JP2009071140A

JP2009071140A - 面発光型デバイス

Info

Publication number: JP2009071140A
Application number: JP2007239440A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Sekiguchi; 芳信関口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】面発光型素子を、パターンを有する基板に接合する際に、発光部に圧力が集中し難い面発光型デバイスを提供する。
【解決手段】表面に配線パターンを有する基板２０００に面発光型素子１０００が設けられて構成されている面発光型デバイスであって、面発光型素子の光放射面には、面発光型素子の発光部から光を放射するための窓を有する放射側電極が形成されており、且つ、面発光型デバイスの基板側電極１０と基板２０００の配線パターン１３とは、発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型デバイスである発光ダイオード（LED）、面発光型半導体レーザ（VCSEL）、又はそれらを高密度に配置した面発光型アレイ装置及びその製造方法に関するものである。

電子写真方式を用いたプリンタの光源として、小型化、高解像に適したLEDアレイが使用されており、先行技術として特許文献１に記載されているような発光ドット密度が６００DPIのLEDアレイが知られている。

図６は、特許文献１に記載されているLEDアレイを示す図である。LEDアレイ１０１は、複数の発光ドット１０２を有する。発光ドット１０２は、光放射面の中央と周囲に配置されているオーミック電極１０３と、中央の電極で２分される光取り出し領域１０６で構成される。

しかしながら、より高精細対応のLEDアレイにするために、発光ドットを小さくすると、表面電極によって覆われる割合が増大し、光取り出し領域が小さくなり、発光効率が低下する。また、僅かなオーミック電極の位置ずれや寸法精度の低下によって、発光ドットの光出力のバラツキが増大するという問題があった。更に、オーミック電極と半導体層との接触面積の縮小により、オーミック抵抗の増大や注入電流の不均一拡散などの課題が生じる。

一方、上記課題を回避する先行技術として、特許文献２に記載されているような発光波長に対して透明な基板上に面発光型レーザを形成し、基板を通して光を取り出す形態が知られている。

図７は、特許文献２に記載されている面発光型レーザ装置を示す図である。

面発光レーザ素子１１１は、発光波長に対して透明なｐ型基板１１２側にｐ側電極１１５を有し、エピタキシャル成長層側にｎ側電極１１４を有する。面発光レーザ素子１１１は、ｎ側電極１１４が配置された側で半田材１１７を介して熱伝導性に優れたＳｉ基板などにより形成されたヒートシンク１１８に密着固定されている。活性層１１３において発生した光は、開口部１１６から外部に出力される。

また、特許文献３に記載されているようなLEDを支持基板に貼り合せた構成の面発光型ダイオードアレイが提案されている。

図８は、特許文献３に記載されている面発光型ダイオードアレイを示す図である。

面発光型ダイオードは、半導体基板上に分離層を介して、発光層を含む半導体多層構造をエピタキシャル形成した後、半導体プロセスにより形成する。次に、表面に配線パターンが形成されている別基板１２６に接合し、前記半導体基板を除去して作製する。半導体層１２１、絶縁層１２２、ｐ型領域１２３、反射ミラーを兼用する金属電極１２４、光放射領域を除いてｎ型金属電極１２５が形成されている。別基板１２６にドライバーICを形成しておき、そのリード配線１２７に直接接合することもできる。
特開平１１−１２１８０２号公報特開２００３−３１８４８８号公報特開２００５−１２３５２２号公報

しかしながら、前記文献２，３の先行技術では、面発光型ダイオードは、発光部の直下において、別基板と接続されているため、電気的な接続を金属同士の直接接合で行う場合、接合の圧力が発光部に直接集中して印加されるため、発光特性への影響が生じる。

そこで、本発明の目的は、面発光型デバイスにおいて、素子と基板との接合時の圧力が素子側の発光部に集中し難いデバイス及びその製法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る面発光型デバイスは、
表面に配線パターンを有する基板に面発光型素子が設けられて構成されている面発光型デバイスであって、
前記面発光型素子の光放射面には、前記面発光型素子の発光部から光を放射するための窓を有する放射側電極が形成されており、且つ、前記面発光型素子の基板側電極と前記基板の前記配線パターンとは、前記発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の面発光型デバイスにおいて、面発光型デバイスの一方の電極が基板側電極として基板の配線パターンに接続されるが、この電極の接続個所は、発光部の直下以外の部分である。このため、接合工程において、発光部に接合圧力が集中しないため、面発光型デバイスの発光特性への影響が低減される。

また、本構成の面発光型デバイスでは、光放射側には、光放射を遮蔽する電極が存在しないことから高い出力が期待される。

このような面発光型デバイスは、LEDプリンタなどのプリンタヘッドとして好適に用いられる。

本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の面発光型デバイスの概略断面図である。

本発明は、表面に配線パターンを有するシリコン基板１２のような基板２０００に面発光型素子１０００が設けられて構成されている面発光型デバイス３０００であって、以下の特徴を有する。

まず、面発光型素子の光放射面１０１０には、面発光型素子の発光部１０２０から光を放射するための窓を有する放射側電極１４が形成されている。そして、面発光型素子の基板側電極１０と基板２０００の配線パターン１３とは、発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されている。ここで、発光部直下とは１０９９の領域である。

なお、面発光型素子１０００の発光部１０２０と基板２０００とは、発光部１０２０の直下で、電気的には接続していないが、熱的には接触している部分があるように構成することもできる。例えば、図２のように、発光部直下では発光型素子と、パターンを有する基板との電気的な接続は行わないが、熱的な伝導は行えるように、両者間に熱伝導性パッドを設けることができる。

面発光型素子１０００の基板側電極１０と、シリコン基板１２の配線パターン１３との電気的な接続は、金属同士の直接接合（金対金）で行うことができる。

ここで、面発光型素子が列状に複数個配置され、面発光型ダイオードアレイを構成しておくことができる。斯かる場合、面発光型ダイオードの基板側電極１０が個別電極であり、且つ光放射側電極１４が複数の面発光型ダイオードの共通電極となる構成にすることができる。

面発光型素子１０００は、面発光レーザ（例えば垂直共振器型面発光レーザ：VCSEL）で構成することもできる。

更に、面発光型デバイスを構成要素として含む表示装置や面発光型デバイスを構成要素として含むLEDプリンタヘッド、更にはこのヘッドを搭載するプリンタを提供できる。

以下、本発明に係る面発光型デバイスの製造方法から説明する。

本発明に係る面発光型デバイスの製造方法は、表面に配線パターンを有する基板に面発光型デバイスが形成された面発光型デバイスの製造方法であって、以下の（ａ）から（ｄ）の工程を有することを特徴とする。

（ａ）発光層を含む複数の半導体層を化合物半導体基板上に形成する工程
（ｂ）前記半導体層に面発光型デバイスを形成する工程
（ｃ）配線パターンを有する基板を接合し、前記面発光型デバイスの接合される側の電極は、発光部の直下以外の部分で、前記配線パターンに電気的に接続する工程
（ｄ）前記化合物半導体基板を除去し、除去した面の発光部に対応した位置に窓の開いた光放射側電極を形成する工程
面発光型素子として面発光型ダイオードを用いた具体的な実施形態を、図面を参照してその製造方法を説明する。

図３は、GaAs基板上に半導体層を形成する工程を説明するための断面図、図４は、配線パターンが形成されたシリコン基板の断面図、図５は、シリコン基板を接合した後GaAs基板を除去する工程を説明するための断面図である。

図３（ａ）に示すように、GaAsのような化合物半導体基板１上に、公知技術であるMOCVD法により各層を積層形成する。

GaAs基板１上に、以下の層を積層していく。

分離層２、n-Al_zGa_1-zAs層３、電流閉じ込め層（n-Al_xGa_1-xAs層）４、活性層（n-Al_yGa_1-yAs層）５、電流閉じ込め層（p-Al_xGa_1-xAs層）６、p-Al_zGa_1-zAs層７（y＜z＜x）を順次形成する。

エピタキシャル成長の不純物濃度や厚さは、デバイスの設計に依存するが、典型的な構成は以下のとおりである。

n-AlAs層２：〜0.0１μm；〜10¹⁸／cm^３
n-Al0.2Ga0.8As 層３：〜0.5μm；〜10¹⁸／cm^３
n-Al0.35Ga0.65As層４：〜0.5μm；〜10¹⁸／cm^３
p-Al0.13Ga0.87As層５：〜0.1μm；〜10¹⁷／cm^３
p-Al0.35Ga0.65As層６：〜0.5μm；〜10¹⁷／cm^３
p-Al0.2Ga0.8As層７：〜0.5μm；〜10¹⁷／cm^３
続いて、このエピタキシャル層に、公知技術である半導体プロセスにより面発光型ダイオードを形成する。面発光型ダイオードの一方の電極まで形成するが、このとき、面発光型ダイオードの発光部と離れた位置に接続のための領域を設けておく。

図３（ｂ）示すように、発光部７１と接合部７２をメサ形状にエッチングした後、スパッタ成膜により絶縁層８を全面に形成する。続いて、図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより絶縁層８にコンタクト用の窓９を形成し、コンタクト用の窓９を覆い、かつ、接合部用の電極にも繋がる金属の一方の電極１０のパターンを形成する。この工程において、分離層２まで達する溝１１も形成する。

一方、金属の配線パターン１３が表面に形成された基板であるシリコン基板１２を別途準備する（図４）。配線パターン１３には、面発光型ダイオードの接続のための領域（接合部）に対応した接続領域が形成されており、両者の領域を一致させるように、シリコン基板１２にGaAs基板１上の面発光型ダイオードをウエハスケールで接合する（図５（ａ））。この接合は面発光型ダイオードの金電極と金の配線パターンの金対金の直接接合で行われる。

接合は面発光型ダイオードの一方の電極１０と配線パターン１３を直接接触させて、圧力と熱を加えることによって行うが、接合部が発光部の直下でないため、圧力の集中が回避され、面発光型ダイオードの発光特性への影響は低減される。

次に、GaAs基板１を除去する。面発光型ダイオード表面に部分的に形成されている分離層２まで達する溝１１を利用する。シリコン基板１２と接合した後、この溝１１にフッ酸を含むエッチング液を流すことにより、分離層を選択的にエッチングしてGaAs基板１を分離することが可能である（図５（ｂ））。

または、GaAs基板の除去方法として、GaAsと分離層２のエッチング速度の違いを利用して、GaAs基板１をエッチング除去し、分離層２でエッチングを停止することも可能である。具体的には、分離層２をAlAsとし、アンモニア、過酸化水素水混合液のGaAs選択エッチングにより、GaAs基板１をエッチング除去し、その後分離層を塩酸等でエッチング除去する。

続いて、前記工程でGaAs基板１を除去した面に、発光部直上に窓の開いた放射側に他方の金属電極１４を形成することにより、図５（ｃ）及び図１の面発光型ダイオードの形態が完成する。

以上により、配線パターン１３が形成されたシリコン基板１２上に、一方の電極１０が接続された面発光型ダイオードが形成される。一方の電極１０は基板側電極、他方の電極１４は光放射側電極と呼ぶ。発光領域１６は、活性層５で電流注入によって発光する領域を表している。基板側電極１０は、発光部の直下以外の部分で、配線パターン１３に電気的に接続される。電気的な接続を金属同士の直接接合で行う場合、上記したように接合時の圧力が発光部に集中しない構成となっている。

基板側電極１０と光放射側電極１４に通電すると、発光領域１６で発光する。光放射側に向う光は、光放射側電極１４に形成された光放射用の窓１５から外部に放射される。光放射を遮蔽する電極がないので、光出力を大幅に増大できる。一方、基板側に向う光は、基板側電極１０によって光放射側へ反射されるので、光出力が一層増大される。

また、面発光型ダイオードを列状に配置したLEDアレイでは、面発光型ダイオードの基板側電極が個別電極であり、面発光型ダイオードからの発光を放射するための窓を有する放射側電極が複数の面発光型ダイオードで共通の共通電極となる。LEDアレイ構成では、個別電極がシリコン基板の配線パターンに接続される。そのため、別基板にLEDを駆動するためのICやシフトレジスターが形成されていれば、接合により一括で接続できるため、ワイヤボンディングが不要となり、ワイヤボンディングの数を大幅に削減できる。

図２に示すように、発光部近傍でシリコン基板１２に熱的接触する構造としてもよい。この構造により、発光部で発生する熱を効率的にシリコン基板１２に逃がして、放熱特性を更に向上させることが可能である。すなわち、面発光型ダイオードの発光部の直下近傍部分が、配線パターンが形成された基板に対して、電気的には接続していないが、熱的に接触している。この接触には、熱伝導性に優れるペーストを使用することが可能である。

また、接触部には、電気的に分離された金属薄膜を使うこともできる。

シリコン基板は熱伝導性が高い上に、発光部がシリコン基板に接近しているため、放が高く、面発光型ダイオードの温度特性が向上する。なお、図２の構成では、接合時のストレスが発光部に影響しないような材料を選択する必要がある。

なお、本実施の形態では、通常の面発光型ダイオードを例に説明したが、内部にDBRミラーを有する共鳴共振型発光ダイオード（RC-LED）や、面発光型半導体レーザに適用することで、同様の効果が得られる。

本発明は、LEDプリンタの高精細化に必要な小さな発光サイズ、高密度アレイのLEDアレイを提供するものである。発光サイズが小さく、かつ、高密度配列を実現するとともに、LEDスキャナーへの実装工程においてコスト要因となるワイヤボンディング数を大幅に低減できる。

本発明の面発光型デバイスの概略断面図本発明の熱的接触部分を有する面発光型デバイスの概略断面図 GaAs基板上に半導体層を形成する工程を説明するための断面図配線パターンが形成されたシリコン基板の断面図シリコン基板を接合した後GaAs基板を除去する工程を説明するための断面図特許文献１に記載されたLEDアレイを示す図特許文献２に記載された面発光型レーザ装置を示す図特許文献３に記載された面発光型ダイオードアレイを示す図

符号の説明

１…GaAs基板
２…分離層
３…n-AlzGa1-zAs層
４…n-AlxGa1-xAs層
５…活性層（n-AlyGa1-yAs層）
６…p-AlxGa1-xAs層
７…p-AlzGa1-zAs層
８…絶縁層
９…コンタクト用の窓
１０…一方の電極（基板側電極）
１１…溝
１２…シリコン基板
１３…配線パターン
１４…他方の電極（光放射側電極）
１５…光放射用の窓
１６…発光領域
１７…熱伝導性パッド

Claims

表面に配線パターンを有する基板に面発光型素子が設けられて構成されている面発光型デバイスであって、
前記面発光型素子の光放射面には、前記面発光型素子の発光部から光を放射するための窓を有する放射側電極が形成されており、且つ、前記面発光型素子の基板側電極と前記基板の前記配線パターンとは、前記発光部の直下以外の部分で、電気的に接続されていることを特徴とする面発光型デバイス。
前記面発光型素子の発光部と前記基板とは、前記発光部の直下で、電気的には接続していないが、熱的には接触している部分があることを特徴とする請求項１に記載の面発光型デバイス。
前記面発光型素子の基板側電極と、前記基板の配線パターンとの電気的な接続は、金属同士の直接接合で行われていることを特徴とする請求項１に記載の面発光型デバイス。
前記面発光型素子が列状に複数個配置され、面発光型ダイオードアレイを構成しており、該面発光型ダイオードの基板側電極が個別電極であり、且つ前記放射側電極が複数の面発光型ダイオードの共通電極となっていることを特徴とする請求項１に記載の面発光型デバイス。
前記面発光型素子が、面発光レーザであることを特徴とする請求項１に記載の面発光型デバイス。
請求項１乃至５に記載の面発光型デバイスを構成要素として含むことを特徴とする表示装置。
請求項１乃至５に記載の面発光型デバイスを構成要素として含むことを特徴とするLEDプリンタヘッド。
請求項７に記載のLEDプリンタヘッドを搭載したことを特徴とするプリンタ。