KR20030007061A - 발광 다이오드 어레이 - Google Patents
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Abstract
고출력의 발광 다이오드 어레이를 제공하기 위하여,
기판(1)상에 복수의 결정층을 적층시킨 에피택셜층이 형성되고, 절연 및 분할된 복수의 발광 다이오드부(10)를 가지며, 발광 다이오드부(10)의 발광부 각 표면(12a)이 보호막(11, 14)으로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서, 상기 복수의 발광 다이오드부(10)의 발광부의 각 표면(12a)을 피복하는 보호막(11, 14)의 총 두께를 1㎛ 이하로 박막화한다.
Description
<기술분야>
본 발명은 발광 다이오드 어레이에 관한 것으로서, 특히 전자사진방식(Electro-photographic)의 프린터 광원에 이용되는 발광 다이오드 어레이에 관한 것이다.
<종래 기술>
전자사진방식 프린터의 광원으로, 주로 레이저 어레이 방식과 발광 다이오드 어레이 방식의 광원이 이용되고 있다. 특히, 발광 다이오드 어레이는, 레이저 어레이 방식과는 달리 광로 길이가 길 필요가 없기 때문에, 프린터를 소형화할 수 있는 한편, 큰 사이즈의 인쇄가 용이하다는 장점을 갖는다.
더우기, 최근 프린터의 소형화가 진행되고 있어, 높은 정밀도와 고출력의 발광 다이오드 어레이가 요구되고 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드 어레이를 나타내는 상면도이고, 도 2는 도 1의 B-B' 선을 따른 단면 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 발광 다이오드 어레이는 칩상에 복수의 발광 다이오드부(10)가 일렬로 배치되어 구성된다.
그 단면구조는, 도 2에 도시된 바와 같이, 반절연성의 GaAs 기판(1)상에 p형GaAs 도전층(2), p형 AlGaAs 에칭 스토퍼층(3), p형 AlGaAs 클래딩층(4), p형 AlGaAs 활성층(5), n형 AlGaAs 클래딩층(6), 및 n형 GaAs 캡핑층(7)의 기술된 순서로 배치된 더블 헤테로 구조(double heterostructure)로 되어 있다.
발광 다이오드부(10)의 소자분리는, n형 GaAs 캡핑층(7)에서부터 반절연성 GaAs 기판(1)까지 메사 에칭(mesa-etching)함으로써 이루어진다.
발광 다이오드에 전압을 인가하기 위한 캐소드용 콘택트 전극(8)은 n형 GaAs 캡핑층(9)의 메사 상부면 위에, 또한 애노드용 콘택트 전극(15)은 p형 GaAs 도전층(2) 위에, 각각 금속을 증착시켜 합금화함으로써 설치된다. 이러한 전극들은 Au 배선(16)에 의해 각각 캐소드용 본딩패드부(17) 및 애노드용 본딩 패드부(18)까지 연장된다.
또한, 발광 다이오드부(10)의 활성층(5)에서 발생된 광은 n형 GaAs 캡핑층(9)을 투과할 수 없다. 따라서, 캡핑층(9)을 에칭으로 제거하여 광 방출부가 되는 발광부(12)(발광부 표면 12a)를 형성한다. 발광부 표면(12a)상에는 Au 배선(16)과의 절연을 목적으로 한 보호막인 PSG(Phospho Silicate Glass) 절연막(11), 보호 PSG 막(14), 및 보다 치밀한 보호막인 SiN 막(19)이 배치된다.
한편, 전술한 발광 다이오드 어레이의 구조에서는, 발광부 표면(12a)에서 방출된 광이 PSG 절연막(11), 보호 PSG 막(14), 및 보호 SiN 막(19)을 통해 방출된다.
그러나, 이러한 보호막 내에서의 반사, 굴절에 의해 발광효율이 열화되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 관한 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광방출효율을 향상시키기 위한 구조를 갖는 고출력의 발광 다이오드 어레이를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 기술의 발광 다이오드 어레이를 나타내는 상면도.
도 2는 종래 기술의 발광 다이오드 어레이를 나타내는 도 1의 B-B' 선을 따른 단면을 나타내는 구조 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이를 나타내는 상면도.
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이를 나타내는 도 3의 A-A' 선을 따른 단면을 나타내는 구조 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 반절연성 GaAs 기판2 : p형 GaAs 도전층
3 : p형 AlGaAs 에칭 스토퍼층4 : p형 AlGaAs 클래딩층
5 : p형 AlGaAs 활성층6 : n형 AlGaAs 클래딩층
7 : n형 GaAs 캡핑층8 : 캐소드용 콘택트전극
9 : 캐소드용 전극 형성을 위해 남겨둔 n형 GaAs 캡핑층
10 : 발광 다이오드부11 : PSG 절연막(제1 절연막)
12 : 발광부12a : 발광부 표면
13 : 메사 에칭 홈14 : 보호 PSG 막(제2 절연막)
15 : 애노드용 콘택트전극16 : Au 배선
19 : 보호 SiN 막20 : 광 방출창
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드 어레이는, 기판상에 복수의 결정층을 적층한 에피택셜층이 형성되고, 절연 및 분할된 복수의 발광 다이오드부를 가지며, 발광 다이오드부의 각 발광부 표면이 절연막을 포함하는 보호막으로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서, 복수의 발광 다이오드부의 발광부의 각 표면을 피복하는 보호막들의 총 두께를 1㎛ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
전술한 발광 다이오드 어레이에 있어서, 각 보호막들은 단층의 절연막 또는 복수층의 절연막일 수 있다. 또한, 절연막의 종류도 투광성을 갖는 재료로 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 상기 제1 실시예에 따른 전술한 발광 다이오드 어레이에 있어서, 에칭에 의해 발광부의 각 표면상의 보호막들의 총 두께가 1㎛ 이하로 박막화된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 어레이는, 기판상에 복수의 결정층들을 적층시켜 에픽택셜층이 형성되고, 절연 및 분할된 복수의 발광 다이오드부를 가지며, 발광 다이오드부들의 발광부의 각 표면이 제1 절연막 및 제2 절연막을 포함하는 보호막으로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서, 복수의 발광 다이오드부들의 발광부의 각 표면을 피복하는 보호막들의 총 두께가 1㎛ 이하로 된 것을 특징으로 한다.
전술한 제2 실시예에 있어서, 제1 절연막 및 제2 절연막을 포함하는 보호막들의 총 두께가 1㎛ 이하이면 된다. 따라서, 다음의 4 가지 형태가 포함된다.
(1) 제1 절연막 및 제2 절연막이 같이 존재하고, 제2 절연막의 두께가 박막화된 경우,
(2) 제2 절연막이 존재하지 않고, 제1 절연막만이 존재하는 경우,
(3) 제2 절연막이 존재하지 않고, 제1 절연막의 두께가 박막화되는 경우, 및
(4) 제1 절연막 및 제2 절연막이 같이 존재하지 않는 경우.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 제2 실시예에 따른 전술한 발광 다이오드 어레이에 있어서, 각 발광부 표면상의 보호막들중 제2 절연막은 그 두께의 전부가 에칭에 의해 제거되고, 제1 절연막은 그 두께의 일부 또는 전부가 에칭에 의해 제거되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 제2 실시예에 따른 전술한 발광 다이오드 어레이에 있어서, 각 발광부 표면상의 보호막들중 제2 절연막은 그 두께의 전부가 에칭에 의해 제거되고, 제1 절연막은 그 두께의 일부 또는 전부가 에칭에 의해 제거되지 않는 것을 특징으로 한다.
바로 위에서 전술한 2 가지 발명은 상기 4 가지 경우중 (2), (3), 및 (4) 의 경우에 특정된다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 전술한 제1 실시예의 발명에 있어서, 보호막들이 다른 보호막으로 더 피복되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 전술한 제1 실시예의 변형예 가운데 어느 하나에 있어서, 보호막들이 다른 보호막으로 더 피복되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 전술한 제2 실시예의 변형예 가운데 전자의 것에 있어서, 보호막들이 다른 보호막으로 더 피복되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 전술한 제2 실시예의 변형예 가운데 후자의 것에 있어서, 보호막들이 다른 보호막으로 더 피복되는 것을 특징으로 한다.
전술한 변형예들 각각에 있어서, 보호막들이 PSG 절연막 및 보호 PSG 막을 포함하는 경우, 이러한 보호막들은 SiN 막과 같은 다른 보호막으로 더 피복됨으로써, 이에 의해 수분 등의 침입이 방지된다.
또한, 전술한 PSG 절연막/보호 PSG 막/보호 SiN 막은, 보호 PSG 막/보호 SiO3막, 및 보호 SiO2막/보호 SiN 막과 같이 2 층막 형태로 형성되고, 각 막의 굴절율과 활성층의 방출파장에 기초하여, 양호한 광방출효율을 갖도록 2 층막의 두께가 선택될 수 있다.
따라서, 본 발명은 종래 기술의 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된것으로서, 기판에 복수의 결정층을 적층함으로써 에피택셜층이 형성되고, 메사 에칭 홈에 의해 분할된 복수의 발광 다이오드부를 갖는 발광 다이오드 어레이에 있어서, 발광부 표면에 피복형성된 보호막들을 에칭에 의해 박막화하여 발광효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 발광 다이오드 구조에 의하면, 보호막의 반사 및 굴절에 기인한 활성층에서 방출되는 광의 감쇠를 억제할 수 있어 광출력을 대폭 향상시킬 수 있다.
<실시예>
다음, 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부한 도면과 연관지어 상술될 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이를 나타낸 상면도 및 도 4는 도 3의 A-A' 선에 따라 절취한 발광 다이오드 어레이 구조를 나타낸 구조 단면도이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 반절연성 GaAs 기판(1)상에 복수의 결정층들을 적층하여 에피택셜층이 형성되고, 절연 및 분할된 복수의 발광 다이오드부(10)을 가지며, 발광 다이오드부(10)들의 각 발광부 표면(12a)이 PSG 절연막(11, 제1 절연막) 및 보호 PSG 막(14, 제2 절연막)으로 구성된 보호막으로 피복되고, 또 다른 보호막인 보호 SiN 막(19)으로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서, 상기 복수의 발광 다이오드부(10)의 각 발광부 표면(12a)을 피복하는, PSG 절연막(11) 및 보호 PSG 막(14)으로 구성된 보호막의 총 두께가 에칭에 의해 1㎛ 이하로 되고, 그 결과의 보호막들을 보호 SiN 막(19)으로 피복한 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 발광 다이오드 어레이는,발광부(12)상에 광 방출창(20)을 배치하고, 보호막(PSG 절연막(11) 및 보호 PSG 막(14))이 박막화 된 것 외에는 종래 발광 다이오드 어레이와 동일한 구조를 갖는다.
상술하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 발광 다이오드 어레이는, 반절연성 GaAs 기판(1)상에 전압을 인가하여 발광하는 메사형의 발광 다이오드부(10)가 각각 형성되고, 발광 다이오드부(10)들의 메사 상부면 위에는 발광 다이오드부(10)에서 발광된 광을 외부에 방출하기 위한 다수의 발광부(12)가 메사 에칭 홈(13)에 의해 각각 절연되어 정렬되도록 구성된다.
또한, 이들 발광부(12)의 열을 따라서 일방의 메사 홈의 표면에는, 발광 다이오드부에 전압을 인가하기 위한 애노드용 콘택트 전극(15)이 형성되어 있고, 타방의 각 발광 다이오드부(12)의 메사 상부면에는 각 발광부(12)마다 캐소드용 콘택트 전극(8)이 형성되어 있다.
또한, 캐소드용 콘택트 전극(8)은 각각 Au 배선(16)에 의해 외부소자와 캐소드용 콘택트 전극(8)을 접속하기 위한 캐소드용 본딩패드(17)와 전기적으로 접속되어 있다.
도 4는 발광 다이오드 어레이의 구조 단면도를 나타낸다.
발광 다이오드 어레이의 발광 다이오드부(10)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 반절연성 GaAs 기판(1)상에 p형 GaAs 도전층(2), p형 AlGaAs 에칭 스토퍼층(3), p형 AlGaAs 클래딩층(4), p형 AlGaAs 활성층(5), n형 AlGaAs 클래딩층(6), 및 n형 GaAs 캡핑층(7)이 기술된 순서대로 적층되어 구성됨과 더불어, 메사 에칭 홈(13)에의해 메사형으로 형성되어 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 캐소드용 콘택트 전극(8)은 발광 다이오드부(10)의 메사 상부면에 형성된 반면, 애노드용 콘택트 전극(15)은 발광 다이오드부(10)의 메사 홈의 표면인 p형 GaAs 도전층(2) 위에 형성되어 있다.
다음, 발광 다이오드 어레이의 제조방법을 작용과 함께 설명한다.
반절연성 GaAs 기판(1)의 (100) 표면상에, MOVPE 법에 의해 캐리어 농도 4×1019㎝-3의 p형 GaAs 도전층(2) 1㎛, 캐리어 농도 3×1019㎝-3의 p형 AlGaAs층(3) 0.5㎛, 캐리어 농도 3×1018㎝-3의 p형 AlGaAs 클래딩층(4) 1㎛, 캐리어 농도 1×1018㎝-3의 p형 AlGaAs 활성층(5) 1㎛, 캐리어 농도 2×1018㎝-3의 n형 AlGaAs 클래딩층(6) 3㎛, 및 캐리어 농도 1 ×1018㎝-3의 n형 GaAs 캡핑층(7) 0.5㎛를 순서대로 성장시킨다.
최상층인 n형 GaAs 캡핑층(7)은 일부(9)만 남기고 습식 에칭에 의해 제거된다.
각 다이오드부(10)들을 전기적으로 분리하기 위하여, 습식 에칭에 의해 메사 에칭 홈(13)을 형성하는데, 에칭 홈(13)의 깊이는 GaAs 기판(1)이 노출되도록 7.0㎛ 로 한다.
또한, 전체 표면을 덮도록 CVD 법에 의해 PSG 절연막(11, 제1 절연막)을 0.5㎛ 성장시킨다.
캐소드용 콘택트 전극(8) 부분의 PSG 막(11)을 불산에 의해 제거하는 한편, 애노드용 콘택트 전극(15) 부분의 PSG 막을 CHF3/O2과 같은 가스를 사용하여 건식 에칭으로 제거한다. 캐소드용 콘택트전극(8)은 n형 GaAs 캡핑층(9) 위에 AuGe/Ni/Au를 증착 및 합금함으로써 형성한다. 애노드용 콘택트 전극(15)은 메사 에칭 홈의 바닥에 노출되어 있는 P형 GaAs 도전층(2) 위에 AuZn/Ni/Au를 증착 및 합금함으로써 형성된다. 이들 전극은 Au 배선(16)에 의해 캐소드용 본딩패드(17) 및 애노드용 본딩패드(18)의 부분까지 각각 이어진다.
다음, 이들 성분의 표면 전체를 보호막인 PSG 막(14, 제2 절연막)으로 0.5㎛ 피복한다.
여기서, PSG 막의 총 두께는 PSG 절연막(11, 제1 절연막)의 0.5㎛ 와 PSG 막(14, 제2 절연막)의 0.5㎛ 를 더한 것이 되어, 1㎛ 가 된다. 하지만, 이 상태로는 이들 보호막 내에서 반사 및 굴절에 의해 광방출효율이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명에 따르면, PSG 절연막(11) 및 보호 PSG 막(14)으로 이루어진 보호막의 일부 또는 전부가, CHF3/O2등의 가스 시스템을 이용한 건식 에칭으로 제거되어, 이들 보호막들의 총 두께를 1㎛ 이하로 갖는 구성으로 광 방출창(20)을 형성한다.
본 실시예의 경우, 제2 절연막인 보호 PSG 막(14)의 두께 전부를 에칭에 의해 제거함과 더불어 제1 절연막인 PSG 절연막(11) 또한 두께 전부 또는 일부를 에칭에 의해 제거하여, PSG 절연막(11)의 두께가 0.25㎛ 이하로 감소된다.
또한, 수분 등의 침입을 방지할 목적으로, 보다 치밀한 막인 SiN 막(19)을 결과의 집적된 성분들의 표면 전체에 피복한다. 최후에 각 본딩 패드(17, 18)상의 보호막들은 제거하여, 전기배선이 가능한 형태로 발광 다이오드 어레이를 제조한다.
이와 같이 제조된 발광 다이오드 어레이는 보호막들의 반사 및 굴절을 최소한으로 억제할 수 있으므로, 외부 발광효율이 향상되어, 종래에 비해 약 1.5배의 광출력을 얻을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제2 절연막인 보호 PSG 막(14)의 두께 전부가 에칭에 의해 제거되고, 제1 절연막인 PSG 절연막(11)의 전체 두께의 일부가 에칭에 의해 제거되었다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 아래의 형태로 변형될 수 있다.
(i) 제2 절연막인 보호 PSG 막(14)의 두께중 일부를 에칭에 의해 제거한 형태,
(ii) 제2 절연막인 보호 PSG 막(14)의 두께 전부를 에칭에 의해 제거한 형태, 또는
(iii) 제2 절연막인 보호 PSG 막(14)의 두께 전부를 에칭에 의해 제거함과 더불어 제1 절연막인 PSG 절연막(11) 두께의 전부도 제거한 형태인 것도 가능하다.
또한, 본 실시예의 보호막으로 PSG, SiN를 이용하였지만, 다른 보호막들을 이용하여도 된다.
또한, 본 실시예에서는 반절연성 GaAs 기판(1) 위에 p형 결정이 최하부면에위치하고, n형이 뒤이어 위치하여, p형 결정이 항상 n형 결정보다 낮은 면에 위치하도록 p형 결정과 n형 결정을 배치하여 구성하였지만, 반절연성 GaAs 기판(1)상에 n형 결정이 최하부면에 위치하고, p형 결정이 뒤어이 위치하여, n형 결정이 항상 p형 결정보다 낮은 면에 위치하도록 n형과 p형의 결정을 배치하여 구성할 수 있다. 후자의 변형예를 통해 다이오드의 극성이 변경되어도 동일하게 외부 발광 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 기판으로 반절연성 GaAs 기판을 이용하였지만, 도전성 기판일지라도, 그 위에 도핑되지 않은 GaAs 등의 고저항층을 배치하거나, p-n-p 또는 n-p-n 인 구조로 배치하여 전기적으로 절연시킴으로써 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 어레이는, 발광 다이오드부의 발광부 표면이 절연막을 포함하는 보호막으로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서, 보호막들의 총 두께를 1㎛ 보다 얇게 구성한 것을 특징으로 한다. 따라서, 발광부 표면상에 총 1㎛ 이상의 두께를 갖는 보호층을 형성한 종래의 발광 다이오드 어레이에 비해 광방출효율이 높은 고출력의 발광 다이오드 어레이를 제공할 수 있다.
따라서, 상기 개시된 실시예는 예시적인 것이며, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구항에 지시되며, 균등물의 의미와 범위내의 모든 변형예는 이에 포함된 것으로 한다.
Claims (10)
- 기판상에 복수의 결정층을 적층시킨 에피택셜층이 형성되고, 절연 및 분할된 복수의 발광 다이오드부를 포함하며, 상기 발광 다이오드부들의 발광부의 각 표면이 절연막을 포함하는 보호막으로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서,상기 복수의 발광 다이오드부의 각 발광부 표면을 피복하는 상기 보호막의 총 두께가 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서,상기 발광부의 각 표면상의 상기 보호막들의 총 두께는 에칭에 의해 1㎛ 이하로 박막화되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 기판상에 복수의 결정층들을 적층시킨 에피택셜층이 형성되고, 절연 및 분할된 복수의 발광 다이오드부를 포함하며, 상기 발광 다이오드부들의 발광부의 각 표면이 제1 절연막 및 제2 절연막을 포함하는 보호막들로 피복된 발광 다이오드 어레이에 있어서,상기 복수의 발광 다이오드부의 발광부의 각 표면을 피복하는 상기 보호막들의 총 두께는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제3항에 있어서,상기 발광부의 각 표면상의 상기 보호막들중 상기 제2 절연막은 그 두께 전부가 에칭에 의해 제거되고, 상기 제1 절연막은 그 두께의 일부 또는 전부가 에칭에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제3항에 있어서,상기 발광부의 각 표면상의 상기 보호막들중 상기 제2 절연막은 그 두께 전부가 에칭에 의해 제거되고, 상기 제1 절연막은 그 두께의 일부 또는 전부가 에칭에 의해 제거되지 않은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제1항에 있어서,상기 보호막들은 다른 보호막으로 더 피복된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제2항에 있어서,상기 보호막들은 다른 보호막으로 더 피복된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제3항에 있어서,상기 보호막들은 다른 보호막으로 더 피복된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제4항에 있어서,상기 보호막들은 다른 보호막으로 더 피복된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
- 제5항에 있어서,상기 보호막들은 다른 보호막으로 더 피복된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 어레이.
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