JP2007299896A - Surface-emitting laser element, surface-emitting laser array having same, and image forming apparatus having same laser array - Google Patents
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Description
この発明は、面発光レーザ素子、それを備えた面発光レーザアレイおよびその面発光レーザアレイを備えた画像形成装置に関するものである。 The present invention relates to a surface emitting laser element, a surface emitting laser array including the same, and an image forming apparatus including the surface emitting laser array.
面発光レーザ素子は、端面発光型レーザ素子に比べて、製造コストが低く、二次元のアレイ化による集積化が容易である等の多くの利点を有するため、光通信、光インターコネクションおよび光記録等の多くの分野で用いられることが期待されている。 Surface emitting laser elements have many advantages such as lower manufacturing costs and easier integration by two-dimensional arrays compared to edge emitting laser elements, so optical communication, optical interconnection, and optical recording It is expected to be used in many fields.
面発光レーザ素子は、たとえば、n型GaAsからなる基板上に、n型多層膜反射鏡、下部スペーサー層、多重量子井戸活性層、上部スペーサー層およびp型多層膜反射鏡を順次積層した積層構造を有し、積層構造の上部は、柱状構造からなるメサ構造体になっている。そして、面発光レーザ素子は、メサ構造体の側壁と、メサ構造体の周辺の半導体とを被覆する絶縁膜と、メサ構造体の最上表面に配置されたコンタクト層に接続された上部電極と、基板の裏面に形成された下部電極とをさらに備える。そして、面発光レーザ素子は、メサ構造体の最上表面に設けられた開口部からレーザ光を出射する。 The surface emitting laser element has, for example, a laminated structure in which an n-type multilayer reflector, a lower spacer layer, a multiple quantum well active layer, an upper spacer layer, and a p-type multilayer reflector are sequentially laminated on a substrate made of n-type GaAs. The upper part of the laminated structure is a mesa structure having a columnar structure. The surface-emitting laser element includes an insulating film that covers the side wall of the mesa structure, a semiconductor around the mesa structure, an upper electrode connected to a contact layer disposed on the uppermost surface of the mesa structure, And a lower electrode formed on the back surface of the substrate. The surface emitting laser element emits laser light from an opening provided on the uppermost surface of the mesa structure.
面発光レーザアレイは、上述した構成の面発光レーザ素子を二次元に集積化した構造からなる。 The surface emitting laser array has a structure in which the surface emitting laser elements having the above-described configuration are two-dimensionally integrated.
面発光レーザ素子において、閾値電流および消費電力等のレーザ特性の観点から最も有望視されるものに、選択酸化型の面発光レーザ素子がある。この選択酸化型の面発光レーザ素子は、上述した積層構造を結晶成長によって形成する際に、AlAs層(またはAl組成が極めて“1”に近いAlGaAs層)をp型多層膜反射鏡の一部として成長し、このAlAs層を選択酸化することによって、活性層へ注入する電流を制限する電流狭窄構造をメサ構造体の中に作り込んだ面発光レーザ素子である。 Among the surface emitting laser elements, a selective oxidation type surface emitting laser element is the most promising from the viewpoint of laser characteristics such as threshold current and power consumption. In this selective oxidation type surface emitting laser element, an AlAs layer (or an AlGaAs layer whose Al composition is extremely close to “1”) is formed as a part of a p-type multilayer mirror when the above-described stacked structure is formed by crystal growth. This is a surface emitting laser element in which a current confinement structure that limits the current injected into the active layer is formed in the mesa structure by selectively oxidizing the AlAs layer.
メサ構造体と、メサ構造体の周辺の半導体層とを覆う絶縁膜として酸化珪素、窒化珪素および酸窒化珪素等のいずれかを用い、絶縁膜の内部応力を1.5×109dyn/cm2以下にすることにより、メサ構造体の劣化、変形および損傷等を予防し、メサ構造体から出射されるレーザ光の出力を長期間安定させることが知られている(特許文献1)。 Any of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or the like is used as an insulating film that covers the mesa structure and the semiconductor layer around the mesa structure, and the internal stress of the insulating film is 1.5 × 10 9 dyn / cm. by 2 or less, deterioration of the mesa structure, prevent deformation and damage or the like, to stabilize long-term output of the laser light emitted is known from the mesa structures (Patent Document 1).
特許文献1においては、4種類の内部応力(=3×108dyn/cm2、1.5×109dyn/cm2、3×109dyn/cm2、4×109dyn/cm2)の絶縁膜を用いて100℃の温度で9mAの電流を流した加速実験を行なっている。そして、特許文献1では、内部応力を1.5×109dyn/cm2以下(好ましくは3×108dyn/cm2以下)にすることにより、レーザ出力が殆ど低下しないという結果を得ている。
In
また、メサ構造体を覆う絶縁膜上にポリイミドをさらに形成してメサ構造体およびその周辺部を平坦化した構造の面発光レーザ素子も知られている(特許文献2)。
しかし、特許文献1に記載されているように、内部応力を小さくしただけでは、面発光レーザ素子の寿命を長くすることが困難であるという問題がある。
However, as described in
面発光レーザ素子は、メサ構造体と、メサ構造体に接して形成された絶縁膜とを備えており、メサ構造体に加わる力は、絶縁膜の全応力によって決定される。また、絶縁膜の全応力は、(内部応力)×(膜厚)によって決定される。 The surface emitting laser element includes a mesa structure and an insulating film formed in contact with the mesa structure, and the force applied to the mesa structure is determined by the total stress of the insulating film. The total stress of the insulating film is determined by (internal stress) × (film thickness).
したがって、内部応力が小さくても、絶縁膜の膜厚が厚ければ、絶縁膜の全応力は大きくなり、メサ構造体に大きな力が加わる。その結果、面発光レーザ素子の寿命が短くなる。 Therefore, even if the internal stress is small, if the thickness of the insulating film is large, the total stress of the insulating film increases, and a large force is applied to the mesa structure. As a result, the lifetime of the surface emitting laser element is shortened.
一方、内部応力が大きくても、絶縁膜の膜厚が薄ければ、絶縁膜の全応力は小さくなり、メサ構造体に加わる力は小さくなる。その結果、面発光レーザ素子の寿命は長くなる。 On the other hand, even if the internal stress is large, if the film thickness of the insulating film is thin, the total stress of the insulating film is small and the force applied to the mesa structure is small. As a result, the lifetime of the surface emitting laser element is extended.
このように、内部応力を小さくしただけでは、面発光レーザ素子の寿命を長くすることは困難である。 Thus, it is difficult to extend the lifetime of the surface emitting laser element only by reducing the internal stress.
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、基準値以上の寿命を有する面発光レーザ素子を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a surface emitting laser element having a lifetime equal to or greater than a reference value.
また、この発明の別の目的は、基準値以上の寿命を有する面発光レーザ素子を備えた面発光レーザアレイを提供することである。 Another object of the present invention is to provide a surface emitting laser array including a surface emitting laser element having a lifetime equal to or greater than a reference value.
さらに、この発明の別の目的は、基準値以上の寿命を有する面発光レーザアレイを備えた画像形成装置を提供することである。 Furthermore, another object of the present invention is to provide an image forming apparatus provided with a surface emitting laser array having a lifetime equal to or greater than a reference value.
この発明によれば、面発光レーザ素子は、基板と、メサ構造体と、絶縁膜とを備える。メサ構造体は、基板上に形成され、柱状構造からなる。絶縁膜は、基板の面内方向におけるメサ構造体の周囲を覆う。絶縁膜は、面発光レーザ素子の寿命を基準値以上に設定する全応力を有する。 According to this invention, the surface emitting laser element includes the substrate, the mesa structure, and the insulating film. The mesa structure is formed on the substrate and has a columnar structure. The insulating film covers the periphery of the mesa structure in the in-plane direction of the substrate. The insulating film has a total stress that sets the lifetime of the surface emitting laser element to a reference value or more.
好ましくは、全応力の絶対値は、6×104dyn/cm以下である。 Preferably, the absolute value of the total stress is 6 × 10 4 dyn / cm or less.
好ましくは、面発光レーザ素子は、配線をさらに備える。配線は、メサ構造体に含まれる半導体層に接続される。そして、絶縁膜は、第1および第2の絶縁膜を含む。第1の絶縁膜は、メサ構造体および面内方向におけるメサ構造体の周囲の半導体層に接して形成される。第2の絶縁膜は、第1の絶縁膜および配線に接して形成され、面内方向において配線を略平坦化する。 Preferably, the surface emitting laser element further includes a wiring. The wiring is connected to a semiconductor layer included in the mesa structure. The insulating film includes first and second insulating films. The first insulating film is formed in contact with the mesa structure and the semiconductor layer around the mesa structure in the in-plane direction. The second insulating film is formed in contact with the first insulating film and the wiring and substantially flattens the wiring in the in-plane direction.
好ましくは、第1および第2の絶縁膜の一方は、圧縮応力および引っ張り応力のいずれか一方の応力からなる内部応力を有する。第1および第2の絶縁膜の他方は、圧縮応力および引っ張り応力のいずれか他方の応力からなる内部応力を有する。 Preferably, one of the first and second insulating films has an internal stress composed of one of a compressive stress and a tensile stress. The other of the first and second insulating films has an internal stress consisting of either the compressive stress or the tensile stress.
この発明によれば、面発光レーザアレイは、複数の面発光レーザ素子を備える。複数の面発光レーザ素子の各々は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子からなる。
According to the present invention, the surface emitting laser array includes a plurality of surface emitting laser elements. Each of the plurality of surface emitting laser elements includes the surface emitting laser element according to any one of
好ましくは、複数の面発光レーザ素子は、光書き込み用の書き込み光源である。 Preferably, the plurality of surface emitting laser elements are write light sources for optical writing.
さらに、この発明によれば、画像形成装置は、請求項6に記載の面発光レーザアレイからなる書き込み光源を備える。
Further, according to the present invention, an image forming apparatus includes a writing light source comprising the surface emitting laser array according to
この発明による面発光レーザ素子は、メサ構造体に接して形成され、かつ、面発光レーザ素子の寿命を基準値以上に設定する全応力を有する絶縁膜を備える。 The surface emitting laser element according to the present invention includes an insulating film formed in contact with the mesa structure and having a total stress that sets the lifetime of the surface emitting laser element to a reference value or more.
したがって、この発明によれば、面発光レーザ素子の寿命を基準値以上に長くできる。 Therefore, according to the present invention, the lifetime of the surface emitting laser element can be made longer than the reference value.
また、この発明による面発光レーザアレイおよび画像形成装置は、この発明による面発光レーザ素子を備える。 The surface emitting laser array and the image forming apparatus according to the present invention include the surface emitting laser element according to the present invention.
したがって、この発明によれば、面発光レーザアレイおよび画像形成装置の寿命を長くできる。 Therefore, according to the present invention, the lifetime of the surface emitting laser array and the image forming apparatus can be extended.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図1は、この発明の実施の形態による面発光レーザ素子の概略断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態による面発光レーザ素子10は、基板1と、反射層2,6と、共振器スペーサー層3,5と、活性層4と、選択酸化層7と、コンタクト層8と、パッシベーション膜9と、配線電極11と、n側電極12とを備える。なお、面発光レーザ素子10は、波長780nmのレーザ光を発振する。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a surface emitting laser element according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a surface emitting
基板1は、n型ガリウム砒素(n−GaAs)からなる。反射層2は、n−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7Asの対を一周期とした場合、40.5周期の[n−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As]からなり、基板1の一主面上に形成される。なお、図1には、図示されていないが、反射層2は、n−Al0.9Ga0.1Asおよびn−Al0.3Ga0.7Asの一方の組成から他方の組成へ向かって組成を変化させたn−AlGaAsからなる組成傾斜層を含む。
The
共振器スペーサー層3は、ノンドープAl0.6Ga0.4Asからなり、反射層2上に形成される。活性層4は、3層のGaInPAsと、4層のGa0.6In0.4Pとを交互に積層した量子井戸構造からなる。そして、GaInPAsは、圧縮歪組成を有し、Ga0.6In0.4Pは、GaInPAsと格子整合し、引っ張り歪を有する。
The
共振器スペーサー層5は、ノンドープAl0.6Ga0.4Asからなり、活性層4上に形成される。反射層6は、p−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7Asの対を一周期とした場合、24周期の[p−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As]からなり、共振器スペーサー層5上に形成される。なお、図1には、図示されていないが、反射層6は、p−Al0.9Ga0.1Asおよびp−Al0.3Ga0.7Asの一方の組成から他方の組成へ向かって組成を変化させたp−AlGaAsからなる組成傾斜層を含む。
The
選択酸化層7は、p−AlAsからなり、反射層6中に設けられる。そして、選択酸化層7は、非酸化領域7aと酸化領域7bとからなる。
The
コンタクト層8は、p−GaAsからなり、反射層6上に形成される。パッシベーション膜9は、たとえば、SiO2からなり、共振器スペーサー層3の一部の一主面と、活性層4、共振器スペーサー層5、反射層6、選択酸化層7およびコンタクト層8の端面とを覆うように形成される。
The contact layer 8 is made of p-GaAs and is formed on the
配線電極11は、コンタクト層8の一部およびパッシベーション膜9上に形成される。そして、配線電極11は、Cr/AuZn/AuまたはTi/Auからなる。n側電極12は、基板1の裏面に形成される。そして、n側電極12は、AuGe/Ni/Auからなる。
The
そして、反射層2,6の各々は、活性層4で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層4に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。この場合、反射層2を構成するn−Al0.9Ga0.1Asおよびn−Al0.3Ga0.7Asの各々の膜厚は、ブラッグの多重反射の位相条件を満たす様に、レーザ発振波長(λ=780nm)に対してλ/4n(nは各半導体層の屈折率)に設定される。また、反射層6を構成するp−Al0.9Ga0.1Asおよびp−Al0.3Ga0.7Asの各々の膜厚も、ブラッグの多重反射の位相条件を満たす様に、レーザ発振波長(λ=780nm)に対してλ/4n(nは各半導体層の屈折率)に設定される。
Each of the reflection layers 2 and 6 constitutes a semiconductor distributed Bragg reflector that reflects the oscillation light oscillated in the active layer 4 by Bragg multiple reflection and confines it in the active layer 4. In this case, the film thicknesses of n-Al 0.9 Ga 0.1 As and n-Al 0.3 Ga 0.7 As constituting the
また、面発光レーザ素子10においては、共振器スペーサー層3,5および活性層4は、共振領域を構成する。そして、共振器スペーサー層3,5および活性層4からなる共振領域は、これらの半導体層中における発振光の位相変化量が2πとなるように設定されており、一波長共振器構造を形成する。
In the surface emitting
さらに、面発光レーザ素子10においては、活性層4、共振器スペーサー層5、反射層6および選択酸化層7は、メサ構造体20を構成する。
Further, in the surface emitting
さらに、面発光レーザ素子10においては、選択酸化層7は、共振器スペーサー層5からλ/4だけ離れた反射層6中に配置される。そして、このλ/4nの膜厚は、各半導体層中における発振光の位相変化量がπ/2となる膜厚である。
Further, in the surface emitting
さらに、面発光レーザ素子10においては、パッシベーション膜9は、150nmの膜厚および−4×109dyn/cm2の内部応力を有する。その結果、パッシベーション膜9は、−6×104dyn/cmの全応力Sを有する。
Further, in the surface emitting
図2および図3は、それぞれ、図1に示す面発光レーザ素子10の作製方法を示す第1および第2の工程図である。図2を参照して、一連の動作が開始されると、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて、反射層2、共振器スペーサー層3、活性層4、共振器スペーサー層5、反射層6、選択酸化層7、およびコンタクト層8を基板1上に順次積層する(図2の工程(a)参照)。
2 and 3 are first and second process diagrams showing a method of manufacturing the surface-emitting
この場合、反射層2のn−Al0.9Ga0.1Asおよびn−Al0.3Ga0.7Asをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン(AsH3)およびセレン化水素(H2Se)を原料として形成する。
In this case, n-Al 0.9 Ga 0.1 As and n-Al 0.3 Ga 0.7 As of the
また、共振器スペーサー層3のノンドープAl0.6Ga0.4Asをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)およびアルシン(AsH3)を原料として形成し、活性層4のGaInPAs/Ga0.6In0.4Pをトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、フォスフィン(PH3)およびアルシン(AsH3)を原料として形成する。
Further, non-doped Al 0.6 Ga 0.4 As for the
さらに、共振器スペーサー層5のノンドープAl0.6Ga0.4Asをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)およびアルシン(AsH3)を原料として形成し、反射層6のp−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7Asをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン(AsH3)および四臭化炭素(CBr4)を原料として形成する。
Further, non-doped Al 0.6 Ga 0.4 As for the
さらに、選択酸化層7のp−AlAsをトリメチルアルミニウム(TMA)、アルシン(AsH3)および四臭化炭素(CBr4)を原料として形成し、コンタクト層8のp−GaAsをトリメチルガリウム(TMG)、アルシン(AsH3)および四臭化炭素(CBr4)を原料として形成する。
Further, p-AlAs of the
その後、コンタクト層8の上にレジストを塗布し、写真製版技術を用いて、コンタクト層8上にレジストパターン30を形成する(図2の工程(b)参照)。この場合、レジストパターン30は、たとえば、1辺が20μmである正方形の形状を有する。
Thereafter, a resist is applied on the contact layer 8, and a resist
レジストパターン30を形成すると、その形成したレジストパターン30をマスクとして用いて、活性層4、共振器スペーサー層5、反射層6、選択酸化層7およびコンタクト層8の周辺部をドライエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン30を除去する(図2の工程(c)参照)。これにより、柱状形状からなるメサ構造体20が基板1上に形成される。
When the resist
次に、図3を参照して、図2に示す工程(c)の後、85℃に加熱した水を窒素ガスでバブリングした雰囲気中において、試料を425℃に加熱して、選択酸化層7の周囲を外周部から中央部に向けて酸化し、選択酸化層7中に非酸化領域7aと酸化領域7bとを形成する(図3の工程(d)参照)。この場合、非酸化領域7aは、たとえば、1辺が4μmである正方形からなる。
Next, referring to FIG. 3, after the step (c) shown in FIG. 2, the sample is heated to 425 ° C. in an atmosphere in which water heated to 85 ° C. is bubbled with nitrogen gas, thereby selectively oxidizing
その後、気相化学堆積法(CVD:Chemical Vapour Deposition)を用いて、試料の全面にSiO2からなるパッシベーション膜9を形成する。より具体的には、SiO2からなるパッシベーション膜9は、シラン(SiH4)および亜酸化窒素(N2O)を原料ガスとし、ヘリウム(He)をキャリアガスとしたプラズマCVD法により形成される。そして、SiO2からなるパッシベーション膜9を形成する条件は、表1に示すとおりである。
Thereafter, a
そして、パッシベーション膜9を形成した後、写真製版技術を用いて光出射部となる領域およびその周辺領域のパッシベーション膜9を除去する(図3の工程(e)参照)。
Then, after the
その後、光出射部となる領域上に1辺が8μmであるレジストパターンを形成し、試料の全面にp側電極材料を蒸着により形成し、レジストパターン上のp側電極材料をリフトオフにより除去して配線電極11をパッシベーション膜9上に形成する。そして、基板1の裏面を研磨し、基板1の裏面にn側電極12を形成し、さらに、アニールして配線電極11およびn側電極12のオーミック導通を取る(図3の工程(f)参照)。これによって、面発光レーザ素子10が作製される。
Thereafter, a resist pattern having a side of 8 μm is formed on the region to be the light emitting portion, a p-side electrode material is formed on the entire surface of the sample by vapor deposition, and the p-side electrode material on the resist pattern is removed by lift-off. A
表1に示す条件で形成したSiO2の応力は、予め、4インチのSi基板に表1に示す条件でSiO2を形成し、応力測定装置(KLA Tencor社製、Model FLX−2320)を用いて評価した。評価方法は、次のとおりである。Si基板の初期の反り量SP0を計測し、その後、SiO2を形成した後のSi基板の反り量SPSi/SiO2を計測する。そして、反り量SPSi/SiO2から反り量SP0を減算してSiO2自体の反り量SPSiO2を演算し、その計測した反り量SPSiO2に基づいて、SiO2の内部応力σを求める。その後、内部応力σにSiO2の膜厚を乗算してSiO2の全応力Sを求める。 Stress of the SiO 2 formed under the conditions shown in Table 1 in advance, the SiO 2 is formed under the conditions shown in the Si substrate 4-inch in Table 1, using a stress measuring device (KLA Tencor Corporation, Model FLX-2320) And evaluated. The evaluation method is as follows. The initial warpage amount SP 0 of the Si substrate is measured, and then the warpage amount SP Si / SiO 2 of the Si substrate after the formation of SiO 2 is measured. Then, by subtracting the amount of warp SP 0 from warpage SP Si / SiO2 calculated warpage SP SiO2 of SiO 2 per se, based on the amount of warpage SP SiO2 was the measurement to determine the internal stress of the SiO 2 sigma. Then, determine the total stress S of SiO 2 by multiplying the film thickness of the SiO 2 to the internal stress sigma.
このような方法によってSiO2の全応力を評価した結果、上述したように、SiO2の内部応力σは、−4×109dyn/cm2であり、SiO2の全応力Sは、150nmの膜厚において、−6×104dyn/cmであった。 As a result of evaluating the total stress of SiO 2 by such a method, as described above, the internal stress σ of SiO 2 is −4 × 10 9 dyn / cm 2 , and the total stress S of SiO 2 is 150 nm. The film thickness was −6 × 10 4 dyn / cm.
図4は、図1に示す面発光レーザ素子10の寿命試験の結果を示す図である。図4の(a),(b)において、縦軸は、CW駆動における初期の光出力で規格化した面発光レーザ素子10の光出力P/P0を表し、横軸は、時間を表す。また、図4の(c)において、縦軸は、井戸層がAlGaAsからなる活性層を備える面発光レーザ素子の光出力P/P0を表し、横軸は、時間を表す。
FIG. 4 is a diagram showing the results of a life test of the surface emitting
さらに、曲線k1〜k5は、それぞれ、選択酸化層7の非酸化領域7aの面積がそれぞれ29.9μm2、27.7μm2、26.9μm2、25.5μm2および8.7μm2である場合の光出力P/P0の時間依存性を示し、曲線k6,k7は、選択酸化層7の非酸化領域7aの面積が7.9μm2である場合の光出力P/P0の時間依存性を示し、曲線k8〜k10は、選択酸化層7の非酸化領域7aの面積が15.5μm2である場合の光出力P/P0の時間依存性を示す。なお、寿命試験は、60℃の環境で行なわれた。
Curve k1~k5, respectively, 29.9Myuemu 2 is the area of the
面発光レーザ素子を光書き込み装置等に用いる場合、面発光レーザ素子を、1000時間、連続して動作させたときの光出力が初期の光出力の80%以上であることが規格で決められている。 When a surface emitting laser element is used in an optical writing device or the like, the standard determines that the light output when the surface emitting laser element is continuously operated for 1000 hours is 80% or more of the initial light output. Yes.
図4に示す結果から、面発光レーザ素子10の非酸化領域7aの面積を上述した各面積のいずれに設定しても、1000時間の連続動作で80%以上の光出力P/P0が得られており、面発光レーザ素子を光書き込み装置等に用いる場合の規格を満たしている。
From the results shown in FIG. 4, even if the area of the
また、非酸化領域7aの面積が大きくなるに従って、活性層4に注入される電流量が増加し、面発光レーザ素子10における発熱量が多くなり、劣化に対して不利となるが、全応力が−6×104dyn/cmであるSiO2からなるパッシベーション膜9を用いることにより、1000時間以上の寿命を有する面発光レーザ素子10を実現できる。
Further, as the area of the
さらに、活性層4の井戸層がAlGaAsで構成されていても、1000時間の連続動作で80%以上の光出力P/P0が得られており、面発光レーザ素子を光書き込み装置等に用いる場合の規格を満たしている。したがって、活性層4の井戸層がGaInPおよびAlGaAsのいずれで構成しても、1000時間の連続動作で80%以上の光出力P/P0が得られ、面発光レーザ素子を光書き込み装置等に用いる場合の規格を満たす面発光レーザ素子を作製できる。 Further, even when the well layer of the active layer 4 is made of AlGaAs, a light output P / P0 of 80% or more is obtained by continuous operation for 1000 hours, and the surface emitting laser element is used for an optical writing device or the like. Meet the standards. Therefore, regardless of whether the well layer of the active layer 4 is made of GaInP or AlGaAs, an optical output P / P0 of 80% or more can be obtained in 1000 hours of continuous operation, and the surface emitting laser element is used for an optical writing device or the like. A surface emitting laser element satisfying the standard of the case can be manufactured.
なお、上記においては、面発光レーザ素子10の活性層4は、GaInPAs/Ga0.6In0.4Pからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層4は、Al0.12Ga0.88As/Al0.3Ga0.7Asからなっていてもよい。
In the above description, it has been described that the active layer 4 of the surface emitting
また、上記においては、共振器スペーサー層3,5は、ノンドープAl0.6Ga0.4Asからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、共振器スペーサー層3,5は、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなっていてもよい。共振器スペーサー層3,5を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pによって構成することにより、共振器スペーサー層3,5をAlGaAs系の材料により構成した場合よりも活性層4へのキャリア閉じ込め効果が大きくなり、面発光レーザ素子10の光出力を向上できる。
In the above description, the
さらに、上記においては、選択酸化層7は、p−AlAsからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、選択酸化層7は、AlxGa1−xAs(0.9≦x<1)からなっていてもよく、一般的には、選択酸化層7は、AlxGa1−xAs(0.9≦x≦1)からなっていればよい。
Further, in the above description, the
さらに、上記においては、パッシベーション膜9は、SiO2からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、パッシベーション膜9は、SiN膜、SiON膜、SiOH膜およびポリイミド膜のいずれかからなっていてもよい。そして、−8×108dyn/cm2の内部応力を有するSiON膜でパッシベーション膜9を構成した場合、SiON膜の膜厚を750nm以下にすることにより、パッシベーション膜9の全応力Sを−6×104dyn/cm以下に設定することができる。
In the above description, the
この発明の実施の形態による面発光レーザ素子は、図5に示す面発光レーザ素子10Aであってもよい。図5は、この発明の実施の形態による面発光レーザ素子の他の概略断面図である。図5を参照して、面発光レーザ素子10Aは、図1に示す面発光レーザ素子10にポリイミド膜13を追加したものであり、その他は、面発光レーザ素子10と同じである。
The surface emitting laser element according to the embodiment of the present invention may be a surface emitting
ポリイミド膜13は、パッシベーション膜9および配線電極11に接してパッシベーション膜9と配線電極11との間に形成される。そして、ポリイミド膜13は、メサ構造体20(=活性層4、共振器スペーサー層5、反射層6および選択酸化層7からなる)の高さとほぼ同じ膜厚を有する。これによって、配線電極11を平坦化でき、配線電極11の段差部分での断線を防止できる。
The
面発光レーザ素子10Aの作製方法は、図2および図3に示す工程(a)〜(f)に従って行なわれるが、工程(f)においては、配線電極11をパッシベーション膜9上に形成する前にポリイミド膜13を形成し、その形成したポリイミド膜13上に配線電極11を形成する。
The surface emitting
そして、ポリイミド膜13は、スピンコートによってパッシベーション膜9上に形成される。より具体的には、ポリイミド膜13は、感光性ポリイミド(商品名:PIMEL G−7640E)を2200rpmでスピンコートによって4μmの膜厚に塗布する。そして、メサ構造体20の上部のコンタクト層8が露出するように露光・現像し、ポストベークおよびキュアすることで、メサ構造体20に隣接する凹部に膜を形成できる。
The
このようにして形成したポリイミド膜13をマスクとしてメサ構造体20の上部の絶縁体をバッファードフッ酸(BHF)によってエッチングし、配線電極11を形成するための窓開けを行なう。その後、上述した配線電極11を形成する。
Using the
ポリイミドをキュアすることで溶剤が抜けるので、ポリイミド膜13の膜厚は、塗布した膜厚(=4μm)の半分(=2μm)になる。このポリイミド膜13の内部応力を計測した結果、3.7×108dyn/cm2の引っ張り応力であった。その結果、ポリイミド膜13の全応力Sは、7.4×104dyn/cm(=3.7×108dyn/cm2×2×10−4cm)となる。
Since the solvent is removed by curing the polyimide, the film thickness of the
ポリイミド膜13は、パッシベーション膜9に接して形成され、パッシベーション膜9は、上述したように、−6×104dyn/cmの全応力を有するので、パッシベーション膜9およびポリイミド膜13の全体の合成応力は、1.4×104dyn/cm(=7.4×104dyn/cm+(−6×104dyn/cm))となり、パッシベーション膜9だけの全応力よりも小さくなる。
The
面発光レーザ素子10Aの寿命試験を行なった結果、60℃の温度で1000時間、動作させても、出射光の劣化は、観測されなかった。
As a result of conducting a life test of the surface emitting
このように、パッシベーション膜9と反対の全応力を有するポリイミド膜13をパッシベーション膜9と組合わせることによって、歪み補償を行なうことができ、全応力を1.4×104dyn/cmまで低減できた。その結果、面発光レーザ素子10Aを書き込み用の半導体レーザとして用いることができる。
Thus, by combining the
上記においては、−6×104dyn/cmの全応力を有するパッシベーション膜9を備える面発光レーザ素子10と、1.4×104dyn/cmの全応力を有するパッシベーション膜9およびポリイミド膜13を備える面発光レーザ素子10Aとについて説明したが、この発明による面発光レーザ素子は、全応力の絶対値が6×104dyn/cm以下である絶縁膜を備えていればよく、より一般的には、面発光レーザ素子の寿命を基準値(=60℃の動作温度で1000時間、連続動作させたときの光出力の劣化率が80%)以上に設定する全応力を有する絶縁膜を備えていればよい。
In the above, the surface emitting
図6は、この発明による面発光レーザ素子を備えた面発光レーザアレイの平面図である。図6を参照して、面発光レーザアレイ100は、16個の面発光レーザ素子10を備える。なお、図6においては、面発光レーザ素子10のメサ構造体20は、直径20μmの円形形状を有するものとして示されている。
FIG. 6 is a plan view of a surface emitting laser array including the surface emitting laser element according to the present invention. Referring to FIG. 6, the surface emitting
面発光レーザアレイ100においては、面発光レーザ素子10は、4×4に配置されており、副走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子10の間隔は、40μmであり、主走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子10の間隔も、40μmである。そして、主走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子は、その中心が副走査方向に10μmづつずらされている。そして、主走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子10から副走査方向に配置された線110へ下ろした4本の垂線111〜114の間隔dは、等間隔である。
In the surface emitting
その結果、面発光レーザアレイ100を用いて書き込みを行なうことにより2400DPI(ドット/インチ)を実現できる。
As a result, 2400 DPI (dot / inch) can be realized by writing using the surface emitting
図7は、この発明による面発光レーザ素子を備えた面発光レーザアレイの他の平面図である。図7を参照して、面発光レーザアレイ100Aは、40個の面発光レーザ素子10と、40本の配線120と、40個のパッド130とを備える。
FIG. 7 is another plan view of a surface emitting laser array including the surface emitting laser element according to the present invention. Referring to FIG. 7, surface emitting
40個の面発光レーザ素子10は、4個の面発光レーザ素子10が副走査方向に配置され、10個の面発光レーザ素子10が主走査方向に配置された4×10個の面発光レーザ素子10からなる。そして、40本の配線120の各々は、1個の面発光レーザ素子10を1個のパッド130に接続する。この場合、40個の面発光レーザ素子10のうち、内周部に配置された16個の面発光レーザ素子10を16個のパッド130に接続する16本の配線120は、主走査方向に配置された10個の面発光レーザ素子10の間に配置される。より具体的には、この16本の配線120は、主走査方向に配置された隣接する2つの面発光レーザ素子10間を1本の配線120が通過するように配置される。
The 40 surface emitting
そして、面発光レーザアレイ100Aにおいては、副走査方向に配置された隣接する2つの面発光レーザ素子10間には、配線120は、配置されない。これにより、副走査方向の寸法を短くでき、面発光レーザアレイ100A全体のサイズを小さくできる。
In the surface emitting
面発光レーザアレイ100Aの寿命試験を60℃で行なった結果、1000時間の連続動作で、光出力の劣化率は、20%以内であり、面発光レーザアレイ100Aは、光書き込み用の光源としての規格を満たしている。
As a result of conducting a life test of the surface emitting
なお、面発光レーザアレイ100,100Aにおいては、面発光レーザ素子10に代えて面発光レーザ素子10Aを用いてもよい。
In the surface emitting
上記においては、面発光レーザアレイを構成する複数の面発光レーザ素子として、4×4個の面発光レーザ素子10および4×10個の面発光レーザ素子10を示したが、この発明による面発光レーザアレイは、これ以外の個数の面発光レーザ素子を備えていてもよく、その配置も自由である。
In the above description, 4 × 4 surface emitting
図8は、この発明による面発光レーザアレイを備えたレーザプリンターの構成を示す概略図である。図8を参照して、レーザプリンター200は、面発光レーザアレイ100Aと、レンズ101,103と、ポリゴンミラー102と、感光体104とを備える。なお、レーザプリンター200は、この発明による「画像形成装置」を構成する。
FIG. 8 is a schematic view showing the configuration of a laser printer provided with a surface emitting laser array according to the present invention. Referring to FIG. 8, the
面発光レーザアレイ100Aは、40個のビームを放射する。レンズ101は、面発光レーザアレイ100Aから放射された40個のビームをポリゴンミラー102へ導く。
The surface emitting
ポリゴンミラー102は、所定の速度で時計方向に回転し、レンズ101から受けた40個のビームを主走査方向および副走査方向に走査させてレンズ103へ導く。レンズ103は、ポリゴンミラー102によって走査された40個のビームを感光体104に導く。
The
このように、レーザプリンター200は、面発光レーザアレイ100Aからの40個のビームをレンズ101,103およびポリゴンミラー102等からなる同じ光学系を用い、ポリゴンミラー102を高速回転させるとともに、ドット位置を点灯のタイミングを調整して副走査方向に分離した40個の光スポットとして被走査面である感光体104上に集光する。
As described above, the
レーザプリンター200においては、副走査方向(感光体104の回転方向)に約10μm間隔で書き込み可能であり、2400DPIを実現できる。また、主走査方向の書き込み間隔は、光源である面発光レーザアレイ100Aにおける40個の面発光レーザ素子10の点灯タイミングを調整することによって容易に制御できる。
In the
このように、レーザプリンター200においては、40ドットを同時に書き込み可能であり、高速印刷でき、面発光レーザアレイ100Aにおける面発光レーザ素子10の素子数を増やすことにより、更に高速印刷が可能である。また、面発光レーザ素子10の間隔を調整することによって副走査方向の間隔を調整でき、2400DPIよりも更に高密度に書き込みを行なうことができる。
Thus, in the
なお、レーザプリンター200においては、面発光レーザアレイ100Aに代えて面発光レーザアレイ100を用いてもよい。
In the
また、上記においては、面発光レーザアレイ100,100Aのレーザプリンターへの応用例を示したが、面発光レーザアレイ100,100Aを他の画像形成装置に適用してもよい。
In the above description, the surface emitting
この発明の実施の形態によれば、この発明による面発光レーザ素子は、メサ構造体に接して形成され、かつ、面発光レーザ素子の寿命を基準値以上に設定する全応力を有する絶縁膜を備える。 According to the embodiment of the present invention, a surface emitting laser element according to the present invention includes an insulating film formed in contact with a mesa structure and having a total stress that sets a lifetime of the surface emitting laser element to a reference value or more. Prepare.
したがって、この発明によれば、面発光レーザ素子の寿命を基準値以上に長くできる。 Therefore, according to the present invention, the lifetime of the surface emitting laser element can be made longer than the reference value.
また、この発明による面発光レーザアレイおよび画像形成装置は、この発明による面発光レーザ素子を備える。 The surface emitting laser array and the image forming apparatus according to the present invention include the surface emitting laser element according to the present invention.
したがって、この発明によれば、面発光レーザアレイおよび画像形成装置の寿命を長くできる。 Therefore, according to the present invention, the lifetime of the surface emitting laser array and the image forming apparatus can be extended.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
この発明は、基準値以上の寿命を有する面発光レーザ素子に適用される。また、この発明は、基準値以上の寿命を有する面発光レーザ素子を備えた面発光レーザアレイに適用される。さらに、この発明は、基準値以上の寿命を有する面発光レーザアレイを備えた画像形成装置に適用される。 The present invention is applied to a surface emitting laser element having a lifetime equal to or greater than a reference value. Further, the present invention is applied to a surface emitting laser array provided with a surface emitting laser element having a lifetime equal to or greater than a reference value. Furthermore, the present invention is applied to an image forming apparatus including a surface emitting laser array having a lifetime equal to or greater than a reference value.
1 基板、2,6 反射層、3,5 共振器スペーサー層、4 活性層、7 選択酸化層、7a 非酸化領域、7b 酸化領域、8 コンタクト層、9 パッシベーション膜、10,10A 面発光レーザ素子、11 配線電極、12 n側電極、13 ポリイミド膜、20 メサ構造体、30 レジストパターン、100,100A 面発光レーザアレイ、110 線、111〜114 垂線、120 配線、130 パッド、200 レーザプリンター、101,103 レンズ、102 ポリゴンミラー、104 感光体。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
基板と、
前記基板上に形成され、柱状構造からなるメサ構造体と、
前記基板の面内方向における前記メサ構造体の周囲を覆う絶縁膜とを備え、
前記絶縁膜は、前記面発光レーザ素子の寿命を基準値以上に設定する全応力を有する、面発光レーザ素子。 A surface emitting laser element,
A substrate,
A mesa structure formed on the substrate and having a columnar structure;
An insulating film covering the periphery of the mesa structure in the in-plane direction of the substrate;
The surface-emitting laser element, wherein the insulating film has a total stress that sets a lifetime of the surface-emitting laser element to a reference value or more.
前記絶縁膜は、
前記メサ構造体および前記面内方向における前記メサ構造体の周囲の半導体層に接して形成された第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜および前記配線に接して形成され、前記面内方向において前記配線を略平坦化する第2の絶縁膜とを含む、請求項1または請求項2に記載の面発光レーザ素子。 A wiring connected to a semiconductor layer included in the mesa structure;
The insulating film is
A first insulating film formed in contact with the mesa structure and a semiconductor layer around the mesa structure in the in-plane direction;
3. The surface-emitting laser element according to claim 1, further comprising: a second insulating film formed in contact with the first insulating film and the wiring and substantially planarizing the wiring in the in-plane direction. .
前記第1および第2の絶縁膜の他方は、前記圧縮応力および前記引っ張り応力のいずれか他方の応力からなる内部応力を有する、請求項3に記載の面発光レーザ素子。 One of the first and second insulating films has an internal stress composed of either a compressive stress or a tensile stress,
4. The surface emitting laser element according to claim 3, wherein the other of the first and second insulating films has an internal stress composed of one of the compressive stress and the tensile stress.
前記複数の面発光レーザ素子の各々は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の面発光レーザ素子からなる、面発光レーザアレイ。 Comprising a plurality of surface emitting laser elements,
Each of these surface emitting laser elements is a surface emitting laser array which consists of a surface emitting laser element of any one of Claims 1-4.
前記書き込み光源は、請求項6に記載の面発光レーザアレイからなる、画像形成装置。 With a writing light source,
The image forming apparatus, wherein the writing light source includes the surface emitting laser array according to claim 6.
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