JP2014154559A - 半導体発光素子、光源ヘッド、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを抑制した半導体発光素子、光源ヘッドおよび画像形成装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１００は、発光層１０８を含む半導体層と、半導体層を間に挟む上部反射面Ｒ１および下部反射面Ｒ２と、を含む。発光層１０８から発せられる光の半導体層内におけるピーク波長をλ、任意の正の整数をａとしたとき、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが、０．２０λ＋０．５ａλ≦Ｌ≦０．３０λ＋０．５ａλを満たす。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体発光素子、光源ヘッド、及び画像形成装置に関する。

特許文献１には、半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射層、活性層を備え、該多層膜反射層と該活性層を挟んで位置する出力面または表面側反射層との多重反射により複数のピークを含む出力光を出力面を通して出力する面発光ダイオードであって、活性層はダブルヘテロ構造を有して相互に異なる井戸幅の複数の量子井戸層から成る量子井戸構造を有するものであり、多層膜反射層と出力面または表面側反射層との距離が３μｍ以上であることを特徴とする面発光ダイオードが記載されている。

特許文献２には、半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射鏡および活性層を備え、出力面から出力光を出力する面発光ダイオードであって、多層膜反射鏡は、活性層で発光させられる光の中心波長よりも長波長側に反射波長帯の中心波長を有する第１多層膜反射鏡、および活性層で発光させられる光の中心波長よりも短波長側に反射波長帯の中心波長を有する第２多層膜反射鏡から構成されることを特徴とする面発光ダイオードが記載されている。

特許文献３には、基板上に２種類の材料からなる１対の分布ブラッグ反射器を形成し、その分布ブラッグ反射器上に発光部を形成した発光ダイオードにおいて、その分布ブラッグ反射器の層厚を１対ごとに変化させて少なくとも３層以上の多層構造の分布ブラッグ反射器を形成したことを特徴とする発光ダイオードが記載されている。

特許文献４には、発光スペクトルのピーク波長が相互に異なる複数の量子井戸から成る発光層と、該発光層を挟んで設けられて該発光層で発生した光を反射させる光共振器を構成する一対の反射層とを含む複数の半導体層が積層されて成り、該発光層で発生した光を該複数の半導体層の表面から取り出す形式の面発光素子であって、複数の量子井戸が、光共振器中における電子のコヒーレント長よりも長い所定間隔を相互に隔てて設けられていることを特徴とする面発光素子が記載されている。

特開２００９−０７０９２８号公報 特開２００９−０７０９２９号公報 特開２０００−３０７１５５号公報 特開平１０−０２７９４５号公報

本発明は、半導体層の層厚の変動や周囲温度の変化に対する光量変化、および周囲温度の変化に対する光量変化のばらつきを抑制した半導体発光素子、光源ヘッドおよび画像形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の半導体発光素子は、発光層を含む半導体層と、前記半導体層を間に挟む上部反射面および下部反射面と、を含み、前記発光層から発せられる光の前記半導体層内におけるピーク波長をλ、任意の正の整数をａとしたとき、前記上部反射面と前記下部反射面との間の距離Ｌが、０．２０λ＋０．５ａλ≦Ｌ≦０．３０λ＋０．５ａλを満たすように構成されている。

また、請求項２に記載の半導体発光素子は、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記半導体層の表面に設けられ且つ前記半導体層の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有する絶縁体層を更に含み、前記半導体層と前記絶縁体層との界面が前記上部反射面を形成している。

また、請求項３に記載の半導体発光素子は、請求項２に記載の半導体発光素子において、任意の正の整数をｂとしたとき、前記絶縁体層の層厚ｔ_１が、０．１５λ＋０．５ｂλ≦ｔ_１≦０．３５λ＋０．５ｂλを満たすように構成されている。

また、請求項４に記載の半導体発光素子は、請求項２または３に記載の半導体発光素子において、前記絶縁体層が、前記半導体層と接する相対的に屈折率の大きい第１の絶縁体層と、前記第１の絶縁体層上に設けられた相対的に屈折率の小さい第２の絶縁体層と、を含んでいる。

また、請求項５に記載の半導体発光素子は、請求項４に記載の半導体発光素子において、前記第２の絶縁体層の層厚が、前記第１の絶縁体層の層厚よりも大となるように構成されている。

また、請求項６に記載の半導体発光素子は、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、前記半導体層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを含み、前記絶縁体層は、屈折率が１．８以上且つ２．２以下の材料で構成されている。

また、請求項７に記載の半導体発光素子は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子において、屈折率が互いに異なる複数の層を積層して構成され且つ前記半導体層と接する多層膜反射鏡を更に含み、前記半導体層と前記多層膜反射鏡との界面が前記下部反射面を形成している。

また、上記の目的を達成するために、請求項８に記載の光源ヘッドは、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体発光素子を複数含む発光素子アレイと、前記半導体発光素子の各々から出射される光を露光面に集光する光学系と、を含む。

また、上記の目的を達成するために、請求項９に記載の画像形成装置は、請求項８に記載の光源ヘッドと、前記光源ヘッドから出射される光によって表面に静電潜像が形成される感光体と、前記感光体に形成された静電潜像を現像してトナー像を形成する現像部と、前記感光体に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写部と、を含む。

請求項１、請求項８および請求項９に記載の発明によれば、本構成を有していない場合と比較して、半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを抑制できる、という効果が得られる。

請求項２に記載の発明によれば、半導体層と空気層とが直接接している場合と比較して、光取り出し効率を向上できる、という効果が得られる。

請求項３に記載の発明によれば、本構成を有していない場合と比較して、光取り出し効率を向上できる、という効果が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、絶縁体層を高屈折率層の単層構造とした場合と比較して、絶縁体層の耐圧性能を向上できる、という効果が得られる。

請求項５に記載の発明によれば、本構成を有しない場合と比較して、絶縁体層全体の層厚ばらつきによる光学的な影響を低減できる、という効果が得られる。

請求項６に記載の発明によれば、本構成を有しない場合と比較して、半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを抑制できる、という効果が得られる。

請求項７に記載の発明によれば、下部反射面における反射率に波長選択性を持たせることができる、という効果が得られる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す図である 本発明の実施形態に係る光源ヘッドの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る発光素子アレイの構成を示す斜視図である。 比較例に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 図５（ａ）は、比較例に係る半導体発光素子の自然発光スペクトルを示す図である。図５（ｂ）は、比較例に係る半導体発光素子の共振器スペクトルおよび出射光スペクトルを示す図である。図５（ｃ）は、比較例に係る半導体発光素子の層厚変動率と光量との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の各層の構成を示す図である。 図８（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の共振器スペクトルおよび出射光スペクトルを示す図である。図８（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の層厚変動率と光量との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の各層の構成を示す図である。 図１０（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の共振器スペクトルおよび出射光スペクトルを示す図である。図１０（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の層厚変動率と光量との関係を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の半導体発光素子の各層の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の各層の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の各層の構成を示す図である。 図１７（ａ）は、上部反射面と下部反射面との間の距離Ｌの変動量と光量ばらつきとの関係を示す図である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）における光量ばらつきの算出方法の説明に供する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一の構成要素または部分には、同一の参照符号を付与している。

図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置１０の構成を示す図である。画像形成装置１０は、図１に示すように、矢印Ａの方向に定速回転する円筒形状の感光体１２を備えている。感光体１２の周囲には、帯電器１４、光源ヘッド１６、現像器１８（現像部）、転写体２０（転写部）、クリーナ２２およびイレーズランプ２４が設けられている。帯電器１４は、感光体１２表面を帯電する。光源ヘッド１６は、帯電器１４により帯電された感光体１２の表面に光ビームを照射することによって静電潜像を形成する。現像器１８は、感光体１２の表面に形成された静電潜像を現像剤により現像してトナー像を形成する。転写体２０は、感光体１２の表面に形成されたトナー像を記録媒体としての用紙２８に転写する。クリーナ２２は、トナー像の用紙２８への転写後に感光体１２の表面に残存する残トナーを除去する。イレーズランプ２４は、感光体１２の表面の除電を行う。

光源ヘッド１６による光ビームの照射によって静電潜像が形成された感光体１２の表面には、現像器１８によってトナーが供給されて感光体１２の表面にトナー像が形成される。感光体１２の表面に形成されたトナー像は、搬送されてきた用紙２８に転写体２０によって転写される。転写後に感光体１２に残留しているトナーはクリーナ２２によって除去され、イレーズランプ２４によって除電された後、再び帯電器１４によって帯電される。

一方、トナー像が転写された用紙２８は、加圧ローラ３０Ａと加熱ローラ３０Ｂとを含む定着器３０に搬送されて定着処理が施される。これにより、トナー像が用紙２８に定着され、用紙２８に画像が形成される。画像が形成された用紙２８は装置外へ排出される。

図２は、本発明の実施形態に係る光源ヘッド１６の構成を示す断面図である。光源ヘッド１６は、ＳＬＥＤ（Ｓｅｌｆ−ｓｃａｎｎｉｎｇ ＬＥＤ：自己走査型ＬＥＤ）を有している。図２に示すように、光源ヘッド１６は、発光素子アレイ５０と、発光素子アレイ５０を支持するとともに発光素子アレイ５０の駆動を制御する各種信号を供給するための回路（不図示）とが実装された実装基板５２と、セルフォックスレンズアレイ等の（セルフォックは、日本板硝子（株）の登録商標）ロッドレンズアレイ５４と、を備えている。実装基板５２は、発光素子アレイ５０の取り付け面が感光体１２に対向するようにハウジング５６内に設けられ、板バネ５８によって支持されている。ロッドレンズアレイ５４は、ホルダー６４によって支持されており、発光素子アレイ５０を構成する各半導体発光素子１００（図３参照）から出射された光ビームを感光体１２上に集光させる。

図３は、発光素子アレイ５０の構成を示す斜視図である。発光素子アレイ５０は、感光体１２の回転軸方向に沿って配列された複数のチップ６２を含んでいる。複数のチップ６２の各々は、感光体１２の回転軸に沿って配列された複数の半導体発光素子１００を含んでいる。なお、図３に示す例では、複数のチップ６２が一列に配列した場合が示されているが、複数のチップ６２は、複数の列をなして２次元状に配列されていてもよい。この場合、複数のチップ６２は、回転軸方向に沿って千鳥状に配列されていてもよい。

ここで、本発明の実施形態に係る光源ヘッド１６を構成する半導体発光素子１００について詳細に説明する前に、比較例に係る半導体発光素子について説明する。

図４は、比較例に係る半導体発光素子２００の構成を示す断面図である。半導体発光素子２００は、共振型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ：Resonant-cavity Light-emitting Diode）を構成するものであり、下層側から順にｎ型の基板層２０４、ｎ型のＤＢＲ（distributed Bragg reflector）層２０６、発光層２０８、ｐ型のクラッド層２１０、ｐ型のコンタクト層２１２を積層して構成される半導体層を有している。これらの各層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ系の半導体により構成されている。コンタクト層２１２の表面には、上部電極（アノード電極）２１６および反射防止層として機能する絶縁体層２１４が設けられている。一方、基板層２０４の表面には、下部電極（カソード電極）２０２が設けられている。

ＤＢＲ層２０６は、層厚がそれぞれ０．２５λとされ且つ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。ここで、λは、発光層２０８から出射される光の真空中でのピーク波長λ_０を当該層の屈折率ｎで割った値（λ＝λ_０／ｎ）である。ＤＢＲ層２０６をこのように構成することで、ＤＢＲ層２０６と発光層２０８との界面に形成される反射面における、波長λ（λ_０）の光に対する反射率が最大となる。なお、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ系の半導体ではＡｌの組成に応じて半導体層の屈折率が変化する。本比較例では、ＤＢＲ層２０６は、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓによって構成される低屈折率層と、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される高屈折層とを交互に繰り返し積層して構成されている。

絶縁体層２１４は、半導体層の屈折率と空気の屈折率の中間の屈折率を有する絶縁体であるＳｉＯ_２によって構成されている。絶縁体層２１４は、半導体層と空気との屈折率差を緩和することによって光取り出し面における反射率を低減する反射防止層として機能する。これにより半導体発光素子２００における光取り出し効率が改善される。

絶縁体層２１４は、上記したように光取り出し面における反射率を低減する反射防止層として機能するが、絶縁体層２１４とコンタクト層２１２との屈折率差に起因してこれらの層の界面には、反射面が形成される。すなわち、発光層２０８は、絶縁体層２１４とコンタクト層２１２との界面に形成される上部反射面Ｒ１と、発光層２０８とＤＢＲ層２０６との界面に形成される下部反射面Ｒ２との間に配置され、共振器が構成されている。比較例に係る半導体発光素子２００においては、共振器長に相当する上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌ（すなわち、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間に挟まれる半導体層の層厚（発光層２０８、クラッド層２１０およびコンタクト層２１２の層厚の合計））が０．５λの整数倍とされている（Ｌ＝０．５ａλ 但しａは正の整数）。具体的には、本比較例では、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌ（発光層２０８、クラッド層２１０およびコンタクト層２１２の層厚の合計）が６λとされている。上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌをこのように設定することで、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間に定在波が生じ、発光層２０８において生成されたピーク波長λ_０の光が増幅されて外部に出射される。

発光層２０８は、ＳｉがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓにより構成されるｎ型のバリヤ層２０８ａ、ノンドープのＡｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ａｓにより構成される活性層２０８ｂ、ＺｎがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓにより構成されるｐ型のバリヤ層２０８ｃを積層して構成され、ピーク波長７８０ｎｍ程度の光を生成する。

図５（ａ）は、比較例に係る半導体発光素子２００の自然発光スペクトルを示す図である。自然発光スペクトルとは発光層２０８の組成によって定まるスペクトルである。図５（ａ）に示すように、半導体発光素子２００の自然発光スペクトルの真空中でのピーク波長λ_０は、７８０ｎｍ程度である。

図５（ｂ）は、比較例に係る半導体発光素子２００の共振器スペクトル（実線）および出射光スペクトル（破線）を示す図である。共振器スペクトルとは、波長依存のない白色光を、半導体発光素子２００内に形成された共振器を介して外部に取り出した場合におけるスペクトルをいう。すなわち、共振器スペクトルは、半導体発光素子２００内に形成された共振器における波長選択性（光取り出し効率の波長依存性）を示すものである。

一方、出射光スペクトルとは、発光層２０８において生成された光が、半導体発光素子２００内に形成された共振器による光増幅作用を受けて外部に取り出される出射光のスペクトルをいう。出射光スペクトルは、自然発光スペクトルと共振器スペクトルとを掛け算することによって求められる。従って、共振器スペクトルが離散的にシャープであれば、自然発光スペクトルよりもシャープな出射光スペクトルが得られる。

上記したように、比較例に係る半導体発光素子２００は、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが６λに設定されているので、図５（ｂ）に示すように、自然発光スペクトルにおけるピーク波長λ_０（７８０ｎｍ）と一致する波長域にピークを有する共振器スペクトルが得られる。このように、自然発光スペクトルのピーク波長と共振器スペクトルのピーク波長とを一致させることで、当該ピーク波長に対する増幅作用が促進され、外部に取り出される光の量が増大する。

しかしながら、一般的な半導体発光素子の製造工程においては、ウェハ面内において半導体層の結晶成長速度に差が生じ、これによってウェハ面内で半導体層の層厚にばらつきが生じる。共振器スペクトルのピーク波長（波長選択性）は、半導体層の層厚（すなわち、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との距離）に応じて変化するので、半導体層の層厚にばらつきが生じた場合には、共振器スペクトルのピーク波長（波長選択性）にばらつきが生じることとなる。具体的には、半導体層の層厚が薄くなる方向に変動した場合には共振器スペクトルのピーク波長は短波長側にシフトし、半導体層の層厚が厚くなる方向に変動した場合には共振器スペクトルのピーク波長は長波長側にシフトする。つまり、半導体層の層厚が設計値どおりである場合には、自然発光スペクトルのピーク波長と共振器スペクトルのピーク波長とが一致するが、半導体層の層厚が設計値からずれた場合には、自然発光スペクトルのピーク波長と共振器スペクトルのピーク波長が不一致となり、その結果、半導体層の層厚が設計値どおりである場合と比較して光量が低下する。

ここで、図５（ｃ）は、比較例に係る半導体発光素子２００を構成する各半導体層の層厚が設計値から変動した場合における層厚変動率と、外部に取り出される光の量との関係をシミュレートした結果を示す図である。すなわち、図５（ｃ）において、横軸は、半導体発光素子２００を構成する半導体層の層厚の設計値からの変動率を示し、縦軸は半導体発光素子２００の外部に取り出される光の量（任意単位）を示す。図５（ｃ）に示すように、半導体発光素子２００から出射される光の量は、半導体層の層厚の設計値からの変動率が０％のときに最大となる。これは、半導体層の層厚が設計値どおりの場合には、自然発光スペクトルのピーク波長と共振器スペクトルのピーク波長とが一致するためである。一方、半導体層の層厚が設計値よりも薄くなった場合および厚くなった場合のいずれにおいても、層厚変動率が０％の場合と比較して光量が低下する。これは、半導体層の層厚が設計値からずれた場合には、自然発光スペクトルのピーク波長と共振器スペクトルのピーク波長とにずれが生じるためである。

さらに、比較例に係る半導体発光素子２００においては、共振器スペクトルの周囲温度変化に伴う波長シフト（以下、波長シフトの温度依存性と称する）は、０．１ｎｍ／℃程度であるのに対して、自然発光スペクトルの波長シフトの温度依存性は、０．２４ｎｍ／℃程度である。このように、共振器スペクトルの波長シフトの温度依存性と自然発光スペクトの波長シフトの温度依存性は互いに異なるので、周囲温度が変化した場合に、共振器スペクトルのピーク波長と、自然発光スペクトルのピーク波長との相対位置に変化が生じることとなる。このことは、層厚が互いに異なる２つの半導体発光素子は、周囲温度変化に対する光量変化の方向が互いに異なるという結果を招来する。具体的には、半導体層の層厚が設計値よりも薄い半導体発光素子においては、共振器スペクトルのピーク波長は、自然発光スペクトルのピーク波長よりも短波長側に位置する。この場合において、周囲温度が上昇すると、自然発光スペクトルのピーク波長は長波長側にシフトするので、共振器スペクトルのピーク波長と自然発光スペクトルのピーク波長とのずれ量はより大きくなる。従って、周囲温度の上昇に伴って、光量は低下する。一方、半導体層の層厚が設計値よりも厚い半導体発光素子においては、共振器スペクトルのピーク波長は、自然発光スペクトルのピーク波長よりも長波長側に位置する。この場合において、周囲温度が上昇すると、自然発光スペクトルのピーク波長は、長波長側にシフトするので、共振器スペクトルのピーク波長と自然発光スペクトルのピーク波長は近づいていく。従って、周囲温度の上昇に伴って、光量は増加する。

ここで、図５（ｃ）は、自然発光スペクトルを固定し、共振器スペクトルを長波長側および短波長側にシフトさせることによって算出された光量変化を示している。しかしながら、逆に共振器スペクトルを固定し、自然発光スペクトルを長波長側および短波長側に変化させた時の光量変化ともみなせる。従って、周囲温度が上昇して自然発光スペクトルが共振器スペクトルに対して長波長側にシフトするということは、半導体層の層厚が厚い方から薄い方へ変化したことと等価であると考えられる。

例えば、周囲温度が４０℃上昇した場合、自然発光スペクトルは共振器スペクトルに対して６ｎｍ程度長波長側にシフトする。自然発光スペクトルにおけるピーク波長を７８０ｎｍとすると６ｎｍのシフトは０．７７％の層厚変動に相当する。従って、ある層厚のばらつきの基準点から０．７７％だけ層厚を減らしたところの光量が、周囲温度が４０℃上昇した後の光量に対応する。すなわち、図５（ｃ）に示す曲線の各点における傾きの違いが温度に対する光量変化のばらつきに相当する。比較例に係る半導体発光素子２００の構造では、層厚ばらつきの中心において傾きが大きくなっていることから、温度変化に対して光量変化のばらつきが大きいことがシミュレーションからも予想される。

このように、共振器スペクトルのピーク波長と自然発光スペクトルのピーク波長とが一致するように構成された比較例に係る半導体発光素子２００では、半導体層の層厚のウェハ面内におけるばらつきが、出射される光量のばらつきを招くとともに、周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを助長する。

半導体発光素子２００を複数備えた発光素子アレイ５０を用いて光源ヘッド１６を構成した場合において、半導体発光素子毎に光量がばらつくと、得られる画像の画質に悪影響を及ぼすこととなる。半導体発光素子２００の光量のばらつきを抑制するためには、各半導体発光素子２００毎にリアルタイムに光量を調整する方法が考えられるが、この場合、別途光量を調整する機構等が必要となるため、コストの増大や装置の複雑化および大型化を招き、信頼性も低下してしまう。

以下に、本発明の実施形態に係る半導体発光素子について説明する。

[第１の実施形態]
図６は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子１００の断面図、図７は、半導体発光素子１００の各層の構成を示す図である。図７には、半導体発光素子１００を構成する各層のＡｌ組成比、層厚およびドーパントなどが示されている。図７において示される層厚は、基準波長λの倍数で示されている。ここで、λは、発光層から出射される光の真空中でのピーク波長（すなわち、自然発光スペクトルのピーク波長）λ_０を当該層の屈折率ｎで割った値（λ＝λ_０／ｎ）である（以下同じ）。つまりλは、発光層から発せられる光が当該層内を伝搬する際のピーク波長である。

半導体発光素子１００は、ＧａＡｓによって構成されるｎ型の基板層１０４を有している。基板層１０４上には、シリコンがドープされたＧａＡｓによって構成されるｎ型のバッファ層（図６において図示せず）が設けられている。バッファ層は、基板層１０４と、ＤＢＲ層１０６との間の格子不整合を緩和して結晶性を良好にするために設けられる。

バッファ層上には、ｎ型のＤＢＲ層１０６が設けられている。ＤＢＲ層１０６は、層厚がそれぞれ０．２５λとされ且つ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、ＤＢＲ層１０６は、ＳｉがドープされたＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓによって構成されるｎ型の低屈折率層と、ＳｉがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成されるｎ型の高屈折層とを交互に繰り返し積層することにより構成されている。本実施形態では、上記高屈折率層の合計の層数は１０層とされ、上記低屈折率層の合計の層数は１１層とされている。ＤＢＲ層１０６をこのように構成することで、ＤＢＲ層１０６と発光層１０８との界面に形成される反射面における波長λ（λ_０）の光に対する反射率が最大となる。

ＤＢＲ層１０６上には、発光層１０８が設けられている。発光層１０８は、ＤＢＲ層１０６側から順に、ＳｉがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される厚さ１．２５λのｎ型のバリヤ層１０８ａと、ノンドープのＡｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ａｓによって構成される厚さ１．００λの活性層１０８ｂと、ＺｎがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される厚さ１．２５λのｐ型のバリヤ層１０８ｃと、を積層することによって構成される。すなわち、発光層１０８は、バンドギャップが相対的に大きいｎ型バリヤ層１０８ａとｐ型のバリヤ１０８ｃとの間にバンドギャップが相対的に小さい活性層１０８ｂを挟むダブルヘテロ構造を有する。また、活性層１０８ｂのＡｌ組成を上記のように設定することで、活性層１０８ｂから出射される光のピーク波長（自然発光スペクトルのピーク波長λ_０）は、７８０ｎｍ程度となる。

発光層１０８上には、ＺｎがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される厚さ２．１０λのｐ型のクラッド層１１０が設けられている。また、クラッド層１１０上には、ＺｎがドープされたＧａＡｓによって構成される厚さ０．１５λのｐ型のコンタクト層１１２が設けられている。

コンタクト層１１２上には、コンタクト層１１２の屈折率（３．６程度）と空気の屈折率（１．０程度）の中間の屈折率を有する絶縁体により構成される厚さ１．２５λの絶縁体層１１４が設けられている。本実施形態では、絶縁体層１１４は屈折率が１．４５４程度の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって構成されている。絶縁体層１１４は、半導体層（コンタクト層１１２）と空気との屈折率差を緩和することによって光取り出し面における反射率を低減する反射防止層として機能する。これにより半導体発光素子１００における光取り出し効率が改善される。

また、コンタクト層１１２上には、上部電極（アノード電極）１１６が設けられている。上部電極１１６は、コンタクト層１１２との間でオーミック性接触を形成し得る材料が用いられる。具体的例としては、金（Ａｕ）や、金と亜鉛との合金（ＡｕＺｎ）、ニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。一方、基板層１０４の表面には、下部電極（カソード電極）１０２が設けられている。下部電極１０２を構成する材料として金（Ａｕ）や、金とゲルマニウムとの合金（ＡｕＧｅ）等が挙げられる。なお、半導体発光素子１００は、上部電極１１６が設けられている側の面が光取り出し面となる。

上記の構成を有する半導体発光素子１００においては、発光層１０８とＤＢＲ層１０６との界面に下部反射面Ｒ２が形成され、コンタクト層１１２と絶縁体層１１４との界面に上部反射面Ｒ１が形成されている。すなわち、発光層１０８は、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間に位置しており、これによって共振型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）が構成されている。

本実施形態に係る半導体発光素子１００は、共振器長に相当する上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌ（すなわち、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間に挟まれる半導体層の層厚（発光層１０８、クラッド層１１０およびコンタクト層１１２の層厚の合計））が下記の式（１）を満たすように構成されている。

Ｌ＝０．２５λ＋０．５ａλ （但し、ａは正の整数）・・・（１）
すなわち、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌは、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０に対する共振条件である０．５ａλから０．２５λだけシフトさせた値に設定されている。本実施形態では、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間に挟まれた半導体層の層厚（発光層１０８、クラッド層１１０およびコンタクト層１１２の層厚の合計）は、５．７５λ（ａ＝１１）とされており、上記式（１）を満たす。

更に、本実施形態に係る半導体発光素子１００では、絶縁体層１１４の層厚ｔ_ｉが下記の式（２）を満たすように設定されている。

ｔ_ｉ＝０．２５λ＋０．５ｂλ （但し、ｂは正の整数）・・・（２）
絶縁体層１１４の層厚ｔ_ｉをこのように設定することで、絶縁体層１１４とコンタクト層１１２との界面で反射される光の位相と、絶縁体層１１４と空気との界面で反射される光の位相が０．５λずれるので、絶縁体層１１４による反射防止効果が最大となる。さらに、絶縁体層１１４の上面と下部反射面Ｒ２との距離（すなわち、発光層１０８、クラッド層１１０、コンタクト層１１２および絶縁体層１１４の層厚の合計）が波長λ_０に対する共振条件を満たす０．５λの整数倍となる。本実施形態では、絶縁体層１１４の層厚は１．２５λ（ｂ＝２）とされており、上記式（２）を満たす。

ここで、図８（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１００の共振器スペクトル（実線）および出射光スペクトル（破線）を示す図である。なお、半導体発光素子１００の自然発光スペクトルは、発光層の構成が同一である比較例に係る半導体発光素子２００と同一であり、ピーク波長λ_０（真空中）は、７８０ｎｍ程度である（図５（ａ）参照）。

本実施形態に係る半導体発光素子１００では、上記したように上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌは、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０に対する共振条件である０．５ａλから０．２５λだけシフトさせた値に設定されている。これにより、半導体発光素子１００内に形成される共振器におけるピーク波長λ_０に対する波長選択性（光取り出し効率）が比較例に係る半導体発光素子２００よりも低下する。つまり、図８（ａ）に示すように、共振器スペクトルのピーク波長と、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０（≒７８０ｎｍ）とは、不一致となる。上記の式（１）を満たすように、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌを設定することにより、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０（≒７８０ｎｍ）よりも短波長側および長波長側に共振器スペクトルのピークが出現する。このように、共振器スペクトルにおいて、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０を間に挟む波長域に２つのピークが出現するのは、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌを上記の式（１）を満たすように設定することにより、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間に位相が互いに異なる複数の定在波が生じ、光が外部に取り出される際に、これらが干渉するためと考えられる。なお、出射光スペクトルは、上記したように、自然発光スペクトルと共振器スペクトルとを掛け算することにより求められる。本実施形態に係る半導体発光素子１００では、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０よりも短波長側および長波長側に共振器スペクトルのピークが存在するので、出射光スペクトルの形状は、比較例に係る半導体発光素子２００よりもブロードとなる。

図８（ｂ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１００を構成する各半導体層の層厚が設計値から変動した場合における層厚変動率と、外部に取り出される光の量との関係をシミュレートした結果を示す図である。図８（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１００によれば、半導体層の層厚変動に対する光量変化が比較例に係る半導体発光素子２００よりも小さくなる。特に、半導体層の層厚の変動率が±２％の範囲内における光量変化の低下が著しい。このように、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０よりも短波長側および長波長側に共振器スペクトルのピークを形成することにより、半導体層の層厚変動に対する光量変化が抑制されるのは、以下の理由による。

すなわち、半導体層の層厚が厚くなる方向に変動すると、共振器スペクトルは長波長側にシフトする。その結果、共振器スペクトルの短波長側のピーク波長は自然発光スペクトルのピーク波長に近づく一方、共振器スペクトルの長波長側のピーク波長は自然発光スペクトルのピーク波長から遠ざかる。従って、半導体層の層厚変動に伴う光量変化は抑制される。一方、半導体層の層厚が薄くなる方向に変動すると、共振器スペクトルは短波長側にシフトする。その結果、共振器スペクトルの長波長側のピーク波長は自然発光スペクトルのピーク波長に近づく一方、共振器スペクトルの短波長側のピーク波長は自然発光スペクトルのピーク波長から遠ざかる。従って、半導体層の層厚変動に伴う光量変化は抑制される。

また、本実施形態に係る半導体発光素子によれば、周囲温度が変化して自然発光スペクトルのピーク波長が長波長側または短波長側のいずれの方向にシフトした場合でも、自然発光スペクトルのピーク波長は、共振器スペクトルにおける一方のピーク波長に近づく一方、他方のピーク波長から遠ざかる。その結果、周囲温度変化に対する光量変化が抑制される。更に、半導体層の層厚が設計値よりも厚い場合と薄い場合とで、周囲温度が変化に対する光量変化の態様が近似する。すなわち、半導体層の層厚ばらつきや、周囲温度変化に対する光量変化のばらつきが抑制される。

このように、本実施形態に係る半導体発光素子１００によれば、半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを、従来よりも抑制した半導体発光素子が提供される。これにより、複数の半導体発光素子１００を用いて発光素子アレイ５０および光源ヘッド１６を構成することで、半導体発光素子１００毎にリアルタイムに光量を調整するための機構が不要となり、コスト増大や装置の複雑化および大型化が回避される。

[第２の実施形態]
図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の各層の構成を示す図である。図９には、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を構成する各層のＡｌ組成比、層厚およびドーパントなどが示されている。図９において示される層厚は、基準波長λの倍数で示されている。なお、第２の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１００と同一であるので、図６も参照して本実施形態に係る半導体発光素子について説明する。

第１の実施形態に係る半導体発光素子１００では、反射防止層として機能する絶縁体層１１４がＳｉＯ_２で構成されていたのに対して、第２の実施形態に係る半導体発光素子では、絶縁体層１１４は、屈折率がＳｉＯ_２よりも大きい窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）で構成されている。なお、ＳｉＮ_ｘの屈折率は、１．９９０程度である。第２の実施形態に係る半導体発光素子における絶縁体層１１４以外の構成は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１００と同一である。

第２の実施形態に係る半導体発光素子は、絶縁体層１１４とコンタクト層１１２との界面において形成される上部反射面Ｒ１と、ＤＢＲ層１０６と発光層１０８との界面において形成される下部反射面Ｒ２とを有し、これによって共振型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）を構成している。また、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが、上記式（１）を満たすように各半導体層の層厚が設定され（Ｌ＝５．７５λ）、また、絶縁体層１１４の層厚ｔ_ｉは、上記式（２）を満たすように構成されている（ｔ_ｉ＝１．２５λ）。

図１０（ａ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の共振器スペクトル（実線）および出射光スペクトル（破線）を示す図である。なお、第２の実施形態に係る半導体発光素子の自然発光スペクトルは、発光層の構成が同一である比較例に係る半導体発光素子２００と同一であり、ピーク波長λ_０（真空中）は、７８０ｎｍ程度である（図５（ａ）参照）。第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成によれば、共振器スペクトルにおいて、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０（≒７８０ｎｍ）と一致する波長域に、その両側に形成されるピークよりも小さいピークが出現する。すなわち、ＳｉＯ_２よりも屈折率の大きいＳｉＮ_ｘで絶縁体層１１４を構成することで、波長λ_０（≒７８０ｎｍ）に対する波長選択性（光取り出し効率）が、第１の実施形態に係る半導体発光素子よりも向上したものと考えられる。その結果、比較例および第１の実施形態に係る半導体発光素子よりもフラットな共振器スペクトルが得られる。

このように、絶縁体層１１４を屈折率のより大きい材料で構成することにより、共振器スペクトルにおいて、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０と一致する波長域にピークが出現する理由は以下のとおりである。すなわち、絶縁体層１１４の屈折率が大きくなると、絶縁体層１１４と半導体層（コンタクト層１１２）との間の屈折率差は小さくなる一方、絶縁体層１１４と空気との間の屈折率差は大きくなる。これにより、絶縁体層１１４と空気との界面における反射率が大きくなり、絶縁体層１１４の上面を上部反射面とし、ＤＢＲ層１０６と発光層１０８との界面を下部反射面とする新たな共振器が構成される。この共振器の上部反射面と下部反射面との距離（すなわち、発光層１０８、クラッド層１１０、コンタクト層１１２および絶縁体層１１４の層厚の合計）は、本実施形態では７λとなり、ピーク波長λ_０に対する共振条件を満たすので、上記共振器において波長λ_０に対する波長選択性（光取り出し効率）が助長される。

図１０（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子を構成する各半導体層の層厚が設計値から変動した場合における層厚変動率と、外部に取り出される光の量との関係をシミュレートした結果を示す図である。第２の実施形態に係る半導体発光素子によれば、比較例および第１の実施形態に係る半導体発光素子よりもフラットな共振器スペクトルが得られるので、半導体層の層厚の変化に対する光量変化が比較例および第１の実施形態に係る半導体発光素子よりも小さくなる。

また、第２の実施形態に係る半導体発光素子によれば、周囲温度が変化して自然発光スペクトルのピーク波長が長波長側または短波長側のいずれの方向にシフトした場合でも自然発光スペクトルのピーク波長は、共振器スペクトルにおける一方のピーク波長に近づく一方、共振器スペクトルにおける他方のピーク波長から遠ざかる。その結果、周囲温度変化に対する光量変化が抑制される。更に、半導体層の層厚が設計値よりも厚い場合と薄い場合とで、周囲温度が変化に対する光量変化の態様が近似する。すなわち、半導体層の層厚ばらつきに起因する、周囲温度変化に対する光量変化のばらつきが抑制される。これにより、第２の実施形態に係る半導体発光素子を備えた発光素子アレイ５０または光源ヘッド１６では、半導体発光素子毎にリアルタイムに光量を調整するための機構が不要となり、コスト増大や装置の複雑化および大型化が回避される。

[第３の実施形態]
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子１００ａの断面図、図１２は、半導体発光素子１００ａの各層の構成を示す図である。図１２には、半導体発光素子１００ａを構成する各層のＡｌ組成比、層厚およびドーパントなどが示されている。図１２において示される層厚は、基準波長λの倍数で示されている。

第３の実施形態に係る半導体発光素子１００ａは、コンタクト層１１２上に形成される絶縁体層１１４が、屈折率が互いに異なる第１の絶縁体層１１４ａと第２の絶縁体層１１４ｂとを積層して構成されている点が、上記第１および第２の実施形態に係る半導体発光素子と異なる。第３の実施形態に係る半導体発光素子１００ａにおいて、絶縁体層１１４以外の構成は、上記した第１および第２の実施形態と同一である。コンタクト層１１２と接する第１の絶縁体層１１４ａは、屈折率が相対的に大きいＳｉＮ_ｘ（屈折率１．９９０）により構成されている。第１の絶縁体層１１４ａ上に形成される第２の絶縁体層１１４ｂは、屈折率が相対的に小さいＳｉＯ_２（屈折率１．４５４）により構成される。第１の絶縁体層１１４ａの層厚と第２の絶縁体層１１４ｂの層厚を合計した反射防止層１１４全体の層厚は、上記の式（２）を満たす１．２５λとされている。更に本実施形態では、屈折率が相対的に小さい第２の絶縁体層１１４ｂの層厚を、屈折率が相対的に大きい第１の絶縁体層１１４ａの層厚よりも大きくしている。具体的には、第１の絶縁体層１１４ａの層厚は、０．２５λに設定され、第２の絶縁体層１１４ｂの層厚は、１．００λに設定されている。

第３の実施形態に係る半導体発光素子１００ａによれば、絶縁体層１１４をＳｉＮ_ｘ単層で構成した第２の実施形態に係る半導体発光素子に近い光学特性が得られる。すなわち、第３の実施形態に係る半導体発光素子１００ａによれば、半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを、従来よりも抑制した半導体発光素子、光源ヘッドおよび画像形成装置が提供される。

また、第３の実施形態に係る半導体発光素子によれば、絶縁体層１１４がＳｉＮ_ｘ層とＳｉＯ_２層とを含む積層構造とされるので、絶縁体層１１４をＳｉＮ_ｘ単層で構成する場合と比較して、所望の光学膜厚を得るために必要とされる物理膜厚が厚くなる。従って、絶縁体層１１４の耐圧性能が改善される。また、絶縁体層１１４を高屈折率層と低屈折率層の積層構造とすることで、絶縁体層１１４を高屈折率層の単層構造とした場合よりも高屈折率層を薄く形成することができ、これによって絶縁体層１１４全体の層厚ばらつきによる光学的な影響が低減される。また、絶縁体層を多層構造とすることでプロセスの自由度が広がるという効果が得られる。

[第４の実施形態]
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子１００ｃの断面図、図１４は、半導体発光素子１００ｃの各層の構成を示す図である。図１４には、半導体発光素子１００ｃを構成する各層のＡｌ組成比、層厚およびドーパントなどが示されている。図１４において示される層厚は、基準波長λの倍数で示されている。

第４の実施形態に係る半導体発光素子１００ｃは、ｐｎｐｎ構造を有する半導体層を含むサイリスタ型の発光ダイオードを構成するものである。以下、半導体発光素子１００ｃの構成について説明する。

半導体発光素子１００ｃは、ＧａＡｓによって構成されるｐ型の基板層１３４を有している。基板層１３４上には、ＺｎがドープされたＧａＡｓによって構成されるｐ型のバッファ層（図１３において図示せず）が設けられている。バッファ層は、基板層１３４と、ＤＢＲ層１３６との間の格子不整合を緩和して結晶性を良好にするために設けられる。

バッファ層上には、ｐ型のＤＢＲ層１３６が設けられている。ＤＢＲ層１３６は、層厚がそれぞれ０．２５λとされ且つ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、ＤＢＲ層１３６は、ＺｎがドープされたＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓによって構成されるｐ型の低屈折率層と、ＺｎがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成されるｐ型の高屈折層とを交互に繰り返し積層することにより構成されている。本実施形態では、上記高屈折率層の合計の層数は１０層とされ、上記低屈折率層の合計の層数は１１層とされている。ＤＢＲ層１３６をこのように構成することで、ＤＢＲ層１３６と発光層１３８との界面に形成される反射面における、波長λ（λ_０）の光に対する反射率が最大となる。

ＤＢＲ層１３６上には、発光層１３８が設けられている。発光層１３８は、ＤＢＲ層１３６側から順に、ＳｉがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される厚さ１．２５λのｎ型のバリヤ層１３８ａと、ノンドープのＡｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ａｓによって構成される厚さ１．００λの活性層１３８ｂと、ＺｎがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される厚さ１．２５λのｐ型のバリヤ層１３８ｃと、を積層することによって構成される。このように、発光層１３８は、バンドギャップが相対的に大きいｎ型のバリヤ層１３８ａとｐ型のバリヤ１３８ｃとの間にバンドギャップが相対的に小さい活性層１３８ｂを挟むダブルヘテロ構造を有する。また、活性層１３８ｂのＡｌ組成を上記のように設定することで、活性層１３８ｂから出射される光のピーク波長（自然発光スペクトルのピーク波長λ_０）は、７８０ｎｍ程度となる。なお、本実施形態においては、ｐ型のバリヤ層１３８ｃは、上記したｐｎｐｎ構造を有するサイリスタのゲート層としても機能する。

発光層１３８上には、ＳｉがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される厚さ２．１０λのｎ型のクラッド層１４０が設けられている。また、クラッド層１４０上には、ＳｉがドープされたＧａＡｓによって構成される厚さ０．１５λのｎ型のコンタクト層１４２が設けられている。

コンタクト層１４２上には、コンタクト層１４２の屈折率（３．６程度）と空気の屈折率（１．０程度）との中間の屈折率を有する絶縁体により構成される厚さ１．２５λの絶縁体層１４４が設けられている。本実施形態では、絶縁体層１４４はＳｉＮ_Ｘによって構成されている。絶縁体層１４４は、半導体層と空気との屈折率差を緩和することによって光取り出し面における反射率を低減する反射防止層として機能する。これにより半導体発光素子１００ｃにおける光取り出し効率が改善される。

また、コンタクト層１１２上には、カソード電極１４６が設けられている。一方、基板層１３４の表面には、アノード電極１３２が設けられている。さらに、本実施形態に係る半導体発光素子１００ｃにおいては、コンタクト層１４２およびクラッド層１４０を部分的に除去することによって表出したゲート層を兼ねるｐ型のバリヤ層１３８ｃの表面にゲート電極１４８が設けられている。カソード電極１４６、アノード電極１３２およびゲート電極１４８は、これらと接する半導体層との間でオーミック性接触を形成し得る材料が用いられる。具体的例としては、金（Ａｕ）や、金とゲルマニウムとの合金（ＡｕＧｅ）、金と亜鉛との合金（ＡｕＺｎ）、ニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。

上記の構成を有する半導体発光素子１００ｃにおいては、発光層１３８とＤＢＲ層１３６との界面に下部反射面Ｒ２が形成され、コンタクト層１４２と絶縁体層１４４との界面に上部反射面Ｒ１が形成され、これによって共振型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）が構成されている。本実施形態に係る半導体発光素子１００ｃにおいては、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌ（すなわち、発光層１３８、クラッド層１４０およびコンタクト層１４２の層厚の合計）は、５．７５λとされており、上記の式（１）を満たす。また、反射防止層１４４の層厚ｔ_ｉが１．２５λとされており上記の式（２）を満たす。従って、半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを、従来よりも抑制した半導体発光素子、光源ヘッドおよび画像形成装置が提供される。

［第５の実施形態］
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子１００ｄの断面図、図１６は、半導体発光素子１００ｄの各層の構成を示す図である。図１６には、半導体発光素子１００ｄを構成する各層のＡｌ組成比、層厚およびドーパントなどが示されている。図１６において示される層厚は、基準波長λの倍数で示されている。

第５の実施形態に係る半導体発光素子１００ｄは、ｐｎｐｎ構造を有する半導体層を含むサイリスタ型の発光ダイオードを構成するものである。第５の実施形態に係る半導体発光素子１００ｄは、発光層１３８を構成するｐ型のバリヤ層１３８ｃとクラッド層１４０との間に位相シフト層１５０が設けられている点およびクラッド層１４０の層厚が１．１λとなっている点が第４の実施形態に係る半導体発光素子１００ｃと異なる。その他の構成は、上記第４の実施形態に係る半導体発光素子１００ｃと同一である。

位相シフト層１５０は、ＳｉがドープされたＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓによって構成される層厚０．２５λの低屈折率層１５０ａと１５０ｃとの間にＳｉがドープされたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓによって構成される層厚０．５λの高屈折率層１５０ｂを挟んだ３層構造を有している。かかる積層構造により、位相シフト層１５０は、位相が互いに異なる複数の定在波を半導体層内に生じさせる機能を持つ。

上記の構成を有する半導体発光素子１００ｄにおいては、発光層１３８とＤＢＲ層１３６との界面に下部反射面Ｒ２が形成され、コンタクト層１４２と反射防止層１４４との界面に上部反射面Ｒ１が形成され、これによって共振型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）が構成されている。本実施形態に係る半導体発光素子１００ｄにおいては、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌ（すなわち、発光層１３８、位相シフト層１５０、クラッド層１４０およびコンタクト層１４２の層厚の合計）は、５．７５λとされており、上記の式（１）を満たす。また、絶縁体層１４４の層厚ｔ_ｉが１．２５λとされており上記の式（２）を満たす。従って、半導体層の層厚変動や周囲温度変化に対する光量変化および周囲温度変化に対する光量変化のばらつきを、従来よりも抑制した半導体発光素子、光源ヘッドおよび画像形成装置が提供される。

なお、上記各実施形態に係る半導体発光装置の構成は、組み合わせてもよい。また、上記各実施形態では、本発明をＡｌＧａＡｓ系半導体を含む発光素子に適用する場合を示したが、これに限定されるものではなく、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ系半導体、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＩｎＧａＮ系半導体等を含む発光素子に適用してもよい。

また、各実施形態では、上記の式（１）に示すように、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌを、自然発光スペクトルのピーク波長λ_０に対する共振条件である０．５λの整数倍（０．５ａλ）から０．２５λだけシフトさせた値に設定する場合を示したが、共振条件からのシフト量が０．２５λから±０．０５λずれたとしても、上記各実施形態に係る半導体発光素子によって奏される効果に実質的な影響はない。

ここで、図１７（ａ）は、反射防止層として機能する絶縁体層をＳｉＯ_２とした場合において、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが式（１）を満たす状態から変動した場合の光量ばらつきをシミュレートした結果を示す図である。図１７（ａ）において横軸は、距離Ｌにおける式（１）からの変化量を示す。つまり、横軸の０は、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが上記の式（１）を満している状態であり、共振条件からのシフト量が０．２５λとなっている状態である。なお、図１７（ａ）において、層厚変化量±０．２５λは、上記した比較例に係る半導体発光素子に対応する。図１７（ａ）において縦軸は、図１７（ｂ）に示すように、半導体層の層厚が±２．５％変動した範囲での光量の最大値と最小値との差の平均光量に対する割合を示す。

図１７に示すように、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが式（１）を満たす状態から±０．２５λ変動した場合（比較例に係る半導体発光素子に対応）の光量ばらつきは、２０％以上である。これに対し、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが式（１）を満たす場合（本発明の各実施形態に係る半導体発光装置に対応）には、光量ばらつきは、前者の場合の３分の１以下の６．４％となる。ただし、上記の評価において光量ばらつきを１０％以下に収めれば実使用上の影響はないものと考えられる。上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌが式（１）を満たす状態から±０．０５λ変動したとしても光量ばらつきは８．９％以下となるので、距離Ｌにおける式（１）を満たす状態からの±０．０５λの変動は許容される。以上より、上部反射面Ｒ１と下部反射面Ｒ２との間の距離Ｌを下記の範囲に設定し得る。

０．２０λ＋０．５ａλ≦Ｌ≦０．３０λ＋０．５ａλ （但し、ａは任意の正の整数）
また、各実施形態では、上記の式（２）に示すように、反射防止層として機能する絶縁体層の層厚ｔ_ｉを、０．５λの整数倍（０．５ｂλ）から０．２５λだけシフトさせた値に設定する場合を示したが、シフト量が０．２５λから±０．１λずれたとしても、上記各実施形態に係る半導体発光素子によって奏される効果に実質的な影響はない。従って、絶縁体層の層厚ｔ_ｉを下記の範囲に設定することがし得る。

０．１５λ＋０．５ｂλ≦ｔ_１≦０．３５λ＋０．５ｂλ （但し、ｂは任意の正の整数）
また、各実施形態では、反射防止層として機能する絶縁体層をＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘおよびこれらの積層膜で構成する場合を例示したが、屈折率が１．４以上且つ３以下の他の絶縁体を使用してもよい。絶縁体層による反射防止機能を高めるためには、絶縁体層の屈折率が１．８以上且つ２．２以下であることが好ましい。なお、ＳｉＯ_２相当の効果を得るためには、屈折率が１．４５以上であることが好ましい。また、ＳｉＮ_ｘと相当の効果を得るためには、屈折率が１．８以上且つ２．２以下であることが好ましく、候補材料としてＣｅＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＺｒＯ等が挙げられる。

１０ 画像形成装置
１６ 光源ヘッド
５０ 発光素子アレイ
１００、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ 半導体発光素子
１０４、１３４ 基板層
１０６、１３６ ＤＢＲ層
１０８、１３８ 発光層
１１０、１４０ クラッド層
１１２、１４２ コンタクト層
１１４、１４４ 絶縁体層
１１４ａ 第１の絶縁体層
１１４ｂ 第２の絶縁体層
Ｒ１ 上部反射面
Ｒ２ 下部反射面

Claims (9)

1. 発光層を含む半導体層と、
   前記半導体層を間に挟む上部反射面および下部反射面と、を含み、
   前記発光層から発せられる光の前記半導体層内におけるピーク波長をλ、任意の正の整数をａとしたとき、前記上部反射面と前記下部反射面との間の距離Ｌが、
   ０．２０λ＋０．５ａλ≦Ｌ≦０．３０λ＋０．５ａλ
   を満たす半導体発光素子。
2. 前記半導体層の表面に設けられ且つ前記半導体層の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有する絶縁体層を更に含み、
   前記半導体層と前記絶縁体層との界面が前記上部反射面を形成している請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 任意の正の整数をｂとしたとき、前記絶縁体層の層厚ｔ_１が、
   ０．１５λ＋０．５ｂλ≦ｔ_１≦０．３５λ＋０．５ｂλ
   を満たす請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記絶縁体層は、前記半導体層と接する相対的に屈折率の大きい第１の絶縁体層と、前記第１の絶縁体層上に設けられた相対的に屈折率の小さい第２の絶縁体層とを含む請求項２または３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第２の絶縁体層の層厚は、前記第１の絶縁体層の層厚よりも大である請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記半導体層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを含み、
   前記絶縁体層は、屈折率が１．８以上且つ２．２以下の材料で構成されている請求項２乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 屈折率が互いに異なる複数の層を積層して構成され且つ前記半導体層と接する多層膜反射鏡を更に含み、
   前記半導体層と前記多層膜反射鏡との界面が前記下部反射面を形成している請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体発光素子を複数含む発光素子アレイと、
   前記半導体発光素子の各々から出射される光を露光面に集光する光学系と、
   を含む光源ヘッド。
9. 請求項８に記載の光源ヘッドと、
   前記光源ヘッドから出射される光によって表面に静電潜像が形成される感光体と、
   前記感光体に形成された静電潜像を現像してトナー像を形成する現像部と、
   前記感光体に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写部と、
   を含む画像形成装置。