(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第１の多層膜ミラー層と、第１のスペーサ層と、活性領域と、第２のスペーサ層と、第２の多層膜ミラー層とがこの順に配置されてなる面発光型半導体発光素子において、
前記活性領域を除く前記各層のいずれかに挿入される層と導電型の異なる第３の層を挿入することにより前記発光素子内に前記挿入される層と第３の層とからなるスイッチング素子を構成する半導体層を形成したことを特徴とする面発光型半導体発光素子。
【請求項２】
半導体基板上に第１の多層膜ミラー層と、第１のスペーサ層と、活性領域と、第２のスペーサ層と、第２の多層膜ミラー層とがこの順に配置され、第１の多層膜ミラー層と第１のスペーサ層の少なくとも一方は第１の導電型を有し、かつ第２のスペーサ層と第２の多層膜ミラー層の少なくとも一方は第１の導電型と反対の第２の導電型を有する面発光型半導体発光素子において、
前記第１の導電型を有する層の内部か端部に第２の導電型の第３の層を挿入するか、または第２の導電型を有する層の内部か端部に第１の導電型の第３の層を挿入することによりスイッチング素子を構成する半導体層を形成し、
前記第３の層より下側の第１の導電型を有する層に形成された第１の電極と、前記第３の層より上側の第２の導電型を有する層に形成された第２の電極と、前記第３の層かまたは第３の層上に形成されたコンタクト層に形成された第３の電極とを駆動することにより発光を制御可能に構成したことを特徴とする面発光型半導体発光素子。
【請求項３】
導電性の半導体基板上に第１の多層膜ミラー層と、第１のスペーサ層と、活性領域と、第２のスペーサ層と、第２の多層膜ミラー層とがこの順に配置され、導電性の半導体基板と第１の多層膜ミラー層が第一の導電型を有し、かつ第２のスペーサ層と第２の多層膜ミラー層の少なくとも一方が第一の導電型と反対の第二の導電型を有する面発光型半導体発光素子において、
第一の導電型を有する第１の多層膜ミラー層の内部か端部に第二の導電型を有する第二の導電型の第３の層を挿入するか、または第二の導電型を有する第２の多層膜ミラー層の内部か端部に、第一の導電型の第３の層を挿入することによりスイッチング素子を構成する半導体層を形成し、
前記導電性基板に形成された第１の電極と、第３の層より上側の第二の導電型の層に形成された第２の電極と、第３の層か第３の層の上に形成されたコンタクト層に形成された第３の電極とを駆動することにより発光を制御可能に構成したことを特徴とする面発光型半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１、第２の多層膜ミラー層は、各層が厚さλ/ （４・ ｎi ）となる（λは活性層から放射された光の波長、ｎi は各層の屈折率）層の積層構造で構成され、第１のスペーサ層と第２のスペーサ層と活性領域は、それら各層の膜厚ｔi を各層の屈折率ｎi で乗じた値ｔi ・ｎi の合計がλと等しくなるように構成されており、
前記第３の層は第３の層が挿入された部分の層の上記の構成を保持するように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一に記載の面発光型半導体発光素子。
【請求項５】
前記第３の層が第１の多層膜ミラー層かあるいは第２の多層膜ミラー層の内部あるいは端部に挿入され、かつ第３の層が、第３の層が挿入された多層膜ミラー層の構成の周期性を保持するように形成されることを特徴とする請求項４に記載の面発光型半導体発光素子。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか一に記載の面発光型半導体発光素子を2 次元に配列し、前記第１の電極か第２の電極のうちどちらか一方の電極を共通電極とすると共に、前記第１の電極か第２の電極のうちの他方の電極と第３の電極に対してマトリクス配線を形成し、これら３つの電極により個々の面発光型半導体発光素子を駆動可能に構成したことを特徴とする面発光型半導体発光素子アレイ。
【請求項７】
請求項６に記載の面発光型半導体素子アレイを光源とし、該光源より放出された光を利用して画像をプリントすることを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
請求項６に記載の面発光型半導体発光素子アレイを光源とし、前記光源より放出された光を光学系を用いて表示面に照射し、静止画像または動画像を表示することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体発光素子に係り、具体的にはレーザプリンター、レーザディスプレイ、更には光通信装置及び光信号処理装置などの光源として使用される面発光型半導体レーザ等の面発光型半導体発光素子、面発光型半導体発光素子をマトリクス状に配列するように形成した面発光型半導体発光素子アレイ及び、この面発光型半導体発光素子アレイを光源とする画像形成装置、画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザは多層膜ミラーで活性領域を挟み込み、活性層で発生した光を多層膜ミラ−で反射して光を増幅し、レーザ発振させるデバイスである。活性層に電流を注入するために、通常は一方の多層膜ミラーをｎ型導電性とし、他方をｐ型導電性にして、これらに電流を流して活性層に電流を注入する。
【０００３】
面発光型半導体レーザを多数個、配列したレーザアレイでは、各レーザに個別電極を引き回すとレーザの個数と同数の配線が必要になり煩雑であるので、配線の本数が少なくて済むマトリクス配線が採用される。たとえば、１０行×３０列のレーザアレイに対し、個別電極を配線する場合には、陰極電極は共通電極として導電性基板にとり、陽極電極だけを個々のレーザ３００個に対して３００本配線することになる。これに対してマトリクス配線では、基板を半絶縁性とし、レーザアレイの行方向に対して陽極配線を１０本、列方向に対して陰極配線を３０本形成し、その交点に個々のレーザを配置すればよい。配線の本数は合計４０本で済ませることができる。このような観点から多数個のレーザアレイにはマトリクス配線が採用される。
【０００４】
しかし、図１４に示すように、面発光型レーザアレイの陽極配線１３８と陰極配線１３６は通常、面発光型レーザの最上層と最下層に形成されるので、最下層に電極を形成するためには、半絶縁性GaAs基板１２０上に形成された面発光型レーザの積層を厚さ８μｍ以上エッチングして最下層のＧａＡｓバッファー層１２２を露出しなければならない。尚、１２４はｎ型多層膜ミラー、１２６は活性領域、１２８はｐ型多層膜ミラー、１３２はポリイミドである。
【０００５】
このようなエッチングにより形成された深い凹凸形状の上に、陰極電極１３６を成膜し、配線を引き回すことは技術的に容易ではない。面発光型レーザの凸形状の直径は最小で２０μｍ程度必要なので、レーザアレイの配列ピッチが４５μｍより狭い場合には、面発光型レーザの隙間の溝幅は２５μｍとなる。そして、この溝の深さが８μｍ以上となると、そのような狭くて深い凹形状溝底に、素子分離溝１３０を掘り、プロセスのマージン幅Ｌをとり、さらに陰極配線１３６を形成することは極めて困難で、現状のフォトリソグラフィーの技術レベルではほとんど不可能である。マージン幅Ｌと電極幅αはともに５μｍは必要であるので、面発光レーザアレイの配列ピッチは４５μｍ以下にできない。つまり、マトリクス配線した面発光型レーザアレイは、配列ピッチを狭くすることが困難で、比較的広くとらねばならず、そのため高密度集積による低コスト化や高信頼性化、高性能化を図ることが困難であるという問題がある。
【０００６】
他方、特開平５−２４３５５２号公報には面発光型半導体レーザとトランジスタを積層した光電子集積回路に関する技術が報告されている。また特表平７−５０３１０４号公報でも同様に面発光型レーザとトランジスタを積層した光電集積回路の構造について提案されている。これらの技術はともにトランジスタと面発光型レーザを積層して、面発光型レーザの駆動をトランジスタで制御するものである。このようにトランジスタを搭載した面発光型レーザを２次元に配列し、トランジスタにマトリクス配線を施して駆動する方法がこれらの文献の中で記述されている。
【０００７】
しかし、面発光型レーザとトランジスタを積層すると次の問題が発生する。すなわち、トランジスタを面発光型レーザの光取り出し口に配置すると、トランジスタによりレーザ光が吸収され光がほとんど放出されない。それを避けるためにトランジスタのバンドギャップをレーザ光より大きく設定しても、トランジスタのコレクター層、べース層、エミッター層が面発光レーザの多層膜反射層に順次積層されることにより、多層膜ミラーの構成の周期性が壊れ、その結果反射率が低下し、レーザの出力特性が低下する。
【０００８】
従って、面発光型レーザとトランジスタを積層するにはレーザ光の取り出し口の反対側にトランジスタを設置しなければならない。即ち、面発光型レーザの上にトランジスタを積層した場合は基板裏面から光を取り出し、トランジスタの上に面発光型レーザを積層した場合は基板の表面側から光を取り出さなければならない。図１５に従来のトランジスタを搭載した面発光型レーザアレイの構造を示す。レーザ光の波長が面発光型レーザとトランジスタを積層したＧａＡｓ基板を透過しない場合、具体的には光の波長が８８０ｎｍより短い場合には、ＧａＡｓ基板の表面側から光を取り出さねばならないが、そのためには図１５に示すようにＧａＡｓ基板１６８上にエミッタ層１５０、ベース層１５２、コレクタ層１５４、エミッタ電極１５６、ベース電極１５８を含んで構成されるトランジスタを積層し、その上にｎ型多層膜ミラー１６２、活性領域１６６、ｐ型多層膜ミラー１６４及びｐ型電極１６０を有する面発光型レーザを積層する構造をとらざるを得ない。その場合、トランジスタの深さ約８μｍまでエッチングし、ベース層、エミッタ層を露出して、この２層に対して電極を形成し、マトリクス配線を引き回すことになる。
【０００９】
このように、深さ８μｍの溝底のエミッタとベースに対して、マトリクス配線を形成することは、通常のマトリクス配線（図１４）よりさらに困難な技術となる。このような構成のレーザアレイではレーザ素子の配列ピッチを通常のマトリクス配線を施したレーザアレイよりも狭くすることはできない。
【００１０】
また、エミッタ層やベース層のエッチング露出においては、エッチングを正確に深さ８μｍでストップしてエミッタ層（厚さ０．２μｍ）を露出し、次にエミッタ層０．２μｍをエッチングしてベース層（０．２μｍ）を露出しなければならない。ベース層は０．１μｍ程度しかないので、エッチング深さは極めて精度よく制御しなければならないが、現実にはこのように８μｍ程度の深いエッチングを０．１〜０．２μｍの精度で制御することは極めて困難である。
【００１１】
以上から明らかなように、トランジスタと面発光型レーザを積層する技術では、ＧａＡｓ基板を透過しない短い波長の光を出力する面発光型レーザアレイにおいてレーザ素子を狭ピッチで配列することができないという問題がある。つまり、マトリクス配線した面発光型レーザアレイは、その配列ピッチを狭くすることが困難で、比較的広くとらねばならず、そのため高密度集積による低コスト化や高信頼性化が困難であるという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
２次元配列した面発光型レーザアレイのマトリクス配線は、その陽極配線と陰極配線が面発光型レーザの最上層と最下層に形成されるために、深い凹形状のエッチングを施した後、その溝底への電極形成と配線引き回しが必要となり、技術的難易度が高かった。特に、レーザアレイの配列ピッチが約４５μｍ以下に狭くなった場合には、狭くて深い溝底へのフォトリソグラフィー技術が困難で、電極形成と配線引き回しは極めて困難であった。
【００１３】
また従来のトランジスタを面発光型レーザの光出射側に積層した面発光型半導体発光素子ではトランジスタのコレクタ層、ベース層及びエミッタ層により面発光型レーザの多層膜ミラーの周期性が壊れ、そのため反射率が低下し、レーザの出力特性が低下するという問題が有った。
【００１４】
そのため面発光型レーザアレイを直接駆動せずに、２次元に配列したトランジスタにより駆動する方法を採用しても、レーザ光が基板を透過しない場合には、基板の表面側から光を取りだすために、面発光型レーザの下側にトランジスタを挿入しなければならず、このトランジスタに対してマトリクス配線を形成するのは、従来の面発光型レーザアレイにマトリクス配線を形成するよりも困難であった。
【００１５】
このように、マトリクス配線を施した面発光型レーザアレイ等の面発光型発光素子アレイの発光素子を狭ピッチで配列することが極めて困難であるという問題が有った。
【００１６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、出力特性が良好な面発光型半導体発光素子を提供することを第１の目的とする。
【００１７】
また本発明は、マトリクス配線が容易で、かつ高密度集積化を図った面発光型半導体発光素子アレイを提供することを第２の目的とする。
【００１８】
また本発明は、高解像度の画像を形成することができる画像形成装置を提供することを第３の目的とする。
【００１９】
また本発明は、高解像度の画像を表示することができる画像表示装置を提供することを第４の目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成するために請求項１に記載の発明は、半導体基板上に第１の多層膜ミラー層と、第１のスペーサ層と、活性領域と、第２のスペーサ層と、第２の多層膜ミラー層とがこの順に配置されてなる面発光型半導体発光素子において、前記活性領域を除く前記各層のいずれかに挿入される層と導電型の異なる第３の層を挿入することにより前記発光素子内に前記挿入される層と第３の層とからなるスイッチング素子を構成する半導体層を形成したことを特徴とする。
【００２１】
また請求項２に記載の発明は、半導体基板上に第１の多層膜ミラー層と、第１のスペーサ層と、活性領域と、第２のスペーサ層と、第２の多層膜ミラー層とがこの順に配置され、第１の多層膜ミラー層と第１のスペーサ層の少なくとも一方は第１の導電型を有し、かつ第２のスペーサ層と第２の多層膜ミラー層の少なくとも一方は第１の導電型と反対の第２の導電型を有する面発光型半導体発光素子において、前記第１の導電型を有する層の内部か端部に第２の導電型の第３の層を挿入するか、または第２の導電型を有する層の内部か端部に第１の導電型の第３の層を挿入することによりスイッチング素子を構成する半導体層を形成し、
前記第３の層より下側の第１の導電型を有する層に形成された第１の電極と、前記第３の層より上側の第２の導電型を有する層に形成された第２の電極と、前記第３の層かまたは第３の層上に形成されたコンタクト層に形成された第３の電極とを駆動することにより発光を制御可能に構成したことを特徴とする。
【００２２】
また請求項３に記載の発明は、導電性の半導体基板上に第１の多層膜ミラー層と、第１のスペーサ層と、活性領域と、第２のスペーサ層と、第２の多層膜ミラー層とがこの順に配置され、導電性の半導体基板と第１の多層膜ミラー層が第１の導電型を有し、かつ第２のスペーサ層と第２の多層膜ミラー層の少なくとも一方が第１の導電型と反対の第２の導電型を有する面発光型半導体発光素子において、第１の導電型を有する第１の多層膜ミラー層の内部か端部に第２の導電型を有する第２の導電型の第３の層を挿入するか、または第２の導電型を有する第２の多層膜ミラー層の内部か端部に、第１の導電型の第３の層を挿入することによりスイッチング素子を構成する半導体層を形成し、前記導電性基板に形成された第１の電極と、第３の層より上側の第２の導電型の層に形成された第２の電極と、第３の層か第３の層の上に形成されたコンタクト層に形成された第３の電極とを駆動することにより発光を制御可能に構成したことを特徴とする。
【００２３】
また請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のうちいずれか一に記載の面発光型半導体発光素子において、前記第１、第２の多層膜ミラー層は、各層が厚さλ/ （４・ ｎi ）となる（λは活性層から放射された光の波長、ｎi は各層の屈折率）層の積層構造で構成され、第１のスペーサ層と第２のスペーサ層と活性領域は、それら各層の膜厚ｔi を各層の屈折率ｎi で乗じた値ｔi ・ｎi の合計がλと等しくなるように構成されており、前記第３の層は第３の層が挿入された部分の層の上記の構成を保持するように形成されることを特徴とする。
【００２４】
また請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の面発光型半導体発光素子において、前記第３の層が第１の多層膜ミラー層かあるいは第２の多層膜ミラー層の内部あるいは端部に挿入され、かつ第３の層が、第３の層が挿入された多層膜ミラー層の構成の周期性を保持するように形成されることを特徴とする。
【００２５】
上記構成の面発光型半導体発光素子では、面発光型レーザを構成する表面側の多層膜ミラー層（反射層）の内部、あるいはその下側に、第３の層である導電型の異なる多層膜ミラー層（以後、この層を駆動スイッチ層と呼ぶ）を挿入することにより、面発光型レーザを構成する表面側にスイッチング素子、例えば、トランジスタを構成するｐｎｐ接合あるいはｎｐｎ接合の半導体層を形成する。そして、導電性基板と表面側の多層膜ミラー層と駆動スイッチ層に電極を形成し、これら３つの電極の電位、あるいは電流値を操作することにより面発光型レーザを駆動する。この場合に駆動スイッチ層は前記表面側の多層膜ミラー層の配列の周期性を保持するように形成される。
【００２６】
したがって、駆動スイッチ層が挿入されても反射層としての多層膜ミラー層の反射率が低下することなく、従来に比して面発光型レーザの出力特性の向上が図れる。
【００２７】
また上記面発光型半導体発光素子において電極は、導電性基板、表面側の多層膜ミラー層及び駆動スイッチ層に形成するので、導電性基板に共通電極を形成し、表面側の多層膜ミラー層と駆動スイッチ層に対してマトリクス配線を施すことにより、レーザアレイを構成し、このレーザアレイの各面発光型レーザを独立に駆動することができる。このようなマトリクス配線は、凹凸のほとんどない基板表面に形成されるので、形成が容易で、狭ピッチで配列されたレーザアレイに対しても対応できる。
【００２８】
第２の目的を達成するために請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれか一に記載の面発光型半導体発光素子を2 次元に配列し、前記第１の電極か第２の電極のうちどちらか一方の電極を共通電極とすると共に、前記第１の電極か第２の電極のうちの他方の電極と第３の電極に対してマトリクス配線を形成し、これら３つの電極により個々の面発光型半導体発光素子を駆動可能に構成したことを特徴とする。
【００２９】
上記構成の面発光型半導体発光素子アレイによれば、マトリクス配線は、凹凸のほとんどない基板表面に形成することができるので、マトリクス配線が容易で、かつマトリクス配線の密度を高くすることができると共に、面発光型半導体発光素子の高密度集積化が図れる。
【００３０】
第３の目的を達成するために請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の面発光型半導体発光素子アレイを光源とし、該光源より放出された光を利用して画像をプリントすることを特徴とする。
【００３１】
上記構成の画像形成装置では高密度集積化された面発光型半導体発光素子アレイを光源として使用するので、画素ピッチを細かくすることができ、高解像度の画像を形成することができる。
【００３２】
第４の目的を達成するために請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の面発光型半導体発光素子アレイを光源とし、前記光源より放出された光を光学系を用いて表示面に照射し、静止画像または動画像を表示することを特徴とする。
【００３３】
上記構成の画像表示装置では高密度集積化された面発光型半導体発光素子アレイを光源として使用するので、画素ピッチを細かくすることができるので、高解像度の画像を表示することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子の構造を図１に示す。同図においてSiドープのｎ型GaAs基板１０の上に、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）法によりｎ型GaAsバッファー層１２（0.2 μｍ厚さ、キャリア濃度2 ×1018/cm3）、ｎ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As 多層膜ミラー層１４(57.6nm/64.5nm×40.5周期、キャリア濃度２×1018/cm3) 、 Al0.6Ga0.4As スペーサー層１６(89.8nm 、ノンドープ) 、Al0.11Ga0.89As/ Al0.3Ga0.7As (量子井戸層/ 障壁層8nm/5nm ×4 周期、ノンドープ) の活性領域１８、Al0.6Ga0.4Asスペーサー層２０(89.8nm 、ノンドープ) 、ｐ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As 多層膜ミラー層２２(57.6nm/64.5nm×23.5周期、キャリア濃度２×1018/cm3) を順次、成長する。
【００３６】
その上にｎ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As(57.6nm/64.5nm/57.6nm 、キャリア濃度２×1018/cm3) で構成した駆動スイッチ層２８を成長し、その上に再びｐ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As 多層膜ミラー層２４（57.6nm/64.5nm ×４周期、キャリア濃度６×1018/cm3）とｐ型コンタクト層２６（９nm、キャリア濃度１×1019/cm3）を成長する。ここで、各多層膜ミラー層の積層界面は組成を徐々に変化させたグレーデッド層にし、電気抵抗を低減した。尚、ｎ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As 多層膜ミラー層１４は本発明の第１の多層膜ミラー層に、 Al0.6Ga0.4As スペーサー層１６は本発明の第１のスペーサ層に、活性領域１８は本発明の活性領域に、Al0.6Ga0.4Asスペーサー層２０は本発明の第２のスペーサ層に、ｐ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As 多層膜ミラー層２２及びｐ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As 多層膜ミラー層２４は本発明の第２の多層膜ミラー層に、駆動スイッチ層２８は本発明の第３の層に、それぞれ相当する。
【００３７】
多層膜ミラー層１４、２２、２４と駆動スイッチ層２８の各層の厚さｔi は、レーザ波長λ（ここでは７８０ｎｍ）の光に対して、ｔi ＝λ／(4・ ｎi ) を満足するように形成されており（ｎi は各層の屈折率）、高反射率が達成されている。また、スペーサ層１６、２０と活性領域１８の各層は、各層の膜厚ｔi と屈折率ｎi をかけた値ｔi ×ｎi の合計がλと等しくなるように設定され、レーザ共振器としての役割を果たしている。
【００３８】
次に、このような積層構造の面発光型レーザ構造層にプロトンを注入して個々のレーザ素子を電気的に分離すると同時に、活性領域１８の近傍に電流の狭窄構造を形成した。その方法は、図１に示すように、電流狭窄部の直径が５μm になるようにプロトン（Ｈ+ ）を照射する。プロトン照射の加速電圧は数百ｋＶ程度まで変化させ、プロトン注入領域を活性領域１８より下側のｎ型多層膜ミラー層１４に到達させた。このようにプロトン注入領域を形成することによりレーザ素子の活性領域１８とこれより上側のｐ型多層膜ミラー層２２、２４と駆動スイッチ層２８の部分が隣接するレーザ素子と絶縁化され、電気的に分離される。プロトン注入後は結晶性を回復させるための熱処理を行った。
【００３９】
次に、レーザ構造層の最表面にシリコン酸化膜を膜厚0.2 μｍに堆積し、パターニングして、図１に示すように、ｐ型コンタクト層２６とｐ型多層膜ミラー層２４の一部分をエッチング除去し、駆動スイッチ層２８の一部を露出させる。この露出した駆動スイッチ層２８の表面にｎ型GaAsの駆動スイッチコンタクト層３０（キャリア濃度２×1018/cm3) を膜厚0.1 μｍに選択成長する。
【００４０】
最後にｎ型の駆動スイッチコンタクト層３０とｐ型コンタクト層２６とｎ型GaAs基板１０に対してそれぞれ、駆動スイッチ電極３６（本発明の第３の電極）とｐ型電極３４（本発明の第２の電極に相当する。）とｎ型電極３２（本発明の第１の電極に相当する。）を設けた。駆動スイッチ電極３６とｎ型電極３２にはAuGe合金、ｐ型電極３４にはAuZn合金を使用した。ｐ型電極３４のサイズは例えば、２０μｍ角であり、その中央部に直径５μｍの光出射口が穿孔されている。
【００４１】
このようにして作製した面発光型半導体発光素子としての面発光型レーザ素子（図１）の駆動特性をシミュレーションにより調べた。まず面発光型レーザ素子の等価回路を図３に示す。下側から、ｎ型多層膜ミラー層１４、活性領域１８とスペーサ層１６、２０、ｐ型多層膜ミラー層２２、ｎ型駆動スイッチ層２８、ｐ型多層膜ミラー層２４の順に等価回路を記した。図中、電気抵抗はｒで始まる記号で、静電容量はｃで始まる記号で記した。ｐ型多層膜ミラー層２２とｐ型多層膜ミラー層２４との間には、ｎ型の駆動スイッチ層２８が挿入されているので、その上下の界面にｐ−ｎ接合ダイオードが２個向かいあって配置された構成となり、スイッチング素子としてのｐｎｐ接合のトランジスタを構成する半導体層が形成される。
【００４２】
既述した図１に示した面発光型レーザ素子の詳細な構造から、図３に示す等価回路の抵抗値と静電容量とｐ−ｎ接合ダイオードの特性を決定し、ＨＳＰＩＣＥシミュレータプログラムを用いてシミュレーションを行った。
【００４３】
面発光型レーザ素子の駆動方法として、ｎ型電極３２の電位Ｖ０をグランドレベル（０Ｖ）、ｐ型電極３４の電位Ｖ１を１０Ｖに設定し、駆動スイッチ電極３６の電位Ｖ２だけを１０Ｖから7.0 Ｖまで変化させた。その時の電流の流れを図４に示した。図４から判るように、駆動スイッチ電極３６の電位Ｖ２が 8.5Ｖ以下になると、ｐ型電極３４から活性領域１８に電流が流れ始める。この時駆動スイッチ電極３６に流れる電流量はｐ型電極３４から活性領域１８に流れる電流値の１／８である。しかし、駆動スイッチ電極３６の電位Ｖ２が約８Ｖ以下では、活性領域１８に流れる電流は飽和するが、駆動スイッチ電極３６に流れる電流は直線的に増加している。すなわち、駆動スイッチ電極３６の電位Ｖ２が８Ｖより低下すると、電位Ｖ２は駆動スイッチ電極３６に流れる電流の増加にのみ寄与し、活性領域１８に流れる電流の増加には寄与しない。これは駆動スイッチ電極３６の電位Ｖ２が８Ｖ以下では、駆動スイッチ層２８の価電子帯ポテンシャルがｐ型多層膜ミラー層の多数キャリアである正孔に対して障壁とならず、電流が容易に流れる状態になり、電流はｐ型電極３４から駆動スイッチ層２８へ、駆動スイッチ層２８から駆動スイッチ電極３６へとデバイスの外に流れ出るからである。活性領域１８に流れ込む電流値は、駆動スイッチ層２８、すなわち駆動スイッチ電極３６とｎ型電極３２との電位差に比例するので、駆動スイッチ電極３６の電位を８Ｖ以下に下げれば下げるほど、ｐ型電極から駆動スイッチ電極３６に電流が流れ出し、活性領域１８に流れる電流は減少することになる。このように駆動スイッチ層２８は各電極に電圧が印加されていない状態ではｐ型多層膜ミラー層２２の多数キャリアである正孔に対してポテンシャルバリアーとなり、正孔の流れを阻止する働きをするが、駆動スイッチ層２８、すなわち駆動スイッチ電極３６の電位を上下させることにより上記ポテンシャルバリアーの高さを上下させ、活性領域１８に流れる電流を制御することができる。
【００４４】
この動作原理を図２を参照して詳細に説明する。図２においてｎ型電極３２ａの電位をグランドレベル（０Ｖ）とし、ｐ型電極３４ａと駆動スイッチ電極３６ａの電位を１０Ｖとすると、図２において、ｎ型電極３２ａが０Ｖで、ｐ型電極３４ａと駆動スイッチ層３２ａが１０ｅｖだけ図上、下方に移動する。すなわち、ｐ型電極３４ａと駆動スイッチ層２８ａのフェルミレベルは水平となり、ｐ型多層膜ミラー層２２ａより右側の層のフェルミレベルは右肩上がりの傾斜になる。
【００４５】
しかしながら、駆動スイッチ層２８ａの価電子帯はビィルトインポテンシャルにより約２．０Ｖだけ下側に突出し、ポテンシャルバリアーを形成しているので、ｐ型多層膜ミラー層２４ａの正孔はｐ型多層膜ミラー層２２ａに移動できず、電流は流れない。しかし駆動スイッチ電極３６ａの電位を８．５Ｖに設定すると、駆動スイッチ層２８ａのポテンシャルがｐ型電極３４ａより１．５ｅＶ上方に移動し、ポテンシャルバリアーは低くなる。そして、徐々に電流が流れ始める。駆動スイッチ層２８ａの電位を８．０Ｖまで下げると、そのポテンシャルバリアーの高さはｐ型電極３４ａのフェルミレベルとほぼ同じになり、正孔は駆動スイッチ層２８ａによるポテンシャルバリアーに妨げられることなくｐ型多層膜ミラー層２２ａに移動できる。活性領域１８ａに流れる電流値は、駆動スイッチ層２８ａとｎ型電極３２ａとの電位差をその層間の抵抗値で割った値となる。
【００４６】
また、駆動スイッチ層２８ａの電位を８．０Ｖ以下にすると、その価電子帯のポテンシャルは、ｐ型多層膜ミラー層２２ａに対して、今度は上側への窪みとなる。すなわち、ｐｎ接合の順方向に電流が容易に流れる状況になり、電流はｐ型電極３４ａから駆動スイッチ層２８ａへ、駆動スイッチ層２８ａから駆動スイッチ電極３６ａへとデバイスの外に流れ出る。活性領域１８ａに流れる電流値は、駆動スイッチ層２８ａとｎ型電極３２ａとの電位差に比例するので、駆動スイッチ層２８ａ、すなわち駆動電極３６ａの電位の低下とともに減少する。つまり、駆動スイッチ層２８ａ、すなわち駆動電極３６ａの電位を８．０Ｖ以下に下げれば下げるほど、ｐ型電極３４ａから駆動スイッチ電極３６ａに電流が流れ出し、活性領域１８に流れる電流値は減少する。
【００４７】
以上、シミュレーションの結果を図２を参照して説明したが、このシミュレーションにより、本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子としての面発光型レーザでは、ｎ型電極３２ａとｐ型電極３４ａと駆動スイッチ電極３６ａの電位を操作することにより、面発光型レーザの活性領域に電流を注入できることが判る。もちろん、この３つの電極の電流値を操作しても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００４８】
本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子によれば、面発光型レーザ素子を構成する表面側の多層膜ミラー層（反射層）の内部、あるいはその下側に、第３の層である導電型の異なる多層膜ミラー層（駆動スイッチ層）を挿入することにより、面発光型レーザを構成する表面側にスイッチング素子（トランジスタ）を構成する半導体層を形成し、更に導電性基板と表面側の多層膜ミラー槽と駆動スイッチ層に電極を形成し、かつこれら３つの電極の電位、あるいは電流値を操作することにより面発光型レーザを駆動すると共に、駆動スイッチ層は前記表面側の多層膜ミラー層の配列の周期性を保持するように形成したので、駆動スイッチ層が挿入されても反射層としての多層膜ミラー層の反射率が低下することなく、従来に比して面発光型レーザの出力特性の向上が図れる。
【００４９】
また駆動スイッチ層はレーザ構造層の一部であるので、結晶成長が通常の面発光型レーザと同様で、簡単である。 更に駆動スイッチ電極とｐ型電極の駆動電圧が1V前後の小さい変化量でよいために、高速変調が可能であり、消費電力が小さく、駆動回路の設計が容易である等の効果がある。
【００５０】
更にレーザ構造層を結晶成長する基板には導電性(Si ドープ)GaAs 基板を使用できるので、欠陥が少なく、歩留りを向上させることができる。
【００５１】
また上記面発光型半導体発光素子において電極は、導電性基板１０、表面側の多層膜ミラー層２４のｐ型コンタクト層２６及び駆動スイッチ層２８の駆動スイッチコンタクト層３０に形成するので、導電性基板１０に共通電極を形成し、表面側のｐ型コンタクト層２６と駆動スイッチコンタクト層３０に対してマトリクス配線を施すことにより、レーザアレイを構成し、このレーザアレイの各面発光型レーザを独立に駆動することができる。このようなマトリクス配線は、凹凸のほとんどない基板表面に形成されるので、形成が容易で、狭ピッチで配列されたレーザアレイに対しても対応できる。
【００５２】
第２の実施の形態
次に本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子の構造を図５に示す。本実施の形態に係る面発光型半導体発光素子が第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子と構造上、異なるのは、駆動スイッチ層２８を活性領域１８より下側に挿入すると共に、面発光型レーザ構造層の中央部における電流狭窄構造をAlGaAs層を選択酸化することにより形成した点である。
【００５３】
図５に示すように、ｎ型導電性基板（ｎ型GaAs基板）１０の上に、ｎ型バッファー層（ｎ型GaAsバッファー層）１２、ｎ型多層膜ミラー層１４、駆動スイッチ層２８、第１のスペーサ層１６、活性領域１８、第２のスペーサ層２０、Al0.98Ga0.02As層５０（膜厚65.4ｎｍ）をこの順に成長する。その上にｐ型多層膜ミラー層２２、ｐ型コンタクト層２６をＭＯＣＶＤ法により積層する。各層の構成、およびキャリア濃度は第１の実施の形態と同じである。但し、駆動スイッチ層２８は第１の実施の形態ではｎ型多層膜ミラー層で構成したが、本実施の形態では導電型をｐ型に変更した1.5 周期の多層膜ミラー層で構成した。また、スペーサ層１６はｎ型にドーピングした（キャリア濃度５×1017/cm3) 。この構成により活性領域１８の下方にスペーサ層１６、駆動スイッチ層２８及びｎ型多層膜ミラー層１４によりｎｐｎ接合のトランジスタを構成する半導体層を形成した。
【００５４】
次にフォトリソグラフィーを用いて、駆動スイッチ層２８が表面に露出するまでエッチング除去し、図５に示すように直径５０μｍの凸形状を形成する。その後、再びＭＯＣＶＤ法により駆動スイッチ層２８の上にｐ型GaAsコンタクト層２９を再成長する。このサンプルを水蒸気雰囲気中で400 ℃に加熱してAl0.98Ga0.02As層５０を酸化し、中央部（直径5 μｍ）を残したドーナツ状の酸化アルミニウムAl2O3 ５２を形成する。酸化アルミニウムは絶縁性が高く電流を通さないので、Al0.98Ga0.02As層５０における酸化していない中央部のみに電流が流れる電流狭窄構造が形成される。電極は、ｎ型導電性基板１０にｎ型電極３２を、ｐ型コンタクト層２６にｐ型電極３４を、駆動スイッチ層２８の上のｐ型GaAsコンタクト層２９に駆動スイッチ電極３６を形成する。このような構成を持つ面発光型半導体レーザを、上記３つの電極３２、３４、３６の電位を操作したり、これらの各電極に流れる電流値を操作することにより駆動することができる。
【００５５】
本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
第３の実施の形態
次に本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイについて図６乃至図９を参照して説明する。第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイは図１に示した面発光型レーザ素子をマトリクス状に例えば、１２行×１２００列に配列し、導電性GaAs基板１０に設けたｎ型電極を共通電極とし、ｐ型コンタクト層に設けたｐ型電極と駆動スイッチ層２８に設けた駆動スイッチ電極にマトリクス配線を施し、これら３つの電極に所定の電圧を印加することにより各面発光型レーザ素子を個別に駆動制御するものである。
【００５６】
図６に第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの製造工程の概略を示す。図６（１）〜（３）において、上側の図は平面図を、下側の図は断面図をそれぞれ、示している。図１に示した第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子である面発光型レーザ素子と全く同様の面発光型レーザ構造層を導電性GaAs基板１０の上にＭＯＣＶＤ法により積層する（図６（１））。ここで、図１に示すように１４はｎ型多層膜ミラー、２２、２４はｐ型多層膜ミラー、２６はｐ型コンタクト層、２８は駆動スイッチ層である。
【００５７】
次にプロトンを縦横の格子状に注入して、プロトン注入領域を４０を形成し、縦横方向ともに４２μm ピッチで面発光型レーザ素子（面発光型半導体発光素子）を１２行×１２００列に配列した面発光型半導体発光素子アレイを形成する（図６（２））。次に第１の実施の形態と同様に( 図１参照) 、個々の面発光型レーザ素子のｐ型コンタクト層２６とｐ型多層膜ミラー層２４の一部をエッチング除去し、ｎ型の駆動スイッチ層２８を露出する。この上にｎ型の駆動スイッチコンタクト層３０を再成長する。これらｐ型コンタクト層２６とｎ型駆動スイッチコンタクト層３０とｎ型GaAs基板１０の裏面に、第１の実施の形態と同様に、ｐ型電極３４と駆動スイッチ電極３６とｎ型電極３２を形成する。駆動スイッチ電極３６に対しては、行方向の駆動スイッチ配線６０を形成し、この配線の上には膜厚０．２μｍにSi3N4 膜６２を堆積させて、それと垂直方向の陽極配線６４をｐ型電極２２に結線するように形成する（図６(3) 図６では断面図が判り易いように１２行×１２００列のレーザアレイを９０°回転させて表記した）。ここで１２行×１２００列のレーザアレイを上下左右に４分割し、その各々の６×６００のレーザアレイを１ブロックとして駆動スイッチ配線６０と陽極配線６４のマトリクス配線を形成した。ｎ型電極３２は共通電極とするので、GaAs基板１０の裏面全面に形成している。
このようにしてマトリクス配線した６行×６００列のレーザアレイで構成した１２行×１２００列のレーザアレイを作成した。
【００５８】
第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイによれば、マトリクス配線を、凹凸のほとんどない基板表面に形成することができるので、マトリクス配線が容易で、かつマトリクス配線の密度を高くすることができ、面発光型半導体発光素子の高密度集積化が図れる。
【００５９】
またレーザ構造層を結晶成長する基板には導電性(Si ドープ)GaAs 基板を使用できるので、欠陥が少なく、歩留りが向上するという効果もある。面発光型半導体発光素子を高密度に形成でき、歩留まりを高くすることができるのでコストの低減が図れる。
【００６０】
更に、従来の単純なマトリクス配線レーザアレイにおいては、配線に接続されているレーザ数が多いと、配線の寄生容量への充電放電電流が大きく、その消費電力が大きいという問題と、配線の寄生容量が大きいために駆動電流波形の矩形性が悪いという問題があったが、本発明では、これらの問題が全て解決した。つまり、駆動時の各電極における電圧変化が小さいので、配線の寄生容量による消費電力が低減され、同時に、矩形性の良好なパルス電流をレーザ活性領域に流入することができる。
さらに、従来の面発光型レーザのマトリクス配線には、 深い凹凸形状の埋め込みにポリイミドやシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などを用いるが、 これによりもたらされる残留応力がレーザの信頼性を低下させるのに対し、本発明を使用すると、 表面の凹凸が浅く、埋め込み層の膜厚が浅いので、残留応力による信頼性の低下などの問題が発生しないという効果もある。
【００６１】
次にこのレーザ素子を１２行×１２００列に配列したレーザアレイ７０のパルス動作特性と、このレーザアレイ７０を光源とした画像形成装置について説明する。
【００６２】
１２行×１２００列にレーザ素子を配列したレーザアレイ７０は４つの６行×６００列にレーザ素子を配列したレーザアレイの集合体であるので、レーザ素子を６行×６００列に配列したレーザアレイのパルス動作について図７の駆動シーケンスを参照して説明する。ここでは図３に示した電極の電位を全体に−8.5 V シフトさせた設定で駆動することにする。すなわち、レーザアレイ７０の共通電極である陰極電極を−8.5Vに、マトリクス配線した陽極配線６４と駆動スイッチ配線６０の電位は0Vに設定する。駆動するレーザ行の駆動スイッチ配線６０には−0.5Vのパルス電圧を印加し、次に発光させるレーザの陽極配線６４に＋1.5Vのパルス電圧を印加して、所望のレーザ素子を発光させる。レーザアレイにおけるレーザ素子のｘ行ｙ列の配列位置を（ｘ，ｙ）で示すとすると、上記方法で配列位置が（６，６００）のレーザ素子を駆動するシュミレーションを実施した。その結果を図８に示す。配列位置が（６，６００）のレーザ素子の活性領域には矩形電流が流れているが、駆動していない配列位置が（３，６００）のレーザ素子の活性領域には電流が流れておらず、所望のレーザ素子のみを駆動できることを確認することができた。
【００６３】
レーザアレイ７０全体を駆動する方法の一例を図９のタイムチャートで示す。先ず、第１行の駆動スイッチ配線６０−１に−0.5V、パルス幅1.2 μｓのパルス電圧を印加し、第２行から第１２行の駆動スイッチ配線６０−２〜６０−１２の電位を０に設定する。次に発光させる第ｉ列のレーザの陽極配線６４−ｉ（ｉは１〜1200の整数）だけに＋1.5V、パルス幅1.0 μｓのパルス電圧を印加する。駆動スイッチ配線の電位が−0.5Vでかつ陽極配線６４−ｉの電位が＋1.5Vの電位の交差位置のレーザ素子だけが、図４で示した駆動条件を満足するので、発光する。つまり、第１行の中の所望のレーザだけを発光させることができる。次に、駆動スイッチ配線６０−１の電位が０V になってから、第２行の駆動スイッチ配線６０−２に−0.5V、パルス幅1.2 μｓのパルス電圧を印加する。第１行の場合と同様に発光させるべき所望のレーザ素子の陽極配線６４−ｉだけに、＋1.5V、パルス幅1.0 μｓのパルス電圧を印加すると、所望のレーザ素子だけが発光する。
【００６４】
このようにして、第３行，第４行，…，第１２行の所望のレーザ素子を順次発光させることができる。
【００６５】
次に、上記のレーザアレイ７０を光源とした画像形成装置を図１０に基づいて説明する。同図において、画像形成装置は、光源としてのレーザアレイ７０と、レンズ系７２と、感光ドラム７４と、反射ミラー７６とを有している。このような構成において、光源としてのレーザアレイ７０から射出されたレーザ光をレンズ系７２により集光、結像し、感光ドラム７４面上にレーザアレイ７０の発光パターンを投影する。本実施の形態では、レーザアレイ７０の配設位置から感光ドラム７４の配設位置までの距離を近くするために、光路に反射ミラー７６を挿入している。
【００６６】
更に本実施の形態では、レーザアレイ７０を発光点の配列面内で微少に回転させることにより、感光ドラム７４面上に投影された投影点配列１２×１２００の主走査線上への投影点配列が、等間隔で並ぶ１４４００個の点列となるようにした。
【００６７】
これにより、感光ドラム７４の回転により、感光ドラム幅に１４４００スポットの解像度の画像を形成することができる。図１０では省略したが、画像形成装置には、その他に、帯電用コロトロン、現像器、転写コロトロン、定着器、クリーニング器などが備わっている。また、レーザアレイの駆動には、信号処理プロセッサやレーザアレイドライバーなどを用いている。
また、本実施の形態に係る画像形成装置によれば、高密度集積化された面発光型半導体発光素子アレイを光源として使用するので、画素ピッチを細かくすることができ、上述した駆動シーケンス（図９）を用いて、順次レーザアレイを発光させることにより、高解像度の画像を形成することができる。
【００６８】
第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイについて図１１及び図１２を参照して説明する。本実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイは、第２の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子（選択酸化型の面発光型レーザ素子）を１２行×１２００列に配列したものである。
【００６９】
レーザアレイを作製する場合は、特に第１の実施の形態（図１）に説明したように駆動スイッチ層２８をｐ型多層膜ミラー層２２の表面近傍に挿入する方が、第２の実施の形態（図５）で説明したように駆動スイッチ層２８をｎ型多層膜ミラー層１４の端に挿入するよりも有利である。これはマトリクス配線の形成が、レーザ構造層の表面近傍で形成した方が容易であるからである。
【００７０】
次に本実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイ８０の製造工程の概略を図１１に、各面発光型レーザ素子の断面構造を図１２に示す。面発光型半導体発光素子アレイの各レーザ構造は図１１(1) に示すように、導電性のｎ型ＧａＡｓ基板１０上に形成された各層をエッチングして凸形状とする。すなわち、図１２に示すように導電性のｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２、ｎ型多層膜ミラー層１４、スペーサ層１６、活性領域１８、スペーサ層２０、 Al0.98Ga0.02As 層５０、ｐ型多層膜ミラー層２２、駆動スイッチ層２８、ｐ型多層膜ミラー層２４、ｐ型コンタクト層２６をこの順に成長する。駆動スイッチ層２８をエッチングにより表面に露出し、その上にｎ型駆動スイッチコンタクト層３０を再成長する。  次に、レーザ素子の凸形状をエッチングにより形成する。
【００７１】
次に図１１（２）に示すように、Al0.98Ga0.02As層５０を酸化して、ドーナツ状の酸化アルミニウムAl2O3 ５２を作製する。
【００７２】
更にエッチングによって、凸形状になったレーザアレイの表面をポリイミド８４により埋め込み平坦化する（図１１（３））。そして、駆動スイッチ配線８６を形成し、これを覆うために絶縁膜Si3N4 ８８を形成する。駆動スイッチ配線８６の垂直方向にｐ型電極配線９０を形成してマトリクス配線を敷く。ｎ型GaAs基板１０の裏面には共通電極９２を形成する（図１１（４））。
【００７３】
このようにして、形成した３つの電極（または配線）８６、９０、９２に所定の電圧を印加することにより、レーザ素子を１２行×１２００列に配列したレーザアレイ８０を駆動することができる。駆動方法は第３の実施の形態と同様とすることで、画像形成装置の光源として使用することができる。この画像形成装置は電子写真方式であるが、その他の印刷方式であるダイレクトプリンティングなどの光源としても使用できることはいうまでもない。
【００７４】
第５の実施の形態
本発明の第５の実施の形態に係る画像表示装置について説明する。まず画像表示装置の説明に先立ち、この画像表示装置の光源として使用する波長６５０ｎｍの赤色光を出射するレーザ素子を１２行×１２０列に配列した AlGaInP系レーザアレイについて説明する。
【００７５】
このレーザアレイを構成する各面発光型レーザ素子のレーザ構造層を、その出力光として赤色光（波長６８０ｎｍ）を出射するようにスペーサ層と活性領域をAlGaInP 系材料で形成し、多層膜ミラー層をAlGaAs系材料で形成した。その構造は、具体的には導電性のｎ型ＧａＡｓ基板の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層、ｎ型AlAs/Al0.5Ga0.5As 多層膜ミラー層、ノンドープAlInP スペーサ層、GaInP/AlGaInP 三重量子井戸活性領域、ノンドープAlInP スペーサ層、ｐ型AlAs/Al 0.5Ga0.5As多層膜ミラー層、ｎ型Al0.5Ga0.5As /AlAs/Al0.5Ga0.5As 駆動スイッチ層、ｐ型AlAs/Al0.5Ga0.5As 多層膜ミラー層、ｐ型GaAsコンタクト層をこの順に積層した構造である。このレーザ構造層は使用した材料は一部、異なるが、基本的には図１１と同様の構造である
上記レーザ構造層における多層膜ミラー層の各層の厚さｔi は、レーザ波長λ（ここでは７８０ｎｍ）の光に対して、ｔi ＝λ／(4・ ｎi ) を満足するようになっており（ｎi は各層の屈折率）、高反射率が達成されている。また、スペーサ層と活性領域の各層は、各層の膜厚ｔi をその屈折率ｎi で乗じた値ｔi ×ｎi の合計がλと等しくなるように設定され、レーザ共振器としての役割を果たしている。
【００７６】
このようなレーザ構造層の基板に、第３の実施の形態に係るレーザアレイと同様にして、プロトン注入によりレーザ素子を１２行×１２０列に配列したレーザアレイを作製する。さらに、第３の実施の形態と同様に、GaAs基板裏面には共通電極を形成し、ｐ型電極と駆動スイッチ電極に対して、マトリクス配線を敷設することにより、これら３つの電極の電位や電流を操作することにより、１２行×１２０列のレーザアレイ１００を駆動することができる。
【００７７】
このレーザアレイ１００を光源とする画像表示装置の構成を図１３に示す。同図において、画像表示装置は光源としてのレーザアレイ１００と、レンズ系１０２、１０４と、反射ミラー１０６、１０８と、ポリゴンミラー１１０と、スクリーン１１２とを有している。
【００７８】
上記構成において、１２行×１２０列のレーザアレイ１００から出たレーザ光１１４はレンズ系１０２と反射ミラー１０６によりポリゴンミラー１１０の鏡面上で一旦、結像される。次にポリゴンミラー１１０で反射された光はレンズ系１０４と反射ミラー１０８により、画像表示用のスクリーン１１２に裏面から投影される。ここで、スクリーン１１２に投影された発光点配列は、その発光点配列の主走査方向（水平方向）への投影点列が、等間隔で並ぶようにレーザアレイ１００を微少に傾斜させておく。これにより、主走査方向の解像度は１４４０スポットとなり、画像表示装置としては高精細な画像を表示することができる。
【００７９】
また、ポリゴンミラー１１０は３面とし、その回転速度を10回転／秒（６００回転／分）とすると、３０フレーム／秒の動画像を形成することができる。スクリーン１１２上での垂直方向の解像度は、第３の実施の形態で説明した駆動シーケンスを用いれば、１２００スポット以上が容易に実現できる。
【００８０】
本実施の形態では、赤色レーザアレイしか使用していないので、赤色の表示しかできないが、青色と緑色のレーザアレイを使用することにより、フルカラーの表示ができることはいうまでもない。
【００８１】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明に係る面発光型半導体発光素子によれば、面発光型レーザ素子を構成する表面側の多層膜ミラー層（反射層）の内部、あるいはその下側に、第３の層である導電型の異なる多層膜ミラー層（駆動スイッチ層）を挿入することにより、面発光型レーザを構成する表面側にスイッチング素子、例えば、トランジスタを構成するｐｎｐ接合あるいはｎｐｎ接合の半導体層を形成し、更に導電性基板と表面側の多層膜ミラー槽と駆動スイッチ層に電極を形成し、かつこれら３つの電極の電位、あるいは電流値を操作することにより面発光型レーザを駆動すると共に、駆動スイッチ層は前記表面側の多層膜ミラー層の配列の周期性を保持するように形成したので、駆動スイッチ層が挿入されても反射層としての多層膜ミラー層の反射率が低下することなく、従来に比して面発光型レーザの出力特性の向上が図れる。
【００８２】
本発明に係る面発光型半導体発光素子アレイによれば、各面発光型半導体発光素子における電極のうち導電性基板に共通電極を形成し、表面側の多層膜ミラー層と駆動スイッチ層に対してマトリクス配線を形成したので、表面の凹凸が少なく、マトリクス配線の形成が容易であり、レーザ素子の高集積化が可能となる。
【００８３】
本発明に係る画像形成装置では高密度集積化された本発明に係る面発光型半導体発光素子アレイを光源として使用するので、画素ピッチを細かくすることができ、高解像度の画像を形成することができる。
【００８４】
本発明に係る画像表示装置では高密度集積化された本発明に係る面発光型半導体発光素子アレイを光源として使用するので、画素ピッチを細かくすることができるので、高解像度の画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子の断面構造を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子の動作原理を示すエレルギーバンド構造図。
【図３】図１に示した面発光型半導体発光素子の等価回路を示す回路図。
【図４】図１に示した面発光型半導体発光素子における駆動スイッチ電極電位に対する各部に流れる電流との関係を示す電圧−電流特性図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子の断面構造を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの製造工程を示す工程図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの駆動シーケンスを示す説明図。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの駆動シュミレーション結果を示すパルス電流波形図。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの全体を駆動する際の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。
【図１０】  本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイを光源として使用した画像形成装置の概略構成を示す構成図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの製造工程を示す工程図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る面発光型半導体発光素子アレイの各面発光型レーザ素子の断面構造を示す断面図。
【図１３】本発明の第５の実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す構成図。
【図１４】従来の面発光型レーザアレイの断面構造の一部を示す断面図。
【図１５】従来のトランジスタを搭載した面発光レーザレーザアレイの断面構造を示す断面図。
【符号の説明】
１０    ｎ型GaAs基板
１２    ｎ型GaAsバッファー層
１４    ｎ型多層膜ミラー層（第１の多層膜ミラー層）
１６    スペーサ層（第１のスペーサ層）
１８    活性領域
２０    スペーサ層（第２のスペーサ層）
２２，２４  ｐ型多層膜ミラー層（第２の多層膜ミラー層）
２６    ｐ型コンタクト層
２８    駆動スイッチ層（第３の層）
３０    駆動スイッチコンタクト層
３２    ｎ型電極
３４    ｐ型電極
３６    駆動スイッチ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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