DE69637167T2

DE69637167T2 - LED-Anordnung mit hoher Auflösung und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69637167T2
Application number: DE69637167T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiko Minato-ku Ogihara; Yukio Minato-ku Nakamura; Takatoku Minato-ku Shimizu; Masumi Minato-ku Taninaka
Original assignee: Oki Data Corp
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: EP0779661A2; DE69637167D1; EP0779661B1; US6136627A; US5821567A; EP0779661A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochauflösende Anordnung aus lichtemittierenden Dioden und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Anordnungen aus lichtemittierenden Dioden werden zum Scannen und Drucken von Dokumenten in Geräten wie etwa elektrophotographischen Druckern und Kopierern und in Scannern verwendet. Diese Anordnungen umfassen im Allgemeinen mehrere Chips, wovon jeder einen Teil der Anordnung enthält. Die Dioden sind durch Diffusion eines Fremdstoffs in das Chipsubstrat, durch Fenster in einer Diffusionsmaske, z. B. durch Diffusion von Zink (Zn) in eine Schicht aus Galliumarsenid-Phosphid (GaAsP) gebildet. Herkömmliche Anordnungen hatten schlechte Auflösungen im Bereich von dreihundert bis sechshundert Dioden pro Zoll, oft als Punkte pro Zoll (dpi) bezeichnet.
Ein hochwertiger Druck erfordert jedoch Anordnungen von lichtemittierenden Dioden (LEDs) mit noch höheren Auflösungen. Wünschenswert sind wenigstens eintausendzweihundert Punkte pro Zoll (1200 dpi), aber bei der Herstellung von LED-Anordnungen mit Auflösungen in dieser Höhe treten bestimmte Probleme auf.
Es gibt beispielsweise das Problem der unerwünschten lateralen Diffusion. Versuche haben gezeigt, dass eine laterale Diffusion bis zur 1,5-fachen Diffusionstiefe einkalkuliert werden muss. Bei der herkömmlichen Diffusionstiefe von fünf Mikrometern (5 μm) kann erwartet werden, dass Zink von den Kanten der Diffusionsfenster bis zu 7,5 μm seitwärts diffundiert. Von den Erfindern durchgeführte Versuche zeigen, dass gut gestaltete Diffusionsfenster wenigstens 5 μm breit sein müssen und ein diffusionsfreier Bereich mit einer Breite von wenigstens ungefähr 5 μm für eine zuverlässige Trennung von benachbarten Dioden erforderlich ist. Folglich ist bei herkömmlichen Verfahren die minimale Diodenabstandsschrittweite 25 μm (5 + 5 + 7,5 + 7,5), wobei jedoch die Schrittweite, die für 1200 dpi erforderlich ist, 21,2 μm beträgt. Wenn die Diffusionstiefe bei herkömmlichen Herstellungsverfahren verringert wird, um ein Verkleinern des Zwischenraums zu ermöglichen, tritt eine empfindliche Verringerung der Intensität des emittierten Lichts auf.
Ein weiteres Problem ist jenes der Schaffung eines ausreichenden elektrischen Kontakts zwischen den diffundierten Dioden und den Elektroden, die den Dioden wahlweise Strom zuführen. Wenn die Kontaktfläche kleiner wird, nimmt der Kontaktwiderstand zu; jenseits eines bestimmten Widerstandswertes wird die Schaltung, welche die Anordnung treibt (typisch eine integrierte Schaltung auf einem separaten Halbleiterchip, die mit einer festen Versorgungsspannung arbeitet), unfähig, den für die ordnungsgemäße Emission von Licht erforderlichen Strom zu liefern. Den Kontaktwiderstand innerhalb der erforderlichen Grenzen zu halten wird bei 1200 dpi auf Grund der geringen Größe der Diodendiffusionen und auch der Schwierigkeit einer akkuraten Maskenausrichtung ein heikles Problem.
Noch ein weiteres Problem entsteht, wenn die Chips mit einer LED-Anordnung auf einem Wafer hergestellt sind, der entlang von Linien, die durch Entfernen eines Teils der Diffusionsmaske gebildet sind, in die einzelnen Chips zerteilt wird. Wenn der Fremdstoff durch die Diffusionsfenster diffundiert ist, diffundiert er auch durch die Schneidelinienmarkierungen und erzeugt unerwünschte Diffusionsbereiche in der Nähe der Schneidelinien. An den Enden jedes Chips befinden sich diese unerwünschten Diffusionsbereiche in unmittelbarer Nähe zu Diffusionsbereichen, die Dioden in der Anordnung bilden, und werden zur Ursache für einen Lichtschwund bei diesen Dioden. Im schlimmsten Fall vermischen sich die unerwünschten Diffusionen mit den Diodendiffusionen, was zur Folge hat, dass der Chip als fehlerhaft verworfen wird. Dieses Problem wird bei hochauflösenden Anordnungen besonders ernst.
Herkömmliche Verfahren erfordern folglich eine deutliche Verbesserung, wenn eine zufriedenstellende LED-Anordnung mit 1200 dpi hergestellt werden soll.
In Patent Abstracts of Japan Nr. 07 066 454 ist eine lichtempfangende und -emittierende Diode offenbart, die eine erste N-GaAsP-Halbleiterschicht, die einen pn-Übergang bildet, und eine zweite p-GaAsP-Halbleiterschicht mit einer festgelegten Dicke umfasst.
In US 4.644.342 ist eine Anordnung aus adressierbaren, elektrisch isolierten, lichtemittierenden Dioden offenbart, wobei die Dioden im Substrat eines monolithischen Bauelements erzeugt sind und wobei diskrete Bereiche der Anordnung einzelne Punkte der Anordnung darstellen.
In US 5.105.236 ist eine Anordnung aus lichtemittierenden Dioden offenbart, die durch Bilden eines Heteroübergangs einer lichtemittierenden Diode an der Grenzfläche zwischen einer Übergitterschicht, bestehend aus einer Wechselfolge von einer Vielzahl von Halbleiterschichten, die unterschiedliche Bandlücken aufweisen, und einem dotierten Diffusionsmischbereich mit einer Bandlücke, die größer als jene des Übergitters ist, der durch Störstellendotierung eines Teils der Übergitterschicht gebildet wird, hergestellt ist.
In Patent Abstracts of Japan Nr. 06 085 319 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden offenbart, gemäß dem eine Isolationsdünnschicht, die einen Vorsprung aufweist, der sich vom Chip in der Nähe eines letzten lichtemittierenden Teils nach außen erstreckt, auf einem Epitaxiewafer hergestellt ist, wobei auf einem Substrat eine Epitaxieschicht gewachsen ist.
In Patent Abstracts of Japan Nr. 06 085 320 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden offenbart, gemäß dem eine Isolationsdünnschicht, die einen Vorsprung aufweist, der sich vom Chip in der Nähe eines letzten lichtemittierenden Teils nach außen erstreckt, auf einem Epitaxiewafer hergestellt ist.
In Patent Abstracts of Japan Nr. 60 235 479 ist eine Anordnung aus lichtemittierenden Elementen offenbart, die mehrere Öffnungsabschnitte umfasst, die in GaAsP auf einem GaAs-Substrat ausgebildet sind, wobei wahlweise Zn diffundiert ist, um lichtemittierende Bereiche zu bilden.
In Patent Abstracts of Japan Nr. 06 013 649 ist ein lichtemittierendes Element offenbart, das einen GaAsP-Halbleiter umfasst, der Tellur enthält und ein Halbleiter vom N-Typ ist, und durch Eindiffundieren von Zink einen Halbleiter vom P-Typ bildet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung aus lichtemittierenden Dioden zu schaffen, die eine Auflösung von wenigstens 1200 dpi hat, wobei die Intensität der Lichtemission für eine Verwendung beim elektrophotographischen Drucken ausreichend ist.
Eine eher allgemeine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hochauflösende Anordnung aus lichtemittierenden Dioden zu schaffen, die in jedem Typ von Gerät verwendbar ist, in dem solche eine Anordnung erforderlich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden- und Störstellendiffusionsbereichen einer hochauflösenden Anordnung aus lichtemittierenden Dioden sicherzustellen.
Eine nochmals weitere Aufgabe ist es, zu ermöglichen, dass Schneidelinienmarkierungen auf einem Wafer mit Chips mit Anordnungen aus lichtemittierenden Dioden durch Strukturieren derselben Diffusionsmaske, die für die Diffusion der Dioden verwendet wird, ausgebildet werden, ohne unerwünschte Störstellendiffusionsbereiche an den Enden der Anordnungen zu hinterlassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Chip mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden, wie im Anspruch 1 definiert, ein Verfahren zum Herstellen eines Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden, wie im Anspruch 15 definiert, und einen Anordnung aus lichtemittierenden Dioden, wie im Anspruch 14 definiert, geschaffen.
Der erfundene Chip mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden ist durch wahlweises Dotieren eines Halbleitersubstrats eines Leitungstyps mit Störstellen eines weiteren Leitungstyps, wodurch Störstellendiffusionsbereiche gebildet werden, erzeugt. Das Dotieren wird so ausgeführt, dass die Störstellendiffusionsbereiche eine Tiefe von wenigstens 0,5 μm, aber nicht mehr als 2 μm in dem Halbleitersubstrat haben, wodurch eine weite laterale Diffusion vermieden wird. Die Oberflächenkonzentration der Störstellen beträgt vorzugsweise wenigstens 5 × 10¹⁹ Träger pro Kubikzentimeter; bei einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden liefert diese Konzentration eine ausreichende Intensität der Lichtemission.
Der Chip weist außerdem Elektroden auf, die individuell Strom an die Störstellendiffusionsbereiche liefern. Jeder Störstellendiffusionsbereich umfasst Vorzugswiese einen ersten Bereich, der Licht emittiert, aber keinen Kontakt mit der Elektrode herstellt, und einen zweiten Bereich, der einen Kontakt mit der Elektrode herstellt. Der erste und zweite Bereich grenzen aneinander. Die Störstellendiffusionsbereiche sind längs einer Anordnungszeile angeordnet, wobei ungeradzahlige Stör stellendiffusionsbereiche und geradzahlige Störstellendiffusionsbereiche ihre zweiten Bereiche auf gegenüberliegenden Seiten der Anordnungszeile haben. Diese Ausführung ermöglicht, die zweiten Bereiche zu vergrößern, um eine große Kontaktfläche und folglich einen niedrigen Kontaktwiderstand zu bieten, ohne die ersten Bereiche zu vergrößern.
Die erfundenen Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden können auf Stoß platziert werden, um eine Anordnung aus lichtemittierenden Dioden zu bilden. In den Störstellendiffusionsbereichen an den Enden jedes Chips haben die ersten und zweiten Bereiche vorzugsweise eine besondere Konfiguration, wobei die zweiten Bereiche den Enden des Chips nicht näher als die ersten Bereiche kommen.
Der erfundene Chip mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden kann durch Festphasendiffusion oder Ionenimplantation hergestellt werden. In jedem Fall kann die Diffusionsmaske Fenster, die Störstellendiffusionsbereiche definieren, und Schneidelinienmarkierungen haben. Wo die Schneidelinienmarkierungen neben den Fenstern an den Enden des Chips verlaufen, sind sie verengt, sodass ein gewisser Abstand zu den benachbarten Fenstern gehalten wird, wodurch Probleme vermieden werden, die mit einer lateralen Diffusion der Störstellen von den Markierungslinienmarkierungen verbunden sind.
Die Elektroden sind unter Verwendung einer Photomaske, um die Elektrodenstrukturen zu definieren, hergestellt. Die Muster bzw. Strukturen in der Photomaske sind vorzugsweise vergrößert, um einer erwarteten Fehlausrichtung zwischen der Photomaske und der Diffusionsmaske Rechnung zu tragen, sodass ein ausreichender Kontaktbereich zwischen den Elektroden- und Störstellendiffusionsbereichen trotz der Fehlausrichtung sichergestellt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte, veranschaulichende Zeichnung beschrieben. Die erste bis dritte Ausführungsform sind zwar nicht Bestandteil der Erfindung, trotzdem sind sie für ihr Verständnis wertvoll. In der beigefügten Zeichnung zeigen:
1 eine Schnittzeichnung einer lichtemittierenden Diode in einem Chip mit einer LED-Anordnung;
2 eine Schnittzeichnung eines Chips mit einer LED-Anordnung mit Abmessungen gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine Draufsicht auf den Chip mit einer LED-Anordnung von 2;
4A eine Zeichnung, die das Zinkkonzentrationsprofil in der ersten Ausführungsform zeigt;
4B eine Beziehung zwischen Zinkkonzentration, Diffusionstiefe und Intensität des emittierten Lichts;
5 Zinkkonzentrationsprofile für herkömmliche Chips mit einer LED-Anordnung, die durch Gasphasendiffusion hergestellt sind;
6 die Beziehung zwischen Diffusionstiefe und Intensität des abgestrahlten Lichts bei einem herkömmlichen Chip mit einer LED-Anordnung;
7 die räumliche Intensitätsverteilung einer lichtemittierenden Diode in der ersten Ausführungsform;
8 die Strom-Spannungs-Kennlinien von Halbleiter-Wafern mit hohem und niedrigem Schichtwiderstand;
9 eine herkömmliche Elektrodenausführung;
10 einen ersten Schritt in einem Festphasendiffusionsprozess zum Herstellen der ersten Ausführungsform;
11 einen zweiten Schritt in demselben Prozess;
12 einen dritten Schritt in demselben Prozess;
13 einen vierten Schritt in demselben Prozess;
14 einen fünften Schritt in demselben Prozess;
15 eine Schnittzeichnung, die eine zweite Ausführungsform veranschaulicht;
16 eine dritte Ausführungsform;
17 einen ersten Schritt in einem Ionenimplantationsprozess zum Herstellen einer der vorhergehenden Ausführungsformen;
18 einen zweiten Schritt in diesem Prozess;
19 einen dritten Schritt in diesem Prozess;
20 einen vierten Schritt in diesem Prozess;
21 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform;
22 eine vergrößerte Draufsicht auf zwei lichtemittierende Dioden in der vierten Ausführungsform;
23 eine vergrößerte Draufsicht auf zwei lichtemittierende Dioden in einer Abwandlung der vierten Ausführungsform;
24 eine Schnittzeichnung einer lichtemittierenden Diode von 23;
25 eine vergrößerte Draufsicht auf zwei lichtemittierende Dioden bei einer weiteren Abwandlung der vierten Ausführungsform;
26 zwei benachbarte Chips in einer LED-Anordnung;
27 eine vergrößerte Draufsicht auf vier lichtemittierende Dioden bei noch einer weiteren Abwandlung der vierten Ausführungsform;
28 eine vergrößerte Draufsicht auf zwei lichtemittierende Dioden bei noch einer weiteren Abwandlung der vierten Ausführungsform;
29 eine vergrößerte Draufsicht auf zwei lichtemittierende Dioden in einer fünften Ausführungsform;
30 eine bevorzugte Konfiguration der Schneidelinienmarkierungen bei jeder der vorhergehenden Ausführungsformen;
31 einen Schnitt längs der Linie I-I in 30; und
32 Abmessungstoleranzen bei einer weiteren Abwandlung der vierten Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen sind Chips mit einer LED-Anordnung, die sich zur Verwendung in einem elektrophotographischen Drucker eignen, wobei jedoch klar ist, dass dieselben erfinderischen Ideen auch auf andere Typen von Anordnungen aus lichtemittierenden Dioden angewendet werden können.
Erste Ausführungsform
Die erste Ausführungsform ist ein Chip mit einer 1200 dpi-LED-Anordnung. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Diode in der Anordnung. Die Anordnung ist durch wahlweise Eindiffundieren oder anderweitiges Einbringen von Zink, das Störstellen vom p-Typ darstellt, in ein n-Typ-Substrat 1 mit einer GaAs_1-xP_x-Epitaxieschicht, die auf einem GaAs-Basissubstrat vom n-Typ gewachsen ist, gebildet. Die Diffusion erfolgt in die Epitaxieschicht. Das Basissubstrat und die Epitaxieschicht werden in der Zeichnung als ein einziges Substrat 1 gezeigt.
Die Diffusion erfolgt durch eine Diffusionsmaske 3, wobei jede Diode durch ein Diffusionsfenster 4 definiert ist. Jede Diode hat eine Anode 5 (nachstehend als p-Elektrode bezeichnet), die einen Kontakt mit dem Störstellendiffusionsbereich 2 herstellt. Die Diffusionsmaske 3 wird an Ort und Stelle belassen, um eine elektrische Isolation zwischen der p-Elektrode 5 und dem Substrat 1 zu schaffen. Licht, das erzeugt wird, wenn Durchlassströme durch den pn-Übergang zwischen dem Störstellendiffusionsbereich 2 vom p-Typ und dem Substrat 1 vom n-Typ fließen, wird durch den frei liegenden Teil des Störstellendiffusionsbereichs 2, der nicht durch die p-Elektrode 5 bedeckt ist, emittiert.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Dioden in einer Ebene parallel zur Richtung der Anordnung, im rechten Winkel zur Schnittansicht in 1. Es sind die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet worden. Die p-Elektroden sind nicht gezeigt, aber 2 zeigt eine gemeinsame Katode 6 (nachstehend als n-Elektrode bezeichnet), die die Unterseite des Substrats 1 bedeckt. Jeder Störstellendiffusionsbereich 2 erzeugt eine lichtemittierende Diode. Licht wird durch Strom erzeugt, der von der in 1 gezeigten p-Elektrode 5 zu der in 2 gezeigten n-Elektrode 6 fließt.
Das Symbol Lb bezeichnet den Diodenabstand oder die Diodenschrittweite, der bzw. die im Wesentlichen 21,2 μm beträgt; Ld bezeichnet die Breite der Diffusionsfenster in der Anordnungsrichtung, die 5 μm beträgt, Xj bezeichnet die Diffusionstiefe, die 1 μm ist, und Lm bezeichnet die Breite des diffusionsfreien Bereichs zwischen benachbarten Störstellendiffusionsbereichen 2, nachstehend als Diffusionsrand bezeichnet. Der Diffusionsrand hat ein Ausmaß von 13,2 μm, wie anhand der folgenden Gleichung verifiziert werden kann. Lm = Lb – Ld – 2 × (1,5 × Xj) = 21,2 – 5 – 2 × (1,5 × 1) = 13,2
3 zeigt eine Draufsicht auf den Chip mit einer LED-Anordnung. Die Diffusionsfenster 4 haben eine rechtwinklige Form mit einer Breite von 5 μm in der Anordnungsrichtung längs der Zeile A-A, wie oben angemerkt, und mit einer Länge von 15 μm in der Richtung senkrecht zur Zeile A-A. Zwischen benachbarten Diffusionsfenstern 4 ist ein Zwischenraum von im Wesentlichen 16,2 μm vorhanden. Die Diffusionsfenster 4 sind in einer Zickzackanordnung, wobei sich ihre langen Enden abwechselnd oberhalb und unterhalb der Zeile A-A der Anordnung erstrecken. Die p-Elektroden 5 sind abwechselnd oberhalb und unterhalb der Zeile A-A angeordnet, sodass ungeradzahlige Dioden in der Anordnung ihre p-Elektroden auf einer Seite der Zeile A-A haben, und die geradzahligen Dioden ihre p-Elektroden auf der anderen Seite der Zeile A-A haben. Die frei liegenden Teile der Diffusionsfenster 4, die nicht durch die p-Elektroden 5 bedeckt sind, weisen eine im Wesentlichen quadratische Form auf und sind auf der Anordnungszeile A-A in gerader Linie angeordnet.
Wo die p-Elektroden 5 die Diffusionsfenster 4 bedecken, ist ihre Breite etwas größer als die Breite der Diffusionsfenster 4. An ihren fernen Enden werden die p-Elektroden 5 breiter, um Kontaktflächen 5a für eine Befestigung von (nicht gezeigten) Kontaktierdrähten zu bilden, die den Chip mit einer LED-Anordnung mit einem externen Bauelement wie etwa einer integrierten Ansteuerschaltung (IC) verbinden. Die Kontaktflächen 5a beiderseits der Zeile A-A sind in einem Zickzackmuster angeordnet, wodurch es möglich ist, große Kontakfflächen auszubilden, während gleichzeitig eine ausreichende Trennung zwischen benachbarten Flächen beibehalten wird. In einer Linie parallel zur Anordnungszeile A-A ist die Kontaktflächen-Schrittweite Lp im Wesentlichen 84,8 μm, viermal die Diodenschrittweite Lb.
Ein Merkmal der ersten Ausführungsform ist, dass der Diffusionsrand von 13,2 μm mehr als ausreichend ist, um eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Dioden sicherzustellen, bei einer großzügigen Toleranz für Fertigungsprozessschwankungen. Ein weiteres Merkmal ist, dass die Dioden durch einen (später beschriebenen) Prozess gebildet sind, der ermöglicht, die Diffusionstiefe innerhalb einer Genauigkeit von etwa ±10 % zu steuern. Benachbarte Dioden bleiben folglich gut isoliert, auch wenn die laterale Diffusion die übliche Grenze von 1,5 × Xj ein wenig überschreitet. Noch ein weiteres Merkmal ist, dass die Diffusionskonzentration von Zink an der Substratoberfläche wenigstens ungefähr 5 × 10¹⁹ Träger pro Kubikzentimeter (5 × 10¹⁹ cm^-3) ist und dies eine ausreichende Lichtleistung liefert, wie als Nächstes beschrieben wird.
4A zeigt das Konzentrationsprofil von Zink in der ersten Ausführungsform. Die Tiefe im Substrat 1 ist auf der horizontalen Achse abgetragen und die Konzentration in Trägern pro Kubikzentimeter ist logarithmisch auf der vertikalen Achse abgetragen. Die Konzentration bleibt von der Oberfläche nach unten bis zur Diffusionstiefe von 1 μm im Wesentlichen konstant auf 1 × 10²⁰ cm^-3 und fällt dann schnell um mehrere Größenordnungen ab, wodurch ein guter pn-Übergang gebildet wird. Dieses Profil kann mit einem später beschriebenen Festphasendiffusionsprozess erhalten werden. Ähnliche Profile sind für eine Festphasendiffusion bei Tiefen im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm bestätigt worden.
4B veranschaulicht die Abhängigkeit der Intensität des emittierten Lichts von der Störstellenkonzentration und der Diffusionstiefe in den Störstellendiffusionsbereichen. Die Intensität des emittierten Lichts ist in Mikrowatt (μW) auf der vertika len Achse abgetragen. Das Produkt aus der Zinkstörstellenkonzentration und der Diffusionstiefe ist bei einer logarithmischen Skala auf der horizontalen Achse abgetragen. Die Zinkkonzentration ist in Trägern pro Kubikzentimeter (cm^-3) gemessen und die Diffusionstiefe ist in Zentimetern (cm) gemessen, somit ist ihr Produkt (Zinkkonzentration × Diffusionstiefe) in Trägern pro Quadratzentimeter (cm^-2) gemessen. Die in 4B gezeigten Datenpunkte sind für Ströme von fünf Milliampere (5 mA), die lichtemittierenden Dioden mit gleichen Lichtemissionsflächen zugeführt werden.
Wie die Zeichnung angibt, ist bei einem Produkt aus Zinkkonzentration und Diffusionstiefe von 2 × 10¹⁵ cm^-2 die Intensität des emittierten Lichts im Wesentlichen null. Wenn das Produkt etwa 5 × 10¹⁵ cm^-2 ist, beträgt die Intensität des emittierten Lichts im Wesentlichen 15 μW. Wenn das Produkt etwa 1 × 10¹⁶ cm^-2 ist, beträgt die Intensität des emittierten Lichts im Wesentlichen 20 μW. Eine Intensität des emittierten Lichts von etwa 15 μW bei den lichtemittierenden Dioden, die bei dieser Messung verwendet werden, entspricht einer Intensität, die für eine Verwendung als eine Lichtquelle in einem elektrophotographischen Drucker ausreicht.
Lichtemittierende Elemente, bei denen das Produkt aus Zinkkonzentration und Diffusionstiefe wenigstens etwa 5 × 10¹⁵ cm^-2 ist, liefern folglich eine Lichtintensität, die für eine Verwendung als Lichtquelle in einem Drucker ausreicht. Bei dem Chip mit der 1200 dpi-LED-Anordnung der ersten Ausführungsform, wobei die Diffusionstiefe im Wesentlichen 1 μm (1 × 10^-4 cm) beträgt, ist dementsprechend eine Zinkkonzentration von etwa 5 × 10¹⁹ cm^-3 oder mehr ausreichend.
Versuche, die von den Erfindern durchgeführt wurden, lassen außerdem darauf schließen, dass die höchste Zinkstörstellenkonzentration in einer lichtemittierenden Diode, die durch Festphasendiffusion hergestellt ist, etwa 1 × 10²⁰ cm^-3 beträgt, wie in 4A gezeigt ist. Da das Produkt aus Zinkkonzentration und Diffusionstiefe wenigstens etwa 5 × 10¹⁵ cm^-2 sein muss, beträgt die Mindestdiffusionstiefe im Wesentlichen 0,5 μm.
Zum Vergleich zeigt 5 Diffusionsprofile für einen herkömmlichen Gasphasen-Diffusionsprozess mit Diffusionstiefen Xj von 2 μm und 5 μm. Die vertikale Achse und die horizontale Achse haben die gleiche Bedeutung wie in 4A. Bei einer Diffusionstiefe von 5 μm wird ein zufriedenstellendes Profil erzielt, aber bei 2 μm ist das Profil höchst unbefriedigend, da die Konzentration an der Oberfläche nur etwa 10¹⁸ Träger pro Kubikzentimeter beträgt und in einer Tiefe von 1 μm auf etwa 10¹⁷ Träger pro Kubikzentimeter abnimmt. Diese niedrige Konzentration lässt den Schichtwiderstand der Diffusionsbereiche überaus hoch werden, sodass in von den p-Elektroden entfernten Bereichen ein starker Spannungsabfall mit einer sich daraus ergebenden Verminderung der Lichtemission auftritt. Wegen des Spannungsabfalls tritt ein großer Teil der Emission direkt unter der p-Elektrode auf, wo die Elektrode dem Licht ein Hindernis entgegenstellt.
6 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Diffusionstiefe Xj in einer LED-Anordnung, die durch herkömmliche Gasphasendiffusion erzeugt ist, und der abgestrahlten Lichtintensität. Die horizontale Achse gibt die Diffusionstiefe (die Tiefe des pn-Übergangs) an. Die vertikale Achse gibt die abgestrahlte Intensität in relativen Einheiten an. Wenn die Diffusionstiefe 1 μm ist, wird im Wesentlichen kein Licht emittiert. Die abgestrahlte Intensität nimmt allmählich zu, wenn die Diffusionstiefe von 1 μm auf 5 μm zunimmt, und gelangt in eine Sättigung, wenn die Tiefe ungefähr 5 μm erreicht. Aus diesem Grund haben durch Gasphasendiffusion gebildete LED-Anordnungen im Allgemeinen eine Diffusionstiefe im Bereich von 5 μm bis 6 μm gehabt.
Für die erste Ausführungsform veranschaulicht 7 die Beziehung zwischen der abgestrahlten Lichtintensität, auf der vertikalen Achse abgetragen, und der Position innerhalb der Emissionsfläche der Dioden, wie auf und unter der horizontalen Achse gezeigt. Auf Grund der hohen Trägerkonzentration und des niedrigen Schichtwiderstands des Diffusionsbereichs wird an allen Punkten der rechteckigen lichtemittierenden Fläche 2a, die nicht durch die p-Elektrode 5 bedeckt sind, Licht mit einer im Wesentlichen gleichen Intensität abgestrahlt. Folglich wird leicht eine abgestrahlte Gesamtintensität erhalten, die für eine Verwendung bei einem elektrophotographischen Drucken ausreicht.
8 veranschaulicht die Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Übergangs, der in einem Halbleiter-Wafer mit einem niedrigen Schichtwiderstand (durchgehende Linie) ausgebildet ist, und eines pn-Übergangs, der in einem Halbleiter-Wafer mit einem hohen Schichtwiderstand (Punkt-Strich-Linie) ausgebildet ist. Die horizontale Achse repräsentiert die Spannung, die über dem pn-Übergang anliegt, die vertikale Achse repräsentiert den Stromfluss. Bei einem hohen Schichtwiderstand ist eine beträchtliche zusätzliche Spannung erforderlich, um den Stromfluss zu nehmen zu lassen. Bei einem niedrigen Schichtwiderstand ist die Spannungsabhängigkeit viel geringer; ein starker Stromfluss erfordert keine hohe Spannung. Folglich ermöglicht der niedrige Schichtwiderstand in der ersten Ausführungsform, dass die LED-Anordnung von einer integrierten Ansteuerschaltung angesteuert wird, die bei einem normalen Versorgungsspannungspegel arbeitet; die Spannung braucht nicht erhöht zu werden, um die geringe Größe und geringfügige Tiefe der Dioden auszugleichen.
Ein weiteres Merkmal der ersten Ausführungsform ist, dass die Geometrie der p-Elektrode das Sicherstellen eines ausreichenden elektrischen Kontakts mit den Störstellendiffusionsbereichen und von ausreichendem Raum für die Befestigung von Kontaktierdrähten trotz der hohen Auflösung von 1200 dpi ermöglicht. Zum Vergleich zeigt 9 eine herkömmliche Anordnung mit p-Elektroden 5 an nur einer Seite der Anordnungszeile, die ein Ende der Diffusionsfenster 4 nur teilweise überdecken. In einer Linie durch die Kontaktflächen 5a und parallel zur Anordnungszeile A-A ist die Kontaktflächenschrittweite Lp nur zweimal die Diodenschrittweite Lb, statt wie in der ersten Ausführungsform viermal die Diodenschrittweite. Bei einer gegebenen Kontaktflächenbreite ermöglicht die erste Ausführungsform, etwa die zweifache Auflösung zu erzielen, und kann eine größere Kontaktfläche zwischen den p-Elektroden 5 und Störstellendiffusionsbreichen 2 zur Verfügung stellen, wie beim Vergleichen von 9 mit 3 ersichtlich ist.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für die erste Ausführungsform mit Bezug auf 10 bis 14 beschrieben.
In 10 ist eine Aluminiumnitrid- (AlN) Dünnschicht als Diffusionsmaske 3 auf das Substrat 1 vom n-Typ aufgebracht worden, und die Diffusionsfenster 4 sind durch übliche photolithographische Techniken unter Verwendung von heißer Phosphorsäure als Ätzmittel erzeugt worden.
In 11 ist eine Dünnschicht, die eine Mischung aus Zinkoxid und Siliciumdioxid umfasst (eine ZnO-SiO₂-Dünnschicht), als eine Diffusionsquelle 7 aufgebracht worden, dann mit einer weiteren Aluminiumnitrid-Dünnschicht, die eine Glühhaube 8 bildet, bedeckt worden. Ein Glühen bei einer Temperatur von 700 °C über sechzig Minuten bewirkt, dass Zink von der Diffusionsquelle 7 in das Substrat 1 diffundiert, wodurch Störstellendiffusionsbereiche 2 mit einer Tiefe von im Wesentlichen 1 μm unter den Diffusionsfenstern gebildet werden.
In 12 sind die Diffusionsquelle 7 und die Glühhaube 8 entfernt worden, zuerst die Glühhaube mit heißer Phosphorsäure, dann die Diffusionsquelle mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure. Die ZnO-SiO₂-Diffusionsquelle 7 wird durch heiße Phosphorsäure nicht geätzt, und die AlN-Diffusionsmaske 3 wird durch gepufferte Fluorwasserstoffsäure nicht geätzt; so können diese Schritte zum Entfernen als Ätzungen der gesamten Oberfläche durchgeführt werden, die Diffusionsfenster 4 der richtigen Größe an den richtigen Stellen hinterlassen.
In 13 sind die p-Elektroden 5 gebildet worden. Auf die gesamte Oberfläche wird eine Dünnschicht aus Aluminium (Al) als p-Elektrodenmaterial aufgedampft, dann mittels Photolithographie strukturiert, um die Elektroden 5 zu bilden. Eine weitere Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C bis 500 °C in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt, um die p-Elektroden 5 zu sintern und ohmsche Kontakte zwischen den Elektroden und den Diffusionsbereichen zu erhalten.
Die p-Elektroden 5 können unter Verwendung eines Resists strukturiert werden, der entweder vor oder nach dem Aufbringen des Elektrodenmaterials ausgebildet wird. Falls der Resist vor dem Elektrodenmaterial ausgebildet wird, wird er so strukturiert, dass die Bereiche belichtet werden, in denen die p-Elektroden ausgebildet werden. Nachdem das p-Elektrodenmaterial abgelagert worden ist, wird der Resist abgehoben, um das unerwünschte Elektrodenmaterial zu entfernen. Falls der Resist nach dem Elektrodenmaterial ausgebildet wird, wird er so strukturiert, dass die Bereiche bedeckt sind, in denen die p-Elektroden ausgebildet werden, und der Rest des p-Elektrodenmaterials wird durch Ätzen entfernt.
In 14 ist die Unterseite des Substrats 1 poliert worden, und es ist eine Goldlegierungs-Dünnschicht aufgebracht worden, um die n-Elektrode 6 zu bilden. Es wird eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt, um die n-Elektrode 6 zu sintern und einen ohmschen Kontakt mit dem Substrat 1 zu erhalten.
Dieser Fertigungsprozess ermöglicht, eine LED-Anordnung auszubilden, welche die Diffusionstiefe, Störstellenkonzentration und weiteren Eigenschaften aufweist, die für eine Auflösung von 1200 dpi erforderlich sind. Die Verwendung von Aluminiumnitrid-Dünnschichten für die Diffusionsmaske 3 und die Glühhaube 8 ist insofern vorteilhaft, als das Aluminiumnitrid einen Wärmeausdehnungskoeffizien ten hat, der jenem des Substrats 1 vom n-Typ ähnlich ist. Die Glühhaube 1 und die Diffusionsmaske 3 setzen folglich das Substrat 1 während des Hochtemperaturglühens sehr geringen mechanischen Belastungen aus. Demzufolge wird die laterale Diffusion der Zinkstörstellen innerhalb der normalen Grenze von 1,5-mal der Diffusionstiefe Xj gehalten.
Der Chip mit einer LED-Anordnung kann auch mittels Ionenimplantation hergestellt werden, wie später beschrieben wird.
Eine beliebig lange Anordnung aus lichtemittierenden Dioden kann ausgebildet werden, indem Chips mit einer LED-Anordnung wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben auf einer Auflagefläche wie etwa einer Leiterplatte auf Stoß linear angeordnet werden.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform, mit Bezug auf 15, ist ebenfalls eine LED-Anordnung mit 1200 dpi, die durch Eindiffundieren von Zink in ein GaAs_1-xP_x-Substrat 1 durch Festphasendiffusion bei einer Oberflächenkonzentration von wenigstens ungefähr 5 × 10¹⁹ Trägern pro Kubikzentimeter und einer Diffusionstiefe von im Wesentlichen 1 μm gebildet ist. Die Störstellendiffusionsbereiche 2, die Diffusionsmaske 3, die p-Elektroden 5 und die n-Elektrode 6 sind den entsprechenden Elementen in der ersten Ausführungsform ähnlich. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass sie eine zusätzliche Zwischenschicht/Isolationsschicht 9 aus Siliciumnitrid (SiN) aufweist, die nach dem Schritt der Festphasendiffusion auf der Diffusionsmaske ausgebildet wird und so strukturiert wird, dass sie die Diffusionsfenster 4 frei lässt. Die p-Elektroden 5 werden auf dieser Zwischenschicht/Isolationsschicht 9 ausgebildet, die folglich für eine zusätzliche elektrische Isolation zwischen dem Substrat 1 und p-Elektroden 5 sorgt. Die Zwischenschicht/Isolationsschicht 9 trägt außerdem dazu bei, die elektrische Isolation zwischen benachbarten Dioden sicherzustellen.
Dritte Ausführungsform
16 veranschaulicht eine LED-Anordnung mit 2400 dpi, wobei die Diffusionsfenster 4 die gleiche 5 μm-Breite Ld wie in der ersten Ausführungsform haben, aber bei einer Schrittweite Lb von etwa 10,6 μm angeordnet sind. Die Breite des Zwischenraums zwischen Diffusionsfenstern 4 beträgt demgemäß 5,6 μm. Die Diffusionstiefe Xj ist auf 0,5 μm verringert, wodurch der laterale Diffusionsabstand Xs im Wesentlichen gleich 0,75 μm wird. Der Diffusionsrand Lm ist folglich 4,1 μm [berechnet als 5,6 μm – (2 × 0,75 μm)]. Dieser Diffusionsrand ist, obwohl er kleiner als in der ersten Ausführungsform ist, immer noch ausreichend, um die Herstellung durchzuführen.
Eine LED-Anordnung mit 2400 dpi kann auch mit einer Diffusionstiefe Xj von 1 μm wie bei der ersten Ausführungsform hergestellt werden, wenn die Breite Ld des Diffusionsfensters 4 auf 3 μm verringert werden kann. Der Diffusionsrand Lm ist in diesem Fall 4,6 μm [berechnet als 10,6 μm – 3 μm – (2 × 1,5 μm)], was wiederum ausreichend ist, um die Herstellung des Chips mit LED-Anordnung durchzuführen.
Versuchen zufolge kann die Diffusionstiefe im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm variiert werden, wobei im Wesentlichen keine Änderung der Intensität des emittierten Lichts auftritt. Die vorliegende Ausführungsform scheint folglich imstande zu sein, Chips mit LED-Anordnungen zu liefern, die Auflösungen von bis zu wenigstens 2400 dpi haben.
Wie schon angemerkt wurde, können die Chips mit einer LED-Anordnung durch Ionenimplantation statt durch Festphasendiffusion hergestellt werden. Der Ionenimplantationsprozess für eine 2400 dpi-Anordnung wird mit Bezug auf 17 bis 20 beschrieben. In 17 ist ein GaAs_1-xP_x-Substrat 1 mit einer Diffusionsmaske 3 und Resist 10 beschichtet worden, die strukturiert worden sind, um Fenster 4 zu bilden. Die Diffusionsmaske 3 ist eine Aluminiumnitrid-Dünnschicht.
In 18 werden Zink-Ionen durch eine Ionenimplantationsausrüstung beschleunigt und durch die Fenster 4 hindurch in das Substrat 1 implantiert. Die Implantationsbedingungen sind eine Ionenenergie von 1 MeV, ein Ionenstrahldurchmesser von 3 mm, ein Ionenstromwert von 0,2 μA und eine Bestrahlungszeit von 10 Minuten. Die resultierende Implantationstiefe ist 0,5 μm. Obwohl sie durch Ionenimplantation gebildet sind, werden die implantierten Bereiche weiterhin als Störstellendiffusionsbereiche 2 bezeichnet werden.
In 19 ist der Resist 10 entfernt worden, und es ist eine Glühhaube 8 gebildet worden. Die dreißig Minuten dauernde Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700 °C treibt die Zink-Ionen in das Substratgitter, wodurch die Störstellendiffusionsbereiche 2 elektrisch aktiviert werden. Die Diffusionstiefe, d. h. die Tiefe des pn-Übergangs, bleibt im Wesentlichen 0,5 μm.
In 20 ist die Glühhauben-Dünnschicht 8 entfernt worden, um die Störstellendiffusionsbereiche 2 frei zu legen. Das Bauelement wird durch Ausbilden von p- und n-Elektroden wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben vervollständigt.
Vierte Ausführungsform
Die vierte Ausführungsform, die zu der vorliegenden Erfindung gehört, ist ein Chip mit einer LED-Anordnung, die der ersten oder dritten Ausführungsform im Großen und Ganzen ähnlich ist, wobei die Form der Diffusionsfenster 4 und der Störstellendiffusionsbereiche 2 modifiziert worden ist.
Mit Bezug auf die Draufsicht in 21: Die vierte Ausführungsform hat das gleiche allgemeine Layout wie die vorhergehenden Ausführungsformen, wobei p-Elektroden 5 auf wechselnden Seiten der Anordnungszeile A-A angeordnet sind und die Kontaktflächen 5a im Zickzack angeordnet sind, sodass die Flächen-Schrittweite Lp viermal die Diodenschrittweite Lb ist. Das Substrat 1 und die Diffusionsmaske 3 können die gleichen Materialien wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen umfassen, jedoch wird die Form der Diffusionsfenster 4 so verändert, dass jeder Störstellendiffusionsbereich 2 einen vergleichsweise schmalen ersten Bereich und einen vergleichsweise breiten zweiten Bereich 12 umfasst. Die ersten Bereiche 11 fungieren hauptsächlich als lichtemittierende Bereiche. Die zweiten Bereiche 12 werden hauptsächlich für den elektrischen Kontakt mit den p-Elektroden 5 verwendet. Die Kontaktfläche 13 (schraffiert) nimmt den größten Teil oder die Gesamtheit der Fläche in den zweiten Bereichen 12 ein.
Der Einfachheit halber wird in dieser Figur die laterale Diffusion unbeachtet gelassen, und die Störstellendiffusionsbereiche 2 werden behandelt, als hätten sie die gleichen Abmessungen wie die Diffusionsfenster 4.
In dieser und nachfolgenden Figuren wird die Richtung parallel zur Anordnungszeile A-A als X-Richtung bezeichnet, und die Richtung senkrecht zur Anordnungszeile A-A als Y-Richtung, wie durch die mit X und Y markierten Pfeile angegeben ist.
22 und 23 sind Vergrößerungen des Bereichs Q in 21, wobei zwei mögliche Konfigurationen der ersten und zweiten Bereiche, 11 und 12, gezeigt sind. Für eine gute Qualität des elektrophotographischen Drucks sollten die ersten Bereiche 11 eine Form haben, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Leuchtfleck des emittierten Lichts erzeugt. (Die Form des Leuchtflecks des emittierten Lichts hat einen verhältnismäßig starken Einfluss auf die Druckqualität.) Dies bedeutet nicht, dass die ersten Bereiche 11 selbst kreisförmig sein müssen; die ersten Bereiche 11 können verschiedene mehreckige Formen haben. In der vierten Ausführungsform haben die ersten Bereiche 11 eine rechtwinklige Form mit den Abmessungen W1x in der X-Richtung und W1y in der Y-Richtung, wie in 22 gezeigt ist. Die rechtwinklige Form kann quadratisch sein (W1y/W1x = 1), wie in 22, oder nicht quadratisch (W1y/W1x ≠ 1), wie in 23. Das optimale Längen-Breiten-Verhältnis (W1y/W1x) kann experimentell bestimmt werden. Die p-Elektroden 5 können die zweiten Bereiche 12 vollständig überdecken, wie in 22, oder die zweiten Bereich 12 nur teilweise überdecken, wie in 23.
24 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie I-I in 23, um den lateralen Diffusionsabstand Xs zu veranschaulichen.
In 22 und 23 ist die Abmessung W1x die Breite der ersten Bereiche 11, die gleich der Breite der Diffusionsfenster, die diese Bereiche definieren, zuzüglich des zweifachen lateralen Diffusionsabstands Xs ist. Der größtmögliche zulässige Wert von W1x ist bezüglich der Diodenschrittweite Lb und des erforderlichen Diffusionsrands Lm durch die folgende Gleichung gegeben: W1x = Lb – Lm
Bei einer 1200 dpi-Anordnung mit einem Diffusionsrand von 5 μm kann W1x eine Größe von 16,2 μm haben. Wenn die Diffusionstiefe 1 μm beträgt, sodass der laterale Diffusionsabstand Xs im Wesentlichen 1,5 μm ist, kann die Breite der Diffusionsfenster, welche die ersten Bereiche 11 definieren, bis zu 13,2 μm sein. Bei einer 2400 dpi-Anordnung mit der gleichen Diffusionstiefe und dem gleichen Diffusionsrand kann W1x bis zu 5,6 μm sein, und die Teile der Diffusionsfenster 4, welche die ersten Bereiche 11 definieren, können bis zu 2,6 μm breit sein.
In 23 ist die Abmessung W2x die Breite der zweiten Bereiche 12, die gleich der Breite der Diffusionsfenster, die diese Bereiche definieren, zuzüglich des zweifachen lateralen Diffusionsabstands Xs ist. Die zweiten Bereiche 12 sind abwechselnd oberhalb und unterhalb der Anordnungszeile A-A angeordnet; somit ist beiderseits der Anordnungszeile A-A ihre Schrittweite zweimal die Diodenschrittweite Lb. Dies ermöglicht, dass die Breite W2x der zweiten Bereiche 12 größer als die Breite W1x der ersten Bereiche 11 ist. In 23 ist W2x beispielsweise doppelt so groß wie W1x. Die obere Grenze für W2x ist bezüglich der Diodenschrittweite Lb und des Diffusionsrands Lm durch die folgende Gleichung gegeben: W2x = (2·Lb) – Lm
Wenn der erforderliche Diffusionsrand 5 μm ist, dann kann W2x bis zu 37,4 μm in einer 1200 dpi-Anordnung und bis zu 16,2 μm in einer 2400 dpi-Anordnung sein. Sogar bei Anordnungen mit einer sehr hohen Auflösung können die zweiten Bereiche 12 breit genug sein, um eine ausreichende Kontaktfläche 13 mit den p-Elektroden 5 sicherzustellen. Die zweiten Bereiche 12 können eine rechtwinklige Form haben, wie in den Figuren gezeigt ist, oder können irgendeine andere geeignete Form haben.
Wie aus 25 ersichtlich ist, weicht der Störstellendiffusionsbereich 2x an jedem Ende 14 des Chips mit einer LED-Anordnung vorzugsweise in der Konfiguration von den anderen Störstellendiffusionsbereichen 2 ab. Im Besonderen sind die Seiten des ersten Bereichs 11 und des zweiten Bereichs 12, die neben dem Ende 14 des Chips in diesem Störstellendiffusionsbereich 2x sind, so ausgerichtet, dass sich der zweite Bereich 12 nicht weiter als der erste Bereich zum Ende 14 des Chips erstreckt. Dies kann bewerkstelligt werden, ohne die Diodenschrittweite zu verändern, indem der zweite Bereich 12 im Störstellendiffusionsbereich 2x zum Zentrum der Anordnung verschoben wird, wie in der Zeichnung gezeigt ist, oder indem die Abmessungen W2xe und W2ye des zweiten Bereichs so verändert werden, dass, im Vergleich mit anderen Störstellendiffusionsbereichen 2, W2xe verkleinert und W2ye vergrößert wird. Die Fläche W2xe × W2ye des zweiten Bereichs 12 im Störstellendiffusionsbereich 2x am Ende des Chips kann dann gleich der Fläche W2x × W2y der zweiten Bereiche 12 in anderen Störstellendiffusionsbereichen 2 gehalten werden, sodass es keine Verkleinerung der Kontaktfläche 13 mit der p-Elektrode 5 gibt.
Ein Grund für diese Veränderung der Form der Störstellendiffusionsbereiche 2x an den Enden des Chips mit einer LED-Anordnung ist, dass verhindert werden soll, dass sich diese Störstellendiffusionsbereiche 2x genau bis zur Kante des Chips erstrecken. Ein zweiter Grund ist, dass die Chips mit einer LED-Anordnung mitunter so in einer LED-Anordnung platziert sind, dass sie Ende an Ende aneinanderstoßen; damit in diesem Fall Kurzschlüsse zwischen benachbarten p-Elektroden 5 auf aneinanderstoßenden Chips vermieden werden und damit Kurzschlüsse, die sich durch eine p-Elektrode auf einem Chip, die einen Bereich vom n-Typ auf einem benachbarten Chip berührt, ergeben, vermieden werden, müssen die p-Elektroden in einem bestimmten Abstand Le von den Enden der Chips angeordnet sein. Folglich wäre es keinem Zweck gedient, wenn sich der zweite Bereich 12 weiter als bis zu diesem Abstand Le zum Ende 14 des Chips erstreckt.
Um einen gleichen Zwischenraum zwischen Dioden auf verschiedenen Chips beizubehalten, sollte der Abstand Lf vom Zentrum des ersten Bereichs 11 zum Ende 14 des Chips im Störstellendiffusionsbereich 2x am Ende des Chips im Wesentlichen die Hälfte der Diodenschrittweite Lb sein. Der gewünschte Abstand von der Kante des Störstellendiffusionsbereichs 2x bis zum Ende 14 des Chips kann aus diesem Abstand Lf und der Breite W1x der ersten Bereiche 11 berechnet werden.
26 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Abmessung Lf und der Diodenschrittweite Lb. Je nach dem Zwischenraum, der in der Anordnung zwischen benachbarten Chips mit einer LED-Anordnung (mit CHIP-1 und CHIP-2 bezeichnet) zulässig ist, kann Lf etwas kleiner als die Hälfte von Lb sein.
27 und 28 veranschaulichen zwei weitere mögliche Lagebeziehung zwischen den p-Elektroden 5 und den ersten und zweiten Bereichen 11 und 12 der Störstellendiffusionsbereiche 2.
In 27 bedecken die p-Elektroden die zweiten Bereiche 12 vollständig und bedecken außerdem die Enden der ersten Bereiche 11, die den zweiten Bereichen 12 benachbart sind. Die ersten Bereiche 11 haben zudem eine verhältnismäßig lange und dünne Form (die Abmessung W1x ist verhältnismäßig klein). Bei dieser Ausführung haben geringfügige Abweichungen der Lage der p-Elektroden 5 verhältnismäßig geringe Auswirkungen auf die Emissionsfläche der ersten Bereiche 11. Lageabweichungen der p-Elektroden 5 ändern zudem nicht die Kontaktfläche 13 mit den zweiten Bereichen 12, da die p-Elektroden 5 breiter als die Breite W2x der zweiten Bereiche 12 sind, somit der Kontaktwiderstand zwischen den p-Elektroden 5 und den Störstellendiffusionsbereichen 2 sich von Diode zu Diode nicht wesentlich unterscheidet. Mit einer einheitlichen Emissionsfläche und einem einheitlichen Kontaktwiderstand kann leicht eine einheitliche Intensität des emittierten Lichts erzielt werden.
Die ersten Bereiche 11 in 27 sind in einer leichten Zickzackanordnung, sodass, nachdem sie teilweise durch die p-Elektroden bedeckt worden sind, ihre lichtemittierenden Flächen gleichmäßig angeordnet sind.
Als ein weiteres Beispiel zeigt 28 eine Ausführung, bei der die zweiten Bereiche 12 breiter sind, als es für einen ausreichenden elektrischen Kontakt mit den p-Elektroden 5 erforderlich ist. Dies ermöglicht, die Kanten der zweiten Bereiche 12, die den ersten Bereichen 11 benachbart sind, durch die p-Elektroden 5 nicht bedeckt zu lassen. Diese Ausführung kann verwendet werden, um die Intensität des emittierten Lichts zu verstärken, indem eine zusätzliche Emissionsfläche 15 unmittelbar an die p-Elektroden 5 angrenzend, wo die intensivste Emission erhalten wird, bereitgestellt wird.
Obwohl, nun wieder mit Bezug auf 7, die Intensität des emittierten Lichts über die Länge der Emissionsfläche im Wesentlichen konstant ist, ist sie nicht völlig konstant, sondern es gibt einen erheblichen Anstieg knapp vor der p-Elektrode 5. Bei der Ausführung von 28 hat diese mit hoher Lichtintensität emittierende Fläche 15 die Breite W2x der zweiten Bereiche 12, und eben nicht die geringere Breite der ersten Bereiche 11, was eine erhebliche Zunahme der Lichtemission zur Folge hat.
In 28 wie in 27 sind die ersten Bereiche 11 in einer leichten Zickzackanordnung, sodass die lichtemittierenden Flächen gleichmäßig angeordnet sind.
Fünfte Ausführungsform
Obwohl in der vierten Ausführungsform die lichtemittierenden ersten Bereiche 11 in gerader Linie auf der Anordnungszeile A-A angeordnet waren, ist dies keine notwendige Voraussetzung für die fünfte Ausführungsform, die zu der vorliegenden Erfindung gehört. Wie aus 29 ersichtlich ist, können die lichtemittierenden ersten Bereiche 11 abwechselnd oberhalb und unterhalb der Anordnungszeile A-A angeordnet sein. Diese Ausführung kann verwendet werden, um bei Anordnungen mit einer sehr hohen Auflösung einen zusätzlichen Konstruktionsspielraum zu erhalten.
29 zeigt die Diffusionsfenster 4 mit durchgehenden Linien und die Umrisse der Störstellendiffusionsbereiche 2 mit strichpunktierten Linien. Die ersten Bereiche 11 müssen folglich die angegebenen Abmessungen W1x und W1y haben. Bei dieser Ausführung kann für eine gegebene Diodenschrittweite W1x größer als bei den vorhergehenden Ausführungsformen sein. Die Diffusionsfenster 4 sind so angeordnet, dass die Kanten der ersten Bereiche 11 im Wesentlichen zur Anordnungszeile A-A ausgerichtet sind. Diese Ausführung führt nicht zu einem unregelmäßigen äußeren Erscheinungsbild beim elektrophotographischen Drucken, denn die ungeradzahligen Störstellendiffusionsbereiche 2 sind in einer geraden Line fluchtend und die geradzahligen Störstellendiffusionsbereiche 2 sind ebenfalls in einer (anderen) Linie fluchtend, wobei beide Linien parallel zur Anordnungszeile A-A sind.
Die in 22 bis 28 gezeigten Variationen bei den Lagebeziehungen der Störstellendiffusionsbereiche 2 und p-Elektroden 5 sind auch auf diese fünfte Ausführungsform anwendbar.
Die vierte Ausführungsform und die fünfte Ausführungsform können durch den in 10 bis 14 dargestellten Prozess unter Verwendung einer Festphasendiffusion oder durch den in 17 bis 20 dargestellten Prozess unter Verwendung einer Ionenimplantation hergestellt werden. Der einzige Unterschied besteht in der Form der Diffusionsfenster 4, die die Störstellendiffusionsbereiche 2 definieren.
Bei dem Fertigungsprozess für irgendeine der vorhergehenden Ausführungsformen wird normalerweise eine große Anzahl von Chips mit einer LED-Anordnung auf einem einzigen Halbleiter-Wafer hergestellt, und die Chips werden am Ende des Fertigungsprozesses durch Schneiden entlang der Linien, die während des Fertigungsprozesses markiert wurden, voneinander getrennt. Die Schneidelinienmarkierungen können effizient erzeugt werden, indem wahlweise ein Teil der Diffusionsmaske 3 entfernt wird, wodurch die Diffusionsmaske 3 mit einem linearen Liniengitter strukturiert wird; folglich können die Schneidelinienmarkierungen und die Diffusionsfenster 4 in demselben Schritt erzeugt werden.
Die Schneidelinienmarkierungen 16 sind, mit Bezug auf 30, vorzugsweise in Bereichen 17, die den Diffusionsfenstern 4x an jedem Ende 14 jedes Chips mit einer LED-Anordnung auf dem Wafer benachbart sind, verengt. Dies gilt nur für die Schneidelinienmarkierungen 16, die senkrecht zur Anordnungszeile des Chips mit einer LED-Anordnung verlaufen. Der verengte Bereich 17 stellt einen bestimmten Mindestabstand W₀ zwischen der Schneidelinienmarkierung 16 und dem Diffusionsfenster 4x sicher. W₀ muss den Diffusionsrand und den Abstand vom Diffusionsfenster 4x bis zum Ende des Chips 14 überschreiten, und zwar um einen Betrag, der die laterale Diffusion berücksichtigt, damit während des Fertigungsprozesses die Störstellendiffusionsbereiche an den Enden der Chips mit einer LED-Anordnung nicht mit Störstellendiffusionsbereichen, die unter den Schneidelinienmarkierungen ausgebildet werden, verschmelzen werden und damit, nachdem der Wafer in einzelne Chips zerteilt worden ist, keine unerwünschten Störstellendiffusionsbereiche neben den Dioden-Störstellendiffusionsbereichen an den Enden der Chips mit einer LED-Anordnung übrig bleiben werden. Erforderlichenfalls kann die Schneidelinienmarkierung in den Bereichen 17, die den Diffusionsfenstern 4x an den Enden der Chips mit einer LED-Anordnung benachbart sind, vollständig entfernt werden, vorausgesetzt, dies erschwert nicht das Zerteilen in einzelne Chips.
31 veranschaulicht die Abmessung W₀ in einem Schnitt längs der Linie I-I in 30. W₀ ist der Mindestabstand zwischen den Schneidelinienmarkierungen 16 und den Diffusionsfenstern 4.
Bei der Durchführung des Festphasendiffusionsprozesses oder Ionenimplantationsprozesses werden Zinkstörstellen sowohl durch die Schneidelinienmarkierungen 16 als auch durch die Diffusionsfenster 4 gehen und unterhalb der Schneidelinien Störstellendiffusionsbereiche bilden. Beim Zerteilen des Wafers in einzelne Chips werden jedoch, wenn die Abmessung W₀ wie oben beschrieben ausgewählt worden ist, an den Orten, die den Dioden an den Enden der Chips mit einer LED-Anordnung benachbart sind, die Störstellendiffusionsbereiche unterhalb der Schneidelinien vollständig beseitigt werden; es werden dort keine unerwünschten Störstellendiffusionsbereiche zurückbleiben, die die Leistungsfähigkeit der Chips mit einer LED-Anordnung verschlechtern könnten.
Ein weiterer Vorteil der verengten Bereiche 17 in 30 ist, dass der zusätzliche Anteil der Diffusionsmaske 3, der in der Nähe der Diffusionsfenster 4x an den Enden der Chips übrig gelassen ist, die Bedingungen bezüglich der mechanischen Spannungen in der Umgebung der Diffusionsfenster 4x an den Enden des Chips mit einer LED-Anordnung den Bedingungen bezüglich der mechanischen Spannungen in der Umgebung der anderen Diffusionsfenster 4 ähnlich macht, was zu einer gleichmäßigeren Anordnung führt.
27 veranschaulicht eine Ausführung, bei der die p-Elektroden 5 vollständig von den zweiten Bereichen 12 der Störstellendiffusionsbereiche 2 bedeckt sind. Wie schon beschrieben wurde, werden die p-Elektroden 5 durch Strukturieren eines Resists gebildet. Mit Bezug auf 32: Für diesen Strukturierungsprozess wird eine Photomaske 18 verwendet. Bei der Anordnung von 27 sind die Strukturen 19 in der Photomaske 18, welche die p-Elektrodenflächen definieren, um Beträge Δx und Δy in Bezug auf die Größe der Diffusionsfenster 4 in den Kontaktflächen 13 zwischen den p-Elektroden 5 und den Störstellendiffusionsbereichen vergrößert. Diese Beträge Δx und Δy können entsprechend dem Vermögen zur Ausrichtung, das der Stepper aufweist, der verwendet wird, um den Resist durch die Photomaske zu belichten, und den geforderten Leistungskenngrößen der LED-Anordnung bestimmt sein. Die Abmessungen Δx und Δy sollten so bestimmt sein, dass innerhalb des erwarteten Bereichs einer Fehlausrichtung zwischen der Photomaske 18 und den Fenstern 4 in der Diffusionsmaske 3 die erforderliche Kontaktfläche 13 zwischen den p-Elektroden 5 und Störstellendiffusionsbereichen 2 trotz der Fehlausrichtung sichergestellt sein wird. Die Chips mit einer LED-Anordnung werden auch dann ihrer Spezifikation entsprechen, wenn einige der p-Elektroden 5 nicht so genau wie vorgesehen auf die zweiten Bereiche 12 ausgerichtet sind.
Bei den weiteren Abwandlungen, die in 21 bis 25 gezeigt sind, und bei den ersten drei Ausführungsformen kann eine ähnliche Vergrößerung der Struktur der Photomaske für die p-Elektrode verwendet werden, um einen zufriedenstellenden elektrischen Kontakt sicherzustellen.
Die Erfindung ist nicht auf Auflösungen von 1200 dpi und 2400 dpi beschränkt. Sie kann bei jeder Anordnung aus lichtemittierenden Dioden mit einer Auflösung, die gleich oder größer als 1200 dpi ist, nutzbringend angewendet werden. Beispielsweise können die in 3 und 21 veranschaulichten Strukturen an verschiedene Auflösungen angepasst werden, indem die Größe der Elektrodenflächen 5a ver ändert wird, ohne die Größe der Lichtemissionsflächen oder Elektrodenkontaktflächen zu ändern, folglich ohne die Lichtleistung der Dioden zu verändern. Aus demselben Grund kann die Anordnungsdichte erhöht werden, ohne den Fertigungsprozess empfindlicher für eine Fehlausrichtung zwischen der Elektroden-Photomaske und der Diffusionsmaske zu machen.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer Galliumarsenid-Phosphid-Epitaxieschicht, die auf einem GaAs-Basissubstrat gewachsen ist, beschränkt. Anstelle von GaAsP können andere Verbindungshalbleitermaterialien, wie etwa Galliumaluminium-Arsenid (GaAlAs), verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf Diffusionstiefen im Bereich von 0,5 μm bis 1 μm beschränkt. Die Diffusionstiefe kann bis zu 2 μm betragen. Bei 1200 dpi, mit 5 μm-Diffusionsfenstern, ermöglicht eine Diffusionstiefe von 2 μm einen Diffusionsrand von 10 μm. Selbst wenn die laterale Diffusion sich bis zum Doppelten des erwarteten Grenzwerts fortsetzt, d. h. bis zu dreimal die Diffusionstiefe statt 1,5-mal, beträgt der Diffusionsrand immer noch 4 μm, was ausreicht, um benachbarte Dioden voneinander zu isolieren.
Der Fachmann wird klar erkennen, dass innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung wie in den beigefügten Ansprüchen definiert weitere Abwandlungen möglich sind.

Claims

Chip mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden, der mehrere Dioden besitzt, die durch wahlweises Dotieren eines Halbleitersubstrats (1) eines Leitungstyps mit Störstellen eines weiteren Leitungstyps erzeugt werden, wodurch Störstellendiffusionsbereiche (2) gebildet werden, wobei die Dioden mit einer Schrittweite von wenigstens eintausendzweihundert Dioden pro Zoll angeordnet sind; und die Störstellendiffusionsbereiche (2) in dem Halbleitersubstrat (1) eine Tiefe von wenigstens 0,5 μm und höchstens 2 μm haben, und wobei der Chip ferner mehrere Elektroden (5) zum Liefern eines Stroms an entsprechende Störstellendiffusionsbereiche (2) umfasst, wobei: die Störstellendiffusionsbereiche (2) längs einer Zeile der Anordnung angeordnet sind; jeder der Störstellendiffusionsbereiche (2) einen ersten Bereich (11), der keinen Kontakt mit irgendeiner der Elektroden (5) herstellt, und einen zweiten Bereich (12), der zu dem ersten Bereich (11) benachbart ist, umfasst, wobei der zweite Bereich (12) in einer Richtung senkrecht zu der Anordnungszeile weiter als der erste Bereich (11) von der Zeile der Anordnung entfernt ist, wobei der zweite Bereich (12) einen Kontakt mit einer entsprechenden Elektrode (5) unter den Elektroden (5) herstellt und wobei der zweite Bereich (12) gemessen in einer Richtung parallel zu der Anordnungszeile breiter als der erste Bereich (11) ist, wodurch eine Kontaktfläche mit der entsprechenden Elektrode (5) geschaffen wird, um sicherzustellen, dass ein bestimmter Kontaktwiderstand nicht überschritten wird; und zueinander benachbarte Störstellendiffusionsbereiche (2) ihre beiden Bereiche (12) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Anordnungszeile haben.
Chip nach Anspruch 1, bei dem das Halbleitersubstrat (1) Galliumarsenid-Phosphid enthält.
Chip nach Anspruch 1, bei dem das Halbleitersubstrat (1) Galliumaluminium-Arsenid enthält.
Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Halbleitersubstrat (1) ein Substrat des n-Typs auf GaAs-Basis und darauf eine GaAsP-Epitaxieschicht umfasst und die Störstellen Zink sind.
Chip nach Anspruch 4, bei dem die Zinkstörstellen eine Oberflächenkonzentration von wenigstens 5·10¹⁹ Träger pro Kubikzentimeter und von höchstens 1·10²⁰ Träger pro Kubikzentimeter haben.
Chip nach Anspruch 1, bei dem dann, wenn ein Störstellendiffusionsbereich (2x) unter den Störstellendiffusionsbereichen (2) benachbart zu einem Ende des Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden angeordnet ist, der zweite Bereich (12) dieses Störstellendiffusionsbereichs (2x) sich nicht näher als der erste Bereich (11) dieses Störstellendiffusionsbereichs zu dem Ende des Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden erstreckt.
Chip nach Anspruch 1, bei dem der erste Bereich (11) eine Form hat, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Lichtfleck emittiert.
Chip nach Anspruch 7, bei dem der erste Bereich (11) eine rechtwinklige Form hat.
Chip nach Anspruch 1, bei dem die entsprechende Elektrode (5) den zweiten Bereich (11) abdeckt.
Chip nach Anspruch 1, bei dem die entsprechende Elektrode (5) einen ersten Teil des zweiten Bereichs (11) abdeckt, der sicherstellen kann, dass ein bestimmter Kontaktwiderstand nicht überschritten wird, und einen zweiten Teil des zweiten Bereichs (12) frei lässt, wobei der zweite Teil zu dem ersten Bereich (11) benachbart ist.
Chip nach Anspruch 1, bei dem: die Elektroden (5) Kontaktflächen (5a) besitzen, die für die Verbindung mit einer externen Vorrichtung verwendet werden; und die Kontaktflächen (5a) der Elektroden (5) in einem Zickzackmuster beiderseits der Anordnungszeile angeordnet sind.
Chip nach Anspruch 1, bei dem die Störstellendiffusionsbereiche (2) so angeordnet sind, dass ihre ersten Bereiche (11) auf die Zeile der Anordnung ausgerichtet sind.
Chip nach Anspruch 1, bei dem zueinander benachbarte Störstellendiffusionsbereiche (2) mit ihren ersten Bereichen (11) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Zeile der Anordnung angeordnet sind.
Anordnung aus lichtemittierenden Dioden, die mehrere Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden nach Anspruch 1, die in einer geraden Linie angeordnet sind, umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden nach einem der Ansprüche 1-13 durch wahlweises Dotieren eines Halbleitersubstrats (1) eines Leitungstyps mit Störstellen eines weiteren Leitungstyps, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden einer Diffusionsmaske (3) mit Fenstern (4) auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1); und Einleiten der Störstellen durch die Fenster (4) bis zu einer Tiefe von wenigstens 0,5 μm und höchstens 2 μm in dem Halbleitersubstrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden gleichzeitig aus einem einzigen Wafer des Halbleitersubstrats (1) hergestellt werden, wobei die Diffusionsmaske (3) Schneidelinienmarkierungen (16) sowie die Fenster (4) besitzt, wobei die Schneidelinienmarkierungen (16) und die Fenster durch wahlweises Entfernen der Diffusionsmaske (3) gebildet werden und die Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden voneinander durch Schneiden längs der Schneidelinienmarkierungen (16) getrennt werden, und wobei die Fenster (4) auf eine erste Richtung auf jedem der Chips mit einer Anordnung aus lichtemittierenden Dioden ausgerichtet sind; wenigstens einige der Schneidelinienmarkierungen (16) senkrecht zu der ersten Richtung verlaufen; und die Schneidelinienmarkierungen (16), die senkrecht zu der ersten Richtung verlaufen, dort, wo sie zu den Fenstern (4) nicht benachbart sind, eine erste Breite haben, und dort, wo sie zu den Fenstern (4) benachbart sind, eine zweite Breite haben, die kleiner als die erste Breite ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Einleitungsschritt die folgenden weiteren Schritte umfasst: Bilden einer Diffusionsquelle (7) mit fester Phase, die die Störstellen enthält, auf der Diffusionsmaske (3); und Glühen des Halbleitersubstrats (1), der Diffusionsmaske (3) und der Diffusionsquelle (7) mit fester Phase bei einer bestimmten Temperatur für eine bestimmte Zeit, wodurch bewirkt wird, dass die Störstellen von der Diffusionsquelle (7) mit fester Phase durch die Fenster (4) in das Halbleitersubstrat (1) diffundieren.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Einleitungsschritt durch Implantieren von Ionen durch die Fenster (4) in das Halbleitersubstrat (1) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Halbleitersubstrat (1) Galliumarsenid-Phosphid umfasst und die Störstellen Zink sind.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Halbleitersubstrat (1) Galliumaluminium-Arsenid umfasst und die Störstellen Zink sind.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Halbleitersubstrat (1) ein Substrat des n-Typs auf GaAs-Basis ist, auf dem eine GaAsP-Epitaxieschicht gebildet ist, und bei dem Zink als die Störstellen eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Störstellen eine Oberflächenkonzentration von wenigstens 5·10¹⁹ Träger pro Kubikzentimeter und höchstens 1·10²⁰ Träger pro Kubikzentimetern haben.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die zweite Breite ausreichend schmal ist, um sicherzustellen, dass nach dem Schneiden kein Teil der Schneidelinienmarkierungen (16), die senkrecht zu der ersten Richtung verlaufen, benachbart zu den Fenstern (4) zurückbleibt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die zweite Breite ausreichend schmal ist, um einen Abstand zwischen den Schneidelinienmarkierungen (16), die senkrecht zu der ersten Richtung verlaufen, und den Fenstern (4) zurückzulassen, der geeignet ist, dass sichergestellt ist, dass dann, wenn die Störstellen seitlich von den Schneidelinienmarkierungen (16) diffundieren und seitlich von den Fenstern (4) diffundieren, die Störstellen, die seitlich von den Schneidelinienmar kierungen (16) diffundieren, sich nicht mit den Störstellen, die seitlich von den Fenstern (4) diffundieren, mischen können.
Verfahren nach Anspruch 15, das den weiteren Schritt des Bildens von Elektroden (5) unter Verwendung einer Photomaske (18) mit Mustern (19), die Elektrodenbereiche definieren, umfasst, wobei: die Muster (19) um einen Betrag vergrößert sind, der eine Fehlausrichtung zwischen der Photomaske (18) und der Diffusionsmaske (3) kompensiert.