JP2013051243A - 光学素子および光学素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】
電極の周囲で保護膜のみを透過する光と、さらにその外周で層間絶縁膜と保護膜とを透過する光が存在する場合でも、光の干渉が比較的起こりにくく発光効率が比較的高い光学素子および光学素子アレイを提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明に係る光学素子は、半導体層部の上面のうち第２の絶縁膜に被覆された第１領域を介して出射される発光層からの光の位相と、半導体層部の上面のうち第１の絶縁膜および第２の絶縁膜に被覆された第２領域を介して出射される発光層からの光の位相とが、第２領域の表面を含む仮想平面で同位相となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子および光学素子アレイに関する。

従来、各種露光装置等の光源に用いられる光学素子として、ＬＥＤチップが採用されている。例えば、特許文献１に記載の光学素子は、発光部を有する半導体層に電極が接続されており、該電極の周囲は保護膜のみで覆われ、さらにその外周は層間絶縁膜と保護膜とで覆われている。そして、保護膜の膜厚が光透過条件を満たすとともに、層間絶縁膜と保護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。

しかしながら、このような光学素子では、電極の周囲の保護膜のみを透過する光と、さらにその外周の層間絶縁膜と保護膜とを透過する光とが干渉することにより、発光効率が低下するという問題があった。

特開平７−１５０３４号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、発光部を有する半導体層に電極が接続され、該電極の周囲で保護膜のみを透過する光と、さらにその外周で層間絶縁膜と保護膜とを透過する光が存在する場合でも、光の干渉が比較的起こりにくく発光効率が比較的高い光学素子および光学素子アレイを提供することを目的とする。

本発明に係る光学素子は、基板と、該基板上に積層された、発光層を含む複数の半導体層からなる半導体層部と、該半導体層部の上面を該上面の一部を露出するように被覆した第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上から前記半導体層部の露出した上面の一部にかけて配置された電極層と、該電極層、前記第１の絶縁膜および前記半導体層部の露出した上面を被覆した第２の絶縁膜とを有し、前記半導体層部の上面のうち前記第２の絶縁膜に被覆された第１領域を介して出射される前記発光層からの光の位相と、前記半導体層部の上面のうち前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に被覆された第２領域を介して出射される前記発光層からの光の位相とが、前記第２領域の表面を含む仮想平面で同位相となることを特徴とする。

また、前記第１の絶縁膜の厚みをｄ_１、前記第２の絶縁膜の厚みをｄ_２、前記第２の絶縁膜の屈折率をｎ_２、前記第２の絶縁膜に接する１つの媒質の屈折率または複数の媒質の仮想屈折率をｎ_０、前記半導体層部の前記発光層から前記第１の絶縁膜との界面までの屈折率をｎ_ｐ、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との仮想屈折率をｎ_１＋２、前記半導体層部から発せられる光の波長をλ、ｘおよびｙを非負整数、ｚを正の整数とした場合に、下記式（１）〜（３）を満足することを特徴とする。

（４ｘ＋１）λ／８ｎ_２≦ｄ_２≦（４ｘ＋３）λ／８ｎ_２ …（１）
（４ｙ＋１）λ／８ｎ_１＋２≦ｄ_１＋ｄ_２≦（４ｙ＋３）λ／８ｎ_１＋２ …（２）
（ｚ−１／４）λ≦ｄ_１（ｎ_ｐ−ｎ_０）≦（ｚ＋１／４）λ …（３）
さらに、前記１つの媒質が空気であることを特徴とする。

また、前記複数の媒質が、前記第２の絶縁膜を被覆するように形成された第３の絶縁膜および空気であることを特徴とする。

さらに、前記第１の絶縁膜の材質と前記第２の絶縁膜の材質とが同一であることを特徴とする。

また、前記電極層が金属からなることを特徴とする。

さらに、前記基板上に上述の光学素子が複数配列されていることを特徴とする光学素子アレイを提供する。

本発明の光学素子によれば、基板と、該基板上に積層された、発光層を含む複数の半導体層からなる半導体層部と、該半導体層部の上面を該上面の一部を露出するように被覆した第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上から前記半導体層部の露出した上面の一部にかけて配置された電極層と、該電極層、前記第１の絶縁膜および前記半導体層部の露出した上面を被覆した第２の絶縁膜とを有し、前記半導体層部の上面のうち前記第２の絶縁膜に被覆された第１領域を介して出射される前記発光層からの光の位相と、前記半導体層部の上面のうち前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に被覆された第２領域を介して出射される前記発光層からの光の位相とが、前記第２領域の表面を含む仮想平面で同位相となることにより、発光層を有する半導体層部に電極が接続され、該電極の周囲で前記第１領域を透過する光と、さらにその外周で前記第２領域とを透過する光が存在する場合でも、前記第２領域の表面を含む仮想平面で前記第１領域を透過する光の位相と、前記第２領域とを透過する光の位相が同位相となる。

よって、本実施形態の光学素子によれば、光の干渉が比較的起こりにくく発光効率が比較的高い発光素子が実現される。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る光学素子の平面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の１Ｉ−１Ｉ線に沿った断面図である。 図２（ａ）は図１に示した光学素子を構成するアノード電極と絶縁膜の関係を説明するための図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｉ−２Ｉ線に沿った断面図である。 図３（ａ）は光学素子を構成するアノード電極と絶縁膜の関係を説明するための図である。図３（ｂ）は図３（ａ）の３Ｉ−３Ｉ線に沿った断面図である。

（光学素子）
以下、本発明の光学素子１について、図面を参照しつつ説明する。以下の実施の形態は例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

図１に示す光学素子１は、ページプリンター等の電子写真装置に組み込まれる光学素子ヘッド等の露光装置における光源として機能する。

光学素子１は、長方形状のベース基板１０と、半導体層部２０と、アノード電極３０と、カソード電極３１と、第１の絶縁膜４０と、第２の絶縁膜４１とを備えている。

長方形状のベース基板１０は半導体層部２０の支持体として機能し、半導体層部２０の
結晶成長が可能である珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の単結晶材料からなる。本実施形態のベース基板１０はガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなっており、ｎ型の導電性を有している。このベース基板１０には、例えばｎ型の不純物である珪素（Ｓｉ）が１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲の濃度でドーピングされている。なお、ｎ型の
不純物としては、珪素（Ｓｉ）の他に、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）などの周期表第１４族元素や第１６族元素が挙げられる。また、ベース基板１０は、厚さが例えば１００〜３５０μｍの範囲とされる。

半導体層部２０は、ベース基板１０の上面に積層された、複数の半導体層で形成されている。本実施形態では、ベース基板１０側から順次積層された、ｎ型クラッド層２０ａ、活性層２０ｂ、ｐ型クラッド層２０ｃ、ｐ型コンタクト層２０ｄによって構成されている。

半導体層部２０を構成する各半導体層２０ａ〜２０ｄは、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Ｍｅｔａｌ−Oｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用い、ベース基板１０の上面に順次エピタキシャル成長させることによって形成される。

ｎ型クラッド層２０ａはベース基板１０の上面に設けられており、後述する活性層２０ｂよりも屈折率が小さく、バンドギャップエネルギーが高い層である。活性層２０ｂよりも屈折率が低いことにより、活性層２０ｂで発した光を活性層２０ｂ近辺に閉じ込めることにより、発光出力を比較的高くする機能を有する。また、活性層２０ｂよりもバンドギャップエネルギーが高い層であることにより、活性層２０ｂとの境界において電位障壁を設け、この電位障壁によって電子および正孔をせき止める機能を有する。

本実施形態のｎ型クラッド層２０ａは、燐化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＰ）からなっており、ｎ型の導電性を有している。このｎ型クラッド層２０ａには、例えばｎ型の不純物である珪素（Ｓｉ）が１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲の
濃度でドーピングされている。なお、ｎ型の不純物としては、珪素（Ｓｉ）の他に、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）などの周期表第１４族元素や第１６族元素が挙げられる。また、ｎ型クラッド層２０ａは、厚さが例えば０．４〜１μｍの範囲とされる。

活性層２０ｂは、ｎ型クラッド層２０ａの上面に設けられており、この活性層２０ｂに電流が流れることで発光する機能を有する。そのため、活性層２０ｂは発光層とも呼ばれる。

本実施形態の活性層２０ｂは、燐化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）からなっており、不純物はドーピングされていない。また、活性層２０ｂは、厚さが例えば０．３〜１μｍの範囲とされる。

ｐ型クラッド層２０ｃは、活性層２０ｂの上面に設けられており、ｎ型クラッド層２０ａと同様、活性層２０ｂよりも屈折率が小さく、バンドギャップエネルギーが高い層であり、発光出力を比較的高くする機能や電子および正孔をせき止める機能を有する。

本実施形態のｐ型クラッド層２０ｃは、燐化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＰ）からなっており、ｐ型の導電性を有している。このｐ型クラッド層２０ｃには、例えばｐ型の不純物である亜鉛（Ｚｎ）が、１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲
の濃度でドーピングされている。なお、ｐ型の不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）の他に、例えばベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）などの元素が挙げられる。また、ｐ型クラッド層２０ｃは、厚さが例えば０．４〜１μｍの範囲とされる。

ｐ型コンタクト層２０ｄは、ｐ型クラッド層２０ｃの上面に設けられており、半導体層部２０に電力を供給することを可能にする機能を有し、オーミックコンタクト層または電流拡散層とも呼ばれる。

本実施形態のｐ型コンタクト層２０ｄは燐化ガリウム（ＧａＰ）からなっており、ｐ型の導電性を有している。このｐ型コンタクト層２０ｄには、例えばｐ型の不純物である亜鉛（Ｚｎ）が、１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲の濃度でドーピン
グされている。なお、ｐ型の不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）の他に、例えばベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）などの元素が挙げられる。また、ｐ型クラッド層２０ｃは、厚さが例えば０．１〜１．５μｍの範囲とされる。

第１の絶縁膜４０ａは、ベース基板１０および半導体層部２０を覆うように設けられており、半導体層部２０と後述するアノード電極３０とを絶縁する機能を有する。第１の絶縁膜４０ａは、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ法）等によって窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）等で形成される。なお、本実施形態に係る第１の絶縁膜４０は窒化珪素（ＳｉＮ）である。そして、ｐ型コンタクト層２０ｄを覆っている第１の絶縁膜４０の一部には開口４０ａが設けられており、この開口４０ａを介して、ｐ型コンタクト層２０ｄとアノード電極３０は接続される。

アノード電極３０は、第１の絶縁膜４０の上面に形成されており、半導体層部２０に電力を供給する機能を有する。アノード電極３０は、リード部３０ａおよびパッド部３０ｂを有している。

リード部３０ａは、第１の絶縁膜４０の有する開口４０ａを介して半導体層部２０の最上層に位置するｐ型コンタクト層２０ｄの上面とパッド部３０ｂとを接続している。このリード部３０ａおよびパッド部３０ｂによって構成されるアノード電極３０は、例えば厚さが２５０Å程度のクロム（Ｃｒ）層と、厚さが１μｍ程度の金（Ａｕ）層と、の積層体で形成することができる。

第２の絶縁膜４１は、アノード電極３０、第１の絶縁膜４０および第１の絶縁膜４０の有する開口４０ａの内側に位置する半導体層部２０の露出した上面を覆うように設けられており、半導体層部２０およびアノード電極３０を外部との接触や外部環境より保護する機能を有する。そして、アノード電極３０のパッド部３０ｂの一部を露出するように開口４１ａが設けられている。この開口部４１ａの内側に露出したパッド部３０ｂがワイヤーボンディング等により外部と電気的に接続される。

第２の絶縁膜４１は、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ法）等によって窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）等で形成される。なお、本実施形態に係る第２の絶縁膜４１は窒化珪素（ＳｉＮ）である。

ベース基板１０の、半導体層部２０が形成されている上面と反対側の底面の上に、当該底面の全体にわたってカソード電極３１が設けられている。このカソード電極３１は、例えば厚さが２５０Å程度のクロム（Ｃｒ）層と、厚さが５００〜１０００Å程度の金（Ａｕ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の合金層と、厚さが２５０Å程度のクロム（Ｃｒ）層と
、厚さが１μｍ程度の金（Ａｕ）層と、の積層体で形成することができる。

上述のように構成された発光素子１は、アノード電極３０とカソード電極３１との間に電力を印加することにより半導体層部２０に電力が供給され、結果として活性層２０ｂが発光する。

ここで、第１の絶縁膜４０の開口４０ａと、アノード電極３０のリード部３０ａと、第２の絶縁膜４１との関係を詳しく説明する。

まず、第１の絶縁膜４０の開口４０ａと、アノード電極３０のリード部３０ａとの寸法の関係を図２により説明する。なお、図２には第２の絶縁膜４１は図示していない。

図２に示すように、第１の絶縁膜４０の開口４０ａは、ｐ型コンタクト層２０ｄの一部を露出するように形成され、略矩形状をなしている。そして、アノード電極３０のパッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向の開口４０ａの幅Ｗ１は、パッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向のリード部３０ａの幅Ｗ２よりも広くされている。その理由は、半導体層部２０に電力が供給され、活性層２０ｂが発光したときの発光強度は、開口４０ａ内のリード部３０ａとｐ型コンタクト層２０ｄとが接している領域で最も高くなることが経験的に分かっているためである。つまり、リード部３０ａのエッジ部（図２（ａ）の一点鎖線で囲まれたエッジ部）で最も高くなる。その他リード部３０ａとｐ型コンタクト層２０ｄが接している領域は、リード部３０ａ自身が光を遮るマスクとして働き、外部に直接照射されることはない。

仮に、図３に示すように、アノード電極３０のパッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向の開口４０ａの幅Ｗ３が、パッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向のリード部３０ａの幅Ｗ４よりも狭くされている場合には、開口４０ａ内でｐ型コンタクト層２０ｄと接しているリード部３０ａのエッジ部は図３（ａ）の一点鎖線で囲まれた部分となり、上述の開口４０ａの幅W1がリード部３０ａの幅Ｗ２よりも広い場合と比べて発光強度が最も高くなる領域が少なくなる。

よって、発光素子１の発光強度を比較的高くするために、アノード電極３０のパッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向の開口４０ａの幅Ｗ１は、パッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向のリード部３０ａの幅Ｗ２よりも広くされていることが重要である。

しかしながら、上述のようにアノード電極３０のパッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向の開口４０ａの幅Ｗ１が、パッド部３０ｂからリード部３０ａに向かう方向と垂直な方向のリード部３０ａの幅Ｗ２よりも広くされている構成の場合、活性層２０ｂで発せられた光は、半導体層部２０の上面のうち、第２の絶縁膜４１に被覆された第１領域４３を介して出射される光と、半導体層部２０の上面のうち第１の絶縁膜４０および第２の絶縁膜４１に被覆された第２領域４４を介して出射される光とが存在する。すなわち、活性層２０ｂで発せられた光は、ｐ型クラッド層２０ｃ、ｐ型コンタクト層２０ｄおよび第２の絶縁膜４１を介して、第２の絶縁膜４１に接する外部の媒質５０に出射される光（第１領域４３を介して出射される光に相当）と、ｐ型クラッド層２０ｃ、ｐ型コンタクト層２０ｄ、第１の絶縁膜４０および第２の絶縁膜４１を介して、媒質５０に出射される光（第２領域４４を介して出射される光に相当）とが存在する。つまり、第１領域４３を介して媒質５０に出射される光の光路長と、第２領域４４を介して媒質５０に出射される光の光路長とは異なる。なお、本実施形態の媒質５０は空気である。光学素子１が窒素雰囲気で使用される場合などは媒質５０が窒素（N_２）となるなど、媒質５０を
特に限定する必要はない。

上述のように第１領域４３を介して出射される光と、第２領域４４を介して出射される光の光路長が異なる場合には、活性層２０ｂで発せられた光を効率よく取り出すために、第１領域４３および第２領域４４を介して媒質５０に出射される光が、それぞれ第２の絶縁膜４１と媒質５０との界面で反射することがないように、第１領域４３に対応する第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２、第２領域４４に対応する第１の絶縁膜４０の厚みと第２の絶縁膜４１の厚みｄ_１＋ｄ_２とを調整するのが一般的である。一般的に、無反射条件は、ｄ＝（２ｍ＋１）λ／４ｎ（ｄ：絶縁膜の厚み、ｍ：非負整数、λ：発せられる光の波長、ｎ：絶縁膜の屈折率）で表わされる。

まず、第１領域４３を介して発せられる光の、第２の絶縁膜４１と媒質５０との界面での無反射条件を検討する。第２の絶縁膜４１の厚みをｄ_２、ｍを非負整数、λを発せられる光の波長、第２の絶縁膜４１の屈折率をｎ_２とした場合に、ｄ_２＝（２ｍ＋１）λ／（４ｎ_２）を満足するように第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２を設定すると第２の絶縁膜４１と媒質５０との界面で反射が起こらず、効率よく光が取り出せる。理想的には第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２が上式を満足するように一定にすることであるが、現実的には第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２は製造上等のばらつきを有するため、第２の絶縁膜４１の厚みをｄ_２、ｘを非負整数、λを発せられる光の波長、第２の絶縁膜４１の屈折率をｎ_２として、下記式（１）を満足するように設定する。

（４ｘ＋１）λ／（８ｎ_２）≦ｄ_２≦（４ｘ＋３）λ／（８ｎ_２） …（１）
式（１）は、光の位相が最大で八分の一波長ずれる場合を考慮したもので、光の強度は干渉により最大値の５０％程度となる。好適には（８ｙ＋３）λ／（１６ｎ_２）≦ｄ_２≦（８ｙ＋５）λ／（１６ｎ_２）を満足するように設定する。これは、光の位相が最大で十六分の一波長ずれた場合を考慮したもので、光の強度は干渉により最大値の８５％程度となる。

次に、第２領域４４を介して発せられる光の、第２の絶縁膜４１と媒質５０との界面での無反射条件を検討する。第１の絶縁膜４０の厚みをｄ_１、第１の絶縁膜４０と第２の絶縁膜４１との仮想屈折率をｎ_１＋２、ｍを非負整数とした場合に、ｄ_１＋ｄ_２＝（２ｍ＋１）λ／（４ｎ_１＋２）を満足するように第１の絶縁膜４０の厚みｄ_１および第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２を設定すると第２の絶縁膜４１と媒質５０との界面で反射が起こらず、効率よく光が取り出せる。理想的には第１の絶縁膜４０の厚みｄ_１および第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２が上式を満足するように一定にすることであるが、現実的には第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２は製造上等のばらつきを有するため、第１の絶縁膜４０の厚みをｄ_１、第２の絶縁膜４１の厚みをｄ_２、ｙを非負整数、λを発せられる光の波長、第１の絶縁膜４０および第２の絶縁膜４１の仮想屈折率をｎ_１＋２、として、下記式（２）を満足するように設定する。

（４ｙ＋１）λ／（８ｎ_１＋２）≦ｄ_１＋ｄ_２≦（４ｙ＋３）λ／（８ｎ_１＋２） …（２）
式（２）は、光の位相が最大で八分の一波長ずれる場合を考慮したもので、光の強度は干渉により最大値の５０％程度となる。好適には（８ｙ＋３）λ／（１６ｎ_１＋２）≦ｄ_１＋ｄ_２≦（８ｙ＋５）λ／（１６ｎ_１＋２）を満足するように設定する。これは、光の位相が最大で十六分の一波長ずれた場合を考慮したもので、光の強度は干渉により最大値の８５％程度となる。

ここで、仮想屈折率の求め方について説明する。単純化するため、屈折率Ｎ_２の下地層の上に屈折率Ｎ_１の薄膜を厚さがｈ_１となるように被着した場合の合成屈折率Ｎ_Ｈを検討する。

仮想屈折率Ｎ_Ｈは下記式（Ａ）で求められる。

Ｎ_Ｈ＝Ｎ_１×｛１−ｒｅｘｐ（−２ｉφ）｝／｛１＋ｒｅｘｐ（−２ｉφ）｝ …（Ａ）
式（Ａ）において、ｒは下地層と薄膜との界面の反射率のことであり、下記式（Ｂ）で求められる。

ｒ＝（Ｎ_１−Ｎ_２）／（Ｎ_１＋Ｎ_２） …（Ｂ）
また、式（Ａ）において、φは下記式（Ｃ）で求められる。式（Ｃ）において、λは光の波長である。

φ＝（２πＮ_１ｈ_１）／λ …（Ｃ）
上の説明では、単純に異なる二層の物質の仮想屈折率を求めたが、複数層の場合には、上で説明した方法を繰り返すことにより仮想屈折率を求める。

上記の仮想屈折率を求める方法は仮想光学定数法と呼ばれるものだが、その他のマトリックス法等により仮想屈折率を求めることもできる。

式（１）および式（２）を満足するように第１の絶縁膜４０の厚みｄ_１および第２の絶縁膜４１の厚みｄ_２とすることで、第１領域４３を介して出射される光と第２領域４４を介して出射される光が、それぞれ第２の絶縁膜４１と媒質５０との界面で反射することを比較的低減することができる。

しかしながら、第１領域４３を介して出射される光と第２領域４４を介して出射される光が干渉することにより打ち消しあい、光学素子１としての発光強度を低下させる場合がある。

そこで、第１領域４３を介して出射される光と第２領域４４を介して出射される光が干渉することを比較的抑制するためには、第１領域４３を介して出射される光の光路と第２領域４４を介して出射される光の光路との差が発せられる光の波長λの整数倍となるように設定することが重要である。

なお、第１領域４３を介して出射される光と第２領域４４を介して出射される光との光路差を検討する場合、ｎ型クラッド層２０ａと活性層２０ｂとの界面半導体層部２０の上面まではそれぞれの領域で共通であるので、半導体層部２０の上面から第１の絶縁膜４０の上面に形成される第２の絶縁膜４１の表面を含む仮想平面までの光路差を検討すればよい。

ｎ型クラッド層２０ａと活性層２０ｂとの界面半導体層部２０の上面までの領域の仮想屈折率をｎ_ｐ、媒質５０の屈折率をｎ_０、第１の絶縁膜４０の厚みをｄ_１、第２の絶縁膜４１の厚みをｄ_２とした場合、第１領域４３を介して発せられる光の光路は、ｎ_ｐｄ_２＋ｎ_０ｄ_１で表わされ、第２領域４４を介して発せられる光の光路は、ｎ_ｐ（ｄ_１＋ｄ_２）で表わされる。よって、第１領域４３を介して出射される光と第２領域４４を介して出射される光との光路差は、ｎ_ｐ（ｄ_１＋ｄ_２）よりｎ_ｐｄ_２＋ｎ_０ｄ_１を引いた、ｄ_１（ｎ_ｂ−ｎ_０）となる。

したがって、第１領域４３を介して出射される光と、第２領域４４を介して出射される光とが干渉することを比較的抑制するためには、ｄ_１（ｎ_ｂ−ｎ_０）＝ｍλ（ｍ：非負整数）を満足するように第１の絶縁膜４０の厚みｄ_１を設定すればよい。理想的には第１の
絶縁膜４０の厚みｄ_１が上式を満足するように設定することであるが、現実的には第１の絶縁膜４０の厚みｄ_１は製造上等のばらつきを有するため、下記式（３）を満足するように設定する。

（ｚ−１／４）λ≦ｄ_１（ｎ_ｐ−ｎ_０）≦（ｚ＋１／４）λ …（３）
式（３）は、光の位相が最大で四分の一波長ずれた場合を考慮したもので、光の強度は干渉により最大値の５０％程度となる。好適には（ｚ−１／８）λ≦ｄ_１（ｎ_ｂ−ｎ_０）≦（ｚ＋１／８）λを満足するように設定する。これは、光の位相が最大で八分の一波長ずれた場合を考慮したもので、光の強度は干渉により最大値の８５％程度となる。

なお、本実施形態の発光素子１は、ダブルへテロ構造の発光素子として記載したが、単なるヘテロ構造であってもよく、発光素子の構造を特に限定するものではない。

また、本実施形態の発光素子１は、ベース基板１０の上面に一つの発光素子１を配置しているが、ベース基板１０の上面に複数の発光素子１を配置させた光学素子アレイとしてもよい。

かくして、上述した光学素子１は、ページプリンター等の電子写真装置に組み込まれる光学素子ヘッド等の露光装置における光源として機能する。

以上、本発明の具体的な実施形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の要旨から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態の絶縁膜は第１の絶縁膜４０および第２の絶縁膜４１であるが、さらに第２の絶縁膜を被覆するように第３の絶縁膜を形成してもよい。この場合、第２の絶縁膜４１に接する媒質は、第３の絶縁膜と空気とからなる複数の媒質となり、屈折率は上述した仮想光学定数法等により仮想屈折率として求める。第３の絶縁膜は、ポリイミド合成樹脂、感光性樹脂、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化シリコン、ポリイミドシリコンなどからなり、厚みは２０００〜２００００Å程度に形成する。第３の絶縁膜を形成することにより、半導体層部２０の物理的な保護を比較的高くすることができる。

本実施形態の光学素子１は、順方向に電圧を加えた際に発光する半導体発光ダイオードであるが、直流駆動方式または交流駆動方式の無機エレクトロルミネッセンスを採用してもよい。

１ 光学素子
１０ ベース基板
２０ 半導体層部
２０ａ ｎ型クラッド層
２０ｂ 活性層
２０ｃ ｐ型クラッド層
２０ｄ ｐ型コンタクト層
３０ アノード電極
３０ａ リード部
３０ｂ パッド部
３１ カソード電極層
４０ 第１の絶縁膜
４０ａ 開口
４１ 第２の絶縁膜
４１ａ 開口
４３ 第１領域
４４ 第２領域
５０ 媒質

Claims (7)

1. 基板と、該基板上に積層された、発光層を含む複数の半導体層からなる半導体層部と、該半導体層部の上面を該上面の一部を露出するように被覆した第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上から前記半導体層部の露出した上面の一部にかけて配置された電極層と、該電極層、前記第１の絶縁膜および前記半導体層部の露出した上面を被覆した第２の絶縁膜とを有し、
   前記半導体層部の上面のうち前記第２の絶縁膜に被覆された第１領域を介して出射される前記発光層からの光の位相と、前記半導体層部の上面のうち前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜に被覆された第２領域を介して出射される前記発光層からの光の位相とが、前記第２領域の表面を含む仮想平面で同位相となることを特徴とする光学素子。
2. 前記第１の絶縁膜の厚みをｄ_１、前記第２の絶縁膜の厚みをｄ_２、前記第２の絶縁膜の屈折率をｎ_２、前記第２の絶縁膜に接する１つの媒質の屈折率または複数の媒質の仮想屈折率をｎ_０、前記半導体層部の前記発光層から前記第１の絶縁膜との界面までの屈折率をｎ_ｐ、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜との仮想屈折率をｎ_１＋２、前記半導体層部から発せられる光の波長をλ、ｘおよびｙを非負整数、ｚを正の整数とした場合に、下記式（１）〜（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
   （４ｘ＋１）λ／８ｎ_２≦ｄ_２≦（４ｘ＋３）λ／８ｎ_２ …（１）
   （４ｙ＋１）λ／８ｎ_１＋２≦ｄ_１＋ｄ_２≦（４ｙ＋３）λ／８ｎ_１＋２ …（２）
   （ｚ−１／４）λ≦ｄ_１（ｎ_ｐ−ｎ_０）≦（ｚ＋１／４）λ …（３）
3. 前記１つの媒質が空気であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記複数の媒質が、前記第２の絶縁膜を被覆するように形成された第３の絶縁膜および空気であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
5. 前記第１の絶縁膜の材質と前記第２の絶縁膜の材質とが同一であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記電極層が金属からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記基板上に請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子が複数配列されていることを特徴とする光学素子アレイ。

Images