JP3854073B2 - Ledアレイおよびledヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はLEDアレイに関し、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。また、本発明のLEDアレイを複数個一直線状に配列してなるLEDヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のLEDアレイを図6〜図9により説明する。
2種類のLEDアレイが提示されており、一方のLEDアレイを図6と図7により、他方のLEDアレイを図8と図9により説明する。
【0003】
最初に、一方のLEDアレイを述べると、図6はこのLEDアレイの横断面図であり、図7はその平面図である。
【0004】
11は長尺状の半導体基板であり、この半導体基板11の上に、各発光ダイオード毎に、一導電型半導体層12と逆導電型半導体層13とを順次積層し、逆導電型半導体層13に個別電極14を接続し、半導体基板11の裏面には、複数の発光ダイオードに対する共通電極15を形成している。16は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【0005】
このようなLEDアレイでは、個別電極14と共通電極15との間に電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させている。
【0006】
次に他方のLEDアレイを図8と図9により述べる。
図8はこのLEDアレイの横断面図であり、図9はその平面図である。
【0007】
11は長尺状の半導体基板であり、この半導体基板11の上に、各発光ダイオードごとに、一導電型半導体層12と逆導電型半導体層13とを順次積層し、逆導電型半導体層13に個別電極14を接続して設けている。
【0008】
一導電型半導体層12は、逆導電型半導体層13に比べ広く形成することで、その露出部分である延在部Rを配し、延在部Rの上に共通電極15(15a、15b)を接続して設けている。16は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【0009】
また、図9に示すように、共通電極15(15a、15b)は隣接する島状半導体層12、13(発光ダイオード)ごとに異なる群に属するように二群に分けて接続して設けられ、隣接する島状半導体層12、13が同じ個別電極14に接続されている。
【0010】
このような構成のLEDアレイでは、個別電極14と共通電極15(15a、15b)の組み合わせを選択して電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させることができる。
【0011】
以上のような一方のLEDアレイもしくは他方のLEDアレイについては、双方とも一度に多数個製造している。
【0012】
すなわち、多くのLEDアレイを共通の半導体基板上にマトリックス状に配列形成し、そして、各LEDアレイをダイシング等の方法で、チップ状に切断し、その後、この切断した複数のチップを実装用基板に配列し、さらにワイヤーボンディングなどで外部回路と接続してLEDヘッドとなしている。
【0013】
このLEDヘッドによれば、LEDアレイチップを実装した基板上に光学レンズを設置し、LEDヘッドとして組み立ててもよく、このLEDヘッドではLEDアレイによって発光した光を実装用基板上部の光学レンズによって集光させ、感光体ドラムへ結像される。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境に対する意識の高まりから、感光体ドラムの交換が不要なアモルファスシリコン感光体ドラムの需要が高まっている。
【0015】
このアモルファスシリコン感光体ドラムはOPCドラムと比較して、短波長側に光感度のピークを有し、685nm程度の波長が適している。
【0016】
しかしながら、前述したLEDアレイの発光層をアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)からなる半導体層でもって構成した場合、685nm付近という短い波長において発光効率を上げることがむずかしいという課題がある。
【0017】
この点を詳しく述べると、発光波長を短くするために発光層であるAlGaAs層のAl含有比率を大きくすると、これに伴って非発光成分が増加し、その結果、発光効率が低下している。
【0018】
一般的に活性層はアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xAs)のAl含有比率xが0.2を超えると、間接遷移型の非発光再結合成分が増加し、さらにxが0.4を超えると間接遷移型となり、Al組成の増加に対するバンドギャップ増加割合は直接遷移領域と比べ小さくなる。
【0019】
通常、発光層にキャリアを閉じ込めるためにクラッド層を発光層よりバンドギャップの大きい物質を用いて形成する。発光波長が685nm付近の場合においては、クラッド層を必然的に間接遷移する必要があり、そのため、クラッド層のバンドギャップを大きくすべく、Al組成xを0.6以上にしている。
【0020】
また、LEDアレイの発光層をAlGaAsからなる半導体層でもって構成した場合、次のような課題もある。
【0021】
半導体基板にがGaAs基板を使用した場合には、その上の成膜と同様な材質であることから、膜の結晶性を良好となすべく比較的高温の最適成膜温度を設定することができる。
【0022】
ところが、半導体基板がシリコン基板であって、この基板上にGaAs膜やAlGaAs膜を成膜する場合、GaAs基板上に成膜するのと比べ、100℃程度低温にして成膜することで、膜と基板との双方間での熱膨張係数の違いによる膜の結晶性の欠陥を防止している。
【0023】
しかしながら、GaAsにAlAsを効率よく混晶させるためには、シリコン基板上への最適成膜温度よりも、さらに高温にて成膜するとよく、そのために、シリコン基板上への最適成膜温度付近のような比較的低温では上記のようなAl組成(x)が0.6以上のクラッド層(AlGaAs層)を形成するがむずかしく、無理にAlAsを混晶させようとすると、結晶性が悪くなり、発光効率が低下し、駆動電圧が上昇していた。
【0024】
さらにシリコン基板上にGaAsやAlGaAsを成膜させた場合には、成膜した膜と基板との熱膨張係数の違いに起因し、成膜した膜中には引っ張り応力を内在し、このような引っ張り応力でもって発光波長はバンドギャップが小さくなる方向、すなわち発光波長が長い方にシフトする。そのため、AlGaAsを発光層に用いた場合においては、シリコン基板上に成膜する場合とGaAs基板上に成膜する場合とを比較すると、同一波長を得るためにはシリコン基板上に成膜したものはGaAs基板上に成膜するものよりも、Al組成を上げる必要がある。したがって、さらに上述の影響がますます大きくなってしまい、発光効率が低下する、駆動電圧が上昇するなどの悪影響が大きくなる。
【0025】
かくして、上述したような課題があることで、シリコン基板を用いて、アモルファスシリコン感光体ドラムに対応するような波長の高効率LEDアレイ(LEDヘッド)を作製することはむずかしいと言える。
【0026】
参考までに本発明者はシリコン基板を用いた685nm発光波長のLEDアレイについて、クラッド層のAl組成と発光強度の関係を測定したところ、図12に示すような結果が得られた。また、クラッド層のAl組成と駆動電圧の関係を測定した結果を図13に示す。
【0027】
これらの測定結果は、600dpiのLEDプリンターに用いるLEDアレイでもって評価をおこなっており、10mAでの発光強度、駆動電圧である。
【0028】
図12と図13に示す結果から明らかなとおり、クラッド層のAl組成比率を大きくすると発光強度は小さくなり、駆動電圧は大きくなることが分かる。これはシリコン基板上に成膜したことで、良質のAlGaAsを成膜することが、特にAl組成が高い場合には非常にむずかしいためである。
【0029】
一方、LEDや半導体レーザーなどの半導体発光装置において、発光効率の改善、発光波長の短波長化を目的として、半導体量子井戸構造や半導体超格子構造が用いられている。
【0030】
量子井戸構造の発光体は障壁効果を有する障壁層と、その障壁層に挟まれた井戸層とからなり、障壁層は井戸層よりバンドギャップの大きな材料から形成される。
【0031】
このような量子井戸構造では、ポテンシャル井戸部の伝導帯および荷電子帯において、それぞれに量子準位が発生するが、この遷移エネルギーは井戸層の禁止帯幅より大きくなることで、量子井戸構造を発光層にもつLEDや半導体レーザーなどの半導体発光装置においては、その井戸層の材料が本来有する波長よりも短い波長となる。
【0032】
ちなみに、短波長という超格子量子井戸構造の特徴を半導体レーザーなどに生かした技術が提案されている(特開平1−86584号参照)。
【0033】
ところで、AlGaAsの超格子構造を用いたものは、赤色LEDの高輝度化、短波長化において一般的に用いられているが、これに使用する基板はGaAs基板である。
【0034】
このGaAs基板を用いて、超格子構造などを成膜したり、あるいは赤色LEDや赤外LEDを作製し、これにより、格子定数の違いや熱膨張係数の相違という点の課題を解消し、高品質のAlGaAs層やGaAs層を成膜している。
【0035】
しかしながら、シリコン基板上にAlGaAsの超格子構造を形成する技術は、成膜した膜と基板との熱膨張係数の違いがあることで、発光波長が長い方にシフトし、上述した如く、発光効率が低下し、駆動電圧が上昇するなどの悪影響があることで、いまだ十分に検討されていない。
【0036】
本発明者は叙上に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、シリコン基板上にAlGaAsの超格子構造を形成することで、発光層のAl組成が大きくなるほど非発光成分が増大し、発光効率が低下する傾向にあるにしても、超格子構造であることで量子効果を利用することで、発光層(超格子中の井戸層)にキャリアを効率よく閉じ込めることができ、発光波長は発光層の組成と膜厚によって制御できることで、かかる発光効率の低下を容易に阻止し補完させ、その結果、特に発光波長が短いときには発光効率を向上させることができることをわかった。
【0037】
さらに具体的には、従来の技術においては、シリコン基板上にアモルファスシリコン感光体ドラムに対応するような波長の高効率LEDアレイ(LEDヘッド)を作製することは困難であるが、本発明者はシリコン基板上に超格子構造の発光層を形成し、これによって発光波長が短いときに発光効率を向上させる技術を開発すべく、鋭意研究を重ねてきた結果、発光層を成すAlGaAsの原子組成比率を規定することで、シリコン基板上にアモルファスシリコン感光体ドラムに対応するような発光波長でもって高効率化が達成できることも見出した。
【0038】
したがって、本発明は上記知見により完成されたものであり、その目的はシリコン基板を用いて、短波長側にて高い発光を得たLEDアレイを提供することにある。
【0039】
本発明の他の目的はシリコン基板を用いたLEDアレイでもって、アモルファスシリコン感光体ドラムに適したLEDヘッドを提供することにある。
【0040】
【課題を解決するための手段】
本発明のLEDアレイは、シリコン基板上に、少なくともGaAsからなるバッファ層及びAlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、AlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、前記シリコン基板の裏面に他方電極を形成してなるLEDアレイであって、前記逆導電型半導体層の発光層はAlxGa1−xAs/AlyGa1−yAs(x=0.05〜0.35、y=0.25〜0.45)からなる超格子構造にしたことを特徴とする。
【0041】
本発明の他のLEDアレイは、シリコン基板上に、少なくともGaAsからなるバッファ層及びAlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、AlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、一導電型半導体層の延在部の上に他方電極を形成してなるLEDアレイであって、前記逆導電型半導体層の発光層をAlxGa1−xAs/AlyGa1−yAs(x=0.05〜0.35、y=0.25〜0.45)からなる超格子構造にしたことを特徴とする。
【0042】
また、本発明のLEDヘッドは、これら各発明のLEDアレイを複数個一直線状に配列してなることを特徴とする。
【0043】
【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と図2により本発明のLEDアレイを、図3と図4により本発明の他のLEDアレイを説明する。
【0044】
(LEDアレイの構成)
まず、図1と図2に示すLEDアレイを説明する。図1はその横断面図であり、図2はその平面図である。
【0045】
1は長尺状のシリコン半導体基板であり、この半導体基板1の上に、各発光ダイオード毎に、一導電型半導体層2と逆導電型半導体層3とを順次積層し、逆導電型半導体層3に前記一方電極である個別電極4を接続し、半導体基板1の裏面には、複数の発光ダイオードに対する前記他方電極である共通電極5を形成している。6は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【0046】
上記半導体基板1はシリコン(Si)の単結晶半導体基板から成り、(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。
【0047】
一導電型半導体層2はバッファ層2aと電子注入層2cで構成される。バッファ層2aは2〜4μm程度の厚みに形成され、電子注入層2cは0.2〜2.0μm程度の厚みに形成される。
【0048】
バッファ層2aはガリウム砒素などで形成され、電子注入層2bはアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xAs)などで形成される。
【0049】
バッファ層2aはシリコンなどの一導電型半導体不純物を1×1016〜1017原子(atoms)/cm3 程度含有し、電子注入層2bはシリコンなどの一導電型半導体不純物を1×1016〜1019原子(atoms)/cm3程度含有する。また、電子注入層2cのAlの組成はx=0.4〜0.7程度形成する。
【0050】
逆導電型半導体層3は発光層3a、クラッド層3bおよびオーミックコンタクト層3cで構成される。
【0051】
発光層3aはAlxGa1-xAs/AlyGa1-yAsからなる超格子構造である。
【0052】
井戸層となるAlxGa1-xAs層の組成はx=0.05〜0.35にする。また、障壁層となるAlyGa1-yAs層の組成はy=0.25〜0.45にする。
【0053】
井戸層となるAlxGa1-xAs層の膜厚は20〜100Åの範囲にするとよく、障壁層となるAlyGa1-yAs層の膜厚は、たとえば100Å程度、さらには50〜200Åの範囲にするとよい。
【0054】
井戸層および障壁層の双方とも、それぞれの層数は1〜10層とするとよい。井戸層において、発光波長が685nm付近になるように設定するには、従来周知のとおりAl組成のx値と膜厚を設定する。
【0055】
この最適膜厚については、クローニッヒ・ペニーモデル等の量子力学理論から導かれるものである。井戸層については、そのAl組成が決まると、必然的にその膜厚が決定される。
【0056】
また、障壁層については、量子井戸効果が得られるようにトンネル効果が維持できる膜厚であればよく、50〜200Åの範囲にするとよく、たとえば100Å程度にするとよい。
【0057】
第2のクラッド層3bについてはガリウム砒素などから成り、0.2〜1μm程度の厚みに形成するとよい。
【0058】
オーミックコンタクト層3cはガリウム砒素などから成り、0.01〜0.1μm程度の厚みに形成するとよい。
【0059】
第2のクラッド層3bは亜鉛(Zn)などの逆導電型半導体不純物を1×1016〜1018atoms/cm3 程度含有し、第2のオーミックコンタクト層3cは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を1×1019〜1020atoms/cm3 程度含有する。
【0060】
第2のクラッド層3bは電子注入層2bと同じく、アルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xAs)などで形成される。このAlの組成はx=0.4〜0.7程度で形成するとよい。なお、第2のクラッド層3bと電子注入層2bとの双方の間にて、Al組成を一致させなくてもよい。
【0061】
絶縁膜6は窒化シリコンなどから成り、厚み3000〜5000Å程度に形成される。また、個別電極4と共通電極5は金/クロム(Au/AuGe/Cr)などから成り、厚み1μm程度に形成される。
【0062】
本発明のLEDヘッドは、図2に示すように、一導電型半導体層2と逆導電型半導体層3から成る島状半導体層2、3を基板1上に一列状に並べて、個別電極4を選択して電流を流すことによってページプリンタ用感光ドラムの露光用光源として用いられる。
【0063】
(他のLEDアレイの構成)
図3と図4に示すLEDアレイを説明する。図3はその横断面図であり、図4はその平面図である。
【0064】
1は長尺状のシリコン半導体基板であり、この半導体基板1の上に、各発光ダイオードごとに、一導電型半導体層2と逆導電型半導体層3とを順次積層し、逆導電型半導体層3に個別電極4を接続して設けている。
【0065】
一導電型半導体層2は、逆導電型半導体層3に比べ広く形成することで、その露出部分である延在部Rを配し、延在部Rの上に共通電極5(5a、5b)を接続して設けている。6は窒化シリコン膜などから成る絶縁膜である。
【0066】
また、図4に示すように、共通電極5(5a、5b)は隣接する島状半導体層2、3(発光ダイオード)ごとに異なる群に属するように二群に分けて接続して設けられ、隣接する島状半導体層2、3が同じ個別電極4に接続されている。
【0067】
このような構成のLEDアレイでは、個別電極4と共通電極5(5a、5b)の組み合わせを選択して電流を流すことによって、各発光ダイオードを選択的に発光させることができる。
【0068】
基板1はシリコン(Si)の単結晶半導体基板から成り、(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。
【0069】
一導電型半導体層2は、バッファ層2a、オーミックコンタクト層2b、電子注入層2cで構成される。
【0070】
バッファ層2aは2〜4μm程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層2bは0.1〜1.0μm程度の厚みに形成され、電子注入層2cは0.2〜2.0μm程度の厚みに形成される。
【0071】
バッファ層2aとオーミックコンタクト層2bはガリウム砒素などで形成され、電子注入層2cはアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xAs)などで形成される。
【0072】
オーミックコンタクト層2bはシリコンなどの一導電型半導体不純物を1×1016〜1017atoms/cm3 程度含有し、電子注入層2cはシリコンなどの一導電型半導体不純物を1×1016〜1019atoms/cm3 程度含有する。
【0073】
バッファ層2aは基板1と半導体層との格子定数の不整合に基づくミスフィット転位を防止するために設けるものであり、半導体不純物を含有させても、含有させなくてもよい。また、電子注入層2cのAlの組成はx=0.4〜0.7程度形成する。
【0074】
逆導電型半導体層3は、発光層3a、クラッド層3bおよびオーミックコンタクト層3cで構成される。
【0075】
発光層3aはAlxGa1-xAs/AlyGa1-yAsからなる超格子構造であって、井戸層となるAlxGa1-xAs層の組成はx=0.05〜0.35にして、また、障壁層となるAlyGa1-yAs層の組成はy=0.25〜0.45にする。
【0076】
井戸層となるAlxGa1-xAs層の膜厚は25〜100Åの範囲にするとよく、障壁層となるAlyGa1-yAs層の膜厚は、たとえば100Å程度、さらには50〜200Åの範囲にするとよく、そして、井戸層および障壁層の双方とも、それぞれの層数は1〜10層とするとよい。
【0077】
井戸層において、発光波長が685nm付近になるように設定するには、周知のとおりAl組成のx値と膜厚を設定する。この最適膜厚については、クローニッヒ・ペニーモデル等の量子力学理論から導かれるものである。
【0078】
また、障壁層については、量子井戸効果が得られるようにトンネル効果を維持できる膜厚であればよく、50〜100Åの範囲にするとよく、たとえば100Å程度にするとよい。
【0079】
また、第2のクラッド層3bは0.2〜1μm程度の厚みに形成され、オーミックコンタクト層3cは0.01〜0.1μm程度の厚みに形成される。第2オーミックコンタクト層3cはガリウム砒素などから成る。
【0080】
第2のクラッド層3bは亜鉛(Zn)などの逆導電型半導体不純物を1×1016〜1018atoms/cm3 程度含有し、第2のオーミックコンタクト層3cは亜鉛などの逆導電型半導体不純物を1×1019〜1020atoms/cm3 程度含有する。
【0081】
第2のクラッド層3bは電子注入層2bと同じく、アルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xAs)などで形成される。第2のクラッド層3bのAlの組成はx=0.4〜0.7程度で形成する。
【0082】
絶縁膜6a、6bは窒化シリコンなどから成り、厚み3000〜5000Å程度に形成される。また、個別電極4と共通電極5は金/クロム(Au/AuGe/Cr)などから成り、厚み1μm程度に形成される。
【0083】
かかる構成のLEDアレイによれば、図4に示すように、一導電型半導体層2と逆導電型半導体層3から成る島状半導体層2、3を基板1上に一列状に並べて、隣接する島状半導体層2、3毎に同じ個別電極4に接続し、同じ個別電極4に接続された下の一導電型半導体層2が異なる共通電極5に接続されるように二群に分けて接続される。個別電極4と共通電極5を選択して電流を流すことによってページプリンタ用感光ドラムの露光用光源として用いられる。
【0084】
このように共通電極5を2群に分けることで共通電極のパット数を半減し、これにより、LEDアレイチップの実装におけるワイヤーボンディング数を削減している。本実施例においては、2群に分けているが、分割数は2に限ったものではなく、3以上の多数に分割してもよい。この構成においても個別電極と分割された共通電極を選択して、個々の発光体が独立して発光するようにする。
【0085】
(LEDアレイの製造方法)
次に、上述のようなLEDアレイの製造方法を説明する。
【0086】
まず、単結晶基板1上に一導電型半導体層2、逆導電型半導体層3をMOCVD法などで順次積層して形成する。
【0087】
これらの半導体層2、3を形成する場合、基板温度を400〜500℃に設定して200〜2000Åの厚みにアモルファス状のガリウム砒素膜を形成した後、基板温度を700〜900℃に上げて所望厚みの半導体層2、3を形成する。
【0088】
この場合、原料ガスとしてはTMG((CH3 )3 Ga)、TEG((C2 H5 )3 Ga)、アルシン(AsH3 )、TMA((CH3 )3 Al)、TEA((C2 H5 )3 Al)などが用いられ、導電型を制御するためのガスとしては、シラン(SiH4 )、セレン化水素(H2 Se)、TMZ((CH3 )3 Zn)などが用いられ、キャリアガスとしてはH2などが用いられる。
【0089】
次に、隣接する素子同志が電気的に分離されるように、半導体層2、3が島状にパターニングされる。このエッチングは、硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウエットエッチングやCCl2 F2 ガスを用いたドライエッチングなどで行われる。
【0090】
その後、図3および図4に示すLEDアレイにおいては、一導電型半導体層2の一端部側の一部を露出させるべくエッチングする。このエッチングも硫酸過酸化水素系のエッチング液を用いたウェットエッチングやCCl2 F2 ガスを用いたドライエッチングなどで行なわれる。
【0091】
次に、プラズマCVD法で、シランガス(SiH4 )とアンモニアガス(NH3 )を用いて窒化シリコンから成る絶縁膜を形成してパターニングする。そして、クロムと金を蒸着法やスパッタリング法で形成してパターニングする。
【0092】
かくして本発明のLEDアレイによれば、発光層3aをAlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x=0.05〜0.3、y=0.15〜0.4)からなる超格子構造にしたことで、685nm付近の短波長側にて高い発光を得ることができ、特にアモルファスシリコン感光体ドラムに適したLEDヘッドが得られた。
【0093】
このように発光効率が向上する点については、ダブルヘテロ構造を用いた場合、波長は発光層のバンドギャップに起因しているので発光波長を短くするためには、発光層のAl組成を大きくする必要があるが、シリコン基板上では前述したとおり成膜内に生じる応力に起因して、さらにAl組成を上げなくてはならない。しかしながら、上記構成のような超格子構造にしたことで、発光波長は発光層の組成と膜厚によって制御でき、そのためにAl組成を大きくする必要がなく、その結果、Al組成の比率を高めたことに起因する発光強度の低下がなくなった。
【0094】
(LEDヘッド)
次に本発明のLEDヘッドを述べる。
このLEDヘッドは、本発明のLEDアレイを複数個一直線状に配列したものであり、その構成は従来周知のとおりである。
【0095】
そして、685nm付近の短波長側にて高い発光を得ることができたことで、特にアモルファスシリコン感光体ドラムに適したLEDヘッドに適している。
【0096】
本発明者は、700nm以下、好適には690nm以下の発光波長のLEDヘッドに有用であると考える。
【0097】
【実施例】
次に本発明者は図1と図2に示す構成のLEDアレイを上述した製法でもって作製した。
【0098】
一導電型半導体層2のバッファ層2a、電子の注入層2cについては以下のとおりである。
【0099】
バッファ層2aは2μmの厚みのガリウム砒素層にて、電子注入層2cは0.7μmの厚みのアルミニウムガリウム砒素層(Al0.6Ga0.4As)で形成した。これらバッファ層2aおよび電子の注入層2cについては、双方ともシリコンを一導電型半導体不純物として含有させた。
【0100】
逆導電型半導体層3については、その発光層3aの井戸層はAl0.15Ga0.85Asであり、30Åの厚みにした。さらに障壁層はAl0.35Ga0.65Asであり、その厚みを100Åにした。いずれもノンドープとした。
【0101】
クラッド層3bは0.4μmの厚みでもってアルミニウムガリウム砒素(Al0.6Ga0.4As)にて構成し、オーミックコンタクト層3cは0.01μmの厚みでもってガリウム砒素にて形成した。
【0102】
第2のクラッド層3bとオーミックコンタクト層3cは、双方とも亜鉛(Zn)を逆導電型半導体不純物として含有させた。
かくして得られたLEDアレイを実施例1とする。
【0103】
また、前記発光層3aの構成を変え、その他の構成はまったく同一にした実施例2を作製した。
【0104】
すなわち、この発光層3aは井戸層はAl0.2Ga0.8Asであり、40Åの厚みにした。さらに障壁層はAl0.4Ga0.6Asであり、その厚みを100Åにした。いずれもノンドープとした。
【0105】
そして、これら実施例1,2を600dpiのLEDプリンター用のLEDアレイに構成した。
【0106】
このLEDアレイによれば、約20×20μmの発光ダイオードをピッチ42.3μmにて配列しており、発光体128個でもって1LEDアレイチップとしている。
【0107】
そして、これらのLEDをそれぞれ単独に発光させ、これらの平均値をもって特性の評価を行った。
【0108】
これら実施例1、2における発光強度を測定したところ、図5に示すような結果が得られた。
【0109】
比較例として図6と図7に示すLEDアレイと図8と図9に示すLEDアレイにおいて、双方とも発光層以外は同一構成にして求めた。この比較例は図5において超格子なしと表示する。なお、両者のLEDアレイとも同じ特性である。
【0110】
同図の横軸はLEDに流れる電流であり、縦軸は発光強度である。
【0111】
この結果から明らかなとおり、実施例1、2のLEDアレイは比較例に比べて著しく大きな発光強度が得られた。
【0112】
ちなみに、実施例1の発光波長は680nmであり、実施例2の発光波長は689nmである。また、従来では685nmである。
【0113】
次に本発明者は、実施例1のLEDアレイにおいて、その発光層の井戸層におけるAl組成比率と発光強度の関係を測定したところ、図10に示すような結果が得られた。
【0114】
この発光強度は、600dpiのLEDアレイを作成し、評価を行ったもので、電流を10mA流した場合の発光強度である。
【0115】
障壁層のAl組成比率を0.4、膜厚を100Åに設定し、そして、井戸層のAl組成比率に応じて膜厚を変化させて、波長が680nm〜690nmの範囲内に収まるようにした。
【0116】
同図から明らかなとおり、井戸層のAl組成比率が0.05〜0.35、好適には0.15〜0.25にすると、発光強度が顕著に大きくなっている。
【0117】
本発明者は、この点について、シリコン基板上へ成膜しているが故に、クラッド層のAl組成を大きくすることができず、発光層のAl組成を0.35を超えるにまで大きくすると発光効率が低下していると考える。
【0118】
また、Al組成比率が0.05未満にまで小さくなると、波長を685nmにするために膜厚を数十Å程度までに薄くする必要があり、そのために、超格子構造の十分に形成されず、その結果、発光強度が小さくなっていると考える。
【0119】
本発明者は実施例2において、その発光層の井戸層におけるAl組成比率と発光強度の関係を測定したところ、図10に示す結果が同じような結果が得られたことを繰り返しおこなった実験により確認した。
【0120】
次に本発明者は、実施例1のLEDアレイにおいて、その発光層の障壁層におけるAl組成比率と発光強度の関係を測定したところ、図11に示すような結果が得られた。
【0121】
この発光強度は600dpiのLEDアレイを作成し、評価を行ったもので、電流を10mA流した場合の発光強度である。
【0122】
井戸層のAl組成比率を0.15に、障壁層の膜厚を100Åに設定し、そして、障壁層のAl組成比率に応じて膜厚を変化させて、波長が680nm〜690nmの範囲内になるように設計した。
【0123】
図11に示す結果から明らかなとおり、障壁層のAl組成比率は井戸層のAl組成より大きくして、さらに0.25〜0.45、好適には0.30〜0.40にするとよい。
【0124】
障壁層のAl組成比率を井戸層のAl組成より大きくする点については、井戸層へ閉じ込めなくてはならないので、障壁層のバンドギャップは井戸層より大きくしている。
【0125】
このようにAl組成比率の上限が規定されるのは、障壁層のAl組成比率を0.45を超えると、前述した如くシリコン基板上へ成膜していることに起因する悪影響が顕著になり、発光強度が低下する。
【0126】
さらに続けて、本発明者はシリコン基板上とGaAs基板上の双方に対し、発光層としてAlxGa1-xAs/AlyGa1-yAsからなる超格子構造を設けたLEDアレイにおいて、双方間での優劣を検討したところ、表14に示すような結果が得られた。
【0127】
シリコン基板を用いたLEDアレイは実施例1、2であり、これに対するGaAs基板を用いたLEDアレイにおいては、その基板を変えただけであり、その他の構成は実施例1、2と同じである。なお、実施例1と実施例2との間では、実質上同じ結果が得られている。
【0128】
発光強度を測定して評価をおこなったが、それには600dpiのLEDアレイを作成し、電流を10mA流している。
【0129】
そして、同図は井戸層のAl組成比率と、その膜厚との関係を測定し、それらの好適な範囲を規定する実験データである。
【0130】
すなわち、図10に示す如く、井戸層のAl組成比率が0.20を超えると、発光強度が低下する傾向にあるが、0.20以下の範囲内であれば、0.10、0.15、0.20と増大するにしたがって、発光強度が大きくなる。この組成比率範囲内にて、それらの最適な膜厚を求めている。
【0131】
この結果から明らかなとおり、シリコン基板上に成膜をすると、GaAs基板上に成膜したものと比べて、井戸層の膜厚を小さくすればよいことがわかる。
【0132】
本発明者が繰り返しおこなった実験によれば、井戸層の膜厚を薄くするにしても、25Å未満になると膜厚制御がむずかしくなり、再現性が乏しくなることがわかった。よって、25Å以上の膜厚に設定するとよい。
【0133】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のLEDアレイによれば、シリコン基板上に一導電型半導体層と逆導電型半導体層と一方電極とを順次積層してなる島状半導体層を複数個配列し、逆導電型半導体層の発光層をAlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x=0.05〜0.35、y=0.15〜0.4)からなる超格子構造にしたことで、700nm以下の付近の短波長側にて高い発光を得ることができ、特にアモルファスシリコン感光体ドラムに適したLEDヘッドが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のLEDアレイの概略断面図である。
【図2】本発明のLEDアレイの概略平面図である。
【図3】本発明の他のLEDアレイの概略断面図である。
【図4】本発明の他のLEDアレイの概略平面図である。
【図5】LEDアレイにおける電流値と発光強度との関係を示す線図である。
【図6】従来のLEDアレイの概略断面図である。
【図7】従来のLEDアレイの概略平面図である。
【図8】従来の他のLEDアレイの概略断面図である。
【図9】従来の他のLEDアレイの概略平面図である。
【図10】本発明のLEDアレイに係る発光層の井戸層のAl組成比率と発光強度との関係を示す線図である。
【図11】本発明のLEDアレイに係る発光層の障壁層のAl組成比率と発光強度との関係を示す線図である。
【図12】従来のLEDアレイに係るクラッド層のAl組成比率と発光強度との関係を示す線図である。
【図13】従来のLEDアレイに係るクラッド層のAl組成比率と駆動電圧との関係を示す線図である。
【図14】LEDアレイに係る発光層の井戸層のAl組成比率と膜厚との関係を示す線図である。
【符号の説明】
1…シリコン半導体基板
2…一導電型半導体層
2a…バッファ層
2b…電子注入層
2c…電子注入層
3…逆導電型半導体層
3a…発光層
3b…クラッド層
3c…オーミックコンタクト層
4…個別電極
5…共通電極
6…絶縁膜
Claims (3)
- シリコン基板上に、少なくともGaAsからなるバッファ層及びAlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、AlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、前記シリコン基板の裏面に他方電極を形成してなるLEDアレイであって、
前記逆導電型半導体層の発光層はAlxGa1−xAs/AlyGa1−yAs(x=0.05〜0.35、y=0.25〜0.45)からなる超格子構造にしたことを特徴とするLEDアレイ。 - シリコン基板上に、少なくともGaAsからなるバッファ層及びAlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなる電子注入層を含む一導電型半導体層と、発光層、AlxGa1−xAs(x=0.4〜0.7)からなるクラッド層及びオーミックコンタクト層からなる逆導電型半導体層と、一方電極とを順次積層してなる発光ダイオードを複数個配列し、一導電型半導体層の延在部の上に他方電極を形成してなるLEDアレイであって、
前記逆導電型半導体層の発光層をAlxGa1−xAs/AlyGa1−yAs(x=0.05〜0.35、y=0.25〜0.45)からなる超格子構造にしたことを特徴とするLEDアレイ。 - 請求項1または請求項2のLEDアレイを複数個一直線状に配列してなるLEDヘッド。
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