CN100461442C - 发光二极管阵列 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的发光二极管阵列在矩阵驱动方式的发光二极管阵列中，通过对各单元内流入发光部的绕入电流量进行均匀化，使各单元内的发光部的发光输出和驱动电压均匀。本发明的发光二极管阵列具有导电层、各自独立的多个发光部、将发光部划分成单元的第一沟槽、在各发光部的上面的至少一部分上形成的第一电极、各单元内在导电层上直接形成的一个第二电极、切换用通用布线、与各条通用布线连接的第一焊接垫以及与第二电极的各电极连接的第二焊接垫；在各单元内横向配置有n(n是偶数)个发光部，在相邻的发光部之间的导电层上形成有第二沟槽，最靠近第一沟槽的第二沟槽长度短，下一个第二沟槽长度长，然后长短交替。

Description

发光二极管阵列

技术领域

本发明涉及一种发光输出大且均匀的发光二极管阵列，特别是涉及适合于电子照相方式的打印机光源等的发光二极管阵列。

背景技术

电子照相方式的打印机根据对应图象信号的光在感光鼓上形成静电潜像，在有选择地附着调色剂显影之后复制到纸上来得到图象。作为用于形成潜像的光源，激光方式和发光二极管阵列方式被广泛地采用。特别是发光二极管阵列方式的光源，由于它不必像激光方式那样加长光路所以适合于小型的打印机。此外，由于发光二极管阵列可以横向长，所以也适合于进行大尺寸印刷的打印机。最近，为了应对印刷的高速·高质量化和打印机进一步小型化的需求，要求以更高精细度地进行高输出且低成本的发光二极管阵列。

为了实现发光二极管阵列头的低成本化，不采用具备各自独立地驱动发光二极管的IC的方式(静态驱动方式)，而是最好采用将多个发光二极管设为一个单元，通过切换用矩阵布线进行时间分割驱动来削减驱动IC和转接数的方式(动态驱动方式或矩阵驱动方式)[沖テクニヵルレビュ—，2002年1月，189号，Vol.69，No.1(非专利文献)]。

鉴于此，本申请人早先提出一种分割矩阵驱动方式的发光二极管阵列方案(特願2003-289909号)，通过将第一焊接垫经由通用布线与第一电极相连接，从而削减了焊接垫总数，使与第一电极连接的第一焊接垫数和与第二电极连接的第二焊接垫数之比为1∶n(n≥3)。图7是这种结构的4分割矩阵驱动方式的发光二极管阵列的俯视图。该例中，一个组件由64点的发光部构成，经由切换用的通用布线4与第一电极(阴极)2连接的焊接垫6c…和与第二电极(阳极)3连接的焊接垫6a…按1∶4的比例配置成一列。

图8是图7所示的发光二极管阵列局部放大的俯视图，图9(a)是图7的C-C断面图，图9(b)是图7的D-D断面图，图9(c)是图7的E-E断面图。该发光二极管阵列具有基板10、在基板10上形成的导电层11、在导电层11上形成的多个发光部1、在各发光部1上面形成的阴极2、在导电层11上形成的阳极3、经由阴极引出布线5c分别与阴极2相连接的4条通用布线4、分别与通用布线4相连接的第一焊接垫6c以及经由阳极引出布线5a与阳极3相连接的第二焊接垫6a。如图7所示，由在导电层11上形成的四边形的第一沟槽20把发光部1按每4个分为一个单元。

图10是表示流入该发光二极管阵列的一个单元内的发光部1的作为驱动电流的直入电流26a和绕入电流26b的俯视图，图11是表示发光部1的周边的俯视图。在发光部1的上面形成的阴极2是由从一端(远离阳极3的一侧)延长大约发光部1的宽度的连接部2a和延长到光取出部9的中央部的细长的延长部2b构成的T字形，所以不仅是通过发光部1正下方的来自阳极3的直入电流26a，还可以将绕入电流26b引向光取出部9的正下方。

通过调整光取出部9的宽度和阴极2的长度可以提高发光输出。图12(a)和(b)分别表示阴极2的连接部2a的长度L与发光输出和驱动电压的关系。如图12(a)、(b)所示，通过将取连接部2a的长度L设为小于等于20μm，可以抑制驱动电压的增大，同时还可以大幅度地提高发光输出。关于阴极2的延长部2b的形状，如果可以进行微细加工，也可以作成多带、网眼等形状。

在各单元内的导电层11上形成的第二沟槽121在相邻的发光部1之间从第一沟槽20的一边(离阳极3的最远侧)大体一直延伸到光取出部9的端部(离阳极3的最远侧)。通过第二沟槽121可以抑制绕入电流中不参与发光的部分，而使通过光取出部9正下方的参与发光的部分(绕入电流26b)高效地流动。由此，能够增大发光输出和低电压动作。

但是，相对于绕入电流26b仅仅从单侧流入与第一沟槽20相邻的发光部1a，绕入电流26b从两侧流入与第一沟槽20不相邻的发光部1b。由此可知在流入发光部1a的电流量与流入发光部1b的电流量之间产生差异。图13(a)表示单元内的各发光部1的发光输出的一例，图13(b)表示单元内的各发光部1的驱动电压的一例。从图13(a)和(b)可知，在各单元内发光部1的发光输出和驱动电压存在较大的波动。

【非专利文献1】沖テクニヵルレビュ—，2002年1月，第69卷，第189号，No.1

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种在矩阵驱动方式的发光二极管阵列中，通过对各单元内流入发光部的绕入电流量进行均匀化，使各个单元内的发光部的发光输出和驱动电压均匀。

鉴于上述的目的而潜心研究的结果，本发明的发明者们发现：(a)在矩阵驱动方式的发光二极管阵列中，当在个单元内的发光部之间使在导电层上形成的沟槽为相同的长度时，流入发光部的绕入电流变得不均匀，结果各个发光部的发光输出和驱动电压变得不均匀；(b)为解决该问题，如果调整所述沟槽的长度就可以。这两方面在本发明中都想到了。

即，本发明的发光二极管阵列的特征在于具有：在基板上形成的导电层、在所述导电层上形成的各自独立的多个发光部、为将所述发光部划分为单元而在所述导电层上形成的第一沟槽、形成在各发光部上表面的至少一部分上的第一电极、在各单元内在导电层上直接形成的一个第二电极、与所述第一电极单独连接的切换用通用布线、与所述各条通用布线连接的第一焊接垫以及与所述第二电极的各电极连接的第二焊接垫，在各个单元内沿横向配置有n(n是偶数)个发光部，在相邻的发光部之间形成有第二沟槽，最靠近所述第一沟槽的第二沟槽长度短，下一个第二沟槽长度长，然后长短交替。

在本发明的发光二极管阵列中，把各个单元围成四边形的所述第一沟槽由所述第一电极侧的沟部、所述第二电极侧的沟部和将相邻的单元分开的一对沟部构成，所述第二沟槽最好呈梳状与所述第一电极侧的沟部连接。

短的第二沟槽一直形成到所述发光部的光取出部与所述第一电极的交界处，长的第二沟槽最好至少一直形成到所述发光部的大体端部(所述第二电极侧)。

所述通用布线为n条，所述第一焊接垫与所述第二焊接垫的个数比最好是1∶n。

所述第一和第二焊接垫最好设置在在所述导电层上形成的岛状的各自独立的焊接部上，所述发光部和所述焊接部最好通过台面型蚀刻沟槽各自独立地形成。

在具有上述结构的本发明的发光二极管阵列中，由于流向各单元内的发光部之间的绕入电流量均匀，所以能够以低驱动电压得到均匀的发光输出。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的发光二极管阵列的一个组件的局部俯视图。

图2是图1的局部放大俯视图。

图3是图2的局部放大俯视图。

图4是本发明的其他实施例的发光二极管阵列的一个单元的俯视图。

图5是图2的局部放大断面图，(a)是A-A断面图，(b)是B-B断面图。

图6(a)是图3的各发光部的发光输出，(b)是图3的各发光部的驱动电压。

图7是以前申请的发光二极管阵列的俯视图。

图8是图7的局部放大俯视图。

图9表示图7的断面，(a)是C-C断面图，(b)是D-D断面图，(c)是E-E断面图。

图10是图7的局部放大俯视图。

图11是图10的局部放大俯视图。

图12是表示以前申请的发光二极管阵列中的电极结构与性能的关系的曲线图，(a)表示电极结构与发光输出的关系，(b)表示电极结构与驱动电压的关系。

图13(a)是图10的各发光部的发光输出，(b)是图10的各发光部的驱动电压。

具体实施方式

[1]发光二极管阵列的结构

参照图1～6详细说明本发明的发光二极管阵列。图1～6中，对与图7～11所述的发光二极管阵列相同的部位标注相同的参考标号，只要不特别说明，相同参考标号的部位具有相同的结构。此外，本发明的发光二极管阵列的断面结构本身除了导电层11的第二沟槽21之外，与图9所示的相同。为了简化说明，从俯视图中省略了绝缘层。

图1是本发明的一个优选实施例的4分割矩阵的发光二极管阵列的一个组件整体的俯视图，图2是图1所示的发光二极管阵列的局部放大俯视图。

在图示的实施例中，一个组件具有16个单元B₁、B₂、…B₁₆，各单元具有4个发光部1。因此，一个组件由64点阵的发光部1构成。该发光二极管阵列具有在各发光部1上形成的T字形的第一电极(阴极)2、分别与4个发光部1的阴极2连接的4条切换用通用布线4、设置在各单元内的1条第二电极(阳极)3、与通用布线4的各条布线连接的4个焊接垫6c和与各单元内的阳极3连接的焊接垫6a(共16个)。焊接垫6c与焊接垫6a的个数比是1∶4，由此，就能够将各焊接垫6a、6c的宽度(发光二极管阵列的长度方向)设计得有余量，例如可以设定为60um。

4个发光部1被在导电层11上形成的四边形的第一沟槽20包围，各焊接垫6a、6c在各焊接部8a、8c上形成。发光部1、焊接部8a和焊接部8c分别被台面型蚀刻槽19各自独立地分离开。因此，各发光部1由在基板10上形成的外延层构成。切换用通用布线4在焊接部8a以及焊接部8c与第一沟槽20之间形成。

图3是图2所示的发光二极管阵列的一个单元的俯视图。各单元B₁、B₂、…、B₁₆具有4个发光部1、包围发光部1的四边形的第一沟槽20、在相邻的发光部1之间从第一沟槽20的边20a(离阳极3最远侧)延长的第二沟槽21以及在接近于发光部1的位置在导电层11上形成的阳极3。各发光部1在未被阴极2覆盖的上面具有光取出部9。阳极3设置在接近光取出部9的位置。

第一和第二沟槽20、21最好是完全除去导电层11的台面型蚀刻槽。第一沟槽20使各单元B₁、B₂、…、B₁₆与相邻的单元电绝缘，第二沟槽21控制在相邻的发光部之间流动的电流。

在本发明的发光二极管阵列中，从第一沟槽20的边20a延长的第二沟槽21a、21b的长度不同。具体地说，在接近沟部20b的发光部1a、1d和发光部1b、1c之间分别延长有短的第二沟槽21a，在不接近于沟部20b的发光部1b和1c之间延长有第二沟槽21b，沟部20b是第一沟槽20中划分相邻的单元的沟部。与图7～9的例子一样，短的第二沟槽21a最好大体一直延长到光取出部9的端部(离阳极3最远的一侧)，长的第二沟槽21b最好至少延长到发光部1的大体端部(阳极3侧)。但是，为使发光输出均匀，也可以适当调整长的第二沟槽21b的长度。

图4表示的是8×8矩阵的发光二极管阵列的一个单元。该例中，与接近于沟部20b的发光部1a和1h相邻的第二沟槽21a短，第二沟槽21a相邻的第二沟槽21b长，此外，与其相邻的第二沟槽21a短。因此，第二沟槽21排列为短、长、短、长、短、长、短。一般，在一个单元内存在n(n为偶数)个发光部的情况下，(n—1)个第二沟槽21的长度从第一沟槽20一侧起按顺序为短、长、短、长、…短。

图5(a)是图2的A-A断面图，图5(b)是图2的B-B断面图。为说明起见，在图5(a)和(b)中省略了第三和第四绝缘膜24、25。如图5(a)所示，由于与最靠近第一沟槽20的发光部1相邻的第二沟槽21a短，所以流入绕入电流26b。相对于此，如图5(b)所示，由于与远离第一沟槽20的发光部1相邻的第二沟槽21b长(一直延长到接近阳极3的位置)，所以实际上阻止从阳极3导入阴极2的电流中的绕入电流。因此，如图3所示，在存在短的第二沟槽21a的区域，绕入电流26b从单侧流入各发光部1，而在存在长的第二沟槽21b的区域，实质上绕入电流26b不流入各发光部1。因此，实质上相同量的绕入电流26b流入各发光部1a、1b、1c、1d，从而在各单元内各发光部1a、1b、1c、1d的发光输出和驱动电压都被均匀化。图6(a)和图6(b)分别表示本实施例的发光二极管阵列中的各发光部1a、1b、1c、1d的发光输出和驱动电压。从与图13的比较可知，通过像上述那样调整第二沟槽21的长度能够使发光输出和驱动电压明显地均匀。

以下进一步详细说明第一和第二沟槽20、21以外的本发明的发光二极管阵列的各部分的结构。

(1)基板和导电层

基板10可以是能够用于发光二极管的导电性或半绝缘性的基板。导电性基板既可以是n型也可以是p型，在半绝缘型的情况下，例如可以是n型GaAs基板。通过在基板10与导电层11之间设置不掺杂GaAs层等高电阻层，能够提高基板10与导电层11的绝缘性。此外，在基板10与导电层11之间也可以设置相对于导电层11具有相反极性的半导体层。在由n型GaAs构成的基板10的情况下，导电层11最好是由p型GaAs构成的。

(2)发光部

发光部1本身也可以具有与图9所示的发光部相同的结构。根据所希望的发光波长和发光输出，适当地选择层叠在导电层11上的化合物半导体的种类、结晶层的厚度。作为化合物半导体例如可以采用AlGaAs、AlGaInP等。发光部1最好具有由第一导电型的金属包层、活性层和第二导电型的金属包层构成的双异质结构。各发光部1可以通过用台面型蚀刻槽19分割在导电层11上形成的外延层来形成。

在图9所示的例子中，发光二极管阵列的发光部1由经由p型GaAs导电层11依次在n型GaAs基板10上形成的AlGaAs蚀刻阻挡层12、p型AlGaAs金属包层13、p型AlGaAs活性层14、n型AlGaAs金属包层15和n型GaAs顶盖层16构成。在光取出部9的区域内，通过蚀刻除去n型GaAs顶盖层16。

上述发光部1中与发光直接相关的区域具有所谓双异质结构，即，把具有对应于发光波长的能量带隙的p型AlGaAs活性层14用能量带隙更大的p型AlGaAs金属包层13(第一导电型金属包层)和n型AlGaAs金属包层15(第二导电型金属包层)夹起来的结构。

(3)绝缘膜

如图9所示，发光部1、焊接部8和台面型蚀刻槽19全部被第一绝缘膜17和第二绝缘膜18所覆盖。此外，如后所述，在电极和布线上，除焊接垫6a、6c之外还形成有第三绝缘膜24和第四绝缘膜25。

(4)电极和布线

第一和第二电极可以一方是阴极，另一方是阳极，各自的电极既可以是阴极也可以是阳极。由于要求各电极具有良好的转接特性、良好的与下层的欧姆连接特性和粘合性，所以，各电极最好是由多层金属层构成的。例如，可以用AuZn/Ni/Au或Ti/Pt/Au等层叠电极作为阳极，用AuGe/Ni/Au等层叠电极作为阴极。

由于要求通用布线4和引出布线5具有良好的转接特性和良好的与上层/下层的粘合性，所以最好是由多层金属层构成。最好是在最上层/最下层具有转接特性良好的Ti、Mo、TiW等金属层。例如，可以是由Ti/Au/Ti、Mo/Au/Mo、TiW/Au/TiW等构成的层叠结构。此外，为了简化工艺，在同时形成阳极3和通用布线4的情况下，也可以使用Ti/Pt/Au/Ti等层叠结构。

各电极的金属层可以通过电阻加热蒸镀法、电子射线加热蒸镀法等蒸镀法来形成，氧化物层可以用各种公知的成膜方法来形成。为了在金属层上附加欧姆性，最好进一步实施热处理(合金化)。

在图1～图3和图9所示的例子中，通过蚀刻除去各发光部1的n型GaAs顶盖层16的一部分，露出来的n型AlGaAs金属包层15的上面成为光取出部9，在剩余的n型GaAs顶盖层16的上面形成与其同形状的阴极2以构成欧姆结合。在每个单元内设置一个直接接触导电层11的阳极3。阳极3最好是带状，以便等距离接近各单元内的全部发光部1。如图3所示，阴极2最好是T字形，T字形阴极2的详细情况可以与图11所说明的一样。

各个发光部1上的阴极2通过引出布线5c与各条通用布线4相连接，各条通用布线4通过引出布线5k与各焊接部8c上的各焊接垫6c相连接。各阳极3经由引出布线5a与各焊接部8a上的各焊接垫6a相连接。

通过对第一绝缘膜17和第二绝缘膜18进行蚀刻而设置的连接孔7a、7c，引出布线5a、5c分别与阳极3、阴极2相连接。此外，通过对第二绝缘膜18进行蚀刻而设置的连接孔7k，引出布线5k与通用布线4(在第一绝缘膜17和第二绝缘膜18之间形成)相连接。

(5)台面型蚀刻槽

为了形成各自独立的多个发光部1和焊接部8，即为了将发光部1和焊接部8分割为各自独立的岛状，而形成一直到达导电层11或蚀刻阻挡层12的台面型蚀刻槽19。

台面型蚀刻槽19本身可以与图9所示的相同。由于在各个焊接部8之间存在台面型蚀刻槽19，所以就不会由Au线在焊接垫之间发生短路。由于焊接部8之间的台面型蚀刻槽19的面积比较小，所以即使把焊接部8分割为岛状，也几乎不会因负载效应而降低蚀刻速度。

[2]发光二极管阵列的制造方法

参照图1～图3和图9来说明本发明的发光二极管阵列的优选制造方法。首先，使用有机金属气相生长法(MOVPE法)在由n型GaAs形成的基板10上面依次生长p型GaAs导电层11(载体浓度：4×10¹⁹cm^-3，厚度：1μm)、AlGaAs蚀刻阻挡层12(载体浓度：3×10¹⁹cm^-3，厚度：0.1μm)、p型AlGaAs金属包层13(载体浓度：1×10¹⁸cm^-3，厚度：1μm)、p型AlGaAs活性层14(载体浓度：1×10¹⁸cm^-3，厚度：1μm)、n型AlGaAs金属包层15(载体浓度：2×10¹⁸cm^-3，厚度：3μm)和n型GaAs顶盖层16(载体浓度：1×10¹⁸cm^-3，厚度：0.5μm)。

在所形成的结晶层上有选择地实施湿蚀刻。首先，留下发光部1中与阴极2接触的部分和焊接部8，除去n型GaAs顶盖层16。在该阶段，形成了发光部1的光取出部9。然后，设置上述台面型蚀刻槽19直到蚀刻阻挡层12露出的深度为止，此时，在蚀刻阻挡层12上形成由外延层形成的各自独立的发光部1和各自独立的焊接部8。

进一步在p型GaAs导电层11上形成将发光部1划分为单元的第一沟槽20和在发光部1之间从第一沟槽20的一边梳形延长的第二沟槽21。此时，如图3所示，将第二沟槽21的长度设为沿横向方向从端头开始按短长短…顺序排列。如果n型GaAs基板10也如同稍稍地进行蚀刻那样设定第一和第二沟槽20、21的深度，那么即使存在蚀刻误差，也不会在沟槽20、21的位置上残留导电层11。

在使用蒸镀法和剥离法形成由AuGe/Ni/Au形成的阴极2和由AuZn/Ni/Au形成的阳极3之后，使用化学气相生长法(CVD法)生长第一绝缘膜17，以使其将发光二极管阵列的上面整体覆盖起来。使用蒸镀法和剥离法在第一绝缘膜17上形成由Ti/Au/Ti形成的通用布线4。

在进一步使用CVD法生长第二绝缘膜18以使其将发光二极管阵列的上面整体覆盖起来之后，通过蚀刻在阴极2、阳极3和通用布线4上分别设置连接孔7c、7a、7k。在各连接孔7c与各连接孔7k之间、各连接孔7a与各焊接部8a之间、各连接孔7k与各焊接部8c之间以及各焊接部8c、8a上溅射Ti/Au/Ti，并进行离子研磨，由此形成由Ti/Au/Ti形成的引出布线5c、5a、5k和焊接垫6c、6a。

通过使用CHF₃/O₂等公知的混合气体的干蚀刻方法除去光取出部9和划线区23上的第一绝缘膜17和第二绝缘膜18。进而为了防止水分等的浸入，蒸镀第三绝缘膜24和第四绝缘膜25以使其将发光二极管阵列的上面整个覆盖住。因为第四绝缘膜25是最终钝化膜，所以最好是氮化膜等致密的膜。在第三绝缘膜24和第四绝缘膜25的折射率不同的情况下，必须按照发光波长设定膜厚，以使其不至于成为反射膜。具体地说，如在特开2003-031840号公报中所记载的那样，最好把第三绝缘膜24和第四绝缘膜25的总厚度设定为比1μ更薄。

最后，对焊接垫6上的第三绝缘膜24和第四绝缘膜25进行蚀刻，开出焊接垫用窗口。

在图1～3的示例中，是将4个发光部作为一个单元，将通用电极设为4根的4×4结构，但是，本发明的发光二极管阵列并不限定于这种结构，也可以是把2个发光部作为一个单元，具有2根通用电极的2×2结构，也可以是8×8(图4)结构。一般地，只要是n×n(n是偶数)结构就可以。此外，本例的发光二极管阵列具有例如1200dpi的分辨度，但是并不限定于此。

Claims (6)

1.一种发光二极管阵列，具有：在基板上形成的导电层；在所述导电层上形成的各自独立的多个发光部；为将所述发光部划分为单元而在所述导电层上形成的第一沟槽；形成在各发光部上表面的至少一部分上的第一电极；在各单元内在导电层上直接形成的一个第二电极；与所述第一电极单独连接的各条切换用通用布线；与所述各条切换用通用布线连接的第一焊接垫以及与所述第二电极的各电极连接的第二焊接垫，其特征在于，

在各个单元内沿横向配置有n个所述发光部，其中n为偶数，在相邻的发光部之间的所述导电层上形成有第二沟槽，最靠近所述第一沟槽的第二沟槽沿纵方向的长度短，下一个第二沟槽沿纵方向的长度长，然后长短交替。

2.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于，

将各单元围成四边形的所述第一沟槽由所述第一电极侧的沟部、所述第二电极侧的沟部和将相邻的单元分开的一对沟部构成，所述第二沟槽呈梳状与所述第一电极侧的沟部连接。

3.根据权利要求2所述的发光二极管阵列，其特征在于，

短的第二沟槽一直形成到所述发光部的光取出部远离所述第二电极一侧的端部，所述光取出部是所述发光部的第一电极以外的部分，长的第二沟槽至少一直形成到所述发光部的所述第二电极一侧的端部。

4.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，

所述切换用通用布线是n条，所述第一焊接垫与所述第二焊接垫的个数比是1∶n。

5.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于，

所述第一和第二焊接垫被设置在在所述导电层上形成的岛状的各自独立的焊接部上。

6.根据权利要求5所述的发光二极管阵列，其特征在于，

所述发光部和所述焊接部通过台面型蚀刻槽各自独立地形成。

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