genannten Schichten 2 und 3
sind in eine Reihe unabhängiger Elemente durch halbisolieren'de.
Inseln 5 unterteilt, um eine Vielzahl elektrolumineszierender Dioden (j , J1 1O ···) zu bilden, die seitlich
durch die genannten Inseln 5 und in der Querrichtung durch
.•IQ den übergang J? gegeneinander isoliert sind, der ebenfalls
■ in eine Reihe unabhängiger Elemente («J , J22' ···) den
genannten Dioden gegenüber unterteilt ist.
Um die Lokalisierung der elektrolumineszierenden Dioden sicher zu stellen, ist die Tiefe der Inseln 5 min—
15·· destens gleich der Summe der Dicken der Schichten 2 und 3 j
aber vorzugsweise ist sie grosser.
An der Oberfläche der halbisolierenden Inseln sind die Verbiridungsgitter 6 und 7 gemäss einem praktisch
orthogonalen Muster angebracht, wobei die genannten Verbindungen 6 und 7 an ihren Kreuzungspunkten gegeneinander
durch eine Isolierschicht 8, z.B. aus SiOp, isoliert sind.
Um die Grosse etwaiger Leckströme an der Oberfläche zu beschränken, kann die Isolierung der genannten
■ Verbindungsgitter 6 und 7 vorteilhafterweise durch das
'25 Vorhändensein dielektrischer Unterschichten (SiOp, Si NY),
die in den Figuren nicht dargestellt sind, verbessert werden.· "
'. " Zum Erhalten dieser Anordnung wird von dem Substrat 1 aus einer Verbindung, die mindestens ein Element
•30- der Spalte 3 und mindestens ein Element der Spalte 5, wie
Galliumarsenid (GaAs), z.B. vom n-Typ, des periodischen
Systems von Elementen enthält, ausgegangen..
Dieses Substrat ist mit einer ersten Schicht 2 aps 'Galliumaluminiumarsenid (Ga1 Al As) überzogen, die
durch Epitaxie niedergeschlagen und mit Zink dotiert ist, 'um den p-LextungstyV zu erhalten, der dem Leitungstyp des
Substrats 1- (dem*p-Yyp) entgegengesetzt ist, wonach das
-Substrat mit einer ,zweiten Schicht 3, ebenfalls als Gallium-
■ . ι
- ■.-■■ . ■ · ■ ■ -. . , ι
. "0:U-U-^-V/-.Ί. ' ·* 3138804 ":' . : j
PHF 80.579 · ?"ä- ·■ ·' 8-9-198" 1
aluminiumarsenid (Ga Al As), jedoch, vom ersten (n-)Lei- ·. . r
tungstyp, überzogen wird. ' ·■ ' ■
· · Auf der Aus senf lache der Schicht 3 "ist eine dünne ■ ;
Isolierschicht aus Siliciumnitrid niedergeschlagen, die ·. . :
nicht in der Zeichnung dargestellt ist und die dann einer ·. . Photoätzbearbeitung unterworfen wird, wonach in den Offnungen
dieser Schicht durch Diffusion von Zinkverunreini-·
• i gungen die Inseln ^f gebildet werden, die die1 Kontaktelek- i
•V \ . . ι
troden bilden.
Nach Entfernung dieser Isolierschicht durch Ätzen wird eine Harzmaske niedergeschlagen, die für den vorgenom- ;
menen Ionenbeschuss undurchdringlich ist. Diese Maske besteht z.B. aus einem Polyimidfilm, der über eine andere Maske
geätzt ist·, die durch· das Niederschlagen einer geeigneten
phot ο empfindlichen Schicht erhalten, ist. Die -Polyimidharz- ' i
maske weist eine Reihe rechteckiger paralleler Offnungen j
in einer bestimmten Richtung und eine andere Reihe von Offnungen
auf, die ebenfalls rechteckig und parallel sind, aber in einer Richtung, die zu der·vorhergehenden Richtung
nahezu senkrecht ist, so dass eine Viel'zahl quadratischer oder rechteckiger Zonen begrenzt wird, die für den Ionenbeschuss
undurchdringlich sind; die Offnungen in der Maske entsprechen der Oberfläche der halbisolierenden tiefen Gebiete,
die erhalten werden sollen,
Die Harzmaske kann gegebenenfalls durch eine Metallmaske,
insbesondere durch eine 'Goldmaske, ersetzt werden. ' .-..'.
Das Substrat 1 und die Schichten 2 und 3» die
dieses Substrat bedecken, werden dann einem Protonenbeschuss, z.B. senkrecht zu der Oberfläche der genannten
Schichten, unterworfen. Die durch die Protonen hervorgerufenen Fehler des Kristallgitters führen eine sehr' starke
Erhöhung des spezifischen Widertandes der gebildeten Gebiete
5 herbei, wobei diese Gebiete von diesem Zeitpunkt an die Eigenschaften eines Isoliermaterials aufweisen.
Nach Entfernung der Polyimidmaske kann mit Hilfe einer ersten Metallschicht, die auf der Oberfläche der
Schicht 3 niedergeschlagen und dann einer Photoätzbearbei-
PHF 80.579 XiA 8-9-1981
tung unterworfen wird, das erste Verbindungsgitter 6 hergestellt werden. Nachdem auf diesem Gitter 6 eine Isolierschicht
8, z.B.· aus SiO?, niedergeschlagen und einer Photoätzbearbeitung
unterworfen worden ist, wird eine zweite ■ Metallschicht niedergeschlagen, die, nachdem sie einer
Photoätzbearbeitung unterworfen worden ist, das zweite Verbindungsgitter 7 bildet, das gegen.das erste Gitter 6 wenigstens"
auf dem Pegel der Kreuzungspunlcte durch die genannte
Schicht 8 isoliert ist. ' :;""'.'.-.
Nach der-TDrfindung■ vird die Phot ο ätzmaske zum
' Erhalten der Verbindungsgitter 6 und 7 derart hergestellt,
dass-die genannten Verbindungen im -wesentlichen auf der
Oberfläche der hal-bis ο Ii er enden Gebiete 5^niedergeschlagen
werden. ' :-.".."■■-■
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHEj■* .-K CLAIMS ΊΛ J · Halbleiteranordnung, die auf einem Halbleitersubstrat·(i) von einem ersten Leitungstyp mit einer Vielzahl lokalisierter el ektrolurnine szi er ender Dioden (J1 , J-? ...) verseilen ist, die in Zeilen und Spalten angeordnet und aus einem Gebilde mindestens einer ersten flachen Schicht 2 von einem zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitungstyp und einer diese Schicht bedeckenden zweiten ebenfalls flachen, aber den gleichen Leitungstyp wie das Substrat (i) aufweisenden Schicht (3) erhalten sind, wobei die genannte
erste Schicht (2) mit der zweiten Schicht (3) einen ersten pn-übergang mit elektrolumineszierenden Eigenschaften (J1) und mit dem Substrat (1) einen zweiten pn-Ubergang mit isolierenden· Eigenschaf ten (J?) bildet, und wobei die genannten Dioden (J11J J12 ···) m^-^ Verbindungsleitern (6, 7') verbunden sind, die an der Oberfläche der genannten Anordnung liegen und mit jeder der genannten Schichten (2 und 3) in
Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die. elektrolumineszierenden Dioden von halbisolierenden Gebieten (5)
umgeben sind, deren Dicke mindestens gl.eich der Summe der
Dicken der genannten Schichten (2 und 3) ist, und dass die Verbindungsleiter (6,' 7) an der Obe.rflache im wesentlichen über den genannten halbisolierenden.Gebieten (5) liegen.2. Anordnung nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schicht (2, 3)s die den ersten pn-Ubergang mit elektrolumineszierenden Eigenschaften (J1) bilden, aus demselben Material bestehen.3, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass die erste und die zweite Schicht (2 und 3)» die einen ersten pn-übergang mit elektrolumineszierenden Eigenschaften (J1) bilden, aus Materialien mit demselben Gitterabstand
bestehen.k. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweitePHF 80.579 ' <$· 8-9-1981Schicht (2, 3)) die einen ersten pn-übergang "mit elektrolutnineszierenden Eigenschaften. (J1) bilden, aus einem- Mate-• rial mit einem von dem des Materials des Substrats verschiedenen Gitterabstand bestehen, und dass zwischen dem . Substrat und der genannten ersten flachen Schicht eine Schicht mit einem allmählich angepassten Gitterabstand •niedergeschlagen ist.5. Anordnung nach"Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet·, dass das Substrat (1) aus Galliumarsenid be-.10 steht, und dass die Schichten (2, 3)5 die es bedecken, ausder durch Galliumarsenid und Galliumaluminiumarsenid ge-. bildeten Gruppe gewählt sind.6. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet-, dass das Substrat (i) und die Schichten (2, -3)» die es bedecken, aus Galliumphosphid (GaP) bestehen. 7· Anordnung: nach Ansprüchen 1 und h-, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (i) aus Galliumphosphid (GaP) besteht,. und dass die Schichten (2, 3)» die.es bedecken, aus Galliumphosphidarsenid (GaAsP) bestehen.
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