JP4543732B2

JP4543732B2 - 発光ダイオードアレイ

Info

Publication number: JP4543732B2
Application number: JP2004123794A
Authority: JP
Inventors: 克弥秋元; 富久行本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005310937A

Description

本発明は、発光ダイオードアレイ、特に電子写真方式のプリンタ光源に用いるのに適した発光ダイオードアレイに関するものである。

現在、電子写真方式のプリンタの光源として、主に、レーザ方式と発光ダイオードアレイ方式が用いられている。特に、発光ダイオードアレイ方式は、レーザ方式に比べ光路長が短いため、プリンタが小型化でき、大サイズの印刷が容易になるという特長を有する。

さらに最近は、プリンタの小型化が進んでおり、より高精細で高出力の発光ダイオードアレイが要求されている。

図８に、従来の発光ダイオードアレイの上面図を、また、図９に、そのＢ−Ｂ’部の断面構造図を示す。

図８に示すように、従来の発光ダイオードアレイは、チップ上に複数個の発光ダイオード部１０が一列に配置されている。

その断面構造は、図９に示すように、半絶縁性ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板１上に、ｐ型ＧａＡｓ導電層２、ｐ型アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）エッチングストッパ層３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層５、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７を順次積層したダブルヘテロ構造となっている。

発光ダイオード部１０の素子分離は、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７から半絶縁性ＧａＡｓ基板１までメサエッチングされ、素子分離されている。

発光ダイオードに通電するためのカソード用コンタクト電極８、アノード用コンタクト電極１５は、それぞれｎ型ＧａＡｓキャップ層９のメサ頂面、ｐ型ＧａＡｓ導電層２の上に、金属を蒸着し合金化することにより形成されている。これらの電極は、金（Ａｕ）配線１６により、各々、カソード用ボンディングパッド１７、アノード用ボンディングパッド１８まで引き伸ばされている。

発光ダイオード部１０の活性層５で発生した光は、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７によって吸収されてしまい、透過することができない。そこで、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７をエッチングにより取り除き、光取り出し部である発光部１２（発光部表面１２ａ）を設けてある。この発光部表面１２ａの表面上には、Ａｕ配線１６との絶縁を目的とした保護膜である酸化珪素（ＳｉＯ、ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）絶縁膜１１およびＳｉＯ絶縁膜１９と、より緻密な保護膜である窒化珪素（ＳｉＮ）保護膜１４を設けている。

なお、上記の如き光取り出し部である発光部を備えた発光ダイオードアレイとしては、例えば特開２００３−８０５６号公報（特許文献１参照）に開示されたものがある。

また、保護膜の厚さに言及するものとしては、例えば特許第３４５０１４５号（特許文献２参照）があり、３０００オングストローム程度に形成することが記載されている。
特開２００３−８０５６号公報（図２、発光部１１）特許第３４５０１４５号公報（段落番号００１６、００１８）

ところで、上記図９の発光ダイオードアレイの構造は、発光部表面１２ａからの光が、ＳｉＯ絶縁膜１１、ＳｉＯ絶縁膜１９及びＳｉＮ保護膜１４を透過して外部へと取り出される。これら絶縁膜及び保護膜の膜厚は、光の波長と同程度であるため、各層界面での反射、干渉により光取出効率が著しく減少する可能性がある。

しかしながら、従来技術では、これら絶縁膜および保護膜に関し、光の波動としての性質を考慮した膜厚の最適化は行われてこなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、これら絶縁膜および保護膜の厚さを最適化することで、光取出効率を向上させた高出力発光ダイオードアレイを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る発光ダイオードアレイは、基板上に複数の化合物半導体層がエピタキシャル成長され、絶縁・分割された複数の発光ダイオード部を有し、その発光ダイオード部の発光部表面が絶縁膜から成る保護膜で被覆された発光ダイオードアレイにおいて、
発光波長が７２５nmであり、
且つ、保護膜が、当該保護膜の最表面から順次に酸化珪素（ＳｉＯ）からなる第２絶縁膜、窒化珪素（ＳｉＮ）からなる保護膜、酸化珪素（ＳｉＯ）からなる第１絶縁膜から形成され、
且つ、第２絶縁膜直下の半導体層が一般式Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦０．８）で表される化合物半導体で形成され、
且つ、第１絶縁膜の膜厚が４３．６nmであり、
且つ、窒化珪素からなる保護膜の膜厚を６６２．３nmとし第２絶縁膜の膜厚を４３０．４nmとしたことを特徴とする。

＜発明の要点＞
半導体薄膜における光の挙動については、「光工学ハンドブック」（小瀬他、朝倉書店（１９８６））に記載されている。

光の波動としての性質のみに着目した場合、上記請求項に記載した範囲以外にも光取出効率が増加する領域が存在する。これは、多次の回折光に関しても同様の効果が得られるからである。

しかしながら、必要以上の膜厚の増加は、光吸収による光取出効率の低下や、放熱能力の低下による素子寿命の短縮等の悪影響が懸念される。さらに、厚膜形成に必要な原料が増加し、形成時間が長期化するため、コスト増加にも直結する。

その一方で、酸化珪素（ＳｉＯ）からなる第２絶縁膜と窒化珪素（ＳｉＮ）からなる保護膜が、それぞれ絶縁膜と保護膜として本来の機能を十分に果たすためには、それぞれ３００nm、５００nm以上の厚さが必要となる。

上記の条件を考慮すると、請求項に記載の範囲が最適であるといえる。

本発明に関わる発光ダイオードアレイを構成する基板、およびその上にエピタキシャル成長された化合物半導体層を構成する材料について、第２絶縁膜直下の半導体層が一般式Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦０．８）で表される化合物半導体に制限される以外に特に制限はないが、第２絶縁膜直下の半導体層との格子整合を考慮すると、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ系の材料で構成されることが望ましい。

第１絶縁膜の直上には何も積層せず、直接大気あるいはそれに準じる雰囲気に接することが望ましいが、光の波長よりも十分に大きな厚さをもち、且つ該波長に対して透明な物質を積層することで、第１絶縁膜およびその下層の膜をさらに保護してもよい。

本発明によれば、発光ダイオード部の発光部表面が絶縁膜からなる保護膜で被覆された発光ダイオードアレイにおいて、これら絶縁膜および保護膜の厚さを最適化することで、光取出効率を向上させた高出力発光ダイオードアレイを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１に、本発明にかかる発光ダイオードアレイの上面図を、また図２にその発光ダイオードアレイのＡ−Ａ’部の断面構造を示す。

この発光ダイオードアレイは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に複数の結晶層を積んだエピタキシャル層が形成され、絶縁・分割された複数の発光ダイオード部１０を有し、その発光ダイオード部１０の発光部表面１２ａが、ＳｉＯ絶縁膜１１（第１絶縁膜）およびＳｉＮ保護膜１４で被覆され、さらにＳｉＯ絶縁膜１９（第２絶縁膜）で被覆されている。

この発光ダイオードアレイは、ＳｉＯ絶縁膜１１（第１絶縁膜）およびＳｉＮ保護膜１４、及びＳｉＯ絶縁膜１９（第２絶縁膜）の膜厚が従来と異なっているだけであり、他は従来と同じ構造となっている。

詳述するに、図１に示すように、発光ダイオードアレイは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、電圧の印加により発光するメサ型の発光ダイオード部１０が形成され、その発光ダイオード部１０のメサ頂面には、発光ダイオード部１０で発光した光を外部に取り出すための多数の発光部１２が、メサエッチング溝１３によりそれぞれが絶縁されて一列に並んで設けられている。

さらに、それら発光部１２の列に沿って、一方のメサ溝面には、発光ダイオード部に電圧を印加するためのアノード用コンタクト電極１５が形成されており、他方のメサ頂面には、各発光部１２ごとにカソード用コンタクト電極８が形成されている。

さらに、カソード用コンタクト電極８は、それぞれＡｕ配線１６により外部素子と接続するためのカソード用ボンディングパッド１７と電気的に接続されている。

図２に発光ダイオードアレイの構造断面図を示す。

この発光ダイオードアレイの発光ダイオード部１０は、図２に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、ｐ型ＧａＡｓ導電層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチングストッパ層３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層５、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７が順に積層されて構成されるとともに、メサエッチング溝１３によりメサ型に形成されている。

また、上述したように、カソード用コンタクト電極８は、発光ダイオード部１０のメサ頂面に形成されており、アノード用コンタクト電極１５は、発光ダイオード１０のメサ溝面であるｐ型ＧａＡｓ導電層２上に形成されている。

次に、この発光ダイオードアレイの製造方法を作用とともに説明する。

半絶縁性ＧａＡｓ基板１の（１００）表面上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によりキャリア濃度４×１０¹⁹cm^-3のｐ型ＧａＡｓ導電層２を１μｍ、キャリア濃度３×１０¹⁹cm^-3のｐ型ＡｌＧａＡｓエッチングストッパ層３を０．５μｍ、キャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４を１μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3のｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層５を１μｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸cm^-3のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６を３μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3のｎ型ＧａＡｓキャップ層７を０．５μｍ、順次成長させる。

最上層であるｎ型ＧａＡｓキャップ層７は、カソード用コンタクト電極８を形成するために、ｎ型ＧａＡｓキャップ層の一部９のみ残してウエットエッチングにより除去する。

そして、各発光ダイオード部１０を電気的に分離するためにウエットエッチングによりメサエッチング溝１３を形成する。なお、メサエッチング溝１３の深さは半絶縁性ＧａＡｓ基板１が露出する７．０μｍとする。

さらに、全表面を覆うように気相成長（ＣＶＤ）法によりＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１を成長させる。

そして、カソード用コンタクト電極８部分のＳｉＯ絶縁膜１１をフッ酸により、アノード用コンタクト電極１５を形成する部分のＳｉＯ絶縁膜１１をＣＨＦ₃₃／Ｏ₂₂等のガスを用いたドライエッチングで除去する。カソード用コンタクト電極８は、ｎ型ＧａＡｓキャップ層９の上に金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）／ニッケル（Ｎｉ）／Ａｕを蒸着、アロイすることにより形成する。アノード用コンタクト電極１５は、メサエッチング溝の底に露出しているｐ型ＧａＡｓ導電層２の上に金亜鉛（ＡｕＺｎ）／Ｎｉ／Ａｕを蒸着、アロイすることにより形成する。これらの電極はＡｕ配線１６によりカソード用ボンディングパッド１７、アノード用ボンディングパッド１８の部分まで引き出す。

次に、水分等の浸入を防ぐ目的で、これらの表面全面を、より緻密な膜であるＳｉＮ保護膜１４で被覆する。

さらに、表面全面をＳｉＯ絶縁膜１９（第２絶縁膜）で被覆する。

最後に各ボンディングパッド１７、１８上の保護膜は除去し、電気配線が可能な状態として、発光ダイオードアレイを製造する。このとき、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１、ＳｉＮ保護膜１４、ＳｉＯ絶縁膜（第２絶縁膜）１９の成長時間をそれぞれ変更することで、それぞれの膜厚が異なる組合せの発光ダイオードアレイＡ〜Ｚを得た。

これらにそれぞれ３Ｖの電圧を印加し、光パワーメータ及び光スペクトラムアナライザを用い、発光出力および発光ピーク波長を測定した。

発光ダイオードＡ〜ＺのＳｉＯ絶縁膜１１、ＳｉＮ保護膜１４、ＳｉＯ絶縁膜１９の膜厚、発光出力、発光ピーク波長を表１に示す。

表１において、発光ダイオードＡ〜Ｚは全て発光ピーク波長が７００nm以上７５０nm以下の範囲にある。このうち発光ダイオードＫが本発明の実施例であり、発光出力が１０．９［ａ．ｕ．］と高くなっている。一方、発光ダイオードＰ〜Ｚは比較例であり、発光出力は６．２〜８．４［ａ．ｕ．］と低いものとなっている。なおＳｉＯ絶縁膜（第２絶縁膜）１９の直下の半導体層（ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層５、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６）は、一般式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ≦０．８）で表される化合物半導体となっている。

本実施例のうち、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１の厚さに着目すると、発光ダイオードアレイＡ、Ｂ、Ｃは第１絶縁膜の膜厚が３０nm以下であり、発光ダイオードアレイＤ、Ｅ、Ｆは第１絶縁膜の膜厚が３５nm以下であり、発光ダイオードアレイＧ、Ｈ、Ｉは第１絶縁膜の膜厚が４０nm以下であり、発光ダイオードアレイＪ、Ｋ、Ｌは第１絶縁膜の膜厚が４５nm以下であり、発光ダイオードアレイＭ、Ｎ、Ｏは第１絶縁膜の膜厚が５０nm以下であるので、これを指標としてグループ分けすることができる。

発光ダイオードアレイＡ、Ｂ、Ｃは、発光波長が７００〜７５０nmの範囲（具体的には７２３nm〜７２７nm）にあり、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１の膜厚は３０nm以下（具体的には２８．９〜２９．８nm）であり、保護膜の膜厚をｄ１（単位nm）と第２絶縁膜の膜厚をｄ２（単位nm）としたときに、（ｄ１、ｄ２）が、（６４７、４２１）、（６５０、３９２）、（６６０、３６６）、（６７０、３６５）、（６８０、３６８）、（６９０、３７１）、（７００、３７５）、（７１０、３８１）、（７２０、３９１）、（７３０、４１６）、（７３０、４２８）、（７１０、４７５）、（７００、４８６）、（６９０、４９３）、（６８０、４９７）、（６７０、４９６）、（６６０、４９１）、（６４７、４６４）、（６４７、４２１）の各点を順次直線で結ぶ閉領域（図３）内の任意の値となっている。

発光ダイオードアレイＤ、Ｅ、Ｆは、発光波長が７００nm以上７５０nm以下の範囲（具体的には７２６nm）にあり、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１の膜厚は３５nm以下（具体的には３２．４〜３４．１nm）であり、保護膜の膜厚をｄ１（単位nm）と第２絶縁膜の膜厚をｄ２（単位nm）としたときに、（ｄ１、ｄ２）は、（６４６、４３６）、（６５０、４０８）、（６６０、３８５）、（６７０、３７８）、（６８０、３７８）、（６９０、３８０）、（７００、３８４）、（７１０、３９２）、（７１９、４１２）、（７１９、４３２）、（７１０、４５８）、（７００、４７３）、（６９０、４８３）、（６８０、４８８）、（６７０、４９０）、（６６０、４８７）、（６５０、４７７）、（６４６、４６２）、（６４６、４３６）の各点を順次直線で結ぶ閉領域（図４）内の任意の値となっている。

発光ダイオードアレイＧ、Ｈ、Ｉは、発光波長が７００nm以上７５０nm以下の範囲（具体的には７２３nm〜７２５nm）にあり、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１の膜厚は４０nm以下（具体的には３６．７〜３９．２nm）であり、保護膜の膜厚をｄ１（単位nm）と第２絶縁膜の膜厚をｄ２（単位nm）としたときに、（ｄ１、ｄ２）は、（６４６、４３９）、（６５０、４１７）、（６６０、３９５）、（６７０、３８８）、（６８０、３８６）、（６９０、３８９）、（７００、３９５）、（７０９、４１４）、（７０９、４３０）、（７００、４５６）、（６９０、４７０）、（６８０、４７９）、（６７０、４８３）、（６６０、４８２）、（６５０、４７４）、（６４６、４６２）、（６４６、４３９）の各点を順次直線で結ぶ閉領域（図５）内の任意の値となっている。

発光ダイオードアレイＪ、Ｋ、Ｌは、発光波長が７００nm以上７５０nm以下の範囲（具体的には７２５nm〜７２８nm）にあり、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１の膜厚は４５nm以下（具体的には４０．７〜４４．０nm）であり、保護膜の膜厚をｄ１（単位nm）と第２絶縁膜の膜厚をｄ２（単位nm）としたときに、（ｄ１、ｄ２）は、（６４６、４４７）、（６５０、４２４）、（６６０、４０４）、（６７０、３９７）、（６８０、３９５）、（６９０、３９９）、（６９９、４１６）、（６９９、４２９）、（６９０、４５４）、（６８０、４６７）、（６７０、４７４）、（６６０、４７５）、（６５０、４６９）、（６４６、４５５）、（６４６、４４７）の各点を順次直線で結ぶ閉領域（図６）内の任意の値となっている。

発光ダイオードアレイＭ、Ｎ、Ｏは、発光波長が７００nm以上７５０nm以下の範囲（具体的には７２４nm〜７２８nm）にあり、ＳｉＯ絶縁膜（第１絶縁膜）１１の膜厚は５０nm以下（具体的には４６．４〜４８．５nm）であり、保護膜の膜厚をｄ１（単位nm）と第２絶縁膜の膜厚をｄ２（単位nm）としたときに、（ｄ１、ｄ２）は、（６４８、４４２）、（６５０、４３２）、（６６０、４１２）、（６７０、４０５）、（６８０、４０６）、（６８８、４１７）、（６８８、４３３）、（６８０、４５２）、（６７０、４６３）、（６６０、４６７）、（６５０、４６１）、（６４８、４５５）、（６４８、４４２）の各点を順次直線で結ぶ閉領域（図７）内の任意の値となっている。

これに対し、発光ダイオードアレイＰ〜Ｚは、本発明に該当しない発光ダイオードアレイである。

表１の発光出力の値を見れば明らかであるが、本発明にかかる発光ダイオードアレイＫは、本発明に該当しない発光ダイオードアレイＰ〜Ｚよりも発光出力が大きく、およそ２０％以上の発光出力の向上が認められる。

以上の実施例により、本発明の効果を確認することができた。

＜他の実施例、変形例＞
上記の実施形態では、結晶構造として半絶縁性ＧａＡｓ基板１の上にｐ型の半導体結晶を下にしたｐ型、ｎ型の順の発光ダイオード用半導体結晶構造を例として説明したが、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の上にｎ型の半導体結晶を下にした、ｎ型、ｐ型の順の発光ダイオード用半導体結晶構造においても適用することができ、発光ダイオードの特性が変わるだけで、同様に外部発光効率を向上させる効果を得ることができる。

また、上記の実施形態では、基板に半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いたが、導電性の基板であっても、その上にアンドープＧａＡｓ等の高抵抗層を設けるか、ｐ−ｎ−ｐまたはｎ−ｐ−ｎとなる構造にすれば、電気的に絶縁できるので、同様に適用することが可能である。

＜使用方法、応用システムなど＞
本発明による発光ダイオードアレイは、電子写真方式のプリンタ光源に用いられる発光ダイオードアレイに応用することができる。

本発明の一実施形態を示す発光ダイオードアレイの上面図である。本発明の一実施形態を示す発光ダイオードアレイの構造断面図である。発光ダイオードアレイＡ、Ｂ、Ｃについて保護膜の膜厚ｄ１と第２絶縁膜の膜厚ｄ２の適正範囲を示した図である。発光ダイオードアレイＤ、Ｅ、Ｆについて保護膜の膜厚ｄ１と第２絶縁膜の膜厚ｄ２の適正範囲を示した図である。発光ダイオードアレイＧ、Ｈ、Ｉについて保護膜の膜厚ｄ１と第２絶縁膜の膜厚ｄ２の適正範囲を示した図である。発光ダイオードアレイＪ、Ｋ、Ｌについて保護膜の膜厚ｄ１と第２絶縁膜の膜厚ｄ２の適正範囲を示した図である。発光ダイオードアレイＭ、Ｎ、Ｏについて保護膜の膜厚ｄ１と第２絶縁膜の膜厚ｄ２の適正範囲を示した図である。従来の発光ダイオードアレイの上面図である。従来の発光ダイオードアレイの構造断面図である。

符号の説明

１半絶縁性ＧａＡｓ基板
２ｐ型ＧａＡｓ導電層
３ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチングストッパ層
４ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層
６ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
７ｎ型ＧａＡｓキャップ層
８カソード用コンタクト電極
９ｎ型ＧａＡｓキャップ層の一部
１０発光ダイオード部
１１第１絶縁膜（ＳｉＯ絶縁膜）
１２発光部
１２ａ発光部表面
１３メサエッチング溝
１４保護膜（ＳｉＮ保護膜）
１５アノード用コンタクト電極
１６Ａｕ配線
１７カソード用ボンディングパッド
１８アノード用ボンディングパッド
１９第２絶縁膜（ＳｉＯ絶縁膜）

Claims

基板上に複数の化合物半導体層がエピタキシャル成長され、絶縁・分割された複数の発光ダイオード部を有し、その発光ダイオード部の発光部表面が絶縁膜から成る保護膜で被覆された発光ダイオードアレイにおいて、
発光波長が７２５nmであり、
且つ、保護膜が、当該保護膜の最表面から順次に酸化珪素からなる第２絶縁膜、窒化珪素からなる保護膜、酸化珪素からなる第１絶縁膜から形成され、
且つ、第２絶縁膜直下の半導体層が一般式Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦０．８）で表される化合物半導体で形成され、
且つ、第１絶縁膜の膜厚が４３．６nmであり、
且つ、窒化珪素（ＳｉＮ）からなる保護膜の膜厚を６６２．３nmとし第２絶縁膜の膜厚を４３０．４nmとしたことを特徴とする発光ダイオードアレイ。