JP3854073B2 - Ｌｅｄアレイおよびｌｅｄヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＥＤアレイに関し、特にページプリンタ用感光ドラムの露光用光源などに用いられるＬＥＤアレイに関するものである。また、本発明のＬＥＤアレイを複数個一直線状に配列してなるＬＥＤヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＬＥＤアレイを図6〜図９により説明する。
２種類のＬＥＤアレイが提示されており、一方のＬＥＤアレイを図6と図7により、他方のＬＥＤアレイを図８と図９により説明する。
【０００３】
最初に、一方のＬＥＤアレイを述べると、図6はこのＬＥＤアレイの横断面図であり、図7はその平面図である。
【０００４】
１１は長尺状の半導体基板であり、この半導体基板１１の上に、各発光ダイオード毎に、一導電型半導体層１２と逆導電型半導体層１３とを順次積層し、逆導電型半導体層１３に個別電極１４を接続し、半導体基板１１の裏面には、複数の発光ダイオードに対する共通電極１５を形成している。１６は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【０００５】
このようなＬＥＤアレイでは、個別電極１４と共通電極１５との間に電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させている。
【０００６】
次に他方のＬＥＤアレイを図8と図9により述べる。
図8はこのＬＥＤアレイの横断面図であり、図9はその平面図である。
【０００７】
１１は長尺状の半導体基板であり、この半導体基板１１の上に、各発光ダイオードごとに、一導電型半導体層１２と逆導電型半導体層１３とを順次積層し、逆導電型半導体層１３に個別電極１４を接続して設けている。
【０００８】
一導電型半導体層１２は、逆導電型半導体層１３に比べ広く形成することで、その露出部分である延在部Ｒを配し、延在部Ｒの上に共通電極１５（１５ａ、１５ｂ）を接続して設けている。１６は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【０００９】
また、図９に示すように、共通電極１５（１５ａ、１５ｂ）は隣接する島状半導体層１２、１３（発光ダイオード）ごとに異なる群に属するように二群に分けて接続して設けられ、隣接する島状半導体層１２、１３が同じ個別電極１４に接続されている。
【００１０】
このような構成のＬＥＤアレイでは、個別電極１４と共通電極１５（１５ａ、１５ｂ）の組み合わせを選択して電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させることができる。
【００１１】
以上のような一方のＬＥＤアレイもしくは他方のＬＥＤアレイについては、双方とも一度に多数個製造している。
【００１２】
すなわち、多くのＬＥＤアレイを共通の半導体基板上にマトリックス状に配列形成し、そして、各ＬＥＤアレイをダイシング等の方法で、チップ状に切断し、その後、この切断した複数のチップを実装用基板に配列し、さらにワイヤーボンディングなどで外部回路と接続してＬＥＤヘッドとなしている。
【００１３】
このＬＥＤヘッドによれば、ＬＥＤアレイチップを実装した基板上に光学レンズを設置し、ＬＥＤヘッドとして組み立ててもよく、このＬＥＤヘッドではＬＥＤアレイによって発光した光を実装用基板上部の光学レンズによって集光させ、感光体ドラムへ結像される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境に対する意識の高まりから、感光体ドラムの交換が不要なアモルファスシリコン感光体ドラムの需要が高まっている。
【００１５】
このアモルファスシリコン感光体ドラムはＯＰＣドラムと比較して、短波長側に光感度のピークを有し、６８５ｎｍ程度の波長が適している。
【００１６】
しかしながら、前述したＬＥＤアレイの発光層をアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなる半導体層でもって構成した場合、６８５ｎｍ付近という短い波長において発光効率を上げることがむずかしいという課題がある。
【００１７】
この点を詳しく述べると、発光波長を短くするために発光層であるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ含有比率を大きくすると、これに伴って非発光成分が増加し、その結果、発光効率が低下している。
【００１８】
一般的に活性層はアルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ1-xＡｓ）のＡｌ含有比率ｘが０．２を超えると、間接遷移型の非発光再結合成分が増加し、さらにｘが０．４を超えると間接遷移型となり、Ａｌ組成の増加に対するバンドギャップ増加割合は直接遷移領域と比べ小さくなる。
【００１９】
通常、発光層にキャリアを閉じ込めるためにクラッド層を発光層よりバンドギャップの大きい物質を用いて形成する。発光波長が６８５ｎｍ付近の場合においては、クラッド層を必然的に間接遷移する必要があり、そのため、クラッド層のバンドギャップを大きくすべく、Ａｌ組成ｘを０．６以上にしている。
【００２０】
また、ＬＥＤアレイの発光層をＡｌＧａＡｓからなる半導体層でもって構成した場合、次のような課題もある。
【００２１】
半導体基板にがＧａＡｓ基板を使用した場合には、その上の成膜と同様な材質であることから、膜の結晶性を良好となすべく比較的高温の最適成膜温度を設定することができる。
【００２２】
ところが、半導体基板がシリコン基板であって、この基板上にＧａＡｓ膜やＡｌＧａＡｓ膜を成膜する場合、ＧａＡｓ基板上に成膜するのと比べ、１００℃程度低温にして成膜することで、膜と基板との双方間での熱膨張係数の違いによる膜の結晶性の欠陥を防止している。
【００２３】
しかしながら、ＧａＡｓにＡｌＡｓを効率よく混晶させるためには、シリコン基板上への最適成膜温度よりも、さらに高温にて成膜するとよく、そのために、シリコン基板上への最適成膜温度付近のような比較的低温では上記のようなＡｌ組成（ｘ）が０．６以上のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ層）を形成するがむずかしく、無理にＡｌＡｓを混晶させようとすると、結晶性が悪くなり、発光効率が低下し、駆動電圧が上昇していた。
【００２４】
さらにシリコン基板上にＧａＡｓやＡｌＧａＡｓを成膜させた場合には、成膜した膜と基板との熱膨張係数の違いに起因し、成膜した膜中には引っ張り応力を内在し、このような引っ張り応力でもって発光波長はバンドギャップが小さくなる方向、すなわち発光波長が長い方にシフトする。そのため、ＡｌＧａＡｓを発光層に用いた場合においては、シリコン基板上に成膜する場合とＧａＡｓ基板上に成膜する場合とを比較すると、同一波長を得るためにはシリコン基板上に成膜したものはＧａＡｓ基板上に成膜するものよりも、Ａｌ組成を上げる必要がある。したがって、さらに上述の影響がますます大きくなってしまい、発光効率が低下する、駆動電圧が上昇するなどの悪影響が大きくなる。
【００２５】
かくして、上述したような課題があることで、シリコン基板を用いて、アモルファスシリコン感光体ドラムに対応するような波長の高効率ＬＥＤアレイ（ＬＥＤヘッド）を作製することはむずかしいと言える。
【００２６】
参考までに本発明者はシリコン基板を用いた６８５ｎｍ発光波長のＬＥＤアレイについて、クラッド層のＡｌ組成と発光強度の関係を測定したところ、図１２に示すような結果が得られた。また、クラッド層のＡｌ組成と駆動電圧の関係を測定した結果を図１３に示す。
【００２７】
これらの測定結果は、６００ｄｐｉのＬＥＤプリンターに用いるＬＥＤアレイでもって評価をおこなっており、１０ｍＡでの発光強度、駆動電圧である。
【００２８】
図１２と図１３に示す結果から明らかなとおり、クラッド層のＡｌ組成比率を大きくすると発光強度は小さくなり、駆動電圧は大きくなることが分かる。これはシリコン基板上に成膜したことで、良質のＡｌＧａＡｓを成膜することが、特にＡｌ組成が高い場合には非常にむずかしいためである。
【００２９】
一方、ＬＥＤや半導体レーザーなどの半導体発光装置において、発光効率の改善、発光波長の短波長化を目的として、半導体量子井戸構造や半導体超格子構造が用いられている。
【００３０】
量子井戸構造の発光体は障壁効果を有する障壁層と、その障壁層に挟まれた井戸層とからなり、障壁層は井戸層よりバンドギャップの大きな材料から形成される。
【００３１】
このような量子井戸構造では、ポテンシャル井戸部の伝導帯および荷電子帯において、それぞれに量子準位が発生するが、この遷移エネルギーは井戸層の禁止帯幅より大きくなることで、量子井戸構造を発光層にもつＬＥＤや半導体レーザーなどの半導体発光装置においては、その井戸層の材料が本来有する波長よりも短い波長となる。
【００３２】
ちなみに、短波長という超格子量子井戸構造の特徴を半導体レーザーなどに生かした技術が提案されている（特開平１−８６５８４号参照）。
【００３３】
ところで、ＡｌＧａＡｓの超格子構造を用いたものは、赤色ＬＥＤの高輝度化、短波長化において一般的に用いられているが、これに使用する基板はＧａＡｓ基板である。
【００３４】
このＧａＡｓ基板を用いて、超格子構造などを成膜したり、あるいは赤色ＬＥＤや赤外ＬＥＤを作製し、これにより、格子定数の違いや熱膨張係数の相違という点の課題を解消し、高品質のＡｌＧａＡｓ層やＧａＡｓ層を成膜している。
【００３５】
しかしながら、シリコン基板上にＡｌＧａＡｓの超格子構造を形成する技術は、成膜した膜と基板との熱膨張係数の違いがあることで、発光波長が長い方にシフトし、上述した如く、発光効率が低下し、駆動電圧が上昇するなどの悪影響があることで、いまだ十分に検討されていない。
【００３６】
本発明者は叙上に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、シリコン基板上にＡｌＧａＡｓの超格子構造を形成することで、発光層のＡｌ組成が大きくなるほど非発光成分が増大し、発光効率が低下する傾向にあるにしても、超格子構造であることで量子効果を利用することで、発光層（超格子中の井戸層）にキャリアを効率よく閉じ込めることができ、発光波長は発光層の組成と膜厚によって制御できることで、かかる発光効率の低下を容易に阻止し補完させ、その結果、特に発光波長が短いときには発光効率を向上させることができることをわかった。
【００３７】
さらに具体的には、従来の技術においては、シリコン基板上にアモルファスシリコン感光体ドラムに対応するような波長の高効率ＬＥＤアレイ（ＬＥＤヘッド）を作製することは困難であるが、本発明者はシリコン基板上に超格子構造の発光層を形成し、これによって発光波長が短いときに発光効率を向上させる技術を開発すべく、鋭意研究を重ねてきた結果、発光層を成すＡｌＧａＡｓの原子組成比率を規定することで、シリコン基板上にアモルファスシリコン感光体ドラムに対応するような発光波長でもって高効率化が達成できることも見出した。
【００３８】
したがって、本発明は上記知見により完成されたものであり、その目的はシリコン基板を用いて、短波長側にて高い発光を得たＬＥＤアレイを提供することにある。
【００３９】
本発明の他の目的はシリコン基板を用いたＬＥＤアレイでもって、アモルファスシリコン感光体ドラムに適したＬＥＤヘッドを提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＬＥＤアレイは、シリコン基板上に、少なくともＧａＡｓからなるバッファ層及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、前記シリコン基板の裏面に他方電極を形成してなるＬＥＤアレイであって、前記逆導電型半導体層の発光層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＝０．０５〜０．３５、ｙ＝０．２５〜０．４５）からなる超格子構造にしたことを特徴とする。
【００４１】
本発明の他のＬＥＤアレイは、シリコン基板上に、少なくともＧａＡｓからなるバッファ層及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、一導電型半導体層の延在部の上に他方電極を形成してなるＬＥＤアレイであって、前記逆導電型半導体層の発光層をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＝０．０５〜０．３５、ｙ＝０．２５〜０．４５）からなる超格子構造にしたことを特徴とする。
【００４２】
また、本発明のＬＥＤヘッドは、これら各発明のＬＥＤアレイを複数個一直線状に配列してなることを特徴とする。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１と図２により本発明のＬＥＤアレイを、図３と図４により本発明の他のＬＥＤアレイを説明する。
【００４４】
（ＬＥＤアレイの構成）
まず、図１と図２に示すＬＥＤアレイを説明する。図１はその横断面図であり、図２はその平面図である。
【００４５】
１は長尺状のシリコン半導体基板であり、この半導体基板１の上に、各発光ダイオード毎に、一導電型半導体層２と逆導電型半導体層３とを順次積層し、逆導電型半導体層３に前記一方電極である個別電極４を接続し、半導体基板１の裏面には、複数の発光ダイオードに対する前記他方電極である共通電極５を形成している。６は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【００４６】
上記半導体基板１はシリコン（Ｓｉ）の単結晶半導体基板から成り、（１００）面を＜０１１＞方向に２〜７°オフさせた基板などが好適に用いられる。
【００４７】
一導電型半導体層２はバッファ層２ａと電子注入層２ｃで構成される。バッファ層２ａは２〜４μｍ程度の厚みに形成され、電子注入層２ｃは０．２〜２.０μｍ程度の厚みに形成される。
【００４８】
バッファ層２ａはガリウム砒素などで形成され、電子注入層２ｂはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ1-xＡｓ）などで形成される。
【００４９】
バッファ層２ａはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁷原子（ａｔｏｍｓ）／ｃｍ³ 程度含有し、電子注入層２ｂはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁹原子（ａｔｏｍｓ）／ｃｍ³程度含有する。また、電子注入層２ｃのＡｌの組成はｘ＝０．４〜０．７程度形成する。
【００５０】
逆導電型半導体層３は発光層３ａ、クラッド層３ｂおよびオーミックコンタクト層３ｃで構成される。
【００５１】
発光層３ａはＡｌxＧａ1-xＡｓ/ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる超格子構造である。
【００５２】
井戸層となるＡｌxＧａ1-xＡｓ層の組成はｘ＝０．０５〜０．３５にする。また、障壁層となるＡｌyＧａ1-yＡｓ層の組成はｙ＝０．２５〜０．４５にする。
【００５３】
井戸層となるＡｌxＧａ1-xＡｓ層の膜厚は２０〜１００Åの範囲にするとよく、障壁層となるＡｌyＧａ1-yＡｓ層の膜厚は、たとえば１００Å程度、さらには５０〜２００Åの範囲にするとよい。
【００５４】
井戸層および障壁層の双方とも、それぞれの層数は１〜１０層とするとよい。井戸層において、発光波長が６８５ｎｍ付近になるように設定するには、従来周知のとおりＡｌ組成のｘ値と膜厚を設定する。
【００５５】
この最適膜厚については、クローニッヒ・ペニーモデル等の量子力学理論から導かれるものである。井戸層については、そのＡｌ組成が決まると、必然的にその膜厚が決定される。
【００５６】
また、障壁層については、量子井戸効果が得られるようにトンネル効果が維持できる膜厚であればよく、５０〜２００Åの範囲にするとよく、たとえば１００Å程度にするとよい。
【００５７】
第２のクラッド層３ｂについてはガリウム砒素などから成り、０．２〜１μｍ程度の厚みに形成するとよい。
【００５８】
オーミックコンタクト層３ｃはガリウム砒素などから成り、０．０１〜０．１μｍ程度の厚みに形成するとよい。
【００５９】
第２のクラッド層３ｂは亜鉛（Ｚｎ）などの逆導電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有し、第２のオーミックコンタクト層３ｃは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を１×１０¹⁹〜１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有する。
【００６０】
第２のクラッド層３ｂは電子注入層２ｂと同じく、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ1-xＡｓ）などで形成される。このＡｌの組成はｘ＝０．４〜０．７程度で形成するとよい。なお、第２のクラッド層３ｂと電子注入層２ｂとの双方の間にて、Ａｌ組成を一致させなくてもよい。
【００６１】
絶縁膜６は窒化シリコンなどから成り、厚み３０００〜５０００Å程度に形成される。また、個別電極４と共通電極５は金／クロム（Ａｕ／ＡｕＧｅ／Ｃｒ）などから成り、厚み１μｍ程度に形成される。
【００６２】
本発明のＬＥＤヘッドは、図２に示すように、一導電型半導体層２と逆導電型半導体層３から成る島状半導体層２、３を基板１上に一列状に並べて、個別電極４を選択して電流を流すことによってページプリンタ用感光ドラムの露光用光源として用いられる。
【００６３】
（他のＬＥＤアレイの構成）
図３と図４に示すＬＥＤアレイを説明する。図３はその横断面図であり、図４はその平面図である。
【００６４】
１は長尺状のシリコン半導体基板であり、この半導体基板１の上に、各発光ダイオードごとに、一導電型半導体層２と逆導電型半導体層３とを順次積層し、逆導電型半導体層３に個別電極４を接続して設けている。
【００６５】
一導電型半導体層２は、逆導電型半導体層３に比べ広く形成することで、その露出部分である延在部Ｒを配し、延在部Ｒの上に共通電極５（５ａ、５ｂ）を接続して設けている。６は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【００６６】
また、図４に示すように、共通電極５（５ａ、５ｂ）は隣接する島状半導体層２、３（発光ダイオード）ごとに異なる群に属するように二群に分けて接続して設けられ、隣接する島状半導体層２、３が同じ個別電極４に接続されている。
【００６７】
このような構成のＬＥＤアレイでは、個別電極４と共通電極５（５ａ、５ｂ）の組み合わせを選択して電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させることができる。
【００６８】
基板１はシリコン（Ｓｉ）の単結晶半導体基板から成り、（１００）面を＜０１１＞方向に２〜７°オフさせた基板などが好適に用いられる。
【００６９】
一導電型半導体層２は、バッファ層２ａ、オーミックコンタクト層２ｂ、電子注入層２ｃで構成される。
【００７０】
バッファ層２ａは２〜４μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層２ｂは０．１〜１．０μｍ程度の厚みに形成され、電子注入層２ｃは０．２〜２.０μｍ程度の厚みに形成される。
【００７１】
バッファ層２ａとオーミックコンタクト層２ｂはガリウム砒素などで形成され、電子注入層２ｃはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ1-xＡｓ）などで形成される。
【００７２】
オーミックコンタクト層２ｂはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有し、電子注入層２ｃはシリコンなどの一導電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有する。
【００７３】
バッファ層２ａは基板１と半導体層との格子定数の不整合に基づくミスフィット転位を防止するために設けるものであり、半導体不純物を含有させても、含有させなくてもよい。また、電子注入層２ｃのＡｌの組成はｘ＝０．４〜０．７程度形成する。
【００７４】
逆導電型半導体層３は、発光層３ａ、クラッド層３ｂおよびオーミックコンタクト層３ｃで構成される。
【００７５】
発光層３ａはＡｌxＧａ1-xＡｓ/ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる超格子構造であって、井戸層となるＡｌxＧａ1-xＡｓ層の組成はｘ＝０．０５〜０．３５にして、また、障壁層となるＡｌyＧａ1-yＡｓ層の組成はｙ＝０．２５〜０．４５にする。
【００７６】
井戸層となるＡｌxＧａ1-xＡｓ層の膜厚は２５〜１００Åの範囲にするとよく、障壁層となるＡｌyＧａ1-yＡｓ層の膜厚は、たとえば１００Å程度、さらには５０〜２００Åの範囲にするとよく、そして、井戸層および障壁層の双方とも、それぞれの層数は1〜１０層とするとよい。
【００７７】
井戸層において、発光波長が６８５ｎｍ付近になるように設定するには、周知のとおりＡｌ組成のｘ値と膜厚を設定する。この最適膜厚については、クローニッヒ・ペニーモデル等の量子力学理論から導かれるものである。
【００７８】
また、障壁層については、量子井戸効果が得られるようにトンネル効果を維持できる膜厚であればよく、５０〜１００Åの範囲にするとよく、たとえば１００Å程度にするとよい。
【００７９】
また、第２のクラッド層３ｂは０．２〜１μｍ程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層３ｃは０．０１〜０．１μｍ程度の厚みに形成される。第２オーミックコンタクト層３ｃはガリウム砒素などから成る。
【００８０】
第２のクラッド層３ｂは亜鉛（Ｚｎ）などの逆導電型半導体不純物を１×１０¹⁶〜１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有し、第２のオーミックコンタクト層３ｃは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を１×１０¹⁹〜１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 程度含有する。
【００８１】
第２のクラッド層３ｂは電子注入層２ｂと同じく、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ1-xＡｓ）などで形成される。第２のクラッド層３ｂのＡｌの組成はｘ＝０．４〜０．７程度で形成する。
【００８２】
絶縁膜６ａ、６ｂは窒化シリコンなどから成り、厚み３０００〜５０００Å程度に形成される。また、個別電極４と共通電極５は金／クロム（Ａｕ／ＡｕＧｅ／Ｃｒ）などから成り、厚み１μｍ程度に形成される。
【００８３】
かかる構成のＬＥＤアレイによれば、図４に示すように、一導電型半導体層２と逆導電型半導体層３から成る島状半導体層２、３を基板１上に一列状に並べて、隣接する島状半導体層２、３毎に同じ個別電極４に接続し、同じ個別電極４に接続された下の一導電型半導体層２が異なる共通電極５に接続されるように二群に分けて接続される。個別電極４と共通電極５を選択して電流を流すことによってページプリンタ用感光ドラムの露光用光源として用いられる。
【００８４】
このように共通電極５を２群に分けることで共通電極のパット数を半減し、これにより、ＬＥＤアレイチップの実装におけるワイヤーボンディング数を削減している。本実施例においては、２群に分けているが、分割数は２に限ったものではなく、３以上の多数に分割してもよい。この構成においても個別電極と分割された共通電極を選択して、個々の発光体が独立して発光するようにする。
【００８５】
（ＬＥＤアレイの製造方法）
次に、上述のようなＬＥＤアレイの製造方法を説明する。
【００８６】
まず、単結晶基板１上に一導電型半導体層２、逆導電型半導体層３をＭＯＣＶＤ法などで順次積層して形成する。
【００８７】
これらの半導体層２、３を形成する場合、基板温度を４００〜５００℃に設定して２００〜２０００Åの厚みにアモルファス状のガリウム砒素膜を形成した後、基板温度を７００〜９００℃に上げて所望厚みの半導体層２、３を形成する。
【００８８】
この場合、原料ガスとしてはＴＭＧ（（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ）、ＴＥＧ（（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ｇａ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）、ＴＭＡ（（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ）、ＴＥＡ（（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₃ Ａｌ）などが用いられ、導電型を制御するためのガスとしては、シラン（ＳｉＨ₄ ）、セレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）、ＴＭＺ（（ＣＨ₃ ）₃ Ｚｎ）などが用いられ、キャリアガスとしてはＨ₂などが用いられる。
【００８９】
次に、隣接する素子同志が電気的に分離されるように、半導体層２、３が島状にパターニングされる。このエッチングは、硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウエットエッチングやＣＣｌ₂ Ｆ₂ ガスを用いたドライエッチングなどで行われる。
【００９０】
その後、図３および図４に示すＬＥＤアレイにおいては、一導電型半導体層２の一端部側の一部を露出させるべくエッチングする。このエッチングも硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウェットエッチングやＣＣｌ₂ Ｆ₂ ガスを用いたドライエッチングなどで行なわれる。
【００９１】
次に、プラズマＣＶＤ法で、シランガス（ＳｉＨ₄ ）とアンモニアガス（ＮＨ₃ ）を用いて窒化シリコンから成る絶縁膜を形成してパターニングする。そして、クロムと金を蒸着法やスパッタリング法で形成してパターニングする。
【００９２】
かくして本発明のＬＥＤアレイによれば、発光層３ａをＡｌxＧａ1-xＡｓ/ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＝０．０５〜０．３、ｙ＝０．１５〜０．４)からなる超格子構造にしたことで、６８５ｎｍ付近の短波長側にて高い発光を得ることができ、特にアモルファスシリコン感光体ドラムに適したＬＥＤヘッドが得られた。
【００９３】
このように発光効率が向上する点については、ダブルヘテロ構造を用いた場合、波長は発光層のバンドギャップに起因しているので発光波長を短くするためには、発光層のＡｌ組成を大きくする必要があるが、シリコン基板上では前述したとおり成膜内に生じる応力に起因して、さらにＡｌ組成を上げなくてはならない。しかしながら、上記構成のような超格子構造にしたことで、発光波長は発光層の組成と膜厚によって制御でき、そのためにＡｌ組成を大きくする必要がなく、その結果、Ａｌ組成の比率を高めたことに起因する発光強度の低下がなくなった。
【００９４】
（ＬＥＤヘッド）
次に本発明のＬＥＤヘッドを述べる。
このＬＥＤヘッドは、本発明のＬＥＤアレイを複数個一直線状に配列したものであり、その構成は従来周知のとおりである。
【００９５】
そして、６８５ｎｍ付近の短波長側にて高い発光を得ることができたことで、特にアモルファスシリコン感光体ドラムに適したＬＥＤヘッドに適している。
【００９６】
本発明者は、７００ｎｍ以下、好適には６９０ｎｍ以下の発光波長のＬＥＤヘッドに有用であると考える。
【００９７】
【実施例】
次に本発明者は図１と図２に示す構成のＬＥＤアレイを上述した製法でもって作製した。
【００９８】
一導電型半導体層２のバッファ層２ａ、電子の注入層２ｃについては以下のとおりである。
【００９９】
バッファ層２ａは２μｍの厚みのガリウム砒素層にて、電子注入層２ｃは０．７μｍの厚みのアルミニウムガリウム砒素層（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ）で形成した。これらバッファ層２ａおよび電子の注入層２ｃについては、双方ともシリコンを一導電型半導体不純物として含有させた。
【０１００】
逆導電型半導体層３については、その発光層３ａの井戸層はＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓであり、３０Åの厚みにした。さらに障壁層はＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓであり、その厚みを１００Åにした。いずれもノンドープとした。
【０１０１】
クラッド層３ｂは０．４μｍの厚みでもってアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ）にて構成し、オーミックコンタクト層３ｃは０．０１μｍの厚みでもってガリウム砒素にて形成した。
【０１０２】
第２のクラッド層３ｂとオーミックコンタクト層３ｃは、双方とも亜鉛（Ｚｎ）を逆導電型半導体不純物として含有させた。
かくして得られたＬＥＤアレイを実施例１とする。
【０１０３】
また、前記発光層３ａの構成を変え、その他の構成はまったく同一にした実施例２を作製した。
【０１０４】
すなわち、この発光層３ａは井戸層はＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓであり、４０Åの厚みにした。さらに障壁層はＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓであり、その厚みを１００Åにした。いずれもノンドープとした。
【０１０５】
そして、これら実施例１，２を６００ｄｐｉのＬＥＤプリンター用のＬＥＤアレイに構成した。
【０１０６】
このＬＥＤアレイによれば、約２０×２０μｍの発光ダイオードをピッチ４２．３μｍにて配列しており、発光体１２８個でもって１ＬＥＤアレイチップとしている。
【０１０７】
そして、これらのＬＥＤをそれぞれ単独に発光させ、これらの平均値をもって特性の評価を行った。
【０１０８】
これら実施例１、２における発光強度を測定したところ、図５に示すような結果が得られた。
【０１０９】
比較例として図６と図７に示すＬＥＤアレイと図８と図９に示すＬＥＤアレイにおいて、双方とも発光層以外は同一構成にして求めた。この比較例は図５において超格子なしと表示する。なお、両者のＬＥＤアレイとも同じ特性である。
【０１１０】
同図の横軸はＬＥＤに流れる電流であり、縦軸は発光強度である。
【０１１１】
この結果から明らかなとおり、実施例１、２のＬＥＤアレイは比較例に比べて著しく大きな発光強度が得られた。
【０１１２】
ちなみに、実施例１の発光波長は６８０ｎｍであり、実施例２の発光波長は６８９ｎｍである。また、従来では６８５ｎｍである。
【０１１３】
次に本発明者は、実施例１のＬＥＤアレイにおいて、その発光層の井戸層におけるＡｌ組成比率と発光強度の関係を測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。
【０１１４】
この発光強度は、６００ｄｐｉのＬＥＤアレイを作成し、評価を行ったもので、電流を１０ｍＡ流した場合の発光強度である。
【０１１５】
障壁層のＡｌ組成比率を０．４、膜厚を１００Åに設定し、そして、井戸層のＡｌ組成比率に応じて膜厚を変化させて、波長が６８０ｎｍ〜６９０ｎｍの範囲内に収まるようにした。
【０１１６】
同図から明らかなとおり、井戸層のＡｌ組成比率が０．０５〜０．３５、好適には０．１５〜０．２５にすると、発光強度が顕著に大きくなっている。
【０１１７】
本発明者は、この点について、シリコン基板上へ成膜しているが故に、クラッド層のＡｌ組成を大きくすることができず、発光層のＡｌ組成を０．３５を超えるにまで大きくすると発光効率が低下していると考える。
【０１１８】
また、Ａｌ組成比率が０．０５未満にまで小さくなると、波長を６８５ｎｍにするために膜厚を数十Å程度までに薄くする必要があり、そのために、超格子構造の十分に形成されず、その結果、発光強度が小さくなっていると考える。
【０１１９】
本発明者は実施例２において、その発光層の井戸層におけるＡｌ組成比率と発光強度の関係を測定したところ、図１０に示す結果が同じような結果が得られたことを繰り返しおこなった実験により確認した。
【０１２０】
次に本発明者は、実施例１のＬＥＤアレイにおいて、その発光層の障壁層におけるＡｌ組成比率と発光強度の関係を測定したところ、図１１に示すような結果が得られた。
【０１２１】
この発光強度は６００ｄｐｉのＬＥＤアレイを作成し、評価を行ったもので、電流を１０ｍＡ流した場合の発光強度である。
【０１２２】
井戸層のＡｌ組成比率を０．１５に、障壁層の膜厚を１００Åに設定し、そして、障壁層のＡｌ組成比率に応じて膜厚を変化させて、波長が６８０ｎｍ〜６９０ｎｍの範囲内になるように設計した。
【０１２３】
図１１に示す結果から明らかなとおり、障壁層のＡｌ組成比率は井戸層のＡｌ組成より大きくして、さらに０．２５〜０．４５、好適には０．３０〜０．４０にするとよい。
【０１２４】
障壁層のＡｌ組成比率を井戸層のＡｌ組成より大きくする点については、井戸層へ閉じ込めなくてはならないので、障壁層のバンドギャップは井戸層より大きくしている。
【０１２５】
このようにＡｌ組成比率の上限が規定されるのは、障壁層のＡｌ組成比率を０．４５を超えると、前述した如くシリコン基板上へ成膜していることに起因する悪影響が顕著になり、発光強度が低下する。
【０１２６】
さらに続けて、本発明者はシリコン基板上とＧａＡｓ基板上の双方に対し、発光層としてＡｌxＧａ1-xＡｓ/ＡｌyＧａ1-yＡｓからなる超格子構造を設けたＬＥＤアレイにおいて、双方間での優劣を検討したところ、表１４に示すような結果が得られた。
【０１２７】
シリコン基板を用いたＬＥＤアレイは実施例１、２であり、これに対するＧａＡｓ基板を用いたＬＥＤアレイにおいては、その基板を変えただけであり、その他の構成は実施例１、２と同じである。なお、実施例１と実施例２との間では、実質上同じ結果が得られている。
【０１２８】
発光強度を測定して評価をおこなったが、それには６００ｄｐｉのＬＥＤアレイを作成し、電流を１０ｍＡ流している。
【０１２９】
そして、同図は井戸層のＡｌ組成比率と、その膜厚との関係を測定し、それらの好適な範囲を規定する実験データである。
【０１３０】
すなわち、図１０に示す如く、井戸層のＡｌ組成比率が０．２０を超えると、発光強度が低下する傾向にあるが、０．２０以下の範囲内であれば、０．１０、０．１５、０．２０と増大するにしたがって、発光強度が大きくなる。この組成比率範囲内にて、それらの最適な膜厚を求めている。
【０１３１】
この結果から明らかなとおり、シリコン基板上に成膜をすると、ＧａＡｓ基板上に成膜したものと比べて、井戸層の膜厚を小さくすればよいことがわかる。
【０１３２】
本発明者が繰り返しおこなった実験によれば、井戸層の膜厚を薄くするにしても、２５Å未満になると膜厚制御がむずかしくなり、再現性が乏しくなることがわかった。よって、２５Å以上の膜厚に設定するとよい。
【０１３３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のＬＥＤアレイによれば、シリコン基板上に一導電型半導体層と逆導電型半導体層と一方電極とを順次積層してなる島状半導体層を複数個配列し、逆導電型半導体層の発光層をＡｌxＧａ1-xＡｓ/ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＝０．０５〜０．３５、ｙ＝０．１５〜０．４)からなる超格子構造にしたことで、７００ｎｍ以下の付近の短波長側にて高い発光を得ることができ、特にアモルファスシリコン感光体ドラムに適したＬＥＤヘッドが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＬＥＤアレイの概略断面図である。
【図２】本発明のＬＥＤアレイの概略平面図である。
【図３】本発明の他のＬＥＤアレイの概略断面図である。
【図４】本発明の他のＬＥＤアレイの概略平面図である。
【図５】ＬＥＤアレイにおける電流値と発光強度との関係を示す線図である。
【図６】従来のＬＥＤアレイの概略断面図である。
【図７】従来のＬＥＤアレイの概略平面図である。
【図８】従来の他のＬＥＤアレイの概略断面図である。
【図９】従来の他のＬＥＤアレイの概略平面図である。
【図１０】本発明のＬＥＤアレイに係る発光層の井戸層のＡｌ組成比率と発光強度との関係を示す線図である。
【図１１】本発明のＬＥＤアレイに係る発光層の障壁層のＡｌ組成比率と発光強度との関係を示す線図である。
【図１２】従来のＬＥＤアレイに係るクラッド層のＡｌ組成比率と発光強度との関係を示す線図である。
【図１３】従来のＬＥＤアレイに係るクラッド層のＡｌ組成比率と駆動電圧との関係を示す線図である。
【図１４】ＬＥＤアレイに係る発光層の井戸層のＡｌ組成比率と膜厚との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１…シリコン半導体基板
２…一導電型半導体層
２ａ…バッファ層
２ｂ…電子注入層
２ｃ…電子注入層
３…逆導電型半導体層
３ａ…発光層
３ｂ…クラッド層
３ｃ…オーミックコンタクト層
４…個別電極
５…共通電極
６…絶縁膜

Claims (3)

1. シリコン基板上に、少なくともＧａＡｓからなるバッファ層及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、前記シリコン基板の裏面に他方電極を形成してなるＬＥＤアレイであって、
   前記逆導電型半導体層の発光層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＝０．０５〜０．３５、ｙ＝０．２５〜０．４５）からなる超格子構造にしたことを特徴とするＬＥＤアレイ。
2. シリコン基板上に、少なくともＧａＡｓからなるバッファ層及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４〜０．７）からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、一導電型半導体層の延在部の上に他方電極を形成してなるＬＥＤアレイであって、
   前記逆導電型半導体層の発光層をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＝０．０５〜０．３５、ｙ＝０．２５〜０．４５）からなる超格子構造にしたことを特徴とするＬＥＤアレイ。
3. 請求項１または請求項２のＬＥＤアレイを複数個一直線状に配列してなるＬＥＤヘッド。

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