JPH06151957A

JPH06151957A - 発光装置

Info

Publication number: JPH06151957A
Application number: JP29437292A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Shinohara; しのぶ篠原; Masaru Takahashi; 勝高橋; Masayuki Kuwabara; 雅之桑原
Original assignee: Eastman Kodak Japan Ltd
Current assignee: Eastman Kodak Japan Ltd
Priority date: 1992-11-02
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1994-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】第１導電型基板と第２導電型層の接合部を有
し、接合面に順方向の電圧を印加することにより接合面
を発光させる発光素子を有する発光装置において、発光
素子の自己発熱を含む周囲温度が変化した場合でも所定
の発光出力を得ることができる発光素子を有する発光装
置を提供することを目的とする。【構成】Ｎ型半導体１に選択拡散膜５を用いてＰ型半
導体２を形成し、前記Ｐ型半導体２の上面に正電極３
と、Ｎ型半導体１の裏面に負電極４を設け、前記正電極
３に直列に発光出力制御用抵抗体６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光装置、特に表面発光
型の発光素子を有する発光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】小型・軽量である発光素子を有する発光
装置は、様々な分野において広く活用されている。そし
て、近年においては、光照射によって情報を記録する光
プリンタや光の反射強度を用いて画像やバーコードデー
タを読み取るイメージリーダ、あるいは光信号を利用し
た光通信機器において、発光装置が利用されている。

【０００３】図７は従来から用いられているガリウム砒
素リンを用いた発光素子の構造を示す断面模式図であ
る。

【０００４】図７に示される発光素子において、テルル
を含有するガリウム砒素リン半導体はＮ型半導体１を形
成する。前記Ｎ型半導体１に亜鉛が拡散されて、Ｐ型ガ
リウム砒素リン半導体２（以下Ｐ型半導体２という）が
形成されている。前記Ｎ型半導体１に亜鉛を拡散する
時、前記Ｎ型半導体１の上面を拡散窓を有する選択拡散
膜５によってマスキングをして、前記拡散窓より拡散を
行うので所望の範囲に前記Ｐ型半導体２を形成すること
ができる。

【０００５】そして前記Ｐ型半導体２の上面に正電極３
が設けられ、前記Ｎ型半導体１の裏面に負電極４が形成
されている。そして、該発光素子の近傍に設けられ、発
光素子に電圧を供給する図示しない定電圧供給回路よ
り、順方向の電圧がＰ型半導体２とＮ型半導体１の接合
面に印加され、注入された多数キャリアが拡散すること
によって電気エネルギーが光エネルギーに変換されて光
が射出される。

【０００６】前述したような発光素子は、注入した電流
の大部分は熱に代わり発光部から自己発熱する。この自
己発熱、及び、該発光素子を含む光プリンタ等の装置全
体から放出される熱による周囲環境温度の上昇により発
光部の温度が上昇する。一般的な発光素子は、定電流が
発光素子に流れた場合、図８に示すように温度上昇につ
れて発光出力が低下することが知られている。一方、発
光素子等の半導体は一般的に温度上昇につれて内部抵抗
が減少することが知られており、図９に示すように発光
素子に定電圧を印加した場合、周囲温度がｔ_１＜ｔ_２＜
ｔ_３のように上昇すると発光素子に流れる電流も増加す
る。つまり、図１０に示すように、電流の増加に従って
発光素子の発光出力も増加することになる。従って、発
光素子の発光出力は自己発熱および、周囲環境温度の変
化に伴う温度変化によって変動することとなる。

【０００７】この発光出力の温度変化による変動の存在
は、光照射によって画像を記録する電子写真方式のＬＥ
Ｄアレイプリンタ等では、高階調のプリント出力を得る
時には重大な問題である。つまり、動作中に温度変化が
起きると、発光素子の発光出力が変動し、意図した階調
が再現できず高品質なプリント出力が得られない。

【０００８】このような温度変化による発光出力の変動
によって発生する印刷品質の劣化を補正する手段とし
て、発光部近傍の温度を温度センサ等で検出し、検出し
た温度情報を発光素子駆動回路にフィードバックして、
電圧や電流の制御を行い発光出力を一定にする制御が行
われている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、温度変化を検
出し、その温度情報に従った電圧や電流の制御を行って
発光出力の制御を正確に行うためには、発光素子毎に温
度センサを設ける必要が有る。しかし、前記ＬＥＤアレ
イプリンタ等に使用する発光素子は、複数の発光素子を
ライン状に配列した発光素子アレイであり、それぞれの
発光素子に温度センサを設けることは、スペース面、コ
スト面において現実的でない。従って、多くの場合、発
光素子アレイの両端、または数箇所に温度センサを配置
して、発光素子アレイ全体の温度を検出して制御を行っ
ていた。従って、温度センサ近傍の限られた発光素子に
関する温度情報のみで、発光装置全体の制御を行うこと
になり、個々の発光素子の温度変化に対応した制御がで
きず、印刷斑等の印刷品質の劣化を完全に補正すること
ができないという問題があった。

【００１０】そこで本発明は、個々の発光素子の温度変
化に伴う発光出力の変動を制御し、所望する安定した発
光出力を得ることができるシンプルで、安価な発光装置
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するため、第１として、第１導電型基板と、不純物
注入によって前記第１導電型基板の一部に形成された第
２導電型層と、前記第１導電型基板と前記第２導電型層
の各表面に形成された一対の電極間に電圧を印加する電
圧供給回路と、を含み、前記電圧供給回路によって前記
電極間に順方向に電圧を印加して前記第１導電型基板と
前記第２導電型層の接合面において発光させる発光素子
を有する発光装置において、前記第２導電型層の表面に
形成された電極の近傍位置に該電極に直列に接続され、
前記発光素子および周囲温度の変化にしたがって抵抗値
を増減し該発光素子に印加する電圧を制御して発光出力
を制御する発光出力制御用抵抗体を有し、該発光出力制
御用抵抗体および発光素子全体を定電圧で駆動すること
を特徴とするものであり、第２として、前記発光出力制
御用抵抗体が前記電圧供給回路の内部に設けられ、前記
第２導電型層の表面に形成された電極と直列に接続され
ることを特徴とするものであり、第３として、前記発光
出力制御用抵抗体が前記発光素子と前記電圧供給回路の
間に設けられ、前記第２導電型層の表面に形成された電
極と直列に接続されることを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明の発光装置においては、該発光装置を定
電圧駆動した場合、各発光素子の第２導電型層の表面、
またはその近傍に形成された電極と直列に接続された発
光出力制御用抵抗体の抵抗値が発光素子の自己発熱およ
び周囲温度の変動に応じて変化する。つまり、発光素子
の温度が上昇すると、前記発光出力制御用抵抗体の抵抗
値が温度に応じて上昇し、前記発光素子に印加する電圧
を温度上昇に応じて降下させる。従って、温度変化によ
る発光素子の抵抗の増減量に応じて印加する電圧を増減
し、温度変化に伴う発光出力を制御する。

【００１３】

【実施例】本発明の第１実施例を図面を利用して説明す
る。

【００１４】本発明に基づく発光装置の発光素子は、図
１の断面模式図、図２の平面模式図に示すように、テル
ルを含有するガリウム砒素リン半導体はＮ型半導体１を
形成し、このＮ型半導体１に亜鉛が拡散され、Ｐ型ガリ
ウム砒素リン半導体（以下Ｐ型半導体２という）が形成
されている。なお、前記Ｎ型半導体１に亜鉛を拡散する
時、前記Ｎ型半導体１の上面を拡散窓を有する選択拡散
膜５によってマスキングをして、前記拡散窓より拡散を
行うことにより所望の範囲に前記Ｐ型半導体２を形成す
ることができる。また、前記Ｐ型半導体２の上面に正電
極３が形成され、前記Ｎ型半導体１の裏面に負電極４が
形成されている。

【００１５】本発明の特徴とするところは、発光出力制
御用抵抗体６が前記選択拡散膜５の上面に前記正電極３
と直列接続する状態で設けられているところである。

【００１６】発光素子駆動電圧は図示しない定電圧供給
回路よりパッド７を通して印加され、前記発光出力制御
用抵抗体６を介して、前記正電極３と前記負電極４間に
印加される。この時、順方向の電圧がＰ型半導体２とＮ
型半導体１の接合面に印加され、注入された多数キャリ
アが拡散することによって電気エネルギーが光エネルギ
ーに変換されて光が射出される。

【００１７】上述のように形成された発光出力制御用抵
抗体を有する発光素子の動作状態について説明する。図
３に本発明に係る発光装置の第１実施例の等価回路を示
す。発光ダイオード８と発光出力制御用抵抗体６は発光
素子１０上で直列に組み込まれ、この回路の一端に発光
素子１０に定電圧を印加する定電圧供給回路９が接続さ
れている。発光素子の温度が自己発熱および周囲温度の
変化によって上昇した場合、図８で示した通り、前記発
光ダイオード８は、温度上昇とともに発光出力が低下す
る温度特性をもつが、逆に、定電圧で駆動した場合は、
図９、図１０で示した通り、温度上昇とともにＰＮ接合
に電流が流れ易くなり、発光出力が増加する。一方、発
光ダイオード８と直列に接続された発光出力制御用抵抗
体６は温度上昇とともに抵抗値が増加する温度特性を持
つ。この発光ダイオード８と発光出力制御用抵抗体６の
直列回路を定電圧で駆動した場合、温度上昇と共に発光
出力制御用抵抗体６の抵抗値が上昇し、該発光出力制御
用抵抗体６の両端の電圧が上昇する。一方、この回路
は、定電圧駆動であるから、発光ダイオード８の印加電
圧は下がる。

【００１８】従って、発光素子１０の温度変化に対し
て、発光出力発光出力制御用抵抗体６の抵抗値が変化し
て、発光ダイオード８に印加する電圧を制御するので、
常に所定の発光出力を得ることができる。

【００１９】次に、前記発光出力制御用抵抗体６の選定
方法について説明する。

【００２０】前述したように発光素子の発光出力Ｌは、
該発光素子に流れ込む電流ｉに比例すると共に、周囲温
度Ｔに従って変化する。さらに、該発光素子に流れ込む
電流ｉは周囲温度Ｔに従って変化する。つまり、周囲温
度Ｔによる発光出力の変化をＬ₀、その時の温度を変数
とする関数をｇ(T) 、電流ｉの変化について温度を変数
とした時の関数をｈ(T) とすると、以下の３式を得る。

【００２１】Ｌ＝Ｌ₀ｉ（式１）Ｌ₀＝ｇ(T) （式２）ｉ＝ｈ(T) ＝Ｌ／ｇ (T) （式３）また、図３に示すように、発光出力制御用抵抗体６と発
光ダイオード８を直列に接続し、定電圧Ｖで駆動する
と、発光出力制御用抵抗体６に印加される電圧をＶ₁、
発光ダイオード８に印加される電圧をＶ₂の関係は、Ｖ＝Ｖ₁＋Ｖ₂ （式４）となる。この時、発光出力制御用抵抗体６の抵抗値Ｒ
は、流れる電流をｉ、固有抵抗値をＲ₀、温度係数をｍ
とすると、Ｒ＝Ｒ₀（１＋ｍＴ）（式５）従って、Ｖ₁＝ｉＲ＝ｉＲ₀（１＋ｍＴ）（式６）となる。また、発光ダイオード８に印加される電圧Ｖ₂
は、流れる電流をｉ、周囲温度Ｔとすると、関数Ｖ₂＝ｆ(i，T) （式７）で与えられる。以上（式１）〜（式７）より、Ｌ＝｛ｇ(T) （Ｖ−ｆ(h(T) ，T)）｝／｛Ｒ₀（１＋ｍＴ）｝（式８）が得られ、発光出力を周囲温度Ｔによって表すことがで
きる。

【００２２】次に、（式８）を用いて、周囲温度を変化
させた場合の発光出力の変化についてシュミレーション
を行う。

【００２３】例えば、ガリウム砒素リン半導体を用いた
発光素子において、前記関数ｇ(T)および関数ｆ(h(T)
，T)は、実測したデータより導き出すことができる。

【００２４】ｇ(T) ＝2.88 10^-4exp(-0.0062T) ｆ(h(T) ，T)＝ｆ(i，T)＝(7.7 10^-5i-0.0022)T+(0.016i+1.60) これらのデータを用いて式（３）及び（８）より、発光
ダイオードの発光出力を自己発熱量を含む周囲温度に関
してほぼ一定にするＶ，Ｒ₀，ｍの値の組み合わせをシ
ュミレーションにより得られる。例えば、前記ガリウム
砒素リン半導体を用いた発光素子の場合は、光出力−周
囲温度グラフがほぼ水平になるＩ，Ｒ₀，ｍの値を選択
することができる。この場合、０℃〜８０℃までの温度
範囲において、光出力の温度変化は０．１％／℃以下に
おさえられる。

【００２５】Ｖ＝1.72(V) Ｒ₀＝20（Ω）ｍ＝0.004 （／℃）前記のＲ₀とｍの値を満たす素材としてはアルミニウム
等の金属薄膜がある。また、ダブルヘテロ型のアルミニ
ウムガリウム砒素半導体を用いた発光素子では、前記関
数ｇ(T) および関数ｆ(h(T) ，T)は、実測したデータよ
り導き出すことができる。

【００２６】ｇ(T) ＝1.17 10³exp(-0.0064T) ｆ(h(T) ，T)＝ｆ(i，T)＝(-0.0024i-0.0033)T+(0.34i+1.51) これらのデータを用いて式（３）及び（８）より、発光
ダイオードの発光出力を自己発熱量を含む周囲温度に関
してほぼ一定にするＶ，Ｒ₀，ｍの値の組み合わせをシ
ュミレーションにより得られる。例えば、アルミニウム
ガリウム砒素半導体を用いた発光素子の場合は、光出力
−周囲温度グラフがほぼ水平になるＩ，Ｒ₀，ｍ値を選
択することができる。この場合、０℃〜８０℃までの温
度範囲において、光出力の温度変化は０．１％／℃以下
におさえられる。

【００２７】Ｖ＝1.70(V) Ｒ₀＝80（Ω）ｍ＝0.05（／℃）前記のＲ₀とｍの値の抵抗はアルミニウム等の金属薄膜
を用いることによって容易に入手することができる。

【００２８】従って、図４に示すように、発光部、およ
び周囲温度の温度変化に対しても常に所定の発光出力が
得られる。また、発光出力制御用抵抗体６の抵抗値の温
度に対する変化率は抵抗体の材質、形状で調節できる。
特に、発光出力制御用抵抗体６をトリミングによって短
絡し、抵抗値の微調整ができる短絡パスを有する形状に
することによって、更に良好な発光出力制御が可能とな
る。また、前記発光出力制御用抵抗体６は発光素子１０
の表面、すなわち発光部近傍に設けられているので、発
光部の温度変化に素早く反応し、常に所定の発光出力制
御を行うことができる。

【００２９】次に、第２実施例の等価回路を図５、第３
実施例の等価回路を図６に示す。第２実施例は前記発光
出力制御用抵抗体６を定電圧供給回路９内部に設けたも
のであり、第３実施例は前記発光出力制御用抵抗体６を
定電圧供給回路９と発光素子１０の間に設けたものであ
る。いずれの場合も発熱量の多い発光素子１０近傍や定
電圧供給回路９近傍に設けることが可能であり前述第１
実施例と同様な効果を得ることができる。

【００３０】なお、前記実施例においては、Ｎ型半導体
上にＰ型半導体を形成した発光素子で説明したが、Ｐ型
半導体上にＮ型半導体を形成した発光素子でも同様の構
成を有する発光素子を作ることができる。また拡散型の
発光素子でなく、不純物を添加したエピタキシャル成長
で接合部を作製してもよい。

【００３１】さらに、前記発光ダイオードの接合部も１
つのＰＮ接合に限らず、シングルヘテロ、ダブルヘテ
ロ、量子構造でも良い。また、発光素子は発光ダイオー
ドに限らずレーザーダイオードでも良い。また、簡単の
ため、前記実施例では１個の発光ダイオードを示してい
るが、２つ以上を組み合わせた発光ダイオードアレイは
あるいはレーザーダイオードアレイでも良い。また、本
実施例では定電圧駆動において、温度上昇に対して発光
出力が上昇する発光素子と、抵抗値が上昇する抵抗体の
組み合わせを示したが、発光出力が低下し、抵抗値が低
下する組み合わせでも良い。また、前記実施例において
は、Ｎ型半導体として、テルルを含有したガリウム砒素
リン半導体を用いた場合について説明したが、スズ、セ
レン、硫黄、ゲルマニュウム、シリコン等を含有したガ
リウム砒素リン半導体でもよい。また、Ｐ半導体とし
て、亜鉛を含有したガリウム砒素リン半導体を用いた場
合について説明したが、マグネシウム、マンガン、ガド
ニウム等を含有したガリウム砒素リン半導体でもよい。

【００３２】さらに、本実施例においてはＰ型半導体及
びＮ型半導体としてガリウム砒素リンを用いたが、ガリ
ウム砒素、アルミニウム砒素リン、ガリウム・リン、イ
ンジュウム・ガリウム・リン等の他の化合物半導体を用
いることも可能である。

【００３３】また、前記実施例においては、不純物を拡
散してＰ型半導体を形成する方法で説明したが、不純物
を拡散させる方法は前記方法に限られず、例えば、イオ
ン打ち込み法でＰ型半導体を形成してもよい。

【００３４】また、上述の実施例では、ＰＮ接合を有す
る発光素子を用いて本発明を説明したが、本発明はＰＮ
接合に限定されるものではなく、例えば、ＰＩＮ接合、
ＭＩＳ接合、ショットキー接合にも用いることができ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明に基づく発光素子によれば、発光
素子の自己発熱、および該発光素子を有する光プリンタ
等の装置全体の発熱により、周囲温度が急激に変化した
場合でも発光素子の発光部に印加する電圧を発光素子お
よび周囲温度の変化に応じて制御できるので常に所定の
発光出力を得ることができる。

【００３６】従って、本発明の発光素子を光プリンタ等
の露光光源として用いた場合には、該光プリンタ運転中
の周囲温度の変化に関係なく所定の発光出力が得られる
ので、意図した階調を再現することができ、高品質なプ
リント出力を得ることができる。つまり、印刷斑等の無
い高い印刷品質を得ることができる。また、抵抗体のみ
で発光出力制御が可能なので、安価であり、発光装置の
小型化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく発光装置の発光素子の第１実施
例を説明する断面模式図である。

【図２】本発明に基づく発光装置の発光素子の第１実施
例を説明する平面模式図である。

【図３】本発明に基づく発光装置の発光素子の第１実施
例を説明する等価回路である。

【図４】本発明に基づく発光装置の発光素子を定電圧で
駆動した場合の発光出力−周囲温度特性を示した特性図
である。

【図５】本発明に基づく発光装置の発光素子の第２実施
例を説明する等価回路である。

【図６】本発明に基づく発光装置の発光素子の第３実施
例を説明する等価回路である。

【図７】従来の発光装置の発光素子を説明する断面模式
図である。

【図８】従来の発光装置の発光素子を定電流で駆動した
場合の発光出力−周囲温度特性を示した特性図である。

【図９】従来の発光素子の電圧−電流特性の温度依存性
を示した特性図である。

【図１０】従来の発光素子を定電圧で駆動した場合の発
光出力−周囲温度の関係を示した特性図である。

【符号の説明】

１Ｎ型半導体（第１導電基板）２Ｐ型半導体（第２導電層）３正電極４負電極５選択拡散膜６発光出力制御用抵抗体９定電圧供給回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型基板と、不純物注入によって
前記第１導電型基板の一部に形成された第２導電型層
と、前記第１導電型基板と前記第２導電型層の各表面に形成
された一対の電極間に電圧を印加する電圧供給回路と、
を含み、前記電圧供給回路によって前記電極間に順方向に電圧を
印加して前記第１導電型基板と前記第２導電型層の接合
面において発光させる発光素子を有する発光装置におい
て、前記第２導電型層の表面に形成された電極の近傍位置に
該電極に直列に接続され、前記発光素子および周囲温度
の変化にしたがって抵抗値を増減し該発光素子に印加す
る電圧を制御して発光出力を制御する発光出力制御用抵
抗体を有し、該発光出力制御用抵抗体および発光素子全体を定電圧で
駆動することを特徴とする発光装置。
【請求項２】第１導電型基板と、不純物注入によって
前記第１導電型基板の一部に形成された第２導電型層
と、前記第１導電型基板と前記第２導電型層の各表面に形成
された一対の電極間に電圧を印加する電圧供給回路と、
を含み、前記電圧供給回路によって前記電極間に順方向に電圧を
印加して前記第１導電型基板と前記第２導電型層の接合
面において発光させる発光素子を有する発光装置におい
て、前記電圧供給回路の内部に設けられ、前記第２導電型層
の表面に形成された電極と直列に接続され、前記発光素
子および周囲温度の変化にしたがって抵抗値を増減し該
発光素子に印加する電圧を制御して発光出力を制御する
発光出力制御用抵抗体を有し、該発光出力制御用抵抗体および発光素子全体を定電圧で
駆動することを特徴とする発光装置。
【請求項３】第１導電型基板と、不純物注入によって
前記第１導電型基板の一部に形成された第２導電型層
と、前記第１導電型基板と前記第２導電型層の各表面に形成
された一対の電極間に電圧を印加する電圧供給回路と、
を含み、前記電圧供給回路によって前記電極間に順方向に電圧を
印加して前記第１導電型基板と前記第２導電型層の接合
面において発光させる発光素子を有する発光装置におい
て、前記発光素子と前記電圧供給回路の間に設けられ、前記
第２導電型層の表面に形成された電極と直列に接続さ
れ、前記発光素子および周囲温度の変化にしたがって抵
抗値を増減し該発光素子に印加する電圧を制御して発光
出力を制御する発光出力制御用抵抗体を有し、該発光出力制御用抵抗体および発光素子全体を定電圧で
駆動することを特徴とする発光装置。