JP4604468B2

JP4604468B2 - 発光素子アレイ

Info

Publication number: JP4604468B2
Application number: JP2003283430A
Authority: JP
Inventors: 誠治大野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005051134A

Description

本発明は、発光素子アレイおよびその製造方法、特に、マトリクス接続方式のＬＥＤアレイおよびその製造方法に関する。

光プリンタに用いられる光書込みヘッドは、発光ダイオード（ＬＥＤ）が１次元に配列されたＬＥＤアレイを備えている。

ＬＥＤは、通常、ｐｎ接合が深さ方向に界面をもっているために、高密度化すると、光出射面の大部分が電極で覆われてしまい、光の取出し効率が悪かった。また、メサエッチングまたは拡散による素子分離が必要であったために、さらに光取出し効率を低くしてしまっている。

このような問題を解決した、発光素子アレイが、特許文献１に開示されている。これによると、ｐｎ接合を横方向に作製した横方向のｐｎ接合を用いている。
特開２００１−２５７３７８号公報

上記特許文献１には、横方向のｐｎ接合を用いたＬＥＤを、多数個１次元状に配列したＬＥＤアレイを開示している。

ｐｎ接合は、ＬＥＤの配列方向に直交する方向に形成されており、１個の共通ｐ電極と、各ＬＥＤのｎ電極にそれぞれ接続された複数個のボンディングパッドとを有している。

ＬＥＤの数だけボンディングパッドが設けられるので、ボンディングパッドの数が多くなり、ＬＥＤアレイチップ面積が大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、横方向ｐｎ接合を用いた発光素子アレイであって、ボンディングパッドの数を少なくした発光素子アレイを提供することにある。

本発明の他の目的は、このような発光素子アレイを製造する方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、発光素子アレイであり、この発光素子アレイは、第１導電型の領域と、第１導電型とは逆導電型の第２導電型の領域とを有する発光ダイオードＮ個（Ｎは偶数）が、交互に極性を逆にして直列に接続されて１次元状に配列された発光ダイオード列と、第１導電型の領域が対向した接続点が交互に接続されたＭ本（Ｍは２の倍数）の共通配線と、前記共通配線が、それぞれ接続されるＭ個の第１のボンディングパッドと、第２導電型の領域が対向した接続点と、前記発光ダイオード列の両端の発光ダイオードの第２導電型の領域とが、それぞれ接続された少なくとも（Ｎ／２）＋１個の第２のボンディングパッドとを備え、前記第１のボンディングパッドのハイまたはローのレベルと、前記第２のボンディングパッドのローまたはハイのレベルとの組合わせにより、前記ｎ個の発光ダイオードが点灯するようにしている。

本発明の第２の態様は、発光素子アレイの製造方法である。

第１の製造方法は、第１導電型の領域と、第１導電型とは逆導電型の第２導電型の領域とを有する発光ダイオードが、交互に極性を逆にして直列に接続されて１次元状に配列された発光ダイオード列を有する発光素子アレイの製造方法であって、非導電性基板を準備する工程と、前記非導電性基板上に、第１導電型の半導体層を形成する工程と、発光素子を作る複数の部分を、１次元状に並ぶように残して、前記第１導電型の半導体層を除去する工程と、拡散マスクを形成し、複数の拡散窓を、前記第１導電型の半導体層が除去されていない部分の上に形成する工程と、前記拡散窓を経て、第１導電型とは逆導電型の第２導電型の不純物を、前記第１導電型の半導体層よりも深く拡散させて、第２導電型の半導体層を形成する工程と、前記第１導電型の半導体層上に第１の電極を形成し、および前記第２導電型の半導体層上に第２の電極を形成する工程と、全面に保護膜を形成する工程と、前記保護膜の前記第１および第２の電極上にスルーホールを開け、配線を形成する工程とを含む。

第２の製造方法は、第１導電型の領域と、第１導電型とは逆導電型の第２導電型の領域とを有する発光ダイオードが、交互に極性を逆にして直列に接続されて１次元状に配列された発光ダイオード列を有する発光素子アレイの製造方法であって、第１の面方位を有する非導電性基板を準備する工程と、前記非導電性基板を、メサエッチングして、第１の面方位を有する上部平坦部と、第１の面方位を有する下部平坦部と、第２の面方位を有する傾斜部とを、上部平坦部，傾斜部，下部平坦部，傾斜部の順に繰り返して１次元状に形成する工程と、前記上部と下部平坦部上、および前記傾斜部上に、両性不純物をドープした半導体層を設けることにより、前記上部平坦部上に第１の面方位に依存して第１導電型となる上部平坦層と、前記下部平坦部上に第１の面方位に依存して第１導電型となる下部平坦層と、前記傾斜部上に第２の面方位に依存して第２導電型となる傾斜層とを形成する工程と、前記上部平坦層上に第１導電型用の第１の電極を形成し、および前記下部平坦層および両側の前記傾斜層上に第２導電型用の第２の電極を形成する工程と、全面に保護膜を形成する工程と、前記保護膜の前記第１および第２の電極上にスルーホールを開け、配線を形成する工程とを含む。

本発明によれば、光取出し効率の良い横方向ｐｎ接合の発光ダイオードを、極性を交互に逆にして直列に接続して１次元状に配列した発光ダイオードを構成し、これをマトリックス配線により、すべての発光ダイオードを点灯できるように構成しているので、ボンディングパッドの数を少なくし、したがって発光ダイオードアレイチップの面積を小さくすることができる。

本発明に係るＬＥＤアレイの一部についての構造を図１に示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ−Ｘ線断面図である。図面を簡単にするため、２個のｐ型領域と３個のｎ型領域のみを示す。

非導電性基板１上に、ｐ型領域５とｎ型領域１１とが交互に接してＬＥＤアレイの配列方向（主走査方向）に形成され、それぞれの領域にｐ型電極７とｎ型電極８が設けられている。したがって、ｐｎ接合は交互に極性を逆にして直列に接続されて主走査方向に形成されている。ｐ型領域とｎ型領域の境界線は、拡散マスク４で覆われている。

ｐ型電極７は、配線１０を経て１個おきに２本の共通配線１２，１３に接続され、ｎ型電極８は配線１０を経て個別のボンディングパッド１４に接続される。

図１のＬＥＤアレイの等価回路を図２に示す。Ｎ個（Ｎは偶数）の発光ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，…が、交互に極性を逆にして直列に接続されて１次元状に配列され、発光ダイオード列を構成している。この例では、Ｎ＝１６の場合を示す。

奇数番目のダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５…は、アノードが右側にあり、偶数番目のダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６…は、アノードが左側にある。したがって、隣り合うダイオードは、アノードまたはカソードが対向していることがわかる。

発光ダイオード列の両端のダイオードＤ１，Ｄ１６を除くと、隣り合う２個のダイオードの対向するカソードの接続点を、対応する１個のボンディングパッドに共通に接続する。対向するカソードの接続点をＫ２，Ｋ３…とすると、各接続点は、ボンディングパッドＣ２〜Ｃ８にそれぞれ接続されている。

また、発光ダイオードＤ１，Ｄ１６のカソードが、ボンディングパッドＣ１，Ｃ９に接続されている。

カソードが接続されるボンディングパッドの総計は、９個であり、一般的には、発光ダイオードの数Ｎに対し、（Ｎ／２）＋１個である。

一方、隣り合う２個の発光ダイオードの対向するアノードの接続点は、２本の共通配線Ｗ１，Ｗ２に交互に接続される。対向するアノードの接続点をＡ１，Ａ２，Ａ３…とすると、奇数番目の接続点Ａ１，Ａ３，Ａ５…は、共通配線Ｗ１に接続され、偶数番目の接続点Ａ２，Ａ４，Ａ６…は、共通配線Ｗ２に接続されている。そして、共通配線Ｗ１，Ｗ２は、対応するボンディングパッドＢ１，Ｂ２にそれぞれ接続されている。

以上のような接続を、ボンディングパッドＢ１，Ｂ２のハイのレベルと、ボンディングパッドＣ１〜Ｃ９のローのレベルとの組合わせにより、発光ダイオードＤ１〜Ｄ１６を点灯できるという意味で、マトリクス方式の接続というものとする。

なお、図２のボンディングパッドＣ１，Ｃ２，Ｃ３…は、図１のボンディングパッド１４に相当し、図２の共通配線Ｗ１，Ｗ２は、図１の共通配線１２，１３に相当している。

また、ボンディングパッドＢ１，Ｂ２，ボンディングパッドＣ１〜Ｃ９は、１次元状に配置されている。

図２のマトリクス接続方式のＬＥＤアレイの点灯動作について説明する。まずボンディングパッドＢ１をハイレベル、ボンディングパッドＢ２をローレベルとし、ボンディングパッドＣ１〜Ｃ９をローレベルとすると、アノードが共通配線Ｗ１に接続されている発光ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ９，Ｄ１１…が点灯する。

次に、ボンディングパッドＢ２をハイレベル、ボンディングパッドＢ１をローレベルとし、ボンディングパッドＣ１〜Ｃ９をローレベルとすると、アノードが共通配線Ｗ２に接続されているダイオードＤ３，Ｄ４，Ｄ７，Ｄ８，Ｄ１１，Ｄ１２…が点灯する。

このようにマトリクス接続方式のＬＥＤアレイによれば、１６個のＬＥＤ全部を、２回に分けて点灯することができる。

前述した特許文献１に記載のＬＥＤアレイに比べて、ボンディングパッドの個数を低減でき、しかもすべてのボンディングパッドを、１次元状に配列できるので、ＬＥＤアレイチップのサイズを小さくできることがわかる。

このようなＬＥＤアレイチップを用いて、光書込みヘッドを構成する場合には、複数個のチップが１次元状に配列される。この場合、隣り合うチップのうちの一方のチップのボンディングパッドＣ１と他方のチップのボンディングパッドＣ９とは、外部配線で接続される。

以上の実施例では、アノード側の共通配線として２本の共通配線を用いた。共通配線の数は、これに限るものではなく、２の倍数のＭ本とすることができる。

図３は、アノード側の共通配線を４本にした例を示す。４本の共通配線を、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４で示す。アノード接続点は、順に共通配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４に接続される。すなわち、アノード接続点Ａ１，Ａ５は共通配線Ｗ１に接続され、アノード接続点Ａ２，Ａ６は共通配線Ｗ２に接続され、アノード接続点Ａ３，Ａ７は共通配線Ｗ３に接続され、接続点Ａ４，Ａ８は共通配線Ｗ４に接続されている。

これら共通配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４は、対応するボンディングパッドＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４にそれぞれ接続されている。

一方、ダイオードＤ１のカソードとカソード接続点Ｋ３とはボンディングパッドＣ１に接続され、カソード接続点Ｋ２とＫ４とはボンディングパッドＣ２に接続され、カソード接続点Ｋ５とＫ７とはボンディングパッドＣ３に接続され、カソード接続点Ｋ６とＫ８とはボンディングパッドＣ４に接続され、ダイオード１６のカソードはボンディングパッドＣ５に接続されている。

図３において、ボンディングパッドＢｉ（ｉ＝１，２，３，４）をハイとし、ボンディングパッドＣｊ（ｊ＝１，２，３，４，５）をローとしたときに点灯するダイオードを表１に示す。

表１から、ボンディングパッドＢｉのハイとボンディングパッドＣｊのローとの組合わせで、ダイオードを点灯することができることがわかる。

図３のＬＥＤアレイから、さらにボンディングパッドを１個減らした例を、図４に示す。ダイオード１６のカソードを、ボンディングパッドＣ１に接続することによって、図３のボンディングパッドＣ５を無くすことができる。ダイオード１６は、ボンディングパッドＢ４がハイ、ボンディングパッドＣ１がローのとき、点灯する。

以上の各実施例では、アノード接続点を共通配線に接続し、カソード接続点をボンディングパッドに接続したが、極性を変えて、カソード接続点を共通配線に接続し、アノード接続点をボンディングパッドに接続してもよい。この場合には、共通配線をローにし、ボンディングパッドＣをハイにすることにより、発光ダイオードを点灯させる。

以下、図１のＬＥＤアレイの製造方法を、図５に基づいて説明する。

まず、図５（Ａ）に示すように、非導電性ＧａＡｓ基板１を用意する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、非導電性ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２をＭＯＣＶＤで成長する。この半導体層２のＡｌ組成を調整することで、発光波長を調整することができる。

次に、図５（Ｃ）に示すように、発光素子を作る部分３だけを残してエッチングでｎ型ＡｌＧａＡｓ層２を除去する。

次に、図５（Ｄ）に示すように、拡散マスクとなるＳｉＮ₄ を成膜し、拡散窓をＲＩＥで形成する。拡散窓は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２が除去されていない部分の上に形成される。

次に、図５（Ｅ）に示すように、ｐ型ドーパントとしてＺｎを、拡散窓を経てｎ型ＡｌＧａＡｓ層２よりも深く拡散し、ｐ型領域５を形成する。このことにより、ｎ型領域１１が取り残され孤立する。

次に、図５（Ｆ）に示すように、ｎ型領域１１上に電極を設けるため、ｎ型領域上の拡散マスク４の一部をＲＩＥによって除去する。なお、本実施例では、拡散工程のあと、拡散マスク４を絶縁膜として転用しているが、拡散工程終了後に、拡散マスク４を全面的に除去し、改めて、ＳｉＯ₂ などの絶縁膜を形成してもよい。

次に、図５（Ｇ）に示すように、ｎ型用電極８（材料はＡｕＧｅ）およびｐ型用電極７（材料はＡｕＺｎ）をリフトオフによって形成し、４２０℃でアニールを行い、オーミック接触をとる。

次に、図５（Ｈ）に示すように、保護膜９を全面に形成する。

最後に、保護膜９にコンタクトホールを開け、配線１０、共通配線１２，１３、ボンディングパッド１４を形成し、ＬＥＤアレイチップを完成する。

以上の製造方法では、拡散によって横方向のｐｎ接合を作ったが、この方法に限られるものではない。例えば、特許文献１に記載の技術では、メサエッチングによって形成した面方位によって、成長する導電型を異ならせて、横方向にｐｎ接合を作っているが、この方法で、ｐ領域とｎ領域を主走査方向に交互に並べることによって同様の構造を得られる。断面図を図６に示す。

（３１１）Ａ面を有するＧａＡｓ基板２１をメサエッチングすることにより、（１００）Ａ面を有する傾斜部、（３１１）Ａ面を有する上部および下部の平坦部からなる段差を形成する。

傾斜部および平坦部上にＭＢＥ法によりＧａＡｓ層を成長させる。このとき、ＧａＡｓにＳｉをドープする。ＳｉがドープされたＧａＡｓ層の導電型は面方位に依存し、（３１１）Ａ面上でｐ型となり、（１００）Ａ面上でｎ型となる。ｎ型層を２２で、ｐ型層を２３で示す。ｐ型層は、図からもわかるように、ＧａＡｓ層２１の上部平坦部および下部平坦部上に形成される。

上部平坦部上のｐ型層上には、ｐ型用電極２４を形成し、下部平坦部上のｐ型層および両側のｎ型層２２にかけて、ｎ型用電極２５を形成する。

保護膜２７を全面に形成し、コンタクトホールを開けて、配線２６を形成する。

以上のような構造によれば、点線で囲む横方向のｐｎ接合が主走査方向に並んで形成されていることがわかる。

本発明に係るＬＥＤアレイの一部についての構造を示す図である。図１のＬＥＤアレイの等価回路図である。アノード側の共通配線を４本にした例を示す図である。図３のＬＥＤアレイから、さらにボンディングパッドを１個減らした例を示す図である。図１のＬＥＤアレイの製造方法を説明するための図である。他の製造方法によって製造した発光ダイオードアレイの断面図である。

符号の説明

１非導電性基板
５ｐ型領域
７ｐ型電極
８ｎ型電極
１０配線
１１ｎ型領域
１２，１３共通配線
１４ボンディングパッド
２１ＧａＡｓ基板
２２ｎ型層
２３ｐ型層
２４ｐ型用電極
２５ｎ型用電極

Claims

第１導電型の領域と、第１導電型とは逆導電型の第２導電型の領域とを有する発光ダイオードＮ個（Ｎは偶数）が、交互に極性を逆にして直列に接続し、当該第１導電型の領域と当該第２導電型の領域とが接続する部分にてｐｎ接合を形成することで、当該第１導電型の領域、当該ｐｎ接合および当該第２導電型の領域が１次元状に主走査方向に配列する発光ダイオード列と、
第１導電型の領域が対向した接続点が交互に接続された２本の共通配線と、
前記共通配線が、それぞれ接続される２個の第１のボンディングパッドと、
第２導電型の領域が対向した接続点と、前記発光ダイオード列の両端の発光ダイオードの第２導電型の領域とが、それぞれ接続された少なくとも（Ｎ／２）＋１個の第２のボンディングパッドとを備え、
前記第２のボンディングパッドは、前記第２導電型の領域に隣接して配され、前記発光ダイオード列に沿って１次元状に主走査方向に配列し、
２個の前記第１のボンディングパッドは、少なくとも（Ｎ／２）＋１個の前記第２のボンディングパッドを挟んで１個ずつ配され、当該第２のボンディングパッドと併せて１次元状に主走査方向に配列し、
前記第１のボンディングパッドのハイまたはローのレベルと、前記第２のボンディングパッドのローまたはハイのレベルとの組合わせにより、前記Ｎ個の発光ダイオードを２回に分けて点灯するようにした、発光素子アレイ。
前記第１導電型はｐ型であり、前記第２導電型はｎ型であり、
前記第１のボンディングパッドのハイのレベルと、前記第２のボンディングパッドのローのレベルとの組合わせにより、前記Ｎ個の発光ダイオードが点灯するようにした、請求項１に記載の発光素子アレイ。
前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型であり、
前記第１のボンディングパッドのローのレベルと、前記第２のボンディングパッドのハイのレベルとの組合わせにより、前記Ｎ個の発光ダイオードが点灯するようにした、請求項１に記載の発光素子アレイ。
前記ｐｎ接合は、第１導電型の領域のうち第２導電型の領域としたい箇所に対し、第２導電型の不純物を第１導電型の領域よりも深く拡散させることにより形成した、請求項１に記載の発光素子アレイ。