JPH03222375A - 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、モノリシック型発光ダイオードアレイに関し
、特に発光ダイオー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〉 一般に、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小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
よって印刷を行うもので、感光ドラムを露光するための
書き込み用光源として、個々に点滅制御を行うことが可
能な微小発光領域（発光ドツト）を一定の間隔で直線状
に配置した発光ダイオー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）の発光ドツトを一直線状に等間隔
でモノリシックに作り込んだ半導体のチップを複数個基
板上に並べ、すべての発光ドツトが一直線等間隔となる
よう構成されている。

発光ドツトラインの長さは、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発光ダイオードアレイの場合、その構造は
、第４図の如く、ＧａＡｓ基板ｌの上にＧａＡｓＰ層２
を結晶成長させｎ層とし、その上にＳｉＮ等の拡散防止
膜３で発光ドツトとなる部分以外をマスキングした後Ｚ
ｎの選択拡散を行い、９層４としｐ−ｎ接合５を得てい
る。また、ｎ側電極６は、ＧａＡｓ基板１の裏側にＡｕ
Ｇｅ等の合金で夏チップ内の全発光ドツトに対して共通
に設けられ、ｐｉｌｌ電極７はＡ（！等で各発光ドツト
ごとに個別に９層４の上部に設けられている。

なお、図中、８は発光ドツ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
６０ｎｍ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−ＧａＡｓＰ層４中を透過してチップ
の表面（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。各発光ドツトより放射された光は、発光ドツ
ト前方に設けられた屈折率分布型ロッドレンズアレイ等
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
れの発光ドツトの像を結１象する。

〈　発明が解決しようとする課題　〉 上記発光ダイオードアレイの各発光ドツト内において、
界面９に達した光の一部分は、チップの前方へ放出され
て有効に利用されるが、多くの光がこの界面９において
反射しチップの外部へは放出されない。

界面９のような屈折率が不連続な面を、光が通過する際
の最も反射損失が小さくなる入射角０度（界面に対して
垂直に入射する）の入射光に対する反射率Ｒ６は、フレ
ネルの公式より、 Ｒｏ＝（ｎｔ−ｎｔ）”／（ｎ＋＋ｎｔ）”で表わされ
る。ここで、 ｎｌ；入射側媒質屈折率、 ｎ、；出射側媒質屈折率である。

しかし、ＧａＡｓＰ型発光ダイオードアレイの場合、そ
のチップの屈折率ｒ＋＋４３．５であり、ｐ−ＧａＡｓ
Ｐ層４から大気中（ｎ２＝ｔ）へ光が出射する際、入射
角０度の光の界面９における反射率Ｒ６は、Ｒ０＝（３
，５−１）”／（３，５＋１．）’；０．３程度である
。

このように、最ら反射損失が少ない入射角においてら約
３０％の光か界面９でチップ内へ反射しており、外部量
子効率を抑える原因の一つとなっている。

また、発光ドツトの光放出窓８は、チップのｐＧａＡｓ
ＰＧａＡｓＰ層４気中へ露出した状態となっているため
、外部から不純物が混入拡散する恐れかあり、またＡＱ
製のｐ側電極７も大気中へ露出しているため、酸化等の
化学変化により性能の劣化が生じ易く、信頼性に問題が
生じる。

本発明は、上記に鑑み、発光ダイオードアレイチップに
おいて各発光ドツ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ともに信頼性を向上させることを目
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図ないし第３図の如
く、１個の半導体チップＣに複数の発光領域Ａを有する
発光ダイオードアレイにおいて、前記発光領域Ａの光取
り出し方向側の少なくとも発光領域Ａおよび外部接続用
端子部！３を除くｐ側電極７のすべてに密着して一層以
上の透光性の保護層１４が設けられ、前記保護層１４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するものである。

く作用〉 上記課題解決手段において、発光領域Ａより発せられた
光は、発光領域Ａ上の任意層数（１層）の透光性の保護
層１４中を透過した後、大気中へ放出される。

この際、光は、Ｉ＋１回屈折して屈折率不連続界面を通
過し、半導体チップＣ内より界面に垂直（入射角θ＝０
度）に入射した光に対する保護層１４のトータルの透過
率Ｔは、 で表わされる。ここで、 ｎｃ：発光ドツト媒質の屈折率（＃３ ５）、 ｎｏ・大気屈折率（１）、 ｎビチップ上１番目の保護層の屈折率（ｉ＝１．２・３
４　・■）である。

しかし、ｎｃ（＃　３　、５　）＞ｎ＋＞１２＞ｎ３＞
・・・ｎｉ＞刺子＞　−ｎｉ　＞　ｎｏ（＃　Ｉ　）で
あり、＃０．７となる。ここで、 Ｔｏ；従来の発光ダイオードアレイのチップの表面に対
して垂直に入射する光の界面透過率である。

したがって、発光領域Ａ内より大気中へ光が放出される
際の屈折率不連続界面における反射損失は、従来の発光
ダイオードアレイに比較して低減され、外部量子効果を
向上させることができる。

また、保護層１４は、発光領域Ａおよび外部接続用端子
部１３を除くｐ側電極７を密封しているので、大気中か
ら発光領域Ａへの不純物の混入拡散やＰ側電極７の酸化
を防止する。

〈実施例〉 ［第一実施例コ まず、本発明の第一実施例を第１，２図に基づいて説明
する。

第１図は本発明第一実施例の発光ダイオードアレイを示
す平面図、第２図は第１図のＹ−Ｙ断面図である。なお
、第４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ック型発光ダイオード
アレイは、一つの半導体チップＣに複数の発光領域（発
光ドツト）Ａを有している。

前記半導体チップＣは、第２図の如く、ｎ型ＧａＡｓウ
ェハ基板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
ォトリソグラフィおよびエツチングによりＳｉＮ膜３に
拡散窓１２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（発光ドツト）Ａの上面には、第１図の如
く、Ａ１２製のｐ（ＩＩＩ電極７が形成されており、該
発光ドツトＡの光放出窓となる開口部８の寸法：よ、４
０７１ｍ（アレイ方向）Ｘ５０μｍ（Ｙ−Ｙ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
の各発光ドツトＡすべてに対する共通電極としてＧａＡ
ｓ基板りの裏面にＡｕＧｅを蒸着して形成されている。

そして、前記発光領域Ａの光取り出し方向側の少広くと
も発光領域Ａおよび外部接続用端子（ｐ側電極７に対し
てワイヤポンディングを行う部分）１３を除くｐ側電極
７のすべてに密着して一層の透光性の保護層１４が設け
られている。該保護層１４は、光学ガラス（ＴａＦ−３
）を用いてＣＶＤ法により厚さ約０　、１　ｍｍに形成
されている。この光学ガラス（ＴａＦ−３）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
い屈折率を有している（屈折率ｎ＝１．８０）。

なお、ｌチップあたりの発光ドツトの集積数は６４ドツ
トであり、１枚のウェハ上に作製された複数チップの分
離はダイシングによって行われている。

上記構成において、発光タイオードアレイの各Ｐ　（１
１１１電極７よりｎ（ｆｉｌｌ電極６へ電点を流すこと
によって、発光ドツトＡのｐ−ｎ接合部５より波長λ６
６Ｑｎｍの光がチップＣの内の全周方向に向けて発せら
れる。

このうち、半導体チップＣと保護層１４の界面９に達し
た光の入射臨界角 θ。、＝ｓｉｎ−’（１，８／３．５）＃３０．９度以
内の入射角にて界面９へ入射した光の一部分が、界面９
を屈折して通過し保護層１４内へ進む。

このとき、界面９へ垂直に入射した光の透過率Ｔ１は、 である。

また、保護層１４内を伝搬し、保護層１４と大気の界面
１５に達した光のうち入射臨界角θ。、−５ｉｎ−’（
１／　１．８）共３３．７度以内の入射角にて界面工５
へ入射した光の一部分が、界面１５を屈折して通過し、
大気中へ放出されろ。

このとき、界面！５へ垂直に入射した光の透過率Ｔ２は
、 であり、保護層１４に対してチップ中より垂直に入射し
た光の大気中への透過率Ｔは、 Ｔ＝Ｔ、ｘ’ｒ、＝０．９０ｘ０．９２＝０．８３とな
り、従来の発光ダイオードアレイの発光ドツト表面にお
ける透過率Ｔ。＝０．７の約１，１９倍の出力を得るこ
とが可能となる。

すなわち、透光性の保護層１４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て
いるので、発光領域Ａより発せられた光が、常に屈折率
が高い媒質中から低い媒質中へと伝搬した後、大気中へ
放出される。

したがって、チップＣ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反射損失を
低減させ、外部量子効率を向上させることができる。

これにより、ＬＥＤプリンタの吉き込み用いｒ二場合、
感光ドラム上への結像光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池、印字速度を従来と
同じにした場合、外部量子効率か向上した分だけ発光ダ
イオードの消費電力を抑えることも可能となり、それに
伴う発熱量の削減並びに放熱機構の簡素化も可能となる
。

また、保護層１４を、発光領域Ａの光取り出し方向側の
少な（とも発光領域Ａおよび外部接続用端子部１３を除
くｐ側電極７のすべてに密着して設けているので、ｐ（
１１１電極７の外部接続用端子部１３を除くすべての表
側面が大気と接触しない構造となり、チップＣ内への大
気中からの不純物の混入拡散およびｐ側電極７の酸化を
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できる。

［第二実施例］ 次に、本発明の第二実施例を第３図に基づいて説明する
。

第３図は本発明第二実施例の発光ダイオードアレイを示
す断面図である。

図示の如く、本実施列の発光ダイオードアレイは、保護
層１４を上下二層にしたちので、第一実施例のＴａＦ−
３にかえて、下層をＴｉ０ｚ（屈折率ｎ＝２．６２）で
形成し、上層を５ｉｎ−（屈折率ｎ＝１．５）て形成し
ている。この上層および下層の厚さは、０　、１　ｍｍ
以下としている。

上記構成において、上下二層に設けられた保護層１４に
対してチップＣ中より垂直に入射する光の大気中へのこ
の保護層１４の透過率Ｔは＝０．９８ｘＯ，９３ｘＯ，
９６＝０．８７となり、従来の発光ダイオードアレイの
約１．２５倍の光出力を得ることが可能となる。

なお、その他の構成および作用、効果は、第一実施例と
同様である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるもの＝＝、　
Ｉ　＋ナー／　　　十χ真ＲＲ小ζ責囲由づ咋　トデー
室紹お−Ｉｌ、二名　〈　の修正および変更を加え得る
ことは勿論である。

例えば、−層の保護層内で、光の進行方向に向かって屈
折率が連続的に低くなるように保護層を形成し、チップ
の表面と保護層および保護層と大気の界面における屈折
率差を低く抑える構成としてもよい。

〈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、透光性
の保護層の媒質は、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ているので、発光領域より
発せられた光が、常に屈折率が高い媒質中から低い媒質
中へと伝搬した後、大気中へ放出される。

したがって、半導体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反射損
失を低減させ、外部量子効率を向上させることができる
。

また、任意層数の保護層を、発光領域の光取り出し方向
側の少なくとも発光領域および外部接続用端子部を除く
ｐ側電極のすべてに密着して設けているのて、ｐ　ｆｌ
ｌｌｌｌｌｌｌ電接続用端子部を除くすへての表側面か
大気と接触しない構造となり、半導体チップ内への大気
中からの不純物の混入拡散およびｐ側電極の酸化を防止
する効果があり、信頼性の高い発光ダイオードアレイを
提供することがてきるといった優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例の発光ダイオードアレイを示
す平面図、第２図は第１図のＹ−Ｙ断面図、第３図は本
発明第二実施例の発光ダイオードアレイを示す断面図、
第４図は従来の発光ダイオードアレイを示す断面図であ
る。 ７、ｐ側電極、１３：外部接続用端子部、１４：保護層
、Ａ：発光領域、Ｃ：半導体チップ。 出 代 願 理 人 人 シャープ株式会社 中村恒久 第３図 第１ 図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １個の半導体チップに複数の発光領域を有する発光ダイ
   オードアレイにおいて、前記発光領域の光取り出し方向
   側の少なくとも発光領域および外部接続用端子部を除く
   ｐ側電極のすべてに密着して一層以上の透光性の保護層
   が設けられ、前記保護層の媒質は、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すること
   を特徴とする発光ダイオードアレイ。