JP2013016616A - 面発光レーザ素子、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子抵抗の上昇を招くことなく、発光効率を向上させることができる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】 発光部は基板、バッファ層、下部半導体ＤＢＲ、共振器構造体、上部半導体ＤＢＲ、上部電極、下部電極などを有している。上部半導体ＤＢＲは、第１の上部半導体ＤＢＲ、及び第２の上部半導体ＤＢＲを有している。第１の上部半導体ＤＢＲは、ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる低屈折率層を含み、該低屈折率層は、第２の上部半導体ＤＢＲにおけるｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と接している。第１の上部半導体ＤＢＲの低屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）と第２の上部半導体ＤＢＲにおける第１の上部半導体ＤＢＲに接している低屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ）は、屈折率が同じである。
【選択図】図１２

Description

本発明は、面発光レーザ素子、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、基板に垂直な方向にレーザ発振を行う面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子を有する光走査装置、及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に垂直な方向にレーザ発振を行う半導体レーザ素子であり、基板に平行な方向にレーザ発振を行う端面発光型の半導体レーザ素子に比べて、（１）消費電力が少ない、（２）モード安定性に優れる、（３）高集積化が容易であることから、通信分野や画像記録分野への応用が期待され、盛んに研究開発が行われている。

半導体レーザの発振波長は、活性層の材料のバンドギャップによって決定される。発振波長が可視領域〜近赤外領域においては、ＡｌＧａＡｓ、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ、（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料等が研究されている。

このうち、ＡｌＧａＡｓ系材料については、特に古くから多く研究報告がなされている。多くの面発光レーザ素子においては、高い効率の電流注入、及びメサ側面での無効電流の影響の低減のため、活性層近傍に何らかの電流狭窄手段を設けている。その手法としては、ＡｌＡｓ層を高温水蒸気中で酸化することによって得られるＡｌＯ_ｘによる電流狭窄を用いる手法が広く用いられている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。

上記電流狭窄を用いる手法では、電流経路が制限されているため、素子抵抗が高くなりやすい。また、素子抵抗を低減するため半導体層中に添加されるドーパントは、レーザ光の吸収源となりうるため、必要最小限且つ効果的に添加する必要がある。

特許文献１には、ＤＢＲ反射膜を構成する多層ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ膜の不純物濃度を均一に上げる代りに、光共振器内に発生する活性層からの出力光の定在波の電界強度が最小になる点のみにおいて選択的に上げる面発光半導体レーザが開示されている。

面発光レーザ素子における反射鏡の材料としては、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差を比較的大きく設定することが可能で、反射鏡全体の膜厚を薄くすることが可能なＡｌＧａＡｓ系材料が広く用いられている。

活性層の材料としては、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いることも可能ではあるが、ＡｌＧａＡｓ系材料は、設定波長によって一義的に組成が決定され、高利得化のために格子歪みを大きく設定することが不可能であるとともに、Ａｌを含む材料であることから高い信頼性が要求されるデバイスに対し適用するのは望ましくない。

これに対し、（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料は、２種類以上のＩＩＩ族元素・Ｖ族元素によって構成されているため、波長と格子歪みを独立して設定することが可能である。そこで、格子歪み量を大きく設定しＡｌを含まない組成も設定可能であることから、高利得化・高信頼性についても比較的容易に達成可能である。

ＡｌＧａＡｓ系材料よりなる反射鏡と、（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料よりなる活性層を組み合わせた面発光レーザ素子の例が、非特許文献２及び非特許文献３に記載されている。

しかしながら、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる反射鏡と（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料からなる活性層を組み合わせた構造体を、ＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長させる場合、該２つの材料系の界面（以下では、「Ｐ／Ａｓ界面」という）において、成長雰囲気をＡｓＨ_３＋ＰＨ_３の雰囲気からＡｓＨ_３の雰囲気へ、あるいはＡｓＨ_３の雰囲気からＡｓＨ_３＋ＰＨ_３の雰囲気へ切り替えなければならないが、その際にＰ／Ａｓ界面に結晶欠陥が生じやすい。

例えば、ＡｌＧａＩｎＰの上にＡｌＧａＡｓを成長させる場合は、ＡｌＧａＩｎＰ層の成長終了時点でＰＨ_３の雰囲気となっているが、ＡｌＧａＡｓ層の成長開始以前（または同時）に成長雰囲気をＡｓＨ_３に切り替える必要がある。

その際、ＡｌＧａＩｎＰ層の表面のＰが脱離し、成長後の膜中に格子欠陥として残留する。そのような格子欠陥を含む層を用いて面発光レーザ素子を作成すると、格子欠陥もレーザ光の吸収源として機能するため、発振閾値の上昇や動作電流の増加など様々な弊害を引き起こす。

共振器構造体の光学的厚さが発振波長の整数倍である場合に、上記弊害を回避するためには、特許文献１と同様の発想で、電界強度分布が最小となる位置にＰ／Ａｓ界面を配置すれば良い。

しかしながら、低屈折率層を（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料とし、高屈折率層をＡｌＧａＡｓ系材料とする場合、両者の価電子帯のエネルギー差が大きく（図１７参照）、素子抵抗が大幅に上昇する。

（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料、及びＡｌＧａＡｓ系材料におけるＡｌ組成を、素子抵抗が低減するように調整すると、（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料におけるＡｌ組成がＡｌＧａＡｓ系材料におけるＡｌ組成よりも大きくなる。このとき、必然的に高屈折率層が（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料となり、低屈折率層がＡｌＧａＡｓ系材料とならざるを得ない。その場合、電界強度分布が最大となる位置にＰ／Ａｓ界面が設定されるため、面発光レーザ素子の発光効率は著しく低下する。

一方、共振器構造体の光学的厚さが発振波長の１／２の整数倍で、且つ共振器構造体の材料が（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料であり、反射鏡の材料がＡｌＧａＡｓ系材料である場合、電界強度分布が最小となる位置にＰ／Ａｓ界面を設定することができる。このとき、共振器構造体は低屈折率層であり、反射鏡における共振器構造体に接する層は高屈折率層となる。その場合、図１７に示されるように、価電子帯のエネルギー差が大きくなり、素子抵抗が大幅に上昇する。

素子抵抗を低減するため、共振器構造体上に共振器構造体よりも屈折率の高い（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料を積層すると、該（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ層は高屈折率層として機能し、必然的に電界強度が最大となる位置にＰ／Ａｓ界面が設定されるため、面発光レーザ素子の発光効率は著しく低下する。

本発明は、第１の観点からすると、基板上に下部反射鏡、活性層を含む共振器構造体、及び上部反射鏡が積層されているメサ構造の発光部を有する面発光レーザ素子において、前記上部反射鏡と前記共振器構造体との間に積層された（Ａｌ_１−ａＧａ_ａ）_１−ｂＩｎ_ｂＰ_ｃＡｓ_１−ｃ（０≦a≦１、ｂ≠０、ｃ≠０）からなる半導体層を含み、前記上部反射鏡は、前記半導体層と接し、該半導体層と同じ屈折率を有する、Ａｌ_１−ｄＧａ_ｄＡｓ（０≦ｄ≦１）からなる低屈折率層を含む面発光レーザ素子である。

本発明は、第２の観点からすると、光によって被走査面を走査する光走査装置であって、本発明の面発光レーザ素子を有する光源と、前記光源からの光を偏向する光偏向器と、前記光偏向手段で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と、を備える光走査装置である。

本発明は、第３の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と、前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する本発明の光走査装置と、を備える画像形成装置である。

本発明の面発光レーザ素子によれば、素子抵抗の上昇を招くことなく、発光効率を向上させることができる。

本発明の光走査装置によれば、被走査面の光走査を精度良く行うことができる。

本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像を形成することができる。

本発明の一実施形態に係るカラープリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置を説明するための図（その１）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その２）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その３）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その４）である。 面発光レーザアレイを説明するための図である。 面発光レーザアレイにおける複数の発光部の配列状態を説明するための図である。 各発光部の平面図である。 図８のＡ−Ａ断面図である。 図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイの基板を説明するための図である。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ及び（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにおけるｘの値と屈折率との関係を説明するための図である。 本実施形態におけるＰ／Ａｓ界面を説明するための図である。 Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓと（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの価電子帯エネルギーの差を説明するための図である。 Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓと（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの価電子帯エネルギーの差を説明するための図である。 比較例１におけるＰ／Ａｓ界面を説明するための図である。 Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓと（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの価電子帯エネルギーの差を説明するための図である。 比較例２におけるＰ／Ａｓ界面を説明するための図である。 Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓと（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの価電子帯エネルギーを説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１７に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るカラープリンタ２０００の概略構成が示されている。

このカラープリンタ２０００は、４色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、光走査装置２０１０、４つの感光体ドラム（２０３０ａ、２０３０ｂ、２０３０ｃ、２０３０ｄ）、４つのクリーニングユニット（２０３１ａ、２０３１ｂ、２０３１ｃ、２０３１ｄ）、４つの帯電装置（２０３２ａ、２０３２ｂ、２０３２ｃ、２０３２ｄ）、４つの現像ローラ（２０３３ａ、２０３３ｂ、２０３３ｃ、２０３３ｄ）、４つのトナーカートリッジ（２０３４ａ、２０３４ｂ、２０３４ｃ、２０３４ｄ）、転写ベルト２０４０、転写ローラ２０４２、定着装置２０５０、給紙コロ２０５４、レジストローラ対２０５６、排紙ローラ２０５８、給紙トレイ２０６０、排紙トレイ２０７０、通信制御装置２０８０、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置２０９０などを備えている。

なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系において、各感光体ドラムの長手方向に沿った方向をＸ軸方向、４つの感光体ドラムの配列方向に沿った方向をＺ軸方向として説明する。

通信制御装置２０８０は、ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御する。

プリンタ制御装置２０９０は、ＣＰＵ、該ＣＰＵにて解読可能なコードで記述されたプログラム及び該プログラムを実行する際に用いられる各種データが格納されているＲＯＭ、作業用のメモリであるＲＡＭ、アナログデータをデジタルデータに変換するＡＤ変換回路などを有している。そして、プリンタ制御装置２０９０は、通信制御装置２０８０を介して受信した上位装置からの多色の画像情報（ブラック画像情報、シアン画像情報、マゼンタ画像情報、イエロー画像情報）を光走査装置２０１０に通知する。

感光体ドラム２０３０ａ、帯電装置２０３２ａ、現像ローラ２０３３ａ、トナーカートリッジ２０３４ａ、及びクリーニングユニット２０３１ａは、組として使用され、ブラックの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｋステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｂ、帯電装置２０３２ｂ、現像ローラ２０３３ｂ、トナーカートリッジ２０３４ｂ、及びクリーニングユニット２０３１ｂは、組として使用され、シアンの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｃステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｃ、帯電装置２０３２ｃ、現像ローラ２０３３ｃ、トナーカートリッジ２０３４ｃ、及びクリーニングユニット２０３１ｃは、組として使用され、マゼンタの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｍステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｄ、帯電装置２０３２ｄ、現像ローラ２０３３ｄ、トナーカートリッジ２０３４ｄ、及びクリーニングユニット２０３１ｄは、組として使用され、イエローの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｙステーション」ともいう）を構成する。

各感光体ドラムはいずれも、その表面に感光層が形成されている。すなわち、各感光体ドラムの表面がそれぞれ被走査面である。なお、各感光体ドラムは、不図示の回転機構により、図１における面内で矢印方向に回転する。

各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面をそれぞれ均一に帯電させる。

光走査装置２０１０は、プリンタ制御装置２０９０からの多色の画像情報に基づいて色毎に変調された光束で、対応する帯電された感光体ドラムの表面を走査する。これにより、各感光体ドラムの表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が各感光体ドラムの表面にそれぞれ形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラムの回転に伴って対応する現像装置の方向に移動する。なお、光走査装置の構成については後述する。

各現像ローラは、回転に伴って、対応するトナーカートリッジからのトナーが、その表面に薄く均一に塗布される。そして、各現像ローラの表面のトナーは、対応する感光体ドラムの表面に接すると、該表面における光が照射された部分にだけ移行し、そこに付着する。すなわち、各現像ローラは、対応する感光体ドラムの表面に形成された潜像にトナーを付着させて顕像化させる。ここでトナーが付着した像（トナー画像）は、感光体ドラムの回転に伴って転写ベルト２０４０の方向に移動する。

イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各トナー画像は、所定のタイミングで転写ベルト２０４０上に順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。

給紙トレイ２０６０には記録紙が格納されている。この給紙トレイ２０６０の近傍には給紙コロ２０５４が配置されており、該給紙コロ２０５４は、記録紙を給紙トレイ２０６０から１枚ずつ取り出し、レジストローラ対２０５６に搬送する。該レジストローラ対２０５６は、所定のタイミングで記録紙を転写ベルト２０４０と転写ローラ２０４２との間隙に向けて送り出す。これにより、転写ベルト２０４０上のカラー画像が記録紙に転写される。カラー画像が転写された記録紙は、定着装置２０５０に送られる。

定着装置２０５０では、熱と圧力とが記録紙に加えられ、これによってトナーが記録紙上に定着される。トナーが定着された記録紙は、排紙ローラ２０５８を介して排紙トレイ２０７０に送られ、排紙トレイ２０７０上に順次積み重ねられる。

各クリーニングユニットは、対応する感光体ドラムの表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラムの表面は、再度対応する帯電装置に対向する位置に戻る。

次に、前記光走査装置２０１０の構成について説明する。

光走査装置２０１０は、一例として図２〜図５に示されるように、４つの光源（２２００ａ、２２００ｂ、２２００ｃ、２２００ｄ）、４つのカップリングレンズ（２２０１ａ、２２０１ｂ、２２０１ｃ、２２０１ｄ）、４つの開口板（２２０２ａ、２２０２ｂ、２２０２ｃ、２２０２ｄ）、４つのシリンドリカルレンズ（２２０４ａ、２２０４ｂ、２２０４ｃ、２２０４ｄ）、光偏向器２１０４、４つの走査レンズ（２１０５ａ、２１０５ｂ、２１０５ｃ、２１０５ｄ）、６枚の折り返しミラー（２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃ、２１０６ｄ、２１０８ｂ、２１０８ｃ）、及び不図示の走査制御装置などを備えている。

なお、以下では、便宜上、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。

光源２２００ａとカップリングレンズ２２０１ａと開口板２２０２ａとシリンドリカルレンズ２２０４ａと走査レンズ２１０５ａと折り返しミラー２１０６ａは、感光体ドラム２０３０ａに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｂとカップリングレンズ２２０１ｂと開口板２２０２ｂとシリンドリカルレンズ２２０４ｂと走査レンズ２１０５ｂと折り返しミラー２１０６ｂと折り返しミラー２１０８ｂは、感光体ドラム２０３０ｂに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｃとカップリングレンズ２２０１ｃと開口板２２０２ｃとシリンドリカルレンズ２２０４ｃと走査レンズ２１０５ｃと折り返しミラー２１０６ｃと折り返しミラー２１０８ｃは、感光体ドラム２０３０ｃに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｄとカップリングレンズ２２０１ｄと開口板２２０２ｄとシリンドリカルレンズ２２０４ｄと走査レンズ２１０５ｄと折り返しミラー２１０６ｄは、感光体ドラム２０３０ｄに潜像を形成するための光学部材である。

各カップリングレンズは、対応する光源から射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光束とする。

各開口板は、開口部を有し、対応するカップリングレンズを介した光束を整形する。

各シリンドリカルレンズは、対応する開口板の開口部を通過した光束を、光偏向器２１０４の偏向反射面近傍にＹ軸方向に関して結像する。

光偏向器２１０４は、２段構造のポリゴンミラーを有している。各ポリゴンミラーは、４面の偏向反射面を有している。そして、１段目（下段）のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ２２０４ａからの光束及びシリンドリカルレンズ２２０４ｄからの光束がそれぞれ偏向され、２段目（上段）のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ２２０４ｂからの光束及びシリンドリカルレンズ２２０４ｃからの光束がそれぞれ偏向されるように配置されている。なお、１段目のポリゴンミラー及び２段目のポリゴンミラーは、互いに位相が略４５°ずれて回転し、書き込み走査は１段目と２段目とで交互に行われる。

光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ａからの光束は、走査レンズ２１０５ａ、及び折り返しミラー２１０６ａを介して、感光体ドラム２０３０ａに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ａの長手方向に移動する。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｂからの光束は、走査レンズ２１０５ｂ、及び２枚の折り返しミラー（２１０６ｂ、２１０８ｂ）を介して、感光体ドラム２０３０ｂに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｂの長手方向に移動する。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｃからの光束は、走査レンズ２１０５ｃ、及び２枚の折り返しミラー（２１０６ｃ、２１０８ｃ）を介して、感光体ドラム２０３０ｃに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｃの長手方向に移動する。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｄからの光束は、走査レンズ２１０５ｄ、及び折り返しミラー２１０６ｄを介して、感光体ドラム２０３０ｄに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｄの長手方向に移動する。

各感光体ドラムにおける光スポットの移動方向が、「主走査方向」であり、感光体ドラムの回転方向が、「副走査方向」である。

光偏向器２１０４と各感光体ドラムとの間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。

各光源は、一例として図６に示されるように、３２個の発光部が２次元配列されている面発光レーザアレイ１００を有している。ここでは、レーザ発振方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に直交する面内における互いに直交する２つの方向をｘ軸方向及びｙ軸方向とする。そして、ｘ軸方向が主走査対応方向となり、ｙ軸方向が副走査対応方向となるように設定されている。

３２個の発光部は、図７に示されるように、全ての発光部を副走査対応方向に延びる仮想線上に正射影したときに、発光部間隔が等しく（図７では「ｄ１」）なるように配置されている。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは２つの発光部の中心間距離をいう。

ここでは、各発光部は、発振波長が７８０ｎｍ帯の垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）である。

各発光部は、図８及び図９に示されるように、基板１０１、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ１０７、コンタクト層１０９、上部電極１１３、下部電極１１４、及び誘電体層１１６などを有している。なお、図８は、１つの発光部の平面図であり、図９は、図８のＡ−Ａ断面図である。

基板１０１は、表面が鏡面研磨面であり、図１０（Ａ）に示されるように、鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。すなわち、基板１０１はいわゆる傾斜基板である。ここでは、図１０（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０ −１ １］方向が＋ｘ方向、結晶方位［０ １ −１］方向が−ｘ方向となるように配置されている。

図９に戻り、バッファ層１０２は、基板１０１の＋ｚ側の面上に積層され、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体ＤＢＲ１０３は、バッファ層１０２の＋ｚ側に積層され、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４０．５ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部スペーサ層１０４は、下部半導体ＤＢＲ１０３の＋ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋ｚ側に積層され、Ｇａ_０．８Ｉｎ_０．２Ａｓ_０．８Ｐ_０．２／Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの３重量子井戸構造（ＴＱＷ構造）の活性層である。量子井戸層は７８０ｎｍ帯の発振波長を得るために、ＧａＩｎＰ混晶にＡｓを導入したものであり０．７％の圧縮歪みを有する。バリア層は、０．６％の引張歪みを導入することによってバンドギャップを大きくし、高いキャリア閉じ込めを実現するとともに、量子井戸層の歪み補償構造を形成している。

上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部スペーサ層１０６と上部半導体ＤＢＲ１０７との間に、ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる半導体層Ｈ（図９では、図示省略）を１層有している。この半導体層Ｈは、屈折率が３．０７４で、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ１０７は、半導体層Ｈの＋ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２９．５ペア有している。

上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接している層は、低屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ）である。該低屈折率層は、屈折率が３．０７４で、２λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

すなわち、半導体層Ｈと、上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接している低屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ）は、屈折率が同じであり、該２つの層は光学的には１つの層とみなすことができる。

上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接している低屈折率層を除く各屈折率層はいずれも、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ１０７における低屈折率層の１つには、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が厚さ３０ｎｍで挿入されている。

この被選択酸化層の挿入位置は、電界の定在波分布において、活性層１０５から３番目となる節に対応する位置である。

コンタクト層１０９は、上部半導体ＤＢＲ１０７の＋ｚ側に積層され、ｐ−ＧａＡｓからなる。

なお、このように基板１０１上に複数の層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。

次に、面発光レーザアレイ１００の製造方法について説明する。

（１）上記積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）あるいは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって作成する。

ここでは、ＩＩＩ族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料には、フォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いている。

（２）積層体の表面に所望のメサ形状に対応する１辺が２５μｍの正方形状のレジストパターンを形成する。

（３）誘導結合型（ＩＣＰ）ドライエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層１０４中に位置するようにした。

（４）フォトマスクを除去する。

（５）積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、メサの外周部から被選択酸化層１０８中のＡｌが選択的に酸化される。そして、メサの中央部に、Ａｌの酸化層１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂを残留させる。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が作成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。ここでは、種々の予備実験の結果から、電流通過領域１０８ｂが所望の大きさとなるように、熱処理の条件（保持温度、保持時間等）を適切に選択している。

（６）積層体の表面に、分離用（チップ切り出し用）の溝を形成するためのレジストマスクを設ける。

（７）上述したレジストマスクをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により分離用（チップ切り出し用）の溝を形成する。

（８）プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮからなる保護層１１１を形成する。ここでは、保護層１１１の光学的厚さがλ／４となるようにした。具体的には、ＳｉＮの屈折率ｎが１．８６、発振波長λが７８０ｎｍであるため、実際の膜厚（＝λ／４ｎ）は約１０５ｎｍに設定した。

（９）レーザ光の射出面となるメサ上部に、いわゆる窓開けを行うためのエッチングマスク（マスクＭという）を作成する。ここでは、メサ上面の周囲、及びメサ上面の低反射率領域となる領域がエッチングされないようにマスクＭを作成する。

（１０）ＢＨＦにて保護層１１１をエッチングする。

（１１）マスクＭを除去する。上部電極１１３の開口部となる領域内に残っている保護層１１１が、前記誘電体層１１６である。この誘電体層１１６は、反射率を中心部の反射率よりも低くする機能を有している。

（１２）メサ上部の光射出部となる領域（射出領域）に一辺１０μｍの正方形状のレジストパターンを形成し、ｐ側の電極材料の蒸着を行なう。ｐ側の電極材料としてはＣｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕからなる多層膜、もしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層膜が用いられる。

（１３）光射出部となる領域に蒸着された電極材料をリフトオフし、上部電極１１３を形成する。この上部電極１１３で囲まれた領域が射出領域である。

（１４）基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）まで研磨した後、下部電極１１４を形成する（図９参照）。ここでは、下部電極１１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

（１５）アニールによって、上部電極１１３と下部電極１１４のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。

（１６）チップ毎に切断し、それぞれセラミックパッケージに実装する。

このように製造された面発光レーザアレイ１００では、半導体層Ｈ（Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）と、上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接している低屈折率層（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ）は、図１１に示されるように屈折率が略同一となるため、これら２層は光学的には１層とみなすことができる。

この場合は、任意の位置にＰ／Ａｓ界面を設定することが可能である。そして、図１２に示されるように、界面における吸収が最小となる電界強度の節の位置にＰ／Ａｓ界面を設定することができるため、高効率とすることができる。

また、Ｐ／Ａｓ界面における価電子帯のエネルギー差は、図１３における符号γで示される。これは、従来の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層を用いる場合の価電子帯のエネルギー差（図１４における符号α参照）よりも小さくすることができる。そこで、素子抵抗を小さくすることができる。

ところで、面発光レーザにおいては、活性層で発生した光が共振器構造体を挟む上部半導体ＤＢＲ及び下部半導体ＤＢＲの間で反射を繰り返すことによって増幅され、射出領域よりレーザ光として取り出されるため、下部半導体ＤＢＲ〜共振器構造体〜上部半導体ＤＢＲ内部の損失（光吸収）は最小限に抑制しなければならない。

光吸収の吸収源となるもののひとつに層中のキャリアが良く知られている。これに対しては特許文献１に示されているように、面発光レーザ内部の電界強度分布を考慮し、それが最小となる箇所（節）に選択的に高ドープしている。

半導体ＤＢＲの材料として、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差を大きく設定できることからＡｌＧａＡｓ系材料が広く用いられている。活性層の材料としては、格子歪みを導入することで高利得化が可能で、且つＡｌを含まない材料を選択できることから（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料が望ましい。

しかしながら、ＡｌＧａＡｓ系材料と（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料を組み合わせた場合、Ｐ／Ａｓ界面において、成長雰囲気をＡｓＨ_３＋ＰＨ_３とＡｓＨ_３との間で切り替える必要がある。

その際、（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料もしくはＡｌＧａＡｓ系材料表面のＰ原子あるいはＡｓ原子が脱離して格子欠陥が形成され、この格子欠陥もキャリアと同様に吸収源となりうる。

すなわち、電界強度が節の箇所に選択的に高ドープするのと同様に、Ｐ／Ａｓ界面についても電界強度を節の箇所に設定するのが望ましい。

しかしながら、（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料と、ＡｌＧａＡｓ系材料を接合する場合、価電子帯エネルギー差に起因する素子抵抗の増加についても配慮しなければならない。

（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料とＡｌＧａＡｓ系材料の接合面を電界強度の節の位置に設定する場合、定在波の位相反転を考慮すると、該接合面における（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系は低屈折率層、ＡｌＧａＡｓ系材料は高屈折率層でなければならない（図１５参照）。（Ａｌ）ＧａＩｎＰＡｓ系材料を（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐとし、ＡｌＧａＡｓ系材料をＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓとすると、価電子帯のエネルギー差が大きいため（図１４参照）、素子抵抗が高くなる可能性がある。

一方、Ｐ／Ａｓ界面の一側を（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層とし、他側をＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる層とした場合、該Ｐ／Ａｓ界面での価電子帯のエネルギー差は、図１６における符号βで表され、比較的エネルギー差が小さいため、素子抵抗に与える影響は小さい。

しかしながら、両者の屈折率を比較すると、図１１から、（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの屈折率＞Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓの屈折率であるため、（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層を高屈折率層、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる層を低屈折率層と設定せざるを得ず、必然的に図１７に示されるような構成になり、Ｐ／Ａｓ界面は電界強度分布における腹の位置に設定され、該Ｐ／Ａｓ界面に存在する格子欠陥により吸収が増加する可能性がある。

以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザアレイによると、各発光部は基板１０１、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、共振器構造体、上部半導体ＤＢＲ１０７、上部電極１１３、下部電極１１４、配線部材１１５、及び誘電体層１１６などを有している。

上部スペーサ層１０６と上部半導体ＤＢＲ１０７との間に、ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる半導体層Ｈが設けられている。この半導体層Ｈは、屈折率が３．０７４で、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接している層は、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層である。該低屈折率層は、屈折率が３．０７４で、２λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

すなわち、半導体層Ｈ（ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）と上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接している低屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ）は、屈折率が同じであり、該２つの層は光学的には１つの層とみなすことができる。

この場合は、Ｐ／Ａｓ界面が電界強度の節の位置に配置され、且つＰ／Ａｓ界面に隣接する２つの層の価電子帯のエネルギー差が小さくなり、素子抵抗の上昇を招くことなく、発光効率を向上させることができる。

また、光走査装置２０１０によると、各光源が面発光レーザアレイ１００を有しているため、各感光体ドラムの光走査を精度良く行うことができる。

カラープリンタ２０００は、光走査装置２０１０を備えているため、結果として、高品質の画像を形成することができる。

ところで、面発光レーザアレイ１００では、各発光部を副走査対応方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部間隔が等間隔ｄ１であるので、点灯のタイミングを調整することで感光体ドラム上では副走査方向に等間隔で発光部が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。

そして、例えば、上記間隔ｄ２を２．６５μｍ、光走査装置２０１０の光学系の倍率を２倍とすれば、４８００ｄｐｉ（ドット／インチ）の高密度書き込みができる。もちろん、主走査対応方向の発光部数を増加したり、副走査対応方向のピッチｄ２（図７参照）を狭くして間隔ｄ１を更に小さくするアレイ配置としたり、光学系の倍率を下げる等を行えばより高密度化でき、より高品質の印刷が可能となる。なお、主走査方向の書き込み間隔は、発光部の点灯のタイミングで容易に制御できる。

また、この場合には、カラープリンタ２０００では書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷することができる。また、同じ書きこみドット密度の場合には印刷速度を更に速くすることができる。

また、面発光レーザアレイ１００を効率良く活用することで、寿命が向上するので、書き込みユニットもしくは光源ユニットの再利用が可能となる。

なお、上記実施形態では、半導体層Ｈ（ｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ）の光学的厚さがλ／４の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ｍ_１を自然数とすると、（２ｍ_１−１）×λ／４であれば良い。

また、上記実施形態では、上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接する低屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ）の光学的厚さが２λ／４の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ｍ_２を自然数とすると、ｍ_２×λ／２であれば良い。

また、上記実施形態では、半導体層Ｈがｐ−Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層であり、上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接する低屈折率層がｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる層の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、半導体層Ｈが、（Ａｌ_１−ａＧａ_ａ）_１−ｂＩｎ_ｂＰ_ｃＡｓ_１−ｃ（０≦a≦１、ｂ≠０、ｃ≠０）からなる半導体層であり、上部半導体ＤＢＲ１０７における半導体層Ｈに接する低屈折率層が、半導体層Ｈと同じ屈折率を有する、Ａｌ_１−ｄＧａ_ｄＡｓ（０≦ｄ≦１）からなる低屈折率層であれば良い。

また、上記実施形態では、上部スペーサ層１０６と上部半導体ＤＢＲ１０７との間に、半導体層Ｈのみが設けられる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、上部スペーサ層１０６と上部半導体ＤＢＲ１０７との間に、半導体層Ｈを低屈折率層とする半導体ＤＢＲが設けられても良い。

また、上記実施形態では、メサの横断面の外形形状が略正方形の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、メサの横断面の外形形状を、円形、楕円形あるいは長方形など任意の形状とすることができる。

また、上記実施形態では、基板の主面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって傾斜している場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、主面の法線方向が、結晶方位＜１ ０ ０＞の一の方向に対して、結晶方位＜１ １ １＞の一の方向に向かって傾斜している基板であれば良い。

また、上記実施形態では、各光源が面発光レーザアレイ１００を有する場合について説明したが、これに限らず、各光源が面発光レーザアレイ１００と同様にして作成され、発光部が１つの面発光レーザ素子を有していても良い。

また、上記実施形態では、発光部の発振波長が７８０ｎｍ帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。感光体の特性に応じて、発光部の発振波長を変更しても良い。

また、面発光レーザアレイ１００は、画像形成装置以外の用途に用いることができる。その場合には、発振波長は、その用途に応じて、６５０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の波長帯であっても良い。

また、上記実施形態では、画像形成装置として多色のカラープリンタの場合について説明したが、これに限定されるものではなく、単色のプリンタであっても良い。

また、上記実施形態では、トナー画像を記録紙に転写する画像形成装置について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、レーザ光によって発色する媒体（例えば、用紙）に直接、レーザ光を照射する画像形成装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。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等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。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できる。

１００…面発光レーザアレイ、１０１…基板、１０３…下部半導体ＤＢＲ（下部反射鏡）、１０４…下部スペーサ層（共振器構造体の一部）、１０５…活性層、１０６…上部スペーサ層（共振器構造体の一部）、１０７…上部半導体ＤＢＲ（上部反射鏡）、１１３…上部電極、１１５…配線部材、１１６…誘電体層、２０００…カラープリンタ（画像形成装置）、２０１０…光走査装置、２０３０ａ〜２０３０ｄ…感光体ドラム（像担持体）、２１０４…光偏向器、２１０５ａ〜２１０５ｄ…走査レンズ（走査光学系の一部）、２２００ａ〜２２００ｄ…光源。

特許第２７５７６３３号公報

Ｕｅｋｉ，Ｎ、他８名、「Ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ ３．４−ｍＷ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｏｘｉｄｅ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ７８０−ｎｍ ＶＣＳＥＬｓ」、ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＩＥＥＥ、ＶＯＬ．１１、ＮＯ．１２、ＤＥＣＥＮＢＥＲ、１９９９、ｐ１５３９−ｐ１５４１ Ｙａ−Ｈｓｉｅｎ Ｃｈａｎｇ Ｋｕｏ、他４名、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｏｘｉｄｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ ＶＣＳＥＬｓ ｕｓｉｎｇ ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＧａＰ ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｃｏｎｐｅｎｓａｔｅｄ ＭＱＷｓ」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、ＶＯＬ．２２、ＮＯ．１２、ＤＥＣＥＭＢＥＲ、２００４、ｐ２８２８−ｐ２８３３ Ｒ．Ｐ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ、他１名、「ＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰ−ｂａｓｅｄ ｎｅａｒ−ＩＲ（７８０ｎｍ） ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ」、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ３０ｔｈ、Ｍａｒｃｈ、１９９５、Ｖｏｌ．３１、Ｎｏ．７、ｐ５５４−５５６

Claims (6)

1. 基板上に下部反射鏡、活性層を含む共振器構造体、及び上部反射鏡が積層されているメサ構造の発光部を有する面発光レーザ素子において、
   前記上部反射鏡と前記共振器構造体との間に積層された（Ａｌ_１−ａＧａ_ａ）_１−ｂＩｎ_ｂＰ_ｃＡｓ_１−ｃ（０≦a≦１、ｂ≠０、ｃ≠０）からなる半導体層を含み、
   前記上部反射鏡は、前記半導体層と接し、該半導体層と同じ屈折率を有する、Ａｌ_１−ｄＧａ_ｄＡｓ（０≦ｄ≦１）からなる低屈折率層を含む面発光レーザ素子。
2. 前記半導体層は、発振波長λ、自然数ｍ_１を用いて、光学的厚さが（２ｍ_１−１）×λ／４であり、
   前記上部反射鏡の前記低屈折率層は、自然数ｍ_２を用いて、光学的厚さがｍ_２×λ／２であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記半導体層は、反射鏡の低屈折率層を構成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 光によって被走査面を走査する光走査装置であって、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を有する光源と、
   前記光源からの光を偏向する光偏向器と、
   前記光偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と、を備える光走査装置。
5. 少なくとも１つの像担持体と、
   前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する請求項４に記載の光走査装置と、を備える画像形成装置。
6. 前記画像情報は、多色の画像情報であることを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。

Images