(57)【要約】【課題】発光サイリスタを用いた発光素子アレイにおいて、発光サイリスタの発光出力を高めると同時に、該発光出力のばらつきを抑える。【解決手段】基板１上にカソード層６、ゲート層８、ゲート層１０、アノード層１２からなり、メサ構造体を有するサイリスタ３０を形成し、アノード層１２上にコンタクト層１４を設けて、該アノード層１２がコンタクト層１４に接する領域によって、電流集中領域を形成し、該電流集中領域からメサ構造体の側面までの最短距離ｄを４μｍ以上とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に列状に配置された複数の発光サイリスタと、を備え、
前記発光サイリスタは、第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の導電型の第３の半導体層と、前記第２の導電型の第４の半導体層と、を前記基板側からこの順に有する半導体積層構造を有し、
前記半導体積層構造の少なくとも一部がメサ構造体を構成している発光素子アレイであって、
前記発光サイリスタが電流集中領域を有し、
前記複数の半導体層の積層方向から見て、前記複数の発光サイリスタの配列方向における前記メサ構造体の側面と前記電流集中領域との最短距離ｄが４μｍ以上であることを特徴とする発光素子アレイ。
【請求項２】
前記最短距離ｄが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子アレイ。
【請求項３】
前記最短距離ｄが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子アレイ。
【請求項４】
前記最短距離ｄが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子アレイ。
【請求項５】
前記半導体積層構造の上に、前記第４の半導体層と接するコンタクト層を有し、
前記電流集中領域が、前記第４の半導体層が前記コンタクト層に接する領域で規定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子アレイ。
【請求項６】
前記発光サイリスタは、前記半導体積層構造及び前記コンタクト層を覆う透明電極と、
前記透明電極上であって、前記コンタクト層が形成されていない前記半導体積層構造の上に、開口を有する駆動電極と、を有し、
前記複数の半導体層の積層方向から見て、前記コンタクト層が前記開口内に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の発光素子アレイ。
【請求項７】
前記発光サイリスタの発光波長をλとした時、前記透明電極の厚さ方向の光学長がλ／４の奇数倍の０．９倍以上１．１倍以下であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子アレイ。
【請求項８】
前記半導体積層構造に含まれる少なくとも１層の半導体層が、前記複数の半導体層の積層方向から見た平面内において、第１の領域と、前記第１の領域より電気抵抗値が高い第２の領域と、を有し、
前記電流集中領域が、前記第１の領域で規定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子アレイ。
【請求項９】
前記第２の領域が、半導体層がイオン注入により高抵抗化された領域である請求項８に記載の発光素子アレイ。
【請求項１０】
前記半導体積層構造の上に開口を有する駆動電極を有し、前記複数の半導体層の積層方向から見て、前記第１の領域が前記開口内に配置されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の発光素子アレイ。
【請求項１１】
半導体積層構造の厚さが１０００ｎｍ乃至３０００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子アレイ。
【請求項１２】
前記基板がｎ型半導体であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光素子アレイ。
【請求項１３】
前記半導体積層構造が、ＧａＡｓ系材料又はＡｌＧａＡｓ系材料を含有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光素子アレイ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の発光素子アレイと、
前記発光素子アレイの発光を集光する光学系部材と、
を有することを特徴とする露光ヘッド。
【請求項１５】
像担持体と、
前記像担持体の表面を帯電する帯電手段と、
前記帯電手段によって帯電された前記像担持体の表面を露光し、前記像担持体の表面に静電潜像を形成する露光ヘッドと、
前記露光ヘッドによって形成された前記静電潜像を現像する現像手段と、
前記現像手段によって現像された画像を記録媒体に転写する転写手段と、を有する画像形成装置であって、
前記露光ヘッドが請求項１４に記載の露光ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真方式のプリンタの露光ヘッドに用いられる発光素子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式のプリンタにおいては、露光ヘッドを用いて感光体ドラムを露光し、潜像形成を行う方式が一般的に知られている。露光ヘッドは、感光体ドラムの長手方向に配列した発光素子列を備えた発光素子アレイと、前記発光素子アレイからの光を感光体ドラム上に結像するロッドレンズアレイで構成される。ここで、発光素子列の長さは感光体ドラム上における画像領域幅に応じて長さが決まり、プリンタの解像度に応じて発光素子のピッチが決まる。例えば、１２００ｄｐｉのプリンタの場合、画素ピッチが２１．１６μｍ（小数点３桁以降は省略）であるため、発光素子のピッチも２１．１６μｍとなる。このような、露光ヘッドを用いたプリンタでは、レーザビームをポリゴンモータで偏向走査するレーザ走査方式のプリンタと比較して、使用する部品数が少ないため、装置の小型化、低コスト化が容易である。
露光ヘッドに用いられる発光素子アレイを構成する発光素子としてはＬＥＤや面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が挙げられる。また、発光サイリスタを利用した自己走査機能を有する発光素子アレイは配線数が少なくて済むメリットがあるため、複写機などの光ヘッドとして開発されている。発光サイリスタは面発光レーザ等と比較して発光出力が小さいが、発光サイリスタ内に電流狭窄機構を形成し、電流を発光層の一部に集中させて発光出力を増加させた自己走査型の発光素子アレイが特許文献１、非特許文献１に開示されている。
【０００３】
メサ構造体を有する発光サイリスタでは該メサ構造体の側面で非発光再結合が発光効率を落とす要因の一つだと言われている。特許文献１や非特許文献１ではメサ構造体の側面での非発光再結合を抑制するため、半導体層構造の一部の層をメサ側面から酸化して高抵抗化し、メサ構造体の中央近傍に電流集中領域を形成した構造が開示されている。そして、非特許文献１には、係る構造により約３倍の発光出力が得られたとの記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５８７８８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「ＤｏｃｕＣｅｎｔｒｅ  ＳＣ２０２０」富士ゼロックステクニカルレポートＮｏ．２４  ２０１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光素子アレイにおいては、発光素子毎の発光出力のばらつきが小さい方が良く、特に画像形成装置に用いる場合には、例えば５％以内が好ましい。
本発明は、発光サイリスタを用いた発光素子アレイにおいて、発光サイリスタの発光出力を高めると同時に、発光サイリスタ毎の発光出力のばらつきを抑え、信頼性の高い露光ヘッド及び画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一は、基板と、前記基板上に列状に配置された複数の発光サイリスタと、を備え、
前記発光サイリスタは、第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の導電型の第３の半導体層と、前記第２の導電型の第４の半導体層と、を前記基板側からこの順に有する半導体積層構造を有し、
前記半導体積層構造の少なくとも一部がメサ構造体を構成している発光素子アレイであって、
前記発光サイリスタが電流集中領域を有し、
前記複数の半導体層の積層方向から見て、前記複数の発光サイリスタの配列方向における前記メサ構造体の側面と前記電流集中領域との最短距離ｄが４μｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第二は、前記本発明の第一の発光素子アレイと、前記発光素子アレイの発光を集光する光学系部材と、を有することを特徴とする露光ヘッドである。
【０００９】
本発明の第三は、像担持体と、
前記像担持体の表面を帯電する帯電手段と、
前記帯電手段によって帯電された前記像担持体の表面を露光し、前記像担持体の表面に静電潜像を形成する露光ヘッドと、
前記露光ヘッドによって形成された前記静電潜像を現像する現像手段と、
前記現像手段によって現像された画像を記録媒体に転写する転写手段と、を有する画像形成装置であって、
前記露光ヘッドが前記本発明の第二の露光ヘッドであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、発光サイリスタ内に電流集中領域を形成すると同時に、該電流集中領域からメサ構造体の側面までの最短距離ｄを４μｍ以上とすることによって、発光損失が低減すると同時に、発光損失が急峻に変化する領域を避けることができる。よって、本発明の発光素子アレイは、個々の発光サイリスタの発光出力が高く、且つ、発光サイリスタ毎の発光出力のばらつきが小さく、係る発光素子アレイを用いた露光ヘッド及び画像形成装置において高い信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の発光素子アレイの一実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の発光素子アレイの製造工程を示す図である。
【図３】本発明の発光素子アレイの他の実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明の発光素子アレイの自己走査型発光回路の等価回路図である。
【図５】図４の自己走査型発光回路のゲート電位の分布を示す図である。
【図６】図４の自己走査型発光回路の駆動信号波形の模式図である。
【図７】本発明の露光ヘッドの一実施形態の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の画像形成装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の実施例の発光素子アレイにおける電流集中領域からメサ構造体の側面までの最短距離ｄと発光出力及び発光損失との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の発光素子アレイは、基板と、基板上に列状に配置された複数の発光サイリスタを備えている。各発光サイリスタは、第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の導電型の第３の半導体層と、前記第２の導電型の第４の半導体層と、を前記基板側からこの順に有する半導体積層構造を有する。また、各発光サイリスタの半導体積層構造の少なくとも一部がメサ構造体を構成しており、各発光サイリスタは電流集中領域を有している。そして、本発明は、半導体積層構造における半導体層の積層方向から見て、メサ構造体の側面から電流集中領域までの最短距離ｄを４μｍ以上としたことに特徴を有する。
【００１３】
以下、本発明について、適宜図面を参照しながら実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下の説明において特段説明されていない部分や、図面において特段図示されなかった部分に関しては、当該技術分野の周知或いは公知の技術を適用することができる。
【００１４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、サイリスタの半導体積層構造の第４の半導体層上にコンタクト層を設け、該コンタクト層が第４の半導体層に接する領域により、電流集中領域が規定される。
【００１５】
図１は、本実施形態の構成を模式的に示す図であり、発光サイリスタ２個分を示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−Ａ’端面図であり、発光サイリスタのアノード部の断面構造を示す。図１（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’端面図であり、発光サイリスタのゲート部の断面構造を示す。
【００１６】
メサ構造体を有する発光サイリスタは、メサ構造体上にアノード電極とゲート電極を有し、アノード電極は開口を有している。本実施形態では、アノード電極を後述する駆動電極２０として用い、該駆動電極２０の開口内に電流集中領域を形成する。発光部は最も電流が集中する領域、即ち電流集中領域と同じ領域である。このように、アノード電極の開口内に電流集中領域を形成することにより、発光部からの発光がアノード電極で遮蔽されるのを低減することができ、発光出力を増大させることができる。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、本発明の発光素子アレイにおいては、メサ構造体を有する発光サイリスタ２２が図中のＸ方向に列状に配置されている。本実施形態では、発光サイリスタ２２を２個配置した例を示す。発光サイリスタ２２は、第１の導電型の第１の半導体層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の第２の半導体層と、第１の導電型の第３の半導体層と、第２の導電型の第４の半導体層と、を基板側からこの順に有する半導体積層構造を有している。即ち、発光サイリスタ２２は、異なる導電型の複数の半導体層が交互に配置されている半導体積層構造を有している。本実施形態においては、基板１上に、第１の導電型のカソード層６、第２の導電型のゲート層８、第１の導電型のゲート層１０、第２の導電型のアノード層１２を基板１側からこの順で有する半導体積層構造３０を備えている。係る半導体積層構造３０が実質的にサイリスタとして機能する。以下、半導体積層構造３０をサイリスタ３０と記す。尚、第１の導電型、第２の導電型は、一方がｎ型、他方がｐ型である。尚、本実施形態において、隣接する発光サイリスタ２２同士は、第１の半導体層、即ちカソード層６を共有している。
【００１８】
図１（ｂ）に示すように、本実施形態においては、基板１上に、バッファ層２、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層４、サイリスタ３０、がこの順番で積層されている。また、サイリスタ３０上に、アノード層１２と接するコンタクト層１４を有し、コンタクト層１４以外の領域に絶縁層１６が形成されている。さらに、コンタクト層１４上と、コンタクト層１４の周囲の絶縁層１６上に透明電極１８が形成され、該透明電極上に、コンタクト層１４を囲んで金属電極である駆動電極２０が形成されている。
【００１９】
上記構成の発光サイリスタ２２において、駆動電極２０に注入された電流は、透明電極１８によってサイリスタ３０の半導体層の積層方向（Ｚ方向）に直交する方向（Ｘ方向及びＹ方向）に広がり、コンタクト層１４を通してサイリスタ３０内に注入される。ここで、アノード層１２と透明電極１８との間には絶縁層１６が形成されているため、アノード層１２へはコンタクト層１４と接触している領域のみから電流が集中して注入される。即ち、アノード層１２がコンタクト層１４と接する領域が電流集中領域である。
【００２０】
また、図１（ｃ）に示すように、発光サイリスタ２２のゲート部においては、ゲート層１０上のアノード層１２、コンタクト層１４は完全に除去され、ゲート層１０の上にゲート電極２８が形成され、絶縁層１６がゲート電極２８の一部を除いて形成されている。
【００２１】
本発明においては、サイリスタ３０の半導体層の積層方向（Ｚ方向）から見て、複数の発光サイリスタ２２の配列方向（Ｘ方向）におけるメサ構造体の側面と電流集中領域との最短距離ｄが４μｍ以上である。本実施形態においては、電流集中領域はコンタクト層１４とアノード層１２とが接する領域であり、メサ構造体にはゲート層８、ゲート層１０、アノード層１２が含まれる。よって、上記最短距離ｄとは、図１（ａ）、（ｂ）中に示すように、コンタクト層１４の端部からアノード層１２の端部までのＸ方向に平行な距離である。尚、以下の説明では、上記最短距離ｄを側面距離ｄと記す。
【００２２】
本発明において、側面距離ｄを４μｍ以上とすることで、発光出力の損失を２０％以下に抑えることができ、同時に、発光出力のばらつきを５％以下に抑えることができる。好ましくは、側面距離ｄを５μｍ以上とすることで、発光出力の損失を１０％以下に抑えることができる。
【００２３】
また、側面距離ｄが２０μｍで発光出力はほぼ飽和するため、側面距離ｄは２０μｍ以下が好ましい。発光素子アレイの密度が６００ｄｐｉの場合、発光サイリスタ２２のピッチは４２．２μｍであり、メサ構造体の列方向の幅が最大で４０μｍ程度となり、側面距離は大きくても２０μｍ程度が限界であるため、側面距離ｄは２０μｍ以下が好ましい。また、発光素子アレイの密度が１２００ｄｐｉの場合には、発光サイリスタ２２のピッチが２１．１μｍ程度であることから、側面距離ｄは１０μｍ以下が好ましい。
【００２４】
次に、本実施形態の発光素子アレイの製造方法について説明する。
図２は図１の発光素子アレイの製造工程を図１（ａ）中のＣ−Ｃ’端面を示して説明する図である。
基板１上に、同じ導電型の半導体からなるバッファ層２をエピタキシャル成長させる。基板１としては、ｎ型のＧａＡｓ基板が好ましく用いられる。ＧａＡｓ基板としてはｐ型もあるが、ｎ型の方が高品質且つ低価格なものが流通しているため、ｎ型を用いる方が低コストで性能の良いデバイスを得ることができ、好適である。バッファ層２としては、基板１と同じ導電型のＧａＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層が好ましく用いられる。エピタキシャル成長法としては分子線エピタキシャル法や有機金属化学気相堆積法など、一般的な半導体の成長法を用いる事ができる。
【００２５】
基板１としてｎ型半導体を用いた場合、バッファ層２、ＤＢＲ層４、カソード層６、ゲート層１０がｎ型半導体で、ゲート層８、アノード層１２がｐ型半導体で形成される。
【００２６】
次にＤＢＲ層４を積層する。具体的には、例えば高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓと低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓを、各層の光学長がλ／４の０．９倍以上１．１倍以下となるように交互に積層することが好ましい。ここでλは発光サイリスタ２２の発光中心の波長である。高Ａｌ組成と低Ａｌ組成の組合せとしては、組成の差が大きい方がＤＢＲの反射帯域が広く取れるために好ましく、例えばＡｌ組成０．８とＡｌ組成０．２やＡｌ組成０．９とＡｌ組成０．１の組み合わせを好適に用いる事が出来る。積層数は多い方が反射率を高くできるために好ましく、１０ペア以上が好ましい。
【００２７】
次にカソード層６、ゲート層８、ゲート層１０、アノード層１２を積層し、サイリスタ３０を形成する。これら半導体層としては、例えばｐ型或いはｎ型のＧａＡｓ系材料又はＡｌＧａＡｓ系材料が好ましく用いられる。また、各半導体層の厚さは、サイリスタ３０として動作させる上で、ある程度の膜厚が必要であり、厚すぎると積層方向の抵抗の増加や製造コストの増加を引き起こすため好ましくない。よって、各半導体層の厚さとしては、カソード層６が３００ｎｍ乃至９００ｎｍ、ゲート層８が３５０ｎｍ乃至１０５０ｎｍ、ゲート層１０が１７５ｎｍ乃至５２５ｎｍ、アノード層１２が１６０ｎｍ乃至４８０ｎｍが好ましい。また、サイリスタ３０全体の厚さは１０００ｎｍ乃至３０００ｎｍが好ましい。
【００２８】
サイリスタ３０を形成した後に引き続きコンタクト層１４を形成する。コンタクト層１４としては、サイリスタ３０の最上層のアノード層１２と同じ導電型の半導体層が用いられる。よって、アノード層１２がｐ型半導体であれば、コンタクト層１４もｐ型半導体である。コンタクト層１４はその上に形成される透明電極１８とのトンネル接合を形成させるため、不純物濃度を結晶性を損なわない程度にできる限り高くしておく方が好ましい。例えば不純物濃度として１．５×１０19／ｃｍ3から２．０×１０20／ｃｍ3の範囲を好適に用いることができる。
【００２９】
カソード層６からコンタクト層１４まで、各層の成長方法としてはバッファ層２と同様に一般的な半導体の成長法を用いることができるが、バッファ層２からコンタクト層１４までは同一成長装置の中で連続的に行うことが結晶品質の観点から好ましい。コンタクト層１４まで形成した状態を図２（ａ）に示す。
【００３０】
次に一般的な半導体プロセスにより、図２（ｂ）に示すようにコンタクト層１４を所望の形状にエッチングする。さらに図２（ｃ）に示すようにアノード層１２を所望の形状に形成し、さらにゲート層１０，８をエッチングし、素子分離溝２４を形成する。コンタクト層１４、アノード層１２、ゲート層１０，８、素子分離溝２４のエッチングの順番は一例であり、プロセスなどに適した順番に変更することができる。
【００３１】
次に図２（ｄ）に示すように絶縁層１６を全面に形成し、コンタクト層１４の上部及びゲート電極２８の形成領域の絶縁層を除去する。絶縁層１６としてはＳｉＯxやＳｉＮなどをスパッタ法やＣＶＤ法などで形成することができる。次に図２（ｅ）のごとく、ゲート電極２８をリフトオフ法などにて形成し、更に透明電極１８を形成する。透明電極１８としては、ｎ型酸化物導電体であるＩＴＯが好ましく用いられ、スパッタ法や真空蒸着法、スプレー法などにて形成し、所望の形に形成する。また、透明電極１８は、厚さ方向の光学長が発光サイリスタ２２の発光波長λの１／４の奇数倍の０．９倍以上１．１倍以下となるように真空蒸着法により形成し、空気界面での反射を低減して光取り出し効率を向上させることが好ましい。
【００３２】
引き続き図２（ｆ）の様に駆動電極２０を形成し、最後に基板１の裏面に裏面電極２６を形成する。駆動電極２０としては、ＣｒとＡｕの積層体が好ましく、順次蒸着してリフトオフ法などでパターニングすればよい。尚、上記材料、成膜方法、エッチング方法、工程の順序などは上記に記載のものに限定される事無く、本発明の要旨から逸脱しない範囲で好適なものを選択する事が出来る。
【００３３】
本実施形態の発光素子アレイは、コンタクト層１４を半導体加工の一般的手法であるフォトリソグラフィー法を用いて所望の形状に形成し、そのコンタクト層１４とアノード層１２との接触領域で電流集中領域を規定する。よって、コンタクト層１４の形状及びメサ構造体の側面との位置関係を正確に作製することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、サイリスタ３０の半導体積層構造に含まれる少なくとも１層の半導体層が、積層方向から見た平面内において、第１の領域と、該第１の領域より抵抗値が高い第２の領域と、を有し、電流集中領域が、該第１の領域で規定される。係る構成以外は基本的に第１の実施形態と同様であり、以下の説明においては、第１の実施形態と異なる構成について説明する。
【００３５】
図３は、本実施形態の構成を模式的に示す図であり、２個の発光サイリスタ２２を示す図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中のＡ−Ａ’端面図であり、発光サイリスタ２２のアノード部の断面構造を示す。図３（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ’端面図であり、発光サイリスタ２２のゲート部の断面構造を示す。また、図１と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、本実施形態においても、発光サイリスタ２２は、メサ構造体上にアノード電極としての駆動電極２０とゲート電極２８とを有し、駆動電極２０の開口内に電流集中領域を有している。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、本実施形態では、カソード層６とゲート層８とにイオン注入によって高抵抗化された第２の領域３１を形成している。その結果、該第２の領域３１に囲まれた、より抵抗の低いカソード層６とゲート層８が電流集中領域となる第１の領域となる。尚、本発明において、第２の領域３１は、イオン非注入領域である第１の領域の抵抗の１００００００倍以上の電気抵抗値を有していることが好ましい。また、第２の領域３１に注入するイオンとしてはプロトンを用いるが、イオンの種類はこれに限らず、酸素イオン又はホウ素イオンを用いることができる。
【００３７】
本実施形態においては、サイリスタ３０の上に、第１の実施形態のコンタクト層１４の代わりに、電流拡散層１５が配置されている。電流拡散層１５は、アノード層１２よりも不純物濃度が高く、低抵抗となるように構成されている。また、電流拡散層１５は、面内方向に均一に電流を拡散できることが好ましい。係る電流拡散層１５の上に駆動電極２０が形成される。駆動電極２０は開口を有しており、積層方向（Ｚ方向）から見た場合に、該開口内に、第１の領域が含まれている。
【００３８】
上記構成の発光サイリスタ２２において、駆動電極２０に注入された電流は、電流拡散層１５内でＸ方向及びＹ方向に広がってサイリスタ３０内に注入される。サイリスタ３０内では、電流は低抵抗な第１の領域のみに流れる。
【００３９】
本実施形態においても、側面距離ｄは４μｍ以上に構成される。本実施形態では、電流集中領域が第１の領域であるため、図３（ｂ）に示すように、半導体層の積層方向（Ｚ方向）から見て、第１の領域の端部からアノード層１２の端部までのＸ方向に平行な距離が側面距離ｄである。
【００４０】
尚、本実施形態においては、第２の領域３１を、カソード層６とゲート層８とに形成しているが、本発明においては、サイリスタ３０を構成する半導体層の少なくとも１層に第２の領域３１を形成すればよい。また、本実施形態においては、メサ構造体がアノード層１２のみを含むが、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、メサ構造体がゲート層１０やゲート層８を含んでいてもよい。
【００４１】
（自己走査型発光回路）
図４は、本発明の発光素子アレイの自己走査型発光回路の等価回路の一部を示す模式図である。図４においては、各構成の参照符号にｎ−１、ｎ等の添え字を付しているが、以降の説明では、構成毎に共通する場合については、参照符号の添え字を省略することがある。尚、添え字のｎは、２以上の整数とする。
【００４２】
本例の発光素子アレイは、複数のアノード抵抗Ｒａ、複数のゲート抵抗Ｒｇ、複数のシフトサイリスタＴ、複数の転送ダイオードＤ、及び複数の発光サイリスタＬ（発光サイリスタ２２）を有する。また、本実施形態の発光素子アレイは、複数のシフトサイリスタＴ及びシフトサイリスタＴに接続されている発光サイリスタＬの共通ゲートＧnを有する。
【００４３】
また、発光素子アレイは、奇数番目のシフトサイリスタの転送ラインΦ1、偶数番目のシフトサイリスタの転送ラインΦ2、発光サイリスタＬの点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４、ゲートライン（ＶＧＫ）、及びスタートパルスラインΦｓを有する。点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４は、それぞれ抵抗ＲW1乃至ＲW4を備えている。図４に示されるように、１つのシフトサイリスタＴnに対し、４つの発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nが接続されており、同時に４つの発光素子が点灯可能な構成となっている。
【００４４】
ここで、図４の等価回路の動作について説明する。尚、以降の説明では、ゲートラインＶＧＫには５Ｖの電圧が印加されているものとし、転送ラインΦ1、Φ2、及び点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４に供給される電圧も同じく５Ｖとする。
【００４５】
シフトサイリスタＴnがオン状態にある時、シフトサイリスタＴn及びシフトサイリスタＴnに接続されている発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nの共通ゲートＧnの電位は約０．２Ｖまで引き下げられる。共通ゲートＧnと共通ゲートＧn+1との間は結合ダイオードＤnで接続されているため、結合ダイオードＤnの拡散電位にほぼ等しい電位差が発生する。
【００４６】
本実施形態では結合ダイオードＤnの拡散電位は約１．５Ｖであるので、共通ゲートＧn+1の電位は共通ゲートＧnの電位０．２Ｖに拡散電位１．５Ｖを加えた１．７Ｖとなる。以下同様に共通ゲートＧn+2の電位は３．２Ｖ、共通ゲートＧn+3の電位は４．７Ｖとなる。但し、ゲートラインＶＧＫの電位が５Ｖであるため、各共通ゲートＧの電位はこれ以上にはなれないので、共通ゲートＧn+4以降は電位が５Ｖとなる。また、共通ゲートＧnより前（図４の左側）に関しては、結合ダイオードが逆バイアスになっているためゲートラインＶＧＫの電圧がそのままかかっており、５Ｖとなっている。
【００４７】
上述のシフトサイリスタＴnがオン状態の時のゲート電位の分布を図５（ａ）に示す。各シフトサイリスタＴをオン状態にするために必要な電圧（以下、「閾値電圧」と呼ぶ）は、各々のゲート電位に拡散電位を加えたものとほぼ同じである。シフトサイリスタＴｎがオンになっている時、同じ転送ラインΦ1に接続されているシフトサイリスタの中で最もゲート電位が低いのはシフトサイリスタＴn+2である。シフトサイリスタＴn+2のゲートＧn+2の電位は、上述したように３．２Ｖであるため、シフトサイリスタＴn+2の閾値電圧は４．７Ｖとなる。
【００４８】
しかしながら、シフトサイリスタＴnがオンになっているため、転送ラインΦ1の電位は約１．５Ｖ（拡散電位）に引き込まれており、シフトサイリスタＴn+2の閾値電圧より低いためにシフトサイリスタＴn+2はオンにすることができない。同じ転送ラインΦ1に接続されている他のシフトサイリスタは全てシフトサイリスタＴn+2より閾値電圧が高いため、同様にオンにすることができず、シフトサイリスタＴnのみがオン状態を保つことができる。
【００４９】
また、転送ラインΦ2に接続されているシフトサイリスタに関すると、閾値電圧は、最も閾値電圧が低いシフトサイリスタＴn+1が３．２Ｖ、次に閾値電圧の低いシフトサイリスタＴn+3が６．２Ｖである。この状態で転送ラインΦ2に５Ｖを供給するとシフトサイリスタＴn+1のみがオン状態に遷移できる。この状態ではシフトサイリスタＴn、Ｔn+1が同時にオンにした状態であり、シフトサイリスタＴn+1から右側のシフトサイリスタのゲート電位が各々拡散電位分引き下げられる。但し、ＶＧＫが５Ｖであり、ゲート電圧はＶＧＫで制限されるため、シフトサイリスタＴn+5より右側は５Ｖである。この時のゲート電圧分布を図５（ｂ）に示す。
【００５０】
この状態でΦ1の電位を０Ｖに下げるとシフトサイリスタＴnがオフになり、ゲートＧnの電位がＶＧＫ電位まで上昇する。この時のゲート電圧分布を図５（ｃ）に示す。こうしてシフトサイリスタＴnからシフトサイリスタＴn+1へのオン状態の転送が完了する。
【００５１】
次に、発光サイリスタＬの発光動作に関して説明する。シフトサイリスタＴnのみがオン状態になっている場合、４つの発光サイリスタＬ４n-3乃至Ｌ4nはシフトサイリスタＴnのゲートＧnに共通に接続されているため、発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nのゲート電位はゲートＧnと同じ０．２Ｖである。従って、各々の発光サイリスタＬの閾値電圧は１．７Ｖであり、点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４から１．７Ｖ以上の電圧が供給されれば点灯可能である。よって、シフトサイリスタＴnがオン状態の時に、点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４に点灯信号を供給することにより、４個の発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nの全ての組み合わせを選択的に発光させることが可能である。即ち、発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nは、対応するシフトサイリスタＴnによって選択され、発光可能となる。この時、シフトサイリスタＴnの隣のシフトサイリスタＴn+1のゲートＧn+1の電位は１．７Ｖであり、ゲートＧn+1と共通にゲート接続している発光サイリスタＬ4n+1乃至Ｌ4n+4のそれぞれの閾値は３．２Ｖとなる。
【００５２】
点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４から供給される点灯信号が５Ｖであるため、発光サイリスタＬ4n+1乃至Ｌ4n+4も、発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nの点灯パターンと同じ点灯パターンで点灯しそうである。しかし、発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nの方が閾値Ｖが低いため、点灯信号が供給された場合に発光サイリスタＬ4n+1乃至Ｌ4n+4よりも早くオンになる。発光サイリスタＬ4n-3乃至Ｌ4nが一旦オンになると、接続されている点灯信号ラインΦＷ１乃至ΦＷ４が約１．５Ｖ（拡散電位）に引き込まれ、発光サイリスタＬ4n+1乃至Ｌ4n+4の閾値電圧よりも低くなる。そのため、発光サイリスタＬ4n+1乃至Ｌ4n+4をオンにすることができない。このように１つのシフトサイリスタＴに複数の発光サイリスタＬを接続することで、複数個の発光サイリスタＬを同時に点灯することができる。
【００５３】
図６に駆動信号波形の例を示す。ＶＧＫには常に５Ｖが供給される。奇数番目のシフトサイリスタ用のクロック信号Φ1、偶数番目のシフトサイリスタ用のクロック信号Φ2が同じ周期Ｔｃにて印加され、スタート用の信号Φｓは５Ｖが供給されている。しかし、クロック信号Φ1が最初に５Ｖになる少し前にゲートラインに電位差をつけるために０Ｖに落とされる。これにより、最初のシフトサイリスタのゲートが５Ｖから１．７Ｖに引き込まれ、閾値電圧が３．２Ｖになって、クロック信号Φ1でオンできる状態になる。クロック信号Φ1に５Ｖが印加され、最初のシフトサイリスタＴがオン状態に遷移してから少し遅れて信号Φｓに５Ｖが供給され、以降、信号Φｓには５Ｖが供給され続ける。クロック信号Φ1、Φ2は、互いのオン状態（ここでは５Ｖ）が重なる重なり時間Ｔｏｖを持ち、略相補的な関係になるように構成される。発光サイリスタ点灯用信号ΦＷ１乃至ΦＷ４は、クロック信号Φ1、Φ2の周期の半分の周期で送信され、対応するシフトサイリスタＴがオン状態の時に５Ｖが印加されると点灯する。例えば、時刻ａでは同一のシフトサイリスタＴに接続されている４つの発光サイリスタＬが全て点灯している状態であり、時刻ｂでは３つの発光サイリスタＬが同時点灯している。また、時刻ｃでは全ての発光サイリスタＬは消灯状態であり、時刻ｄでは２つの発光サイリスタＬが同時点灯している。時刻ｅでは点灯する発光サイリスタＬは１つである。
【００５４】
本実施形態では、１つのシフトサイリスタＴに接続する発光サイリスタＬの数を４つとしているが、これに限らず用途に応じて４つより少なくても多くてもよい。なお、上述の回路では、各サイリスタのカソードを共通とする回路について説明したが、アノードを共通とする回路でも適宜極性を反転することで適用可能である。
【００５５】
（露光ヘッド）
本発明の露光ヘッドは、少なくとも上記した本発明の発光素子アレイと、該発光素子アレイの発光を集光する光学系部材と、を備えている。本発明の露光ヘッドについて、図７を参照して説明する。図７（ａ）、（ｂ）は本発明の露光ヘッドと感光体ドラムの配置を示す図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は断面模式図である。
本発明の露光ヘッド４６は、感光体ドラム４２に露光を行い、感光体ドラム４２に静電潜像を形成する際に好適に用いることができる。しかしながら露光ヘッド４６の用途は特に限定はされず、例えばラインスキャナの光源として用いることもできる。
【００５６】
露光ヘッド４６は、複数の発光素子アレイを含む発光素子群５１と、発光素子群５１を実装するプリント基板５２、ロッドレンズアレイ５３と、ロッドレンズアレイ５３とプリント基板５２とを支持するハウジング（支持部材）５４と、を有する。発光素子群５１に含まれる複数の発光素子アレイは、本発明の発光素子アレイであり、該発光素子アレイの発光素子列に直交する方向に複数の発光素子アレイを備えても良い。発光素子群５１において、複数の発光素子を複数列、複数行に二次元に配置しても良い。ロッドレンズアレイ５３は、発光素子群５１からの光を集光する光学系部材である。
【００５７】
本実施形態の露光ヘッド４６は、発光素子群５１からの光をロッドレンズアレイ５３で集光する。ロッドレンズアレイ５３で集光した光は、感光体ドラム４２に照射される。
図７（ａ）、図７（ｂ）に、感光体ドラム４２及び露光ヘッド４６の配置と、露光ヘッドからの光が感光体ドラム５２の表面に結像されている様子を示す。露光ヘッド４６は、感光体ドラム４２と対向するように配置されている。露光ヘッド４６及び感光体ドラム４２のそれぞれは、不図示の取り付け部材によって画像形成装置に取り付けられて使用される。図中の５５は光束である。
【００５８】
露光ヘッド４６は、工場内にて単体で組み立て調整作業され、画像形成装置に取り付けた場合に光の集光位置が適切な位置になるように、各スポットのピント調整、光量調整が行われることが好ましい。ここで、感光体ドラム４２とロッドレンズアレイ５３間の距離、ロッドレンズアレイ５３と発光素子群５１間の距離は、所定の間隔となるように配置される。これにより、露光ヘッド４６からの光が感光体ドラム４２上に結像される。このため、ピント調整時においては、ロッドレンズアレイ５３と発光素子群５１との距離が所望の値となるように、ロッドレンズアレイ５３の取り付け位置の調整が行われる。また、光量調整時においては、各発光素子を順次発光させていき、ロッドレンズアレイ５３を介して集光させた光が、所定光量になるように各発光素子の駆動電流が調整される。
【００５９】
本発明の露光ヘッドは、本発明の発光素子アレイを用いることから、従来よりもコントラストが高く、ばらつきの少ない露光ヘッドとすることができる。
【００６０】
（画像形成装置）
本発明の画像形成装置は、像担持体と、像担持体の表面を帯電する帯電手段と、像担持体の表面に静電潜像を形成する本発明の露光ヘッドと、静電潜像を現像する現像手段と、現像された画像を記録媒体に転写する転写手段と、を有する。本発明の画像形成装置について、図８を参照して説明する。図８は、本実施形態の画像形成装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【００６１】
本実施形態の画像形成装置は、電子写真方式の画像形成装置であり、スキャナ部６０、作像部６３、定着部６４、給紙／搬送部６５、及び、これらを制御する不図示の制御部を有する。
スキャナ部６０は、読み取りたい原稿に対して照明を当てて、原稿の画像を光学的に読み取る。スキャナ部６０で読み取った画像を電気信号に変換することにより、画像データが作成される。
【００６２】
作像部６３は、電子写真プロセスを用いて現像を行う現像ユニットを複数有し、各現像ユニットは、感光体ドラム４２、露光ヘッド４６、帯電器６７、及び現像器６８を有する。現像ユニットは、トナー像の現像に用いる構成を収めたプロセスカートリッジであってもよい。この場合、プロセスカートリッジは、画像形成装置本体に対して着脱可能であることが好ましい。
感光体ドラム４２は、静電潜像が形成される像担持体である。感光体ドラム４２は、回転駆動され、帯電器６７によって帯電する。
【００６３】
露光ヘッド４６は、本発明の露光ヘッドであり、画像データに応じた光を感光体ドラム４２に照射し、感光体ドラム４２に静電潜像を形成する。具体的には、図７に示したように、露光ヘッド４６は、配列された発光素子群５１のチップ面から発生させた光を、ロッドレンズアレイ５３によって感光体ドラム４２に集光し、画像データに応じた静電潜像を感光体ドラム４２に形成する。
【００６４】
現像器６８は、感光体ドラム４２に形成された静電潜像に対してトナー（現像剤）を供給して現像する。トナーは、収納部に収納されている。トナーを収納する収納部は、現像ユニットに含まれていることが好ましい。現像されたトナー像（現像剤像）は、転写ベルト７１上に搬送された紙等の記録媒体上に転写される。
【００６５】
本実施形態の画像形成装置は、このような一連の電子写真プロセスを用いて現像を行う現像ユニット（現像ステーション）を４つ有し、各現像ユニットからトナー像を転写することにより、所望の画像を形成する。４つの現像ユニットは、それぞれ異なる色のトナーを有しており、シアンでの作像開始から所定時間経過後に、マゼンタ、イエロー、ブラックの作像動作を順次実行していく。
給紙／搬送部６５は、本体内給紙ユニット６９ａ、６９ｂ、外部給紙ユニット６９ｃ、及び手差し給紙ユニット６９ｄのうち、予め指示された給紙ユニットから紙を給紙し、給紙された紙はレジローラ７０まで搬送される。
レジローラ７０は、前述した作像部６３において形成されたトナー像が紙上に転写されるように、転写ベルト７１上に紙を搬送する。
【００６６】
光学センサ７３が、転写ベルト７１のトナー像が転写される面と対向するように配置されており、各現像ユニット間の色ズレ量を導出するため、転写ベルト７１上に印字されたテストチャートの位置検出を行う。ここで導出された色ズレ量は、不図示の画像コントローラ部に送られ、各色の画像位置の補正に用いる。この制御によって、紙上に、色ずれのないフルカラーのトナー像を転写することができる。
【００６７】
定着部６４は、複数のローラと、ハロゲンヒータ等の熱源とを内蔵し、転写ベルト７１上からトナー像が転写された紙上のトナーを、熱と圧力によって溶解、定着し、排紙ローラ７２にて画像形成装置の外部に排紙する。
【００６８】
不図示の画像形成制御部は、画像形成装置を含む複合機（ＭＦＰ）全体を制御するＭＦＰ制御部と接続されており、ＭＦＰ制御部からの指示に応じて制御を実行する。また、画像形成制御部は、上述のスキャナ部６０、作像部６３、定着部６４、及び給紙／搬送部６５の状態を管理しながら、全体が調和を保って円滑に動作できるよう指示を行う。
【００６９】
本発明の発光素子アレイを露光ヘッドに用いて画像形成を行う場合、露光ヘッドにおける発光素子列の長さは、感光体ドラム上における画像領域幅に応じて決まり、発光素子のピッチ（発光点の密度）は解像度に応じて決まる。例えば、１２００ｄｐｉの解像度で画像形成を行う場合は、素子分離溝２４によって分離されている複数の発光サイリスタ２２のうち、隣り合う発光サイリスタ２２の中心間の間隔は約２１．１６μｍとなるように配列する。
【００７０】
このような、露光ヘッドを用いた画像形成装置では、レーザビームをポリゴンモータで偏向走査するレーザ走査方式の画像形成装置と比較して、使用する部品数が少ないため、装置の小型化、低コスト化が容易である。
【００７１】
本実施形態の画像形成装置は、発光素子としての発光サイリスタ２２以外からの発光を従来よりも低減することができる発光素子アレイを有する露光ヘッドを用いる。これにより、従来よりもコントラストの高い露光ヘッドを用いて、高品質な画像を形成する画像形成装置を得ることができる。
【００７２】
（実施例）
図１に示した第１の実施形態の発光素子アレイを作製し、側面距離ｄによる発光出力と発光のばらつきを調べた。
【００７３】
ｎ型ＧａＡｓの基板１上に、ｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層２をエピタキシャル成長させた。次にＤＢＲ層４としてｎ型の高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓと低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓを、各層の光学長が発光サイリスタ３０の発光波長λの１／４となるように交互に２０ペア積層した。次にカソード層６として、Ａｌ組成２５％、不純物濃度２×１０18／ｃｍ3のｎ型のＡｌＧａＡｓを６００ｎｍ、ｐ型ゲート層８としてＡｌ組成１５％、不純物濃度３×１０17／ｃｍ3のｐ型のＡｌＧａＡｓを７００ｎｍ積層した。次いで、ｎ型ゲート層１０としてＡｌ組成１５％、不純物濃度３×１０18／ｃｍ3のｎ型のＡｌＧａＡｓを３５０ｎｍ、アノード層１２としてＡｌ組成３０％、不純物濃度２×１０17／ｃｍ3のｐ型のＡｌＧａＡｓを３２０ｎｍ積層した。これでサイリスタ３０が得られた。
【００７４】
サイリスタ３０上に、引き続きコンタクト層１４としてＡｌ組成３０％、不純物濃度７×１０19／ｃｍ3のｐ型のＡｌＧａＡｓを２００ｎｍ形成した。バッファ層２からコンタクト層１４までは同一成長装置の中で連続的に積層した。
【００７５】
次に一般的な半導体プロセスにより、コンタクト層１４を、次いでアノード層１２を所望の形状に形成し、さらにゲート層１０，８をエッチングし、素子分離溝２４を形成した。
【００７６】
次に絶縁層１６を全面に形成し、コンタクト層１４の上部及びゲート電極２８の領域の絶縁層１６を除去した。次に、ゲート電極２８をリフトオフ法で形成し、更に透明電極１８としてＩＴＯを真空蒸着法により成膜し、所望の形に形成した。本実施例ではＩＴＯの厚さ方向（Ｚ方向）の光学長が発光サイリスタ３０の発光波長λの１／４になるように形成し、空気界面での反射を低減して光取り出し効率を向上させるようにした。
【００７７】
引き続き駆動電極２０としてＣｒとＡｕを真空中でこの順番にて蒸着し、リフトオフ法にて所望の形状とした。最後に基板１の裏面に裏面電極２６としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを真空中にてこの順番で基板裏面に蒸着し、熱処理を行った。
【００７８】
本実施例では、側面距離ｄを種々変えて、発光損失と側面距離ｄとの関係を調べた。結果を図９（ａ）に示す。図９（ａ）に示すように、側面距離ｄが２０μｍではほぼ光出力は飽和していたので、側面距離ｄが２０μｍの時の損失を０とし、損失と側面距離の関係を求めた。結果を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）から側面距離ｄを４μｍ以下にすると急激に損失が増えている事が分かる。一方、側面距離ｄを２０μｍ以上にしても損失を減らす効果はほぼ見込めない事がわかる。
【００７９】
また、本実施例では、密度が１２００ｄｐｉで、発光サイリスタ２２の列方向の配列ピッチが２１．１６μｍの発光素子アレイを作製した。コンタクト層１４はメサ構造体の列方向の中心に配置し、側面距離ｄを３μｍ、４μｍ、６μｍ、７．５μｍとしたサンプルを形成し、同一電流における発光出力を比較した結果を表１に示す。発光サイリスタ２２の密度が１２００ｄｐｉの場合、側面距離ｄを７．５μｍ以上にすると、コンタクト層１４の幅が３μｍ以下になり、電流密度の観点から好ましくないため側面距離ｄは７．５μｍを上限とした。表１は側面距離ｄが４μｍの時の発光出力を１とした時の各々の側面距離ｄのサンプルの光出力を示している。
【００８０】
【表１】
2019102633.tif 000003
【００８１】
表１に示すように、側面距離ｄが６μｍから７．５μｍになると２％発光出力が増大する。これは言い換えれば側面距離ｄが６μｍから７．５μｍの間であれば発光出力のばらつきが２％であることを示している。側面距離ｄが６μｍから４μｍになると発光出力が１４％減少し、更に４μｍから３μｍになると発光出力は６７％にまで減少する。ここで、側面距離ｄのばらつきについて考える。側面距離ｄはメサ構造体の側面からコンタクト層１４の端部までの距離であり、通常のフォトリソプロセスの精度で作製できるので、±０．５μｍの精度が得られる。側面距離ｄが６μｍから７．５μｍでは発光出力のばらつきは２％であり、比例計算で考えるとこの領域では０．５μｍあたりの発光出力のばらつきは０．４％程度である。従って側面距離ｄが６μｍから７．５μｍの領域ではプロセスばらつきよる発光出力のばらつきは±０．４％程度であると考えられる。同様に側面距離ｄが４μｍから６μｍの範囲ではプロセスばらつきによる発光出力のばらつきは３．５％、３μｍから４μｍの間では１６．５％となる。上記示したように、側面距離ｄを４μｍ以上とする事で発光出力が増大し、プロセスばらつきによる発光出力ばらつきも５％以内に低減できることが分かる。
【符号の説明】
【００８２】
１：基板、１４：コンタクト層、１５：電流拡散層、１８：透明電極、２０：駆動電極、２２：発光サイリスタ、３０：半導体積層構造（サイリスタ）、３１：第２の領域
【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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