JP5183111B2 - 垂直共振器型面発光レーザアレイ、及び垂直共振器型面発光レーザアレイを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Description
一般的な面発光レーザの反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡が用いられる。
すなわち、この面発光レーザは低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有している。
このため、光通信、光記録、また電子写真用の光源として応用が期待されている。
例えば、電子写真用の光源への応用を考えると、面発光レーザを二次元面に並べたアレイ構造をとることにより、高速印刷かつ高精細な画質を得ることが可能となる。
特に、面発光レーザの素子間のピッチを狭くすることにより、素子を高密度に多数並べ、高速、高精細を達成することが可能となる。
しかしながら、面発光レーザの素子間のピッチを狭くした場合には、二次元に並べられた面発光レーザを個別に駆動するための駆動用配線を敷設する領域が不足し、駆動用配線を敷設することが困難になるという課題が生じる。
すなわち、この特許文献1の面発光レーザ素子では、少なくとも第1の反射鏡の一部を含み且つ活性層を含まない第1メサ構造と、少なくとも活性層を含み前記第1メサ構造よりも大きな外形を有する第2メサ構造とを有している。
そして、前記第1の反射鏡上に電気的に接続される電極を有する構造とされている。
具体的には、図8に示すように、上記した第1メサ構造と第2メサ構造を形成することにより複数の素子が分離され、電極が形成された第1メサ上を除く領域には絶縁膜が形成されている。
そして、絶縁膜上に形成した配線と第1メサ上に形成した電極を接続することで個別駆動ができるように構成されている。
特許文献1では、以上のように第1メサ構造と第2メサ構造とによる径の異なる二段のメサ構造とすることにより、配線を敷設する領域の確保がなされている。
図9に、特許文献2の面発光デバイスの構成を説明する図を示す。
図9において、915は発光領域(ビクセル)であり、活性層の外径を示すものである。また、916は発光層であり、活性層部そのものを示すものである。
この面発光デバイスは、半導体基板901上に、上記した活性層部916を複数備えた面発光レーザアレーが、配線を敷設可能とした別基板912に貼り付けて構成されている。
すなわち、配線を敷設可能とした別基板912は出射口が設けられた側と反対側である素子の裏面側に配設されている。
そして、出射口側である半導体基板901においては、出射口が塞がれるため、吸収体である半導体基板901を選択的に除去して、アレー領域の外枠が額縁状に残されている。
上記特許文献1のものでは、上記した二段メサ構造を形成することが必要なことから複雑な作製プロセスを要し、また、特性の均一な面発光レーザを得る上での困難性を有している。
また、上記特許文献2のものにおいては、配線を敷設可能とした別基板は出射口が設けられた側とは反対側にあり、出射口側は出射口が塞がれるため、吸収体である半導体基板を選択的に除去することが必要となる。
そのため、作製プロセスが煩雑となるだけでなく、選択的に除去されて極めて薄い形状とされた半導体基板側にかかる応力をハンドリングしながら、配線を敷設可能とした別基板に貼り付ける作業が必要となる。
自由度を有し、簡単に敷設することが可能となる垂直共振器型面発光レーザアレイ、及び垂直共振器型面発光レーザアレイを用いた画像形成装置の提供を目的とする。
共振器を構成する反射ミラー間に活性層を備えた垂直共振器型の複数の面発光レーザ素子が、2次元的に配列されている第1の基板と、
前記複数の面発光レーザ素子から出射する光の透過を可能とした該複数の面発光レーザ素子に対応する複数の光取り出し用貫通孔を備え、前記第1の基板のレーザ光の出射側に配置されている第2の基板と、を有し、
前記第2の基板は、該第2の基板を貫通する電極形成用貫通孔と、前記複数の面発光レーザ素子と電気的コンタクトをとるために前記第2の基板の表面に設けられた金属からなる複数の配線とを有し、
前記電極形成用貫通孔には、
前記第2の基板の裏面側に設けられた前記複数の面発光レーザ素子と前記複数の配線との電気的コンタクトをとり、前記複数の面発光レーザ素子を個別駆動するための貫通電極が設けられており、
前記複数の光取り出し用貫通孔の径が、前記複数の面発光レーザ素子の径よりも小さいことにより、前記第1の基板における複数の面発光レーザ素子のメサ間隔よりも、前記第2の基板における複数の光取り出し用貫通孔の間隔が大きくなっていることによって、
前記第2の基板の表面に前記複数の配線を形成するために使用できる領域を広く取ることが可能に構成され、
前記複数の光取り出し用貫通孔の、ある2つの光取り出し用貫通孔の間の領域に、前記複数の配線のうち、前記2つの光取り出し用貫通孔とは異なる光取り出し貫通孔に対応する面発光レーザ素子と電気的コンタクトをとるための配線が敷設され、
前記第1の基板と、前記第1の基板のレーザ光の出射側に配置されている該第2の基板とが接合されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザアレイは、前記電極形成用貫通孔と前記光取り出し用貫通孔は同じ孔であることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザアレイは、前記電極形成用貫通孔と前記光取り出し用貫通孔は異なる孔であることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザアレイは、前記第1の基板と前記第2の基板とが、金属部材を介して接合されていることを特徴とする。
また、本発明の垂直共振器型面発光レーザアレイは、前記面発光レーザ素子のメサ間隔が、15μm以下とされていることを特徴とする。
また、本発明の画像形成装置は、上記したいずれかに記載の垂直共振器型面発光レーザアレイを光源として備えていることを特徴とする。
自由度を有し、簡単に敷設することが可能となる垂直共振器型面発光レーザアレイ、及び垂直共振器型面発光レーザアレイを用いた画像形成装置を実現することができる。
本実施形態における高密度に配置された垂直共振器型面発光レーザアレイは、各素子(面発光レーザ)を個別駆動するための駆動用配線の敷設自由度を増すために、つぎのような構成が採られる。
すなわち、第1の基板である面発光レーザアレイ基板と、第2の基板である個別駆動用配線を敷設した配線基板との、二つの基板を貼り合せるに当たり、前記第2の基板が、第1の基板のレーザ光の出射側で該第1の基板と接合された構成が採られる。
その際、前記第2の基板の表面に配線を引き、この配線は例えば前記第2の基板を貫通する電極形成用貫通孔を通じて、前記第2の基板の裏面に形成した金属パッドと電気接続可能に構成される。
そして、前記第1の基板に形成した面発光レーザアレイの各素子のトップ電極(面発光レーザの出射口側)と、前記第2の基板裏面に形成した電極パッドとが、電気的に接合するように接合している。
また、前記第2の基板には、上記電極形成用貫通孔とは別に、光取り出し用貫通孔が形成される。但し、第2の基板に透明基板を用いた場合には、この光取り出し用貫通孔は必要ではない。
なお、光取り出し用貫通孔を形成した場合において、これを電極形成用貫通孔として用いることができ、その場合には、光取り出し用貫通孔とは別の電極形成用貫通孔を形成する必要はない。
そして、上記光取り出し用貫通孔を形成した際、その径を、面発光レーザアレイの各素子の径よりも小さく形成し、これにより上記各素子の素子間隔よりも光取り出し用貫通孔の間隔が大きくなるようにして、これを配線施設領域として用いるように構成する。
このように構成することで、素子間隔よりも間隔の大きい間隔領域を配線施設領域としても用いることができ、面発光レーザを個別駆動するための駆動用配線の敷設自由度を増すことが可能なる。
その結果、面発光レーザ個別駆動用配線の敷設自由度を向上させることが可能となる。
また、本実施形態の上記構成を有する垂直共振器型面発光レーザアレイを備えた画像形成装置を構成することにより、高速・高精細印刷を実現できる画像形成装置を得ることが可能となる。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザアレイの一形態について説明する。
図1に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザアレイを示す。
図1において、100は面発光レーザアレイ基板(第1の基板)、102は面発光レーザ素子、104は共通電極、200は配線基板(第2の基板)、202は貫通孔、204は個別駆動用配線、206は接合用金属材料である。
また、aは素子間隔、bは光取り出し用貫通孔の間隔である。
本実施例の垂直共振器型面発光レーザアレイにおいては、面発光レーザアレイ基板(第1の基板)100と、配線基板(第2の基板)200との、二つの基板が貼り合わされて構成されている。
その際、光取り出し用貫通孔の径を、面発光レーザ素子の径よりも小さく形成することにより、素子間隔aよりも光取り出し用貫通孔の間隔bが大きくなるようにし、これを配線施設領域幅とすることが可能となる。
このように、素子間隔aよりも間隔の大きい領域を配線施設領域とすることで、面発光レーザを個別駆動するための駆動用配線の敷設自由度を増すことが可能とされている。
図2、図3及び図4にて本実施例の上記面発光レーザアレイの製造方法について説明する模式図を示す。
なお、図2、図3及び図4においては、基板の一部のみを示している。
図2においては、面発光レーザアレイ基板の製造方法について説明する模式図を示す。
図3においては、配線基板の製造方法について説明する模式図を示す。
図4においては、面発光レーザアレイ基板と配線基板を張り合わせた本発明による垂直共振器型面発光レーザアレイの一形態を説明する。
まず、図2を用いて、共振器を構成する反射ミラー間に活性層を備えた垂直共振器型面発光レーザ素子が、複数個設けられている第1の基板を形成する工程について説明する。
図2(a)に示すように、n型GaAs基板300上に、MOCVD装置によりバッファー層を介して、以下のように各半導体エピ層302を成長させる。
n型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As−DBRミラー層上に、n型AlGaInPスペーサー層、GaInP/AlGaInP−MQW活性層304を成長させる。
そして、この活性層304上に、p型AlGaInPスペーサー層、p型Al0.98Ga0.02As層、p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As−DBRミラー層、p型GaAsコンタクト層を順次成長させる。
その後、水蒸気雰囲気下でp型Al0.98Ga0.02As層を選択的に酸化し、電流狭窄構造308を形成する。
次に、図2(d)に示すように、リソグラフィー技術及び金属蒸着技術を用いてp側電極(Ti/Au)312及び接合用金属(Ti/Au)314を形成する。
また、金属蒸着技術を用いて、n型GaAs基板300にn側電極(AuGe/Ni/Au)316を形成する。
図3において、400は基板、402は光取り出し用貫通孔、404は電極形成用貫通孔、406は表面配線金属、408は裏面配線金属、410は接合用の金属部材及び412は貫通電極である。
まず、図3(a)に示すように、リソグラフィー及びドライエッチング技術を用いてSi基板400に光取り出し用貫通孔402及び電極形成用貫通孔404を形成する。
次に、図3(b)に示すように、リソグラフィー技術及び金属蒸着技術を用いてSi基板400表面に配線金属(Ti/Au)406を形成する。
次に、図3(c)に示すように、リソグラフィー技術及び金属蒸着技術を用いてSi基板400裏面に配線金属(Ti/Au)408及び接合用の金属部材410(Ti/Au)を形成する。
次に、図3(d)に示すように、メッキ技術を用いて貫通電極412を形成する。
図4に示すように、図2及び図3にて説明した製造方法で作製した面発光レーザアレイ基板500と配線基板502を金属同士による直接接合(Au−Au接合)技術を用いて貼り合せる。
以上説明した工程により、面発光レーザアレイの個々の面発光レーザを個別に駆動するための配線を、面発光レーザアレイを形成した基板とは別の基板に形成した垂直共振器型面発光レーザアレイを得ることが可能となる。
本実施例では、メサ径a:30μm、メサピッチb:40μm、メサ間隔c:10μm、光取り出し用貫通孔径d:18μm、配線スペースe:22μmを備えた、8×4の垂直共振器型面発光レーザアレイを形成している。
本実施例では、面発光レーザの出射口を6μmとして形成している。
また、本実施例では絶縁膜310は発振波長λの1/2の厚さとしている。
また、本実施例では配線基板のSi基板厚を50μmとしている。
このように、本実施例においては、面発光レーザ素子から出射する複数の光取り出し用貫通孔を設けるに際し、この複数の光取り出し用貫通孔を、複数の面発光レーザ素子が設けられている間隔よりも大きい間隔で形成するプロセスを含む構成が採られる。
すなわち、面発光レーザアレイ基板と面発光レーザ個別駆動用配線を形成した配線基板をそれぞれ作製し、両基板を貼り合せる構成を採るに際して、光取り出し用貫通孔の径を、面発光レーザアレイの各素子の径よりも小さく形成する。
これにより上記各素子の素子間隔よりも光取り出し用貫通孔の間隔が大きくなるようにすることにより、個別駆動用配線を敷設するための領域を広く取ることが可能となる。
その結果、面発光レーザ基板上に面発光レーザ個別駆動用配線を敷設する従来例の場合と比較して、配線引き回し(パターン)の自由度を増加させることが、つぎのように可能となる。
従来例のように、面発光レーザアレイ基板上に敷設した場合には、
面発光レーザ素子間隔が10μmであるとすると、その素子間隔が配線敷設領域幅(10μm)となる。
これに対して、本実施例のように配線基板と貼り合せる構成を採るの場合には、光取り出し用貫通孔の間隔が22μmであるとすると、その光取り出し用貫通孔の間隔が配線敷設領域幅(22μm)となる。
これにより、配線引き回し(パターン)の自由度を増加させることができる。
また、本実施例では、配線基板としてSi基板を加工して形成したがこれに限定されるものではなく、樹脂材料や金属材料、またSi以外の半導体材料であっても良い。
特に、配線基板に熱抵抗の小さい材料を用いることにより、面発光レーザの活性層で発生した熱を効果的に放熱することが可能となる。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング、アッシング及び蒸着に用いた手法(装置)は記述手法(装置)に限るものではなく、同様の効果が得られるのであればいかなる手法(装置)であっても良い。
実施例2においては、配線基板の表裏面における配線を電気接続する貫通電極が、光取り出し用貫通孔に形成するようにした垂直共振器型面発光レーザアレイの一形態について説明する。
図5に、本実施例の垂直共振器型面発光レーザアレイを示す。
図5において、600は面発光レーザアレイ基板、602は配線基板である。
本実施例の垂直共振器型面発光レーザアレイにおいては、配線基板における基板表面に形成した配線と基板裏面に形成した配線とを電気的に接続する貫通電極が、光取り出し用貫通孔に形成されている。
面発光レーザアレイ基板は、実施例1と同じである。
図6に、本実施例における配線基板の製造方法について説明する模式図を示す。図6において、700は基板、702は貫通孔、704は表面配線金属、706は貫通電極、708は裏面配線金属及び710は接合用金属である。
まず、図6(a)に示すように、リソグラフィー及びドライエッチング技術を用いてSi基板700に貫通孔702を形成する。
次に、図6(b)に示すように、リソグラフィー技術及び金属蒸着技術を用いてSi基板700表面に配線金属(Ti/Au)704及び貫通電極(Ti/Au)706を形成する。
次に、図6(c)に示すように、リソグラフィー技術及び金属蒸着技術を用いてSi基板700裏面に配線金属(Ti/Au)708及び接合用金属710(Ti/Au)を形成する。
以上説明した工程により、面発光レーザアレイの個々の面発光レーザを個別に駆動するための配線を、面発光レーザアレイを形成した基板とは別の基板に形成した垂直共振器型面発光レーザアレイを得ることが可能となる。
本実施例では、メサ径a:30μm、メサピッチb:40μm、メサ間隔c:10μm、配線スペースd:18μmを備えた、8×4の垂直共振器型面発光レーザアレイを形成している。
本実施例では、面発光レーザの出射口を6μmとして形成している。
また、本実施例では絶縁膜310は発振波長λの1/2の厚さとしている。
また、本実施例では配線基板のSi基板厚を50μmとしている。
すなわち、面発光レーザアレイ基板と面発光レーザ個別駆動用配線を形成した配線基板をそれぞれ作製し、両基板を貼り合せる構成を採るに際して、光取り出し用貫通孔の径を、面発光レーザアレイの各素子の径よりも小さく形成する。
これにより上記各素子の素子間隔よりも光取り出し用貫通孔の間隔が大きくなるようにすることにより、個別駆動用配線を敷設するための領域を広く取ることが可能となる。
その結果、面発光レーザ基板上に面発光レーザ個別駆動用配線を敷設する従来例の場合と比較して、配線引き回し(パターン)の自由度を増加させることが、つぎのように可能となる。
従来例のように、面発光レーザアレイ基板上に敷設した場合には、
面発光レーザ素子間隔が10μmであるとすると、その素子間隔が配線敷設領域幅(10μm)となる。
これに対して、本実施例のように配線基板と貼り合せる構成を採るの場合には、
貫通孔間隔(上部)が18μmであるとすると、その貫通孔間隔が配線敷設領域幅(18μm)となり、配線引き回し(パターン)の自由度を増加させることができる。
また、本実施例では、配線基板としてSi基板を加工して形成したがこれに限定されるものではなく、樹脂材料や金属材料、またSi以外の半導体材料であっても良い。
特に、配線基板に熱抵抗の小さい材料を用いることにより、面発光レーザの活性層で発生した熱を効果的に放熱することが可能となる。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング、アッシング及び蒸着に用いた手法(装置)は記述手法(装置)に限るものではなく、同様の効果が得られるのであればいかなる手法(装置)であっても良い。
実施例3においては、本発明による垂直共振器型面発光レーザアレイを用いた応用例の一形態について説明する。
図7に、本発明による垂直共振器型面発光レーザアレイを実装した電子写真記録方式の画像形成装置の構造図を示す。
図7(a)は画像形成装置の側面図であり、図7(b)は同装置の側面図である。
図7において、800は感光ドラム、802は帯電器、804は現像器、806は転写帯電器、808は定着器、810は回転多面鏡、812はモータである。
また、814は垂直共振器型面発光レーザアレイ、816は反射鏡、820はコリメータレンズ及び822はf−θレンズである。
本実施例における回転多面鏡810は、6つの反射面を備えている。
垂直共振器型面発光レーザアレイ814は、記録用光源となるものであり、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するように構成されている。
こうして光変調されたレーザ光は、垂直共振器型面発光レーザアレイ814からコリメータレンズ820を介し回転多面鏡810に向けて照射される。
回転多面鏡810は矢印方向に回転していて、垂直共振器型面発光レーザアレイ814から出力されたレーザ光は、回転多面鏡810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822により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡816を経て感光ドラム800に照射され、感光ドラム800上で主走査方向に走査される。
このとき、回転多面鏡810の1面を介したビーム光の反射により、感光ドラム800の主走査方向に垂直共振器型面発光レーザアレイ814に対応した複数のライン分の画像が形成される。
感光ドラム800は、予め帯電器802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、感光ドラム800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804により現像され、現像された可視像は転写帯電器806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808に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
回転多面鏡810の各反射面で反射されたレーザ光は、ライン走査に先立ってBDセンサにより検出される。
この検出信号は、主走査奉公の走査開始基準信号としてタイミングコントローラ(図示せず)に入力され、この信号を規準として各ラインにおける走査方向の書き出し開始位置の同期が取られる。
なお、本実施例では、4×8垂直共振器型面発光レーザアレイを用いたが、これに限定されるものではなく、m×n垂直共振器型面発光レーザアレイ(m,n:自然数(0は含まず))であっても良い。
以上説明したように、本発明による垂直共振器型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。
102:面発光レーザ素子
104:共通電極
200:配線基板(第2の基板)
202:貫通孔
204:個別駆動用配線
206:接合用金属材料
300:n型GaAs基板
302:半導体エピ層
304:活性層
306:メサ
308:電流狭窄構造
310:絶縁膜
312:p側電極
314:接合用金属材料
316:n側電極
400:基板
402:光取り出し用貫通孔
404:電極形成用貫通孔
406:表面配線金属
408:裏面配線金属
410:接合用の金属部材
412:貫通電極
500,600:面発光レーザアレイ基板
502,602:配線基板
700:基板
702:貫通孔
704:表面配線金属
706:貫通電極
708:裏面配線金属
710:接合用金属
800:感光ドラム
802:帯電器
804:現像器
806:転写帯電器
808:定着器
810:回転多面鏡
812:モータ
814:垂直共振器型面発光レーザアレイ
816:反射鏡
820:コリメータレンズ
822:f−θレンズ
Claims (6)
- 垂直共振器型面発光レーザアレイであって、
共振器を構成する反射ミラー間に活性層を備えた垂直共振器型の複数の面発光レーザ素子が、2次元的に配列されている第1の基板と、
前記複数の面発光レーザ素子から出射する光の透過を可能とした該複数の面発光レーザ素子に対応する複数の光取り出し用貫通孔を備え、前記第1の基板のレーザ光の出射側に配置されている第2の基板と、を有し、
前記第2の基板は、該第2の基板を貫通する電極形成用貫通孔と、前記複数の面発光レーザ素子と電気的コンタクトをとるために前記第2の基板の表面に設けられた金属からなる複数の配線とを有し、
前記電極形成用貫通孔には、
前記第2の基板の裏面側に設けられた前記複数の面発光レーザ素子と前記複数の配線との電気的コンタクトをとり、前記複数の面発光レーザ素子を個別駆動するための貫通電極が設けられており、
前記複数の光取り出し用貫通孔の径が、前記複数の面発光レーザ素子の径よりも小さいことにより、前記第1の基板における複数の面発光レーザ素子のメサ間隔よりも、前記第2の基板における複数の光取り出し用貫通孔の間隔が大きくなっていることによって、
前記第2の基板の表面に前記複数の配線を形成するために使用できる領域を広く取ることが可能に構成され、
前記複数の光取り出し用貫通孔の、ある2つの光取り出し用貫通孔の間の領域に、前記複数の配線のうち、前記2つの光取り出し用貫通孔とは異なる光取り出し貫通孔に対応する面発光レーザ素子と電気的コンタクトをとるための配線が敷設され、
前記第1の基板と、前記第1の基板のレーザ光の出射側に配置されている該第2の基板とが接合されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザアレイ。 - 前記電極形成用貫通孔と前記光取り出し用貫通孔は同じ孔であることを特徴とする請求項1に記載の垂直共振器型面発光レーザアレイ。
- 前記電極形成用貫通孔と前記光取り出し用貫通孔は異なる孔であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の垂直共振器型面発光レーザアレイ。
- 前記第1の基板と前記第2の基板とが、金属部材を介して接合されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザアレイ。
- 前記面発光レーザ素子のメサ間隔が、15μm以下とされていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザアレイ。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光レーザアレイを光源として備えていることを特徴とする画像形成装置。
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