JPH10303457A - 発光素子アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シャープな発光出力が得られにくく、また発光
素子を高密度実装するのが極めて困難であった。 【解決手段】上面に帯状の多孔質シリコン層１ａを有す
るシリコン基板１と、該シリコン基板１の上面に形成さ
れ、一端が前記多孔質シリコン層１ａ上まで延在する複
数個の透明電極３と、前記シリコン基板１の下面に形成
された共通電極４とから成り、各透明電極３と共通電極
４との間に電圧を印加し、両電極３，４間に位置する多
孔質シリコン層１ａより光が発光するようになした発光
素子アレイであって、前記多孔質シリコン層上面に断面
Ｖ字型の溝部１ｂを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発光素子アレイに関
し、特にページプリンタ用感光ドラムの露光源等に用い
られる発光素子アレイに関する。

【０００２】

【従来技術及びその問題点】従来より、ページプリンタ
用感光ドラム等の露光源として発光素子アレイが用いら
れている。

【０００３】かかる従来の発光素子アレイとしては、例
えば、複数の発光ダイオード素子を直線状に配列させて
なるＬＥＤアレイ等が知られており、該ＬＥＤアレイの
各発光ダイオード素子は、シリコン（Ｓｉ）やガリウム
砒素（ＧａＡｓ）から成る半導体基板の表面に、ｎ型半
導体の単結晶とｐ型半導体の単結晶とをｐｎ接合させて
成る化合物半導体層を形成した構造を有している。尚、
このような発光ダイオード素子の化合物半導体層はガリ
ウム−砒素−リン（ＧａＡｓＰ）等によって形成され
る。

【０００４】そして前記発光ダイオード素子は、化合物
半導体層上に形成される個別電極と半導体基板の下面に
被着される共通電極との間に所定の電流を流し、ｐ型半
導体の単結晶に電子を注入するとともにｎ型半導体の単
結晶に正孔を注入し、少数キャリアの一部を多数キャリ
アと発光再結合させることによって光を生じるようにな
っている。

【０００５】尚、前記ＬＥＤアレイの化合物半導体層
は、従来周知のＭＯＣＶＤ法やメサエッチング等によっ
て発光ダイオード素子毎に半導体基板の上面に島状に形
成されていた。

【０００６】しかしながら、このような従来の発光素子
アレイにおいては、前述したガリウム−砒素−リンの単
結晶が発光ダイオード素子毎に独立して形成されてお
り、これらを前述のＭＯＣＶＤ法等によって形成する
と、その内部に多数の格子欠陥がランダムに形成された
り、或いは不純物が混入される等して各単結晶の特性が
異なったものとなってしまう。そのため、前述のような
発光素子アレイをプリンタ用の露光源として用いた場
合、発光ダイオード素子間で発光ばらつきが生じ、印画
に濃度むらが形成される欠点を有していた。

【０００７】また上述した従来の発光素子アレイにおい
ては、半導体基板や化合物半導体層が砒素を含んで構成
されており、その製造時にアルシン（ＡｓＨ₃ ）等のガ
スが大量に使用されることから、有害な砒素の分離，回
収処理のために多額のコストと手間が発生し、また有害
ガスの使用は環境上、望ましくなかった。

【０００８】しかも、ガリウム砒素等の単結晶から成る
発光ダイオード素子は、その使用時等に熱や電界による
転位の影響を受けやすく、そのため、発光特性が比較的
短時間のうちに変化し、使用に供しなくなる欠点も有し
ていた。

【０００９】一方、上述のような発光ばらつきの問題や
発光特性の変化等を有効に防止するために、砒素やガリ
ウム砒素等を一切用いずに発光素子を形成することが検
討されている。かかる発光素子は、図４に示す如く、単
結晶シリコンから成るシリコン基板１１の上面に窒化シ
リコン等から成る窓付きの絶縁膜１２を被着させるとと
もに、この窓部１２ａ内に位置するシリコン基板１１の
上面近傍を従来周知の陽極化成によって多孔質化し、更
にシリコン基板１１の上面及び下面に一対の電極１３，
１４を被着させた構造を有しており、この一対の電極１
３，１４間に電圧を印加して両電極１３，１４間の多孔
質シリコン層１１ａを量子効果によって発光させるよう
にしたものである。

【００１０】しかしながら、このような図５の発光素子
は、シリコン基板１１の上面がほぼ平坦であるため、こ
の平坦面に前述の陽極化成処理を施して多孔質シリコン
層１１ａを形成しようとすると、多孔質シリコン層１１
ａは半円状を描きながら形成されることとなる。このよ
うな発光素子の発光強度は一般に多孔質シリコン層１１
ａの体積に比例するため、所定の発光強度を得るために
陽極化成の処理時間を長くする等して多孔質シリコン層
１１ａの体積を増やそうとすると、発光部がシリコン基
板１１の面方向に大きく広がり、シャープな発光出力が
得られなくなる欠点を有している。またこの場合、発光
部がシリコン基板１１の面方向に大きく広がってしまう
ため、複数の発光素子を高密度に配列させてプリンタ用
の露光源を構成することは困難であった。

【００１１】

【問題点を解決するための手段】本発明は上記欠点に鑑
み案出されたもので、本発明の発光素子アレイは、上面
に帯状の多孔質シリコン層を有するシリコン基板と、該
シリコン基板の上面に形成され、一端が前記多孔質シリ
コン層上まで延在する複数個の透明電極と、前記シリコ
ン基板の下面に形成された共通電極とから成り、各透明
電極と共通電極との間に電圧を印加し、両電極間に位置
する多孔質シリコン層より光が発光するようになした発
光素子アレイであって、前記多孔質シリコン層上面に断
面Ｖ字型の溝部を形成したことを特徴とするものであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明の発光素子アレイの一
形態を示す平面図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図であ
り、１はシリコン基板、１ａは多孔質シリコン層、１ｂ
は溝部、３は透明電極、４は共通電極である。

【００１３】前記シリコン基板１は、厚み方向に（１０
０）方位を配した単結晶シリコンから成り、従来周知の
ＣＺ法等によって製作される単結晶シリコンを２５０〜
３５０μｍの厚みでスライスし板状に加工することによ
り形成される。

【００１４】また前記シリコン基板１の上面には帯状の
多孔質シリコン層１ａと窓付きの絶縁膜２とが設けられ
ている。前記多孔質シリコン層１ａは、例えば、気孔率
５０〜６５％、平均気孔径１×１０^-7〜１×１０^-4μｍ
で形成されているため、間接遷移型よりも直接遷移型に
近い状態となっており、後述する透明電極３及び共通電
極４間に５〜５０ｍＡの電流を流すと、多孔質シリコン
の量子効果によって波長６００〜７８０ｎｍ程度の光を
発する。

【００１５】また一方、前記絶縁膜２は窒化シリコン
（Ｓｉ_x Ｎ_y ）等の絶縁材料によって０．１〜０．３μ
ｍの厚みに形成されており、前述の多孔質シリコン層１
ａを陽極化成処理等によって形成する際にその形成領域
を規制するためのマスクとしての作用を為す。

【００１６】尚、前記絶縁膜２は従来周知のスパッタリ
ング法やフォトリソグラフィー技術を採用することによ
って形成され、多孔質シリコン層１ａは従来周知の陽極
化成によって形成される。この陽極化成は、単結晶シリ
コンから成る基板の上面に窓付き絶縁膜２を被着させて
これをフッ酸溶液中に浸漬するとともに、該浸漬したシ
リコン基板１の両側に一対の電極を配置させ、これら電
極間に所定の電力を印加し、絶縁膜２の窓部２ａ内に位
置するシリコン基板１の表面を３０ｍＡ・ｃｍ程度の電
流密度にて所定時間（約５分間）保持することで行われ
る。

【００１７】またこのような多孔質シリコン層１ａ及び
絶縁膜２を有したシリコン基板１の上面には複数個の透
明電極３が、また下面には共通電極４が形成されてお
り、この両電極３，４間に位置する多孔質シリコン層１
ａによって発光部Ａを構成している。

【００１８】前記複数の透明電極３は、例えば、ＩＴＯ
等の透明な導電材料により０．０５〜０．２μｍの厚み
をもって形成されており、各一端を前記窓部２ａ内の多
孔質シリコン層１ａ上まで延在させ多孔質シリコン層１
ａと電気的に接続させておくことにより発光部Ａに電流
を流すための一方の電極として機能する。

【００１９】また前記共通電極４は、例えば、金や銀，
銅等の導電材料により０．０５〜０．２μｍの厚みに形
成されており、後述する発光部Ａに電流を流すための他
方の電極として機能する。

【００２０】尚、前述した絶縁膜２や透明電極３，共通
電極４は、従来周知の薄膜手法、例えば、スパッタリン
グやフォトリソグラフィー技術等を採用することによっ
て所定厚み、所定パターンに被着・形成される。

【００２１】そして、このような発光素子アレイの多孔
質シリコン層上面には、断面Ｖ字型の溝部１ｂが形成さ
れている。前記溝部１ｂは、シリコン基板１の上面に該
基板１を形成する単結晶シリコンの（１１０）方位に沿
って例えば幅w1：２〜５μｍ、深さh1：２〜６μｍ、角
度θ：５４〜５５°の大きさで形成されており、多孔質
シリコン層１ａを前述の陽極化成処理によって形成する
際、シリコン基板１の厚み方向にかかる電流の流れを溝
部１ｂの底部に集中させて多孔質シリコン層１ａを縦長
に、例えば幅w2：３〜５μｍ、深さh2：５〜１０μｍの
半楕円状に形成する作用を為す。

【００２２】これにより、必要な発光出力を確保するの
に多孔質シリコン層１ａの体積を増やすような場合であ
っても、多孔質シリコン層１ａの形成領域がシリコン基
板１の面方向に大きく広がることはなく、個々の発光部
Ａを小さくして高密度に配列させることが可能となる。

【００２３】また前記多孔質シリコン層１ａはその各々
が縦長状に形成されているため、図３に示すような極め
てシャープな発光出力が得られるようになり、これによ
ってプリンタ用の露光源として適した発光素子アレイを
得ることができる。

【００２４】更にこの場合、発光部Ａを構成する多孔質
シリコン層１ａやシリコン基板１には、格子欠陥が形成
されたり、或いは製造工程中に不都合な不純物が混入し
たりすることはなく、従来例として示した発光ダイオー
ド素子のように、発光部Ａ間で発光ばらつきを生じるこ
ともない。よってプリンタ用の露光源として用いる場合
であっても濃度むらの無い良好な印画が得られる。

【００２５】また更に前述の多孔質シリコン層１ａは、
その製造時に砒素を含んた化学物質等を用いることがな
く、有害物質の分離，回収処理等が一切不要となる。こ
れにより、発光素子アレイを比較的低コストで製作する
ことができる。

【００２６】更にまた前記シリコン基板１や多孔質シリ
コン層１ａは、単結晶シリコンにより形成されており、
化学的に安定であることから、発光素子アレイとして使
用する際に熱や電界による転位の影響を受けにくく、発
光特性を長期間にわたって良好に維持することができ
る。

【００２７】尚、前述のような溝部１ａの形成は、ま
ず、上面に窓部２ａを有する絶縁膜２が被着されたシリ
コン基板１を準備し、これを所定濃度の水酸化カリウム
溶液中に一定時間浸漬してエッチングすることにより行
われる。このとき、シリコン基板１を形成する単結晶シ
リコンの（１００）方位はシリコン基板１の厚み方向
に、（１１１）方位は溝部１ａの向きと直交する方向に
それぞれ合致させてあり、シリコン基板１の厚み方向に
かかるエッチングレートは溝部１ａの向きと直交する方
向にかかるエッチングレートの約１０倍となっているた
め、このエッチングにて形成される溝の断面形状を略Ｖ
字形状になすことができる。

【００２８】かくして上述した発光素子アレイは、プリ
ンタ用の露光源として用いる場合、各透明電極３及び共
通電極４間に外部からの印画データに基づいて所定の電
圧を印加し、両電極３，４間の多孔質シリコン層１ａよ
り選択的に光を発光させ、これを感光ドラム等に照射さ
せることによって発光素子アレイとして機能する。

【００２９】尚、本発明は上述の形態に限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の変更、改良が可能であり、例えば、シリコン基板上面
に設けられる溝部の形状は必ずしも図２のような鋭いＶ
字型でなくても良く、深さ方向に向かって先細り状に形
成されていれば上述の形態と同様の効果を奏する。例え
ば、溝部の側面に少し丸みをつけたり、或いは溝部を四
角錐状になしてこれを発光部Ａ毎に形成するようにして
も良く、このように溝部を四角錐状になしておけば、発
光部Ａからの光をよりシャープになすことができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の発光素子アレイによれば、多孔
質シリコン層上面に断面Ｖ字型の溝部を形成したことか
ら、必要な発光出力を確保するのに多孔質シリコン層の
体積を増やすような場合であっても、多孔質シリコン層
の形成領域がシリコン基板の面方向に大きく広がること
はなく、個々の発光部を小さくして高密度に配列させる
ことができる。

【００３１】また本発明の発光素子アレイによれば、多
孔質シリコン層が縦長状に形成されることから、極めて
シャープな発光出力を得ることができ、プリンタ用の露
光源として適した発光素子アレイを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光素子アレイの一形態を示す平面図
である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】発光部の発光特性を示す線図である。

【図４】従来の発光素子の断面図である。

【符号の説明】

１・・・・シリコン基板 １ａ・・・多孔質シリコン層 １ｂ・・・溝部 ３・・・・透明電極 ４・・・・共通電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に帯状の多孔質シリコン層を有するシ
   リコン基板と、 該シリコン基板の上面に形成され、一端が前記多孔質シ
   リコン層上まで延在する複数個の透明電極と、 前記シリコン基板の下面に形成された共通電極とから成
   り、 各透明電極と共通電極との間に電圧を印加し、両電極間
   に位置する多孔質シリコン層より光が発光するようにな
   した発光素子アレイであって、 前記多孔質シリコン層上面に断面Ｖ字型の溝部を形成し
   たことを特徴とする発光素子アレイ。