CN101599616B - 垂直腔表面发射激光器、装置、光学扫描设备和成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，VCSEL阵列装置，光学扫描设备和成像设备，其中VCSEL包括半导体衬底、形成在半导体衬底上的下反射镜和台结构。台结构包括有源层、包括电流限制结构的可选择的氧化层和上反射镜。下电极连接到半导体衬底，上电极连接到上反射镜。当电流在上电极和下电极之间流动时，VCSEL发射垂直于半导体衬底的平面的激光。半导体衬底关于(100)平面倾斜。有源层包括相对于衬底具有压缩应变的量子阱层和间隔层。间隔层相对于半导体衬底具有压缩应变或者拉伸应变。

Description

垂直腔表面发射激光器、装置、光学扫描设备和成像设备

技术领域

本发明总体上涉及表面发射激光器，更具体地，涉及垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、VCSEL阵列装置、结合有该VCSEL阵列装置的光学扫描设备和结合有该光学扫描设备的成像设备。

背景技术

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是在垂直于激光器形成在其上的衬底的方向发光的半导体激光器。VCSEL比边缘发射半导体激光器成本更低且性能更好。由于该原因，VCSEL越来越多地用作用于光通信、光学互连、光学拾取器和成像设备例如激光打印机的光源。例如，IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS，1999，Vol.11，No.12，pp.1539-1541(“非专利文献”)公开一种采用AlGaAs材料的VCSEL，其中激光器具有3mW或以上的单模输出。

用于上述应用的VCSEL要求具有这样的特征，如高有源层增益、低阈值电流、高输出、高可靠性和受控偏振方向。

典型地，VCSEL是通过在GaAs衬底上形成半导体薄膜层而形成。具体地，VCSEL包括形成在GaAs量子阱有源层的任一侧上的AlGaAs覆层和由AlGaAs和AlAs薄膜的交替半导体层制成的反射镜(分布布拉格(Bragg)反射器(DBR))。电流限制层形成在光发射侧面上的覆层和反射镜之间用于提高性能。

但是，在具有上面的结构的VCSEL中，与边缘发射半导体激光器相比，偏振控制是困难的。在许多情形中，偏振控制取决于制造过程中的不可预知的变化。偏振甚至在相同的衬底上也会不同，从而使得其难以稳定地获得具有恒定偏振方向的VCSEL。因为VCSEL具有比边缘发射激光器更短的腔长度和更大的开口用于光发射，所以难以获得偏振稳定性。

当VCSEL用作光源用于通过成像设备例如激光打印机形成图像时，在偏振方向的变化导致在用于光学扫描的多角镜上不同的反射率。结果，光利用效率降低或者不能稳定地写入图像。已经进行各种手段以稳定VCSEL中的偏振方向，如下面所讨论的。

IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，1998，Vol.10，No.12，pp.1676-1678(“非专利文献2”)公开一种用于控制VCSEL中的偏振方向的方法，由此利用例如衬底的各向异性。具体地，该方法包括通过利用倾斜(311)B衬底控制偏振方向到(-233)方向。

日本专利申请公开说明书第2008-28424号(“专利文献1”)公开一种通过提供各向异性给VCSEL中的台面(mesa)结构控制偏振的方法。日本专利第3791193号(“专利文献2”)公开一种利用其中金属丝引线被抽出的方向的偏振控制方法。日本专利申请公开说明书第2008-16824号(“专利文献3”)公开一种偏振控制方法，其通过在VCSEL内部局部地提供氧化区域使得应力施加到有源层。

日本专利申请公开说明书第11-340570号(“专利文献4”)和11-354888号(“专利文献5”)公开一种多束半导体激光器，其中为了满足对成像设备例如激光打印机中的更高速度的要求，在单个芯片上设置多个光源。

日本专利申请公开说明书第2002-217492号(“专利文献6”)公开一种用于在衬底上形成有源层的方法，其中在有源层和衬底之间设置松弛层，该松弛层具有在有源层和衬底之间的中等晶格常数，以使得可以形成高质量的有源层。

日本专利申请公开说明书第2003-347582号(“专利文献7”)公开一种使用AlInP/GaInP在衬底上形成DBR以使得晶格常数逐渐改变以便形成高质量的有源层的方法。

在根据非专利文献2的方法中，衬底倾斜25°。随着衬底倾斜增大，当形成氧化限制层时，各向同性的氧化变得越来越困难，从而导致增大制造难度。再者，这样的衬底是专门的衬底，非常昂贵，从而使得难以以低的成本制造VCSEL。

在专利文献1的方法中，台面结构的各向异性反映在电流限制区域中。在这种情形下，电流注入均一性会失去，或者不能从制造的激光器获得期望的光斑形状。此外，在专利文献1的方法中，台面结构各向异性还影响在VCSEL中形成电流限制区域的过程，使得均匀的电流注入是困难的。

在根据专利文献2的方法中，当VCSEL高密度地集成在单一芯片内时，单个元件的间隔变得更窄，从而使得难以自由地形成金属丝。如果单个元件之间的间隔由于布线的原因而增大，单个芯片的区域增大，从而导致制造成本增大。

在根据专利文献3的方法中，VCSEL的结构要求额外的制造步骤，使得制造过程变得更加复杂并需要更长的制造时间，从而导致制造成本增大。再者，电流限制层是由通过氧化AlAs获得的AlOx制成，其在限制层周围产生应变。结果，在通电时产生错位，从而导致可靠性可能降低。这样，并不优选提供多个这样的电流限制层。

根据专利文献4和5的多束半导体激光器是边缘发射半导体激光器，其中当元件一维地排列时，存在单个部件之间热干涉的问题，并且难以在该结构上获得数μm或更小的窄的节距。

在专利文献6公开的结构中，有源层具有与衬底非常不同的晶格常数。尽管在衬底和有源层之间提供有中等晶格常数的松弛层，但是在有源层附近具有大应变的层的存在拉紧有源层，从而使得难以获得高的质量。

在根据专利文献7的结构中，衬底和有源层之间的DBR的晶格常数逐渐变化以为了允许形成具有与衬底非常不同的晶格常数的有源层。这样，在有源层附近的DBR之间的晶格常数与有源层的晶格常数的差异小于专利文献6中的。但是，由于典型地在数μm数量级的DBR厚度，施加到有源层的应力是大的。这样，难以获得高质量的有源层，如在专利文献6的情形中。

这样，传统的激光源不能足以应付在成像设备例如激光打印机中的提高的速度。

发明内容

本发明克服现有技术的一个或多个缺点，其在一方面是VCSEL，其包括：半导体衬底；下反射镜，该下反射镜通过在半导体衬底表面上形成具有不同折射率的半导体薄膜层而形成在半导体衬底表面上；台面结构，该台面结构包括在下反射镜上由半导体材料形成的有源层、形成在部分氧化的有源层上从而形成电流限制结构的选择性的氧化层以及上通过交替地形成具有不同折射率的半导体薄膜而在选择性的氧化层上形成的反射镜；下电极，该下电极连接到半导体衬底；和上电极，该上电极连接到上反射镜。

当电流在上电极和下电极之间流动时，VCSEL发射垂直于半导体衬底平面的激光。根据这方面的VCSEL的特征在于，半导体衬底相对于特定平面倾斜，并且所述有源层包括具有相对于衬底的压缩应变的量子阱层和间隔层。间隔层具有相对于半导体衬底的特定的应变。

根据本发明的另一方面，VCSEL阵列装置的特征在于，在半导体衬底上安置有多个上述VCSEL。

根据本发明的另一方方面，用于通过光束扫描被扫描表面的光学扫描设备包括：光源单元；偏转单元，其配置成偏转通过光源单元发出的光束；和扫描光学系统，该扫描光学系统被配置成将通过偏转单元偏转的光束聚焦在扫描表面上。光学扫描设备的特征在于，光源单元包括上述VCSEL阵列装置。

根据本发明的又一方面，用于在介质上形成图像的成像设备包括：用于承载待形成在介质上的图像的图像载体；和用于根据有关待形成在介质上的图像的图像信息用光扫描图像载体的光学扫描设备。成像设备的特征在于，光学扫描设备包括上述光学扫描设备。

附图说明

结合附图描述本发明的这些以及其它目的、优点和特征，其中：

图1A是没有倾斜的n-GaAs衬底的平面视图；

图1B是沿着图1A的虚线A1-A2剖开的n-GaAs衬底的截面；

图1C是根据本发明的第一实施例的倾斜的n-GaAs衬底的截面；

图2是根据本发明的第一实施例的VCSEL的截面；

图3示出偏振角相对于间隔层中关于半导体衬底的应变的图形；

图4是根据本发明的第二实施例的VCSEL的有源层的截面；

图5是根据第二实施例的VCSEL的有源层的另一例子的截面；

图6示出图5所示的有源层的带结构；

图7示意性地示出根据本发明的第三实施例的VCSEL阵列装置；

图8示意性地示出根据本发明的第四实施例的光学扫描设备；

图9示意性地示出根据本发明的第五实施例的成像设备；

图10示意性地示出根据本发明的第六实施例的彩色激光打印机；

图11示出根据例子1的VCSEL中的有源层的带结构；

图12示出根据例子4的VCSEL中的有源层的带结构；

图13示出根据本发明的不同例子的VCSEL的平面视图；

图14示出根据例子2的VCSEL的有源层的带结构；以及

图15示出根据例子3的VCSEL的有源层的带结构。

具体实施方式

在此及后，参照附图描述本发明的实施例，其中在整个的若干视图中相同的标号表示相同的或者相应的部分。

(第一实施例)

根据本发明的第一实施例的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)包括电流限制结构。图1A示出没有倾斜的n-GaAs衬底10的平面视图。图1B示出沿着图1A的虚线A1-A2剖开的截面。如图1A和1B所示，n-GaAs衬底10的表面是没有倾斜的主表面(100)。

图1C示出相对于(100)平面向着(011)方向倾斜15°的α角的n-GaAs半导体衬底11。倾斜角度通常可以为2°-20°。通过这样利用倾斜的衬底，在倾斜方向和垂直于倾斜方向的方向之间的有源层中产生增益差异，从而使得更易于控制偏振方向到某一方向。

参照图2，描述根据第一实施例的VCSEL的结构。根据本实施例的VCSEL包括倾斜的n-GaAs半导体衬底11。在倾斜的n-GaAs半导体衬底11上，通过交替地形成具有高和低折射率的半导体薄膜层而形成下反射镜12。在下反射镜12顶上，形成有下间隔层13，在下间隔层13上进一步形成多量子阱层14。在多量子阱层14上，形成上间隔层15。在上间隔层15上，形成可选择的氧化层16，在氧化层16上进一步形成上反射镜17。上反射镜17通过交替形成具有高和低折射率的半导体薄膜层而形成。接触层18进一步形成在上反射镜17上。

根据本实施例，下间隔层13、多量子阱层14和上间隔层15组成有源层31。多量子阱层14相对于半导体衬底11具有压缩应变。

在如此形成各个层后，台面结构形成为下间隔层13、多量子阱层14、上间隔层15、可选择氧化层16、上反射镜17和接触层18的堆叠。其后，可选择氧化层16选择性地氧化以形成周边的氧化区域(氧化区域)32和中心的非氧化区域(电流限制区域)33。特别地，在氧化区域32中，形成AlxOy的绝缘体，从而形成电流限制结构，以使得当电流流动通过元件时电流以集中的方式流动通过限制区域33。

其后，形成防护薄膜19以覆盖台面结构，然后是形成连接到接触层18的上电极20和在半导体衬底11的背面上的下电极21。

在该VCSEL中，当电流在上电极20和下电极21之间流动时，电流被注入到有源层31中，由此形成反向(inverted)分布的状态，从而发光。在有源层31中产生的光在下反射镜12和上反射镜17之间被放大，然后垂直于半导体衬底11发出。

这样发出的激光的偏振方向由于例如制造过程中的上述变化而容易改变。发明人发现可以通过利用具有倾斜主表面的半导体衬底11，提供相对于半导体衬底11具有压缩应变的多量子阱层14，以及在下间隔层13和上间隔层15的每一个中提供一定应变，来稳定偏振方向。

具体地，发明人发现，当上间隔层13和下间隔层15是由AlGaInPAs材料形成时，该AlGaInPAs材料至少包括In和P，也就是InP，Al、Ga和As的一种或多种加入到其中，通过在上间隔层13和下间隔层15中提供相对于半导体衬底11压缩的应变，偏振角度变成90°，其中图3中的间隔层的应变值为正。这样，可以获得恒定的偏振方向，而不管压缩应变量如何。

“应变”在此意在指各个薄膜材料的晶格常数与半导体衬底的晶格常数的比率。具有比半导体衬底的晶格常数更大的晶格常数的薄膜具有压缩应变，以使得图3中的间隔层的应变值为正。具有比半导体衬底的晶格常数更小的晶格常数的薄膜具有拉伸应变，其中图3中间隔层的应变值为负。根据本实施例，多量子阱层14具有+0.7％的压缩应变。

尽管本实施例中半导体衬底11关于(100)平面倾斜，但是通过关于(010)或者(001)平面倾斜的半导体衬底也可以获得相同的效果。在另一实施例中，可以采用单量子阱层，而非多量子阱层14。

根据本实施例，当下间隔层13和上间隔层15每个都具有压缩应变时，如图3所示，偏振角是90°。但是，例如，当多量子阱层14中的压缩应变是大的时，偏振角可以是180°。这可假定是由于以下事实的原因：随着压缩应变增大，半导体衬底11的晶格常数和多量子阱层14的晶格常数之间的差异变大，从而导致晶格匹配的不同状态。在这种情形中，同样地，也可以获得稳定的偏振角，尽管是180°，只要多量子阱层14相对于半导体衬底11具有压缩应变，并且下间隔层13和上间隔层15是由Al、Ga和As的一种或多种加入到其中的InP制成，并且每一个相对于半导体衬底11具有压缩应变。

根据本实施例，尽管半导体衬底的倾斜角是15°，偏振方向不仅基于衬底的倾斜角而且基于间隔层和多量子阱层中的应变量的组合而受控。这样，处理难度与例如非专利文献2中的倾斜角较高的情形相比可以得以降低。而且，因为15°倾斜的衬底广泛用作用于DVD的激光二极管的衬底，该衬底相对便宜。

当使用具有小于15°的倾斜角的衬底时，通过将间隔层和多量子阱层中的应变值设置得更高，可以获得等同效果。反过来，如果通过改进VCSEL制造过程有可能制造超过15°的倾斜，通过利用具有更高倾斜角的衬底可以获得极高的偏振稳定性。

根据本实施例的偏振控制方法，包括衬底倾斜角和间隔层/量子阱应变的组合，可以与根据专利文献1的基于台面结构的各向异性的偏振控制方法组合使用。这样，可以获得本实施例的效果，同时减少单个方法的缺点。

尽管在专利文献6中在衬底和量子阱之间设置有应变松驰层，但是由于衬底和量子阱之间的晶格常数的大的差异难以获得高质量的有源层。根据本实施例，衬底和间隔层之间的晶格常数的差异小，以使得可以形成高质量的有源层，而并不施加大的应变到有源层。

在专利文献7的情形中，衬底和有源层之间的DBR的晶格常数逐渐变化。这样，尽管有源层和与有源层相邻的层之间的晶格常数的差异是轻微的，但是由于应变层的厚度在几个μm数量级，大的应力施加到有源层，从而使得难以获得高质量的有源层。但是，根据本实施例，衬底和间隔层之间的晶格常数的差异小，间隔层的薄膜厚度在几百nm数量级。这样，可以形成高质量的有源层，而并不使有源层受制于大应变。

根据本实施例的VCSEL允许形成二维阵列，其中元件间隔可以根据期望地进行设置。这样，与边缘发射半导体激光器相比，可以集成在单一芯片上的光发射元件的数量可以增大。

(第二实施例)

根据本发明的第二实施例，VCSEL包括偏振控制层。参照图2和4描述该VCSEL。

根据本实施例的VCSEL具有如图2所示的结构，其中有源层31具有如图4所示的结构。具体地，VCSEL包括：具有倾斜主表面的半导体衬底11；相对于半导体衬底11具有压缩应变的多量子阱层14；下间隔层13和上间隔层15，在其中每一个中设置有偏振控制层41。根据第二实施例，满足以下表达式：

(ea×ta+eb×tb)/(ta+tb)＞0        (1)

其中，ea是下间隔层13和上间隔层15中的晶格应变；ta是下间隔层13和上间隔层15的总薄膜厚度；eb是每个偏振控制层41中的晶格应变；tb是各个偏振控制层41的总薄膜厚度。表达式(1)的左侧部分，也就是，(ea×ta+eb×tb)/(ta+tb)在此及后可以简单称作E。

当满足表达式(1)时，偏振角稳定在相对于半导体衬底的(0-11)表面大约90°，如图3中的情形，以使得VCSEL具有恒定偏振角。尽管图4示出偏振控制层41设置在下间隔层13和上间隔层15的每个中，但是偏振控制层41也可形成在下间隔层13或者上间隔层15中，如图5所示，只要满足表达式(1)。

尽管下间隔层13和上间隔层15是由GaInPAs制成，但是偏振控制层41是由AlGaInP材料制成，该材料至少包括In和P，也就是InP，Al、Ga和As的一种或多种加入到其中。以这种方法，可以在偏振控制层41中获得更高的带隙。这样，当下间隔层13和上间隔层15是由具有低带隙的材料制成时，可以获得提高的电子限制效率。

图6示出图5所示的有源层31的带结构。多量子阱层14是由具有+0.7％应变的Ga_0.7In_0.3P_0.5As_0.5和具有0％的应变的Ga_0.516In_0.484P阻挡层形成。下间隔层13和上间隔层15是由具有0％应变的(Al_0.1Ga_0.9)_0.516In_0.484P形成。偏振控制层41是由具有+0.04％应变的(Al_0.5Ga_0.5)_0.51In_0.49P形成。在这种情形下，表达式(1)的左侧部分的值为+0.03％。因为偏振控制层41是由具有宽的带隙的(Al_0.5Ga_0.5)_0.51In_0.49P形成，可以获得改善的光和电子限制效率。

(第三实施例)

根据本发明的第三实施例，VCSEL阵列装置包括根据本发明的实施例的VCSEL阵列。

参照图7，VCSEL阵列装置50包括沿着第一基线和第二基线的二维排列的VCSEL 50。沿着每一第二基线，VCSEL 50垂直于第一基线以间隔d排列。当VCSEL 50的位置投影在第一基线上时，VCSEL 50以间隔h排列。

当根据第三实施例的VCSEL阵列装置用于成像设备例如激光打印机时，光垂直于第一基线发出，以使得可以形成非常优良的图像。

(第四实施例)

根据本发明的第四实施例，光学扫描设备100包括根据第三实施例的作为光源的VCSEL阵列装置。参照图8描述光学扫描设备100。

光学扫描设备100包括光源单元121、准直透镜122、多角镜125和fθ透镜126。在图8中，图纸的水平方向对应主扫描方向，垂直方向对应副扫描方向。

光源单元121包括根据第三实施例的VCSEL阵列。准直透镜122配置的以使得从光源单元121发出的光束成为大致平行的光。来自准直透镜122的光束通过旋转多角镜125反射，然后由fθ透镜126作为光斑汇集在感光鼓101的表面上。多角镜125通过电机(未示出)以恒定速度旋转。这样，光束以恒定角速度偏转，感光鼓101的表面上的光斑在主扫描方向以恒定速度移动。

根据本实施例，光源单元121中的VCSEL阵列装置中单个VCSEL的偏振角对齐，以使得多角镜125具有均一反射率地反射。这样，结合本实施例的光学扫描设备的成像设备能够形成优良的图像。

(第五实施例)

根据本发明的第五实施例，作为成像设备的激光打印机包括根据第四实施例的光学扫描设备。

参照图9，描述根据第五实施例的激光打印机。激光打印机包括光学扫描设备100、感光鼓101、充电装置102、显影单元103、色粉盒104、清洁单元105、转印单元111和中和单元114。

在感光鼓101的表面上，形成感光层。感光鼓101在顺时针方向旋转，如图9所示。充电单元102配置成对感光鼓101的表面均匀充电。

光学扫描设备100通过光照射已经通过充电单元102充电的感光鼓101的表面。光照在感光鼓101的表面上产生潜象，其对应期望的图像信息。然后形成潜象的感光鼓表面区域随着感光鼓101旋转向着显影单元103移动。

色粉盒104包含提供给显影单元103的色粉。显影单元103使得色粉附着到感光鼓101表面上的潜象，从而显影潜象。其后，感光鼓101进一步旋转并且将在感光鼓101的表面上显影的潜象传递到转印单元111。

转印单元111被供给与感光鼓101的表面上的色粉的极性相反的极性的电荷，以使得感光鼓101的表面上的色粉可以向着记录片材113电吸引。也就是，电荷使得感光鼓101表面上的色粉转印到记录片材113上，从而将显影图像转印到记录片材113上。

中和单元114配置的以在图像形成之后中和感光鼓101表面。在图像形成后，清洁单元105移除感光鼓101表面上剩余的色粉(残余色粉)。移除的残余色粉可以循环使用。残余色粉已经从其上移除的感光鼓101的表面再次向着充电单元102移动。

(第六实施例)

(彩色成像设备)

根据第六实施例，本发明提供彩色激光打印机作为用于形成彩色图像的成像设备。参照图10描述彩色激光打印机。

根据本实施例的彩色激光打印机是具有多个用于打印彩色图像的感光鼓的串列式彩色设备。具体地，彩色激光打印机包括：用于黑色(K)的感光鼓K1、充电器K2、显影器K4、清洁单元K5和转印充电单元K6；用于青色(C)的感光鼓C1、充电器C2、显影器C4、清洁单元C5和转印充电单元C6；用于品红色(M)的感光鼓M1、充电器M2、显影器M4、清洁单元M5和转印充电单元M6；和用于黄色(Y)的感光鼓Y1、充电器Y2、显影器Y4、清洁单元Y5和转印充电单元Y6。彩色激光打印机还包括根据第五实施例的光学扫描设备100、转印带201和定影单元202。

彩色激光打印机中的光学扫描设备100包括用于黑色、青色、品红色和黄色的半导体激光器。这些半导体激光器的每一个包括根据本发明的实施例的VCSEL。

用于黑色的感光鼓K1通过来自用于黑色的半导体激光器的光束进行照射。用于青色的感光鼓C1通过来自用于青色的半导体激光器的光束进行照射。类似地，感光鼓M1通过来自用于品红色的半导体激光器的光束进行照射，感光鼓Y1通过来自用于黄色的半导体激光器的光束进行照射。

感光鼓K1，C1，M1和Y1的每一个在箭头所示方向旋转，沿着箭头方向排列充电器K2，C2，M2或Y2、显影器K4，C4，M4或Y4、转印充电单元K6，C6，M6或Y6、清洁单元K5，C5，M5或Y5。充电器K2，C2，M2或者Y2对相应的感光鼓K1，C1，M1或者Y1均匀充电。每个感光鼓K1，C1，M1和Y1的充电后的表面用光学扫描设备100发出的光束进行照射，由此在每个感光鼓K1，C1，M1和Y1的表面上形成静电潜象。

其后，色粉图像通过各自的显影器K4，C4，M4或者Y4形成在每个感光鼓K1，C1，M1和Y1的表面上。单个颜色的色粉图像然后通过相应的转印充电单元K6，C6，M6和Y6转印到记录片材上，然后通过定影单元202将图像定影在记录片材上。保留在感光鼓K1，C1，M1或者Y1的表面上的残余色粉通过相应的清洁单元K5，C5，M5或者Y5移除。

尽管本实施例采用感光鼓作为图像载体，但是卤化银薄膜也可用作图像载体。在这种情形下，潜象可以通过光学扫描形成在卤化银薄膜上，然后以传统的卤化银摄影术工艺中熟知的方式显影。显影后的潜象然后可以通过类似于传统的卤化银摄影术工艺中的印刷工艺的工艺转印到印刷纸上。

根据第六实施例的成像设备可以用作光盘制造设备，或者用于产生图像例如CT扫描图像的光学影象产生设备。

图像载体还可包括颜色产生介质(例如正片印刷纸张)，其通过应用来自光束斑的热能显影颜色。在这种情形下，可见图像通过光学扫描直接形成在图像载体上。

(第七实施例)

根据本发明的第七实施例，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)结构包括电流限制结构。根据第七实施例的VCSEL结构基本与图2的第一实施例相同。

具体地，发明人发现，当上间隔层13和下间隔层15由AlGaInPAs材料形成时，其中AlGaInPAs也就是Al、Ga和As的一种或多种加入到其中的InP，通过在上间隔层13和下间隔层15中提供相对于半导体衬底11的拉伸应变，偏振角度变成180°，其中图3中的间隔层的应变值为负。这样，可以获得恒定的偏振方向，而不管拉伸应变量如何。

“应变”在此意在指各个薄膜材料的晶格常数与半导体衬底的晶格常数的比率。具有比半导体衬底的晶格常数更大的晶格常数的薄膜具有大的压缩应变，以使得图3中的间隔层的应变值是正的。具有比半导体衬底的晶格常数更小晶格常数的薄膜具有拉伸应变，其中图3中的间隔层的应变值是负的。根据本实施例，多量子阱层14具有+0.7％的压缩应变。

尽管本实施例采用相对于(100)平面倾斜的半导体衬底11，但是利用相对于(010)或者(001)平面倾斜的半导体衬底也可获得相同的效果。

根据本实施例，半导体衬底的倾斜角，也就是15°，不仅基于衬底的倾斜角还基于间隔层和多量子阱层中的应变量的组合进行控制。这样，与例如非专利文献2中的倾斜角较高的情形相比，可以降低处理难度。而且，因为15°倾斜的衬底广泛用于用作DVD的激光二极管的衬底，该衬底相对便宜。

当使用具有小于15°的倾斜角的衬底时，可以通过将间隔层和多量子阱层中的应变值设置得更高而获得同等效果。相反，如果通过对VCSEL的制造过程的改善可能制造超过15°的倾斜，可以获得极高的偏振稳定性。

根据本实施例的包括衬底倾斜角和间隔层/量子阱应变的组合的偏振控制方法可以与根据专利文献1的基于台面结构各向异性的偏振控制方法组合使用。这样，可以获得本实施例的效果，同时减少单个方法的缺点。

尽管专利文献6中在衬底和量子阱之间设置有应变松驰层，但是由于衬底和量子阱之间的晶格常数的大的差异难以获得高质量的有源层。根据本实施例，衬底和间隔层之间的晶格常数的差异是小的，以使得可以形成高质量的有源层，且不会施加大的应变到有源层。而且，根据本实施例，衬底和量子阱层每一个形成为具有压缩应变，以使得与间隔层中的拉伸应变一起，可以预期应变补偿效果。

在专利文献7的情形中，衬底和有源层之间的DBR的晶格常数逐渐变化。这样，尽管在有源层和与有源层相邻的层之间的晶格常数的差异是轻微的，但是由于应变层的厚度在数μm数量级，大的应力施加到有源层，使得难以获得高质量的有源层。但是，根据本实施例，衬底和间隔层之间的晶格常数的差异是小的，间隔层的薄膜厚度是在几百nm数量级。这样，可以形成高质量的有源层，而不会施加大的应变到有源层。而且，根据本实施例，衬底和量子阱层每一个形成为具有压缩应变，以使得与间隔层中的拉伸应变一起，应变补偿的效果可以预期。

根据本实施例，在VCSEL中的单个元件可以二维布置，其中元件的间隔可以如期望地设定。这样，与边缘发射半导体激光器相比，可以集成在单一芯片上的光发射部件的数量可以增大。

(第八实施例)

根据本发明的第八实施例，VCSEL包括偏振控制层。参照图2和4描述VCSEL。

根据本实施例的VCSEL具有如图2所示的结构，其中有源层31具有如图4所示的结构。具体地，VCSEL包括：具有倾斜主表面的半导体衬底11；相对于半导体衬底11具有压缩应变的多量子阱层14；和下间隔层13和上间隔层15，在其每个中设置偏振控制层41。根据第八实施例，满足以下表达式：

(ea×ta+eb×tb)/(ta+tb)＜0      (2)

其中ea是下间隔层13和上间隔层15中的晶格应变；ta是下间隔层13和上间隔层15的总薄膜厚度；eb是每个偏振控制层41中的晶格应变；tb是单个偏振控制层41的总薄膜厚度。表达式(2)的左侧部分，也就是，(ea×ta+eb×tb)/(ta+tb)，在此及后可以简单称作E。

当满足表达式(2)时，偏振角在相对于如图3所示的半导体衬底的(0-11)表面大约180°处稳定，以使得具有恒定偏振角的VCSEL可以得以提供。尽管图4示出设置在下间隔层13和上间隔层15的每一个中的偏振控制层41，偏振控制层41也可形成在下间隔层13中或者上间隔层15中，如图5所示，只要满足表达式(1)。

尽管下间隔层13和上间隔层15是由GaInPAs制成，但是偏振控制层41是由AlGaInP材料制成，也就是Al、Ga和As的一种或者多种加入到其中的InP。以这种方式，可以在偏振控制层41中获得更高的带隙。这样，当下间隔层13和上间隔层15是由具有低带隙的材料制成时，可以获得提高的电子限制效率。

如在图7所示的第三实施例中，根据本发明的第七或者第八实施例的VCSEL可以安置成构建VCSEL阵列装置。如在图8所示的第四实施例中，这样的VCSEL阵列装置可用于构建光学扫描设备。再者，如在图9所示的第五实施例中，可以提供具有这样的光学扫描设备的成像设备。如在图10所示的第六实施例中，这样的成像设备可用于构建用于形成彩色图像的彩色成像设备。

例子

在此及后，描述本发明的各实施例的例子。

(例子1)

根据例子1的VCSEL具有780nm的发射波长。参照图2和11描述该VCSEL。图11示出VCSEL的有源层31的带结构。

参照图2，根据例子1的VCSEL包括由在(111)平面方向倾斜15°的n-GaAs衬底形成的半导体衬底11。在半导体衬底11上，形成下反射镜12，其是通过层叠50交替对的n-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜形成的分布布拉格反射器(DBR)。

在下反射镜12顶上，由(Al_0.1Ga_0.9)_0.516In_0.484P形成有下间隔层13，随后形成多量子阱层14。在多量子阱层14上，由(Al_0.1Ga_0.9)_0.516In_0.484P形成上间隔层15，然后形成AlAs的可选择氧化层16。在可选择的氧化层16上，形成上反射镜17，其是由30对交替的p-Al_0.9Ga_0.1As和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜形成的DBR。在上反射镜17顶上，由P-GaAs形成接触层18。

各个层具有预定膜厚度以使得可以获得780nm的发射波长。半导体衬底11的倾斜角可为是2°-20°。

然后，台面结构形成为所述各层的合成堆叠，可选择氧化层16在水蒸汽环境中部分氧化以形成氧化区域32和电流限制区域33。其后，防护薄膜19形成以覆盖台面结构。然后，连接到接触层18的上电极20由Au/AuZn形成，下电极21由Au/Ni/AuGe形成在半导体衬底11的后表面上。

在上间隔层15内，由(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P形成偏振控制层41，其具有20nm的厚度。偏振控制层41相对于半导体衬底11具有+0.12％的应变。下间隔层13和上间隔层15每个相对于半导体衬底11具有0％的应变。多量子阱层14包括具有5.5nm厚度和相对于半导体衬底11具有+0.71％应变的Ga_0.7In_0.3P_0.14As_0.59量子阱层和具有8nm厚度和相对于半导体衬底11具有-0.6％应变的Ga_0.6In_0.4P的阻挡层的交替层。在堆叠层的任一侧上，形成具有8nm厚度和相对于半导体衬底11零应变的Ga_0.516In_0.484P层。

在该VCSEL中，E值为+0.023。这样，如图13所示，通过根据例子1的VCSEL发出的光在关于半导体衬底11的(0-11)表面90°的偏振方向是稳定的。

(例子2)

根据例子2的VCSEL具有780nm的发射波长。参照图2和14描述该VCSEL。图14示出根据例子2的有源层31的带结构。

参照图2，VCSEL包括半导体衬底11，该半导体衬底11包括在(111)平面方向倾斜15°的n-GaAs衬底。下反射镜12由包括50对交替的n-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜的DBR形成。在下反射镜12的顶上，由(Al_0.5Ga_0.5)_0.51In_0.49P形成下间隔层13，然后形成多量子阱层14。在多量子阱层14上，由(Al_0.5Ga_0.5)_0.51In_0.49P形成上间隔层15，在上间隔层顶上由AlAs形成可选择的氧化层16。在可选择的氧化层16的顶上，形成上反射镜17，其是包括30对交替的p-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜的DBR。接触层18由p-GaAs形成在上反射镜17上。各个层具有预定膜厚度以使得可以获得780nm的发射波长。半导体衬底11的倾斜角可以是2°-20°。

台面结构然后由所述各层的合成堆叠形成，然后可选择的氧化层16在水蒸气环境中部分氧化以形成氧化区域32和电流限制区域33。其后，防护薄膜19形成以覆盖台面结构，连接到接触层18的上电极20由Au/AuZn制成，下电极21由Au/Ni/AuGe形成在半导体衬底11的后表面上。

下间隔层13和上间隔层15每个相对于半导体衬底11具有+0.04％的应变。

多量子阱层14包括具有5.5nm厚度和相对于半导体衬底11具有+0.71％的应变的Ga_0.7In_0.3P_0.41As_0.59量子阱层和具有8nm厚度和相对于半导体衬底11具有-0.6％的应变的阻挡层的交替层。在堆叠的任一侧上，形成具有8nm厚度和相对于半导体衬底11零应变的Ga_0.516In_0.484P层。

根据例子2的VCSEL没有偏振控制层。这样，在下间隔层13和上间隔层15的每个中相对于半导体衬底11的应变为+0.04。这样，如图13所示，通过根据例子2的VCSEL发出的光在关于半导体衬底11的(0-11)表面90°的偏振方向是稳定的。

(例子3)

根据例子3的VCSEL具有780nm的发射波长。参照图2和15描述VCSEL。图15示出根据例子3的有源层31的带结构。

参照图2，根据例子3的VCSEL包括由在(111)平面方向倾斜15°的n-GaAs衬底制成的半导体衬底11。在半导体衬底11顶上，形成下反射镜12，该下反射镜12是由50对n-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜交替层制成。在下反射镜12的顶上，由(Al_0.5Ga_0.5)_0.48In_0.52P形成下间隔层13，随后是多量子阱层14。在多量子阱层14顶上，由(Al_0.5Ga_0.59)_0.48In_0.52P形成上间隔层15。可选择的氧化层16由AlAs进一步形成在多量子阱层14顶上。在可选择的氧化层16顶上，由包括30对p-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜的交替层的DBR形成上反射镜17。在上反射镜17的顶上，由p-GaAs形成接触层18。

各个层具有预定的膜厚度以使得可以获得780nm的发射波长。半导体衬底11的倾斜角可以是2°-20°。

台面结构然后通过所述各层的堆叠形成，然后可选择的氧化层16在水蒸气环境中部分氧化以形成氧化区域32和电流限制区域33。其后，防护薄膜19形成以覆盖台面结构，连接到接触层18的上电极20由Au/AuZn形成，下电极21由Au/Ni/AuGe形成在半导体衬底11的后表面上。

下间隔层13和上间隔层15每个相对于半导体衬底11具有+0.27％的应变。

多量子阱层14包括具有5.5nm厚度和相对于半导体衬底11具有+0.71％的应变的Ga_0.7In_0.3P_0.41As_0.59的量子阱层和具有8nm厚度和相对于半导体衬底11具有-0.6％的应变的阻挡层的交替层。在该堆叠的任一侧上，形成具有8nm厚度和相对于半导体衬底11零应变的Ga_0.516In_0.484P层。

这样，根据例子3的VCSEL没有偏振控制层。这样在下间隔层13和上间隔层15的每个中相对于半导体衬底11的应变为+0.27。这样，如图13所示，通过根据例子3的VCSEL50发出的光在相对于半导体衬底11的(0-11)表面90°的偏振方向是稳定的。

(例子4)

参照图2和12描述根据例子4的VCSEL。VCSEL具有780nm的发射波长。图12示出VCSEL的有源层31的带结构。

参照图2，VCSEL包括由在(111)平面方向倾斜15°的n-GaAs衬底形成的半导体衬底11。在半导体衬底11顶上，形成包括50对n-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜的交替层的DBR的下反射镜12。在下反射镜12顶上，由(Al_0.5Ga_0.5)_0.525In_0.475P形成下间隔层13，随后是多量子阱层14。在多量子阱层14顶上，由(Al_0.5Ga_0.5)_0.525In_0.475P形成上间隔层15，在上间隔层15上由AlAs进一步形成可选择的氧化层16。在可选择的氧化层16顶上，由包括30对的p-Al_0.9Ga_0.1As薄膜和n-Al_0.3Ga_0.7As薄膜的交替层的DBR形成上反射镜17。在上反射镜17顶上，由p-GaAs形成接触层18。

各个层具有预定的膜厚度以使得可以获得780nm的发射波长。半导体衬底11的倾斜角可以是2°到20°。

台面结构然后通过所述层的堆叠形成，可选择的氧化层16在水蒸气环境中部分氧化以形成氧化区域32和电流限制区域33。其后，防护薄膜19形成以覆盖台面结构，其后由Au/AuZn形成连接到接触层18的上电极20，由Au/Ni/AuGe在半导体衬底11的后表面上形成下电极21。

下间隔层13和上间隔层15每个相对于半导体衬底11具有-0.05％的应变。

多量子阱层14包括具有5.5nm厚度和相对于半导体衬底11具有+0.71％的应变的Ga_0.7In_0.3P_0.41As_0.59的量子阱层和具有8nm的厚度和相对于半导体衬底11具有-0.6％的应变的阻挡层的交替层。在该堆叠的任一侧上，形成具有8nm厚度和相对于半导体衬底11零应变的Ga_0.516In_0.484P层。

在该VCSEL中，在下间隔层13和上间隔层15中相对于半导体衬底11的应变是-0.05。这样，如图13所示，通过根据例子4的VCSEL50发出的光在关于半导体衬底11中的(0-11)表面180°的偏振方向是稳定的。

尽管已经参照某些实施例和例子详细描述了本发明，但是可以在本发明的权利要求所描述和限定的范围和精神内进行变化和修改。

Claims (11)

1.一种垂直腔表面发射激光器，包括：

半导体衬底；

下反射镜，该下反射镜通过在所述半导体衬底的表面上交替地形成具有不同折射率的半导体薄膜层而形成在所述半导体衬底表面上；

台面结构，该台面结构包括：由半导体材料形成在所述下反射镜上的有源层；形成在所述有源层上的可选择的氧化层，该可选择的氧化层部分氧化从而形成电流限制结构；和上反射镜，该上反射镜通过交替地形成具有不同折射率的半导体薄膜而形成在所述可选择的氧化层上；

下电极，该下电极连接到所述半导体衬底；和

上电极，该上电极连接到所述上反射镜，

当电流在所述上电极和所述下电极之间流动时，所述垂直腔表面发射激光器发射垂直于所述半导体衬底的平面的激光，

其特征在于，

所述半导体衬底表面相对于特定平面倾斜，

所述有源层包括相对于所述衬底具有压缩应变的量子阱层和间隔层，

其中，所述间隔层相对于所述半导体衬底具有压缩应变或拉伸应变，所述间隔层包括偏振控制层，

当所述间隔层相对于所述半导体衬底具有压缩应变时，所述偏振控制层满足以下表达式：

(ea×ta+eb×tb)/(ta+tb)＞0        (1)

当所述间隔层相对于所述半导体衬底具有拉伸应变时，所述偏振控制层满足以下表达式：

(ea×ta+eb×tb)/(ta+tb)＜0        (2)

其中，在表示(1)或(2)中，ea是所述间隔层中的晶格应变，ta是所述间隔层的薄膜厚度，eb是在所述偏振控制层中的晶格应变，tb是所述偏振控制层的薄膜厚度。

2.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述间隔层由Al、Ga和As的一种或多种加入到其中的InP形成。

3.如权利要求1-2中任一项所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述半导体衬底相对于(100)平面倾斜。

4.如权利要求1-2中任一项所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述半导体衬底相对于(010)或者(001)平面倾斜。

5.如权利要求1-2中任一项所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述半导体衬底相对于(111)平面方向倾斜。

6.如权利要求1-2中任一项所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述半导体衬底的倾斜角不超过20°。

7.如权利要求1-2中任一项所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述量子阱层包括单一量子阱层或者包括多个量子阱层和阻挡层的多量子阱层。

8.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中，所述偏振控制层由Al、Ga和As的一种或多种加入到其中的InP形成。

9.一种用于发射激光的垂直腔表面发射激光器阵列装置，其特征在于，在半导体衬底上布置多个根据权利要求1-8中任一项所述的垂直腔表面发射激光器。

10.一种用于通过光束扫描被扫描表面的光学扫描设备，包括：

光源单元；

偏转单元，该偏转单元用以偏转所述光源单元发出的光束；和

扫描光学系统，该扫描光学系统用以将通过所述偏转单元偏转的光束聚焦在所述被扫描表面上，

其特征在于，所述光源单元包括如权利要求9所述的垂直腔表面发射激光器阵列装置。

11.一种用于在介质上形成图像的成像设备，包括用于承载待形成在所述介质上的图像的图像载体，和用于根据待形成在所述介质上的图像的图像信息通过光扫描所述图像载体的光学扫描设备，

其特征在于，所述光学扫描设备包括如权利要求10所示的光学扫描设备。

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