JPH01239969A - 半導体装置 - Google Patents

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１ 本発明は半導体装置に関する。特に、発光ダイオード（
ＬＥＤ）アレイとして好適なシリコン基板上の光電子集
積回路に関する。

［従来の技術１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）は小型・軽量な発光源として
種々の分野に応用されてきている。特にＬＥＤを一次元
に複数個配列したＬＥＤアレイは、高速・高解像度のペ
ージプリンタ用光源としてその発展が期待されている。

従来のＬＥＤは、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）基板上に
アルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｆｆＧａＡｓ）層や
ＧａＡｓ層などの単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ
、これらにより形成されたｐｎ接合に順方向電流を流し
て発光を得ていた。

このＬＥＤを複数個配列すればＬＥＤアレイとなる。

〔発明が解決しようとする課題Ｊ しかし前述の従来技術は、ＧａＡｓ基扱やエピタキシャ
ル膜に含まれる結晶欠陥などにより。

ＬＥＤの特性（特に輝度）が大幅にバラつき、個体差が
大きいという欠点を有していた。特にＬＥＤアレイでは
、集積された複数のＬＥＤが均一な特性を有することが
要求され、ｔｉ度がバラつくことは致命的な課題である
６ 本発明はこのような課題を解決するものであり、その目
的とするところは、発光輝度のバラツキが極めて小さい
半導体装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明の半導体装置は、シリコン基板上に設けられた化
合物半導体層から成る発光素子と、該発光素子から発せ
られる光を受光しうる位置に配置された該シリコン基板
内の受光素子と、該受光素子からの出力信号により前記
発光素子の光出力を一定に制御する機能を有する該シリ
コン基板内の駆動回路を具備したことを特徴とする。

［実　施　例１ 以下、実施例に基づいて本発明の詳細な説明する。

第２図に本発明による半導体装置の基本構成図を示す。

本発明の半導体装置はモノリシックに集積化された３つ
の基本要素から成る。シリコン基板上にエピタキシャル
成長された化合物半導体層に設けられた発光素子（ＬＥ
Ｄなと）２０１と、シリコン基板内に設けられた受光素
子（）４１〜クイオードなど）２０２と、同しくシリコ
ン基板内に設けられた駆動回路２０３である。駆動回路
から流れ出る駆動電流■により発光素子が発する光を受
光素子が検知し、光の強度に応じた光電流Ｉｐを駆動回
路に伝える。駆動回路はＩｐが一定となるように駆動電
流Ｉを制御し、常に安定した光出力を得ることができる
。具体的な駆動回路は、半導体レーザの場合に一般的に
使用されているＡ　Ｐ　Ｃ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐｏ
ｗ＋：ｒ　Ｃｏｎｔ、ｒｏｌｌ）回路と同様である。

第１図に本発明による半導体装置の断面構造図を示す。

ｐ−５ｉ基板１０１の中に駆動回路に用いられるＭＯＳ
　Ｆ　ＥＴとｐｎ接合によるフォトタイオードが形成さ
れている。ｐｌｎ購成構成ォトダイオードを用いれば川
に高速応答に適する。

フォトダイオードのｐ及びｎ側の電位はシリコン基ｆｆ
１ｌｏｌの電位とは無関係に設定できるように独立した
端子１０２及び１０３が設けられている。フォトダイオ
ードのシリコン面上にはダブルヘテロ構造のＬＥＤが形
成されている。シリコン面側から順にｎ−ＧａＡｓバッ
ファ層１０４、ｎ　　Ａ（ｌｏ、ｘ　Ｇａｏ、ｔ　Ａｓ
クラッド層１０５、ＧａＡｓ活性層ｔ　０６．ｐ−Ａｇ
ｏ、ｉ　Ｇａｏ　？Ａｓクラッド層１０７、ｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層１０８がエピタキシャル成長されている
。成長方法は各種あるが、有機金属気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ法）あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）が
適当である。製造方法はまずフォトダイオード部をシリ
コン基板内に適当な不純物を導入して形成した後、通常
のプロセスによりＭＯＳ　Ｆ　ＥＴを作製する。駆動回
路をＣＭＯＳ（相補型ＭＯ３）で構成する場合には、ｐ
−３ｉ基板内に作られるｎウェルを、フォトダイオード
のｎ層と兼用すればプロセスが簡略化される。各デバイ
ス間は５ｉＯ２１０９により素子分離されている。さら
にフォトグイオード上にＧａＡｓやＡＱＧａＡｓを連続
的にエピタキシャル成長させてＬＥＤ部を形成する。全
面に絶縁膜（ＳｉＯ□、ＳｉＮなど）１１０を堆積させ
た後、金属配線を行えば完成となる。オーミックコンタ
クトを得るためには、Ｓｉ系への金属配線とＧａＡｓ糸
への金属配線の材料を変えることが望ましい、Ｓｉ系へ
は八２またはＡＱ−５ｉまたはＡ　ｆ２−　Ｓ　ｉ　−
ＣｕなどのＡＩ２系の金属１１１が適している。ＧａＡ
ｓ系へはＣｒ　／　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕ、Ｎ　ｉ／Ｇｅ
／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕなどのＡ　ｕ系の↑属１１２が適し
ている。したがってデバイス間の配線は、Ａｆｆ系及び
Ａｕ系の金属の接触により行われる。

第３図はＬＥＤの駆動電流と発光強度の関係を示すグラ
フである。前述の如＜　ＬＥＤの特性は個体差が大きく
、３０１．３０２．３０３のような特性のバラツキがあ
る。従来は駆動電流Ｉを一定巳こ保つためそれぞれの特
性に応じて発光強度は■）３、ｐ、ｐ、とバラつく。し
かし、上記の本発明によれば、フォトダイオードで光強
度を検知し、一定の光強度となるように駆動電流を１１
゜１．１．と制御するので、いかなる特性のり、　Ｅ　
Ｄで５所望の光強度Ｐを安定に得ることができる。

第４図は本発明による半導体装置をＬＥＤアレイとして
構成した場合のブロック図である。駆動回路４０３とＬ
ＥＤ４０４とフォトグイオード４０５の基本構成にＭＯ
Ｓスイッチ４０６を加えたものをｌユニットとして、所
望の数だけ一次元的に配列している。シフトレジスタ列
４０１はスタートパルス（ＳＰ）の信号を順次転送し、
ＬＥＤの発光あるいは非発光のデータ（Ｄ）と共にラッ
チ列４０２へ順に取り込まれる。発光データが取り込ま
れると、次にデータが書きかえられるまでの間、ＭＯＳ
スイッチ４０６のゲートを開き、ＬＥＤを発光させる。

このように構成されたＬＥＤアレイは、１ビツトごとに
発光強度を一定に保つことができるため、全体としての
輝度の均一性を極めて高めることができる。シフトレジ
スタ列４０１、ラッチ列４０２、駆動回路４０３、ＭＯ
Ｓスイッチ４０６がいずれは同じシリコン基板内に集積
化できることはいうまでもない。

［発明の効果１ 本発明は次のような数々の優れた特徴を有する。まず第
■に、発光素子の光強度を安定に一定値に保つことがで
きる。発光素子の特性にバラツキがあっても同じ輝度を
得ることができるばかりでなく、環境条件（例えば温度
）が変化しても一定の光強度を得ることができる。この
特徴はＬＥＤアレイのように複数個の発光素子を集積化
した時に特に顕著である。

第２に、原理的にはいかなる特性の発光素子でも所望の
輝度が得られるため、不良の発生が極めて少なくなり歩
留り向上及び低コスト化に有利である。特にＬＥＤアレ
イでは、ＩｌｌのＬＥＤの不良も許されないため効果が
大きい。

第３に、シリコン基板を用いるために放熱に有利である
。シリコン基板の熱伝導率はＧａＡｓ基板約２倍大きく
、発光素子のように大電流を扱う素子にとって好適であ
る。特にＬＥＤアレイのように複数の発光素子を集積し
消費電力が大きい用途では特に効果が大きい。

第４に、発光素子の発光強度の経時変化を防止すること
ができる。一般に発光素子は電流注入により発光を継続
していると１時間と共に結晶欠陥が増大し、光強度が低
下してくるが１本発明では、光強度が低下すると自動的
に駆動電流を増加させ一定の輝度を確保することができ
る。特にシリコン基板上にエピタキシャル成長した化合
物半導体層は格子定数が整合しないために多数の社、１
欠陥を初期的に含んでいる。したがってシリコン基板上
の発光素子は本発明の構成をとらないと、著しく早く輝
度の劣化が進む。換言すれば、シリコン基板上の発光素
子を実現する上で本発明の特有の効果を有すると言える
。

第５に、必要となる回路をすべてシリコン基板内に集積
化できるため、外部との接続端子数が少なく実装が容易
である。従来のＬＥＤアレイでは２０００本から４００
０本ものワイヤボンディングが必要であったが、本発明
によればわずかＩＯ本程度のワイヤボンディングで済む
。

以上述べたように本発明は数多くの優れた効果を有する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の断面構造図、第２図
は本発明による半導体装置の基本構成図、第３図は発光
素子の駆動電流と発光強度の関係を示すグラフ、第４図
は本発明の半導体装置をＬＥＤアレイとして構成した場
合のブロック図である。 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　最　上　　務（他１名）エＩ　　　Ｉ
　　　　　　Ｉ− Ｍ炸姥）丸 笛３１沼

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　シリコン基板上に設けられた化合物半導体層から成る
   発光素子と、該発光素子から発せられる光を受光しうる
   位置に配置された該シリコン基板内の受光素子と、該受
   光素子からの出力信号により前記発光素子の光出力を一
   定に制御する機能を有する該シリコン基板内の駆動回路
   を具備したことを特徴とする半導体装置。