JP2009071140A - Surface emission type device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光型デバイスである発光ダイオード(LED)、面発光型半導体レーザ(VCSEL)、又はそれらを高密度に配置した面発光型アレイ装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a light emitting diode (LED) which is a surface emitting device, a surface emitting semiconductor laser (VCSEL), a surface emitting array device in which they are arranged at high density, and a manufacturing method thereof.
電子写真方式を用いたプリンタの光源として、小型化、高解像に適したLEDアレイが使用されており、先行技術として特許文献1に記載されているような発光ドット密度が600DPIのLEDアレイが知られている。
An LED array suitable for downsizing and high resolution is used as a light source of a printer using an electrophotographic method, and an LED array having a light emitting dot density of 600 DPI as described in
図6は、特許文献1に記載されているLEDアレイを示す図である。LEDアレイ101は、複数の発光ドット102を有する。発光ドット102は、光放射面の中央と周囲に配置されているオーミック電極103と、中央の電極で2分される光取り出し領域106で構成される。
FIG. 6 is a diagram showing an LED array described in
しかしながら、より高精細対応のLEDアレイにするために、発光ドットを小さくすると、表面電極によって覆われる割合が増大し、光取り出し領域が小さくなり、発光効率が低下する。また、僅かなオーミック電極の位置ずれや寸法精度の低下によって、発光ドットの光出力のバラツキが増大するという問題があった。更に、オーミック電極と半導体層との接触面積の縮小により、オーミック抵抗の増大や注入電流の不均一拡散などの課題が生じる。 However, if the light emitting dots are made smaller in order to make the LED array compatible with higher definition, the proportion covered by the surface electrode increases, the light extraction area becomes smaller, and the light emission efficiency decreases. In addition, there is a problem that the variation in the light output of the light emitting dots increases due to a slight positional shift of the ohmic electrode and a decrease in dimensional accuracy. Furthermore, the reduction in the contact area between the ohmic electrode and the semiconductor layer causes problems such as an increase in ohmic resistance and non-uniform diffusion of the injection current.
一方、上記課題を回避する先行技術として、特許文献2に記載されているような発光波長に対して透明な基板上に面発光型レーザを形成し、基板を通して光を取り出す形態が知られている。
On the other hand, as a prior art for avoiding the above-described problem, there is known a mode in which a surface emitting laser is formed on a substrate transparent to an emission wavelength as described in
図7は、特許文献2に記載されている面発光型レーザ装置を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a surface emitting laser device described in
面発光レーザ素子111は、発光波長に対して透明なp型基板112側にp側電極115を有し、エピタキシャル成長層側にn側電極114を有する。面発光レーザ素子111は、n側電極114が配置された側で半田材117を介して熱伝導性に優れたSi基板などにより形成されたヒートシンク118に密着固定されている。活性層113において発生した光は、開口部116から外部に出力される。
The surface emitting
また、特許文献3に記載されているようなLEDを支持基板に貼り合せた構成の面発光型ダイオードアレイが提案されている。
In addition, a surface emitting diode array having a configuration in which an LED as described in
図8は、特許文献3に記載されている面発光型ダイオードアレイを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a surface emitting diode array described in
面発光型ダイオードは、半導体基板上に分離層を介して、発光層を含む半導体多層構造をエピタキシャル形成した後、半導体プロセスにより形成する。次に、表面に配線パターンが形成されている別基板126に接合し、前記半導体基板を除去して作製する。半導体層121、絶縁層122、p型領域123、反射ミラーを兼用する金属電極124、光放射領域を除いてn型金属電極125が形成されている。別基板126にドライバーICを形成しておき、そのリード配線127に直接接合することもできる。
しかしながら、前記文献2,3の先行技術では、面発光型ダイオードは、発光部の直下において、別基板と接続されているため、電気的な接続を金属同士の直接接合で行う場合、接合の圧力が発光部に直接集中して印加されるため、発光特性への影響が生じる。
However, in the prior arts of
そこで、本発明の目的は、面発光型デバイスにおいて、素子と基板との接合時の圧力が素子側の発光部に集中し難いデバイス及びその製法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a device in which the pressure at the time of joining an element and a substrate is less likely to concentrate on the light emitting part on the element side and a method for manufacturing the same in a surface emitting device.
上記課題を解決するため、本発明に係る面発光型デバイスは、
表面に配線パターンを有する基板に面発光型素子が設けられて構成されている面発光型デバイスであって、
前記面発光型素子の光放射面には、前記面発光型素子の発光部から光を放射するための窓を有する放射側電極が形成されており、且つ、前記面発光型素子の基板側電極と前記基板の前記配線パターンとは、前記発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a surface-emitting device according to the present invention includes:
A surface-emitting device constructed by providing a surface-emitting element on a substrate having a wiring pattern on the surface,
A radiation-side electrode having a window for emitting light from the light emitting portion of the surface-emitting element is formed on the light-emitting surface of the surface-emitting element, and the substrate-side electrode of the surface-emitting element The wiring pattern of the substrate is electrically connected at a portion other than directly below the light emitting portion.
本発明の面発光型デバイスにおいて、面発光型デバイスの一方の電極が基板側電極として基板の配線パターンに接続されるが、この電極の接続個所は、発光部の直下以外の部分である。このため、接合工程において、発光部に接合圧力が集中しないため、面発光型デバイスの発光特性への影響が低減される。 In the surface-emitting type device of the present invention, one electrode of the surface-emitting type device is connected to the wiring pattern of the substrate as a substrate-side electrode, and the connection portion of this electrode is a portion other than directly below the light-emitting portion. For this reason, in a joining process, since a joining pressure does not concentrate on a light emission part, the influence on the light emission characteristic of a surface emitting device is reduced.
また、本構成の面発光型デバイスでは、光放射側には、光放射を遮蔽する電極が存在しないことから高い出力が期待される。 Further, in the surface emitting device of this configuration, a high output is expected because there is no electrode that shields light emission on the light emission side.
このような面発光型デバイスは、LEDプリンタなどのプリンタヘッドとして好適に用いられる。 Such a surface-emitting type device is suitably used as a printer head such as an LED printer.
本発明の実施形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の面発光型デバイスの概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a surface emitting device of the present invention.
本発明は、表面に配線パターンを有するシリコン基板12のような基板2000に面発光型素子1000が設けられて構成されている面発光型デバイス3000であって、以下の特徴を有する。
The present invention is a surface-
まず、面発光型素子の光放射面1010には、面発光型素子の発光部1020から光を放射するための窓を有する放射側電極14が形成されている。そして、面発光型素子の基板側電極10と基板2000の配線パターン13とは、発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されている。ここで、発光部直下とは1099の領域である。
First, a radiation-side electrode 14 having a window for emitting light from the light emitting portion 1020 of the surface-emitting element is formed on the light-emitting
なお、面発光型素子1000の発光部1020と基板2000とは、発光部1020の直下で、電気的には接続していないが、熱的には接触している部分があるように構成することもできる。例えば、図2のように、発光部直下では発光型素子と、パターンを有する基板との電気的な接続は行わないが、熱的な伝導は行えるように、両者間に熱伝導性パッドを設けることができる。
Note that the light emitting unit 1020 and the
面発光型素子1000の基板側電極10と、シリコン基板12の配線パターン13との電気的な接続は、金属同士の直接接合(金対金)で行うことができる。
The electrical connection between the substrate-
ここで、面発光型素子が列状に複数個配置され、面発光型ダイオードアレイを構成しておくことができる。斯かる場合、面発光型ダイオードの基板側電極10が個別電極であり、且つ光放射側電極14が複数の面発光型ダイオードの共通電極となる構成にすることができる。
Here, a plurality of surface-emitting elements can be arranged in a row to constitute a surface-emitting diode array. In such a case, the
面発光型素子1000は、面発光レーザ(例えば垂直共振器型面発光レーザ:VCSEL)で構成することもできる。
The surface-
更に、面発光型デバイスを構成要素として含む表示装置や面発光型デバイスを構成要素として含むLEDプリンタヘッド、更にはこのヘッドを搭載するプリンタを提供できる。 Furthermore, it is possible to provide a display device that includes a surface-emitting device as a component, an LED printer head that includes a surface-emitting device as a component, and a printer equipped with this head.
以下、本発明に係る面発光型デバイスの製造方法から説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the surface emitting device according to the present invention will be described.
本発明に係る面発光型デバイスの製造方法は、表面に配線パターンを有する基板に面発光型デバイスが形成された面発光型デバイスの製造方法であって、以下の(a)から(d)の工程を有することを特徴とする。 A method for manufacturing a surface-emitting device according to the present invention is a method for manufacturing a surface-emitting device in which a surface-emitting device is formed on a substrate having a wiring pattern on the surface, and includes the following (a) to (d) It has the process.
(a)発光層を含む複数の半導体層を化合物半導体基板上に形成する工程
(b)前記半導体層に面発光型デバイスを形成する工程
(c)配線パターンを有する基板を接合し、前記面発光型デバイスの接合される側の電極は、発光部の直下以外の部分で、前記配線パターンに電気的に接続する工程
(d)前記化合物半導体基板を除去し、除去した面の発光部に対応した位置に窓の開いた光放射側電極を形成する工程
面発光型素子として面発光型ダイオードを用いた具体的な実施形態を、図面を参照してその製造方法を説明する。
(A) A step of forming a plurality of semiconductor layers including a light emitting layer on a compound semiconductor substrate (b) A step of forming a surface light emitting device on the semiconductor layer (c) A substrate having a wiring pattern is bonded, and the surface light emission The step of electrically connecting the electrode on the side to which the mold device is joined to the wiring pattern at a portion other than directly under the light emitting portion (d) removing the compound semiconductor substrate and corresponding to the light emitting portion on the removed surface Step of Forming Light Emission Side Electrode with Window Opened at Position A specific embodiment using a surface light emitting diode as a surface light emitting element will be described with reference to the drawings.
図3は、GaAs基板上に半導体層を形成する工程を説明するための断面図、図4は、配線パターンが形成されたシリコン基板の断面図、図5は、シリコン基板を接合した後GaAs基板を除去する工程を説明するための断面図である。 3 is a cross-sectional view for explaining a process of forming a semiconductor layer on a GaAs substrate, FIG. 4 is a cross-sectional view of a silicon substrate on which a wiring pattern is formed, and FIG. 5 is a GaAs substrate after bonding the silicon substrate. It is sectional drawing for demonstrating the process of removing.
図3(a)に示すように、GaAsのような化合物半導体基板1上に、公知技術であるMOCVD法により各層を積層形成する。
As shown in FIG. 3A, layers are formed on a
GaAs基板1上に、以下の層を積層していく。
The following layers are stacked on the
分離層2、n-AlzGa1-zAs層3、電流閉じ込め層(n-AlxGa1-xAs層)4、活性層(n-AlyGa1-yAs層)5、電流閉じ込め層(p-AlxGa1-xAs層)6、p-AlzGa1-zAs層7(y<z<x)を順次形成する。
Separation layer 2, n-Al z Ga 1 -z As
エピタキシャル成長の不純物濃度や厚さは、デバイスの設計に依存するが、典型的な構成は以下のとおりである。 The impurity concentration and thickness of the epitaxial growth depend on the device design, but a typical configuration is as follows.
n-AlAs層2:〜0.01μm;〜1018/cm3
n-Al0.2Ga0.8As 層3:〜0.5μm;〜1018/cm3
n-Al0.35Ga0.65As層4:〜0.5μm;〜1018/cm3
p-Al0.13Ga0.87As層5:〜0.1μm;〜1017/cm3
p-Al0.35Ga0.65As層6:〜0.5μm;〜1017/cm3
p-Al0.2Ga0.8As層7:〜0.5μm;〜1017/cm3
続いて、このエピタキシャル層に、公知技術である半導体プロセスにより面発光型ダイオードを形成する。面発光型ダイオードの一方の電極まで形成するが、このとき、面発光型ダイオードの発光部と離れた位置に接続のための領域を設けておく。
n-AlAs layer 2: ~ 0.01 μm; ~ 10 18 / cm 3
n-Al0.2Ga0.8As layer 3: ~ 0.5μm; ~ 10 18 / cm 3
n-Al0.35Ga0.65As layer 4: ~ 0.5μm; ~ 10 18 / cm 3
p-Al0.13Ga0.87As layer 5: ˜0.1 μm; ˜10 17 / cm 3
p-Al0.35Ga0.65As layer 6: ˜0.5 μm; ˜10 17 / cm 3
p-Al0.2Ga0.8As layer 7: ˜0.5 μm; ˜10 17 / cm 3
Subsequently, a surface emitting diode is formed on the epitaxial layer by a semiconductor process which is a known technique. The electrode is formed up to one electrode of the surface emitting diode. At this time, a region for connection is provided at a position away from the light emitting portion of the surface emitting diode.
図3(b)示すように、発光部71と接合部72をメサ形状にエッチングした後、スパッタ成膜により絶縁層8を全面に形成する。続いて、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより絶縁層8にコンタクト用の窓9を形成し、コンタクト用の窓9を覆い、かつ、接合部用の電極にも繋がる金属の一方の電極10のパターンを形成する。この工程において、分離層2まで達する溝11も形成する。
As shown in FIG. 3B, after the
一方、金属の配線パターン13が表面に形成された基板であるシリコン基板12を別途準備する(図4)。配線パターン13には、面発光型ダイオードの接続のための領域(接合部)に対応した接続領域が形成されており、両者の領域を一致させるように、シリコン基板12にGaAs基板1上の面発光型ダイオードをウエハスケールで接合する(図5(a))。この接合は面発光型ダイオードの金電極と金の配線パターンの金対金の直接接合で行われる。
On the other hand, a silicon substrate 12 that is a substrate on which a metal wiring pattern 13 is formed is prepared separately (FIG. 4). In the wiring pattern 13, a connection region corresponding to a region (junction) for connecting the surface-emitting diode is formed, and the surface on the
接合は面発光型ダイオードの一方の電極10と配線パターン13を直接接触させて、圧力と熱を加えることによって行うが、接合部が発光部の直下でないため、圧力の集中が回避され、面発光型ダイオードの発光特性への影響は低減される。
Bonding is performed by bringing one
次に、GaAs基板1を除去する。面発光型ダイオード表面に部分的に形成されている分離層2まで達する溝11を利用する。シリコン基板12と接合した後、この溝11にフッ酸を含むエッチング液を流すことにより、分離層を選択的にエッチングしてGaAs基板1を分離することが可能である(図5(b))。
Next, the
または、GaAs基板の除去方法として、GaAsと分離層2のエッチング速度の違いを利用して、GaAs基板1をエッチング除去し、分離層2でエッチングを停止することも可能である。具体的には、分離層2をAlAsとし、アンモニア、過酸化水素水混合液のGaAs選択エッチングにより、GaAs基板1をエッチング除去し、その後分離層を塩酸等でエッチング除去する。
Alternatively, as a method for removing the GaAs substrate, it is possible to use the difference in etching rate between GaAs and the
続いて、前記工程でGaAs基板1を除去した面に、発光部直上に窓の開いた放射側に他方の金属電極14を形成することにより、図5(c)及び図1の面発光型ダイオードの形態が完成する。
Subsequently, the other metal electrode 14 is formed on the radiation side where the window is opened immediately above the light emitting portion on the surface from which the
以上により、配線パターン13が形成されたシリコン基板12上に、一方の電極10が接続された面発光型ダイオードが形成される。一方の電極10は基板側電極、他方の電極14は光放射側電極と呼ぶ。発光領域16は、活性層5で電流注入によって発光する領域を表している。基板側電極10は、発光部の直下以外の部分で、配線パターン13に電気的に接続される。電気的な接続を金属同士の直接接合で行う場合、上記したように接合時の圧力が発光部に集中しない構成となっている。
As described above, a surface emitting diode having one
基板側電極10と光放射側電極14に通電すると、発光領域16で発光する。光放射側に向う光は、光放射側電極14に形成された光放射用の窓15から外部に放射される。光放射を遮蔽する電極がないので、光出力を大幅に増大できる。一方、基板側に向う光は、基板側電極10によって光放射側へ反射されるので、光出力が一層増大される。
When the
また、面発光型ダイオードを列状に配置したLEDアレイでは、面発光型ダイオードの基板側電極が個別電極であり、面発光型ダイオードからの発光を放射するための窓を有する放射側電極が複数の面発光型ダイオードで共通の共通電極となる。LEDアレイ構成では、個別電極がシリコン基板の配線パターンに接続される。そのため、別基板にLEDを駆動するためのICやシフトレジスターが形成されていれば、接合により一括で接続できるため、ワイヤボンディングが不要となり、ワイヤボンディングの数を大幅に削減できる。 In an LED array in which surface-emitting diodes are arranged in rows, the substrate-side electrodes of the surface-emitting diodes are individual electrodes, and there are a plurality of radiation-side electrodes having windows for emitting light from the surface-emitting diodes. This is a common electrode common to the surface emitting diodes. In the LED array configuration, individual electrodes are connected to a wiring pattern on a silicon substrate. Therefore, if an IC or a shift register for driving LEDs is formed on a separate substrate, it can be connected together by bonding, so that wire bonding is unnecessary, and the number of wire bondings can be greatly reduced.
図2に示すように、発光部近傍でシリコン基板12に熱的接触する構造としてもよい。この構造により、発光部で発生する熱を効率的にシリコン基板12に逃がして、放熱特性を更に向上させることが可能である。すなわち、面発光型ダイオードの発光部の直下近傍部分が、配線パターンが形成された基板に対して、電気的には接続していないが、熱的に接触している。この接触には、熱伝導性に優れるペーストを使用することが可能である。 As shown in FIG. 2, it is good also as a structure which contacts the silicon substrate 12 in the vicinity of a light emission part. With this structure, it is possible to efficiently release heat generated in the light emitting portion to the silicon substrate 12 and further improve the heat dissipation characteristics. That is, a portion immediately below the light emitting portion of the surface emitting diode is not electrically connected to the substrate on which the wiring pattern is formed, but is in thermal contact. For this contact, it is possible to use a paste having excellent thermal conductivity.
また、接触部には、電気的に分離された金属薄膜を使うこともできる。 In addition, an electrically separated metal thin film can be used for the contact portion.
シリコン基板は熱伝導性が高い上に、発光部がシリコン基板に接近しているため、放が高く、面発光型ダイオードの温度特性が向上する。なお、図2の構成では、接合時のストレスが発光部に影響しないような材料を選択する必要がある。 Since the silicon substrate has high thermal conductivity and the light emitting portion is close to the silicon substrate, the emission is high and the temperature characteristics of the surface-emitting diode are improved. In the configuration of FIG. 2, it is necessary to select a material that does not affect the light emitting portion due to stress at the time of bonding.
なお、本実施の形態では、通常の面発光型ダイオードを例に説明したが、内部にDBRミラーを有する共鳴共振型発光ダイオード(RC-LED)や、面発光型半導体レーザに適用することで、同様の効果が得られる。 In the present embodiment, a normal surface emitting diode has been described as an example, but by applying to a resonant resonant light emitting diode (RC-LED) having a DBR mirror inside, or a surface emitting semiconductor laser, Similar effects can be obtained.
本発明は、LEDプリンタの高精細化に必要な小さな発光サイズ、高密度アレイのLEDアレイを提供するものである。発光サイズが小さく、かつ、高密度配列を実現するとともに、LEDスキャナーへの実装工程においてコスト要因となるワイヤボンディング数を大幅に低減できる。 The present invention provides an LED array having a small light emission size and a high density array necessary for high definition of an LED printer. The light emission size is small and a high-density array is realized, and the number of wire bonding that is a cost factor in the mounting process to the LED scanner can be greatly reduced.
1…GaAs基板
2…分離層
3…n-AlzGa1-zAs層
4…n-AlxGa1-xAs層
5…活性層(n-AlyGa1-yAs層)
6…p-AlxGa1-xAs層
7…p-AlzGa1-zAs層
8…絶縁層
9…コンタクト用の窓
10…一方の電極(基板側電極)
11…溝
12…シリコン基板
13…配線パターン
14…他方の電極(光放射側電極)
15…光放射用の窓
16…発光領域
17…熱伝導性パッド
DESCRIPTION OF
6 ... p-AlxGa1-xAs layer 7 ... p-AlzGa1-
DESCRIPTION OF
15 ... Window for light emission 16 ... Light emitting region 17 ... Thermally conductive pad
Claims (8)
前記面発光型素子の光放射面には、前記面発光型素子の発光部から光を放射するための窓を有する放射側電極が形成されており、且つ、前記面発光型素子の基板側電極と前記基板の前記配線パターンとは、前記発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されていることを特徴とする面発光型デバイス。 A surface-emitting device constructed by providing a surface-emitting element on a substrate having a wiring pattern on the surface,
A radiation-side electrode having a window for emitting light from the light emitting portion of the surface-emitting element is formed on the light-emitting surface of the surface-emitting element, and the substrate-side electrode of the surface-emitting element The surface-emitting type device is characterized in that the wiring pattern of the substrate and the wiring pattern of the substrate are electrically connected at a portion other than directly below the light-emitting portion.
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