JP4300245B2 - 多層膜反射鏡を備えた光学素子、面発光レーザ - Google Patents

多層膜反射鏡を備えた光学素子、面発光レーザ Download PDF

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Description

本発明は、多層膜反射鏡を備えた光学素子に関する。
（面発光レーザ）
光学素子の一つである面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は半導体基板に垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイを容易に形成することができる。二次元アレイから出射されるマルチビームの並列処理により高密度化および高速化が可能になり、様々な産業上の応用が期待される。例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、マルチビームによる印字工程の並列処理による、印刷速度の高速化が可能となる。
現在実用化されている面発光レーザは、主に赤外領域（０．７５μｍ〜０．８５μｍ）のレーザ光を出力する素子である。赤外領域から赤色、青色、そして紫外領域へと、発振波長の短波長化が進めば、ビーム径をより小さく絞ることができるため、更なる高解像度を得ることができる。そのため、赤色から紫外領域での面発光レーザの実用化が求められている。
このような短波長化による高解像度化と、マルチビーム化による並列処理の組み合わせの効果は大きく、プリンタへの応用以外の様々な分野への貢献も期待されている。また、光ファイバにおける分散や吸収の少ない１．３μｍ〜１．５μｍ帯での発振が可能な面発光レーザが実用化できれば、ファイバおよび光源ともにアレイ化を行うことで長距離大容量通信が可能になる。
（多層膜反射鏡）
面発光レーザは、基板の面内方向に対して垂直方向に共振器を備えていることが特徴であり、室温で連続動作可能な面発光レーザを実現するためには、９９％以上の反射率を確保できる反射鏡が必要となる。
このような反射鏡として、屈折率が互いに異なる二つの材料を、λ／４の光学的厚さで、交互に複数回積層した多層膜反射鏡が用いられている。ここで、λとは、光学素子から出力される光の波長のことをいう。また、光学的厚さとは、ある層の厚さに、その層を構成する材料の屈折率を掛けたものをいう。
（近赤外面発光レーザ）
既に実用化されているＧａＡｓ系半導体を用いた近赤外面発光レーザでは、結晶性が極めて高いＧａＡｓとＡｌＡｓとを組み合わせた半導体多層膜ミラーが用いられている。また、Ａｌ組成の少ないＡｌＧａＡｓとＡｌ組成の多いＡｌＧａＡｓを構成層として組み合わせた半導体多層膜ミラーも用いられている。
しかし、通信用長波長（１．３μｍ〜１．５μｍ）レーザや赤色（０．６２μｍ〜０．７μｍ）レーザでは熱特性が悪い、あるいは高出力化が難しいという問題がある。
すなわち、この通信用波長領域や赤色領域の光を生成するための活性層では６０〜８０℃といった高温において電子を十分に閉じ込めるだけのクラッド層材料が存在しない。そのため、温度上昇にともなって多数の電子が活性層から漏れ、温度特性が悪く、高出力化が難しい原因となっている。
また、面発光レーザでは活性層で発生した熱が熱抵抗の高い半導体多層膜反射鏡によって活性層周辺に閉じ込められてしまう。
したがって、上記の波長を生成する材料を用いた面発光レーザは、温度特性が良くない素子となってしまう。
具体的には、通常の長波長面発光レーザの多層膜反射鏡は、λ／４の光学的厚さのＩｎＧａＡｓＰ（高屈折率層）と、λ／４の光学的厚さのＩｎＰ（低屈折率層）とを交互に多数ペア積層した構成を用いる。このとき高屈折率層として使用されるＩｎＧａＡｓＰの熱抵抗は低屈折率層として使用されるＩｎＰの２０倍近くも大きい。
そこで、非特許文献１では、多層膜反射鏡を構成する層の光学的厚さをλ／４としない多層膜反射鏡が検討されている。
具体的には、長波長面発光レーザの多層膜反射鏡に関して、非特許文献１では、熱抵抗を低減する方法として熱抵抗の小さいＩｎＰ層をλ／４の光学的厚さより厚くし、熱抵抗の大きなＩｎＧａＡｓＰ層をλ／４の光学的厚さより薄くした多層膜反射鏡を開示する。
この多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層との層厚の合計（１ペア）はλ／２の光学的厚さとなっている。これにより、放熱効果を高めることができ、素子温度の上昇を防ぐことができる多層膜反射鏡が提供できるとされている。
（紫外・青面発光レーザ）
一方、紫外・青色領域（３００μｍ〜５００μｍ）での面発光レーザにはＧａＮ系半導体材料が用いられ、多層膜反射鏡としては、例えば屈折率差が比較的大きいＧａＮとＡｌＮとのペアが選択される。
しかし、この両材料を用いて構成した多層膜反射鏡は格子不整合が大きくなり、λ／４の光学的厚さで数十ペア成長させると、格子不整合により多層膜中に格子歪が導入される可能性が高くなる。この結果、クラックが生じてしまい、９９％以上の反射率を達成する程度の反射鏡を形成することは困難となる。
そこで、特許文献１でも、多層膜反射鏡を構成する層の光学的厚さをλ／４としない多層膜反射鏡が検討されている。
具体的には、基板と熱膨張係数差が少ないＧａＮ層をλ／４の光学的厚さより厚くし、基板との熱膨張係数差が大きいＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層をλ／４の光学的厚さより薄くした多層膜反射鏡を開示する。
この多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層との光学的厚さの合計（１ペア）はλ／２の光学的厚さとなっている。これにより、クラックの少ない多層膜反射鏡が提供できるとされている。
第４７回精研シンポジウム予稿集、ｐ８０−８１、２００６，３月（東京工業大学 精密工学研究所） 特開２００３−１０７２４１号公報
上記非特許文献１および特許文献１では、λ／４の光学的厚さではない層で構成される多層膜反射鏡についての記載はあるものの、それを実際に共振器に組み込む際の設計指針についての記載はない。
本発明者は、λ／４の光学的厚さではない層を非特許文献１に記載された配置にし、共振器構造を考慮して検討した結果、このような配置では、共振波長が設計値からずれることや、反射率が低下することを見出した。
すなわち、内部光強度分布に対する高屈折率層と低屈折率層の配置を考慮しなければ、共振波長のずれによる歩留まりの低下や、反射率低下による素子特性の劣化が起こりうる。この結果、特性向上を目指して意図的にλ／４の光学的厚さを持たない層を利用したにもかかわらず、その効果を享受することができないという問題につながる。
本発明は、このような問題を解決しようとするものであり、λ／４の光学的厚さではない層を含む反射鏡を備えた光学素子に関し、共振波長をより設計値に近づけ、かつ、反射率の低下を抑制することを目的とする。
本発明に係る光学素子は、波長λの光を出力する光学素子であって、該光学素子は反射鏡と活性層を備え、該反射鏡は、第１の層と、該第１の層とは異なる屈折率を有する第２の層とが交互に積層されている半導体多層膜であって、前記第１の層の光学的厚さは、λ／４よりも薄く、かつ、前記第２の層の光学的厚さは、λ／４よりも厚く、前記第１の層と前記第２の層との界面が、前記反射鏡内部の光強度分布の節および腹に位置しないことを特徴とする。
本発明によれば、λ／４の光学的厚さではない層を含む反射鏡を備えた光学素子に関し、共振波長をより設計値に近づけることができ、反射率の低下も抑制することができる。
本発明に係る実施形態について図１および図２を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係る光学素子の構成を示す断面模式図である。ここでは面発光レーザを例として説明する。基板１０１の上には多層膜反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、スペーサ層１０５、多層膜反射鏡１０６が設けられている。
図２は、図１で示した多層膜反射鏡１０２、スペーサ層１０３、活性層１０４、の拡大模式図である。多層膜反射鏡１０２は便宜上、活性層１０９に近い３ペアだけを図示している。図２（１）および（２）は参考例、図２（３）は本発明に係る実施形態、図２（４）は従来例である。
Ａ．従来例の構成
図２（４）の従来例では、従来の設計値どおりに、両層の光学的厚さをλ／４で構成した多層膜反射鏡を示している。図２（４）において、多層膜反射鏡１０２は、層１１０と、層１１０とは異なる屈折率を有する層１２０とが交互に積層されている。層１１０と層１２０は屈折率が異なっていればよく、層１１０の屈折率は、層１２０の屈折率よりも、高くても低くてもよい。なお、図２では層１２０の屈折率が層１１０より低い場合を図示している。
Ｂ．参考例の構成
図２（１）、（２）の参考例は、両層の光学的厚さをλ／４からずらして構成した多層膜反射鏡を示している。図２（１）、（２）において、多層膜反射鏡は第１の層１３０と、第２の層１４０とが交互に積層されている。第１の層１３０と第２の層１４０は屈折率が異なっていればよく、第１の層１３０の屈折率は、第２の層１４０の屈折率よりも、高くても低くてもよい。
しかし、上記従来例の構成とはことなり、本参考例における第１の層１３０の光学的厚さは、λ／４よりも薄く、また、第２の層１４０の光学的厚さは、λ／４よりも厚い。
ここで、光学的厚さとは、ある層の厚さに、その層を構成する材料の屈折率を掛けたものである。例えば、第１の層１３０の膜厚をｄＡ、その屈折率をｎＡとし、第２の層１４０の膜厚をｄＢ、その屈折率をｎＢとする。このとき、第１の層１３０の光学的厚さは、ｄＡｎＡであり、第２の層１４０の光学的厚さはｄＢｎＢとなる。
第１の層１３０の光学的厚さと、第２の層１４０の光学的厚さは適宜設定することが可能である。例えば、第１の層１３０の光学的厚さをλ／８以下とし、第２の層１４０の光学的厚さを３λ／８以上とすることができる。また、第１の層１３０の光学的厚さをλ／１６以下とし、第２の層１４０の光学的厚さを７λ／１６以上とすることができる。
さらに、共振波長を設計どおりに作製する点から、第１の層１３０の光学的厚さと、第２の層１４０の光学的厚さとの和は、λ／２とすることが望ましい。
一方、図２の右には、多層膜反射鏡内の内部光強度分布２１０が描かれている。ここで、２２０は内部光強度分布２１０の腹、２３０は内部強度分布２１０の節である。
図２（１）では、第１の層１３０と第２の層１４０との界面の一つは光強度分布の腹２２０に位置している。また、図２（２）では、第１の層１３０と第２の層１４０との界面の一つが光強度分布の節２３０に位置している。
Ｃ．本実施形態の構成
本発明の実施形態も参考例と同様に、第１の層１３０と第２の層１４０は屈折率が異なっていればよく、第１の層１３０の屈折率は、第２の層１４０の屈折率よりも、高くても低くてもよい。また、第１の層１３０の光学的厚さは、λ／４よりも薄く、また、第２の層１４０の光学的厚さは、λ／４よりも厚い。
しかし、図２（３）に示すように、本発明に係る実施形態では、第１の層１３０と、第２の層１４０との界面が光強度分布の腹２２０にも節２３０にも位置していない。
従来例である図２（４）を基準に考えると、多層膜反射鏡を構成する両層の厚さを変化させた場合、その両層の界面は図２（１）または（２）のように、光強度分布の腹または節に配置しようとするのが通常である。上記非特許文献１においても、図２（１）または（２）に相当する方法が採用されている。
しかし、本発明に係る実施形態では、図２（３）のように、両層の界面を光強度分布の腹および節に配置しない構成を採用している点が特徴的である。
このような構成を採用することにより、共振波長をより設計値に近く構成することができ、反射率の低下を抑制することができる。
薄い光学的厚さを有する第１の層１３０と、厚い光学的厚さを有する第２の層１４０は、目的に応じて、適宜材料を選択できる。以下、長波長レーザと短波長レーザへの適用例について説明する。
（長波長レーザへの適用）
上述のように、通信用長波長（１．３μｍ〜１．５μｍ）レーザや赤色（０．６２μｍ〜０．７μｍ）レーザでは熱特性が悪い、あるいは高出力化が難しいという問題がある。また、面発光レーザでは活性層で発生した熱が熱抵抗の高い半導体多層膜反射鏡によって活性層周辺に閉じ込められてしまうという課題がある。
具体的には、赤色面発光レーザ用の多層膜反射鏡の高屈折率層として、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ、低屈折率層として、２元系の材料であるＡｌＡｓを使用することを考えると、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの熱抵抗はＡｌＡｓよりも８倍以上大きい。
そこで、実施例１で説明するように、赤色面発光レーザの多層膜反射鏡に関して、熱抵抗値の大きいＡｌＧａＡｓ層の光学的厚さをλ／４より薄くし（第１の層１３０）、熱抵抗値の小さなＡｌＡｓ層の光学的厚さをλ／４より厚くする（第２の層１４０）ことができる。
また、長波長面発光レーザの多層膜反射鏡に関して、熱抵抗値の大きいＩｎＧａＡｓＰ層の光学的厚さをλ／４より薄くし（第１の層１３０）、熱抵抗値の小さいＩｎＰ層の光学的厚さをλ／４より厚くする（第２の層１４０）ことができる。
（短波長レーザへの適用）
紫外・青色領域（３００μｍ〜５００μｍ）での面発光レーザにはＧａＮ系半導体材料が用いられる。この短波長レーザでは、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きくとりつつも、エピタキシャル成長の基準となる層（例えば基板）との格子整合をとれる適切な材料がないという問題点がある。
そこで、格子不整合が小さい層の光学的厚さをλ／４より厚くし、格子不整合の大きい層の光学的厚さをλ／４より薄くすることができる。これにより、クラックが生じる可能性を抑制しつつ、高反射率を達成することができる多層膜反射鏡が提供できる。
例えば、基板にＧａＮ、高屈折率層にＧａＮ、低屈折率層にＡｌＮを使用した場合に、基板のＧａＮと、低屈折率層のＡｌＮとの間では、格子不整合が大きくなる。
そこで、実施例２で説明するように、短波長面発光レーザの多層膜反射鏡に関して、基板との格子不整合が大きいが、高屈折率層と屈折率差が大きくとれるＡｌＮ層の光学的厚さをλ／４より薄くする（第１の層１３０）ことができる。また、基板との格子不整合が小さく、高屈折率層として利用されるＧａＮ層の光学的厚さをλ／４より厚くする（第２の層１４０）ことができる。
また、熱膨張係数を考慮して、基板との熱膨張係数の差が大きいＡｌＧａＮ層の光学的厚さをλ／４より薄くし（第１の層１３０）、基板との熱膨張係数の差が小さいＧａＮ層の光学的厚さをλ／４より厚くする（第２の層１４０）こともできる。
（他の実施形態）
第１の層１３０と第２の層１４０のペア数は、２つ以上積層されていることが望ましい。積層するペア数が多くなればなるほど、多層膜反射鏡の反射率は高くなる。また、第１の層１３０と第２の層１４０との屈折率差が大きければ大きいほど、多層膜反射鏡の反射率は高くなる。
また、本発明に係る光学素子は、面発光レーザのみならず、発光ダイオードや光機能素子など、種々の光学素子に用いることができる。例えば、本発明に係る多層膜反射鏡のペア数を少なくすることにより、発光ダイオード等として用いることもできる。
また、本発明においては、多層膜反射鏡を上下に備えている必要はなく、多層膜反射鏡を一つでも備えた光学素子も包含する。
また、本発明に係る光学素子は、電子写真記録方式の画像形成装置の光源として好適に用いることができる。
［実施例］
（実施例１：ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）
実施例１では、赤色面発光レーザ用の多層膜反射鏡として利用される、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓで構成された多層膜反射鏡を有する面発光レーザについて説明する。この多層膜反射鏡は熱抵抗を軽減するために構成されたものである。
図３に、実施例１における面発光レーザの構成の断面模式図を示す。
本実施例では、ＧａＡｓ基板４００、ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡４１０、ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐスペーサ層４０５、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ａｌ０．２５Ｇａ０．２５Ｉｎ０．５Ｐ量子井戸活性層４０４、ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐスペーサ層４０９、そしてｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡４２０で構成される。
ここで用いられるＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ａｌ０．２５Ｇａ０．２５Ｉｎ０．５Ｐ量子井戸活性層４０４は、例えば４個のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ井戸層を含み、発光波長λは６５０ｎｍ−６９０ｎｍである。
また、ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐスペーサ層４０５とｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐスペーサ層４０９の厚さを調整して共振器長として一波長の光学的厚さを用いている。必要に応じて発光波長、井戸数、あるいは共振器長の調整を行うことが可能である。
ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡４２０は従来の設計どおり、それぞれλ／４の光学的厚さになるように形成される。電気抵抗を下げるためにＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層の間に２０ｎｍ程度の組成傾斜層を設けても良い。この場合も、組成傾斜層を含めてλ／４の光学的厚さになるように形成される。
一方、ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡４１０はその熱抵抗値を低減するために、ふたつの構成層はλ／４の光学的厚さを持たない。熱抵抗の小さいＡｌＡｓ層の光学的厚さはλ／４より厚くし、熱抵抗の大きいＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層の光学的厚さはλ／４より薄くする。
ここでは、ＡｌＡｓ層を３λ／８の光学的厚さに、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層をλ／８の光学的厚さに設定する。なお、両層の層厚の和は、共振波長をずらさないようにするため、λ／２の光学的厚さに保ったままにする。
（共振器構造）
以下、この膜厚変調された多層膜反射鏡を共振器に組み込む方法を述べる。
図４は、図３で示したＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡４１０とＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ａｌ０．２５Ｇａ０．２５Ｉｎ０．５Ｐ量子井戸活性層４０４、およびＡｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐスペーサ層４０５の拡大模式図である。
図４において、２１０は内部光強度分布、２２０は内部光強度分布２１０の腹、２３０は内部光強度分布２１０の節、４０６はＡｌＡｓ層、４０７はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層である。簡単のため、この図では多層膜反射鏡は３ペアのみ示している。なお、ＡｌＡｓ層４０６は低屈折率層であり、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４０７は高屈折率層である。
本実施例では、熱抵抗の大きいＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４０７の光学的厚さをλ／８に薄膜化し、熱抵抗の小さいＡｌＡｓ層４０６の光学的厚さを３λ／８に厚膜化している。
ここでは、厚膜化したＡｌＡｓ層４０６および薄膜化したＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４０７の配置により、次の図４（１）〜（４）の各場合について検討する。
図４（１）と図４（２）は参考例である。図４（１）は光強度分布の腹２２０にＡｌＡｓ層４０６とＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４０７との界面のひとつが位置する場合、図４（２）では光強度分布の節２３０にその界面のひとつが位置する場合である。
また、図４（３）は本実施例による場合であり、光強度分布の腹にも節にもその界面が位置しない。図４（３）では、より好ましい例として、厚膜化したＡｌＡｓ層４０６の中央、あるいは薄膜化したＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４０７の中央が光強度分布の隣り合う腹と節のちょうど中央に位置する場合を示している。
図４（４）は従来例であり、本実施例との比較のために、従来の設計値どおりにλ／４の光学的厚さで構成している。ただし、ここでは低屈折率層として、ＡｌＡｓ層４０６ではなく、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層４０８を使用している。
（反射率と共振波長）
続いて、上記多層膜反射鏡の反射率と反射帯域の中心波長の計算結果を図５に示す。設計では反射帯域の中心波長が６７０ｎｍになるようにし、まずは図６のように下部反射鏡のみが存在するとして矢印方向の反射率を計算した。比較となる従来のλ／４の光学的厚さで設計されたものを７０ペアとし、それとほぼ同じ反射率を得られるように、図６（１）、（２）、（３）では６ペアだけ追加し、計７６ペアにしてある。
図５の表から理解されるように、多層膜反射鏡だけ考慮した場合は図６で示した（１）、（２）、および（３）において、薄膜層あるいは厚膜層の配置に関わらずほぼ同じ反射率（９９．９９７％）および中心波長（６７０ｎｍ）が得られている。すなわち、λ／４の光学的厚さからずらした場合であっても、反射鏡のみを考慮した計算では、その薄膜化あるいは厚膜化した層の位置は問題にならない。
次に、共振器に組み込んだ場合、すなわち図４の場合の共振波長とその波長における反射率を計算した結果を図７に示す。従来のλ／４の光学的厚さで設計したもの、すなわち図４（４）の場合は、多層膜反射鏡単独計算したものも共振器に組み込んで計算したものも同じ結果（６７０ｎｍ、９９．９９７％以上）が得られている。
一方で、図４（１）や（２）の場合は、共振波長が（１）では長波長側に、（２）では短波長側にそれぞれ８ｎｍほどシフトしていることがわかる。また、その反射率も９９．９８％台まで低下している。
これに対して、図４（３）の場合にはλ／４の光学的厚さから外れた層で構成されているにも関わらず、従来の図４（４）と同じように多層膜反射鏡のみで計算した結果と反射鏡に組み込んだ場合の結果がほぼ等しい。
すなわち、このようにλ／４の光学的厚さからずらした層を用いた多層膜反射鏡の場合には、多層膜反射鏡のみで考慮するだけでなく、共振器に組み込んだ場合まで考慮しないと、思わぬ共振波長のずれや反射率低下を引き起こしてしまう。本実施例による構成をとることでλ／４の光学的厚さからずれた場合においても、本体の特性を損なうことなく引き出すことが可能になる。
（設計指針）
つぎに、上記図４（３）の具体的構成について、さらに説明する。
図８（２）に、上記図４（３）の本実施例における構成を、図８（１）に、上記図４（４）の従来例における構成を示す。
図８において、λはレーザ光の発振波長、ｎ１は活性層と、第１及び第２のミラーの少なくとも一方までの間を占める媒質とで構成される平均的な屈折率である。また、ｎ２はλ／４の光学的厚さより厚膜化する層（ここではＡｌＡｓ）の屈折率、ｎ３はλ／４の光学的厚さより薄膜化する層（ここではＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ）の屈折率である。薄膜化するＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層の光学的厚さはλ／４（λ／４ｎ３）より薄くなり、ここではｘとする。
本実施例では、面発光レーザにおける多層膜反射鏡の一方を構成するＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡を図８（２）に示すように配置する。すなわち、上記活性層の中心からλ／２ｎ１の整数倍およびλ／４ｎ２の距離と下記の式で定義した距離
Figure 0004300245
 だけ離れた位置に、厚さｘのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層の中心がくるように配置し、かつ、下記の式で定義した周期
Figure 0004300245
 でＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を繰り返し設けた構成を採ることができる。
この式で示される構成の一例として、上記のように熱伝導率の高いＡｌＡｓ層を層厚３λ／８ｎ２とし、熱伝導率の低いＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を層厚λ／８ｎ３とする構成がある。
（実施例２：ＡｌＮ／ＧａＮ）
続いて、実施例２について説明する。実施例２では、ＡｌＮとＧａＮとで構成された多層膜反射鏡を有し、紫外・青色用として利用される面発光レーザについて説明する。この反射鏡は、屈折率差と格子不整合を考慮して反射率を向上させるために構成されたものである。
図９に、実施例２における面発光レーザの構成の断面模式図を示す。
本実施例では、ＧａＮ基板７０１、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡７０２、ＧａＮスペーサ層７０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層７０４、そしてＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜反射鏡７０５で構成される。
ここで用いられているＩｎＧａＮ量子井戸活性層７０４は、例えば４個のＩｎＧａＮ井戸層を含み、発光波長は３９０〜４１０ｎｍである。また、ふたつのＧａＮスペーサ層１０３の光学的厚さを調整して、２波長の共振器長としている。なお、必要に応じて発光波長、井戸数、あるいは共振器長の調整を行うことが可能である。
従来の設計方法において、多層膜反射鏡７０２を構成するＡｌＮ層とＧａＮ層の光学的厚さは、λ／４である。
これに対して、本実施例では、ＧａＮ基板を使用していることから、より大きな格子不整合をもつＡｌＮ層の光学的厚さをλ／８波長にし、歪がほとんどないＧａＮ層の光学的厚さを３λ／８にして、これらを２４ペア積層する。
ＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜反射鏡７０５は従来のλ／４の光学的厚さの層厚で８ペア積層する。ここでは電流注入のために必要なドーピングおよび電極形成等は本発明に直接関与しないため省略してあるが、適切なドーピングおよび電極形成を行うことにより、電流注入可能な構造にすることができる。
（共振器構造）
図１０は、図９で示したＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡７０２とＩｎＧａＮ量子井戸活性層７０４を含む共振器構造の拡大模式図である。
図１０において、２１０は内部光強度分布、２２０は光強度分布２１０の腹、２３０は光強度分布２１０の節、７０４はＩｎＧａＮ量子井戸、８０５はＡｌＮ層、８０６はＧａＮ層である。簡単のため、この図では多層膜反射鏡は３ペアのみ示している。なお、ＡｌＮ層８０５は低屈折率層であり、ＧａＮ層８０６は高屈折率層である。
ＩＩＩ族窒化物半導体レーザで一般に用いられている基板の格子定数、あるいはエピタキシャル成長の基準となる最も厚い半導体層の格子定数と、ＡｌＮとの格子定数との差は大きい。
一方、ＡｌＮは屈折率が低いため、ＧａＮなどの高屈折率層との屈折率差が大きくなり、反射率が向上する。そこで、本実施例では、格子不整合の大きいＡｌＮ層の光学的厚さをλ／８にしし、格子不整合がほとんど無いＧａＮ層の光学的厚さを３λ／８波長にしている。
ここでは、薄膜化したＡｌＮ層の配置により、つぎの図１０（１）〜図１０（４）の各場合について検討する。
図１０（１）と図１０（２）は参考例である。図１０（１）は光強度分布２１０の腹８０２にＧａＮ／ＡｌＮ界面のひとつが位置する場合、図１０（２）では光強度分布２１０の節８０３にその界面のひとつが位置する場合である。
また、図１０（３）は本実施例による場合であり、光強度分布の腹にも節にもその界面が位置しない。図１０（３）ではより好ましい例として、薄膜化したＡｌＮ層８０５の中央が光強度分布の隣り合う腹と節のちょうど中央に位置する場合を示している。
また、図１０（４）は従来例であり、本実施例との比較のために、従来の設計値どおりにλ／４の光学的厚さでそれぞれ構成した場合である。ただし、ここでは低屈折率層として、ＡｌＮ層８０５の代わりに、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層８０７を用いている。
また、構成層の界面と内部光強度分布の腹・節との関係がわかるようにその強度分布も右側に示してある。
（反射率と共振波長）
続いて、上記多層膜反射鏡の反射率と反射帯域の中心波長の計算結果を図１１に示す。設計では反射帯域の中心波長が４００ｎｍになるようにし、まずは図１２のように下部反射鏡のみが存在するとして矢印方向の反射率を計算した。ここでは、図１２（１）、（２）、（３）および（４）、すべて２４ペアとした。
図１１の表から理解されるように、多層膜反射鏡だけ考慮した場合は図１２で示した（１）、（２）、および（３）において、薄膜層あるいは厚膜層の配置に関わらずほぼ同じ反射率（９９．５％程度）および中心波長（４００ｎｍ）が得られている。すなわち、λ／４の光学的厚さからずらした場合であっても、反射鏡のみを考慮した計算では、その薄膜化した層の位置は問題にならない。
次に、共振器に組み込んだ場合、すなわち図１０の場合の共振波長と反射率を計算した結果を図１３に示す。
従来のλ／４の光学的厚さで設計したもの、すなわち図１０（４）の場合は、多層膜反射鏡単独計算したものも共振器に組み込んで計算したものも同じ結果（４００ｎｍ、９９．１２％）が得られている。
一方で、図１０（１）や（２）の場合は、共振波長が（１）では短波長側に、（２）では長波長側にそれぞれ９ｎｍ〜１０ｎｍほどシフトすることがわかる。また、その反射率も９８％台まで低下している。
これに対して、図１０（３）の場合にはλ／４の光学的厚さから外れた層で構成されているにも関わらず、従来の図１０（４）と同じように多層膜反射鏡のみで計算した結果と反射鏡に組み込んだ場合の結果がほぼ等しく、反射率の低下や共振波長のずれがみられない。
すなわち、このようにλ／４の光学的厚さからずらした層を用いた多層膜反射鏡の場合には、多層膜反射鏡のみで考慮するだけでなく、共振器に組み込んだ場合まで考慮しないと、共振波長のずれや反射率低下を引き起こしてしまう。
本実施例による構成をとることでλ／４の光学的厚さからずれた場合においても、本体の特性を損なうことなく引き出すことが可能になる。
このように、本実施例によれば、高反射率かつクラックの少ないＩＩＩ族窒化物半導体多層膜反射鏡が簡便に作製でき、それを用いた面発光レーザの実現が可能となる。
（設計指針）
つぎに、上記図１０（３）の本実施例における具体的構成について、さらに説明する。
図１４（２）に、上記図１０（３）の本実施例における構成を、図１４（１）に、上記図１０（４）における構成を示す。
図１４において、λはレーザ光の発振波長、ｎ１は活性層と、第１及び第２のミラーの少なくとも一方までの間を占める媒質とで構成される平均的な屈折率である。
また、ｎ２は基板との格子不整合のより大きいＩＩＩ族窒化物半導体層（ここではＡｌＮ）の屈折率、ｎ３は基板との格子不整合のより小さいＩＩＩ族窒化物半導体層（ここではＧａＮ）の屈折率である。格子不整合のより大きいＡｌＮ層の光学的厚さはλ／４（λ／４ｎ２）より薄く、ここではｘとする。
本実施例では、面発光レーザにおける多層膜反射鏡の一方を構成するＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡を図１４に示すように配置する。すなわち、上記活性層の中心からλ／２ｎ１の整数倍の距離と下記の式で定義した距離
Figure 0004300245
 だけ離れた位置に、厚さλ／４ｎ２より薄いｘのＡｌＮ層の中心がくるように配置し、かつ、下記の式で定義した周期
Figure 0004300245
 でＡｌＮ／ＧａＮ層を繰り返し設けた構成を採ることができる。
この式で示される構成の一例として、上記のように格子不整合のより大きい半導体層を層厚λ／８ｎ２のＡｌＮ層とし、格子不整合のより小さい半導体層を層厚３λ／８ｎ３によるＧａＮ層とする構成がある。
（実施例３：ＡｌＮ／ＧａＮ）
続いて、実施例３について説明する。実施例３は実施例２で用いた基板とは異なる基板（サファイア）を用い、異なる膜厚を用いて形成された多層膜反射鏡を活性層の上下に有する面発光レーザについて説明する。
図１５に、本実施例における面発光レーザの構成の断面模式図を示す。
本実施例では、サファイア基板１５０１、ＧａＮ厚膜１５１０、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡１５０２、ＧａＮスペーサ層１５０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１５０４、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡１５０５で構成される。
ここで用いられているＩｎＧａＮ多重量子井戸などは実施例２と同様である。
多層膜反射鏡１５０２および１５０５は、共にＡｌＮとＧａＮが構成層であり、この場合にはサファイア基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮ厚膜に引き続いて成長させている。
そのため、ＡｌＮ層がより大きな格子不整合をもち、その光学的厚さをλ／１６の光学的厚さに薄膜化し、歪がほとんどないＧａＮ層の光学的厚さを７λ／１６に厚膜化して、これらをそれぞれ５２ペアずつ積層する。
ここでは電流注入のために必要なドーピングおよび電極形成等は本発明に直接関与しないため省略してあるが、適切なドーピングおよび電極形成を行うことにより、電流注入可能な構造にすることができる。
図１６は、図１５で示したＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡１５０２とＩｎＧａＮ量子井戸活性層１５０４を含む共振器構造の拡大模式図である。
簡単のため、この図では多層膜反射鏡は３ペアのみ示している。実施例２と同様に、多層膜反射鏡内部の光強度分布２１０の腹２２０にも節２３０にもその界面が位置していない。
図１６では、より好ましい例として、薄膜化したＡｌＮ層１５０７の中心が光強度分布の隣り合う腹と節の中央に位置するように薄膜ＡｌＮ層１５０７を配置する。ＡｌＮ層１５０７の間に厚膜化したＧａＮ層１５０６を配置する。
この場合も９９％以上の反射率が得られ、室温連続発振に必要と思われる高反射率が達成できる。
実施例２と比較すると、本実施例では多層膜反射鏡一個あたりの層厚がほぼ倍になっているものの、累積歪量はほとんど同じになっている。したがって、クラックが発生しにくい。
本実施例によれば、以上のように、その他の要求に応じて、薄膜化する層厚とペア数をより好ましいように選択することが可能となる。
（実施例４：ＡｌＮ／ＧａＮ）
続いて、実施例４について説明する。実施例４では、実施例２や実施例３で用いた基板とは異なる基板（ＡｌＮ）を用いて形成した多層膜反射鏡を有する面発光レーザについて説明する。また、本実施例におけるＡｌＮ層の光学的厚さは、ＧａＮ層の光学的厚さよりも厚い点において、実施例２や３とは異なる。
図１７に、実施例４における面発光レーザの構成の断面模式図を示す。本実施例では、ＡｌＮ基板１６０１、ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡１６０２、ＧａＮスペーサ層１６０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層１６０４、そしてＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜反射鏡１６０５で構成される。
ここで用いられているＩｎＧａＮ量子井戸１６０４、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜反射鏡１６０５は実施例２と同様である。
ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡１６０２はＡｌＮとＧａＮが構成層であり、この場合ＡｌＮ基板１６０１の上にエピタキシャル成長させている。
そのため、今度はＧａＮ層がより大きな格子不整合をもち、その光学的厚さをλ／８に薄膜化し、歪がほとんどないＡｌＮ層の光学的厚さを３λ／８の光学的厚さに厚膜化して、これらを２７ペア積層する。
ここでは、電流注入のために必要なドーピングおよび電極形成等は本発明に直接関与しないため省略してあるが、適切なドーピングおよび電極形成を行うことにより、電流注入可能な構造にすることができる。
図１８は、図１７で示したＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡１６０２とＩｎＧａＮ量子井戸活性層１６０４を含む共振器構造の拡大模式図である。簡単のため、この図では多層膜反射鏡は３ペアのみ示している。
実施例２および実施例３と同様に、多層膜反射鏡内部の光強度分布２１０の腹２２０にも節２３０にも構成層の界面が位置していない。図１８では、より好ましい例として、薄膜化したＧａＮ層１６０６の中心が光強度分布の隣り合う腹と節の中央に位置するように多層膜反射鏡を形成する。
この場合も９９％以上の反射率が得られ、室温連続発振に必要と思われる高反射率が達成できる。
本実施例によれば、以上のように、使用する基板の種類とそれに伴い、発生する多層膜反射鏡の構成層との格子不整合の大きさにしたがって薄膜化する層を決定してクラックの低減と高反射率を同時に満たすことが可能となる。
（実施例５：画像形成装置）
続いて、本発明に係る実施例５について説明する。実施例５では、本発明に係る光学素子を電子写真装置の光源として用いる例について説明する。
電子写真装置は、感光体と、この感光体を帯電するための帯電手段と、帯電された感光体に静電像を形成するための光を照射する光ビーム照射手段と、光ビーム照射により形成された静電潜像を現像するための現像手段とを有する。以下、電子写真装置による画像形成のプロセスについて図１９を用いて説明する。
帯電手段１６９０により感光体１６７０は一様に帯電され、そして露光光源である本発明に係る光学素子１６４０から出射されたレーザ光は光路変換手段であるポリゴンミラー１６５０、および集光レンズ１６６０を介して、感光体１６７０に照射される。レーザ光が感光体１６７０に照射されることにより、感光体１６７０の照射部からは帯電が消去され、静電潜像が形成される。静電潜像が形成された感光体１６７０の上には、現像手段１６８０によってトナーが供給されてトナー像が形成され、このトナー像は紙などの転写材に転写される。
本発明の実施形態における面発光レーザの構成を示す断面模式図。 本発明の実施携帯における共振器構造の拡大模式図。 実施例１における面発光レーザの構成を示す断面模式図。 図２で示したＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡とＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ量子井戸活性層を含む共振器構造の拡大模式図。 図６で示した多層膜反射鏡のみの場合の中心波長とその反射率の比較。 ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡のみを考慮した構造の拡大模式図。 図４で示した多層膜反射鏡および活性層を含む共振器まで考慮した場合の共振波長とその反射率の比較。 実施例１における具体的構成を従来例との比較において説明する模式図。 実施例２における面発光レーザの構成を示す断面模式図。 図９で示したＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡とＩｎＧａＮ量子井戸活性層を含む共振器構造の拡大模式図。 図１２で示した多層膜反射鏡のみの場合の中心波長とその反射率の比較。 ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡のみを考慮した構造の拡大模式図。 図１０で示した多層膜反射鏡および活性層を含む共振器まで考慮した場合の共振波長とその反射率の比較。 実施例２における具体的構成を従来例との比較において説明する模式図。 実施例３における面発光レーザの構成を示す断面模式図。 図１５で示したＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡とＩｎＧａＮ量子井戸活性層を含む共振器構造の拡大模式図。 実施例４における面発光レーザの構成を示す断面模式図。 図１７で示したＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡とＩｎＧａＮ量子井戸活性層を含む共振器構造の拡大模式図。 本発明に係る光学素子を用いた電子写真装置を説明する模式図。
符号の説明
１０１ 基板
１０２ 多層膜反射鏡
１０３ スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ スペーサ層
１０６ 多層膜反射鏡
１１０、１２０ 層
１３０ 第１の層
１４０ 第２の層
２１０ 内部光強度分布
２２０ ２１０の腹
２３０ ２１０の節
４００ ＧａＡｓ基板
４０４ Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／Ａｌ０．２５Ｇａ０．２５Ｉｎ０．５Ｐ量子井戸活性層
４０５ Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐ
４０６ ＡｌＡｓ
４０７ Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ
４０８ Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ
４０９ ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐスペーサ層
４１０ ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡
４２０ ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡
７０１ ＧａＮ基板
７０２ ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡
７０３ ＧａＮスペーサ層
７０４ ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
７０５ ＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜反射鏡
８０５ ＡｌＮ
８０６ ＧａＮ
８０７ Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ
１５０１ サファイア基板
１５０２ ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡
１５０３ ＧａＮスペーサ層
１５０４ ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
１５０５ ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡
１５０６ ＧａＮ
１５０７ ＡｌＮ
１５１０ ＧａＮ厚膜
１６０１ ＡｌＮ基板
１６０２ ＡｌＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡
１６０３ ＧａＮスペーサ層
１６０４ ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
１６０５ ＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜反射鏡
１６０６ ＧａＮ
１６０７ ＡｌＮ
１６４０ 光学素子
１６５０ 光路変換手段
１６６０ 集光レンズ
１６７０ 感光体
１６８０ 現像手段
１６９０ 帯電手段

Claims (11)

  1. 波長λの光を出力する光学素子であって、
    該光学素子は、２つの反射鏡と、該反射鏡の間に設けられたスペーサ層および活性層を有する共振器を備え、
    前記２つの反射鏡の少なくとも一方の反射鏡は、第１の層と、該第１の層とは異なる屈折率を有する第２の層とによりペアが構成されている半導体多層膜反射鏡であって、
    少なくとも２ペアにおいて、前記第１の層の光学的厚さは、λ／４よりも薄く、かつ、前記第２の層の光学的厚さは、λ／４よりも厚く、
    前記第１の層と隣り合う前記第２の層との両方の界面は、前記半導体多層膜反射鏡内部の光強度分布の節および腹に位置せず、かつ、該第１の層の中央と該第２の層の中央は、該半導体多層膜反射鏡内部の光強度分布の隣り合う節と腹との中央部に位置することを特徴とする光学素子。
  2. 前記第１の層の光学的厚さと、前記第２の層の光学的厚さとの和はλ／２であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１の層の熱抵抗値は、前記第２の層の熱抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 前記第２の層は、２元系の材料で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
  5. 前記第２の層は、ＡｌＡｓ層であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
  6. 前記光学素子の基板の格子定数と、前記第１の層の格子定数との差よりも、該基板の格子定数と、前記第２の層の格子定数との差の方が小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
  7. 前記第１の層がＡｌＮ層であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
  8. 前記第２の層がＧａＮ層であることを特徴とする請求項６または７に記載の光学素子。
  9. 前記第１の層の光学的厚さが、λ／８であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の光学素子。
  10. 前記第２の層の光学的厚さが、３λ／８であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の光学素子。
  11. 感光体と、該感光体を帯電するための帯電手段と、帯電された該感光体に静電潜像を形成するための光を照射する光ビーム照射手段と、該光ビーム照射により形成された静電潜像を現像するための現像手段とを有する電子写真装置において、
    前記光ビーム照射手段の光源として請求項１から１０のいずれか一つに記載の光学素子を用いたことを特徴とする電子写真装置。
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