JP6972913B2

JP6972913B2 - 半導体装置、光プリントヘッド、及び画像形成装置

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Publication number: JP6972913B2
Application number: JP2017205892A
Authority: JP
Inventors: 伸哉十文字; 琢磨石川; 兼一谷川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: JP2019079939A

Description

本発明は、光プリントヘッドの構造に関し、特にその光源となる発光素子の構造に関する。

従来、この種の発光素子アレイチップとして、基板とこの基板表面に密着形成されたメタル層と、このメタル層上にシート状の半導体薄膜を接合させた構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１７９６４６号公報（第６頁、図１）

しかしながら、半導体薄膜をメタル層に直接接合する際に、熱によりヒロックなどの凹凸が発生してしまい、接合できない場合があった。

本発明による半導体装置は、
第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層の上に形成された第１導電型の第３半導体層と、前記第３半導体層の上に形成された第２導電型の第４半導体層と、前記第２半導体層又は前記第３半導体層に接続されている第１電極と、前記第４半導体層に接続されている第２電極とを備えた発光サイリスタと、
第１メタル層と、前記第１メタル層の上に形成されて平坦面を備えた絶縁部材の平坦化層と、前記平坦化層の形成領域全体を覆い、且つ前記平坦化層の全周囲で前記第１メタル層と電気的に接続している第２メタル層とを備え、
前記第２メタル層の上に前記発光サイリスタの前記第１半導体層を直接配置して電気的に接続することにより、前記第２メタル層及び前記第１メタル層が、前記第１半導体層に接続されている第３電極として機能することを特徴とする。

本発明によれば、平坦化層によって、第２メタル層の平坦性が確保されるため、第２メタル層に接合する半導体層の接合精度を向上できる。

本発明による実施の形態１の発光サイリスタアレイチップの内部構造を示す断面構成図である。発光サイリスタアレイチップの、ある形成過程での形状を示す製造工程図であり、（ａ）は要部平面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。発光サイリスタアレイチップの、ある形成過程での形状を示す製造工程図であり、（ａ）は要部平面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。発光サイリスタアレイチップの、ある形成過程での形状を示す製造工程図であり、（ａ）は要部平面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。発光サイリスタアレイチップの、ある形成過程での形状を示す製造工程図であり、（ａ）は要部平面図であり、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。ダイシング前の発光サイリスタアレイチップが、配線により最終的に完成した際の構成を示す平面図である。本発明による実施の形態２の光プリントヘッドの要部構成を模式的に示す要部構成図である。本発明による実施の形態３の画像形成装置の要部構成を模式的に示す要部構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明による実施の形態１の発光サイリスタアレイチップ１０の内部構造を示す断面構成図である。

図１に示すように、半導体装置としての発光サイリスタアレイチップ１０は、基板１００、基板１００上に設けられた、例えばＳｉ基板上に駆動回路が形成された駆動回路形成層１０１、その上に設けられた第１メタル層１０２、その上に形成された平坦化層１０４、その上に備えられた第２メタル層１０５を有し、更にその上に半導体薄膜１０６を接合した構成を備えている。尚、ここでいう接合とは、分子間力による接合（ボンディング）である。

半導体薄膜１０６は、図１に示すように、下側から第１半導体層としてのｐ型アノード層１０７、第２半導体層としてのｎ型ゲート層１０８、第３半導体層としてのｐ型ゲート層１０９、エッチングストップ層１１２、第４半導体層としてのｎ型カソード層１１０、及びオーミックコンタクト層１１１が順に積層された構成を有し、エッチング等により、ｐ型ゲート層１０９より上の層が一部除去され、ｐ型ゲート層１０９の表面が一部露出した構成となっている。

尚、第１導電型としてのｐ型の不純物としてＣ或はＺｎをドープし、第２導電型としてのｎ型の不純物としてＳｉをドープする。更にｐ型ゲート層１０９に第１電極としてのゲート電極１１３を形成し、ｎ型カソード層１１０の面上にオーミックコンタクト層１１１を介して第２電極としてのカソード電極１１４を形成することにより、発光素子としての発光サイリスタ１５０を形成している。

次に、発光サイリスタアレイチップ１０の製造方法について説明する。図２〜図５は、発光サイリスタアレイチップ１０の形成過程における各段階での形状を示す製造工程図であり、各図での（ａ）は要部平面図であり、同じく（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。

図２〜図５に示すように、発光サイリスタアレイチップ１０は、１枚のウエハにパターン状に複数配列されて形成され、最終的にダイシング工程などによって個別チップに分離される。図２〜図５では、ダイシング前の基板１００´（ダイシング後の基板１００に対して´を付して区別する）に、ダイシング中心線２０１によってダイシング想定位置を明示し、発光サイリスタアレイチップ１０のチップ外形予定線２１０によって、ダイシング中心線２０１に対して実際に形成される発光サイリスタアレイチップ１０の外形位置を明示している。

先ず、図２に示すように、公知のフォトリソグラフィー法を用いて、駆動回路を形成した駆動回路形成層１０１上に、第１メタル層１０２をスパッタリング又は蒸着などによる方法で形成する。第１メタル層１０２は、駆動回路形成層１０１の駆動回路の出力ポイントとアノードコンタクト１０３（図１参照）で接続されている。

次に、図３に示すように、第１メタル層１０２上にヒロック等による凹凸を十分に緩和することができる厚みを有し、直接接合が可能な平坦化層１０４を、同じく公知のフォトリソグラフィー法などにより形成する。平坦化層１０４の材質としては、有機絶縁材としてのポリイミドなどを用いることが出来る。

次に、図４に示すように、平坦化層１０４上に第１メタル層１０２よりも薄い第２メタル層１０５を第１メタル層１０２と同様な方法により形成する。第２メタル層１０５は、第１メタル層１０２と電気的に接続されている。尚、第１メタル層１０２の材料としては、Ｔｉ、Ｐｔ、又はＡｕ等が用いられ、第２メタル層１０５としては、ＡｕＧｅＮｉ又はＡｕ等が用いられる。またここでは、図４に示すように、第２メタル層１０５が、平坦化層１０４の形成領域を覆うように形成されることにより、第１メタル層１０２と電気的に接続している。

次に、図５に示すように、第２メタル層１０５の上に半導体薄膜１０６を接合する。この半導体薄膜１０６は、エッチング等の加工処理により、図１で説明したように、ｐ型ゲート層１０９より上の層が一部除去されると共に、図６に示すように、第２メタル層１０５上で直線上に並んだ、複数の発光サイリスタ１５０に分離される。

各発光サイリスタ１５０は、図１で説明したように、下側からｐ型アノード層１０７、ｎ型ゲート層１０８、ｐ型ゲート層１０９、エッチングストップ層１１２、ｎ型カソード層１１０、及びオーミックコンタクト層１１１が順に積層された構成を有し、ｐ型ゲート層１０９にゲート電極１１３を形成し、ｎ型カソード層面上にカソード電極１１４を形成し、更に第１メタル層１０２及び第２メタル層１０５が、各発光サイリスタ１５０に共通のアノード電極（第３電極）として機能する構成を備える。

尚、第１メタル層１０２及び第２メタル層１０５をアノード電極として利用することによって、工程の簡略化及び発光素子の省スペース化も可能となる。

図６は、ダイシング前の発光サイリスタアレイチップ１０が、配線により最終的に完成した際の構成を示す平面図である。尚、ここでは簡単のため、一つの発光サイリスタアレイチップ１０のみを示すが、他の発光サイリスタアレイチップ１０も同様に配線されるものである。

同図に示すように、第２メタル層１０５上に接合された半導体薄膜１０６は、最終的に複数の発光サイリスタ１５０に分離されて直線上に配列され、各発光サイリスタ１５０には、ゲート電極１１３とカソード電極１１４が形成されている。

駆動回路形成層１０１には、各発光サイリスタ１５０のゲート電極１１３及びカソード電極１１４に対向する位置に、それぞれに対応して電気的に接続する駆動回路の端子として、ゲートコンタクト１２２及びカソードコンタクト１２３が位置するように予め設計されているものとする。

一方、第１メタル層１０２及び第２メタル層１０５は、各発光サイリスタ１５０の共通アノード電極として作用し、第１メタル層１０２に形成されたアノードコンタクト１０３を介して駆動回路形成層１０１の駆動回路の出力ポイントに接続されている。尚、図６では、アノードコンタクト１０３を２箇所に形成した例を示したが、好ましくは各発光サイリスタ１５０の近傍に満遍なく形成し、それぞれを個別に駆動回路の出力ポイントに接続することによって、抵抗のバラツキを抑制することが望ましい。

従って、各発光サイリスタ１５０のゲート電極１１３と対応するゲートコンタクト１２２、及び各発光サイリスタ１５０のカソード電極１１４と対応するカソードコンタクト１２３を、それぞれ電気的に接続する配線１２１を形成することによって、発光サイリスタアレイを構成要素とする発光サイリスタアレイチップ１０が形成される。

以上のように、発光サイリスタアレイチップ１０では、第１メタル層１０２上に平坦化層１０４と第２メタル層１０５を順に重ねて形成し、この第２メタル層１０５に、半導体薄膜１０６の下面（ｐ型アノード層１０７）を直接接合し、電気的に接続した構成となっている。

以上の構成により、この発光サイリスタアレイチップ１０は、例えば外部から入力する電源・駆動信号に基づいて、駆動回路形成層１０１の駆動回路によって、各発光サイリスタ１５０を、選択的に発光する。

尚、本実施の形態では、例えばｐ型ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓを積層してｐｎｐｎ構造のｐゲート発光サイリスタを形成していたが、ｎゲート発光サイリスタを形成してもよい。また、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓを積層したｎｐｎｐ構造のｐゲート発光サイリスタ及びｎゲート発光サイリスタを形成してもよい。

従って、本実施の形態の発光サイリスタアレイチップ１０によれば、平坦化層１０４によって、第２メタル層１０５の平坦性が確保されるため、半導体薄膜１０６の接合精度を向上できる。また、第２メタル層１０５がアノード電極となるため、コンタクト面積の増加、引き回し配線の削減が可能となり、低抵抗化、省スペース化に寄与できる。更に、半導体薄膜１０６を金属層に直接接合させるため、裏面反射により、出射光が（有機絶縁層で）吸収されることなく取り出せるため、光取出し効率の改善が可能となる。

実施の形態２．
図７は、本発明による実施の形態２の光プリントヘッド１２００の要部構成を模式的に示す要部構成図である。

同図に示すように、ベース部材１２０１上には、ＣＯＢ（ｃｈｉｐｏｎｂｏａｒｄ）基板１２０２が搭載されている。このＣＯＢ基板１２０２は、所定の基板上に前記した図６に示す発光サイリスタアレイチップ１０を長手方向に沿って複数配置し、一体化したユニットである。

発光サイリスタアレイチップ１０の発光部の上方には、発光部から出射された光を集光する光学素子としてのロッドレンズアレイ１２０３が配設されている。このロッドレンズアレイ１２０３は、柱状の光学レンズを、直線状に配列された複数の発光サイリスタアレイチップ１０の発光部に沿って多数配列した光学レンズ群であり、有機高分子材料などを用いて射出成形されたレンズホルダ１２０４によって所定位置に保持されている。

このレンズホルダ１２０４は、同図に示すように、ベース部材１２０１及びＣＯＢ基板１２０２を覆うように形成されている。そして、ベース部材１２０１、ＣＯＢ基板１２０２、及びレンズホルダ１２０４は、ベース部材１２０１及びレンズホルダ１２０４に形成された開口部１２０１ａ，１２０４ａを介して配設されるクランパ１２０５によって一体的に挟持されている。従って、発光サイリスタアレイチップ１０で発生した光はロッドレンズアレイ１２０３を通して、所定の外部部材に照射される、この光プリントヘッド１２００は、例えば電子写真プリンタや電子写真コピー装置等の画像形成装置の露光装置として用いられる。

発光サイリスタアレイチップ１０を採用した光プリントヘッド１２００によれば、前記したように、発光サイリスタアレイチップ１０における、半導体薄膜１０６（図１）の接合精度の向上、光取出し効率の改善等が見込めるため、発光効率や印字品質を改善することが可能となる。

実施の形態３．
図８は、本発明の画像形成装置に基づく実施の形態３の画像形成装置１３００の要部構成を模式的に示す要部構成図である。

同図に示すように、画像形成装置１３００内には、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの各色の画像を、各々に形成する四つのプロセスユニット１３０１〜１３０４が記録媒体１３０５の搬送経路１３２０に沿ってその上流側から順に配置されている。これらのプロセスユニット１３０１〜１３０４の内部構成は共通しているため、例えばシアンのプロセスユニット１３０３を例にとり、これらの内部構成を説明する。

プロセスユニット１３０３には、像担持体として感光体ドラム１３０３ａが矢印方向に回転可能に配置され、この感光体ドラム１３０３ａの周囲にはその回転方向上流側から順に、感光体ドラム１３０３ａの表面に電気供給して帯電させる帯電装置１３０３ｂ、帯電された感光体ドラム１３０３ａの表面に選択的に光を照射して静電潜像を形成する露光装置１３０３ｃが配設される。更に、静電潜像が形成された感光体ドラム１３０３ａの表面に、所定色（シアン）のトナーを付着させて顕像を発生させる現像装置１３０３ｄ、及び感光体ドラム１３０３ａの表面に残留したトナーを除去するクリーニング装置１３０３ｅが配設される。尚、これら各装置に用いられているドラム又はローラは、図示しない駆動源及びギアによって回転させられる。

また、画像形成装置１３００は、その下部に、紙等の記録媒体１３０５を重ねた状態で収納する用紙カセット１３０６を装着し、その上方には記録媒体１３０５を１枚ずつ分離させて搬送するためのホッピングローラ１３０７を配設している。更に、記録媒体１３０５の搬送方向における、このホッピングローラ１３０７の下流側には、ピンチローラ１３０８，１３０９と共に記録媒体１３０５を挟持することによって、記録媒体１３０５の斜行を修正し、プロセスユニット１３０１〜１３０４に搬送するレジストローラ１３１０，１３１１を配設している。これ等のホッピングローラ１３０７及びレジストローラ１３１０，１３１１は、図示しない駆動源及びギアによって連動回転する。

プロセスユニット１３０１〜１３０４の各感光体ドラムに対向する位置には、それぞれ半導電性のゴム等によって形成された転写ローラ１３１２が配設されている。そして、感光体ドラム１３０１ａ〜１３０４ａ上のトナーを記録媒体１３０５に転写させるために、感光体ドラム１３０１ａ〜１３０４ａの表面とこれらの各転写ローラ１３１２の表面との間に所定の電位差が生じるように構成されている。

定着装置１３１３は、加熱ローラとバックアップローラとを有し、記録媒体１３０５上に転写されたトナーを加圧、加熱することによって定着させる。また、排出ローラ１３１４，１３１５は、定着装置１３１３から排出された記録媒体１３０５を、排出部のピンチローラ１３１６，１３１７と共に挟持し、記録媒体スタッカ部１３１８に搬送する。尚、排出ローラ１３１４，１３１５は、図示されない駆動源及びギアによって連動回転する。ここで使用される露光装置１３０３ｃとしては、実施形態２で説明した光プリントヘッド１２００が用いられる。

次に、前記構成の画像形成装置の動作について説明する。
まず、用紙カセット１３０６に堆積した状態で収納されている記録媒体１３０５がホッピングローラ１３０７によって、上から１枚ずつ分離されて搬送される。続いて、この記録媒体１３０５は、レジストローラ１３１０，１３１１及びピンチローラ１３０８，１３０９に挟持されて、プロセスユニット１３０１の感光体ドラム１３０１ａ及び転写ローラ１３１２に搬送される。その後、記録媒体１３０５は、感光体ドラム１３０１ａ及び転写ローラ１３１２に挟持され、その記録画面にトナー画像が転写されると同時に感光体ドラム１３０１ａの回転によって搬送される。

同様にして、記録媒体１３０５は、順次プロセスユニット１３０２〜１３０４を通過し、その通過過程で、各露光装置１３０１ｃ〜１３０４ｃにより形成された静電潜像を、現像装置１３０１ｄ〜１３０４ｄによって現像した各色のトナー像がその記録画面に順次重ねて転写される。その後、定着装置１３１３によってトナー像が定着された記録媒体１３０５は、排出ローラ１３１４，１３１５及びピンチローラ１３１６，１３１７に挟持されて、画像形成装置１３００の外部の記録媒体スタッカ部１３１８に排出される。以上の過程を経て、カラー画像が記録媒体１３０５上に形成される。

以上のように、本実施の形態の画像形成装置によれば、前記した実施の形態２で説明した光プリントヘッド１２００を採用するため、発光効率や印字品質を改善することが可能となる。

また、前記した特許請求の範囲、及び実施の形態において、「上」、「下」と言った言葉を使用したが、これらは便宜上であって、各装置を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。

本実施の形態では画像形成装置としてカラープリンタを用いて説明したが、単色プリンタ、複写機、ＦＡＸ、更にこれらを複合させた複合機等にも適用可能である。

１０発光サイリスタアレイチップ、１００基板、１０１駆動回路形成層、１０２第１メタル層、１０３アノードコンタクト、１０４平坦化層、１０５第２メタル層、１０６半導体薄膜、１０７ｐ型アノード層、１０８ｎ型ゲート層、１０９ｐ型ゲート層、１１０ｎ型カソード層、１１１オーミックコンタクト層、１１２エッチングストップ層、１１３ゲート電極、１１４カソード電極、１２１配線、１２２ゲートコンタクト、１２３カソードコンタクト、１５０発光サイリスタ、２０１ダイシング中心線、２１０チップ外形予定線、１２００光プリントヘッド、１２０１ベース部材、１２０１ａ開口部、１２０２ＣＯＢ基板、１２０３ロッドレンズアレイ、１２０４レンズホルダ、１２０４ａ開口部、１２０５クランパ、１３００画像形成装置、１３０１〜１３０４プロセスユニット、１３０３ａ感光体ドラム、１３０３ｂ帯電装置、１３０３ｃ露光装置、１３０３ｄ現像装置、１３０３ｅクリーニング装置、１３０５記録媒体、１３０６用紙カセット、１３０７ホッピングローラ、１３０９ピンチローラ、１３１０レジストローラ、１３１１レジストローラ、１３１２転写ローラ、１３１３定着装置、１３１４排出ローラ、１３１５排出ローラ、１３１６ピンチローラ、１３１７ピンチローラ、１３１８記録媒体スタッカ部、１３２０搬送経路。

Claims

第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の上に形成された第１導電型の第３半導体層と、
前記第３半導体層の上に形成された第２導電型の第４半導体層と、
前記第２半導体層又は前記第３半導体層に接続されている第１電極と、
前記第４半導体層に接続されている第２電極と
を備えた発光サイリスタと、
第１メタル層と、
前記第１メタル層の上に形成されて平坦面を備えた絶縁部材の平坦化層と、
前記平坦化層の形成領域全体を覆い、且つ前記平坦化層の全周囲で前記第１メタル層と電気的に接続している第２メタル層と
を備え、
前記第２メタル層の上に前記発光サイリスタの前記第１半導体層を直接配置して電気的に接続することにより、前記第２メタル層及び前記第１メタル層が、前記第１半導体層に接続されている第３電極として機能することを特徴とする半導体装置。
前記第１メタル層は、駆動回路を備えて基板上に形成された駆動回路形成層の上に形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１電極、前記第２電極、及び前記第３電極が、それぞれ前記駆動回路の所定の接続部に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記第３半導体層と前記第４半導体層の間にエッチングストップ層を形成したことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の半導体装置。
前記発光サイリスタが前記第２メタル層上に直線上に複数配列され、前記第３電極が、複数の前記発光サイリスタの共通電極となることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の半導体装置。
前記第１メタル層に対して前記第２メタル層の厚みが薄いことを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載の半導体装置。
前記第１メタル層は、Ｔｉ、Ｐｔ、又はＡｕであることを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載の半導体装置。
前記第２メタル層は、ＡｕＧｅＮｉ又はＡｕであることを特徴とする請求項１から７までの何れか１項に記載の半導体装置。
前記第１導電型がｐ型であり、前記第２導電型がｎ型であることを特徴とする請求項１から８までの何れか１項に記載の半導体装置。
請求項１から９までの何れかに記載の半導体装置を備えたことを特徴とする光プリントヘッド。
請求項１０記載の光プリントヘッドを用いたことを特徴とする画像形成装置。