JP3842539B2 - Ledアレイ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特にページプリンタ用感光ドラムの露光用光源などに用いられるLEDアレイに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
特開平10−242507号に示された従来のLEDアレイを図2により説明する。
【0003】
このLEDアレイによれば、n型のGaAs基板1上にn型のGaAsバッファ層2、n型のAlGaAsクラッド層3、P型のAlGaAs活性層4、P型のAlGaAsクラッド層5、およびP型のコンタクト層6が順次形成され、このコンタクト層6の表面にP側電極7を設け、さらにn型のGaAs基板1の裏面にはn側電極8を設け、これでもって発光素子の構造となしている。
【0004】
そして、上記構成のLEDアレイについては、素子分離の際のウエットエッチングにより緩やかな逆メサ形状を形成し、これによって発光効率を上昇させている。
【0005】
すなわち、AlGaAs/GaAs系LEDアレイにて素子分離の際、硫酸/過酸化水素/水を用いたウエットエッチングを行なうが、その際に異方性エッチングが行なわれ、そのために発光素子のある方位にのみ逆メサ形状が現われる。(100)面に成膜した際、(011)面には逆メサ形状が現われ、(011)面においては順メサ形状となる。また、AlGaAs層とGaAs層でのエッチングレートにも差があり、AlGaAs層はGaAs層に比べてエッチングレートがはやく、この層構成によって逆メサ形状の角度に変化する。
【0006】
以上のように、通常、ゆるやかな逆メサ形状をしており、界面での反射を用いて発光効率を上げている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のAlGaAs系LEDアレイにおいては、発光素子を高密度にて配列したことにともなって、各素子のサイズが小さくなり、そのためにP側電極7によって素子を覆う面積割合が大きくなり、素子内部で発光した光の内、P側電極7でもって遮られる割合が大きくなる傾向にあり、その結果、発光強度が著しく低下していた。したがって本発明は叙上に鑑みて完成されたものであり、その目的は各素子の発光強度を高めたLEDアレイを提供することにある。
【0008】
本発明の他の目的は発光素子を高密度に配列したことで、高密度ページプリンタに好適なLEDアレイを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のLEDアレイは、一導電型を呈する半導体基板と、前記半導体基板上に複数個島状に配列されて成る発光素子であって、一導電型を呈するバッファ層と、発光波長に対し屈折率の異なる層が交互に積層されて成る光反射層と、一導電型を呈する第一クラッド層と、発光する活性層と、前記発光を上部より取り出すようにした逆導電型の第二クラッド層と、一方電極とが順次形成されて成り、この発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて逆メサ形状を成すとともに、前記一方電極が前記第二クラッド層上の端部付近で前記光反射層の外側に配設されて成る発光素子と、前記半導体基板の裏面に設けられた他方電極と、を備えることを特徴とする。
【0010】
これに対し、本発明のLEDアレイは、上記構成のようにバッファ層と第一クラッド層との間に、発光波長に対し屈折率の異なる層を交互に積層してなる光反射層を介在させ、この発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて逆メサ形状を成すようにしたことで、発光素子を島状に分離する際、発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて強い逆メサ形状となっている。
【0011】
加えて、一方電極を素子の第二クラッド層上の端部付近で光反射層の外側に配設したことで、その一方電極直下の電流密度が高くなるにしても、上述した如く発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて強い逆メサ形状を成すことで、電流を電極直下からずれた箇所に集中され、そのために電極直下以外で最も強い発光が生じる構造となり、その結果、活性層で発光した光を効率良く取り出すことができる。
【0012】
また、活性層で発光した光は上下左右に広がりをもっているが、横方向に発した光が素子内部から屈折率の異なる外部に出る界面にて逆メサ形状が強くなると、界面に入射する角度が広くなり、界面での反射率が上がり、これにより、横方向の光を上方向に導く割合が多くなり、その結果、発光効率が上がる。
【0013】
さらにまた、本発明においては、バッファ層と第一クラッド層との間に光反射層を介在したことで、下方向へ発光した光を反射鏡による効果でもって上方向へ反射させ、これによって発光効率をさらに向上させる。
【0014】
ちなみに、反射鏡として光学的に屈折率の違う媒質を1/4波長の光学的距離で交互に積層した構成にすることで反射鏡となることがDufour等により報告されている(Rev. Opt., vol.32(1953)pp.321)。
【0015】
この報告によれば、発光波長λに対し屈折率nの異なる膜を厚さd=λ/4nずつ、交互に積層した構成であって、交互に積層する媒質の屈折率の差が大きいほど、反射効果が大きいことが記述されている。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。図1は本発明のLEDヘッドにおいて島状に配列した各半導体発光素子の概略断面図である。本例においては、赤色AlGaAs系LEDアレイを例示する。
【0017】
図1において、9は半導体基板であり、この半導体基板9の一主面に、一導電型バッファ層10と、発光波長に対し異なる屈折率を有する光反射層を構成する層11a、11bと、前記第一クラッド層である一導電型半導体クラッド層12と、逆導電型半導体活性層13と、前記第ニクラッド層である逆導電型半導体クラッド層14とを順次積層し、さらに逆導電型半導体クラッド層14上の端部付近に逆導電型コンタクト層15と一方電極16とを順次積層する。
【0018】
また、半導体基板9の他主面には他方電極17を形成する。
【0019】
半導体基板9は一導電型不純物を1×1017〜1019atoms/cm3程度含有し、シリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)やインジウム燐(InP)などの単結晶半導体基板やサファイア(Al2O3)などの単結晶絶縁基板から成る。
【0020】
単結晶半導体基板の場合、(100)面を<011>方向に2〜7°オフさせた基板などが好適に用いられる。サファイアの場合、C面基板が好適に用いられる。
【0021】
バッファ層10はガリウム砒素(GaAs)などからなり一導電型不純物(Si等)を1×1017〜1019atoms/cm3程度含有し、基板8と半導体層との格子不整合からなるミスフィット転位を防止もしくは低減させるため2〜4μm程度の厚みに形成している。
【0022】
発光波長に対し屈折率の異なる層を交互に積層してなる光反射層は層11aと層11bとの積層構造である。
【0023】
層11aはアルミニウム砒素(AlAs)、もしくは後述のクラッド層12よりAl組成の大きいアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)から形成され、0.04〜0.07μm程度の厚みである。
【0024】
また、層11bはガリウム砒素(GaAs)から形成され、0.04〜0.07μm程度の厚みである。
【0025】
そして、層11aと層11bとを交互に積層することで、光反射性が得られる。これら双方の層は、それぞれ少なくとも5層設けるとよい。
【0026】
層11aは第一の反射膜として屈折率2.97のアルミニウム砒素(AlAs)、もしくは屈折率3.156以下のアルミニウム組成X=0.7以上のアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1−xAs)から形成され、0.04〜0.07μm程度の厚みである。
【0027】
また層11bは第二の反射膜として屈折率3.59のガリウム砒素(GaAs)を用い、0.04〜0.07μm程度の厚みである。これらを交互に5〜20周期分繰り返し、最後にアルミニウム砒素(AlAs)もしくはアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1−xAs)を積層させる。このように光学的に屈折率の違う媒質を1/4波長の光学的距離で交互に積層した構成にすることで反射鏡として用いることができる。
【0028】
一導電型半導体クラッド層12は、電子の注入層として構成される。そして、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)から形成され、シリコンなどの一導電型半導体不純物を1×1016〜1021atoms/cm3程度含有し、0.2〜4μm程度の厚みである。
【0029】
逆導電型半導体活性層13は、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)から形成され、亜鉛(Zn)などの逆導電型半導体不純物を1×1016〜1021atoms/cm3程度含有し、0.1〜4μm程度の厚みである。
【0030】
逆導電型半導体クラッド層14はアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)から形成され、亜鉛(Zn)などの逆導電型半導体不純物を1×1016〜1021atoms/cm3程度含有し、0.2〜4μm程度の厚みである。
【0031】
なお、キャリア閉じ込め効果と光透過性を考慮して逆導電型半導体活性層13と逆導電型半導体クラッド層14について、そのアルミニウム砒素(AlAs)とガリウム砒素(GaAs)の混晶比を異ならせている。
【0032】
オーミックコンタクト層15はガリウム砒素(GaAs)から形成され、亜鉛(Zn)などの逆導電型半導体不純物を1×1019〜1020atoms/cm3程度含有し、0.01〜1μm程度の厚みである。
【0033】
次にこのような半導体素子の製造方法を説明する。
【0034】
まず、MOCVD法により基板9を水素(H2)とアルシンガス(AsH3)雰囲気中で700℃〜1000℃まで昇温し、基板9表面上の酸化物を除去する。
【0035】
次に基板温度500℃〜800℃にてトリメチルガリウム(以下、TMG)とアルシンガス(AsH3)とシランガス(SiH4)をドーパントガスとして供給してバッファ層10を2〜4μm形成する。
【0036】
その上に原料ガスとしてTMG、トリメチルアルミニウム(以下、TMA)、アルシンガス(AsH3)とシランガス(SiH4)をドーパントガスを用いて、層11aを形成する。次に原料ガスとしてTMG、アルシンガス(AsH3)とシランガス(SiH4)をドーパントガスを用いて、層11bを形成する。
【0037】
その後、シランガス(SiH4)をドーパントガスとして用いて一導電型半導体クラッド層12を形成する。その上にジメチル亜鉛(以下、DMZ)をドーパントガスとして用いて逆導電型半導体活性層13、逆導電型半導体クラッド層14およびオーミックコンタクト層15を順次形成する。
【0038】
このように各層を順次積層し、そして、エッチングすることで、図1に示すように各素子は強い逆メサ形状となる。
【0039】
このエッチング工程を図3〜図5により説明する。本発明においては、光反射層の層11aおよび層11bのエッチングレートは、一導電型バッファ層10および一導電型半導体クラッド層12の双方のエッチングレートに比べて大きくしている。
【0040】
かかる構成によれば、成長後の結晶層に対し、硫酸/過酸化水素系のエッチング液を用いてメサ構造を形成するが、その際、エッチング液が上部より膜をエッチングし、図3に示すようにゆるやかな逆メサ形状を形成する。18はエッチングをする時に用いるレジストマスクである。
【0041】
その後、エッチングが進み、Al組成の高い光反射層の層11aおよび層11bが現れた時にエッチングレートが速くなり、そして、横方向へのエッチングも大きく進み、この層のエッチングにより図4に示すよう強い逆メサ形状となる。
【0042】
その後、図5に示すように、エッチングレートの遅いバッファ層が現われ、順メサ形状となる。
【0043】
しかる後に、蒸着法やスパッタリング法を用いて金・ゲルマニウム(AuGe)などにより一方電極16および他方電極17を形成する。
【0044】
かくして本発明のLEDアレイによれば、一導電型バッファ層10と一導電型半導体クラッド層12との間に、上記構成の層11aと層11bからなる光反射層を介在したことで、発光素子を島状に分離する際、発光素子の断面形状が強い逆メサ形状となり、しかも、一方電極を各素子の端部付近に配設したことで、その一方電極16直下の電流密度が高くなるにしても、電流を電極直下からずれた箇所に集中され、これにより、一方電極16の直下以外で最も強い発光が生じる構造となり、その結果、活性層で発光した光を効率良く取り出すことができた。
【0045】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のLEDアレイによれば、一導電型を呈する半導体基板と、前記半導体基板上に複数個島状に配列されて成る発光素子であって、一導電型を呈するバッファ層と、発光波長に対し屈折率の異なる層が交互に積層されて成る光反射層と、一導電型を呈する第一クラッド層と、発光する活性層と、前記発光を上部より取り出すようにした逆導電型の第二クラッド層と、一方電極とが順次形成されて成り、この発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて逆メサ形状を成すとともに、前記一方電極が前記第二クラッド層上の端部付近で前記光反射層の外側に配設されて成る発光素子と、前記半導体基板の裏面に設けられた他方電極と、を備える構成にしている。
【0046】
従来のLEDアレイにおいては、素子のほぼ中央部に電極を設けたことで、その電極直下の電流密度が高くなり、これによって電極直下において発光がもっとも強くなり、その上、このような電極は金属から成ることで、遮光性があり、発光が遮られ、発光を効率的に出射させることができなかったが、これに対し、本発明のLEDアレイは、上記構成のようにバッファ層と第一クラッド層との間に、発光波長に対し屈折率の異なる層を交互に積層してなる光反射層を介在させ、この発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて逆メサ形状を成すようにしたことで、発光素子を島状に分離する際、発光素子の断面形状が強い逆メサ形状となっており、しかも、一方電極を素子の第二クラッド層上の端部付近で光反射層の外側に配設したことで、その一方電極直下の電流密度が高くなるにしても、上述した如く発光素子の断面形状が強い逆メサ形状を成すことで、電流を電極直下からずれた箇所に集中され、そのために電極直下以外で最も強い発光が生じる構造となり、その結果、活性層で発光した光を効率良く取り出すことができた。
【0047】
また、本発明によれば、活性層で発光した光は上下左右に広がりをもっているが、横方向に発した光が素子内部から屈折率の異なる外部に出る界面にて逆メサ形状が強くなると、界面に入射する角度が広くなり、界面での反射率が上がり、これにより、横方向の光を上方向に導く割合が多くなり、その点でも発光効率が顕著に上がった。
【0048】
さらにまた、本発明においては、活性層で発光した光の内、残りの下方向への光について屈折率の異なる媒質を1/4波長の光学的距離で交互に積層した光反射層にて、上方向に反射し、発光効率を顕著に上げることができ、その点でも発光効率が著しく向上した。
【0049】
以上のように本発明の構成にすることにより活性層で発生した上下左右全ての方向の光を効率良く上方向に取り出すことができる。
【0050】
さらにまた、本発明においては、各素子の発光強度を高め、発光素子を高密度に配列したことで、高密度ページプリンタに好適なLEDアレイが提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のLEDアレイの発光素子の断面図である。
【図2】 従来のLEDアレイの発光素子の断面図である。
【図3】 本発明のLEDアレイを作製した際の一工程図である。
【図4】 本発明のLEDアレイを作製した際の一工程図である。
【図5】 本発明のLEDアレイを作製した際の一工程図である。
【符号の説明】
9・・・半導体基板
10・・・一導電型バッファ層
11a、11b・・・光反射層を構成する層
12・・・一導電型半導体クラッド層
13・・・逆導電型半導体活性層
14・・・逆導電型半導体クラッド層
15・・・逆導電型コンタクト層
16・・・一方電極
17・・・他方電極
18・・・レジストマスク
Claims (1)
- 一導電型を呈する半導体基板と、
前記半導体基板上に複数個島状に配列されて成る発光素子であって、一導電型を呈するバッファ層と、発光波長に対し屈折率の異なる層が交互に積層されて成る光反射層と、一導電型を呈する第一クラッド層と、発光する活性層と、前記発光を上部より取り出すようにした逆導電型の第二クラッド層と、一方電極とが順次形成されて成り、この発光素子の断面形状が上部から前記光反射層に向けて逆メサ形状を成すとともに、前記一方電極が前記第二クラッド層上の端部付近で前記光反射層の外側に配設されて成る発光素子と、
前記半導体基板の裏面に設けられた他方電極と、を備えるLEDアレイ。
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