(57)【要約】【課題】  内部で発生した光の利用効率を、本構成を有しないものに比べ向上することができる発光ダイオードおよび発光ダイオードアレイを提供する。【解決手段】  本発光ダイオードは、基板１と、二種のｎ型半導体層２１，２２を交互に積層して形成した光反射層を有するｎ型クラッド層２、二種のｐ型半導体層３１，３２を交互に積層して形成した光反射層を有するｐ型クラッド層３、およびｎ型クラッド層２とｐ型クラッド層３間に設けられた発光層４を含む、基板１上に形成されたメサ型構造５と、メサ型構造５の側面に形成された光拡散部６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
二種のｎ型半導体層を交互に積層して形成した光反射層を有するｎ型クラッド層、ｐ型半導体層を有するｐ型クラッド層、および前記ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層間に設けられた発光層を含む、前記基板上に形成されたメサ型構造と、
前記メサ型構造の側面に形成された光拡散部と
を備えた発光ダイオード。
【請求項２】
前記ｐ型クラッド層が、二種のｐ型半導体層を交互に積層して形成した光反射層を有する請求項１記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記光拡散部がエッチングで形成されたものである請求項１または２記載の発光ダイオード。
【請求項４】
前記光拡散部の前記メサ型構造側とは反対側に光反射部を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード。
【請求項５】
前記光反射部が、前記光拡散部に保護層を介して設けられた金属で形成された請求項４記載の発光ダイオード。
【請求項６】
１次元または２次元状に配置した請求項１〜５のいずれかに記載の複数の発光ダイオードと、前記複数の発光ダイオードを駆動する駆動部と、前記複数の発光ダイオードを前記駆動部に接続する複数の配線電極とを備えた発光ダイオードアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードおよび発光ダイオードアレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から発光ダイオード（ＬＥＤ）は各種光源として用いられている。ＬＥＤの構造としては、例えばｎ型基板上にｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を含むメサ型構造を有するものがある。メサ型構造の中央部にはオーミック電極が配置され、そしてオーミック電極に電流を注入するための配線が接続される。メサ型構造は保護膜により被覆される。この種のＬＥＤに関連して、例えば特許文献１には、光取り出し効率の改善をめざす発光ダイオードアレイが開示されている。ここでは各ＬＥＤがエッチングにより逆メサ形状に分離形成され、逆メサ形状の斜面部には発光層である活性層に対してほぼ４５°の角度をなすミラー面が形成され、活性層からの光を逆メサ形状のミラー面で反射するように構成される。また、特許文献２には、基板表面に垂直に光を放出するスーパールミネセントＬＥＤが開示されている。ここでは光放出部分の側壁および非放出部分の側壁が光放出部分から放出される光を、主表面に対し実質的に垂直方向に向けるように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−３４３４８４号公報
【特許文献２】特開平６−１０４４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、積層された半導体の面方向に進む光を拡散させて出射光に利用し、結果的に内部で発生した光の利用効率を向上させることができる発光ダイオードおよび発光ダイオードアレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の発光ダイオードおよび発光ダイオードアレイを提供する。
（１）基板と、二種のｎ型半導体層を交互に積層して形成した光反射層を有するｎ型クラッド層、ｐ型半導体層を有するｐ型クラッド層、および前記ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層間に設けられた発光層を含む、前記基板上に形成されたメサ型構造と、前記メサ型構造の側面に形成された光拡散部とを備えた発光ダイオード。
（２）前記ｐ型クラッド層が、二種のｐ型半導体層を交互に積層して形成した光反射層を有する上記（１）記載の発光ダイオード。
（３）前記光拡散部がエッチングで形成されたものである上記（１）または（２）記載の発光ダイオード。
（４）前記光拡散部の前記メサ型構造側とは反対側に光反射部を備えた上記（１）〜（３）のいずれかに記載の発光ダイオード。
（５）前記光反射部が、前記光拡散部に保護層を介して設けられた金属で形成された上記（４）記載の発光ダイオード。
（６）１次元または２次元状に配置した上記（１）〜（５）のいずれかに記載の複数の発光ダイオードと、前記複数の発光ダイオードを駆動する駆動部と、前記複数の発光ダイオードを前記駆動部に接続する複数の配線電極とを備えた発光ダイオードアレイ。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発光ダイオードによれば、積層された半導体の面方向に進む光を拡散させて出射光に利用することができる。
請求項２に記載の発光ダイオードによれば、内部で発生した光の利用効率を、本構成を有しないものに比べ一層向上することができる。
請求項３に記載の発光ダイオードによれば、本構成を有しないものに比べ光の拡散を効率よく行う構造を得ることができる。
請求項４に記載の発光ダイオードによれば、内部で発生した光の利用効率を、本構成を有しないものに比べ一層向上することができる。
請求項５に記載の発光ダイオードによれば、本構成を有しないものに比べ光の反射を簡易な構造で実現することができる。
請求項６に記載の発光ダイオードアレイによれば、積層された半導体の面方向に進む光を拡散させて出射光に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る発光ダイオードの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る発光ダイオードの他の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る発光ダイオードアレイの一実施例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本発明に係る発光ダイオードの一実施例を示す断面図である。本実施例は、図示のように、基板１と、二種のｎ型半導体層２１，２２を交互に積層して形成した光反射層を有するｎ型クラッド層２、二種のｐ型半導体層３１，３２を交互に積層して形成した光反射層を有するｐ型クラッド層３、およびｎ型クラッド層２とｐ型クラッド層３間に設けられた発光層４を含む、基板１上に形成されたメサ型構造５と、メサ型構造５の側面に形成された光拡散部６とを備える。光拡散部６は、メサ型構造５の側面に例えば半導体積層構造を反映した微小な凹凸構造を形成することで得ることができるが、これに限定されない。光拡散部６のメサ型構造側とは反対側に光反射部８を備えることができる。光反射部８は、例えば光拡散部６に保護層７を介してＡｌなどの金属で被覆することにより得ることができるが、これに限定されない。
【０００９】
ここで、二種のｎ型半導体層は、それぞれ化合物半導体で形成することができるが、化合物半導体を同種のものとする場合は互いに異なる組成比を与えることで二種とすることができる。二種のｐ型半導体層の場合も同様である。ｐ型クラッド層３におけるｐ型半導体層３１，３２の積層数は、ｎ型クラッド層２におけるｎ型半導体層２１，２２の積層数よりも少なくされる。例えば、ｐ型半導体層３１，３２のペア数を５とし、ｎ型半導体層２１，２２のペア数を１０とすることができる。また、ｐ型クラッド層３は、単層のｐ型半導体層で構成することもできる。ｐ型クラッド層３は必ずしも光反射機能を有する必要はないからである。図１に示すように、本実施例では、基板１上にバッファ層９を備える。発光層４のｎ型クラッド層２側にはキャリア注入層１０を備える。ｐ型クラッド層３の発光層４側と反対側にはコンタクト層１１が備えられ、その上部に形成された保護層７が光の出射面となる。コンタクト層１１は、オーミック電極１２を介して配線電極１３に接続される。
【００１０】
本実施例に係るＬＥＤの光の出射経路は図１の破線矢印に示すとおりである。すなわち、オーミック電極１２から注入された電流でキャリアが発光層４内で再結合し、光をランダムな方向に放出する。発光層４で放出された光は、一部は出射面から直接出射するが、残りは出射面から直接出射されない。直接出射されない光はＬＥＤ内を横方向に伝播し光拡散部６で全方向に拡散され、さらに光反射部８でＬＥＤ内に拡散光として反射される。拡散光あるいは反射光のうち、出射面に対して臨界角より小さい角度で入射した光はそのまま出射面から出射されるため、出射面からの出射効率が向上する。
【００１１】
本実施例のような構成を有しない場合、発光層内で生じた光のうち、半導体層の上方に放出され、かつ半導体層と保護層の境界および保護層と外部との境界で反射されなかった成分のみが光源からの光として利用される。しかしその割合は最大でも数％にすぎず、残りの光は半導体層内部で吸収されるか、基板側で吸収されるか、メサ型構造の側面から放出され無効光となる。そこで、本実施例では、発光領域および電流注入領域を限定したメサ型構造の側面からの放出光を光拡散部で拡散させ、あるいは光反射部で反射することで内部への戻り光とする。一方、鏡面反射の場合は逆メサ型構造とすることで横方向に伝搬する光を出射面側に効率的に反射することができるが、逆メサ型構造では断線防止あるいは保護層形成が困難である。また、順メサ型構造では光はいったん基板側に反射されるが、出射面から光を効率的に取り出す反射方向が限定されるため高い作製精度が求められる。本実施例のような拡散反射では、拡散反射面から全方向に光が伝搬するため、反射方向の精度を必要とせず、また作製上の制約も受けずに光出力の効率化が可能となる。
【００１２】
本実施例に係るＬＥＤの作製方法の一例を以下説明する。まず、ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等のエピタキシャル成長技術によって、ＧａＡｓバッファ層９、ｎ型クラッド層２、キャリア注入層１０、発光層４、ｐ型クラッド層３、コンタクト層１１を積層する。ここで、ｎ型クラッド層２は、ｎ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層２１とｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層２２の複数ペアからなり、それぞれの厚みは発光層４で発生した光の１／４波長または１／４波長の整数倍となるよう定められる。また、発光層４はｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓからなり、キャリア注入層１０はｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓからなり、それぞれの厚みは発光波長の１／４波長または１／４波長の整数倍程度であり、発光層４とキャリア注入層１０の全体の厚みが発光波長の１／２波長または１／２波長の整数倍となるよう調整される。さらに、ｐ型クラッド層３は、ｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層の複数ペアからなり、それぞれの厚みは発光層で発生した光の１／４波長または１／４波長の整数倍となるよう定められる。ｐ型クラッド層３の半導体層の積層ペア数はｎ型クラッド層２のそれよりも少なくする。これはｐ型クラッド層３の光反射率をｎ型クラッド層２よりも小さくして基板１側と反対側へ光を出射させるためである。なお、上述した各化合物半導体およびその組成比は一例であり、それらに限定されない。
【００１３】
コンタクト層１１を積層した後、その上にオーミック電極１２を形成する。次にレジストをマスクとして反応性イオンエッチングにより半導体層にエッチングを施してメサ型構造５を形成する。これを４％の硫化アンモニウムに４５℃で浸漬させる。この時、各半導体層のＡｌの濃度（組成比）が高いほどエッチングが早く進む。例えば、Ａｌの濃度が８５％の層では１５％の層よりも１０倍以上のエッチングレートとなるため、メサ型構造５の側面には多層膜のＡｌの濃度の違いにより凹凸が形成される。そして、この凹凸を含むメサ型構造５の全面をＳｉＯ２等の保護層７により被覆した後、オーミック電極１２に電流を注入するためのコンタクトホールを形成する。この後、オーミック電極１２に電流を注入するための配線電極１３としてＡｌ層をパターニングすることで形成すると同時に、メサ型構造５の側面にも反射部８として例えばＡｌ層をパターニングすることで形成する。ここでは、メサ型構造５の側面に凹凸形状を形成するため硫化アンモニウムを用いたが、アンモニアと過酸化水素水の混合溶液を用いた場合には、Ａｌの濃度が高いほどエッチングレートが遅くなるので、Ａｌの濃度に応じた凹凸が上記実施例とは逆転した形状として得られる。
【００１４】
図２は、本発明に係る発光ダイオードの他の実施例を示す断面図である。本実施例が、図１の実施例と異なるのは、ｐ型クラッド層３を単層のｐ型半導体層３３で構成した点、およびメサ型構造５の側面を不規則にエッチングして図１の実施例とは別構成の光拡散部１４を作製した点にあり、その他の点では図１の実施例と同様である。メサ型構造５の側面を不規則にエッチングするためのエッチング液としては、例えばＨＣｌとＨ２Ｏを１：１に混合させた溶液を用いることができるが、これに限定されない。本実施例に係るＬＥＤの光の出射経路は図２の破線矢印に示すとおりであり、図１の実施例の場合とほぼ同様である。すなわち、オーミック電極１２から注入された電流でキャリアが発光層４内で再結合し、光をランダムな方向に放出する。発光層４で放出された光は、一部は出射面から直接出射するが、残りは出射面から直接出射されない。しかし、直接出射されない光はＬＥＤ内を横方向に伝播し光拡散部６で全方向に拡散され、さらに拡散光は光反射部８でＬＥＤ内に反射される。拡散光および反射光のうち、出射面に対して臨界角より小さい角度で入射した光はそのまま出射面から出射されるため、出射面からの出射効率が向上する。
【００１５】
図１と図２に示すＬＥＤの各部構成を入れ替えることにより別の実施例を得ることができる。例えば、図１の実施例において、ｐ型クラッド層３を、二種のｐ型半導体層３１，３２を交互に積層することに代えて、単層のｐ型半導体層３３で構成することができる。また、図１の実施例において、光拡散部６に代えて図２の光拡散部１４を形成ことができる。逆に、図２の実施例において、ｐ型クラッド層３を、単層のｐ型半導体層３３に代えて、二種のｐ型半導体層３１，３２を交互に積層して形成した光反射層を有するものとすることができる。また、図２の実施例において、光拡散部１４に代えて図１の光拡散部６を形成することができる。
【００１６】
図３は、本発明に係る発光ダイオードアレイの一実施例を示す平面図である。本実施例は、例えば電子写真方式のプリンター等の画像形成装置の光源として用いることができる。発光ダイオードアレイ（ＬＥＤアレイ）は、図示のように、複数のＬＥＤ４１〜４５を１次元状に配置し、各ＬＥＤを順次または複数同時に発光させるものである。各ＬＥＤは、上述の実施例に示す構成を有しており、メサ型構造の上部にオーミック電極１２が配置されている。各オーミック電極１２に電流を注入するための配線電極１３がＬＥＤ駆動部４６に接続されている。ここで用いられるＬＥＤは、図１，図２に示すように、メサ型構造５の側面に光拡散部６または１４、さらには光反射部８を備える。これにより、メサ型構造５の側面に向かう光を光拡散部６または１４で拡散させ、さらに光反射部８で反射することで内部への戻り光とすることができる。戻り光のうち、出射面に対して臨界角より小さい角度で入射した光はそのまま出射面から出射されるため、光の利用効率が向上する。本実施例のＬＥＤアレイはＬＥＤを１次元状に配置したものであるが、これに限定されず、２次元状に配置したものでもよい。
【符号の説明】
【００１７】
１  基板
２  ｎ型クラッド層
３  ｐ型クラッド層
４  発光層
５  メサ型構造
６、１４  光拡散部
７  保護層
８  光反射部
９  バッファ層
１０  キャリア注入層
１１  コンタクト層
１２  オーミック電極
１３  配線電極
２１，２２  ｎ型半導体層
３１，３２，３３  ｐ型半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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