JP2009094485A - 垂直共振器型面発光レーザ素子、及び該垂直共振器型面発光レーザ素子を用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチモードの発振を抑制する多層膜反射鏡を有するレーザ素子を提供する。
【解決手段】 第１のミラー１００２と、活性層を含む共振器１０００と、第２のミラー１０１０とが積層されてなる垂直共振器型面発光レーザである。前記第２のミラー１０１０は、第１の層１０１４と、該第１の層よりも高い屈折率を有する第２の層１０１２とを交互に複数積層して形成されている多層膜反射鏡である。前記第２の層１０１２のうち少なくとも一層に、酸化領域と非酸化領域とからなる酸化狭窄構造が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザ素子に関する。また、本発明は、前記レーザ素子を用いた画像形成装置に関する。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板の面内方向に対して垂直にレーザ光が出射するレーザ素子である。

ＶＣＳＥＬは、端面発光型レーザに比べて、製造プロセスが簡略化でき、２次元アレイ化が容易であるなどの利点を有しており、近年、活発に研究が進められている。

このＶＣＳＥＬに用いられる反射層としては、通常、分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が用いられる。

ＤＢＲは、一般的には、高屈折率層と低屈折率層とを、λ／４の光学的膜厚で交互に積層して形成する。即ち、ＤＢＲは、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した積層構造体となっており、該積層構造体は、その厚さ方向に屈折率が周期的に変化する構造を持っている。この周期的な屈折率変化のために、ＤＢＲに入力された光は各層の界面で位相が揃うように反射される。その結果、各層での反射波同士は強め合うことになり、ＤＢＲは反射鏡として機能する。

また、このＤＢＲを構成する層に酸化構造を設け、活性層に注入する電流を制御することにより該活性層の発光領域を制限する面発光レーザが知られている（非特許文献１）。以下、この酸化狭窄構造を有する面発光レーザ（選択酸化型面発光レーザともいう。）について、図８を用いて説明を行う。

図８において、ＧａＡｓ半導体基板８０１の上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層８０８と、ＡｌＡｓ低屈折率層８０９が交互に積層されて構成されたＤＢＲ８０２が設けられている。ＤＢＲ８０２の上には、３つのＧａＡｓ量子井戸とスペーサ層とからなるＡｌＧａＡｓ共振器８０３が設けられている。該共振器８０３の上にはｐ型にドープされたＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層８１０とＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層８１１が交互に積層されたＤＢＲ８０４が形成されている。

そして、ＤＢＲ８０４を構成するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層８１１の内、共振器８０３に最も近い箇所に位置する低屈折率層内には厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓ層８０５が導入されている。更に、半導体基板８０１の裏面とＤＢＲ８０４の上部にはそれぞれ電流注入のための上部電極８０６と下部電極８０７が形成されており、ＤＢＲ８０２はｎ型、ＤＢＲ８０４はｐ型にドープされている。

前記ＡｌＡｓ層８０５は、酸化狭窄構造を形成するために選択的に酸化される。ＡｌＡｓ層８０５は、ＤＢＲ８０４を構成する他の層よりもＡｌの含有率が高いため、酸化される速度が速く、高温水蒸気雰囲気中で選択的に酸化する。この酸化により、約３．１の屈折率を有していた半導体は、約１．６の屈折率を有する絶縁体（酸化アルミニウム）に変化する。

非特許文献１では図８を用いて説明したように、ＤＢＲを構成する低屈折率層８１１の中にＡｌを多く含む選択酸化層が設けられている。そして、横方向からの酸化処理により、ＡｌＡｓ層８０５は酸化領域８１２と非酸化領域８１３になり、酸化狭窄構造が形成される。
Ｍ．Ｇｒａｂｈｅｒｒ，他 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９ ｎｏ．１０、１９９７、ｐｐ１３０４

ところで、垂直共振器型面発光レーザ素子の基本横モードのビームは、中心の強度が最も強いガウス状の光強度分布を持つ拡がりの小さなビームである。そのため、中心に光強度が集中しているスポットの小さなビームが求められる電子写真装置における露光用光源としては高次横モードのビームよりも基本横モードのビームの方が望ましいビームといえる。

また、複数の横モードが同時に発振すると、レーザの動作条件や動作環境によって横モードが不安定になる。つまりモード間のホッピングが生じ、ビームの広がり幅や強度分布が変化してしまう。
このような背景から、安定した単一基本横モードでの発振が望まれる。

そこで、非特許文献１では、非酸化領域（図８における領域８１３）の径（以下、「狭窄径」と称する。）を絞ることにより単一基本横モード化を図っている。

しかしながら、本発明者らは、図８における構成において、非酸化領域８１３を含むＤＢＲの反射率と、酸化領域８１２を含むＤＢＲの反射率とを計算したところ、酸化領域８１２を含むＤＢＲの反射率の方が高くなっているということが分かった。（なお、計算条件の詳細は後述する。）
すなわち、従来例の構成においては、酸化狭窄構造を設けることにより、ＤＢＲの中央部よりも周辺部の反射率が高くなることを見出した。この結果、中央部にパワー分布を多く有する基本モードの光に対する反射率よりも、周辺部にパワー分布を多く有する高次モードの光の反射率が高くなり、高次モードの発振を促す影響を与えているという認識に初めて至った。
特に、高出力化を意図して、酸化狭窄構造の狭窄径を拡張した場合には、酸化狭窄構造による横モード制御が不十分なものとなり、ＤＢＲの影響を受けて高次モードで発振しやすい素子構成となってしまうことになる。

そこで、本発明は、電流を狭窄する機能と共に、マルチモードの発振を抑制することのできる垂直共振器型面発光レーザ素子、および該素子を用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る垂直共振器型面発光レーザ素子は、第１のミラーと、活性層を含む共振器と、第２のミラーとが積層されてなる垂直共振器型面発光レーザ素子であって、前記第２のミラーは、第１の層と、該第１の層よりも高い屈折率を有する第２の層とを交互に複数積層して形成されている多層膜反射鏡であり、且つ
前記多層膜反射鏡を構成する前記第２の層のうち少なくとも一層に、酸化領域と非酸化領域とからなり前記活性層の発光領域を制限するための酸化狭窄構造が設けられていることを特徴とする。

また、別の本発明に係る画像形成装置は、前記垂直共振器型面発光レーザ素子を複数有するアレイ光源と、前記アレイ光源から出力されるレーザ光を反射して走査するための光偏向器と、前記光偏向器により偏向された光により静電潜像を形成するための感光体と、前記静電潜像を現像するための現像器を有することを特徴とする。

本発明によれば、電流を狭窄する機能と共に、マルチモードの発振を抑制することのできる垂直共振器型面発光レーザ素子、および該素子を用いた画像形成装置を提供することができる。

（第１の実施形態：垂直共振器型面発光レーザ素子）
本実施形態に係る発明について、図１（ａ）を用いて説明する。

本実施形態に係る発明レーザ素子は、第１のミラー１００２と、活性層を含む共振器１０００（図において、活性層の詳細は省略している。）と、第２のミラー１０１０とが積層されてなる垂直共振器型面発光レーザ素子である。

前記第２のミラー１０１０は、第１の屈折率である第１の層１０１４と、該第１の屈折率よりも高い第２の屈折率である第２の層１０１２とを交互に複数積層して形成されている多層膜反射鏡である。更に、前記多層膜反射鏡を構成する前記第２の層の一部の層１０２２の周辺部１５００には、酸化領域１０１６が設けられている。具体的には、前記第２の屈折率よりも低い屈折率である酸化領域１０１６が、該層１０２２の厚さ方向に関して、前記第２の屈折率である領域１０３２、１０４２の間に介在するように設けられている。

図１（ａ）においては、前記第２のミラー１０１０を構成する複数の前記第２の層の内、当該層の周辺部１５００に酸化領域１０１６を有する層を１０２２として示している。

ここで、周辺部１５００を含む位置における断面（図１（ａ）の矢印１９９９での断面）は、図１（ｂ）のように周辺部１５００、１５１０と、中央部１６００とで構成される。詳細は後述するが、周辺部１５００、１５１０は、酸化領域１０１６からなり、中央部１０１７には非酸化領域が存在する。

図２（ａ）は、図１（ａ）における点線枠１８００の箇所の屈折率に関して、積層方向の変化を示したものである。即ち、面発光レーザの共振器１０００と、その直上に形成されているＤＢＲ１０１０の積層方向の屈折率変化を示している。

本発明では、図２（ａ）に示すように、ＤＢＲを構成する第２の層（高屈折率層）１０１２と、第１の層（低屈折率層）１０１４のうち、高屈折率層１０１２の内部に選択酸化層１０１８を配置する。

当該選択酸化層１０１８は、酸化工程により酸化されると、この部分の屈折率が低下し、図２（ｂ）の屈折率分布となる。図では、酸化処理により、選択酸化層１０１８が酸化層１０１６に変化し、選択酸化層１０１８の屈折率が更に低下した様子を示している。

ＤＢＲは通常、発光波長をλとした場合に、λ／４の光学的膜厚にて、高屈折率層と低屈折率層とのペアが交互に複数回積層されて構成される。図２（ｂ）に示すように本発明による構成では、上記λ／４の光学的膜厚で考えた場合に、本来、高屈折率層を配置すべき箇所１０２２に、酸化狭窄構造を構成する酸化領域１０１６が位置することになる。

このように本発明においては、前記箇所１０２２に屈折率の低い材料を設けたことから、ＤＢＲ層１０１０全体として捉えた場合の、積層方向に関する屈折率の周期的分布が乱されることになる。具体的には、図２（ｂ）では共振器１０００直上の低屈折率層１０１４（ｉ）の後ろには、平均すると屈折率の低い層（１０４２、１０１８、１０３２）が配置されている。更に、その後ろの低屈折率層１０１４（ｉｉ）は、酸化層１０１６から見ると屈折率の高い層になっている。

本発明に係るＤＢＲでは、酸化層１０１６を含む領域１０２２とその上下の低屈折率層１０１４（ｉ）（ｉｉ）との界面からの反射波が、他の界面からの反射波と打ち消しあうように作用する。この結果、酸化した領域１０２２を含むＤＢＲ層１０１０の反射率が低下する。

図３に本発明の形態での選択酸化層を酸化された周辺部１５００と酸化されていない中央部１６００の反射率の計算結果を示す。図の横軸はＤＢＲの繰り返し積層数であり、縦軸は反射率である。

なお、計算モデルは、赤色面発光レーザのための酸化狭窄層を有する光出射側ＤＢＲ１０１０であり、活性層を含む共振器１０００から見た反射率を計算している。例えば、ＤＢＲの低屈折率層１０１４はＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ、高屈折率側はＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓで構成する。酸化領域１０１６は高屈折率層の中心に位置しており厚さは３０ｎｍ、発振波長は６８０ｎｍとした。なお、図１の酸化領域１０１６の両側の高屈折率部１０３２と１０４２の厚さは両方とも１２ｎｍとして計算している。１０１４の厚さは、５４ｎｍである。

反射率計算は特性マトリックス法を用いている。図３では酸化領域である周辺部１５００の反射率が、非酸化領域である中央部１６００の反射率と比較して低下していることが分かる。この図３より、本発明の構成では、選択酸化層を酸化することにより、当該領域を含む共振方向の反射率を低下し得る構成となっていることが確認される。

このようにＤＢＲ１０１０における中央部１６００の反射率を高くし、周辺部１５００の反射率を低くすると、単一横モードで発振しやすくなる。なぜなら、周辺部にパワー分布を多く有する高次モードの光が、ＤＢＲの反射率が低い領域にオーバーラップすることになるからである。

この結果、本発明の構成において、狭窄径を従来例で単一横モードを維持できる直径より大きくした場合であっても反射率分布が高次モード発振を抑制する効果を有する。そのため、従来例と比較すると、より大きな狭窄径まで単一モード動作を維持することが可能となる。

一方、図９（ａ）には、非特許文献１に代表される一般的に用いられる公知の構成の層構成を示す図で、面発光レーザの共振器１０００と、その直上に形成されているＤＢＲ１０１０の積層方向の屈折率変化を示している。

図９（ａ）に示す構成では、酸化層４０１８は低屈折率層１０４４内に配置されており、酸化することにより選択酸化層は、酸化領域４０１６となり、その屈折率は大きく低下する（その様子が図９（ｂ）に示されている）。

この場合、積層方向での屈折率分布は変化するが、その層はもともと上下の層と比較し屈折率を低くすべき層であり、ＤＢＲ１０１０を構成する層の積層方向での屈折率分布の周期性は変わらない。

そのため、ＤＢＲ１０１０の各界面で反射した波の位相は図９（ａ）と変わらないため、各界面での反射波同士は強めあうことになる。さらに、酸化領域４０１６を有する低屈折率層１０４４とその上下の高屈折率層１０１２との間での屈折率差が大きくなり、ＤＢＲ全体の反射率も上昇する。

図１０は、非特許文献１のようにＤＢＲ１０１０中の低屈折率層１０４４に酸化層を配置した場合における、酸化領域である周辺部と非酸化領域である中央部の反射率の計算結果を示している。酸化領域の位置を除いて図３の計算モデルと同じ構成である。図１０では酸化により、周辺部の反射率が上昇していることが確認できる。

（酸化領域）
本発明に係る垂直共振器型面発光レーザでは、図１のように、酸化狭窄構造を含む高屈折率層（第２の層）１０２２は、必ずしも１層に限られる必要はなく、例えば、２層、３層、あるいは、それ以上の層を設けてもよい。

また、電流狭窄という観点からは前記共振器に最も近い前記第２の層の前記周辺部に前記酸化領域が形成されている方が好ましい。

前記酸化領域は、前記第２のミラー上から注入される電流を前記周辺部の内側に狭窄すると共に、前記共振器の共振方向に関する前記周辺部の反射率を該周辺部の内側（中央部）に比べて低下させることが必要になる。

なお、上記説明では、第２のミラー側に酸化領域を設けることを説明しているが、第１のミラーも多層膜ミラーで形成し、当該層を構成する高屈折率層に酸化領域を設ける構成も可能である。更に、第１及び第２のミラーの両方に、酸化領域を設ける構成も可能である。

酸化領域１０１６は、厚さ方向に関して、その両側に高屈折率材料からなる部分（図１の１０３２、１０４２）があるように設けることが、低屈折率層１０１４との界面を乱さないという点でも好ましい。また、酸化層を設けることによる界面の乱れを抑制するために、前記部分１０３２と１０４２との実際の厚さ（光学的厚さではない。）は、以下の数値範囲にするのがよい。

具体的には、当該厚さは、５ｎｍ以上１９ｎｍ以下、好ましくは１０３２が７ｎｍ、１０４２が１７ｎｍにするのがよい。本発明者らが検討したところ、１０３２と１０４２の厚さは等しくする必要はなく、両者の厚さを非対称にしてもよい。特に、１０３２を７ｎｍ、１０４２を１７ｎｍにすることにより酸化領域の反射率を最も大きく下げることができることが分かっている。

また、複数の前記第２の層の前記周辺部に、前記酸化領域が設けられている場合は、それぞれの酸化領域によって規定される狭窄径を、互いに異ならせることもできる。具体的には、前記共振器に最も近い前記第２の層に形成されている第１の酸化狭窄構造の狭窄径を第１の径とする。そして、他の前記第２の層に形成されている第２の酸化狭窄構造の狭窄径を第２の径とする。そして、この第１の径を第２の径よりも大きい構造となるように、設計することも好ましい。特に活性層に近い側の酸化領域の存在によって基本モードの光損失に大きな影響を与えたくない場合には有効である。

従来例の構造では、活性層へ注入される電流密度分布は発光部分（活性層のうち、非酸化部分８１３の下に位置している部分）では、その外周部がやや高く中心部分がやや低い分布となっている。

一方、基本モードの光強度分布は中心が最も強い単峰性の強度分布であり、発光部分の外周部は中心と比較して１／３以下である。そのため、基本モードと注入電流の密度分布が異なるため、基本モードのみでは注入されたキャリアを効率よく消費することは難しく、素子の発光効率が低下する。そして基本モードが消費できない外周部のキャリアは高次モードに利得を与えることになり，高次モード発振を促進する効果が生じる。

それに対して狭窄径（６９８；前記第１の狭窄径）を狭窄径（６９９；前記第２の狭窄径）に比べて大きくすることにより活性層へ注入される電流密度の分布は従来例と比較して中心が最も高い単峰性の分布になる。そのため、従来例と比較して電流注入密度の分布が基本モードの密度分布（単峰性の分布）に近くなり、基本モードが誘導放出により効率よくキャリアを消費することができる。更に、素子の発光効率の向上や発光部外周に存在する余剰キャリアによる高次モードの発振を抑制できる。なお、狭窄径６９９を小さくすることにより素子の電気抵抗が上がる場合があるが、これは６０６層周辺のドーピング濃度を上げておくこと等により、その上昇を軽減することが可能である。

また、このように酸化狭窄径を変化させるためには、例えば、図６の共振器６０３及び第２のミラー６０４の部分を他の素子と区分けするためのエッチングにより、台形のメサ状（上面側、電極６０８側が凸状）にしておく。選択酸化層が同じ厚さである場合には、酸化領域６０５と６０６の酸化領域を形成する処理を同時に行うと、面内方向に同じ長さの周辺部が酸化されることになる。酸化処理前の形状が、メサ形状であれば、共振器６０３に近い方側の第１の狭窄径が、第２の狭窄径よりも大きい構造が実現する。勿論、メサ形状でなく、図６の模式図のように、実質的に基板の面内方向に対して、垂直にエッチングされている場合には、選択酸化層の厚さを予め異ならせておくことにより、両方の狭窄径の大小関係を制御できる。

なお、通常の酸化処理の場合には、選択酸化層が厚いと薄い場合に比べて、酸化領域の形成速度は速い。従って、第１の狭窄径を形成するための選択酸化層を第２の狭窄径を形成するための選択酸化層よりも厚くしておけば、第１の狭窄径が第２の狭窄径よりも大きい構造を作製できる。

（材料）
基板上に、前記第１のミラー１００２と、前記共振器１０００と、前記第２のミラー１０１０とがこの順に積層して、レーザ素子を提供することもできる。例えば赤色のレーザへ適用する場合には、前記基板をｎ型ＧａＡｓで構成し、前記第１のミラーはＡｌＧａＡｓで構成されるｎ型半導体多層膜反射鏡で構成する。そして、前記共振器を構成する前記活性層をＧａＩｎＰとし、スペーサ層をＡｌＧａＩｎＰやＡｌＩｎＰとすることができる。また、前記第２のミラーはＡｌＧａＡｓで構成されるｐ型半導体多層膜反射鏡で構成する。より詳細の材料構成や膜厚に関しては、後述の実施例において説明する。

また、本発明においては、第１のミラーは、必ずしもＤＢＲミラーである必要は無く、例えば面内方向に周期的な屈折率の変化を有するフォトニック結晶構造を利用することもできる。また、基板と第２のミラーの関係は、電流注入できるのであれば、基板／第１のミラー／共振器／第２のミラーの構成でも、基板／第２のミラー／共振器／第１のミラーの構成でもよい。

なお、本発明に係る特徴事項は、いわゆる赤色発光のためのレーザのみならず、ＧａＮ系など青色やより短波長側のレーザにも適用可能である。

（第２の実施形態：応用装置）
第１の実施形態において説明した前記垂直共振器型面発光レーザを有する光源として用いることにより様々な応用装置（画像表示装置や画像形成装置）が期待される。勿論、前記レーザ素子を複数有するアレイ光源として用いることもできる。

画像形成装置に適用する場合には、図５に示すように、前述の垂直共振器型面発光レーザ９１４からなる光源と、該レーザから出力されるレーザ光を反射して走査するための光偏向器９１０と含み構成される。光偏向器９１０は、レーザ光を反射する機能と、反射方向を走査する機能を持っていれば、その構成は特に限定されるものではない。

例えば、複写機やレーザビームプリンタなどの画像形成装置の場合は、以下の構成により実現される。即ち、該光源から出力されるレーザ光を反射して走査するための光偏向器と、該光偏向器により偏向された光により静電潜像を形成するための感光体と、該静電潜像を現像するための現像器とを含み構成される。

光偏向器９１０は、レーザ光を反射する機能と、反射方向を走査する機能を持っていれば、その構成は特に限定されるものではない。

このような光偏向器９１０としては、例えば多面反射鏡やポリゴンミラーや、Ｓｉなどからなる薄片体を揺動させることにより構成される反射鏡を用いることができる。

電子写真装置としては、前記光偏向器９１０により偏向されたビームにより静電潜像を形成するための、例えばドラム状の感光体９００と、帯電器９０２と、現像器９０４と、定着器９０８とを含み構成される。

勿論、ディスプレイなどの画像表示装置に本発明に係る赤色面発光レーザ素子を用いる場合にも、前記偏向器などと組み合わせて構成することができる。

また、前述した赤色面発光レーザ素子をアレイ状に複数個配置して、マルチビームとして、前記画像形成装置などに適用することもできる。

図５には、本発明による赤色面発光レーザアレイを実装した電子写真記録方式の画像形成装置の構造図を示している。図５（ａ）は画像形成装置の上面図であり、図５（ｂ）は同装置の側面図である。

図５において、９００は感光体、９０２は帯電器、９０４は現像器、９０６は転写帯電器、９０８は定着器、９１０は光偏向器としての回転多面鏡、９１２はモータである。９１４は赤色面発光レーザアレイ、９１６は反射鏡、９２０はコリメータレンズ及び９２２はｆ−θレンズである。

図５（ｂ）において、モータ９１２は回転多面鏡９１０を回転駆動するものである。本実施例における回転多面鏡９１０は、６つの反射面を備えている。

９１４は記録用光源であるところの面発光レーザアレイである。この面発光レーザアレイ９１４は、レーザドライバ（図示せず）により画像信号に応じて点灯または消灯し、こうして変調されたレーザ光は、赤色面発光レーザアレイ９１４からコリメータレンズ９２０を介し回転多面鏡９１０に向けて照射される。

回転多面鏡９１０は矢印方向に回転していて、面発光レーザアレイ９１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡９１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ９２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡９１６を経て感光体９００に照射され、感光体９００上で主走査方向に走査される。このとき、回転多面鏡９１０の１面を介したビーム光の反射により、感光ドラム９００の主走査方向に赤色面発光レーザアレイ９１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。本実施例においては、４×８の赤色面発光レーザアレイ９１４を用いており、３２ライン分の画像が同時に形成される。

感光ドラム９００は、予め帯電器９０２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光体９００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器９０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器９０６により、転写紙（図示せず）に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器９０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。

なお、アレイとしては、例えば、４×８赤色面発光レーザアレイを用い得る。

（実施例１）
以下に本発明の実施例１について説明する。

図４に本実施例１に係る面発光レーザ構造の断面模式図を示す。

本実施例における面発光レーザ構造は、以下のように構成される。

すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板５０１、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ多層膜反射鏡５０２、４つのＧａ_０．４５Ｉｎ_０．５５Ｐ量子井戸とそれをはさむＡｌＧａＩｎＰ層で構成される共振器５０３を有する。また、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ多層膜反射鏡５０４、多層膜反射鏡５０４の活性層から第１層目のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層に挿入された厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層５０５を有する。また、厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓ層５０６、電気的絶縁とポスト保護のためのＳｉＯ_２５０９、上部電極５１０、基板裏面の下部電極５１１を有する。

ここで、ポストとは、共振器５０３と多層膜反射鏡５０４で構成される円柱状の部分のことである。

また、前記ｐ型多層膜反射鏡の実際の層厚（光学的な厚さではない。）は、低屈折率層（第１の層）となるＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓが、５４ｎｍであり、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓが５０ｎｍである。

なお、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層５０５は素子加工工程において横方向から酸化されており、酸化領域５０７と非酸化領域５０８に分かれている。

またｎ型多層膜反射鏡５０２の繰り返し回数は６０周期であり、ｐ型多層膜反射鏡５０４は３６周期であり、多層膜反射鏡を構成する２種類の光学的厚さは発振波長６６０ｎｍの１／４波長である。

多層膜反射鏡５０２と５０４の層界面には電気抵抗を下げるためＡｌとＧａの組成を連続的に変化させた組成傾斜層を用いても良い。

実際の素子作製手順を以下に示す。

まず、上記層構成を有機金属気相成長法や分子線エピタキシーを用いて成長させて成長ウエハを用意する。そのウエハを半導体リソグラフィー法および半導体エッチング技術により共振器５０３またはその下までドライエッチングで除去し、直径が３０μｍ程度の柱状のポストを形成する。

４５０℃程度の水蒸気雰囲気中でＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化狭窄層５０５を横方向から酸化させるが、このとき酸化時間を制御することにより電流及び光閉じ込めする酸化層５０７と酸化していない中心部分５０８を作成する。５０８の直径は４マイクロメートル程度となるように酸化時間を制御する。

ポスト側面とエッチング部分を覆うように絶縁膜堆積法であるプラズマＣＶＤ法やパターン形成法であるリソグラフフィー法を用いて絶縁膜５０９を形成する。

真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いてｐ側およびｎ側電極５１０、５１１を蒸着する。５１０は光取り出しのための円形窓が形成されている。

良好な電気特性を得るため、高温窒素雰囲気中で電極と半導体を合金化し素子が完成する。

非特許文献１に記載された方法では、酸化狭窄層の狭窄径が小さいため出力が大きく制限されてしまう。また、非特許文献１に示されているように、狭窄径を大きく（非特許文献１では４μｍ）すると光出力は大きくできるが、高次の横モードを含めた複数のモードで発振し易くなる。

高次横モードの発振の原因は、ｉ）狭窄径を拡大することにより光分布と活性領域との重なりが大きくなること、及びｉｉ）共振器内での散乱損失に関する横モード間での差が小さくなるためである。ところが、本実施例のように、ＤＢＲの反射率をビームの伝播と垂直な半径方向の外側を内側と比較して低下させた場合には、該構成が高次モードを抑圧する効果をもつ。そのため、光出力を大きくする為に狭窄径を大きくしたことにより前述ｉ）およびｉｉ）の効果が生じた場合でも高次モード発振を抑制することができる。

（実施例２）
実施例２ではＤＢＲを構成する高屈折率層の複数層に、酸化狭窄層を設ける構造について説明する。

図６に本実施例に係る面発光レーザ構造の断面模式図を示す。

本実施例における面発光レーザ構造は、ＧａＡｓ基板６０１上にｎ型多層膜反射鏡６０２、量子井戸及びバリア層で構成される実施例１と同じ活性層６０３、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ多層膜反射鏡６０４を有する。

また、ｐ型多層膜反射鏡６０４の活性層から第１層目と１２層目のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層に挿入された厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓの選択酸化層６０５、６０６を有する。また、高ドープｐ型ＧａＡｓ層６０７、上部電極６０８、基板裏面の下部電極６０９を有する。

本実施例の素子構成は、選択酸化層がｐ型多層膜反射鏡の１２層目のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層に挿入されている点を除いては、実施例１と同一の構成である。

素子作製は実施例１と同じ工程で行う。２つの選択酸化層は実施例１に記述した選択酸化層の酸化条件で行い、２つの酸化層は同時に酸化される。以上の工程で２つの酸化狭窄層を有する垂直共振器型面発光レーザが完成する。

実施例２において酸化狭窄層を２層設けた理由は、以下で説明する計算の結果が示すように、１層のみを導入した時と比較し、酸化領域での反射率の低下を大きくできることができ、基本モード選択の効果を大きくできるためである。

実施例２で選択酸化層を１２層目とした理由を以下で説明する。

図７に２層の選択酸化層を用いた場合の酸化層位置の反射率依存性をしめす。ここでは、第１の酸化層は活性層に最も近いＤＢＲの高屈折率層（実施例１の選択酸酸化層と同じ位置）に固定し、もう一方をそれより上に積層された高屈折率層に入れた場合の反射率の計算結果である。図７の横軸は第２層目が配置されている高屈折率の共振器から数えた層数を示しており、例えば、層位置３の場合は第２の酸化層は活性層から見て３番目のＤＢＲを構成する高屈折率層に置かれている。第１層目の酸化層は共振器直上の第１層目の高屈折率に固定されているので、この図で横軸が層位置３の時の計算モデルは第１層目と第３層目の高屈折率層に酸化層が配置されているモデルとなる。なお、第１の選択酸化層を活性層に最も近い高屈折率層に固定しているのは、狭窄した電流が広がらないようにするためである。この図より反射率差は第２の選択酸化層位置が１２層程度のとき最も大きく取れることが分かり、この付近がこの構成では最適点となる。そのため、実施例２ではこの位置となっている。

なお、酸化層の最適位置は面発光レーザを構成する層厚や材料等のパラメータにより変化するため、最適位置が必ずしも１２層目とは限らない。

また、前記酸化層により形成される狭窄径（図６の６９８、６９９）に関しては、活性層側に近い箇所に位置する狭窄径（６９８）を、それよりも遠い箇所に位置する狭窄径（６９９）に比べて、大きくするのが好ましい。特に、活性層側に近い箇所に位置する狭窄径（６９８）は、単一基本横モードの光損失に大きな影響を与えないように、当該モードに光分布に応じた狭窄径とするのがよい。

本発明を説明するためのレーザの断面構造である。 積層方向に関する屈折率の変化を示す概念図である。 酸化領域と非酸化領域における反射率の相違を示すグラフである。 実施例１における素子構造の模式的断面図である。 本発明に係る画像形成装置を説明するための図である。 実施例２における素子構造の模式的断面図である。 酸化領域と非酸化領域における反射率の相違を示すグラフである。 非特許文献１におけるレーザ素子の断面構造の模式図である。 非特許文献１における、積層方向に関する屈折率の変化を示す概念図である。 酸化領域と非酸化領域における反射率の相違を示すグラフである。

符号の説明

１０００ 共振器
１００２ 第１のミラー
１０１０ 第２のミラー
１０１４ 第１の層（低屈折率層）
１０１２ 第２の層（高屈折率層）
１０１６ 酸化領域
５０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
５０２ ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ多層膜反射鏡
５０３ ４つのＧａ_０．４５Ｉｎ_０．５５Ｐ量子井戸とそれをはさむＡｌＧａＩｎＰ層で構成される共振器
５０４ ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ多層膜反射鏡
５０５ 厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層
５０６ 厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓ層
５０７ 選択酸化層５０５で酸化工程により酸化された領域
５０８ 選択酸化層５０５で酸化工程により酸化されていない領域
５０９ 電気的絶縁とポスト保護のためのＳｉＯ_２
５１０ 上部電極
５１１ 基板裏面の下部電極
６０１ ＧａＡｓ基板上
６０２ ｎ型多層膜反射鏡
６０３ 量子井戸及びバリア層で構成される共振器
６０４ ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ多層膜反射鏡
６０５ ＤＢＲ６０４の第１層目Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層に挿入されたＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓの選択酸化層
６０６ ＤＢＲ６０４の１１層目のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層に挿入されたＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓの選択酸化層
６０７ 厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓ層
６０８ 上部電極
６０９ 基板裏面の下部電極
８０１ ＧａＡｓ半導体基板
８０２ ｎ−ＤＢＲ
８０３ 共振器
８０４ ｐ−ＤＢＲ
８０５ 選択酸化層
８０６ 上部電極
８０７ 基板裏面の下部電極
８０８ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層
８０９ ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層
８１０ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層
８１１ ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層

Claims (6)

1. 第１のミラーと、活性層を含む共振器と、第２のミラーとが積層されてなる垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
   前記第２のミラーは、第１の層と、該第１の層よりも高い屈折率を有する第２の層とを交互に複数積層して形成されている多層膜反射鏡であり、且つ
   前記多層膜反射鏡を構成する前記第２の層のうち少なくとも１層に、酸化領域と非酸化領域とからなる酸化狭窄構造が設けられていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ素子。
2. 複数の前記第２の層に、前記酸化狭窄構造が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
3. 前記共振器に最も近い前記第２の層に前記酸化狭窄構造が形成されていることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
4. 複数の前記第２の層に、前記酸化狭窄構造が設けられており、前記共振器に最も近い前記第２の層に形成されている第１の酸化狭窄構造の狭窄径は、他の前記第２の層に形成されている第２の酸化狭窄構造の狭窄径よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
5. 基板上に、前記第１のミラーと、前記共振器と、前記第２のミラーとがこの順に積層されており、
   前記基板はｎ型ＧａＡｓからなり、
   前記第１のミラーはＡｌＧａＡｓで構成される半導体多層膜反射鏡であり、
   前記共振器を構成する前記活性層はＧａＩｎＰを含み、
   前記第２のミラーはＡｌＧａＡｓで構成される半導体多層膜反射鏡であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載される前記垂直共振器型面発光レーザ素子を複数有するアレイ光源と、
   前記アレイ光源から出力されるレーザ光を反射して走査するための光偏向器と、
   前記光偏向器により偏向された光により静電潜像を形成するための感光体と、前記静電潜像を現像するための現像器を有することを特徴とする画像形成装置。

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