CN101621180A - 红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备 - Google Patents

红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备。红色表面发射激光器元件包括：第一反射器；包括p型半导体多层膜的第二反射器；在第一反射器和第二反射器之间的活性层；在活性层和第二反射器之间的P型半导体间隔层，该p型半导体间隔层具有大于等于100nm且小于等于350nm的厚度；以及在所述p型半导体间隔层和所述活性层之间的另一个间隔层，所述另一个间隔层是杂质浓度比所述p型半导体间隔层低的半导体层。

Description

红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备
本申请是2008年2月14日递交的、申请号为200810005655.2的发明专利申请“红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备”的分案申请。
技术领域
本发明涉及红色表面发射激光器元件、以及含有该红色表面发射激光器元件的图像形成装置和图像显示设备。
背景技术
A.红色表面发射激光器元件的有用性
表面发射激光器元件(尤其是，垂直腔型的表面发射激光器被称为垂直腔表面发射激光器(VCSEL))可以沿与半导体基底的表面方向垂直的方向输出光，且可以相对容易地形成为二维阵列。
当该元件被形成为二维阵列时，利用从中发射的多个激光束实现并行处理。因此，将该二维阵列技术应用于各种工业使用有望实现更高的密度和更高的速度。
例如，可以将表面发射激光器阵列用作电子照相打印机的曝光光源，从而可以通过使用多个束的打印步骤的并行处理来提高打印速率。
当前实际使用的表面发射激光器是输出红外范围(波长λ＝0.75μm～1μm)内的激光束的元件。如果将振荡波长进一步缩短，则射束直径可以被进一步缩小并可以获得具有更高分辨率的图像。
红色表面发射激光器元件输出具有比红外范围内的波长短的波长(大约0.6μm～大约0.73μm)的光。此外，在该波长，可用于电子照相打印机的感光鼓的非晶硅的敏感度非常高。
因此，现在期望将红色表面发射激光器实际应用在由非晶硅构成的感光鼓中，以实现更高速度、更高分辨率的图像打印。
通过缩短波长来提高分辨率和多束并行处理相结合所带来的效果是相当大的。这种结合有望在不同领域有所贡献，包括电子照相打印机和诸如激光显示器的图像显示设备等领域。
B.红色表面发射激光器的基本结构
为了产生具有红色区域内波长的光，典型地使用半导体材料AlGaInP。该材料的晶格与构成沉积基底的材料GaAs的晶格相匹配，且能隙能量可以通过改变铝和镓的成分比例来控制。
为了产生激光振荡，必须将阈值电流或更高的电流注入激光器元件。电流注入允许例如电子或空穴的载流子被注入活性层，且载流子因经受辐射复合被最终转换为光。
C.相关技术的具体例子
通过在由一种不同的半导体材料AlGaAs构成的多层反射器之间插入包括AlGaInP活性层的共振器区来形成红色表面发射激光器。晶格与活性层和多层反射器的晶格相匹配的GaAs基底被用作基底。
Sandia国家实验室的Crawford领导的小组在1995年公开了1波长共振器结构的元件结构(见M.H.Crawford等人，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，Vol.7，No.7(1995)，724，下文中称为“Crawford文献”)。
这种1波长共振器结构在输出红外发射的表面发射激光器中具有最广泛使用的腔长度。在红色表面发射激光器中，该1波长腔长度在层厚度方面(在波长是680nm的情况下)大约是200nm。
尤其是，具有厚度为40nm～50nm的多量子阱结构的活性层被设置在1波长腔长度的中央区域中。分别用作间隔层并具有80nm或更小厚度的P型AlGaInP层和n型AlGaInP层被设置在活性层的两侧。
在一些情况下，无掺杂间隔层被设置在活性层和掺杂p型(或n型)间隔层之间。在这样的情况下，p型(或n型)AlGaInP间隔层的厚度大约是50nm。
在Crawford文献中，p型或n型AlGaInP层的厚度大约是50nm。
Crawford文献还教导：从具有15μmφ氧化物孔径的元件中，在675nm模式的最大光输出功率是2.8mW(20℃)。
发明内容
在将红色表面发射激光器元件作为电子照相光源使用时，需要高温下的高性能特征。
然而，Crawford文献公开了根据其元件结构，如果环境温度从20℃上升到40℃，则最大光输出功率显著下降。尤其是，在675nm模式下，最大光输出功率下降到大约1.0mW(降至40％以下的输出下降)。
本发明人发现：当增加注入电流的量来增强输出操作时，元件内的温度随着增加的电流注入而升高到20℃或更高，尽管环境温度是20℃。在这种情况下，光输出功率不增加，而可能随着电流注入量的增加而降低。因此，最大光输出功率受到限制。
据认为，因为对发射没有贡献的漏电流随着温度升高显著增加，所以发生光输出功率的这种降低。
需要一种可以减少漏电流量的新型红色表面发射激光器元件以及包含这种红色表面发射激光器元件的图像形成装置或图像显示设备。
本发明的第一方面提供了一种红色表面发射激光器元件，其包括：第一反射器、包括p型半导体多层膜的第二反射器、在第一反射器和第二反射器之间的活性层、在活性层和第二反射器之间的p型半导体间隔层，其中p型半导体间隔层具有大于等于100nm且小于等于350nm的厚度，以及在所述p型半导体间隔层和所述活性层之间的另一个间隔层，所述另一个间隔层是杂质浓度比所述p型半导体间隔层低的半导体层。
本发明的第二方面提供一种红色表面发射激光器元件，其包括第一反射器、包括p型AlGaAs半导体多层膜的第二反射器、在第一反射器和第二反射器之间的活性层、以及在活性层和第二反射器之间的具有大于等于100nm且小于等于350nm的厚度的p型AlInP半导体间隔层或p型AlGaInP半导体间隔层。
本发明的第三方面提供一种红色表面发射激光器元件，其包括第一反射器、包括p型半导体多层膜的第二反射器、在第一反射器和第二反射器之间的活性层、以及在活性层和第二反射器之间的p型半导体间隔层。在该红色表面发射激光器元件中，在X点的p型半导体多层膜的传导带边沿比在X点的p型半导体间隔层的传导带边沿低，且p型半导体间隔层的厚度是大于等于100nm且小于等于350nm。
还提供了图像形成装置和图像显示设备。每个都包括上述红色表面发射激光器元件中的任何一个以及用于偏转从该激光器元件输出的激光束以进行扫描的偏转器。
提供了一种减少漏电流的新颖的红色表面发射激光器元件以及包括该红色表面发射激光器元件的图像形成装置和图像显示设备。
根据下面参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出红色表面发射激光器的活性层、p型半导体间隔层和p型半导体多层膜区域的带边沿的带阶(lineups)的能带图。
图2A示出标准化的漏电流和p型半导体间隔层的厚度之间的关系，图2B示出共振器内的光学损耗和p型半导体间隔层的厚度之间的关系。
图3是示出根据第一实施例的红色表面发射激光器的层结构的示意性横截面图。
图4是示出例子1的共振器结构的示意性横截面图。
图5是例子1的激光器元件的示意性横截面图。
图6是从Schneider文献引用的能带图。
图7是示出例子2的红色表面发射激光器的层结构的示意性横截面图。
图8是示出例子2的共振器结构的示意性横截面图。
图9A和图9B是图像形成装置的示意图。
图10是示出例子4的共振器结构的示意性横截面图。
图11是图像显示设备的示意图。
图12是示出例子5的元件的温度特性的曲线图。
具体实施方式
如上所述，具有Crawford文献中所述结构的红色表面发射激光器元件在高温下性能特征显著劣化。
本发明人假设其原因是热引起的漏电流量的快速增加以及这种漏电流量的快速增加导致的发光效率的剧烈下降。
图6是在与Crawford文献相似的有关红色VCSEL的R.P.Schneider等人，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，Vol.6，No.3(1994)313(下文中称为“Schneider文献”)中所述的能带图。
具体地，图6示出活性层、AlInP间隔层(间隔层有时被称为包覆层)以及由用作反射器的半导体多层膜(AlAs/Al0.5Ga0.5As多层膜)构成的分布式Bragg反射器(DBR)区域的能带图。DBR被用作共振器的反射器。
图6示出DBR区域的组成成分的传导带边沿(图6中的CB侧)比构成间隔层的AlInP的带边沿高。
换句话说，该图示出溢出活性层和AlInP间隔层之间的异质势垒的电子很少越过AlInP层的厚度扩散。
另一方面，在Crawford文献中公开的元件结构包括：活性层、与活性层相邻的p型Al0.25Ga0.25In0.5P间隔层以及多层膜反射器，该多层膜反射器包括34对层，其中每一对包括大约50nm厚度的p型AlAs层和大约50nm厚度的p型Al0.5Ga0.5As层。
在这种情况下，等于p型AlInP间隔层和p型DBR层的总厚度的p型层的厚度大于等于3μm。
如上所述，在具有比p型间隔层高的传导带边沿的p型DBR区域足够厚的情况下，从n型半导体层向活性层注入的电子将溢出到与活性层相邻的p型间隔层从而引起漏电流的可能性特别小。
这意味着，在间隔层中，从活性层溢出的电子的浓度梯度比没有设置p型DBR区域的情况下更和缓。
与泄漏相关的扩散电流的大小取决于电子浓度梯度。因此，图6中示出的能带图示出电子穿越间隔层产生的漏电流的扩散电流分量的量应当显著地小。
然而，如上所述，红色表面发射激光器元件具有不良的温度特性。
在红色表面发射激光器元件中，被插入上、下多层膜反射器之间的共振器区域通常由AlGaInP构成，而多层膜反射器通常由AlGaAs构成。换句话说，共振器区域由与多层膜反射器区域不同的材料构成。
在红色表面发射激光器元件中，p型半导体间隔层(例如，p型AlGaInP间隔层)和p型DBR区域(例如，AlGaAs层)被提供作为p型层。该独特的结构在全部层都由基于AlGaAs的材料构成的红外表面发射激光器中没有找到。
换句话说，为了分析对包括由相同传导类型的不同材料组成的多层结构的装置中的漏电流的影响，有必要详细分析传导带边沿的位置，它是影响电子的电势。
因此，通过同时考虑下面两个与红色表面发射激光器元件的p型间隔层和p型DBR区域的组成层相关的因素来研究电子的电势：
(1)因为这些p型层掺杂有p型杂质，所以每层的费米能级(Fermi level)基本位于价带的带边沿；以及
(2)用作p型半导体间隔层的AlxGa1-xIn0.5P(0.25≤x≤0.55，尤其是范围0.35≤x≤0.5)和构成DBR区域的AlyGa1-yAs(0.4≤y≤1)不是直接跃迁半导体而是间接跃迁半导体，且传导带中的带边沿不是Γ点而是X点。这里应该指出：Γ点是传导带边沿的底部被认为位于直接跃迁半导体中的区域。
基于点(1)和(2)，电子电势，即传导带中的X点的带边沿带阶(Lineup)示为图1中示出的实线1010。在图1中，横轴表示元件的厚度，纵轴表示相对于GaAs的带偏移。正侧区域是传导带侧，负侧区域是价带侧。
在图1中，1050表示p型半导体间隔层，1060表示p型DBR区域中的一对层(实际元件中设置有多对)。在图1中，示出了当p型半导体间隔层1050由p型Al0.35Ga0.15In0.5P构成且p型DBR区域1060包括p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.5Ga0.5As层作为一对时的带结构。
出于比较的目的，曲线图中包括了位于Γ点的传导带的带边沿1020、价带的带边沿的带阶1090以及准费米能级1092和1093。为简单起见，图1中没有示出由带边沿能量不连续引起的尖峰、下凹等。因为研究的是p型层，所以掺杂有p型杂质的层的带阶被确定为使得价带附近的费米能级相同。
在构成p型DBR区域1060(p型半导体多层膜区域)的Al0.9Ga0.1As中，位于X点的带边沿(图1中的1010)显著低于位于Γ点的带边沿(图1中的1020)。具体地，与p型AlGaInP间隔层相邻的p型Al0.9Ga0.1As的传导带的带边沿电势下降了大约200meV。
换句话说，可以建立与Schneider文献中公开的能带图(图6)不同的能带图。
基于上述新建的能带图，漏电流可以再次如下被研究。
电子穿过异质间隙，即活性层1070和p型半导体间隔层1050的带边沿之间的差，并出现在p型半导体间隔层1050中。这样的电子的浓度实际受到位于Al0.9Ga0.1As的传导带边沿的电势降的影响，Al0.9Ga0.1As是相邻的p型DBR区域1060的组成成分。视需要提供图1中的非掺杂势垒层1075。
因此认为p型半导体间隔层1050和p型Al0.9Ga0.1As 1061之间的分界面附近的几乎全部电子都落到p型Al0.9Ga0.1As侧，且分界面附近缺少与p型半导体间隔层内的电子具有相同能量的电子。
换句话说，p型半导体间隔层1050中的电子浓度梯度极大，且扩散电流分量可以表现出很大的值。
因此，p型DBR区域1060对于穿过p型半导体间隔层1050泄漏的载流子电子实际上没有起到阻碍的作用。
换句话说，有助于抑制穿过p型半导体间隔层的漏电流的p型层的有效厚度不是间隔层和p型BDR区域的总厚度，而只是p型半导体间隔层的厚度。
为了基于该新发现研究漏电流，用下面的公式(公式1)计算漏电流。
由下面的公式，基于从活性层泄漏到p型半导体间隔层的电子的扩散分量和漂移分量，给出漏电流密度(Jleak)(参见D.Bour等人，Journal of Quantum Electronics，Vol.29，No.5(1993)1337)：
公式(1)
J leak = q D n · 2 ( 2 πm n kT h 2 ) 3 / 2 [ exp ( - ΔE / kT ) ] ( 1 L n 2 + 1 4 Z 2 coth 1 L n 2 + 1 4 Z 2 x p + 1 2 Z )
z = kT q · σ p J total . . . ( 1 )
其中，q是电荷量，Dn是电子的扩散常数，mn是电子的有效质量，k是Boltzmann常数，h是普朗克常数，T是温度，ΔE是异质势垒，Ln是电子的扩散长度，Z是有效场长度，σp是p型间隔层的传导率，Jtotal是总注入电流密度，xp是p型包覆层的厚度。
图2A示出用上面的公式(1)计算的标准化的漏电流(实线2091)。横轴代表p型半导体间隔层的厚度，纵轴代表标准化的漏电流。假设间隔层由AlGaInP(例如，Al0.5In0.5P或Al0.35Ga0.25In0.5P)构成。
曲线图清楚地示出漏电流(尤其是扩散电流分量)在p型半导体间隔层的厚度是大约80nm或更小的区域中急剧增加。可以设想，在该区域中，发光效率低，高温性能特性差，全功率工作困难。
在Crawford文献中公开的p型半导体间隔层的厚度是“50nm”。上述发现显示：利用该厚度所获得的结构不利于抑制漏电流。
换句话说，尽管在红色表面发射激光器中典型使用的p型AlGaInP间隔层的厚度是50nm，但是我们的发现表明：必须增加p型间隔层的厚度来实现增强的高温性能特性。
第一实施例(红色表面发射激光器元件)
现在将参考图3说明根据第一实施例的包括多层膜的红色表面发射激光器元件。
激光器元件3000包括：第一反射器302、包括p型半导体多层膜的第二反射器308、以及插在第一反射器302和第二反射器308之间的活性层305。激光器元件3000还包括活性层305和第二反射器308之间的、具有大于等于100nm且小于等于350nm的厚度的p型半导体间隔层307。
现在说明使p型半导体间隔层的厚度为大于等于100nm且小于等于350nm的理由。注意，“厚度”意思是沿堆叠方向的长度。
图2A中的虚线2095被画出以得到：在标准化的漏电流显著增大的区域中标准化的漏电流相对于p型半导体间隔层的厚度的改变程度(倾斜度)。
该曲线图示出：p型半导体间隔层307的厚度应该在倾斜度特别大的区域2591之外，且应该大于等于100nm，因为取决于构成间隔层的材料的成分比例可能存在轻微改变。
相反，虚线2096被画出以得到：在标准化的漏电流发生非常缓和的改变的区域2592中标准化的漏电流相对于p型半导体间隔层307的厚度的改变程度(倾斜度)。虚线2096清楚地示出在p型间隔层的厚度超过350nm的区域中间隔层厚度的改变不明显影响漏电流。
现在参考图2B，实线2091示出共振器内的损耗相对于p型间隔层的厚度发生变化的关系曲线。在该曲线图中，不考虑由反射器引起的反射损耗，只考虑由p型间隔层和p型DBR层中自由载流子的吸收引起的损耗并在整个腔长度上分配该损耗。图2B清楚地示出共振器内的损耗随着p型间隔层的厚度增加。考虑这种情况，间隔层的厚度可以尽可能地小。该曲线图示出即使在p型半导体间隔层的厚度是350nm时，共振器内的损耗增加也是小于等于20％(假设共振器内的损耗在350nm时为12.5cm-1且在50nm时为10.5cm-1而计算的)。
因此，p型半导体间隔层的厚度可以是大于等于100nm且小于等于350nm。
在上面有关p型半导体间隔层的说明中，省略了具体成分比例的说明。
应该指出：在图2A中，基于公式(1)中的以下部分来计算标准化的漏电流，同时假设公式(1)的其余部分相同：
J leak ∝ ( 1 L n 2 + 1 4 Z 2 coth 1 L n 2 + 1 4 Z 2 x p + 1 2 Z )
z = kT q · σ p J total
在计算中，p型层的厚度取为p型AlGaInP间隔层的厚度(xp＝40～700nm)。此外，p型杂质的掺杂水平取为1×1018cm-3，电子的扩散长度取为1μm，且总注入电流密度Jtotal取为3kA/cm2。为了相对于间隔层标准化漏电流，在计算中不考虑温度T的值。关于内部光吸收，计算包括多层膜反射器(p型DBR区域)的整个元件的自由载流子吸收。
现在详细说明p型半导体间隔层和p型半导体多层膜(p型DBR区域)。
选择材料，使得在X点的p型半导体间隔层307的传导带边沿比构成p型DBR区域(图1中的1060和图3中的308)的重复单位的两层中在X点具有较高传导带边沿的一层的带边沿更高。换句话说，选择材料，使得p型DBR区域中位于X点的传导带边沿比p型半导体间隔层的传导带边沿低。
P型半导体间隔层307可以由含有铝、铟和磷的层来构建。
当p型半导体间隔层307的成分是AlxGayIn1-x-yP时，x和y的范围可以如下。
首先，为了实现AlxGayIn1-x-yP和GaAs之间的晶格匹配，铟的比例(成分公式中的“1-x-y”)可以是0.45～0.55，特别是0.48～0.50。
换句话说，0.45≤x+y≤0.55，特别是0.50≤x+y≤0.52。
典型地，活性层内的势垒层由Al0.2Ga0.3In0.5P构成。为了获得活性层和p型半导体间隔之间的异质势垒，铝的比例(x)可以大于等于0.25、大于等于0.30或大于等于0.35。成分中铝的比例的上限是小于等于0.55，且可以是小于等于0.52以实现晶格匹配。
镓的比例可以是0。因此，p型半导体间隔层的成分的一个例子是AlxGayIn1-x-yP(其中，x和y满足前述关系，0.45≤x+y≤0.55，0.25≤x≤0.55且0≤y≤0.30)。
可选地，p型半导体间隔层的成分可以是AlxGayIn1-x-yP(其中，0.50≤x+y≤0.52，0.35≤x≤0.52且0≤y≤0.17)。
这里应该指出：成分可以含有其它杂质等，只要材料可以被外延地沉积。
当铟的比例是0.5，即当采用p型AlzGa1-zIn0.5P间隔层时，例如，z可以被适当地确定在0.35≤z≤0.5的范围中。当z在该范围中时，可以容易地形成具有相对高的结晶度的间隔层，且可以增大活性层和间隔层之间的带偏移。
P型半导体间隔层307可以采用多量子势垒(MQB)结构。
在构成第二反射器308的重复单位的两层中，具有较高传导带边沿的一层(当两层都由AlGaAs组成时，具有较大铝比例的一个)可以具有成分AlxGa1-xAs(0.70≤x≤1.0，特别是0.8≤x≤1.0)。
构成第二反射器308的p型半导体多层膜包括多个堆叠的重复单位，每个重复单位包括具有不同折射率的第一层和第二层。第一和第二层中的至少一个可以包含铝、镓和砷，如上所述。
构成该重复单位的两层中，具有较低传导带边沿的层的成分可以是AlxGa1-xAs(0.40≤x≤0.70，特别是0.45≤x≤0.60)。在成分中，x被设为大于等于0.4，使得从活性层发射的光的波长不被吸收，且相对于构成DBR的其它层可以达到足够的反射率，但这可能取决于来自活性层的发射波长。例如，当层的成分是AlxGa1-xAs时，x＝0.5。
在图1中，构成第二反射器308(p型半导体多层膜)的层中，具有位于X点的较高的传导带边沿的一层被示出与p型半导体间隔层1050相邻。然而，该布置不是必要的。例如，在构成DBR区域的层中，具有位于X点的较低传导带边沿的一层可以与p型半导体间隔层1050相邻。
(a)共振器的结构
为了获得具有上述厚度的p型半导体间隔层，希望腔长度大于1波长。例如，可以采用大于等于1.5波长的腔长度。
P型半导体间隔层(图1中的1050和图3中的307)可以是具有大于等于100nm且小于等于350nm，特别是大于等于150nm且小于等于300nm厚度的p型AlGaInP间隔层。
腔长度的例子是1.5波长和2波长。为了获得这种腔长度，可以增加p型半导体间隔层的厚度，使得腔长度增加0.5波长增量。因为0.5波长与大约100nm相对应，所以当与具有大约60nm厚度的普通p型AlGaInP层结合时，厚度是160nm(在加上了0.5波长的情况下)和260nm(在加上了1波长的情况下)。因此，p型半导体间隔层的厚度可以具体地是大于等于150nm且小于等于300nm，从而包括加上了0.5波长的情况和加上了1波长的情况。
关于本实施例的共振器结构，腔长度可以是大于等于1.5波长，腔长度的上限是小于等于4波长，优选地小于等于3.5波长，更优选的是小于等于2.5波长。“腔长度”是第一和第二反射器之间的区域沿堆叠方向的厚度。
现在参考图3，位于活性层305基底301侧的n型半导体间隔层303就载流子溢出而言不是必要的，可以根据需要设置。
因为进入n型半导体间隔层303(例如，AlGaInP)的空穴漏电流足够小，所以n型半导体间隔层303的厚度可以是大约40nm～80nm。
换句话说，本发明的共振器包括：活性层305、p型半导体间隔层307以及n型半导体间隔层303。共振器可以具有不对称结构，其中活性层305不位于腔长度方向的中央。
具体地，p型半导体间隔层307的厚度可以大于n型半导体间隔层303的厚度。注意，“不对称结构”是指p型半导体间隔层307比n型半导体间隔层303厚，且活性层305不设置在共振器的中央的结构。可以设计元件结构，使得活性层的中央与该元件内的光强度的驻波(下文中也称为“内部光强度驻波”)的波腹(anti-node)对齐。
参考图3，与活性层305相邻的层304和306是可以视需要提供的非掺杂间隔层(具有比p型和n型半导体间隔层307和303低的低杂质浓度的间隔层)。层304和306在本实施例中不是必需的，而可以被形成为用于阻碍从p型半导体间隔层307和n型半导体间隔层303到活性层305的杂质扩散的势垒层(阻挡层)。层304和306的厚度可以是大于等于10nm且小于等于50nm，特别是大于等于20nm和小于等于40nm。
在基于AlGaInP的半导体激光器中，可以在活性层中采用GaInP量子阱结构以实现红光的发射。P型半导体间隔层307的例子包括Al0.35Ga0.15In0.5P层和Al0.5In0.5P层。
现在用特定材料描述本实施例的红色表面发射激光器的各层的结构。
例如，具有大约170nm厚度的AlxGa0.5-xIn0.5P层(0.2≤x≤0.5)可以被用作p型半导体间隔层307。因为具有大的有效质量的空穴很少穿越由AlxGa0.5-xIn0.5P(0.2≤x≤0.5)构成的n型半导体间隔层303并贡献于漏电流，所以n型AlGaInP层的厚度可以照常约为例如50nm。
活性层305被设计为具有表面发射激光器中常用的多量子阱结构，且其厚度是大约40nm～大约50nm。因此，共振器的腔长度整个应该被设计为至少1.5波长。
因为活性层305与内部光强度驻波的波腹对齐，所以活性层305不设置在1.5波长腔长度的中央。因此，共振器的结构具有不对称结构，代替了通常1波长共振器常用的对称结构。
在一些情况下，对称结构是有利的：活性层的位置可以容易地与内部光强度驻波的波腹对齐，同时在晶体生长期间将谐振波长调整到所需的值。因此，将n型AlGaInP间隔层的厚度增加到与p型AlGaInP层的厚度相同。例如，可以将n型AlGaInP间隔层的厚度调整到大约170nm，从而可以形成具有对称结构的共振器。在这种情况下，根据上述例子，腔长度是2波长。由于n型间隔层中的自由载流子的吸收比p型层中小，所以厚的n型层的光吸收问题不像p型层中那么严重。
其结果是，可以提供减少了漏电流且光吸收不随间隔层厚度的增加而显著增大的新型红色表面发射激光器元件。
(b)其它结构
在图3中，示出了基底301(例如，GaAs基底)，但其可以根据需要省略。例如，由GaAs和其它适当材料构成的基底可以用来在上面沉积多层膜，然后将其去除。可选地，可以将多层膜转移到另一种基底，例如硅基底、绝缘体上硅(SOI)基底、锗基底、塑料基底或诸如玻璃基底的透明基底。为了增强散热，可以将发光元件转移到硅基底或SOI基底上。在转移膜时，可以使用抛光技术或研磨技术来去除沉积基底。可选地，可以在沉积基底上形成牺牲层，然后可以在该牺牲层上形成构成元件的各层以便于膜的转移。
第二反射器308(p型半导体多层膜)可以包含铝和砷。第二反射器308包括多个单位，每个单位包括具有不同反射率的第一层和第二层。第一和第二层中的至少一层可以是含有铝、镓和砷的层。
第二反射器308的材料不限于AlAs和AlGaAs，且可以是任何具有与GaAs的晶格匹配的晶格的半导体材料。
第一反射器302可以是n型半导体多层膜。n型AlGaInP间隔层(图3中的303)可以被设置在第一反射器302和活性层305之间。
第一反射器302不一定是n型DBR，只要电流可以被注入到激光器元件3000。如果可采用键合(bonding)技术，则可以将光子晶体(photonic crystal)用作反射器代替半导体多层膜。
在图3中，间隔层304和306被设置在活性层305和p型及n型间隔层303和307之间，但可以根据需要省略。在图3中，第一反射器302(n型DBR区域)被设置在基底301侧，且第二反射器308(p型DBR区域)被设置在活性层上。然而，该布置可以颠倒。例如，p型DBR区域或p型间隔层可以被布置在活性层和基底之间。
活性层305的结构的例子是包括GaInP层和AlGaInP层的量子阱活性层。在本实施例中，该结构可以是任何可以输出红光(具有0.6μm～0.73μm，特别是0.63μm～0.72μm波长的光)的结构。例如，可以采用具有双异质结构或量子点结构的活性层，且AlGaInPN和其它合适的材料可以被用作活性层。可选地，如下面参考图8和图10所述，可以使用多个活性层。例如，如图8中所示，可以使用两个或更多的活性层。
如上所述，共振器包括活性层305、p型半导体间隔层307以及n型半导体间隔层303，且可以采用活性层不布置在腔长度方向的中央的不对称结构。
P型AlGaInP半导体间隔层307的厚度可以大于n型AlGaInP半导体间隔层303的厚度。
在本实施例中，可以设计DBR区域中的各层的厚度以形成垂直腔表面发射激光器；然而，发射不需要完全垂直，只要可以表面发射就行。
本实施例适用于需要实现1mW或更高输出的激光器元件。具体地，当应用于呈现光输出功率的单横模激光器元件时，本实施例是有效的。
第二实施例
如第一实施例一样，现在参考图3说明根据本发明的第二实施例的包括多层膜的红色表面发射激光器元件。
该元件包括：第一反射器302、包括p型AlGaAs半导体多层膜的第二反射器308以及插在第一反射器302和第二反射器308之间的活性层305。该元件还包括活性层305和第二反射器308之间的、具有大于等于100nm且小于等于350nm的厚度的p型AlInP或AlGaInP半导体间隔层307。
P型半导体间隔层可以包含AlInP和AlGaInP二者，只要p型半导体间隔层的整体厚度在上述范围之内。
该结构提供了减小漏电流的新型红色表面发射激光器元件。
注意，符号“AlGaAs”和“AlGaInP”表示前一层含有铝、镓和砷而后一层含有铝、镓、铟和磷。成分比例不具体限制，只要各层可以外延生长并实现红光发射。第一实施例中的说明可以应用到第二实施例的激光器元件，只要没有矛盾。
第三实施例
如在上述实施例中一样，现在参考图3说明根据第三实施例的包括多层膜的红色表面发射激光器元件。
该元件包括：第一反射器302、包括p型半导体多层膜的第二反射器308、插在第一反射器302和第二反射器308之间的活性层305、以及活性层305和第二反射器308之间的p型半导体间隔层307。
如参考图1所述，在X点的p型半导体多层膜的传导带边沿比p型半导体间隔层307的低，且p型半导体间隔层307沿堆叠方向的厚度是大于等于100nm且小于等于350nm。
尽管由于包括p型半导体多层膜的第二反射器308的存在，漏电流不能充分地降低，但可以通过将p型半导体间隔层307的厚度调整到大于等于100nm且小于等于350nm来减小漏电流(见图2A)。
第一实施例中的说明可以应用到第三实施例的激光器元件，只要没有矛盾。
第四实施例(图像形成装置和图像显示设备)
第一到第三实施例中描述的红色表面发射激光器元件可以例如应用到图像形成装置或图像显示设备。
当该元件被应用到图像形成装置时，如图9A和图9B中所示，图像形成装置包括：红色表面发射激光器元件914和用于反射从激光器元件输出的激光束以便进行扫描的光偏转器910。光偏转器910可以具有任何可以反射激光束并扫描反射方向的结构。
光偏转器910的例子包括：多面反射镜(multi-faceted mirror)、多角反射镜(polygonal mirror)以及通过使用微机电系统(MEMS)振动由硅等构成的薄板而形成的反射器。
如果该装置是电子照相装置，则设置用于用光偏转器910偏转的光束形成静电潜像的鼓形感光构件900、充电器902、显影器904以及定影器908。下面通过例子说明电子照相装置的细节。
红色表面发射激光器元件可以与偏转器和其它相关组件结合使用，从而形成例如显示器的图像显示设备。
可选择地，可以将很多红色表面发射激光器元件排列为阵列，从而可以形成多束图像形成装置。
例子
例子1
现在说明例子1。图3是例子1的红色表面发射激光器元件的层结构的示意性横截面图。
例子1的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)包括：n型GaAs基底301、n型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器302、n型Al0.35Ga0.15In0.5P间隔层303、非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304、Ga0.56In0.44P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱活性层305、非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层306、p型Al0.5In0.5P间隔层307、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器308以及p型GaAs接触层309。从而形成了发射波长为680nm的光的红色表面发射激光器元件。
首先，说明n型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器302和p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器308。将Al0.9Ga0.1As层和Al0.5Ga0.5As层的每一个形成为具有四分之一波长的光学厚度。
在实际元件中，在Al0.9Ga0.1As层和Al0.5Ga0.5As层之间设置厚度大约20nm的合成梯度层，以降低电阻。
在这种情况下，包括复合梯度层的厚度在内的总厚度被设计为四分之一波长的光学厚度。为了允许电流流动，用例如碳或锌的、用作受主的杂质掺杂p型多层膜反射器308。用例如硅或硒的、用作施主的杂质掺杂n型多层膜反射器302。为了尽可能多地减少多层膜反射器内的光吸收，可以进行被调制的掺杂，使得多层膜反射器内的光强度驻波的波腹处的掺杂水平低且波节处的掺杂水平高。
在本例中，光从外延层表面，即p型层侧输出。因此，将p型多层膜反射器308设计为包括大约36个重复对，以形成呈现最佳光输出效率的反射器。因为光不从n型层侧输出，所以将n型多层膜反射器302设计为包括大约60个重复对，以尽可能多地增大反射率来降低阈值电流。
在p型多层膜反射器308中，可以将具有大约30nm厚度的Al0.98Ga0.02As层插入在从活性层开始的1～3对的位置，且Al0.98Ga0.02As层可被选择性地氧化以形成电流限制结构。
现在说明制作共振器的工艺。
因为p型Al0.5In0.5P间隔层307的厚度被设置为大于等于100nm且小于等于350nm，如图4中所示，腔长度为1.5波长，代替通常采用的1波长。
因为发射波长是680nm，所以1.5波长给出了1020nm的光学厚度。构成共振器的层全部由AlGaInP构成。然而，具有不同成分比例的AlGaInP材料被用于活性层、势垒层、间隔层和其它层。因此，每层的厚度应该基于折射率来确定，使得腔长度是1.5波长。
为了使光和载流子之间的相互作用最大，应该将活性层布置在驻波的波腹403。换句话说，将活性层305布置在从一端开始的1020nm的三分之一的位置，并将n型层布置在较小的区域(图4中活性层305的左侧)并将p型层布置在较大的区域(图4中活性层305的右侧)。
下面在考虑上述条件的同时，详细说明实际的例子。
活性层305包括4个6nm的GaInP量子阱和3个6nm的Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层。活性层305的实际厚度是42nm。
因为GaInP层和Al0.25Ga0.25In0.5P层在680nm发射波长的折射率分别是3.56和3.37，所以活性层的光学厚度是146nm。
活性层区域的光学厚度的一半(73nm)、非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304的光学厚度以及n型Al0.35Ga0.15In0.5P间隔层303的光学厚度的总和需要是340nm，即1020nm的三分之一。
因此，将非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304形成为具有20nm的厚度，并将n型Al0.35Ga0.15In0.5P间隔层303形成为具有60.5nm的厚度。因为层304和303的折射率分别是3.37和3.30，所以这两个层的总光学厚度是267nm。
换句话说，等于活性层305的光学厚度的一半的73nm和267nm的总和是340nm，且如图4中所示，活性层305的中央与驻波的波腹403对齐。
对于p型层侧，活性层305的光学厚度的一半(73nm)和非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层306及p型Al0.5In0.5P间隔层307的光学厚度的总和需要是余数，即680nm。
尽管在n型层侧使用Al0.35Ga0.15In0.5P层，但在p型层侧使用Al0.5In0.5P层以尽可能多地增加异质势垒，且掺杂高达约1×1018cm-3。锌或镁可以用作掺杂物。
将势垒层306形成为具有20nm的厚度，将p型Al0.5In0.5P间隔层307形成为具有167.6nm的厚度。因为层306和层307的折射率分别是3.37和3.22，所以这两个层的总光学厚度是607nm。607nm和活性层305的光学厚度的一半，即73nm的总和是680nm。
如上所述，包括非掺杂势垒层的n型层、活性层和包括非掺杂势垒层的p型层的光学厚度分别是267nm、146nm和607nm(总和：1020nm)。该总和对应于1.5波长共振器的光学厚度。
p型层的厚度是167.6nm，在大于等于100nm且小于等于350nm的范围之内。
在共振器两侧形成多层膜反射器。布置n侧和p侧多层膜反射器，使得共振器和多层膜反射器之间的分界面与驻波的波腹对齐。
更具体地说，低折射率材料即Al0.9Ga0.1As层402与共振器接触，高折射率材料Al0.5Ga0.5As层401被布置为与Al0.9Ga0.1As层402相邻。重复提供所需数量的层401和层402的层对(p侧36对且n侧60对)。
在实际装置制造中，用晶体生长技术形成具有上述厚度的层的晶片。
例如，用有机金属化学汽相沉积系统或分子束外延系统形成各层。在形成了晶片后，用常规半导体工艺形成图5中示出的激光器元件5000。注意，在图5中，与参考图3描述的层具有相同功能的层用相同的附图标记表示。
通过光刻和半导体蚀刻形成柱，并通过选择性氧化形成电流细化(refining)层502。随后，绝缘膜503被形成并被部分去除以使部分p型GaAs接触层309暴露用于接触，且形成p侧电极504。最终，在晶片后表面形成n侧电极501以结束元件的制造。
如上制造的元件可以实现高温操作和全功率操作，并扩展红色表面发射激光器元件的应用范围。
上面的描述提供了制造一个元件的工艺。
在将多个元件制成阵列时，例如，在将32个元件排列为间隔50μm的4×8阵列时，从初始阶段使用具有目标元件排列的光掩模。然后，可以利用用于制作元件的相同工艺通过使用与上面相同的磊晶(epiwafer)来同时形成被排列为阵列的多个元件。换句话说，可以通过使用具有目标图案的掩模来容易地获得红色表面发射激光器阵列。
注意，通过使用n型GaAs基底形成了上述元件，且p型层被布置在上部。可选地，可以使用p型GaAs基底来形成元件，使得该元件在上部包括n型层。
例子2
现在说明例子2。图7是例子2的红色表面发射激光器元件7000的层结构的示意性横截面图。
本例子的VCSEL结构包括n型GaAs基底301、n型AlAs/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器701、n型Al0.35Ga0.15In0.5P间隔层303、非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304、第一Ga0.56In0.44P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱活性层702、Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703、第二Ga0.56In0.44P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱活性层704、非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层306、p型Al0.35Ga0.15In0.5P间隔层705、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器308以及p型GaAs接触层309。制出了发射具有680nm波长的光的红色表面发射激光器。
n型多层膜反射器701由AlAS而不是Al0.9Ga0.1As构成。这是因为AlAs具有小的热阻且可以降低元件整体的热阻。
p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多层膜反射器308与例子1(图3)中的相同。
如图7所示，在本例中，采用了包括两个多量子阱结构的周期性增益结构。该结构增大光限制比例和模增益，并可以容易地获得高发射输出。
除了采用上述周期性增益结构外，将腔长度设置为2.5波长，以使得p型AlGaInP层的厚度处大于等于100nm且小于等于350nm的范围内，如图8所示。
现在参考图8说明共振器的层结构。
因为谐振波长是680nm且腔长度是2.5波长，所以光学厚度是1700nm。
共振器中的层全部由AlGaInP构成。然而，因为具有不同成分比例的AlGaInP材料被用于活性层、势垒层、间隔层和其它层，所以每层的厚度应该基于折射率来确定，使得腔长度是2.5波长。
此外，为了使光和载流子之间的相互作用最大，应该将活性层702和704布置在内部光强度驻波的波腹403。换句话说，将两个活性层分别布置在从一端开始的1700nm的五分之一的位置和1700nm的五分之二的位置，并将n型层设在较小的区域中(图8中的左手侧区域)，将p型层设在较大的区域中(图8中的右手侧区域)。
下面在考虑上述条件的同时详细说明实际的例子。
第一和第二活性层702和704的每一个包括4个6nm的GaInP量子阱和3个6nm的Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层，且第一和第二活性层的每一个具有42nm的实际厚度。因为GaInP层和Al0.25Ga0.25In0.5P层的折射率在680nm分别是3.56和3.37，所以每个活性层的光学厚度是146nm。
活性层区域的光学厚度的一半(73nm)和非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304及n型Al0.35Ga0.15In0.5P层303的光学厚度的总和需要是340nm。
因此，将非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304形成为具有20nm的厚度，并将n型Al0.35Ga0.15In0.5P层303形成为具有60.5nm的厚度。因为层304和层303的折射率分别是3.37和3.30，所以这两个层的总光学厚度是267nm。267nm和第一活性层702的光学厚度的一半即73nm的总和是340nm。
换句话说，如图8中所示，第一活性层702的中央与驻波的波腹403对齐。接下来，第一活性层702的光学厚度的一半(73nm)、Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703的光学厚度以及第二活性层704的光学厚度的一半(73nm)的总和需要是340nm。
因为Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703的折射率是3.37，所以其厚度应该是57.6nm，以使Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703的光学厚度是194nm。194nm、73nm和73nm的和是340nm。因此，第二活性层704的中央与驻波的另一个波腹403对齐，如图8中所示。
可选地，可以用镁或锌掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703的一部分，以使得该层为p型，以便可以提高对第一活性层702的空穴注入效率。
在p侧，第二活性层704的光学厚度的一半(73nm)和非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层306及p型Al0.5In0.5P层705的光学厚度的总和需要是余数，即1020nm。
将势垒层306形成为具有20nm的厚度，且将p型Al0.5In0.5P层705形成为具有273.2nm的厚度。因为层306和层705的折射率分别是3.37和3.22，所以这两个层的总光学厚度是947nm。947nm和第二活性层704的光学厚度的一半的总和是1020nm。包括非掺杂势垒层的n型层的光学厚度、包括中间势垒层的两个活性层的总光学厚度、以及包括非掺杂势垒层的p型层的光学厚度分别是267nm、486nm和947nm。总共是1700nm，对应于2.5波长共振器的光学厚度。此外，p型AlGaInP层具有273.2nm的厚度，它在大于等于100nm且小于等于350nm的范围内。
将多层膜反射器形成在共振器的两侧。n侧和p侧多层膜反射器都被设置为使得共振器和多层膜反射器之间的分界面与驻波的波腹对齐。
更具体地说，由具有低折射率的材料组成的层，即位于n侧的AlAs层801和位于p侧的Al0.9Ga0.1As层402，与共振器接触。将Al0.5Ga0.5As层401设为与n侧和p侧的层801和层402相邻。在每侧重复所需的对数(p侧36对，n侧60对)。
然后，如例子1中所述，可以形成元件或可以形成元件的阵列。
例子3
现在说明应用到红色表面发射激光器阵列的红色表面发射激光器元件的例子。图9A和图9B示出包括本例的红色表面发射激光器阵列的电子照相图像形成装置的结构。图9A是该图像形成装置的俯视图，图9B是该装置的侧视图。
图9A和9B中所示的图像形成装置包括：感光构件900、充电器902、显影器904、转印充电器906、定影器908、旋转多面反射镜910、马达912、红色表面发射激光器阵列914、反射器916、准直透镜920、以及f-θ透镜922。
在图9A和图9B中，马达912使旋转多面反射镜910旋转。本例的旋转多面反射镜910具有6个反射面。
红色表面发射激光器阵列914是用于记录的光源。红色表面发射激光器阵列914根据视频信号由激光器驱动器(图中未示出)打开和关闭。被调制的激光束从红色表面发射激光器阵列914出发通过准直透镜920施加到旋转多面反射镜910。
旋转多面反射镜910沿箭头方向旋转。从红色表面发射激光器阵列914输出的激光束在旋转多面反射镜910被反射，以形成偏转角度由于多面反射镜910的旋转而连续变化的偏转束。用f-θ透镜922校正由反射器916反射的反射光的变形等问题，并照射感光构件900同时在主扫描方向上扫描感光构件900。由旋转多面反射镜910的一个面偏转的束的反射在主扫描方向上形成与对应于红色表面发射激光器阵列914的多条线相对应的图像。在本例中，使用4×8红色表面发射激光器阵列，并同时形成对应于4条线的图像。
预先用充电器902对感光构件900充电。通过激光束扫描使感光构件900顺序曝光以形成静电潜像。沿箭头方向旋转感光构件900。用显影器904显影静电潜像，并用转印充电器906将得到的可视图像转印到转印纸(图中未示出)上。将已被转印了可视图像的转印纸送到定影器908以定影图像，然后排出到系统外。
尽管在本例中使用4×8红色表面发射激光器阵列，可以使用其它类型的阵列。例如，可以使用m×n红色表面发射激光器阵列(m，n：自然数)。
如上所述，可以通过使用电子照相图像形成装置中的红色表面发射激光器阵列来形成实现高速、高精度打印的图像形成装置。
在一些情况下，例如在将该元件应用于电子照相装置的光源的情况下，在实现单横模时在高达60℃的条件下需要激光器工作。一般地，为了实现单横模，发射区必须变窄(直径小于等于4μm)。即使在注入电流量相同时，实际电流密度也增加，且漏电流也增加。
根据本实施例，提供了具有改进的温度特性的新型红色表面发射激光器元件。
图11中示出了合并了本例子的激光器元件1201的激光显示器的例子。在图11中，激光显示器包括第一偏转单元1202和第二偏转单元1211。用附图标记1210表示由第一偏转单元1202在第二偏转单元1211上形成的扫描轨迹。附图标记1212表示由第二偏转单元1211偏转的光，1213表示特定平面，1214表示平面1213中用偏转光扫描的范围，且1215示意性示出平面1213上扫描线的轨迹。此外，附图标记1203表示激光器元件1201的光方向。附图标记1205和1206表示偏转光方向。
第一偏转单元1202和第二偏转单元1210分别沿水平方向和垂直方向偏转光。其结果是，用偏转光扫描的区域变为二维的。
例子4
现在说明例子4。在例子4中，采用包括两个多量子阱结构的周期性增益结构。该结构增大光学限制比和模增益，且可以容易地获得高发射输出。
除了上述周期性增益结构外，如图10中所示使用了2波长共振器，以将p型AlGaInP层的厚度调整为大于等于100nm且小于等于350nm。
现在参考图10说明共振器的层结构。
因为谐振波长是680nm且腔长度是2波长，所以光学厚度是1360nm。共振器中的全部层由AlGaInP构成，但具有不同成分比例的AlGaInP材料被用于活性层、势垒层以及间隔层。因此，必须根据折射率来确定每层的厚度，使得腔长度为2波长。然而，为了使光和载流子之间的相互作用最大，活性层702和704必须与内部光强度驻波的波腹对齐。具体地，将活性层分别设在从一端开始的1360nm的1/4位置和1360nm的1/2位置，并将n型层布置在较小的区域中(图10中左手侧)，将p型层布置在较大的区域中(图10中右手侧)。
下面在考虑上述条件的同时详细说明实际例子。
第一和第二活性层702和704的每一个包括4个6nm GaInP量子阱和3个6nm Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层，且第一和第二活性层702和704的每一个具有42nm的实际厚度。
因为GaInP层和Al0.25Ga0.25In0.5P层在680nm波长的折射率分别为3.56和3.37，所以每个活性层的光学厚度是146nm。活性层区域的光学厚度的一半(73nm)以及非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304和n型Al0.35Ga0.15In0.5P层303的光学厚度的总和需要是340nm。
将非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层304形成为具有20nm的厚度，并将n型Al0.35Ga0.15In0.5P层303形成为具有60.5nm的厚度。因为层304和层303的折射率分别是3.37和3.30，这两个层的总光学厚度是267nm。267nm和第一活性层702的光学厚度的一半(73nm)的总和是340nm。换句话说，如图10所示，第一活性层702的中央与驻波的波腹403对齐。接下来，第一活性层702的光学厚度的一半(73nm)、Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703的光学厚度以及第二活性层704的光学厚度的一半(73nm)的总和需要是340nm。因为Al0.25Ga0.25In0.5P中间势垒层703的折射率是3.37，所以层703的厚度应该是57.6nm，从而中间势垒层703的光学厚度是194nm。于是前述总和是340nm。因此，第二活性层704的中央也与驻波的波腹403对齐，如图10所示。可选地，可以用镁或锌掺杂AlGaInP中间势垒层703的一部分，使层为p型，以便提高对第一活性层702的空穴注入效率。
在p侧，第二活性层704的光学厚度的一半(73nm)以及非掺杂Al0.25Ga0.25In0.5P势垒层306和p型Al0.5In0.5P层705的光学厚度的总和需要是余数，即680nm。当势垒层306具有20nm的厚度且p型Al0.5In0.5P层705具有167.6nm的厚度时，因为层306和层705的折射率分别是3.37和3.22，所以两个层的总光学厚度是607nm 607nm和等于第二活性层704的光学厚度的一半的73nm的和为680nm。包括非掺杂势垒层的n型层的光学厚度、包括中间势垒层的两个活性层的总光学厚度以及包括非掺杂势垒层的p型层的光学厚度分别是267nm、486nm和607nm。它们的和是1360nm，对应于2波长共振器的光学厚度。P型AlGaInP层的厚度是167.6nm，处于大于等于100nm且小于等于300nm的范围内。将多层膜反射器形成在共振器的两侧。n侧和p侧多层膜反射器都被布置为使得共振器和多层膜反射器之间的分界面与驻波的波腹对齐。具体地说，由低折射率材料构成的各层，即位于n侧的AlAs层801和位于p侧的Al0.9Ga0.1As层402与共振器接触。Al0.5Ga0.5As层401与n侧和p侧的层801和层402相邻。在每侧重复所需的对数(p侧36对且n侧60对)。
例子5
图12是示出在本实施例中描述的具有多层结构的红色表面发射激光器的最大输出和环境温度之间的关系(实线)的曲线图。红色表面发射激光器具有参考图10描述的图10中所示的结构。P型半导体间隔层705是p型Al0.5In0.5P层(厚度：167.6nm)。注意，图10中的层801由Al0.9Ga0.1As构成，而不是AlAs。在图12中，虚线示出一个元件的特性，在该元件中p型半导体间隔层由Al0.35Ga0.15In0.5P构成且具有60.5nm的厚度，而层结构的其余部分保持与曲线图中实线表示的元件相同。
如上所述，漏电流的量随着环境温度而趋于增加，且光学输出随着环境温度的升高而趋于降低。虽然来自相关技术的元件的发射(图12中虚线)在75.2℃的环境温度上停止，但是本实施例的激光器元件在高达84.1℃的温度下可实现发射。当比较60℃时两个元件的最大输出时，本实施例的元件的最大输出比相关技术的高了大约40％。换句话说，使用本实施例的元件，漏电流减小，并可以实现能够高温工作的红色表面发射激光器。
这里应该指出，具有低热阻的AlAs层可以被用作构成设在基底侧的较低DBR的低折射率层。在这种情况下，激光器元件内生成的热可以容易地释放，并可以抑制元件内的温度增加。
表1示出具有不同厚度的p型间隔层的例子。在该表中，Al0.5In0.5P层被用作p型间隔层，Al0.35Ga0.15In0.5P层被用作n型间隔层，且Al0.25Ga0.25In0.5P层被用作p侧和n侧每一侧的非掺杂势垒层。当四重Ga0.5In0.5P/Al0.25Ga0.25In0.5P量子阱被用作活性层时，厚度是42nm。当使用周期性增益结构时，对于双重周期性增益结构，包括中间非掺杂势垒层的厚度是141.6nm；对于三重周期性增益结构，包括两个中间非掺杂势垒层的厚度是241.2nm。
在例子1、2和4中，p型间隔层的厚度是167.6nm或273.2nm。然而，如表1中所示，通过适当调整腔长度以及活性层、非掺杂势垒层和n型间隔层的厚度，可以将p型间隔层的厚度调整为所需的值(大于等于100nm且小于等于350nm)。
当要求腔长度为设计波长的一半的整数倍，且要求活性层的中央与驻波的波腹对齐时，p型间隔层的厚度不取连续值。如表1中所示，可以通过调整非掺杂势垒层的厚度来在本发明限定的范围内在某种程度上调整p型间隔层的厚度。
表1
  活性层厚度(nm)   P型间隔层厚度(nm)   P侧非掺杂势垒层厚度(nm)   N型间隔层厚度(nm)   N侧非掺杂势垒层厚度(nm)   腔长度(波长) 参考
  1   42.0   100.0   84.6   60.5   20   1.5
  2   42.0   150.0   36.8   43.3   36.8   1.5
  3   42.0   167.6   20   60.5   20   1.5   图4
  4   42.0   273.2   20   60.5   20   2
  5   141.6   167.6   20   60.5   20   2   图10
  6   42.0   300.0   95.2   60.5   20   2.5
  7   42.0   350.0   47.5   32.4   47.5   2.5
  8   141.6   273.2   20   60.5   20   2.5   图8
  9   42.0   237.2   20   163.5   20   2.5
  10   42.0   350.0   47.5   135.4   47.5   3
  11   141.6   350.0   47.5   60.5   20   3
  12   141.6   252.2   40   143.1   40   3
  13   141.6   252.2   40   246.1   40   3.5
  14   141.6   350.0   47.5   135.4   47.5   3.5
  15   141.6   350.0   47.5   238.4   47.5   4
  16   283.2   252.2   40   246.1   40   4
虽然参考典型实施例说明了本发明，应该理解，本发明不限于公开的典型实施例。所附权利要求的范围符合最宽的解释，从而包括全部这种变型以及等同结构和功能。

Claims (18)

1.一种红色表面发射激光器元件，包括：
第一反射器；
包括p型半导体多层膜的第二反射器；
在所述第一反射器和所述第二反射器之间的活性层；
在所述活性层和所述第二反射器之间的P型半导体间隔层，所述p型半导体间隔层具有大于等于100nm且小于等于350nm的厚度；和
在所述p型半导体间隔层和所述活性层之间的另一个间隔层，所述另一个间隔层是杂质浓度比所述p型半导体间隔层低的半导体层。
2.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述另一个间隔层是非掺杂半导体层。
3.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体间隔层的厚度大于等于150nm且小于等于300nm。
4.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体间隔层含有铝、铟和磷。
5.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体间隔层含有AlxGayIn1-x-yP，其中0.45≤x+y≤0.55，0.25≤x≤0.55，且0≤y≤0.30。
6.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体间隔层含有AlxGayIn1-x-yP，其中0.50≤x+y≤0.52，0.35≤x≤0.52，且0≤y≤0.17。
7.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体多层膜含有铝和砷。
8.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体多层膜包括多个堆叠的层对，每个层对包括具有不同折射率的第一层和第二层；并且
所述第一层和所述第二层的至少一个含有铝、镓和砷。
9.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述第二反射器由具有与GaAs匹配的晶格的半导体材料构成。
10.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述活性层包括多个活性层。
11.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述活性层是包括由GaInP构成的层和由AlGaInP构成的层的量子阱活性层。
12.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述第一反射器包括n型半导体多层膜，且所述红色表面发射激光器元件还包括在所述第一反射器和所述活性层之间的n型半导体间隔层。
13.根据权利要求12所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述活性层、所述p型半导体间隔层和所述n型半导体间隔层构成共振器，且该共振器具有不对称结构，在该不对称结构中，所述活性层在腔长度方向上不位于所述共振器的中央。
14.根据权利要求13所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，所述p型半导体间隔层的厚度比所述n型半导体间隔层的厚度大。
15.根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件，其特征在于，包括所述活性层的共振器的腔长度大于等于1.5倍波长且小于等于4倍波长。
16.一种图像形成装置，包括：
根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件；和
偏转器，用于反射从所述激光器元件输出的激光束以进行扫描。
17.根据权利要求16所述的图像形成装置，还包括：
感光构件，其利用由所述偏转器偏转的光束形成静电潜像；
充电器；
显影器；和
定影器。
18.一种图像显示设备，包括：
根据权利要求1所述的红色表面发射激光器元件；以及
偏转器，用于反射从所述激光器元件输出的激光束以进行扫描。
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