DE3931262A1 - Light emitting diodes in single row are integrated monolithically - by connecting them in matrix circuit of columns and rows reducing number of connections needed to outside - Google Patents

Light emitting diodes in single row are integrated monolithically - by connecting them in matrix circuit of columns and rows reducing number of connections needed to outside

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Abstract

Light emitting diodes (LED) which are aligned in a row and need to be individually controlled are integrated in a single semiconductor substrate. The substrate is connected with control circuitry in such a way that the LED are connected as a matrix and are operated in multiplex. The pref. diodes are formed on a semi-insulating GaAs substrate with the columns consisting of the n-GaAs contacts doped e.g. by implantation. On this a GaAsP-layer is deposited in which a p-type region is formed by doping which is the light source. The row-contacts are connected to the p-type regions. The wiring is carried out on the surface of the circuit. USE/ADVANTAGE - The advantages of the construction is the reduced number of connections which needs to be made to the outside. The matrix method reduces the quantity to the square root of the number of LED's. Using an integrated control chip reduces this even further. The construction is used in printers.

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.The invention relates to a light emission diode (LED) arrangement with a multitude of independent light Line-shaped emission diodes forming luminous dots in one Semiconductor chip are integrated monolithically.

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.With a whole range of light emitting diodes - or light emissions diode (LED) arrays will make a variety of independent common LEDs integrated in a chip, e.g. at 16- Segment ads. Since each element must be controllable individually, is known for each element or light emitting diode contacted a single wire connection to the outside. At a 16-segment display with a common rear contact this means for example that 16 wire connections as front side contacts must be led to the outside.

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.For light-emitting diode arrangements in line form, for example for Printing using a photoconductor drum based on the toner principle, become monolithic arrangements with a lot of light emission diodes or luminous dots, for example with 128 or 256 be compelled. There are a corresponding number, for example 128 or 256 wire connections to the outside are required. This variety brings the problem of low yield with or requires elaborate rework when contacting.

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.The object of the invention is to overcome these disadvantages avoid and a monolithically integrated LED arrangement in To create line form with a much smaller one Number of wire or contact connections to control the Illuminated dots get along.

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.This task is with a light emitting diode (LED) arrangement solution of the type mentioned in the present invention, that the light points through the electrical lines each  in row groups and column groups combined in matrix form switched and can be controlled in multiplex mode.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.Advantageous refinements or developments of the invention are subject to additional claims.

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.The advantages achieved with the invention are in particular in that the number of contacts is reduced by the fact that the illuminated dots are switched in matrix form and in one Multiplex operation can be controlled. This will be the cheapest In the case of a square arrangement with N luminous dots, the On Number of electrical lines or connections on one type number reduced by 2. These are ge as an example in the above named 256 luminous dots then only 32 connecting lines then with measures known per se with great out loot can be contacted.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend mit weiteren Merkmalen näher erläutert. Es zeigenBased on the embodiment shown in the figures of the drawing Rungsbeispielen the invention is below with others Features explained in more detail. Show it

Fig. 1 ein Schaltbild einer Leuchtdioden-Matrix, Fig. 1 is a circuit diagram of an LED-matrix,

Fig. 2 ein Layout-Schema einer Leuchtdioden-Matrix, Fig. 2 is a layout diagram of a light emitting diode matrix,

Fig. 3 ein Verdrahtungs-Schema für die Schichtenfolge FIG. 3 is a wiring diagram for the layer sequence

Fig. 4 eine vereinfachte Schichtenfolge mit Mesa-Struktur und Verschaltung, Fig. 4 is a simplified layer sequence with mesa structure and interconnection;

Fig. 5 eine integrierte Transistorenmatrix mit vorgeschal­ teten Leuchtdioden und Fig. 5 shows an integrated transistor matrix with upstream LEDs and

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer LED-Anordnung für den Be­ trieb ohne zeitlichen Multiplex. Fig. 6 is a block diagram of an LED arrangement for the operation without time multiplexing.

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.In Fig. 1 is a circuit diagram for the LED row arrangement Darge provides. The individual light points L are connected according to the known principle of a diode matrix, in column lines S 1 to SN and row lines Z 1 to ZM. The associated scheme of a semiconductor chip with wiring is shown in FIG . B. is kept at a negative voltage of -2 V. The light-emitting diodes L, which are to light up, are activated at the same time or in succession by a positive voltage on the column lines S of, for example, +2 V. At rest, the diodes L are biased in the reverse direction in this example; half selected on the voltage 0 volts.

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.In the layout scheme shown in FIG. 2, the light-emitting diodes L of the LED row arrangement, which are each combined in a column line S, are rectangularly bordered for a better overview. The column lines Sl, S 2 and SN and the wiring or row lines Z 1 , Z (M-1) and ZM are shown.

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.A monolithic integration in the so-called standard red technology is particularly suitable for realizing the LED arrangement according to the invention in line form with matrix switching of the light-emitting diodes. As shown in FIG. 3, a semi-insulating GaAs wafer is used as the substrate. In this, the column areas are introduced as N-type GaAs by a corresponding doping. This can be done in a manner known per se by a masked ion implantation with healing or an entire epitaxy, e.g. . Example from the gas phase, SUC gene The preparation of the gap portions corresponding spre accordingly as doped regions in the semi-insulating substrate, or - in the case of epitaxial growth - as been etched mesa regions (Fig. 3). A GaAs phosphide transition layer and a GaAs phosphide luminescent layer are applied thereon. This is done in a manner known per se by gas phase epitaxy. The luminous area is realized by a P-doping generated in it. Contacting the P-layer and wiring on the surface is done in the usual metal layer sequence with an aluminum or gold surface. A scheme for the wiring, Figs. 3 and 4. The embodiment shown in Fig. 4 differs un compared with the example shown in FIG. 3 by a simplified layer sequence. The wiring or contacting of the light emitting diodes combined in rows or column groups is carried out via the row lines Z and the column lines S. In the exemplary embodiments shown in FIGS . 3 and 4, the row lines Z with the P area are assigned to each Light-emitting diode and the column lines S contacted or electrically connected to the N-area of the respectively assigned light-emitting diode.

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.The embodiment shown in FIG. 5 shows a transistor matrix connected upstream of the light-emitting diodes L and represents an alternative to the diode matrix. In this case, the transistors T are advantageously designed as GaAs field-effect transistors which act as MESFETs, for example in the diode -Technology made on semi-insulating GaAs.

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).The advantage of this arrangement is that the number of contacts is also reduced in this way. However, the control or operation of the matrix in a row-wise or column-wise multiplex requires a greater effort. The disadvantage of this multiplex operation can be avoided by an arrangement with a MESFET decoder circuit, which can also be built up in semi-insulating GaAs using Diom technology. The associated block diagram is shown in Fig. 6. N driver transistors T and approximately 6 × N to 12 × N logic transistors are required for N light-emitting diodes L. This corresponds to an LSI-OEIC. The input for the supply voltage is provided with the reference symbol V. TA is the input for the clock signals and C is the input for the code with N bit for the decoder with serial input or for the N bit S / P shift register (shift register for N bit for serial / parallel conversion).

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.1. Light emission diodes (LED) arrangement, in which a plurality of mutually independent light emitting diodes in line form are formed in a semiconductor chip monolithically integrating luminous dots, which are connected to a control circuit via electrical lines, characterized in that the luminous dots (L) by the electrical lines (S, Z) are combined in rows and columns in matrix form and can be controlled in multiplex mode. 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.2. Arrangement according to claim 1, characterized, that the semiconductor chip from a semi-insulating GaAs wafer exists as a substrate, into which the column areas lead as n-conductors of the GaAs are introduced by appropriate doping that a GaAsP transition layer is applied thereon and the luminous surface of the luminous dots (L) by p-doping is testified, and that the contacting of the p-layer and wiring in rows on the surface. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Leuchtpunkte (L) bildenden Lichtemissionsdioden einer integrierten Transistorenmatrix vorgeschaltet sind.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized, that the light emitting diodes forming the luminous dots (L) are connected upstream of an integrated transistor matrix. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorenmatrix aus GaAs-Feldeffekt-Transistoren besteht.4. Arrangement according to claim 3, characterized, that the transistor matrix made of GaAs field effect transistors consists. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren als MESFET in einem Halbleiterchip aus semiisolierenden GaAs als Substrat monolithisch integriert sind.5. Arrangement according to claim 3, characterized, that the transistors as MESFET in a semiconductor chip semi-insulating GaAs integrated monolithically as a substrate are.
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