CN101132118B - 包含多层反射器的光学设备和垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光学设备，包括具有光学厚度不为λ/4的层的多层反射器，以及一种使用这种光学设备的垂直腔面发射激光器。能够抑制由λ/4光学厚度的偏差造成的共振频率偏移或反射率下降，从而改善性能和产量。用于产生波长λ的光的光学设备包括反射器和活性层。反射器为半导体多层反射器，包含被交替层压并具有不同折射率的第一层和第二层。第一层具有小于λ/4的光学厚度。第二层具有大于λ/4的光学厚度。在第一层和第二层之间的界面位于既不在反射器内光强分布的波节的位置也不在波腹的位置。

Description

包含多层反射器的光学设备和垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种包含多层反射器的光学设备。
背景技术
(垂直腔面发射激光器)
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种光学设备，能够在垂直于半导体衬底的方向上发光，这样可以容易形成二维阵列。在执行从二维阵列发射的多束的并行处理时，能够获得较高的密度和较高的速度，由此可以期望各种工业应用。例如，当垂直腔面发射激光器阵列用作电子照相印刷机的曝光源时，可以通过使用多束(multibeam)的印刷工艺的并行处理来提高印刷速度。
当前实际使用中的垂直腔面发射激光器是一种用于主要产生红外区域(0.75μm至0.85μm)激光的设备。随着振荡波长从红外区域缩短到红光区域、蓝光区域和紫外区域，能够使束斑进一步减小，由此能够获得更高的分辨率。因此，需要垂直腔面发射激光器在从红光到紫外光区域中的实际应用。
通过缩短的波长而获得的分辨率增长和使用多束的并行处理的组合可以获得很显著的效果，因此期待着其作用于包括关于印刷机的应用的各种领域。当能够在其中光纤中散射或吸收很少的1.3μm至1.5μm的波段中振荡的垂直腔面发射激光器可以投入实用时，使用阵列光纤和阵列光源能够执行远距离大容量通信。
(多层反射器)
垂直腔面发射激光器的特征在于包括在垂直于衬底的面内(in-plane)方向的方向上提供的腔体。为了实现能够在室温下连续工作的表面发射激光器，反射率为99％或更高的反射器是必须的。
要使用的这样的反射器的例子包括多层反射器，其中按照λ/4的光学厚度多次交替层压具有相互不同的折射率的两种材料。这里，λ表示从光学设备中发射出的光的波长。通过将层的厚度乘以该层材料的折射率获得光学厚度。
(近红外垂直腔面发射激光器)
对于使用已经处于实用的GaAs半导体的近红外垂直腔面发射激光器，使用半导体多层镜，其中结合了具有极高结晶度的GaAs和AlAs。此外，还使用其中将Al成分少的AlGaAs和Al成分高的AlGaAs结合用于构成层的半导体多层镜。
然而，用于通信的长波长(1.3μm至1.5μm)激光和红光(0.62μm至0.7μm)激光存在一个问题，即它们的热特性不理想或者很难实现高功率输出。
也就是说，在用于产生通信波长区域或红光区域的光的活性层中，没有能够在60℃至80℃范围的高温中充分限制活性层中电子的镀层材料。因此，随着温度的增加，大量电子从活性层中溢出，使得热特性恶化，并且很难实现高功率输出。
在垂直腔面发射激光器中，通过高热阻的半导体多层反射器将由活性层产生的热量限制在活性层的附近。
因此，不幸地，为了产生上述波长的光而使用该材料的垂直腔面发射激光器是温度特性不理想的设备。
更具体地说，长波长垂直腔面发射激光器的常规多层反射器具有以下结构，其中将光学厚度为λ/4的InGaAsP层(高折射率层)和光学厚度为λ/4的InP层(低折射率层)交替层压为大量层对。在这种情况下，用作高折射率层的InGaAsP层的热阻比用作低折射率层的InP层的热阻大约高20倍。
在这种情况下，在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81页(Precision and Intelligence Laboratory，Tokyo Institute ofTechnology)中，讨论了一种多层反射器，其中多层反射器构成层的光学厚度不设为λ/4。
更具体地说，对于长波长垂直腔面发射激光器的多层反射器，在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81页(Precision and Intelligence Laboratory，Tokyo Institute ofTechnology)中，公开了一种多层反射器用于减小热阻，其中将热阻小的InP层的光学厚度设为大于λ/4的值，并且将热阻大的InGaAsP层的光学厚度设为小于λ/4的值。
构成多层反射器的高折射率层和低折射率层的总的层厚度固定为λ/2的光学厚度。因此，认为热耗散效果可以得到改善，由此可以提供在其中能够防止设备温度增加的多层反射器。
(紫外光/蓝光垂直腔面发射激光器)
GaN半导体材料用于在紫外光/蓝光区域(300μm至500μm)的垂直腔面发射激光器。对于多层反射器，例如，选择之间具有较大折射率差的一对GaN材料和AlN材料。
但是，由这两种材料制成的多层反射器具有很大的晶格失配。当按照λ/4的光学厚度生长几十对时，更有可能由晶格失配将晶格应变引入多层中。由此，发生破裂，因此很难形成要实现99％或更高反射率的这种多层反射器。
因此，在日本专利申请公开号2003-107241中，也讨论了一种多层反射器，其中多层反射器的构成层的光学厚度不设为λ/4。
更具体地说，公开了一种多层反射器，其中将相对于衬底热膨胀系数差较小的GaN层的光学厚度设为大于λ/4的值，并将相对于衬底热膨胀系数差较大的Al0.6Ga0.4N层的光学厚度设为小于λ/4的值。
构成多层反射器的高折射率层和低折射率层(一对)的总光学厚度固定为λ/2的光学厚度。由此，认为能够提供很少发生破裂的多层反射器。
在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81页(Precision and Intelligence Laboratory，Tokyo Institute ofTechnology)和日本专利申请公开号2003-107241中，介绍了包含其光学厚度不为λ/4的层的多层反射器。但是，其中没有介绍实际将多层反射器结合到共振腔中的设计方针。
本发明的发明人如在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81页(Precision and Intelligence Laboratory，Tokyo Institute ofTechnology)中所述的那样布置了其光学厚度不为λ/4的各层，并着眼于共振腔结构进行了研究。结果，发现这种布置导致设计值从共振波长的偏离和反射率的减小。
也就是说，当没有考虑关于内部光强分布的高折射率层和低折射率层的布置时，很可能由于共振频率的偏离而造成产量减少或者由于反射率的减小而造成设备特性的恶化。结果，尽管预期使用了光学厚度不为λ/4的层用于改善特性，但是仍发生无法获得这种用法的效果的问题。
发明内容
本发明在于解决了上述问题，并且本发明的目的是提供一种包含反射器的光学设备，该反射器具有其光学厚度不为λ/4的层，由此使共振波长更接近设计值，并抑制了反射率的减小。
根据本发明，提供了一种用于产生波长λ的光的光学设备，该光学设备包括反射器和活性层，该反射器是包含被交替层压并具有相互不同折射率的第一层和第二层的多层反射器，其中所述第一层和所述第二层的对数为至少两对，所述第一层具有小于λ/4的光学厚度而所述第二层具有大于λ/4的光学厚度，并且所述第一层和相邻的第二层之间的界面均位于不同于在该反射器中波长为λ的光的光强分布的波节和波腹的位置。
根据本发明，对于包含具有光学厚度不为λ/4的层的反射器的光学设备，能够使共振波长更接近设计值，并能够抑制反射率的减小。
从下面参考附图对示例性实施例的说明，本发明进一步的特征将变得清楚。
附图说明
图1是表示根据本发明实施例的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图；
图2A、2B、2C和2D是表示图1的垂直腔面发射激光器的共振器结构的放大示意图；
图3是表示根据例1的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图；
图4A、4B、4C、4D是表示如图2A至图2D所示的每个包含AlAs/Al0.5Ga0.5As多层反射器和Ga0.5In0.5P量子阱活性层的共振器结构的放大示意图；
图5表示在仅考虑如图6A至图6D中所示的多层反射器的情况下在中心波长和反射率之间的比较；
图6A、6B、6C和6D是表示在仅考虑AlAs/Al0.5Ga0.5As多层反射器的情况下结构的放大示意图；
图7表示在仅考虑包含如图4A至图4D所示多层反射器和活性层的共振器的情况下在中心波长和反射率之间的比较；
图8A和图8B是表示和传统例子(图8A)相比较的例1的具体结构(图8B)的示意说明图；
图9是表示根据例2的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图；
图10A、10B、10C和10D是表示每个包含如图9所示的AlN/GaN多层反射器和InGaN量子阱活性层的共振器结构的放大示意图；
图11表示在仅考虑如图12A至图12D所示的多层反射器的情况下在中心波长和反射率之间的比较；
图12A、12B、12C和12D是表示仅考虑AlN/GaN多层反射器的情况下的结构的放大示意图；
图13表示在考虑包含如图10A至图10D所示的多层反射器和活性层的共振器的情况下在中心波长和反射率之间的比较；
图14A和图14B是表示和传统例子(图14A)相比较的例2的具体结构(图14B)的示意说明图；
图15是表示根据例3的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图；
图16是表示包含如图15所示的AlN/GaN多层反射器和InGaN量子阱活性层的共振器结构的放大示意图；
图17是表示根据例4的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图；
图18是表示包含如图17所示的AlN/GaN多层反射器和InGaN量子阱活性层的共振器结构的放大示意图；
图19是表示根据本发明的使用光学设备的电子照相装置的示意说明图。
具体实施方式
将参考图1和图2A至图2D介绍本发明的实施例。
图1是表示根据本发明实施例的光学设备的结构的示意性截面图。这里，将介绍垂直腔面发射激光器的一个例子。在衬底101上设置有多层反射器102、分隔层103、活性层104、分隔层105和多层反射器106。
图2A至图2D是表示图1的多层反射器102、分隔层103和活性层104的放大示意图。在多层反射器102的情况中，为了方便就只示出了位于靠近活性层104的三对。图2A和图2B表示参考例，图2C表示本发明的实施例，而图2D表示传统例子。
A.传统例子的结构
在图2D所示的传统例子中，以传统设计值构成了其中两层的光学厚度为λ/4的多层反射器。如图2D所示，多层反射器102包括交替层压的层110和层120。层120具有和层110的折射率不同的折射率。只需要层110和120具有相互不同的折射率，因此层110的折射率可以高于或低于层120的折射率。图2D表示层120的折射率低于层110的折射率的情况。
B.参考例子的结构
在图2A和图2B的参考例子中，构成了其中两层的光学厚度偏离λ/4的多层反射器。如图2A和2B所示，该多层反射器包括交替层压的第一层130和第二层140。只需要第一层130和第二层140具有不同的折射率，因此第一层130的折射率可以高于或低于第二层140的折射率。
不同于传统例子的结构，在参考例子中，第一层130的光学厚度小于λ/4而第二层140的光学厚度大于λ/4。
光学厚度是由层的厚度乘以该层材料的折射率获得的。例如，假设将第一层130的膜厚表示为dA，其折射率表示为nA，将第二层140的膜厚表示为dB，其折射率表示为nB。则第一层130的光学厚度表示为dAnA，第二层140的光学厚度表示为dBnB。
可以适当设置第一层130的光学厚度和第二层140的光学厚度。例如，可以将第一层130的光学厚度设为λ/8或更小，可以将第二层140的光学厚度设为3λ/8或更大。可选地，可以将第一层130的光学厚度设为λ/16或更小，可以将第二层140的光学厚度设为7λ/16或更大。
为了获得所设计的共振波长，希望将第一层130的光学厚度与第二层140的光学厚度的总和设为λ/2。
在图2D的右侧示出了多层反射器的内部光强分布210。内部光强分布210包括波腹220和波节230。
如图2A中所示，位于第一层130和第二层140之间的一个界面对应于光强分布的波腹220。如图2B所示，位于第一层130和第二层140之间的一个界面对应于光强分布的波节230。
C.本实施例的结构
如在参考例子中所示，在本实施例中，只需要第一层130和第二层140具有不同的折射率，因此第一层130的折射率可以高于或低于第二层140的折射率。第一层130的光学厚度小于λ/4，第二层140的光学厚度大于λ/4。
但是，如图2C中所示，在本发明的实施例中，在第一层130和第二层140之间的界面既不对应于光强分布的波腹220也不对应于光强分布的波节230。
从图2D的传统例子开始，当构成多层反射器的两层的厚度改变时，如图2A或图2B所示，在各层之间的界面通常分布为使得对应于光强分布的波腹或波节。即使在2006年3月47th SeikenSymposium Preprints第80-81页(Precision and IntelligenceLaboratory，Tokyo Institute of Technology)的情况中，也使用了基于图2A或图2B的方法。
但是，如图2C所示，本发明实施例的特征是使用了这样的结构，其中在各层之间的界面布置为既不对应于光强分布的波腹也不对应于光强分布的波节。
当使用这样一种结构时，能够获得更接近设计值的共振波长，并且能够抑制反射率的减小。
可以根据目的适当选择光学厚度小的第一层130的材料和光学厚度大的第二层140的材料。下文中，将介绍长波长激光和短波长激光的应用例子。
(对长波长激光的应用)
如上所述，用于通信的长波长(1.3μm至1.5μm)激光和红光(0.62μm至0.7μm)激光存在的问题在于，它们的热特性不理想或是难于获得高功率输出。垂直腔面发射激光器存在的问题在于，由活性层产生的热被高热阻的半导体多层反射器限制在活性层的附近。
更具体地说，当将作为二元系统材料的Al0.5Ga0.5As层和AlAs层分别用作用于红光垂直腔面发射激光器的高折射率层和低折射率层时，Al0.5Ga0.5As层的热阻比AlAs层的热阻高8倍或更高。
因此，如在例1中将要介绍的那样，在红光垂直腔面发射激光器的多层反射器的情况中，热阻大的AlGaAs层的光学厚度可以设为小于λ/4(第一层130)，而热阻小的AlAs层的光学厚度可以设为大于λ/4(第二层140)。
在长波长垂直腔面发射激光器的多层反射器的情况中，热阻大的InGaAsP层的光学厚度可以设为小于λ/4(第一层130)，而热阻小的InP层的光学厚度可以设为大于λ/4(第二层140)。
(对短波长激光的应用)
GaN半导体材料用于在紫外光/蓝光区域(300μm至500μm)中的垂直腔面发射激光器。这种短波长激光存在的问题在于，在使用低折射率层和高折射率层之间的大折射率差时，没有能够与用作外延生长中基底的层(例如，衬底)进行晶格匹配的适当材料。
因此，可以将晶格失配小的层的光学厚度设为大于λ/4，可以将晶格失配大的层的光学厚度设为小于λ/4。由此，可以提供一种多层反射器，其中在抑制发生破裂的风险的同时可以实现高反射率。
例如，当GaN、GaN和AlN分别用于衬底、高折射率层和低折射率层时，在衬底的GaN和低折射率层的AlN之间的晶格失配较大。
因此，如将要在例2中所述的，在短波长垂直腔面发射激光器的多层反射器的情况中，AlN层与衬底的晶格失配较大，但是其相对于高折射率层的折射率差增大，可以将该AlN层的光学厚度设为小于λ/4。GaN层与衬底的晶格失配较少，并被用作高折射率层，可以将该GaN层的光学厚度设为大于λ/4。
从热膨胀系数角度出发，可以将相对于衬底的热膨胀系数差较大的AlGaN层的光学厚度设为小于λ/4，可以将相对于衬底的热膨胀系数差较小的GaN层的光学厚度设为大于λ/4。
(另一实施例)
被层压的第一层130和第二层140的对数理想地为两对或更多对。当被层压的对数增加时，多层反射器的反射率变得更高。当在第一层130和第二层140之间的折射率差增加时，多层反射器的反射率变得更高。
根据本发明的光学设备可以用于各种光学设备，不仅包括垂直腔面发射激光器还包括发光二极管和光学功能设备。例如，当在本发明中的多层反射器的对数减少时，根据本发明的光学设备可以用作发光二极管。
根据本发明，不必提供上方和下方多层反射器。本发明还包括具有至少一个单独多层反射器的光学设备。
根据本发明的光学设备可以适用于作为电子照相记录处理图像形成装置的光源。
(例子)
(例1：AlAs/AlGaAs)
在例1中，将介绍一种垂直腔面发射激光器，其包括多层反射器，该多层反射器用作用于红光垂直腔面发射激光器的多层反射器，并且由AlAs材料和AlGaAs材料形成。构造该多层反射器用于减小热阻。
图3是表示根据例1的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图。
在本例中，垂直腔面发射激光器包括GaAs衬底400、n型AlAs/Al0.5Ga0.5As多层反射器410、n型Al0.35Ga0.15In0.5P分隔层405、Ga0.5In0.5P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱活性层404、p型Al0.35Ga0.15In0.5P分隔层409和p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层反射器420。
在此使用的Ga0.5In0.5P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱活性层404包括例如四个Ga0.5In0.5P阱层，并具有650nm至690nm的光发射波长λ。
调节n型Al0.35Ga0.15In0.5P分隔层405的厚度和p型Al0.35Ga0.15In0.5P分隔层409的厚度，以使用一个波长的光学厚度作为共振腔长度。如果需要，可以调节光发射波长、阱的数量或是共振腔长度。
形成p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层反射器420，使得如传统设计中一样每个光学厚度为λ/4。为了减小电阻，可以在Al0.9Ga0.1As层和Al0.5Ga0.5As层之间提供大约20nm的组成梯度层。即使在这种情况下，形成多层反射器420，使得包含该组成梯度层的层的光学厚度为λ/4。
与此对照的是，为了减小n型AlAs/Al0.5Ga0.5As多层反射器410的热阻，其两个组成层的光学厚度不为λ/4。将热阻小的AlAs层的光学厚度设为大于λ/4，而将热阻大的Al0.5Ga0.5As层的光学厚度设为小于λ/4。
在本例中，将AlAs层的光学厚度设为3λ/8，而将Al0.5Ga0.5As层的光学厚度设为λ/8。需要注意，为了防止共振波长偏移，将层的层厚的总和保持在λ/2的光学厚度。
(共振腔结构)
下文中，将介绍将其中膜厚可调的多层反射器结合到共振腔结构中的方法。
图4A至4D是表示如图3中所示的AlAs/Al0.5Ga0.5As多层反射器410、Ga0.5In0.5P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱活性层404和Al0.35Ga0.15In0.5P分隔层405的示意性放大图。
图4A至图4D表示内部光强分布210、内部光强分布210的波腹220、内部光强分布210的波节230、AlAs层406和Al0.5Ga0.5As层407。出于简化考虑，在图4A至图4D中仅表示了在多层反射器中的三对。AlAs层406为低折射率层，Al0.5Ga0.5As层407为高折射率层。
在本例中，将热阻大的Al0.5Ga0.5As层407的光学厚度设为λ/8以获得薄膜，并将热阻小的AlAs层406的光学厚度设为3λ/8以获得厚膜。
下文中，将基于加厚的AlAs层406和变薄的Al0.5Ga0.5As层407的配置介绍图4A至图4D中以下各种的情形。
图4A和图4B表示参考例。图4A表示在AlAs层406和Al0.5Ga0.5As层407之间的界面布置为对应于光强分布的波腹220的情况，图4B表示该界面布置为对应于光强分布的波节230的情况。
图4C表示例1，界面被定位为既不对应于光强分布的波腹也不对应于波节。图4C表示一种更理想的例子，其中加厚的AlAs层406的中心或者变薄的Al0.5Ga0.5As层407的中心被定位为恰好对应于光强分布的彼此相邻的波腹和波节间的中点。
图4D表示传统例子。对照例1，以基于传统设计值的λ/4的光学厚度构成多层反射器。需要注意，在本例中，用Al0.9Ga0.1As层408取代AlAs层406作为低折射率层。
(反射率和共振波长)
图5表示上述每种多层反射器的反射率和反射阻带的中心波长的计算结果。将它们设计为使得反射阻带的中心波长变成670nm。基于如图6A至图6D中所示的仅存在下方反射器的假设，计算由每个箭头指示的方向上的反射率。假设用作比较例的以λ/4的光学厚度设计的传统多层反射器具有70对的层。为了获得基本上等于传统多层反射器的反射率，进一步增加6对的层以在图6A、6B和6C的每种情况中提供总计76对的层数。
从图5的表格可以清楚，当仅考虑多层反射器时，不管薄膜层或厚膜层的布置，在图6A、6B和6C中获得基本上相同的反射率(99.997％)和基本上相同的中心波长(670nm)。也就是说，即使当光学厚度偏离λ/4时，仅考虑反射器所进行的计算中，变薄或加厚层的位置不会产生问题。
接下来，图7表示在结合共振腔结构的情况下，即在图4A至图4D的每个的情况下，共振波长和在该波长的反射率的计算结果。在以λ/4的光学厚度设计的传统多层反射器的情况下，即在图4D的情况下，从仅关于多层反射器的计算和关于其中结合多层反射器的共振腔的计算都获得相同的结果(670nm，99.997％或更高)。
与此对照，显示出在图4A的情况中共振波长向更长波长偏移了大约8nm，而在图4B的情况中共振波长向更短波长偏移了大约8nm。反射率减小到大约99.98％。
另一方面，在图4C的情况中，尽管多层反射器包括光学厚度不为λ/4的层，但仅关于多层反射器的计算结果以及关于其中结合多层反射器的共振器的计算结果如图4D的传统情况中的一样基本上彼此相同。
也就是说，在如上所述使用其光学厚度偏离λ/4的层的多层反射器的情况中，会不期望地发生共振波长的偏离或者反射率的降低，除非不仅考虑多层反射器还考虑其中结合多层反射器的共振腔。在使用了本例中结构的情况下，即使当光学厚度偏离λ/4时，也能够带来不受损害的总体性能。
(设计引导)
接下来，将介绍图4C的具体结构。
图8B表示在本例中图4C的结构，图8A表示在传统例子中图4D的结构。
在图8A和图8B中，λ表示激光的振荡波长，n1表示位于活性层与第一镜子和第二镜子中至少一个之间的介质的平均折射率。此外，n2表示其光学厚度大于λ/4的加厚层(AlAs层)的折射率，n3表示其光学厚度小于λ/4的变薄层(Al0.5Ga0.5As层)的折射率。变薄的Al0.5Ga0.5As层的光学厚度变得比λ/4(λ/4n3)更小，并在这里由x表示。
在本例中，如图8B所示布置作为垂直腔面发射激光器的多个反射器之一的AlAs/Al0.5Ga0.5As多层反射器。也就是说，如此布置，使得具有x厚度的Al0.5Ga0.5As层的中心位于离活性层的中心的距离为λ/2n1、λ/4n2的整数倍的位置，以及由下面的表达式定义的距离的位置：
λ 8 n 2 + n 2 - n 3 2 n 2 x
并且以由下面表达式定义的间隔反复设置AlAs/Al0.5Ga0.5As层：
λ 2 n 2 + n 2 - n 3 n 2 x
由该表达式表示的结构例子包括将热导率高的AlAs层的层厚度设为3λ/8n2，并将热导率低的Al0.5Ga0.5As层的层厚度设为λ/8n3的结构。
(例2：AlN/GaN)
将介绍例2。在例2中，将介绍一种垂直腔面发射激光器，其包括具有AlN层和GaN层的多层反射器，并且其用于发射紫外光/蓝光。考虑折射率差和晶格失配，构成反射器以改善反射率。
图9是表示根据例2的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图。
在本例中，垂直腔面发射激光器包括GaN衬底701、AlN/GaN多层反射器702、GaN分隔层703、InGaN量子阱活性层704，和SiO2/TiO2多层反射器705。
在这里使用的InGaN量子阱活性层704包括例如四个InGaN阱层，并具有390nm至410nm的光发射波长。调节两个GaN分隔层103的光学厚度以获得对应于2个波长的共振腔长度。如果需要，可以调节光发射波长、阱数、或共振器长度。
根据传统设计方法，构成多层反射器702的AlN层和GaN层的每个的光学厚度为λ/4。
与此对照，根据本例，使用GaN衬底，因此将具有较大晶格失配的AlN层的光学厚度设为λ/8，将具有较小应变的GaN层的光学厚度设为3λ/8，并层压24对AlN层和GaN层。
SiO2/TiO2多层反射器705包括以对应于λ/4的光学厚度的传统层厚层压的8对层。因为与本发明没有直接关系，所以在此省略了电流注入所必须的掺杂和电极形成。但是，当适当地执行掺杂和电极形成时，就可以提供能够注入电流的结构。
(共振腔结构)
图10A至图10D是表示包含如图9所示的AlN/GaN多层反射器702和InGaN量子阱活性层704的共振腔结构的示意性放大图。
图10A至图10D表示内部光强分布210、内部光强分布210的波腹220、内部光强分布210的波节230、InGaN量子阱704、AlN层805和GaN层806。为了简化，在图10A至图10D只示出了多层反射器中的三对。AlN层805是低折射率层，GaN层806是高折射率层。
在通常用于III族氮化物半导体激光器的衬底的晶格常数或用作外延生长中基底的最厚III族氮化物半导体层的晶格常数与AlN层的晶格常数之间存在很大的差值。
另一方面，AlN层具有低折射率，因此相对于例如GaN层的高折射率层的折射率差很大，由此提高了反射率。因此，在本例中，将晶格失配大的AlN层的光学厚度设为λ/8，将晶格失配小的GaN层的光学厚度设为3λ/8。
下文中，将基于其配置针对变薄的AlN层介绍图10A至图10D的以下各种情况。
图10A和图10B表示参考例。图10A表示GaN/AlN界面定位为对应于光强分布210的波腹220的情况，图10B表示一个界面定位为对应于光强分布210的波节230的情况。
图10C表示例2，界面定位为既不对应于光强分布的波腹也不对应于波节。图10C表示一种更期望的例子，其中变薄的AlN层805的中心定位为恰好对应于在光强分布的彼此相邻的波腹和波节间的中点。
图10D表示传统例子。为了和例2比较，以基于传统设计值的λ/4的光学厚度构成多层反射器。需要注意，在本例中，Al0.5Ga0.5N层807取代AlN层805用作低折射率层。
为了便于体现在构成层界面和内部光强分布的波腹/波节之间的关系，在右侧显示强度分布。
(反射率和共振波长)
图11表示在上述每种多层反射器中反射率和反射阻带中心波长的计算结果。对它们进行设计使得反射阻带的中心波长变成400nm。在假设如在图12A至图12D中所示的仅存在下方反射器的基础上计算由每个箭头所指方向上的反射率。在图12A至图12D的每种情况中，提供24对的层。
从图11的表格可以清楚，当仅考虑多层反射器时，不管薄膜层或厚膜层的布置，在图12A、图12B和图12C中获得基本上相同的反射率(99.5％)和基本上相同的中心波长(400nm)。也就是说，即使当光学厚度偏离λ/4时，仅考虑反射器进行的计算中变薄层的位置也不会引发问题。
接下来，图13表示在结合共振腔的情况中，即在图10A至图10D的每种情况中，共振波长和反射率的计算结果。在以λ/4的光学厚度设计的传统多层反射器情况中，即在图10D的情况中，从仅关于多层反射器的计算和关于其中结合多层反射器的共振腔的计算都获得相同的结果(400nm，99.12％)。
与此对照，在图10A和图10B的情况中，显示出在图10A的情况中共振波长向更短波长偏移而在图10B的情况中共振波长向更长波长偏移了分别大约9nm至10nm。反射率减小到大约98％。
另一方面，在图10C的情况中，尽管多层反射器由其光学厚度不为λ/4的层组成，但是仅关于多层反射器的计算结果和关于其中结合多层反射器的共振腔的计算结果如在图10D的传统情况中一样基本上彼此相同，并且未观察到反射率的下降和共振波长的偏离。
也就是说，在使用如上所述的偏离λ/4的光学厚度的层的多层反射器的情况下，会不期望地发生共振波长的偏离或者反射率的降低，除非不仅考虑多层反射器还考虑其中结合多层反射器的共振腔。
在使用了本例中结构的情况下，即使当光学厚度偏离λ/4时，也能够带来不受损害的总体性能。
如上所述，根据本例，能够容易地制造高反射率且很少次数破裂的III族氮化物半导体多层反射器，并且能够实现使用该多层反射器的垂直腔面发射激光器。
(设计指导)
接下来，将进一步介绍在本例中图10C的具体结构。
图14B表示在本例中图10C的结构，而图14A表示在传统例子中图10D的结构。
在图14A和图14B中，λ表示激光的振荡波长，n1表示位于活性层与第一镜子和第二镜子中至少一个之间的介质的平均折射率。
此外，n2表示其相对于衬底的晶格失配较大的III族氮化物半导体层(AlN层)的折射率，n3表示其相对于衬底的晶格失配较小的III族氮化物半导体层(GaN层)的折射率。其晶格失配较大的AlN层的光学厚度比λ/4(λ/4n2)更小，并在这里由x表示。
在本例中，如图14所示布置作为垂直腔面发射激光器中的多个反射器之一的AlN/GaN多层反射器。也就是说，如此布置，使得具有比λ/4n2小的x厚度的AlN层的中心位于离活性层的中心的距离为λ/2n1的整数倍的位置，以及由下面的表达式定义的距离的位置：
λ 8 n 3 + n 3 - n 2 2 n 3 x
并且以由下面表达式定义的间隔反复设置AlN/GaN层：
λ 2 n 3 + n 3 - n 2 n 3 x
由该表达式表示的结构例子包括将具有较大晶格失配的半导体层用作层厚度为λ/8n2的AlN层，并将具有较小晶格失配的半导体层用作层厚度为3λ/8n3的GaN层的结构。
(例3：AlN/GaN)
将介绍例3。在例3中，将介绍一种垂直腔面发射激光器，其中使用不同于例2中衬底的衬底(蓝宝石)，并且在活性层上方和下方使用不同的膜厚形成多层反射器。
图15是表示根据本例的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图。
在本例中，垂直腔面发射激光器包括蓝宝石衬底1501、GaN厚膜1510、AlN/GaN多层反射器1502、GaN分隔层1503、InGaN量子阱活性层1504，和AlN/GaN多层反射器1505。
例如，在这里使用的InGaN多量子阱活性层和例2中所使用的一样。每个多层反射器1502和1505包括AlN构成层和GaN构成层。在这种情况中，在蓝宝石衬底上构成层的生长接着GaN厚膜的外延生长。
因此将具有较大晶格失配的AlN层的光学厚度设为λ/16以获得薄膜，将具有较小应变的GaN层的光学厚度设为7λ/16以获得厚膜，并层压52对AlN层和GaN层。
因为与本发明没有直接关系，所以在此省略了电流注入所必须的掺杂和电极形成。但是，当适当地执行掺杂和电极形成时，就可以提供能够注入电流的结构。
图16是表示包含如图15所示的AlN/GaN多层反射器1502和InGaN量子阱活性层1504的共振腔结构的示意性放大图。
为了简化，在图16中仅示出了包含在多层反射器中的3对。和例2中一样，界面定位为既不对应于多层反射器中光强分布210的波腹220也不对应于其波节230。
图16表示一种更理想的例子。布置变薄的AlN层1507，使得变薄的AlN层1507的中心定位为对应于光强分布的彼此相邻的波节和波腹间的中点。
在相邻的AlN层1507之间提供加厚的GaN层1506。即使在这种情况下，也获得99％或更高的反射率，这样就能够实现在室温下连续振荡可能需要的高反射率。
在本例中每一个多层反射器的层厚度基本上是例2中每一个多层反射器层厚度的两倍。但是，在这两个例子中所积累的应变量基本上是彼此相同的。因此，该多层反射器是抗破裂的。
如上所述，根据本例，可以响应于其他需求更理想地选择要减少的层厚和对数。
(例4：AlN/GaN)
将介绍例4。在例4中，将介绍一种垂直腔面发射激光器，其中使用不同于例2或例3中使用的衬底的衬底(AlN)来形成多层反射器。同样的，本例和例2及例3不同，AlN层的光学厚度要比GaN层的光学厚度更厚。
图17是表示根据本例的垂直腔面发射激光器的结构的示意性截面图。
在本例中，垂直腔面发射激光器包括AlN衬底1601、AlN/GaN多层反射器1602、GaN分隔层1603、InGaN量子阱活性层1604，和SiO2/TiO2多层反射器1605。
在此使用的InGaN量子阱活性层1604和SiO2/TiO2多层反射器1605与在例2中的相同。
AlN/GaN多层反射器1602包括AlN构成层和GaN构成层。在这种情况中，通过外延生长在AlN衬底1601上形成构成层。
因此，将具有较大晶格失配的GaN层的光学厚度设为λ/8以获得薄膜，将具有较小应变的AlN层的光学厚度设为3λ/8以获得厚膜，并层压27对GaN层和AlN层。
因为与本发明没有直接关系，所以在此省略了电流注入所必须的掺杂和电极形成。但是，当适当地执行掺杂和电极形成时，就可以提供能够注入电流的结构。
图18是表示包含如图17所示的AlN/GaN多层反射器1602和InGaN量子阱活性层1604的共振腔结构的示意性放大图。
为了简化，在图18中仅示出了在多层反射器中的3对。
和例2及例3中一样，构成层界面定位为既不对应于多层反射器中光强分布210的波腹220也不对应于其波节230。图18表示一种更期望的例子。形成多层反射器，使的变薄的GaN层1606的中心定位为对应于光强分布的彼此相邻的波节和波腹间的中点。
即使在这种情况下，也获得99％或更高的反射率，这样就能够实现在室温下连续振荡可能需要的高反射率。
如上所述，根据本例，可以基于要使用的衬底的类型和由此对多层反射器的构成层产生的晶格失配的程度来确定要变薄的层，以实现破裂的减少和反射率的增加。
(例5：图像形成装置)
将对本发明的例5进行说明。在例5中，将介绍将根据本发明的光学设备用作电子照相装置的光源的例子。
电子照相装置包括感光部件；用于为感光部件充电的充电单元；用于发射光束以对充电的感光部件形成静电潜像的光束发射单元；和用于对通过所发射光束形成的静电潜像进行显影的显影单元。
下文中，将参考图19介绍由电子照相装置执行的成像处理。
由充电单元1690均匀地给感光部件1670充电。从作为曝光光源的本发明光学设备1640通过作为光路改变单元的多角镜1650和聚光透镜1660向感光部件1670发射激光。当向感光部件1670发射激光时，电荷从感光部件1670的受照射部分移除以形成静电潜像。由显影单元1680将调色剂提供到形成有静电潜像的感光部件1670上，由此形成调色剂图像。将调色剂图像转印到例如纸张的转印材料。
尽管已经参考示例性实施例对本发明进行了介绍，但是可以理解本发明并不受所公开的这些示例性实施例的限制。下列权利要求的范围是要符合最宽泛的解释，以包括全部这样的修改和等效结构及功能。

Claims (14)

1.一种用于产生波长λ的光的光学设备，包括反射器和活性层，所述反射器是包含被交替层压并具有彼此不同折射率的第一层和第二层的多层反射器，
其中所述第一层和所述第二层的对数为至少两对，所述第一层具有小于λ/4的光学厚度而所述第二层具有大于λ/4的光学厚度；并且
其中在所述第一层和相邻的第二层之间的界面均位于不同于在所述反射器中波长为λ的光的光强分布的波节和波腹的位置上。
2.根据权利要求1的光学设备，其中层压两对或更多对的所述第一层和所述第二层。
3.根据权利要求1的光学设备，其中所述第一层的中心和所述第二层的中心位于对应于所述反射器中所述光强分布的彼此相邻的波节和波腹间的中点的位置。
4.根据权利要求1的光学设备，其中所述第一层的光学厚度和所述第二层的光学厚度的总和为λ/2。
5.根据权利要求1的光学设备，其中所述第一层具有比所述第二层的热阻更大的热阻。
6.根据权利要求5的光学设备，其中所述第二层包括二元材料。
7.根据权利要求6的光学设备，其中所述第二层是AlAs层。
8.根据权利要求1的光学设备，其中在所述光学设备的衬底的晶格常数和所述第二层的晶格常数之间的差小于在所述衬底的晶格常数和所述第一层的晶格常数之间的差。
9.根据权利要求8的光学设备，其中所述第一层是AlN层。
10.根据权利要求8的光学设备，其中所述第二层是GaN层。
11.根据权利要求1的光学设备，其中所述第一层具有λ/8的光学厚度。
12.根据权利要求1的光学设备，其中所述第二层具有3λ/8的光学厚度。
13.一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底；
在衬底上提供的两个反射器；以及
在所述两个反射器之间提供的活性层，
其中所述两个反射器中至少一个包括根据权利要求1的光学设备。
14.一种电子照相装置，包括：
感光部件；
用于为所述感光部件充电的充电单元；
用于发射光束以对充电的感光部件形成静电潜像的光束发射单元；和
用于对通过所发射光束形成的静电潜像进行显影的显影单元，
其中所述光束发射单元包括作为其光源的根据权利要求1的光学设备。
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