JPH05327015A

JPH05327015A - 端面発光型発光ダイオードアレイ

Info

Publication number: JPH05327015A
Application number: JP12632292A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Sato; 俊一佐藤
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1993-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】高密度で光取出し効率の高い端面発光型発光ダ
イオードアレイを提供する。【構成】本発明の端面発光型発光ダイオードアレイは、
半導体基板１１上にエピタキシャル成長された少なくと
も発光ダイオードの発光層１４を含む結晶成長層と、少
なくとも該発光層１４を発光させるための電極１７，１
８とを含む積層構造より成り、積層端面２２より光出力
２３が得られる端面発光型発光ダイオード２を、等間隔
に設けた半導体基板１１を貫通しない深さの複数の分離
溝２４により各層を電気的・空間的に分離して形成し、
かつ端面発光型発光ダイオード２を複数個含むように半
導体基板１１を切断して形成した端面発光型発光ダイオ
ードアレイチップ１上の、積層面に平行で、発光ダイオ
ード２の発光層１４のアレイ方向に垂直な方向の長さＬ
とアレイ方向の長さＷとの比が、Ｌ／Ｗ≦１の関係を満
たしていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に複数個
の端面発光型発光ダイオードと個別電極とを有する高密
度モノリシックな端面発光型発光ダイオードアレイに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子写真方式による画像形成装置
や光プリンタ等の光源等に利用するための発光ダイオー
ドアレイの研究が進められている。このような発光ダイ
オードアレイとしては、基板面と平行な面内に、四角形
等の発光部を所定方向に多数配列した面発光型発光ダイ
オードアレイ（例えば、昭和５５年度電子通信学会通信
部門全国大会予稿集１-211）や、基板面に垂直な端面か
ら所定方向に多数配列した光出力が得られる端面発光型
発光ダイオードアレイ（例えば、特開昭６０−３２３７
３号公報）等がある。先ず、前者の面発光型発光ダイオ
ードアレイの基本的な構造を図５に示す。また図５に示
す面発光型発光ダイオードアレイの個別電極の主な構成
例を図６(i)，(ii)，(iii)，(iv）に示す。図５、図６
において、面発光型発光ダイオードアレイは、発光部１
２０より得られる光出力の強度を発光面内で均一化する
ために、発光部の周囲等に電極１２１が形成されてい
る。このように、面発光型発光ダイオードアレイでは、
光出力が取り出される発光部１２０と電極１２１とが同
一面上に存在するため、単位素子当たりに要する幅は、
発光部１２０の幅と電極１２１の幅、及び素子分離領域
１１８の幅を合計したものとなり、高密度に発光部を形
成することは困難である。また、面発光型発光ダイオー
ドでは、発光部の面積は光出力に大きく依存する。つま
り、図６の(i)，(ii)，(iii)，(iv)に示すように、発光
領域１２０の一部を電極１２１で隠してしまう構造で
は、電極形成精度により光出力のばらつきが大きくな
る。従って、発光出力を均一にすることも困難である。

【０００３】次に、後者の端面発光型発光ダイオードア
レイとしては、例えば図７に示すように、基板上の積層
構造内に複数の発光部１２２が形成されており、これら
の発光部１２２はその基板面と平行な面内にその端面に
対して垂直な方向に形成された分離溝１２３により電気
的且つ空間的に分離されている。このような端面発光型
発光ダイオードアレイでは、光出力が取り出される発光
部１２２と電極１２４，１２５とが同一面上に存在せ
ず、単位素子当たりに要する幅は発光部１２２の幅と素
子分離溝領域の幅を合計したものとなる。このため、高
密度発光ダイオードアレイとしては、面発光型発光ダイ
オードアレイに比べて端面発光型発光ダイオードアレイ
の方が適していると言える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】端面発光型発光ダイオ
ードアレイは面発光型発光ダイオードアレイに比べて、
上記のように高密度化に有利であり、光の放射角が小さ
く、また、発光領域像も小さく、コア径の小さな光ファ
イバー等に対して光結合効率が高い、等の多くの特徴を
有しているが、従来の端面発光型発光ダイオードアレイ
では、光出射端面から奥の発光は光出力にあまり寄与せ
ず、光取り出し効率が悪いという問題点があった。ま
た、従来の端面発光型発光ダイオードアレイでは、チッ
プの切り出し時に素子長が決まるので、素子長の再現性
が悪いという問題もある。本発明は上記事情に鑑みてな
されたものであって、上記従来の問題点を解消し、高密
度で、光ファイバーや等倍結像素子等の光学系との光結
合効率が高く、発生した光を有効に利用できる光取り出
し効率の高い、端面発光型発光ダイオードアレイを容易
に再現性良く提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発光ダイオードにおいて
発光層（発光領域）で発生した光は、結晶内で等方的に
放射される。しかし、発生した光の内、光取り出し面か
ら空気中に取り出される割合、すなわち光取り出し効率
は主に次の３つの因子によって支配される。結晶と空気との屈折率差による全反射に基づくもの
（結晶外部に放出される光は、入射角が全反射角に対応
する全反射立体角以内のものに限られる）。全反射立体角以内の光が光取り出し面で反射される
ことに基づくもの（空気中に放出される光量が減少す
る）。光取り出し面と反対側の裏面に等量放射される光が
裏面で反射されて、光取り出し面から空気中に放出され
る裏面反射に基づくもの。

【０００６】一般に、端面発光型発光ダイオードにおい
ては、光出射端面（光取り出し面）に対して裏面は遠い
ので、の因子である裏面反射は小さい。また、光出射
端面（光取り出し面）に対して奥の発光層で発生した光
は、基板と、基板の反対側の表面に設けられたオーミッ
ク電極に邪魔されての因子の全反射立体角以内の光も
制限を受けてしまう。また、光出射端面にほぼ垂直に向
かう発光層を通過する光については、短波長側の成分は
大きな吸収を受ける。上記のようなわけで、端面発光型
発光ダイオードでは、光出射端面（光取り出し面）から
奥の発光は光出力にあまり寄与せず、光出射端面近傍の
発光が主に寄与する。

【０００７】本発明者らの実験によれば、端面発光型発
光ダイオードの光出力Ｐは、図２に示す端面発光型発光
ダイオードの発光層の積層面内の寸法における光出射方
向の長さ、すなわち素子長Ｌに大きく依存することがわ
かった。ここで、図３には、ダブルヘテロ接合を有した
端面発光型発光ダイオードの素子幅Ｗ＝一定、注入電流
Ｉ＝一定、の時、光出射方向の長さ（素子長）Ｌを変化
させた時の素子長Ｌと素子幅Ｗの比”Ｌ／Ｗ”と光出力
Ｐの関係を示している。一定注入電流における光出力は
上記の比”Ｌ／Ｗ”が小さくなるにつれて大きくなり、
Ｌ／Ｗ＝１より小さくなると急激に大きくなっている。
これは、Ｌ／Ｗ比が小さくなるにつれて光出力に大きく
寄与する光出射端面近傍の発光層における注入電流密度
の上昇によるものである。この結果から、光出射端面
（光取り出し面）から奥で発生した光は光出力にあまり
寄与せず、素子長Ｌが短い方が光取り出し効率が大きく
なることが明らかとなった。また、Ｌ／Ｗ比が１より小
さい領域では、特に素子長Ｌを均一に（Ｌ／Ｗ比を一定
に）形成することが光出力の均一性に重要であることが
わかった。次に、図４に示すダブルヘテロ接合を有した
端面発光型発光ダイオードの発光層の寸法が６００μｍ
×３００μｍである素子に対して、一定注入電流時の長
さの違う両端面からの光出力Ｐ１，Ｐ２を測定した。そ
の結果、６００μｍの長さの端面からの光出力Ｐ２の方
が３００μｍの長さの端面からの光出力Ｐ１に対して、
およそ２倍の光出力が得られた。

【０００８】以上のような実験的な検討の結果より、端
面発光型発光ダイオードの場合、発光層の寸法として、
光出射端面側の長さが光出射端面に垂直な方向の端面の
長さより長い方が、光出射端面に垂直な方向の端面の長
さが光出射端面の長さより長い場合よりも、同一素子で
ありながら、同一電流注入時に高い光出力が得られ、逆
の寸法の場合に比べ有効であることがわかった。また、
本発明のようなアレイ型デバイスの場合、素子幅Ｗは、
ドット密度や、隣接する素子との光学的・電気的分離の
ための分離溝幅等により決定されるものであり、主に図
２のように素子長Ｌがパラメータと成り得るものであ
る。

【０００９】そこで、以上のことより本発明の要旨は、
「半導体基板上にエピタキシャル成長された少なくとも
発光ダイオードの発光層を含む結晶成長層と、少なくと
も該発光層を発光させるための電極とを含む積層構造よ
り成り、積層端面より光出力が得られる端面発光型発光
ダイオードを、等間隔に設けた前記半導体基板を貫通し
ない深さの複数の分離溝により各層を電気的・空間的に
分離して形成し、かつ、前記端面発光型発光ダイオード
を複数個含むように前記半導体基板を切断して形成した
端面発光型発光ダイオードアレイチップ上の、積層面に
平行で、前記発光ダイオードの発光層のアレイ方向に垂
直な方向の長さＬと、アレイ方向の長さＷとの比を、Ｌ
／Ｗ≦１とし（請求項１）」、「各端面発光型発光ダイ
オードの光出射端面は、ＰＮ接合より深く、かつ前記分
離溝と同じ深さの段部を持ち、発光ダイオードアレイチ
ップの端面より内側に形成したこと（請求項２）」にあ
る。

【００１０】

【作用】本発明では、上記のような発光層の寸法で端面
発光型発光ダイオードアレイを形成することにより、光
出射端面から奥の光出力にあまり寄与しない発光領域が
減少し、また、裏面反射による効果も増大するので、光
取り出し効率が向上し、発生した光を有効に利用でき
る。さらに、上記のように光出射端面を形成することに
より、素子長を均一に再現性良く形成することができ
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例を示す図であって、
（ａ）は端面発光型発光ダイオードアレイの上面図、
（ｂ）は（ａ）に示す端面発光型発光ダイオードアレイ
のＡ−Ａ’断面図である。図１の発光ダイオードアレイ
チップ１において、端面発光型発光ダイオードアレイ
は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に等間隔に設けた分離溝２
４により、各端面発光型発光ダイオード２が一列にドッ
ト密度４００ｄｐｉ（ドット／インチ）相当に形成され
ている。この端面発光型発光ダイオード２の積層構造は
ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にＭＯＶＰＥ法によりｎ型Ｇａ
Ａｓバッファー層１２、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラ
ッド層１３、発光層であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ活性層１
４、ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層１５、ｐ型Ｇａ
Ａｓキャップ層１６の複数の層より形成されている。こ
の積層構造は所謂ダブルヘテロ構造を含んでいる。この
積層構造の表面、すなわち、キャップ層１６上面から基
板１１の表面までアレイ方向に対して直角に該基板１１
に達し、貫通しない深さの分離溝２４が塩素系ガスを用
いたドライエッチング法によって形成されており、この
分離溝２４によって各端面発光型発光ダイオードが電気
的・空間的に分離されている。また、各端面発光型発光
ダイオードの光出射端面２２は、分離溝２４と同じ深さ
で、基板１１面に対して垂直に、且つアレイ方向に平行
に形成されていて、基板１１のアレイ方向に平行な辺２
５に近接した位置、すなわち５μｍ内側に離れて配置さ
れている。さらに、これらの各端面発光型発光ダイオー
ドのキャップ層１６上には、それぞれＡｕ−Ｚｎ／Ａｕ
からなるｐ側個別電極１７が形成され、また基板１１の
裏面にはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側共通電極
１８が形成されている。

【００１２】ここで、各端面発光型発光ダイオード２の
寸法、つまり発光層であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ活性層
１４の寸法は、アレイ方向の長さＷが４５μｍ、アレイ
方向に垂直な方向の長さＬが３５μｍに形成されてお
り、Ｌ／Ｗ比は７／９となっている。また、各端面発光
型発光ダイオード２のｐ側個別電極１７は、各端面発光
型発光ダイオード２の光出射端面２２に対して該端面発
光型発光ダイオードの後方に配置された図示しない配線
用ボンディングパットに、Ｃｒ／Ａｕの２層構造の配線
２０により電気的に接続されている。尚、１９は絶縁性
誘電体膜であるＳiＯ₂膜、２１はコンタクトホール部で
ある。

【００１３】さて、上記端面発光型発光ダイオードアレ
イは４００ｄｐｉ相当で形成され、０．６ｍｍ×４．０
５ｍｍの寸法のチップ中に６４個の端面発光型発光ダイ
オードを形成することができる。このような本発明の実
施例の素子であれば、従来のように発光層の寸法が、ア
レイ方向の長さより、アレイ方向に垂直な方向の長さの
方が長い素子に比べて一定注入電流値において数％から
数倍の高出力が得られるものである。また、このように
して構成された端面発光型発光ダイオードアレイは、光
が取り出される発光部と個別電極が同一面上に存在しな
いので、個別電極形成の精度による光出力のばらつきは
無い。そして、発光層等の成膜には、膜特性の均一性に
優れたＭＯＶＰＥ法により作製され、更に、分離溝形成
には、均一性に優れたドライエッチング法を用いている
ので、同一の発光ダイオードアレイチップ内において
は、光出力のばらつきが±５％以下になっている。ま
た、チップの切り出しによる素子長の変化はないので、
再現性良く同一寸法に形成でき、素子長のばらつきによ
るチップ間での光出力のばらつきを抑えられる。

【００１４】尚、この発光ダイオードアレイチップの形
成に用いられる材料としては、III−Ｖ族化合物半導体
であるＧaＡs，ＡlＧaＡs，ＡlＧaＩnＰ，ＩnＰ，ＩnＧ
aＡsＰ，ＩnＧaＰ，ＩnＡlＰ，ＧaＡsＰ，ＧaＮ，ＩnＡ
s，ＩnＡsＰ，ＩnＡsＳb等、あるいは、II−ＶI 族化合
物半導体であるＺnＳe，ＺnＳ，ＺnＳＳe，ＣdＳe，Ｃd
ＳＳe，ＣdＴe，ＨgＣdＴe等、さらには、IＶ−ＶI族化
合物半導体であるＰbＳe，ＰbＴe，ＰbＳnＳe，ＰbＳn
Ｔe 等であり、それぞれの材料の長所を生かして積層構
造に適用することが可能である。また、活性層としてＡ
lＧaＡs 系の材料を用いた場合、ＧaＡsまたはＡｌ組成
が０より大きく０．４５より小さい値を持つＡlＧaＡs
が用いられ、その場合、図１(ｂ)のクラッド層１３及び
１５は活性層１４より禁制帯幅の広いＡlＧaＡsを用い
れば良い。

【００１５】また、発光ダイオードアレイチップ１にお
いては、ｎ型をｐ型、ｐ型をｎ型として構成しても良
い。また、発光ダイオードアレイチップ１の各端面発光
型発光ダイオード２を分離する分離溝２４は積層構造表
面より基板１１に達するように形成されているが、本質
的には、隣接する端面発光型発光ダイオード２の活性層
１４間を電気的に分離すれば良いことから、溝の底部が
必ずしも基板１１まで達している必要はなく、活性層１
４を通りクラッド層１３に達していれば充分機能するも
のである。また、このような分離溝２４は、通常、エッ
チング等の方法により形成されるが、基板１１面に垂直
な側面を有する幅の狭い分離溝が高精度に形成されるこ
とが望ましく、このような観点から、異方性の高いドラ
イエッチング法等を用いることが望ましい。

【００１６】さらに、各端面発光型発光ダイオード２の
寸法、つまり発光層であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ活性層１
４の寸法を、アレイ方向の長さＷ＝４５μｍ、アレイ方
向に垂直な方向の長さＬ＝３５μｍに形成したが、本発
明の趣旨から、アレイ方向の長さＷと、アレイ方向に垂
直な方向の長さとの比が、Ｌ／Ｗ≦１を満たしていれば
良い。また、本実施例では、層構成としてダブルヘテロ
接合で説明したが、シングルヘテロ接合、ホモ接合でも
良く、ＰＮ接合が形成されていれば良い。

【００１７】また、図１において、各端面発光型発光ダ
イオード２の光出射端面２２の位置は、発光ダイオード
アレイチップ１の辺２５から５μｍ内側に離して形成し
たが、チップ切り出し時に素子長が変わるような影響を
受けなければ良く、チップの切り出し精度等により、チ
ップの辺２５から光出射端面２２までの距離を決めれば
良い。また、各端面発光型発光ダイオード２の光出射端
面２２は、分離溝２４の形成時に同時に異方性の高いド
ライエッチング法等を用いて形成した方が、容易に、平
滑に、均一性良く、同じ深さに形成できるものである。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
端面発光型発光ダイオードアレイにおいて、各端面発光
型発光ダイオードの発光層を含む積層面上で、発光層の
アレイ方向に垂直な方向の長さＬが、アレイ方向の長さ
Ｗより短くなるように、Ｌ／Ｗ≦１を満たすように形成
したので、光出射端面から奥の光出力にあまり寄与しな
い発光領域が減少し、発生した光を有効に利用できるの
で、光取り出し効率が向上し、一定の注入電流値でより
高い光出力を有した高密度端面発光型発光ダイオードア
レイが形成できる。また、光出射端面が、端面発光型発
光ダイオードアレイチップの端面より内側に形成されて
いるので、ダイシング、へき開等のチップの切り出し時
の精度による素子長のばらつきの発生は無く、各端面発
光型発光ダイオードが同一素子長に形成され、光出力の
均一性に優れた端面発光型発光ダイオードアレイチップ
が再現性良く形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図であって、（ａ）は
端面発光型発光ダイオードアレイの上面図、（ｂ）は
（ａ）に示す端面発光型発光ダイオードアレイのＡ−
Ａ’断面図である。

【図２】端面発光型発光ダイオードの概略構成を示す平
面図である。

【図３】図２に示す端面発光型発光ダイオードの素子長
Ｌと素子幅Ｗの比Ｌ／Ｗと光出力Ｐとの関係を示す図で
ある。

【図４】端面発光型発光ダイオードの２方向への光出力
Ｐ１，Ｐ２を示す図である。

【図５】従来の面発光型発光ダイオードアレイの概略構
成を示す平面図である。

【図６】(i)，(ii)，(iii)，(iv）は面発光型発光ダイ
オードアレイの個別電極の主な構成例を示す図である。

【図７】従来の端面発光型発光ダイオードアレイの概略
構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１・・・発光ダイオードアレイチップ２・・・端面発光型発光ダイオード１１・・・ｎ型ＧａＡｓ基板１２・・・ｎ型ＧａＡｓバッファー層１３・・・ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層１４・・・発光層であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ活性層１５・・・ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層１６・・・ｐ型ＧａＡｓキャップ層１７・・・ｐ側個別電極１８・・・ｎ側共通電極１９・・・絶縁性誘電体膜２０・・・配線２１・・・コンタクトホール２２・・・光出射端面２３・・・光出力２４・・・分離溝２５・・・基板のアレイ方向に平行な辺（端面）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にエピタキシャル成長された
少なくとも発光ダイオードの発光層を含む結晶成長層
と、少なくとも該発光層を発光させるための電極とを含
む積層構造より成り、積層端面より光出力が得られる端
面発光型発光ダイオードを、等間隔に設けた前記半導体
基板を貫通しない深さの複数の分離溝により各層を電気
的・空間的に分離して形成し、かつ、前記端面発光型発
光ダイオードを複数個含むように前記半導体基板を切断
して形成した端面発光型発光ダイオードアレイチップ上
の、積層面に平行で、前記発光ダイオードの発光層のア
レイ方向に垂直な方向の長さＬと、アレイ方向の長さＷ
との比が、Ｌ／Ｗ≦１の関係を満たしていることを特徴とする端面発光型発光
ダイオードアレイ。
【請求項２】請求項１記載の端面発光型発光ダイオード
アレイにおいて、各端面発光型発光ダイオードの光出射
端面は、ＰＮ接合より深くかつ前記分離溝と同じ深さの
段部を持ち、発光ダイオードアレイチップの端面より内
側に形成されていることを特徴とする端面発光型発光ダ
イオードアレイ。