JP4494501B2 - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、面発光レーザを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、面発光レーザを用いた画像形成装置に関する。

面発光レーザのひとつに、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖａｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）がある。このレーザは、半導体基板に対して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。そして、二次元アレイから出射されるマルチビーム並列処理により、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ている。

この面発光レーザでは、電流を効率的に活性層に注入するために、Ａｌ含有率が高いＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（以下、「ＡｌＧａＡｓ」と表記することもある。）を選択酸化し、電流狭窄構造を形成する方法が導入されている。この電流狭窄構造を用いて単一横モードで発振させるためには、電流狭窄径を３μｍ径程度の大きさで構成するのが一般的である。

しかしながら、このように狭窄径を小さくすると、発光面積が小さくなるため、素子一個当たりの出力が大幅に低下してしまうという問題がある。

そこで、より大きな電流狭窄径においても、単一横モード化を行う手法の一つとして、非特許文献１では、共振器を長くして高次横モードの回折損を増大させることが提案されている。以下、この非特許文献１に記載されている面発光レーザ装置の素子構造について、図２を用いて説明する。

図２において、ＧａＡｓ基板２１０の上には、低屈折率層と高屈折率層とがλ／４の光学的膜厚で交互に積層された下部半導体多層膜反射鏡２２０が形成されている。ここで、光学的膜厚とは、ある層の厚さにその層を構成する材料の屈折率をかけたものをいい、波長λとは、発振波長のことをいう。なお、以下、多層膜反射鏡をＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ということもある。

この半導体多層膜反射鏡の上には、通常よりも膜厚を厚くしたＧａＡｓで構成されているスペーサ層２３０が設けられている。スペーサ層２３０の上には、下部クラッド層２４０、量子井戸を含んだ活性層２５０、上部クラッド層２６０が順次積層されている。そして、上部クラッド２６０の上に低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された上部半導体多層膜反射鏡２７０が形成されている。

非特許文献１において、スペーサ層２３０は、ＧａＡｓのみで構成されており、長さは２〜８μｍである。一般的な面発光レーザにおいて、上下のＤＢＲによって決定される共振器の光学的膜厚は１波長または２波長程度となるように設計されている。すなわち、非特許文献１で用いられている９８０ｎｍ帯のレーザを例にとると、１波長共振器では共振器の物理的長さは約０．３μｍとなり、２波長共振器では約０．６μｍとなる。

このような、共振器の光学的膜厚が１波長または２波長である面発光レーザでは、酸化狭窄径が３μｍから４μｍ程度より大きいと基本モードに加えて高次モードも含めたレーザ発振になることが多い。

一方、非特許文献１に記載されている面発光レーザは、８μｍ程度の長いスペーサを導入したため、酸化狭窄径７μｍでも単一基本横モード発振することに成功している。

長共振器構造を有する面発光レーザは、ミラーとして機能するＤＢＲ同士の間隔が長いため、伝播するビームが広がりやすい。ここで、面発光レーザの素子内に存在する光においては、基本モードのビームの広がりよりも、高次モードのビームの広がりが大きい。そのため、長共振器構造を採用する面発光レーザは、高次モードの光はＤＢＲ間を行き来する間に回折による損失を受けやすく、長共振器構造を採用しないレーザに比べて、基本モードでの単一横モード発振をしやすい構成である。

ところで，面発光レーザにおいては、素子内での熱が光出力に大きな影響を与えるため、熱放散性をどのように向上させるかという点も技術上の課題となっている。特に、６３０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下の範囲である赤色帯の面発光レーザでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ等で構成される活性層の温度特性が、赤外半導体レーザで用いられる活性層の温度特性と比較すると良好でないため、熱放散性という課題は重要となる。

そこで、特許文献１では、熱伝導性の良好な材料をλ／２の整数倍とした光学的膜厚でクラッド層の下部に設ける構成を開示している。これにより、熱放散性を向上させ、光出力の増加を図っている。具体的には、特許文献１における熱伝導性の良好な材料として、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰが挙げられている。
ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．８、２０００、ｐ９３９ 米国特許出願公開２００５／０２７１１１３号明細書

上記のように、赤色帯の面発光レーザを実用化するためには、単一横モード化と、熱放散性の改善という２つの課題を同時に解決する必要がある。そこで、本発明者らは、バンド間吸収が少ないＡｌＡｓの厚膜をスペーサ層として導入することにより、単一横モード化と熱放散性の向上を試みた。

しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、横モード制御に必要と考えられる１μｍ以上の厚いＡｌＡｓは結晶成長が難しいことを見出した。すなわち、ＡｌＡｓの単層膜を１μｍ以上結晶成長すると、結晶表面に荒れが生じ、レーザとして用いるウエハとしては許容できないほどその表面荒れ大きくなるという課題を見出した。

そのため、熱放散性向上を目的として１μｍより薄いＡｌＡｓ層を用いる素子は製作可能であっても、長共振器による単一横モード化に必要とされる１μｍ以上のＡｌＡｓ層を作成することは困難であるということに至った。

そこで、本発明では、長共振器構造を有しつつも、熱放散性が良好であり、従来の面発光レーザと比較して、高出力かつ単一横モード発振しうる面発光レーザ、面発光レーザアレイ、該レーザまたはアレイを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

なお、上述のＡｌＡｓのみで単層が積層できないという課題は一例であり、本発明は、熱伝導性は良いが厚膜化をすることが困難である材料を使って長共振器構造を実現するということを目的とするものである。

本発明に係る面発光レーザは、波長λで発振する面発光レーザであって、上部反射鏡と、下部反射鏡と、前記上部反射鏡と前記下部反射鏡との間に形成された活性層と、前記上部反射鏡と前記活性層との間、または、前記下部反射鏡と前記活性層との間に形成されたスペーサ層とを有し、前記スペーサ層は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓを有する第１の半導体層（１≧ｘ＞０）と、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ＞０、かつ、ｘ＞ｙ）を有する第２の半導体層とが積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、長共振器構造を有しつつも、熱放散性が良好であるため、従来の面発光レーザと比較して、高出力かつ単一横モード発振しうる面発光レーザ、面発光レーザアレイ、該レーザまたはアレイを用いた画像形成装置を提供することができる。

図１は本発明に係る実施形態を示す図であり、素子の断面図を模式的に表したものである。

基板１１０の上には下部反射鏡１２０として、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された多層膜反射鏡が形成されている。この下部反射鏡１２０の上にはスペーサ層１３０、下部クラッド層１４０、活性層１５０、上部クラッド層１６０が順次積層されている。そして、この上部クラッド層１６０の上には上部反射鏡１７０として多層膜反射鏡が形成されている。

ここでスペーサ層１３０は、熱伝導性が良い第１の半導体層１３１と、該第１の半導体層１３１よりも熱伝導率が低い第２の半導体層１３２とが交互に積層されることにより構成されている。

ここで、第１の半導体層１３１としては、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）や砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であり、該第１の半導体層１３１は第２の半導体層１３２よりも熱伝導性の良い材料が選択される。すなわち、第１の半導体層１３１はＡｌＧａＡｓ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ）はＡｌ組成が０．９０以上（Ｘ≧０．９０）が好ましい。また、より好ましくは、Ａｌ組成が０．９５以上（Ｘ≧０．９５）である。また、さらに好ましくは、ＡｌＡｓである（Ｘ＝１）。

また、第２の半導体層１３２は第１の半導体層１３１よりも熱伝導率が低いＡｌＧａＡｓ層であり、第１の半導体層１３１と相俟って長共振器構造を達成する。すなわち、この第２の半導体層１３２は、第１の半導体層よりもＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓ層であるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ＞０、かつ、ｘ＞ｙ）により構成される。

この第１の半導体層１３１と第２の半導体層１３２の光学的膜厚は、λ／２の整数倍に設定する（波長λ：発振波長）。λ／２の整数倍の光学的膜厚で積層した場合には、各界面での反射光はお互いに打ち消しあうような位相で反射するため、積層膜全体でみると、多層膜反射鏡のような大きな光の反射は起きない。ここで「λ／２の整数倍」とは、レーザ素子内部の光が反射して影響をおよぼさない範囲の光学的膜厚のことであり、この限りにおいてλ／２の整数倍から多少ずれる膜厚も本発明に包含される。

本発明では、熱伝導性が良い第１の半導体層１３１を光学的に影響を与えない膜厚に設定することにより、良好な熱伝導性という利点を付加しつつも、反射等の光学的な作用を抑制した構成となっている。

また、第１の半導体層１３１が厚く積層できない材料であっても、長共振器構造を形成できるように、本発明に係るスペーサ層には第２の半導体層１３２も光学的に影響を与えない膜厚で積層されている。これにより、素子内部を進行する光の光学的距離が長くなるため、基本モードよりもビームの広がりが大きい高次モードの回折損が大きくなる。この結果、基本モードでの単一横モード発振が達成しやすくなる。

本発明の構成は、熱伝導性の良い材料のみで長共振器構造を形成できない場合に有効である。

また、面発光レーザでは水平方向の熱放散性も素子特性に影響を与えるため、交互に積層したスペーサ層は水平方向の熱放散性を改善することが可能である。

第１の半導体層１３１は直接熱を発生する活性層１５０の近くに配置することが熱放散性を確保する点から好ましい。例えば、図１に示すように、スペーサ層１３０の最上部に位置する第１の半導体層１３３は、上部に位置している第２の半導体層１３４よりも、活性層１５０に近い構成とする方が好ましい。

また、スペーサ層の最上部に位置する第１の半導体層１３３は、他の第１の半導体層１３１と比べて厚い膜厚で構成することも可能である。例えば、スペーサ層の最上部に位置する第１の半導体層１３３を５λの光学的膜厚で構成し、他の第１の半導体層１３１をλ／２の光学的膜厚で構成することができる。

第２の半導体層１３２を構成するＡｌＧａＡｓ層中のＡｌ組成（上記ｙに相当）は光吸収および結晶成長時の平坦性の２点から決定することが好ましい。

半導体において、特定の波長以下の光はバンド間吸収によって大きな光吸収をうける。光吸収が始まる波長は、半導体のバンドバンドギャップの大きさで決まっており、バンドギャップはＡｌ組成の増加とともに大きくなる。面発光レーザでは発振波長においてこのような吸収を抑制した材料を用いる必要がある。そのため、第２の半導体層１３２に用いる材料についても、ＡｌＧａＡｓ層中のＡｌ組成は発振波長においてバンド間吸収のない程度に高める必要がある。

例えば、８５０ｎｍ帯ではバンド間吸収が起きないようにＡｌ組成は０．１６以上（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ≧０．１６））とすることが好ましい。また、６８０ｎｍ帯では０．５０以上（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ≧０．５０））とすることが好ましい。このように、光吸収の点からは上記以上のＡｌ組成であることが好ましい。

一方、Ａｌ組成が高すぎると結晶成長面の平坦性に悪影響を与えるため、結晶成長時の平坦性の面からはＡｌ組成が低いことが望ましい。特に第２の半導体層は第１の半導体層の成長によって生じた表面あれを平坦化する役割も備えるためＡｌ組成が低いことが望まれる。

以上説明したように、ＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成に関しては、光吸収を低減したいとの要求と、品質の良い結晶を得たいとの要求がトレードオフの関係にある。そのため、ＡｌＧａＡｓ層中の最も望ましい条件は光吸収が生じない程度にＡｌ組成を下げた値となる。

例えば、８５０ｎｍ帯ではＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成が０．１６以上０．２６以下（ＡｌｙＧａ_１−ｙＡｓ（０．２６≧ｙ≧０．１６））であることが好ましい。また、６８０ｎｍ帯ではＡｌ組成が０．５０以上０．６０以下（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０．６０≧ｙ≧０．５０））であることが好ましい。

活性層としてＩｎＧａＡｓを用いる９８０ｎｍ帯の波長領域やさらに長波長の波長領域では、スペーサ層としてＧａＡｓを用いることができるため、このＧａＡｓの単一層で長共振器構造を作製することができる。しかし、熱伝導性のことを考慮すると、ＡｌＡｓの方がＧａＡｓよりも熱伝導性が良いため本発明を好適に用いることができる。すなわち、９８０ｎｍ帯においても、上記第１の半導体層としてＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（１≧ｘ＞０）、第２の半導体層としてＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ＞０、かつ、ｘ＞ｙ）を用いることができる。

また、活性層としてＧａＡｓを用いる８５０ｎｍ帯の波長領域、活性層としてＡｌＧａＡｓを用いる７８０ｎｍ帯の波長領域では、光吸収の観点からスペーサ層としてＧａＡｓを用いることが難しく、ＡｌＧａＡｓを用いる必要がある。ＡｌＧａＡｓはＡｌＡｓと比較して熱伝導性が悪く、この単層厚膜を用いた素子は熱放散性が悪い。そのため、この８５０ｎｍ帯や７８０ｎｍ帯でも、長共振器構造のレーザを作製する場合には、本発明を好適に用いることができる。

すなわち、８５０ｎｍ帯や７８０ｎｍ帯においても、上記第１の半導体層としてＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ１≧ｘ＞０）、第２の半導体層としてＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ＞０、かつ、ｘ＞ｙ）を用いることができる。

また、活性層としてＧａＩｎＰを用いる赤色帯（６３０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下）の波長領域においては、格子整合や光吸収の点からＧａＡｓやＩｎＰを使用することが難しい。また、この帯域では厚膜化がある程度可能であり、熱伝導率もさほど悪くないＡｌ組成が２０％程度のＡｌＧａＡｓを使用することも難しい。非特許文献１のような単層の厚膜で長共振器構造を構成する場合、光吸収と結晶成長時の平坦性という２点を考慮してＡｌ組成５０％付近のＡｌＧａＡｓを用いる必要がある。しかし、Ａｌ組成５０％付近はＡｌＧａＡｓで最も熱伝導率が悪く、その厚い単層膜を用いた長共振器構造の素子は熱放散性が悪化する。

したがって、この６８０ｎｍ帯では、上記の波長帯域よりも本発明をより好適に用いることができる。

なお、本発明者らの検討によると、現在の成膜技術では、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（１＞Ｘ≧０．９０）およびＡｌＡｓは高い結晶品質、平坦性を維持しつつ１μｍより厚く成膜することは難しい。そのため、第１の半導体層１３１として、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（１＞Ｘ≧０．９０）またはＡｌＡｓを用いる場合には１μｍ以下の厚さで積層することが好ましい。

また、本発明者の検討によると、狭窄径にも依存するが、単一横モード発振に寄与する長共振器構造を実現するためには、共振器長の長さが２μｍ以上とすることが好ましい。そのため、この共振器長の長さを考慮して、スペーサ層の厚さを設定することが好ましい。なお、共振器長とは、共振器の構成要素である上部反射鏡の最上面と下部反射鏡の最下面との間で規定される物理的距離のことをいう。

図１では、スペーサ層１３０は、活性層１５０と下部反射鏡１２０との間に設けられているが、該スペーサ層１３０は、活性層１５０と上部反射鏡１４０との間に設けてもよい。また、スペーサ層１３０は、活性層１５０と下部反射鏡１２０との間、および活性層１５０と上部反射鏡１４０との間の両方に設けてもよい。

反射鏡がｐ型とｎ型のＤＢＲである場合、ドーピングによってｐ型のＤＢＲはｎ型のＤＢＲに比べて光の吸収が多くなる。そのため、スペーサ層１３０は、光の吸収が少ないｎ型のＤＢＲが設けられている側に配置するのが好ましい。すなわち、下部反射鏡１２０がｎ型ＤＢＲである場合には、図１のように、活性層１５０と下部反射鏡１２０との間に設ける方が好ましい。

また、このような面発光レーザを１次元または２次元に集積して、アレイ状に配列した構成にしてもよい。

また、上記面発光レーザ、および上記面発光レーザアレイを光源として用いて画像形成装置を構成してもよい。

（実施例１）
図３に実施例１に係る赤色面発光レーザの断面模式図を示す。

図３において、ｎ型ＧａＡｓ基板３１０の上には、下側ＤＢＲ３２０が形成されている。この下側ＤＢＲ３２０は、ｎ型ＡｌＡｓ層３２１とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層３２２がλ／４の光学的膜厚で交互に積層されている。なお、便宜上、下側ＤＢＲは、３ペア分しか図示していないが、実際には所望のペア数（例えば６０ペア程度）を積層する。

そして、下側ＤＢＲ３２０の上にはスペーサ層３３０が形成されている。スペーサ層３３０は、第１の半導体層としてのＡｌＡｓ層３３１と、第２の半導体層としてのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層３３２とがλ／２の光学的膜厚で交互に積層されることにより構成されている。なお、上記したように厳密にはλ／２の整数倍の光学的膜厚である必要はなく、光反射抑制の効果が達成できれば、λ／２の整数倍の光学的膜厚でなくてもよい。

スペーサ層３３０の上には、ＡｌＧａＩｎＰ層３４０と、４つの量子井戸（Ｇａ_０．４５Ｉｎ_０．５５Ｐ）を含み構成される活性層３５０と、ＡｌＧａＩｎＰ層３６０が形成されている。ここで、ＡｌＧａＩｎＰ層３４０、活性層３５０、ＡｌＩｎＰ層３６０を合計した光学的膜厚は１波長である。

このＡｌＩｎＰ層３６０の上には、ｐ型の上側ＤＢＲ３７０が形成されている。この上側ＤＢＲ３７０は、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層３７１と、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層３７２とがλ／４の光学的膜厚で交互積層されることにより構成されている。なお、図では３ペア分しか図示していないが、実際には所望のペア数（例えば３６ペア程度）を積層する。

活性層３５０からみて第１層目のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層３７１には、厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（選択酸化層）が設けられている。この選択酸化層はポスト形成後の水蒸気酸化により、酸化領域３７３と非酸化領域３７４とが形成され、これにより電流狭窄構造が設けられる。本実施例では、この狭窄構造（非酸化領域）３７４は、５μｍとする。

また、上側ＤＢＲ３７０の上には、１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓ層３８０と上部電極３９５が形成されている。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板には下部電極３９０が電気的接触を確保するように形成されている。

本実施例において、スペーサ層３３０の厚さは５μｍとしている。この膜厚は、所望の発光径により異なるが、例えば酸化狭窄径を５μｍとした場合に、単一横モード化を達成するためには、スペーサ層３３０は少なくとも３μｍ以上の厚さが必要となる。

本実施例におけるスペーサ層３３０は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層３３２とＡｌＡｓ層３３１とがλ／２の光学的膜厚で交互に積層されている。

ＡｌＡｓのみを結晶成長させようとすると、表面のラフネスが大きくなりやすい。そこで、膜厚を適切な厚さに抑えておき、その後にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓを成長することにより、ＡｌＡｓ成長時に生じた表面のラフネスを緩和することができる。これは、Ｇａ原子はＡｌ原子と比較して、マイグレーションできる範囲が十分大きいことから、より平坦な表面が得られるためである。この結果、本実施例に係るスペーサ層３３０では厚膜化されたＡｌＡｓ層による表面荒れの問題は緩和でき、熱放散性の良い半導体層を含んだ数μｍの長いスペーサを形成することができる。

上述のように、９８０ｎｍ帯や１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の面発光レーザでは、ＡｌＡｓと比較すると熱伝導率は低いが、１μｍを超える厚膜で結晶成長が容易なＧａＡｓやＩｎＰを用いることができる。そのため、ＧａＡｓやＩｎＰを用いて長共振器構造を比較的容易に製作可能である。

しかしながら、赤色帯では、ＧａＡｓやＩｎＰを使用することは難しく、また、熱伝導率や光吸収の観点から望ましいとされるＡｌＡｓを用いた長共振器構造を現在の結晶成長技術で製作することは難しい。

そのため、本発明に係る面発光レーザは、赤色帯のレーザで顕著に効果が生じる構成であるといえる。

（作製方法）
以下、上記面発光レーザの作製手順について説明する。

図３の構成において、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板３１０、下側ＤＢＲ３２０、スペーサ層３３０、ＡｌＧａＩｎＰ層３４０、活性層３５０、ＡｌＩｎＰ層３６０、上側ＤＢＲ３７０、ｐ型ＧａＡｓ層３８０を有機金属気相成長法や分子線エピタキシーで成長する。

次に、上記の各層が積層されたウエハを半導体リソグラフィー法および一般的な半導体エッチング技術によりＡｌＧａＩｎＰ層３４０の上部までドライエッチングにより除去し、直径が３０μｍ程度の柱状のポストを形成する。なお、ＡｌＡｓ層３３１は酸化されやすいため、本実施例ではＡｌＧａＩｎＰ層３４０上部までドライエッチングを行っている。

次に、４５０℃程度の水蒸気雰囲気中で選択酸化層を横方向から酸化させる。酸化時間を制御することにより、電流及び光を閉じ込める酸化領域３７３と非酸化領域（狭窄構造）３７４を作成する。狭窄構造３７４の直径は５μｍ程度となるように酸化時間を制御することがモード制御の点から好ましい。

次に、真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いてｐ側の上部電極３９５およびｎ側の下部電極３９０を蒸着する。上部電極３９５は光を取り出すために円形窓が形成されている。

最後に、良好な電気特性を得るため、高温窒素雰囲気中で電極と半導体を合金化しレーザ素子が完成する。

次に、図４を用いて、層厚の比と熱抵抗との関係について説明する。

図４は、横軸に、ＡｌＡｓ層（第１の半導体層）とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層（第２の半導体層）との層厚の比をとり、縦軸に、デバイスの熱抵抗の値をとったものである。横軸で０とは、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層のみでスペーサ層３３０が形成されていることを意味する。この図により、ＡｌＡｓ層が占める割合が増加することに伴い熱放散性が向上することが分かる。

一方、層厚の比が１を超えると熱抵抗改善の効果が小さくなることも分かる。そこで、本実施例では、ＡｌＡｓは連続して結晶成長させるのが難しいことを考慮して、長共振器構造を確保しつつ、結晶表面の平坦性も確保するために、層厚の比を１としている。すなわち、第１の半導体層と第２の半導体層の光学的膜厚は等しくすることが好ましい。

層厚を１とした場合は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓのみを用いて長共振器用のスペーサとした場合と比較して、素子の熱抵抗の値は７０％程度となり、大きく減少する。これは温度の上昇とともに効率が低下する赤色面発光レーザにおいては発光効率の向上と熱による出力飽和電流値の上昇につながり、素子特性が改善されることを意味している。

なお、上述のように、スペーサ層３３０を構成する各層の光学的膜厚はλ／２の整数倍であればよく、層厚の比や厚さはλ／２の光学的膜厚でなくとも良い。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長する場合には、炭素が結晶成長中に混入してしまうことがあり、ｎ型ＡｌＡｓの自由電子密度を制御することが難しい場合がある。そこで、放熱性が重要視される活性層に近い層については、ＡｌＡｓ層の層厚比を大きくし、ｎ型ＤＢＲに近い層については、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層の層厚比を大きくすることができる。これにより、ＡｌＡｓ中での自由電子の吸収の素子特性への影響を抑えつつ素子の熱抵抗の上昇も小さくできる。

例えば、第１の半導体層が第２の半導体層よりも活性層に近い場所に配されている場合において、第１の半導体層の光学的膜厚をλとし、第２の半導体層の光学的膜厚をλ／２とすることができる。すなわち、このような配置の場合、第１の半導体層の光学的膜厚を第２の半導体層の光学的膜厚よりも厚くすることが好適である。

また、上記ポスト製作工程では、ＡｌＧａＩｎＰ層３４０の上部までドライエッチングにより除去したが、ポスト形成のエッチングをＡｌＧａＩｎＰ層３６０と上側ＤＢＲ３７０との界面で止める構成としても良い。

また、下側ＤＢＲ３２０、スペーサ層３３０、上側ＤＢＲ３７０を構成する各層の界面には電気抵抗を下げるため、ＡｌやＧａの組成を連続的に変化させた組成傾斜層（グレーデッド層）を用いても良い。

スペーサ層３３０を構成する第１の半導体層と第２の半導体層にグレーデッド層を入れる場合、第１の半導体層と第２の半導体層の光学的膜厚は以下のように定義する。すなわち、一方のグレーデッド層の中央部から、他方のグレーデッド層の中央部までの光学的膜厚を第１の半導体層または第２の半導体層の光学的膜厚とする。この場合、第１の半導体層または第２の半導体層は、単一の組成を有する層ではなく、複数の組成を有する層となる。

また、スペーサ層３３０を構成するＡｌＡｓ層３３１の代わりにＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ≧０．９５）を第１の半導体層として用いても良い。

また、本実施例では，活性層３５０と下側ＤＢＲ３２０との間にスペーサ層３３０が位置しているが、活性層３５０を形成した後にスペーサ層３２０を形成し、その上に上側ＤＢＲ３７０を形成しても良い。基板３１０及び下側ＤＢＲ３２０の伝導型をｐ型とし、活性層３５０より上部をｎ型とした場合には、スペーサ３３０はｐ型と比較し光吸収の少ないｎ型に配置するのが良い。

また、絶縁体はスペーサ層３３０の上に適宜設けることができ、その絶縁体の上には、上部電極３９５と電気的接触を取るための配線を設けても良い。

また、高ドープｐ型ＧａＡｓ層３８０の上部には、これを保護するための絶縁膜を設けても良い。

また、光吸収を抑えるために高ドープｐ型ＧａＡｓ層３８０を素子作成後に除去し、その後上側ＤＢＲ３７０の保護のための絶縁膜を設けても良い。

（実施例２）
図５に実施例２に係る面発光レーザの断面模式図を示す。なお、実施例１と同じ部材については同じ符号を付している。

実施例２における面発光レーザは実施例１と同様にスペーサ層５３０を有しているが、このスペーサ層５３０を構成する各層の層厚が異なる点において相違する。

具体的には、本実施例では、ＡｌＧａＩｎＰ層３４０の直下に厚さ５４０ｎｍのＡｌＡｓ層５３３を設け、その下に厚さ２９０ｎｍのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層５３４が位置している点において実施例１と相違する。つまり、ＡｌＡｓ層５３３は（５λ）／２の光学的膜厚であり、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層５３４は（３λ）／２の光学的膜厚に設定されている。このように、ＡｌＡｓ層をλ／２の光学的膜厚よりも厚く設定することにより、活性層からの熱を効率的に放散することができる。

なお、第２の半導体層としてのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層５３４を、第１の半導体層としてのＡｌＡｓ層５３３よりも上層に配置し、平坦化の層として用いてもよい。これにより、さらに上部に位置する活性層３５０等の結晶成長を容易に進めることができる。

なお、本実施例のスペーサ層５３０を構成するＡｌＡｓ層５３１と、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層５３２はλ／２の光学的膜厚で積層されているが、λ／２の整数倍の光学的膜厚であってもよい。

（実施例３）
図６に実施例３に係る面発光レーザの断面模式図を示す。なお、実施例１と同じ部材については同じ符号を付している。

本実施例はＡｌＧａＩｎＰ層３４０の直下に設けられているスペーサ層６３０の最上層にＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層６０１を用いている点が異なる。すなわち、上記実施例では第１の半導体層としてＡｌＡｓを用いていたが、本実施例ではＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを用いている。

このような構成を採用しているのは、ドライエッチングによってメサ構造を形成した際に、スペーサ層の最上層にＡｌＡｓ層が露出してしまうと、該ＡｌＡｓ層が電流狭窄構造等のプロセスにおいて酸化される可能性が高くなるからである。この構成によれば、歩留まりを向上させる素子を提供することができる。

なお、ここでは、一例としてＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを挙げたが、上記のような層としては、好ましくはＡｌ組成が０．９５以下のＡｌＧａＡｓ、より好ましくはＡｌ組成が０．９０以下のＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。

（実施例４）
図７に実施例４に係る面発光レーザの断面模式図を示す。なお、実施例１と同じ部材については同じ符号を付している。

本実施例では、ＡｌＧａＩｎＰ層３４０の直下にλ／４の光学膜厚を有する半導体層７５０を備えられている。また、ｎ型にドープされている下側ＤＢＲ７２０の最上層がＡｌＡｓ層７２１ではなく、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層７２２で構成されている。さらに、スペーサ層７３０の最上層はＡｌＡｓ層７３１である。ここで、半導体層７５０をスペーサ層７３０の上に設けたのは、共振器内の定常波の腹が半導体界面に配置されることによる影響を排除するためである。すなわち、半導体層７５０を入れることにより、界面に高濃度のドーパントを導入する場合や組成傾斜層を入れる必要がある場合においては光の吸収を避けることができる。

ここで、半導体層７５０とは、共振器内に生じる定常波の位置を調整する層であり、λ／４の光学的膜厚のＡｌＧａＡｓで構成される。このうち、平坦性を確保するという観点からはＡｌ組成が０．５０であるＡｌＧａＡｓ（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ）が好ましい。

（実施例５）
図８に実施例５に係る面発光レーザアレイの模式的平面図を示す。本実施例は上記実施例で説明した面発光レーザが基板上に縦３個、横４個で並んでいるアレイの１チップである。
８１０はポストであり、８２０はリング電極であり、８３０はレーザ発光領域であり、８４０は基板である。

なお、本実施例では、各面発光レーザは等間隔で並んでいるが、各々の素子の間隔は統一していなくても良い。また、ポストの側面保護のため、パッシベーション膜としてＳｉＯ２等の物質を配置しても良い。さらに、各面発光レーザは正方格子状に並んでいるが，その他の配置をとっても良い。

また、基板８４０の上であって、ポストが形成されていない部分には、電気的絶縁と半導体層保護のための絶縁体と、上部電極８２０と電気的接触のある配線、該配線と電気的接触を保っている外部と配線するためのパッドを設けても良い。

（実施例６）
図９に実施例６に係る電子写真記録方式の画像形成装置の構造図を示す。この画像形成装置には上記実施例で説明した面発光レーザまたは面発光レーザアレイを実装することができる。

画像形成装置は、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像を現像するための現像手段とを有する。

図９（ａ）は画像形成装置の上面図であり、図９（ｂ）は同装置の側面図である。図９において、９００は感光体、９０２は帯電器、９０４は現像器、９０６は転写帯電器、９０８は定着器、９１０は回転多面鏡、９１２はモータである。９１４は面発光レーザアレイ、９１６は反射鏡、９２０はコリメータレンズ及び９２２はｆ−θレンズである。

モータ９１２は回転多面鏡９１０を回転駆動するものである。本実施例における回転多面鏡９１０は、６つの反射面を備えている。面発光レーザアレイ９１４は、レーザドライバ（図示せず）により画像信号に応じて点灯または消灯し、こうして変調されたレーザ光は、面発光レーザアレイ９１４からコリメータレンズ９２０を介し回転多面鏡９１０に向けて照射される。

回転多面鏡９１０は矢印方向に回転しており、面発光レーザアレイ９１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡９１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。この反射光は、ｆ−θレンズ９２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡９１６を経て感光体９００に照射され、感光体９００上で主走査方向に走査される。このとき、回転多面鏡９１０の１面を介したビーム光の反射により、感光体９００の主走査方向に面発光レーザアレイ９１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。

感光体９００は、予め帯電器９０２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光体９００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器９０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器９０６により、転写紙（図示せず）に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器９０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。

以上説明したように、本発明による面発光レーザまたは面発光レーザアレイを電子写真記録方式の画像形成装置に用いることにより、高速・高精細印刷を可能とする画像形成装置を得ることが可能となる。

本発明に係る実施形態を説明するために用いた素子構成の断面模式図 従来例の素子構成を説明するために用いた断面模式図 実施例１に係る面発光レーザを説明するために用いた断面模式図 スペーサ層の構成と熱抵抗について説明するために用いたグラフ 実施例２に係る面発光レーザを説明するために用いた断面模式図 実施例３に係る面発光レーザを説明するために用いた断面模式図 実施例４に係る面発光レーザを説明するために用いた断面模式図 実施例５に係る面発光レーザアレイを説明するために用いた平面図 実施例６に係る面発光レーザまたは面発光レーザアレイを露光用光源とした画像形成装置を説明するために用いた模式図

符号の説明

１１０ 基板
１２０ 下部反射鏡
１３０ スペーサ層
１３１ 第１の半導体層
１３２ 第２の半導体層
１３３ スペーサ層の最上部に位置する第１の半導体層
１３４ 上部に位置する第２の半導体層
１４０ 下部クラッド層
１５０ 活性層
１６０ 上部クラッド層
１７０ 上部反射鏡

Claims (14)

1. 波長λで発振する面発光レーザであって、
   上部反射鏡と、
   下部反射鏡と、
   前記上部反射鏡と前記下部反射鏡との間に形成された活性層と、
   前記上部反射鏡と前記活性層との間、または、前記下部反射鏡と前記活性層との間に形成された１μｍ以上のスペーサ層とを有し、
   前記スペーサ層は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓを有する第１の半導体層（１≧ｘ≧０．９０）と、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ＞０、かつ、ｘ＞ｙ）を有する第２の半導体層とが２ペア以上積層されており、
   前記第１の半導体層の熱伝導率が前記第２の半導体層の熱伝導率よりも高く、
   前記第１の半導体層と前記第２の半導体層がλ／２の整数倍の光学的膜厚で構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記第１の半導体層がＡｌＡｓを有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の光学的膜厚が等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
4. 前記第１の半導体層が前記第２の半導体層よりも前記活性層に近い場所に配されており、該第１の半導体層の光学的膜厚は、該第２の半導体層の光学的膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
5. 前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に、組成傾斜層が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
6. 前記活性層はＧａＩｎＰで構成され、前記波長λは６３０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
7. 前記第２の半導体層がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（１＞ｙ≧０．５０）を有することを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ。
8. 前記第２の半導体層がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０．６０≧ｙ≧０．５０）を有することを特徴とする請求項６または７に記載の面発光レーザ。
9. 前記スペーサ層を構成する層の最上層は、Ａｌ組成が０．９５以下のＡｌＧａＡｓ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面発光レーザ。
10. 前記上部反射鏡と前記下部反射鏡により規定される共振器長において、該共振器長が、２μｍ以上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面発光レーザ。
11. 前記第１の半導体層の厚さは１μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ。
12. 前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、多層膜反射鏡により構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
13. 請求項１から１２のいずれか一つに記載の面発光レーザを基板上に１次元または２次元に集積したことを特徴とする面発光レーザアレイ。
14. 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像を現像するための現像手段とを有する画像形成装置において、
    前記光ビーム照射手段の光源として、請求項１から１２のいずれか一つに記載の面発光レーザまたは請求項１３に記載の面発光レーザアレイを用いることを特徴とする画像形成装置。

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