专利名称：发光二极管阵列及其制造方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管(以后简称为LED)阵列及其制造方法。本发明特别涉及在负片上打印日期的LED阵列，它用于照相机的包括日期指示系统的数据后背装置(data back unit)中。
参看图20，描述通常的LED阵列。图20是示出在负片上打印日期的通常的LED阵列的顶视平面图，该LED阵列可用于照相机的包括日期显示系统的数据后背装置中。如图20所示，一通常的LED阵列包括七个排在一直线上的发光管芯。此LED阵列具有一种简单的结构，通过将多个独立的发光管芯排在一直线上即可容易地得到这种结构。电极以标号101表示。与电极101的连接线未在图20中示出。例如，每个发光管芯约为300微米×300微米，整个LED阵列的尺寸，包括用以安装LED阵列的衬底，约为1毫米×4毫米。
例如，每个LED的LED管芯做在单个磷化镓(GaP)芯片上。每个LED管芯用单一的GaAs0.15P0.85做成。每个LED管芯的发射光谱在590纳米附近有一峰。在实际应用中，将这个用于在负片上打印日期的LED阵列、一个驱动器集成电路(IC)以及一个聚焦透镜都装在一块衬底上。
然而，这样一种用于照相机数据后背装置的LED阵列采用了做在单个GaP芯片上的多个间接跃迁型(indirect transition type)GaAs0.15P0.85的LED管芯，这些LED管芯的发光效率变得很低。这就是为了获得在负片上打印日期所需的足够大小的输出，对于一个LED管芯需要约20毫安电流的原因。因此，为在负片上打印日期所需的最大电流值达140毫安，即，20毫安×7芯片。如上所述，为了提供这样大小的电流，就必需为LED阵列的实际使用提供一个如上所述的驱动器IC。提供驱动器IC对实现减小LED阵列尺寸是一个障碍。同时，它的制造成本以及使它运行所需功耗必须加以考虑。
另一方面，图21示出一在日本特许公开NO.4-100278中揭示的用作LED打印器的示例性的半导体LED阵列。示于图21的LED阵列采用直接跃迁型(direct transtion type)(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)层作为激活层。
如图21所示，半导体LED阵列包括n型InGaAlP覆盖层202；InGaAlP激活层203；p型InGaAlP覆盖层204；以及p型GaAlAs层205。这些层按这一顺序淀积在GaAs衬底上。在图21中，206代表n型电极；207代表形成电极用的GaAs接触层；208代表p型电极；209代表n型InGaAlP绝缘层；以及210代表焊接区。
由于这种结构采用一直接跃迁型(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)作为激活层203，因而可在低的电流值下得到相当高的输出。因此，若采用这种结构，可以期望减小在照相机数据后背装置中用于在负片上打印日期所需的电流。
此外，如图21所示，由于可用于照相机的数据后背装置的这种结构是一单片LED阵列，它与示于图20的通过沿一直线独立地布置多个发光管芯(或元件)而得到的LED阵列相比，单片LED阵列结构可以缩小LED阵列的尺寸。此外，这种结构还可以减小的LED发出的光点的直径，因而不再需要通常用来聚焦光点的诸如透镜等光学系统。采用这种LED阵列的结果是可以缩小照相机采用数据后背装置的整个系统的尺寸。与示于图20的采用间接跃迁型LED管芯的通常的LED阵列相比，示于图21的LED系统确实可减小在负片上打印日期所需的电流。然而，为将这种LED阵列实际用于照相机，对于发光所需的电流值而言，从这种LED阵列发射的最大光量还不够大。因而期望开发一种在低的电流值下可发射足够光量的LED阵列。
本发明的发光二极管阵列包括第一导电类型的半导体衬底；以及直线地布置在第一导电类型衬底上的多个发光元件。多个发光元件中的每一个包括第一导电类型的覆盖层；第二导电类型的覆盖层；(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)激活层，此激活层介于第一导电类型覆盖层和第二导电类型覆盖层之间；以及淀积在第二导电类型的覆盖层上的第二导电类型的电流扩散层。在发光二极管阵列中，在多个发光元件的两个相邻的发光元件之间，至少第二导电类型的电流扩散层和第二导电类型的覆盖层要在电气上互相绝缘。
在一实施例中，通过在多个发光元件的两个相邻的发光元件之间进行腐蚀，使得至少第二导电类型的电流扩散层和第二导电类型的覆盖层在电气上互相绝缘。
在另一实施例中，发光二极管阵列进一步包括做在第二导电类型电流扩散层上的一绝缘层。
在又一实施例中，此绝缘层是SiNx层。
在又一实施例中，在发光二极管阵列里进一步包括在电流扩散层相对于激活层一侧设置第一导电类型电流阻挡层；以及用以输出发射的光的窗口，它是通过部分腐蚀第一导电类型电流阻挡层而形成的。
在又一实施例中，设置第一导电类型电流阻挡层的能隙小于激活层的能隙。
在又一实施例中，把(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)层作为第一导电类型电流阻挡层。
在又一实施例中，第一导电类型的电流阻挡层是作为发光二极管阵列除电极部分外的最上层而形成的。
在又一实施例中，第一导电型电流阻挡层采用GaAs层。
在又一实施例中，在衬底和激活层之间形成第一导电类型的多层反射膜。
在又一实施例中，第一导电类型的多层反射膜是交替淀积20对膜得到的，每一对包括Al0.5In0.5P层和()0.5In0.5P层，这里x是在激活层中Al的混晶比(mixed crystal ratio)，而x1＞x。
按照本发明的另一方面，提供了一种制造发光二极管阵列的方法。方法包括如下步骤在第一导电类型的衬底上形成第一导电类型覆盖层；在第一导电类型覆盖层上形成第二导电类型覆盖层和(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)激活层，从而使激活层介于第一导电类型覆盖层和第二导电类型覆盖层之间；在第二导电类型覆盖层之上形成一AlzGa1－zAs(这里0≤z≤1)电流扩散层；通过采用第一刻蚀剂，作为第一刻蚀步骤来刻蚀AlzGa1－zAs(这里0≤z≤1)电流扩散层以有选择地刻蚀电流扩散层而不刻蚀第二导电类型覆盖层；通过采用第二刻蚀剂，作为第二刻蚀步骤来刻蚀第二导电类型覆盖层，以允许有选择地刻蚀覆盖层；以及采用第三刻蚀剂，作为第三刻蚀步骤再次刻蚀AlzGa1－zAs(这里0≤z≤1)电流扩散层，以允许有选择地刻蚀电流扩散层而不刻蚀第二导电类型覆盖层。
在一实施例中，第一刻蚀剂是以硫酸和过氧化氢为基的刻蚀剂，第二刻蚀剂是加热的硫酸刻蚀剂，而第三刻蚀剂是以硫酸和过氧化氢为基的刻蚀剂。
用于照相机的数据后背装置的通常的LED阵列(如图20所示)采用多个做在一块GaP芯片上的多个间接跃迁型GaAs0.15P0.85的LED管芯，这些LED管芯的发光效率很低。在本发明的LED阵列中，由于采用一直接跃迁型(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)作激活层，因而可以减少电流消耗量。此外，本发明的LED阵列是一种单片结构，它不同于图20所示的包括多个排在一直线上的LED管芯的那种结构，从而可以大大缩小用于打印日期的发光部分的尺寸。此外，发光点的直径也能减小，因而不再需要通常用来聚焦光点的诸如透镜等光学系统。其结果是照相机中采用数据后背装置的整个系统的尺寸也能缩小。
此外，由于至少把两个相邻发光元件之间从电流扩散层至第二导电类型覆盖层的覆盖物用刻蚀的办法去除了，确实地把各个发光元件在电气上分开成为可能。
此外，由于在发射部分之外的部分存在一个电流阻挡层，因而可以抑制电极下的无效发射而避免浪费功耗。此外，对于在电流阻挡层上设置电流扩散层的情形(见实施例1至3)，不再需要在发光用的平面上设置注入电流的电极。结果可更为有效地输出光。
此外，通过把电流阻挡层的能带隙设置得小于激活层的能隙，可以吸收从发射部分倾斜发射而进入电流阻挡层的光，从而能更精细地把从相邻的发光元件发射的光束分开。
此外，通过提供一多层反射膜可以将向下传播的光反射到向上的方向，由此更有效地输出发射的光。
此外，通过进行上述三个刻蚀步骤，可以在每个发光元件中形成一形状相同的台面而无任何凸出部分。可以用如下方法得到这样的形状。在第一刻蚀步骤中，将电流扩散层刻蚀成梯形形状，而在第二刻蚀步骤中，将覆盖层和激活层刻蚀成类似的梯形形状。然而，覆盖层和激活层在梯形的上部或电流扩散层的下部有一定程度的过刻蚀，从而使电流扩散层的下端部凸出。通过进行使用硫酸和过氧化氢再次刻蚀电流扩散层的第三刻蚀步骤，以及去除凸出部分，就能得到同样形状的台面。因此，由于可以通过进行三个刻蚀步骤而得到同样形状的台面，因而可以实现高可靠性的LED阵列，甚至在低温下由于施加了应力它也不容易变形或损坏。
因此，按照本发明，可以实现一单片结构，它不同于用多个独立的LED管芯并排在一个衬底上面而得到的通常的LED阵列或图20所示的结构，因而显著地缩小了LED阵列的尺寸。
此外，由于可以减小从发射部分发光的光点直径，因而不再需要通常用来聚焦光点的诸如透镜等光学系统。其结果也能缩小照相机采用数据后背装置的整个系统的尺寸。
此外，通过在相邻发光元件之间进行的刻蚀步骤，使各个发光元件能确实独立地发光，并且从各个发光元件发出的光束能以高的精确度分开。
此外，通过用三个步骤对每个发光元件作台面刻蚀，可以使台面具有相同形状，而在台面的侧面没有任何凸出部分。结果，即使在低温下，LED也难于因应力产生的扭曲而变形，因而可实现高可靠性的LED，它难于因应力产生形变而变形或损坏。
这样，这里描述的发明可以有这样的优点，它提供了一种发光二极管阵列，这种阵列可减少工作电流而保持使照相机数据后背装置的发光二极管阵列工作而所需的输出；显著地改进了LED阵列的发光效率，并提供了制造这种LED阵列的方法。
在结合附图阅读并理解下面的详细描述后，具有本领域技能的人将能了解本发明的这一优点和其他优点。
图1是按照本发明一个实例的LED阵列的顶视平面图。
图2A是用于图1所示的LED阵列的单个LED的顶视平面图，而图2B是示于图2A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图3是图1所示的LED阵列的透视图。
图4A是示于图2A和2B的单个LED在一制造步骤中的顶视平面图，而图4B是示于图4A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图5A是示于图2A和2B的单个LED在另一制造步骤中的顶视平面图，而图5B是示于图5A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图6A是示于图2A和2B的单个LED在又一制造步骤中的顶视平面图，而图6B是示于图6A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图7是示于图1的LED阵列的实施例的顶视平面图。
图8是按照本发明第二个实例LED阵列的顶视平面图。
图9A是用于图8所示的LED阵列的单个LED的顶视平面图，图9B是示于图9A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图10A是示于图9A和9B的单个LED在一制造步骤中的顶视平面图，而图10B是示于图10A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图11A是示于图9A和9B的单个LED在另一制造步骤中的顶视平面图，而图11B是示于图11A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图12A是示于图9A和9B的单个LED在又一制造步骤中的顶视平面图，而图12B是示于图12A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图13是按照本发明第三个实例的LED阵列的顶视平面图。
图14A是用于图13所示的LED阵列的单个LED的顶视平面图，而图14B是示于图14A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图15A是示于图14A和14B的单个LED在一制造步骤中的顶视平面图，而图15B是示于图15A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图16A是示于图14A和14B的单个LED在另一制造步骤中的顶视平面图，而图16B是示于图16A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图17A是示于图14A和14B的单个LED在又一制造步骤中的顶视平面图，而图17B是示于图17A的单个LED沿X-Y直线取的剖视图。
图18是按照本发明第四个实例的LED阵列的顶视平面图。
图19A至19E是表示制造用于图18所示LED阵列的单个LED的各个步骤的剖视图。
图20是一通常的LED阵列的顶视平面图。
图21是用作LED打印器的通常的半导体LED装置的透视图。
在实际应用图21所示LED阵列中，本发明人发现，起电流扩散层作用的p型GaAlAs层205在如图21所示元件A和B的相邻光发射元件之间没有绝缘，因而它们之间有不良电流流动，这使得各个光发射元件不能独立地发射光。
本发明是针对解决上述已有问题而发展的。采用本发明能取得的效果在于1)应用直接跃迁型(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)作为激活层，减少了电流消耗。进而采用电流阻挡层和多层反射膜，从而实现极高的光效率。2)由于存在电流阻挡层，就不必在发射面上设置电极，并且光输出更有效。3)实现与已有技术不同的单片结构用作照像机的数据后背装置，且能减小安装在照像机上的系统的尺寸。4)提供一种实现这种单片结构的制造方法，按该制造方法能确保各个光发射元件(以下简称为元件)绝缘，且能制成高均匀性的台面。
下面，参照附图，通过说明各实施例描述本发明。
实施例1图1为本发明一实施例LED阵列的顶视图。图2A为图1所示LED阵列中所用的单个LED的顶视图，而图2B为沿图2A所示单个LED的X-Y线的横剖视图。图3为图1所示LED阵列的部分立体视图。图4A、5A和6A为各制造工艺步骤上图2A和2B所示的单个LED的顶视图，而图4B、5B和6B分别为沿图4A、5A和6A所示单个LED X-Y线的横剖视图。
如图2A、2B和3所示，本发明的LED阵列包括一n型GaAs衬底1；在n型GaAs衬底上形成的一n型(n＝5×1017cm-3)GaAs缓冲层2；一n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3；一p型(P＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5；一无掺杂的(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层4，它介于n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3和p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5之间；在p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5上形成一Al0.7Ga0.3As电流扩散层6；一Sinx膜7；一p型电极8；一n型电极9；和焊接区(bonding Pad)10。
图3所示LED阵列，多个用于发射光输出的部分15呈线性排列在GaAs的衬底1上，而焊接区10相对于直线排列的部分15对称设置。部分15经p型电极8与焊接区10相连。这种结构能减小LED阵列的尺寸。
首先，如图4A和4B所示，按照n型(n＝5×1017cm-3)GaAs缓冲层2、n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5p覆盖层3、不掺杂(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层4、p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5和Al0.7Ga0.3As电流扩散层6这样的顺序淀积在n型GaAs衬底1上，由此形成图1至3所示的LED阵列，所有这些层均用有机金属化学气相淀积(MOCVD)法制成。缓冲层2、覆盖层3、激活层4、覆盖层5和电流扩散层6的厚度分别为0.5μm、1μm、0.6μm、1μm和3μm。
接着，用等离子CVD法将SiNx膜7制作在Al0.7Ga0.3As电流扩散层6上，并用光刻工艺和使用缓冲氢氟酸的蚀刻工艺在焊结区10下面制作防止电流注入的绝缘层。SiNx膜、SiO2膜、SiO膜或Si-O-N膜等可用作该绝缘层。
然后，如图5A和5B所示，在SiNx膜7的表面上溅射Ti/AuZn膜。之后，进行光刻工艺、使用碘基蚀刻剂和稀释氢氟酸的蚀刻工艺和热处理，制成p型电极8。
继而，如图6A和6B所示，将AuGe/Ni淀积在n型GaAs衬底1的反面并经热处理，由此形成n型电极9。再将Ti/Au溅射到p型电极8的侧面。之后，进行光刻工艺和使用碘基蚀刻剂稀释氢氟酸的化学蚀刻工艺，制成焊接区10。
再进行光刻工艺，使各个元件间电绝缘，并在蚀刻(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层4之前，用硫酸和过氧化氢基的蚀刻剂和加热的磷酸进行台面(mesa)蚀刻，这样能获得图2A和2B所示的LED。
根据该实施例方法制成的单片LED阵列使用一直接跃迁的(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层作为光发射层，这样使用现有通用的LED阵列所需电流的约1/10就能获得足够输出量在底片上打印日期，现有通常的LED阵列(使用间接跃迁型GaAs0.15P0.85层)是用作照相机的数据后背装置在底片上打印日期。
另外，如图20所示在一行中排列7个尺寸约为300μm×300μm的光发射芯所获得的整个LED阵列的大小约为1mm×4mm。另一方面，由于该实施例的LED阵列为单片结构，所以在采用图1所示结构情况下，能够将整个LED阵列的尺寸可观地减小到约500μm×700μm。
如图7所示，通过紧凑排列各元件，能进一步减小LED阵列的尺寸。图7中，在各p型电极8和各焊接区10之间设置连接部8a，其位置应偏离焊接区上侧中心，就能更紧凑地配置相邻元件。具体来说，交替配置在图7中上面和下面的直线排列相邻焊接区中心之间的距离M设置得小于相邻发射部分中心之间的距离L。这样的配置能进一步减小LED阵列的大小。换言之，通过更紧凑地配置各元件使相邻元件的凹凸部相互啮合，就能进一步减小LED阵列的尺寸。在这种状态下，整个LED阵列的尺寸能减小到约450μm×650μm。图7中，各元件的侧边P约60μm，各焊接区的侧边Q约120μm，相邻元件之间的间距R约90μm，而相邻焊接区之间的间距S约160μm。
另外，发射部分的光点直径也可减小，这样不再必须配置像通常技术为聚焦光点所需的诸如透镜等光学系统。结果是用于照像机的数据后背单元的整个系统尺寸可减小。
由于蚀刻激活层4之前，在相邻元件间进行蚀刻工艺，所以注入某个元件的电流不会流入另一元件中，从而能确保各元件独立发射光束。
实施例2图8为本发明第二实施例LED阵列的顶视图。图9A为用于图8LED阵列中的单个LED的顶视图，而图9B为图9A中沿X-Y剖视的剖视图。图10A、11A和12A为图9A和9B所示单个LED在各个制造步骤上的顶视图，而图10B、11B·和12B分别为图10A、11A和12A中沿X-Y剖视的剖视图。
如图9A和9B所示，本发明第二实施例包括n型GaAs衬底1；形成在该衬底1上的n型((n＝5×1017cm-3)GaAs缓冲层2；n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3；p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5；未掺杂(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层4介于n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖3和p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5之间；p型(p＝3×1017cm-3)Ga0.5In0.5P帽层11；n型(n＝2×1018cm-3)(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12；光输出窗口13；Al0.7Ga0.3As电流扩散层6。p型电极8；n型电极9；和焊接区10。在该实施例中，在帽层11和p型电极8之间、输出光的窗13以外的部分中形成电流阻挡层12。其结果能抑制p型电极8下面的无效发射。
如图10A和10B所示，按顺序，n型(n＝5×1017cm-3)GaAs缓冲层2，n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3，未掺杂(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层4，p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5，p型(p＝3×1017cm-3)Ga0.5In0.5P帽层11和n型(n＝2×1018cm-3)(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12淀积在n型GaAs衬底1上，由此构成图8、9A和9B所示LED阵列。电流阻挡层12由光吸收材料构成。所有这些层均由有机金属化学气相淀积(MOCVD)法制成。缓冲层2、覆盖层3、激活层4、覆盖层5、帽层11和电流阻挡层12的厚度各自为0.5μm、1μm、0.6μm、1μm、50和0.2μm。
n型(Al0.2Ga0.5)0.5In0.5P电流阻挡层12由加热的磷酸进行蚀刻，从而形成光输出窗口13。如图11A和11B所示，Al0.7Ga0.3AS电流扩散层6由MOCVD法淀积在n型(n＝2×1018cm-3)(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12和光输出窗口13上，厚度为3μm。
如图12A和12B所示，Ti/AuZn/Ti/Au由溅射工艺(sputter-ing process)淀积在Al0.7Ga0.3As电流扩散层6上。之后进行光刻(photolithographic)工艺，使用碘基蚀刻剂(iodine based etchant)和稀释氢氟酸的化学蚀刻工艺和热处理，形成n型电极9。焊接区用10标注。之后，进行用以隔离各个元件的光刻工艺和使用硫酸和过氧化氢基的蚀刻剂和溴基蚀刻剂的化学蚀刻工艺，在蚀刻n型Al0.5In0.5P覆盖层3之前用加热的磷酸进行台面蚀刻，这样能获得图9A和9B所示LED。
第二实施例与第一实施例的台面蚀刻采用不同方法。具体来说，在参照图1至图6描述的第一实施例中，台面蚀刻是在激活层4蚀刻之前进行的。而在第二实施例中，该台面蚀刻是在激活层4下面的n型Al0.5In0.5P涂层3蚀刻前进行的。按照第二例的方法，各元件能完全隔离。但是在覆盖层3的上表面难以停止蚀刻过程，因此当要对覆盖层3进行部分蚀刻时，则难以进行蚀刻控制。根据实验结果，可以知道，如第一实施例中所述，在激活层4蚀刻之前进行台面蚀刻处理就足以防止漏光。
按照本发明第二实施例方法制做的LED阵列可具有与第一实施例方法所获得的同样优点1)通过使用直接跃迁型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P层作为光发射层，能以低电流获得在底片上打印日期的足够的输出量。2)LED能实现与已有通常使用的在一行中排列七个光发射芯片不同的单片结构LED阵列，这样可显著减小整个LED阵列的尺寸。3)由于能减小发射部分发射的光点直径，从而没有必要再设置如现通用于LED阵列的聚焦光点所需的诸如透镜等的光学系统。结果是大大减小用于照相机数据后背单元的整个系统尺寸。4)由于在覆盖层蚀刻之前在相邻元件间进行了蚀刻处理，所以注入某个元件的电流不会流入另一元件，结果是各元件能独立地发射光束。除上述四点效果外，该实施例2的LED阵列还具有以下效果。
1)通过设置电流阻挡层12，p型电极8下面的无效发射能得到抑制。2)没有必要在发射面上制作注入电流的电极(因为电流流动如图9B中箭头A所示)，所以发射根本不被电极8阻挡，因此光更能有效地从窗口13输出。
按照本实施例的制造方法，能避免浪费发射，因此能用现有通用阵列所需电流的约1/20(在第一实施例中，如上所述1/10)获得在底片上打印日期的足够量的输出，现有通用LED阵列(采用间接跃迁型GaAs0.15P0.85是用于照相机数据后背装置。
而且，电流阻挡层12用对发射光的预定波长具有光吸收特性的材料做成，发射部分倾斜发射的光被吸收进电流阻挡层12。因此，能分开相邻元件发射的光束(或各元件能独立发射光束)，且具有更高的精度。
实施例3图13是本发明第三实施例LED阵列的顶视图。图14A是图13所示LED阵列中单个LED的顶视图，而图14B是图14A中沿X-Y线剖开的剖视图。图15A、16A和17A为图14A和14B中单个LED在各制造步骤上的顶视图，而图15B、16B和17B为图15A、16A和1 7A中沿X-Y线剖开的剖视图。
如图14B所示，本发明第三实施例的LED包括n型GaAs衬底1；n型(n＝5×1017cm-3)GaAs缓冲层2形成在该n型GaAs衬底1上，交替淀积20对层获得的多层反射膜14，每对层由n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P层和n型((n＝5×1017cm-3)(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P层构成；n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3；p型(p＝3×1017cm-3\})Al0.5In0.5P覆盖层5；不掺杂的(Al0.3Ga0.7)0.5In{0.5P激活层4介于n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3和p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5之间；p型(p＝3×1017cm-3)Ga0.5In0.5P帽层11；n型(n＝2×1018cm-3)(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12；光输出窗口13；Al0.7Ga0.3As电流扩散层6；p型电极8、n型电极9；和焊接区10。在本实施例中，多层反射膜14设置在缓冲层2和涂层3之间，还形成p型电极8以便包围输出光的窗口13。
如图15A和15B所示，按照如下顺序，n型(n＝5×1017cm-3)GaAs缓冲层2，交替淀积20对n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P层和n型(n＝5×1017cm-3)(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P层获得的多层反射膜14，n型(n＝5×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层3，未掺杂(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层4，p型(p＝3×1017cm-3)Al0.5In0.5P覆盖层5，p型(p＝3×1017cm-3)Ga0.5In0.5P帽层11和n型(n＝2×1018cm-3)(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12淀积在n型GaAs衬底1上，由此构成图13、14A和14B所示的LED。电流阻挡层12由光吸收材料制作。所有这些层均由有机金属化学气相淀积法制成。缓冲层2、覆盖层3、激活层4、覆盖层5、帽层11和电流阻挡层12的厚度各自为0.5μm、1μm、0.6μm、1μm、50 和0.2μm。
用加热的磷酸对n型(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12进行蚀刻，由此形成光输出窗口13。如图16A和16B所示，Al0.7Ga0.3As电流扩散层6用MOCVD法淀积在n型(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12和输出光的窗口13上，其厚度为3μm。
如图17A和17B所示，Ti/AuZn溅射在P侧，之后，进行光刻工艺，用碘基蚀刻剂和稀释氢氟酸的蚀刻工艺和加热处理，制成p型电极8，它包围光输出窗口13。再将AuGe/Ni淀积在n侧并加热处理，由此形成n型电极9。之后，在P侧淀积Ti/Au并进行光刻工艺和用碘基蚀刻剂和稀释氢氟酸的化学蚀刻工艺，形成焊接区10。
进行光刻工艺使各元件间电绝缘，用硫酸和过氧化氢基蚀刻剂蚀刻Al0.7Ga0.3As电流扩散层6，用加热的硫酸蚀刻n型(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12，用溴基蚀刻剂(bromine basedetchant)蚀刻p型Ga0.5In0.5P帽层11，并在n型Al0.5In0.5P覆盖层3蚀刻前进行台面蚀刻(mesa etching)。之后，用溴基蚀刻剂蚀刻(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P电流阻挡层12和p型Ga0.5In0.5P帽层11的台面侧面的凸起部分。最后，用硫酸和过氧化氢基蚀刻剂再次蚀刻台面侧凸起部分中的Al0.7Ga0.3As电流扩散层6，由此，制成图14A和14B所示的LED。
按照本发明第三实施例制成的LED阵列，除具有第一和第二实施例的优点外，还可有如下的优点。
具体来说，由于设置多层反射层14，所以进行到衬底的光被反射并能通过窗口13更有效地输出。其结果是在第三实施例的LED阵列中，能够用现有通用的LED阵列所需电流的1/30(在第一实施例中为1/10，在第二实施例中为1/20)的电流获得在底片上打印日期的足够的输出量，这种现有通用的LED阵列是将间接跃迁型GaAs0.15P0.85层用于照相机数据后背装置的。图14B中，多层反射膜14是设置在缓冲层2和覆盖层3之间的。可替换的办法是，该多层反射膜14可设置在n型GaAs衬底1和激活层4之间的任何地方。不管多层反射膜14设置在什么地方，都能获得同样的效果。
p型电极8是围绕着光输出窗口13，从而能获得比第二实施例具有更均匀的发射，这是由于电流整个通过光输出窗口13均匀注入的结果。
台面蚀刻是按三个阶段进行的，即，在第一阶段期间，用硫酸和过氧化氢基蚀刻剂蚀刻电流扩散层6；在第二阶段，用加热硫酸蚀刻覆盖层5和激活层4；在第三阶段，用硫酸和过氧化氢基蚀刻剂再次蚀刻电流扩散层6，这样能消除各元件侧面上的突出部分。
台面蚀刻是按下面方式分别进行蚀刻处理步骤的。在第一阶段蚀刻处理期间，按梯形蚀刻电流扩散层6，在第二阶段蚀刻处理期间，蚀刻覆盖层5和激活层4成相似的梯形。然而，覆盖层5和激活层4在其梯形上部或电流扩散层6的下端部整个被过蚀刻到一定程度，以致电流扩散层6的下端部突出。在第三阶段蚀刻处理中，用加热硫酸再次蚀刻电流扩散层6，则消除突出形状中的突起部分并获得没有任何突起部分的均匀形状的平台是可能的。
在传统的平台蚀刻中，平台蚀刻分两阶段首先用硫酸和过氧化氢基蚀刻剂进行蚀刻，然后再用加热的硫酸进行蚀刻。按照这种传统方法，台面的最终形状变成倒梯形，其上部分大于下部分，若台面成这种形状，那末台平可能会有应力，当用树脂材料在低温下塑封时，尤其如此。其结果，由于应力引起变形很可能使LED变形或碎裂，这样，它的可靠性大大下降。
按照本实施例的方法，如上所述可获得均匀形状的台面，因此可实现高可靠性的LED阵列。通过低温下(如，-25℃)加电流测试LED阵列的可靠性试验的结果，证明使用5000小时后衰变速率与第二实施例的相比减小了一半。
实施例4图18是本发明第四实施例的LED阵列的顶视图。图19A至19E为图18中沿A-A′线剖开的横剖视图，它们表明制造图18所示LED阵列中单个LED的各个工艺步骤。总的来说第四实施例不同于1—3实施例在于，电流阻挡层在元件的上面。
在这样的结构中，发射光限定在元件表面上。这样，它与电流阻挡层设于元件中部情况相比，从上面观察元件时光束能更有效地被分开，或能更精确地控制发射区和更分明地分开光束。下面参照附图详细描述这种LED阵列的制造工艺步骤。
如图19A所示，通过MOCVD法按顺序将n型Al0.5In0.5P覆盖层21(厚1μm)、n型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5P激活层22(厚0.6μm)、和p型Al0.5In0.5P覆盖层23(厚1μm)淀积在GaAs衬底20上，由此形成包含该实施例PN结的LED阵列。
用MOCVD法形成3μm厚的p型AlGaAs层24，再形成用于屏蔽光和阻挡电流的n型GaAs层25。要求n型GaAs层25厚度为0.5μm或更厚，并要求载流子密度约5×1018/cm3或更大，以便能满意地屏蔽住光，即使在与p型电极28合金反应后它仍保持N型极性，能够阻挡电流。另一方面，为了防止与发射部分重叠的电极线断开，n型GaAs层25的厚度最好为1μm或更薄。因此，在该实施例中，n型GaAs层25设置为0.8μm。按这种方式能获取外延-(epi-)圆晶片。
如图19B所示，对图19A所示epi-圆晶片进行通用的光刻和蚀刻工艺，除去GaAs层25的一部分，用于光发射，形成窗口26。通过进行上述工艺步骤，能形成具有PN结构的光发射窗口26而在剩余部分中具有NPN结构的LED阵列。在起电流扩散层作用的p型Al0.7Ga0.3As层24上形成起电流阻挡层作用的n型GaAs层25。
之后，如图19C所示，溅射与p型AlGaAs层24形成欧姆接触的金属化材料，如Ti/AuZn。然后，将AuGe淀积或溅射在n型GaAs衬底20的反面，这样形成背面电极27。通过进行通用的光刻工艺和蚀刻工艺，和热处理，形成p型电极图形，制成满足要求的欧姆电极28。在p型Al0.7Ga0.3As层24的载流子密度在5×1018/cm3数量级情况下，要求金属材料包含如AuZn等p型掺杂物。另一方面，焊接区29要求满足焊接特性，它以下述方式形成。
如图19D所示，考虑到与如AuZn金属线(line metal)的粘着度，通过溅射连续形成如Ti或TiW的势垒金属(barrier metal)和纯金属Al或Au。在该实施例中，势垒金属可以为除Ti基金属材料以外的如Mo或W等金属。接着，进行通用的光刻工艺和蚀刻工艺，形成焊接区29。但需注意，在蚀刻势垒金属中需选择几乎不蚀刻n型GaAs层25部分的蚀刻剂。
在p型AlGaAs层24的载流子密度为5.0×1018/cm3或更高的情况下，仅用Al就可得到欧姆接触。因此，如果溅射形成厚为2.5μm或更厚的Al来设置电极线的话，则不再必须制作焊接区29。
如图19E所示，为了相邻光发射元件间的电绝缘，确保将电流有效地注入PN结，则需进行台面蚀刻。最后，将组件切割成小方块形成各个阵列，从而获得具有单片结构的LED阵列。
通过形成具有这样结构的LED阵列，以与实施例1至3一样，能够改进发光效率和减小尺寸。另外，这种LED阵列除发射部分外具有NPN结构，所以使电流集中于发射部分。因此，除发射部分外，其它部分不再需设置绝缘层，简化了制造工艺。
除了电极外，电流阻挡层形成在LED的最上部分，所以与第一至第三实施例相比，能确保和准确地使各光束分开，但是，窗口26的一部分由电极28复盖，所以电极28挡阻了光。这就是说，因电极形成在窗口26的表面上，所以在第二和第三实施例中光输出可比第四实施例中的更有效。
由上述清楚可见，本发明提出的具有单片结构的LED阵列与现有通常用于照相机数据后背装置的LED阵列相比，能以极低的功耗工作。
另外，如图20所示，现有通用的LED阵列虽能通过在基板等上并排单个光发射芯片构成，但本发明的LED阵列具有单片结构，结果是能可观地减小LED阵列的尺寸。
同时由于发射部分发射的光点直径也可减小，因而，不必再设置像传统技术中为聚焦光点的透镜等光学系统，这就使这种数据后背单元的整个系统的尺寸减小。
也归功于在相邻元件之间进行蚀刻而获得电绝缘的效果，从而各元件能独立地发射光束并能高精度地分开光束。
本发明中，台面蚀刻分三阶段进行，从而能形成的台面，形状均匀，在其侧面没有任何突起部分。因此，即使在低温下也不可能对LED阵列，有附加应力，这样能消除因应力引起变形，(这种变形往往使LED阵列变形或碎裂)。这样，可获得高可靠性的LED阵列。
很显然，在不脱离本发明实质范围，本领域中技术人员可作种种实施例变化和修改。因此，这里所附权利要求书的范围不限于这里的描述，而是作为合理要求保护的范围。
权利要求
1.一发光二极管阵列，其特征在于包括第一导电类型的半导体衬底，以及按直线布置在第一导电类型衬底上的多个发光元件，多个发光元件中的每一个发光元件包括第一导电类型的覆盖层；第二导电类型的覆盖层；(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)激活层，它介于第一导电类型覆盖层和第二导电类型覆盖层之间；以及第二导电类型的电流扩散层，它淀积在第二导电类型的覆盖层之上，其中，在多个发光元件的两个相邻发光元件之间，至少使它们的第二导电类型的电流扩散层和第二导电类型的覆盖层相互电绝缘。
2.如权利要求1所述的一发光二极管阵列，其特征在于在多个发光元件的两个相邻发光元件之间进行腐蚀，至少使它们的第二导电类型的直流扩散层和第二导电类型覆盖层相互电绝缘。
3.如权利要求1所述的一发光二极管阵列，其特征在于还包括在第二导电类型的电流扩散层上形成的绝缘层。
4.如权利要求3所述的发光二极管阵列，其特征在于绝缘层是SiNx层。
5.如权利要求2所述的发光二极管阵列，其特征在于还包括第一导电类型的电流阻挡层，它淀积在相对于激活层的电流扩散层的一侧；以及一用以输出发射光的窗口，该窗口是通过部分腐蚀第一导电类型的电流阻挡层形成的。
6.如权利要求5所述的发光二极管阵列，其特征在于第一导电类型电流阻挡层的能隙小于激活层的能隙。
7.如权利要求6所述的发光二极管阵列，其特征在于第一导电类型的电流阻挡层是(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)层。
8.如权利要求5所述的发光二极管阵列，其特征在于第一导电类型的电流阻挡层是作为发光二极管阵列除电极部分之外的最上层形成的。
9.如权利要求6所述的发光二极管阵列，其特征在于第一导电类型的电流阻挡层是GaAs层。
10.如权利要求1至9任何一个所述的发光二极管阵列，其特征在于在衬底和激活层之间形成第一导电类型的多层反射膜。
11.如权利要求10所述的发光二极管阵列，其特征在于第一导电类型的多层反射膜是用由Al0.5In0.5P和(Alx1Ga1－x1)0.5In0.5P交替沉积20层对而得到的，其中x是在激活层中Al的混晶比，而x1＞x。
12.一种制造发光二极管阵列的方法，步骤如下在一第一导电类型衬底上形成第一导电类型覆盖层；在第一导电类型覆盖层上形成第二导电类型覆盖层和(AlxGa1－x)yIn1－yP(这里0≤x≤1和0≤y≤1)激活层，从而激活层介于第一导电类型覆盖层和第二导电类型覆盖层之间；在第二导电类型覆盖层上形成AlzGa1－zAs(这里0≤z≤1)电流扩散层；采用第一刻蚀剂作为第一刻蚀步骤刻蚀AlzGa1－zAs(这里0≤z≤1)电流扩散层，以允许有选择地刻蚀电流扩散层而不刻蚀第二导电类型的覆盖层；采用第二刻蚀剂作为第二刻蚀步骤刻蚀第二导电类型的覆盖层，以能选择刻蚀覆盖层；以及采用第三刻蚀剂作为第三刻蚀步骤再次刻蚀AlzGa1－zAs(这里0≤z≤1)电流扩散层，以能选择刻蚀电流扩散层而不刻蚀第二导电类型的覆盖层。
13.如权利要求12所述的一种制造发光二极管阵列的方法，其特征在于第一刻蚀剂是以硫酸和过氧化氢为基的刻蚀剂，第二刻蚀剂是加热的硫酸刻蚀剂，而第三刻蚀剂是以硫酸和过氧化氢为基的刻蚀剂。
全文摘要
本发明的发光二极管阵列包括第一导电类型的半导体衬底和直线排列在衬底上的多个发光元件。每个发光元件包括第一导电类型覆盖层；第二导电类型覆盖层；Al
文档编号H01L27/15GK1118111SQ9510878
公开日1996年3月6日 申请日期1995年8月25日 优先权日1994年8月25日
发明者仓桥孝尚, 阪田昌彦 申请人:夏普株式会社