(57)【要約】【課題】半導体多層ミラーが、エピキタシャル層の再成長が必要な埋め込み構造をとることなく、上側電極から直下に電流が流れることを阻止でき、かつ基板電極と発光素子との導通を確保できる発光素子アレイを提供する。【解決手段】ｐ型基板５１上に、反射層２５、ｐ型の第１層２４、ｎ型の第２層２３、ｐ型の第３層２２、ｎ型の第４層２１が順次形成されている。第４層２１の上にはカソード電極３６が形成され、エッチングにより一部露出された第３層２２上にゲード電極３７が形成され、エッチングにより一部露出された第４層２４上とエッチングによって露出された基板５１との間を短絡電極６３で接続する。基板５１の裏面には、裏面共通電極５３が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の導電性基板と、
前記第１導電型の導電性基板の上に形成された絶縁層,高抵抗層，または半導体多層膜ミラーと、
前記絶縁層，高抵抗層，または半導体多層膜ミラーの上に形成された第１の第１導電型の半導体層と、
前記第1の第１導電型の半導体層の上に形成された第１の電極と、
前記第１導電型の導電性基板と前記第１の第１導電型の半導体層との間を短絡するオーミック性電極とを備える発光素子が複数個配列され、各発光素子間はメサエッチングで分離されている発光素子アレイ。
【請求項２】
第１導電型の導電性基板と、
前記第１導電型の導電性基板の上に形成された絶縁層,高抵抗層，または半導体多層膜ミラーと、
前記絶縁層，高抵抗層，または半導体多層膜ミラーの上に形成された第１の第２導電型の半導体層と、
前記第１の第２導電型の半導体層の上に形成された第１の電極と、
前記第１導電型の導電性基板と前記第１の第２導電型の半導体層との間を短絡するオーミック性電極とを備える発光素子が複数個配列され、各発光素子間はメサエッチングで分離されている発光素子アレイ。
【請求項３】
第１導電型の導電性基板と、
前記第１導電型の導電性基板の上に形成された絶縁層,高抵抗層，または半導体多層膜ミラーと、
前記絶縁層，高抵抗層，または半導体多層膜ミラーの上に形成された第１の第１導電型の半導体層と、第１の第２導電型の半導体層と、第２の第1導電型の半導体層と、第２の第２導電型の半導体層と、
前記第２の第２導電型の半導体層の上に形成された第１の電極と、
前記第１の導電型の導電性基板の裏面に形成された第２の電極と、
前記第１導電型の導電性基板と前記第１の第１導電型の半導体層との間を短絡するオーミック性電極とを備える発光素子が複数個配列され、各発光素子間はメサエッチングで分離されている発光素子アレイ。
【請求項４】
第１導電型の導電性基板と、
前記第１導電型の導電性基板の上に形成された絶縁層,高抵抗層，または半導体多層膜ミラーと、
前記絶縁層，高抵抗層，または半導体多層膜ミラーの上に形成された第１の第２導電型の半導体層と、第１の第１導電型の半導体層と、第２の第２導電型の半導体層と、第２の第１導電型の半導体層と、
前記第２の第１導電型の半導体層の上に形成された第１の電極と、
前記第１の導電型の導電性基板の裏面に形成された第２の電極と、
前記第１導電型の導電性基板と前記第１の第２導電型の半導体層との間を短絡するオーミック性電極とを備える発光素子が複数個配列され、各発光素子間はメサエッチングで分離されている発光素子アレイ。
【請求項５】
前記発光素子の発光エリアでの電流密度が最大となる位置が、前記第１の電極によって隠されてない、請求項１または２に記載の発光素子アレイ。
【請求項６】
前記発光素子の発光エリアでの電流密度が最大となる位置が、前記第１の電極によって隠されてない、請求項３または４に記載の発光素子アレイ。
【請求項７】
前記発光素子は、pnpn構造の発光素子サイリスタである、請求項６に記載の発光素子アレイ。
【請求項８】
発光素子アレイは、自己走査型素子アレイである、請求項７に記載の発光素子アレイ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の発光素子アレイを用いた光書込みヘッド。
【請求項１０】
請求項９に記載の光書込みヘッドを備えるプリンタ。
【請求項１１】
請求項９に記載の光書込みヘッドを備えるファクシミリ。
【請求項１２】
請求項９に記載の光書込みヘッドを備える複写機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子アレイ、特に裏面に共通電極があり、上面から光を取出す形式の発光素子では、上側電極直下に流れる電流密度が最も高くなり、ここでの発光強度が最も高くなるにも拘らず、光が電極に遮られて取り出すことができないという問題がある。この問題に対して、発光層と導電性基板との間に絶縁膜（または高抵抗膜）を挿入する、あるいはｐｎ接合を設ける等の方法で、上側電極直下に流れる電流の流路を変えて、電極で遮られない部分での発光の割合を増やすという試みがなされた。
【０００２】
また、発光ダイオード（LED）では，光はランダムな方向に放射されるため、基板側に放射された光は基板に吸収されてしまい、上面から取出すことができないという問題がある。この問題に対して、半導体多層膜構造で形成したミラーを発光層と導電性基板との間に設け、基板側に放射された光を反射して、上側から取出すという試みがされてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体多層膜ミラーにおいて少ない層数で高い反射率を得るには、半導体多層膜の屈折率差を大きくとる必要がある、半導体多層膜をAlxGa1-XAsで構成した場合を考えると、xが大きくなるほど屈折率は下がるので、屈折率差を大きくとるには、低屈折率層のｘを大きくとる必要がでてくる。しかし、ｘが大きくなると、ドーパントの活性化率が下がり直列抵抗が上がってしまう。一方、高屈折率層の屈折率を上げるために、ｘを小さく、例えば０付近の組成を使うと、ヘテロ接合界面におけるバンドオフセットが大きくなり、やはり直列抵抗が上がってしまう。特に、自己走査型発光素子アレイの場合、直列抵抗の増加は、動作電圧の上昇の招くため、最小限に抑える必要がある。
【０００４】
自己走査型発光素子アレイは、pnpn構造の発光サイリスタを用いた本願人の提案した発光素子アレイであり（特許第２７４４５０４号，特許第２７５８５８７号等）、転送部サイリスタのオン状態を転送させ、これに対応する発光部サイリスタを順次発光させるものである。
【０００５】
また、絶縁膜やpn接合、反射膜は、埋め込み構造で作る方法が提案されている。このためには、一度パターニングした基板にもう一度エピキタシャル成長を行なう必要があり、工程が複雑になる。
【０００６】
本発明の目的は、半導体多層ミラーが、エピキタシャル層の再成長が必要な埋め込み構造をとることなく、上側電極から直下に電流が流れることを阻止でき、かつ基板電極と発光素子との導通を確保できる発光素子アレイを提供することにある。
本発明の他の目的は、このような発光素子アレイを用いた光書込みヘッドを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、このような光書込みヘッドを用いたプリンタ，ファクシミリ，複写機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発光素子アレイによれば、発光層と導電性基板との間に、絶縁層，高抵抗層,または半導体多層膜ミラーをあらかじめ連続成長しておき、この絶縁層，高抵抗層,または半導体多層膜ミラーの上下の層をオーミック性電極で短絡する。
【０００８】
電流は、オーミック性電極に向って流れるので、発光エリアでの電流密度が最大となる位置が電極の真下からオーミック性電極寄りにシフトする。したがって、電極に遮ぎられることなく光を取り出すことができる。また、多層膜ミラーを設けた場合には、導電性基板側へ向かう光が反射されるので、光の取り出し効率がさらに増大する。
また、抵抗率の低い導電性基板を共通電極として利用できるので、この場合にはチップ表面側に共通電極用の低抵抗な金属配線を形成する必要がないので、チップ幅を細くできる。
本発明の体表的な発光素子アレイの第１の態様は、第１導電型の導電性基板と、前記第１導電型の導電性基板の上に形成された絶縁層,高抵抗層，または半導体多層膜ミラーと、前記絶縁層，高抵抗層，または半導体多層膜ミラーの上に形成された第１の第１導電型の半導体層と、前記第1の第１導電型の半導体層の上に形成された第１の電極と、前記第１導電型の導電性基板と前記第１の第１導電型の半導体層との間を短絡するオーミック性電極とを備える発光素子が複数個配列され、各発光素子間はメサエッチングで分離されている。
本発明の体表的な発光素子アレイの第２の態様は、第１導電型の導電性基板と、前記第１導電型の導電性基板の上に形成された絶縁層,高抵抗層，または半導体多層膜ミラーと、前記絶縁層，高抵抗層，または半導体多層膜ミラーの上に形成された第１の第２導電型の半導体層と、第１の第１導電型の半導体層と、第２の第２導電型の半導体層と、第２の第１導電型の半導体層と、前記第２の第１導電型の半導体層の上に形成された第１の電極と、前記第１の導電型の導電性基板の裏面に形成された第２の電極と、前記第１導電型の導電性基板と前記第１の第２導電型の半導体層との間を短絡するオーミック性電極とを備える発光素子が複数個配列され、各発光素子間はメサエッチングで分離されている。
以上のような構造において、前記発光素子の発光エリアでの電流密度が最大となる位置が、前記第１の電極によって隠されてない。
本発明の発光素子アレイは、pnpn構造の自己走査型発光素子アレイにも適用できる。
さらには、本発明の発光素子アレイを用いた光書込みヘッドを利用したプリンタ，ファクシミリ，複写機を実現できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発光素子アレイによれば、発光エリアをシフトさせることにより、さらには多層膜ミラーを用いた場合には、さらに光の取り出し効率を高めることが可能となる。また、絶縁層,高抵抗層,または半導体多層膜ミラーを、埋め込み構造としないので、工程を簡単にすることができる。
このような発光素子アレイを用いた光書き込みヘッドを利用して、プリンタ，ファクシミリ，複写機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
第１の実施例の単体の発光サイリスタの断面図を図１に示す。ここでは、一例として第１の導電型をｐ、第２の導電型をｎとして、ｐ-GaAs基板上に有機金属気相成長法（MOCVD）で成長したGaAsのpnpn構造を例に説明する。このpnpn構造において、逆に第１の導電型をｎ、第２の導電型をｐとしても、同様の効果が得られる。
【００１２】
ｐ型基板５１上に、反射層２５、ｐ型の第１層２４、ｎ型の第２層２３、ｐ型の第３層２２、ｎ型の第４層２１が順次形成されている。
【００１３】
第４層２１の上にはカソード電極３６が形成され、エッチングにより一部露出された第３層２２上にゲード電極３７が形成され、エッチングにより一部露出された第４層２４上とエッチングによって露出された基板５１との間を短絡電極６３で接続する。基板５１の裏面には、裏面共通電極５３が形成されている。なお、各電極は、形成されている各層とオーミック接触となるように作られている。具体的には、ｐ型用電極としてはｐ型半導体層／AuZn／Au、ｎ型用電極としてはｎ型半導体層／AuGe／Ni／Auを用いた。
これらの構造は、SiO2保護膜６１で被われ、この上にアルミ配線６２を形成している。アルミ配線と金電極間は、コンタクトホールを介して接続されている。
【００１４】
以上の構成において、反射層２５としては、ノンドープのAlAs(n=2.97)、Al0.1Ga0.9As(n=3.52)を用いた。発光波長を７８０nmとすると、それぞれの層厚は、６５．７nm,５５．４nmとなる。ここでは、この２層を８ペア成長し、約８４％の反射率を得た。反射層２５はノンドープとしたが、ｎ型にドープすることによって、ｐ型層２４との間がpn接合となり、基板側へ抜ける電流をブロックできる。また、ｐ型ドープであっても、反射層２５を通る電流よりも短絡電極６３を通る電流が多くなるように、反射層２５の直列抵抗を十分に高くする必要がある。図中、カソード電極３６から、短絡電極６３へ流れる電流を破線矢印で示す。
電流は、電極３６から短絡電極６３に向かって流れるので、発光エリアは電極真下からシフトする。したがって、電極３６に遮られることなく光出力が増大する。
【００１５】
次に、図１の発光サイリスタの製造プロセスを、図２Ａ〜図２Ｈを参照して説明する。
まず、図２Ａに示すように、ｐ型GaAs基板５1上に、反射層２５、ｐ型の第１層２４、ｎ型の第２層２３、ｐ型の第３層２２、ｎ型の第４層２１をMOCVDによって積層する。
【００１６】
次に、図２Ｂに示すように、リフトオフにより電流供給電極であるカソード電極３６を形成する。電極は、真空蒸着によってAuGe，Ni，Auの順で成膜する。
次に、図２Ｃに示すように、ｎ型の第４層２１をエッチングで取り去り、リフトオフによりゲート電極３７を形成する。電極は、真空蒸着によってAuZn，Auの順で成膜する。
【００１７】
次に、図２Ｄに示すように、ｎ型の第２層２３、ｐ型の第３層２２の一部をエッチングで取り去り、ｐ型の第1層２４の一部を露出させる。
続いて、図２Ｅに示すように、反射層２５、ｐ型の第１層２４の一部をエッチングで取り去り、ｐ型基板５１の一部を露出させる。
【００１８】
次に、図２Ｆに示すように、リフトオフにより短絡電極６３を形成する。短絡電極は、真空蒸着によってAuZn，Auの順で成膜する。続いて、裏面電極５３を、真空蒸着によって形成する。その後、アニールによって、各電極をオーミックコンタクト化させる。
【００１９】
次に、図２Ｇに示すように、保護膜６１を形成する。
最後に、図２Ｈに示すように、コンタクトホールを開け、アルミ膜をスパッタで形成し、ウエットエッチングによってアルミ配線６２をパターニングした。
【００２０】
図２Ａ〜図２Ｈでは、単体の発光サイリスタの製作工程を模式的に示した。このような発光サイリスタを利用した実際の自己走査型発光素子アレイの構造を図３に示す。また、図３のＡ-Ａ´線およびＢ-Ｂ´線の断面図を、図４Ａ，図４Ｂに示す。また、図３に対応する、等価回路を図５に示す。
【００２１】
図５の等価回路において、１０は、抵抗８２、結合ダイオードＤ、発光サイリスタＴ1,Ｔ2,Ｔ3,・・・よりなるシフト部を、１２は、発光サイリスタＬ1,Ｌ2,Ｌ3,・・・よりなる発光部を示している。
図３,図４Ａ，図４Ｂ，図５において、７１〜７４はアルミ配線であり、８１は抵抗を示す。８４はサイリスタ島であり、この上に、結合ダイオード島８６、シフト部サイリスタ島８８、発光部サイリスタ島９１がある。各島８６，８８，９１は、ｎ型第４層２１を残した箇所であり、逆に、サイリスタ島のこの部分以外では、ｎ型第４層２１はエッチングで取り去られ、ｐ型第３層２２が半導体としては最上層となっている。各島８６，８９，９１上には、ｎ型用オーミック電極８７，８９，９０が形成されている。一方、サイリスタ島８４上、ｐ型第３層２２上には、ゲート電極８５が形成されている。
【００２２】
シフト部サイリスタ島８８は、ｐ型第１層２４に至るエッチング溝で電気的に分離されている。６３は短絡電極であり、ｐ型第１層２４とｐ型基板５１との間を短絡する。ここで、１１０はｐ型第１層２４およびミラー層２５をエッチングで取り除く境界線であり、図中、境界線１１０よりも下の部分でｐ型基板５１が露出している。露出部分を１０１で示す。露出部分１０１がクランク型となっているのは、エッチング面によって、順メサ／逆メサが現れることがあり、逆メサを越えるときに電極が段切れすることを避けるためである。
各電極は、コンタクトホールを介してアルミ配線に接続される。
【００２３】
試作した自己走査型発光素子アレイの電流-光出力特性の例を、図６に示す。図中、実線がミラー構造ありの場合、破線がミラー構造なしの場合を示す。１０ｍＡ流したとき、従来のミラー構造なしでは８５μＷ程度の光出力であったものが、ミラー構造ありでは２７０μＷと、従来に比べて約３．２倍の光出力が得られた。これは、ミラーによる反射の効果が約１．８倍、また、発光エリアが電極真下からシフトした効果が約１．８倍あるものと考えられる。
【実施例２】
【００２４】
実施例１では、ミラー構造２５によって基板側に向かう光を反射すると共に、ミラー構造２５の直列抵抗が高いことを利用して、電極直下に流れる電流をブロックすることで光の取り出し効率を上げている。しかし、この２つの効果は独立したものであるので、前者の効果を期待しない場合には、ミラー構造２５の代わりに、高抵抗層を挿入しても良い。ここでは、膜厚０．２μｍのノンドープAl0.5Ga0.5Asを挿入した。この結果、電流ブロック効果から予想される、１．８倍の光出力が得られた。ここでは、高抵抗層を挿入したが、例えば、第２導電型層を挿入してpn接合により電流ブロックを行なって良い。
【実施例３】
【００２５】
以上のような自己走査発光素子アレイは、直線状に配列されて、光プリンタの光書込みヘッドに用いられる。図７に、本発明の発光素子アレイを用いた光書込みヘッドの一例を示す。チップ実装基板７０上に、発光素子を列状に配置した複数個の発光素子アレイチップ７１が、主走査方向に実装され、この発光素子アレイチップ７１の発光素子が発光する光の光路上には、主走査方向に長尺な正立等倍のロッドレンズアレイ７２が、樹脂ハウジング７３により固定されている。ロッドレンズアレイ７２上には、感光ドラム７４が設けられる。また、チップ実装基板７０の下地には発光素子アレイチップ７１の熱を放出するためのヒートシンク７５が設けられ、ハウジング７３とヒートシンク７５は、チップ実装基板７０を間に挟んで止め金具７６により固定されている。
【００２６】
このような光書込みヘッドを用いた光プリンタを図８に示す。光プリンタには、光書込みヘッド１００が設置される。円筒形の感光ドラム１０２の表面に、アモルファスＳｉ等の光導電性を持つ材料（感光体）が作られている。このドラムはプリントの速度で回転している。回転しているドラムの感光体表面を、帯電器１０４で一様に帯電させる。そして、光書込みヘッド１００で、印字するドットイメージの光を感光体上に照射し、光の当たったところの帯電を中和し、潜像を形成する。続いて、現像器１０６で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感光体上につける。そして、転写器１０８でカセット１１０中から送られてきた用紙１１２上に、トナーを転写する。用紙は、定着器１１４にて熱等を加えられ定着され、スタッカ１１６に送られる。一方、転写の終了したドラムは、消去ランプ１１８で帯電が全面にわたって中和され、清掃器１２０で残ったトナーが除去される。
【００２７】
このような光書込みヘッドは、プリンタのみならずファクシミリ，複写機にも利用することができる。図９は、ファクシミリまたは複写機の基本構造を示す。図８と同一の構成要件には同一の参照番号を付して示す。紙送りローラ１３０で搬送される読取り原稿１２２に光源１２４から光を照射し、反射光を結像レンズ１２６を介して、イメージセンサ１２８で受光する。イメージセンサ１２８の出力に基づいて、光書込みヘッド１００の発光素子アレイ１３２が点灯し、ロッドレンズアレイ１３４を介して感光ドラム１０２に照射される。用紙１１２への印字は、光プリンタで説明したとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施例である単体の発光サイリスタの断面図を示す図である。
【図２Ａ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｂ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｃ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｄ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｅ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｆ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｇ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図２Ｈ】図１の発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図３】自己走査型発光素子アレイの構造を示す図である。
【図４Ａ】図３のＡ−Ａ´線断面図である。
【図４Ｂ】図３のＢ−Ｂ´線断面図である。
【図５】自己走査型発光素子の等価回路図である。
【図６】自己走査型発光素子アレイの電流−光出力特性を示すグラフである。
【図７】光書込みヘッドの構造を示す図である。
【図８】自己走査型発光素子アレイを用いた光書込みヘッドを利用した光プリンタの構成を示す図である。
【図９】ファクシミリまたは複写機の基本構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
２１  ｎ型第４層
２２  ｎ型第３層
２３  ｎ型第２層
２４  ｐ型第１層
２５  反射層
３６  カソード電極
５１  ｐ型基板
６１  SiO2保護膜
６２  アルミ配線
８４  サイリスタ島
８５  ゲート電極
８６  結合ダイオード島
８８  シフト部サイリスタ島
９１  発光部サイリスタ島
８７，８９，９０  ｎ型用オーミック電極
１００  光書込みヘッド
１０２  感光ドラム
１０４  帯電器
１０６  現像器
１０８  転写器
１１０  カセット
１１２  用紙
１１４  定着器
１１６  スタッカ
１１８  消去ランプ
１２０  清掃器
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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