JPH0327578A - 発光ダイオ―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］ 本発明は発光ダイオードアレイ、特に複数の発光ダイオ
ードが同一基板上に密接配設され光学プリンタの印字光
源等に用いられるヘテロ接合型発光ダイオードアレイに
関する。

［従来の技術］ 複数のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合発光ダイオードが同
一基板上に密接に配設されてなる発光ダイオードアレイ
は、各発光ダイオードを電気的に制御することにより比
較的容易に画像情報等を処理することができる利点を有
しており、このためその改良と共に種々の応用が考えら
れている。

例えば、情報の出力機器としてのプリンタにおいては、
近年の情報化社会の到来に伴ない情報量の増大だけでな
く取扱う情報の質も文書のみからグラフ、図、写真等の
画像情報を含むものへと変化してきていることに対応す
べくより高速、高密度化が要求されているが、この課題
を解決すべく発光ダイオードアレイを光源として用いる
ことが考えられている。

すなわち、ノンインパクトな光学プリンタとしては、光
源にレーザを用いたレーザプリンタ及び光源に発光ダイ
オードアレイを用いたＬＥＤプリンタが知られているが
、レーザプリンタではレーザビームの走査に回動可能な
ポリゴンミラー等の機械的な機構とこれに対応した煩雑
な光学系を必要とするのに対し、ＬＥＤプリンタでは複
数の発光ダイオードからなる発光ダイオードアレイの各
発光ダイオード（以下発光エレメントという）を電気的
に制御して駆動すれば良く、このため機城的な動作部が
不要で簡単な等倍率アレイレンズを光学系に用いれば良
く、レーサプリンタに比べて小型、高速かつ高信頼化が
可能となっている。

第５図に従来のＬＥＤプリンタに用いられたホモ接合型
発光ダイオードアレイの断面図を示す。

なお、簡略化のため、２個の発光エレメントのみ図示し
てある。

図において、各発光エレメントはｎ−ＧａＡｓ裁板１１
０上にｎ−ＧａＡｓＰ層４１４（約５０μｍ厚）をＶＰ
Ｅ法により積層し、さらにＳｉＮ膜１８をマスクとして
Ｚｎ拡散を行い島状のＺｎ拡散領域４２０（厚さ約１．
５μｍ）を形成することにより構成され、ｎ−ＧａＡｓ
Ｐ層４１４とＺｎ拡散領域４２０との界面がＰＮ接合面
となり発光エレメントとなる。

そして、ｐ一電極２２及びｎ一電極２４を形成し、その
後無反射ＳｉＮ膜４２６をコーティングして発光エレメ
ントから離れた領域でＳｉＮ膜４２６を除去しｐ一電極
２２のボンディングパッドが形成される。

このように構威される発光ダイオードアレイにおいては
、発光材料として用いているＧａＡｓＰ層４１４はＧａ
Ａｓ基板１ｏと格子整合しないために格子欠陥を多く含
んでおり、このため材料自体の不均一性が大きく発光効
率が低い。また、ＰＮ接合が注入効率の低いホモ接合で
あるため、発光効率の向上は困難である。

また、従来より第６図に示すようなＡＪ！ＧａＡＳシン
グルへテロ接合型発光ダイオードアレイも開発されてい
る。

図において、ｐ−ＧａＡｓｉ板３１０上ｌａｐ３ ４ Ａｆｆｌ　　　　　　Ｇａ Ｏ．　２　　０．　８Ａ”層５１４、ｎＡｊ！　　　Ｇ
ａ　　　Ａｓ層５２０、ｎ　　−ＧａＯ．５　　　　０
．５ Ａｓ層５２１が順次ＬＰＥ法で積層される。そして、ｎ
一電極３２２及びｐ一電極３２４を蒸着しフォトリソグ
ラフイとプラズマエッチングを用いてｎ一電極３２２の
不要部分を除去する。

次に、化学エッチングによりｎ　　−ＧａＡｓ層５２１
を選択的にエッチングし、フォトリソグラフイと化学エ
ッチングを用いて発光領域を除くｎＡＪ！ＧａＡｓ層５
２０をｐ−Ａ４ＧａＡｓ層５１４に１μｍ程度以上入る
までエッチングしてメサ形状の発光領域を形戊する。そ
して、プラズマＣＶＤにより無反射ＳｉＮ膜４２６をコ
ーティングし、最後に熱処理してｎ一電極３２２及びｐ
　−電極３２４のオーム接点を形成することにょりヘテ
ロ接合型発光ダイオードアレイが形成される。

このヘテロ接合型発光ダイオードアレイは単体の高輝度
ＬＥＤ素子に用いられている構造をアレイ化したちの−
であり、ヘテロ接合により注入効串を向上させるととも
に発光層であるｐ−ＡＩＧａＡｓ層５１４からの発光波
長約７２０ｎｍに対して透明となるｎ−ＡｊｊＧ’ａＡ
ｓ層５２０を用いて自己吸収によるエネルギ減衰を防ぎ
、第５図に示した発光ダイオードアレイに比べて数倍以
上の発光効率を得ることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の発光ダイオードアレイには幾
つかの問題があった。周知のごとく、発光エレメントが
同一基板上に密接配設されてなる発光ダイオードアレイ
においては、単体の発光ダイオードと異なり隣り合う発
光エレメントの電極やＳｉＮ誘電体膜のエッジ部での反
射や散乱による特性低下を防止するために各発光エレメ
ント間の光のクロストークを低減することが重要な課題
となっている。

前述したように、従来のへテロ接合型発光ダイオードア
レイにおいては発光効率を向上すべくｎ−ＡｊｊＧａＡ
ｓ層５２０を透明な窓に用いている。

従って隣接する発光エレメント間のクロストークを低減
するためには各発光エレメント間のｎ　−ＡＪＧａＡｓ
層５２０を完全に除去するエッチング６ プロセスが不可欠となり、しかも光のにじみを低減する
ために発光領域のメサ以外の発光層はある程度以上深く
エッチングする必要がある。

一方、ヘテロ接合面から発光層に注入された少数キャリ
アである電子の拡散長は１０μｍ程度あることが知られ
ている。従って、光のにじみを低減し、かつ発光効率を
最適化するためには少なくとも発光層を１０μｍ程度エ
ッチングしなければならず、このため均一に、かつ再現
性良くエッチングすることが田難で、特性低下を招いて
いた。

もちろん、単体の発光ダイオードにおいて採用されてい
るように、Ａ　ｌ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ発光層の下にＡＡ混
晶比の大きいＡ　ｊ！　Ｇ　ａ　Ａ’　ｓ層を設けたダ
ブルへテロ構造を導入することも考えられるが、前述し
たように複数の発光ダイオードが配設された発光ダイオ
ードアレイにおいては隣接する発光エレメントとのクロ
ストークを考慮しなければならず、従ってこの場合にも
窓となるＡｊ！ＧａＡｓ層を分離するために深くエッチ
ングしなければならず、不均一性が大きくなってしまう
問題がある。

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は発光効率が高く光のクロストクの少ない、かつ
均一性に優れた発光ダイオードアレイを提供することに
ある。

［課題を解決するための手段コ 上記目的を達成するために、本発明は発光層の接合面と
対向する面に、前記発光層より大なるエネルギーギャッ
プを有し接合面から発光層に注入されたキャリアの拡散
を阻止する０，１μｍ以下厚のキャリアバリア薄層を設
け、かつ前記キャリアバリア薄層の前記発光層との界面
と対向する面に、前記発光層と同じか小なるエネルギー
ギャップを有し発光層からの光を吸収する吸収層を設け
、前記吸収層で隣接する発光ダイオード間を結合したこ
とを特徴としている。

［作用］ 本発明に係る発光ダイオードアレイは上述の構成を有し
、接合面から注入された少数キャリアは大なるエネルギ
ーギャップを有するキャリアバリア薄層により発光層内
に閉じこめられるので、発７ ８ 光層内での有効な発光領域が小さくなり、発光層を薄く
形戊することが可能となる。

すると、発光層による自己吸収量が低減され、発光効率
を向上させることができる。

キャリアパリア層は０．１μｍ以下と光の波長より薄く
設定してあるため、隣接する発光エレメント間の導波作
用を持たない。更に、キャリアバリア層の他面に光吸収
層を設けて、隣接する発光エレメント間の先導波を抑制
することができる。

以上のようなことから、発光領域であるメサを形成する
際にも深くエッチングする必要がなく工程が容易となり
、高均一性を得ることができる。

［実施例］ 以下、図面を用いながら本発明にかかる発光ダイオード
アレイの好適な実施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例のＡｊｊＧａＡＳ系発光ダ
イオードアレイの断面図である。なお、簡略化のため２
個の発光エレメン１・のみ示してある。

図において、ｐ−ＧａＡＳ基板１０（Ｚｎ−１×１０１
８ｃｍ−３）上にｐ−ＧａＡＳバッファ層１２　（０．
２，ｃｚｍ厚、Ｂｅ＝ＩＸ１０１８ｃｍ３）　、ｐ−Ａ
ｊ！ＧａＡｓ吸収層１’４　（０．　　５μｍ，Ｂｅ＝
８ＸＩＱ１７ｃｍ−３），ｐ−Ａｊ！ＡＳキャリアバリ
ア薄層１６　（０．０３，ｃｚｍＳＢｅ＝５Ｘ１０１７
ｃｍ　　”）、ｐ−，Ａ１ｏ　．　３Ｇ　ａ ｏ．７Ａｓ発光層１８　（０．３μｍ，Ｂｅ＝８Ｘ１７
　　−３ １０　　　ｃｍ　　　）、ｎ−Ａｊ！　　　　ＧａＯ．
５　　　０．５ Ａｓ窓層２０　（１．５μｍ，Ｓｉ＝２ｘｌ　Ｏ１８Ｃ
ｍ　３）及びｎ＋−＝ＧａＡｓコンタクト層２２（０．
０５ｔｔｍ，Ｓｉ＝３ｘｌ０１８ａｍ　　”）がＭＢ　
Ｅ　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ
）法により順次積層される。このときの発光波長は約６
７００ｍである。

そして、ｎ一電極２４及びｐ一電極２６を蒸着し、フォ
トリソグラフイとプラズマエッチングを用いて必要な部
分以外のｐ一電極２６を除去し、化学エッチングを用い
て　　ｔ’！，極部２４を除きｎ　＋−　Ｇ　ａ　Ａ　
ｓコンタクト層２２を選択エッチングする。

さらに、ｎ一電極２４形成用のフォトレジスト１０ を除去した後、フォトリソグラフイと化学エッチングを
用いて発光エレメン１・となる領域を除く成長層をｎ−
ＡｊｊＧａＡｓ吸収層１４に達するまで除去してメサ形
状の発光領域を形成する。

最後に、プラズマＣＶＤ法により無反射ＳｉＮ膜２８を
コーティングし、熱処理を行ってｎ一電極２４及びｐ一
電極２６のオーム接点を形或する。

本実施例の発光ダイオードアレイは以上のプロセスで作
製され、ｎ−Ａｊ７ＧａＡｓ発光層１８とｐ−Ａｊ７Ｇ
ａＡｓ窓層２０との界面であるヘテロ接合面から注入さ
れた少数キャリアの電子はエネルギーギャップの大きい
ｐ−ＡＪＡｓキャリアバリア層１６内には拡散すること
が出来ずにｐ−ＡｊｉＧａＡｓ発光層１８内に閉じ込め
られるので、従来の発光層の層厚に比べて０．３μｍと
著しく薄くすることが可能となる。すると、発光層の自
己吸収が低減されて発光効率が向上するとともに発光領
域であるメサの裔さ、すなわちエッチング深さを低くで
きるのでエッチング工程が容易となり、均一性にも優れ
た発光ダイオードアレイとなまた、ｐ−ＡｊｉＧａＡｓ
吸収層１４は隣接する発光エレメント間を結合している
が、この層のＡ１の組成比を発光層１８に比べて小さく
設定することによりエネルギーギャップを小さくし、発
光層１８からの光を吸収してクロストークを低減するこ
とができる。

第２図は本発明の第２実施例のＡｊ２ＧａＡｓ系発光ダ
イオードアレイの断面図である。なお、簡略化のため２
個の発光エレメントのみ図示してある。

図において、ｎ−ＧａＡｓ基板１１ｏ（ｓｉ一２×１０
１８ｃｍ−３）上にｎ−ＧａＡｓ吸収層１１４　（０．
４ｕｍ厚、Ｓｅ−ＩＸＩＯ１８ａｍ−３）　、ｎ−Ａ１
Ａｓキャリアバリア層１１ｆ３　（０．０４μｍ，Ｓｅ
−８Ｘ１０１７ｃｍ−３）、ｎ−ＡＩ　　　　　Ｇａ Ｏ．２　　　０．８””発光層１１８ （０．５ａｍ，Ｓｅ＝８Ｘ１０１７ｃｍ−３）、ｐ−Ａ
ｊ７　　　　　　（；ａ Ｏ．５　　　０．５Ａｓ窓層１２０（１．５μｍ，Ｚｎ
−ＩＸＩＯ１８ｃｍ　　”）及びｐ＋１１ 一ＧａＡｓ：＋ンタクト層１２２　（０．０５μｍ，Ｚ
ｎ−８Ｘ１０１８ｃｍ　　３）がＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａ
ｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法により順次積層される。こ
のときの発．光波長は約７２０ｎｍである。

そして、ｐ一電極１２４及びｎ−電極１２６を蒸着し、
フォトリソグラフイと化学エッチングを用いてｐ一電極
形状及び発光領域となるメサ形状を形成する。以下、前
述の第１実施例と同様のプロセスで本実施例の発光ダイ
オードアレイが作製される。

本実施例においては、発光層１１８をｎ型としているた
め、ヘテロ接合面から注入される少数キャリアは正孔で
その拡散長はキャリアバリア１１６の閉じ込め効果と相
俟って短くなり、従ってメサの高さをより低くとれ、発
光効率を向上させるとともにエッチング工程を容易とし
て均一性に優れた脅光ダイオードアレイを得ることがで
きる。

また、本実施例においても、吸収層１１４が隣接する発
光エレメントを結合し、クロストークを１２ 効果的に抑制している。

第３図は本発明の第３実施例のＧａＡｓ系発光ダイオー
ドアレイの断面図である。なお、簡略化のため２個の発
光エレメントのみ図示してある。

図において、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０（Ｓｉ−２Ｘ１０
１８ｃｍ　　”）上にｎ−ＧａＡｓ吸収層２　１　４　
（０．、２μｍ厚、　　Ｓｉ−ＩＸＩＯ１８３ ａｍ　　　）、ｎ−ＡＪ　　　　Ｇａ Ｏ．３　　　０．７”キ“ リアバリア層２１６　（０．０５ａｍ厚、Ｓｔ−８×１
０１７ｃｍ−３）、アンドープｉ−ＧａＡｓ発光層２１
８　（１．７μｍ厚）がＭＢＥ法により順次積層される
。

そして、プラズマＣＶＤ法により堆積させたＳｉＮ膜を
マスクとしてＺｎを拡散させ（深さ約１．５μｍ）、島
状のｐ一拡散領域２２０を形成することによりｐｉｎ接
合を形戊する。以下、前述の第１実施例と同様のプロセ
スで本実施例の発光ダイオードアレイが作製される。

本実施例においては、前述の第１及び第２実施例に比べ
て光を吸収しない窓層が存在しないため１３ １４ 光の取り出し効率が低下するものの、キャリアバリア層
２１６で接合面からの少数キャリアの正孔を閉じ込める
ことができるので有効な発光層２１８の層厚を１．７μ
ｍと第５図に示す従来に比べて著しく小さくすることが
でき、従って発光層２１８の自己吸収を小さくして高出
力化を図ることができる。

第４図は本発明のＳ４実施例のＧａＡｓＰ系発光ダイオ
ードアレイの断面図である。なお、簡略化のため２個の
発光エレメントのみ図示してある。

図において、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０（Ｓｉ＝２Ｘ１０
１８ｃｍ　　”）上にｎ　−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐグレ
デッドバッフ７層３１１　（０．４μｍ厚、Ｓｉ＝ＩＸ
１０１８ａｍ　　３）、ｎ−超格子バッファ層３１３　
（Ｓｉ＝ＩＸ１０１８ｃｍ　　ａ），ｎＧａＡｓ　　’
　　Ｐ　　　吸収層３１４（１０．６０．４ μｍ，Ｓｉ−ＩＸＩＯ１８ｃｍ　　”）　　　、ｎＯ．
　　７　　　０．　３）０．　　７１１００．　２９（
Ａｊｊ　　　　Ｇａ Ｐキャリアバリア層３１６　（０．０２μｍ，ＳＬ＝Ｉ
Ｘ１０１８ｃｍ−３）及びｎ−ＧａＡｓ１５ ０．６Ｐ０．４発光層３１８（３μｍ厚、Ｓｉ＝１ｘｌ
０１８ｃｍ　　”）が金属■族原料及びＡｓＨ３とＰ　
Ｈ　ａを■族原料として用いたＧＳＭＢＥ（Ｇａｓ−Ｓ
ｏｕｃｅ　ＭＢＥ　）法により順次積層される。ここで
、ｎ一超格子バッファ層３１３はｎ−ＧａＡＳ超薄膜（
３０大厚）とｎ−ＧａＡｓｏ．６ＰＯ．４超薄膜（５０
大厚）を交互に１０周期積層したものであり、このとき
の発光波長は６５５ｎｍである。以下、前述の第３実施
例と同様のプロセスで本実施例の発光ダイオードアレイ
が作製される。

本実施例においては、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ｕ板１１０と格
子不整合性を有するＧａＡｓＰ層を発光材料として用い
たため、グレーデッドバッファ層３１１と超格子バッフ
ァ層３１３により結晶性の改善を図っており、前述の第
３実施例と同様に発光層の層厚を従来に比べ３μｍと薄
くとることができ、高出力化を図ることができる。

以上述べた各実施例においては、ＡＪＧａＡｓ，ＧａＡ
ｓＰＳＧａＡｓ等の特定の組成及び層厚からなる発光ダ
イオードアレイについて説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、他の半導体利料、例えばＧａ　
Ｉ　ｎＡｓＰＳＧａＡｊｉ　Ｉ　ｎＰ，Ａｊ！Ｇａ　Ｉ
　ｎＡｓ，Ａｊ！ＧａＡｓＳｂ等を所望の組成、所望の
膜厚で用いることもできる。

また、各実施例では基板状に半導体層を積層する方法と
してＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法及びＧＳＭＢＥ法を用いた
が、本発明の発光ダイオードアレイはこれらの成長法の
他にも■族原料に有機金属ガスを用いたＣ　Ｂ　Ｅ　（
Ｃｈｅｍｅａｌ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｌｔａｘｙ）法等の結
晶成長法を用いて作製することができる。

さらに、各実施例では発光層として単一層を用いたが、
多層からなる超格子層や量子井戸構造を用いることもで
きる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば発光効率が高く光
のクロストークの少ない、かつ均一性に優れた発光ダイ
オードアレイを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る発光ダイオードアレイの第１実施
例の断面図、 １６ 第２図は第２実施例の断面図、 第３図は第３実施例の断面図、 第４図は第４実施例の断面図、 第５図は従来のホモ接合型発光ダイオードアレイの断面
図、 第６図は従来のへテロ接合型発光ダイオードアレイの断
面図である。 １０−ｐ−ＧａＡｓ基板 １４　・・・　ｐ一吸収層 １６　・・・　ｐ−キャリアバリア薄層１８　・・・　
ｐ一発光層 ２０　・・・　ｎ一窓層 １１（１＝　　ｎ−ＧａＡｓ基板 １１４・・・　ｎ一吸収層 １１６・・・　ｎ−キャリアバリア薄層１１８・・・　
ｎ一発光層 １２０・・・　ｐ一窓層 ２１４・・　ｎ一吸収層 ２１６・・・　ｎ−キャリアバリア薄層２１８・・・　
ｌ一発光層 １７ １８ ２　２　０・・・ ｐ一拡散領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 キャリアが注入される接合面が一面に形成された発光層
   を有する発光ダイオードが基板上に複数配設されてなる
   発光ダイオードアレイにおいて、前記発光層の前記接合
   面と対向する面に、前記発光層より大なるエネルギーギ
   ャップを有し接合面から発光層に注入されたキャリアの
   拡散を阻止する０．１μｍ以下厚のキャリアバリア薄層
   が設けられ、 前記キャリアバリア薄層の前記発光層との界面と対向す
   る面に、前記発光層と同じか小なるエネルギーギャップ
   を有し発光層からの光を吸収する吸収層が設けられ、 前記吸収層で隣接する発光ダイオード間を結合したこと
   を特徴とする発光ダイオードアレイ。