JPH03169085A - 発光ダイオードアレイ - 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〉 本発明は、モノリシツク型発光ダイオードアレイに関し
、特に発光グイ才一ドアレイの個々の発光領域の点滅を
制御することによって文字や図形データを紙面に露光、
印刷するＬＥＤプリンタの書き込み用ヘッドとして使用
される発光ダイオードアレイに係る。

〈従来技術〉 従来のＬＥＤプリンタは、電気信号として入力される文
字や図形等のデータを光の微少スポットの点滅信号に変
換して、感光ドラムを露光し、電子写真のプロセスによ
って印刷を行なうもので、そのプリンタには、感光ドラ
ムを露光するための書き込み用光源として、僻々に点滅
制御を行なうことが可能な微少発光領域（発光ドット）
を一定の間隔で直線状に配置した発光ダイ才一ドアレイ
が用いられている。

この発光ダイオードアレイは、複数（６４個あるいは１
２８個の場合が，多い）の発光ドットを一直線状に等間
隔でモノリシツクに作り込んだ半導体のチップを、複数
個基板上に並べ、すべての発光ドットが一直線上で等間
隔となるよう構成されている。発光ドットラインの長さ
は、使用されるプリンタの感光ドラムの長さ（印刷可能
な紙面サイズ）に応じて決定される。

ＬＥＤプリンタの書き込み光源として最も多く用いられ
るＧａＡｓＰ発光ダイ才一ドアレイチツプの場合、その
構造は、第３図の如く、Ｇａ−Ａｓの基板ｌの上にＧａ
ＡｓＰ層２を結晶成長させｎ層とし、その上をＳｉＮ等
の拡散防止膜３で発光ドットとなる部分以外をマスキン
グした後Ｚｎの選択拡散を行ないｐ層４とし、ｐ−ｎ接
合５を得ている。

また、ｎ（Ｉｌｌ’ｌ極６はＧａＡｓ基板ｌの裏側にＡ
ｕＧｅ等の合金で１チップ内の全発光ドットに対して共
通に設けられ、ｐ側電極７はＡＱ等で各発光ドットごと
に個別にｐ層４の上部に設けられている。

なお、図中、８は発光ドットの光放出窓となる開口部で
ある。

上記構成において、ｐ側電極７からｎ側電極６へ電流が
流れると、チップ内部のｐ−ｎ接合５付近で波長λ＝６
６０ｒ＋ｍの発光が生じ、光はチップ内の全方向へ伝搬
する。このうち、ｐ−　Ｇ　ａＡ　ｇ　Ｐ層４中を透過
して、チップ表面（ｐ−ＧａＡｓＰ層と大気の界面）９
に達した光の一部分は、その界面９で屈折した後、チッ
プ外部へ放射される。各発光ドットより放射された光は
、発光ドット前方に設けられた屈折率分布型ロツドレン
ズアレイ等の正立等倍結像光学素子を介して感光ドラム
上にそれぞれの発光ドットの像を結像する。

〈　発明が解決しようとする課題　〉 しかし、上記発光ダイオードアレイにおいて、発光ダイ
オードの各発光ドット内のｐ−ｎ接合５近傍にて発せら
れチップ表面９に達した光のうち、第４図の如く、その
入射角が臨界入射角θ。

−　　■ θｏ＝ｓｉｎ　　’（　　　）＝ｓｔｎ　　’（　　　
）″＝ｒ１６．６度ｎ，　　　　　　　３．５ 以上のものは、界面９において全反射され、大気中へは
放出されず、チップ内で発せられた光の多くの部分が有
効に使用されない。ここで、ｎｌ：入射側（チップ（ｐ
−ＧａＡｓＰ））の媒質の屈折率＝３．５ ｎ！：出射側（大気）の媒質の屈折率＝１である。

また、臨界角θ。以内の入射角で界面９に入射した光の
Ｒ［％］ Ｘ１００［％］ （ψ＝ｓｉｎ　　’（　　　ｓｌｎθ）二出射角［度］
）ｎま ？光が反射し、外部へ放出されない。この際界面９にお
ける反射率Ｒが最小となる入射角θ＝０度の（界面９に
対して垂直に入射する）光線の場合においても反射率Ｒ
０は、 ■。＝魅ユ己ｘｌＯＯ （ｎ＋　＋　ｎｔ）” ξ｛（３．５−　１　）”／（３．５＋　１　）’）　
Ｘ　ｌ　０　０＃３０％ であり、約３０％の光が界面９でチップ内へ反射してお
り、上記臨界角θ。による制約と共に外部量子効率を抑
える原因の一つとなる。

さらに、発光ドットの光放出窓の部分８は、チップのＩ
）−ＧａＡｓＰ層４表面が大気中へ露出した状態となっ
ているため外部から不純物か混入、拡散し、悪影響を与
える恐れがある。

本発明は、上記に鑑み、各発光ドットのチップ内部より
大気中へ光が出射する際のチップ表面における反射損失
を低減し、外部量子効率を改善すると共に信頼性を向上
させることができる発光ダイオードアレイの提供を目的
とする。

く　課題を解決するための手段　〉 本発明による課題解決手段は、第１．２図の如く、一つ
の半導体チツブＣに複数の発光領域（発光ドット）Ａを
有する発光グイ才一ドアレイにおいて、該発光領域Ａの
光取り出し方向の少なくとも表面上に、発光領域Ａの寸
法よりも小径の一個以上の球状レンズ１０が配設され、
該球状レンズ１０が透光性の接着剤１１により前記発光
領域Ａの表面に密着され、該球状レンズ１０および接着
剤１１の媒質は、前記発光領域Ａを形成する媒質よりも
低く大気よりも高い屈折率を有し、前記接着剤１１の媒
質は、前記球状レンズ１０の媒質とほぼ同等の屈折率を
有するものである。

〈作用〉 上記課題解決手段において、発光ドットＡ上に球状レン
ズｌＯを配置すると、発光ドットＡ中のｐ−ｎ接合近傍
で発せられた光の一部は、チツプＣとその上に密着して
設けられた球状レンズＩＯあるいは球状レンズ接着剤Ｉ
Ｉとの界面に達する。

その際界面に対する入射光の臨界角θ。′は、θｏ’＝
ｓｉｎ−’（　　　　） ｎｌ となるので、θ。′〉θ。（従来の発光ダイオードアレ
イチップ裏面における入射臨界角）の如く、臨界角が従
来の場合と比較して大きくなり、全反射によってチップ
内部へ戻ってしまう光の割合は減少する。ここで、 ｎ，：人射側（ヂツブＣ（Ｐ−ＧａＡｓＰ））の媒質の
屈折率＝３．５ ｎ，′：出射側（球状レンズＩＯあるいは接着剤１１）
の媒質の屈折率〉大気の屈折率＝１ である。

また、チツプＣの表面を通過し接着剤（接着層）１１内
へ進んだ光は、次に、接着層１１と球状レンズ１０の界
面に達するが、（球状レンズＩＯの媒質の屈折率）＝（
接着剤１１の媒質の屈折率）であるため、この界面にお
いては、ほとんど反射屈折等を生じることなく球状レン
ズＩＯ内へ直進する。

次に、球状レンズ１０内へ進んだ光は、球状レンズｌＯ
と大気の界面へ達するが、この界面へ入射し、臨界角の
制約に起因する全反射による損失は大幅に減少する。

また、発光ドットＡの表面へ臨界角θ。′以内の入射角
θで入射し、接着層１１、球状レンズＩＯ内を経て、大
気中へ放出される光は、発光ドットＡの表面および球状
レンズ！Ｏの表面において、その一郎が反射されるが、
（発光ドットＡの媒質の屈折率：ｎ，）＞（球状レンズ
ｌＯおよび接着剤ｌｌの媒質の屈折率：ｎ＊）＞（大気
の屈折率＝１）であるため、球状レンズ１０および接着
剤１１が反射防止膜として作用し、反射率を低減する。

さらに、球状レンズ１０および接着剤１１は、発光ドッ
トＡの表面を密封し、大気中から発光ドットＡへの不純
物の混入、拡散等を防止する。

く実施例〉 以下、本発明の一実施例を第１．２図に基づいて説明す
る。

第！図は本発明の一実施例を示す発光ダイオードアレイ
の平面図、第２図は第１図のＸ−Ｘ断而図である。なお
、第３図に示した従来技術と同一機能部品については同
一符号を付している。

図示の如く、本実施例のモノリシツク型発光ダイ才−ド
アレイは、一つの半導体チツプＣに複数の発光領域（発
光ドット）Ａを有しており、該発光領域Ａの光取り出し
方向の表面上に、発光領域Ａの寸法より小さな直径を有
する複数の球状レンズｌＯが配設され、該各球状レンズ
ＩＯが透光性の接着剤ｌ！により前記発光領域Ａの表面
に密着され、該球状レンズＩＯおよび接着剤１１の媒質
は、前記発光領域Ａを形成する媒質よりも低く大気より
も高い屈折率を有し、前記接着剤１１の媒質は、前記球
状レンズ１０の媒質と同等あるいは極めて近い屈折率を
有するものである。

前記半導体チツプＣは、第２図の如く、ｎ型ＧａＡｓウ
エハ基板ｌの上にｎ型ＧａＡｓＰ層２を結晶成長させた
上面に、ＣＶＤ法によってＳｉＮ膜３を不純物の選択拡
散を行なうためのマスクとして設けている。そして、フ
ォトリソグラフイおよびエッチングによりＳｉＮ膜３に
拡散窓ｌ２を開けた上で、不純物としてＺｎを拡散しｐ
型ＧａＡｓＰ層４を形成しｐ−ｎ接合５を得て発光部と
している。

前記発光領域（発光ドット）はＡの上面には、第１図の
如＜，Ａｆｆ製のｐ側電極７が形成されており、該発光
ドットＡの光放出窓となる開口部８の寸法は、４０ｕｍ
（７Ｌｚイ方向）ｘ５０μｍ（Ｘ−Ｘ方向）に設定され
ている。一方、ｎ側電極６は、第２図の如く、半導体チ
ップＣ上の各発光ドットすべてに対する共通電極として
ＧａＡｓ基板ｌの裏面にＡｕ−Ｇｅを蒸着して形威され
ている。

前記球状レンズｌＯは、屈折率ｎ＝　１．５を有する直
径１０μ鵬程度のＳｉＯｙ製の球状レンズが使用されて
おり、前記接着剤！菫は、屈折率ｎ−１．５を有するエ
ボキシ樹脂系接着剤が使用されている。

なお、ｌチツブあたりの発光ドットの集積数は、６４ド
ットであり、１枚の半導体ウエハ上に形成された複数チ
ップの分離はダインングによって７ｊなわれている。

上記構成において、発光ダイオードアレイの名Ｐ　（ｔ
ｉｌ１電極７よりｎ（ｌｌＩＩ電極６へ電流を流すこと
によって、発光ドットＡのｐ−ｎ接合部５より波長λ一
６６０ｒ＋ｎ＋の光がチップ内の全周方向に向かって発
せられる。このうち、半導体チツプＣと球状レンズ｛０
あるいは接着剤（接着層）Ｉｔとの界面１３に達した光
のうち、入射臨界角θ。′でこの界面ｌ３に入射した光
は、全反射することなくその部が反射するのみで接着層
ｌ１あるいは球状レンズ１０内へ進む。このときの臨界
角θ。′は、−ｎｔ，−１．５ θ・′＝・ｉ・　“（；７）′″・・・　“（百）′″
′２５・４度であり、従来のチップから直接大気中へ光
が放出される場合の臨界角θ。−１６．６度の場合と比
較して、約２．５倍の光出力が界面ｉ３を通過すること
ｈ可能となる。ここで、 ｎ１：入射側（チツブＣ（Ｐ−ＧａＡｓＰ））媒質４の
屈折率＝３．５ ｎｔ′；出射側（球状レンズ１０あるいは接着剤１１）
媒質の屈折率予１．５ である。

上記のように、球状レンズ１０あるいは接着剤１１から
球状レンズ１０内へ進んだ光は、球状レンズ１０と大気
との界面１４を介して大気中へ放出される。このとき、
界面ｌ４は球状であるため、平面の場合と扼較してより
多くの光線が界面１４の臨界角θ。″ Ａ；４１．８度 以内の角度で界面ｌ４へ入射することが可能となり、全
反射による損失は平面界面の場合と比較して大幅に低減
される。ここで、 ｎ，′：入射側（球状レンズ１０）媒質の屈折率−１．
５ｎ０：出射側媒質（大気）の屈折率一ｌである。

また、上記臨界角θ。′およびθ。″以内の入射角でそ
れぞれの屈折率不連続界而１３および１４を通過する光
のうち、その反射率が最小となる入射角０度（界面に対
して垂直に入射する）の光の透過率Ｔは、２面トータル
で Ｔ＝（１−ｃ１１−）゛｝ 旧＋ｎｔ Ｘ［ｌ−（　　７−〜　）”）ｘｌｏＯ［％］ｎｔ　　
＋ｎｏ ＝｛Ｉ−（円”）”｝Ｘ｛ｌ−（””　’）”｝×．５
＋　１．５　　　　　　　　１．５＋　１１００４８０
［％］ となり、従来のチップから直接大気中へ光が放出される
場合の同透過率Ｔ＝７０［％］と比較して、約ｌＯ％程
度透過率が改善される。

このように、発光領域（発光ドット）Ａの光取り出し方
向の表面上に発光領域Ａの寸法より小さな直径を有する
複数の球状レンズｌＯを配設し、球状レンズｌＯを透過
性の接着剤１１により前記発光領域Ａの表面に密着し、
この球状レンズ１０および接着剤１１の媒質は、発光領
域Ａを形成する媒質よりも低く大気よりも高い屈折率を
有し、しかも接着剤ＩＩの媒質は、球状レンズＩＯの媒
質とほぼ同等の屈折率を有しているので、平面の発光ド
ット表面が直接大気中へ露出した従来の発光ダイオード
アレイと比較して、チップ内部から大気中へ光が出射す
る際に通過する屈折率不連続界面において生じる全反射
および部分反射による光の損失を効果的に低減させ、外
郎量子効果を向上させることか可能である。

そして、この発光ダイオードアレイをＬＥＤプリンタの
書き込み用光源として用いた場合、感光ドラム上への結
像スポットの光量アップによる印字スピードのアップが
可能となるほか、印字速度を従来と同等とした場合、す
なわち、発光出力を従来と同等とした場合、効率か向上
した分だけ電流を小さくすることが可能であり、発熱量
の削減並びにそれに伴なう放熱機構の簡素化、素子寿命
の延長、消費電力の低減によるランニングコストの引き
下げが可能となる。

また、発光ドットの表面が大気と涛触しない槽造となっ
ているため、チップ内への大気中からの不純物の混入、
拡故を防止する効果があり、信頼ｔｂの高い発光ダイオ
ードアレイを提供することが可能となる。

なお、本発明は、」二記実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内で上記実施例に多くの修正および変
更を加え得ることは勿論である。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかな通り、本発明によると、発光領
域（発光ドツ１・）の光取り出し方向の表面上に発光領
域の寸法より小さな直径を有する複数の球状レンズを配
設し、球状レンズを透過性の接着剤により発光領域の表
面に密着し、この球状レンズおよび接着剤の媒質は、発
光領域を形成する媒質よりも低く大気よりも高い屈折率
を有し、しかも接着剤の媒質は、球状レンズの媒質とほ
ぼ同等の屈折率を有しているので、平面の発光ドット表
面が直接大気中へ露出した従来の発光ダイオードアレイ
と比較して、チップ内部から大気中へ光が出射する際に
通過する屈折率不連続界面において生じる全反射および
部分反射による光の損失を効果的に低減させ、外部量子
効果を向上させることが可能である。

また、発光ドットの表面が大気と接触しない構造となっ
ているため、チップ内への大気中からの不純物の混入、
拡散を防止する効果があり、信頼性の高い発光ダイオー
ドアレイを提供することが可能となるといった優れた効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の一実施例を示す発光ダイオードアレイ
の平面図、第２図は第ｌ図のＸ−Ｘ断而図、第３図は従
来の発光ダイオードアレイの断面図、第４図は第３図の
屈折率不連続面における光線の進行方向を示す図である
。 ｌＯ：球状レンズ、■！＝接着剤、Ａ：発光領域（発光
ドット）、Ｃ：半導体ヂツブ。 出 代 願 理 人 人 シャープ株式会社 中村恒久 第 ３ 図 第 ４ 図 第 １ 図 第 ２ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一つの半導体チップに複数の発光領域（発光ドット）を
   有する発光ダイオードアレイにおいて、該発光領域の光
   取り出し方向の少なくとも表面上に、発光領域の寸法よ
   りも小径の一個以上の球状レンズが配設され、該球状レ
   ンズが透光性の接着剤により前記発光領域の表面に密着
   され、該球状レンズおよび接着剤の媒質は、前記発光領
   域を形成する媒質よりも低く大気よりも高い屈折率を有
   し、前記接着剤の媒質は、前記球状レンズの媒質とほぼ
   同等の屈折率を有することを特徴とする発光ダイオード
   アレイ。