(57)【要約】【課題】半導体発光素子において、青色もしくは緑色の光ビームを小さいスポット径でかつ小さい放射角で発光可能とする。【解決手段】面発光型の半導体発光素子において、活性層66を挟む上下層にＤＢＲ多層反射鏡64および69からなるブラッグ反射機構を備え、ブラッグ反射機構による光の量子閉じ込め効果により発光パターンを制限する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型の半導体発光素子であって、
活性層を挟む上下層にブラッグ反射機構を備え、
前記ブラッグ反射機構による光の量子閉じ込め効果により制限された発光パターンで緑色もしくは青色の光ビームをスーパーラディアンスにより発光することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
面発光型の半導体発光素子であって、
発光端面の一部にレンズが形成され、
前記発光端面の前記レンズ以外の部分が遮光部材に覆われており、
前記レンズから緑色もしくは青色の光ビームを発することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体発光素子が、InGaN 系の半導体により形成されるものであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１から３いずれか記載の青色の光ビームを発光する半導体発光素子および緑色の光ビームを発光する半導体発光素子と、赤色の光ビームを発光する半導体発光素子とからなる光源と、
走査光学系とを備えたことを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の構造に関し、特に詳しくは、緑色もしくは青色の光ビームを出力する半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の銀塩写真のデジタルプリント装置においては、光源としてレーザ光を用いており、レーザ光を光源としているために、ポリゴンミラー等を用いた高速の光ビーム走査露光が可能となり、高速にプリントを出力でき、また、走査にドラム等の高速の紙送りを用いる必要がなく連続紙による供給などの簡便な紙送りが可能である。
【０００３】
デジタルプリント装置の光源としては、ＲＧＢの三原色にて発光するレーザ光源を用いることが理想であり、従来レーザ光源としては、ガスレーザが主に用いられてきたが、サイズが大きい、特殊な電源を必要とする、信頼性が高くないなど汎用の装置の光源として採用するには難があった。最近、本出願人は、赤色光源として半導体レーザを、青、緑色光源としては第二高調波を発生させる半導体レーザ励起固体レーザを備えたデジタルプリント装置「Frontier」を製品化した。該プリント装置においては、青および緑色の光源として半導体レーザ励起固体レーザを用いることにより、小型・高品位のレーザ光を比較的安価に提供することができるようになり、また、初段の電気−光変換は半導体レーザであるため信頼性も向上した。さらに、特性が最も安定であり、最も安価である三原色に感度を会わせた通常のカラーペーパーを用いることができる。
【０００４】
しかしながら、これらの装置のさらなるコストダウンにはキーデバイスであるレーザ光源のコストダウンが必須である。赤色半導体レーザは高密度光磁気ディスクやＤＶＤ（Digital Video Disk）用光源として低価格化が進んでおり問題ないが、青および緑色については実用可能の半導体レーザが得られる見通しがないため、現状の固体レーザでは部品および組立コストが壁となって半導体レーザのような低価格化は装置の構成上困難である。
【０００５】
一方、より長波長帯域の半導体レーザとＣＭＹ（Cyan, Magenta, Yellow ）発色をする感材とを用いて比較的安価なプリント装置が実現されている（例えば、富士フイルム製ピクトグラフィー）。このような装置においては、市販の半導体レーザ（例えば、810nm , 750nm , 680nm ）を用いることができるため、上記固体レーザを用いた場合より装置を安価に構成することができる。
【０００６】
しかしながら、市販の半導体レーザを用いるために、感光材料として半導体レーザの波長に合わせた特別のもの、すなわち、通常より長波長側へ感度をシフトさせたものを用意する必要があるため材料費が高くなり運転費やプリントコストが高くなるという問題がある。
【０００７】
一方、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）において、青および緑の高輝度のＬＥＤ光源がInGaN 系の材料を用いて実現されている（「The Blue Diode」,S.Nakamura and G.Fasol,Springer,Berlin,1997）。これらは、他の赤色などのＬＥＤと同様に数百μｍ角程度の発光面を有し、光は発散光である。従って、高精細なプリンタを構成するために、これらの光源を用いて数十μｍ径のスポットを形成しようとする場合、放射光を有限な大きさのレンズ等により集光するため、集光された光の光量は極めて小さいものとなる、また、1/2 〜1/10程度の縮小光学系により結像するためレンズと光源との距離が相対的に離れてしまい更に結合効率が低下する、という問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑み、通常の可視光露光用の感材を用いる露光装置に使用可能の青色、緑色の光ビームを小さいスポット径でかつ小さい放射角で発光し、かつ安価に作製することができる半導体発光素子およびこの半導体発光素子を採用した露光装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の半導体発光素子は、光導波機構を有し、発光端面に反射鏡が形成されている、ストライプ構造の半導体発光素子であって、
前記光導波機構により制限された発光領域から、緑色もしくは４５０ｎｍ以上の波長を有する青色の光ビームをスーパーラディアンスにより発光することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の第二の半導体発光素子は、面発光型の半導体発光素子であって、
活性層を挟む上下層にブラッグ反射機構を備え、
前記ブラッグ反射機構による光の量子閉じ込め効果により制限された発光パターンで緑色もしくは青色の光ビームをスーパーラディアンスにより発光することを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、前記「スーパーラディアンスにより発光する」とは、素子の反射型構造により誘導放出を行うが、レーザ発振ではない発光を行うことをいう。
【００１２】
また、本発明の第三の半導体発光素子は、面発光型の半導体発光素子であって、
発光端面の一部にレンズが形成され、
前記発光端面の前記レンズ以外の部分が遮光部材に覆われており、
前記レンズから緑色もしくは青色の光ビームを発光することを特徴とするものである。
【００１３】
なお、前記各半導体発光素子は、InGaN 系の半導体により好適に形成される。
【００１４】
本発明の露光装置は、赤色の半導体発光素子と、上述の本発明青色の光ビームを発光する半導体発光素子および緑色の光ビームを発光する半導体発光素子とからなる光源と、
走査光学系とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第一の半導体発光素子は、発光領域が光導波機構およびストライプ構造によって制限されているため、微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色もしくは青色の光ビームを出力することができる。
【００１６】
本発明の第二の半導体発光素子は、ブラッグ反射（ＤＢＲ）機構を備えたことにより、光の量子閉じ込め効果によって発光パターンを制限することができ、微小発光径でかつ光の放射角度の狭い緑色もしくは青色の光ビームを出力することができる。
【００１７】
本発明の第三の半導体発光素子は、一般的な面発光ダイオード（ＬＥＤ）において発光端面の一部にレンズが形成され、それ以外の部分を遮光部材で覆われたものであり、遮光部材により発光領域が制限され、レンズにより微小発光径でかつ放射角度の狭い緑色もしくは青色の光ビームを出力することができる。
【００１８】
本発明の露光装置は、赤色半導体発光素子と、上述の本発明による緑色半導体発光素子および青色半導体発光素子とからなる光源を備えることにより、安価に構成することができ、また、本発明の半導体発光素子から発光される緑色および青色の光ビームは、微小発光径でかつ放射角度の狭いものであるため、従来のレーザ光および第二高調波を用いていた露光装置と同様に高速かつ高品位なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る第一の実施形態のInGaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。図１に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、一般のストライプ型半導体レーザの構造と同様の、活性層７をクラッド層６、８で挟むダブルヘテロ構造であり、光の閉じ込めのためストライプ状の電流注入窓12が設けられたものである。また、素子の劈開面は反射面とされて、光反射構造が形成されている。本素子はレーザ発振しないが、層構成およびリッジ型屈折率導波構造からなる光導波構造と両光出射端面の反射によって形成される光反射構造により、いわゆるスーパーラディアンス（Super Radiance）にて発光する。なお、本実施形態の半導体発光素子は、470nm 帯域の青色光ビームを発光するものである。
【００２１】
以下、本半導体発光素子の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。サファイアｃ面基板１上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層２、n-GaN バッファ層３（Siドープ、５μｍ）、n-In０．０５Ga０．９５N バッファ層４（Siドープ、0.1 μｍ）、n-Al０．１Ga０．９N クラッド層５（Siドープ、0.5 μｍ）、n-GaN 光ガイド層６（Siドープ、0.1 μｍ）、アンドープ活性層７、p-GaN 光ガイド層８（Mgドープ、0.1 μｍ）、p-Al０．１Ga０．９N クラッド層９（Mgドープ、0.5 μｍ）およびp-GaN キャップ層10（Mgドープ、0.3 μｍ）を順次成長する。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理によりｐ型不純物を活性化する。なお、活性層７は、アンドープln０．０５Ga０．９５N （10ｎｍ）、アンドープIn０．２８Ga０．７２N 量子井戸層（３ｎｍ）、アンドープIn０．０５Ga０．９５N（5ｎｍ）、アンドープIn０．２８Ga０．７２N 量子井戸層（３ｎｍ）、アンドープln０．０５Ga０．９５N （10ｎｍ）アンドープAl０．１Ga０．９N（10ｎｍ）からなる二重量子井戸構造とする。
【００２２】
次に、フォトリソグラフィとエッチングにより６μｍ幅のリッジストライプを形成するため、リッジストライプ部以外のエピタキシャル層をキャップ層10からクラッド層９の途中まで塩素イオンを用いたＲＩＢＥ（reactive ion beam etching ）により除去する。次に、リッジストライプ部上部を含む露出面上にSiN 膜14をプラズマＣＶＤで製膜した後、更にフォトリソグラフィと塩素を用いたＲＩＢＥにより、ｎ側電極を形成するためにリッジストライプ部を含む発光領域部以外のエピタキシャル層をn-GaN バッファ層３が露出するまでエッチング除去する。なお、この際に共振器端面を形成する。その後、リッジ部上面のSiN 膜14に電流注入のためのストライプ状窓12（幅10μｍ）を作製し、該ストライプ窓12を覆うようにｐ側電極13としてTi/Al/Ti/Au を、またn-GaN バッファ層３の露出部にｎ側電極11としてNi/Au を真空蒸着した後、窒素中でアニールしてオーミック電極を形成する。
【００２３】
上記のようにして作製された半導体発光素子は発光スポット径としては６μｍ×１μｍ程度、放射ビーム角度としては４０度程度の狭いものが得られる。このスポット径および放射ビーム角度は通常の発光ダイオード（ＬＥＤ）と比べると極めて小さく、プリンタの露光光学系への光の結合効率は従来のＬＥＤを光源として用いた場合と比べて１〜２桁以上改善する。従来のＬＥＤでは通常発光スポット径が３００μｍ程度以上であるため、プリンタにおいて必要とされる高精細な特性を実現するためには５０μｍ以下程度となるように縮小するための光学系が必要であったが、微小スポット径の本半導体発光素子ではこのような光学系は必要がないため口径の大きな明るいレンズをより近づけて使用することが可能となり、光学系への結合効率を更に改善することができる。なお、上記実施の形態においては光出射端面には光学的コーティングを施していないが、Super Radianceは反射率依存性が大きいのでこれを制御する目的や前後の端面の光出射強度を制御する目的などで端面反射率を制御する各種光学コーティングを施すことができる。各層の組成や厚みは光導波条件を満たす範囲において適宜選択できる。
【００２４】
なお、上述の実施形態においては、470nm の青色光ビームを発光する素子としたが、InGaN 量子井戸層のIn組成を変化させることによって発光波長を制御することができ、470nm 以外の青色波長や、緑色波長の素子も実現できる。
【００２５】
本発明に係る第二の実施形態の半導体発光素子の断面模式図を図２に示す。
【００２６】
本実施形態の半導体発光素子の層構成および作製方法は上記第一の実施形態の半導体発光素子とほぼ同様であり、同等の層には同符号を付し詳細な説明を省略する。本半導体発光素子は、基板として導電性の6H-SiC基板21が用いられ、ｎ側電極11が基板21の裏面に形成された構成である。このようなストライプ型構造の発光素子においても、微小発光スポットで狭放射角で光ビームを発光することができる。
【００２７】
本発明に係る第三の実施形態のInGaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を図３に示す。
【００２８】
本実施形態に係る半導体発光素子は、活性層を挟んで上下に設けられたＤＢＲ多層反射鏡を有する、ＤＢＲレーザ（distributed Bragg-reflectionレーザ）と同様の構造を備え、このＤＢＲ多層反射鏡による光閉じ込めの効果により光の量子化を行い発光パターンを制御するものである。本素子においても上記第一の実施形態と同様に、レーザ発振はしないがＤＢＲ多層反射鏡によって形成される光反射構造によりいわゆるスーパーラディアンスにて発光する。なお、本実施形態の半導体発光素子は、450nm 帯域の青色光ビームを発光するものである。
【００２９】
本半導体発光素子の作製方法を簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板61上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層62、n-GaN バッファ層63（Siドープ、５μｍ）、ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64（Siドープ）、n-GaN 層65（Siドープ、0.09μｍ）、アンドープIn０．２５Ga０．７５N 量子井戸活性層66（２ｎｍ）、p-Al０．２Ga０．８N 障壁層67（Mgドープ、20ｎｍ）、p-GaN 層68（Mgドープ、0.09μｍ）、ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69（Mgドープ）、p-GaN キャップ層70（Mgドープ、0.2 μｍ）を成長する。その後窒素ガス雰囲気中で熱処理によりｐ型不純物を活性化する。この後、キャップ層70上にｐ側電極71を形成するが、少なくとも光を取り出す100 μｍ径の円形状の部分を除いて形成する。ｎ側電極72を形成して熱処理後、発光部に反射防止膜73をコーティングする。ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64はn-Al０．１Ga０．９N 64a（Siドープ、λ／４相当厚み、45ｎｍ）、n-GaN 64b（Siドープ、λ／４相当厚み、46ｎｍ）を40.5周期積層する。ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69は同様にp-Al０．１Ga０．９N 69a （Mgドープ、λ／４相当厚み、45ｎｍ）、n-GaN 69b （Mgドープ、λ／４相当厚み、46ｎｍ）を20.5周期積層する。本実施形態において作製された半導体発光素子は450nm の発光波長を有し、微小共振器の効果により光の放射パターンの急峻化が図られている。
【００３０】
図４は、本発明に係る第四の実施形態のInGaN 系青色半導体発光素子の断面模式図を示す。上記第三の実施形態と同様にＤＢＲ多層反射鏡を有する構成であるが、本実施の形態においては、上部ＤＢＲ層を発光領域にのみ設けることにより、発光パターンの制御を行っている。
【００３１】
本半導体発光素子の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板81上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層82、n-GaN バッファ層83（Siドープ、５μｍ）、ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡84（Siドープ）、n-GaN 層85（Siドープ、0.09μｍ）、アンドープIn０．２５Ga０．７５N 量子井戸活性層86（２nm）、p-Al０．２Ga０．８N 障壁層87（Mgドープ、20nm）、p-GaN 層88（Mgドープ、0.09μｍ）を成長する。ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡84はn-Al０．１Ga０．９N 84a （Siドープ、λ／４相当厚み、45nm）、n-GaN 84b （Siドープ、λ／４相当厚み、46nm）を40.5周期積層したものである。
【００３２】
その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理することによりｐ型不純物を活性化する。その後、リフトオフ法を用いて、光を取り出すための100 μｍ径の円形状の部分を除いてｐ側電極90を形成する。この後、ＤＢＲ層89をZnS 89a とSiO２89b の多層コーティング（各λ／４相当厚み30.5周期）により形成し、発光領域以外のＤＢＲ層をエッチング除去する。その後、ｎ側電極91を形成して熱処理する。なお、上述のように本実施形態においては、上部ＤＢＲ層はZnS およびSiO２の誘電体膜により形成されており、半導体層の結晶成長とは異なるプロセスにより形成している。
【００３３】
図５は、本発明に係る第五の実施形態のInGaN 系緑色半導体発光素子の断面模式図を示すものである。図５に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、一般の面発光ダイオードの構造において、その発光面上にレンズ状部48を備え、その発光面のレンズ状部48以外の部分が遮光性材料49で覆われたものである（図６参照）。すなわち、本素子は通常の発光ダイオードから出射される自然光をレンズ状部48により集束させて出力するものである。なお、本実施形態の半導体発光素子は、530 nm帯域の緑色光ビームを発光するものである。
【００３４】
本半導体発光素子の層構成を作製方法と併せて簡単に説明する。ｎ型の導電性を有する6H-SiC基板41上にＭＯＣＶＤ法を用いて、n-GaN 低温バッファ層42、n-GaN バッファ層43（Siドープ、５μｍ）アンドープIn０．４５Ga０．５５N 量子井戸活性層44（２ｎｍ）、p-Al０．１Ga０．９N クラッド層45（Mgドープ、0.1μｍ）、p-GaNキャップ層46（Mgドープ、1.2 μｍ）を成長する。その後、窒素ガス雰囲気中で熱処理することによりｐ型不純物を活性化させる。この後、８０μｍ径の円形のレジストパターンを形成し、塩素イオンを用いたＲＩＢＥにより、基板を回転して斜めから塩素イオンビームを入射して約８０μｍ径のレンズ状48にp-GaN キャップ層46をエッチングする。その後、キャップ層46上にレンズ形状部48および後に形成される電極とキャップ層46との接触部を除く領域にSiN 絶縁膜47を形成する。この絶縁膜47は、電極がキャップ層46とオーミック接触する部分をレンズ形状部48の周囲に限定するためのものである。次に、この絶縁膜47およびレンズ形状部48の周囲に露出するキャップ層46上部にｐ側電極を形成する。図６は、図５に示す素子の上面図であり、図示するように、ｐ側電極はレンズ形状部を除く部分に形成され、該レンズ形状部以外からの発光を遮光する役割を担う。なお、ｐ側電極の形状としては図７のようにレンズ形状部を囲むリング形状にする等種々の形状が可能である。この際には、素子上面のレンズ形状部および電極部以外の部分は、ポリイミドなどの吸光材料55で遮光すればよい。このようにして、電極構造とレンズ加工を組み合わせて、微小発光スポットと狭放射ビーム化を実現することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態に係る半導体発光素子について説明してきたが、上記のような微小発光径、狭放射角度の半導体発光素子を用いて高速かつ簡便な露光システムを構成することが可能である。
【００３６】
光源としては、例えば、上記第一の実施形態に示されている470 nmの青色光ビームを出力する半導体発光素子と、同様にして作製された530 nmの緑色光ビームを出力する半導体発光素子と、従来の赤色半導体レーザを用いる。
【００３７】
図８は本発明の露光装置の一実施形態の構成模式図である。簡単のため、図面には１の半導体発光素子のみ示す。本露光装置においては、半導体発光素子100 から出射した光ビームを、該光ビームの広がり角を小さくするための第一レンズ101 を介してガルバノメ―タミラ―等の可動鏡102 に入射せしめ、該可動鏡102 により該光ビームを偏光し、該光ビームを集光レンズ103 により銀塩感光材料等のメディア上に集光する。既述のように従来の放散光を放射する発光ダイオードを光源とする場合には、光スポットを縮小するために複雑な光学系が必要であったが、上述の本発明の半導体発光素子を利用することにより、半導体レーザを光源として用いた場合と同様の簡便な光学系を用いて露光システムを構成することが可能となる。
【００３８】
図９は本発明の他の実施形態にかかる露光装置の構成模式図である。本実施形態においてはレンズとして本露光装置では必要最小限の集光レンズ113 のみを用い、光走査用の偏光装置としてポリゴンミラー112 を用いている。本露光装置においては、半導体発光素子110 から出射した光ビームをポリゴンミラー112 に入射せしめ、該ポリゴンミラー112 により走査偏光し、集光レンズ113 を介してメディア上に集光する。
【００３９】
以上のように、半導体レーザが実現困難な青および緑色波長域において微小発光径でかつ放射角度の小さい光ビームを出力可能の本発明の半導体発光素子を利用することにより、高速かつ高品位な露光装置を構築することができる。また、発光ダイオードを光源として用いていた場合と比較して簡便な光学系とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図
【図２】本発明の第二の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図
【図３】本発明の第三の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図
【図４】本発明の第四の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図
【図５】本発明の第五の実施形態に係る半導体発光素子の断面模式図
【図６】第五の実施形態に係る半導体発光素子の上面模式図
【図７】第五の実施形態に係る半導体発光素子のその他の上面模式図
【図８】本発明の露光装置の構成模式図
【図９】本発明の他の露光装置の構成模式図
【符号の説明】
【００４１】
61    6H-SiC基板
62    n-GaN 低温バッファ層
63    n-GaN バッファ層
64    ｎ型ＤＢＲ多層反射鏡64
65    n-GaN 層
66    In0.25Ga0.75N 量子井戸活性層
67    p-Al0.2Ga0.8N 障壁層
68    p-GaN 層
69    ｐ型ＤＢＲ多層反射鏡69
70    p-GaN キャップ層
71    ｐ側電極
72    ｎ側電極
73    反射防止膜
【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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