JPS6237554B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、製造工程の簡略化が図れて、安価に
製造できるマトリクス形の発光ダイオード表示装
置に関するものである。

半導体発光ダイオードを用いた表示装置として
は、従来より所定形状の複数個の発光ダイオード
のチツプを、一つの基板上に配列させた構造のハ
イブリツド形の表示装置と、一つの半導体結晶基
板中に必要とする発光ダイオード素子を作り込ん
だ構造のモノリシツク形の表示装置とが知られて
いる。

このうち、モノリシツク形の表示装置では、フ
オトエツチング技術等を用いて精緻な表示パター
ンを容易に形成でき、しかも同時に多数の発光領
域を形成することが可能であることから、量産に
適しており、さらに各発光領域での輝度のばらつ
きなどをほとんどなくすことができるために、ハ
ンデイタイプの電卓や腕時計のデイジタル表示
部、あるいは各種計測機器の表示部などに多く用
いられている。

ところで、このモノリシツク形の表示装置で
は、単一の半導体の基板中に形成される各発光ダ
イオード素子間の電気的及び光学的な分離を行う
必要があり、また分離された各発光ダイオード素
子に駆動電圧を供給するための電極及びリード線
の形成工程が必要となつている。

しかして、従来は発光ダイオード素子を分離す
る手段としてエツチングやダイシングによる分離
方法、あるいは一導電形の半導体基板の所定領域
に反対導電形の領域を形成する不純物を選択的に
拡散して、分離された発光ダイオード素子を作る
選択拡散法などが多く用いられている。

また、各発光ダイオード素子に電極を形成し、
さらにリード線を接続するには、蒸着法やワイヤ
ボンデイング法などが用いられており、現在実用
化されている多くの表示装置では、一般に一方の
電極を共通電極とし、他方の電極を独立させた構
造がとられている。

一方、近時表示装置が多様化し、発光ダイオー
ドを用いた表示装置にあつても、従来の数字表示
から各種の文字・図形などの複雑なパターン表示
が可能な表示装置が要求されるようになつてき
た。

さらに、従来の陰極線管に代わる小形・平面表
示装置として、この発光ダイオードを用いた表示
装置が一部では検討されている。

しかしながら、前述したように発光ダイオード
素子のそれぞれに形成した電極から、独立にリー
ド線を引出す構造では、配線構造がきわめて複雑
になり緻密なパターン表示を行わせる表示装置を
得ることは困難である。この種の表示装置では、
電極及びリード線をマトリクス状に形成し、この
マトリクスの交点に発光ダイオード素子が位置す
るようにした構造が適しており、従来より各種の
マトリクス形の表示装置が種々提案されている
が、従来のモノリシツク形の表示装置における発
光ダイオード素子の分離構造では、電極及びリー
ド線をマトリクス状に形成するのに十分適してい
るとはいえず、その形成工程が複雑化して表示装
置自体がきわめて高価になつてしまうという問題
点があつた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもの
であり、高品質で、しかも各製造工程での取扱い
が容易になるような規定形状のものが安価に得ら
れるSiやGeなどの族半導体材料やGaAsなどの
化合物半導体材料などを基板として用い、発光ダ
イオードに駆動電流を供給するための電極の一
部、あるいは電気的な分離帯となる拡散層を前記
基板の表裏を貫通して設けるという新たな構造を
とることにより、製造工程の簡略化や、緻密な表
示を行えるようにした発光ダイオード表示装置を
提供することを目的とするものである。

以下、図面を参照して本発明による発光ダイオ
ード表示装置の一実施例を説明する。

第１図は、本発明による発光ダイオード表示装
置の一実施例を示す一部破断斜視図、第２図は、
同実施例の要部断面図である。

ここで１は、例えばｐ形のSiからなる基板であ
り、この基板１の表裏面に絶縁材料からなる拡散
マスク２及び３を所定形状に被着する。この拡散
マスク２及び３は、例えば基板１の表裏面を高温
酸化性雰囲気にさらしてSiO₂膜を形成した後、
これを周知の写真食刻技術を用いて不要部分の
SiO₂膜を除去することにより、拡散マスク２及
び３を得ることができる。

また４は、前記拡散マスク２及び３により区画
されたストライプ状の開口部分から、Si中でドナ
ーとなる不純物、例えばＰ、Sb、Biなどの元素
を周知の熱拡散法や、イオン注入法などにより拡
散させて得た高不純物濃度の層（以下拡散層とい
う）であり、基板１の表裏面を貫通して設けられ
る。この拡散層４は、その下面が後述する裏面側
の電極に接触するとともに、表面には、発光ダイ
オード素子の一部となる半導体層がエピタキシヤ
ル成長されて、この半導体層に駆動電位を付与す
るための電極の一部となるように、ドナー不純物
を高濃度に拡散して低抵抗層としているものであ
る。

この場合、基板１が薄ければ、その表面、ある
いは裏面のいずれか一方から拡散を行うのみで基
板１の表裏を貫通する拡散層４が得られるが、比
較的厚い基板１を用いる場合は、図示するように
基板１の表裏面から拡散を行つて表裏面を貫通す
る拡散層４を形成する。

さらに５は、前記拡散層４の表面上にエピタキ
シヤル成長させたｎ形のGaP層５である。この
GaP層５は、周知の気相成長法、あるいは液相成
長法などによつても形成可能であるが、本発明者
は、クラスタイオンビーム蒸着法によつてGaP層
５を得た。

このクラスタイオンビーム蒸着法は、少なくと
も一個のノズルを有する密閉形の複数個のるつぼ
内に、化合物の成分元素、本実施例ではGaとＰ
とを各別に充てんし、さらにGaP中でドナーとな
る例えばＳを添加して加熱することによつて蒸気
化するとともに、この成分元素の蒸着を、るつぼ
内の蒸気の圧力よりも少なくとも1/100以下の圧
力の高真空領域内に噴出させることにより、噴出
時の断熱膨脹に基づく過冷却過程をへて、前記蒸
着物質の原子が100〜2000個程度のフアンデルワ
ールス力によりゆるく結合した塊状原子集団、い
わゆるクラスタが生成される。

しかして、前記蒸着物質のクラスタ中の少なく
とも一個の原子をイオン化し、電界により加速し
て適宜手段で加熱されている前記基板１の拡散マ
スク３により覆われていない表面に射突させるこ
とにより、GaP化合物半導体単結晶のエピタキシ
ヤル層が得られるものである。

この場合、クラスタイオンが基板１に射突する
ときに、その運動エネルギーが基板１の表面のス
パツタリングエネルギー、熱エネルギー、イオン
注入エネルギーなどに変換され、さらに、クラス
タイオンのもつ特有の表面マイグレーシヨン効果
などが加わり、良好なエピタキシヤル層が形成で
きるようになるのである。

さらに、前記ｎ形GaP層５上に、ｐ形のGaP層
６をエピタキシヤル成長させてｐ−ｎ接合７を形
成する。このGaP層６も、前記GaP層５と同様に
クラスタイオンビーム蒸着法により形成できるも
のである。

また、GaP層５及び６の成長時に、ドーパン
ト、例えばＳ及びZnとともにＯを添加すれば、
赤色発光の発光ダイオードが得られ、Ｎを添加す
れば、緑色発光の発光ダイオードが得られる。

８は、前記基板１の裏面に被着されている拡散
マスク２を電気的絶縁層として、第１図に示すよ
うに拡散層４に沿つてＸ方向に被着された裏面側
の電極であり、９は、前記GaP層６上に形成さ
れ、このGaP層６にオーミツク接触する表面側の
電極である。

この電極９は、リード線１０により、前記電極
８と交差する方向、すなわち第１図に示すＹ方向
に沿つて各列ごとに共通に接続されるようにな
り、このリード線１０の端部がそれぞれ電極パツ
ド１２に接続される。この場合も前記拡散マスク
３が電気的な絶縁層となるので、前記リード線１
０を、例えば蒸着法などによつて、きわめて容易
に形成できるという利点が生ずる。また１３は、
前記拡散層４を介して前記電極８に電気的に導通
する電極８の電極パツドである。

しかして、第１図に示すように、Ｘ方向に電極
８を有し、Ｙ方向にリード線１０が形成されて、
両者の交点にｐ−ｎ接合７を有する発光ダイオー
ド素子１１が形成された表示装置が得られるよう
になるのである。

すなわち、上述した実施例では、基板１として
安価に入手できるSiを用い、この基板１の表裏面
を貫通してｎ形不純物を高濃度に拡散した拡散層
４を設け、この拡散層４を発光ダイオード素子１
１に駆動電流を供給するための電路の一部として
用いるとともに、また、拡散層４が形成されてい
ない基板１の部分を、各発光ダイオード素子１１
のＹ方向の電気的分離帯としているものである。

さらに、前記拡散層４を形成するのに用いた拡
散マスク２及び３はその後の工程で電極８の電気
的な絶縁層及びリード線１０の電気的な絶縁層と
しているものである。

したがつて、各発光ダイオード素子１１の分離
構造及び電極配置構造がきわめて簡略化され、容
易にマトリクス形の表示装置が得られるようにな
るものである。

また、基板１として用いているSiは、可視光に
対して不透明であるので、各発光ダイオード素子
１１の発光のにじみが少なく、鮮明な表示が得ら
れるようになる。

ところで、上述した実施例では、ｐ形のSi基板
１を用いて、この上に発光ダイオード素子１１を
形成した例について述べたが、基板１としてはｎ
形のSiを用いることもできる。

この場合の実施例を第３図に示す。

この第３図に示す実施例では、ｎ形のSiからな
る基板２１の裏面に、まず図示二点鎖線で示すよ
うに拡散マスク２２を形成し、この裏面側からSi
中でｐ形となる不純物、例えばＢを深く拡散した
ｐ形の拡散層２４を形成する。この拡散層２４
は、ｎ形の基板２１中に埋込まれて各ｎ形領域間
の電気的な絶縁を行う絶縁分離帯としての作用を
なすものである。

さらに２３は、前記拡散マスク２２の形成時に
同時に、あるいはその前後の工程で基板１の表面
に形成された絶縁マスクである。

しかして、この絶縁マスク２３により区画され
た基板１の開口部に、まずｎ形のGaP層２５を選
択的にエピタキシヤル成長させ、さらにその表面
にｐ形のGaP層２６をエピタキシヤル成長させて
ｐ−ｎ接合２７を有する発光ダイオード素子３１
を形成する。

一方２８は、前記拡散層２４の形成後の任意の
工程で前記拡散マスク２２を剥離し、露出した基
板１の裏面に被着した裏面側の電極であり、この
実施例では、基板１がｎ形の半導体であることか
ら、前記基板１とオーミツク接触をする材料、例
えばAu−Sb合金からなる電極を用いる。

さらに、２９は前記GaP層２６に対してオーミ
ツク接触をする表面側の電極、３０は、前記電極
２８と交差する方向に配列された各列の電極２９
に接続させたリード線である。

すなわち、この第二の実施例ではｎ形の基板２
１の表裏面を貫通するように電気的分離層となる
ｐ形の拡散層２４を設けた構造になるものであ
り、この第３図に示す構造によつても、きわめて
簡単で、電極及びリード線の形成が容易なマトリ
クス形の表示装置が得られるものである。

さらに、第４図に、本発明による第三の実施例
を示す。

この第４図に示す実施例は、基本的な構造にお
いては第１図に示す実施例と同一であるが、ｎ形
のGaP層５に対する電極の一部となる拡散層４の
形成を容易にするために、この拡散層４が形成さ
れる基板１の部分にエツチング加工により凹溝１
４を形成し、基板１の表面側からSi中でドナーと
なる不純物を高濃度に拡散し、拡散層４としてい
るものである。ここで凹溝１４の形状は、ストラ
イプ状に配設する溝形にするとか、あるいはマト
リクス状に配設する凹穴にするなど任意に選択形
成できるのはもちろんである。

その他の部分は、第１図に示す構造とほぼ同一
であるので、同一機能の部分には同一符号を付
し、説明は省略する。

また、上述した各実施例では、ｐ−ｎ接合７及
び２７を形成するのにｎ形のGaP層５及び２５上
に、ｐ形のGaP層６及び２６をエピタキシヤル成
長させてｐ−ｎ接合を得ているものであるが、こ
れはｎ形のGaP層５及び２５に対して、GaP中で
アクセプタとなる不純物、例えばZnを周知の方
法で選択的に拡散させてGaP層５及び２５中にｐ
形のGaP層を形成する、いわゆるプレーナ技術に
よつてｐ−ｎ接合を有する発光ダイオード素子を
形成するようにしてもよい。

また、第１図に示す実施例では、基板１のＸ方
向に沿つてストライプ状に形成された拡散層４の
全面にｎ形のGaP層をエピタキシヤル成長させる
ようにしているが、これは例えば、第５図に示す
ように、発光ダイオード素子１１となる部分のみ
に、ｎ形のGaP層５を選択的にエピタキシヤル成
長させ、その上にｐ形のGaP層６を成長させるよ
うにして、各発光ダイオード素子１１を完全に分
離した構造とすることもできる。

この第５図に示す構造では、材料のむだがなく
なるとともに、とくに、GaPの発光ダイオードで
問題となる光のにじみ現象も防止できるものであ
る。

すなわち、GaPのエネルギーギヤツプは室温で
約2.26eVと大きく、発光が結晶内で吸収される
ことが少ないため、駆動信号が与えられていない
発光ダイオード素子まで光が伝ぱんしてにじみが
生じやすいという問題があるが、第５図に示すよ
うに、不要部分のGaP層をなくすことにより、に
じみがなくなり高品質の表示が得られるという利
点が生ずる。

そのほか本発明は、上記し、かつ図面に示した
実施例に限定されるものではなく、例えば、基板
１としてSiのほかにGeなどの単元半導体材料や
GaAsなどの化合物半導体などの、可視光に対し
て不透明な半導体材料も用いることもでき、ま
た、基板上に成長させる発光ダイオード素子とし
てGaAs、GaAsP、GaAlAs、ZnSe等の化合物半
導体を用いることができるなど、形成すべき発光
ダイオード素子の半導体層よりもバンドギヤツプ
の小さな半導体を基板として用いることにより、
その要旨を変更しない範囲で種々変形して実施で
きるものである。

以上述べたように、本発明による発光ダイオー
ド表示装置は、一導電形の半導体からなる基板１
の表裏面を貫通してストライプ状に拡散層４を形
成させ、この拡散層４が形成された基板１の表面
に、基板１とは別部材のｐ層とｎ層よりなる発光
ダイオード素子１１部を形成させて表面側電極部
９を接続形成させるとともに前記基板１の下地面
と該下地面に直接形成される側の発光ダイオード
素子１１の半導体層とを同一導電形とし、他方上
記基板１の裏面における基板側には裏面側電極部
８を直接固着支持させて、上記基板１の拡散層４
あるいは基板のその他のストライプ部分を一方の
マトリクス電極の一部として用いる構造としたの
で、基板１の材料として、SiあるいはGeなどの
族半導体材料やGaAsなどの化合物半導体材料
を用いることが出来、その材料の範囲が拡大する
効果がある。また上記発光ダイオード素子部を駆
動する電極も、マトリクス電極の一部となる基板
１の表裏両面側に支持されて直接形成され、基板
１の厚さも十分厚くすることが出来、削り出し、
孔明け等の手間を要しないところから、取り扱い
並びに製作も容易となる効果がある。

また、本発明においては、前記基板１は、その
上に形成される発光ダイオード素子１１の半導体
層よりもバンドギヤツプの小さな半導体を用いて
いるので、点灯された発光ダイオード素子の光が
隣接する非点灯の発光ダイオード素子から漏れる
いわゆる光漏れの現象がなく、各発光ダイオード
素子間の光学的分離が有効確実に行い得る効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による発光ダイオード表示装
置の一実施例を示す一部を破断した要部斜視図、
第２図は、同実施例の一部を拡大して示す要部断
面図、第３図及び第４図は、本発明による発光ダ
イオード表示装置のそれぞれ異なる実施例を示す
要部断面図、第５図は、本発明の発光ダイオード
表示装置のさらに異なる実施例を示す要部斜視図
である。 １……基板、４……拡散層、５，６……GaP
層、７……Ｐ−ｎ接合、８，９……電極、１０…
…リード線、１１……発光ダイオード素子、１４
……溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 形成すべき発光ダイオード素子部１１の半導
   体層よりもバンドギヤツプの小さな一導電形の半
   導体からなる基板の表裏面を貫通してストライプ
   状に形成された反対導電形の拡散層と、この拡散
   層又はこの拡散層により区画された前記基板のい
   ずれか一方の表面を下地とし、この下地上に、所
   定の間隔をもつて前記基板とは別部材で、かつ前
   記下地と同一導電形の半導体層を形成するととも
   にその上に反対導電形の半導体層を形成してなる
   ｐ−ｎ接合を有する複数個の発光ダイオード素子
   部と、この発光ダイオード素子部が形成された前
   記拡散層の裏面又は拡散層によつて区画された前
   記基板の裏面における基板側に直接固着支持され
   て形成された裏面側の電極部と、前記発光ダイオ
   ード素子部上に形成された表面側の電極部と、前
   記各電極部に接続されるリード線部とを有する構
   成になる発光ダイオード表示装置。 ２ 前記基板は、前記拡散層が形成される部分に
   凹溝部が設けられた構成になる特許請求の範囲第
   １項記載の発光ダイオード表示装置。 ３ 前記表面側の電極部に接続するリード線部
   は、裏面側の電極部と交差する方向に配列された
   表面側の電極部を共通に接続する構成になる特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の発光ダイオー
   ド表示装置。