JPH01151275A - 発光ダイオードアレイ - Google Patents

発光ダイオードアレイ

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JPH01151275A JP62309595A JP30959587A JPH01151275A JP H01151275 A JPH01151275 A JP H01151275A JP 62309595 A JP62309595 A JP 62309595A JP 30959587 A JP30959587 A JP 30959587A JP H01151275 A JPH01151275 A JP H01151275A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は発光ダイオードアレイ、特に発光ダイオードア
レイの電極構造を改善したものに関する。
［従来の技術］ 従来より発光ダイオードアレイは光プリンタや画像読取
りｖＲ置の光能動部に使用されている。
特に近年は発光ダイオードの高出力化が進み、それまで
光プリンタの分野で主力であった半導体レーザに代わっ
て発光ダイオードが使用されるようになってきた。
この動向は情報処理技術１通信技術の進展に伴い、任意
の文字や図形を高速度、高品質で日通紙に人聞に出力で
きる小型で安価な電子写真式プリンタという要求に沿う
ものである。
第６図は従来の発光ダイオードアレイヘッドを示す平面
図である。セラミック基板１上に印刷されたプリント配
線２と、セラミック基板１上に載置された１チツプの発
光ダイオードアレイ３及び駆動用１０４等から主に構成
されている。
発光ダイオードアレイ３は、長尺状のチップ表面にその
長手方向に沿って千鳥状に発光ダイオードが並び、これ
らの発光ダイオード間の絶縁は、空間的にではなく、Ｐ
Ｎ接合に逆バイアスをかけることによって行われる構造
となっている。また、チップの表面に個別電極を、その
裏面に共通電極を形成した両面電極構造が採用されてい
る。　　　　゛また、発光ダイオードアレイ３は、第７
図に示すように、金線５等によりプリント配線２にボン
ディングされている。通常この金線５等はワイヤボンデ
ィング装置によりボンディングされるが、発光ダイオー
ド１個づつボンディングするため、ボンディング回数が
非常に多くなる。例えば４００ＤＰＩ（ドツト／インチ
）のドツト密度の発光ダイオードアレイヘッドの場合、
１チツプで１２８ドツト（あるいは１０８ドツト）と、
かなりのボンディングが必要となる。このため、Ａ４用
プリンタの場合、１台のプリンタに３２チツプ４０９６
ドツトのワイヤボンディングを行なわなければならず、
自動ワイヤボンディング装置を使用したとしても、かな
りの時間と労力を要すことになる。
また、発光ダイオードアレイチップ３はワイヤボンディ
ングを行うために相当な長さの引出電極パッド２ａを必
要とするため、本来の発光ダイオードとして用いられる
部分２ｂ、例えば１０Ｇ−に比較し、３００−とか５０
０−程度と、かなり多くの部分をパッド部分に割かなけ
ればならない。
［発明が解決しようとする問題点］ 上記したように従来の発光ダイオードアレイは、外部配
線との間の接続をワイヤボンディングにたよっていたた
め、ボンディング作業が煩雑で、またアレイ側に要求さ
れるパッド占有率が大きいという欠点があった。
ところで、ワイヤを使わないで接続を行うダイレクトボ
ンド方式がある。このダイレクトボンド方式を発光ダイ
オードアレイに採用できれば上記欠点が解消される。
しかし、ダイレクトボンド方式を採用するためには、発
光ダイオードアレイのアレイ間が空間的に絶縁される必
要があり、また、アレイチップと外部配線を印刷した基
板との接触はアレイチップの片１面のみに限られるため
、チップが片面電極構造であることが要件となる。
この点で上述した従来の発光ダイオードアレイは、ＰＮ
絶縁でかつ両面電極構造を採っているため、上記要件を
満たすことができない。
本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、ワ
イヤボンディングのいらない新規な発光ダイオードアレ
イを提供することにある。
Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明の発光ダイオードアレイは、ＰＮ接合をもった半
導体片の一面に発光ダイオードの個別電極と共通電極と
が形成され、発光ダイオード問は空間的に絶縁されて構
成されている。
即ち、一導電形の半導体層上に反対導電形の半導体層を
設けてその界面にＰＮ接合を持った半導体片を形成する
。
半導体片の一面を構成する反対導電形の半導体層を接合
部に達するメサエツチング溝によって２つの領域に分割
する。
一方の領域は更に分割されて、所定の面積形状をもつ孤
立化した複数の発光ダイオードが形成され、この発光ダ
イオード表面に個別電極が設けられる。
他方の領域は、一導電形半導体層を残して、その上の反
対導電形半導体層を除去するか、又は一導電形半導体層
と同じ導電形に変換して共通部を形成し、この共通部に
共通電極が設けられる。
また、半導体片の他面を構成する一１！１電形半導体層
の発光ダイオード表面に相当する部分が発光”面となっ
ている。
［作　用］ 組立てに際して、発光ダイオードアレイを、基板上に印
刷された外部配線とダイレクトボンディングするために
、個別電極と共通電極のある半導体片の一面に形成され
ている各発光ダイオードは空間的に絶縁されているので
、ダイオード間が基板表面によって短絡されることがな
い。
また、半導体片の一面の共通部に設けた共通電極から流
入した電流は、直接又は変換された反対導電形半導体層
を介して他方の領域内の一導電形半導体層を通り、この
−１ｊｆｆ形半導体層を共通とする一方の領域内に流れ
込む。そして、ＰＮ接合を抜け、反対ｗ９電形半導体層
を通って個別電極から流出する。このときＰＮ接合界面
で発生した光は、一導電形半導体層を透過して半導体片
他面の発光面から出ていく。なお、上記Ｔｉ流の流れは
逆の場合もある。
［実施例１ 以下、本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて説明す
る。
第１図は本発明の一実施例の発光ダイオードアレイを示
す斜視図で、特に基板へのチップ搭載を例示したもので
ある。
発光ダイオードアレイチップ６を点線矢印に示す方向に
７エイスダウンすることにより、チップ６とプリント基
板１は、ワイヤボンディングなしに、高寸法精度で結合
される。
発光ダイオードアレイデツプ６は次のようにして構成さ
れる。例えば、液相エピタキシャル成長等ニに　リ成長
させたＰ型のＧａ１−ｘ　Ａｌｘ　Ａｓ基板１６（０＜
ｘｄ）上に、基板１６よりも混晶比の小さなＮ型のＧａ
１−ｙ　Ｍｙ　Ａｓ層１７（０≦Ｖ＜１）（Ｖ＜Ｘ）を
成長させ、その界面にＰＮ接合界面８を形成する。
混晶比を小さくすることによって、Ｎ型層１７の禁制帯
幅をＰ型基板１６のそれよりも狭くしている。ここで、
Ｐ型基板１６の厚さはおよそ５０〜５００ＩＩＩＩの範
囲とし、Ｎ型１ｉｊ１７の厚さはおよそ１〜３０ＩＩＩ
Ｒの範囲としている。
次にＮ型層１７の上にフォトマスクにより、Ｎ型層１７
を２つの領域に分割する分割パターンを形成し、ＰＮ接
合界面８に達するエツチングにより中央を長さ方向に走
って発光領域Ａと共通領域Ｂとに二分割するメサアイソ
レーション１４を作成する。同時に発光領域Ａを更に幅
方向に多分割して所定の矩形状面積をもつ孤立化した複
数（図示例では５個）の発光ダイオード２２を形成する
メサアイソレーション１５を作成する。
そして、共通領域Ｂに共通電極１９を形成するだめの共
通部１３を形成する。この共通部１３の形成に当っては
、ここにあるＮ型層１７の一部あるいは全部をエツチン
グ等により除去して下階のＰ型基板１６を露出させるこ
ともできる。しかし、図示例のものでは、共通領域Ｂの
Ｎ１！１１１１７にＺｎを拡散又はイオン注入してＰ型
基板１６と同じ電導形に変換して共通領域Ｂの全域に亜
鉛層共通部１３を形成している。
最後に、各発光ダイオード２２に電流を流入させるため
の共通電極１９を共通部表面に、また各発光ダイオード
２２から電流を流出させるための個別電極１８を各発光
ダイオード表面にそれぞれ蒸着等により形成する。結合
精喰を上げるために、特に個別電極１８の電極間ピッチ
を発光ダイオード２２のドツト間ピッチにほぼ等しくす
るのが望ましい。また、ワイヤボンディングを行わない
ため、引出電極パッドが不要となり、電極面積は小さく
てよい。このため、発光ダイオードとして用いられる本
来の部分のチップ内における占有率を大きくできる。ま
た、共通電極１９は共通部１３のほぼ全面に作成してい
る。個別型ｍｉｓ及び共通電極１９は、金または金合金
、アルミニウムまたはアルミニウム合金、鉛または鉛合
金等から形成する。
このようにして発光ダイオードアレイチップ６の一面に
のみ凹凸や電極が形成され、他面は、基板１６の裏面が
そのまま露出した平坦面となる。
このような片面電極形は、特に両面電極形と異なり、プ
ロセスが容易となるため、メリットが大である。
一方、プリント基板１は、セラミックスから成り、その
上に、発光ダイオードアレイチップ６の個別電極１８に
対応する同ピツチの個別電極バッド７と、同じく発光ダ
イオードアレイチップ６の共通電極１９に対応した共通
電極パッド９とがプリント配線されている。個別電極バ
ッド７上にはフェイスダウンボンディングのためのボー
ル１１が設けられ、個別電極バッド７には、更に外部接
続用の取出配線が延設されている。
また、共通電極パッド９は、基板中央よりも共通部寄り
を長さ方向に走り、その上に長尺な共通電極用接触金ｊ
［１２を設けて、発光ダイオードアレイチップ６の共通
電極１９と結合するようになっている。共通電極パッド
９には、更に外部接続用の取出配線が基板−側に延設さ
れている。
なお、基板１上の共通電極パッド９と個別電極バッド７
Ｆｌ、及びこれらと発光ダイオードアレイチップ６上の
個別電極１８間は混線しないように適切な間隔を設ける
。また、個別電極パッド７上のボール１１は、バンプに
代えることもでき、チップ６とプリント基板１との相互
関係により、バンプとボールとを適宜使い分ける。
さて、このようにして形成したプリント基板１上に発光
ダイオードアレイチップ６を前述したように結合する。
このとき、ワイヤボンディングが不要となるので、チッ
プ搭載作業が大幅に省力化される。
また、図示するように、共通電極パッド９の取出配線と
、個別電極バッド７の各取出配線に介設したスイッチａ
、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ問に外部電源Ｅを接続する。ここで例
えば、スイッチａを投入すると、亜鉛拡散層共通部１３
よりＰ型基板１６を通って、図面手前の発光ダイオード
２２に矢印で示す電流ｉが流れ、そのＰＮ接合界面８か
ら発光が起こる。このとき、チップ表面上ではクロスハ
ツチングした発光面１０からのみ発光がみられる。
というのは、半導体結晶の屈折率は大きく、臨界面が小
さいので、メサアイソレーション１４゜１５により分離
されたＰＮ接合界面８から発した光が、結晶表面に到達
するときは、クロスハツチング面以外の箇所では全反射
を起こすため表面上の発光としては現われず、その結果
、スポット発光になるからである。
第２図、第３図は、この現象を示す模式図で、発光ダイ
オードパターンとして円形パターンを採用した場合を示
す。例えばＧａＡＳの場合屈折率は３．６２　、　Ｇａ
０．６５Ｍ０．３５Ａｓの場合屈折率は３．４７である
ので、全反射を起こす臨界角はθ−５ｉｎ”（ｎ２／ｎ
１）より求められ、外が空気中であるとすればθＧａＡ
ｓ４１６．０＠、ＯＧａＭＡＳ＆ｙＩＥｉ、７°となる
。
第２図における光線αは丁度臨界角θで表面にぶつかり
、その後表面に平行に進み、この場合は表面に出ない。
また光線γもθより大きな角度で表面とぶつかるため、
全反射を起こし表面にあられれない。臨界角θよりも小
さい角度でぶつかった光線βだけがチップ２６外に出る
ことが出来る。
第３図はチップ２６を上から見た図で、クロスハツチン
グの重なっている部分３０が電極２８の上面で、光強度
が強くこの部分３０から遠ざかるにつれ光強度は弱（な
る。
次に具体例について説明する。
回転スライドボートを使った縦型エピタキシャル炉によ
る温度傾斜液相エピタキシャル法により、（１０Ｇ）　
ＧａＡｓ基板上に成長させたＭＡＲの偏析ブＯファイル
をもつ４０ａｓ＋　Ｘ　４Ｇａ＊　％厚さ約２００−の
Ｐ型Ｇａ０８６５Ｍ　０．３５Ａｓ層をエピタキシャル
基板として使用した。この基板を２つのメルト溜めのあ
るスライドボートの基板ホルダーにセットした。第１の
メルト溜はメルトバック用、第２のメルト溜は成長用で
、第１のメルト溜を通過する間にＧａＭＡＳ表面の酸化
膜等を取り除き、次いで第２のメルト溜に存在する成長
用メルトと接触させた。１０分間成長させ５−厚さのＮ
型Ｇａ０．８７Ｍ０．１３Ａｓ　ＷＭを得た。
次にＮ型層の上にフォトエツチング法により３００ｇお
きに２５４７ｍピッチで３６／Ｊφの円形のテラス状パ
ターンを形成した。残りの部分はエツチングにより６Ｉ
ＩＩＲエツチングしＮ型層を取り除いて＾ｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕ−ＺｎのＰ！８！電極を形成した。また円形テラスの
上には蒸着法とフォトエツチング法により３０ｔＩＩＩ
φのＡｕ／Ｎｉ／八（１−ＧＯの電極を形成し、さらに
その上に電気メツキ法で銅製の半田受を作りそれぞれの
半田受に半田を盛り上げた。
そして、これを３００．ｍＸ　７．６２　ｍ、の大きさ
にへき開し１００ＤＰＩの発光ダイオードアレイチップ
とした。これを位置合せのされたプリント基板上に直接
押しつけ、熱を加えて溶着させた。
ワイヤボンディングの必要がないので工数が大幅に減少
したのに加えて、ポンディングパッドの不良、ワイヤボ
ンディング等の問題から開放され、信頼性の高い発光ダ
イオードアレイを作ることができるようになった。この
時の発光ダイオードアレイの波長は７８０　ｎｌで、立
上り電圧１．６５ｍ、逆耐圧１０Ｖ以上であった。チッ
プ表面が平坦なので実装に際しても非常に便利であり、
美装的価値もある。
第４図は、上述した具体例と同様にして発光ダイオード
アレイチップ４６を作成して、次いでその上にエポキシ
モールドにより樹脂成形凸レンズ４０を装着した変形例
を示す。これによればＰＮ接合から発生した光は結晶表
面４１で周囲に広がるのを押えらるため、発光強度が非
常に高くなり、光プリンタヘッド等への適用が大幅に改
善される。
第５図に発光ダイオードアレイチップ６と、駆動用ＩＣ
４を搭載してプリント配線２を印刷したセラミック基板
１とを組み合せた応用例を示す。
チップ６の向きを交互に変えることにより駆動用ＩＣ４
との接続も良好になりプリンタヘッドの実装においても
十分実用に耐えることが出来る。なお、駆動用ＩＣ４も
フェイスダウンボンデ々ングにする事により作業性、信
頼性を一層上げることができる。
なお、上記実茄例ではＧａＮＬＡｓ系材料の場金材料示
したが、ＩｎＰ、　ＩｎＰ系などの他の■−ｖ族化合物
半導体、ＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体などその他材料の種
類を変えても、その材料の特性により種々の発光波長１
発光ダイオードアレイの形状のものを作る事ができる。
［発明の効果］ 本発明によれば、発光ダイオード間を空間的に絶縁する
と共に、片面電極構造としたので、ダイレクトボンドが
可能となり、煩雑を極めていた従来のワイヤボンディン
グ作業が省略でき、組立作業性及び信頼性が茗しく向上
する。
【図面の簡単な説明】
第１図はプリント配線基板に対する発光ダイオードアレ
イチップの搭載を例にとった本発明の一実施例を示した
組立斜視図、第２図は本発明の発光ダイオードアレイ例
の発光状況を説明する断面図、第３図は同じく平面図、
第４図は本発明の発光ダイオードアレイの変形例を示す
断面図、第５図はプリンタヘッドを例にとった本発明の
実施例を示す配線構造の平面図、第６図は従来のプリン
タヘッドの配線構造を示す平面図、第７図は第６図の■
−■線所線図面図る。 図中、１はプリント基板、６は発光ダイオードアレイチ
ップ、８はＰＮ接合界面、１３は共通部、１４．１５は
エツチング溝としてのメサアイソレージコン、１６は一
導電形の半導体層としてのＰ型基板、１７は反対導電形
の半導体層としてのＮ型層、１８は個別電極、１９は共
通電極、２０は樹脂成形凸レンズ、２２は発光ダイオー
ド、Ａは発光領域、Ｂは共通領域である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）一導電形の半導体層上にこれよりも狭い禁制帯幅
    を有する反対導電形の半導体層を設けてその界面にＰＮ
    接合を持った半導体片を形成し、該半導体片の一面を構
    成する反対導電形半導体層を接合部に達するエッチング
    によつて２つの領域に分割し、一方の領域を更に分割し
    て所定の面積形状をもつ孤立化した複数の発光ダイオー
    ドを形成し、該発光ダイオード表面に個別電極を設け、
    他方の領域の半対導電形半導体層を除去又は一導電形半
    導体層と同じ導電形に変換して共通部を形成し、該共通
    部に共通電極を設け、半導体片の他面を構成する一導電
    形半導体層の発光ダイオード裏面に相当する部分を発光
    面としたことを特徴とする発光ダイオードアレイ。
  2. （２）上記発光ダイオードアレイが、基板に印刷された
    プリント配線に個別電極を介してダイレクトボンドされ
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のア
    レイ。
  3. （３）上記一導電形半導体層の厚さが５０〜５００ミク
    　ロンメートルであることを特徴とする特許請求の範囲
    第１項乃至第２項のいずれかに記載のアレイ。
  4. （４）上記反対導電形半導体１の厚さが１〜３０ミクロ
    ンメートルであることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項乃至第３項のいずれかに記載のアレイ。
  5. （５）上記個別電極の電極間ピッチが発光ダイオードの
    ドット間ピッチにほぼ等しく設定されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記
    載のアレイ。
  6. （６）上記一導電形半導体層上の発光面に位置する箇所
    に樹脂モールド製凸レンズが設けられていることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記
    載のアレイ。
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