JP3654745B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3654745B2 JP3654745B2 JP20137297A JP20137297A JP3654745B2 JP 3654745 B2 JP3654745 B2 JP 3654745B2 JP 20137297 A JP20137297 A JP 20137297A JP 20137297 A JP20137297 A JP 20137297A JP 3654745 B2 JP3654745 B2 JP 3654745B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- light emitting
- emitting diode
- semiconductor
- slope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Printers Or Recording Devices Using Electromagnetic And Radiation Means (AREA)
- Led Devices (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード素子等の半導体発光装置に係り、詳細には、高発光出力の端面発光型発光ダイオードアレイの構造を有する半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光ダイオード(light emitting diode:LEDという)素子は、発光が鮮やかであること、駆動電圧が低く周辺回路が容易になるなどの理由により従来より表示デバイスとして幅広く使用されている。
【0003】
電子写真方式を採用した光プリンタ等の光源等への応用を目的として、発光ダイオードアレイを用いた半導体発光装置の研究が盛んに行われている。
【0004】
自己発光型の発光ダイオードアレイを光源としたLEDプリンタは、画像信号に応じて発光ダイオードアレイの各ドットを発光させ、分布屈折率レンズなどの等倍結像素子により、感光体ドラム上に露光して静電潜像を形成し、現像器でトナーを選択的に付着させたあと、普通紙などに付着したトナーを転写させることにより印字を行うものである。
【0005】
発光ダイオードアレイを用いた光源へッドは、(1)可動部がなく、かつ構成部品も少ないことから、小型化が可能となる、(2)アレイチップの接続により、長尺化が容易であるなどの特長を持つ。この光源へッドに用いられる発光ダイオードには、大きく2つのタイプがある。その1つは、基板面と平行な面内に、四角形等の発光部を所定方向に多数配列した面発光型発光ダイオードアレイであり、2つには、基板面と垂直な面から、所定方向に多数配列した光が出射する端面発光型発光ダイオードアレイである。
【0006】
図16は上記2タイプのヘッド構造を比較して示す図である。
【0007】
図16に示すように、上記2つのタイプの発光ダイオードのうち、端面発光型発光ダイオードアレイは、発光方向が従来の面発光型と約90度異なっている。上面発光型発光ダイオードアレイを用いたへッド(上面型へッド)に比較し、該端面発光型発光ダイオードアレイを用いたヘッド(端面型へッド)は、感光体面上に占めるへッド面積が小さくできる。
【0008】
このように、端面型へッドは空間的スペースが小さくできるので、より直径の小さな感光体ドラムを使用しても、現像器等が充分設置することが可能となり、その結果として、より小型なプリンタが可能になるというメリットを持つ。
【0009】
上記端面発光型発光ダイオードとして、例えば、特開昭60−32373号公報に開示されたものがある。
【0010】
図17は上記公報記載の端面発光型発光ダイオードの構造を示す図である。
図17において、10はLEDアレイであり、LEDアレイ10は絶縁性基板11上にダイボンディングされ、ワイヤボンディングによって配線されている。
【0011】
この例では、基板11上の積層構造内に複数の発光部が形成されており、これらの発光部は、その基板面と平行な面内に、その端面に対して垂直な方向に形成された分離溝によって、電気的かつ空間的に分離されている。この構造では、光出力が取り出される発光部と電極とが同一面上に存在せず、単位素子当たりの幅は、発光部の幅と素子分離領域の幅を合計したものとなり、600DPI以上の高密度アレイも、原理的には可能である。
【0012】
しかし、この構造のアレイの場合には、発光部の幅と発光部上に形成された電極が略同じ幅を持っている。このような構造の発光ダイオードで、例えば600DPIの密度の発光部アレイを形成する場合には、発光素子のピッチは42〜43μmとなり、素子分離溝の幅を考慮すると更に発光素子の幅は小さくなる。つまり、発光部上の電極は、その電極幅が42〜43μm以下の幅で、42〜43μmのピッチで形成されることになる。このように電極配線が形成された発光ダイオードとこの発光ダイオードを駆動する例えばドライバICとを電気的に接続する必要がある。
【0013】
現在最も幅の狭いボンディングを行うことが可能なウエッジボンディングでも、ボンディング幅は40μmであり、ボンディング装置の位置精度を考慮すると更に20μm程度の幅が必要となる。つまり、60μm程度のピッチでの接続が限界ということになる。
【0014】
したがって、例えば600DPI以上のような高密度発光ダイオードアレイの場合では、各発光ダイオードアレイの各発光素子上面の電極に直接ワイヤーボンディングする方法で、各発光ダイオードをドライバΙCの駆動回路とを配線するのは極めて困難である。かつ、このような各発光素子の上面に電極を形成する構造では、例えば数ミリアンペア程度の注入電流では感光体を露光し、静電潜像を形成するだけの充分な発光出力を得るのは、非常に困難である。感光体を露光し、静電潜像を形成するに充分な発光出力を得るためには、注入電流を増加させる必要が生ずる。そのために、このような発光ダイオードアレイを配設した光源へッドの消費電力は増加することになり、プリンタ全体としては、消費電力が大きく、かつコスト高なものとなってしまうという問題が生ずる。
【0015】
以上のような高密度化の問題と発光出力の問題を解決する目的で、例えば特開平5−347430号公報に開示された端面発光型発光ダイオードアレイがある。
【0016】
図18は上記公報記載の端面発光型発光ダイオードの構造を示す図である。この端面発光ダイオードアレイは、基板面に平行に積層したいわゆるダブルヘテロ構造で、各発光素子は所定のドットピッチに素子分離された発光部と各発光部に電気的に接続を行う接続電極配線とワイヤードットにより、ドライバΙCの駆動回路と発光ダイオードアレイの個々の各発光素子の接続電極配線パッドから構成されている。
【0017】
この端面発光型発光ダイオードアレイの構造では、電極配線パッドが充分現状のワイヤーボンディング技術で接続可能な配置構造をとれるために、600DPI以上のような高密度な端面発光型発光ダイオードアレイが可能である。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のこの場合の発光ダイオードアレイは、結晶内部で発生した光の取り出し効率はかなり小さいものと推察される。
【0019】
光取り出し効率が小さい理由を、以下に、参考文献で示されているダブルヘテロ構造(図19に示す)を参考に述べる。
【0020】
図19において、50は基板、51はバッファ層、52はクラッド層、53は活性層、54は上部クラッド層、55はオーミック層、56は上部電極、57は下部電極を示している。出射端面は2aで、出射端面2aと反対側の端面は2bで示している。また、58は絶縁膜で59は配線電極である。
【0021】
ダブルヘテロ構造は、発光に寄与するキャリア(ホールと電子)を活性層という薄い領域に閉じこめることができるために、ホールと電子の密度を高くでき、その結果として再結合確率増大させることができ、ホモ接合やシングルヘテロ構造に比較して、内部発光効率は高いという特長がある。
【0022】
ダブルヘテロ構造における発光について説明する。この構造による発光ダイオードでは、発光は自然放出光であり、活性層で再結合して発光した光は、360度等方的に出射するようになる。また、この場合の構造では、上部電極下の活性層で均等に発光しているといえる。活性層で発光した光のうち、例えば上面方向の光r1は、図20に示したように上部電極56で反射し、下部電極57側に進むが、そのうちに基板50で吸収されるだけで、出射端面2a側から取り出すことはできない。また、臨界角ぎりぎりの光r2は出射端面2aから取り出すことが可能となる。この場合、出射端面2a側の断面が略垂直であると考えると、例えば基板の屈折率が3.5程度で空気が1と考えると、臨界角は約16度となり、この臨界角以上で端面側に出射してくる光r3は、出射端面2aから取り出すことができない。
【0023】
ここで、更に実際のプリンタの構造を考えてみる。
【0024】
図21はプリンタの構造を示す図である。図21において、60は感光体ドラム、61は屈折率分布アレイ及び62は発光ダイオードである。上述したように、発光ダイオードアレイ62の各発光部から出射された光は、屈折率分布レンズアレイ61により、感光体面60上に等倍で結像される。ここに用いられる屈折率分布レンズアレイ61の特性として、印字の品質の評価基準となるMTFがあり、通常600DPIレベルでの印字品質としては60以上程度が求められる。通常、このような高MTFを達成するために、屈折率レンズアレイ61の発光ダイオード62に対する立体角が約20度のものが一般に用いられている。
【0025】
つまり、屈折率分布レンズ61に入射することができる光は、発光ダイオード62から出射立体角が20度以内の光のみということになる。出射端面2aでの出射角を考えると、10度以内の出射光のみが屈折率分布レンズ61に入射することができ、感光体60上に結像することができる。
【0026】
出射角が10度となる、出射端面2aに入射する光の入射角を計算すると、出射端面2aに保護膜がない場合に最も入射角が大きくなる。その場合の入射角は、空気の屈折率と結晶との屈折率との差を考慮し、臨界角を考えると、約2.8度となる。つまり、出射端面2aに対して略垂直に入射する光しか、分布屈折率レンズには入射できないことがわかる(図22参照)。
【0027】
よって、特開平5−347430号公報に開示された発光ダイオードアレイで提案されている出射端面の反対側に設けた絶縁膜と電極の多層構造の反射構造による光反射面の効果は、基板50の上面に対して略平行に反射される光のみしか屈折率分布レンズに入射することができないために、該光反射構造による効果は非常に小さいものである。
【0028】
また、上部電極56全面下で、均一に注入された電流が再結合し発光するために、実際に端面から出力される光量の注入電流に対する変化は非常に小さいものであり、例えば3mA程度で感光体を露光するに十分な光量は得ることができない。
【0029】
以上の理由により、従来提案されている構造のダブルテロ構造端面発光型発光ダイオードは、注入電流に対して、光量が小さく、高速用プリンタヘッドとしては満足できるものではなかった。
【0030】
また、構造的には以下のような問題も存在する。つまり、発光部の出射端面2aを略垂直に形成するために、塩素ガスなどを使用したドライエッチング法などにより素子分離を行っている。しかし、出射端面2aと反対側の反射端面も略垂直な断面になっているために、配線電極が該反射端面のエッジで断線しやすいという問題がある。このように、歩留まりの点からも、従来提案されている構造の発光ダイオードアレイは問題がある。
【0031】
本発明は、上述した従来の問題点を解消することを目的とし、例えば600DPI以上の高密度な発光部で、より取り出し効率が高く、注入電流に対して光出力が高い半導体発光装置を提供することを目的とする。
【0032】
また、本発明は、高歩留まりが得られる半導体発光装置を提供することを目的とする。
【0033】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光装置は、モノリシックに複数個、少なくとも一列配置してなる端面発光型発光ダイオード素子アレイ構造を有する半導体発光装置において、発光ダイオード素子の積層構造が、少なくとも電流狭窄部と反射斜面を有しており、電流狭窄部の電流が通過する領域の少なくとも一部が、反射斜面と空間的に重なり合うように配置され、該反射斜面により反射された光を出射端面から取り出すようになっており、かつ反射斜面上に絶縁膜を介して、上部電極を形成したことを特徴とする。
【0034】
本発明に係る半導体発光装置は、モノリシックに複数個、少なくとも一列配置してなる端面発光型発光ダイオード素子アレイ構造を有する半導体発光装置において、発光ダイオード素子の積層構造が、少なくとも、電流狭窄部、半導体多重反射膜及び反射斜面を有しており、電流狭窄部の電流が通過する領域の少なくとも一部が、反射斜面及び半導体多重反射膜と空間的に重なり合うように配置され、該反射斜面により反射された光を出射端面から取り出すようになっており、かつ反射斜面上に絶縁膜を介して、上部電極を形成したことを特徴とする。
【0035】
上記電流狭窄部は、電流が通過する領域を狭める電流狭窄構造であり、該電流狭窄構造により発光領域を所定の領域内に閉じこめて形成するようにしたものであってもよい。
【0036】
上記反射斜面は、順テーパー形状であってもよい。
【0037】
上記半導体多重反射膜は、屈折率の異なる半導体多層膜からなる多重反射層であってもよく、また、上記屈折率の異なる半導体層は、発光層である活性層のバンドギャップよりも大きな半導体層からなり、各々の膜厚を、発光波長に対する光学的膜厚n(屈折率)×d(膜厚)が1/4波長になる膜厚に設定したものであってもよい。
【0038】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体発光装置は、端面発光型発光ダイオードアレイに適用することができる。
【0039】
まず、本発明の基本的な考え方を説明する。
【0040】
本発明に係る半導体発光装置は、電流狭窄構造、反射斜面及び出射端面を設置し、前記電流狭窄構造による電流経路にあたる発光部領域の少なくとも一部を覆うように反射斜面を設置したことを特徴とする。前記反射斜面は、ウエットエッチングにより一義的に形成される斜面、またはドライエッチングにより略45度に形成される斜面であり、順テーパー形状の斜面である。また、反射斜面で反射される光が通過する層は、透過光を吸収しないように、クラッド層としている。更に、出射端面の形状は、略垂直断面とする。
【0041】
このように、電流狭窄構造を設けたので、発光領域が所望の領域内に閉じこめて形成できるために、注入電流密度をわずかな電流で増加させることができる。そのために、電流に対する光量(内部で発生する光)の傾きが大きくなる。つまり、従来構造に比較し、電流が通過する領域を狭めることが可能となり、その結果として、低電流でも光量が大きくできる。
【0042】
さらに、反射斜面は、傾斜角度が45度〜50度程度に形成された斜面である。よって、上面方向に出射した光が該反射斜面で略水平方向に曲げられ、反射光を吸収しないクラッド層を通過し、出射端面方向に進み、出射端面から出射することができる。該反射斜面の少なくと一部と空間的に重なるように電流狭窄構造を形成しているために、注入されたキャリアが再結合し、発光する領域は少なくとも反射斜面全面と空間的に重なるようになっている。このような構造により、前記反射斜面下の活性層で発生し、出射した光のうち、上面方向に出射した光の少なくとも一部は前記反射斜面で反射され、出射端面から出射される。好ましくは、空間的な位置関係において、反射斜面よりも狭い領域に電流が流れ、その結果として発光する領域を形成するように電流狭窄構造を選択的に形成することである。
【0043】
また、前記反射斜面は順テーパー形状であるため、配線電極を形成するようにしても断切れは発生しないという特徴を有している。
【0044】
また、本発明に係る半導体発光装置は、上記構造を含み、更に発光層である活性層の下方に屈折率の異なる半導体多層膜からなる多重反射層を設置したことを特徴とする。前記屈折率の異なる半導体層は、活性層のバンドギャップよりも大きな半導体層からなり、各々の膜厚を、発光波長に対する光学的膜厚n(屈折率)×d(膜厚)が1/4波長になるような膜厚に設定する。
【0045】
このように、電流狭窄部と活性層の下方部に、活性層よりもバンドギャップの大きな半導体層で多層反射膜を形成してあるため、電流狭窄部の直近の活性層で発生した基板上面に対して、下側方向に出射した光の殆どを前記多層反射膜により、反射させることが可能となり、その結果として反射斜面を介して、出射端面から取り出すことが可能となる。最大では、該多層反射膜を設置することにより、無い場合に比較して、約2倍の出力が得られるという特徴がある。
【0046】
次に、上記基本的な考え方に基づいて実施形態により構成及び動作を詳細に説明する。
【0047】
第1の実施形態
図1は本発明の第1の実施形態に係る端面発光型発光ダイオードアレイチップの構造を示す平面図であり、この端面発光型発光ダイオードアレイは、ドット密度が600DPI相当である。
【0048】
図2は図1の発光ダイオードアレイの出射方向のA−A′矢視断面図である。
【0049】
図1及び図2において、発光ダイオードアレイチップ100は、192個の発光部110(110-1〜110-192)が出射方向150に対して略垂直な方向で、600DPIのピッチ(約42〜43μm)で直線状に配設されている。
【0050】
各発光部110-1〜110-192は、分離溝140で各々分離されている。各発光部110-1〜110-192には、電気的接続をとるための電極配線120-1〜120-192及び各電極配線120-1〜120-192とドライバΙCの個々の接続電極(図示せず)を接続するための、接続電極130-1〜130-192が配設されている。ドライバΙCの接続電極と発光ダイオードアレイ100の接続電極130-1〜130-192との接続は、異方導電性接着樹脂などにより約40μmピッチの接続電極130-1〜130-192でも充分接続が可能である。
【0051】
また、各発光ダイオード素子(発光部110-1〜110-192)には、光出射端面110aと光出射端面110aと反対の面(以降、この面を光反射端面110bと呼ぶ)があり、本発明上重要な構造になっている。
【0052】
すなわち、光出射端面110aは、基板200面に対して、略垂直に形成されており、かつ発光ダイオードのアレイ方向に対して平行に形成されている。また、光反射端面110bは、略45度の斜面となっている。光反射端面110bは、例えばウエットエッチングにより形成でき、順メサ形状となるように、発光部110のアレイ方向を形成するようにしている。光反射端面110bを覆うように、絶縁膜270を形成してあり、電極配線120によりPNショートを防止する構造になっている。電極配線120(120-1〜120-192)は光反射端面110bが順メサ形状になるようにしてあるため、断面での段切れが発生しない構造となっている。
【0053】
上記発光部110の構造を更に詳細に説明する。
【0054】
図2に示すように、本実施形態に係る発光ダイオードアレイ100の積層構造は、(100)n型GaAs基板200の上に、MOCVD法により、n型GaAsバッファ層210、選択酸化層220-1、非酸化層n型AlAs層220-2、n型Αl0.4Ga0.6ΑSクラッド層230、p型Αl0.15Ga0.85Αs活性層240、p型Al0.4Ga0.6ΑSクラッド層250(上部クラッド層)、p型GaAsオーミック層260の複数層から構成されている。
【0055】
本構造は、発光波長に対応するエネルギーバンドギャップの活性層240を、この活性層240よりもエネルギーバンドギャップの大きいクラッド層230、250で挟んだダブルヘテロ構造になっている。
【0056】
バッファ層210として、キャリア濃度1×1017/cm3で膜厚を0.3μmとした。電流狭窄構造は、キャリア濃度5×1017/cm3のn型AlAs層220を形成し、このAlAs層220の一部分を選択的に酸化することにより選択酸化層220 -1を形成している。AlAs層220の膜厚は、約500Åとした。
【0057】
上記選択酸化層220 -1は、Si基板で熱酸化膜を形成する方法と基本的には同じ方法により、容易に形成できる。例えば、430℃程度の熱処理炉で、N2ガスをキャリアガスとして、純水の蒸気中で処理することで、容易にAlAs層220のみ選択的に酸化することができ、酸化された領域220-1は絶縁膜となり電流の流れをブロックする構造ができる。
【0058】
上記AlAs層220で熱酸化されなかった部分、すなわち非酸化領域220-2は、電流が容易に流れる領域となる。
【0059】
図3は発光ダイオードアレイ100の発光部110の平面拡大図である。図3に示すように、本実施形態では、非酸化領域220-2が、発光部110の光反射斜面110b側全面に形成した構造になっている。
【0060】
n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層230は、キャリア濃度5×1017/cm3、膜厚0.4μm、活性層240は、3×1015〜5×1018/cm3の膜厚0.05〜0.3μmのp型Al0.15Ga0.85As、P型Al0.4Ga0.6Asクラッド層250は光反射斜面2aを形成するために、膜厚2〜4μmとし、キャリア濃度5×1017/cm3とした。また、p型GaAsオーミック層260は、膜厚0.1〜0.5μmでキャリア濃度5×1018〜5×1019/cm3とした。
【0061】
上記電流狭窄構造により、注入した電流の流れは図2の矢印400で示したような流れになり、発光する部分240-1は、図3に示すように非酸化領域220-2の直上の活性層部分になる。本実施形態では、領域240-1で発光し、上面方向に出射する光300の殆どを光反射端面110bにより横方向の光310にすることができる。
【0062】
横方向に曲げられた光310は、上部のΡ型Al0.4Ga0.6As層250を進む。このとき、クラッド層250は、バンドギャップが光310のエネルギより大きいため、殆どこのクラッド層250で吸収されず、強度が減少するとはない。また、出射端面110a部をSiNx膜などにより、出射光の波長に対して出射端面部での反射を極力するような条件で形成することで、光310の殆どを出射端面110aから出射させることも可能となる。
【0063】
本実施形態の場合、発光波長は760nmになるように形成しているので、前記出射端面部を保護するSiN膜の膜条件として、屈折率を1.899で膜厚を、光学的膜厚が発光波長の1/4にすることで、反射率を1%以下にすることが可能となる。
【0064】
以下、上記発光ダイオードアレイの製造方法について説明する。
【0065】
図4〜図8は上記発光ダイオードアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【0066】
まず、図4に示すように(100)n型GaAs基板200上に、MOCVD法により連続的に、バッファ層210、n−AlAs層220、n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層230、活性層240、p型Al0.15Ga0.85As、p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層250、p型GaAsオーミック層260を形成する。
【0067】
次に、図5に示すように所望の形状に形成したレジストパターン500をマスクとして、AlAs層220の上までエッチング除去する。例えば、この時のエッチングは、Η2Ο2とΗ3ΡΟ4などの混合液を用いることで、図5に示したように順テーパー状の斜面600が形成される。本実施形態では、この順テーパー状斜面が光反射斜面300になるわけである。この場合、図2で示したように110b部が順テーパー状になるように、発光部アレイの方向と基板200の結晶面方位を合わせる必要がある。具体的には、図1に示したように、アレイ方向を結晶軸〈01 ̄1〉と〈0 ̄11〉に平行になるようにとる。
【0068】
次に、電流狭窄構造を形成するために、光反射斜面に対応する側600をSiN膜270で覆い、光出射端面側110a部側はSiN膜270を除去した構造を形成したあと、上述したような水蒸気雰囲気の430℃程度の熱処理炉で、一定時間処理することで、酸化領域220-1と非酸化領域220-2を形成する(図6参照)。
【0069】
さらに、上部電極280とオーミック層260との電気的接続エリアをとるために、前記選択酸化時の保護膜として用いた絶縁膜SiN膜270の、オーミック層260の上の部分を、CF4/O2ガスを用いたドライエッチングにより除去する。その後、上部電極280として、Ti/Pt/Αuなどをリフトオフ法などにより形成する。さらにその後、光取り出し効率を上げるための、Cl2/BCl3などの混合ガスを用いたドライエッチングにより、略垂直な光出射端面110aを形成する(図7参照)。
【0070】
次に、より取り出し効率をよくするために、SiN膜330をCVD法などにより所望の屈折率で、かつ膜厚になるように成膜条件を選んで、光出射端面110aを覆うように形成する。その後、ドライバICとの接続をとるために、上部電極280上のSiN膜330の一部を除去する。さらに、基板200の下側を従来と同様な方法で研磨し、所定の基板厚みにしたあと、ΑuGeNi/Auなどを全面に蒸着し、400℃前後の温度で熱処理して、N側電極290のオーミックをとる(図8参照)。
【0071】
その後、ダイシングを行うことで、発光ダイオードアレイチップ100を形成する(図示せず。)
以上説明したように、第1の実施形態に係る発光ダイオードアレイ100は、発光ダイオード素子の積層構造が、少なくとも電流狭窄部と反射斜面110bを有しており、電流狭窄部の電流が通過する領域の少なくとも一部が、反射斜面110bと空間的に重なり合うように配置され、反射斜面110bにより反射された光を出射端面110aから取り出すようになっており、かつ反射斜面110b上に絶縁膜を介して、上部電極280を形成したので、電流狭窄構造を設けたことにより、発光部領域が電流狭窄構造で形成された電流が流れる活性層部になるため、注入電流に対して発光部110である活性層240での注入電流密度を従来構造よりも増加させることができる。そのため、キャリア密度の上昇により、電子とホールの再結合確率が増加でき、その結果として内部発光効率を増加させることができる。すなわち、注入電流に対する光出力の勾配を急峻にすることができ、数ミリアンペアという微少な注入電流でも高出力の発光出力を得ることができる。
【0072】
また、上部クラッド層250を含んで、光反射斜面部を形成し、反射斜面110bを少なくとも電流狭窄構造の電流通過部の活性層240、つまり発光領域と空間的に重なるように形成したことにより、発光領域から基板200の上面方向に出射した光300を反射斜面110bで反射することができ、これにより上面面方向の出射光300を出射端面110a方向に導き出すことができる。この結果、端面発光出力の高い端面発光型ダイオードアレイが作製できる。
【0073】
また、光反射斜面として、順メサ斜面を用いた構造にしたために、斜面の角度は略45度となる。この程度の角度の斜面の場合には、上部電極280として、例えば約1μm〜2μm程度のTi/Pt/Au膜を該斜面上に絶縁膜を介して形成し、電気的接続をとる構造にしても、斜面での断切れ等の不良は発生しないという特長がある。実際に、順メサをウエットエッチングにより行った場合には、例えばエッチングの深さが5μm程度でもAlの配線電極は断線しないという結果を確認している。
【0074】
第2の実施形態
図9は本発明の第2の実施形態に係る端面発光型発光ダイオードアレイチップの構造を示す断面図であり、図9は前記図1の発光ダイオードアレイの出射方向のA−A′矢視断面図である。また、図10はこの発光ダイオードアレイの発光部の平面拡大図である。本実施形態に係る発光ダイオードアレイの構造の説明にあたり前記図1〜図3と同一構成部分には同一符号を付している。
【0075】
第1の実施形態との違いは、図10の平面図からわかるように、非酸化領域220-2を更に小さくするようにしたことである。
【0076】
この構造を形成するには、前記第1の実施形態の製造方法と同一のプロセスで容易に形成できる。第1の実施形態との製造上の違いは、選択酸化をする場合の保護膜であるSiN膜270のパターンの差だけである。
【0077】
第1の実施形態と本実施形態の差を分かりやすくするために、図11及び図12にそれぞれの保護膜SiN膜270-1、270-2のパターンを示す。第1の実施形態では、図11に示すように素子分離したあとの保護膜270-1を側面110cを覆うようにしてある。これにより、保護膜270-1で覆われた該側面110cからは、選択拡散が進まない。
【0078】
一方、本実施形態では、図12に示すように側面110cを保護膜270-2で覆わないようにした構造にすることで、該側面110cからも選択拡散が進むようになる。この結果、図9及び図10に示したように、非酸化領域220-2がより小さくできる。これにより、電流をより微小領域に集中させることができるため、第1の実施形態に比較し、より小さい注入電流で、大きな光出力を出射端面110aから得ることが可能である。
【0079】
第3の実施形態
図13は本発明の第3の実施形態に係る端面発光型発光ダイオードアレイチップの構造を示す断面図であり、図13は前記図1の発光ダイオードアレイの出射方向のA−A′矢視断面図である。また、図14はこの発光ダイオードアレイの発光部の平面拡大図である。本実施形態に係る発光ダイオードアレイの構造の説明にあたり前記図1〜図3と同一構成部分には同一符号を付している。
【0080】
本実施形態に係るアレイ構造は、前記第1、第2実施形態と同様で、n型GaAs基板上に発光アレイが形成されている。この発光アレイの各素子の積層構造は、図13及び図14に示される。
【0081】
本実施形態の構造もダブルヘテロ構造、電流狭窄構造及び反射斜面を含んでいる。前記第1、第2の実施形態との構造的な差は、電流狭窄構造及び活性層の下部に、屈折率が異なる半導体層からなる多重反射膜340が設置されている点である。
【0082】
電流狭窄構造をつくるためのAlAs層220は、多層反射膜340の最上部層のAlAs層を利用している。
【0083】
上記多重反射層340の構造について具体的に説明する。
【0084】
感光対ドラムの感度特性を考慮し、発光ダイオードの発光波長は、最も感度高い領域の波長を選択することが望ましい。第1の実施形態で説明したように、発光波長として760nmになるように、活性層をAl0.15Ga0.85Asとしている。多重反射層340は、屈折率の異なる2層を1組として、多数組積層することにより特定の波長領域で反射率を高くすることができるようにしたものである。
【0085】
本実施形態では、多層反射層340で吸収が起きないように、かつ積層膜厚をなるべく薄くすることができるようにするために、屈折率の異なる半導体層として、AlAsとAl0.2Ga0.8Asを用いた。760nmでのAlAs及びA 0.2Ga0.8As屈折率は、それぞれ約3.1及び3.6である。
【0086】
図15は多層反射膜(組層数N=10,15)の反射率の波長依存性を示す図であり、屈折率から、AlAs及びAl0.2Ga0.8Asのそれぞれの膜厚を61m及び54nmした場合の、10層組及び15層組の場合の多層反射膜の反射スペクトルの計算結果を示す。
【0087】
図15に示すように、略760nmで最大になり、15層組では90%を超える反射率が得られることがわかる。また、発光ダイオードの駆動電圧(例えば、3mA/ドット流れるときの電圧)を下げるために、多層反射層340を形成しているAlAs層とAl0.2Ga0.8As層は、n型でキャリア濃度を5×1017〜1×1018/cm3になるようにした。
【0088】
このような多層反射層340の設計の設計を行い、図13に示すように、発光層である活性層240の下方で、バッファ層210の直上にこの多層反射層340を設置することにより、基板200側に出射した光300-1は、多重反射膜340で殆ど反射することができ、上面方向の光300-2となる。反射光300-2は、更に光反射斜面110bで反射され、出射端面110a方向の光300-3となる。
【0089】
本実施形態では、第1、第2の実施形態に比べて、上面方向の反射斜面110bで反射された光310(前記図2及び図9)と上述した多層反射膜340と反射斜面110bとで反射された光300-3の両方の光が出射することができるために、出射端面110aから、より高い光出力を得ることができる。
【0090】
以上説明したように、第3の実施形態に係る発光ダイオードアレイは、多重反射層340を形成したため、上面方向に出射する光300に加えて、基板裏面方向に出射する光300-1も、多重反射膜340で上面方向に反射させることができるため、出射端面110aから得られる光出力は、多層反射膜がない構造に比較して約2倍にできるというメリットがあり、上記各実施形態の効果をより一層高めることができる。
【0091】
なお、上記各実施形態の発光ダイオードアレイにおいて、N型をP型とし、Ρ型をN型とした構造であってもよい。また、分離溝はAlAs層220を残してエッチングする構造となっているが、AlAs層220を残さない構造であってもなんら問題はない。基本的には、各発光部110が少なくとも、それぞれ電気的に分離されていればよい。
【0092】
また、上記各実施形態では、電流狭窄構造を作製する方法としてAlAs膜を選択的に酸化し、電流が流れない領域を形成する方法を示しているが、これに限らず、例えば、AlAs層を選択的にフッ酸などによりエッチングすることで、電流狭窄構造を形成することもできる。
【0093】
また、選択酸化をするAlAs層220の膜厚は、約200〜1000Åの範囲であれば利用可能である。また、AlAs層220は、AlxGa1-xAsでxが0.1〜1.0の範囲でもよい。
【0094】
また、上記各実施形態では、順テーパー形状の斜面600を形成する方法として、H2O2とH3PO4などの混合液によるウエットエッチングによる順メサ斜面を利用しているが、レジストや絶縁膜をマスクとし、BCl3とCl2などの混合ガスからなるドライエッチング法によるものでもよい。
【0095】
また、第3の実施形態では、多重反射膜340を構成して最上部のAlAs層を、電流狭窄構造を形成するために選択酸化をするAlAs層220と兼ねるようにしているが、これに限らず、多重反射膜340を構成して最上部のAlAs層のみ、膜厚を変えて選択酸化をするようにしてもよい。
【0096】
また、上記各実施形態では、600DPI相当のアレイについて説明したが、より高密度な、例えば、1200DPIなどのアレイにも、当然適用可能である。
【0097】
また、上記各実施形態では、上部電極をTi/Pt/Auを用いて形成しているが、例えばΑuZn/Auなどをリフトオフ法により形成してもよく、さらに、反射斜面上の一部分を覆うように説明しているが、全部を覆う構造であってもよいことは勿論である。
【0098】
さらに、発光波長について、上記各実施形態では、活性層としてAl0.15G 0.85Asを用いて発光中心波長を760nmになるようにしているが、これ以外の波長になるようにしても、全く同様の効果が得られる。また、その場合は、活性層に合わせて、クラッド層も変更してよいのは当然である。この場合、第3の実施形態の多層反射膜は、発光する光が多層反射膜で吸収されないように、活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップで、屈折率の異なる半導体膜で構成するようにすればよい。さらに、この半導体層の膜厚も、発光波長に合わせて、光学的膜厚が発光波長の1/4になるように変更されることは当然である。
【0099】
また、本発明の最も重要な構造である電流狭窄構造と反射斜面の構造であるが、上記各実施形態では反射斜面の幅と略同じ幅で、電流狭窄部を形成するようにしているが、反射斜面の幅よりも狭くなるように、電流狭窄部を形成してもよい。また、逆に反射斜面の幅よりも広くなるように、電流狭窄部を形成しても、従来構造の発光ダイオードより発光出力は高くできる。
【0100】
さらにまた、上記各実施形態では、ΑlGaAsをベースとした発光ダイオードについて説明しているがInGaAsP系、InP系などの場合についても、基本的に適用可能であることは言うまでもない。
【0101】
また、上記各実施形態に係る半導体発光装置アレイが、上述した構造をとるものであれば、どのような構成でもよく、その製造プロセス、基板の種類、アレイ等の個数、配置状態等は上記各実施形態に限定されない。
【0102】
【発明の効果】
本発明に係る半導体発光装置は、発光ダイオード素子の積層構造が、少なくとも電流狭窄部と反射斜面を有しており、電流狭窄部の電流が通過する領域の少なくとも一部が、反射斜面と空間的に重なり合うように配置され、該反射斜面により反射された光を出射端面から取り出すようになっており、かつ反射斜面上に絶縁膜を介して、上部電極を形成したので、例えば600DPI以上の高密度な発光部で、取り出し効率及び注入電流に対して光出力を高めることができ、かつ、高歩留りで量産可能な高発光効率の高密度半導体発光装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した第1の実施形態に係る端面発光型発光ダイオードアレイの構造を示す平面図である。
【図2】図1のA−A′矢視断面図である。
【図3】上記発光ダイオードアレイの発光部の平面拡大図である。
【図4】上記発光ダイオードアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図5】上記発光ダイオードアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図6】上記発光ダイオードアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図7】上記発光ダイオードアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図8】上記発光ダイオードアレイの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図9】本発明を適用した第2の実施形態に係る端面発光型発光ダイオードアレイの構造を示す平面図である。
【図10】上記発光ダイオードアレイの発光部の平面拡大図である。
【図11】本発明を適用した第1の実施形態に係る発光ダイオードアレイの保護膜パターンを示す図である。
【図12】本発明を適用した第2の実施形態に係る発光ダイオードアレイの保護膜パターンを示す図である。
【図13】本発明を適用した第2の実施形態に係る端面発光型発光ダイオードアレイの構造を示す平面図である。
【図14】上記発光ダイオードアレイの発光部の平面拡大図である。
【図15】上記発光ダイオードアレイの多層反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。
【図16】従来の発光ダイオードアレイのヘッド構造を比較して示す図である。
【図17】従来の端面発光型発光ダイオードの構造を示す図である。
【図18】従来の端面発光型発光ダイオードの構造を示す図である。
【図19】従来の端面発光型発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図20】従来の端面方向からの光の出射の様子を示す模式図である。
【図21】従来のプリンタのドラムとヘッドの関係を示す構造図である。
【図22】従来の分布屈折率レンズに入射可能な発光ダイオードの出射光を説明するための図である。
【符号の説明】
100 発光ダイオードアレイチップ、110 発光部、110-1〜110-192 各発光部、120 電極配線、120-1〜120-192 各電極配線、130-1〜130-192 接続電極、110a 光出射端面、110b 光反射端面、200 GaAs基板、210 n型GaAsバッファ層、220-1 選択酸化層、220-2 非酸化層n型AlAs層、230 n型Αl0.4Ga0.6ΑSクラッド層、240 p型Αl0.15Ga0.85Αs活性層、250 p型Al0.4Ga0.6Αsクラッド層(上部クラッド層)、260 p型GaAsオーミック層、280 上部電極、340 多重反射膜
Claims (6)
- モノリシックに複数個、少なくとも一列配置してなる端面発光型発光ダイオード素子アレイ構造を有する半導体発光装置において、
前記発光ダイオード素子の積層構造が、少なくとも電流狭窄部と反射斜面を有しており、前記電流狭窄部の電流が通過する領域の少なくとも一部が、前記反射斜面と空間的に重なり合うように配置され、該反射斜面により反射された光を出射端面から取り出すようになっており、かつ前記反射斜面上に絶縁膜を介して、上部電極を形成した
ことを特徴とする半導体発光装置。 - モノリシックに複数個、少なくとも一列配置してなる端面発光型発光ダイオード素子アレイ構造を有する半導体発光装置において、
前記発光ダイオード素子の積層構造が、少なくとも、電流狭窄部、半導体多重反射膜及び反射斜面を有しており、前記電流狭窄部の電流が通過する領域の少なくとも一部が、前記反射斜面及び前記半導体多重反射膜と空間的に重なり合うように配置され、該反射斜面により反射された光を出射端面から取り出すようになっており、かつ前記反射斜面上に絶縁膜を介して、上部電極を形成した
ことを特徴とする半導体発光装置。 - 前記電流狭窄部は、電流が通過する領域を狭める電流狭窄構造であり、該電流狭窄構造により発光領域を所定の領域内に閉じこめて形成するようにしたことを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載の半導体発光装置。
- 前記反射斜面は、順テーパー形状であることを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載の半導体発光装置。
- 前記半導体多重反射膜は、屈折率の異なる半導体多層膜からなる多重反射層であることを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載の半導体発光装置。
- 前記屈折率の異なる半導体層は、発光層である活性層のバンドギャップよりも大きな半導体層からなり、各々の膜厚を、発光波長に対する光学的膜厚n(屈折率)×d(膜厚)が1/4波長になる膜厚に設定したことを特徴とする請求項5記載の半導体発光装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20137297A JP3654745B2 (ja) | 1997-07-28 | 1997-07-28 | 半導体発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20137297A JP3654745B2 (ja) | 1997-07-28 | 1997-07-28 | 半導体発光装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1146016A JPH1146016A (ja) | 1999-02-16 |
JP3654745B2 true JP3654745B2 (ja) | 2005-06-02 |
Family
ID=16439985
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20137297A Expired - Fee Related JP3654745B2 (ja) | 1997-07-28 | 1997-07-28 | 半導体発光装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3654745B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10062730B2 (en) | 2010-09-13 | 2018-08-28 | Epistar Corporation | Light-emitting structure |
US10490598B2 (en) | 2010-09-13 | 2019-11-26 | Epistar Corporation | Light-emitting structure having a plurality of light-emitting structure units |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001068729A (ja) * | 1999-08-30 | 2001-03-16 | Kyocera Corp | Ledアレイ |
JP6088132B2 (ja) * | 2011-12-05 | 2017-03-01 | 昭和電工株式会社 | 発光ダイオード及びその製造方法 |
CN114188462A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-15 | 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 | 显示装置及其制备方法 |
-
1997
- 1997-07-28 JP JP20137297A patent/JP3654745B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10062730B2 (en) | 2010-09-13 | 2018-08-28 | Epistar Corporation | Light-emitting structure |
US10490598B2 (en) | 2010-09-13 | 2019-11-26 | Epistar Corporation | Light-emitting structure having a plurality of light-emitting structure units |
US10950652B2 (en) | 2010-09-13 | 2021-03-16 | Epistar Corporation | Light-emitting structure having a plurality of light-emitting structure units |
US11594573B2 (en) | 2010-09-13 | 2023-02-28 | Epistar Corporation | Light-emitting structure having a plurality of light-emitting structure units |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH1146016A (ja) | 1999-02-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6597713B2 (en) | Apparatus with an optical functional device having a special wiring electrode and method for fabricating the same | |
JP3232152B2 (ja) | 発光ダイオードアレイ | |
TWI464985B (zh) | 表面發光雷射陣列,光學掃描裝置,及成像裝置 | |
US7688875B2 (en) | Vertical cavity surface emitting laser array and method for manufacturing, and image forming apparatus using vertical cavity surface emitting laser array | |
US6420735B2 (en) | Surface-emitting light-emitting diode | |
JP4255480B2 (ja) | 半導体複合装置、ledヘッド、及び画像形成装置 | |
JP5442940B2 (ja) | 面発光レーザアレイ、それを備えた光走査装置および画像形成装置 | |
JP5874227B2 (ja) | 面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 | |
JP3452982B2 (ja) | Ledプリントヘッド、およびledアレイチップ、ならびにそのledアレイチップの製造方法 | |
JP2869279B2 (ja) | 半導体レーザダイオード及びその製造方法並びに半導体レーザダイオードアレイ | |
KR20030007061A (ko) | 발광 다이오드 어레이 | |
JP4092570B2 (ja) | 光素子およびその製造方法、光モジュール、ならびに光モジュールの駆動方法 | |
JP5257604B2 (ja) | 発光装置 | |
JP4564755B2 (ja) | 集積化された能動的光デバイス及び光検出器 | |
JP5205034B2 (ja) | 面発光レーザダイオード | |
JP3654745B2 (ja) | 半導体発光装置 | |
KR19980087483A (ko) | 발광 다이오드 어레이 | |
JP5447719B2 (ja) | 面発光レーザアレイ、それを備えた光走査装置および画像形成装置 | |
JP2002111058A (ja) | 発光ダイオードおよび露光システム | |
JP3236401B2 (ja) | 光プリンター光源 | |
JP4304759B2 (ja) | 発光ダイオードアレイ装置 | |
JP4091279B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
JP2002374029A (ja) | マルチビーム半導体レーザ素子 | |
JP3093439B2 (ja) | 半導体発光装置 | |
JP3217124B2 (ja) | 半導体発光装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041126 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041207 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050118 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050301 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050301 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080311 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090311 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100311 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100311 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110311 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110311 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120311 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130311 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140311 Year of fee payment: 9 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |