DE2405829B2 - Elektrolumineszentes halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrolumineszentes Halbleiterbauelement und ein Herstellungsverfahren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 7.

Bei derartigen Halbleiterbauelementen ist es wesentlich, das von elektrolumineszenten Halbleiter ausgehende Licht möglichst vollständig zur Oberseite der Aushöhluiig zu führen und dort so zu verteilen, daß eine möglichst gleichförmige Ausleuchtung erzielt wird.

Es ist bekannt (US-PS 35 01 676) die Seitenwände der Aushöhlung metallisch blank zu machen, z. B. durch Polieren bereits vorhandenen Metalls oder durch Plattieren nicht-metallischer Wände mit Metall, damit das von dem Halbleiter ausgehende Licht von den Seitenwänden reflektiert wird und schließlich aus der Aushöhlung austritt. Da der Reflexionsgrad einer blanken Metalloberfläche aber nur etwa 90% beträgt, geht bei den unvermeidbar auftretenden mehrfachen Reflexionen ein erheblicher Teil des Lichtes verloren. Die Aushöhlung darf sich dabei nicht vom lichtemittierenden Halbleiter zur Lichtaustrittsstelle hin verjüngen, da sonst durch die Winkeländerung der von den Wänden reflektierten Lichtstrahlen ein Teil des Lichtes überhaupt nicht aus der Aushöhlung austritt, sondern zum Halbleiter zurückgelangt. Mehrfache Reflexionen können bei spiegelnden Seitenwänden nur dann verhindert werden, wenn letztere zumindest annähernd die Form eines Rotationssparaboloids haben, in dessen Brennpunkt der lichtemittierende Halbleiter liegt.

Das Problem einer möglichst gleichmäßigen Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche wird durch spiegelnde Seitenwände nicht gelöst. Um eine wenigstens angenähert gleichförmige Ausleuchtung zu erreichen, verwendet man an der Oberfläche aufgerauhte (DT-OS 20 30 974) oder mit hchtstreuenden Partikeln (ältere Patentanmeldung P 22 27 322.9) vermengte lichtdurchlässige Materialien zum Zerstreuen des vom lichtemittierenden Halbleiter ausgehenden Lichtes.

Der vorhegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrolumineszente Halbleiter-Anzeige-Vorrichtung zu schaffen, bei der mit geringem Herstellungsaufwand eine hohe Lichtausbeute eine gleichmäßige Ausleuchtung des sichtbaren Anzeigefeides sowie eine freie Gestaltung des Anzeigefeldes möglich ist Außerdem soll ein Verfahren zur Hersteilung einer Anzeigevorrichtung mit solchen Halbleiterhauelementen angegeben werden. Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 bzw. 7 gekennzeichnet

Eine diffus reflektierende Oberfläche der Seitenwände der Aushöhlung reflektiert im allgemeinen wesentlich mehr Licht als eine spiegelnde metallische Oberfläche. Durch diffuse Reflexionen wird außerdem der größte Teil des Lichtes letztlich nach außen reflektiert Die diflusen Reflexionen ergeben zusammen mit den Lichtstreuungen an den diskreten Partikeln eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung der Lichtaustrittsseite der Aushöhlung. Eine Aufrauhung der Lichtaustrittsfläche ist nicht erforderlich. Eine diffus refektierende Oberfläche läßt sich außerdem billig herstellen, z. B. durch Aufbringen von weißem Kunststoff auf die Seitenwände der Aushöhlung. Die Aushöhlung kann jede beliebige Form haben. Insbesondere kann sie sich auch zur Lichtaustrittsstelle hin verjüngen, was z. B. aus Herstellungsgründen wesentlich sein kann, wenn der Grundkörper ein Kunststoffspritzteil ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich auf einfache Weise eine Anzeigevorrichtung mit mehreren leuchtenden Halbleiterbauelementen herstellen. Auf diese Weise können z. B. einzelne Schriftzeichen oder auch ganze Schriftzüge oder mehrstellige Zahlen dargestellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltung bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, in deren Fig. 1-4 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip einer integrierenden Sphäre. In einer integrierenden Sphäre wird Licht von einer mit geringen Verlusten diffus reflektierenden Oberfläche reflektiert. Nach vielen ungerichteten Reflexionen trifft es auf einen Ausgangsschlitz, der die Form eines einzelnen Segmentes einer numerischen Sieben-Segment-Anzeige haben kann. Eine solche integrierende Struktur biaucht keine sphärische Form zu haben, sondern kann jede beliebige Form haben, bei welcher der Zusammenbau einer solchen Anzeige kostengünstig ist.

In F i g. 1A und 1B ist eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein elektrolumineszenter Halbleiter 12 ruht auf einer Basis 18, die aus jedem geeigneten Material, zum Beispiel aus Keramik bestehen kann. Der Licht emittierende Halbleiter 12 kann entweder nach oben emittierend oder zur Seite emittierend sein. Typischerweise besteht er aus Gallium-Arsenid-Phosphid oder aus Gallium-Phosphid. Der Halbleiter 12 wird in eine von einem Grundkörper 16 umgebene Aushöhlung 13 mit diffus reflektierender Oberfläche 21 gesetzt. Die Aushöhlung 13 wird dann mit transparentem Material 17 z. B. Epoxidharz gefüllt, welches Glaskörner 28 als Streuzentren enthält. Die Farbe der Oberfläche des Grundkörpermaterials 16 bestimmt die Stärke der Reflexion, die an der Oberfläche 21 stattfindet. Aus diesem Grunde wird weiß bevorzugt, obwohl auch eine starkreflektierende Farbe über den Snektralbereich des emittierten Lichtes benutzt werden kann (z. B. rot, für rotes Licht, blau für blaues Licht usw.)

Die Wirkung einer diffus reflektierenden Oberfläche 21 läßt sich am besten aus den iolgenden Berechnungen ersehen. Die Menge des von einer Anzeigevorrichtung schließlich emittierten Lichtes ist proportional R", wobei R der Reflexionsfaktor des Materials und η die Ai.zahl der auftretenden Reflexions- bzw. Streuvorgänge ist

Bei spiegelnden metallisierten Oberflächen gemäß dem Stand der Technik ist R ungefähr 0,9. Das heißt in anderen Worten, daß die metallisierten Oberflächen ungefähr 90% des auf sie einfallenden Lichtes reflektieren. Die restlichen 10% werden absorbiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden näherungsweise 98,5% des auf die weiße Oberfläche 21 auftreffenden Lichtes reflektiert Das Licht wird im Inneren der Aushöhlung 13 durch die Streuzentren 28 und durch die weißen Wände 21 vielfach hin und her geworfen. Daher ist das abgestrahlte Licht 30 über den Längenbereich der Aushöhlung 13 von einem Ende zum anderen gleichförmig in seiner Erscheinung. Für eine gegebene Anzahl von Reflexionen ist das abgestrahlte Licht 30 intensiver als das, was von einer spiegelnd reflektierenden Konstruktion abgestrahlt würde, da der Reflexionsfaktor von weißen Wänden größer als der von metallisierten Wänden ist Unterliegt z. B. das Licht an den metallisierten Wänden der bekannten Vorrichtung im Durchschnitt 10 Reflexionen, bevor es durch den Ausgangsschlitz gelangt, führt ein Faktor R = 90% zu einem Gesamtverlust von 66%. Im Gegensatz dazu führt ein Faktor /?=98,5% bei weißen Wänden gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem Verlust von nur 14%.

Fig. IA und IB zeigen den Weg eines typischen Lichtstrahls 30, der von dem elektrolumineszenten Halbleiter 12 ausgeht. Dabei ist zu beachten, daß dieser Strahl nur zum Zwecke der Erläuterung der Wirkung der Streuzentren 28 und der weißen Wände 21 vorgegeben ist. Um die Übertragung von Licht von einer Aushöhlung (wie z.B. in Fig. tA) zu einer benachbarten Aushöhlung in einem anderen Bereich der gesamten Anzeige auf ein Minimum zu reduzieren, sind die Oberflächen 32 und 34 geschwärzt. Dadurch, daß die Oberfläche 34 dunkel gehalten ist wird verhindert, daß von dem elektrolumineszenten Halbleiter 12 ausgehendes Licht sich zwischen der Basis 18 und dem Grundkörper 16 ausbreitet. Bei verschiedenen Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist zwischen dem Grundkörper 16 und dem Substrat 18 eine besondere Kunststoffscheibe eingefügt, um einen solchen Lichtübergang zu verhindern. Dadurch, daß die Oberfläche 32 dunkel gehalten ist, wird Licht absorbiert, das durch den Grundkörper 16 hindurchgeht und auf die Oberfläche 32 auftrifft. Wenn diese Oberfläche nicht verdunkelt ist, verursacht die Differenz des Brechungsindizes der über der Oberfläche 32 befindlichen Luft und des Materials des Grundkörpers 16 eine fast totale Reflexion des auf die Oberfläche 32 auftreffenden Lichtes zurück in den Grundkörper 16.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den F i g. 2A und 2B dargestellt. Die Ausführungsform kann typischerweise in Anzeigen benutzt werden, bei denen die Höhe der angezeigten Ziffer oder Zahl weniger als 7,62 mm beträgt Bei diesen Anzeigen sind die Zusammenbautoleranzen für die Anordnung des elektrolumineszenten Halbleiters 12 auf der Basis der Aushöhlung 13 vor der Zugabe des die Streuzentren 28 enthaltenen transparenten Materials 17

sehr klein, so daß ein richtiger Zusammenbau schwierig ist. Die Aushöhlungswände 58 in der Nähe des elektrolumineszenten Halbleiter 12 können weggeschnitten werden, um einen Zusammenbau mit annehmbaren Toleranzen zu erleichtern.

Bei größeren Zeichenhöhen, bei welchen die Abmessungen der Aushöhlung der Segmente wesentlich größer sind und bei denen dementsprechend die Zusammenbautoleranzen weniger eng sind, kann eine Aushöhlung 13 der Form benutzt werden, die in den F i g. 3A und 3B dargestellt ist. Diese Aushöhlungsform hat den Vorteil, daß der Grundkörper in einem Arbeitsgang von einer Seite aus gegossen werden kann, bei gleichzeitigen Einsparungen in den Herstellungskosten. Zusätzlich kann der obere Bereich der Aushöhlung 13 eine beliebige Form haben, die ziemlich unabhängig von der Form der Aushöhlung 13 in deren unteren Bereich ist Dementsprechend können alphanumerische Zeichen und Symbole wiedergegeben werden, wenn der obere Bereich der Aushöhlung 13 passend geformt ist. Sofern gewünscht, kann eine einzige gemäß der vorliegenden Erfindung vorbereitete Aushöhlung 13 mit einer getrennten über der Oberseite angeordneten Zeichenplatte 44 eingesetzt werden, wie in Fig.4 gezeigt ist. Der untere Bereich der Aushöhlung 13 kann dabei eine beliebige Form haben, die für eine einfache Herstellung geeignet ist.

Beim Zusammenbauprozeß der vorliegenden Erfindung kann der Grundkörper 16 gegossen werden, wobei die passend geformte Aushöhlung bzw. die Aushöhlung 13 mitgeformt werden. Die Oberseite 32 (d.h. die Ausgangs- oder Sichtfläche) kann dann an einem mit einem Kleber versehenen Band befestigt werden, um die Oberseiten der Aushöhlungen zu verschließen und um die automatische Verarbeitung der Grundkörper 16 zu erleichtern. Band und Kleber sollten widerstandsfähig gegen erhöhte Arbeitstemperaturen sein und nicht mit den Lösungsmitteln, Füllmaterialien oder Kunststoffen reagieren. Geeignet für diesen Zweck ist ein im Handel erhältliches Band auf Polytetrafluorethylen- Basis mit einem druckempfindlichen Kleber auf Silikonbasis. Das flüssige Füllmaterial 17 (z. B. ein Epoxydharz) mit den darin verteilten Streuzentren 28 kann dann in die Unterseite des Grundkörpers eingefüllt und innerhalb der Aushöhlungen und über die Unterseite des Grundkörpers verteilt werden. Um sicherzustellen, daß die Aushöhlung vollständig mit dem flüssigen Füllmaten/Onr

35

40

45 rial ausgefüllt werdenisüfnnen die mit einer bestimmten Menge flüssigen Füllmaterials gefüllten Grundkörper mit der Sichtfläche 32 nach unten auf schwingend montierten Plattformen in eine Zentrifuge eingesetzt werden, um auf das flüssige Füllmaterial eine ausreichende Kraft auszuüben, um eingeschlossene Luft innerhalb der Aushöhlungen 13 auszutreiben und dadurch ein vollständiges Ausfüllen der Aushöhlungen der Grundkörper von deren Unterseite zur Sichtfläche 32 sicherzustellen. Es ist festgestellt worden, daß auf das flüssige Füllmaterial eine gewisse Mindestkraft ausgeübt werden muß, um die innerhalb der Aushöhlung eingeschlossenen Luftblasen durch das Füllmaterial auszutreiben. Daher muß (zum Beispiel durch Zentrifugieren) eine Kraft entsprechend einer Beschleunigung von mindestens 10 g aufgebracht werden und zwar normal zu und in Richtung auf die Oberseite 32, wobei diese Oberseite fest auf einer schwingend montierten Plattform der Zentrifuge angeordnet ist.

Nachdem das flüssige Füllmaterial 17 vollständig in den Aushöhlungen und auf der Rückseite des Grundkörpers in dieser Weise verteilt worden ist, kann die Basis 18 an ihrem Platz eingefügt werden, solange das Füllmaterial noch flüssig ist. Diese Basis 18 trägt die Licht emittierenden Halbleiterelemente und Stromanschlüsse dafür. Die Basis kann an ihren Platz gepreßt werden, wobei eine geringe aber ausreichende Menge Füllmaterial entfernt wird, um eine vollständige Ausfüllung aller Hohlräume sicherzustellen und um die gesamte Anordnung in einem einzigen Arbeitsgang in dem flüssigen Füllmaterial einzukapseln. Danach können der Grundkörper und die Basis zusammen mit dem darin enthaltenen flüssigen Füllmaterial einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um das flüssige Füllmaterial in einen festen Zustand auszuhärten. Nachdem das Füllmaterial ausgehärtet ist, kann das Band von der Oberseite 32 entfernt werden, um die fertige Einheit freizugeben, die dann die Sitntöffnung und die im wesentlichen in bezug auf das Niveau der Sichtfläche 32 bündig gefüllten zugeordneten Aushöhlung enthält.

In der oben beschriebenen Weise wird das sehr intensive Licht einer nahezu punktförmigen Lichtquelle zu einer weniger intensiven gleichförmigeren Ausleuchtung einer wesentlich größeren Fläche in einer Anzeigevorrichtung verwendet, so daß keine großflächigen. Licht emittierenden Elemente benötigt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Eiektroluniineszentes Halbleiterbauelement mit einem eine Oberseite und eine Unterseite aufweisenden Grundkörper aus einem Material ausgewählter Dicke, welcher eine öffnung aufweist, die sich im Grundkörper von dessen Oberseite bis zu einer Grundfläche hin erstreckt und dadurch eine Aushöhlung bildet, die von der Grundfläche als "> Boden und den Seitenwänden der öffnung begrenzt wird, sowie mit einem auf der Grundfläche am Boden der Aushöhlung befestigten und mit elektrischen Signalen ansteuerbaren elektrolumineszenten Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß «5 mindestens die Seitenwände (21) der Aushöhlung (13) diffus reflektierende Oberflächen haben und daß die Aushöhlung mit einem hindurchtretendes Licht zerstreuenden, diskrete Partikel (28) enthaltenden lichtdurchlässigen Material ausgefüllt ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Seitenwände der Aushöhlung (13) aus im wesentlichen weißem, lichtdurchlässigem Material hergestellt sind.

3. Bauelement nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (32) des Grundkörpers (16) im die Aushöhlung (13) umgebenden Bereich lichtabsorbierend und lichtundurchlässig ist.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushöhlung (13) an 3» der Oberseite (32) des Grundkörpers (16) die Form eines ersten Polygons und an der Unterseite der Aushöhlung die Form eines zweiten Polygons hat, welches mindestens so groß wie das erste ist, wobei die Schwerpunkte der beiden Polygone ungefähr (ibereinanderliegen.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushöhlung (13) an der Oberseite (32) des Grundkörpers (16) die Form eines ersten Rechtecks mit der Länge d und der Breite e hat, daß die Grundfläche an der Unterseite der Aushöhlung die Form eines zweiten Rechtecks mit der Länge /und der Breite g hat, wobei /kleiner fels d und g größer als e ist, daß die Aushöhlung an tiner ausgewählten Stelle zwischen der Ober- und Unterseite die Form eines dritten Rechtecks mit der Länge / und der Breite e hat, wobei die Schwerpunkte des ersten, des zweiten und des dritten Rechtecks angenähert auf einer Geraden liegen, und daß die vier Seitenwände der Aushöhlung zwischen der Oberseite und der ausgewählten twischenstelle sowie die vier Seitenwände der Aushöhlung zwischen der Unterseite und der »usgewählten Zwischenstelle jeweils eben sind.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (34) des Crundkörpers (16) in dem die Aushöhlung (13) eingebenden Bereich lichtabsorbierend und lichtundurchlässig ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer elektrolumineszenten Halbleiter-Anzeigevorrichtung mit einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper mit den ausgewählt geformten Aushöhlungen gebildet wird, die sich quer durch den Dickenbereich des Grundkörpers hindurch von der Oberseite zur Unterseite erstrecken, daß die Aushöhlungen mit einem wärmehärtbaren lichtdurchlässigen flüssigen Füllmaterial gefüllt werden welches in ihm verteilte lichtstreuende Zentrer enthält, daß von der Unterseite des Grundkörpers aus innerhalb der Aushöhlung im Füllmaterial eine Lichtquelle eingebettet wird und daß das flüssige Füllmaterial ausgehärtet wird, bis es fest ist

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Füllung der Aushöhlung des Grundkörpers quer über diese eine mit der Oberseite des Grundkörpers im wesentlichen bündig abschließende flüssigkeitsundurchlässige Absperrung gebildet wird, und daß auf das flüssige Füllmaterial eine Kraft ausgeübt wird, um die Aushöhlungen im Bereich zwischen der Oberseite und der Rückseite des Gruncikörpers vollständig auszufüllen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das flüssige Füllmaterial ausgebrachte Kraft eine Zentrifugalkraft ist, die im wesentlichen normal zu der Sichtfläche in einer Richtung von der Unterseite des Grundkörpers auf die Oberseite des Grundkörpers gerichtet ist

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das flüssige Füllmaterial ausgeübte Zentrifugalbeschleunigung größer als 10 gist.