JP2001308377A - 3端子発光サイリスタおよび自己走査型発光素子アレイ - Google Patents

3端子発光サイリスタおよび自己走査型発光素子アレイ

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JP2001308377A JP2000123838A JP2000123838A JP2001308377A JP 2001308377 A JP2001308377 A JP 2001308377A JP 2000123838 A JP2000123838 A JP 2000123838A JP 2000123838 A JP2000123838 A JP 2000123838A JP 2001308377 A JP2001308377 A JP 2001308377A
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Shunsuke Otsuka
俊介 大塚
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 3端子発光サイリスタを用いた自己走査型発
光素子アレイを提供する。 【解決手段】 GaAs基板2上にpnpn構造のAl
GaAs層1が形成され、メサエッチングされてAlG
aAs層が一部除去されて、メサエッチング部6が形成
され、SiO2 絶縁膜3で被覆されている。層1の上部
は、SiO2 膜3にあけられたコンタクトホールを介し
て電極配線4に接続される。5は、裏面電極である。メ
サ型発光部は、円形型構造である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子、特に3
端子発光サイリスタの構造に関し、さらには3端子発光
サイリスタを用いた自己走査型発光素子アレイに関す
る。
【0002】
【従来の技術】多数個の発光素子を同一基板上に集積し
た発光素子アレイは、その駆動用ICと組み合わせて光
プリンタ等の書き込み用光源として利用されている。本
発明者らは発光素子アレイの構成要素としてpnpn構
造を持つ面発光型の3端子発光サイリスタに注目し、発
光点の自己走査が実現できることを既に特許出願(特開
平1−238962号公報、特開平2−14584号公
報、特開平2−92650号公報、特開平2−9265
1号公報)し、光プリンタ用光源として実装上簡便とな
ること、発光素子ピッチを細かくできること、コンパク
トな自己走査型発光素子アレイを作製できること等を示
した。
【0003】さらに本発明者らは、スイッチ素子(3端
子発光サイリスタ)アレイをシフト部として、発光素子
(3端子発光サイリスタ)アレイよりなる発光部と分離
した構造の自己走査型発光素子アレイを提案している
(特開平2−263668号)。
【0004】3端子発光サイリスタを用いた自己走査型
発光素子アレイをメサエッチングによりウエハに形成す
る場合、従来、基板結晶方位に沿った矩形型の発光部を
形成していた。例えば、基板主面方位(100)のウエ
ハには、結晶方位を示すために、
【0005】
【外1】
【0006】(以下、前記方位という)にオリエンテー
ションフラット(OF)が形成されている。このウエハ
上に自己走査型発光素子アレイをメサエッチングにより
形成する場合、通常、前記方位に平行および垂直な辺を
持った矩形型の発光部構造が採用されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】矩形型の発光部構造に
は、次のような問題がある。 (1)発光部面積が大きくなるほど光出力が増大する傾
向がある。しかしながら発光部面積増大と同時に発光部
周辺長も長くなるため、段差部界面でのリーク電流が増
大して素子特性の悪化,内部発光効率の低下が生じるた
め、素子機能および発光効率の面で不利であった。 (2)前記方位に垂直な辺での段差部は逆メサと呼ばれ
る逆テーパー状の段差が形成される。一方、前記方位に
平行な辺での段差部は順メサと呼ばれるテーパー状の段
差が形成される。このように、順メサ段差と逆メサ段差
が明瞭に形成されるため、配線の段差部での切断(段切
れ)を防止して歩留向上および信頼性向上をはかるため
に、逆メサ部を回避して順メサ部を通す配線レイアウト
上の制約があった。 (3)前述したように、順メサ段差と逆メサ段差が明瞭
に形成されるため、絶縁膜材料や配線材料を成膜する際
には、逆メサ部を完全に被覆できるように、高価なCV
D装置やスパッタ装置を使用して膜厚を厚く成膜する必
要があった。
【0008】本発明の目的は、このような問題を解決し
た3端子発光サイリスタの構造を提供することにある。
【0009】本発明の他の目的は、このような3端子発
光サイリスタを用いた自己走査型発光素子アレイを提供
することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、以下のような
考え方に基づいている。 (1)メサ型発光部を円形構造とする。これにより、矩
形型構造と同一面積であっても周辺長を短くすることが
できる。円形構造により段差部界面でのリーク電流が従
来構造より抑制されるため、素子特性の改善および内部
発光効率の向上を実現できる。 (2)円形構造とすることで、明瞭な逆メサ構造の発現
を抑制することが可能となるため、配線の段差部での段
切れを防止するために逆メサ部を回避して順メサ部を通
す配線レイアウトの制約が緩和される。 (3)円形構造とすることで、明瞭な逆メサ構造の発現
を抑制することが可能となるため、絶縁膜材料や配線材
料を成膜する際には、薄い膜厚でも十分なカバレッジが
得られるため、成膜時間の短縮や成膜材料の削減が可能
となり、コストダウンが図られる。
【0011】次に、従来の矩形型発光サイリスタ構造
と、本発明による円形型発光サイリスタ構造とを比較す
る。
【0012】従来の矩形型発光サイリスタ構造を図1に
示す。(a)は平面図、(b)は断面図である。GaA
s基板2上にpnpn構造のAlGaAs層1が形成さ
れ、メサエッチングされてAlGaAs層が一部除去さ
れて、メサエッチング部6が形成され、SiO2絶縁膜
3で被覆されている。層1の上部は、SiO2膜3にあ
けられたコンタクトホールを介して電極配線4に接続さ
れる。5は、裏面電極である。
【0013】図1のpnpn構造の発光サイリスタの発
光面7の各辺の長さをa=b=100μmとすると、周
辺長L1 =400μm、面積S1 =10000μm2
なる。
【0014】本発明によるサイリスタ構造を図2に示
す。(a)は平面図、(b)は断面図である。矩形型発
光サイリスタと発光面積を同一(10000μm2 )に
すると、直径dは112.8μmとなる。この場合、周
辺長L2 は354.5μmとなり、同一の発光面積の矩
形型の場合と比較して10%以上短くできる。円形構造
とすることで段差部界面領域が減少し、従来の矩形構造
よりリーク電流が抑制され素子特性の改善が図られる。
リーク電流が抑制されることにより内部発光効率の向上
が実現されるため、実際には同一発光面積であっても、
円形構造の方の光出力が増大するという利点を有する。
【0015】本発明の3端子発光サイリスタを用いるこ
とできる自己走査型発光素子アレイは、しきい電圧もし
くはしきい電流が外部から制御可能な制御電極を有する
3端子発光素子多数個を配列した3端子発光素子アレイ
の各発光素子の制御電極を互いに第1の電気的手段にて
接続すると共に、各発光素子の制御電極に電源ラインを
第2の電気的手段を用いて接続し、かつ各発光素子の残
りの2端子の一方にクロックラインを接続して形成した
発光素子アレイよりなる自己走査型発光素子アレイであ
る。
【0016】また、本発明の3端子発光サイリスタを用
いることのできる自己走査型発光素子アレイは、しきい
電圧もしくはしきい電流が外部から制御可能な制御電極
を有する3端子スイッチ素子多数個を配列した3端子ス
イッチ素子アレイの各スイッチ素子の制御電極を互いに
第1の電気的手段にて接続すると共に、各スイッチ素子
の制御電極に電源ラインを第2の電気的手段を用いて接
続し、かつ各スイッチ素子の残りの2端子の一方にクロ
ックラインを接続して形成したスイッチ素子アレイと、
しきい電圧もしくはしきい電流が外部から制御可能な制
御電極を有する3端子発光素子多数個を配列した発光素
子アレイとからなり、前記発光素子アレイの制御電極と
前記スイッチ素子の制御電極とを接続し、各発光素子の
残りの2端子の一方に発光のための電流を印加する書込
み信号ラインを設けた自己走査型発光素子アレイであ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】自己走査型発光素子アレイの製造
プロセスの概要は、pnpn構造が形成されたGaAs
基板上に、カソード電極を形成する工程と、カソード層
をエッチングする工程と、ゲート電極を形成する工程
と、素子分離する工程と、絶縁膜を形成する工程と、コ
ンタクトホールを形成する工程と、個別素子への電極配
線を形成する工程と、裏面の共通電極を形成する工程と
からなる。
【0018】素子分離する工程において、発光サイリス
タを分離するためのエッチングパターンを同心円上にす
ることで、発光サイリスタの形状を円形に成形した。発
光サイリスタの寸法は直径が22.6μm、周辺長が7
1μm、発光面積が401μm2 である。発光面上に配
置した電流を供給するための線幅6μmの電極配線の専
有面積は78μm2 で、実効発光面積は323μm2
ある。
【0019】従来の矩形型発光サイリスタ構造は、20
μm角(周辺長80μm、面積400μm2 )、電極配
線専有面積78μm2 で実効発光面積が322μm2
ある。
【0020】本発明による発光サイリスタ構造と従来型
の発光サイリスタ構造での素子特性を表1に示す。な
お、表中の素子特性は、同一基板内に作製した250素
子の平均値である。
【0021】
【表1】
【0022】表1に示したように、発光面積が同一の場
合、円形型構造でリーク電流を抑制することができ、か
つ発光出力が増大する。このことは、素子周辺長を短く
することで、メサ面でのリーク電流が抑制され、発光効
率が改善されることを示している。
【0023】円形型サイリスタ構造をSEM観察した結
果、逆メサ部特有の段差部ヒサシ形状は図3に示した部
分(逆メサ段差部8)でのみ観察され、矩形型サイリス
タ構造と比較して、ヒサシを有する段差を減少させるこ
とが可能であることが確認できた。これにより、段差部
のカバレッジ確保のために従来400〜800nmの厚
みを必要としたSiO2 絶縁膜の膜厚を200nmまで
薄くしても従来と同様の絶縁特性および信頼性が得られ
ることを確認できた。
【0024】以下、自己走査型発光素子アレイの3つの
基本構造について説明する。
【0025】図4は、自己走査型発光素子アレイの第1
の基本構造の等価回路図である。発光素子として、発光
サイリスタT(−2)〜T(+2)を用い、発光サイリ
スタT(−2)〜T(+2)には、各々ゲート電極G-2
〜G+2が設けられている。各々のゲート電極には、負荷
抵抗RL を介して電源電圧VGKが印加される。また、各
々のゲート電極G-2〜G+2は、相互作用を作るために抵
抗RI を介して電気的に接続されている。また、各単体
発光サイリスタのアノード電極に、3本の転送クロック
ライン(φ1 ,φ2 ,φ3 )が、それぞれ3素子おきに
(繰り返されるように)接続される。
【0026】動作を説明すると、まず転送クロックφ3
がハイレベルとなり、発光サイリスタT(0)がオンし
ているとする。このとき3端子サイリスタの特性から、
ゲート電極G0 は零ボルト近くまで引き下げられる。電
源電圧VGKを仮に5ボルトとすると、負荷抵抗RL 、相
互作用抵抗RI のネットワークから各発光サイリスタの
ゲート電圧が決まる。そして、発光サイリスタT(0)
に近い素子のゲート電圧が最も低下し、以降順にT
(0)から離れるにしたがいゲート電圧は上昇してい
く。これは次のように表せる。
【0027】 VG0<VG+1 =VG-1 <VG+2 =VG-2 (1) これらの電圧の差は、負荷抵抗RL ,相互作用抵抗RI
の値を適当に選択することにより設定することができ
る。
【0028】3端子サイリスタのアノード側のターンオ
ン電圧VONは、ゲート電圧より拡散電位Vdif だけ高い
電圧となることが知られている。
【0029】 VON≒VG +Vdif (2) したがって、アノードにかける電圧をこのターンオン電
圧VONより高く設定すれば、その発光サイリスタはオン
することになる。
【0030】さてこの発光サイリスタT(0)がオンし
ている状態で、次の転送クロックパルスφ1 にハイレベ
ル電圧VH を印加する。このクロックパルスφ1 は発光
サイリスタT(+1)とT(−2)に同時に加わるが、
ハイレベル電圧VH の値を次の範囲に設定すると、発光
サイリスタT(+1)のみをオンさせることができる。
【0031】 VG-2 +Vdif >VH >VG+1 +Vdif (3) これで発光サイリスタT(0),T(+1)が同時にオ
ンしていることになる。そしてクロックパルスφ3 のハ
イレベル電圧を切ると、発光サイリスタT(0)がオフ
となりオン状態の転送ができたことになる。
【0032】このように、自己走査型発光素子アレイで
は抵抗ネットワークで各発光サイリスタのゲート電極間
を結ぶことにより、発光サイリスタに転送機能をもたせ
ることが可能となる。上に述べたような原理から、転送
クロックφ1 ,φ2 ,φ3 のハイレベル電圧を順番に互
いに少しずつ重なるように設定すれば、発光サイリスタ
のオン状態は順次転送されていく。すなわち、発光点が
順次転送され、自己走査型発光素子アレイを実現するこ
とができる。
【0033】図5は、自己走査型発光素子アレイの第2
の基本構造の等価回路図である。この自己走査型発光素
子アレイは、発光サイリスタのゲート電極間の電気的接
続の方法としてダイオードを用いている。発光サイリス
タT(−2)〜T(+2)は、一列に並べられた構成と
なっている。G-2〜G+2は、発光サイリスタT(−2)
〜T(+2)のそれぞれのゲート電極を表す。RL はゲ
ート電極の負荷抵抗を表し、D-2〜D+2は電気的相互作
用を行うダイオードを表す。またVGKは電源電圧を表
す。各単体発光サイリスタのアノード電極に、2本の転
送クロックライン(φ1,φ2)がそれぞれ1素子おき
に接続される。
【0034】動作を説明する。まず転送クロックφ2
ハイレベルとなり、発光サイリスタT(0)がオンして
いるとする。このとき3端子サイリスタの特性からゲー
ト電極G0 は零ボルト近くまで引き下げられる。電源電
圧VGKを仮に5ボルトとすると、抵抗RL ,ダイオード
-2〜D+2のネットワークから各発光サイリスタのゲー
ト電圧が決まる。そして発光サイリスタT(0)に近い
素子のゲート電圧が最も低下し、以降順にT(0)から
離れるにしたがいゲート電圧は上昇していく。
【0035】しかしながら、ダイオード特性の一方向
性,非対称性から、電圧を下げる効果は、T(0)の右
方向にしか働かない。すなわちゲート電極G+1はG0
対し、ダイオードの順方向立ち上がり電圧Vdif だけ高
い電圧に設定され、ゲート電極G+2はG+1に対し、さら
にダイオードの順方向立ち上がり電圧Vdif だけ高い電
圧に設定される。一方、T(0)の左側のゲート電極G
-1はダイオードD-1が逆バイアスになっているため電流
が流れず、したがって電源電圧VGKと同電位となる。
【0036】次の転送クロックパルスφ1 は、最近接の
発光サイリスタT(+1),T(−1、そしてT(+
3)およびT(−3)等に印加されるが、これらのなか
で、最もターンオン電圧の最も低い素子はT(+1)で
あり、T(+1)のターンオン電圧は約G+1のゲート電
圧+Vdif であるが、これはVdif の約2倍である。次
にターン電圧の低い素子はT(+3)であり、Vdif
約4倍である。T(−1)とT(−3)のオン電圧は、
約VGK+Vdif となる。
【0037】以上から、転送クロックパルスのハイレベ
ル電圧をVdif の約2倍からVdifの約4倍の間に設定
しておけば、発光サイリスタT(+1)のみをオンさせ
ることができ、転送動作を行うことができる。
【0038】図6は、自己走査型発光素子アレイの第3
の基本構造の等価回路図である。この自己走査型発光素
子アレイは、スイッチ素子T(−1)〜T(+2)、書
き込み用発光素子L(−1)〜L(+2)からなる。ス
イッチ素子部分の構成は、ダイオード接続を用いた例を
示している。スイッチ素子のゲート電極G-1〜G+1は、
書き込み用発光素子のゲートにも接続される。書き込み
用発光素子のアノードには、書き込み信号Sinが加えら
れている。
【0039】以下に、この自己走査型発光素子アレイの
動作を説明する。いま、転送素子T(0)がオン状態に
あるとすると、ゲート電極G0 の電圧は、VGK(ここで
は5ボルトと想定する)より低下し、ほぼ零ボルトとな
る。したがって、書き込み信号Sinの電圧が、pn接合
の拡散電位(約1ボルト)以上であれば、発光素子L
(0)を発光状態とすることができる。
【0040】これに対し、ゲート電極G-1は約5ボルト
であり、ゲート電極G+1は約1ボルトとなる。したがっ
て、発光素子L(−1)の書き込み電圧は約6ボルト、
発光素子L(1)の書き込み電圧は約2ボルトとなる。
これから、発光素子L(0)のみに書き込める書き込み
信号Sinの電圧は、約1〜2ボルトの範囲となる。発光
素子L(0)がオン、すなわち発光状態に入ると、書き
込み信号Sinラインの電圧は約1ボルトに固定されてし
まうので、他の発光素子が選択されてしまう、というエ
ラーは防ぐことができる。
【0041】発光強度は書き込み信号Sinに流す電流量
で決められ、任意の強度にて画像書き込みが可能とな
る。また、発光状態を次の素子に転送するためには、書
き込み信号Sinラインの電圧を一度零ボルトまでおと
し、発光している素子をいったんオフにしておく必要が
ある。
【0042】
【発明の効果】本発明は、以下のような効果を有してい
る。 (1)メサ型発光部の構造を円形構造とすることによ
り、矩形型構造と同一面積であっても、周辺長を短くす
ることができる。円形構造により段差部界面でのリーク
電流が従来構造より抑制されるため素子特性の改善およ
び内部発光効率の向上を実現できる。 (2)円形構造とすることで、明瞭な逆メサ構造の発現
を抑制することが可能となるため、配線の段差部での段
切れを防止するために逆メサ部を回避して順メサ部を通
す配線レイアウトの制約が緩和される。 (3)円形構造とすることで、明瞭な逆メサ構造の発現
を抑制することが可能となるため、絶縁膜材料や配線材
料を成膜する際には、薄い膜厚でも十分なカバレッジが
得られるため、成膜時間の短縮や配線材料の削減が可能
となり、コストダウンが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の矩形型発光サイリスタ構造を示す図であ
る。
【図2】本発明によるサイリスタ構造を示す図である。
【図3】円形型サイリスタ構造の逆メサ段差部を示す図
である。
【図4】自己走査型発光素子アレイの第1の基本構造の
等価回路図である。
【図5】自己走査型発光素子アレイの第2の基本構造の
等価回路図である。
【図6】自己走査型発光素子アレイの第3の基本構造の
等価回路図である。
【符号の説明】
1 pnpn−AlGaAs層 2 GaAs基板 3 SiO2 絶縁膜 4 電極配線 5 裏面電極 6 メサエッチング部 7 発光面 8 逆メサ段差部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】pnpn構造を有する3端子発光サイリス
    タにおいて、 メサ型発光部を円形型構造としたことを特徴とする3端
    子発光サイリスタ。
  2. 【請求項2】しきい電圧もしくはしきい電流が外部から
    制御可能な制御電極を有する3端子発光素子多数個を配
    列した3端子発光素子アレイの各発光素子の制御電極を
    互いに第1の電気的手段にて接続すると共に、各発光素
    子の制御電極に電源ラインを第2の電気的手段を用いて
    接続し、かつ各発光素子の残りの2端子の一方にクロッ
    クラインを接続して形成した発光素子アレイよりなる自
    己走査型発光素子アレイにおいて、 前記3端子発光素子は、請求項1に記載の3端子発光サ
    イリスタであることを特徴とする自己走査型発光素子ア
    レイ。
  3. 【請求項3】しきい電圧もしくはしきい電流が外部から
    制御可能な制御電極を有する3端子スイッチ素子多数個
    を配列した3端子スイッチ素子アレイの各スイッチ素子
    の制御電極を互いに第1の電気的手段にて接続すると共
    に、各スイッチ素子の制御電極に電源ラインを第2の電
    気的手段を用いて接続し、かつ各スイッチ素子の残りの
    2端子の一方にクロックラインを接続して形成したスイ
    ッチ素子アレイと、 しきい電圧もしくはしきい電流が外部から制御可能な制
    御電極を有する3端子発光素子多数個を配列した発光素
    子アレイとからなり、 前記発光素子アレイの制御電極と前記スイッチ素子の制
    御電極とを接続し、各発光素子の残りの2端子の一方に
    発光のための電流を印加する書込み信号ラインを設けた
    自己走査型発光素子アレイにおいて、 前記3端子スイッチ素子および3端子発光素子は、請求
    項1に記載の3端子発光サイリスタであることを特徴と
    する自己走査型発光素子アレイ。
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