JP2009277781A - Surface light emission type laser array element, optical scanning apparatus, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、環境耐久性に優れた面発光型レーザーアレイ素子、光走査装置及び画像形成装置に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser array element, an optical scanning device, and an image forming apparatus that are excellent in environmental durability.
面発光型半導体レーザー(VCSEL)は、形成される基板に対し垂直方向に光を出射する半導体レーザーであり、端面発光型半導体レーザーに比べて低コストで、高性能であるため、光インターコネクション等の光通信の光源、光ピックアップ用の光源、レーザープリンター等の画像形成装置の光源等の用途に用いられている。 A surface emitting semiconductor laser (VCSEL) is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate to be formed, and is lower in cost and higher performance than an edge emitting semiconductor laser. Are used for applications such as a light source for optical communication, a light source for an optical pickup, and a light source for an image forming apparatus such as a laser printer.
このような用途に用いられる面発光型半導体レーザーの特性としては、活性層の利得が大きく低閾値・高出力であって、信頼性に優れ、偏光方向が制御されたものが要求されている。 As the characteristics of the surface emitting semiconductor laser used for such applications, there is a demand for an active layer having a large gain, a low threshold and a high output, excellent reliability, and a controlled polarization direction.
通常、面発光型半導体レーザーは、GaAs基板上に半導体膜を積層することにより形成される。具体的には、GaAs基板上に、AlGaAsとAlAsからなる膜を交互に積層することにより形成される半導体多層膜からなる下部反射鏡(DBR:Distrributed Bragg Reflector)、AlGaAsからなる下部クラッド層、GaAsからなる量子井戸活性層、AlGaAsからなる上部クラッド層、AlGaAsとAlAsからなる膜を交互に積層することにより形成される半導体多層膜からなる上部反射鏡(DBR)、更にコンタクト層を積層することにより構成されている。このように積層形成された半導体層を基板面に対し、下部反射鏡の表面が露出するまで垂直方向にエッチングを行うことにより、メサ構造を形成し、形成されたメサ構造の側壁等を絶縁体で被覆し、基板に形成された電極と、上部反射鏡上に形成されたコンタクト層に接続された電極との間に電流を流すことにより、メサ構造の上面に開口した発光面からレーザー光を出射する構成となっている。 Usually, the surface emitting semiconductor laser is formed by laminating a semiconductor film on a GaAs substrate. Specifically, a lower reflective mirror (DBR) made of a semiconductor multilayer film formed by alternately laminating films made of AlGaAs and AlAs on a GaAs substrate, a lower clad layer made of AlGaAs, GaAs By stacking a quantum well active layer made of AlGaAs, an upper cladding layer made of AlGaAs, an upper reflector (DBR) made of a semiconductor multilayer film formed by alternately laminating films made of AlGaAs and AlAs, and further laminating a contact layer It is configured. The semiconductor layer thus formed is etched in the vertical direction with respect to the substrate surface until the surface of the lower reflecting mirror is exposed, thereby forming a mesa structure, and insulating the sidewalls and the like of the formed mesa structure. By applying a current between the electrode formed on the substrate and the electrode connected to the contact layer formed on the upper reflecting mirror, laser light is emitted from the light emitting surface opened on the upper surface of the mesa structure. It is the structure which radiate | emits.
このような面発光型半導体レーザーを二次元的に配列したものを面発光型レーザーアレイ素子(面発光型半導体レーザーアレイ)と呼んでいる。このようなメサ構造の形成された面発光型半導体レーザーにおいて、上部クラッド層と上部反射鏡の間に電流狭窄層を形成することにより高性能化を図った選択酸化型VCSELと呼ばれるものがある。この選択酸化型VCSELは、上述の半導体層を積層形成する際において、上部クラッド層上にAlAs膜又はAl組成の高いAlGaAs膜を選択酸化層として形成されるものであり、メサ構造が形成された後に、この選択酸化層の一部を酸化させた電流狭窄構造を有するものである。このような構造にすることにより、面発光型半導体レーザーにおけるしきい値電流、消費電力等の特性を向上させることが可能である。 Such a surface emitting semiconductor laser arrayed two-dimensionally is called a surface emitting laser array element (surface emitting semiconductor laser array). Among the surface emitting semiconductor lasers having such a mesa structure, there is a so-called selective oxidation type VCSEL in which high performance is achieved by forming a current confinement layer between an upper cladding layer and an upper reflecting mirror. This selective oxidation type VCSEL is formed by forming an AlAs film or an AlGaAs film having a high Al composition as a selective oxidation layer on the upper clad layer when the above-mentioned semiconductor layers are stacked, and a mesa structure is formed. Later, a portion of this selective oxidation layer is oxidized to have a current confinement structure. By adopting such a structure, it is possible to improve characteristics such as threshold current and power consumption in the surface emitting semiconductor laser.
特許文献1、2には、面発光型半導体レーザーにおける高出力化や熱により特性が低下することを防ぐため、下部反射鏡(DBR)において活性層側に放熱層を形成した構造が開示されている。具体的には、下部反射鏡は、屈折率の異なる材料からなる半導体膜を交互に積層形成することにより形成されているが、このうちAlを多く含む高屈折率材料からなる膜において、活性層に近い側において、光学的な膜厚がλ/4より厚い、3λ/4となる膜を数層形成することにより、活性層から発生する熱を効率よく放熱する構成のものである。 Patent Documents 1 and 2 disclose a structure in which a heat dissipation layer is formed on the active layer side in the lower reflecting mirror (DBR) in order to prevent the characteristics of the surface-emitting type semiconductor laser from being increased due to high output or heat. Yes. Specifically, the lower reflecting mirror is formed by alternately laminating semiconductor films made of materials having different refractive indexes. Of these, the active layer is formed of a film made of a high refractive index material containing a large amount of Al. On the side close to, by forming several layers having an optical film thickness of 3λ / 4 thicker than λ / 4, the heat generated from the active layer is efficiently radiated.
また、特許文献3には、チップ分割ラインに基板まで達する溝を形成し、下部DBR端面を露出させ、パッシベーション膜を被覆させてからチップに分割する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1、2に記載されている面発光型半導体レーザーでは、湿気等により特性に影響を受けやすく、具体的には、Alを多く含む層においては酸化等の影響が大きく、特許文献1、2に記載されているように、Alを多く含む層の光学的な膜厚が3λ/4と厚い場合には、特に顕著となる。 However, the surface emitting semiconductor lasers described in Patent Documents 1 and 2 are easily affected by characteristics due to moisture and the like. Specifically, in a layer containing a large amount of Al, the influence of oxidation or the like is large. As described in 1 and 2, this is particularly noticeable when the optical film thickness of the Al-rich layer is as thick as 3λ / 4.
また、特許文献3に記載されているように、単にパッシベーション膜を被覆させただけでは、酸化等の影響を十分に防ぐことは困難である。 Further, as described in Patent Document 3, it is difficult to sufficiently prevent the influence of oxidation or the like by simply covering the passivation film.
本発明は、このような問題に対しなされたものであり、複数の面発光型半導体レーザーが配列されている面発光型レーザーアレイ素子において、酸化等の影響により特性が劣化することを防ぐことにより、放熱効果が高く信頼性の高い面発光型レーザーアレイ素子、光走査装置及び画像形成装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and in a surface-emitting laser array element in which a plurality of surface-emitting semiconductor lasers are arrayed, by preventing characteristics from being deteriorated due to the influence of oxidation or the like. The present invention provides a surface emitting laser array element, an optical scanning device, and an image forming apparatus that have a high heat radiation effect and high reliability.
本発明は、半導体基板の表面上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することにより形成される下部反射鏡と、前記下部反射鏡上において、半導体材料により構成される活性層と、前記活性層上において、半導体材料の一部の領域を酸化することにより電流狭窄構造が形成される選択酸化層と、前記選択酸化層上において、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することにより形成される上部反射鏡と、前記半導体基板上における少なくとも前記活性層と前記選択酸化層と前記上部反射鏡においてメサ構造が形成されており、前記半導体基板には下部電極が、前記上部反射鏡には上部電極が接続され、前記上部電極と前記下部電極の間に電流を流すことにより、前記半導体基板面に対し垂直にレーザー光を発する面発光型半導体レーザーが、同一基板上に複数配列された面発光型レーザーアレイ素子において、前記半導体基板は、(100)面から(111)A面方向に傾斜させた面を表面とするものであって、前記面発光型半導体レーザーの発振波長をλとし、前記発振波長における前記高屈折率材料における屈折率をnとした場合に、前記下部反射鏡を構成する高屈折率材料からなる高屈折率半導体膜のうち、所定の複数の高屈折率半導体膜における膜厚は、λ/(4×n)以上であって、前記面発光型レーザーアレイ素子における下部反射鏡の断面が露出している部分を覆うように窒化物からなる保護膜が形成されていることを特徴とする。 The present invention provides a lower reflector formed by alternately laminating semiconductor films having different refractive indexes on a surface of a semiconductor substrate, an active layer made of a semiconductor material on the lower reflector, Formed by alternately laminating a selective oxidation layer in which a current confinement structure is formed by oxidizing a partial region of a semiconductor material on the active layer and a semiconductor film having a different refractive index on the selective oxidation layer. A mesa structure is formed in at least the active layer, the selective oxidation layer, and the upper reflector on the semiconductor substrate, a lower electrode is formed on the semiconductor substrate, and a mesa structure is formed on the upper reflector. A surface-emitting type semiconductor laser that emits a laser beam perpendicular to the semiconductor substrate surface by connecting an upper electrode and passing a current between the upper electrode and the lower electrode In the surface-emitting type laser array element arrayed on the same substrate, the semiconductor substrate has a surface inclined from the (100) plane toward the (111) A plane, and the surface emitting Of the high refractive index semiconductor film made of the high refractive index material constituting the lower reflector, where λ is the oscillation wavelength of the type semiconductor laser and n is the refractive index of the high refractive index material at the oscillation wavelength, The film thickness of the predetermined plurality of high refractive index semiconductor films is λ / (4 × n) or more, and is nitrided so as to cover a portion where the cross section of the lower reflecting mirror in the surface-emitting laser array element is exposed A protective film made of a material is formed.
また、本発明は、前記半導体基板は、(100)面から(111)A面方向に2〜20°傾斜させた面を表面とするものであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the semiconductor substrate has a surface inclined by 2 to 20 degrees in the (111) A plane direction from the (100) plane.
また、本発明は、前記窒化物は、SiNであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the nitride is SiN.
また、本発明は、前記窒化物は、CVDにより形成されているものであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the nitride is formed by CVD.
また、本発明は、前記所定の複数の光学的な膜厚がλ/(4×n)以上である高屈折率半導体膜は、前記下部反射鏡において、前記活性層側に設けられていることを特徴とする。 In the present invention, the high refractive index semiconductor film having the predetermined plurality of optical film thicknesses of λ / (4 × n) or more is provided on the active layer side in the lower reflecting mirror. It is characterized by.
また、本発明は、前記光学的な膜厚がλ/(4×n)以上である高屈折率半導体膜の膜厚は、(m×λ)/(4×n)であること(mは2以上の整数)を特徴とする。 In the present invention, the film thickness of the high refractive index semiconductor film having an optical film thickness of λ / (4 × n) or more is (m × λ) / (4 × n) (m is An integer of 2 or more).
また、本発明は、前記光学的な膜厚がλ/(4×n)以上である高屈折率半導体膜の膜厚は、600〔nm〕以下であることを特徴とする。 The present invention is characterized in that a film thickness of the high refractive index semiconductor film having an optical film thickness of λ / (4 × n) or more is 600 [nm] or less.
また、本発明は、前記下部反射鏡の断面に垂直方向における前記保護膜の膜厚が100〔nm〕以上であることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the thickness of the protective film in the direction perpendicular to the cross section of the lower reflecting mirror is 100 [nm] or more.
また、本発明は、光束によって被走査面上を走査する光走査装置であって、前記記載の面発光型レーザーアレイ素子を有する光源ユニットと、前記光源ユニットからの光束を偏向する偏向手段と、前記偏光手段により偏向された光束を被走査面上に集光する走査光学系と、を備えたことを特徴とする。 The present invention also provides an optical scanning device that scans a surface to be scanned with a light beam, the light source unit having the surface-emitting laser array element described above, and a deflecting unit that deflects the light beam from the light source unit; And a scanning optical system for condensing the light beam deflected by the polarizing means on the surface to be scanned.
また、本発明は、少なくとも一つの像担持体と、前記少なくとも一つの像担持体に対して、画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも一つの前記記載の光走査装置と、を有することを特徴とする。 According to another aspect of the invention, there is provided at least one image carrier and at least one optical scanning device described above that scans a light beam including image information with respect to the at least one image carrier. And
本発明によれば、特定方向に傾斜した傾斜基板を用いて、面発光型レーザーアレイ素子における積層された膜の断面に窒化物からなる保護膜を形成することにより、半導体膜の酸化等の進行を抑制することが可能となり、これにより、放熱効果が高く信頼性の高い面発光型レーザーアレイ素子、光走査装置及び画像形成装置を提供することができる。 According to the present invention, by using a tilted substrate tilted in a specific direction, a protective film made of nitride is formed on the cross section of the laminated film in the surface emitting laser array element, thereby progressing oxidation of the semiconductor film. Accordingly, it is possible to provide a surface emitting laser array element, an optical scanning device, and an image forming apparatus that have a high heat dissipation effect and high reliability.
次に、本発明を実施するための最良の形態について、以下に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described below.
〔第1の実施の形態〕
本発明に係る第1の実施の形態は、面発光型半導体レーザー(VCSEL)を二次元的に配列させた面発光型レーザーアレイ素子の構造及び製造方法に関するものである。この面発光型半導体レーザーは、発振波長が約780〔nm〕であり、電流狭窄構造を有するものである。
[First Embodiment]
The first embodiment according to the present invention relates to a structure and manufacturing method of a surface-emitting laser array element in which surface-emitting semiconductor lasers (VCSEL) are two-dimensionally arranged. This surface-emitting semiconductor laser has an oscillation wavelength of about 780 [nm] and has a current confinement structure.
最初に、図1に基づき本実施の形態において用いられる半導体基板について説明する。本実施の形態において用いられる半導体基板は、n−GaAs基板である。図1(a)に傾斜させていないn−GaAs基板10の上面図を示し、図1(b)では、図1(a)の波線A1−A2において切断した断面図を示す。図1(a)、(b)に示すように、傾斜させていない(100)面を主面とするn−GaAs基板10の表面は(100)面となる。
First, a semiconductor substrate used in the present embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor substrate used in this embodiment is an n-GaAs substrate. FIG. 1A shows a top view of the n-
図1(c)は、(100)面より角度αだけ(011)方向に傾斜させたn−GaAs基板11の断面である。角度αは、一般的には、2〜20〔°〕であるが、本実施の形態では、(100)面より(011)方向に15〔°〕傾斜させた傾斜基板を用いている。このように、傾斜基板を用いることにより、傾斜方向とそれに直交する方向とで活性層に利得差が生じ、偏光方向を一定方向に制御することが可能となるからである。
FIG. 1C is a cross section of the n-
次に、図2、図3に基づき本実施の形態における面発光型レーザーアレイ素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the surface-emitting type laser array element in the present embodiment will be described with reference to FIGS.
最初に、図2(a)に示すように、n−GaAs基板11上に、n−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率膜と、n−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率膜を交互に40.5ペア積層形成した下部反射鏡12と、Al0.6Ga0.4Asからなる下部スペーサ層13と、Al0.12Ga0.88As膜からなる量子井戸層とAlGaAs膜からなる障壁層とにより構成される量子井戸活性層14と、Al0.6Ga0.4Asからなる上部スペーサ層15と、AlGaからなる選択酸化層16と、p−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率膜と、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率膜とを各々光学的な膜厚が、λ/4となるような膜厚で、交互に24ペア積層形成した上部反射鏡17と、後述する上部電極と接続するためのコンタクト層18を積層形成したものである。尚、λは、本実施の形態における面発光型半導体レーザーの発振波長である。
First, as shown in FIG. 2A, a high refractive index film made of n-Al 0.3 Ga 0.7 As and n-Al 0.9 Ga 0.1 is formed on an n-
ここで、下部反射鏡12は、n−GaAs基板11上から約37ペアは、低屈折率膜、高屈折率膜の各々の光学的な膜厚がλ/4となるような膜厚で交互に形成されており、その後、低屈折率膜の光学的な膜厚がλ/4、高屈折率膜の光学的な膜厚が3λ/4となるような膜厚で交互に積層形成された構造のものである。このように、高屈折率膜の膜厚を3λ/4と厚くすることにより、量子井戸活性層14からの発熱を効率よく放熱することが可能であり、特にこの層を放熱層と称する。尚、光学的な膜厚とは、材料の屈折率を考慮した膜厚であり、光学的な膜厚がλ/4である場合とは、波長λにおける屈折率がnとなる材料においては、λ/(4×n)となる膜厚を意味している。
Here, about 37 pairs of the lower reflecting
上記の半導体材料からなる各々の層は、MOCVD法やMBE法により形成されており、下部反射鏡12及び上部反射鏡17に形成される各々の高屈折率膜、低屈折率膜においては抵抗低減のため組成傾斜を有する構造となっている。
Each layer made of the above semiconductor material is formed by MOCVD or MBE, and resistance is reduced in each of the high refractive index film and the low refractive index film formed on the lower reflecting
次に、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程によりメサ構造31を形成する。この際、同時に素子分離領域32も形成する。具体的には、図2(a)に示すコンタクト層18上にフォトレジストを塗布した後、プレベーク、露光、現像を行うことにより、形成されるメサ構造の平面形状と同様の形状を有するレジストパターン(不図示)を形成した後、RIE(Reactive Ion Etching)法により、ドライエッチングを行うことにより、レジストパターンの形成されていない領域の半導体層を除去し、メサ構造31及び素子分離領域32を形成する。尚、RIEによるドライエッチングは、下部スペーサ層13の表面が露出するまで行う。
Next, as shown in FIG. 2B, a
次に、図2(c)に示すように、メサ構造31の形成された選択酸化層16の一部領域を酸化する。具体的には、選択酸化層16は、Alを多く含んでおり他の半導体層に比べて酸化されやすい特性を有している。このため、水蒸気中において熱処理を行うことにより、メサ構造31の側面に露出している選択酸化層16の断面から酸化が進行する。即ち、側面となる周辺から中心方向に向かって酸化が進行し、周辺部の酸化された領域(酸化領域)34と、中心部分の酸化されていない領域(電流狭窄領域)35とが形成される。酸化領域34ではAlxOyとなる絶縁物が形成され、素子に電流を流した場合には、電流狭窄領域35に電流が集中して流れる電流狭窄構造が形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, a partial region of the
次に、図3(a)に示すように、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により素子分離部32に溝33を形成する。具体的には、図2(c)に示す半導体層の形成されている面にフォトレジストを塗布した後、プレベーク、露光、現像を行うことにより、形成される溝33と同様の形状を有するレジストパターン(不図示)を形成した後、RIE法等によるドライエッチングを行うことにより、レジストパターンの形成されていない領域の半導体層を除去することにより、溝33を形成する。尚、RIE法等によるドライエッチングは、n−GaAs基板11の表面が露出するまで行う。このドライエッチングにより、下部反射鏡12の断面も露出し、よって、後述する放熱層の断面も露出する。
Next, as shown in FIG. 3A, a
次に、ライトエッチングを行う。このライトエッチングは、パッシベーション膜との密着性を向上させるために行うものであり、ライトエッチングを行うことにより、製造プロセス中の膜剥がれや膜浮きの発生を防止することが可能となる。このライトエッチングは、いわゆるウエットエッチングであり、ライトエッチング液としてBHF(バッファードフッ酸:フッ酸濃度10〔%〕)を用いて、10〜20〔秒〕行うものである。 Next, light etching is performed. This light etching is performed in order to improve the adhesion with the passivation film. By performing the light etching, it is possible to prevent film peeling and film floating during the manufacturing process. This light etching is so-called wet etching, and is performed for 10 to 20 [seconds] using BHF (buffered hydrofluoric acid: hydrofluoric acid concentration 10 [%]) as a light etching solution.
ライトエッチング後の下部反射鏡12における放熱層周辺の様子を図4(b)、図4(c)に示す。尚、図4(a)は、図3(a)の中心部分の拡大図であり、破線で囲まれた領域Pの拡大図が図4(b)、図4(c)である。図4(b)は、紙面上、左方向にオリフラ(OF)がある場合の断面であり、図4(c)は、紙面上、下方向にオリフラ(OF)がある場合の断面である。
FIGS. 4B and 4C show the state around the heat dissipation layer in the lower reflecting
図4(b)、図4(c)に示すように、下部反射鏡12は、n−GaAs基板11に近い側は、高屈折率膜25と低屈折率膜26の各々の光学的な膜厚がλ/4となるような膜厚のものを交互に積層することにより形成されるが、量子井戸活性層14に近い側の上部スペーサ層13近傍の数ペアにおいては、高屈折率膜27の光学的な膜厚が3λ/4、低屈折率膜26の光学的な膜厚がλ/4となるような膜厚のものを交互に積層することにより形成される。この高屈折率膜27は、熱伝導性の高い材料を厚い膜厚で形成しており、量子井戸活性層14において発生した熱を放出する機能を有しているため放熱層と呼んでいる。本実施の形態では、図4(b)、(c)に示すように、光学的な膜厚が3λ/4となる放熱層となる高屈折率膜27は3層形成されている。
As shown in FIGS. 4B and 4C, the lower reflecting
高屈折率膜25、27は、屈折率を高めるため低屈折率膜26よりもAlを多く含んでいる。このため、BHFによる高屈折率膜25、27におけるエッチングレートは速く、図4(b)、(c)に示すように、高屈折率膜25、27においては、特定の面が露出したような形状となる。
The high
次に、図3(b)に示すように、BHFによるライトエッチングが終了したものについて、保護膜22を形成し、メサ構造31の上面部に開口を形成する。具体的には、保護膜22は、P−CVD(プラズマCVD)法により形成されたSiN膜であり、膜厚が150〜200〔nm〕形成されている。このように、保護膜22としてP−CVD法により150〜200〔nm〕のSiN膜を形成することにより、高温高湿試験(温度85〔℃〕、湿度85〔%〕)、において1000〔時間〕経過後も放熱層である高屈折率膜27の劣化は確認されなかった。SiN等の窒化膜はバリア性が高く、特にSiN膜はバリア性が高い。また、P−CVD等のCVD法により成膜された膜は良好なステップカバーレッジが得られる。本実施の形態においては、SiN膜はP−CVD法により成膜を行っている。また、放熱層となる高屈折率膜27の膜厚Tは、600〔nm〕以下であれば、良好なステップカバーレッジが得られることが確認されており、これ以上の膜厚では、保護膜22によりライトエッチング後の放熱層からの劣化を防ぐことが困難であることが確認されている。また、SiN膜を保護膜22として用いる場合、ピンホールやその他カバーレッジの影響を考慮すると、少なくとも100〔nm〕以上は必要である。
Next, as shown in FIG. 3B, a
尚、保護膜22としてSiO2膜を用いた場合では、図4(b)、(c)に示す面において75時間以内に全ての劣化が確認された。また、保護膜22としてSiO2膜を用いた場合において、図4(c)に示す傾斜方向の面が露出している方が劣化の進行は遅く、図4(b)に示す傾斜方向ではない面が露出している方が劣化の進行は速かった。具体的には、図4(b)に示す傾斜方向ではない面が露出している面からは、24時間以内に全て劣化がされてしまったが、図4(c)に示す傾斜方向の面が露出している面からは、遅いものでは24時間以降に劣化が始まり、全て劣化するのに50〜75時間程度を要した。
In the case where an SiO 2 film was used as the
このことの意味するところは、傾斜方向ではない面は傾斜基板ではない基板の面と同等であることから、傾斜基板を用いることにより劣化を抑制することが可能であるものと推察される。即ち、発明者は、傾斜基板を用いることが劣化の防止の要因となるということを見出したのである。よって、この傾斜基板を用いてP−CVD法により形成したSiN膜を保護膜22として用いることにより、より一層劣化を防ぐことが可能となるのである。
This means that since the surface that is not in the inclined direction is equivalent to the surface of the substrate that is not the inclined substrate, it is assumed that deterioration can be suppressed by using the inclined substrate. That is, the inventor has found that the use of an inclined substrate is a factor for preventing deterioration. Therefore, by using the SiN film formed by the P-CVD method using this inclined substrate as the
次に、図3(c)に示すように、メサ構造の開口の形成されている領域のコンタクト層18と接触する上部電極23を形成し、n−GaAs基板11の裏面に下部電極24を形成する。具体的には、メサ構造の形成されている半導体層上に、スピンコーター等によりフォトレジストを塗布した後、プリベークを行い、露光装置による露光、現像を行うことにより、上部電極23の形成されない領域上にレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着またはスパッタリングにより上部電極23となる金属膜を成膜する。この後、アセトン等の有機溶媒中において超音波洗浄を行うことによりリフトオフを行い、上部電極23を形成する。本実施の形態では、上部電極23はp側電極となるものであり、Cr/AuZn/Auからなる積層膜により形成されている。この後、n−GaAs基板11の裏面を100〜300〔μm〕になるまで研磨した後、下部電極24を形成する。下部電極24は、n側電極となるものであり、AuGe/Ni/Auからなる積層膜を真空蒸着またはスパッタリングにより成膜することにより形成される。これによりオーミックコンタクトを得ることができる。このように多数の面発光型半導体レーザーが形成されたn−GaAs基板11をダイシングやスクライビングにより1チップごとに分離し、面発光型レーザーアレイ素子が得られる。
Next, as shown in FIG. 3C, an
本実施の形態により得られた面発光型レーザーアレイ素子は、下部反射鏡12において放熱のために設けられた放熱層を有しており、製造プロセスでライトエッチングを行っても、所定の傾斜基板を用いSiN膜からなる保護膜を形成することにより水分等に対し十分な耐性を得ることができ、歩留まりや信頼性が高く、寿命の長い面発光型半導体レーザーからなる面発光型レーザーアレイ素子を得ることができる。
The surface-emitting laser array element obtained by this embodiment has a heat dissipation layer provided for heat dissipation in the lower reflecting
〔第2の実施の形態〕
本発明に係る第2の実施の形態は、本発明に係る面発光型レーザーアレイ素子を光源として用いた画像形成装置である。本実施の形態について、図5に基づいて説明する。
[Second Embodiment]
The second embodiment according to the present invention is an image forming apparatus using the surface emitting laser array element according to the present invention as a light source. This embodiment will be described with reference to FIG.
本実施の形態に係る画像形成装置であるレーザープリンターは、光走査装置100、感光体ドラム101、帯電チャージャ102、現像ローラ103、トナーカートリッジ104、クリーニングブレード105、給紙トレイ106、給紙コロ107、レジストローラ対108、定着ローラ109、排紙トレイ110、転写チャージャ111、排紙ローラ112及び除電ユニット114等を備えている。
A laser printer as an image forming apparatus according to the present embodiment includes an
具体的には、感光体ドラム101の回転方向において、帯電チャージャ102、現像ローラ103、転写チャージャ111、除電ユニット114及びクリーニングブレード105の順に、感光体ドラム101の近傍に配置されている。
Specifically, in the rotation direction of the
感光体ドラム101の表面には、感光層が形成されている。ここでは、感光体ドラム101は、図に示すように、時計回りで回転するように構成されている。帯電チャージャ102は、感光体ドラム101の表面を均一に帯電させる機能を有するものである。
A photosensitive layer is formed on the surface of the
光走査装置100は、帯電チャージャ102により帯電された感光体ドラム101の表面に、パソコン等の上位装置からの画像情報に基づいて変調された光を照射する。この光の照射により感光体ドラム101の表面には、画像情報に応じた潜像が形成される。感光体ドラム101の表面において潜像の形成された領域は、感光体ドラム101が回転することにより、現像ローラ103の設けられている方向に移動する。尚、光走査装置100の詳細については後述する。
The
トナーカートリッジ104には、トナーが格納されており、このトナーは現像ローラ103に供給される。現像ローラ103は、感光体ドラム101の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ104から供給されたトナーを付着させて、感光体ドラム101の表面において画像情報を顕像化させる。この後、感光体ドラム101が回転することにより、感光体ドラム101の表面の潜像にトナーが付着している領域は、転写チャージャ111の設けられている方向に移動する。
The
給紙トレイ106には記録紙113が格納されている。この給紙トレイ106の近傍には、給紙コロ107が配置されており、この給紙コロ107は、記録紙113を給紙トレイ106から一枚ずつ取り出し、レジストローラ対108に搬送する。このレジストローラ対108は、転写チャージャ111の近傍に配置されており、給紙コロ107によって取り出された記録し113を一旦保持するとともに、この記録紙113を感光体ドラム101の回転に合わせて感光体ドラム101と転写チャージャ111との間隙に向けて送り出す。
Recording
転写チャージャ111には、感光体ドラム101の表面上のトナーを電気的に記録紙113に引きつけるため、感光体101の表面上のトナーとは逆極性の電荷が印加されている。この電荷により感光体ドラム101の表面上のトナーは、記録紙113に転写され、即ち、トナーにより形成される画像が記録紙113に転写される。この後、記録紙113は、定着ローラ109に送られる。
The
定着ローラ109では、熱と圧力とが記録紙113に加えられ、これによって、トナーが記録紙113に定着される。ここで画像が定着された記録紙113は、排紙ローラ112を介して排紙トレイ110に送られ、排紙トレイ110上に順次スタックされる。
In the fixing
尚、除電ユニット114は、感光体ドラム101の表面を除電する。クリーニングブレード105は、感光体ドラム101の表面に残存するトナー(残留トナー)を除去する。除去された残留トナーは、再利用可能な構成となっている。残留トナーが除去された感光体ドラム101の表面は、再び帯電チャージャ102の設けられている方向に移動する。
The
次に、図6に基づき光走査装置100について説明する。
Next, the
この光走査装置100は、光源ユニット121、カップリングレンズ122、開口板123、アナモルフィックレンズ124、ポリゴンミラー125,偏向器側走査レンズ126、像面側走査レンズ127、及び処理装置140等を備えている。尚、図6において、紙面の左右方向が主走査方向であり、紙面に垂直方向が副走査方向である。
The
光源ユニット121は、第1の実施の形態における面発光型半導体レーザーが複数形成された面発光型半導体レーザーアレイを備えている。
The
カップリングレンズ122は、光源ユニット121から出射された光束を略平行光にするためのものである。
The
開口板123は、開口部を有し、カップリングレンズか122からの光束のビーム径を規定するためのものである。
The
アナモルフィック124は、開口板123の開口部を通過した光束を主走査方向に関しては平行光に、副走査方向に関してはポリゴンミラー125の表面近傍で収束する光束とするものである。アナモルフィックレンズ124からの光束は、回転するポリゴンミラー125により反射され、偏向器側走査レンズ126と像面側走査レンズ127によって結像され、感光体ドラム101の表面上において、光スポットとして集光される。
The anamorphic 124 converts the light beam that has passed through the opening of the
尚、ポリゴンミラー125は、前述したように、不図示のモータによって、一定速度で回転しており、この回転に伴って、光束は等角速度的に偏向され、感光体ドラム101の表面上における光スポットは、主走査方向に等速移動する。
As described above, the
処理装置140は、パソコン等の上位装置からの画像情報に基づいて、画像データを生成し、この画像データに応じて半導体レーザーの駆動信号を光源ユニット121に出力する。
The
次に図7に基づき、光源ユニット121に備えられた本実施の形態における面発光型レーザーアレイ素子200について説明する。本図に示されるように、各々の面発光型半導体レーザーの中心から副走査方向に対応する方向に垂線を下ろしたときの副走査方向における各面発光型半導体レーザーの位置関係は等間隔(間隔C)となるので、点灯のタイミングを調整することにより感光体ドラム101上では副走査方向に等間隔で光源が並んでいる場合と同様な構成となる。例えば、面発光型半導体レーザーの大きさがφ20〔μm〕であり、主走査方向に対応する方向に関するピッチが40〔μm〕、副走査方向に対応する方向に関するピッチは40〔μm〕となるように配置されている場合には、間隔Cは10〔μm〕となり、走査光学系の倍率を1とすると、2400〔dpi〕が実現される。本実施の形態では、このように主走査方向に配列される面発光型半導体レーザーの位置をずらすことにより、副走査方向における間隔Cを狭めることが可能となり、高密度で高品質な印刷が可能となるのである。
Next, the surface emitting
また、主走査方向に対応する方向の面発光型半導体レーザーの数を増やしたり、副走査方向に対応する方向に関するピッチを狭め、即ち、間隔Cをより小さくすることにより、よりドットピッチを高密度化することが可能となり、より高品質な印刷をすることが可能となる。尚、主走査方向の書き込みの間隔は、光源である面発光型半導体レーザーの点灯のタイミングを制御することにより容易に制御が可能である。 Further, by increasing the number of surface emitting semiconductor lasers in the direction corresponding to the main scanning direction, or by narrowing the pitch in the direction corresponding to the sub-scanning direction, that is, by reducing the interval C, the dot pitch can be increased. This makes it possible to perform higher quality printing. Note that the writing interval in the main scanning direction can be easily controlled by controlling the lighting timing of the surface emitting semiconductor laser as the light source.
本実施の形態における光走査装置、及びこれを用いた画像形成装置においては、光源として、低コストで製造することが可能な第1の実施の形態に係る面発光型レーザーアレイ素子を用いているため、低コストであって、高速で高品質となる光走査装置、及び画像形成装置を得ることが可能となる。 In the optical scanning device according to the present embodiment and the image forming apparatus using the same, the surface emitting laser array element according to the first embodiment that can be manufactured at low cost is used as the light source. Therefore, it is possible to obtain an optical scanning device and an image forming apparatus that are low in cost and high in quality at high speed.
尚、本実施の形態では図7に示すように、16(4×4)個の面発光型半導体レーザーにより構成された面発光型レーザーアレイ素子200について説明したが、配列等を変えることにより、より多くの面発光型半導体レーザーにより形成される面発光型レーザー素子を得ることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the surface emitting
次に、図8に基づきカラー画像を形成するための画像形成装置について説明する。 Next, an image forming apparatus for forming a color image will be described with reference to FIG.
この画像形成装置は、カラーレーザープリンタであり、カラー画像に対し複数の感光体ドラムを備えたダンデムカラー機である。 This image forming apparatus is a color laser printer, which is a dandem color machine having a plurality of photosensitive drums for color images.
このカラーレーザープリンタは、ブラック(K)用の感光体ドラムK1、帯電器K2、現像器K4、クリーニング手段K5、及び転写用帯電手段K6と、シアン(C)用の感光体ドラムC1、帯電器C2、現像器C4、クリーニング手段C5、及び転写用帯電手段C6と、マゼンタ(M)用の感光体ドラムM1、帯電器M2、現像器M4、クリーニング手段M5、及び転写用帯電手段M6と、イエロー(Y)用の感光体ドラムY1、帯電器Y2、現像器Y4、クリーニング手段Y5、及び転写用帯電手段Y6と、光走査装置100、転写ベルト201、定着手段202等を備えている。
This color laser printer includes a black (K) photosensitive drum K1, a charger K2, a developing unit K4, a cleaning unit K5, a transfer charging unit K6, a cyan (C) photosensitive drum C1, and a charging unit. C2, developing unit C4, cleaning unit C5, transfer charging unit C6, magenta (M) photosensitive drum M1, charging unit M2, developing unit M4, cleaning unit M5, transfer charging unit M6, yellow (Y) photosensitive drum Y1, charger Y2, developing unit Y4, cleaning unit Y5, transfer charging unit Y6,
このカラーレーザープリンタでは、光走査装置100において、ブラック用の半導体レーザー、シアン用の半導体レーザー、マゼンタ用の半導体レーザー、イエロー用の半導体レーザーを有しており、各々の半導体レーザーは、本発明に係る面発光型半導体レーザーにより構成されている。ブラック用の半導体レーザーからの光束はブラック用の感光体ドラムK1に照射され、シアン用の半導体レーザーからの光束はシアン用の感光体ドラムC1に照射され、マゼンタ用の半導体レーザーからの光束はマゼンタ用の感光体ドラムM1に照射され、イエロー用の半導体レーザーからの光束はイエロー用の感光体ドラムY1に照射される。
In this color laser printer, the
各々の感光体ドラムK1、C1、M1、Y1は、矢印の方向に回転し、回転方向の順に、各々の帯電器K2、C2、M2、Y2、現像器K4、C4、M4、Y4、転写用帯電手段K6、C6、M6、Y6、クリーニング手段K5、C5、M5、Y5が配置されている。各々の帯電器K2、C2、M2、Y2は、対応する感光体ドラムK1、C1、M1、Y1の表面を均一に帯電する。帯電された感光体ドラムK1、C1、M1、Y1の表面に、光走査装置100から光束が照射され、感光体ドラムK1、C1、M1、Y1の表面に静電潜像が形成される構成となっている。この後、各々の現像器K4、C4、M4、Y4によって、感光体ドラムK1、C1、M1、Y1の表面にトナー像が形成され、各々に対応する転写用帯電手段K6、C6、M6、Y6により、記録紙に各々の色のトナー像が転写され、定着手段202により、記録紙に画像が定着される。尚、クリーニング手段K5、C5、M5、Y5は、各々に対応した感光体ドラムK1、C1、M1、Y1の表面に残存する残留トナーを除去するものである。
Each of the photosensitive drums K1, C1, M1, and Y1 rotates in the direction of the arrow, and in the order of the rotation direction, each of the chargers K2, C2, M2, and Y2, the developing devices K4, C4, M4, and Y4, for transfer. Charging means K6, C6, M6, Y6 and cleaning means K5, C5, M5, Y5 are arranged. Each of the chargers K2, C2, M2, and Y2 uniformly charges the surface of the corresponding photosensitive drum K1, C1, M1, and Y1. The charged surface of the photosensitive drums K1, C1, M1, and Y1 is irradiated with a light beam from the
尚、本実施の形態では、像担持体として感光体ドラムについて説明したが、像担持体としては、銀塩フィルムを用いた画像形成装置であってもよい。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同様の処理により可視化させることができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼き付け処理と同様の処理により印画紙に転写することが可能である。このような画像形成装置は、光製版装置や、CTスキャン画像等を描画する光描画装置として実施することが可能である。 In this embodiment, the photosensitive drum is described as the image carrier. However, the image carrier may be an image forming apparatus using a silver salt film. In this case, a latent image is formed on the silver salt film by optical scanning, and this latent image can be visualized by a process similar to a developing process in a normal silver salt photographic process. Then, it can be transferred to photographic paper by the same process as the printing process in the ordinary silver salt photographic process. Such an image forming apparatus can be implemented as an optical plate making apparatus or an optical drawing apparatus that draws a CT scan image or the like.
また、像担持体としてビームスポットの熱エネルギーにより発色する発色媒体(ポジの印画紙)を用いた画像形成装置であってもよい。この場合においては、光走査により可視画像を直接像担持体に形成することが可能である。 Further, an image forming apparatus using a color developing medium (positive photographic paper) that develops color by the heat energy of a beam spot as an image carrier may be used. In this case, a visible image can be directly formed on the image carrier by optical scanning.
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。 As mentioned above, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.
11 n−GaAs基板
12 下部反射鏡
13 下部スペーサ層
14 量子井戸活性層
15 上部スペーサ層
16 選択酸化層
17 上部反射鏡
18 コンタクト層
22 保護膜
23 上部電極
24 下部電極
31 メサ構造
32 素子分離領域
33 溝
34 酸化領域
35 電流狭窄領域
11 n-
Claims (10)
前記下部反射鏡上において、半導体材料により構成される活性層と、
前記活性層上において、半導体材料の一部の領域を酸化することにより電流狭窄構造が形成される選択酸化層と、
前記選択酸化層上において、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することにより形成される上部反射鏡と、
前記半導体基板上における少なくとも前記活性層と前記選択酸化層と前記上部反射鏡においてメサ構造が形成されており、
前記半導体基板には下部電極が、前記上部反射鏡には上部電極が接続され、前記上部電極と前記下部電極の間に電流を流すことにより、前記半導体基板面に対し垂直にレーザー光を発する面発光型半導体レーザーが、同一基板上に複数配列された面発光型レーザーアレイ素子において、
前記半導体基板は、(100)面から(111)A面方向に傾斜させた面を表面とするものであって、
前記面発光型半導体レーザーの発振波長をλとし、前記発振波長における前記高屈折率材料における屈折率をnとした場合に、前記下部反射鏡を構成する高屈折率材料からなる高屈折率半導体膜のうち、所定の複数の高屈折率半導体膜における膜厚は、λ/(4×n)以上であって、
前記面発光型レーザーアレイ素子における下部反射鏡の断面が露出している部分を覆うように窒化物からなる保護膜が形成されていることを特徴とする面発光型レーザーアレイ素子。 A lower reflector formed by alternately laminating semiconductor films of different refractive indexes on the surface of a semiconductor substrate;
On the lower reflector, an active layer made of a semiconductor material;
On the active layer, a selective oxidation layer in which a current confinement structure is formed by oxidizing a partial region of a semiconductor material;
An upper reflecting mirror formed by alternately laminating semiconductor films having different refractive indexes on the selective oxide layer;
A mesa structure is formed in at least the active layer, the selective oxidation layer, and the upper reflecting mirror on the semiconductor substrate;
A lower electrode is connected to the semiconductor substrate, and an upper electrode is connected to the upper reflector, and a surface emits laser light perpendicular to the semiconductor substrate surface by passing a current between the upper electrode and the lower electrode. In a surface emitting laser array element in which a plurality of light emitting semiconductor lasers are arranged on the same substrate,
The semiconductor substrate has a surface inclined in the (111) A plane direction from the (100) plane,
A high-refractive-index semiconductor film made of a high-refractive-index material constituting the lower reflector, where λ is the oscillation wavelength of the surface-emitting semiconductor laser, and n is the refractive index of the high-refractive-index material at the oscillation wavelength Among these, the film thickness in the predetermined plurality of high refractive index semiconductor films is λ / (4 × n) or more,
A surface-emitting laser array element, wherein a protective film made of nitride is formed so as to cover a portion of the surface-emitting laser array element where a cross section of a lower reflecting mirror is exposed.
請求項1から8のいずれかに記載の面発光型レーザーアレイ素子を有する光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光束を偏向する偏向手段と、
前記偏光手段により偏向された光束を被走査面上に集光する走査光学系と、
を備えたことを特徴とする光走査装置。 An optical scanning device that scans a surface to be scanned with a light beam,
A light source unit comprising the surface-emitting laser array element according to claim 1;
Deflecting means for deflecting the light beam from the light source unit;
A scanning optical system for condensing the light beam deflected by the polarizing means on the surface to be scanned;
An optical scanning device comprising:
前記少なくとも一つの像担持体に対して、画像情報が含まれる光束を走査する少なくとも一つの請求項9に記載の光走査装置と、
を有することを特徴とする画像形成装置。 At least one image carrier;
The optical scanning device according to claim 9, wherein the at least one image carrier is scanned with a light beam including image information;
An image forming apparatus comprising:
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