(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
該シリコン基板の上面に形成した半球状の多孔質シリコン層を酸化処理するとともに高屈折材料をドープして前記シリコン基板の内部に埋設され、上端が前記シリコン基板の上面に露出する半球状の酸化シリコン層と、
前記シリコン基板の下面から形成されて内部に埋設され、下端が前記シリコン基板の下面に露出し、且つ上端が前記酸化シリコン層の下端と接する多孔質シリコン層と、
前記シリコン基板の上面に露出する前記酸化シリコン層の表面に被着され、前記酸化シリコン層に接続されている透光性の第１電極と、
前記シリコン基板の下面に露出する前記多孔質シリコン層の表面に被着され、前記多孔質シリコン層に接続されている第２電極と、から成り、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記多孔質シリコン層より発光した光を前記酸化シリコン層で集光して放出せしめるようになした発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はページプリンタ等の画像形成手段として用いられる発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シリコン基板の一部を多孔質化してこれを発光させるように構成した発光装置が提案されており、かかる発光装置は、シリコン基板を形成する単結晶シリコンが化学的に安定であること等から使用時などに熱や電界による転移の影響を受けにくく発光特性の経時変化が極めて小さい上に、その製造において砒素等を含む有害ガスの使用が一切ないことから環境保護の面でも望ましいものとして注目されている。
【０００３】
このような従来の発光装置は、例えば、図３に示す如く、単結晶シリコンから成るシリコン基板１１の上面に窒化シリコン等から成る窓付きの絶縁膜１３を被着させるとともに、この窓部内に位置するシリコン基板１１の表面を従来周知の陽極化成により多孔質化して多孔質シリコン層１２を形成した構造を有しており、前記シリコン基板１１の上面及び下面に被着・形成される一対の電極１４，１５間に所定の電圧を印加して両電極１４，１５間の多孔質シリコン層１２を量子効果によって発光させることにより発光装置として機能するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の発光装置においては、多孔質シリコン層１２に電圧を印加した際、多孔質シリコン層１２の発する光が四方に拡散し、ビームがぼけてしまう傾向があり、例えば、この発光装置をページプリンタの画像形成手段として用いた場合には、感光体に照射される光の強度が弱くなって鮮明な潜像を形成することが不可能となる欠点を有している。
【０００５】
また上記欠点を解消するために、多孔質シリコン層１２の発する光をレンズでもって収束させ、ビームをシャープになすことが考えられる。
【０００６】
ところが、多孔質シリコン層１２の発する光をレンズで収束させるには、当然のことながら、別途、レンズが必要となる上に、このレンズを配置させるための広いスペースが必要となって装置全体が大型化してしまい、更には多孔質シリコン層１２とレンズとの間に隙間が出来てしまうために、その隙間から光が漏れ出して光の利用効率が低下する欠点もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、本発明の発光装置は、シリコン基板と、該シリコン基板の上面に形成した半球状の多孔質シリコン層を酸化処理するとともに高屈折材料をドープして前記シリコン基板の内部に埋設され、上端が前記シリコン基板の上面に露出する半球状の酸化シリコン層と、前記シリコン基板の下面から形成されて内部に埋設され、下端が前記シリコン基板の下面に露出し、且つ上端が前記酸化シリコン層の下端と接する多孔質シリコン層と、前記シリコン基板の上面に露出する前記酸化シリコン層の表面に被着され、前記酸化シリコン層に接続されている透光性の第１電極と、前記シリコン基板の下面に露出する前記多孔質シリコン層の表面に被着され、前記多孔質シリコン層に接続されている第２電極と、から成り、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記多孔質シリコン層より発光した光を前記酸化シリコン層で集光して放出せしめるようになしたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の発光装置の一形態を示す断面図であり、１はシリコン基板、３は多孔質シリコン層、６は酸化シリコン層である。
【０００９】
前記シリコン基板１は、従来周知のＣＺ法等によって製作された単結晶シリコンを例えば、２５０  〜３５０  μｍの厚みでスライスし板状に加工して成り、その内部には多孔質シリコン層３と酸化シリコン層６とが該基板１の厚み方向において接するように形成されている。
【００１０】
前記多孔質シリコン層３は、例えば、５０〜６５％の多孔度、１  ×１０−７〜１  ×１０−４μｍの平均気孔径でもって下端がシリコン基板１の下面に露出するように形成されており、該多孔質シリコン層３は直接遷移型に近い状態であるため、後述する第２電極４と第１電極７との間に５  〜５０ｍＡの電流を流すと、多孔質シリコンの量子効果によって波長６００  〜７８０  ｎｍの光を発する作用を為す。
【００１１】
一方、前記酸化シリコン層６は、上端がシリコン基板１の上面に露出し、かつ下端が多孔質シリコン層３の上端と接するように形成されており、半球状を成す透明なＳｉＯ２  （二酸化シリコン）中にチタンや亜鉛等の高屈折材料をドープさせることによって所定の屈折率が得られるようにしている。かかる半球状の酸化シリコン層６は、前述した多孔質シリコン層３の発する光を集光させた上、これをシリコン基板１の上方に、例えば平行光として、外部に放出させるレンズとしての作用を為す。尚、ここでいう“光の集光”とは光が一点に集まることのみを意味するものではなく、上述の如く、拡散光を平行光に変えるような場合にもこの表現を用いている。
【００１２】
そして、前記シリコン基板１の下面には絶縁膜２及び第２電極４が、また上面には絶縁膜５及び第１電極７がそれぞれ被着される。
【００１３】
前記絶縁膜２，５はいずれもＳｉｘ  Ｎｙ  （窒化シリコン）等の絶縁材料によって０．１  〜０．３  μｍの厚みに形成されており、その中央には窓部が形成さているため、多孔質シリコン層３や酸化シリコン層６を陽極化成処理などによって形成する際にこれらの層３，６が窓部内に形成されるようにその形成領域を規制するマスクとしての作用を為す。
【００１４】
また前記第２電極４は、シリコン基板１の下面に露出する多孔質シリコン層３の表面に被着されており、アルミニウムや金，銀，銅の導電材料によって０．０５〜３．００μｍの厚みに形成され、前記多孔質シリコン層３に電力印加するための一方の電極として機能する。この場合、前記第２電極４をアルミニウムによって０．１０μｍ以上の厚みで形成するようにしておけば、第２電極４が鏡面状となるため、多孔質シリコン層３より下方に向かう光を鏡面状の第２電極４でもって酸化シリコン層３側に反射させ、光の利用効率を向上させることができる。
【００１５】
更に前記第１電極７は、シリコン基板１の上面に露出する酸化シリコン層６の表面に被着されており、ＩＴＯ等の透光性を有した導電材料によって０．０５〜０．２０μｍの厚みに形成され、前述の第２電極４と共に多孔質シリコン層３に電力印加するための電極として機能する。また、この第１電極７は透光性を有しているため、多孔質シリコン層３の発する光を透過させることができる。
【００１６】
かくして上述した発光装置は、第１電極７及び第２電極４間に所定の電圧を印加し、両電極４−７間に位置する多孔質シリコン層３より光を発光させるとともに、該発光した光を半球状の酸化シリコン層６にて集光させた上、これをシリコン基板１の上方に向かって放出させることによって発光装置として機能する。
【００１７】
以上のような本発明の発光装置は、シリコン基板１の内部に半球状の酸化シリコン層６と多孔質シリコン層３とをシリコン基板１の厚み方向において両者３，６が接するように形成したものであり、多孔質シリコン層３の発する光は半球状の酸化シリコン層６にて集光された上、シリコン基板１の上方に向かって放出されるようになっていることから、多孔質シリコン層３の発する光の多くがシリコン基板１の上方に向かって放出されるようになり、光の利用効率が向上される。これにより、多孔質シリコン層３からのビームをシャープになすことができるようになり、上述の発光装置をページプリンタ等の画像形成手段として用いる場合には、感光体に照射される光の強度を高くして感光体に鮮明な潜像を形成することが可能となる。
【００１８】
またこの場合、レンズとして機能する酸化シリコン層６はシリコン基板１の内部に形成されることから、シリコン基板１の外部に別途、レンズを配置させる必要はなく、発光装置の全体構造を小型化することができる。
【００１９】
しかも、前記酸化シリコン層６と多孔質シリコン層３とは、シリコン基板１内で接するように形成されているため、多孔質シリコン層３の発した光が外部に漏れ出すことは少なく、これによっても光の利用効率が向上される。
【００２０】
次に上述した発光装置の製造方法について図２（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。
（１）まず図２（ａ）に示す如く、シリコン基板１の上面に窓付きの絶縁膜５を被着させる。
【００２１】
前記絶縁膜５は、窒化シリコン等を従来周知のスパッタリング法によって被着させた後、その中央をフォトリソグラフィー技術によってエッチングし、直径２μｍ程度の窓開けを行うことによって形成される。
【００２２】
（２）次に図２（ｂ）に示す如く、絶縁膜５の窓部内に位置するシリコン基板１の上面に半球状の多孔質シリコン層６’を形成する。
【００２３】
前記多孔質シリコン層６’は絶縁膜５の窓部内に位置するシリコン基板１に従来周知の陽極化成処理を施すことによって形成される。この陽極化成処理は、絶縁膜５を被着させたシリコン基板１を所定のフッ酸溶液中に浸漬するとともに、該浸漬したシリコン基板１の両側に一対の電極を配置させ、これら電極間に所定の電力を印加し、絶縁膜５の窓部内に位置するシリコン基板１の表面を３０ｍＡ・ｃｍ程度の電流密度にて所定時間（約５分間）保持することで行われ、これによって多孔度５０〜６５％の多孔質シリコン層６’が形成されることとなる。
【００２４】
（３）次に図２（ｃ）に示す如く、前述の多孔質シリコン層６’を酸化シリコン層６に変化させる。
【００２５】
前記酸化シリコン層６は、多孔質シリコン層６’の上面に中央だけ穴開けした所定のマスクを付け、次にこのマスク上にチタン（Ｔｉ）を含む有機化合物のペーストをスピンコート法にて塗布して乾燥させ、その後、これを酸化雰囲気中において約1500℃の温度で所定時間、加熱処理することによって形成される。この結果、酸化シリコン層６中には、チタン（Ｔｉ）が、酸化シリコン層６の上面の中心が最も高濃度でかつ同心円状に濃度変化するようにドープされ、これによってレンズとしての酸化シリコン層６が形成されることとなる。尚、酸化シリコン層６上の残留物は熱硫酸等で洗浄することにより除去される。
【００２６】
（４）次に図２（ｄ）に示す如く、シリコン基板１の下面に窓付きの絶縁膜２を被着させる。
【００２７】
前記絶縁膜２は、先に述べた絶縁膜５と同様に、窒化シリコン等のスパッタリングによって被着され、フォトリソグラフィー技術を駆使したエッチングによって直径２μｍ程度の窓開けがなされる。
【００２８】
（５）次に図２（ｅ）に示す如く、絶縁膜２の窓部内に位置するシリコン基板１の下面に多孔質シリコン層３を形成する。
【００２９】
前記多孔質シリコン層３は絶縁膜２の窓部内に位置するシリコン基板１に従来周知の陽極化成処理を施すことによって形成される。この陽極化成処理は、絶縁膜２等を被着させたシリコン基板１を所定のフッ酸溶液中に浸漬するとともに、該浸漬したシリコン基板１の両側に一対の電極を配置させ、これら電極間に所定の電力を印加し、絶縁膜２の窓部内に位置するシリコン基板１の表面を約３０ｍＡ・ｃｍの電流密度にて所定時間（約５分間）保持することで行われ、これによって多孔度５０〜６５％程度の多孔質シリコン層３が形成されることとなる。
【００３０】
（６）そして最後に、図２（ｆ）に示す如く、絶縁膜２の表面から絶縁膜２の窓部内に位置する多孔質シリコン層３の表面にかけて第２電極４を、また絶縁膜５の表面から絶縁膜５の窓部内に位置する酸化シリコン層６の表面にかけて第１電極７をそれぞれ形成する。
【００３１】
前記第２電極４及び第１電極７は、所定の導電材料を従来周知の薄膜手法、例えば、スパッタリングやフォトリソグラフィー技術等を採用することによって所定厚み、所定パターンに被着・形成され、これによって発光装置が完成する。
【００３２】
尚、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。
例えば、上述の形態においては、便宜上、１つのシリコン基板１内に１つの多孔質シリコン層３を形成する場合について説明したが、これに代えて１つのシリコン基板１内に複数の多孔質シリコン層を一列に並べて形成しても構わないことは勿論であり、この場合、酸化シリコン層は多孔質シリコン層と１対１に対応して設けられることとなる。
【００３３】
また上述の形態において、多孔質シリコン層３が形成されるシリコン基板１の下面にＶ字状の溝部を設けるようにしておけば、シリコン基板１内に多孔質シリコン層３を形成する際、多孔質シリコン層３の形成領域が面方向に広がるのが有効に防止されて多孔質シリコン層３を縦長状に成すことができる。この場合、多孔質シリコン層３の発する光が極めてシャープになる上に、シリコン基板１を平面視したときの多孔質シリコン層３の面積が小さくなることから多孔質シリコン層３の高密度化、即ち、多数の多孔質シリコン層３をシリコン基板１内に一列状に高密度に形成することが容易になる利点もある。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の発光装置によれば、シリコン基板の下面側の内部で多孔質シリコン層の発する光の多くが、この多孔質シリコン層の上端に半球状の下端を接してシリコン基板の上面側の内部に形成されたレンズとして機能する酸化シリコン層で集光されてシリコン基板の上方に向かって放出されるようになり、光の利用効率が向上する。これにより、多孔質シリコン層からのビームをシャープになすことができるようになり、本発明の発光装置をページプリンタ等の画像形成手段として用いる場合には、感光体に照射される光の強度を高くして感光体に鮮明な潜像を形成することが可能となる。
【００３５】
また本発明の発光装置によれば、レンズとして機能する酸化シリコン層をシリコン基板の上面に形成した半球状の多孔質シリコン層を酸化処理するとともに高屈折材料をドープしてシリコン基板の内部に設けたことから、シリコン基板の外部に別途、レンズを配置させる必要はなく、発光装置の全体構造を小型化することができる。
【００３６】
更に本発明の発光装置によれば、シリコン基板の上面に形成した半球状の酸化シリコン層の下端とシリコン基板の下面に形成した多孔質シリコン層の上端とがシリコン基板内で接するように形成されているため、多孔質シリコン層の発した光が途中で外部に漏れ出すことは少なく、これによっても光の利用効率が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光装置の一形態を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は図１の発光装置の製造方法を説明するための各工程毎の断面図である。
【図３】従来の発光装置の断面図である。
【符号の説明】
１・・・・シリコン基板
３・・・・多孔質シリコン層
６・・・・酸化シリコン層
【図１】
0003623088.tif 000002
【図２】
0003623088.tif 000003
【図３】
0003623088.tif 000004