JP3975613B2

JP3975613B2 - 端面発光サイリスタおよび自己走査型発光装置

Info

Publication number: JP3975613B2
Application number: JP16045899A
Authority: JP
Inventors: 高志田上; 幸久楠田; 誠治大野; 信幸駒場
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: JP2000349332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、端面発光サイリスタの外部発光効率を高めるための構造、およびこのような端面発光サイリスタを用いた自己走査型発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイの高精細化，放出光の指向性によるレンズとの結合効率を向上するために端面発光ＬＥＤアレイが知られている。端面発光ＬＥＤの基本構造は、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥｌｅｃｔｏｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−２６，１２３０（１９７９）などで知られている。
【０００３】
しかし、ＬＥＤアレイを駆動するためには、１つ１つのＬＥＤをワイヤボンディングなどにより駆動ＩＣと接続するため、高精細化，コンパクト化，低コスト化が困難であった。
【０００４】
この問題に対して、本発明者らは、駆動回路と発光素子アレイを一体化したＰＮＰＮ構造を持つ自己走査型端面発光素子アレイを既に特許出願している（特開平９−８５９８５号公報参照）。
【０００５】
この特開平９−８５９８５号公報に記載の端面発光素子に用いられる端面発光サイリスタを図１に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ断面図を示す。
【０００６】
この端面発光サイリスタは、図１（ｂ）に示すように、Ｎ形半導体基板１０上に形成されたＮ形半導体層１２，Ｐ形半導体層１４，Ｎ形半導体層１６，Ｐ形半導体層１８と、Ｐ形半導体層１８にオーミック接触するように形成されたアノード電極２０とを備えている。この構造上には、図示しないが全体に絶縁被膜（光を透過する絶縁材料よりなる）が設けられ、Ａｌ配線（図示せず）が設けられている。絶縁被膜には、電極とＡｌ配線とを電気的に接続するためのコンタクトホール（図示せず）が開けられている。また、Ｎ形半導体基板１０の裏面には、カソード電極（図示せず）が設けられている。
【０００７】
このような端面発光サイリスタでは、ゲート層１４，１６の端面から光が出射する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の端面発光サイリスタでは、アノード電極からの注入電流が図１（ｂ）に矢印で示すように、端面から離れた箇所にも流れるため、端面から離れた箇所での発光を取り出し難く、端面からの外部発光効率が良くない。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、外部発光効率を向上させた端面発光サイリスタを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、このような端面発光サイリスタを用いた自己走査型発光装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、発光層に電流を注入する電極をアノード層上に有する端面発光サイリスタにおいて、前記電極の一部の下に、端面近傍に電流が流れるように絶縁膜を設け、外部発光効率を高めたことを特徴とする。
【００１２】
前記絶縁膜は、端面より離れた側の電極部分の下に設けるか、あるいは、絶縁膜は、端面に接した部分に開口を有し、この開口に対応する電極部分以外の電極部分の下に設ける。
【００１４】
本発明の第２の態様は、さらには、上記のような構成の端面発光サイリスタを用いた自己走査型発光装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を端面発光サイリスタについて説明するが、本発明は、端面発光サイリスタのみならず、端面発光ダイオードをも含む端面発光素子に一般に適用できるものである。
【００１６】
図２（ａ），（ｂ）は、本発明の端面発光サイリスタの第１の実施例の平面図およびＸ−Ｙ断面図を示す。
【００１７】
この端面発光サイリスタは、Ｎ形基板１０上にＮＰＮＰ構造１２，１４，１６，１８を積層し、アノード層１８上に絶縁膜１９とアノード電極２０を形成した構造を示している。
【００１８】
端面発光サイリスタの外部発光効率を向上するためには、アノード電極２０は端面近傍だけでアノード層１８と接続されることが望ましく、このために、絶縁膜１９を端面から離れた位置に設置している。ここで、外部発光効率の向上には、アノード層１８に接続される電流の大きさが重要である。アノード層に対するアノード電極２０の接続面積が小さいほど、アノード電極から流れる電流の分布が狭められて、発光部の電流分布を端面近傍に集中できるので外部発光効率が向上する。例えば、図２（ａ）に示すように、アノード層と接続する電極部分の長さをＬ，幅をＷとした場合、Ｌ＝５μｍ，Ｗ＝１０μｍ（ケース１）と、Ｌ＝１０μｍ，Ｗ＝１０μｍ（ケース２）とを比較すると、ケース１の場合がケース２の場合に比べて発光量を５０％増加できた。
【００１９】
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の端面発光サイリスタの第２の実施例の平面図，Ｘ−Ｙ断面図を示す。この実施例は、さらに幅方向も電流分布を狭めることができるようにしたものである。すなわち、絶縁膜３０は、端面部分で開口（幅Ｗ_O，長さＬ_O）３２が設けられており、この開口を経て、アノード電極２０の一部がアノード層１８に接続する。したがって接続する電極部分の面積幅（Ｗ_O×Ｌ_O）を選択することができる。このような構造によれば、絶縁膜の開口の幅Ｗ_Oは電極の幅よりも小さくできるので、接続する電極面積を大幅に小さくでき、電流密度の増加により外部発光効率が向上する。
【００２０】
以上の第１および第２の実施例は、ともにＮ形半導体基板上に、ＮＰＮＰの順序で半導体層を積層したが、Ｐ形半導体基板上に、ＰＮＰＮの順序で半導体層を積層した構造にも、本発明を適用できることはもちろんである。この場合には、最上層のＮ形半導体層上に設けられる電極はカソード電極、Ｐ形半導体基板の裏面に設けられる電極は、アノード電極となる。
【００２１】
また、以上の実施例では、半導体基板の直上に、半導体基板と同一導電形の半導体層を積層しているが、これは以下の理由による。すなわち、一般に、半導体基板表面に直接ＰＮ（あるいはＮＰ）接合を形成すると、その形成した半導体層の結晶性の悪さから、デバイスとしての特性が劣化する傾向がある。つまり、基板表面に結晶層をエピタキシャル成長する場合、基板表面近傍層の結晶性が、結晶層がある一定以上に成長した後の結晶性と比べて、悪くなっているためである。このため、半導体基板と同一の半導体層を一旦形成してから、ＰＮ（あるいはＮＰ）接合を形成すると、上述した問題は解決できるからである。したがって、この半導体層を介することが好ましい。
【００２２】
以上のような端面発光サイリスタを適用できる自己走査型発光装置の３つの基本構造について説明する。
【００２３】
図４は、自己走査型発光装置の第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Ｒ_Lを介して電源電圧Ｖ_GK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Ｒ_I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。
【００２４】
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Ｖ_GKを仮に５ボルトとすると、負荷抵抗Ｒ_L、相互作用抵抗Ｒ_I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。
【００２５】
Ｖ_G0＜Ｖ_G1＝Ｖ_G-1＜Ｖ_G2＝Ｖ_G-2 （１）
これらの電圧の差は、負荷抵抗Ｒ_L，相互作用抵抗Ｒ_I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。
【００２６】
３端子サイリスタのアノード側のターンオン電圧Ｖ_ONは、ゲート電圧より拡散電位Ｖ_difだけ高い電圧となることが知られている。
【００２７】
Ｖ_ON≒Ｖ_G＋Ｖ_dif （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Ｖ_ON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。
【００２８】
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Ｖ_H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Ｖ_H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。
【００２９】
Ｖ_G-2＋Ｖ_dif＞Ｖ_H＞Ｖ_G+1＋Ｖ_dif （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。
【００３０】
このように、自己走査型発光装置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、自己走査型端面発光素子アレイを実現することができる。
【００３１】
図５は、自己走査型発光装置の第２の基本構造の等価回路図である。この自己走査型発光装置は、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。Ｒ_L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Ｖ_GK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。
【００３２】
動作を説明する。まず転送クロックφ₂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Ｖ_GKを仮に５ボルトとすると、抵抗Ｒ_L，ダイオードＤ_-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。
【００３３】
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Ｇ₁はＧ₀に対し、ダイオードの順方向立ち上がり電圧Ｖ_difだけ高い電圧に設定され、ゲート電極Ｇ₂はＧ₁に対し、さらにダイオードの順方向立ち上がり電圧Ｖ_dif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Ｖ_GKと同電位となる。
【００３４】
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Ｇ₁のゲート電圧＋Ｖ_difであるが、これはＶ_dif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、Ｖ_difの約４倍である。Ｔ（−１）とＴ（−３）のオン電圧は、約Ｖ_GK＋Ｖ_difとなる。
【００３５】
以上から、転送クロックパルスのハイレベル電圧をＶ_difの約２倍からＶ_dif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。
【００３６】
図６は、自己走査型発光装置の第３の基本構造の等価回路図である。この自己走査型端面発光素子アレイは、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〜Ｇ₁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Ｓ_inが加えられている。
【００３７】
以下に、この自己走査型発光装置の動作を説明する。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、Ｖ_GK（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Ｓ_in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。
【００３８】
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Ｇ₁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Ｓ_in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Ｓ_in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。
【００３９】
発光強度は書き込み信号Ｓ_in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Ｓ_in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。
【００４０】
このように本発明の端面発光サイリスタを用いて構成した自己走査型発光装置は、光プリントヘッドなどに応用可能である。光プリントヘッドに用いた場合、各発光素子の外部発光効率が向上しているので、高品質の印字を実現することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、電流注入電極が端面近傍だけでアノード層と接続するように、電極の一部の下に絶縁膜を設置している。これにより、端面から離れた箇所では電流が流れにくいので発光を抑制でき、一方、端面近傍では電流が流れ易いので、発光を端面近傍に限定できる。端面近傍の発光は容易に取り出せるので、外部発光効率を向上できる。
【００４２】
また本発明によれば、端面発光素子をアレイ化し自己走査機能も加えることにより、外部発光効率を高めた自己走査型発光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の端面発光サイリスタの構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例の端面発光サイリスタの構造を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例の端面発光サイリスタの構造を示す図である。
【図４】自己走査型発光装置の第１の基本構造の等価回路図である。
【図５】自己走査型発光装置の第２の基本構造の等価回路図である。
【図６】自己走査型発光装置の第３の基本構造の等価回路図である。
【符号の説明】
１０Ｎ形半導体基板
１２Ｎ形半導体層
１４Ｐ形半導体層
１６Ｎ形半導体層
１８Ｐ形半導体層
１９絶縁膜
２０アノード電極
２２Ａｌ配線
２４コンタクトホール
３０絶縁膜
３２開口

Claims

発光層に電流を注入する電極をアノード層上に有する端面発光サイリスタにおいて、
光を射出する端面より離れた側の電極部分の下に、端面近傍に電流が流れるように絶縁膜を設け、外部発光効率を高めたことを特徴とする端面発光サイリスタ。
前記絶縁膜は、端面に接した部分に開口を有し、この開口に対応する電極部分以外の電極部分の下に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の端面発光サイリスタ。
しきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個配列し、各発光素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも１つの発光素子の制御電極に、電気抵抗または電気的に一方向性を有する電気素子を介して接続し、各発光素子の発光を制御する電極に、外部から電圧あるいは電流を印加する複数本の配線のうちの１本の配線を接続させた自己走査型発光装置において、
前記発光素子は、請求項１または２に記載されている端面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装置。
スイッチング動作のためのしきい電圧またはしきい電流の制御電極を有するスイッチ素子を複数個配列し、各スイッチ素子の前記制御電極をその近傍に位置する少なくとも１つのスイッチ素子の制御電極に、電気抵抗または電気的に一方向性を有する電気素子を介して接続するとともに、各スイッチ素子に電源ラインを電気的手段を用いて接続し、かつ各スイッチ素子にクロックラインを接続して形成した自己走査スイッチ素子アレイと、
しきい電圧またはしきい電流の制御電極を有する発光素子を複数個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各制御電極を前記スイッチ素子の制御電極と電気的手段にて接続し、各発光素子に発光のための電流を印加するラインを設けた自己走査型発光装置において、
前記発光素子は、請求項１または２に記載されている端面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装置。