JP3842539B2

JP3842539B2 - Ｌｅｄアレイ

Info

Publication number: JP3842539B2
Application number: JP2000297617A
Authority: JP
Inventors: 憲一小山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP2002111047A

Description

【０００１】
【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１×10^１７〜10^１９atoms／cm^３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（Ａｌ_２Ｏ_３）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１×10^１７〜10^１９atoms／cm^３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（Ａｌ_ｘＧａ_１−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（Ａｌ_ｘＧａ_１−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１×10^１６〜10^２１atoms／cm^３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１×10^１６〜10^２１atoms／cm^３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１×10^１６〜10^２１atoms／cm^３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１×10^１９〜10^２０atoms／cm^３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（Ｈ_２）とアルシンガス（ＡｓＨ_３）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（ＡｓＨ_３）とシランガス（ＳｉＨ_４）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（ＡｓＨ_３）とシランガス（ＳｉＨ_４）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（ＡｓＨ_３）とシランガス（ＳｉＨ_４）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（ＳｉＨ_４）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

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。