专利名称：发光元件、发光元件阵列、光写头、及图像形成设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光元件、发光元件阵列、光写头、及图像形成设备。
背景技术：
表面发射元件阵列被用于打印机的接触式图像传感器和写入头等。典型的表面发射元件阵列是通过将发光元件的线性阵列集成在单个衬底上实现的。表面发射元件的典型示例包括发光二极管(LED)、发光晶闸管、和激光二极管。其中，发光晶闸管是具有pnpn结构的器件，在pnpn结构中，堆叠了诸如GaAs或AlGaAs层的化合物半导体层，并且其中对栅极施加驱动电流以使电流在阳极和阴极之间流过从而发光。日本未审查专利申请公开 No. 1-238962公开了一种自扫描发光兀件阵列,其中多个发光晶闸管集成在一个衬底上,各发光晶闸管依次点売。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供能够实现高输出功率的发光元件、发光元件阵列、光写头、和图像形成设备。根据本发明的第一方面，提供了一种发光元件，其包括半导体衬底和形成在该半导体衬底上的岛结构。所述岛结构包括发光单元晶闸管和电流限制结构。发光单元晶闸管包括具有pnpn结构的堆叠的多个半导体层。电流限制结构包括高阻区和导电区，并限制导电区中的载流子。根据本发明的第二方面，所述高阻区是通过从所述岛结构的至少一个侧表面对电流限制结构进行选择性氧化而形成的氧化区。根据本发明的第三方面，电流限制结构是包括p型Al的半导体层，且电流限制结构形成在发光单元晶闸管中的P型阳极层中。根据本发明的第四方面，电流限制结构由p型AlAs或AlGaAs形成，而高阻区是AlAs或AlGaAs的氧化区。根据本发明的第五方面，所述岛结构还包括传递单元晶闸管，其包括半导体衬底上的具有pnpn结构的多个半导体层。传递单元晶闸管具有与发光单元晶闸管的顶部阴极层分离的顶部阴极层、和与发光单元晶闸管共用的栅极。根据本发明的第六方面，电流限制结构的导电区形成在传递单元晶闸管的阴极层的正下方。根据本发明的第七方面，所述岛结构还包括二极管和直接在该二极管下方的寄生晶闸管。该二极管由半导体衬底上的pnpn结构中的顶部pn层形成。寄生晶闸管包括半导体衬底上的具有pnpn结构的多个半导体层。寄生晶闸管具有与发光单元晶闸管的阴极层以及传递单元晶闸管的阴极层分离的顶部阴极层。电流限制结构的高阻区形成在寄生晶闸管的阴极层的正下方。根据本发明的第八方面，所述寄生晶闸管包括由具有寄生晶闸管的顶部阴极层的pn结形成的二极管。该二极管具有形成在p型半导体层上的阳极电极、和形成在阴极层上的阴极电极。该二极管的阳极电极用作被发光单元晶闸管和传递单元晶闸管共用的栅极电极。根据本发明的第九方面，电流 限制结构中的高阻区和寄生晶闸管的阴极层重叠时高阻区与寄生晶闸管的阴极层的面积比大于电流限制结构中的高阻区和传递单元晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与传递单元晶闸管的阴极层的面积比，且大于电流限制结构中的高阻区和发光单元晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与发光单元晶闸管的阴极层的面积比。根据本发明的第十方面，所述岛结构还包括邻近寄生晶闸管的阴极层形成、且平行于寄生晶闸管的阴极层延伸的沟槽。该沟槽的深度至少达到电流限制结构。电流限制结构通过该沟槽暴露于所述岛结构的侧表面，并从该侧表面选择性地被氧化。根据本发明的第i^一方面，所述岛结构被所述沟槽分成第一岛结构和第二岛结构。第一岛结构具有所述二极管的阳极电极。第二岛结构具有被发光单元晶闸管和传递单元晶闸管共用的栅极电极。根据本发明的第十二方面，所述高阻区全部形成在寄生晶闸管的阴极层的正下方。根据本发明的第十三方面，提供了一种包括多个发光兀件的自扫描发光兀件阵列。所述多个发光元件中的每一个发光元件是根据本发明第七方面的发光元件。将第一传递信号施加至多个发光元件中的岛结构中位于奇数编号位置的岛结构的传递单元晶闸管的阴极层，将不同于第一传递信号的第二传递信号施加至多个发光元件中的岛结构中位于偶数编号位置的岛结构的传递单元晶闸管的阴极层。多个发光元件中的岛结构中相邻岛结构的各传递单元晶闸管的栅极经由二极管彼此电连接。根据本发明的第十四方面，提供了一种光写头，其包括根据本发明第十三方面的发光元件阵列。根据本发明的第十五方面，提供了一种图像形成设备，其包括根据本发明第十四方面的光写头。根据本发明的第一方面，可以实现具有高输出功率的发光元件。根据本发明的第二方面，可以抑制载流子被岛结构的侧表面俘获。 根据本发明的第三方面，可以提高移动性比电子低的空穴的载流子密度。根据本发明的第四方面，可以利用化合物半导体层形成氧化区。根据本发明的第五方面，可以开关发光单元晶闸管。根据本发明的第六方面，相比于其中未形成电流限制结构的岛结构，可以保持开关速度。根据本发明的第七方面，可以抑制寄生晶闸管转变为导通状态。根据本发明的第八方面，可以将能够被自扫描的电位提供给传递单元晶闸管和发光单元晶闸管的栅极。根据本发明的第九方面，可以根据寄生晶闸管、传递单元晶闸管、和发光单元晶闸管需要的特性形成高阻区。根据本发明的第十方面，相比于无沟槽的岛结构，可以容易地在寄生晶闸管的阴极层的正下方形成高阻区。根据本发明的第十一方面，相比于非分离的岛结构，可以完全阻止寄生晶闸管的产生。根据本发明的第十二方面，可以抑制寄生晶闸管转变为导通状态。根据本发明的第十三方面，可以提供具有高输出功率和高传递速度的发光元件阵列。根据本发明的第十四方面，可以提供具有高输出功率和高传递速度的光写头。根据本发明的第十五方面，可以提供具有高输出功率和高传递速度的图像形成设备。·
以下将基于附图详细描述本发明的示例实施例，附图中图I是根据本发明第一示例实施例的自扫描发光晶闸管阵列的平面视图；图2A、图2B和图2C分别是沿图I的线IIA-IIA、IIB-IIB和IIC-IIC截取的截面视图；图3示出了根据本发明第一示例实施例的自扫描发光晶闸管阵列的等效电路；图4示出了传递单元晶闸管Tn被触发时的栅-栅电位分布；图5示出了要从外部施加的信号的电压波形；图6A至图6D示出了根据本发明的第一示例实施例的其他氧化方法；图7A是根据本发明第二示例实施例的自扫描发光晶闸管阵列的平面视图，而图7B是沿图7A的线VIIB-VIIB截取的截面视图；图8A是根据本发明第三示例实施例的自扫描发光晶闸管阵列的平面视图，而图8B是沿图8A的线VIIIB-VIIIB截取的截面视图；图9示出了关于寄生晶闸管PTn+1的工作点分析；图10示出了关于寄生晶闸管PTn+2的工作点分析；图11示出了减小栅极负载电阻器的值时关于寄生晶闸管PTn+2的工作点分析；图12示出了阴极电位和随时间变化之间的关系；图13示出了包括根据示例实施例的自扫描发光元件阵列的光写头的示例结构；以及图14示出了用于光打印机且包括根据示例实施例的自扫描发光元件阵列的光写头的示例。
具体实施例方式其中多个发光元件集成在一个衬底上的发光元件阵列可以与其驱动电路等一起用在LED打印机的打印头中所使用的光源中。发光元件的示例包括LED。在具有一维LED阵列的发光元件阵列中，对应于图像信号的信号被从外部驱动电路提供至各LED，从而在衬底上形成数量等于LED数量的多个接合焊盘，以将电能馈送至各LED。然而，每个接合焊盘通常都具有较大面积，这带来发光元件阵列芯片面积的增加。芯片面积的增加减少了由一个晶片制成的芯片的数量，从而限制了成本的降低。例如，支持A3尺寸的打印机的每英寸1200点(dpi)的打印头具有14000或更多LED的一维阵列，并且数量等于LED数量的电线被接合至接合焊盘。随着线接合数量的增力口，生产发光元件阵列所需的成本提高。此外，生产高分辨率发光元件阵列来提高打印图像的质量造成接合焊盘数量的增加，从而线接合的数量增加，这造成芯片面积和成本的增加。此外，还对芯片上的接合焊盘的布局造成了限制。在其中每个发光晶闸管都具有标以阳极、阴极、和栅极的三个端子的各发光晶闸管被依次触发的自扫描发光元件阵列中，当衬底为阳极、顶部n层为阴极、而阴极层正下方的P层为栅极时，在大于或等于阈值的电流在栅极中流过之前，阳极和阴极之间没有电流流过。自扫描发光器件(SLED)被构造为使得通过将各自具有上述特征的晶闸管布置在一维阵列中作为开关元件而形成的传递单元晶闸管、和通过将各自具有上述特征的晶闸管布 置在一维阵列中作为发光元件而形成的发光单元晶闸管集成在一个衬底上。SLED不需要各接合焊盘各自对应于各发光晶闸管。相反，通过对芯片一侧或两侧的接合焊盘馈送矩形电压来顺序触发(自扫描)各发光单元晶闸管。因此，在SLED中，SP使在高分辨率结构中也可以将接合焊盘放置在芯片旁边，这阻止了接合焊盘数量的增加、由接合焊盘数量的增加造成的芯片面积的增加、以及由线接合数量的增加造成的成本的增加。下文中将参照附图描述本发明的示例实施例。在下面的示例实施例中，以示例的方式使用了包括具Pnpn结构的发光晶闸管的SLED。具有pnpn结构的半导体层包括III-V族化合物半导体，在示例实施例中将GaAs、AlGaAs、和AlAs用作化合物半导体。应该注意，附图无需按比例绘制，而为了示例的清楚对某些尺寸进行了放大。图I是根据本发明第一示例实施例的SLED 10的一部分的平面视图。图2A、图2B、和图2C分别是沿图I的线IIA-IIA、IIB-IIB和IIC-IIC截取的SLED 10的一个岛的截面视图。图3示出了图I所示的SLED 10的等效电路。首先参照图3，示出了 SLED 10中的四个发光元件的等效电路。SLED 10包括发光单元晶闸管Ln-I、Ln、Ln+1、和Ln+2 ;传递单元晶闸管Tn-I、Tn、Tn+1、和Tn+2 ;分别在发光单元晶闸管Ln-I、Ln、Ln+1、和Ln+2与传递单元晶闸管Tn-I、Tn、Tn+1、和Tn+2之间共用的栅极Gn-1、Gn、Gn+1、和Gn+2 ;栅极负载电阻器Rc ;耦合二极管Dn_2、Dn-U DnJP Dn+1 ；直接形成在耦合二极管Dn-2、Dn-1、Dn、和Dn+1的阴极电极下方的寄生晶闸管PTn-1、PTn、PTn+1、和PTn+2 ;奇数编号位传递线;偶数编号位传递线02 ;发光信号线;和栅极线VGA，其中n为正整数。在下面的说明中，发光单元晶闸管Ln-l、Ln、Ln+l、和Ln+2统称为“发光单元晶闸管Li”或分别称作“发光单元晶闸管Li”;传递单元晶闸管Tn-l、Tn、Tn+l、和Tn+2统称为“传递单元晶闸管Ti”或分别称作“传递单元晶闸管Ti”;而寄生晶闸管PTn-I、PTn, PTn+1、和PTn+2统称为“寄生晶闸管PTi”或分别称作“寄生晶闸管PTi”。下面将简要描述SLED 10的传递功能。现在，假设传递单元晶闸管Tn处于导通状态。在此情况中，传递单元晶闸管Tn的栅极Gn的电位增加至约-0. 2V，而在耦合二极管Dn两端产生约I. 5V的电位差(其相当于扩散电位)。从而，Gn+1 = Gn-1. 5V = -I. 7V，而Gn+2 = Gn+1-1. 5V = -3. 2V。图4示出了传递单元晶闸管Tn被触发时的栅-栅电位分布。图5示出了要提供给栅极的栅极线VGA中的电压波形，和要提供给奇数编号位传递线01、偶数编号位传递线
02、和发光信号线的周期为T的矩形电压波形。奇数编号位传递线和偶数编号位传递线02都处于低电平的时间被称作“重叠时间”，并以ta表示。如果栅极线VGA中的电压和要提供给传递线01、02和的电压都为-3. 3V,则在传递单元晶闸管Tn+2的栅极和阴极之间施加了约0. IV的电压。为了使晶闸管导通，至少要在晶闸管的栅极和阴极之间施加大于或等于扩散电位的电压，从而使得在该晶闸管的阳极和阴极之间有等于或大于保持电流的电流流过。因此，传递单元晶闸管Tn+2未被触发。由于对位于栅极Gn左侧的二极管Dn-I施加了反向偏压，因此栅极Gn-I的电位等于栅极线VGA中的近似电压(约-3. 3V)。因此，传递单元晶闸管Tn-I未导通。因此，当要提供给偶数编号位传递线02的电压从OV减小为-3. 3V、同时要提供给奇数编号位传递线的电压为-3. 3V且传递单元晶闸管Tn处于导通状态时，仅触发相邻的传递单元晶闸管Tn+1。此后，当要提供给奇数编号位传递线Ol的电压增加至OV时，传递单元晶闸管Tn关断，而传递单元晶闸管Tn+1现在导通。 当传递单元晶闸管Tn处于导通状态时，栅极Gn的电位增加至最高电压。因此，当奇数编号位传递线的电压从OV减小至-3. 3V时，仅发光单元晶闸管Ln导通从而发光。即，图3中的各传递单元晶闸管从左向右顺次进入被触发状态，并根据从外部输入至发光信号线OI的数据“0”或“I”确定是否仅与使传递单元晶闸管处于导通状态的位线相关联的发光单元晶闸管导通。因此，数据“0”或“ I ”被转换成发光信息或不发光信息。图I示出了与图3所示的4位元件对应的元件阵列的平面视图。SLED利用将具有pnpn结构的半导体层外延生长为与p型GaAs半导体衬底晶格匹配而形成在该衬底上。各半导体层被蚀刻以形成对应于半导体衬底上的每个元件的岛、或台面。图I中，四个岛Sn-1、Sn、Sn+l、和Sn+2形成为对应于图3所示的电路，并且岛Sn_l、Sn、Sn+1、和Sn+2布置为线性阵列。每个岛都包括发光单元晶闸管Li、传递单元晶闸管Ti、和直接设置在耦合二极管Di下方的寄生晶闸管PTi。图2A、图2B、和图2C分别示出了发光单元晶闸管Ln+1、传递单元晶闸管Tn+1、和直接在耦合二极管Dn+1下方的寄生晶闸管PTn+2的截面结构，上述各器件都形成在岛Sn+1中。如图2A所示，p型GaAs衬底20覆盖有包括预定厚度及预定掺杂浓度的p型AlGaAs的阳极层22、包括预定厚度及预定掺杂浓度的n型AlGaAs的栅极层24、包括预定厚度及预定掺杂浓度的P型AlGaAs的栅极层26、和包括预定厚度及预定掺杂浓度的n型GaAs或AlGaAs的阴极层28L。通过对各半导体层从p型栅极层26蚀刻到阳极层22的部分或到衬底20而将岛Sn+1或台面M加工成矩形形状，从而作为岛Sn+1的顶层的阴极层与发光单元晶闸管Ln+1、传递单元晶闸管Tn+1、和寄生晶闸管PTn+2的每一个都分离。发光单元晶闸管Ln+1的阴极层28L形成在岛Sn+1的底面侧，而将要电连接至阴极层28L的阴极电极32L形成在阴极层28L上。阴极电极32L优选地被加工成框形，而在阴极电极32L的中央形成输出光的矩形光输出开口 34。用于提供地电位的公共阳极电极40形成在衬底20的背面上。在岛Sn+1中，在阳极层22的一部分中提供由其中Al的成分比例如为98%或以上的p型AlAs或p型AlGaAs形成的电流限制层30。电流限制层30优选地夹置在阳极层22中的Al成分比相对较低的AlGaAs层之间。构成电流限制层30的AlAs或AlGaAs的Al成分比相比于其他半导体层24、26、和28L的Al成分比大得多。从而，当对电流限制层30进行氧化时，在电流限制层30中形成了选择性氧化区，即，氧化区30A和非氧化区30B。电流限制层30可以利用例如水蒸气氧化退火(water vapor oxidation annealing)进行氧化，从而电流限制层30暴露于台面M的侧表面的一部分被氧化。例如，当从图2A至图2C所示的形成为矩形形状的台面M的所有侧表面对电流限制层30进行氧化时，氧化从台面M的侧表面开始前进预定距离，从而形成了反映台面M的轮廓的氧化区30A和被氧化区30A包围的非氧化区30B。在图I中，每个岛中的虚线K代表氧化区30A和非氧化区30B之间的边界。非氧化区30B与阴极层28L正下方的发光单元晶闸管Ln的阴极层28L重叠。此处使用的术语“重叠”意味着当从衬底正上方进行投影观看时阴极层28L与非氧化区30B重叠。阴极层28L可以与整个非氧化区30B重叠以及与氧化区30A的一部分重叠。优选地，非氧化区30B与阴极层28L重叠时非氧化区30B与阴极层28L的面积比大于氧化区30A与阴极层28L重叠时氧化区30A与阴极层28L的面积比。氧化区30A可以是电气高阻区，而非氧化区30B可以是导电区。从而，移动性比从阳极电极40注入的电子低的载流子(空穴)被限制在非氧化区30B中，并被以高密度状态注入n型栅极层24。如图2A所示，由于氧化·区30A沿台面M的外围形成，因此可以抑制载流子以台面M的侧表面的表面能级(surfacelevel)被俘获(trap)，并且可以抑制漏电流。因此，可以提高栅极层24和26中的空穴和电子的重组几率，从而可以提高发光率，这导致了高输出功率。如图2B所示，传递单元晶闸管Tn+1与发光单元晶闸管Ln+1共用半导体层22、24、和26，并具有与发光单元晶闸管Ln+1的阴极层28L分离的顶部阴极层28T。此处，阴极层28T可以基本在岛Sn+1的中央处形成为矩形形状，而矩形阴极电极32T形成在阴极层28T上。电流限制层30的非氧化区30B在阴极层28T的正下方与阴极层28T重叠。更优选地，氧化区30A不形成在阴极层28T的正下方。形成在阴极层28T正下方的氧化区30A可以提高阳极和阴极之间的电阻，这是不利的。为此，阴极层28T被定位为与非氧化区30B重叠以防止电流限制层30的氧化区30A对传递单元晶闸管Tn+1产生影响。耦合二极管Dn+1形成在岛Sn+1的上部。如图2C所示，耦合二极管Dn+1由栅极层26和阴极层28PT的PN结形成。耦合二极管Dn+1的阳极连接至发光单元晶闸管Ln+1和传递单元晶闸管Tn+1之间共用的栅极Gn+1。由于n型栅极层24和p型阳极层22还直接形成在耦合二极管Dn+1的下方，因此在此处形成了具有pnpn结构的寄生晶闸管PTn+2。氧化区30A在阴极层28PT的正下方与寄生晶闸管PTn+2的阴极层28PT重叠。更优选地，氧化区30A在阴极层28PT的正下方与阴极层28PT完全重叠。阴极层28PT的正下方没有形成电流路径，从而提高了寄生晶闸管PTn+2的电阻以防止寄生晶闸管PTn+2被轻易触发。奇数编号位传递线O I连接至对应于奇数编号位的岛Sn和Sn+2的传递单元晶闸管Tn和Tn+2的阴极电极32T，偶数编号位传递线O2连接至对应于偶数编号位的岛Sn-I和Sn+1的传递单元晶闸管Tn-I和Tn+1的阴极电极32T。发光信号线O I连接至发光单元晶闸管Ln-1、Ln、Ln+1和Ln+2的阴极电极32L。要连接至栅极线VGA的岛SR也形成在衬底上。栅极线VGA经由接触电极CT电连接至岛SR的p型栅极层26，并且栅极负载电阻器Rg利用P型栅极层26形成。各栅极负载电阻器Re的输出端经由触点CTl连接至公共栅极电极，并且还连接至相邻耦合二极管的阴极电极32PT。
发光单元晶闸管Li、传递单元晶闸管Ti、和寄生晶闸管PTi的顶部n型阴极层具有不同的尺寸，并且距离暴露出电流限制层30的台面的侧表面的距离不同。从而，电流限制层30中的氧化区30A与阴极层的面积比(阴极层与氧化区重叠时氧化区与阴极层的面积比)根据每个晶闸管的位置而不同。优选地，在寄生晶闸管PTi中，氧化区30A在阴极层的正下方几乎与整个阴极层重叠。为了使寄生晶闸管PTi导通，载流子流经绕过氧化区30A的电流路径，从而电阻值增加。 相反，在传递单元晶闸管Ti中，优选地，氧化区30A在阴极层的正下方并非几乎与整个阴极层重叠。和不具有电流限制层30的传统结构一样，在开关操作中不会出现不同。此外，即使在从矩形岛的三个侧表面对发光单元晶闸管Li进行氧化时，也只有阴极层的外周部分与氧化区30A重叠，而阴极层剩余的中央部分残留为阴极层正下方的非氧化区30B。从而，发光操作基本不会出现问题。此外，电流限制结构使得载流子集中到发光单元的中央。从而，可以将非发光重组抑制在台面侧表面的界面级(interface level)，这导致了发光晶闸管的高输出功率。因此,在该示例实施例中，包括发光单元晶闸管Li、传递单元晶闸管Ti、和稱合二极管Di的岛具有电流限制结构，从而通过增加寄生晶闸管PTi的阴极电位降的时间常数而防止了耦合二极管Di阴极正下方的寄生晶闸管PTi在自扫描操作期间被触发，而不会改变自扫描功能。还提高了发光单元晶闸管Li的输出功率，而没有降低传递单元晶闸管Ti的开关速度。在前述示例中，从矩形台面M的四个侧面对电流限制层进行氧化。然而，本发明不限于该示例，而是可以使用任何其他的氧化方法。图6A至图6D通过示例的方式示出了包括发光单元晶闸管Li、传递单元晶闸管Ti、和寄生晶闸管PTi的一个岛Si。图6A示出了仅从岛Si的侧表面50对电流限制层30进行氧化的示例。如果从寄生晶闸管PTi的阴极层的边缘到侧表面50的距离以dl表示，而从传递单元晶闸管Ti的阴极层的边缘到侧表面50的距离以d2表示，则氧化区30A距侧表面50的氧化距离D满足dl < D彡d2，更优选地，D d2。因此，可以提闻寄生晶闸管PTi的导通电阻，保持开关速度，而不提闻传递晶闸管Ti的导通电阻。此外，在发光单元晶闸管Li中，可以抑制不起发光作用的载流子被侧表面50俘获。图6B示出了其中同时从岛Si的两个相对侧表面50和52对电流限制层30进行氧化的示例。同样在该情况中，氧化区30A的氧化距离D优选地小于或等于传递单元晶闸管Ti的阴极层的距离d2(D ( d2)。同时氧化可以减少氧化时间。此外，在发光单元晶闸管Li中，相比于图6A所示的示例，可以将载流子限制在中央。图6C示出了其中从位于到Si的上部的侧表面54对电流限制层30进行氧化的示例。如果从寄生晶闸管PTi的阴极层的边缘到侧表面54的距离以dl表示，而阴极层在延伸至侧表面50的方向上的宽度以d3表示，则氧化区30A距侧表面54的氧化距离D优选地满足D彡dl+d3。因此，可以增加寄生晶闸管PTi的导通电阻。图6D示出了其中从岛Si的两侧(即，侧表面54和面对侧表面54的侧表面56)对电流限制层30进行氧化的示例。在该情况中，氧化区30A的氧化距离D至少大于寄生晶闸管PTi的阴极层的边缘距侧表面54的距离dl。由于氧化区30A自侧表面56向发光晶闸管Li而形成，因此相比于未形成电流限制层30的情况，氧化距离D的上限被确定为处于允许改善发光单兀晶闸管Li的光输出功率的范围内。尽管图中未示出，但可以从岛Si的三个侧表面同时对电流限制层30进行氧化。例如，可以从侧表面50、52、和54同时对电流限制层30进行氧化。电流限制层30暴露于台面M的侧表面或表面以对电流限制层30进行氧化。因此，可以在要被氧化的侧表面将台面M蚀刻达到电流限制层30的深度。在前述示例中，作为示例，电流限制层30形成在阳极层22中。然而，电流限制层30可以形成在不同的位置。例如，电流限制层30可以形成在n型栅极层24和阳极层22之间的边界中。此外，在该示例实施例中，岛Si形成为平面视图中的矩形形状。然而，这仅是一个示例，可以使用任何其他形状，诸如圆形、椭圆形、不规则四边形、或多边形。接下来，将描述本发明的第二示例实施例。在第一示例实施例中，从岛(或台面) 的侧表面对电流限制层进行氧化。在第二示例实施例中，通过蚀刻在寄生晶闸管附近形成沟槽以在寄生晶闸管的阳极和阴极之间形成高阻区。图7A是根据第二示例实施例的SLED中使用的一个岛的平面视图，而图7B是沿图7A的线VIIB-VIIB截取的截面视图。在第二示例实施例中，包括发光单元晶闸管Li、传递单元晶闸管Ti、和寄生晶闸管PTi的岛Si具有一个自侧表面50形成的细长沟槽60。沟槽60形成为邻近寄生晶闸管PTi的阴极层28PT并基本平行于寄生晶闸管PTi的阴极层28PT延伸。更优选地，如果寄生晶闸管PTi的阴极层28PT距侧表面50的距离以d4表示，则沟槽60具有为d4或更大的长度。如图7B所示，沟槽60可以通过将各半导体层至少蚀刻至电流限制层30而形成。在第二示例实施例中，至少利用沟槽60选择性地对岛Si进行氧化。通过氧化，从沟槽60开始向内对电流限制层30进行氧化。氧化区30A具有图7A中虚线K表示的矩形形状，并且通过适当地选择氧化时间而整个形成在寄生晶闸管PTi的阴极层的正下方。从而，寄生晶闸管PTi的阳极和阴极之间的电流路径基本上整个被氧化区30A阻挡，造成寄生晶闸管PTi的导通电阻增加。在第二示例实施例中，可以通过同时从沟槽60和面对沟槽60的侧表面54对岛Si进行氧化来减少氧化时间。另外，可以从侧表面50、52、和56对其中形成有发光单元晶闸管Li的岛Si进行氧化。接下来，将描述本发明的第三示例实施例。在根据第一和第二示例实施例的结构中，耦合二极管Di的阳极电极与传递单元晶闸管Ti和发光单元晶闸管Li的栅极电极是共用的。在第三示例实施例中，阳极电极和栅极电极是分离的。图8A是在根据第三示例实施例的SLED中使用的一个岛的平面视图。如图8A和图8B所示，岛基本被沟槽62分成两个岛Sia和Sib。沟槽62通过蚀刻形成为具有至少达到电流限制层30的深度。岛Sia具有耦合二极管Di，而耦合二极管Di具有连接至栅极Gi的阳极电极64。岛Sib具有传递单元晶闸管Ti、发光单元晶闸管Li、和在传递单元晶闸管Ti与发光单元晶闸管Li之间共用的栅极电极66。栅极电极66连接至阳极电极64。在第三示例实施例中，对岛Sia中的整个电流限制层30进行氧化。可以从沟槽62对电流限制层30进行氧化，或可以从岛Sia的四个侧表面同时对电流限制层30进行氧化。可以从岛Sib的外周对岛Sib中的电流限制层30氧化一定距离。在此情况中，和第一示例实施例中一样，在传递单元晶闸管Ti中，阴极层正下方的电流限制层30用作非氧化区，而在发光单元晶闸管Li中，岛Sib外周的一部分被氧化。根据第三示例实施例，直接形成在岛Sia中的耦合二极管Di的阴极电极下方的pnpn结构可以完全被电流限制层30的氧化区30A阻挡。因此，寄生晶闸管PTi不导通。接下来，将讨论寄生晶闸管PTi导通的条件。如图I所示，当在具有栅极Gn的岛中形成传递单元晶闸管Tn、发光单元晶闸管Ln、和耦合二极管Dn时、并且当由pnpn晶闸管结构中的上pn结形成耦合二极管Dn时，寄生晶闸管PTn+1直接形成在耦合二极管Dn的阴极电极的下方。寄生晶闸管PTn+1通常不用于传递功能而是可以根据栅极Gn和Gn+1的电压值导通。下面将给出对寄生晶闸管PTi导通条件的考虑。由于Gn+l-Gn ^ -I. 5V(扩散电位)，因此在电压值方面，所有的晶闸管PTi都可能被触发。然而，如图9所示，需要大于或等于保持电流的电流来触发寄生晶闸管PTi。如果= 02 = = VGA = -3. 3V并且传递单元晶闸管Tn处于导通状态，则栅极Gn和Gn+1分别为-0. 2V和-I. 7V。在此情况中，根据图9所示的工作点分析的结果，可以利用15kQ的栅极负载电阻器Rtj触发寄生晶闸管PTn+1。当晶闸管PTn+1被触发时，阴极电位Gn+1增加至-I. 5V。相邻寄生晶闸管PTn+2 的栅极电位为-I. 5V，并且根据图10所示的工作点分析结果，相邻寄生晶闸管PTn+2不会被触发(不能从阈值电流值I 或以下的区域变换到直线部分)。在图9和图10中，Vn+1和Vn+2分别表示寄生晶闸管PTn+1的阴极和阳极之间的电压、和寄生晶闸管PTn+2的阴极和阳极之间的电压，而ln+1和ln+2分别表示沿图3中虚线箭头表示的方向在寄生晶闸管PTn+1和PTn+2中流过的电流。传递单元晶闸管Ti的0N/0FF速度影响SLED 10的传递速度。所述0N/0FF速度可以由从接收到ON信号之时到晶闸管的阴极电位降低到允许晶闸管被触发的电平时的时间段确定，而SLED 10的瞬态特性的时间常数可以由电路的电阻值和电容确定。为了提高传递速度，例如，可以减小图3所示的电流路径中的栅极负载电阻器Rtj的值。然而，如果栅极负载电阻器Rtj的值被减小为值IV，如从图11所示的工作点分析结果可以看到的，工作点位于电流值大于或等于保持电流的位置、或位于负阻区，从而寄生晶闸管PTn+2导通。在导通状态，栅极Gn+2的电位增加至基本为扩散电位-I. 5V。从而作为与已经导通的传递单元晶闸管Tn相邻的两个晶闸管的传递单元晶闸管Tn+2也满足导通条件。连接至同一传递线的传递单元晶闸管Tn+2m(其中m是整数)也执行相似的操作，从而未实现其中仅与已导通的传递单元晶闸管相邻的晶闸管满足导通条件的自扫描功能。为此，减小栅极负载电阻器Rg的值来提高传传递速度会引起传递故障。当传递单元晶闸管Tn处于导通状态时，作为与传递单元晶闸管Tn相邻的两个晶闸管的传递单元晶闸管Tn+2也会由于寄生晶闸管PTn+2转变为导通状态而导通。为了防止寄生晶闸管PTn+2的转变，提出了以下的步骤首先，考虑传递单元晶闸管Tn+1导通时阴极电位随时间的变化。图12示出了阴极电位和随时间改变之间的关系。当栅极电位为-I. 5V时，可以通过将晶闸管的阴极电位设置为-3. OV或更大而使该晶闸管被触发。在此情况中，阴极电位需要在前一传递单元晶闸管Tn处于导通状态和传递单元晶闸管Tn+1的栅极电位保持-I. 5V的重叠时间ta内的时刻达到-3. OV(见图12)。重叠时间ta内阴极电位是否达到-3. OV取决于阴极电位降的时间常数以及从如图3所示电阻器R1向外施加的电压值。为了防止寄生晶闸管PTn+2转变为导通状态，直接位于耦合二极管Di的阴极电极下方的晶闸管PTi的阴极电位降的时间常数增大，即，寄生晶闸管PTn+2的导通电阻增大。当电阻器要与寄生晶闸管PTi串联连接时，该电阻器连接至图I所示的任一耦合二极管；然而，可能难以确保用于放置其中电流横向流动的电阻器的空间。可以通过改变外延构造来增大电阻值，这增大了发光单元晶闸管Li的导通电阻，但是由于需要较大的电压值来获得相同的发光量并且功耗也较大，因此是不利的。发光单元晶闸管Li、传递单元晶闸管Ti、和寄生晶闸管PTi的pnpn区(顶部n型层存在的部分)具有不同的尺寸，并且距暴露出电流限制层的台面表面具有不同的距离。因此，晶闸管Li、Ti、和PTi的电流限制层中的氧化部分与阴极层的面积比不同。由于寄生晶闸管PTi的大部分pnpn结构被氧化区30A覆盖，因此使得载流子流经绕过氧化区30A的电流路径而使寄生晶闸管PTi导通。电阻值相应地增加。因此，在该示例实施例中，可以解决以下难题如果减小栅极负载电阻器Rtj的值以提高传递操作的速度，传递单元晶闸管不会顺序被触发，即，当传递单元晶闸管Tn处于导通状态时，作为与该传递单元晶闸管Tn相邻的两个晶闸管的传递单元晶闸管Tn+1和传递单元晶闸管Tn+2也导通。 上述自扫描发光元件阵列可以用在例如光学打印机的光写头中。图13示出了包括自扫描发光元件阵列的光写头的示例。各自具有排列成列的发光晶闸管的多个发光元件阵列芯片71沿主扫描方向安装在芯片安装衬底70上，并且在主扫描方向上较长的直立等放大率棒状透镜阵列72被树脂外壳73沿从发光元件阵列芯片71的发光元件发射的光的光路固定。感光鼓74沿棒状透镜阵列72的光轴设置。用于散发发光元件阵列芯片71产生的热的散热器75位于芯片安装衬底70下面，紧固件76将外壳73和散热器75与外壳73和散热器75之间的芯片安装衬底70固定。图14不出了包括图13所不的光写头的光学打印机。光学打印机具有光写头100。诸如非晶Si的具有光导电性的材料(感光体)被建立在圆柱形感光鼓102的表面上。感光鼓102以等于打印速度的速度旋转。旋转的感光鼓102上的感光体的表面被充电器104均匀充电。光写头100施加将要打印到感光体上的点图像的光，并中和施加光的带电部分以形成潜像。随后，显影装置106根据感光体的带电部分的条件向感光体施加色粉。转印装置108将色粉转印到由盒子110馈送的纸张112上。纸张112被定影装置114加热以使色粉定影到纸张112上，并且纸张112被传送到集纸箱116。在已经转印了色粉后，感光鼓102上的感光体的整个带电部分被擦除灯118中和，然后利用清洁器120清除残留的色粉。光写头100可以用在打印机中或任何其他图像形成设备(诸如传真机或复印机)中。尽管已经详细描述了本发明的示例实施例，但是本发明不限于具体示例实施例，在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的范围的条件下可以进行各种修改和改变。前文已经出于例示和说明的目的提供了对本发明示例性实施例的描述。该描述并非穷尽本发明或者将本发明限制为所公开的精确形式。显然，各种修改和变型对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些实施例的选择和描述是为了对本发明的原理及其实际应用进行最佳的阐述，以使得本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适用于具体应用场合的各种变型。本发明的范围应当由权利要求及其等价物限定。
权利要求
1.一种发光兀件，包括 半导体衬底；以及 岛结构，其形成在所述半导体衬底上， 所述岛结构包括 发光单元晶闸管，其包括具有pnpn结构的堆叠的多个半导体层，以及 电流限制结构， 所述电流限制结构包括高阻区和导电区，并且用于限制所述导电区中的载流子。
2.根据权利要求I所述的发光元件，其中，所述高阻区是从所述岛结构的至少一个侧表面选择性地氧化所述电流限制结构所形成的氧化区。
3.根据权利要求I所述的发光元件，其中， 所述电流限制结构是包括P型Al的半导体层，以及 所述电流限制结构形成在所述发光单元晶闸管的P型阳极层中。
4.根据权利要求2所述的发光元件，其中， 所述电流限制结构是包括P型Al的半导体层，以及 所述电流限制结构形成在所述发光单元晶闸管的P型阳极层中。
5.根据权利要求I所述的发光元件，其中， 所述电流限制结构由P型AlAs或AlGaAs形成，以及 所述高阻区是AlAs或AlGaAs的氧化区。
6.根据权利要求I所述的发光元件，其中， 所述岛结构还包括传递单元晶闸管，其包括半导体衬底上的具有pnpn结构的多个半导体层，以及 所述传递单元晶闸管具有与所述发光单元晶闸管的顶部阴极层分离的顶部阴极层、和与所述发光单元晶闸管共用的栅极。
7.根据权利要求6所述的发光元件，其中，所述电流限制结构的导电区形成在所述传递单元晶闸管的阴极层的正下方。
8.根据权利要求5所述的发光元件，其中， 所述岛结构还包括二极管和直接在该二极管下方的寄生晶闸管，所述二极管由所述半导体衬底上的pnpn结构中的顶部pn层形成，所述寄生晶闸管包括所述半导体衬底上的具有pnpn结构的多个半导体层， 所述寄生晶闸管具有与所述发光单元晶闸管的阴极层以及所述传递单元晶闸管的阴极层分离的顶部阴极层，以及 所述电流限制结构的高阻区形成在所述寄生晶闸管的阴极层的正下方。
9.根据权利要求6所述的发光元件，其中， 所述岛结构还包括二极管和直接在该二极管下方的寄生晶闸管，所述二极管由所述半导体衬底上的pnpn结构中的顶部pn层形成，所述寄生晶闸管包括所述半导体衬底上的具有pnpn结构的多个半导体层， 所述寄生晶闸管具有与所述发光单元晶闸管的阴极层以及所述传递单元晶闸管的阴极层分离的顶部阴极层，以及 所述电流限制结构的高阻区形成在所述寄生晶闸管的阴极层的正下方。
10.根据权利要求8所述的发光元件，其中， 所述寄生晶闸管包括由具有寄生晶闸管的顶部阴极层的pn结形成的二极管， 所述二极管具有形成在P型半导体层上的阳极电极、和形成在所述阴极层上的阴极电极，以及 所述二极管的阳极电极用作被所述发光单元晶闸管和所述传递单元晶闸管共用的栅极电极。
11.根据权利要求8所述的发光元件，其中， 所述电流限制结构中的高阻区和所述寄生晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与所述寄生晶闸管的阴极层的面积比大于所述电流限制结构中的高阻区和所述传递单元晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与所述传递单元晶闸管的阴极层的面积比，且大于所述电流限 制结构中的高阻区和所述发光单元晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与所述发光单元晶闸管的阴极层的面积比。
12.根据权利要求9所述的发光元件，其中， 所述电流限制结构中的高阻区和所述寄生晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与所述寄生晶闸管的阴极层的面积比大于所述电流限制结构中的高阻区和所述传递单元晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与所述传递单元晶闸管的阴极层的面积比，且大于所述电流限制结构中的高阻区和所述发光单元晶闸管的阴极层重叠时所述高阻区与所述发光单元晶闸管的阴极层的面积比。
13.根据权利要求8所述的发光元件，其中， 所述岛结构还包括邻近所述寄生晶闸管的阴极层形成、且平行于所述寄生晶闸管的阴极层延伸的沟槽， 所述沟槽的深度至少达到所述电流限制结构，以及 所述电流限制结构通过所述沟槽暴露于所述岛结构的侧表面，并且从该侧表面选择性地氧化所述电流限制结构。
14.根据权利要求13所述的发光元件，其中， 所述岛结构被所述沟槽分成第一岛结构和第二岛结构，所述第一岛结构具有所述二极管的阳极电极，所述第二岛结构具有被所述发光单元晶闸管和所述传递单元晶闸管共用的栅极电极。
15.根据权利要求8所述的发光元件，其中， 所述高阻区全部形成在所述寄生晶闸管的阴极层的正下方。
16.根据权利要求9所述的发光元件，其中， 所述高阻区全部形成在所述寄生晶闸管的阴极层的正下方。
17.—种自扫描发光兀件阵列,包括 多个发光元件，每个发光元件均是根据权利要求8所述的发光元件，其中， 第一传递信号被施加至所述多个发光元件中的岛结构中位于奇数编号位置的岛结构的传递单元晶闸管的阴极层，不同于所述第一传递信号的第二传递信号被施加至所述多个发光元件中的岛结构中位于偶数编号位置的岛结构的传递单元晶闸管的阴极层，以及 所述多个发光元件中的岛结构中相邻岛结构的各传递单元晶闸管的栅极经由所述二极管彼此电连接。
18.—种包括根据权利要求17所述的发光元件阵列的光写头。
19.一种包括根据权利要求18所述的光写头的图像形成设备。
全文摘要
本发明提供发光元件、发光元件阵列、光写头、及图像形成设备。所述发光元件包括半导体衬底和形成在该半导体衬底上的岛结构。所述岛结构包括发光单元晶闸管和电流限制结构。所述发光单元晶闸管包括具有pnpn结构的堆叠的多个半导体层。所述电流限制结构包括高阻区和导电区，并限制所述导电区中的载流子。
文档编号B41J2/45GK102969421SQ2012101023
公开日2013年3月13日 申请日期2012年4月9日 优先权日2011年8月30日
发明者木下卓, 近藤崇, 武田一隆, 中山秀生 申请人:富士施乐株式会社