JPH0442582A - 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、複数の発光ダイオードが基板上に密接配列さ
れてなる発光ダイオードアレイに係り、例えば光学式プ
リンタ等の画像形成用光源として好適な発光ダイオード
アレイに関する。

［従来の技術］ 発光タイオードアレイは、ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合
を有する複数の発光ダイオードを基板上に密接に配列し
て構成される。この発光ダイオードアレイは、各発光ダ
イオードを電気的に独立制御することにより、比較的容
易に画像情報等を処理できる利点を有している。このた
め、その改良と共に種々の応用が提案されている。

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い情報量の増大だけでなく
取り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状況が変化している。この状況
に対応すべく、より高速化、高密度化が要求されており
、この課題を解決すべく発光ダイオードアレイをプリン
タの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前述の発
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。レーザプリンタであれば、レーザビームの走査に
回転可能なポリゴンミラー等の機構とこれに対応した繁
雑な光学系を必須とする。これに対して、ＬＥＤプリン
タは、発光ダイオードアレイの各発光ダイオードを電気
的にオンオフ制御して駆動すればよく、レーザプリンタ
に比べて小型、高速かつ高信頼化が可能となる。

第４図に従来のＬＥＤプリンタに用いられるホモ接合型
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個の発光ダイオード（以下発光
エレメントという）のみ図示しである。

図において、各発光エレメントは、ｎ−ＧａＡｓ基板１
０上にｎ−ＧａＡｓＰ層１２（約１２μｍ厚）をＶ　Ｐ
　Ｅ　（ＶＡＰＯＵＲＰＨＡＳＥ　ＥＰＩＴＡＸＹ）法
により積層し、更にＳｉＮ　　膜１４をマスクとしてＺ
ｎ拡散を行い、島状のＺｎ拡散領域１６（約２．５μｍ
厚）を形成することにより構成されている。ここで、ｎ
−ＧａＡｓＰ層１２と約１２散領域１６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−電極１８及びｎ−電極２０をそれぞれ形成
し、その後、無反射Ｓ　ｉＮ　ｘ膜２２をコーティング
し、発光エレメントから離れた領域でこの無反射Ｓｉ’
Ｎ　　膜２２を除去して、ｐ−電極１８のポンディング
パッドが形成される。

ここで、プリンタに用いられる発光ダイオードアレイに
おいては、単体で使用される発光ダイオードと異なり、
以下の問題点がある。

すなわち、光の自己吸収のため、あるいは発光領域とな
るＺｎ拡散領域１６の屈折率が著しく大きいために、光
の大部分が全反射してしまい外部に取り出すことができ
ず、光の取り出し効率が数％以下と極めて低いことであ
る。

第４図に示される従来の発光ダイオードアレイにおいて
は、ＰＮ接合はｎ−ＧａＡｓＰ層１２と約１２拡散領域
１６の界面のホモ接合で形成されているために、光の自
己吸収が大きく、また、光の全反射のための光の損失に
ついて全く考慮がなされていない。

そこで、このような従来のＧａＡｓＰ発光ダイオードア
レイの欠点を改良するために、第５図に示されるＡｌＧ
ａＡｓ系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−ＧａＡｓ基板３０上にｐ−ＡｌｘＧａ
１−、Ａｓ層３２　（１０μｍ厚、Ｚｎ−３４（５μｍ
厚、Ｔｅ＝８Ｘ１０’ｃｍ−”）ｎ”−ＧａＡｓ層３６
　（０，１μｍ厚、５ｎ−５×１０１８ｃｍ−３）が、
Ｌ　Ｐ　Ｅ　（ＬＩＱＬＩＩＤ　ＰＨＡＳＥＥＰＩＴＡ
ＸＹ）法により順次積層される。なお、Ａ１組成は発光
波長約７２０ｎｍの場合で、ｘ　−０，２、ｙ−０，５
に設定されている。

ＬＰＥ成長後、ｎ−電極３８及びｐ−電極４０を蒸着し
、フォトリソグラフィーと化学エツチングを用いてｎ−
電極３８の不要部分を除去する。

次に、化学エツチングによりｎ−電極３８部を除き、ｎ
　　−ＧａＡｓ層３６を選択的に除去する。

ｎ−電極３８形成用のフォトレジストを除去した後、フ
ォトリソグラフィーと、化学エツチングを用いて発光領
域を除く成長層をｐ−ＡｌｘＧ　ａ　ｌ□Ａｓ層３２に
１μｍ程度以上入るまでエツチングし、メサ形状の発光
領域を形成する。

サラニ、プラグ７　ＣＶ　Ｄ　（ＣＨＥＭＩＣＡＬ　Ｖ
ＡＰＯＵＲＤＥＰＯ３ＩＴＩＯＮ）法によりＳｉＮ　　
膜の無反射コート膜４２を形成し、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、従来より単
体の高輝度ＬＥＤ素子に用いられている構造をアレイ化
したものであり、発光層であるｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡ
ｓ層３２からの発光エネルギーに対して透明な窓となる
ｎ　　Ａ　ｌ　、　Ｉｃｙ　ａ　ｌ□Ａｓ層３４層相４
て自己吸収による光の取り出し効率の低下を防止すると
共に、ヘテロ接合によりキャリア注入効率を向上させ、
第４図に示されたホモ接合型発光ダイオードアレイに比
べ数倍以上の外部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、
依然問題点が存在する。すなわち、前述したように、発
光領域の屈折率が著しく大きく光の大部分が全反射する
ために、光の大部分が発光領域内に留まり、光の取り出
し効率が数％以下と極めて低いということである。これ
は、面発光型発光ダイオードアレイでは、本質的な問題
であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり
、その目的は信頼性、再現性を損ねることなく、光取り
出し効率の向上を可能とし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］ 上記目的を達成するために本発明は、キャリア注入によ
り発光する発光層と、この発光層内の光が放出される発
光面とを有する発光ダイオードが基板上に複数個配列さ
れてなる発光ダイオードアレイにおいて一前記発光ダイ
オード各個の発光面に複数の起伏を設け、発光面の傾き
を不揃いに形成したことを特徴とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明の発光ダイオードアレイにおい
ては、発光層に対する発光面の傾きを変化させることで
、発光面への光の入射角が一様でなくなるため、発光面
にて全反射される光が少なくなり、外部に放出される光
の量が増加する。

［実施例］ 以下、図面を用いながら本発明に係わる発光ダイオード
アレイの実施例を説明する。

第１実施例 第１図は本発明の第１実施例における発光ダイオードア
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である。

図において、各発光エレメントは、ｎ−ＧａＡｓ基板５
０上にｎ−ＧａＡｓＰ層５２（約５２μｍ厚）をＶ　Ｐ
　Ｅ　（ＶＡＰＯＵＲＰＨＡＳＥ　ＥＰＩＴＡＸＹ）法
により積層し、更にＳｉＮ　　膜５４をマスクとしてＺ
ｎ拡散を行い、島状のＺｎ拡散領域５６（約２．５μｍ
厚）を形成することにより構成される。

ここで、ｎ−ＧａＡｓＰ層５２と約５２Ｚｎ拡散領域５
６との界面がＰＮ接合面となり発光エレメントとなる。

その後、フォトリソグラフィー技術と化学エツチング技
術を用いてメサエッチングを行い、発光エレメントの光
取り出し部、すなわち発光面５８にサブミクロン−数ミ
クロンの間隔で凹凸（起伏）を形成する。第１図では、
この凹凸は簡略化のため数個のみを示しているが、実際
は発光ダイオードアレイの発光エレメントの大きさと、
凹凸の大きさによってピッチのサイズは決定する。

そして、ｐ−電極６０及びｎ−電極６２がそれぞれ形成
される。図示しないが、ｐ−電極６０が設けられた基板
表面には場合により、無反射ＳｉＮｘ膜をコーティング
し、発光エレメントから離れた領域でこの無反射ＳｉＮ
　　膜を除去して、その部分にｐ−電極５８のポンディ
ングパッドが形成される。

本第１実施例の発光ダイオードアレイはこのようなプロ
セスにより構成され、４５°の傾きをもつ凹凸（起伏）
を化学エツチングであるメサエッチングにより［０１１
１方向と垂直方向のみに形成する。このようにウェハー
表面（発光面５８）に傾きを設けることで、Ｚｎ拡散領
域５６から発光面５８への光の入射角が変わり、従来全
反射となっていた角度においても外部に光を取り出すこ
とが可能となる。この結果、従来の平面発光型発光ダイ
オードと比較し、光の取り出し効率は約１．８倍に向上
した。また、発光面５８の凹凸をプラズマエツチング法
を用いて同心円上に形成すると、光の取り出し効率は約
１０倍まで向上させることができる。

第２実施例 第２図は本発明の第２実施例における発光ダイオードア
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である。

図において、ｐ−ＧａＡｓ基板７０上にｐ−７４（５μ
ｍ厚、Ｔｅ−８Ｘ１０’ｃｍ−”）、ｎ　　−ＧａＡｓ
層７６　（０，１μｍ厚、５ｎ−５Ｘ　１０１８ｃ　ｍ
−３）が、Ｌ　Ｐ　Ｅ　（ＬＩＱＵＩＤ　ＰＨＡＳＥＥ
ＰＩＴＡＸＹ）法により順次積層される。なお、Ａ１組
成は発光波長的７２０ｎｍの場合で、ｘ　−０，２、ｙ
−０，５に設定されている。

ＬＰＥ成長後、ｎ−電極７８及びｐ−電極８０を蒸着し
、フォトリソグラフィーと化学エッチングを用いてｎ−
電極７８の不要部分を除去する。

次に、化学エツチングによりｎ−電極７８部を除き、ｎ
　　−ＧａＡｓ層７６を選択的に除去する。

ｎ−電極７８形成用のフォトレジストを除去した後、フ
ォトリソグラフィーと、化学エツチングを用いて発光領
域を除く成長層をｐ−ＡＩ。

Ｇａ１−ｘＡｓ層７２に１μｍ程度以上入るまでエツチ
ングし、メサ形状の発光領域を形成する。

その後、発光領域の発光面１５８に、フォトリソグラフ
ィーと化学エツチング技術を用いてメサエッチングを行
い、前述の第１実施例と同様な凹凸を形成する。

上記構成によるＡｌＧａＡｓ系シングルへテロ接合発光
ダイオードアレイであっても、発光エレメントの光取り
出し部（すなわち発光面１５８）に第１実施例同様な凹
凸を形成することができ、このことによって光の取り出
し効率を向上させることが可能となっている。

第３実施例 第３図は本発明の第３実施例における発光ダイオードア
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である。また、第１図と同一構成要
素には同じ符号を付して説明は省略する。

本実施例において特徴的なことは、発光面２５８におけ
る起伏形状を垂直方向の溝によって構成したことである
。この溝は、例えばＲＩＥ（ＲＥＡＣＴＩＶＥ　ＩＯＮ
　ＥＴＣＩＩＮＧ）技術を用イテ形成される。このよう
な起伏形状であっても、上記第１または第２実施例と同
様に、発光効率の向上に効果がある。

なお、上記第１、第２、第３実施例において、ＧａＡｓ
ＰＳＡＩＧａＡｓ系の特定の組成、構造を持つ発光ダイ
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、発光エレメントの表面（すなわち
発光面）を加工することができるすべての発光ダイオー
ドアレイに適応することができる。また、発光ダイオー
ドアレ・ｆの構造もホモ接合、Ｓ　Ｈ（ＳＩＮＧＬＥ　
ＨＥＴＥＲＯ）構造、Ｄ　Ｈ（ＤＯＵＢＬＥ　Ｉ（ＥＴ
ＥＲＯ）構造、あるいは、その他のペテロ構造を持つ発
光ダイオードアレイにも適応される。

また、発光面における凹凸の角度はメサエッチングの場
合の４５°を例にとり説明を加えたが、必ずしもこの角
度に限定する必要はない。

最後に、上記第１、第２、第３実施例において、ＧａＡ
ｓＰ、ＡｌＧａＡｓの作成方法として、ＬＰＥ、ＶＰＥ
法を用いたが、他の結晶成長法、たとえば、ＭＢＥ、、
ＬＰＧＶＤ、ＭＯＣＶＤ　（ＯＭＶＰＥ）　、ＧＳＭＢ
Ｅ、ＣＢＥ法等の作成法を用いることも可能である。

本発明の発光ダイオードアレイは、上記説明のように、
光の取り出し効率が高いので、例えばＬＥＤプリンタの
画像形成用光源として用いた場合には、十分な光量を供
給することができる。このため、本発明を適用したＬＥ
Ｄプリンタにあっては、高速かつ高品質、さらに低消費
電力のプリントが可能となる。

［発明の効果〕 以上説明したように本発明に係る発光ダイオードアレイ
によれば、従来全反射となり外部に取り出されることが
なかった入射角の光に対して、取り出し可能な角度を有
する発光面を設定することができ、光の取り出し効率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における発光ダイオードア
レイの断面図、 第２図は本発明の第２実施例における発光ダイオードア
レイの断面図、 第３図は本発明の第３実施例における発光ダイオードア
レイの断面図、 第４図は従来のホモ接合型発光ダイオードアレイを示す
断面図、 第５図は従来のシングルへテロ接合型発光ダイオードア
レイを示す断面図である。 ５２−ｎ−ＧａＡ５Ｐ層 ５６　・・・　Ｚｎ拡散領域 ５８　・・・　発光面 ５ｏ：　ｎ　’ＧａＡｓ基板 ５２：　ｎ　−ＧａＡｓＰ層 ５４　：　ｓ　ｉ　Ｎｘ膜 ５６：Ｚｎ拡散領域 ５８、発光面 ６０　Ｐ−電極 ６２、。−電極 第 ■ 実施例 第３実施例 第３図 ７０： ＧａＡｓ基板 帥　ト１極 １５８゛発光面 第２実施例 ｉＱ　：　ｎ　−ＧａＡｓ基板 １２　：　１ｌ−ＧａＡｓＰ層 １４：５ｉＮｘ膜 １６　＝　Ｚｎ拡散領域 ２２・無反射Ｓ　ｉＮｘ膜 従 来 例 第４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　キャリア注入により発光する発光層と、この発光層内
   の光が放出される発光面とを有する発光ダイオードが基
   板上に複数個配列されてなる発光ダイオードアレイにお
   いて、 前記発光ダイオード各個の発光面に複数の起伏を設け、
   発光面の傾きを不揃いに形成したことを特徴とする発光
   ダイオードアレイ。