JP2007207977A - 発光素子及び発光素子アレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】基板材料の制約或いは発光強度低下やばらつき等が生じることなく、発光点ピッチを小さくでき、且つ、発光サイズを小さくすることが可能な発光素子及び発光素子アレイを提供する。
【解決手段】発光層1、発光層1の一方の面側に形成されたp型電流拡散層2、発光層の他方の面側に形成されたn型電流拡散層3、p型電流拡散層の一部に形成されたp型電極4、n型電流拡散層の一部に形成されたn型電極5を具備する。そして、p型電極とn型電極とを互いに位置をずらして配置し、p型電極とn型電極との選択パターンによって発光層2における発光点を制御する。そうすることで、発光点ピッチを小さくでき、発光点サイズを小さくできる。
【選択図】図1
【解決手段】発光層1、発光層1の一方の面側に形成されたp型電流拡散層2、発光層の他方の面側に形成されたn型電流拡散層3、p型電流拡散層の一部に形成されたp型電極4、n型電流拡散層の一部に形成されたn型電極5を具備する。そして、p型電極とn型電極とを互いに位置をずらして配置し、p型電極とn型電極との選択パターンによって発光層2における発光点を制御する。そうすることで、発光点ピッチを小さくでき、発光点サイズを小さくできる。
【選択図】図1
Description
本発明は、発光素子及びそれを用いた発光素子アレイに関し、特に、電子写真LEDプリンタヘッドの光源等として好適に用いることが可能な発光素子及び発光素子アレイに関するものである。
従来、発光素子の中でも、電子写真LEDプリンタヘッドのような光源用途においては、高精細化のために発光点をより小径化、集積化する必要性が高い。ところが、素子サイズ、素子ピッチ双方において、コンタクト電極サイズ、ワイヤーボンディングパッドサイズ、駆動方式の観点から単純にシュリンクすることは困難である。
そこで、集積度を上げるために、発光ダイオードのp、nの電極を行列配列することにより、端子数に対する発光素子数を増加させる方法が、特許文献1に記載された形態で広く使用され、高密度LEDアレイでは既に実用されている。
また、発光点のピッチを小さくし、発光点数を増加させる手法として、透明石英基板の両面に発光ダイオードを形成し、且つ、その相互の位置を意図的にずらしてレイアウトする例が、特許文献2に記載されている。
特許第3340626号公報
特開平6−268251号公報
従来の技術では、透明基板の上下に発光ダイオードを形成する場合には、発光ダイオードの発光波長に対して透明性を有する基板を使用しなければならない等、使用できる基板材料に制約が生じる。
また、透明基板の両面に発光ダイオードをレイアウトすると、基板裏面側の素子の発光強度の低下或いはばらつきの増大等が生じるという問題があった。
本発明の目的は、基板材料の制約或いは発光強度低下やばらつき等が生じることなく、発光点ピッチを小さくでき、且つ、発光サイズを小さくすることが可能な発光素子及び発光素子アレイを提供することにある。
本発明の発光素子は、上記目的を達成するため、発光層と、前記発光層の一方の面側に形成された第1の極性を有する第1電流拡散層と、前記発光層の他方の面側に形成された第2の極性を有する第2電流拡散層と、前記第1電流拡散層の一部に形成された第1電極と、前記第2電流拡散層の一部に形成された第2電極と、備え、前記第1電極と前記第2電極とが互いに位置をずらして配置されており、前記第1電極と前記第2電極との選択パターンによって前記発光層における発光点を制御することを特徴とする。
本発明においては、第1電極と第2電極とを互いに位置をずらして配置し、発光層における発光点の数を2つ以上とし、第1電極と第2電極との選択パターンによって発光層における発光点を制御する。そうすることで、基板材料の制約や発光素子の強度低下やバラツキ等を生じることなく、発光点ピッチを小さくでき、発光点サイズを小さくすることができる。
本発明によれば、発光層における発光部位を2つ以上増加させることが可能となり、基板材料の制約或いは発光強度低下やばらつき等を生じることなく、発光点ピッチを小さくでき、且つ、発光サイズを小さくすることが可能となる。
次に、添付図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態について説明する。図1乃至図6は本発明に係る発光素子の実施形態の構造を示す概念図である。
まず、図1は、発光層1と、それを挟持する第1の導電型の電流拡散層2と、第1の導電性と異なる極性を持つ第2の導電型の電流拡散層3と、それぞれの電流拡散層上にキャリアを注入する第1の導電型電極4、第2の導電型電極5から構成される発光素子を示す。発光層1は1面と2面を有し、1面側に第1の導電型の電流拡散層2が、2面側に第2の導電型の電流拡散層3が設けられている。
第1の導電型電極4としては電極4a〜4cの3つの電極が設けられ、第2の導電型電極5としては電極5a〜5bの2つの電極が設けられている。
本実施形態では、第1の導電型の電流拡散層2はp型電流拡散層、第2の導電型の電流拡散層3はn型電流拡散層、第1の導電型電極4はp型電極、第2の導電型電極5はn型電極である。
ここで、p型電極4とn型電極5は、互いに位置をずらしてそれぞれ2つ以上レイアウトされている。また、p型電極4、n型電極5はそれぞれ個別に選択できるように隣接電極と電気的に分離されている。
また、発光層1は、pn接合層の他、p,n電流拡散層よりバンドギャップの小さいダブルへテロ活性層、量子井戸層のいずれかで構成されている。
本実施形態では、上述のようにp型電極4とn型電極5の位置関係がずらされており、且つ、電流拡散層の膜厚をキャリア拡散が支配的な膜厚にすることにより、電流注入電極の選択パターンに応じて発光位置は変化する。即ち、選択したn型電極とp型電極の中間領域でのキャリアの再結合が支配的となり、p型電極とn型電極との選択電極に応じて発光層1内で発光領域が移るのである。
例えば、p型電極4bに対してn型電極5aを選択すると、電極4bと電極5aの中間領域におけるキャリア再結合が支配的となるため、発光領域は6a近傍が優位となり、n型電極5bを選択すると発光領域は6b近傍が優位となる。また、p型電極4aに対してn型電極5aを選択すると発光領域は6c、p型電極4cに対してn型電極5bを選択すると発光領域は6dとなり、4箇所の発光点が得られる。
また、n型電極5側を基準とし、n型電極5aに対してp型電極4aを選択すると発光領域は6c、p型電極4bを選択すると発光領域は6a、p型電極4a、4bを選択すると発光領域は6a、6cとなる。
更に、n型電極5bに対してp型電極4bを選択すると発光領域は6b、p電極4cを選択すると発光領域は6d、p型電極4b、4cを選択すると発光領域は6b、6dとなり、4箇所の発光点が得られる。
実際に、発光素子を駆動する場合には、p型電極4を基準としてn型電極5を選択する又はn型電極5を基準としてp型電極4を選択することにより、発光層1における複数の発光点の発光を制御する。
例えば、p型電極4bに対してn型電極5aと5bを選択すると発光領域は6a、6bとなり、p型電極4a、4bに対してn型電極5aを選択すると発光領域は6a、6cとなる。更に、p型電極4b、4cに対してn型電極5bを選択すると発光領域は6b、6dとなり、p型電極4a、4b、4cに対してn型電極5a、5bを選択すると発光領域は6a、6b、6c、6dとなる。
反対に、n型電極5を基準としてp型電極4を選択する場合も、全く同様に発光点を制御することができる。例えば、n型電極5aを基準としてp型電極4aを選択すると発光領域は6c、p型電極4bを選択すると発光領域は6a、p型電極4a、4bを選択すると発光領域は6a、6cとなる。
また、n型電極5bを基準としてp型電極4bを選択すると発光領域は6b、p型電極4cを選択すると発光領域は6d、p型電極4b、4cを選択すると発光領域は6b、6dとなる。
更に、n型電極5a、5bを基準としてp型電極4a、4bを選択すると発光領域は6a、6b、6cとなり、p型電極4bを選択すると発光領域は6a、6bとなり、p型電極4b、4cを選択すると発光領域は6a、6b、6dとなる。
また、n型電極5a、5bを基準としてp型電極4a、4b、4cを選択すると発光領域は6a、6b、6d、6dとなる。このようにp型電極とn型電極との選択パターンによって4個の発光点の点滅を制御することができる。
以上のようにp型電極4とn型電極5との選択パターンによって発光層1の発光領域を制御できることは、以下の全ての形態において同様である。
また、図1では、p型電極4を3個、n型電極5を2個としているが、本発明は、この限りではない。例えば、図1のp型電極4a、4b、4cのうちp型電極4a、4cはなくても良い。その場合には、発光領域は6a、6bのみとなる。
更に、例えば、p型電極4を4個、n型電極5を3個とする等電極の組み合わせは任意である。要はp型電極とn型電極の位置をずらして配置し、且つ、p型電極とn型電極を1対2の関係又は2対1の関係とし、発光点を2つ以上とすれば良い。以上のことは、以下に説明する全ての形態において同様である。
そうすることで、発光層1内における発光部位を2つ以上増加させることが可能となる。そして、結果として基板材料に制約を生じることなく、また、基板裏面側の発光素子の発光強度低下やバラツキといった問題が生じることなく、発光点ピッチを小さくでき、且つ、発光サイズを小さくすることが可能となる。
次に、本発明の他の形態について説明する。本発明は基板の片側の電流拡散層を一部又はすべてを除去することにより、発光位置の制御性、集中性を向上させることが可能である。具体的な形態を図2〜図4に示す。
図2に示す形態は、素子上面の電流拡散層2を深さ方向に一部(或いはすべて)を除去する実施形態を示す。7はp型電流拡散層除去部を示す。なお、図2では図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
このように素子上面のp型電流拡散層2を深さ方向に一部(或いはすべて)を除去することにより、p型電極4から注入されたp型キャリアは広く拡散しないため、p型キャリアの注入領域を制御できる。そのため、図1の実施形態の効果に加えて、発光層1における発光部位の制御性、集中性を更に向上させることができる。
図3に示す形態は、図2とは反対に素子下面の電流拡散層を深さ方向に一部(或いはすべて)を除去する形態を示す。図3では図1、図2と同一部分には同一符号を付している。このように素子下面のn電流拡散層3を深さ方向に一部(或いはすべて)を除去することにより、n型キャリアの注入領域を制御でき、同様に発光層1における発光部位の制御性、集中性を更に向上することができる。
図4に示す形態は、図2と同様に素子上面の電流拡散層を一部(或いはすべて)を除去し、且つ、図3と同様に素子下面の電流拡散層を一部(或いはすべて)を除去する形態を示す。図4では図1〜図3と同一部分には同一符号を付している。
図4の形態においては、p型キャリアとn型キャリアの双方のキャリア注入領域を制御できるため、図2、図3の形態に比べて発光部位の制御性や集中性を更に向上させることが可能となる。
このように図2〜図4の形態では、p型電流拡散層2又はn型電流拡散層3の一部又は全てを除去することにより、その電流拡散層における電流阻害層として機能し、p型、n型キャリアの注入領域を制御できる。そのため、発光層1における発光部位の制御性や集中性を大幅に向上させることができる。
特に、図4の形態では、p型電流拡散層2とn型電流拡散層3の位置をずらして配置した形となっているが、発光層1においてそのp型電流拡散層2とn型電流拡散層3がオーバーラップする領域が発光し、発光層1における発光部位の制御性や集中性をより向上させることが可能である。
また、電流拡散層を深さ方向に一部或いはすべてを除去するプロセスにおいて、図5或いは図6に示すように電流拡散層2、3と発光素子層1との間に電流拡散層と物理的若しくは化学的に選択性を有する選択加工層9を形成しても良い。そうすることにより、選択加工層9を除去プロセスにおける発光素子層1の保護或いは加工ストップ層として用いることができ、加工の再現性の改善を図ることも可能である。
図5、図6は発光層1の両面に選択加工層9、9′を形成し、p型電流拡散層2とn型電流拡散層3をそれぞれ深さ方向に全て除去した形態を示す。図5、図6に示す形態では、上述のようにp型電流拡散層2とn型電流拡散層3の位置をずらして配置した形となっており、発光層1においてそのp型電流拡散層2とn型電流拡散層3がオーバーラップする領域が発光する。この形態では、図4の形態に比べて更に発光層1における発光部位の制御性や集中性を向上せることが可能である。
これらの発光素子層を挟持する構成は、発光素子層、拡散層、電極を他の支持基板に移設することによっても得られる。
例えば、図示しないシード基板上に分離層を介して発光層1、電流拡散層2、3をエピタキシャル成長させ、第1面の電極4を形成し、一方の電流拡散層2の一部を除去する等の加工を行う。その後、図示しない支持基板にその電極面を貼り合わせて分離層から分離し、露出した第2面に電極5を形成し、電流拡散層3の一部を除去する等の加工を行う。そうすることで、発光素子層が薄膜の場合でも本発明の構成を実現できる。
また、図2〜図6の形態では電流拡散層2、3のいずれか一方の一部又はすべてを除去する、或いは電流拡散層2、3の両方の一部又はすべてを除去すると説明したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、電流拡散層2、3のいずれか一方の一部に高抵抗層を形成しても良いし、電流拡散層2、3の両方の一部に高抵抗層を形成しても良い。そうすることで、同様に発光位置の制御性を向上させることができる。
図7はその場合の実施形態を示す断面図であり、p型電流拡散層に高抵抗層を形成した例を示す。図7では図1〜図6と同一部分には同一符号を付している。図中20は電流阻害層としての高抵抗層を示す。通常、電流拡散層(GaAs等)はp型の場合は炭素(C)をドープし、n型の場合にはSi等をドープする。電流阻害層は、ドープを何もしない、若しくは反極性のドープをすることによって形成する。
図7の形態では、高抵抗層20は、例えば、p型電流拡散層(p−GaAs)2aを成膜後、ノンドープGaAs若しくはn−GaAsを成膜、パターニングして形成し、その後、p型電流拡散層(p−GaAs)2bを成膜する。
p型電極から注入されたキャリア(正孔)は高抵抗層20の領域を通れないので、図中に矢印で示すようにp電極の直下を選択的に流れ、電流拡散層の一部を除去又はすべてを除去した場合と同様の効果が得られる。また、p型電流拡散層(p−GaAs)2aの一部を除去した後に高抵抗層20を成膜し、その高抵抗層20を選択的に残しても、同様の効果が得られる。
なお、図7はp型電流拡散層2に高抵抗層20を形成した例を示すものであるが、n型電流拡散層3に形成しても良いし、p型電流拡散層2とn型電流拡散層3の両方に形成しても良いことは言うまでもない。
次に、本発明の好適な実施例を例示的に説明する。
(第1実施例)
本発明の第1実施例に係る発光素子を図1〜図6を参照して説明する。図1に示すように、第1実施例として、例えば、ダブルへテロ型のLED素子を説明する。その構成は以下の通りである。
本発明の第1実施例に係る発光素子を図1〜図6を参照して説明する。図1に示すように、第1実施例として、例えば、ダブルへテロ型のLED素子を説明する。その構成は以下の通りである。
p型Al0.13Ga0.87As層(発光層)1を挟持する形で、p型Al0.40Ga0.60As層(電流拡散層)2、n型l0.40Ga0.60As層(電流拡散層)3が形成されている。そして、それぞれの電流拡散層上に、Au/Ni/AuGeからなるn型電極4、Au/Tiからなるp型電極5が形成されている。
p型電極4、n型電極5は互いに対向する部分が除去されており、またエピタキシャル成長層(発光層1、電流拡散層2、3)はキャリアの拡散が電流拡散層内で十分には拡散しない範疇で形成されている。
この構成のため、p型電極の任意の1つの電極4bを選択し、また電極4bに対して最近接のn型電極の一方の電極5aを選択した場合には、双方の中間領域でのキャリア再結合が支配的になり、発光領域6a近傍の発光が優位となる。
また、p型電極4bに対し、n型電極5bを選択することにより、発光点は6b近傍に移る。このように電極の選択により、1つの電極に対する発光部位を2つ以上のパターンにすることが可能となる。
しかしながら、双方の電極位置と電流拡散層の厚みでキャリア注入領域を規定するには構成に制約が多い。その場合には、図2に示すように、p型電流拡散層除去部7として示す如く、p型電流拡散層2の一部を除去することにより、上述のようにp型電極4から注入されたp型キャリアは広く拡散しないため、発光層1における発光部位の制御性や集中性を向上させることが可能となる。
また、図3に示すように、n型電流拡散層除去部8として示す如く、n型電流拡散層3の一部を除去することで、n型キャリアの注入領域を制御でき、同様に発光部位の制御性や集中性を上げることが可能となる。
更に、図4に示すように、p型電流拡散層2の一部、及びn型電流拡散層3の一部を除去することにより、p、n双方のキャリアの注入領域を制御でき、発光部位の制御性や集中性を更に改善することも可能である。
電流拡散層2や3を除去する際に、例えば、電流拡散層がAlGaAsで、エッチングに硫酸系の薬液を用いている場合には、図5に示す様にエッチングストップ層(選択加工層)9としてInGaP層を設けると良い。そうすることで、素子形状、サイズの安定性とプロセス再現性を改善することができる。
選択加工層9は図2の形態の場合にはp型電流拡散層2側に形成し、図3の形態の場合にはn型電流拡散層3側に形成し、図4の形態の場合には図5に示すようにp型電流拡散層2側とn型電流拡散層3側に形成する。
ここで、これらの実施例においては、発光素子を形成する構成は非常に微細で且つ膜構成は薄いことが予想される。そこで、プロセスを簡便且つ具体化するために、図6に示す実施例に於いては、例えば、シード基板(図示せず)上にp型電流拡散層2、p型エッチングストップ層9、発光層1、n型エッチングストップ層9′、n型電流拡散層3をこの順に形成する。
その後、n型電極5を形成し、n型電流拡散層3の一部を除去し(除去部8で示す)、支持基板10にn型電極5面を貼り合わせ、シード基板からp型電流拡散層2を分離する。次いで、p型電極4を形成し、p型電流拡散層2の一部を除去(除去部7で示す)することによって、発光素子の上下面に加工を施した本発明による発光素子を実現することが可能になる。
(第2実施例)
図8は本発明の第2実施例を示す図であり、本発明の発光素子を用いた高密度発光素子アレイを示す。図8の実施例では、p型AlGaAs層(発光層)13を挟持する形で、p型AlGaAs層(電流拡散層)12、n型AlGaAs層(電流拡散層)14、15が形成されており、ダブルへテロ型LEDが構成されている。
図8は本発明の第2実施例を示す図であり、本発明の発光素子を用いた高密度発光素子アレイを示す。図8の実施例では、p型AlGaAs層(発光層)13を挟持する形で、p型AlGaAs層(電流拡散層)12、n型AlGaAs層(電流拡散層)14、15が形成されており、ダブルへテロ型LEDが構成されている。
p型電流拡散層12は島状に分離され、各島状AlGaAs層12個々にp型電極11が形成されている。また、n型電流拡散層14、15は発光層13を介して反対側に島状p型電流拡散層12のパターン間にオーバーラップする形でレイアウトされている。更に、n型電流拡散層14、15は櫛歯状に互い違いにレイアウトされ、且つ、電気的に分離されている。
ここで、p型電極11の任意の電極11′が選択され、対向するn型電流拡散層14、15のうちn型電流拡散層14が選択された場合には、注入されたキャリアはn,pの電流拡散層がオーバーラップする16に集中し、ここが発光する。
一方、p型電極11の任意の電極11′が選択され、対向するn型電流拡散層14と15のうちn型電流拡散層15が選択された場合には、注入されたキャリアは16′に集中し、ここが発光する。以上のことから、各p型電極に対し、2つずつの発光点を有するLEDアレイを実現することが可能となる。
尚、発光点のピッチはp型電流拡散層12のピッチの1/2程度となり、且つ、発光点サイズもp型電流拡散層12のサイズの1/2程度となり、最小プロセス設計基準の半分のピッチでのアレイを作製することが可能となる。
ここで、本発明に係る発光層としては、GaN、InGaN、AlGaN、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、InP、InGaPからなるグループから選択した材料で構成すると良い。
また、p型電極としては、Ti、Au、AuGe、Cr、Ni、Ag、Pt、Au、Al、In、Cu、のいずれか一つ、若しくはこれらのうち2つ以上積層した構成からなることが好ましい。
n型電極としては、Ti、Au、AuGe、Cr、Ni、Ag、Pt、Au、Al、In、Cuのうちいずれか一つ、若しくはこれらのうち2つ以上積層した構成からなることが好ましい。
p型電流拡散層としては、GaN、InGaN、AlGaN、GaAs、AlGaAs、In、GaAs、InGaAsP、InP、InGaPからなるグループから選択した材料で構成することが好ましい。
n型電流拡散層としては、GaN、InGaN、AlGaN、GaAs、AlGaAs、In、GaAs、InGaAsP、InP、InGaPからなるグループから選択した材料で構成することが好ましい。
選択加工層としては、GaN、InGaN、AlGaN、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、InP、InGaPからなるグループから選択した材料で構成される積層構造を有することが好ましい。
本発明は、発光デバイスのピッチ、発光部位サイズを同一設計ルールであってもシュリンクすることが可能となる。このため、例えば、プリンタヘッドLEDアレイ等に、より高集積化、高密度化を実現する手段として好適に使用することができる。
1 発光層
2 p型電流拡散層
3 n型電流拡散層
4a、4b、4c p型電極
5a、5b n型電極
6a、6b、6c、6d 発光部
7 p型電流拡散層除去部
8 n型電流拡散層除去部
9、9′ 選択加工層
10 支持基板
11、11′ p型電極
12 p型電流拡散層
13 発光層
14、15 n型電流拡散層
16、16′ 発光部
20 高抵抗層
2 p型電流拡散層
3 n型電流拡散層
4a、4b、4c p型電極
5a、5b n型電極
6a、6b、6c、6d 発光部
7 p型電流拡散層除去部
8 n型電流拡散層除去部
9、9′ 選択加工層
10 支持基板
11、11′ p型電極
12 p型電流拡散層
13 発光層
14、15 n型電流拡散層
16、16′ 発光部
20 高抵抗層
Claims (7)
- 発光層と、
前記発光層の一方の面側に形成された第1の極性を有する第1電流拡散層と、
前記発光層の他方の面側に形成された第2の極性を有する第2電流拡散層と、
前記第1電流拡散層の一部に形成された第1電極と、
前記第2電流拡散層の一部に形成された第2電極と、
を備え、前記第1電極と前記第2電極とが互いに位置をずらして配置されており、前記第1電極と前記第2電極との選択パターンによって前記発光層における発光点を制御することを特徴とする発光素子。 - 前記第1電極と前記第2電極とが互いに重ならないように配置され、前記第1電極と前記第2電極との選択パターンによって前記発光層における発光点を制御することを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記第1又は第2電流拡散層に電流を阻害する電流阻害層が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。
- 前記発光層はpn接合層を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記発光層は活性層を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記発光層は量子井戸層を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光素子。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の発光素子を複数列状に配列したことを特徴とする発光素子アレイ。
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