JPH0715034A - 発光ダイオードアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 拡散層の周辺部分から発光される強い光を効
率良く外部に出力する。 【構成】 ｎ型GaAs基板１上にｎ型GaAsP 層２が積層さ
れており、このｎ型GaAsP 層２にはZnを選択拡散させた
ｐ型GaAsP 層３が形成されている。そして、SiN膜など
の層間絶縁膜９の上にAl電極５がパターニングされ、さ
らに、保護膜としてSiN 膜６で表面を覆うと共に、ｎ型
GaAs基板１の裏面にｎ型電極７が設けられている。ま
た、コンタクトホール８となる層間絶縁膜９に形成され
ている窓は、Al電極５の直下の一部とその周辺部を残し
て拡散層３よりも大きなものとなっている。このとき、
拡散層３の周辺部分３ａ上の膜は、Al電極５の周辺部を
除いて反射低減条件を満たしたSiN 膜６だけとなってい
るので、拡散層３の周辺部分３ａから発光される強力な
光を効率良く出力させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオードアレイ
に係り、特に発光出力を高めた構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオードアレイはディスプレイ装
置の光源やプリンタ装置のヘッド用光源として有用なデ
バイスである。そして、従来から、発光ダイオードアレ
イの発光ドット分離方法として選択拡散法が広く用いら
れている。ここで、この選択拡散法を用いて製造した発
光ダイオードアレイについて、図４と共に説明する。

【０００３】図４（Ａ）は従来の発光ダイオードアレイ
を示す拡大断面図、同図（Ｂ）は同拡大平面図、同図
（Ｃ）は発光ダイオードアレイの外観を示す平面図であ
る。この発光ダイオードアレイは、同図に示すように、
ｎ型GaAs基板１１上にｎ型GaAsP 層１２が積層されてお
り、SiN 膜などの拡散マスク１４を用いてこのｎ型GaAs
P 層１２にZnを選択拡散させたｐ型GaAsP 層（拡散層）
１３が形成されている。そして、その上にAlを蒸着した
後、リソグラフィ技術とエッチング技術を用いてAl電極
１５がパターニングされている。さらに、保護膜として
SiN 膜１６で表面を覆うと共に、ｎ型GaAs基板１１の裏
面にｎ型電極１７を設けている。このとき、Znを選択拡
散するために拡散マスク１４に開けられた拡散窓がコン
タクトホール１８となっている。

【０００４】そして、Al電極１５とｎ型電極１７に電圧
をかけると、ｎ型GaAsP 層１２とｐ型GaAsP 層１３との
界面であるｐｎ接合面から発光し、コンタクトホール１
８の下側で発光する光は、SiN 膜１６を透過して外部に
出力され、ｐ型GaAsP 層１３の表面の周囲部分（図４
（Ｂ）の点線部分）１３ａから発光する光は、拡散マス
ク１４とSiN 膜１６とを透過して外部に出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような発光ダイオ
ードアレイでは、個々の発光ダイオードとなるｐ型GaAs
P 層（拡散層）１３を形成するために、拡散マスク１４
に発光部となる部分を窓開けして不純物を拡散している
が、この不純物は、拡散の深さに対応して拡散窓端部よ
り拡散マスク１４の下側にも広がって拡散している。そ
して、一般には発光ダイオード部の表面に生じるＰＮ接
合界面部からの発光が最も大きいので、拡散層１３の周
辺部分１３ａの発光出力が最も大きくなるはずである
が、この周辺部分１３ａからの発光出力は、拡散マスク
１４とSiN 膜１６とを透過し、また、この拡散マスク１
４の膜厚は、拡散工程時に生じる熱により、割れ等が生
じないよう設定されているだけで、光学的に配慮されて
膜厚の制御がなされていなかったので、周辺部分１３ａ
からの発光出力を有効に取出していなかった。

【０００６】さらに、コンタクトホール１８を含めて成
膜されるSiN 膜１６の厚さを発光波長の光を効率良く透
過するように制御しても、各発光ダイオードのコンタク
トホール１８から外部に出力される光は外部量子効率を
高くすることができるが、ｐ型GaAsP 層１３の表面の周
囲部分１３ａから発光される強力な光は、拡散マスク１
４とSiN 膜１６の両方を透過するため、外部に効率良く
出力することができなかった。そこで本発明は、拡散層
の周辺部分から発光される強い光を効率良く外部に出力
することのできる発光ダイオードアレイを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するための手段として、化合物半導体基板上に選択拡
散により形成された拡散層を発光部として有する複数の
発光ダイオードが列状に形成された発光ダイオードアレ
イにおいて、前記化合物半導体表面上に設けられ、前記
拡散層上に電極コンタクトホールが形成された第１の絶
縁膜と、前記各発光ダイオードの前記拡散層に電流を供
給するオーミック電極と、前記化合物半導体表面上に設
けられた第２の絶縁膜とを備え、前記電極コンタクトホ
ール上の前記第２の絶縁膜の膜厚が光透過条件を満たす
と共に前記拡散層上の前記第１の絶縁膜と前記第２の絶
縁膜とが重なった部分の膜厚の合計が光透過条件を満た
していることを特徴とする発光ダイオードアレイ、また
は、化合物半導体基板上に選択拡散により形成された拡
散層を発光部として有する複数の発光ダイオードが列状
に形成された発光ダイオードアレイにおいて、前記化合
物半導体表面上に設けられた第１の絶縁膜と、前記各発
光ダイオードの前記拡散層に電流を供給するオーミック
電極とを備え、前記第１の絶縁膜は前記オーミック電極
の直下の一部とその周辺部を残して前記拡散層よりも大
きな電極コンタクトホールが形成されると共に、第２の
絶縁膜がこのコンタクトホール上に形成されていること
を特徴とする発光ダイオードアレイを提供しようとする
ものである。

【０００８】

【作用】コンタクトホール上に形成されるSiN 膜の膜厚
をｄとすると、ｐｎ接合面から発光する光がGaAsP 層及
び拡散層の表面で反射して内部へ戻ってしまうのを防ぐ
ためには、この膜厚ｄをGaAsP 層及び拡散層の表面に垂
直な方向に対する反射防止条件 ｄ＝（２ｍ＋１）λ／4 ｎ ………式１ （ｍ: 整数、λ: 発光される光の波長、ｎ:SiNの屈折
率）を満たす値（あるいはほとんどそれに近い値）に設
定するのが一般的である（以後、近い値を含めて反射低
減条件と呼ぶ）。そして、SiN 膜の膜厚をこの反射低減
条件を満たす値に設定すれば、発光される光に対する透
過率が増大し、外部量子効率を高めることができる。

【０００９】そして、SiN 膜の膜厚だけでなく、拡散マ
スクとSiN 膜とが重なったときの膜厚も反射低減条件を
満たすように設計すれば、SiN 膜だけで保護されている
コンタクトホールから外部に出力される光だけでなく、
その周辺から外部に出力される高出力の光の外部量子効
率も高めることができ、発光ダイオード部全体から出力
される光の輝度を数十％も高めることができる。

【００１０】

【実施例】本発明の発光ダイオードアレイの第１の実施
例として、次のような条件で製造した発光ダイオードア
レイについて説明する。式１において、SiN 膜自体の吸
収による輝度の減衰を考慮して、最後に形成するSiN 膜
をｍ＝０とし、拡散層の周辺部分の拡散マスクとSiN 膜
とが重なったときの膜がｍ＝１の膜厚となるようにする
には、拡散マスクの膜厚ｔを次のように設定すれば良
い。 ｔ＝２λ／4 ｎ＝λ／２ｎ ………式２ したがって、この式２で表される厚みの拡散マスクを用
いて拡散層を形成後、この拡散マスクを除去せずに通電
のための電極を形成し、さらに式１においてｍ＝０即ち
ｄ＝λ／４ｎとした厚みのSiN 膜を形成することによ
り、拡散層の周辺部分の膜厚は、式１のｍ＝１に相当す
る膜厚つまりｄ＝３λ／４ｎとなり、発光出力される部
分上のすべての膜厚が反射低減条件を満たすことにな
り、ｐｎ接合部で発光される光を効率良く取り出すこと
ができる。

【００１１】このような構造の発光ダイオードアレイの
製造方法について、図面と共に具体的に説明する。図１
（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明の半導体発光装置の第１の実
施例の製造方法を示す工程図である。

【００１２】図１（Ａ）に示すように、ｎ型GaAs基板１
上にｎ型GaAsP 層２をエピタキシャル成長し、さらにSi
H4、NH3 、N2系のガスを用いたプラズマＣＶＤにより拡
散マスク（SiN 膜（シリコン窒化膜））４を式２で示し
たｔ＝λ／２ｎの厚さで全面に形成する。なお、SiN の
屈折率ｎは、１．８〜２である。次に、同図（Ｂ）に示
すように、拡散窓となるコンタクトホール８を形成する
ために、フォトリソグラフィ技術・ドライエッチング技
術等を用いて拡散マスク４に窓開けする。そして、同図
（Ｃ）に示すように、よく知られた封管法や開管法など
で、ｐ型不純物であるＺｎを拡散温度５００〜７００℃
でコンタクトホール８のｎ型GaAs基板１に１〜３μｍの
深さで選択拡散し、拡散層３を形成する。さらに、同図
（Ｄ）に示すように、Ｐ型層に対する給電電極として、
Alを全面に蒸着し、フォトリソグラフィ技術を用いて、
拡散マスク４や拡散層３に損傷が無い方法として、Alを
燐酸と酢酸の混合水溶液を用いてエッチングし、Al電極
５をパターン形成する。

【００１３】そして、同図（Ｅ）に示すように、コンタ
クトホール８に対する保護膜及び光透過膜として、プラ
ズマＣＶＤによりｄ＝λ／４ｎの厚みのSiN 膜６を成膜
した後、このAl電極５上のSiN 膜６の一部にワイヤボン
ディングパット用の窓開けをする（図示せず）。最後
に、同図（Ｆ）に示すように、ｎ型GaAs基板１の裏面に
AuGeNi等の合金を蒸着して、ｎ型電極７を形成する。以
上の説明したような簡単な製造方法で、各発光ダイオー
ドの発光面全面が反射低減条件を満たす発光ダイオード
アレイを単純にしかも不良を少なく製造することができ
る。

【００１４】また、この様に、SiN 膜６の膜厚だけでな
く、拡散マスク４とSiN 膜６とが重なった部分の膜厚も
反射低減条件を満たすように設計した発光ダイオードア
レイでは、SiN 膜６の膜厚が最も薄い場合は式１から
（λ／４ｎ）となり、拡散マスク４の屈折率がSiN 膜６
と同じであれば、ｐ型GaAsP 層３の表面の周囲部分３ａ
上の拡散マスク４とSiN 膜６とが重なった部分の膜厚は
（３λ／４ｎ）となり、この部分の膜厚も反射低減条件
を満たしている。

【００１５】そして、この様な方法で形成した拡散マス
ク４を用いた場合、拡散工程において、十分な不純物阻
止能力を持ち、耐熱性もある。そして、拡散マスク４の
膜厚がこの実施例の半分で、拡散層３の周辺部分３ａに
おける拡散マスク４とSiN 膜６とが重なったときの膜厚
が反射膜の条件となった場合に比べて、発光出力が３０
％以上向上する。なお、選択拡散時に使用した拡散マス
ク４を拡散後に除去し、再度、式２に示す膜厚条件を有
するSiN 膜を形成してからコンタクトホール８の窓開け
をするようにしても良い。

【００１６】また、上記した第１の実施例では、拡散マ
スク４が絶縁膜としても作用しているので、その材料と
してSiN またはSiO2を用いる必要があり、例えば、発光
される光が赤色光のときは、その厚さが2000A （オング
ストローム）程度の厚い層間絶縁膜となってしまい、こ
の上にAl電極５をパターニングしようとするとコンタク
トホール８との間に生じる段差部で断線しやすくなる。
そして、発光ダイオードアレイでは、アレイを構成する
多数の発光ダイオードが全て良品でなければならないの
で、このような構成では歩留まりが非常に悪かった。そ
こで、Al電極５が断線しないように段差部を緩やかな順
テーパ状に加工してAl電極５のステップカバレージを向
上させることも行われているが、加工する工程が複雑で
あり、安定性にも欠けていた。

【００１７】そこで、この点を改良した本発明の発光ダ
イオードアレイの第２の実施例を図面と共に説明する。
図２（Ａ）は本発明の第２の実施例の平面図であり、同
図（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図、同図（Ｃ）はそのＢ−Ｂ
断面図である。

【００１８】そして、この発光ダイオードアレイは、ｎ
型GaAs基板１上にｎ型GaAsP 層２が積層されており、こ
のｎ型GaAsP 層２にはZnを選択拡散させたｐ型GaAsP 層
（拡散層）３が形成されている。そして、SiN 膜などの
層間絶縁膜９の上にAl電極５がパターニングされ、さら
に、保護膜として反射低減条件を満たしたSiN 膜６で表
面を覆うと共に、ｎ型GaAs基板１の裏面にｎ型電極７が
設けられている。また、コンタクトホール８となる層間
絶縁膜９に形成されている窓は、Al電極５の直下の一部
とその周辺部を残して拡散層３よりも大きなものとなっ
ている。このとき、拡散層３の周辺部分３ａ上の膜は、
Al電極５の周辺部を除いて反射低減条件を満たしたSiN
膜６だけとなっているので、拡散層３の周辺部分３ａか
ら発光される強力な光を効率良く出力させることができ
る。

【００１９】また、層間絶縁膜９は一部を除いて拡散層
３上にないので、反射低減条件を満たす必要はなく、10
00A 程度の薄い膜厚にすることができる。その結果、図
３（Ａ），（Ｂ）に示すようにAl電極５をパターニング
する際にも、Al電極５の断線を防ぐことができる。

【００２０】次に、このような第２の実施例の製造方法
について、図３（Ａ）〜（Ｃ）及び図２（Ａ）と共に説
明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の半導体発光装
置の第２の実施例の製造方法を示す工程図である。同図
（Ａ）に示すように、ｎ型GaAs基板１上にｎ型GaAsP 層
２を気相成長させ、プラズマＣＶＤを用いてSiN からな
る拡散マスク４のパターニングを行い、封管法によって
拡散マスク４の窓からｎ型GaAsP 層２にZnを拡散させて
ｐ型GaAsP層３を形成する。

【００２１】そして、拡散マスク４を除去したのち、Si
N からなる層間絶縁膜９をプラズマＣＶＤにより1000A
の膜厚で付けて、後工程で蒸着するAl電極５がｎ型GaAs
P 層２に接触しないようにAl電極５を設ける部分とその
周辺部分の層間絶縁膜９を残して、拡散層３の周辺部分
３ａの外側の領域までプラズマエッチングにより窓開け
を行い、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すような形状のコンタ
クトホール８を形成する。

【００２２】このあとスパッタにて基板全面にAlを蒸着
し、図１（Ａ）に示すような形状にパターニングして、
Al電極５を形成する。そして、保護膜謙反射低減膜とし
て約1000A のSiN 膜６をプラズマＣＶＤを用いて全面に
設けた後、Al電極５上のSiN膜６の一部にワイヤーボン
ディングパッド用の窓開けをする（図示せず）と共に、
ｎ型GaAs基板１の裏面にAuGeNi合金を蒸着してｎ型電極
７を形成することにより、本発明の発光ダイオードアレ
イを製造することができる。このようにして製造した発
光ダイオードアレイは1600dpi という高集積度でも電極
の断線が全くなく、４mA/ ドットの電流を供給した際
に、１０〜１２uW／srもの高輝度の発光出力を得ること
ができた。

【００２３】

【発明の効果】本発明の発光ダイオードアレイは、電極
コンタクトホール上の第２の絶縁膜の膜厚が光透過条件
を満たすと共に拡散層上の第１の絶縁膜と第２の絶縁膜
とが重なった部分の膜厚の合計が光透過条件を満たして
いるので、電極コンタクトホール上から発光される光だ
けでなく、拡散層の周辺部分から発光される強力な光も
効率よく外部へ出力することができ、輝度の高い発光ダ
イオードアレイを得ることができる。そして、この場合
には、従来とほとんど同じ製造工程で製造することがで
きるので、不良が少なく、安価に製造することができ
る。

【００２４】また、拡散層よりも大きな電極コンタクト
ホールが形成されている場合には、拡散層上には光の透
過率を向上させる厚さの第２の絶縁膜だけで覆われるこ
とになり、この場合も拡散層の周辺部分から発光される
強力な光を効率的に外部へ出力することができる。そし
て、この場合には、化合物半導体表面上に設けられた第
１の絶縁膜を出力光が透過しないので、この第１の絶縁
膜の膜厚を薄くすることができ、オーミック電極の断線
を防止することができる。その結果、集積度の高い発光
ダイオードアレイにおいても高輝度が得られ、歩留まり
良く製造することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の第１の実施例を説明
するための工程図である。

【図２】（Ａ）は本発明の発光ダイオードアレイの第１
の実施例を示す平面図、（Ｂ）は同Ａ−Ａ断面図、
（Ｃ）は同Ｂ−Ｂ断面図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第２の実施例を説明
するための工程図である。

【図４】（Ａ）は従来例を示す拡大断面図、（Ｂ）は同
拡大平面図、（Ｃ）は同平面図である。

【符号の説明】

１，１１ ｎ型GaAs基板 ２，１２ ｎ型GaAsP 層 ３，１３ ｐ型GaAsP 層（拡散層） ４，１４ 拡散マスク（SiN 膜） ５，１５ Al電極 ６，１６ SiN 膜（保護膜） ７，１７ ｎ型電極 ８，１８ コンタクトホール ９ 層間絶縁膜（SiN 膜）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化合物半導体基板上に選択拡散により形成
   された拡散層を発光部として有する複数の発光ダイオー
   ドが列状に形成された発光ダイオードアレイにおいて、 前記化合物半導体表面上に設けられ、前記拡散層上に電
   極コンタクトホールが形成された第１の絶縁膜と、 前記各発光ダイオードの前記拡散層に電流を供給するオ
   ーミック電極と、 前記化合物半導体表面上に設けられた第２の絶縁膜とを
   備え、 前記電極コンタクトホール上の前記第２の絶縁膜の膜厚
   が光透過条件を満たすと共に前記拡散層上の前記第１の
   絶縁膜と前記第２の絶縁膜とが重なった部分の膜厚の合
   計が光透過条件を満たしていることを特徴とする発光ダ
   イオードアレイ。
2. 【請求項２】化合物半導体基板上に選択拡散により形成
   された拡散層を発光部として有する複数の発光ダイオー
   ドが列状に形成された発光ダイオードアレイにおいて、 前記化合物半導体表面上に設けられた第１の絶縁膜と、 前記各発光ダイオードの前記拡散層に電流を供給するオ
   ーミック電極とを備え、 前記第１の絶縁膜は前記オーミック電極の直下の一部と
   その周辺部を残して前記拡散層よりも大きな電極コンタ
   クトホールが形成されると共に、第２の絶縁膜がこのコ
   ンタクトホール上に形成されていることを特徴とする発
   光ダイオードアレイ。