JP2013182965A - Manufacturing method, surface light-emitting laser element, surface light-emitting laser array, optical scanner, and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、製造方法、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、面発光レーザ素子を製造する製造方法、該製造方法で製造された面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイ、該面発光レーザ素子あるいは面発光レーザアレイを有する光走査装置、並びに該光走査装置を備える画像形成装置に関する。 The present invention relates to a manufacturing method, a surface emitting laser element, a surface emitting laser array, an optical scanning apparatus, and an image forming apparatus. More specifically, the manufacturing method for manufacturing a surface emitting laser element, and the surface emitting manufactured by the manufacturing method. The present invention relates to a laser element and a surface emitting laser array, an optical scanning device having the surface emitting laser element or the surface emitting laser array, and an image forming apparatus including the optical scanning device.
垂直共振器型の面発光レーザ素子(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、基板に対して垂直方向に光を射出する半導体レーザ素子であり、基板に対して平行方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザ素子に比べて、(1)低価格、(2)低消費電力、(3)小型で高性能、(4)2次元集積化が容易、という特徴を有し、近年注目されている。 BACKGROUND ART A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is a semiconductor laser element that emits light in a direction perpendicular to a substrate, and is an edge emitting that emits light in a direction parallel to the substrate. Compared with conventional semiconductor laser devices, it has the following features: (1) low price, (2) low power consumption, (3) small size and high performance, and (4) easy two-dimensional integration. Yes.
例えば、特許文献1には、基板上に、少なくとも第1導電型の第1の半導体多層反射膜、活性領域、および第2導電型の第2の半導体多層反射膜を積層するステップと、第2の半導体多層反射膜から第1の半導体多層反射膜の一部に至る半導体膜を除去することによりポストを形成するステップと、ポスト底部で露出された第1の半導体多層反射膜上に第1の絶縁膜を形成するステップと、第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成するステップと、第2の絶縁膜上に、ポスト頂部の第2の半導体多層反射膜と電気的に接続される電極パッドを形成するステップと、を有する面発光型半導体レーザの製造方法が開示されている。
For example,
特許文献2には、半導体基板上に、少なくとも第一の導電型の半導体多層膜反射鏡と、活性層と、第二の導電型の半導体多層膜反射鏡とを順次積層して形成した半導体積層膜を形成する工程と、半導体積層膜上に、方位によって端部の傾斜を異にするマスクを形成する工程と、マスクにより半導体多層膜をエッチングしてメサ構造を形成する工程と、メサ構造を覆う絶縁膜を形成する工程とを含む垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置の製造方法が開示されている。 Patent Document 2 discloses a semiconductor multilayer formed by sequentially laminating at least a first-conductivity-type semiconductor multilayer reflector, an active layer, and a second-conductivity-type semiconductor multilayer reflector on a semiconductor substrate. A step of forming a film, a step of forming a mask on the semiconductor multilayer film with different inclinations of edges depending on the orientation, a step of etching the semiconductor multilayer film with the mask to form a mesa structure, and a mesa structure A method of manufacturing a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device including a step of forming a covering insulating film is disclosed.
特許文献3には、表面がGaAsである半導体基板を、少なくともふっ酸を含む溶液に浸漬する工程と、半導体基板表面を水洗して親水化する工程と、半導体基板表面の親水性を保ちつつ半導体基板表面上の水を除去する工程と、半導体基板上にフォトレジストを用いてレジストマスクを形成する工程と、レジストマスクを利用して、少なくともGaAsをエッチングすることが可能なエッチング液を用いてエッチングを行うことにより、逆メサ方向に延伸する側面が順テーパ形状である段差構造を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法が開示されている。 Patent Document 3 discloses a step of immersing a semiconductor substrate whose surface is GaAs in a solution containing at least hydrofluoric acid, a step of washing the surface of the semiconductor substrate with water to make it hydrophilic, and a semiconductor while maintaining the hydrophilicity of the surface of the semiconductor substrate. Etching with an etching solution capable of etching at least GaAs using the resist mask, a step of removing water on the substrate surface, a step of forming a resist mask using a photoresist on the semiconductor substrate And a step of forming a step structure in which the side surface extending in the reverse mesa direction has a forward taper shape is disclosed.
特許文献4には、化合物半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、上部多層膜反射鏡を有する積層膜を形成し、該積層膜をドライエッチング法によってメサ構造に加工する工程を有する面発光レーザの製造方法において、積層膜中に、エッチング停止層と、該エッチング停止層の上に接して酸素導入層とを含み、酸素導入層をエッチング中に酸素原子を含むガスを導入しエッチング停止層でエッチングを停止させることを特徴とする面発光レーザの製造方法が開示されている。 In Patent Document 4, a laminated film having a lower semiconductor multilayer reflector, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multilayer reflector is formed on a compound semiconductor substrate, and the laminated film is dry-etched. In the method of manufacturing a surface emitting laser having a step of processing into a mesa structure, the stacked film includes an etching stop layer and an oxygen introduction layer in contact with the etching stop layer, and the oxygen introduction layer is being etched. A method for manufacturing a surface emitting laser is disclosed in which a gas containing oxygen atoms is introduced and etching is stopped at an etching stop layer.
特許文献5には、ドライエッチング法により、メサ形状とボンディングパッド領域を同時に形成し、その場合に、凸部である面発光レーザアレイ素子のメサ上部からメサ底部を接続するメサ側壁部配線幅を凹部であるメサ底部に形成された配線幅よりも広く形成する面発光レーザアレイの作製方法が開示されている。 In Patent Document 5, a mesa shape and a bonding pad region are simultaneously formed by a dry etching method, and in this case, the mesa side wall portion wiring width connecting the mesa bottom portion to the mesa bottom portion of the surface emitting laser array element which is a convex portion is disclosed. A method of manufacturing a surface emitting laser array that is formed wider than the width of a wiring formed on a mesa bottom that is a recess is disclosed.
しかしながら、従来の製造方法では歩留まりを向上させるのが困難であった。 However, it has been difficult to improve the yield by the conventional manufacturing method.
本発明は、複数の半導体層が積層されているメサ形状の発光部を有し、該メサ上面の光射出領域が電極によって取り囲まれている面発光レーザ素子の製造方法であって、基板上に前記複数の半導体層を積層する工程と、角錐台状の前記メサを形成する工程と、前記メサの上面の一部と前記角錐台における互いに隣接する2つの稜線を覆う前記電極を形成する工程と、を含む面発光レーザ素子の製造方法である。 The present invention relates to a method of manufacturing a surface-emitting laser device having a mesa-shaped light emitting portion in which a plurality of semiconductor layers are stacked, and a light emission region on the top surface of the mesa surrounded by an electrode. Laminating the plurality of semiconductor layers; forming a truncated pyramid-shaped mesa; forming the electrode covering a part of the upper surface of the mesa and two adjacent ridgelines in the truncated pyramid; A method of manufacturing a surface emitting laser element including
本発明の製造方法によれば、歩留まりを向上させることができる。 According to the manufacturing method of the present invention, the yield can be improved.
以下、本発明の一実施形態を図1〜図24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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of a
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)、転写ベルト2040、転写ローラ2042、定着装置2050、給紙コロ2054、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。
The
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。
The
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、増幅回路、アナログデータをデジタルデータに変換するA/D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。
The
感光体ドラム2030a、帯電装置2032a、現像ローラ2033a、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。
The
感光体ドラム2030b、帯電装置2032b、現像ローラ2033b、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。
The
感光体ドラム2030c、帯電装置2032c、現像ローラ2033c、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。
The
感光体ドラム2030d、帯電装置2032d、現像ローラ2033d、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。
The
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。 Each photosensitive drum has a photosensitive layer formed on the surface thereof. That is, the surface of each photoconductive drum is a surface to be scanned. Each photosensitive drum is rotated in the direction of the arrow in the plane in FIG.
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。 Each charging device uniformly charges the surface of the corresponding photosensitive drum.
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、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。
The
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(図示省略)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。
As each developing roller rotates, toner from a corresponding toner cartridge (not shown) is thinly and uniformly applied to the surface thereof. Then, when the toner on the surface of each developing roller comes into contact with the surface of the corresponding photosensitive drum, the toner moves only to a portion irradiated with light on the surface and adheres to the surface. In other words, each developing roller causes toner to adhere to the latent image formed on the surface of the corresponding photosensitive drum so as to be visualized. Here, the toner-attached image (toner image) moves in the direction of the
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。
The yellow, magenta, cyan, and black toner images are sequentially transferred onto the
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枚ずつ取り出す。該記録紙は、所定のタイミングで転写ベルト2040と転写ローラ2042との間隙に向けて送り出される。これにより、転写ベルト2040上のトナー画像が記録紙に転写される。トナー画像が転写された記録紙は、定着装置2050に送られる。
Recording paper is stored in the
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。
In the
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。 Each cleaning unit removes toner (residual toner) remaining on the surface of the corresponding photosensitive drum. The surface of the photosensitive drum from which the residual toner has been removed returns to the position facing the corresponding charging device again.
次に、前記光走査装置2010の構成について説明する。
Next, the configuration of the
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。
2 to 5 as an example, the
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、光偏向器2104の回転軸方向をZ軸方向として説明する。
Here, in the XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system, the direction along the longitudinal direction of each photosensitive drum is described as the X-axis direction, and the rotation axis direction of the
また、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。 In the following, for convenience, the direction corresponding to the main scanning direction is abbreviated as “main scanning corresponding direction”, and the direction corresponding to the sub scanning direction is abbreviated as “sub scanning corresponding direction”.
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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の光路上に配置され、該光を略平行光とする。 Each coupling lens is disposed on the optical path of light emitted from the corresponding light source, and makes the light substantially parallel light.
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を整形する。 Each aperture plate has an aperture and shapes the light through the corresponding coupling lens.
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を、光偏向器2104の偏向反射面近傍に副走査対応方向に関して結像する。
Each cylindrical lens forms an image of the light that has passed through the opening of the corresponding aperture plate in the vicinity of the deflection reflection surface of the
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からの光及びシリンドリカルレンズ2204dからの光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からの光及びシリンドリカルレンズ2204cからの光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。
The
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。
The light from the
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。
The light from the
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。
The light from the
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。
The light from the
各感光体ドラム上の光スポットは、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。
The light spot on each photosensitive drum moves in the longitudinal direction of the photosensitive drum as the
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。
An optical system disposed on the optical path between the
各光源は、一例として図6に示される面発光レーザアレイ100を有している。なお、以下では、レーザ発振方向をz軸方向とし、z軸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軸方向として説明する。
Each light source has a surface emitting
この面発光レーザアレイ100は、2次元的に配列されている32個の発光部、及び32個の発光部の周囲に設けられ、各発光部に対応した32個の電極パッドを有している。また、各電極パッドは、対応する発光部と配線部材によって電気的に接続されている。
The surface-emitting
32個の発光部は、図7に示されるように、全ての発光部をx軸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「d2」)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。 As shown in FIG. 7, the 32 light emitting units have the same light emitting unit interval (“d2” in FIG. 7) when all the light emitting units are orthogonally projected onto a virtual line extending in the x-axis direction. Has been placed. In this specification, the “light emitting portion interval” refers to the distance between the centers of two light emitting portions.
各発光部は、発振波長が780nm帯の面発光レーザ(VCSEL)であり、一例として図8の縦断面図に示されるように、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、p側電極113、及びn側電極114などを有している。なお、図8は、分かりやすくするための模式図であって、各層の厚さの関係は正確なものではない。
Each light emitting portion is a surface emitting laser (VCSEL) having an oscillation wavelength band of 780 nm. As shown in the longitudinal sectional view of FIG. 8 as an example, a
基板101は、表面が鏡面研磨面であり、図9(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9(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。
The surface of the
図8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。
Returning to FIG. 8, the
下部半導体DBR103は、バッファ層102の+z側に積層され、n−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層と、n−Al0.3Ga0.7As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。
The
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Al0.6Ga0.4Asからなる層である。
The
活性層105は、下部スペーサ層104の+z側に積層され、3層の量子井戸層と4層の障壁層とを有している。各量子井戸層は、Al0.12Ga0.88Asからなり、各障壁層は、Al0.3Ga0.7Asからなる。
The
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Al0.6Ga0.4Asからなる層である。
The
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。
A portion composed of the
上部半導体DBR107は、上部スペーサ層106の+z側に積層され、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とp−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを24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、λ/4の光学的厚さとなるように設定されている。
The
上部半導体DBR107における共振器構造体から光学的にλ/4離れた位置に、p−AlAsからなる被選択酸化層108が設けられている。
A
コンタクト層109は、上部半導体DBR107の+z側に積層され、p−GaAsからなる層である。
The
なお、上記のように、基板101上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。
Note that a structure in which a plurality of semiconductor layers are stacked over the
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。
Next, a method for manufacturing the surface emitting
(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(図10(A)参照)。 (1) The laminate is formed by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) (see FIG. 10A).
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(PH3)、アルシン(AsH3)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(CBr4)、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(H2Se)を用いている。 Here, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as Group III materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) are used as Group V materials. ing. Further, carbon tetrabromide (CBr 4 ) and dimethyl zinc (DMZn) are used as the raw material for the p-type dopant, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the raw material for the n-type dopant.
(2)コンタクト層109の表面に、メサ構造体(以下では、「メサ」と略述する)の外形を規定するためのレジストパターン120a、及び電極パッドが形成される領域をマスクするためのレジストパターン120bなどを形成する(図10(B)参照)。
(2) On the surface of the
(3)Cl2ガスを用いるECR(Electron Cyclotron Resonance)方式、若しくはICP(Inductively Coupled Plasma)方式のドライエッチング法により、レジストパターン120a及びレジストパターン120bをエッチングマスクとして積層体をエッチングし、少なくとも被選択酸化層108が側面に露出しているメサを形成する。ここでは、エッチングの底面は下部半導体DBR103の途中に位置するようにした。ここで形成されたメサは、側面がz軸に対して傾斜している。この傾斜の程度は、ドライエッチング時のガス流量、プラズマ放電電力、基板温度等のプロセス条件を適宜変更することで制御可能である。
(3) The stacked body is etched using the resist
(4)アセトン液に浸漬し、超音波洗浄によってエッチングマスクを除去する(図11参照)。ここで形成されるメサは、四角錐台状である。そして、メサの側面のx軸に対する傾斜角をθとする。また、メサの高さ(エッチング深さ)をHとする(図12参照)。 (4) Immerse in an acetone solution and remove the etching mask by ultrasonic cleaning (see FIG. 11). The mesa formed here has a quadrangular frustum shape. The inclination angle of the side surface of the mesa with respect to the x-axis is θ. Further, the height (etching depth) of the mesa is set to H (see FIG. 12).
上記角度θは65°〜85°の範囲であることが望ましい。角度θが65°より小さいと、隣接する2つのメサ間の距離に関するデザインルールの自由度が小さくなる。角度θが85°より大きいと、配線のステップカバレッジが不足し、断線のリスクが高くなる。なお、更に望ましい角度θの範囲は70°〜76°である。ここでは、一例として、H=3.4μm、θ=73°とした。 The angle θ is desirably in the range of 65 ° to 85 °. When the angle θ is smaller than 65 °, the degree of freedom of the design rule regarding the distance between two adjacent mesas is reduced. If the angle θ is greater than 85 °, the step coverage of the wiring is insufficient and the risk of disconnection increases. A more desirable range of the angle θ is 70 ° to 76 °. Here, as an example, H = 3.4 μm and θ = 73 °.
(5)積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、被選択酸化層108中のAl(アルミニウム)がメサの外周部から選択的に酸化され、メサの中央部に、Alの酸化物108aによって囲まれた酸化されていない領域108bが残留する(図13(A)参照)。すなわち、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、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域108bが電流通過領域である。
(5) The laminated body is heat-treated in water vapor. As a result, Al (aluminum) in the selectively oxidized
(6)プラズマCVD法を用いて、層間絶縁膜としてSiO2からなる保護膜111を形成する(図13(B)参照)。なお、層間絶縁膜としてSiN膜あるいはSiON膜が形成されても良い。ここで、メサの上面のy軸方向に延びる辺の長さL1、x軸方向に延びる辺の長さL2とする(図14参照)。また、メサの側面を覆う保護膜111の厚さをTとする(図15参照)。
(6) A
保護膜111の膜厚Tは100nm〜400nmの範囲が望ましい。膜厚Tが100nmより薄いと、配線容量が増大し、動作速度が低下する。また、膜厚Tが400nmより厚いと、内部応力により保護膜111内に結晶欠陥が誘発されるおそれがある。更に望ましい膜厚Tの範囲は150nm〜300nmである。ここでは、一例として、T=200nmとした。
The thickness T of the
(7)メサ上面に、p側電極113のコンタクトホールを形成するためのレジストパターンを形成する。
(7) A resist pattern for forming a contact hole for the p-
(8)該レジストパターンをエッチングマスクとして、BHF(バッファード・ふっ酸)を用いて保護膜111をエッチングする。
(8) The
(9)エッチングマスクを除去する(図16参照)。 (9) The etching mask is removed (see FIG. 16).
(10)p側電極113、配線部材及び電極パッドなどに対応する部分が開口(非マスク領域)となっているレジストパターン124を、フォトリソグラフィーによって形成する(図17参照)。
(10) A resist
p側電極113に対応する開口(非マスク領域)は、図18に示されるように、正方形部124aと、長方形部124b、及び引き出し部124cから構成されている。正方形部124aと長方形部124bとからなる部分はT字形状をしている。正方形部124aは、中心に光射出領域となるマスク領域を有している。
As shown in FIG. 18, the opening (non-mask region) corresponding to the p-
正方形部124aのy軸方向に延びる辺の長さをL3、x軸方向に延びる辺の長さをL4とする。また、長方形部124bのy軸方向に延びる辺(長辺)の長さをL6、x軸方向に延びる辺(短辺)の長さをL7とする。そして、L6−L3=2×L5とする。
The length of the side extending in the y-axis direction of the
ここでは、L3<L1、L4<L2、L5<L1、L3<L2、L4>L1、の関係が満足されている。 Here, the relationship of L3 <L1, L4 <L2, L5 <L1, L3 <L2, L4> L1 is satisfied.
また、図19に示されるように、d1、d2、d3を定義し、ここでの(フォトリソグラフィー工程)での位置合わせ精度をaとすると、d1≧a、d2≧a、d3≧a+T+H×tan(90−θ)、L5≧2a+T+H×tan(90°−θ°)、の関係を満足するように設定されている。そこで、L3−L1(=2×d1)≧2a、L2−L4(=2×d2)≧2a、L6−L3(=2×L5)≧2×{2a+T+H×tan(90−θ)}、L7(=d2+d3)≧2a+T+H×tan(90°−θ°)、の関係が満足される。 In addition, as shown in FIG. 19, d1, d2, and d3 are defined, and when the alignment accuracy in this (photolithography process) is a, d1 ≧ a, d2 ≧ a, d3 ≧ a + T + H × tan It is set so as to satisfy the relationship of (90−θ) and L5 ≧ 2a + T + H × tan (90 ° −θ °). Therefore, L3-L1 (= 2 × d1) ≧ 2a, L2-L4 (= 2 × d2) ≧ 2a, L6-L3 (= 2 × L5) ≧ 2 × {2a + T + H × tan (90−θ)}, L7 The relationship of (= d2 + d3) ≧ 2a + T + H × tan (90 ° −θ °) is satisfied.
ここでは、露光装置として、ズース社製の両面アライナ(型番MA−6)を用いた。この場合、上記位置合わせ精度aは0.8μmである。 Here, a double-sided aligner (model number MA-6) manufactured by SUSS is used as the exposure apparatus. In this case, the alignment accuracy a is 0.8 μm.
上記各関係が満足されることにより、配線パターンの位置合わせが最大にずれた場合でもメサ側面に正方形部124aがかぶることがなく、かつ、配線部材の引出し側(ここでは、+x側)のメサの2つの稜線が完全に長方形部124bで被覆されるため、内部応力に起因する結晶欠陥が電極材料に誘発されるおそれが低下する。そこで、断線不良のリスクを大幅に低減することが可能である。
By satisfying the above relationships, the
ところで、仮にd1=a、d2=a、d3=a+T+H×tan(90−θ)、L5=2a+T+H×tan(90°−θ°)としたときに、レジストパターン124が+x側及び−y側に最もずれた場合が図20に示され、レジストパターン124が−x側及び+y側に最もずれた場合が図21に示されている。
By the way, if d1 = a, d2 = a, d3 = a + T + H × tan (90−θ), and L5 = 2a + T + H × tan (90 ° −θ °), the resist
(11)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。また、p側の電極材料の厚さは、700nm〜900nmとした。なお、配線の材料及び電極パッドの材料は、p側の電極材料と同じである。 (11) Evaporate the electrode material on the p side. As the electrode material on the p side, a multilayer film made of Cr / AuZn / Au or a multilayer film made of Ti / Pt / Au is used. The thickness of the p-side electrode material was 700 nm to 900 nm. The material of the wiring and the material of the electrode pad are the same as the electrode material on the p side.
(12)有機溶剤を用いてレジストパターン124を除去し、p側電極113、配線パターン、電極パッドなどを形成する(図22参照)。このp側電極113で囲まれた領域が光射出領域である。なお、p側電極113は、発光部となるメサのみに形成される。
(12) The resist
ここでは、一例として図23に示されるように、p側電極113における正方形部分113aがメサ上面の一部を覆い、p側電極113における長方形部分113bがメサにおける互いに隣接する2つの稜線を覆っている。
Here, as an example, as shown in FIG. 23, a
(13)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、n側電極114を形成する(図24参照)。ここでは、n側電極114はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
(13) After polishing the back side of the
(14)アニールによって、p側電極113とn側電極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。
(14) Ohmic conduction is established between the p-
(15)チップ毎に切断する。 (15) Cut for each chip.
そして、種々の後工程を経て、面発光レーザアレイ100となる。
Then, through various post-processes, the surface emitting
このようにして製造することにより、歩留まりを向上させることができる。 By manufacturing in this way, the yield can be improved.
ところで、一般的に、面発光レーザ素子の製造工程の1つに配線部材を形成する工程がある。この工程では、メサ上面からメサ底面に向かって大きな段差を越えて配線しなければならず、配線のステップカバレージ不足による断線や信頼性不良のおそれがあった。 By the way, generally, there is a step of forming a wiring member as one of the manufacturing steps of the surface emitting laser element. In this process, wiring has to be performed across a large step from the top surface of the mesa to the bottom surface of the mesa, which may cause disconnection and poor reliability due to insufficient step coverage of the wiring.
特許文献1に開示されている製造方法のように、メサ側壁全面にp側電極を形成する場合には、該p側電極の内部応力によって面発光レーザ素子に結晶欠陥が誘発され、信頼性が低下するおそれがあった。
When the p-side electrode is formed on the entire surface of the mesa side wall as in the manufacturing method disclosed in
特許文献2及び特許文献3に開示されているように、メサをテーパ形状にした場合であっても、配線カバレージは十分でなく、メサ側面での膜厚減少が発生し、断線や配線信頼性の低下を引き起こすおそれがあった。 As disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, even when the mesa is tapered, the wiring coverage is not sufficient, the film thickness is reduced on the side of the mesa, and disconnection and wiring reliability are caused. There was a risk of lowering
特許文献4に開示されている製造方法では、ポリイミドを形成するための工数が増加しコストアップになるばかりでなく、内部応力によって面発光レーザ素子に結晶欠陥が誘発され、信頼性が低下するおそれがあった。 In the manufacturing method disclosed in Patent Document 4, not only the number of steps for forming polyimide is increased and the cost is increased, but also crystal defects are induced in the surface emitting laser element due to internal stress, and reliability may be lowered. was there.
また、斜めから配線材料を蒸着しメサ側壁のカバレージを確保する方法では、凹部のメサ底部領域に形成される配線の端部でバリが発生し、後工程でこの配線バリがパーティクルとなって配線間のショートを引き起こすおそれがあった。更に、均一な膜厚面内分布を得るため自公転タイプの蒸着方法で斜め蒸着する場合、矩形状メサでは成膜時間のうち影になる時間が生じるため、ステップカバレッジを向上させる効果を得るのは困難であった。 Moreover, in the method of securing the coverage of the mesa side wall by evaporating the wiring material obliquely, burrs are generated at the end of the wiring formed in the mesa bottom region of the recess, and this wiring burrs become particles in the subsequent process. There was a risk of causing a short circuit. Furthermore, when oblique deposition is performed by a self-revolving type deposition method in order to obtain a uniform in-plane film thickness distribution, a rectangular mesa causes a shadowing time out of the deposition time, so that the effect of improving step coverage is obtained. Was difficult.
特許文献5に開示されている製造方法では、配線形成のフォトリソグラフィー工程の際に位置合わせ精度が限界までずれると、配線の引出し方向以外のメサ側面を電極部材が覆う場合があった。 In the manufacturing method disclosed in Patent Document 5, when the alignment accuracy is shifted to the limit during the photolithography process of wiring formation, the electrode member may cover the mesa side surface other than the wiring drawing direction.
本実施形態では、p側電極113が、正方形部分113aと長方形部分113bとからなり、正方形部分113aの外形寸法がメサ上面寸法よりも小さい。そして、p側電極113を形成する際のフォトリソグラフィー工程で、レジストパターン124の位置が、位置合わせ精度の上限でずれた場合でも、配線部材の引出し方向以外では、メサ側面をp側電極113が覆うことがない。そこで、配線部材の内部応力に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができる。また、長方形部分113bの長辺の寸法がメサ上面寸法よりも大きい。そこで、配線部材の引出し方向の2つの稜線を確実に電極材料で覆うことができ、配線部材の断線リスクを劇的に減少させることが可能である。
In the present embodiment, the p-
以上の説明から明らかなように、前述した面発光レーザアレイ100の製造方法において、本発明の面発光レーザ素子の製造方法が実施されている。
As apparent from the above description, the method for manufacturing the surface emitting laser element of the present invention is implemented in the method for manufacturing the surface emitting
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100は、基板101上に複数の半導体層を積層する工程、複数の発光部に対応して複数の四角錐台状のメサを形成する工程、基板101に直交する方向(z軸方向)からみたとき、正方形部分113aと長方形部分113bとからなるT字形状であり、正方形部分113aがメサ上面の一部を覆うとともに、長方形部分113bがメサにおける互いに隣接する2つの稜線を覆うp側電極113を形成する工程などを経て製造されている。
As described above, the surface emitting
この場合は、歩留まりを向上させることができる。そこで、信頼性の高い面発光レーザアレイを低コストで供給することが可能となる。 In this case, the yield can be improved. Therefore, a highly reliable surface emitting laser array can be supplied at low cost.
そして、本実施形態に係る光走査装置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、安定して高精度の光走査を行うことができる。
According to the
また、面発光レーザアレイ100が複数の発光部を有しているため、同時に複数の光走査が可能となり、画像形成の高速化を図ることができる。
In addition, since the surface emitting
また、本実施形態に係るカラープリンタ2000によると、光走査装置2010を備えているため、結果として、安定して高品質の画像を形成することが可能である。
In addition, since the
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d2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。
By the way, in the surface emitting
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d1(図7参照)を狭くして間隔d2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。
For example, if the distance d2 is 2.65 μm and the magnification of the optical system of the
また、この場合には、カラープリンタ2000では書き込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、同じ書き込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。
In this case, the
なお、上記実施形態では、メサが四角錐台状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、メサが角錐台状であれば良い。 In the above embodiment, the case where the mesa has a quadrangular pyramid shape has been described, but the present invention is not limited to this. In short, the mesa may be a truncated pyramid shape.
また、上記実施形態では、p側電極113が、正方形部分113aと長方形部分113bとからな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。例えば、前記正方形部分113aが略正方形部分であっても良い。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the
また、上記実施形態では、各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、各発光部の発振波長を変更しても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the oscillation wavelength of each light emission part was a 780 nm band, it is not limited to this. The oscillation wavelength of each light emitting unit may be changed according to the characteristics of the photoreceptor.
また、上記実施形態では、面発光レーザアレイが32個の発光部を有す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。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a surface emitting laser array had 32 light emission parts, it is not limited to this.
また、上記実施形態において、前記面発光レーザアレイ100に代えて、前記面発光レーザアレイ100と同様にして製造され、1個の発光部を有する面発光レーザ素子を用いても良い。
In the above embodiment, instead of the surface emitting
なお、上記実施形態では、光走査装置2010がプリンタに用いられる場合について説明したが、プリンタ以外の画像形成装置、例えば、複写機、ファクシミリ、又は、これらが集約された複合機にも用いることができる。
In the above embodiment, the case where the
また、上記実施形態では、画像形成装置としてカラープリンタ2000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、モノクロ画像を形成するレーザプリンタであっても良い。
In the above embodiment, the case of the
また、媒体が、CTP(Computer to Plate)として知られている印刷版であっても良い。つまり、光走査装置2010は、印刷版材料にレーザアブレーションによって直接画像形成を行い、印刷版を形成する画像形成装置にも好適である。
The medium may be a printing plate known as CTP (Computer to Plate). That is, the
また、レーザ光によって発色に可逆性を与えることができる媒体(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。 Further, an image forming apparatus that directly irradiates laser light onto a medium (for example, paper) that can give reversibility to color development by laser light may be used.
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。 Further, an image forming apparatus using a silver salt film as the image carrier may be used. 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 equivalent to a developing process in a normal silver salt photographic process. Then, it can be transferred to photographic paper by a process equivalent to a printing process in a normal 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.
100…面発光レーザアレイ、101…基板、102…バッファ層、103…下部半導体DBR、104…下部スペーサ層、105…活性層、106…上部スペーサ層、107…上部半導体DBR、108…被選択酸化層、108a…酸化物、108b…電流通過領域、109…コンタクト層、113…p側電極、113a…正方形部(第1の部分)、113b…長方形部(第2の部分)、114…n側電極、124…レジストパターン(フォトマスク)、2000…カラープリンタ(画像形成装置)、2010…光走査装置、2030a,2030b,2030c,2030d…感光体ドラム、2104…光偏向器、2105a,2105b,2105c,2105d…走査レンズ(走査光学系の一部)、2106a,2106b,2106c,2106d,2108b,2108c…折り返しミラー(走査光学系の一部)、2200a,2200b,2200c,2200d…光源、2201a,2201b,2201c,2201d…カップリングレンズ、2202a,2202b,2202c,2202d…開口板、2204a,2204b,2204c,2204d…シリンドリカルレンズ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
基板上に前記複数の半導体層を積層する工程と、
角錐台状の前記メサを形成する工程と、
前記メサの上面の一部と前記角錐台における互いに隣接する2つの稜線を覆う前記電極を形成する工程と、を含む面発光レーザ素子の製造方法。 A method of manufacturing a surface-emitting laser element having a mesa-shaped light emitting portion in which a plurality of semiconductor layers are stacked, and a light emission region on the top surface of the mesa surrounded by an electrode,
Laminating the plurality of semiconductor layers on a substrate;
Forming a truncated pyramidal mesa;
Forming the electrode covering a part of the upper surface of the mesa and the two adjacent ridgelines in the truncated pyramid.
前記電極を形成する工程では、前記メサの上面の第1方向に延びる辺の長さL1、該第1方向に直交する第2の方向に延びる辺の長さL2、前記電極における前記第1の部分の前記第1方向に延びる辺の長さL3、前記第2の方向に延びる辺の長さL4、前記電極における前記第2の部分の一側端部と前記第1の部分の一側端部との距離L5を用いて、L3<L1、L4<L2、L5<L1、L3<L2、L4>L1、の関係が満足されている電極が形成されることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 The electrode has a first portion that covers a part of the top surface of the mesa and a second portion that covers two adjacent ridgelines in the truncated pyramid,
In the step of forming the electrode, the length L1 of the side extending in the first direction on the upper surface of the mesa, the length L2 of the side extending in the second direction orthogonal to the first direction, the first length of the electrode in the first direction The length L3 of the side extending in the first direction of the part, the length L4 of the side extending in the second direction, the one side end of the second part and the one side end of the first part of the electrode The electrode satisfying the relationship of L3 <L1, L4 <L2, L5 <L1, L3 <L2, L4> L1 is formed using the distance L5 to the portion. The manufacturing method as described.
前記非マスク領域は、該フォトリソグラフィー工程での位置合わせ精度a、前記メサの高さH、前記メサの側面の立ち上がり角度θ、前記電極における前記第2の部分の長辺の長さL6、短辺の長さL7、前記メサの側面を覆う保護膜の厚さTを用いて、L3−L1≧2a、L2−L4≧2a、L6−L3≧2×{2a+T+H×tan(90−θ)}、L7≧2a+T+H×tan(90°−θ°)、の関係を満足することを特徴とする請求項2に記載の製造方法。 The step of forming the electrode includes a photolithography step using a photomask having a non-mask region having the same shape as the electrode,
The non-mask region includes an alignment accuracy a in the photolithography process, a height H of the mesa, a rising angle θ of a side surface of the mesa, a length L6 of a long side of the second portion of the electrode, a short length L3-L1 ≧ 2a, L2-L4 ≧ 2a, L6-L3 ≧ 2 × {2a + T + H × tan (90−θ)} using the side length L7 and the thickness T of the protective film covering the side surface of the mesa The manufacturing method according to claim 2, wherein a relationship of L7 ≧ 2a + T + H × tan (90 ° −θ °) is satisfied.
前記複数の発光部が、請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法で製造された面発光レーザアレイ。 A surface emitting laser array having a plurality of light emitting portions,
The surface emitting laser array by which the said several light emission part was manufactured with the manufacturing method as described in any one of Claims 1-4.
請求項5に記載の面発光レーザ素子又は請求項6に記載の面発光レーザアレイを有する光源と、
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。 An optical scanning device that scans a surface to be scanned with light,
A light source having the surface-emitting laser element according to claim 5 or the surface-emitting laser array according to claim 6;
An optical deflector for deflecting light from the light source;
A scanning optical system that condenses the light deflected by the optical deflector onto the surface to be scanned.
前記少なくとも1つの像担持体を画像情報に応じて変調された光によって走査する請求項7に記載の光走査装置と、を備える画像形成装置。 At least one image carrier;
An image forming apparatus comprising: the optical scanning device according to claim 7, wherein the at least one image carrier is scanned with light modulated according to image information.
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