JP2592624B2

JP2592624B2 - 端面型発光ダイオードアレー素子

Info

Publication number: JP2592624B2
Application number: JP29503687A
Authority: JP
Inventors: 史朗佐藤; 友晶吉田; 哲郎斎藤
Original assignee: RIKOO OYO DENSHI KENKYUSHO KK; Ricoh Co Ltd
Current assignee: RIKOO OYO DENSHI KENKYUSHO KK; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1987-11-25
Filing date: 1987-11-25
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JPH01137677A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は半導体発光素子に関し、複数の発光領域を含
む発光ダイオードがアレー状に形成された端面型発光ダ
イオードアレー素子に関する。

従来技術従来、例えば端面型発光ダイオード、あるいは光出力
を基板に対して垂直上方に取り出す面発光型ダイオード
をアレー状に配列した発光ダイオードアレー素子は、ア
レー状に配列された各ダイオードの発光部において発光
し、放出すた光が発散しており、また指向性がまったく
ないため、アレー状の光出力を一定の方向に得るために
は、レンズ系を必要としていた。しかし、放出光が発散
光のため、レンズとの結合効率が悪く、いわゆるレンズ
の「けられ」等の影響によってその大部分が利用できな
かった。また発散光の場合、隣接素子からの光の干渉を
受けやすく、消光比が悪くなるという問題があった。し
たがって、所定の光出力を所定の方向に取る出すために
は、注入電力を大きくしなければならなかった。しか
し、注入電力を大くきした場合、アレー型の素子では熱
の発生が著しく増加するため、発光効率の減少、素子の
劣化等の問題が生じていた。

また、素子の構造面においても、従来の素子では発光
領域が基板と平行に形成されていたため、十分な光出力
を得るためにはある程度の面積を必要とするため、高密
度のアレー化が困難なものとなっていた。

目的本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、素子か
らの放出光に指向性があり、レンズ等との結合効率に優
れ、さらに高密度のアレー化が可能な端面型発光ダイオ
ードアレー素子を提供することを目的とする。

構成本発明は上記の目的を達成させるため、第１の発明
は、半導体基板と、該半導体基板上に形成された発光素
子と、発光素子上に形成された電極層と、電極層上に形
成された電気的絶縁層とを有し、前記発光素子には、光
出射用端面が形成され、また、該発光素子の前記光出射
用端面から該光出射用端面とは反対の側の発光素子の他
方の端面に向けて所定の長さに至るまでの範囲には、複
数の発光部を画定するために、画定されるべき複数の発
光部の間を電気的に分離するための溝が前記電気的絶縁
層から少なくとも前記発光素子の発光部に至るまでの深
さで形成され、また、前記溝によって分離された各電気
的絶縁層には、前記電極層に至るまでの深さで、前記複
数の発光部の発光領域を画定するための所定幅の窓開け
が設けられ、前記各発光部上に形成された窓開けには、
前記各発光部をそれぞれ駆動するための電極が前記各電
極層と接して、形成されるようになっていることを特徴
としている。また、第２の発明は、半導体基板と、該半
導体基板上に形成された発光素子と、発光素子上に形成
された電極層とを有し、前記発光素子には、光出射用端
面が形成され、また、該発光素子の前記光出射用端面か
ら該光出射用端面とは反対の側の発光素子の他方の端面
に向けて所定の長さに至るまでの第１の範囲には、複数
の発光部を画定するために、画定されるべき複数の発光
部の間を電気的に分離するための溝が形成される一方、
前記発光素子の前記第１の範囲以外の第２の範囲の表面
は連続した平面状のものとなっており、前記電極層は、
前記発光素子の第２の範囲の連続した平面状の表面上に
おいては、連続して形成されていることを特徴としてい
る。以下、本発明の一実施例に基づいて具体的に説明す
る。

本発明は、第１導電型の半導体基板の上に第１導電型
のエピタキシャル層が形成され、第１導電型のエピタキ
シャル層の上に禁制帯の幅が異なる第２導電型のエピタ
キシャル層が形成され、ヘテロ接合が形成されている。
第２導電型のエピタキシャル層の上には、不純物によっ
て高濃度に形成された第２導電型の半導体電極層が形成
され、第２導電型の半導体電極層の上には電気的絶縁層
が形成されている。電気的絶縁層には、アレー状かつ平
行な略凹型の溝がストライプ状に形成されており、溝の
下部は第２導電型の半導体電極層に達している。第２導
電型の電極金属が、溝下部に露出した半導体電極層を含
む溝内部、および積層部上面、つまり電気的絶縁層の上
部に配設され、第１導電型の電極金属が積層側でない基
板裏面に配設されている。

また、ドライエッチングによる平面がストライプ状に
形成された溝の方向に対し直角の方向、かつ基板に対し
て垂直な方向に形成され、素子の端面を形成している。
この端面は、第２導電型のエピタキシャル層に達するよ
うに形成され、ヘテロ接合面、つまり前述した第１導電
型のエピタキシャル層と禁制帯の幅が異なる第２導電型
のエピタキシャル層の接合面よりも深く形成されてい
る。

各積層体の間には、電気的な分離を行うため、ドライ
エッチングの手法により間隙が形成されている。したが
って、電極金属は、積層部上面に配設された第２導電側
の電極金属がこの間隙により電気的に分離され、基板裏
面に配設された第１導電側の電極金属が共通電極とな
る。

以上の構造を有するため、第１導電側の電極金属と第
２導電側の電極金属の両電極に電流を流すことにより、
ストライプ状に形成された各積層部のほぼ真下に形成さ
れたヘテロ接合面において発光が生じ、ドライエッチン
グにより形成された端面から光出力を取り出すことがで
きる。また、第２導電側の電極金属がこの間隙により電
気的に分離され、第２導電側の電極金属に対応する積層
体の個別電極になっていることから、任意の積層体に対
応する第２導電側の電極金属に電流を流すことによって
所望の積層体から光出力を取り出すことができる。

第１図には、本発明による端面型発光ダイオードアレ
ー素子の一実施例の断面斜視図が示されている。

ｎ型GaAs基板101の上にｎ型AlGaAs層102が形成され、
ｎ型AlGaAs層102の上にｐ型AlGaAs層103が形成され、ｐ
型AlGaAs層103の上には、p⁺型GaAs半導体電極層113が形
成され、電極層113の上には、シリコン酸化膜、あるい
はシリコン窒化膜からなる電気的絶縁層110が形成され
ている。

電気的絶縁層110には、アレー状かつ平行な略凹型の
いわゆる窓開けがストライプ状に形成されており、窓開
けの溝162の下部はp⁺型GaAs半導体電極層113に達してい
る。

ｎ型AlGaAs層102の禁制帯の幅とｐ型AlGaAs層103の禁
制帯の幅が異なっており、両層の間でヘテロ接合108を
形成している。

また、積層部には各ストライプ状の溝162に対し直角
で、かつ基板101に対して垂直な方向にドライエッチン
グによる平面が形成されており、素子の端面210を形成
している。端面210は、前述したヘテロ接合面108よりも
深くなるように形成され、その下部はｎ型AlGaAs層102
内に達している。端面210を形成する際、ヘテロ接合面1
08が端面210に露出するように形成させなければならな
いことは言うまでもない。

この端面210は、ドライエッチングによって形成され
ているため、基板101に対してほぼ垂直に形成され、か
つ平滑な面を得ることができる。またドライエッチング
は、フォトリソグラフィの手法によって形成されたマス
クを使用して行われるため、従来レーザダイオード等の
装置の端面を形成するのに使用されるへき開に比べ、端
面210の位置の寸法精度がはるかに優れ、チップ毎のば
らつきを減少させることができる。なお、ドライエッチ
ングは、塩素、あるいは塩素系ガスを使用することによ
って行われる。

ｐ側の電極金属層106が、窓開けされた溝162の下部に
露出したｐ型GaAs半導体電極層113を含む溝内部、およ
び積層部上面、つまり電気的絶縁層110の上部に配設さ
れ、ｎ側の電極金属層107が積層側でない基板101の裏面
に配設されている。

ストライプ状に形成された各溝162を含む積層部230の
間には、ドライエッチングの手法による間隙161が形成
されており、電気的な分離を行っている。間隙161は、
本実施例においては、端面210の形成時に積層部上面か
ら基板101の方向に向ってほぼ垂直に形成しているた
め、その下部は端面210とほぼ同じ深さ達している。

また、基板101およびｎ側の電極金属107を含む面220
は、スクライブにより端面210と平行な方向に形成され
ている。

ｐ側の電極金属層106とｎ側の電極金属層107の両電極
に電流を流すことにより、各ストライプ状に形成された
溝162のほぼ真下に形成されたヘテロ接合面108において
発光が生じ、ドライエッチングにより形成された端面21
0から、端面210に対してほぼ垂直な方向に光出力を取り
出すことができる。また、発光領域118がストライプ状
の溝162に沿って長く形成されているため、放出される
光は指向性を有し、レンズ等と結合効率がよくなる。ま
た、光を取り出す出射部151の面積が小さいにもかかわ
らず高い光出力を得ることができることから、出射部15
1を小さくすることができ、高密度のアレー化を実現さ
せることができる。さらに、高密度アレー化によって光
の利用効率が上昇し、相対的に電流を小さくすることが
できるため、素子における発熱が少なくなり、発光効
率、素子の劣化等の問題を防止することができる。

第２図には、本発明を適用した他の例が示されてい
る。

この例では、発光ダイオードの各発光部の間を電気的
に分離する溝161が、Ａ部にだけ形成されており、溝161
が形成されていないＣ部には、素子上部の電極106がパ
ターン化されている。

この構造では、素子上部の電極106を形成する際、形
成させる部分であるＣ部が平面状となっていることか
ら、形成面が凹凸状になっている場合に発生する金属層
の段切れ等の問題を起すことなく、容易に、しかも低コ
ストで形成させることができる。

なお、素子がレーザダイオードの場合には、端面210
と反対側の面310にも端面210と同様の端面を形成して共
振器を構成させる必要があるため、溝161は素子の幅で
あるＢ部全体に形成させなければならない。この例は、
本発明がLEDに関するものであることから、溝161をＢ部
全体に形成させる必要がない。

第３図には、本発明を適用した他の例の断面図が示さ
れている。

この例は、発光ダイオードの発光部をダブルヘテロ接
合としたものである。ｎ型GaAs基板101の主表面上にｎ
型AlGaAsクラッド層102、AlGaAs活性層103、ｐ型AlGaAs
クラッド層104、およびp⁺型GaAs半導体電極層113が順次
積層され、電極層113の上には、シリコン酸化膜、ある
いはシリコン窒化膜からなる電気的絶縁層110が形成さ
れている。電気的絶縁層110には、第１図と同様にスト
ライプ状の窓開けが形成され、ｐ側の電極金属層106が
窓開けされた溝162、および電気的絶縁層110の上部に配
設され、ｎ側の電極金属層107が積層側でない基板101の
裏面に配設されている。また積層部230には、各ストラ
イプ状の溝162に対し直角で、かつ基板101に対して垂直
な方向にドライエッチングによる端面210が形成されて
いる。

電気的に分離されたｐ側の電極金属層106と共通な電
極であるｎ側の電極金属層107の両電極に電流を流すこ
とにより、ストライプ状に形成された溝162のほぼ真下
に形成されたダブルヘテロ接合面近傍の発光領域118に
おいて発光が生じ、ドライエッチングにより形成された
端面210から、端面210に対してほぼ垂直な方向に光出力
を個別に取り出すことができる。

なお、ダブルヘテロ接合を構成するｎ型AlGaAsクラッ
ド層102およびｐ型AlGaAsクラッド層104の禁制帯の幅
は、AlGaAs活性層103の禁制帯の幅よりも広くなるよう
に形成されている。

この例の素子では、ダブルヘテロ接合構造を有してい
るため、放出した光の指向性がより一層向上し、しかも
高い光出力を得ることができる。

なお、以上に示した実施例の他、例えばｎ型クラッド
層102と活性層103を同一組成の半導体とし、ｐ型クラッ
ド層104を前記２層の禁制帯の幅よりも広い禁制帯の幅
を有する半導体層とする構造にしてもよく、また活性層
103とｐ型クラッド層104を同一組成の半導体とし、ｎ型
クラッド層102を他の２層の禁制帯の幅よりも広い禁制
帯の幅を有する半導体層とする構造、いわゆるシングル
ヘテロ構造にしてもよい。

以上の第１図〜第３図に示した本発明の各実施例は、
発光領域118を含む積層部230を1mm当りに12個以上形成
させることが可能である。

基板101はｐ型の半導体を使用したが、ｐ型ではなく
ｎ型の半導体を使用することができることは言うまでも
なく、その場合には上記実施例における各半導体層のｐ
型またはｎ型の導電型をそれぞれ反対とすればよい。

各実施例に形成された間隙161の深さは、いずれもｎ
型AlGaAs層102に達するように形成されているが、間隙1
61の深さは任意であり、その深さが深い程隣接した積層
部230間の電気的、光学的な干渉が少なくなる。また、
各ストライプ間の電気的な分離は、間隙161によるもの
ではなく、例えば個別電極である電極金属層106のパタ
ーンだけによっても可能である。

ヘテロ接合を形成する半導体層は、本実施例ではAlGa
Asを使用したが、AlGaAsの以外の、例えばGaAsP、InP、
InGaAsP、InGaAlP、あるいはGaP等他の半導体を使用す
ることができる。

参考のため、従来技術によるの発光ダイオードアレー
素子は斜視図が第４図に示されている。この素子は、基
板１の主表面に基板１に対して垂直な方向に光を放出す
る発光ダイオード２がアレー状に配置されている。各ダ
イオードに対応する個別電極３が素子上部に形成され、
共通の電極４が基板１の裏面に形成されている。この構
造では、各ダイオードに対応する個別電極３が設けられ
ていることから、各ダイオードを個別に動作させること
ができる。

しかし、この従来の構造では放出した光が発散してお
り、また指向性がまったくないため、アレー状の光出力
を一定の方向に得るためには、レンめ、レンズとの結合
効率が悪く、いわゆるレンズの「けられ」等の影響によ
ってその大部分が利用できなかった。また発散光の場
合、隣接素子からの光の干渉を受けやすく、消光比が悪
くなるという問題があった。したがって、所定の光出力
を所定の方向に取り出すためには、注入電力を大きくし
なければならなかった。しかし、注入電力を大きくした
場合、アレー型の素子では熱の発生が著しく増加するた
め、発光効率の減少、素子の劣化等の問題が生じてい
た。

しかし、第１図〜第３図に示された本発明による素子
は、ドライエッチングによる間隙161によって電気的に
隔離されたストライプ状の半導体積層部230に、ストラ
イプに沿って発光領域118が形成されているため、発光
領域118で発光し、放出される光は指向性があり、レン
ズ等との結合効率に優れている。しかも、光を取り出す
出射部151の面積が小さいにもかかわらず高い光出力を
得ることができるため、出射部151の面積を小さくする
ことが可能となり、高密度のアレー化を実現させること
ができる。さらに、高密度アレー化の実現により、光の
利用効率が上昇するため、相対的に電流を小さくするこ
とができる。したがって、素子における発熱が少なくな
り、発光効率、素子の劣化等の問題を防止することがで
きる。

また、積層部表面には、各発光領域に対応する個別電
極である電極金属層106が形成されているため、ストラ
イプに対応する電極金属層106に電流を流すことによっ
て所望の出射部151から光出力を取り出すことができ
る。

素子の製造面においても、光の放出面である端面210
は、異方性のないドライエッチングによって形成されて
いるため、発光領域118を含む各積層部230毎の寸法精度
のばらつきを減少させることができる。

効果本発明によれば、半導体基板の上に形成された複数の
発光領域がストライプ状に長く形成されているため放射
光は指向性を有し、また発光領域は光の放出方向と平行
に形成されていることから、光の放出面における発光領
域の面積が小さくすることができるため、高密度のアレ
ー化が可能となる。さらに、光の放出面がドライエッチ
ングによって形成されているため、発光領域を含む各積
層体毎の寸法精度のばらつきを減少させることができ
る。また、本発明では、半導体基板と、該半導体基板上
に形成された発光素子と、発光素子上に形成された電極
層とを有し、前記発光素子には、ドライエッチングによ
り光出射用端面が形成され、また、該発光素子の前記光
出射用端面から該光出射用端面とは反対の側の発光素子
の他方の端面に向けて所定の長さに至るまでの第１の範
囲には、複数の発光部を画定するため、画定されるべき
複数の発光部の間を電気的に分離するための溝が形成さ
れる一方、前記発光素子の前記第１の範囲以外の第２の
範囲の表面は連続した平面上のものとなっており、前記
電極層は、前記発光素子の第２の範囲の連続した平面状
表面上に、形成されるようになっているので、電極層を
段切れ等の問題を生じさせることなく、容易に、しかも
低コストで形成することができ、さらに、ワイヤボンデ
ィングを行なわないため、発光部にボンディングパッド
を設ける必要がなく、発光素子へのボンディングによる
損傷をなくすことができ、また、パッドの大きさによる
制約がないことから高密度化が可能となる。また、発光
素子をダブルヘテロ接合のものとして形成することによ
り、放出する光の指向性をより一層向上させ、しかも高
い出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による端面型発光ダイオードアレー素
子の一実施例を部分的に示す断面斜視図、第２図は、本発明による端面型発光ダイオードアレー素
子の他の例を部分的に示す断面斜視図、第３図は、本発明による端面型発光ダイオードアレー素
子の他の例を部分的に示す断面図、第４図は、従来技術による発光ダイオードアレー素子の
一例を部分的に示す斜視図である。主要部分の符号の説明 101……基板 102……ｎ型半導体層 103……発光層 110……電気的絶縁層 113……p⁺型半導体電極層 118……発光領域 161……間隙 162……溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斎藤哲郎宮城県名取市高舘熊野堂字余方上５番地の10 リコー応用電子研究所株式会社内 (56)参考文献特開昭61−183986（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−147583（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−59832（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−198884（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、該半導体基板上に形成され
た発光素子と、発光素子上に形成された電極層と、電極
層上に形成された電気的絶縁層とを有し、前記発光素子
には、光出射用端面が形成され、また、該発光素子の前
記光出射用端面から該光出射用端面とは反対の側の発光
素子の他方の端面に向けて所定の長さに至るまでの範囲
には、複数の発光部を画定するために、画定されるべき
複数の発光部の間を電気的に分離するための溝が前記電
気的絶縁層から少なくとも前記発光素子の発光部に至る
までの深さで形成され、また、前記溝によって分離され
た各電気的絶縁層には、前記電極層に至るまでの深さ
で、前記複数の発光部の発光領域を画定するための所定
幅の窓開けが設けられ、前記各発光部上に形成された窓
開けには、前記各発光部をそれぞれ駆動するための電極
が前記各電極層と接して、形成されるようになっている
ことを特徴とする端面型発光ダイオードアレー素子。
【請求項２】半導体基板と、該半導体基板上に形成され
た発光素子と、発光素子上に形成された電極層とを有
し、前記発光素子には、光出射用端面が形成され、ま
た、該発光素子の前記光出射用端面から該光出射用端面
とは反対の側の発光素子の他方の端面に向けて所定の長
さに至るまでの第１の範囲には、複数の発光部を画定す
るために、画定されるべき複数の発光部の間を電気的に
分離するための溝が形成される一方、前記発光素子の前
記第１の範囲以外の第２の範囲の表面は連続した平面状
のものとなっており、前記電極層は、前記発光素子の第
２の範囲の連続した平面状の表面上においては、連続し
て形成されていることを特徴とする端面型発光ダイオー
ドアレー素子。
【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項に記載
の端面型発光ダイオードアレー素子において、前記発光
素子は、第１導電型の半導体層と、第１導電型の半導体
層上に形成された第２導電型の半導体層とのヘテロ接合
として形成されていることを特徴とする端面型発光ダイ
オードアレー素子。
【請求項４】特許請求の範囲第１項または第２項に記載
の端面型発光ダイオードアレー素子において、前記発光
素子は、第１導電型のクラッド層と、該クラッド層上に
形成された活性層と、該活性層上に形成された第２導電
型のクラッド層とのダブルヘテロ接合として形成されて
いることを特徴とする端面型発光ダイオードアレー素
子。
【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載の端面型発光
ダイオードアレー素子において、前記第１導電型のクラ
ッド層と前記第２導電型のクラッド層の禁制帯の幅は、
前記活性層の禁制帯の幅よりも広くなるように形成され
ていることを特徴とする端面型発光ダイオードアレー素
子。
【請求項６】特許請求の範囲第４項に記載の端面型発光
ダイオードアレー素子において、前記第２導電型のクラ
ッド層は、前記第１導電型のクラッド層および前記活性
層の禁制帯の幅よりも広い禁制帯の幅を有していること
を特徴とする端面型発光ダイオードアレー素子。
【請求項７】特許請求の範囲第４項に記載の端面型発光
ダイオードアレー素子において、前記第１導電型のクラ
ッド層は、前記活性層および前記第２導電型のクラッド
層の禁制帯の幅よりも広い禁制帯の幅を有していること
を特徴とする端面型発光ダイオードアレー素子。