DE3931262A1 - Monolithisch integrierte led-anordnung in zeilenform - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtemissionsdioden (LED)-Anord­ nung, bei der eine Vielzahl voneinander unabhängiger Licht­ emissionsdioden in Zeilenform Leuchtpunkte bildend in einem Halbleiterchip monolithisch integriert sind.

Bei einer ganzen Reihe von Leuchtdioden - bzw. Lichtemissions­ dioden (LED)-Anordnungen wird eine Vielzahl voneinander unabhän­ gigen Leuchtdioden in einem Chip integriert, wie z.B. bei 16- Segment-Anzeigen. Da jedes Element einzeln ansteuerbar sein muß, wird bekanntlich jedes Element bzw. Lichtemissionsdiode durch eine einzelne Drahtverbindung nach außen kontaktiert. Bei einer 16-Segment-Anzeige mit einem gemeinsamen Rückseitenkontakt be­ deutet das beispielsweise, daß 16 Drahtverbindungen als Vorder­ seitenkontakte nach außen geführt werden müssen.

Für Leuchtdiodenanordnungen in Zeilenform, beispielsweise für Druck mit Hilfe einer Photoleitertrommel nach dem Tonerprinzip, werden monolithische Anordnungen mit sehr vielen Lichtemissions­ dioden bzw. Leuchtpunkten, beispielsweise mit 128 oder 256 be­ nötigt. Dafür sind entsprechend viele, beispielsweise 128 oder 256 Drahtverbindungen nach außen nötig. Diese Vielzahl bringt das Problem einer geringen Ausbeute mit sich bzw. erfordert aufwendige Nacharbeit beim Kontaktieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine monolithisch integrierte LED-Anordnung in Zeilenform zu schaffen, die mit einer wesentlich geringeren Anzahl von Draht- bzw. Kontaktverbindungen zur Ansteuerung der Leuchtpunkte auskommt.

Diese Aufgabe wird bei einer Lichtemissionsdioden (LED) -Anord­ nung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leuchtpunkte durch die elektrischen Leitungen jeweils in Zeilengruppen und Spaltengruppen zusammengefaßt in Matrix­ form geschaltet und im Multiplexbetrieb ansteuerbar sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Anzahl der Kontakte dadurch reduziert wird, daß die Leuchtpunkte in Matrixform geschaltet sind und in einem Multiplexbetrieb angesteuert werden. Damit wird im günstigsten Fall einer quadratischen Anordnung bei N-Leuchtpunkten die An­ zahl der elektrischen Leitungen bzw. Verbindungen auf eine An­ zahl von 2 reduziert. Das sind bei den oben als Beispiel ge­ nannten 256 Leuchtpunkten dann nur noch 32 Verbindungsleitun­ gen die dann mit an sich bekannten Maßnahmen mit großer Aus­ beute kontaktiert werden können.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend mit weiteren Merkmalen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild einer Leuchtdioden-Matrix,

Fig. 2 ein Layout-Schema einer Leuchtdioden-Matrix,

Fig. 3 ein Verdrahtungs-Schema für die Schichtenfolge

Fig. 4 eine vereinfachte Schichtenfolge mit Mesa-Struktur und Verschaltung,

Fig. 5 eine integrierte Transistorenmatrix mit vorgeschal­ teten Leuchtdioden und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer LED-Anordnung für den Be­ trieb ohne zeitlichen Multiplex.

In Fig. 1 ist ein Schaltbild für die LED-Zeilenanordnung darge­ stellt. Die einzelnen Leuchtpunkte L sind nach dem an sich be­ kannten Prinzip einer Diodenmatrix geschaltet, und zwar in Spal­ tenleitungen S1 bis SN und Zeilenleitungen Z1 bis ZM. Das zuge­ hörige Schema eines Halbleiterchips mit Verdrahtung zeigt die Fig. 2. In dieser Matrix können jeweils nur die Leuchtdioden L der Zeile Z zum Leuchten gebracht werden, deren Potential durch einen Zeilenschalter z. B. auf einer negativen Spannung von -2 V gehalten wird. Die Leuchtdioden L, die leuchten sollen, wer­ den gleichzeitig oder nacheinander durch eine positive Spannung an den Spaltenleitungen S von z.B. +2 V aktiviert. Im Ruhezu­ stand sind die Dioden L in diesem Beispiel in Sperrichtung vor­ gespannt; halb ausgewählt auf der Spannung 0 Volt.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Layout-Schema sind die Leuchtdioden L der LED-Zeilenanordnung, die jeweils in einer Spaltenleitung S zusammengefaßt sind, zur besseren Übersicht rechteckig umran­ det. Dargestellt sind dabei die Spaltenleitungen Sl, S2 und SN und die Verdrahtung bzw. die Zeilenleitungen Z1, Z(M-1) und ZM.

Zur Realisierung der erfindungsgemäßen LED-Anordnung in Zeilen­ form mit Matrixschaltung der Leuchtdioden ist eine monolithi­ sche Integration in der sogenannten Standard-Rot-Technologie besonders geeignet. Dabei wird, wie in Fig. 3 dargestellt, eine semiisolierende GaAs-Scheibe als Substrat verwendet. In diese werden die Spaltenbereiche als N-leitendes GaAs durch eine ent­ sprechende Dotierung eingebracht. Dies kann in an sich bekann­ ter Weise durch eine maskierte Ionenimplanation mit Ausheilen oder eine ganzflächige Epitaxie, z. B. aus der Gasphase, erfol­ gen. Die Herstellung der Spaltenbereiche erfolgt dementspre­ chend als dotierte Bereiche im semiisolierenden Substrat oder - im Falle der Epitaxie - als ausgeätzte Mesa-Bereiche (Fig. 3). Darauf wird eine GaAs-Phosphid-Übergangsschicht und eine GaAs- Phosphid-Leuchtschicht aufgebracht. Dies erfolgt in an sich be­ kannter Weise durch Gasphasenepitaxie. Die leuchtende Fläche wird durch eine darin erzeugte P-Dotierung realisiert. Die Kon­ taktierung der P-Schicht und Verdrahtung auf der Oberfläche er­ folgt in der üblichen Metallschichtfolge mit einer Aluminium- oder Goldoberfläche. Ein Schema für die Verdrahtung zeigen die Fig. 3 und 4. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel un­ terscheidet sich gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel durch eine vereinfachte Schichtenfolge. Die Verdrahtung bzw. Kontaktierung der jeweils in Zeilen - oder Spaltengruppen zu­ sammengefaßten Leuchtdioden erfolgt über die Zeilenleitungen Z und die Spaltenleitungen S. Bei den in den Fig. 3 und 4 darge­ stellten Ausführungsbeispielen sind die Zeilenleitungen Z mit dem P-Gebiet, der jeweils zugeordneten Leuchtdiode und die Spal­ tenleitungen S mit dem N-Gebiet der jeweils zugeordneten Leucht­ diode kontaktiert bzw. elektrisch leitend verbunden.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine den die Leuchtpunkte L bildenden Lichtemissionsdioden vorgeschalte­ te Transistorenmatrix und stellt eine Alternative zu der Dioden­ matrix dar. Dabei werden die Transistoren T vorteilhaft als GaAs-Feldeffekt-Transistoren ausgebildet, die sich als MESFET z.B. in der Diom-Technologie auf semiisolierendem GaAs her­ stellen lassen.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß auch auf diese Weise die Anzahl der Kontaktierungen reduziert wird. Allerdings erfordert die Ansteuerung bzw. der Betrieb der Matrix in einem zeilenweisen bzw. spaltenweisen Multiplex einen höheren Aufwand. Der Nachteil dieses Multiplexbetriebes kann durch eine Anord­ nung mit einer MESFET-Decoderschaltung vermieden werden, die ebenfalls in Diom-Technologie auf semiisolierendem GaAs aufge­ baut werden kann. Das zugehörige Blockschaltbild ist in Fig. 6 dargestellt. Für N-Leuchtdioden L werden N-Treibertransistoren T und ca. 6×N bis 12×N -Logiktransistoren benötigt. Das ent­ spricht einer LSI-OEIC. Der Eingang für die Versorgungsspannung ist mit dem Bezugszeichen V versehen. TA ist der Eingang für die Taktsignale und C der Eingang für den Code mit N Bit für den Dekodierer mit seriellem Eingang bzw. für das N Bit S/P- Schieberegister (Schieberegister für N Bit zur Seriell/Parallel Umsetzung).

Claims (5)

1. Lichtemissionsdioden (LED)-Anordnung, bei der eine Vielzahl voneinander unabhängiger Lichtemissionsdioden in Zeilenform Leuchtpunkte bildend in einem Halbleiterchip monolithisch inte­ griert sind, die über elektrische Leitungen mit einer Ansteuer­ schaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtpunkte (L) durch die elektrischen Leitungen (S, Z) jeweils in Zeilengruppen und Spaltengruppen zusammengefaßt in Matrixform geschaltet und im Multiplexbetrieb ansteuerbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip aus einer semiisolierenden GaAs-Scheibe als Substrat besteht, in das die Spaltenbereiche als n-leiten­ des GaAs durch entsprechende Dotierung eingebracht sind, daß darauf eine GaAsP-Übergangsschicht aufgebracht und darin die leuchtende Fläche der Leuchtpunkte (L) durch p-Dotierung er­ zeugt ist, und daß die Kontaktierung der p-Schicht und Verdrah­ tung in Zeilengruppen auf der Oberfläche erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Leuchtpunkte (L) bildenden Lichtemissionsdioden einer integrierten Transistorenmatrix vorgeschaltet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorenmatrix aus GaAs-Feldeffekt-Transistoren besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren als MESFET in einem Halbleiterchip aus semiisolierenden GaAs als Substrat monolithisch integriert sind.