JP2010016352A - 面発光型半導体レーザー、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 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光方向が安定した面発光型半導体レーザーを提供する。
【解決手段】半導体基板の表面上に、下部反射鏡と、活性層と、選択酸化層と、上部反射鏡と、活性層と選択酸化層と上部反射鏡においてメサ構造が形成されており、上部電極と下部電極の間に電流を流すことにより、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において、半導体基板は、（１００）面を傾斜させた面を表面とするものであって、活性層は、基板に対し圧縮歪みを有する量子井戸層と、スペーサ層により構成されており、スペーサ層は、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち1又は2以上の材料を加えた材料により構成されるものであって、半導体基板に対し圧縮歪みを有することを特徴とする面発光型半導体レーザーを提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、面発光型半導体レーザー、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。

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。具体的には、非特許文献１において、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いたＶＣＳＥＬであって、シングルモード出力が３ｍＷ以上の特性を有するものが開示されている。

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。

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からなる量子井戸活性層の両側にＡｌＧａＡｓからなるクラッド層、更には、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反射鏡（ＤＢＲ）から構成されており、光が出射される方向のクラッド層と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ている。

しかしながら、このような構造の面発光型半導体レーザーは、端面発光型半導体レーザーと比べて、偏光制御が困難であり、製造上のプロセスの偶発的な変動に依存する場合や、同一基板上においても異なる場合が多く、一定の偏光方向を有するものを安定的に得ることは困難である。即ち、面発光レーザーは、端面発光型レーザーと比べて、空洞長は短く、光放射ための開口部は比較的大きいことから、偏光の安定性は困難となるのである。

また、レーザープリンター等の画像形成装置における画像形成用の光源として、面発光型半導体レーザーを使用する場合には、偏光方向が異なることにより光走査を行うためのポリゴンミラーにおける反射率が異なり、光利用効率の低下や、安定した画像の書き込みができなくなるといった問題点を有している。このため面発光型半導体レーザーにおいては、偏光方向を安定させるための検討がなされている。このような、面発光型半導体レーザーとしては、以下の技術内容が開示されている。

非特許文献２では、ＶＣＳＥＬにおける偏光方向を制御する方法として基板等の異方性を利用する方法が開示されている。具体的には、（３１１）Ｂ傾斜基板を用いて偏光方向を（−２３３）方向に制御する方法が開示されている。

また、特許文献１では、ＶＣＳＥＬを構成するメサ形状に異方性を持たせることによる偏光制御を行う方法が開示されている。

また、特許文献２では、配線の引き出し方向によって偏光制御を行う方法が開示されている。

また、特許文献３では、ＶＣＳＥＬ内部に局所的に酸化領域を持たせることで、活性層に応力を加え偏光制御を行う方法が開示されている。

一方、レーザープリンター等の画像形成装置の光源等に用いる場合には、高速化が要求されるため、特許文献４、特許文献５においては、一つのチップに複数の発光光源を有するマルチビーム半導体レーザーが開示されている。

また、特許文献６には基板上に格子定数の異なる活性層を積層する際に、活性層と基板の間に、両者の中間の格子定数を有する緩和層を設けることにより、高品質な活性層を積層する方法が開示されている。

また、特許文献７には基板上にＤＢＲを積層する際、ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰを用いて徐々に格子定数が変化する組成とすることにより、高品質な活性層を積層する方法が開示されている。

しかしながら、非特許文献２に記載されている方法では、２５〔°〕傾斜した基板を用いているが、基板の傾斜が増加するにともない、酸化狭窄層を形成する際において等方的に酸化され難くなる傾向にあり、製造上の困難さが増大し、また、このような基板は特殊な基板であるため非常に高価なものである。よって、低コストでＶＣＳＥＬを製造することは困難である。

また、特許文献１に記載されている方法では、電流狭窄領域にもメサ形状の異方性が反映されるが、この場合、電流注入の均一性が損なわれる場合や、製造されたレーザーのスポット形状が、所望の形状とは異なり変形してしまう場合がある。

また、特許文献２に記載されている方法では、ＶＣＳＥＬを高密度で一つのチップ内に集積する場合、各々の素子の間隔が狭くなり自由に配線を形成することが困難となり、配線を引き回すために各々の素子間の間隔を広げると、一つのチップの面積が大きくなり，製造コストを上昇させてしまう。

また、特許文献３に記載されている方法では、このような構成のＶＣＳＥＬを製造するためには、新たな工程が必要となり、工程の複雑化、製造時間の長期化等により製造コストを上昇させてしまう。また、電流狭窄層はＡｌＡｓを酸化させたＡｌＯｘにより構成されており、周囲に歪みを発生させる。この結果、通電することにより転位が発生し、信頼性を低下させる可能性があるため、このような構成の電流狭窄層を複数設けることは好ましくない。

また、特許文献４、特許文献５に記載されている方法では、これら文献に記載されているマルチビーム半導体レーザーは、端面発光型半導体レーザーであり、一次元の配列によるアレイ化を行う場合、互いの素子の熱干渉や構造上数μｍ以下の狭ピッチ化が困難である。

また、特許文献６に記載されている構成は、基板と格子定数の大きく異なる活性層を積層するものであるため、基板と活性層の間に中間の格子定数を有する材料からなる緩和層を設けているが、活性層に近い位置に大きな歪みを有する層が存在するため、活性層に応力が加わり高品質化が困難である。

また、特許文献７に記載されている構成は、基板と格子定数の大きく異なる活性層を積層するため、基板と活性層の間に存在するＤＢＲの格子定数を徐々に変化させている。よって、活性層近傍のＤＢＲの格子定数と活性層の格子定数との差は特許文献６に記載されているものに比べて小さい。しかしながら、ＤＢＲの厚さは通常数μｍであるため活性層に加わる応力としては大きくなり、特許文献６の場合と同様に高品質な活性層を得ることは困難である。

以上より、上述したレーザー光源では、レーザープリンター等の画像形成装置の高速化に十分に対応することができない。

本発明は、このような問題に対しなされたものであり、特定方向に偏光制御を行うことが可能な面発光型半導体レーザー、及びこの面発光型半導体レーザーを用い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を提供するものである。

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において、前記半導体基板は、（１００）面を傾斜させた面を表面とするものであって、前記活性層は、基板に対し圧縮歪みを有する量子井戸層と、スペーサ層により構成されており、前記スペーサ層は、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成されるものであって、前記半導体基板に対し圧縮歪みを有することを特徴とする。

また、本発明は、前記半導体基板は、（０１０）面、（００１）面を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。

また、本発明は、前記半導体基板における傾斜させた面は、（１１１）面方向に傾斜させた面であることを特徴とする。

また、本発明は、前記半導体基板の傾斜角は２０〔°〕以下であることを特徴とする。

また、本発明は、前記量子井戸層は、単一の量子井戸層、又は、複数の量子井戸層と障壁層から構成される多重量子井戸層であることを特徴とする。

また、本発明は、前記スペーサ層内部には、偏光制御層を有しており、前記偏光制御層は、スペーサ層における格子歪みｅａ、スペーサ層の膜厚を積算した膜厚ｔａ、偏光制御層における格子歪みｅｂ、偏光制御層の膜厚を積算した膜厚ｔｂとした場合に、
（ｅａ×ｔａ＋ｅｂ×ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）＞０・・・・・・・・（１）
であることを特徴とする。

また、本発明は、前記偏光制御層は、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記記載の面発光型半導体レーザーが、同一半導体基板上に複数配列されていることを特徴とする。

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。

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。

本発明によれば、特定方向に偏光制御のされた面発光型半導体レーザー、この面発光型半導体レーザーを用いた面発光型半導体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。

傾斜基板の説明図 第１の実施の形態における面発光型半導体レーザーの断面図 スペーサ層における半導体基板に対する歪みと偏光角の相関図 第２の実施の形態における面発光型半導体レーザーの活性層の断面図 第２の実施の形態における別の面発光型半導体レーザーの活性層の断面図 図５に示す構成の活性層におけるバンド構造図 第３の実施の形態における面発光型レーザーアレイ素子の概要図 第４の実施の形態における光走査装置の概要図 第５の実施の形態における画像形成装置の構成図 第５の実施の形態におけるカラー印刷が可能な画像形成装置の構成図 実施例１に示す面発光型半導体レーザーの活性層におけるバンド構造図 本発明における面発光型半導体レーザーの上面図 実施例２に示す面発光型半導体レーザーの活性層におけるバンド構造図 実施例３に示す面発光型半導体レーザーの活性層におけるバンド構造図

次に、本発明を実施するための形態について、以下に説明する。

〔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）の構造に関するものであり、電流狭窄構造を有するものである。

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。

図１（ｃ）は、（１００）面より角度αだけ（０１１）方向に傾斜させたｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板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、即ち（１１１）面方向に、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しやすくなるからである。

次に、図２に基づき本実施の形態における面発光型半導体レーザーの構造について説明する。

本実施の形態における面発光型半導体レーザーは、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板１１上に、高屈折率の半導体膜と低屈折率の半導体膜とを交互に積層形成することにより構成される下部反射鏡１２を形成し、その上に下部スペーサ層１３を形成し、その上に多重量子井戸層１４を形成し、その上に上部スペーサ層１５を形成し、その上に選択酸化層１６を形成し、その上に、高屈折率の半導体膜と低屈折率の半導体膜とを交互に積層形成することにより構成される上部反射鏡１７を形成し、更にその上に、コンタクト層１８を積層形成したものである。尚、本実施の形態では、下部スペーサ層１３、多重量子井戸層１４、上部スペーサ層１５により、活性層３１が形成される。また、多重量子井戸層１４では、半導体基板１１に対し、圧縮歪みとなる歪みを有している。

このように積層形成した後、下部スペーサ層１３、多重量子井戸層１４、上部スペーサ層１５、選択酸化層１６、上部反射鏡１７、コンタクト層１８においてメサ構造を形成し、その後、選択酸化層１６を選択的に酸化することにより周辺部の酸化された領域（酸化領域）３２と、中心部分の酸化されていない領域（電流狭窄領域）３３とを形成する。酸化領域３２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３３に電流が集中して流れる電流狭窄構造が形成される。

この後、更にメサ構造を覆うように保護膜１９を形成し、コンタクト層１８に接続する上部電極２０及び半導体基板１１の裏面に下部電極２１を形成した構成のものである。

このような構成の面発光型半導体レーザーにおいては、上部電極２０と下部電極２１の間に電流を流すことにより、活性層３１に電流が注入され反転分布状態が形成され発光する。この活性層３１において発光した光は、下部反射鏡１２及び上部反射鏡１７において増幅され、半導体基板１１に対し垂直方向に光が出射されるものである。

この出射されたレーザー光の偏光方向は、前述のとおり製造プロセスのバラツキ等により、偏光方向が容易に変化してしまうが、発明者は、主面を傾斜させた半導体基板１１を用い、半導体基板１１に対して圧縮歪みを有する多重量子井戸層１４を形成し、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５において、特定の歪みを設けることにより、偏光方向が安定化することを見出した。

即ち、上部スペーサ層１３及び下部スペーサ層１５は、少なくともＩｎとＰを含むＡｌＧａＩｎＰＡｓ系の材料、即ち、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成される場合であって、図３に示すように、上部スペーサ層１３及び下部スペーサ層１５において、半導体基板１１に対し圧縮歪みを有している場合、即ち、Strain of a space layerの値が正である場合には、偏光角が９０〔°〕となり、圧縮歪みの歪み量に依存することなく一定の偏光方向で安定となることを見出したのである。尚、ここで歪みとは、半導体基板に格子定数に対する各々の膜を構成する材料の格子定数の比率を意味するものである。半導体基板における格子定数よりも、大きな格子定数を有する膜は圧縮歪みを有し、図３におけるStrain of a space layerの値が正となる。また、半導体基板における格子定数よりも、小さな格子定数を有する膜は引張歪みを有し、図３におけるStrain of a space layerの値が負となるものである。尚、本実施の形態では、多重量子井戸層１４は、＋０．７〔％〕の圧縮歪みを有している。

また、本実施の形態では、（１００）面を傾斜させた半導体基板１１を用いたが、（０１０）面、（００１）面を傾斜させた半導体基板であっても同様の効果を得ることが可能である。本実施の形態では、多重量子井戸層１４の場合について説明したが、単一の量子井戸層から構成される場合も同様である。

尚、本実施の形態では、図３に示すように、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５が圧縮歪みを有する場合には、偏光角が９０〔°〕となるが、多重量子井戸層１４における圧縮歪みが大きい場合等においては、偏光角が１８０〔°〕となる場合が存在する。これは、圧縮歪みが大きくなることにより、半導体基板１１における格子定数と多重量子井戸層１４における格子定数との差が大きくなるため、格子整合の状態が異なるためと推察される。この場合であっても、多重量子井戸層１４が、半導体基板１１に対し圧縮歪みを有し、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５が、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成されるものであって、半導体基板１１に対し圧縮歪みを有するものであれば、偏光角が１８０〔°〕となる場合はあるものの、偏光角は安定化したものとなる。

また、本実施の形態における半導体基板の傾斜角は１５〔°〕であるが、本実施の形態においては、偏光方向の制御は、基板の傾斜角のみではなく、スペーサ層及び多重量子井戸層の歪み量の組み合わせによって行っているため、非特許文献２に示されるように、より傾斜角が高い場合よりプロセス時の困難さが低減される。また、１５〔°〕傾斜基板はＤＶＤに用いるレーザーダイオード用の基板として広く用いられているため、比較的安価である。

尚、１５〔°〕より低い傾斜角の基板を用いる場合においては、スペーサ層及び多重量子井戸層の歪みを上記の値よりも高く設定することにより、同等の効果を得ることができる。逆に、何らかの方法により、ＶＣＳＥＬの製造プロセスが改善され、１５〔°〕以上の傾斜基板を使用することが可能となった場合、より高い角度の傾斜基板を用いることで、極めて高い偏光安定性を得ることが可能である。

また、特許文献１に記載されているメサ形状の異方性による偏光制御方法に対して、本実施の形態において用いる基板の傾斜角、スペーサ・量子井戸歪みを併用する方法も同時に併用できるため、本実施の形態においては、それぞれの手法に起因する弊害を緩和し、本実施の形態における効果を得ることができる。

また、特許文献６においては、基板と量子井戸との間に歪み緩和層を設けているが、基板と量子井戸との格子定数差が大きいため高品質な活性層を得ることは困難である。しかしながら、本実施の形態では、基板とスペーサ層との格子定数差は僅かであることから、活性層に大きな歪みが加わることなく、高品質な活性層を積層することが可能である。

また、特許文献７においては、基板と活性層の間のＤＢＲを徐々に格子定数を変化させている。よって、活性層と活性層に隣接する層との格子定数差は僅かであるが、歪みを有する層が数μｍとなるため、活性層には大きな応力が加わり高品質な活性層を得ることは困難である。しかしながら、本実施の形態においては基板とスペーサ層との格子定数は僅かで、かつ、スペーサ層の膜厚は数百ｎｍであることから、活性層に大きな歪みが加わることなく、高品質な活性層を積層することが可能である。

また、本実施の形態はＶＣＳＥＬであることから、二次元配列が可能であり、素子間隔は任意に設定することができ、端面発光型半導体レーザーよりも１つのチップに集積することが可能な発光素子数を増やすことが可能である。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、偏光制御層を有する構成の面発光型半導体レーザーである。本実施の形態における面発光型半導体レーザーの構成を図２及び図４に基づき説明する。

本実施の形態における面発光型半導体レーザーは、図２に示す構成のものであって、図４に示す活性層３１の構成を有するものである。具体的には、主面を傾斜させた半導体基板１１と、半導体基板１１に対して圧縮歪みを有する多重量子井戸層１４を用い、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５の内部において、各々偏光制御層４１を設けた構成のものである。また、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５における格子歪みをｅａ、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５の膜厚を積算した膜厚ｔａ、偏光制御層４１における格子歪みをｅｂ、各々の偏光制御層４１の膜厚を積算した膜厚ｔｂとした場合に、
（ｅａ×ｔａ＋ｅｂ×ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）＞０・・・・・・・・（１）
となるものである。尚、Ｅ＝（ｅａ×ｔａ＋ｅｂ×ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）とし、後述する際には、単にＥとのみ表記する。

上記（１）の式を満たす場合においては、図３に示す場合と同様に、偏光角は、半導体基板の（０-１１）面に対し、９０〔°〕前後で安定し，一定の偏光角を有する面発光型半導体レーザーとなるのである。尚、図４においては、偏光制御層４１は、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５の各々に設けられているが、上記（１）の式を満たすものであれば、図５に示すように、いずれか一方のみの偏光制御層４１を形成した構造であっても良い。

また、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５は、ＧａＩｎＰＡｓにより構成されているが、偏光制御層４１は少なくともＩｎとＰを有するＡｌＧａＩｎＰ系材料、即ち、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成することにより、偏光制御層４１におけるバンドギャップを高くすることができ、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５が低いバンドギャップの材料により形成される場合において、電子の閉じこめ効率を高めることが可能となる。

図５に示す構成の活性層３１におけるバンド構造を図６に示す。具体的には、多重量子井戸層１４は、歪み＋０．７〔％〕のＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ_０．５Ａｓ_０．５からなる量子井戸層と、歪み０〔％〕のＧａ_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐからなる障壁層により形成し、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５は、歪み０〔％〕の（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐにより形成し、偏光制御層４１は、歪み＋０．０４〔％〕の（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐにより形成したものである。この際、上記（１）の式の左辺の値は、＋０．０３〔％〕となり正である。この際形成される偏光制御層４１は、バンドギャップの広い（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐによって形成されるため、光と電子の閉じこめ効率を高めることが可能となる。

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、本実施の形態における面発光型半導体レーザーをアレイ化した、面発光型レーザーアレイ素子である。

図７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について説明する。本実施の形態における面発光型レーザーアレイ素子は、第１の基線及び第２の基線に沿って、面発光型半導体レーザー５０が二次元的に配列された構成のものである。第２の基線に沿って、面発光型半導体レーザー５０は第１の基線に垂直方向に間隔ｄで配列されている。これら面発光型半導体レーザー５０の位置を第１の基線上に投影した場合、間隔ｈとなる。

この面発光型レーザーアレイ素子をレーザープリンター等の画像形成装置に用いる場合には、第１の基線に垂直に光が出射されるため、より緻密な画像形成が可能となる。

〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態は、第３の実施の形態における面発光型レーザーアレイ素子を用いた光走査装置である。図８に基づき光走査装置１００について説明する。

この光走査装置１００は、光源ユニット１２１、コリメータレンズ１２２、ポリゴンミラー１２５、ｆθレンズ１２６等を備えている。尚、図７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。

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ている面発光型レーザーアレイ素子を備えている。

コリメータレンズ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。

コリメータレンズ１２２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、ｆθレンズ１２６によって、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。

尚、ポリゴンミラー１２５は、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。

本実施の形態では、光源ユニット１２１における面発光型レーザーアレイ素子を構成する各々の面発光型半導体レーザーの偏光角が一定に揃っているため、ポリゴンミラー１２５における反射率も一定となり、本実施の形態における光走査装置を画像形成装置に組み込んだ場合、微細な画像であっても画像形成を行うことが可能となる。

〔第５の実施の形態〕
第５の実施の形態は、第４の実施の形態における光走査装置を有する画像形成装置である。

図９に基づき本実施の形態における画像形成装置について説明する。本実施の形態は、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、帯電ユニット１０２、現像ユニット１０３、トナーカートリッジ１０４、クリーニングユニット１０５、転写ユニット１１１及び除電ユニット１１４等を備えている。

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。帯電ユニット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。

光走査装置１００は、帯電ユニット１０２により帯電された感光体ドラム１０１の表面に光を照射する。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、現像ユニット１０３の設けられている方向に移動する。

トナーカートリッジ１０４には、トナーが格納されており、このトナーは現像ユニット１０３に供給される。現像ユニット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、転写ユニット１１１の設けられている方向に移動する。

転写ユニット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。

除電ユニット１１４は、感光体ドラム１０１の表面を除電する。クリーニングユニット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、再び帯電ユニット１０２の設けられている方向に移動する。

（カラー画像形成装置）
次に、本実施の形態における別の構成として、図１０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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、本発明における実施例について説明する。

（実施例１）
本実施例における面発光型半導体レーザーは、発光波長が７８０〔ｎｍ〕のものである。本実施例について、図２、図１１に基づき説明する。尚、図１１は、本実施例における活性層３１のバンド構造を示す図である。

図２に示すように、半導体基板１１である（１１１）面方向に１５〔°〕傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ膜とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ膜を交互に５０ペア積層することにより形成されるＤＢＲからなる下部反射鏡１２を形成し、その上に、（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐからなる下部スペーサ層１３を形成し、その上に、多重量子井戸層１４を形成し、その上に、（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐからなる上部スペーサ層１５を形成し、その上に、ＡｌＡｓからなる選択酸化層１６を形成し、その上に、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ膜とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ膜を交互に３０ペア積層することにより形成されるＤＢＲからなる上部反射鏡１７を形成し、その上に、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１８が形成されている。尚、各々の層の膜厚は、発光波長が７８０〔ｎｍ〕となるように所定の膜厚により形成されている。また、半導体基板１１の傾斜角度については、２〜２０〔°〕のいずれの角度であっても構わないが、本実施例においては１５〔°〕の基板を用いた。

このように積層形成されたものについて、メサ構造を形成し、その後、選択酸化層１６の一部を水蒸気雰囲気中で酸化することにより酸化領域３２と電流狭窄領域３３を形成し、その後、メサ構造を覆うように保護膜１９を形成する。この後、コンタクト層１８に接続するＡｕ／ＡｕＺｎからなる上部電極２０及び、半導体基板１１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅからなる下部電極２１を形成した構成ものである。

上部スペーサ層１５内部には、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる偏光制御層４１が、厚さ２０〔ｎｍ〕形成されており、この偏光制御層４１は、半導体基板１１に対し、＋０．１２〔％〕の歪みを有している。

また、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５は、半導体基板１１に対し、歪みは０〔％〕である。

また、多重量子井戸層１４は、厚さ５．５〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが、＋０．７１〔％〕のＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ_０．４１Ａｓ_０．５９からなる量子井戸層と、厚さ８〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが、−０．６〔％〕のＧａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐからなる障壁層を交互に積層形成したものの両側を、厚さ８〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが０のＧａ_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐからなる層により挟んだ構成となっている。

このような構成の面発光型半導体レーザーにおいては、Ｅの値は、＋０．０２３であるため、Ｅは０以上の値である。従って、図１２に示すように、本実施例における面発光型半導体レーザー５０より出射される光は、半導体基板１１における（０-１１）面方向に対し、９０〔°〕となる偏光方向で安定したものとなる。

（実施例２）
本実施例における面発光型半導体レーザーは、発光波長が７８０〔ｎｍ〕のものである。本実施例について、図２及び図１３に基づき説明する。尚、図１３は、本実施例における活性層３１のバンド構造を示す図である。

図２に示すように、半導体基板１１である（１１１）面方向に１５〔°〕傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ膜とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ膜を交互に５０ペア積層することにより形成されるＤＢＲからなる下部反射鏡１２を形成し、その上に、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐからなる下部スペーサ層１３を形成し、その上に、多重量子井戸層１４を形成し、その上に、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐからなる上部スペーサ層１５を形成し、その上に、ＡｌＡｓからなる選択酸化層１６を形成し、その上に、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ膜とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ膜を交互に３０ペア積層することにより形成されるＤＢＲからなる上部反射鏡１７を形成し、その上に、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１８が形成されている。尚、各々の層の膜厚は、発光波長が７８０〔ｎｍ〕となるように所定の膜厚により形成されている。また、半導体基板１１の傾斜角度については、２〜２０〔°〕のいずれの角度であっても構わないが、本実施例においては１５〔°〕の基板を用いた。

このように積層形成されたものについて、メサ構造を形成し、その後、選択酸化層１６の一部を水蒸気雰囲気中で酸化することにより酸化領域３２と電流狭窄領域３３を形成し、その後、メサ構造を覆うように保護膜１９を形成する。この後、コンタクト層１８に接続するＡｕ／ＡｕＺｎからなる上部電極２０及び、半導体基板１１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅからなる下部電極２１を形成した構成ものである。

尚、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５は、半導体基板１１に対し、歪みは、＋０．０４〔％〕である。

多重量子井戸層１４は、厚さ５．５〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが、＋０．７１〔％〕のＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ_０．４１Ａｓ_０．５９からなる量子井戸層と、厚さ８〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが、−０．６〔％〕のＧａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐからなる障壁層を交互に積層形成したものの両側を、厚さ８〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが０のＧａ_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐからなる層により挟んだ構成となっている。

このような構成の面発光型半導体レーザーにおいては、偏光制御層が存在しないため、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５における半導体基板１１に対する歪みは、上述のとおり、＋０．０４であり０以上である。従って、図１２に示すように、本実施例における面発光型半導体レーザー５０より出射される光は、半導体基板１１における（０-１１）面方向に対し、９０〔°〕となる偏光方向で安定したものとなる。

（実施例３）
本実施例における面発光型半導体レーザーは、発光波長が７８０〔ｎｍ〕のものである。本実施例について、図２及び図１４に基づき説明する。尚、図１４は、本実施例における活性層３１のバンド構造を示す図である。

図２に示すように、半導体基板１１である（１１１）面方向に１５〔°〕傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ膜とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ膜を交互に５０ペア積層することにより形成されるＤＢＲからなる下部反射鏡１２を形成し、その上に、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．４８Ｉｎ_０．５２Ｐからなる下部スペーサ層１３を形成し、その上に、多重量子井戸層１４を形成し、その上に、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５９）_０．４８Ｉｎ_０．５２Ｐからなる上部スペーサ層１５を形成し、その上に、ＡｌＡｓからなる選択酸化層１６を形成し、その上に、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ膜とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ膜を交互に３０ペア積層することにより形成されるＤＢＲからなる上部反射鏡１７を形成し、その上に、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１８が形成されている。尚、各々の層の膜厚は、発光波長が７８０〔ｎｍ〕となるように所定の膜厚により形成されている。また、半導体基板１１の傾斜角度については、２〜２０〔°〕のいずれの角度であっても構わないが、本実施例においては１５〔°〕の基板を用いた。

このように積層形成されたものについて、メサ構造を形成し、その後、選択酸化層１６の一部を水蒸気雰囲気中で酸化することにより酸化領域３２と電流狭窄領域３３を形成し、その後、メサ構造を覆うように保護膜１９を形成する。この後、コンタクト層１８に接続するＡｕ／ＡｕＺｎからなる上部電極２０及び、半導体基板１１の裏面にＡｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅからなる下部電極２１を形成した構成ものである。

尚、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５は、半導体基板１１に対し、歪みは、＋０．２７〔％〕である。

また、多重量子井戸層１４は厚さ５．５〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが、＋０．７１〔％〕のＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ_０．４１Ａｓ_０．５９からなる量子井戸層と、厚さ８〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが、−０．６〔％〕のＧａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐからなる障壁層を交互に積層形成したものの両側を、厚さ８〔ｎｍ〕、半導体基板１１に対する歪みが０のＧａ_{０．５１６}Ｉｎ_{０．４８４}Ｐからなる層により挟んだ構成となっている。

このような構成の面発光型半導体レーザーにおいては、偏光制御層が存在しないため、下部スペーサ層１３及び上部スペーサ層１５における半導体基板１１に対する歪みは、上述のとおり＋０．２７であり０以上である。従って、図１２に示すように、本実施例における面発光型半導体レーザー５０より出射される光は、半導体基板１１における（０-１１）面方向に対し、９０〔°〕となる偏光方向で安定したものとなる。

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。

１１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１２ 下部反射鏡
１３ 下部スペーサ層
１４ 多重量子井戸層
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
１９ 保護膜
２０ 上部電極
２１ 下部電極
３１ 活性層
３２ 酸化領域
３３ 電流狭窄領域
４１ 偏光制御層

特開２００８−２８４２４号公報 特許第３７９１１９３号明細書 特開２００８−１６８２４号公報 特開平１１−３４０５７０号公報 特開平１１−３５４８８８号公報 特開２００２−２１７４９２号公報 特開２００３−３４７５８２号公報

「IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS」，1999，Vol.11，No.12，p.1539-1541 「IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS」，1998，Vol.10，No.12，p.1676-1678

Claims (10)

1. 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において、
   前記半導体基板は、（１００）面を傾斜させた面を表面とするものであって、
   前記活性層は、基板に対し圧縮歪みを有する量子井戸層と、スペーサ層により構成されており、
   前記スペーサ層は、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成されるものであって、前記半導体基板に対し圧縮歪みを有することを特徴とする面発光型半導体レーザー。
2. 前記半導体基板は、（０１０）面、（００１）面を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請求項１に記載の面発光型半導体レーザー。
3. 前記半導体基板における傾斜させた面は、（１１１）面方向に傾斜させた面であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザー。
4. 前記半導体基板の傾斜角は２０〔°〕以下であることを特徴とする請求項３に記載の面発光型半導体レーザー。
5. 前記量子井戸層は、単一の量子井戸層、又は、複数の量子井戸層と障壁層から構成される多重量子井戸層であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の面発光型半導体レーザー。
6. 前記スペーサ層内部には、偏光制御層を有しており、
   前記偏光制御層は、スペーサ層における格子歪みｅａ、スペーサ層の膜厚を積算した膜厚ｔａ、偏光制御層における格子歪みｅｂ、偏光制御層の膜厚を積算した膜厚ｔｂとした場合に、
   （ｅａ×ｔａ＋ｅｂ×ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）＞０・・・・・・・・（１）
   であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面発光型半導体レーザー。
7. 前記偏光制御層は、ＩｎＰに、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓのうち１又は２以上の材料を加えた材料により構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面発光型半導体レーザー。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の面発光型半導体レーザーが、同一半導体基板上に複数配列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。
9. 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、
   請求項８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。
10. 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。

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