JP3675963B2 - 半導体レーザ装置及びそれを用いた光印刷装置 - Google Patents
半導体レーザ装置及びそれを用いた光印刷装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザプリンタ等の光源として用いる半導体レーザ装置及びそれを用いた光印刷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザプリンタを高解像化する方法として、感光のしきい値を超える強度の光が照射された部分のみが着色する感光体の特性を利用し、図１７に示すような光強度分布を有する半導体レーザを用い、その出力を変化させることにより印刷ドット径を制御する方式が提案されている。
【０００３】
なお、この種の技術に関連するものには、エスアイディー ９０ ダイジェスト ２８０頁（１９９０）（ＳＩＤ ９０ ＤＩＧＥＳＴ ２８０ｐ）等が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、印刷ドット径と光出力の関係が複雑で全ての光出力−ドット径相関データを記録する必要があるため、大きなメモリ容量を持つドット径制御回路を設ける必要があるという問題があった。また、光強度分布の頂点付近や分布の裾の領域では強度分布の傾きがなだらかなため、印刷ドット径のバラツキが大きく、画質の制御が難しくなる等の問題があった。
【０００５】
本発明の第１の目的は、光印刷のときに、光出力変調による印刷ドット径の制御を安定に行うことのできる半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の第２の目的は、そのような半導体レーザ装置を用いた光印刷装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、レーザ端面におけるビーム形状の光密度を、導波路の中心線から横方向に実質的に直線的に変化するように、導波路を構成したものである。
【０００８】
ビーム形状の光密度を上記のようにするための一例として、少なくとも２種類の互いに幅の異なる領域から導波路を構成すればよい。また、この導波路の幅の異なる領域の内の幅の広い方の領域は、その一部分を電流注入量が他の部分と異なるように構成することが好ましい。幅の異なる領域が３種類以上あるとき、一番狭い領域より広い領域であれば、つまり、一番広い領域でも、２番目に広い領域でも上記のように構成すればよい。
【０００９】
また、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、半導体レーザ装置を感光体に照射したときに、感光体の感光のしきい値を越える領域が、光出力に実質的に比例して変化するように、導波路を構成したものである。
【００１０】
感光体の感光のしきい値を越える領域が、光出力に実質的に比例して変化するようにするための一例として、少なくとも２種類の互いに幅の異なる領域から導波路を構成すればよい。また、この導波路の幅の異なる領域の内の幅の広い方の領域は、その一部分を電流注入量が他の部分と異なるように構成することが好ましい。幅の異なる領域が３種類以上あるとき、一番狭い領域より広い領域であれば、つまり、一番広い領域でも、２番目に広い領域でも上記のように構成すればよい。
【００１１】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、レーザ端面におけるビーム形状を制御するために、上記導波路を少なくとも２種類の互いに幅の異なる領域から構成するようにしたものである。
【００１２】
この半導体レーザ装置は、その導波路の幅の異なる領域の内の幅の広い方の領域が、その一部分を電流注入量が他の部分と異なるようすることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を２種類の異なる幅の領域から構成し、その広い幅を有する導波路を半導体レーザの端面近傍に配置し、この広い幅を有する導波路の長さＬと広い幅を有する導波路を伝搬する０次横モード及び２次横モードの伝搬定数ｋ0、ｋ2がπ／６＜Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜５π／６（ただし、ｋ0、ｋ2、Ｌは実数であるとする）なる関係を満たすようにしたものである。
【００１４】
広い幅を有する導波路の一部の領域は、他の領域と異なる電流注入量及び電流注入密度を持つことが好ましい。
【００１５】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を２種類の異なる幅の領域から構成し、その広い幅を有する導波路を半導体レーザの端面近傍に配置し、この広い幅を有する導波路の長さＬと広い幅を有する導波路を伝搬する０次横モード及び２次横モードの伝搬定数ｋ0、ｋ2が５π／６≦Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜７π／６（ただし、ｋ0、ｋ2、Ｌは実数であるとする）なる関係を満たすようにしたものである。
【００１６】
広い幅を有する導波路の一部の領域は、他の領域と異なる電流注入量及び電流注入密度を持つことが好ましい。
【００１７】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を少なくとも２種類の異なる幅の領域から構成し、導波路の内の最も狭い幅の導波路を除く他の導波路の長さを、他の導波路をそれぞれ伝搬する０次横モードと２次横モードがそれぞれ伝搬することにより、光の位相差の総和がπ／６〜５π／６となるように定めたものである。
【００１８】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を少なくとも２種類の異なる幅の領域から構成し、導波路の内の最も狭い幅の導波路を除く他の導波路の長さを、他の導波路をそれぞれ伝搬する０次横モードと２次横モードがそれぞれ伝搬することにより、光の位相差の総和が５π／６〜７π／６となるように定めたものである。
【００１９】
これらの半導体レーザ装置の上記の他の導波路の一部の領域は、他の領域と異なる電流注入量及び電流注入密度を持つことが好ましい。また、上記の他の導波路は、半導体レーザの端面近傍に配置されることが好ましい。
【００２０】
さらにこれらの半導体レーザ装置は、複数個同一基板上に同一方向に並んで配置された構造を採ることができる。このような構造とするときは光印刷装置に用いるのに適している。
【００２１】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明の光印刷装置は、光印刷に用いられる感光体と、この感光体に光記録するための上記いずれか一の半導体レーザ装置と、感光体のレーザにより照射される位置を変化させるための手段と、これらを制御するための制御手段とを設けるようにしたものである。
【００２２】
半導体レーザ装置の導波路を幅の異なる２つの導波路で形成すると、導波路の接合部分で高次の横モード成分が発生する。これらの高次モードは導波路を伝搬するうちに基本モードとの波数の違いにより次第に位相ずれを生じ、導波路の長さを適当に選べば、通常の半導体レーザで得られるガウス分布で近似される光強度分布とは全く異なったビーム形状を得ることが可能となる。また、例えば、半導体レーザ装置の導波路の一部に並行した２本の電流注入領域をもつ構造を形成し、この部分に電流注入により発生する屈折率の分布を利用して得ることも可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
本発明の第１の実施例を図面を用いて説明する。図２は、製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図１はその製造途中の平面図である。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層１０３は、ＧａＡｓウエル層１０６（７ｎｍ）の３層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層１０７（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成した。ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４の厚さは１．５μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５の厚さは０．３μｍとした。
【００２４】
次に、この構造に熱ＣＶＤ（化学気相成長）法及びホトリソグラフ技術を用いて、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上にストライプ状のＳｉＯ2膜１１５を図１に示すような形状に形成する。このＳｉＯ2膜をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４を約０．２μｍ残してエッチングした後、有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2膜１１５のない領域に選択的に成長させた。素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜１１５を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。
【００２５】
次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成し、機械的研磨と化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングし、基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開した。本半導体レーザは発振波長約７８０ｎｍで連続発振した。
【００２６】
レーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約４μｍの領域（図１の領域１１３に対応する）と幅約６μｍの領域（図１の領域１１４に対応する）により構成される。幅６μｍの領域の長さはレーザ端面において基本モードと高次モードの位相差がπ／２となるように約５４μｍとした。このように狭いストライプ状導波路と広いストライプ状導波路とからなるとき、後者の幅は、前者の幅の１．１〜１．９倍程度にすることが好ましく、１．４〜１．６倍程度にすることがより好ましい。
【００２７】
このように幅が異なるストライプが連結している場合、幅の狭いストライプからこのストライプにおける基本横モードの光が幅の広いストライプに入射すると、入射した光のエネルギーは広いストライプの複数の横モードに分配される。エネルギーの分配比率は狭いストライプの基本横モードと広いストライプの横モード空間的重なりにより決定される。２種類の幅のストライプの連結により前記のような形状のビームを得るためには両ストライプの幅の比を１．１倍から１．９倍の範囲に設定することが適当であった。ストライプ幅の比率が１．９倍を越える場合は幅の狭いストライプから幅の広いストライプに進行する光のエネルギーは幅の広いストライプ中の２次以上の横モードに主に分配され出射ビームの形状にサイドローブが発生しスポット形状が乱れた。また、ストライプ幅の比が１．１倍未満では幅の広いストライプの２次横モードに分配されるエネルギーが小さすぎ、十分な効果が得られなかった。
【００２８】
以上のように、広いストライプ中に入射した光のエネルギーは複数の横モードに分配されるが、両ストライプの境界面近傍ではこれらのモードを重ね合わせたビームの形状は概ね狭いストライプから入射したビームの形状に一致する。しかし、広いストライプ中のそれぞれの横モードがその次数に応じて異なる伝搬定数を持つため、広い導波路中をビームが進むに従い各横モード間の位相にずれが生じる。基本モードと２次モードの位相のずれがＬ×（ｋ0−ｋ2）＝π／２を満たすときにビームの形状は所望の三角形に近い形状となる。また、π／６＜Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜５π／６の範囲であれば略有効な効果が得られる。ここでＬは広いストライプの長さであり、ｋ0、ｋ2はこのストライプ中における基本横モード及び２次横モードの伝搬定数であり、この実施例ではｋ0＝３．３２９５×２π／λ、ｋ2＝３．３２５９×２π／λであった。
【００２９】
伝搬定数の算出方法の詳細はここでは省略するが、例えばＨ．Ｃ．Ｃａｓｅｙａｎｄ Ｍ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ著 ”ＨＥＴＥＲＯＳＴＵＲＣＴＵＲＥ ＬＡＳＥＲＳ”（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９７８）ｐｐ．３１〜５４に記載されているスラブ導波路の実効屈折率を求める手法を用いて算出できる。先ずストライプ内外の積層構造にスラブ導波路モデルを適用して各積層構造の実効屈折率を求め、次に得られた積層構造の実効屈折率を新たなスラブ導波路の屈折率として同様の手法を適用するればレーザの断面構造から導波路の実効屈折率ｎを求めることができる。伝搬定数ｋはｋ＝２πｎ／λ（ここで、λは真空中での光の波長）より得られる。ここで、光の横モードの次数が異なると実効屈折率も異なるため、各横モードが異なる伝搬定数を有することになる。なお、５π／６≦Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜７π／６の範囲、即ちＬ＝１０８μｍ前後ではビーム形状の優位性は失われるが、ビーム広がりが最大となるため、光出力の向上という利点が有った。以上に説明した光の位相は三角関数の周期性から、位相θが位相２Ｎ±θ（Ｎは任意の整数）と同等であることは言うまでもない。
【００３０】
図３は、本発明の半導体レーザ装置を用いたレーザプリンタの光学系の一構成例である。半導体レーザ装置１１６から出射したレーザビームは、コリメートレンズ１１７、光量調整フィルタ１１８、ビームスプリッタ１２０、シリンドリカルレンズ１１９を通って、光偏向装置のポリゴンミラー１２２に入射し、ついで、ポリゴンミラー１２２の回転によって反射、偏向される。シリンドリカルレンズ１１９は、ポリゴンミラーの平行度誤差による走査位置ずれ補正のため、レーザビームをミラー面上で回転軸と直角な線上に収束させるものである。さらに、レーザビームは走査レンズ系１２３によって感光体材料１２４で覆われた走査面上に収束され、走査位置１２５の上を等速度で繰り返し走査する。なお、走査面は、ビーム走査と直角方向に等速で移動している。
【００３１】
光検出器１２６は、走査ビームのスタート位置を検出するためのもので、この検出信号は同期信号１２７として制御部１２８に送出される。また、ビームスプリッタ１２０からの信号を、集光レンズ１２１を介して、光量検知センサー１３０が検知し、光量検知信号１３１を制御部１２８に送出する。制御部１２８は、画像信号１３２に基づいて、これらを制御する。また、レーザ駆動系１２９は制御部１２８の制御出力に基づいて半導体レーザ１１６を駆動する。この様なビーム径に対応した制御部１２８での光出力の制御は例えばコンデンサー、抵抗とフリップフロップ回路を組み合わせた充放電回路の放電周期に比例した光出力を設定するアナログ集積回路により、容易に実現できた。
【００３２】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図４に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００３３】
〈実施例２〉
本発明の第２の実施例を図面を用いて説明する。図６は、製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図５は、その製造途中の平面図である。図５のａａ線に相当する位置の断面構造図が図６（ａ）に、ｂｂ線に相当する位置の断面構造図が図６（ｂ）に示してある。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０１、多重量子井戸活性層２０２、ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層２０２は、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層２０４（７ｎｍ）の３層と（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層２０５（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００３４】
次に、図５に示すように、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてストライプ状のホトレジストマスク２０６とＳｉＯ2マスク２１１の複合マスクを形成する。このような複合マスクの製造方法を図７により説明する。図７（ａ）は、図６（ａ）の部分（上記の説明のｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を形成した状態）に、所望のパタン２１４とその周辺の溝２１５を持ったＳｉＯ2マスク２１１を形成し、次に所望のパタン２１４と溝２１５を被うようにホトレジストマスク２０６を設けた状態を示す。次に図７（ｂ）に示すように、溝２１５の外側のＳｉＯ2をエッチングしてホトレジストに被われたＳｉＯ2の所望のパタン２１４のみを残す。ＳｉＯ2マスク２１１は、図５に示すように、通常幅領域及び広幅領域２０８においてはホトレジストマスク２０６に対し前記の溝２１５の分だけ細い形状に形成されている。中間幅の領域２０７では両側のハーフトーン領域２１０の一部（図５の拡大した部分に示したＳｉＯ2マスク２１１）に形成されている。なお、ハーフトーン領域２１０のＳｉＯ2マスク２１１は、図５の拡大した部分に示したように多数存在するが、図７では煩雑になるので左右に３個づつしか図示していない。
【００３５】
この方法により半導体レーザの導波路の形状と電流注入の形状をほぼ独立に設定することができる。ホトレジストマスク２０６は、素子の大部分を占める通常幅（約４μｍ）のストライプが端面付近で２段階に広がった形状を有している。
【００３６】
再び図６に戻って説明する。このホトレジストマスク２０６を用い、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３を約０．２μｍ残してエッチングする。次にホトレジストを取り除き、有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2マスク２１１のない領域に選択的に成長させた。
【００３７】
次ぎに、素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2マスク２１１を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。
【００３８】
このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域２１２が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、リフトオフに用いたＳｉＯ2マスク２１３のみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、特に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本実施例において効果が大であった。
【００３９】
また、このような凹凸の発生に対する対策はｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０の結晶成長を液層成長法により行ない、図９のように表面を略平坦に形成することによっても可能であった。
【００４０】
機械的研磨及び化学エッチングによりＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングした後、ＧａＡｓ基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。
【００４１】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約４μｍの領域（図５の領域２０６に対応する）と幅約７μｍの中間幅領域（図５の領域２０７に対応する）及び幅約２０μｍの広幅領域（図５の領域２０８に対応する）により構成される。広幅領域の長さは約３０μｍであり、中間幅領域の長さはレーザ端面において基本モードと高次モードの位相がπ／２となるように約７０μｍとした。この構造により、より三角形に近い形状の光強度の分布を得ることが可能となる。
【００４２】
ストライプの幅が２種類以上の場合は最適なストライプの幅及び長さを単純な関係で定義することは難しいが、各ストライプに導波される光の形状を横モードの線形結合で表記し、ストライプの幅が変化する点で一方のストライプの横モードと他方のストライプの横モードの空間結合をもとに各横モードに分配される光のエネルギーを算出し、各横モードをそれぞれ固有の伝播常数でストライプを伝搬させるという操作を繰り返すことによりレーザ出射位置でのスポットの形状を求めることができる。この場合、良好なビーム形状を得るためには端面部分のストライプで３次以上の高次横モードのエネルギーが全光エネルギーの１０％以下であること、２次横モードのエネルギーが全光エネルギーの１０％から４０％の範囲にあること、０次横モードと２次横モードの位相差がπ／６〜７π／６の範囲に有ることが必要とされ、π／６〜５π／６の範囲に有ることがより好ましいとされる。
【００４３】
複数の幅のストライプを持つ構造において、ストライプの電流注入を不均一に行なうとビームの形状を三角形にするのみではなく、三角形の幅を変化させる機能を付加することも可能となる。これは半導体レーザにおいて活性層の屈折率が電流注入により減少するためストライプ周辺部にのみ電流注入を行なうと基本モードの伝搬定数波数をあまり変化させずに２次横モードを小さくすることができるので、ストライプの長さが一定のままでもこのストライプを通過するモードの位相差を変化させることが可能となる。電流注入を増加すると光出力が増大するが前述のような屈折率変化によるビーム拡大効果も発生するため、注入電流増加と共に光強度分布の高さのみならず幅も増大する。
【００４４】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図８に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、実施例１の場合と同様に、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００４５】
なお、非通電領域は中間幅の領域２０７でなく、広幅領域２０８に設けてもよい。
【００４６】
〈実施例３〉
本発明の第３の実施例を図面を用いて説明する。図１１は、本実施例で製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図１０は、その製造途中の平面図である。図１０のａａ線に相当する位置の断面構造図が図１１に示してある。まずｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層１０３は、ＧａＡｓウエル層１０６（７ｎｍ）の３層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層１０７（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００４７】
次に、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上にストライプ状のＳｉＯ2膜を図１０に示すような形状（領域２０６’、広幅領域２０８に対応する形状）に形成する。このＳｉＯ2膜をマスクとしてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４を約０．３μｍ残してエッチングする。さらに、ＳｉＯ2膜の一部にレンズ形状の非通電領域３０２を設けるため、この部分のＳｉＯ2膜を除去する。その後有機金属気相成長法によりｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層３０１をＳｉＯ2膜のない領域に選択的に成長させる。つまり、ｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層３０１は、ストライプ状のＳｉＯ2膜の左右とレンズ形状の非通電領域３０２に形成する。
【００４８】
素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5 Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。
【００４９】
このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域２１２が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、リフトオフに用いたＳｉＯ2マスク２１３のみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、得に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本実施例において効果が大であった。
【００５０】
機械的研磨及び化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングし、ｎ−ＧａＡｓ基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。
【００５１】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、図１０の幅約５μｍの領域２０６’と幅約８μｍの広幅領域２０８により構成される。幅８μｍの広幅領域２０８の長さはこのストライプの基本モード及び２次モードの伝搬定数がそれぞれｋ0＝３．３２９７×２π／λ、ｋ2＝３．３２７３×２π／λであるから、レーザ端面において基本モードと高次モードの位相差がπ／２となるように約８９μｍとした。また、広幅領域には、ｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層３０１を部分的に設けた変調注入領域が設けられている。この構造により、より三角形に近い形状の光強度の分布を得ることが可能となり、また変調注入領域の効果により光出力が増加するほどビーム径が広がるため、より大きなビーム径状の変化を得ることができる。
【００５２】
このような形状のストライプにおいては端面に向かってレーザビームが拡がりながら進行するため非点収差が発生し、光学系によるビームの絞り込みに支障が生じた。この様な非点収差は出射端面近傍のストライプに電流注入により凸レンズ状の屈折率分布を形成することにより補正することが可能であった。
【００５３】
本構造においては、広幅領域に図１０に示すような凹レンズ状の変調注入領域を設けることによりレーザビームの非点収差を補正している。印刷されるドットサイズは光出力に比例して変化し、しかもいずれの使用状態においても、光感度のしきい値付近の光強度の変化率は大きく、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。しかも、本レーザの場合、電流注入による光出力の増減が主にビームサイズの変動により吸収され、ピークパワーの変化が少ないため、複数の帯電レベルを利用した多色印刷を行う場合にもスポット径可変印刷が可能となった。また、収差補正の効果により非点収差が小さく、装置組立時の光学的な収差補正も必要なく安価な装置が実現できた。
【００５４】
〈実施例４〉
本発明の第４の実施例として、上記実施例の半導体レーザをアレイ状に配した半導体レーザ装置の例を示す。図１２に示した半導体レーザ装置は、実施例１の半導体レーザ４素子を５０μｍ間隔で配列したもので、その導波路部分の形状を図に示してある。
【００５５】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０１、多重量子井戸活性層２０２、ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層２０２は、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層（７ｎｍ）の３層と（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００５６】
次に、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上にストライプ状のＳｉＯ2膜を図１２に示すような形状に形成する。このマスク形状は、素子の大部分を占める通常幅（約４μｍ）のストライプ（領域１１３に対応する）が端面付近で約６μｍに広がった形状（領域１１４に対応する）を有している。このＳｉＯ2膜をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３を約０．２μｍ残してエッチングする。その後有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2膜のない領域に選択的に成長させた。
【００５７】
本実施例においては素子の熱抵抗を減少することを目的にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を約２０μｍの厚さにしてある。また、本実施例においては、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９の成長に先立ち各導波路及び導波路端部に設ける光出力モニタ領域４０１を電気的に分離するための電極分離用ＳｉＯ2マスク４０２が設けられており、このマスクによるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９の選択成長により各領域が電気的に分離される。
【００５８】
次に、素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜を除去した後、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。
【００５９】
このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域（図示せず）が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、実施例３で図１１に示したＳｉＯ2マスク２１３と同様にリフトオフに用いたＳｉＯ2マスクのみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、特に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本発明において効果が大であった。
【００６０】
本実施例においては、導波路は表面電極１１１の端から約５μｍに位置するように設けられている（図１２では電極１１１の左端からの位置）。これは電極に通電用金線４０３をボンディングする際に導波路上を避けてボンディング出来る十分な面積を確保するためである。
【００６１】
機械的研磨及び化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングした後、基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。本半導体レーザは波長約６８０ｎｍでレーザ発振した。
【００６２】
以上のようにして作成した半導体レーザチップをＳｉＣ製ヒートシンクに裏面電極側から接着し製品組立てを行なった。半導体レーザをヒートシンクに裏面電極側から接着する場合、通電による発熱により半導体レーザ出力が変化するという問題が発生した。本実施例においては、発熱による光出力の変化量の共振器長依存性を計算した図１４の結果を元に共振器長を４５０μｍから１２００μｍの間とした。
【００６３】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約４μｍの領域１１３と幅約６μｍの領域１１４により構成される。幅６μｍの領域の基本モード及び２次モードの伝搬定数はｋ0＝３．３１５×２π／λ、ｋ2＝３．３１０×２π／λであることより、この領域の長さはレーザ端面において基本モードと高次モードの位相差がπ／２となるように約３４μｍとした。
【００６４】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図４に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、実施例１の場合と同様に、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００６５】
この半導体レーザにおいて主電極の電流により半導体レーザが発振する。本実施例においては、このようなアレイ状半導体レーザに更に個別の導波路に対し光出力をモニタするモニタ領域４０１を設けた。モニタ領域４０１は前述のように電極分離用ＳｉＯ2マスク４０２により他の電極から分離されており、この部分に半導体レーザの動作電圧よりも低いか又は半導体レーザの動作電圧の逆極性の電圧を印加しておくとレーザ光によりモニタ領域４０１に励起されたキャリアが光電流を発生し、これを測定することにより光出力をモニタすることができる。モニタ領域４０１は導波路毎に設けられているので、個別の導波路の光出力をしることができる。光出力モニタ機能はモニタ領域を半導体レーザの動作電圧の逆極性の電圧を印加するとより安定に得られるが、半導体レーザの動作電圧と同極性の電圧を印加することによりモニタ領域で光吸収により発生したエネルギーを効率良く電気エネルギーとして外部に取り出せばこの領域を電子的に冷却する機能も得られ、半導体レーザの端面劣化の防止に用いることも可能であった。
【００６６】
本実施例によれば、ドット形状変化による高精細印刷とアレイ化による高速印刷が同時に実現でき、印刷速度×ドット密度で約１０倍の高性能印刷を半導体レーザとその駆動部以外は従来と同じ構成のレーザプリンタ装置により実現可能であった。
【００６７】
本半導体レーザ装置を実施例１記載のレーザプリンタに適用したところ、図４に示したように、各素子が比較的小さな光出力の変化により大きなビーム径の変動が得られるため、素子間のクロストークが少なく、良好な印刷が高速で可能であった。同様の特徴は実施例２及び実施例３の構造をアレイ状に配しても同様に得られることは言うまでもない。
【００６８】
〈実施例５〉
本発明の第５の実施例を図面を用いて説明する。図１６は、製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図１５は、その製造途中の平面図である。まずｎ−ＧａＡｓ傾角基板５０１上に、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５０２、多重量子井戸活性層５０３、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層５０３は、Ｇａ0.6Ｉｎ0.4Ｐウエル層５０５（７ｎｍ）の３層と、 （Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.4Ｉｎ0.6Ｐバリア層５０６（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００６９】
次に、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてストライプ状のホトレジストマスク２０６とＳｉＯ2マスク２１１の複合マスクを図１５に示すような形状に形成する。このような複合マスクは、すでに図７に示したと同様な方法で、まず所望のパタンの周辺に溝を持ったＳｉＯ2マスクを形成し、次に所望のパタンと周辺の溝を被うようにホトレジストマスク２０６を設けた後、溝の外側のＳｉＯ2をエッチングしてホトレジストに被われた所望のＳｉＯ2パタン２１５のみを残すことにより得られた。ホトレジストマスク２０６は、素子の大部分を占める通常幅（約５μｍ）のストライプ（領域１１３に対応する）が端面付近で約８μｍに広がった形状（領域１１４に対応する）を有している。このホトレジストマスクを用い、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５０４を約０．２μｍ残してエッチングする。次にホトレジストを取り除き、有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2膜のない領域に選択的に成長させた。次ぎに、素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。
【００７０】
基板として（１００）方向からずれた基板を用いると導波路の形状が非対称となるため本実施例においては導波路の形状を規定するホトレジストマスクと電流通路を規定するＳｉＯ2マスクが導波路の非対称形状を補正する方向にずれて形成されている。本実施例においてはホトレジストマスク２０６とＳｉＯ2マスク２１１の軸ずれは基板面の傾斜した方向に約１μｍとした。
【００７１】
次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域２１２が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、リフトオフに用いたＳｉＯ2マスク２１３のみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、得に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本実施例において効果が大であった。
【００７２】
機械的研磨及び化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングした後、基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。本半導体レーザは発振波長約６５０ｎｍでレーザ発振した。
【００７３】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約５μｍの領域１１３と幅約８μｍの領域１１４により構成される。幅約８μｍの領域の長さはこの領域の基本モードと２次モードの伝搬定数がｋ0＝３．３０×２π／λ、ｋ2＝３．３０２５×２π／λで有ることより、レーザ端面において基本モードと高次モードの位相がπ／２となるように約６５μｍとした。この構造により、より三角形に近い形状の光強度の分布を得ることが可能となる。
【００７４】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図４に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、実施例１の場合と同様に、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザプリンタにおいて出力変調による高解像度印刷が安定性よく実現可能となる。また、光量変化に対するドット径変化が大きいため、素子をアレイ状に配した場合の素子間のクロストークも小さくてすみ、高精細の印刷が安価に実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図２】本発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図３】本発明のレーザプリンタ装置の一例の構成図。
【図４】本発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の出射光の強度分布図。
【図５】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図６】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の第１の断面構造図。
【図７】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の断面図。
【図８】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の出射光の強度分布図。
【図９】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の他の製法による場合の断面構造図。
【図１０】本発明の第３の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図１１】本発明の第３の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図１２】本発明の第４の実施例の半導体レーザ装置の配置図。
【図１３】本発明の第４の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図１４】本発明の第４の実施例の半導体レーザ装置の光出力変動と共振器長さの関係図。
【図１５】本発明の第５の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図１６】本発明の第５の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図１７】従来の半導体レーザ装置の光強度分布図。
【符号の説明】
１０１…ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２…ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
１０３…多重量子井戸活性層
１０４…ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
１０５…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０６…ＧａＡｓウエル層
１０７…Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層
１０８…ｎ−ＧａＡｓブロック層
１０９…ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層
１１０…ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１１１、１１２…電極
１１３、１１４、２０６’、２０７、２１２…領域
１１５…ＳｉＯ2膜
１１６…半導体レーザ装置
１１７…コリメートレンズ
１１８…光量調整フィルタ
１１９…シリンドリカルレンズ
１２０…ビームスプリッタ
１２１…集光レンズ
１２２…ポリゴンミラー
１２３…走査レンズ系
１２４…感光体材料
１２５…走査位置
１２６…光検出器
１２７…同期信号
１２８…制御部
１２９…レーザ駆動系
１３０…光量検知センサ
１３１…光量検知信号
１３２…画像信号
２０１…ｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
２０２…多重量子井戸活性層
２０３…ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
２０４…Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層
２０５…（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層
２０６…ホトレジストマスク
２０８…広幅領域
２０９、３０２…非通電領域
２１０…ハーフトーン領域
２１１、２１３…ＳｉＯ2マスク
２１４…パタン
２１５…溝
３０１…ｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層
４０１…光出力モニタ領域
４０２…ＳｉＯ2マスク
４０３…通電用金線
５０１…ｎ−ＧａＡｓ傾角基板
５０２…ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
５０３…多重量子井戸活性層
５０４…ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
５０５…Ｇａ0.6Ｉｎ0.４Ｐウエル層
５０６…（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.４Ｉｎ0.6Ｐバリア層
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザプリンタ等の光源として用いる半導体レーザ装置及びそれを用いた光印刷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザプリンタを高解像化する方法として、感光のしきい値を超える強度の光が照射された部分のみが着色する感光体の特性を利用し、図１７に示すような光強度分布を有する半導体レーザを用い、その出力を変化させることにより印刷ドット径を制御する方式が提案されている。
【０００３】
なお、この種の技術に関連するものには、エスアイディー ９０ ダイジェスト ２８０頁（１９９０）（ＳＩＤ ９０ ＤＩＧＥＳＴ ２８０ｐ）等が挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、印刷ドット径と光出力の関係が複雑で全ての光出力−ドット径相関データを記録する必要があるため、大きなメモリ容量を持つドット径制御回路を設ける必要があるという問題があった。また、光強度分布の頂点付近や分布の裾の領域では強度分布の傾きがなだらかなため、印刷ドット径のバラツキが大きく、画質の制御が難しくなる等の問題があった。
【０００５】
本発明の第１の目的は、光印刷のときに、光出力変調による印刷ドット径の制御を安定に行うことのできる半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の第２の目的は、そのような半導体レーザ装置を用いた光印刷装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、レーザ端面におけるビーム形状の光密度を、導波路の中心線から横方向に実質的に直線的に変化するように、導波路を構成したものである。
【０００８】
ビーム形状の光密度を上記のようにするための一例として、少なくとも２種類の互いに幅の異なる領域から導波路を構成すればよい。また、この導波路の幅の異なる領域の内の幅の広い方の領域は、その一部分を電流注入量が他の部分と異なるように構成することが好ましい。幅の異なる領域が３種類以上あるとき、一番狭い領域より広い領域であれば、つまり、一番広い領域でも、２番目に広い領域でも上記のように構成すればよい。
【０００９】
また、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、半導体レーザ装置を感光体に照射したときに、感光体の感光のしきい値を越える領域が、光出力に実質的に比例して変化するように、導波路を構成したものである。
【００１０】
感光体の感光のしきい値を越える領域が、光出力に実質的に比例して変化するようにするための一例として、少なくとも２種類の互いに幅の異なる領域から導波路を構成すればよい。また、この導波路の幅の異なる領域の内の幅の広い方の領域は、その一部分を電流注入量が他の部分と異なるように構成することが好ましい。幅の異なる領域が３種類以上あるとき、一番狭い領域より広い領域であれば、つまり、一番広い領域でも、２番目に広い領域でも上記のように構成すればよい。
【００１１】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、レーザ端面におけるビーム形状を制御するために、上記導波路を少なくとも２種類の互いに幅の異なる領域から構成するようにしたものである。
【００１２】
この半導体レーザ装置は、その導波路の幅の異なる領域の内の幅の広い方の領域が、その一部分を電流注入量が他の部分と異なるようすることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を２種類の異なる幅の領域から構成し、その広い幅を有する導波路を半導体レーザの端面近傍に配置し、この広い幅を有する導波路の長さＬと広い幅を有する導波路を伝搬する０次横モード及び２次横モードの伝搬定数ｋ0、ｋ2がπ／６＜Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜５π／６（ただし、ｋ0、ｋ2、Ｌは実数であるとする）なる関係を満たすようにしたものである。
【００１４】
広い幅を有する導波路の一部の領域は、他の領域と異なる電流注入量及び電流注入密度を持つことが好ましい。
【００１５】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を２種類の異なる幅の領域から構成し、その広い幅を有する導波路を半導体レーザの端面近傍に配置し、この広い幅を有する導波路の長さＬと広い幅を有する導波路を伝搬する０次横モード及び２次横モードの伝搬定数ｋ0、ｋ2が５π／６≦Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜７π／６（ただし、ｋ0、ｋ2、Ｌは実数であるとする）なる関係を満たすようにしたものである。
【００１６】
広い幅を有する導波路の一部の領域は、他の領域と異なる電流注入量及び電流注入密度を持つことが好ましい。
【００１７】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を少なくとも２種類の異なる幅の領域から構成し、導波路の内の最も狭い幅の導波路を除く他の導波路の長さを、他の導波路をそれぞれ伝搬する０次横モードと２次横モードがそれぞれ伝搬することにより、光の位相差の総和がπ／６〜５π／６となるように定めたものである。
【００１８】
さらにまた、上記第１の目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けた導電型の異なる２層の半導体層と、この２層の半導体層間に設けられ、かつ、２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有し、この導波路を少なくとも２種類の異なる幅の領域から構成し、導波路の内の最も狭い幅の導波路を除く他の導波路の長さを、他の導波路をそれぞれ伝搬する０次横モードと２次横モードがそれぞれ伝搬することにより、光の位相差の総和が５π／６〜７π／６となるように定めたものである。
【００１９】
これらの半導体レーザ装置の上記の他の導波路の一部の領域は、他の領域と異なる電流注入量及び電流注入密度を持つことが好ましい。また、上記の他の導波路は、半導体レーザの端面近傍に配置されることが好ましい。
【００２０】
さらにこれらの半導体レーザ装置は、複数個同一基板上に同一方向に並んで配置された構造を採ることができる。このような構造とするときは光印刷装置に用いるのに適している。
【００２１】
また、上記第２の目的を達成するために、本発明の光印刷装置は、光印刷に用いられる感光体と、この感光体に光記録するための上記いずれか一の半導体レーザ装置と、感光体のレーザにより照射される位置を変化させるための手段と、これらを制御するための制御手段とを設けるようにしたものである。
【００２２】
半導体レーザ装置の導波路を幅の異なる２つの導波路で形成すると、導波路の接合部分で高次の横モード成分が発生する。これらの高次モードは導波路を伝搬するうちに基本モードとの波数の違いにより次第に位相ずれを生じ、導波路の長さを適当に選べば、通常の半導体レーザで得られるガウス分布で近似される光強度分布とは全く異なったビーム形状を得ることが可能となる。また、例えば、半導体レーザ装置の導波路の一部に並行した２本の電流注入領域をもつ構造を形成し、この部分に電流注入により発生する屈折率の分布を利用して得ることも可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
本発明の第１の実施例を図面を用いて説明する。図２は、製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図１はその製造途中の平面図である。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層１０３は、ＧａＡｓウエル層１０６（７ｎｍ）の３層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層１０７（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成した。ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４の厚さは１．５μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５の厚さは０．３μｍとした。
【００２４】
次に、この構造に熱ＣＶＤ（化学気相成長）法及びホトリソグラフ技術を用いて、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上にストライプ状のＳｉＯ2膜１１５を図１に示すような形状に形成する。このＳｉＯ2膜をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４を約０．２μｍ残してエッチングした後、有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2膜１１５のない領域に選択的に成長させた。素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜１１５を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。
【００２５】
次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成し、機械的研磨と化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングし、基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開した。本半導体レーザは発振波長約７８０ｎｍで連続発振した。
【００２６】
レーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約４μｍの領域（図１の領域１１３に対応する）と幅約６μｍの領域（図１の領域１１４に対応する）により構成される。幅６μｍの領域の長さはレーザ端面において基本モードと高次モードの位相差がπ／２となるように約５４μｍとした。このように狭いストライプ状導波路と広いストライプ状導波路とからなるとき、後者の幅は、前者の幅の１．１〜１．９倍程度にすることが好ましく、１．４〜１．６倍程度にすることがより好ましい。
【００２７】
このように幅が異なるストライプが連結している場合、幅の狭いストライプからこのストライプにおける基本横モードの光が幅の広いストライプに入射すると、入射した光のエネルギーは広いストライプの複数の横モードに分配される。エネルギーの分配比率は狭いストライプの基本横モードと広いストライプの横モード空間的重なりにより決定される。２種類の幅のストライプの連結により前記のような形状のビームを得るためには両ストライプの幅の比を１．１倍から１．９倍の範囲に設定することが適当であった。ストライプ幅の比率が１．９倍を越える場合は幅の狭いストライプから幅の広いストライプに進行する光のエネルギーは幅の広いストライプ中の２次以上の横モードに主に分配され出射ビームの形状にサイドローブが発生しスポット形状が乱れた。また、ストライプ幅の比が１．１倍未満では幅の広いストライプの２次横モードに分配されるエネルギーが小さすぎ、十分な効果が得られなかった。
【００２８】
以上のように、広いストライプ中に入射した光のエネルギーは複数の横モードに分配されるが、両ストライプの境界面近傍ではこれらのモードを重ね合わせたビームの形状は概ね狭いストライプから入射したビームの形状に一致する。しかし、広いストライプ中のそれぞれの横モードがその次数に応じて異なる伝搬定数を持つため、広い導波路中をビームが進むに従い各横モード間の位相にずれが生じる。基本モードと２次モードの位相のずれがＬ×（ｋ0−ｋ2）＝π／２を満たすときにビームの形状は所望の三角形に近い形状となる。また、π／６＜Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜５π／６の範囲であれば略有効な効果が得られる。ここでＬは広いストライプの長さであり、ｋ0、ｋ2はこのストライプ中における基本横モード及び２次横モードの伝搬定数であり、この実施例ではｋ0＝３．３２９５×２π／λ、ｋ2＝３．３２５９×２π／λであった。
【００２９】
伝搬定数の算出方法の詳細はここでは省略するが、例えばＨ．Ｃ．Ｃａｓｅｙａｎｄ Ｍ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ著 ”ＨＥＴＥＲＯＳＴＵＲＣＴＵＲＥ ＬＡＳＥＲＳ”（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９７８）ｐｐ．３１〜５４に記載されているスラブ導波路の実効屈折率を求める手法を用いて算出できる。先ずストライプ内外の積層構造にスラブ導波路モデルを適用して各積層構造の実効屈折率を求め、次に得られた積層構造の実効屈折率を新たなスラブ導波路の屈折率として同様の手法を適用するればレーザの断面構造から導波路の実効屈折率ｎを求めることができる。伝搬定数ｋはｋ＝２πｎ／λ（ここで、λは真空中での光の波長）より得られる。ここで、光の横モードの次数が異なると実効屈折率も異なるため、各横モードが異なる伝搬定数を有することになる。なお、５π／６≦Ｌ×（ｋ0−ｋ2）＜７π／６の範囲、即ちＬ＝１０８μｍ前後ではビーム形状の優位性は失われるが、ビーム広がりが最大となるため、光出力の向上という利点が有った。以上に説明した光の位相は三角関数の周期性から、位相θが位相２Ｎ±θ（Ｎは任意の整数）と同等であることは言うまでもない。
【００３０】
図３は、本発明の半導体レーザ装置を用いたレーザプリンタの光学系の一構成例である。半導体レーザ装置１１６から出射したレーザビームは、コリメートレンズ１１７、光量調整フィルタ１１８、ビームスプリッタ１２０、シリンドリカルレンズ１１９を通って、光偏向装置のポリゴンミラー１２２に入射し、ついで、ポリゴンミラー１２２の回転によって反射、偏向される。シリンドリカルレンズ１１９は、ポリゴンミラーの平行度誤差による走査位置ずれ補正のため、レーザビームをミラー面上で回転軸と直角な線上に収束させるものである。さらに、レーザビームは走査レンズ系１２３によって感光体材料１２４で覆われた走査面上に収束され、走査位置１２５の上を等速度で繰り返し走査する。なお、走査面は、ビーム走査と直角方向に等速で移動している。
【００３１】
光検出器１２６は、走査ビームのスタート位置を検出するためのもので、この検出信号は同期信号１２７として制御部１２８に送出される。また、ビームスプリッタ１２０からの信号を、集光レンズ１２１を介して、光量検知センサー１３０が検知し、光量検知信号１３１を制御部１２８に送出する。制御部１２８は、画像信号１３２に基づいて、これらを制御する。また、レーザ駆動系１２９は制御部１２８の制御出力に基づいて半導体レーザ１１６を駆動する。この様なビーム径に対応した制御部１２８での光出力の制御は例えばコンデンサー、抵抗とフリップフロップ回路を組み合わせた充放電回路の放電周期に比例した光出力を設定するアナログ集積回路により、容易に実現できた。
【００３２】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図４に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００３３】
〈実施例２〉
本発明の第２の実施例を図面を用いて説明する。図６は、製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図５は、その製造途中の平面図である。図５のａａ線に相当する位置の断面構造図が図６（ａ）に、ｂｂ線に相当する位置の断面構造図が図６（ｂ）に示してある。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０１、多重量子井戸活性層２０２、ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層２０２は、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層２０４（７ｎｍ）の３層と（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層２０５（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００３４】
次に、図５に示すように、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてストライプ状のホトレジストマスク２０６とＳｉＯ2マスク２１１の複合マスクを形成する。このような複合マスクの製造方法を図７により説明する。図７（ａ）は、図６（ａ）の部分（上記の説明のｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を形成した状態）に、所望のパタン２１４とその周辺の溝２１５を持ったＳｉＯ2マスク２１１を形成し、次に所望のパタン２１４と溝２１５を被うようにホトレジストマスク２０６を設けた状態を示す。次に図７（ｂ）に示すように、溝２１５の外側のＳｉＯ2をエッチングしてホトレジストに被われたＳｉＯ2の所望のパタン２１４のみを残す。ＳｉＯ2マスク２１１は、図５に示すように、通常幅領域及び広幅領域２０８においてはホトレジストマスク２０６に対し前記の溝２１５の分だけ細い形状に形成されている。中間幅の領域２０７では両側のハーフトーン領域２１０の一部（図５の拡大した部分に示したＳｉＯ2マスク２１１）に形成されている。なお、ハーフトーン領域２１０のＳｉＯ2マスク２１１は、図５の拡大した部分に示したように多数存在するが、図７では煩雑になるので左右に３個づつしか図示していない。
【００３５】
この方法により半導体レーザの導波路の形状と電流注入の形状をほぼ独立に設定することができる。ホトレジストマスク２０６は、素子の大部分を占める通常幅（約４μｍ）のストライプが端面付近で２段階に広がった形状を有している。
【００３６】
再び図６に戻って説明する。このホトレジストマスク２０６を用い、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３を約０．２μｍ残してエッチングする。次にホトレジストを取り除き、有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2マスク２１１のない領域に選択的に成長させた。
【００３７】
次ぎに、素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2マスク２１１を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。
【００３８】
このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域２１２が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、リフトオフに用いたＳｉＯ2マスク２１３のみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、特に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本実施例において効果が大であった。
【００３９】
また、このような凹凸の発生に対する対策はｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０の結晶成長を液層成長法により行ない、図９のように表面を略平坦に形成することによっても可能であった。
【００４０】
機械的研磨及び化学エッチングによりＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングした後、ＧａＡｓ基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。
【００４１】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約４μｍの領域（図５の領域２０６に対応する）と幅約７μｍの中間幅領域（図５の領域２０７に対応する）及び幅約２０μｍの広幅領域（図５の領域２０８に対応する）により構成される。広幅領域の長さは約３０μｍであり、中間幅領域の長さはレーザ端面において基本モードと高次モードの位相がπ／２となるように約７０μｍとした。この構造により、より三角形に近い形状の光強度の分布を得ることが可能となる。
【００４２】
ストライプの幅が２種類以上の場合は最適なストライプの幅及び長さを単純な関係で定義することは難しいが、各ストライプに導波される光の形状を横モードの線形結合で表記し、ストライプの幅が変化する点で一方のストライプの横モードと他方のストライプの横モードの空間結合をもとに各横モードに分配される光のエネルギーを算出し、各横モードをそれぞれ固有の伝播常数でストライプを伝搬させるという操作を繰り返すことによりレーザ出射位置でのスポットの形状を求めることができる。この場合、良好なビーム形状を得るためには端面部分のストライプで３次以上の高次横モードのエネルギーが全光エネルギーの１０％以下であること、２次横モードのエネルギーが全光エネルギーの１０％から４０％の範囲にあること、０次横モードと２次横モードの位相差がπ／６〜７π／６の範囲に有ることが必要とされ、π／６〜５π／６の範囲に有ることがより好ましいとされる。
【００４３】
複数の幅のストライプを持つ構造において、ストライプの電流注入を不均一に行なうとビームの形状を三角形にするのみではなく、三角形の幅を変化させる機能を付加することも可能となる。これは半導体レーザにおいて活性層の屈折率が電流注入により減少するためストライプ周辺部にのみ電流注入を行なうと基本モードの伝搬定数波数をあまり変化させずに２次横モードを小さくすることができるので、ストライプの長さが一定のままでもこのストライプを通過するモードの位相差を変化させることが可能となる。電流注入を増加すると光出力が増大するが前述のような屈折率変化によるビーム拡大効果も発生するため、注入電流増加と共に光強度分布の高さのみならず幅も増大する。
【００４４】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図８に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、実施例１の場合と同様に、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００４５】
なお、非通電領域は中間幅の領域２０７でなく、広幅領域２０８に設けてもよい。
【００４６】
〈実施例３〉
本発明の第３の実施例を図面を用いて説明する。図１１は、本実施例で製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図１０は、その製造途中の平面図である。図１０のａａ線に相当する位置の断面構造図が図１１に示してある。まずｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層１０３は、ＧａＡｓウエル層１０６（７ｎｍ）の３層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層１０７（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００４７】
次に、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上にストライプ状のＳｉＯ2膜を図１０に示すような形状（領域２０６’、広幅領域２０８に対応する形状）に形成する。このＳｉＯ2膜をマスクとしてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０４を約０．３μｍ残してエッチングする。さらに、ＳｉＯ2膜の一部にレンズ形状の非通電領域３０２を設けるため、この部分のＳｉＯ2膜を除去する。その後有機金属気相成長法によりｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層３０１をＳｉＯ2膜のない領域に選択的に成長させる。つまり、ｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層３０１は、ストライプ状のＳｉＯ2膜の左右とレンズ形状の非通電領域３０２に形成する。
【００４８】
素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5 Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。
【００４９】
このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域２１２が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、リフトオフに用いたＳｉＯ2マスク２１３のみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、得に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本実施例において効果が大であった。
【００５０】
機械的研磨及び化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングし、ｎ−ＧａＡｓ基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。
【００５１】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、図１０の幅約５μｍの領域２０６’と幅約８μｍの広幅領域２０８により構成される。幅８μｍの広幅領域２０８の長さはこのストライプの基本モード及び２次モードの伝搬定数がそれぞれｋ0＝３．３２９７×２π／λ、ｋ2＝３．３２７３×２π／λであるから、レーザ端面において基本モードと高次モードの位相差がπ／２となるように約８９μｍとした。また、広幅領域には、ｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層３０１を部分的に設けた変調注入領域が設けられている。この構造により、より三角形に近い形状の光強度の分布を得ることが可能となり、また変調注入領域の効果により光出力が増加するほどビーム径が広がるため、より大きなビーム径状の変化を得ることができる。
【００５２】
このような形状のストライプにおいては端面に向かってレーザビームが拡がりながら進行するため非点収差が発生し、光学系によるビームの絞り込みに支障が生じた。この様な非点収差は出射端面近傍のストライプに電流注入により凸レンズ状の屈折率分布を形成することにより補正することが可能であった。
【００５３】
本構造においては、広幅領域に図１０に示すような凹レンズ状の変調注入領域を設けることによりレーザビームの非点収差を補正している。印刷されるドットサイズは光出力に比例して変化し、しかもいずれの使用状態においても、光感度のしきい値付近の光強度の変化率は大きく、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。しかも、本レーザの場合、電流注入による光出力の増減が主にビームサイズの変動により吸収され、ピークパワーの変化が少ないため、複数の帯電レベルを利用した多色印刷を行う場合にもスポット径可変印刷が可能となった。また、収差補正の効果により非点収差が小さく、装置組立時の光学的な収差補正も必要なく安価な装置が実現できた。
【００５４】
〈実施例４〉
本発明の第４の実施例として、上記実施例の半導体レーザをアレイ状に配した半導体レーザ装置の例を示す。図１２に示した半導体レーザ装置は、実施例１の半導体レーザ４素子を５０μｍ間隔で配列したもので、その導波路部分の形状を図に示してある。
【００５５】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０１、多重量子井戸活性層２０２、ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層２０２は、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層（７ｎｍ）の３層と（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００５６】
次に、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上にストライプ状のＳｉＯ2膜を図１２に示すような形状に形成する。このマスク形状は、素子の大部分を占める通常幅（約４μｍ）のストライプ（領域１１３に対応する）が端面付近で約６μｍに広がった形状（領域１１４に対応する）を有している。このＳｉＯ2膜をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２０３を約０．２μｍ残してエッチングする。その後有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2膜のない領域に選択的に成長させた。
【００５７】
本実施例においては素子の熱抵抗を減少することを目的にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を約２０μｍの厚さにしてある。また、本実施例においては、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９の成長に先立ち各導波路及び導波路端部に設ける光出力モニタ領域４０１を電気的に分離するための電極分離用ＳｉＯ2マスク４０２が設けられており、このマスクによるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９の選択成長により各領域が電気的に分離される。
【００５８】
次に、素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜を除去した後、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。
【００５９】
このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域（図示せず）が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、実施例３で図１１に示したＳｉＯ2マスク２１３と同様にリフトオフに用いたＳｉＯ2マスクのみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、特に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本発明において効果が大であった。
【００６０】
本実施例においては、導波路は表面電極１１１の端から約５μｍに位置するように設けられている（図１２では電極１１１の左端からの位置）。これは電極に通電用金線４０３をボンディングする際に導波路上を避けてボンディング出来る十分な面積を確保するためである。
【００６１】
機械的研磨及び化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングした後、基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。本半導体レーザは波長約６８０ｎｍでレーザ発振した。
【００６２】
以上のようにして作成した半導体レーザチップをＳｉＣ製ヒートシンクに裏面電極側から接着し製品組立てを行なった。半導体レーザをヒートシンクに裏面電極側から接着する場合、通電による発熱により半導体レーザ出力が変化するという問題が発生した。本実施例においては、発熱による光出力の変化量の共振器長依存性を計算した図１４の結果を元に共振器長を４５０μｍから１２００μｍの間とした。
【００６３】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約４μｍの領域１１３と幅約６μｍの領域１１４により構成される。幅６μｍの領域の基本モード及び２次モードの伝搬定数はｋ0＝３．３１５×２π／λ、ｋ2＝３．３１０×２π／λであることより、この領域の長さはレーザ端面において基本モードと高次モードの位相差がπ／２となるように約３４μｍとした。
【００６４】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図４に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、実施例１の場合と同様に、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００６５】
この半導体レーザにおいて主電極の電流により半導体レーザが発振する。本実施例においては、このようなアレイ状半導体レーザに更に個別の導波路に対し光出力をモニタするモニタ領域４０１を設けた。モニタ領域４０１は前述のように電極分離用ＳｉＯ2マスク４０２により他の電極から分離されており、この部分に半導体レーザの動作電圧よりも低いか又は半導体レーザの動作電圧の逆極性の電圧を印加しておくとレーザ光によりモニタ領域４０１に励起されたキャリアが光電流を発生し、これを測定することにより光出力をモニタすることができる。モニタ領域４０１は導波路毎に設けられているので、個別の導波路の光出力をしることができる。光出力モニタ機能はモニタ領域を半導体レーザの動作電圧の逆極性の電圧を印加するとより安定に得られるが、半導体レーザの動作電圧と同極性の電圧を印加することによりモニタ領域で光吸収により発生したエネルギーを効率良く電気エネルギーとして外部に取り出せばこの領域を電子的に冷却する機能も得られ、半導体レーザの端面劣化の防止に用いることも可能であった。
【００６６】
本実施例によれば、ドット形状変化による高精細印刷とアレイ化による高速印刷が同時に実現でき、印刷速度×ドット密度で約１０倍の高性能印刷を半導体レーザとその駆動部以外は従来と同じ構成のレーザプリンタ装置により実現可能であった。
【００６７】
本半導体レーザ装置を実施例１記載のレーザプリンタに適用したところ、図４に示したように、各素子が比較的小さな光出力の変化により大きなビーム径の変動が得られるため、素子間のクロストークが少なく、良好な印刷が高速で可能であった。同様の特徴は実施例２及び実施例３の構造をアレイ状に配しても同様に得られることは言うまでもない。
【００６８】
〈実施例５〉
本発明の第５の実施例を図面を用いて説明する。図１６は、製造した半導体レーザ装置の断面構造図、図１５は、その製造途中の平面図である。まずｎ−ＧａＡｓ傾角基板５０１上に、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５０２、多重量子井戸活性層５０３、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５を順次結晶成長させた。多重量子井戸活性層５０３は、Ｇａ0.6Ｉｎ0.4Ｐウエル層５０５（７ｎｍ）の３層と、 （Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.4Ｉｎ0.6Ｐバリア層５０６（５ｎｍ）の４層を交互に積層して形成している。
【００６９】
次に、この構造に熱ＣＶＤ法及びホトリソグラフ技術を用いてストライプ状のホトレジストマスク２０６とＳｉＯ2マスク２１１の複合マスクを図１５に示すような形状に形成する。このような複合マスクは、すでに図７に示したと同様な方法で、まず所望のパタンの周辺に溝を持ったＳｉＯ2マスクを形成し、次に所望のパタンと周辺の溝を被うようにホトレジストマスク２０６を設けた後、溝の外側のＳｉＯ2をエッチングしてホトレジストに被われた所望のＳｉＯ2パタン２１５のみを残すことにより得られた。ホトレジストマスク２０６は、素子の大部分を占める通常幅（約５μｍ）のストライプ（領域１１３に対応する）が端面付近で約８μｍに広がった形状（領域１１４に対応する）を有している。このホトレジストマスクを用い、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５及びｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５０４を約０．２μｍ残してエッチングする。次にホトレジストを取り除き、有機金属気相成長法によりｎ−ＧａＡｓブロック層１０８をＳｉＯ2膜のない領域に選択的に成長させた。次ぎに、素子の直列抵抗低減のため、ＳｉＯ2膜を除去した後、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層１０９及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１１０を形成した。
【００７０】
基板として（１００）方向からずれた基板を用いると導波路の形状が非対称となるため本実施例においては導波路の形状を規定するホトレジストマスクと電流通路を規定するＳｉＯ2マスクが導波路の非対称形状を補正する方向にずれて形成されている。本実施例においてはホトレジストマスク２０６とＳｉＯ2マスク２１１の軸ずれは基板面の傾斜した方向に約１μｍとした。
【００７１】
次に、ウエハの表面にＡｕを主成分とする電極１１１を形成した。このとき、表面電極１１１には通常のリフトオフ法を用いて電極を取り除いた領域２１２が設けられており、半導体レーザの導波路上には電極は存在せず、リフトオフに用いたＳｉＯ2マスク２１３のみが残っている。これにより、電極の断切れ等による金属元素の半導体中への拡散や応力の発生が防止され、信頼性の良好な素子が実現できた。本電極構造はリッジ埋込型半導体レーザで一般的に有効であるが、得に導波路表面に複雑な凹凸を発生する本実施例において効果が大であった。
【００７２】
機械的研磨及び化学エッチングによりｎ−ＧａＡｓ基板を約１００μｍにエッチングした後、基板側にもＡｕを主成分とする電極１１２を形成した。このような半導体ウエハを約６００μｍ間隔でバー状に劈開し、半導体レーザ装置とした。本半導体レーザは発振波長約６５０ｎｍでレーザ発振した。
【００７３】
この半導体レーザ装置のレーザ共振器を形成するストライプ状導波路は、幅約５μｍの領域１１３と幅約８μｍの領域１１４により構成される。幅約８μｍの領域の長さはこの領域の基本モードと２次モードの伝搬定数がｋ0＝３．３０×２π／λ、ｋ2＝３．３０２５×２π／λで有ることより、レーザ端面において基本モードと高次モードの位相がπ／２となるように約６５μｍとした。この構造により、より三角形に近い形状の光強度の分布を得ることが可能となる。
【００７４】
本半導体レーザ装置を光出力４ｍＷ、６ｍＷ、８ｍＷで駆動したときの感光面上の光強度の分布を図４に示す。感光体の感光のしきい値は、図中破線で示した値であるため、印刷されるドットサイズは光出力の変化に対しＷ＝２Ｗ0（１−Ｐ0／Ｐ）の単純な関数（ここで、Ｗ0はドットの半値幅、Ｐ0はしきい値感度、Ｐはレーザビームの光強度分布のピーク値）で変化するので、実施例１の場合と同様に、光出力に対応した滑らかな印刷が再現性良く得られた。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザプリンタにおいて出力変調による高解像度印刷が安定性よく実現可能となる。また、光量変化に対するドット径変化が大きいため、素子をアレイ状に配した場合の素子間のクロストークも小さくてすみ、高精細の印刷が安価に実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図２】本発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図３】本発明のレーザプリンタ装置の一例の構成図。
【図４】本発明の第１の実施例の半導体レーザ装置の出射光の強度分布図。
【図５】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図６】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の第１の断面構造図。
【図７】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の断面図。
【図８】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の出射光の強度分布図。
【図９】本発明の第２の実施例の半導体レーザ装置の他の製法による場合の断面構造図。
【図１０】本発明の第３の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図１１】本発明の第３の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図１２】本発明の第４の実施例の半導体レーザ装置の配置図。
【図１３】本発明の第４の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図１４】本発明の第４の実施例の半導体レーザ装置の光出力変動と共振器長さの関係図。
【図１５】本発明の第５の実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図。
【図１６】本発明の第５の実施例の半導体レーザ装置の断面構造図。
【図１７】従来の半導体レーザ装置の光強度分布図。
【符号の説明】
１０１…ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２…ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
１０３…多重量子井戸活性層
１０４…ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
１０５…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０６…ＧａＡｓウエル層
１０７…Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層
１０８…ｎ−ＧａＡｓブロック層
１０９…ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ埋込層
１１０…ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１１１、１１２…電極
１１３、１１４、２０６’、２０７、２１２…領域
１１５…ＳｉＯ2膜
１１６…半導体レーザ装置
１１７…コリメートレンズ
１１８…光量調整フィルタ
１１９…シリンドリカルレンズ
１２０…ビームスプリッタ
１２１…集光レンズ
１２２…ポリゴンミラー
１２３…走査レンズ系
１２４…感光体材料
１２５…走査位置
１２６…光検出器
１２７…同期信号
１２８…制御部
１２９…レーザ駆動系
１３０…光量検知センサ
１３１…光量検知信号
１３２…画像信号
２０１…ｎ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
２０２…多重量子井戸活性層
２０３…ｐ−（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
２０４…Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層
２０５…（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層
２０６…ホトレジストマスク
２０８…広幅領域
２０９、３０２…非通電領域
２１０…ハーフトーン領域
２１１、２１３…ＳｉＯ2マスク
２１４…パタン
２１５…溝
３０１…ｎ−Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐブロック層
４０１…光出力モニタ領域
４０２…ＳｉＯ2マスク
４０３…通電用金線
５０１…ｎ−ＧａＡｓ傾角基板
５０２…ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
５０３…多重量子井戸活性層
５０４…ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
５０５…Ｇａ0.6Ｉｎ0.４Ｐウエル層
５０６…（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.４Ｉｎ0.6Ｐバリア層
Claims (1)
- 導電型の異なる２層の半導体層と、これに挟まれ、かつ、該２層の半導体層よりも狭い禁制帯幅を有する半導体層よりなる活性層と、該活性層に平行な面内に光を閉じ込める導波路を有する半導体レーザ装置であって、
前記導波路はレーザ共振器を構成するストライプ導波路であって、前記導波路は前記レーザ共振器の一の端面から前記レーザ共振器の他の端面までに延在し、前記一の端面から前記他の端面への途中までの前記導波路の光の進行方向に対する横幅は一様の幅W1であり、前記途中から他の端面までの前記導波路の光の進行方向に対する横幅は前記W1よりも広く構成され、前記W1より幅広の導波路は幅W2の直線導波路を有し、
前記導波路は、前記幅広の導波路の長さＬと前記幅広の導波路を伝搬する０次横モード及び２次横モードの伝搬定数ｋ０、ｋ２とするときπ／６＜Ｌ×（ｋ０−ｋ２）＜５π／６（ただし、ｋ０、ｋ２、Ｌは実数であるとする）なる関係を満たすように構成され、
前記レーザの他の端面におけるビーム形状の光密度が前記導波路の中心線から横方向に実質的に直線的に変化するように、前記他の端面のストライプ導波路で３次以上の高次横モードの光エネルギが全光エネルギの10％以下であり、２次横モードの光エネルギが全光エネルギの10％から40％であり、その他のモードの光エネルギが全エネルギの残余のものであることを特徴とする光印刷用の半導体レーザ装置。
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