JP2021097184A - 発光サイリスタ、光プリントヘッド、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光サイリスタの光取り出し効率を向上させる。【解決手段】発光サイリスタ１００は、Ｎ型の第１半導体層１０１と、Ｐ型の第２半導体層１０２と、Ｎ型の第３半導体層１０３と、Ｐ型の第４半導体層１０４とを含み、第１半導体層１０１、第２半導体層１０２、第３半導体層１０３、及び第４半導体層１０４が順に積層されている発光素子部１０５を有する。発光素子部１０５は、第１半導体層１０１、第２半導体層１０２、第３半導体層１０３、及び第４半導体層１０４に平行な回折格子部（回折格子１０９）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、発光サイリスタ、光プリントヘッド、及び画像形成装置に関するものである。

ライン状に配列された複数の発光サイリスタを有する光プリントヘッドを用いた電子写真方式の画像形成装置が普及している。例えば、特許文献１を参照。

特開２０１５−１０９４１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている発光サイリスタでは、発光層であるＰ型ゲート層の屈折率がＰ型ゲート層に隣接する層であるＮ型カソード層及びＮ型ゲート層の屈折率よりも大きいため、Ｐ型ゲート層とこれに隣接する層との界面で、Ｐ型ゲート層で発生した光の一部が全反射する。このため、全反射した光を外部に取り出すことができず、光取り出し効率を上げることができないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、発光サイリスタの光取り出し効率を向上させることを目的とする。

本発明の一態様に係る発光サイリスタは、第１導電型の第１半導体層と、前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層と、前記第１導電型の第３半導体層と、前記第２導電型の第４半導体層とを含み、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層、及び前記第４半導体層が順に積層されている発光素子部を有する。前記発光素子部は、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層、及び前記第４半導体層に平行な回折格子部を含む。

本発明によれば、発光サイリスタの光取り出し効率を向上させることができる。

第１の実施形態に係る発光サイリスタの構造を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る発光サイリスタ及び発光サイリスタアレイの構造を概略的に示す平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子の一部を拡大して示す平面図及び断面図である。 （Ａ）から（Ｆ）は、第１の実施形態に係る発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。 第１の実施形態に係る発光サイリスタのＡｌ組成比及び屈折率の例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子の機能を示す図である。 第２の実施形態に係る発光サイリスタの構造を概略的に示す断面図である。 （Ａ）から（Ｆ）は、第２の実施形態に係る発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。 第３の実施形態に係る発光サイリスタの構造を概略的に示す断面図である。 （Ａ）から（Ｆ）は、第３の実施形態に係る発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。 （Ａ）から（Ｄ）は、第３の実施形態に係る発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子の機能を示す図である。 第４の実施形態に係る発光サイリスタの構造を概略的に示す断面図である。 （Ａ）から（Ｆ）は、第４の実施形態に係る発光サイリスタの製造プロセスを示す断面図である。 第５の実施形態に係る光プリントヘッドの発光サイリスタアレイを示す概略平面図である。 第５の実施形態に係る光プリントヘッドの発光サイリスタアレイを示す概略斜視図である。 第５の実施形態に係る光プリントヘッドを概略的に示す断面図である。 第６の実施形態に係る画像形成装置を概略的に示す断面図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る発光サイリスタ、光プリントヘッド、及び画像形成装置を、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

《１》第１の実施形態
図１は、第１の実施形態に係る発光サイリスタ１００の構造を概略的に示す断面図である。図２は、発光サイリスタ１００及び発光サイリスタアレイ５１０の構造を概略的に示す平面図である。図１は、図２の構造をＩ−Ｉ線で切る断面を示している。

発光サイリスタ１００は、基材部１１０と、基材部１１０上に配置された半導体積層構造である発光素子部１０５とを有する。基材部１１０は、例えば、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）で形成される半導体層である。発光素子部１０５は、第１導電型の第１半導体層としてのＰ型アノード層１０１と、第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層としてのＮ型ゲート層１０２と、第１導電型の第３半導体層としてのＰ型ゲート層１０３と、第２導電型の第４半導体層としてのＮ型カソード層１０４とを含む。基材部１１０上には、Ｐ型アノード層１０１、Ｎ型ゲート層１０２、Ｐ型ゲート層１０３、及びＮ型カソード層１０４が、この順に積層されている。また、発光素子部１０５は、半導体層の一部として形成されている回折格子部としての回折格子１０９を含む。回折格子１０９は、例えば、Ｐ型アノード層１０１、Ｎ型ゲート層１０２、Ｐ型ゲート層１０３、及びＮ型カソード層１０４に平行な層である。回折格子１０９は、発光素子部１０５内においてエバネッセント光が存在する場所に配置される。第１の実施形態では、回折格子１０９は、Ｎ型ゲート層１０２内においてＰ型ゲート層１０３に接する位置に形成されている反射型回折格子（第１の回折格子）である。

発光素子部１０５を構成する半導体材料は、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・ヒ素）系半導体材料である。発光素子部１０５を構成する半導体材料として、ＩｎＰ（インジウム・リン）系半導体材料、ＡｌＩｎＧａＰ（アルミニウム・インジウム・ガリウム・リン）系半導体材料、又はＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体材料などの他の半導体材料を用いることもできる。

また、発光サイリスタ１００は、Ｐ型アノード層１０１に電気的に接続されている第１電極としてのアノード電極１０６と、Ｐ型ゲート層１０３に電気的に接続されている第２電極としてのゲート電極１０８と、Ｎ型カソード層１０４に電気的に接続されている第３電極としてのカソード電極１０７とを有する。

図２には、基材部１１０上に備えられたカソード接続パッド１１７、ゲート接続パッド１１８、及び外部接続パッド１５０が示されている。ただし、図２には、発光素子部１０５上の絶縁層、カソード電極１０７とカソード接続パッド１１７とを接続する配線層、及びゲート電極１０８とゲート接続パッド１１８とを接続する配線層は示されていない。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子１０９の一部を拡大して示す平面図及び断面図である。回折格子１０９は、規則的に配列された複数の凹部（すなわち、穴部）１０９ａを有する２次元回折格子である。複数の凹部１０９ａのうちの互いに隣接する凹部の中心位置の間隔である格子間隔Ｌは、発光素子部１０５内において発生する光の発光中心波長λより小さく、発光中心波長λを回折格子を構成する発光層（実施の形態１では、Ｐ型ゲート層１０３）の屈折率ｎで割ることで得られた長さλ／ｎより大きいことが望ましい。つまり、回折格子１０９は、以下の式（１）の条件を満たすことが望ましい。
λ／ｎ＜Ｌ＜λ （１）
なお、λは、例えば、７６０ｎｍであり、ｎは、例えば、３．６１である。

また、回折格子１０９の複数の凹部１０９ａの開口の面積の総和は、回折格子１０９の面積の５０％以下であることが望ましい。これは、複数の凹部１０９ａの開口の面積の総和が、５０％以上になると、Ｎ型ゲート層１０２とＰ型ゲート層との間の電気抵抗が大きくなり過ぎるからである。

また、回折格子１０９の凹部１０９ａの深さＤは、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが望ましい。深さＤが１５０ｎｍ以下であることが望ましい理由は、深さＤが大きすぎる場合には、Ｎ型ゲート層１０２の電気抵抗値が大きくなり過ぎるからである。なお、図３（Ａ）には、複数の凹部１０９ａは、正方形の頂点上に配置される正方格子配列が示されているが、複数の凹部１０９ａは、正三角形の頂点上に配置された三角格子配列であってもよい。

図４（Ａ）から（Ｆ）は、発光サイリスタ１００の製造プロセスを示す断面図である。先ず、図４（Ａ）に示されるように、基材部１１０上にＰ型アノード層１０１及びＮ型ゲート層１０２を順に形成する。次に、図４（Ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＮ型ゲート層１０２の表面を加工することで凹部１０９ａ（図３）を有する回折格子１０９を形成する。

次に、図４（Ｃ）に示されるように、別基板である成長基材１２０上に犠牲層１２１、Ｐ型ゲート層１０３、及びＮ型カソード層１０４を順に形成し、図４（Ｄ）に示されるように、犠牲層１２１をエッチングすることによりＰ型ゲート層１０３及びＮ型カソード層１０４からなる半導体薄膜（例えば、エピタキシャル成長膜）を成長基材１２０から分離する。

次に、図４（Ｂ）の回折格子１０９上に、図４（Ｄ）のＰ型ゲート層１０３及びＮ型カソード層１０４からなる半導体薄膜を張り合わせ、高温処理を行うことによって、図４（Ｅ）に示される構造を得る。張り合わせ後の高温処理は、強固な接合を得ることによって貼り合わせ界面の電気抵抗値を小さくするために行われる。高温処理は、例えば、４５０℃以上の処理であることが望ましい。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図４（Ｆ）に示される半導体構造を形成し、その後、アノード電極１０６、カソード電極１０７、及びゲート電極１０８を形成する。

図５は、発光サイリスタ１００のＡｌ組成比及び屈折率の例を示す図である。図５には、発光サイリスタ１００がＡｌＧａＡｓ系半導体である。屈折率は、Ａｌ組成比が高いほど高くなる。図５の例では、Ｐ型ゲート層１０３の屈折率が３．６１であり、Ｎ型ゲート層１０２の屈折率が３．５３、Ｎ型カソード層１０４の屈折率が３．５０である例が示されている。ただし、これらは、屈折率の例に過ぎない。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子１０９の機能を示す図である。図６（Ａ）は、回折格子を有していない比較例の発光サイリスタのＰ型ゲート層で発生した光のうちの、Ｐ型ゲート層内で全反射を繰り返してＰ型ゲート層内を伝搬する光線を示す。図６（Ｂ）は、第１の実施形態に係る発光サイリスタ１００のＰ型ゲート層１０３で発生した光のうちの、Ｐ型ゲート層１０３内で全反射し、回折格子１０９で反射角を変えて、Ｐ型ゲート層１０３とＮ型カソード層１０４の臨界角以下の光となり、Ｐ型ゲート層１０３から取り出される光線を示す。図６（Ｂ）に示されるように、Ｐ型ゲート層１０３とＮ型カソード層１０４の界面での反射を抑制することができる。

以上に説明したように、第１の実施形態に係る発光サイリスタ１００によれば、Ｎ型ゲート層１０２に、Ｐ型ゲート層１０３との界面に接する回折格子１０９を設けたので、全反射によって伝搬する光であるエバネッセント光を、発光素子部１０５の上面から取り出すことができる。このため、光取り出し効率を向上させることができる。

また、第１の実施形態では、発光素子部１０５のＰ型ゲート層１０３より基材部１１０側に回折格子１０９を設けているので、回折格子１０９の面積を広くすることができ、光取り出し効率の改善効果が大きい。

《２》第２の実施形態
上記第１の実施形態においては、Ｎ型ゲート層１０２のＰ型ゲート層１０３に接する位置に回折格子１０９を形成する構造を説明したが、第２の実施形態においては、回折格子はＰ型ゲート層から離れた位置に形成されている。

図７は、第２の実施形態に係る発光サイリスタ２００の構造を概略的に示す断面図である。発光サイリスタ２００は、基材部２１０と、基材部２１０上に配置された発光素子部２０５とを有する。第２の実施形態における基材部２１０、Ｐ型アノード層２０１、Ｐ型ゲート層２０３、及びＮ型カソード層２０４は、第１の実施形態における基材部１１０、Ｐ型アノード層１０１、Ｐ型ゲート層１０３、及びＮ型カソード層１０４とそれぞれ同じである。また、第２の実施形態におけるＮ型ゲート層２０２は、回折格子部としての回折格子２０９がＰ型ゲート層２０３から離れた位置に形成されている点において、第１の実施形態におけるＮ型ゲート層１０２と異なる。Ｎ型ゲート層２０２は、Ｐ型アノード層２０１に接する第１の部分２０２ａと、その上に形成された回折格子２０９と、その上に形成されＰ型ゲート層２０３に接する第２の部分２０２ｂとを有する。回折格子２０９は、エバネッセント光が存在する場所に形成される。回折格子２０９の構造は、第１の実施形態における回折格子１０９の構造と同じである。

また、第２の実施形態におけるアノード電極２０６、ゲート電極２０８、及びカソード電極２０７は、第１の実施形態におけるアノード電極１０６、ゲート電極１０８、及びカソード電極１０７とそれぞれ同じである。

図８（Ａ）から（Ｆ）は、発光サイリスタ２００の製造プロセスを示す断面図である。先ず、図８（Ａ）に示されるように、基材部２１０上にＰ型アノード層２０１、Ｎ型ゲート層の一部２０２ｃを順に形成する。次に、図８（Ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＮ型ゲート層の一部２０２ｃの表面を加工することで凹部を有する回折格子２０９を形成する。このプロセスによって、Ｎ型ゲート層の一部２０２ｃは、Ｎ型ゲート層の第１の部分２０２ａと回折格子２０９とを有する。

次に、図８（Ｃ）に示されるように、成長基材２２０上に犠牲層２２１、Ｎ型ゲート層の第２の部分２０２ｂ、Ｐ型ゲート層２０３、Ｎ型カソード層２０４を順に形成し、図８（Ｄ）に示されるように、犠牲層２２１をエッチングすることによりＮ型ゲート層の第２の部分２０２ｂ、Ｐ型ゲート層２０３、及びＮ型カソード層２０４からなる半導体薄膜（例えば、エピタキシャル成長膜）を成長基材２２０から分離する。

次に、図８（Ｂ）の回折格子２０９上に、図８（Ｄ）の半導体薄膜を張り合わせ、高温処理を行うことによって、図８（Ｅ）に示される構造を形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図８（Ｆ）に示される半導体構造を形成し、その後、アノード電極２０６、カソード電極２０７、及びゲート電極２０８を形成する。

Ｎ型ゲート層２０２の第２の部分２０２ｂの厚さ、すなわち、回折格子２０９とＰ型ゲート層２０３との間の距離Ｂは、発光素子部２０５内において発生する光の発光中心波長λをＮ型ゲート層２０２の屈折率ｎで割ることで得られた長さλ／ｎ以下であることが望ましい。以下に、その理由を説明する。

Ｐ型ゲート層２０３で発生した光の一部は、Ｎ型ゲート層２０２との界面で全反射するが、全反射する光はＮ型ゲート層２０２の極わずかな領域にエバネッセント光として染み出す。Ｐ型ゲート層２０３とＮ型ゲート層２０２の界面の座標を０とし、Ｎ型ゲート方向にＺ軸をとると、エバネッセント光の強度Ｅは、以下の式（２）で表される。

ここで、Ａは基準振幅、ｎ_ｎはＮ型ゲート層２０２の屈折率、ｎ_ｐはＰ型ゲート層２０３の屈折率、θは入射角を示す。式（２）によれば、エバネッセント光の強度Ｅは、全反射界面からＮ型ゲート層２０２内に進む方向に指数関数的に減衰するが、回折格子２０９とＰ型ゲート層２０３との間の距離がλ／ｎ（ここでは、λ／ｎ_ｎ）以下であれば、エバネッセント光は回折格子２０９の影響を受けることができ、第１の実施形態の場合と同様に、回折格子２０９の効果により光を取り出すことが可能となる。

以上に説明したように、第２の実施形態に係る発光サイリスタ２００によれば、Ｎ型ゲート層２０２における、Ｐ型ゲート層２０３との界面から、エバネッセント光が染み出る領域に回折格子２０９を設けたので、Ｐ型ゲート層２０３を伝搬する光を発光素子部２０５の上面に取り出すことができる。このため、光取り出し効率を向上させることができる。

また、回折格子２０９は、Ｎ型ゲート層２０２内のＰ型ゲート層２０３の極めて近い場所に形成されているので、ｐｎジャンクション界面ではない面での回折格子２０９のエッチング加工及び張り合わせが可能となる。このため、エッチング加工及び張り合わせによるｐｎジャンクションでの中間準位及び欠陥を抑制することができ、電気特性を改善することができる。

上記以外の点に関し、第２の実施形態は、第１の実施形態と同じである。

《３》第３の実施形態
上記第１及び第２の実施形態においては、Ｎ型ゲート層１０２、２０２内に回折格子１０９、２０９を形成する構造を説明したが、第３の実施形態においては、Ｎ型カソード層３０４に回折格子部としての回折格子３０９が形成されている。

図９は、第３の実施形態に係る発光サイリスタ３００の構造を概略的に示す断面図である。発光サイリスタ３００は、基材部３１０と、基材部３１０上に配置された発光素子部３０５とを有する。第３の実施形態における基材部３１０、Ｐ型アノード層３０１及びＰ型ゲート層３０３は、第１の実施形態における基材部１１０、Ｐ型アノード層１０１、及びＰ型ゲート層１０３とそれぞれ同じである。また、第３の実施形態は、Ｎ型ゲート層３０２が回折格子を含んでいない点、Ｎ型カソード層３０４が回折格子３０９を含んでいる点が、第１の実施形態と異なる。回折格子３０９は、エバネッセント光が存在する場所に形成される。回折格子３０９の構造は、第１の実施形態における回折格子１０９の構造と同じであるが、回折格子３０９の凹部以外の部分である凸部がＰ型ゲート層３０３に向かって突き出ている。

回折格子３０９は、Ｎ型カソード層３０４内においてＰ型ゲート層３０３に接する位置に形成されている透過型回折格子（第２の回折格子）である。

なお、回折格子３０９は、Ｎ型カソード層３０４内においてＰ型ゲート層３０３から距離Ｌ離れた位置に形成されている透過型回折格子であってもよい。回折格子３０９とＰ型ゲート層３０３との間の距離は、発光素子部３０５内において発生する光の発光中心波長λをＮ型カソード層３０４の屈折率ｎで割ることで得られた長さ以下であることが望ましい。

また、第３の実施形態におけるアノード電極３０６、ゲート電極３０８、及びカソード電極３０７は、第１の実施形態におけるアノード電極１０６、ゲート電極１０８、及びカソード電極１０７とそれぞれ同じである。

図１０（Ａ）から（Ｆ）は、発光サイリスタ３００の製造プロセスを示す断面図である。先ず、図１０（Ａ）に示されるように、基材部３１０上にＰ型アノード層３０１、Ｎ型ゲート層３０２、Ｐ型ゲート層３０３及び回折格子３０９の元になる半導体層３０３ａを順に形成する。次に、図１０（Ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて層３０３ａの表面を加工することで凹部を有する回折格子３０９を形成する。

次に、図１０（Ｃ）に示されるように、成長基材３２０上に犠牲層３２１、Ｎ型カソード層の一部３０４ａを形成し、図１０（Ｄ）に示されるように、犠牲層３２１をエッチングすることによりＮ型カソード層の一部３０４ａからなる半導体薄膜（例えば、エピタキシャル成長膜）を成長基材３２０から分離する。

次に、図１０（Ｂ）の回折格子３０９上に、図１０（Ｄ）の半導体薄膜を張り合わせ、高温処理を行うことによって、図１０（Ｅ）に示される構造を形成する。このプロセスによって、回折格子３０９は、Ｎ型カソード層３０４の一部となる。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図１０（Ｆ）に示される半導体構造を形成し、その後、アノード電極３０６、カソード電極３０７、及びゲート電極３０８を形成する。

図１１（Ａ）から（Ｄ）は、発光サイリスタ３００の他の製造プロセスを示す断面図である。先ず、図１１（Ａ）に示されるように、基材部３１０上にＰ型アノード層３０１、Ｎ型ゲート層３０２、Ｐ型ゲート層３０３及び回折格子３０９の元になる半導体層３０３ａを順に形成する。次に、図１１（Ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて層３０３ａの表面を加工することで凹部を有する回折格子３０９を形成する。

次に、図１１（Ｃ）に示されるように、回折格子３０９上に、半導体層をエピタキシャル成長によって形成することで、回折格子３０９を含むＮ型カソード層３０４を形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図１１（Ｄ）に示される半導体構造を形成し、その後、アノード電極３０６、カソード電極３０７、及びゲート電極３０８を形成する。

図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、回折格子３０９の機能を示す図である。図１２（Ａ）は、回折格子を有していない比較例の発光サイリスタのＰ型ゲート層で発生した光のうちの、Ｐ型ゲート層内で全反射を繰り返してＰ型ゲート層内を伝搬する光線を示す。図１２（Ｂ）は、第３の実施形態に係る発光サイリスタ３００のＰ型ゲート層３０３で発生した光のうちの、Ｐ型ゲート層３０３内で全反射し、回折格子３０９で反射角を変えて、Ｐ型ゲート層３０３とＮ型カソード層３０４の臨界角以下の光となり、Ｐ型ゲート層３０３から回折格子３０９を透過して取り出される光線を示す。図１２（Ｂ）に示されるように、Ｐ型ゲート層３０３とＮ型カソード層３０４の界面での反射を抑制することができる。

以上に説明したように、第３の実施形態に係る発光サイリスタ３００によれば、Ｎ型カソード層３０４内におけるエバネッセント光が染み出る領域に透過型回折格子である回折格子３０９を設けたので、Ｐ型ゲート層３０３からＮ型カソード層３０４に染み出た光を上面に取り出すことができる。このため、光取り出し効率を向上させることができる。

上記以外の点に関し、第３の実施形態は、第１又は第２の実施形態と同じである。また、第３の実施形態の回折格子を、第１又は第２の実施形態の構造に組み入れることも可能である。

《４》第４の実施形態
上記第３の実施形態においては、Ｎ型カソード層３０４とＰ型ゲート層３０３とが直接接している構造を説明したが、第４の実施形態においては、Ｎ型カソード層４０４とＰ型ゲート層４０３との間にエッチングストップ層４１１が配置されている。

図１３は、第４の実施形態に係る発光サイリスタ４００の構造を概略的に示す断面図である。発光サイリスタ４００は、基材部４１０と、基材部４１０上に配置された発光素子部４０５とを有する。第４の実施形態における基材部４１０、Ｐ型アノード層４０１、Ｎ型ゲート層４０２、Ｐ型ゲート層４０３、及びＮ型カソード層４０４は、第３の実施形態における基材部３１０、Ｐ型アノード層３０１、Ｎ型ゲート層３０２、Ｐ型ゲート層３０３、及びＮ型カソード層３０４とそれぞれ同じである。また、第４の実施形態は、Ｎ型カソード層４０４とＰ型ゲート層４０３との間にエッチングストップ層４１１が配置されている点において、第３の実施形態と異なる。エッチングストップ層は、例えば、ＩｎＧａＰ（インジウム・ガリウム・リン）から形成される。回折格子部としての回折格子４０９は、エバネッセント光が存在する場所に形成される。回折格子４０９の構造は、第３の実施形態における回折格子３０９の構造と同じであり、凸部がＰ型ゲート層４０３を向いている。

回折格子４０９は、Ｎ型カソード層４０４内においてＰ型ゲート層４０３から距離Ｌ離れた位置に形成されている透過型回折格子である。回折格子４０９とＰ型ゲート層４０３との間の距離は、発光素子部４０５内において発生する光の発光中心波長λをＮ型カソード層４０４の屈折率ｎで割ることで得られた長さ以下であることが望ましい。

また、第４の実施形態におけるアノード電極４０６、ゲート電極４０８、及びカソード電極４０７は、第１の実施形態におけるアノード電極１０６、ゲート電極１０８、及びカソード電極１０７とそれぞれ同じである。

図１４（Ａ）から（Ｆ）は、発光サイリスタ４００の製造プロセスを示す断面図である。先ず、図１４（Ａ）に示されるように、基材部４１０上にＰ型アノード層４０１、Ｎ型ゲート層４０２、Ｐ型ゲート層４０３、エッチングストップ層４１１、及び回折格子４０９の元になる半導体層４０３ａを順に形成する。次に、図１４（Ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて半導体層４０３ａを加工することで穴を形成することで凹部を有する回折格子４０９を形成する。

次に、図１４（Ｃ）に示されるように、成長基材４２０上に犠牲層４２１、Ｎ型カソード層の一部４０４ａを形成し、図１４（Ｄ）に示されるように、犠牲層４２１をエッチングすることによりＮ型カソード層の一部４０４ａからなる半導体薄膜（例えば、エピタキシャル成長膜）を成長基材４２０から分離する。

次に、図１４（Ｂ）の回折格子４０９上に、図１４（Ｄ）の半導体薄膜を張り合わせ、高温処理を行うことによって、図１４（Ｅ）に示される構造を形成する。このプロセスによって、回折格子４０９は、Ｎ型カソード層４０４の一部となる。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、図１４（Ｆ）に示される半導体構造を形成し、その後、アノード電極４０６、カソード電極４０７、及びゲート電極４０８を形成する。

以上に説明したように、第４の実施形態に係る発光サイリスタ４００によれば、Ｎ型カソード層４０４内におけるエバネッセント光が染み出る領域に透過型回折格子である回折格子４０９を設けたので、Ｐ型ゲート層４０３からＮ型カソード層４０４に染み出た光を発光素子部４０５の上面に取り出すことができる。このため、光取り出し効率を向上させることができる。

また、第４の実施形態では、回折格子４０９の下にエッチングストップ層４１１を追加したため、ゲート電極４０８が形成される面がエッチングストップ層４１１を用いて正確に形成されるため、ゲート電極４０８の位置を一定に保つことができる。

また、第４の実施形態では、エッチングストップ層４１１を用いることによって、エッチング深さに対するマージンを減少させることができるため、Ｐ型ゲート層４０３の厚さを薄くすることが可能となり、スイッチング特性及び発光特性の改善を図ることができる。

また、第４の実施形態では、回折格子４０９の深さ方向の位置のばらつきによる回折効率の変化を抑制でき、発光サイリスタアレイを構成した際の発光素子間の光量のばらつきを減らすことが可能となる。

上記以外の点に関し、第４の実施形態は、第３の実施形態と同じである。また、第４の実施形態の回折格子を、第１又は第２の実施形態の構造に組み入れることも可能である。

《５》第５の実施形態
図１５は、第５の実施形態に係る光プリントヘッドの発光サイリスタアレイ５１０を示す概略平面図である。発光サイリスタアレイ５１０は、基材部１１０上に規則的に配列された複数の発光サイリスタ１００を有する。基材部１１０内又は基材部１１０上には、複数の発光サイリスタ１００を駆動する駆動回路１１１が備えられている。発光サイリスタアレイ５１０の発光サイリスタは、第１から第４の実施形態のいずれかのものを使用できる。

図１６は、光プリントヘッドの発光サイリスタアレイ５１０を有する基板ユニットを示す概略斜視図である。基板ユニットは、実装基板であるプリント配線板５０１と、アレイ状に配置された複数の発光素子チップである発光サイリスタアレイ５１０とを有する。発光サイリスタアレイ５１０は、プリント配線板５０１上に熱硬化樹脂等により固定されている。発光サイリスタアレイ５１０の外部接続パッド１５０とプリント配線板５０１の接続パッド５０２の間は、ボンディングワイヤ５０３により電気的に接続されている。なお、プリント配線板５０１には、図示しない各種配線パターン、電子部品、コネクタ等が搭載されている。

図１７は、第５の実施形態に係る光プリントヘッド５００の構造を概略的に示す断面図である。光プリントヘッド５００は、電子写真プロセスを用いる画像形成装置としての電子写真プリンタの露光装置である。図１７に示されるように、光プリントヘッド５００は、ベース部材５１１と、プリント配線板５０１と、発光サイリスタアレイ５１０と、複数の正立等倍結像レンズを含むレンズアレイ５１３と、レンズホルダ５１４と、バネ部材であるクランパ５１５とを備えている。ベース部材５１１は、プリント配線板５０１を固定するための部材である。ベース部材５１１の側面には、クランパ５１５を用いて、プリント配線板５０１及びレンズホルダ５１４をベース部材５１１に固定するための開口部５１２が設けられている。レンズホルダ５１４は、例えば、有機高分子材料などを射出成形することによって形成される。レンズアレイ５１３は、発光素子チップである発光サイリスタアレイ５１０から出射された光を像担持体としての感光体ドラム上に結像させる光学レンズ群である。レンズホルダ５１４は、レンズアレイ５１３をベース部材５１１の所定の位置に保持する。クランパ５１５は、ベース部材５１１の開口部５１２及びレンズホルダ５１４の開口部を介して、各構成部品を挟み付けて保持する。

光プリントヘッド５００では、印刷データに応じて、発光サイリスタが選択的に発光し、発光サイリスタから出射された光はレンズアレイ５１３により一様帯電している感光体ドラム上で結像される。これにより、感光体ドラムに静電潜像が形成され、その後、現像工程、転写工程、定着工程を経て、記録媒体（例えば、用紙）上に現像剤からなる画像が形成される。

第５の実施形態に係る光プリントヘッド５００は、光取り出し効率の高い第１から第４の実施形態のいずれかの発光サイリスタを備えているので、これを画像形成装置に搭載することで、印字品質を向上させることができる。

《６》第６の実施形態
図１８は、第６の実施形態に係る画像形成装置６００の構造を概略的に示す断面図である。画像形成装置６００は、光プリントヘッド５００を用いた電子写真式プリンタである。図１８に示されるように、画像形成装置６００は、記録媒体６０５の搬送経路に沿って順に配置された、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、及びブラック（Ｋ）の各色の画像を電子写真方式を用いて形成する４つのプロセスユニット（「画像形成ユニット」又は「イメージドラムユニット」とも言う）６０１Ｙ、６０１Ｍ、６０１Ｃ、６０１Ｋと、記録媒体６０５を収納する記録媒体カセット６０６と、記録媒体６０５を１枚ずつ分離して搬送するためのホッピングローラ６０７と、記録媒体６０５の搬送方向においてホッピングローラ６０７の下流に配置されるピンチローラ６０８、６０９と、ピンチローラ６０８と共に記録媒体６０５を挟み込み記録媒体６０５を搬送する搬送ローラ６１０と、記録媒体６０５の斜行を修正してプロセスユニット６０１Ｙ、６０１Ｍ、６０１Ｃ、６０１Ｋに搬送するレジストローラ６１１とを有する。また、画像形成装置６００は、プロセスユニット６０１Ｙ、６０１Ｍ、６０１Ｃ、６０１Ｋに対向して配置され、半導電性のゴム等からなり、感光体ドラム６０２に形成された画像（「トナー像」又は「現像剤像」とも言う）を記録媒体６０５に転写する転写手段としての転写ローラ６１２を有する。また、画像形成装置６００は、記録媒体６０５上のトナー像を加熱・加圧して定着させる定着装置６１３と、排出ローラ６１４、６１５と、排出部のピンチローラ６１６、６１７と、用紙スタッカ部６１８とを有する。

プロセスユニット６０１Ｙ、６０１Ｍ、６０１Ｃ、６０１Ｋは、トナーの色以外については、互いに同じ構成を有する。各プロセスユニット６０１Ｙ、６０１Ｍ、６０１Ｃ、６０１Ｋは、静電潜像を担持する像担持体としての感光体ドラム６０２と、この感光体ドラム６０２の周囲に配置され、感光体ドラム６０２の表面を一様帯電させる帯電装置６０３と、帯電された感光体ドラム６０２の表面に選択的に光を照射して静電潜像を形成する露光手段としての光プリントヘッド５００と、感光体ドラム６０２の表面に形成された静電潜像にトナー（現像剤）を供給して現像する現像手段としての現像装置６２０とを有する。また、各プロセスユニット６０１Ｙ、６０１Ｍ、６０１Ｃ、６０１Ｋは、感光体ドラム６０２上に現像された画像を記録媒体６０５に転写した後に感光体ドラム６０２に残留したトナーを除去するクリーニング装置６１９を有する。なお、画像形成装置６００は、記録媒体６０５の印刷面を反転させる反転経路を含む反転部６３０を有してもよい。

第６の実施形態に係る画像形成装置６００は、光プリントヘッド５００を用いており、光取り出し効率の高い、第１から第４の実施形態に係る発光サイリスタを備えているので、印字品質を向上させることができる。

《７》変形例
上記実施の形態では、第１導電型がＰ型であり、第２導電型がＮ型である場合を説明したが、第１導電型がＮ型であり、第２導電型がＰ型であってもよい。

また、上記実施の形態では、第１導電型の第３半導体層であるＰ型ゲート層上にゲート電極を形成した構造を説明したが、第２導電型の第２半導体層であるＮ型ゲート層上にゲート電極を形成することも可能である。

また、上記実施の形態では、Ｎ型ゲート層又はＮ型カソード層に回折格子を配置した構造を説明したが、第１導電型の第１半導体層であるＰ型アノード層に反射型回折格子（第３の回折格子）を備えてもよい。

さらに、第１又は第２の実施形態において、第４の実施形態と同様に、回折格子の下にエッチングストップ層を追加配置してもよい。この場合には、回折格子の深さを正確に制御することができる。

また、発光素子部１０５、２０５、３０５、４０５内に複数の回折格子、すなわち、上記第１から第３の回折格子のいずれか２つ以上を備えてもよく、回折格子の組み合わせによってより効率の高い発光サイリスタを作成することが可能である。

１００、２００、３００、４００ 発光サイリスタ、 １０１、２０１、３０１、４０１ Ｐ型アノード層（第１半導体層）、 １０２、２０２、３０２、４０２ Ｎ型ゲート層（第２半導体層）、 １０３、２０３、３０３、４０３ Ｐ型ゲート層（第３半導体層）、 １０４、２０４、３０４、４０４ Ｎ型カソード層（第４半導体層）、 １０５、２０５、３０５、４０５ 発光素子部、 １０６、２０６、３０６、４０６ アノード電極（第１電極）、 １０７、２０７、３０７、４０７ カソード電極（第３電極）、 １０８、２０８、３０８、４０８ ゲート電極（第２電極）、 １０９、２０９ 回折格子（第１の回折格子）、 ３０９、４０９ 回折格子（第２の回折格子）、 １０９ａ 凹部、 １１０、２１０、３１０、４１０ 基材部、 ５００ 光プリントヘッド、 ５１０ 発光サイリスタアレイ、 ６００ 画像形成装置、 λ 発光中心波長、 Ｌ 格子間隔、 Ｄ 深さ。

Claims (19)

1. 第１導電型の第１半導体層と、前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層と、前記第１導電型の第３半導体層と、前記第２導電型の第４半導体層とを含み、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層、及び前記第４半導体層が順に積層されている発光素子部を有し、
   前記発光素子部は、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層、及び前記第４半導体層に平行な回折格子部を含む
   ことを特徴とする発光サイリスタ。
2. 前記回折格子部は、前記発光素子部内においてエバネッセント光が存在する場所に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光サイリスタ。
3. 前記回折格子部は、前記第２半導体層内において前記第３半導体層に接する位置に形成されている反射型回折格子である第１の回折格子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光サイリスタ。
4. 前記回折格子部は、前記第２半導体層内において前記第３半導体層から離れた位置に形成されている反射型回折格子である第１の回折格子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光サイリスタ。
5. 前記第１の回折格子と前記第３半導体層との間の距離は、前記発光素子部内において発生する光の発光中心波長を前記第２半導体層の屈折率で割ることで得られた長さ以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光サイリスタ。
6. 前記回折格子部は、前記第４半導体層内において前記第３半導体層に接する位置に形成されている透過型回折格子である第２の回折格子を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
7. 前記回折格子部は、前記第４半導体層内において前記第３半導体層から離れた位置に形成されている透過型回折格子である第２の回折格子を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
8. 前記第３半導体層と前記第４半導体層との間にエッチングストップ層を更に有することを特徴とする請求項７に記載の発光サイリスタ。
9. 前記第２の回折格子と前記第３半導体層との間の距離は、前記発光素子部内において発生する光の発光中心波長を前記第４半導体層の屈折率で割ることで得られた長さ以下であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
10. 前記回折格子部は、前記第１半導体層内において前記第２半導体層に接する位置に形成されている反射型回折格子である第３の回折格子を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
11. 前記回折格子部は、前記第２半導体層内において前記第３半導体層から離れた位置に形成されている反射型回折格子である第３の回折格子を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
12. 前記回折格子部は、規則的に配列された複数の凹部を有する２次元回折格子であり、
    前記複数の凹部のうちの互いに隣接する凹部の中心位置の間隔である格子間隔は、前記発光素子部内において発生する光の発光中心波長より小さく、前記発光中心波長を前記回折格子部を構成する半導体層の屈折率で割ることで得られた長さより大きい
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
13. 前記回折格子部は、規則的に配列された複数の凹部を有する２次元回折格子であり、
    前記複数の凹部の開口の面積の総和は、前記回折格子部の面積の５０％以下であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
14. 前記回折格子部は、規則的に配列された複数の凹部を有する２次元回折格子であり、
    前記回折格子部の前記複数の凹部の深さは、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
15. 基材部と、
    前記第１半導体層に電気的に接続されている第１電極と、
    前記第３半導体層又は前記第２半導体層に電気的に接続されている第２電極と、
    前記第４半導体層に電気的に接続されている第３電極と、を更に有し、
    前記発光素子部は、前記第１半導体層が前記基材部に最も近くなるように、前記基材部上に配置されている
    ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
16. 前記第１導電型はＰ型であり、前記第２導電型はＮ型であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
17. 前記第１導電型はＮ型であり、前記第２導電型はＰ型であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の発光サイリスタ。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載の発光サイリスタを有することを特徴とする光プリントヘッド。
19. 請求項１８に記載の光プリントヘッドを有することを特徴とする画像形成装置。

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