(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード層と、
カソード層と、
前記アノード層と前記カソード層とに挟まれて設けられた多重量子井戸構造の発光層を含む半導体層と、
前記アノード層と前記発光層とに挟まれた前記半導体層に前記発光層に隣接して設けられた第１のゲート層と、
前記カソード層と前記発光層とに挟まれた前記半導体層に前記発光層に隣接して設けられた第２のゲート層と、を備え、
前記第１のゲート層のエネルギーレベルおよび前記第２のゲート層のエネルギーレベルが前記多重量子井戸構造の障壁層のエネルギーレベルより低いエネルギーレベルであり、かつ前記第１のゲート層のエネルギーレベルと前記第２のゲート層のエネルギーレベルとが同じエネルギーレベルである
発光サイリスタ。
【請求項２】
前記第１のゲート層のエネルギーレベルおよび前記第２のゲート層のエネルギーレベルは、前記多重量子井戸構造の井戸層の基底量子準位より高いレベルである
請求項１に記載の発光サイリスタ。
【請求項３】
前記アノード層がＰ型であり、前記カソード層がＮ型であり、前記第１のゲート層がＮ型であり、前記第２のゲート層がＰ型であり、
前記発光層が、前記第１のゲート層に隣接して設けられたアンドープの多重量子井戸構造、および前記アンドープの多重量子井戸構造と前記第２のゲート層に挟まれて設けられたＰ型の多重量子井戸構造を含む多重量子井戸構造で構成された
請求項１または請求項２に記載の発光サイリスタ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発光サイリスタを複数含む発光サイリスタアレイと、
前記発光サイリスタの各々から出射される光を露光面に集光する光学系と、
を備えた光源ヘッド。
【請求項５】
請求項４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、
を備えた画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光サイリスタ、光源ヘッド、および画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、所定の禁制帯幅のｐ型ベース層とｎ型ベース層の複合層をこれらより禁制帯幅の広いｎ型カソード層およびｐ型アノード層で挟んでなる複合構造体を含んでなるｐｎｐｎ光サイリスタにおいて、ｎ型ベース層は、発光領域を区画する無秩序化領域を設けられた多重量子井戸構造を含んでいることを特徴とするｐｎｐｎ光サイリスタが開示されている。
【０００３】
特許文献２には、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成された第１導電型の第３の半導体層と、第３の半導体層上に形成された第２導電型の第４の半導体層と、第１ないし第４の半導体層の間であって順方向バイアスとなる位置に形成された量子井戸構造と、量子井戸構造に隣接して形成されたキャリア障壁調整層と、第１の半導体層に電気的に接続された第１の電極と、第４の半導体層に電気的に接続された第２の電極と、第２の半導体層または第３の半導体層に電気的に接続されたゲート電極とを有し、キャリア障壁調整層のバンドギャップは、一方のキャリアに対するエネルギーレベルが量子井戸構造のバリア層のエネルギーレベルよりも大きくなるように調整される、発光素子が開示されている。
【０００４】
特許文献３には、アノード層と、アノード層と導電型が異なるカソード層と、アノード層とカソード層との電気的な導通を制御するゲート層と、アノード層とカソード層との間に設けられ、電子と正孔との再結合により発光する活性層と、活性層の一方の面に接するように設けられ、活性層のエネルギーバンドギャップより大きい第１のクラッド層と、活性層の他方の面に接するように設けられ、活性層のエネルギーバンドギャップより大きく、且つ、第１のクラッド層と導電型が異なる第２のクラッド層とを備え、ゲート層の厚さは、ゲート層に注入された少数キャリアの平均自由行程以下であることを特徴とする半導体発光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１９６０８４号公報
【特許文献２】特開２０１３−０６５５９１号公報
【特許文献３】特開２００９−２６０２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ゲート層のバンドギャップが多重量子井戸構造の量子井戸のバンドギャップより大きい場合と比較して、駆動電圧の増加が抑制された多重量子井戸構造を備える発光サイリスタ、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発光サイリスタは、アノード層と、カソード層と、前記アノード層と前記カソード層とに挟まれて設けられた多重量子井戸構造の発光層を含む半導体層と、前記アノード層と前記発光層とに挟まれた前記半導体層に前記発光層に隣接して設けられた第１のゲート層と、前記カソード層と前記発光層とに挟まれた前記半導体層に前記発光層に隣接して設けられた第２のゲート層と、を備え、前記第１のゲート層のエネルギーレベルおよび前記第２のゲート層のエネルギーレベルが前記多重量子井戸構造の障壁層のエネルギーレベルより低いエネルギーレベルであり、かつ前記第１のゲート層のエネルギーレベルと前記第２のゲート層のエネルギーレベルとが同じエネルギーレベルであるものである。
【０００８】
請求項２に記載の発光サイリスタは、請求項１に記載の発光サイリスタにおいて、前記第１のゲート層のエネルギーレベルおよび前記第２のゲート層のエネルギーレベルは、前記多重量子井戸構造の井戸層の基底量子準位より高いレベルであるものである。
【００１０】
請求項３に記載の発光サイリスタは、請求項１または請求項２に記載の発光サイリスタにおいて、前記アノード層がＰ型であり、前記カソード層がＮ型であり、前記第１のゲート層がＮ型であり、前記第２のゲート層がＰ型であり、前記発光層が、前記第１のゲート層に隣接して設けられたアンドープの多重量子井戸構造、および前記アンドープの多重量子井戸構造と前記第２のゲート層に挟まれて設けられたＰ型の多重量子井戸構造を含む多重量子井戸構造で構成されたものである。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の光源ヘッドは、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発光サイリスタを複数含む発光サイリスタアレイと、前記発光サイリスタの各々から出射される光を露光面に集光する光学系と、を備えたものである。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の画像形成装置は、請求項４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、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１、請求項４、および請求項５に記載の発明によれば、ゲート層のバンドギャップが多重量子井戸構造の量子井戸のバンドギャップより大きい場合と比較して、発光サイリスタの駆動電圧の増加が抑制される、という効果が得られる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、ゲート層のエネルギーレベルが基底量子準位より低い場合と比較して、キャリアの注入効率が向上する、という効果が得られる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、多重量子井戸構造がアンドープの多重量子井戸のみから構成される場合と比較して、発光効率が向上する、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態に係る画像形成装置の構成の一例を示す図である。
【図２】実施の形態に係る光源ヘッドの構成の一例を示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る発光サイリスタアレイの構成の一例を示す斜視図である。
【図４】第１の実施の形態に係る発光サイリスタの構成の一例を示す断面図、およびＡｌ組成の変化を示す模式図である。
【図５】第１の実施の形態に係る発光サイリスタのバンドダイアグラムを示す図である。
【図６】比較例に係る発光ダイオードの構成を示す図、および発光層の周囲のバンドダイアグラムを示す図である。
【図７】比較例に係る発光ダイオードのバンドダイアグラムを示す図である。
【図８】比較例に係る発光サイリスタの構成を示す図、およびバンドダイアグラムを示す模式図である。
【図９】比較例に係る発光サイリスタのバンドダイアグラムを示す図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る発光サイリスタの構成の一例を示す断面図、およびＡｌ組成の変化を示す模式図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る発光サイリスタのバンドダイアグラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の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、転写体２０、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図２は、本発明の実施の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  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：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、発光サイリスタアレイ５０と、発光サイリスタアレイ５０を支持するとともに発光サイリスタアレイ５０の駆動を制御する各種信号を供給するための回路（図示省略）とが実装された実装基板５２と、セルフォック（登録商標）レンズアレイ等によるロッドレンズアレイ５４と、を備えている。実装基板５２は、発光サイリスタアレイ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、発光サイリスタアレイ５０を構成する各発光サイリスタ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。
【００２３】
図３は、発光サイリスタアレイ５０の構成を示す斜視図である。発光サイリスタアレイ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発光サイリスタ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。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態に係る光源ヘッド１６を構成する発光サイリスタについて詳細に説明する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図４ないし図９を参照して、本実施の形態の係る発光サイリスタ１００について説明する。本実施の形態に係る発光サイリスタ１００は、発光層として、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造の発光層を用いている。
【００２６】
図４（ａ）は、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００の構成の一例を示す断面図、図４（ｂ）は、発光サイリスタ１００のＭＱＷおよびＭＱＷの周囲の、積層方向に対するＡｌ組成の変化を示す模式図である。
【００２７】
発光サイリスタ１００は、図４（ａ）に示すように、ｐ型のＧａＡｓ基板１０２上に、ｐ型のバッファ層１０４、ｐ型のアノード層１０６、ｎ型のゲート層１０８、発光層１１０、ｐ型のゲート層１１２、ｎ型のカソード層１１４、およびｎ型のコンタクト層１１６が順次積層されて構成される半導体層を有している。これらの各層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系の半導体により構成されており、たとえばＭＯＣＶＤ法によって積層される。また、ｎ型のコンタクト層１１６の表面にはカソード電極１１８が設けられ、ゲート層１１２の表面にはゲート電極１２０が設けられ、さらに、基板１０２の裏面にはアノード電極１２２が設けられている。
【００２８】
ここで、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系の半導体のようにＡｌを含む半導体では、Ａｌの組成比が大きくなるにつれて半導体層の屈折率は低下する。したがって、図４（ｂ）においては、Ａｌの組成比が大きくなる方向が半導体層の屈折率が下がる方向となっている。
【００２９】
図４（ａ）を参照して、本実施の形態に係る基板１０２は、一例としてＺｎがドープされたｐ型のＧａＡｓ基板である。
【００３０】
基板１０２上に形成された、ＧａＡｓによって構成されるｐ型のバッファ層１０４は、基板１０２とアノード層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ている。本実施の形態に係るバッファ層１０４には一例としてＣ（カーボン）がドープされ、バッファ層１０４の厚さは一例として０．０４μｍとされている。
【００３１】
バッファ層１０４上に形成されたｐ型のアノード層１０６は、一例としてＣがドープされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによって構成され、その厚さは、一例として０．５μｍとされている。
【００３２】
アノード層１０６上に積層された、ｎ型のゲート層１０８は、一例としてＳｉがドープされたＡｌ０．１４３Ｇａ０．８５７Ａｓによって構成され、その厚さは、一例として０．３μｍとされている。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、ゲート層１０８上に設けられた発光層１１０は、Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓによって構成される厚さ８ｎｍの井戸層１１０Ｗと、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓによって構成される厚さ７ｎｍの障壁層（第１障壁層）１１０Ｂと、を１４層分積層することによって構成されたＭＱＷ構造となっている。発光層１１０をこのように構成することで、本実施の形態に係る発光層１１０から出射される光のピーク波長、すなわち自然発光スペクトルのピーク波長λ０が７８０ｎｍ程度とされている。なお、本実施の形態に係る発光層１１０としてのＭＱＷは、一例としてアンドープとされているが、具体的設計等に応じて不純物をドープしたＭＱＷを採用してもよい。
【００３４】
発光層１１０上に設けられたｐ型のゲート層１１２は、一例として、ＺｎがドープされたＡｌ０．１４３Ｇａ０．８５７Ａｓによって構成され、その厚さは一例として０．４μｍとされている。
【００３５】
ゲート層１１２上に設けられたｎ型のカソード層１１４は、一例として、ＳｉがドープされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによって構成され、その厚さは、一例として０．４μｍとされている。
【００３６】
カソード層１１４上に設けられたｎ型のコンタクト層１１６は、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓによって構成され、その厚さは０．０３μｍとされている。
【００３７】
また、コンタクト層１１６上に設けられたカソード電極１１８の材料としては、コンタクト層１１６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、Ａｕ（金）や、ＡｕＧｅ（金とゲルマニウムとの合金）等が挙げられる。
【００３８】
一方、ゲート層１１２上に設けられたゲート電極１２０の材料としては、ゲート層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、Ａｕや、ＡｕＺｎ（金と亜鉛との合金）、Ｎｉ等が挙げられる。
【００３９】
さらに、基板１０２の裏面に設けられたアノード電極１２２を構成する材料としては、Ａｕや、ＡｕＺｎ、Ｎｉ等が挙げられる。なお、発光サイリスタ１００では、カソード電極１１８が設けられている側の面が光取り出し面となっている。
【００４０】
カソード電極１１８を除くコンタクト層１１６上には、光取り出し面における反射率を低減する反射防止膜が設けられる場合もある。当該反射防止膜は、たとえば、１．２５λの厚さのＳｉＯ２（二酸化シリコン）あるいはＳｉＮｘ（窒化シリコン）等の絶縁膜で構成される。ここで、上記λは、先述したピーク波長λ０を、発光層１１０で発光した光が伝搬する絶縁膜の屈折率ｎで割った、λ＝λ０／ｎで示される波長である。
【００４１】
つぎに、図５に示すバンドダイアグラムを参照して、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００の各層のエネルギーレベルについて説明する。
【００４２】
図５（ａ）は、発光サイリスタ１００のＭＱＷおよびＭＱＷの周囲のバンドダイアグラムを模式的に示している。本実施の形態に係る発光サイリスタ１００では、ゲート層１０８（図５（ａ）では「ｎゲート」と略記。他の層も同様に略記）およびゲート層１１２（以下、ＭＱＷの両側の層を「第２障壁層」という場合がある）のエネルギーレベルＥ２が、ＭＱＷの障壁層（以下、「第１障壁層」という場合がある）のエネルギーレベルＥ１より低く設定されている（第２障壁層の上限）。また、ゲート層１０８およびゲート層１１２のエネルギーレベルＥ２は、基底量子準位ＧＬより高く設定されている（第２障壁層の下限）。換言すれば、第２障壁層のバンドギャップＢＧ２は、第１障壁層のバンドギャップＢＧ１より小さく設定されている。ここで、「基底量子準位」とは、量子井戸における量子効果によって、最低のエネルギーレベルが量子井戸の底のエネルギーレベルよりも高いレベルに変化したレベルをいう。
【００４３】
また、Ａｌ組成でみると、図４（ｂ）に示すように、第２障壁層であるゲート層１０８およびゲート層１１２のＡｌ組成は、周囲の層と比較して高く設定されている。なお、本実施の形態では、ゲート層１０８における第２障壁層のエネルギーレベルと、ゲート層１１２における第２障壁層のエネルギーレベルとが同じである形態を例示して説明するが、これに限られず、ゲート層１０８における第２障壁層のエネルギーレベルと、ゲート層１１２における第２障壁層のエネルギーレベルとは異なった値でもよい。また、本実施の形態では、ゲート層１０８における第２障壁層のエネルギーレベルと、ゲート層１１２における第２障壁層のエネルギーレベルの双方を第１障壁層のエネルギーレベルよりも低く設定する場合を例示して説明するが、これに限られず、各ゲート層の厚さ等に応じ、いずれか一方の第２障壁層のエネルギーレベルを第１障壁層のエネルギーレベルよりも低く設定してもよい。
【００４４】
図５（ｂ）は、不純物によるバンドの曲りを考慮した、発光サイリスタ１００の各層のバンドダイアグラムと、キャリアの蓄積状態を示す。図５（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００では、第２障壁層を上記のように設定しても、キャリア（図５（ｂ）では、電子を「ｅ」、正孔を「ｈ」と表記）が十分蓄積されている。そのため、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００によれば、発光層にＭＱＷを導入してもゲート層の抵抗が小さく維持されるので、駆動電圧の増加が抑制される。
【００４５】
ここで、図６ないし図９を参照し、比較例として、従来の半導体発光素子にＭＱＷを導入した場合のバンド構造について説明する。図６および図７は、比較例としてのｐｎ型のＬＥＤにＭＱＷを導入した場合のバンド構造を説明するための図であり、図８および図９は、比較例としての発光サイリスタにＭＱＷを導入した場合のバンド構造を説明するための図である。
【００４６】
図６（ａ）に示すように、比較例としてのＬＥＤ３００は、ｎ型の基板３０２上に、ｎ型のカソード層３０４、ｎ型のクラッド層３０６、発光層３０８、ｐ型のクラッド層３１０、およびｐ型のアノード層３１２が順次積層されて構成されている。アノード層３１２上にはアノード電極３１４が設けられ、基板３０２の下面にはカソード電極３１６が設けられている。ここで、発光層３０８の両側に設けられたクラッド層３０６およびクラッド層３１０は、発光領域にキャリア（電子、正孔）を閉じ込める機能を有している。
【００４７】
図６（ｂ）は、ＭＱＷが導入されたＬＥＤ３００の発光層３０８の周囲のバンドダイアグラムを模式的に示している。ＬＥＤ３００では、ＭＱＷの井戸層へのキャリアの注入効率を高め、閉じ込め効果を大きくするため、ＭＱＷの両側に配置されたクラッド層３０６およびクラッド層３１０のバンドギャップは、通常ＭＱＷの障壁層のバンドギャップより大きく設定される。これらのバンドギャップの差が大きいほど高い発光効率が得られる。以下、ＭＱＷの障壁層を「第１障壁層」と、障壁としてみた場合のＭＱＷの両側に配置された層を「第２障壁層」と称して区別する場合がある。
【００４８】
図７は、不純物によるバンドの曲りを考慮したＬＥＤ３００のバンドダイアグラムを示しており、図７（ａ）は、上記のように、第２障壁層のバンドギャップが第１障壁層のバンドギャップより小さい場合のバンドダイアグラムを、図７（ｂ）は、第２障壁層のバンドギャップが第１障壁層のバンドギャップより大きい場合のバンドダイアグラムを各々示している。
【００４９】
図７（ａ）に示すように、第２障壁層のバンドギャップが第１障壁層のバンドギャップより小さい場合には、クラッド層３０６に蓄積された少数キャリアである電子（図７では「ｅ」と表記）のエネルギーレベル、およびクラッド層３１０に蓄積された少数キャリアである正孔（図７では「ｈ」と表記）のエネルギーレベルが低いレベルに留まる。その結果、蓄積された電子および正孔のエネルギーレベルが、空間的に離れた第１障壁層のエネルギーレベルに比べて低く留まるため、一部のＭＱＷの井戸層に対してはキャリアが注入されやすいものの、ＭＱＷの井戸層全体にわたるキャリアの注入は行われにくい。
【００５０】
それに対し、図７（ｂ）に示すように、第２障壁層のバンドギャップが第１障壁層のバンドギャップより大きい場合には、キャリアのエネルギーレベルが上昇し、第１障壁層のエネルギーレベルより高くなるので、ＭＱＷの井戸層全体へのキャリアの注入効率が高められる。したがって、ＬＥＤ３００のような従来技術に係るＬＥＤでは、第２障壁層のバンドギャップが第１障壁層のバンドギャップより大きくなるように設定されていた。
【００５１】
つぎに、図８を参照して、比較例としての発光サイリスタにＭＱＷを導入した場合のバンド構造について説明する。図８（ａ）は、比較例に係る発光サイリスタ２００の構成を示す断面図を、図８（ｂ）は、発光サイリスタ２００のバンドダイアグラムの模式図を示している。
【００５２】
図８（ａ）に示すように、発光サイリスタ２００は、ｐ型の基板２０２上に、ｐ型のアノード層２０４、ｎ型のゲート層２０６、発光層２０８、ｐ型のゲート層２１０、およびｎ型のカソード層２１２が順次積層されて構成されている。つまり、発光サイリスタ２００は、ｐ型のアノード層２０４に隣接するｎ型のゲート層２０６と、ｎ型のカソード層２１２に隣接するｐ型のゲート層２１０の２つのゲート層を備え、ｎｐｎｐ構造を形成している。カソード層２１２上にはカソード電極２１４が設けられ、ゲート層２１０上にはゲート電極２１６が設けられ、基板２０２の裏面にはアノード電極２１８が設けられている。
【００５３】
上記のように、発光サイリスタ２００は、アノード電極２１８、カソード電極２１４、およびゲート電極２１６の３端子を有する３端子デバイスであり、ゲート電極２１６に印加する電圧に応じて発光のオン、オフが制御される。つまり、アノード電極２１８とカソード電極２１４との間に電圧を印加しただけでは発光サイリスタ２００には電流は流れず、予め定められたバイアス電圧をゲート電極２１６に印加することによりアノード電極２１８とカソード電極２１４との間に電流が流れ、発光する。また、アノード電極２１８、カソード電極２１４間に一旦電流が流れると、ゲート電極２１６に印加するバイアス電圧を遮断しても発光サイリスタ２００は連続して発光し、発光を停止させる場合には、アノード電極２１８とカソード電極２１４との間に印加した電圧をゼロにするかもしくは、ゲート電極２１６に逆の電位のバイアスを印加させる。このように、発光サイリスタ２００は、光スイッチの機能を併せ持つ半導体発光素子である。
【００５４】
図８（ｂ）は、発光層２０８がｐｎ接合である従来の発光サイリスタ２００のバンドダイアグラムを模式的に示している。図８（ｂ）に示すように、従来の発光サイリスタ２００では、ｎ型のゲート層２０６とｐ型のゲート層２１０との界面で形成されるｐｎ接合が発光層２０８として機能する。また、ゲート層２０６および２１０の厚さは数１００ｎｍ程度とＭＱＷ構造の量子井戸と比べて厚いため、抵抗も高くなり、その結果駆動電圧が増加しやすい。そこで、ゲート層２０６および２１０のバンドギャップは、アノード層２０４あるいはカソード層２１２のバンドギャップに比べて小さく設定されている。
【００５５】
図９は、上記のようなバンドダイアグラムを有する従来の発光サイリスタ２００の発光層２０８として、ｐｎ接合の代わりにＭＱＷを導入した発光サイリスタ２００のバンドダイアグラムを示している。図９に示すように、発光層２０８がｐｎ接合である従来のバンド構造の発光サイリスタ２００の発光層２０８を単純にＭＱＷに置き換えると、キャリアの蓄積状態は良好であるが、ゲート層２０６および２１０のバンドギャップが大きいので、駆動電圧が増加する。
【００５６】
それに対して、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００では、第２障壁層（ゲート層１０８および１１２）のエネルギーレベルが、第１障壁層（ＭＱＷの障壁層１１０Ｂ）のエネルギーレベルより低く設定されている。また、第２障壁層のエネルギーレベルが基底量子準位ＧＬより高く設定されている。そのため、ＭＱＷを導入しても駆動電圧の増加が抑制される。
【００５７】
上述のように、ｎｐｎｐ型の発光サイリスタ１００では、ゲート電極１２０に電圧を印加して、ゲート層１０８あるいは１１２に一定量のキャリアが蓄積されることによって電流が流れ出す。そのため、発光サイリスタ１００では、第２障壁層であるゲート層１０８内およびゲート層１１２内のキャリア濃度が元来高く、キャリアのエネルギーレベルも上昇するので、ＭＱＷの井戸層全体へのキャリアの注入効率が高い。そのため、第２障壁層のバンドギャップを小さくしても十分な注入効率が維持される。
【００５８】
［第２の実施の形態］
図１０および図１１を参照して、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００ａについて説明する。本実施の形態に係る発光サイリスタ１００ａは、発光サイリスタ１００において、ｐ型のＭＱＷを追加した形態である。したがって、発光サイリスタ１００と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００５９】
図１０（ａ）は、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００ａの構成の一例を示す断面図であり、図１０（ｂ）は、発光サイリスタ１００ａのＭＱＷおよびＭＱＷの周囲の、積層方向に対するＡｌ組成の変化を示す模式図である。
【００６０】
発光サイリスタ１００ａは、図１０（ａ）に示すように、ｐ型の基板１０２上にｐ型のバッファ層１０４、ｐ型のアノード層１０６、ｎ型のゲート層１０８、アンドープのＭＱＷ１５０、ｐ型のＭＱＷ１５２、ｐ型のゲート層１１２、ｎ型のカソード層１１４、およびｎ型のコンタクト層１１６を順次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、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ系の半導体により構成されており、たとえばＭＯＣＶＤ法によって積層される。また、ｎ型のコンタクト層１１６の表面にはカソード電極１１８が設けられ、ゲート層１１２の表面にはゲート電極１２０が設けられ、さらに、基板１０２の裏面にはアノード電極１２２が設けられている。
【００６１】
本実施の形態に係る基板１０２は、一例としてＺｎがドープされたｐ型のＧａＡｓ基板である。
【００６２】
基板１０２上に形成された、ＧａＡｓによって構成されるｐ型のバッファ層１０４には、一例としてＣがドープされ、バッファ層１０４の厚さは一例として０．０４μｍとされている。
【００６３】
バッファ層１０４上に形成されたｐ型のアノード層１０６は、一例としてＣがドープされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによって構成され、その厚さは、一例として０．５μｍとされている。
【００６４】
アノード層１０６上に積層された、ｎ型のゲート層１０８は、一例としてＳｉがドープされたＡｌ０．１４３Ｇａ０．８５７Ａｓによって構成され、その厚さは、一例として０．３μｍとされている。
【００６５】
図１０（ｂ）に示すように、ゲート層１０８上に設けられたアンドープのＭＱＷ１５０は、一例として、アンドープのＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓによって構成される厚さ８ｎｍの井戸層１５０Ｗと、アンドープのＡｌ０．２１Ｇａ０．７９Ａｓによって構成される厚さ７ｎｍの障壁層（第１障壁層）１５０Ｂと、を１０層分積層することによって構成されている。また、ｐ型のＭＱＷ１５２は、ＺｎドープされたＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓによって構成される厚さ８ｎｍの井戸層１５２Ｗと、ＺｎがドープされたＡｌ０．２１Ｇａ０．７９Ａｓによって構成される厚さ７ｎｍの障壁層（第１障壁層）１５０Ｂと、を４層分積層することによって構成されている。発光層としてのＭＱＷをこのように構成することで、本実施の形態に係る発光層から出射される光のピーク波長、すなわち自然発光スペクトルのピーク波長λ０が７８０ｎｍ程度とされている。
【００６６】
ＭＱＷ１５２上に設けられたｐ型のゲート層１１２は、一例として、ＺｎがドープされたＡｌ０．１４３Ｇａ０．８５７Ａｓによって構成され、その厚さは一例として０．４μｍとされている。
【００６７】
ゲート層１１２上に設けられたｎ型のカソード層１１４は、一例として、ＳｉがドープされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによって構成され、その厚さは、一例として０．４μｍとされている。
【００６８】
カソード層１１４上に設けられたｎ型のコンタクト層１１６は、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓによって構成され、その厚さは０．０３μｍとされている。
【００６９】
カソード電極１１８を除くコンタクト層１１６上には、光取り出し面における反射率を低減する反射防止膜が設けられる場合もある。なお、発光サイリスタ１００ａでは、カソード電極１１８が設けられている側の面が光取り出し面となっている。
【００７０】
ところで、上述したように、発光サイリスタでは、ゲート層にキャリアが蓄積することにより発光層に電圧が印加され、あるしきい値を越えると電流が流れ出して発光が生ずる。その際、電子の移動度よりも正孔の移動度の方が小さいことから、電子と正孔の再結合が強く生ずる発光領域は、正孔の分布によって律束される。このことは、発光層がｐｎ接合である場合も、ＭＱＷである場合も同様である。
【００７１】
しかるに、ＭＱＷを用いない従来の発光サイリスタでは、ｐ型のゲート層とｎ型のゲート層のバンドギャップは同じか、もしくはｎ型のバンドギャップの方が大きく設定されていた。そのため、発光領域は注入された電子と正孔の分布によって一意的に定まっていた。図５（ｂ）に示すバンドダイアグラムの場合でも、正孔はｐ型のゲート層１１２から離れた井戸層１１０Ｗまでは拡散しにくくｐ型のゲート層１１２の周辺に溜まりやすい一方、電子はｐ型のゲート層１１２の近くまで拡散している。したがって、電子の方が正孔より井戸層１１０Ｗに流れ込む確率が高くなる。
【００７２】
そこで、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００ａでは、アンドープのＭＱＷ１５０にｐ型のＭＱＷ１５２を追加して設けることにより（換言すれば、ｐ型のゲート層１１２の一部までＭＱＷを拡大することにより）、発光層としてのＭＱＷにおける正孔の分布領域を拡大させた。このことにより、再結合が強く生ずる発光領域が拡大し、発光効率が向上する。
【００７３】
図１１に本実施の形態に係る発光サイリスタ１００ａのバンドダイアグラムを示す。図５（ｂ）に示すアンドープのＭＱＷのみ設けた発光サイリスタ１００のバンドダイアグラムと比較して、キャリア（電子、正孔）の分布領域が拡大している。このように、ｐ型ゲート層とｎ型ゲート層との間にバンドギャップの小さい層を形成して発光領域を制限した場合には、本実施の形態に係る発光サイリスタ１００ａのように、電子と正孔の分布に合わせて発光領域を設けることにより、発光効率が向上する。
【符号の説明】
【００７４】
１０  画像形成装置
１２  感光体
１４  帯電器
１６  光源ヘッド
１８  現像器
２０  転写体
２２  クリーナ
２４  イレーズランプ
２８  用紙
３０  定着器
３０Ａ  加圧ローラ
３０Ｂ  加熱ローラ
５０  発光サイリスタアレイ
５２  実装基板
５４  ロッドレンズアレイ
５６  ハウジング
５８  板バネ
６２  チップ
６４  ホルダー
１００、１００ａ  発光サイリスタ
１０２  基板
１０４  バッファ層
１０６  アノード層
１０８  ゲート層
１１０  発光層
１１２  ゲート層
１１４  カソード層
１１６  コンタクト層
１１８  カソード電極、１２０  ゲート電極、１２２  アノード電極
２００  発光サイリスタ
２０２  基板
２０４  アノード層
２０６  ゲート層
２０８  発光層
２１０  ゲート層
２１２  カソード層
２１４  カソード電極、２１６  ゲート電極、２１８  アノード電極
３００  ＬＥＤ
３０２  基板
３０４  カソード層
３０６  クラッド層
３０８  発光層
３１０  クラッド層
３１２  アノード層
３１４  アノード電極、３１６  カソード電極
【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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