JP2898347B2 - 発光ダイオードアレイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、発光ダイオードアレイ、特に複数の発光ダ
イオードが基板上に密接配設され光学プリンタの印字光
源等に用いられるヘテロ接合型発光ダイオードアレイに
関する。

［従来の技術］ 複数のPN接合あるいはPIN接合発光ダイオードが基板
上に密接に配設されてなる発光ダイオードアレイは、各
発光ダイオードを電気的に制御することにより比較的容
易に画像情報等を処理することができる利点を有してお
り、このためその改良と共に種々の応用が考えられてい
る。

例えば、情報の出力機器としてのプリンタにおいて
は、近年の情報化社会の到来に伴い情報量の増大だけで
なく取扱う情報の質も文書のみからグラフ、図、写真等
の画像情報を含むものへと変化していることに対応すべ
く、より高速化、高密度化が要求されており、この課題
を解決すべく発光ダイオードアレイを光源として用いる
ことが考えられている。

すなわち、ノンインパクトな光学プリンタとしては光
源にレーザを用いたレーザプリンタ及び光源に前述の発
光ダイオードアレイを用いたLEDプリンタが知られてい
るが、レーザプリンタでは、レーザビームの走査に回動
可能なポリゴンミラー等の機構とこれに対応した繁雑な
光学系を必須とするのに対し、LEDプリンタでは複数の
発光ダイオードからなる発光ダイオードアレイの各発光
ダイオードを電気的にオンオフ制御して駆動すればよ
く、このため機械的な動作部が不要で簡単な等倍率アレ
イレンズを光学系に用いればよく、レーザプリンタに比
べて小型、高速かつ高信頼化が可能となっている。

第４図に従来のLEDプリンタに用いられるホモ接合型
発光ダイオードアレイの断面図を示す。なお、簡略化の
ため、２個の発光ダイオード（以下発光エレメントとい
う）のみ図示してある。

図において、各発光エレメントはｎ−GaAs基板10上に
ｎ−GaAsP層12（約15μｍ厚）をVPE（Vapor Phase Epit
axy）法により積層し、更にSiN_x膜14をマスクとしてZn
拡散を行い島状のZn拡散領域16（約1.5μ厚）を形成す
ることにより構成され、ｎ−GaAsP層12とこのZn拡散領
域16の界面がPN接合面となり発光エレメントとなる。

そして、ｐ−電極18及びｎ−電極20をそれぞれ形成
し、その後、無反射SiN_x膜22をコーティングし、発光エ
レメントから離れた領域でこの無反射SiN_x膜22を除去し
て、ｐ−電極18のボンディングパッドが形成される。

ここで、プリンタに用いられる発光ダイオードアレイ
においては、単体で使用される発光ダイオードと異なり
以下の特性が問題とされる。すなわち、 （１）発光エレメント間の光のクロストーク （２）発光エレメント間の特性バラツキ そして、第４図に示される従来の発光ダイオードアレ
イにおいては、ｎ−GaAsP層12の自己吸収係数が大きい
ために隣接発光エレメントまで光がとどかないことを利
用して隣接発光エレメント間のクロストークを防ぎ、ま
た発光エレメントの形成を選択拡散のみと単純化するこ
とにより製造プロセスの不均一性に起因する特性バラツ
キを低減している。

しかしながら、ｎ−GaAsP層12はGaAs基板10と格子整
合しないため高密度の格子欠陥を含んでおり、このため
材料自体の不均一性が大きく発光効率が低い。また、PN
接合がキャリア注入効率の低いホモ接合であるため、発
光効率の向上が困難である問題がある。

そこで、このような従来のGaAsP発光ダイオードアレ
イの欠点を改良するために第５図に示されるAlGaAs系シ
ングルヘテロ接合発光ダイオードアレイも開発されてい
る。

図において、ｐ−GaAs基板30上にｐ−Al_xGa_1-xAs層32
（10μｍ厚、Zn＝５×10¹⁷cm^-3）、ｎ−Al_yGa_1-yAs層34
（５μｍ厚、Te＝８×10¹⁷cm^-3）、n⁺−GaAs層36（0.1
μｍ厚、Sn＝５×10¹⁸cm^-3）がLPE（Liquid Phase Epit
axy）法により順次積層される。なお、Al組成は発光波
長的720nmの場合でｘ＝0.2、ｙ＝0.5に設定されてい
る。

そして、LPE成長の後、ｎ−電極38呼びｐ−電極40を
蒸着し、フォトリソグラフィとプラズマエッチングを用
いてｎ−電極38の不要部分を除去する。

次に、化学エッチングによりｎ−電極38部を除きn⁺−
GaAs36を選択的に除去する。ｎ−電極38形成用のフォト
レジストを除去した後、フォトリソグラフィと化学エッ
チングを用いて発光領域を除く成長層をｐ−Al_xGa_1-xAs
層32に１μｍ程度以上入るまでエッチングし、メサ形状
の発光領域を形成する。

さらに、プラズマCVD（Chemical Vapor Deposition）
法によりSiN_Xの無反射コード膜42を形成し、最後に熱処
理してｎ−電極38及びｐ−電極40のオーム接点を形成す
ることによりヘテロ接合型発光ダイオードアレイが形成
される。

このヘテロ接合型発光ダイオードアレイは従来より単
体の高輝度LED素子に用いられている構造をアレイ化し
たものであり、発光応であるｐ−As_xGa_1-xAs層32からの
光エネルギーに対して透明な窓となるｎ−Al_yGa_1-yAs層
34を用いて自己吸収による光の取出し効率の低下を防止
すると共に、ヘテロ接合によりキャリア注入効率を向上
させ、第４図に示されたホモ接合型発光ダイオードアレ
イに比べて数倍以上の外部効率を得ることが可能となっ
ている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら。上記従来の発光ダイオードアレイに
は、いくつかの問題があった。前述したように、発光エ
レメントが同一基板上に密接配設されてなる発光ダイオ
ードアレイにおいては、単体の発光ダイオードと異な
り、隣接発光エレメント間の光のクロストークを軽減す
ることが重要な課題となっており、このため第５図に示
された発光ダイオードアレイにおいては、透明な窓であ
るｎ−Al_yGa_1-yAs層34を各発光エレメント間で完全に除
去するエッチングプロセスが不可欠となり、しかも光の
滲みを低減するために、発光領域のメサ以外の発光層は
ある程度以上深くエッチングする必要がある。

一方、ヘテロ接合面から発光層である活性層に注入さ
れた小数キャリアである電子の拡散長は10μｍ程度であ
ることが知られている。

従って、光のクロストークを低減すると共に光の滲み
を低減し、かつ発光効率を最適化するためには、少なく
とも活性層を10μｍ程度エッチングしなければならず、
このため均一にかつ再現性よくエッチングすることが可
能で、特性低下を招く問題があった。

なお、本体の発光ダイオードの場合においては活性層
ｐ−Al_xGa_1-xAs層32を１μｍ以下と薄くし、更にその下
にAL混晶比の大きなｐ−Al_yGa_1-aAs層を成長させたダブ
ルヘテロ構造を採用することにより注入キャリアをエネ
ルギーギャップの小さなｐ−Al_xGa_1-xAs層32中に効率良
く閉じ込め、光の自己吸収を著しく現象させて全体とし
ての発光効率を向上させる構成が採用されているが、こ
のように発光効率が向上しても発光部分である活性層の
屈折層が大きいために、光の大部分は全反射により外部
に取出されず、光の取出し効率は数％以下と極めて低い
ため、このような構成を発光ダイオードアレイに用いて
も本質的な解決とはなり得ない。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は高信頼性、高再現性を何ら損なうことな
く光取出し効率の向上と隣接発光エレメント間のクロス
トークの抑制を可能とした発光ダイオードアレイを提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る発光ダイオ
ードアレイは、基板と活性層間に屈折率の異なる半導体
層を交互に積層してなる多重反射層を形成し、この多重
反射層を構成する半導体層の内、活性層に隣接する半導
体層のエネルギーギャップを活性層のエネルギーギャッ
プより大とし、かつ多重反射層を構成する半導体層の
内、高屈折率半導体層のエネルギーギャップを活性層の
発光波長に対して小とすることを特徴としている。

［作用］ 本発明の発光ダイオードアレイはこのような構成を有
しており、多重反射層を構成する半導体操の内、活性層
に隣接する半導体層がその大なるエネルギギャップによ
り活性層に注入されるキャリアのキャリアバリア層とし
て機能する。

従って、注入キャリアは活性層内に効率良く閉じこめ
られるため、発光効率を何ら損なうことなく活性層の層
厚を充分薄く設定することができ、エッチングプロセス
を容易とすることができる。

また、多重反射層が活性層から光取り出し面と反射方
向に進行する光を光取り出し面方向に反射し、光取り出
し効率の向上を図ることが可能となる。

さらに、多重反射層を構成する半導体層の内、高屈折
率半導体層のエネルギーギャップを活性層の発光波長に
対して小とすることにより、この高屈折率半導体層に閉
じこめられる活性層からの光を効率良く吸収し、隣接発
光エレメント間のクロストークが抑制される。

［実施例］ 以下、図面を用いながら本発明に係る発光ダイオード
アレイの好適な実施例を説明する。

第１実施例 第１図は本第１実施例における発光ダイオードアレイ
の断面図である。なお、簡略化のため２個の発光エレメ
ントのみ図示してある。

図において、ｎ−GaAs基板50（Si＝１×10¹⁸cm^-3）上
にｎ−GaAsバッファ層52（0.2μｍ厚、Se＝１×10¹⁸cm
^-3）、Ｎペア（N:整数）ｎ−Al_yGa_1-yAs/n−AlAs半導体
多重反射層54（Se＝５×10¹⁸cm^-3）、ｐ−Al_xGa_1-xAs活
性層56（0.5μｍ厚、Zn＝５×10¹⁸cm^-3）、ｐ−Al_zGa
_1-zAsクラッド層58（1,5μｍ厚、Zn＝５×10¹⁸cm^-3）、
p⁺−GaAsコンタクト層60（0.05μｍ厚、Zn＝１×10¹⁹cm
^-3）がMOCVD法により順次積層される。なお、Al組成は
発光波長約670nmの場合でｘ＝0.3、ｙ＝0.1、ｚ＝0.7に
設定されている。

MOCVD成長の後、ｎ−電極64及びｐ−電極62が蒸着形
成され、フォトリソグラフィとプラズマエッチングによ
りｐ−電極62を除きp⁺−GaAsコンタクト層60を選択的に
除去する。

そして、フォトリソグラフィとH₂SO₄:H₂O₂:H₂O＝1:2:
40を用いた化学エッチングにより発光エレメントとなる
領域を除く成長層をｎ−Al_yGa_1-yAs/n−AlAs半導体多重
反射層54に達するまで除去してメサ形状の発光領域を形
成する。さらに、プラズマCVD法によりSiN_xの無反射コ
ート66を形成し、熱処理を行ってｐ−電極62及びｎ−電
極64のオーム接点を形成する。

本第１実施例の発光ダイオードアレイはこのようなプ
ロセスにより構成され、半導体多重反射層54のペア数Ｎ
をＮ＝25程度に設定し、かつ高屈折率を有するｎ−Al_yG
a_1-yAs半導体層及び低屈折率のｎ−AlAs半導体層の層厚
を発光波長の1/4に設定することにより、活性層56から
の光を各層の界面で多重反射して高反射率を得ることが
できる。

そして、この半導体多重反射層54を構成する半導体層
の内、光取り出し面とは反射側の面に位置する半導体
層、すなわちｐ−Al_xGa_1-xAs活性層56に隣接する半導体
層であるｎ−AlAs半導体層は活性層56よりAlの比率が大
であるため大きなエネルギーギャップを有しており、順
方向のバイアスをｐ−電極62及びｎ−電極64間に印加す
ることにより活性層56内に注入されるキャリアを閉じこ
めるキャリアバリアとして機能することができる。

このため、活性層56の厚みを0.5μｍ、さらには必要
に応じて数100Å以下と従来に比べて著しく薄く設定す
ることが可能となり、発光領域となるメサの高さは従来
例に比べて著しく低くとれるため、エッチングプロセス
に起因する不均一性を低減することが可能となる。

更に、この半導体多重反射層54を構成する半導体層の
内、高屈折率のｎ−Al_yGa_1-yAs半導体層のAlの混晶比ｙ
は活性層56のAl混合晶比ｘ以下に設定されるため、活性
層56からの光の発光波長に対してそのエネルギーギャッ
プが小さく、活性層からの光を効率良く吸収することが
できる。

このように、本第１実施例における半導体多重反射層
54は、注入キャリアを閉じこめる作用、活性層からの光
を反射する作用、及び隣接発光エレメントに向かう光を
閉じ込めて吸収する作用を有しており、高発光効率、高
光取り出し効率を有しつつ隣接廃坑エレメント間の光ク
ロストークを抑制することができる。

第２実施例 第２図は本第２実施例における発光ダイオードアレイ
の断面図である。なお、簡略化のため２個の発光エレメ
ントのみ図示してある。

図において、ｎ−GaAs基板70（Si＝２×10¹⁸cm^-3）上
にｎ−GaAsバッファ層72（0.2μｍ厚、Si＝１×10¹⁸cm
^-3）、第１実施例と同様の半導体多重反射層54、アンド
ープAl_xGa_1-xAs活性層74（1.7μｍ厚）、p⁺−GaAsコン
タクト層76（0.05μｍ厚Zn＝１×10¹⁹cm^-3）が順次MOCV
D法により積層され、更にSiN_x膜78をマスクとしてZn拡
散（1.2μｍ厚）を行い島状に形成されたZn拡散領域80
によりPIN接合を形成し、発光エレメントが構成され
る。

そして、ｐ−電極82及びｎ−電極84を形成し、NH₄OH:
H₂O₂＝1:10を用いた化学エッチングによりｐ−電極82を
除きGaAsコンタクト層76を選択的に除去する。更に、Si
N_x膜86で無反射コートを行い、発光エレメントから離れ
た領域でこのSiN_x膜86を除去してｐ−電極82のボンディ
ングパットを形成する。なお、Alの組成は波長約720nm
の場合でｘ＝0.2、ｙ＝0.1に設定されている。

本第２実施例における発光ダイオードアレイはこのよ
うなプロセスにより形成され、発光領域である活性層74
に隣接して半導体多重反射層54を設けることにより前述
の第１実施例と同様にして注入キャリアを閉じ込めるこ
とによりZn拡散領域80との間の約0.5μｍ程度の薄いＩ
領域がヘテロ構造の効果を有し、また活性層からの光を
各層の界面で多重反射し、高屈折率を有するｎ−Al_yGa
_1-yAs半導体層でクロストーク光の吸収が行われる。

また、本第２実施例においては、発光領域の形成プロ
セスを選択的なZn拡散のみと単純化することにより、プ
ロセスの不均一性に起因するバラツキを低減することも
可能となる。

第３実施例 第３図は本第３実施例における発光ダイオードアレイ
の断面図である。なお、簡略化のための２個のエレメン
トのみ図示してある。

図において、ｎ−GaAs基板90（Si＝２×10¹⁸cm^-3）上
にｎ−GaAsバッファ層92（0.2μｍ厚、Se＝１×10¹⁸cm
^-3）、前述の第１及び第２実施例と同様の半導体多重反
射層54、ｐ−Al_xGa_1-xAs活性層94（５μｍ厚、Zn＝１×
10¹⁸cm^-3）、p⁺−GaAsコンタクト層96（0.05μｍ厚、Zn
＝１×10¹⁹cm^-3）が順次MOCVD法によって積層されてお
り、Alの混晶比は発光波長約670nmの場合でｘ＝0.3、ｙ
＝0.7に設定されている。

そして、MOCVD成長の後、ｐ−電極98及びｎ−電極100
を蒸着する。次に、フォトリソグラフィとプラズエッチ
ングによりｐ−電極98を必要な部分を除きエッチング
し、化学エッチングによりｐ−電極98を除きp⁺−GaAsコ
ンタクト層96を選択的に除去する。そして、フォトリソ
グラフィと化学エッチングにより、発光エレメントとす
る領域を除く成長層をｎ−Al_yGa_1-yAs/n−AlAs半導体多
重反射層54を以下に達するまで除去してメサ形状の発光
領域を形成する。最後に、プラズマCVD法によりSiN_xの
無反射コート膜102を形成し、熱処理を行ってｐ−電極9
8及びｎ−電極100のオーム接点を形成する。

本第３実施例の発光ダイオードアレイはこのようなプ
ロセスにより形成され、半導体多重反射層54を構成する
半導体層の内、活性層に隣接する半導体層であるｎ−Al
As層を有効なキャリアストップ層としたシングルヘテロ
構造の効果により発光効率が向上し、かつ半導体多重反
射層54の反射効果により光取出し効率が向上する。

また、高屈折率のｎ−Al_yGa_1-yAs反動体層でクロスト
ーク光を閉じ込めて吸収するため、隣接発光エレメント
間のクロストークが抑制される。

なお、上記第１、第２及び第３実施例においては、Al
GaAs、GaAs系の特定の組成及び層厚からなる発光ダイオ
ードアレイについて説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、組成を適宜変化させることにより屈
折率が変化し、かつ交互に積層できる半導体材料を用い
ることもできる。

また、上記第１、第２及び第３実施例においては基板
に各半導体層を成長させる方法としてMOCVD法が用いら
れているが、他の結晶成長法、例えばGSMBE、MBE、CB
E、LPCVD法等の結晶成長法を用いて作成することも可能
である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る発光ダイオードア
レイによれば、発光効率、光取出し効率が高く、かつ隣
接する発光エレメント間の光クロストークの極めて少な
い発光ダイオードアレイを提供することができ、例えば
この発光ダイオードアレイをプリンタの光源として用い
た場合には酵素かつ高品質のプリントが可能となる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る発光ダイオードアレイの第１実施
例の断面図、 第２図は本発明の第２実施例の断面図、 第３図は本発明の第３実施例の断面図、 第４図乃至第５図は従来の発光ダイオードアレイの断面
図である。 50,70,90……基板 54……多重反射層 56,74,94……活性層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】キャリア注入により発光する活性層を有す
   る発光ダイオードが同一基板上に複数配設されてなる発
   光ダイオードアレイにおいて、 前記基板と前記活性層間に屈折率の異なる半導体層を交
   互に積層してなる多重反射層が形成され、 この多重反射層を構成する半導体層の内、前記活性層に
   隣接する半導体層は前記活性層より大なるエネルギーギ
   ャップを有し、 前記多重反射層を構成する半導体層の内、高屈折率半導
   体層は前記活性層の発光波長に対して小なるエネルギー
   ギャップを有することを特徴とする発光ダイオードアレ
   イ。