CN1987674A - 用大氧化孔径垂直腔面发射激光器件的光学数据处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用大氧化孔径垂直腔面发射激光器件的光学数据处理装置。光学数据处理装置包括：光源；光学系统，该光学系统将来自所述光源的光会聚于光学数据存储介质；以及用于在所述光学数据存储介质上扫描经会聚的激光的机构，所述光源包括发射激光的至少一个垂直腔面发射激光器件，所述至少一个垂直腔面发射激光器件在形成垂直谐振器结构的第一镜与第二镜之间包括有源区和电流限制部，并且在所述电流限制部中形成有直径等于或大于大约4微米的开口，用于施加电流。

Description

用大氧化孔径垂直腔面发射激光器件的光学数据处理装置
技术领域
本发明涉及一种使用垂直腔面发射激光(下文称为VCSEL)器件的光学数据处理装置，更具体地涉及将大孔径VCSEL用于诸如复印机或打印机的图像形成装置。
背景技术
VCSEL器件是一种激光二极管，其中从半导体基板的主表面侧发射光。VCSEL具有优于现已使用的端面发射型半导体激光器件的卓越特性，例如驱动电流较低。此外，可进行晶片级检查，并且能容易地对VCSEL进行二维布置。因此，VCSEL已经在光学数据处理的各个领域(例如光通信、或者利用光进行的数据存储或图像形成)中被用作光源。
在VCSEL中，需要电流限制结构将电流有效地控制在有源区内。对于电流限制采用两种方法：在一种方法中，主要通过质子注入来形成高电阻区；在另一种方法中，对含铝的半导体层选择性地进行氧化。近年来，后一种方法成为主流。
形成具有折射率波导结构的选择性氧化型VCSEL包括以下步骤：通过对在其上取向附生有半导体多层膜的半导体基板进行蚀刻而形成柱(post)结构，然后从柱的侧面对含Al的半导体层进行热氧化。在通过对含铝的半导体层(其是半导体多层反射膜靠近有源区的一部分)选择性地氧化而形成高电阻区的同时，降低该区域的折射率以构成光波导。通过其较强的限光效果，可以获得阈值电流低和效率高的优异特性。
通过氧化而形成的高电阻区的内径(即未氧化区的直径)影响激光的激光模态。为了获得基横模发射(单模)，未氧化区的直径应该等于或小于大约4微米。如果直径大于4微米，则激光模态移向高阶模发射(多模)。
已知未氧化区的直径不仅影响激光模态，而且影响静电放电(ESD)损伤阈值或可靠性。例如，根据2005年12月9日在因特网上搜索到的高级光学元件白皮书的在线版本，Bobby M.Hawkins等人的“Reliability ofVarious Size Oxide Aperture VCSELs”，(URL：http://www.adopco.com/publication/documents/ReliabiliutyofVariousSizeOxideApertureVCSELs.pdf)，在图13A中示出了未氧化区直径与直到器件出现故障的器件小时之间的关系。在图13B中，示出了未氧化区直径与ESD损伤阈值之间的关系，并且可以发现，未氧化区直径越小，ESD损伤阈值或可靠性就越低。
另一方面，如日本特开2002-359432号公报所公开的，即使未氧化区的直径等于或大于5微米，也可以通过在基板上进行表面处理而获得特定的一种横模(即，单模)激光。虽然获得的模态是高阶横模激光，但它不是多模激光。
本发明要解决的问题
当VCSEL用作例如诸如激光打印机的电子照相图像形成装置(扫描曝光装置)的光源时，为了获得高分辨率，需要在感光鼓的表面上连接小的发光点。换言之，因为需要通过透镜使VCSEL的辐射光聚焦，所以发光强度分布为高斯状的单模(基横模激光)是优选的。因此，对于诸如高分辨率激光打印机的应用，使用未氧化区的直径等于或小于大约4微米的VCSEL。
然而，VCSEL的柱部的直径为大约20至30微米。为了从柱结构形成直径等于或小于4微米的未氧化区，应该精确地控制氧化深度。该控制需要复杂的制造工艺，该工艺可能使晶片间存在直径差异，从而降低产量。
另外，如上所述，未氧化区直径越小，ESD损伤阈值和可靠性就越低，由此器件劣化越快，从而缩短寿命。器件寿命决定产品寿命，从而器件寿命的降低就需要额外的费用，例如制备替换部件。因此，使用小孔径单模VCSEL(其非氧化区直径典型地等于或小于4微米)作为诸如激光打印机的图像形成装置的光源是导致高成本的一个原因。
提供本发明用以解决上述现有问题，并且本发明旨在提供一种使用大孔径VCSEL作为光源的低成本光学数据处理装置。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种光学数据处理装置，该光学数据处理装置包括：光源；光学系统，该光学系统将来自所述光源的光会聚在光学数据存储介质上；以及用于在所述光学数据存储介质上扫描经会聚的激光的机构。所述光源包括发射激光的至少一个垂直腔面发射激光(VCSEL)器件，所述至少一个VCSEL器件在形成垂直谐振器结构的第一镜与第二镜之间包括有源区和电流限制部。在所述电流限制部中，形成有直径大于大约4微米的开口用于电流注入。优选地，所述光源包括其上布置有多个VCSEL器件的阵列，一维或二维地将这些VCSEL器件布置在基板处。
所述电流限制部可包括含铝的半导体层，所述开口被通过对所述半导体层进行选择性氧化而形成的氧化区包围。如果所述开口的平面形状为圆形，则其直径大于4微米。在所述开口的平面形状为矩形时，其对角线大于4微米。在所述电流限制部被形成在所述柱结构中的情况下，所述开口的形状由所述柱结构的形状反映。如果所述柱结构为圆柱形，则所述开口的平面形状为圆形，而在所述柱结构为棱柱形时，所述开口的平面形状为矩形。因此，通过大孔径开口可容易地制造所述电流限制部，并且能提高VCSEL器件的产量，从而降低制造成本。
VCSEL器件可工作在包含单横模的单模下。超过4微米的所述电流限制部的开口产生多模振荡，如果振荡为高阶单模，则可获得单横模。据此，可获得输出高且发散角变化小的光源。通过在VCSEL器件的发射表面中(例如在上部多个反射层的接触层中)形成多个孔或槽而实现所述高阶单模。
VCSEL器件可工作在阈电平附近。所述开口的直径大于4微米，注入的电流量增加并引起多模振荡。然而，通过令VCSEL器件工作在所述阈电平附近，可获得零阶模(基横模激光)。另外，通过将驱动电流固定在所述阈电平附近而抑制发散角的变化。这样，即使VCSEL具有大氧化孔径(这易于实现多模激光)，也能通过控制驱动条件来实现等同于单模激光的操作，并将该操作用于光源。在这种情况下，还有一个优点是VCSEL器件的光输出高于单模激光VCSEL的光输出。
本发明的优点
根据示例的光学数据处理装置，通过使用VCSEL(其中所述电流限制部的开口大于大约4微米)作为光源，能以更简单的工艺制造所述电流限制部的开口，能降低开口直径的晶片间变化，并能提高产量。另外，还改善了所述开口的ESD损伤阈值或可靠性，从而降低诸如激光打印机的光学数据处理装置的成本。而且，通过将开口的直径制成得较大，可以获得比小孔径VCSEL的光输出更高的光输出，用该小孔径VCSEL仅能获得单模激光。
通常，当使用未氧化区直径大于4微米的选择性氧化型VCSEL时，随着偏置电流增加而产生高阶横模发射，从而发散角增加。这是因为在大多数情况下，高阶横模变为多个横模，即，多模激光。高阶横模随着其阶次增加而可能具有更宽的发散角。多模激光是若干横模的一种交叠，从而发散角看似进一步增加。
然而，即使所述未氧化区的直径大于4微米，通过将所述基板表面上的激光发射区处理成凹面部分或凹进部分，可以获得特定的一个横模(即单模激光，同时是高阶横模激光)，而不是多模激光。
图14C示出对于生成高阶单模激光的VCSEL，在偏置电流与光输出(由圆表示)和发散角(由三角形表示)之间的关系。为了对比，还示出了对普通多模VCSEL(图14B)和单模VCSEL(图14A)得到的测量结果。该多模VCSEL的未氧化区的直径为8微米，与高阶单模VCSEL的未氧化区的直径相同；所述单模VCSEL的未氧化区的直径为3微米。
从测量结果中明显看出，高阶单模VCSEL的发散角在较宽的光输出范围上是稳定的，其变化与单模VCSEL的发散角变化一样小。例如，在图14C中，发散角在开始光输出时约为20度。发散角在光输出达到大约5 mW的峰值时约为21度，因此发散角的变化等于或小于约5％。相反，当其开口直径大于单模VCSEL的开口直径时，发散角的绝对值小于该单模VCSEL的发散角绝对值。因此可以发现，即使在高阶横模激光时也可以连接小的发光点，与基横模激光的情况相同。
如上所述，通过使用高阶单模器件，可在感光鼓的表面上容易地获得变化小的发光点。因此，能够容易地获得提高产量并且特性变化小的VCSEL，从而能获得成本更低的扫描曝光装置。
从上述测量结果还可以发现，即使对于多模VCSEL，如果偏置电流范围限于阈值附近，也能使发散角的变化保持较小。因此，即使不在所述基板上提供表面处理，也能通过使所述器件工作在阈电流附近而获得单峰图案发射分布图。这表示多模VCSEL适用于扫描曝光装置。
同样，根据使用示例的VCSEL的光学数据处理装置，通过使用高阶单模VCSEL或多模VCSEL(它们中的任一个的未氧化区的直径大于4微米，更优选地等于或大于8微米)作为光源，能获得这样的光学数据处理装置，其中能显著提高所述器件的ESD损伤阈值和可靠性，并且由所述未氧化区的直径变化而引起的器件间特性变化较小，所有这些都可降低成本。
附图说明
将基于以下附图详细描述本发明的实施例，附图中：
图1是根据本发明示例的VCSEL的立体图；
图2A至2D是例示根据示例的VCSEL的制造方法的剖面图；
图3A至3D是例示根据示例的VCSEL的制造方法的剖面图；
图4A是根据示例的VCSEL的平面图，图4B示出VCSEL的发射图案，图4C是沿线A-A取的图4A的剖面图；
图5示出通过有孔VCSEL获得的光输出对偏置电流的特性以及近场图案；
图6示出对有孔VCSEL和无孔VCSEL的L-I特性进行的比较；
图7示出无孔VCSEL和有孔VCSEL各自的激光光谱；
图8A示出形成在顶部的孔的示例，图8B表示发射图案的示例；
图9示出用于驱动VCSEL阵列的电路结构的示例；
图10是在其上安装有VCSEL阵列的封装的示意图；
图11是在其上安装有VCSEL阵列的另一封装的示意图；
图12是使用根据示例的大孔径VCSEL的电子照相图像形成装置的示意图；
图13A示出关于氧化开口直径和可靠性的数据，图13B示出关于氧化开口直径和ESD损伤阈值的数据；并且
图14A示出关于单模VCSEL的发散角和光输出的数据，图14B示出关于多模VCSEL的发散角和光输出的数据，而图14C示出关于高阶单模VCSEL的发散角和光输出的数据。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明实施例。
下面将参照附图描述根据本发明一方面的使用VCSEL的扫描曝光装置的示例。
图1是根据本发明示例的VCSEL的立体图。本示例中的VCSEL包括在基板10上的长方体形柱部30。在柱部30顶部处的电极开口40中，形成有多个孔50a、50b、50c、50d和50e。在柱部30的AlAs层20中，形成有直径为大约8微米的未氧化区。如稍后所述，具有这种结构的VCSEL发射高阶单模激光。
图2A至3D是示出图1所示的VCSEL的制造方法的剖面图。首先，如图2A所示，通过有机金属化学气相淀积(MOCVD)方法，在n型GaAs基板10的表面100上，顺序地层叠：由n型Al0.8Ga0.2As层和n型Al0.1Ga0.9As层的多层叠层制成的下部多层反射膜12、由非掺杂Al0.4Ga0.6As层制成的下部间隔(spacer)层14、作为由非掺杂GaAs层制成的量子阱层与由非掺杂Al0.2Ga0.8As层制成的势垒层的叠层的量子阱有源区16、由非掺杂Al0.4Ga0.6As层制成的上部间隔层18、p型AlAs层20、由p型Al0.8Ga0.2As层和p型Al0.1Ga0.9As层的多层叠层制成的上部多层反射膜22、以及由p型GaAs层制成的接触层24。
形成下部多层反射膜12和上部多层反射膜22的Al0.8Ga0.2As层和Al0.1Ga0.9As层的各层厚度为λ/4nr(其中λ是振荡波长，nr是介质的光学折射率)。通过在最顶层加入接触层24并在最底层加入AlAs层20而构成上部多层反射膜22。
从下部间隔层14的下表面到上部间隔层18的上表面的整个膜厚度为λ/nr的整数倍，从而在其间形成驻波。然后，将驻波中光强度最大处的所谓“波腹”设计为处于量子阱有源区的位置处。
接着，如图2B所示，在淀积在蚀刻时成为掩模材料的SiON 26之后，通过使用光刻法将光刻胶28淀积在基板的上表面上，并将其处理成期望形状。通过使用光刻胶28作为蚀刻掩模，使用BCl3:Cl2作为蚀刻气体进行反应性离子蚀刻。通过蚀刻直到至少露出AlAs层20，形成柱部30，如图2C所示。
然后将该结构暴露于载气为氮气(流率：2升/分钟)的340摄氏度蒸汽环境中十五分钟。AlAs层20的氧化速度远远快于Al0.8Ga0.2As层或Al0.1Ga0.9As层(上部多层反射膜的主要成分)的氧化速度。因此，有源区直接上方的部分从柱的外周部分起被氧化，并形成对应于柱的形状的绝缘区(电流限制区)32，如图2D所示。剩余的未氧化区34变成电流流通区。在该示例中，形成直径大约8微米的未氧化区。
接着，如图3A所示，在淀积成为表面保护膜的SiNx36之后，将部分SiNx 36与在形成柱中用作蚀刻掩模的SiON 26一起去除，并使接触层24暴露在柱部30的顶部。然后如图3B所示，在柱顶部的中央区域处形成矩形光刻胶结构38。然后，通过从上方开始电子束沉积而顺序地淀积金、锌和金。当去除光刻胶结构38时，也去除(剥离)淀积在上表面上的金、锌和金，并将电极开口40与p侧电极11一起形成在柱的顶部。
之后，如图3C所示，通过使用聚焦离子束(FIB)系统在电极开口40中形成五个孔50a至50e。在上部多层反射膜的对应于电流流通区中央位置的表面上形成一个孔50a。在电流流通区的角部形成其他四个孔50b至50e。在本示例中，各个孔50a至50e的直径为大约0.5微米，深度为大约0.5微米以到达上部多层反射膜22。
最后，如图3D所示，在基板的背面侧上淀积金—锗/镍/金。然后在340摄氏度下的氮气环境中进行热处理十分钟。所得结构为n侧电极13。这完成了对图1所示的VCSEL的形成。
图4A是VCSEL的平面图。通过形成五个圆孔50a至50e，可以获得四个发光点60a至60d，如图4B所示。图4C是沿线A-A取的图4A的VCSEL的剖面图。
图5示出如上所述提供的VCSEL的光输出对偏置电流(L-I)的特性以及近场图案。实线代表光输出，点划线代表串联电阻，虚线代表施加电压。在整个注入电流范围中可以获得稳定的LP21模发射，并且光输出最大为3.8mW，当光输出为3mW时串联电阻为80Ω。
图6示出对其上未进行表面处理的VCSEL(下文称为无孔VCSEL)和其上进行了表面处理以形成五个圆孔50a至50e的VCSEL(下文称为有孔VCSEL)的L-I特性进行的比较。每个VCSEL具有直径相同的未氧化区34。可以发现，表面处理增加了谐振器损失和阈值电流，并使光输出降低到大约三分之二。
图7示出当偏置电流为3mA、7mA和10mA时无孔VCSEL和有孔VCSEL各自的激光光谱。对于无孔VCSEL，可以发现在3mA的偏置电流下已经观察到对应于LP01、LP11、LP21的各个模态的光谱，从而其提供多模激光。相反，对于有孔VCSEL，可以发现在3mA至10mA的偏置电流下，LP11和LP21模态之间的光谱强度差超过30dB，并且保持了LP21模的激光。
虽然在上述示例中，形成五个孔以获得LP21模，但可以按照本示例之外的方式，通过改变基板表面的处理图案来获得其他高阶横模。例如，如图8A所示，通过设置九个孔51a至51i，可以获得由发光点61a至61h构成的LP41模，如图8B所示。
图1所示的VCSEL是单点型激光器，其中在基板上形成一个柱部(发光器)。然而，不同于本示例，它还可以是多点型VCSEL阵列，其中在基板上形成多个柱部(发光器)。在光源需要具有高光输出的情况下，可使用多点型VCSEL。
图9示出驱动多点型VCSEL阵列的电路结构的示例。响应于输入的驱动控制信号，激光二极管驱动器(LDD)200向形成在基板上的多个柱部202-1至202-n提供同一驱动信号210。将驱动信号210提供至VCSEL的p侧电极11和n侧电极13。柱部202-1至202-n被同时驱动，从柱顶部的各个电极开口40沿垂直于基板的方向同时发射多个激光。LDD 200的驱动信号210被转换为一个光学信号。该信号整体地用作一个光学信号，并且例如扫描在感光鼓的表面上，或者被注入光纤等中。
图10是示出在其上安装有VCSEL的封装的结构的剖面图。在封装300中，其上形成有单个或多个VCSEL的芯片310通过插入导电粘合剂320而被固定在盘状金属座(stem)330上。导电引线340和342插入座330中的通孔(未示出)内。一个引线340电连接到形成在芯片310背面上的n侧电极，另一引线342例如经由接合线电连接到形成在芯片310上表面上的p侧电极。
在座330上，固定有矩形中空罩350以包含芯片310，并在罩350的中央开口中固定有球透镜360。球透镜360的光轴定位成与芯片310的大致中心一致。当在引线340与342之间施加正向电压时，从芯片310的柱部发射激光。芯片310与球透镜360之间的距离可以调整为使得球透镜360包含在来自芯片310的激光的辐射角θ内。另外，在该罩中，可包含光传感装置以监测VCSEL的发射状态。
图11示出另一封装的结构。在图11所示的封装302中，不使用球透镜360，而是在罩350的中央开口中固定平板玻璃362。平板玻璃362的中心定位成与芯片310的大致中心一致。芯片310与平板玻璃362之间的距离可以调整为使得平板玻璃362的开口直径等于或大于来自芯片310的激光的辐射角θ。
图12是示出形成电子照相图像形成装置的一部分的扫描曝光装置400的构成的示意图。包含VCSEL芯片的VCSEL封装300固定于壳体(未示出)，并连接到驱动电路。从VCSEL芯片发射的激光穿过会聚光学系统410。然后光被置于前方的半反射镜420分束，使得部分光被导向监测光电二极管430，其余的光被导向多角镜440。监测光电二极管430检测发射光的光输出值，从而监测VCSEL的发射状态。
多角镜440在其底部具有转动电机450，以超过10000转每分钟的高速转动，并使激光通过Fθ透镜460和反射镜470导向柱形感光鼓480的表面。普通透镜的畸变特性以下式表示：y＝f·tanθ，其中y是图像高度，f是焦距，θ是视角。
相反，将被设计成使其畸变特性为y＝f·θ的透镜称为Fθ透镜。如果电机转速不变，则由多角镜反射的激光以均匀的角运动方式运动。然而，穿过Fθ透镜的激光被转换为使其在感光鼓表面上的扫描速度为常数(匀速运动)。
在基于导向光导鼓480的激光而形成潜像(曝光过程)之后，通过进行显影、转印和定影的各个过程实现了电子照相复印机或激光打印机。
在使用无孔的大孔径VCSEL的情况下，由于是多模激光，所以发散角与偏置电流的变化一起明显变化是不可避免的。然而，在使用有孔VCSEL的情况下，能够获得特定的横模(即单模)激光，即使它是高阶横模激光。这样能够使发散角的变化比多模激光的情况下小得多，并且能够使光点稳定在感光鼓的表面上并被聚焦成足够小。
在以上示例中，使用其中对柱顶部进行处理以获得单模(同时为高阶模)的VCSEL作为光源。然而，也可以使用其中不对电极开口40的表面进行处理的无孔大孔径VCSEL作为光源。虽然如上所述工作范围变窄，但即使对于其中不对柱顶部进行处理的普通大孔径VCSEL，如果将偏置电流的范围限制在阈值附近，则也可以获得变化小的发散角。通过令VCSEL工作在在阈值附近，可使得激光中只有零阶模(基横模)。这样能够获得高的光输出(这是多模的优点)，同时抑制发散角随驱动电流变化的变化(这是多模的缺点)。在这种情况下，通过上述LDD 200控制VCSEL的驱动电流。然而，在这种情况下获得的光输出范围有限，这对于包括光强度调制的应用是不适用的。
对示例的以上描述是为了阐述和说明而提供的。其并非旨在穷举或将本发明限定在所公开的精确形式。应理解，本发明可通过在本发明范围内的其他方法实现。
根据本发明一个方面，一种使用半导体激光器件的光学数据处理装置有助于降低装置成本。

Claims (10)

1.一种光学数据处理装置，该光学数据处理装置包括：
光源；
光学系统，该光学系统将来自所述光源的光会聚到光学数据存储介质；以及
用于在所述光学数据存储介质上扫描经会聚的激光的机构；
其中，所述光源包括发射激光的至少一个垂直腔面发射激光器件，所述至少一个垂直腔面发射激光器件在形成垂直谐振器结构的第一镜与第二镜之间包括有源区和电流限制部；并且
其中，在所述电流限制部中形成有直径大于大约4微米的开口以用于电流注入。
2.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述光源包括其上布置有多个垂直腔面发射激光器件的阵列。
3.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述电流限制部包括含铝的半导体层，所述开口被通过选择性地对所述含铝的半导体层进行氧化而形成的区域包围。
4.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述垂直腔面发射激光器件以包含单横模的单模进行工作。
5.根据权利要求4所述的光学数据处理装置，其中，所述垂直腔面发射激光器件以高阶单模进行工作。
6.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述垂直腔面发射激光器件工作在激光的阈值点附近。
7.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述第一镜和第二镜包括含铝的III-V族化合物半导体层，并且其中，所述有源区中产生的激光的振荡波长为大约850nm。
8.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述光源包括其上安装有至少一个垂直腔面发射激光器件的封装。
9.根据权利要求8所述的光学数据处理装置，其中，所述封装包括会聚从所述垂直腔面发射激光器件发射的光的透镜。
10.根据权利要求1所述的光学数据处理装置，其中，所述光学系统包括：
由电机转动的多角镜，和
Fθ透镜；并且
其中，所述多角镜反射来自所述光源的激光，反射的光通过所述Fθ透镜在感光鼓的表面上进行扫描。
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