KR100970324B1 - 적색 면 발광 레이저 소자, 화상형성장치 및 화상표시장치 - Google Patents

Abstract

적색 면 발광 레이저 소자는 제1반사경; p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 있고, 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 반도체 스페이서 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

적색 면 발광 레이저 소자, 화상형성장치 및 화상표시장치{RED SURFACE EMITTING LASER ELEMENT, IMAGE FORMING DEVICE, AND IMAGE DISPLAY APPARATUS}

본 발명은 적색 면 발광 레이저 소자, 그리고, 해당 적색 면 발광 레이저 소자를 내장한 화상형성장치 및 화상표시장치에 관한 것이다.

A. 적색 면 발광 레이저 소자의 유용성

면 발광 레이저 소자(특히, 수직 공진기형의 면 발광 레이저는 수직 공진기 면 발광 레이저(VCSEL: vertical cavity surfce emitting laser)라 칭해짐)는 반도체 기판의 면방향에 대해서 수직인 방향으로 광을 출력할 수 있는 동시에, 2차원 어레이로서 비교적 용이하게 형성될 수 있다.

상기 소자가 2차원 어레이로서 형성된 경우, 그로부터 방출되는 멀티 빔에 의해 병렬 처리가 실현되므로, 고밀도화 및 고속화를 달성하기 위해 이 2차원 어레이 기술의 다양한 산업상 이용에 대한 응용이 요망되고 있다.

예를 들어, 면 발광 레이저 어레이가 전자 사진 프린터의 노광 광원으로서 이용될 수 있다면, 멀티 빔에 의한 인자 공정의 병렬 처리에 의해 인쇄 속도가 증대될 수 있다.

현재 실용화되고 있는 면 발광 레이저는 적외 영역(파장 λ=0.75㎛ 내지 1㎛)의 레이저광을 출력하는 소자이다. 발진 파장이 더욱 단파장화되면, 빔 지름을 더욱 감소시킬 수 있어, 한층 더 고해상도의 화상을 얻을 수 있다.

적색 면 발광 레이저는 적외 영역보다 짧은 파장(약 0.6㎛ 내지 약 0.73㎛)의 광을 출력한다. 게다가, 이 파장에서, 전자 사진 프린터의 감광 드럼에 적용될 수 있는 비정질(amorphous) 실리콘의 감도는 매우 높다.

따라서, 비정질 실리콘으로 이루어진 감광 드럼에 이용해서 고속, 고해상도의 화상 인쇄를 달성하기 위하여 이제는 적색 면 발광 레이저의 실용화가 요망되고 있다.

또, 이러한 단파장화에 의한 고해상도화와 멀티 빔 병렬처리의 조합으로 인한 효과는 상당히 크다. 이 조합은 전자 사진 프린터, 및 레이저 디스플레이 등의 화상표시장치를 비롯한 다양한 분야에 공헌할 것으로 기대된다.

B. 적색 면 발광 레이저의 기본 구성

적색 영역의 파장을 가지는 광을 발생시키기 위해서, 전형적으로 반도체 재료인 AlGaInP가 이용되고 있다. 이 재료의 격자는 퇴적 기판을 구성하는 재료인 GaAs의 격자와 정합하며, 그 밴드갭 에너지는 알루미늄과 갈륨의 조성비를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.

레이저 발진을 일으키기 위해서는, 레이저 소자에 역치 전류 또는 그 이상을 주입할 필요가 있다. 전류의 주입으로 인해, 전자나 정공 등의 캐리어가 활성층에 주입될 수 있고, 이 캐리어는 결국 발광 재결합(radiative　recombination)함에 따 라 광으로 변환된다.

C. 선행 기술의 구체예

적색 면 발광 레이저는, AlGaInP 활성층을 포함하는 공진기 영역을, 다른 반도체 재료인 AlGaAs로 이루어진 다층막 반사경 사이에 삽입함으로써 형성된다. 기판으로서는, 상기 활성층과 다층막 반사경의 격자와 각각 격자 정합하는 GaAs 기판이 이용되고 있다.

1995년에 샌디아 국립 연구소의 크로포드(Crawford)가 이끄는 그룹은 1파장 공진기 구조의 소자 구성을 발표한 바 있다(문헌[M. H. Crawford　et　al., IEEE　PHOTONICS　TECHNOLOGY　LETTERS, Vol. 7, No. 7 (1995), 724] 참조, 이하 "크로포드 문헌"이라 칭함).

이 1파장 공진기 구조는 적외 발광을 출력하는 면 발광 레이저에 있어서 가장 널리 이용되고 있는 공진기 길이를 가진다. 적색 면 발광 레이저에 있어서, 1 파장 공진기 길이는 층 두께로 환산해서 약 200 ㎚(파장 680 ㎚인 경우)이다.

특히, 40 ㎚ 내지 50 ㎚ 두께의 다중 양자 우물 구조를 가진 활성층은 1파장 공진기 길이의 중앙 영역에 배치된다. 그리고, 그 활성층의 양쪽에는 각각 스페이서 층으로서 기능하는 동시에 두께가 80 ㎚ 이하인 p형 AlGaInP 층과 n형 AlGaInP 층이 배치된다.

어떤 경우에는, 상기 활성층과 도핑된 p형(혹은 n형) 스페이서 층 사이에 비도핑된(undoped) 스페이서 층이 배치된다. 이러한 경우에는, 해당 p형(혹은 n형) AlGaInP 스페이서 층의 두께는 약 50 ㎚이다.

상기 크로포드 문헌에서는, p형 또는 n형 AlGaInP 층의 두께는 약 50 ㎚이다.

상기 크로포드 문헌에서는 또한 675 ㎚ 모드에서의 최대 발광 강도가 15㎛ φ 옥사이드 개구를 가진 소자로부터 2.8 mW(20℃)인 것을 교시하고 있다.

적색 면 발광 레이저 소자를 전자 사진용의 광원으로서 이용할 경우에는, 고온에서의 높은 동작 특성을 필요로 한다

그러나, 상기 크로포드 문헌에는, 그의 소자 구성에 의하면, 환경 온도가 20 ℃에서 40℃로 상승하면, 최대 발광 강도가 현저하게 감소되는 것이 개시되어 있다. 특히, 675 ㎚ 모드에서는, 그 최대 발광 강도는 약 1.0 mW까지 저하된다(40% 미만까지 출력 저하).

또, 본 발명자들은, 환경 온도가 20℃이더라도, 출력 동작을 증대시키는 것을 목적으로 해서 전류 주입량을 증가시킨 경우, 그 전류 주입량 증가에 따라서 소자의 내부 온도가 20℃ 이상으로 증가하는 것을 발견하였다. 이러한 경우, 전류 주입량의 증가에 따라서 발광 강도가 증가하지 않거나, 또 저하될 수 있으므로, 최대 발광 강도가 제한되게 된다.

이러한 발광 강도의 저하는 발광에 기여하지 않는 누설 전류가 온도 상승에 수반해서 상당히 증가하기 때문에 일어나는 것으로 여겨진다.

따라서, 누설 전류량을 저감할 수 있는 신규의 적색 면 발광 레이저 소자 및 그러한 적색 면 발광 레이저 소자를 내장한 화상형성장치나 화상표시장치가 요망되고 있다.

본 발명의 제1측면은 제1반사경; p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 있고, 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 반도체 스페이서 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자를 제공한다.

본 발명의 제2측면은 제1반사경; p형 AlGaAs반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 AlInP 반도체 스페이서 층 또는 p형 AlGaInP 반도체 스페이서 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자를 제공한다.

본 발명의 제3측면은 제1반사경; p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 있는 p형 반도체 스페이서 층을 포함하는 적색 면 발광 레이저 소자를 제공한다. 이 적색 면 발광 레이저 소자에 있어서, 상기 p형 반도체 다층막의 Ｘ점에서의 전도대 단부(conduction band edge)는 상기 p형 반도체 스페이서 층의 Ｘ점에서의 전도대 단부보다 낮고, 또한 상기 p형 반도체 스페이서 층의 두께는 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하이다.

또, 화상형성장치 및 화상표시장치도 제공된다. 이들 각각은 전술한 어느 하나의 적색 면 발광 레이저 소자와 해당 레이저 소자로부터 출력되는 레이저광을 편향시켜 주사를 행하기 위한 편향기를 포함한다.

본 발명에 의하면, 누설 전류량이 저감된 신규의 적색 면 발광 레이저 소자 및 그러한 적색 면 발광 레이저 소자를 포함하는 화상형성장치 및 화상표시장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징은 첨부 도면을 참조한 실시형태예의 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.

전술한 바와 같이, 크로포드 문헌에 기재된 구조를 가진 적색 면 발광 레이저 소자에서는 고온에서의 동작 특성이 현저하게 열화된다.

본 발명자들은 열로 인해 누설 전류량이 급격하게 증가하고, 그러한 누설 전류량의 급격한 증가로 인해 발광 효율의 대폭적인 강하(drop)를 초래하는 것이 그 원인인 것으로 가정하였다.

도 6은 크로포드 문헌과 마찬가지로 적색 VCSEL에 관한 논문인 문헌[R. P. Schneider et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 6, No. 3 (1994) 313](이하, 이것은 "쉬나이더 문헌"이라 칭함)에 기재된 밴드 다이어그램이다.

특히, 도 6은 활성층, AlInP 스페이서 층(이 스페이서 층은 "클래드층"으로 표기할 경우도 있다) 및 반사경으로서 기능하는 반도체 다층막으로 구성된 DBR(distributed Bragg reflector) 영역(AlAs/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막)의 밴드 다이어그램을 나타내고 있다. DBR은 공진기의 반사경으로서 이용된다.

도 6은 DBR 영역의 구성요소의 전도대의 단부(도 6의 CB측)가 스페이서 층을 구성하는 AlInP의 밴드 단부보다 높은 것을 나타내고 있다.

즉, 이 다이어그램은 활성층과 AlInP 스페이서 층 사이의 헤테로 배리어를 넘친 전자가 AlInP 층의 두께 이상으로 확산되기 어려운 것을 나타내고 있다.

한편, 상기 크로포드 문헌에 개시된 소자 구조는, 활성층, 해당 활성층에 인접한 p형 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 스페이서 층 및 34쌍의 층을 포함하는 다층막 반사경을 포함하되, 각 쌍은 약 50 ㎚ 두께의 p형 AlAs 층과 약 50 ㎚ 두께의 p형 Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 층을 포함하고 있다.

이 경우, p형 AlInP 스페이서 층과 p형 DBR층의 두께의 합계인 p형 층의 두께는 3㎛ 이상이다.

이상 설명한 바와 같이, p형 스페이서 층보다 전도대 단부가 높은 p형 DBR 영역이 충분히 두꺼운 경우, n형 반도체층으로부터 활성층으로 주입되는 전자가 해당 활성층에 인접한 p형 스페이서 층을 넘쳐서 누설 전류로 될 확률은 극히 작게 될 수 있다.

이것은, 스페이서 층에 있어서, 활성층으로부터 넘친 전자의 농도 구배가 p형 DBR 영역이 제공되지 않는 경우보다 더욱 완만하게 되는 것을 의미한다.

누설에 관련된 확산 전류의 크기는 전자 농도 구배에 의존한다. 따라서, 도 6에 나타낸 밴드 다이어그램은 스페이서 층을 넘은 전자에 의해 발생된 누설 전류의 확산 전류 성분의 양이 상당히 적을 필요가 있는 것을 나타낸다.

그러나, 상기 설명한 바와 같이, 적색 면 발광 레이저 소자는 온도 특성이 나쁘다.

적색 면 발광 레이저 소자에 있어서는, 상하의 다층막 반사경 사이에 삽입된 공진기 영역은 통상 AlGaInP로 구성되어 있는 한편, 다층막 반사경은 통상 AlGaAs로 구성된다. 즉, 공진기 영역은 다층막 반사경 영역과는 다른 재료로 구성되어 있다.

적색 면 발광 레이저 소자에 있어서는, p형 층으로서 p형 반도체 스페이서 층(예를 들어, p형 AlGaInP 스페이서 층)과 p형 DBR 영역(예를 들어, AlGaAs 층)의 양쪽 모두가 구비되어 있다. 이 독특한 구조는 모든 층이 AlGaAs계 재료로 구성된 적외 면 발광 레이저에서는 발견되지 않는다.

즉, 동일한 도전형을 가지는 상이한 재료로 구성된 다층 구조를 포함하는 디바이스에 있어서 누설 전류에 대한 영향을 분석하기 위해서는, 전자가 영향받는 전위인 전도대 단부의 위치를 상세하게 분석할 필요가 있다.

따라서, 적색 면 발광 레이저 소자의 p형 스페이서 층과 p형 DBR 영역의 구성층에 대해서 이하의 두 인자를 동시에 고려함으로써 전자의 전위를 검토하고 있다:

[1] 이들 p형 층에는 p형 불순물이 도핑되어 있기 때문에, 각 층의 페르미 준위는 대략 가전자대(valence band)의 밴드 단부에 위치되어 있는 점;

[2] p형 반도체 스페이서 층으로서 사용되는 Al_xGa_{1 - x}In_{0 .5}P(0.25≤x≤0.55, 특히 0.35≤x≤0.5인 영역)와, DBR 영역을 구성하는 Al_yGa_{1 - y}As(0.4≤y≤1)는 직접 천이형의 반도체는 아니고 간접 천이형의 반도체이며, 그 전도대에서의 밴드 단부 는 Γ점이 아니고 X점인 점. 단, Γ점은 전도대 단부의 바닥이 직접 천이형 반도체에 놓여 있는 것으로 여겨지는 영역이다.

상기 [1] 및 [2]의 두 점에 의거해서, 전자의 전위, 즉, 전도대에 있어서의 X점의 밴드 단부 라인 업은 도 1에 나타낸 실선(1010)으로서 나타난다. 도 1에 있어서, 가로축은 소자의 두께를 나타내고, 세로축은 GaAs에 대한 밴드 오프셋량을 나타낸다. 플러스측 영역이 전도대 쪽이고, 마이너스측 영역이 가전자대 쪽이다.

도 1에 있어서, (1050)은 p형 반도체 스페이서 층을 나타내고, (1060)은 p형 DBR 영역의 1쌍의 층만을 나타낸다(실제의 소자에서는 복수의 쌍이 구비되어 있다). 또, 도 1에서는, p형 반도체 스페이서 층(1050)이 p형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P로 구성되고, p형 DBR 영역(1060)이 p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층과 p형 Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 층을 쌍으로서 포함할 경우의 밴드 구조를 예시하고 있다.

비교 목적을 위해서, 상기 도 1의 그래프에서는 Γ점에서의 전도대의 밴드 단부(1020), 가전자대의 밴드 단부의 라인 업(1090) 및 의사 페르미 준위(1092), (1093)가 포함되어 있다. 또, 간단하게 하기 위해서, 도 1에서는 밴드 단부 에너지의 불연속에 기인하는 스파이크나 노치 등은 나타내지 않았다. p형 층이 검토되고 있기 때문에, p형 불순물이 도핑된 층의 밴드 라인업은 가전자대 근방에 존재하는 페르미 준위가 동일하도록 결정된다.

또, p형 DBR 영역(1060)(p형 반도체 다층막 영역)을 구성하는 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As에 있어서는, X점(도 1의 (1010))에서의 밴드 단부가 Γ점에서의 것보다 상당히 낮다. 특히, p형 AlGaInP 스페이서 층에 인접하는 p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As의 전도대의 밴드 단부 전위가 약 200 meV만큼 강하된다.

즉, 쉬나이더 문헌에 개시된 밴드 다이어그램(도 6)과는 다른 밴드 다이어그램을 구축할 수 있다.

이 새롭게 구축한 상기 밴드 다이어그램에 의거해서, 재차 누설 전류에 관해서 다음과 같이 검토할 수 있다.

전자는 활성층(1070)과 p형 반도체 스페이서 층(1050)의 밴드 단부 간의 차이인 헤테로 갭을 넘어, 이 p형 반도체 스페이서 층(1050)에 존재한다. 이러한 전자의 농도는 실제로는 인접한 p형 DBR 영역(1060)의 구성요소인 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As의 전도대 단부의 전위 강하에 의해 영향받는다. 도 1에 있어서의 비도핑된 배리어 층(1075)은 필요에 따라 설치된다.

그 때문에, p형 반도체 스페이서 층(1050)과 p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As(1061) 간의 계면 부근의 거의 모든 전자는 해당 p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 쪽으로 떨어지고, p형 반도체 스페이서 층 내부와 동일한 에너지를 가지는 전자는 그 계면 근방에 거의 존재하지 않는 것으로 여겨진다.

즉, p형 반도체 스페이서 층(1050)에 있어서의 전자 농도 구배는 매우 크고, 그 확산 전류 성분은 매우 큰 값을 취할 수 있다.

따라서, p형 DBR 영역(1060)은 p형 반도체 스페이서 층(1050)을 넘어 누설된 캐리어 전자에 대해서 실제로 배리어로서 기능하지 못한다.

즉, p형 반도체 스페이서 층을 넘은 누설 전류를 억제하는 데 기여하는 p형 층의 유효 두께는 스페이서 층과 p형 DBR 영역의 합계 두께가 아니고, p형 반도체 스페이서 층 단독의 두께이다.

이 새로운 지견에 근거해서 누설 전류를 검토하기 위해서, 하기 수식 1에 의해 누설 전류를 계산하였다.

또, 누설 전류 밀도(J_leak)는 활성층으로부터 p형 반도체 스페이서 층으로 누설된 전자의 확산 성분과 드리프트 성분에 의거해서 다음 수식 1에 의해 부여된다(문헌[D. Bour et al., Journal of Quantum Electronics, Vol. 29, No. 5 (1993) 1337] 참조):

　[수식 1]

여기서, q는 전하량, D_n은 전자의 확산 상수, m_n은 전자의 유효 질량, k는 볼츠만 상수, h는 플랑크 상수(Plank's constant), T는 온도, ΔE는 헤테로 배리어, L_n은 전자의 확산 길이, Z는 실효 전계 길이, σ_p는 p형 스페이서 층의 도전율, J_total은 전체 주입 전류 밀도, x_p는 p형 클래드층의 두께이다.

도 2A는 상기 수식 1에 의해 계산된 규격화 누설 전류(실선(2091))를 나타내 고 있다. 가로축은 p형 반도체 스페이서 층의 두께를 나타내고, 세로축은 규격화된 누설 전류를 나타낸다. 또, 스페이서 층은 AlGaInP(예를 들어, Al_{0 .5}In_{0 .5}P 또는 Al_0.35Ga_0.15In_0.5P)로 이루어진 것으로 가정하고 있다.

상기 그래프는 p형 반도체 스페이서 층의 두께가 약 80 ㎚ 이하인 영역에서 누설 전류(특히, 확산 전류 성분)가 급격하게 증가하는 것을 명확하게 도시하고 있다. 이 영역에서는, 발광 효율이 낮아지고, 고온 동작 특성이 열등해져서, 전체 출력 동작을 얻는 것이 곤란해지는 것으로 추측될 수 있다.

크로포드 문헌에 개시된 p형 반도체 스페이서 층의 두께는 "50 ㎚"이다. 상기 지견은, 이 두께에 의해, 얻어지는 구성은 누설 전류를 억제하는 데 유리하지 않은 것을 알 수 있다.

즉, 적색 면 발광 레이저에 전형적으로 사용되고 있는 p형 AlGaInP 스페이서 층의 두께는 약 50 ㎚이지만, 본 발명자들의 지견에 의하면, 향상된 고온 동작 특성을 달성하기 위해서는, 이 p형 스페이서 층의 두께를 증가시킬 필요가 있는 것을 나타내고 있다.

제1실시형태(적색 면 발광 레이저 소자)

이하, 본 제1실시형태에 따른 다층막을 포함하는 적색 면 발광 레이저 소자에 대해서 도 3을 참조해서 설명한다.

레이저 소자(3000)는 제1반사경(302), p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308) 및 상기 제1반사경(302)과 상기 제2반사경(308) 사이에 삽입된 활성 층(305)을 포함한다. 또, 상기 레이저 소자(3000)는 활성층(305)과 상기 제2반사경(308) 사이에 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 반도체 스페이서 층(307)을 또 포함한다.

이하, p형 반도체 스페이서 층의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 하는 이유에 대해 설명한다. 단, "두께"는 적층 방향의 길이를 의미한다.

도 2A에 있어서의 점선(2095)은 p형 반도체 스페이서 층의 두께에 대해서, 규격화 누설 전류가 현저하게 증가하는 영역에 있어서 그 규격화 누설 전류의 변화의 정도(기울기)를 찾아내기 위해서 그린 것이다.

이 그래프는, p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께가 매우 기울기가 큰 영역(2591) 밖에 있어야만 하고, 또한 스페이서 층을 구성하는 재료의 조성비에 따라 다소 변동할 수도 있으므로 100 ㎚ 이상일 필요가 있는 것을 나타내고 있다.

이에 대해서, 점선(2096)은 p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께에 대해서, 규격화 누설 전류의 변화가 매우 완만한 영역에 있어서 그 규격화 누설 전류의 변화의 정도(기울기)를 찾아내기 위해서 그린 것이다. 이 점선(2096)에 의하면, p형 스페이서 층의 두께가 350 ㎚를 넘는 영역에서는, 스페이서 층의 두께의 변화는 누설 전류에 실질적으로 영향을 주지 않는 것을 명백히 알 수 있다.

이제, 도 2B를 참조하면, 실선(2091)은, p형 스페이서 층의 두께에 대해서 플롯된 공진기 내부에서의 손실의 변화를 나타낸 것이다. 이 그래프에서는 반사경에 의해 초래된 손실은 고려하지 않고, p형 스페이서 층 및 p형 DBR층에서 자유 캐리어의 흡수에 의해 초래된 손실만을 고려하여, 그것을 공진기 길이 전체에 걸쳐 분배하고 있다. 도 2B에 의하면, p형 스페이서 층의 두께에 따라 공진기 내부에서의 손실이 증가하는 것을 명백히 알 수 있다. 이 점에 있어서, 스페이서 층의 두께는 가능한 한 얇은 것이 좋다. 또, 상기 그래프에 의하면, p형 반도체 스페이서 층의 두께가 350 ㎚인 경우에도, 공진기 내부에서의 손실의 증대는 20% 이하인 것을 알 수 있다(350 ㎚에 있어서의 공진기내 손실이 12.5㎝^-1, 50 ㎚에 있어서의 공진기내 손실이 10.5㎝^-1인 것으로 가정해서 산출했다).

이와 같이 해서, p형 반도체 스페이서 층의 두께는 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 할 수 있다.

p형 반도체 스페이서 층에 관한 이상의 설명에서는, 그 구체적인 조성비의 설명은 생략하였다.

단, 도 2A 및 도 2B에 있어서, 규격화 누설 전류는 상기 수식 1 중의 다음과 같은 부분(수식 2)에 의거하는 한편 그 이외의 나머지 부분은 같은 것으로 가정하여 계산하고 있는 것에 주의할 필요가 있다:

　　[수식 2]

상기 계산에 있어서, p형 층의 두께를, p형 AlGaInP 스페이서 층의 두께(x_p = 40 내지 700 ㎚)인 것으로 가정하고 있다. 또한, p형 불순물의 도핑 수준을 1×10¹⁸㎝^-3, 전자의 확산 길이를 1㎛, 전체 주입 전류 밀도 J_total을 3 kA/㎠인 것으로 가정하고 있다. 또, 스페이서 층에 대해서 누설 전류를 규격화하기 위해서, 온도 T의 값은 계산에서는 고려하고 있지 않다. 또, 내부 광흡수에 관해서는, 다층막 반사경(p형 DBR 영역)을 포함하는 소자 전체의 자유 캐리어 흡수를 계산하고 있다.

이하에, p형 반도체 스페이서 층과 p형 반도체 다층막(p형 DBR 영역)에 관해서 상세히 설명한다.

p형 반도체 스페이서 층(307)의 X점에서의 전도대의 밴드 단부가 p형 DBR 영역(도 1의 (1060) 및 도 3의 (308))의 반복 단위를 구성하는 2층 중, X점에서의 전도대 단부가 높은 층의 밴드 에지보다 높게 되도록 재료를 선택한다. 즉, 상기 p형 DBR 영역에서의 X점에 있어서의 전도대 단부는 상기 p형 반도체 스페이서 층의 전도대 단부보다 낮아지도록 재료를 선택한다.

또, 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)은 알루미늄, 인듐 및 인을 함유하는 층으로부터 구성될 수 있다.

p형 반도체 스페이서 층(307)의 조성이 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}P인 경우, x 및 y의 범위는 다음과 같이 할 수 있다.

우선, Al_xGa_yIn_{1 -x- y}P와 GaAs간의 격가 정합을 달성하기 위해서, 인듐의 비율 (상기 조성식에서의 "1-x-y")은 0.45 내지 0.55, 바람직하게는 0.48 내지 0.50이면 된다.

즉, 0.45≤x＋y≤0.55, 구체적으로는 0.50≤x＋y≤0.52이다.

전형적으로, 활성층 내부의 배리어 층은 Al_{0 .2}Ga_{0 .3}In_{0 .5}P로 구성된다. 활성층과 p형 반도체 스페이서 사이에 헤테로 배리어를 확보하기 위해서는, 알루미늄의 비율(x)은 0.25 이상, 바람직하게는 0.30 이상, 더욱 바람직하게는 0.35 이상이면 된다. 또, 상기 조성에서의 알루미늄 비율의 상한은 격자 정합을 달성하기 위해서 0.55 이하, 바람직하게는 0.52 이하이면 된다.

또, 갈륨의 비율은 0일 수도 있다. 따라서, p형 반도체 스페이서 층의 조성의 일례는 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}P(여기서, 상기 x 및 y는 전술한 관계식, 즉, 0.45≤x＋y≤0.55, 한편, 0.25≤x≤0.55 및 0≤y≤0.30을 충족한다)이다.

대안적으로는, 상기 p형 반도체 스페이서 층의 조성은 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}P(0.50≤x＋y≤0.52, 0.35≤x≤0.52, 0≤y≤0.17)일 수 있다.

단, 여기서, 상기 조성은 재료를 에피택셜 증착시킬 수 있는 한, 그 이외의 불순물 등을 함유할 수 있는 것은 물론이다.

또, 인듐의 비율이 0.5인 경우, 즉 p형 Al_zGa_{1 - z}In_{0 .5}P 스페이서 층을 이용한 경우, z는 예를 들어 0.35≤z≤0.5의 범위로 적절하게 결정될 수 있다. z가 이 범위 내인 경우, 결정도가 비교적 높은 스페이서 층이 용이하게 형성될 수 있고, 또한, 활성층과 스페이서 층 간의 밴드 오프셋이 증가될 수 있다.

또한, p형 반도체 스페이서 층(307)은 다중 양자 배리어(MQB: Multi　Quantum Barrier) 구조를 이용해도 무방하다.

또, 제2반사경(308)의 반복 단위를 구성하는 2층 중, 전도대 단부가 높은 층(2층이 모두 AlGaAs로 구성된 경우, 알루미늄 비율이 많은 쪽)의 조성은 Al_xGa_{1 -x}As(0.70≤x≤1.0, 바람직하게는 0.8≤x≤1.0)일 수 있다.

상기 제2반사경(308)을 구성하는 상기 p형 반도체 다층막은 서로 굴절률이 다른 제1층과 제2층을 각각 포함하는 반복 단위를 복수개 적층하여 구성된다. 상기 제1층 및 제2층의 적어도 한 층은 전술한 것처럼 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유할 수 있다.

또, 상기 반복 단위를 구성하는 2층 중, 전도대 단부가 낮은 층의 조성은 Al_xGa_1-xAs(0.40≤x≤0.70, 바람직하게는 0.45≤x≤0.60)일 수 있다. 이 조성에 있어서, 이것은 활성층으로부터 발광된 광의 파장에 의존할 수 있지만, 해당 활성층으로부터 발광된 광의 파장이 흡수되지 않도록, x는 0.4 이상으로 설정하여, DBR을 구성하는 기타 층에 대해서 충분한 굴절률을 달성할 수 있다. 예를 들어, 상기 층의 조성이 Al_xGa_{1 - x}As인 경우, x=0.5이다.

도 1에서는, 제2반사경(308)(p형 반도체 다층막)을 구성하는 층 중, X점에서의 전도대 단부가 높은 층이 p형 반도체 스페이서 층(1050)에 인접하도록 도시되어 있지만, 이 구성은 필수는 아니다. 예를 들어, DBR 영역을 구성하는 층 중, X점에서의 전도대 단부가 낮은 층은 p형 반도체 스페이서 층(1050)에 인접하고 있어도 무방하다.

(a) 공진기 구조

전술한 두께를 가진 p형 반도체 스페이서 층을 얻기 위해서는, 1파장보다 큰 공진기 길이가 바람직하다. 예를 들어, 1.5파장 이상의 공진기 길이가 이용될 수도 있다.

또, p형 반도체 스페이서 층(도 1의 (1050) 및 도 3의 (307))은 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하, 특히 150 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하의 두께를 가진 p형 AlGaInP 스페이서 층이어도 무방하다.

공진기 길이의 예로는 1.5파장이나 2파장을 들 수 있다. 이러한 공진기 길이를 얻기 위해서는, 0.5파장 증분만큼 공진기 길이가 증가되도록 p형 반도체 스페이서 층의 두께를 증가시킬 수 있다. 0.5파장은 약 100 ㎚에 상당하므로, 약 60 ㎚ 두께를 가진 통상의 p형 AlGaInP 층과 조합한 경우, 그 두께는 160 ㎚(0.5파장이 추가된 경우) 및 260 ㎚(1파장이 추가된 경우)이다. 따라서, p형 반도체 스페이서 층의 두께는 특히 상기 0.5파장이 추가된 경우와 1파장이 추가된 경우를 포함하도록 150 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하일 수 있다.

본 실시형태의 공진기 구조에 대해서는, 공진기 길이는 1.5파장 이상일 수 있고, 공진기 길이의 상한은 4파장 이하, 바람직하게는 3.5파장 이하, 더욱 바람직하게는 2.5파장 이하이다. "공진기 길이"란 제1반사경 및 제2반사경의 사이의 영역의 적층 방향의 두께이다.

이제, 도 3을 참조하면, 활성층(305)의 기판(301) 측에 위치하는 n형 반도체 스페이서 층(303)은 캐리어 넘침의 점에서 필수는 아니고, 필요에 따라서 구비할 수도 있다.

n형 반도체 스페이서 층(303)(예를 들어, AlGaInP) 속으로의 정공의 누설 전류는 충분히 작기 때문에, 이 n형 반도체 스페이서 층(303)의 두께는 약 40 ㎚ 내지 80 ㎚일 수 있다.

즉, 본 발명의 공진기는 활성층(305), p형 반도체 스페이서 층(307) 및 n형 반도체 스페이서 층(303)을 포함한다. 또, 공진기는 상기 활성층(305)이 그 공진기 길이 방향의 중앙에 위치하고 있지 않은 비대칭 구조를 가질 수 있다.

특히, 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께는 상기 n형 반도체 스페이서 층(303)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 단, "비대칭 구조"란 p형 반도체 스페이서 층(307)이 n형 반도체 스페이서 층(303)보다 두껍고, 활성층(305)이 공진기의 중앙에 배치되어 있지 않은 구성을 의미한다. 소자 구성은 활성층의 중심이 소자 내부의 광강도의 정재파의 파복(antinode; "배"라고도 칭함)과 정렬하도록 설계될 수 있다.

도 3을 참조하면, 활성층(305)에 인접하는 층(304), (306)은 각각 필요에 따라서 설치될 수도 있는 비도핑된의 스페이서 층(p형 및 n형 반도체 스페이서 층(307), (303)보다 불순물 농도가 낮은 스페이서 층)이다. 이들 층(304), (306)은 본 실시형태에서 필수는 아니지만, 활성층(305)에의 p형 반도체 스페이서 층(307) 및 n형 반도체 스페이서 층(303)으로부터의 불순물 확산을 차단하는 배리어층으로서 형성될 수 있다. 층(304), (306)의 두께는 10 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하, 바 람직하게는, 20 ㎚ 이상 40 ㎚ 이하일 수 있다.

AlGaInP계 반도체 레이저에서는, 예를 들어, 활성층에 GaInP 양자 우물 구조를 이용함으로써 적색 발광을 얻을 수 있다. p형 반도체 스페이서 층(307)의 예로는 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 층이나 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층을 들 수 있다.

이하, 본 실시형태의 적색 면 발광 레이저의 층 구성에 대해서, 구체적인 재료를 들어 설명한다.

예를 들어, p형 반도체 스페이서 층(307)으로서 약 170 ㎚ 두께의 Al_xGa_{0 .5-x}In_0.5P 층(0.2≤x≤0.5)이 이용될 수 있다. 유효 질량이 큰 정공이 Al_xGa_{0 .5-x}In_0.5P(0.2≤x≤0.5)로 구성된 n형 반도체 스페이서 층(303)을 넘어 누설 전류에 기여하는 일은 거의 없기 때문에, 이 n형 AlGaInP 층의 두께는 통상과 마찬가지, 예를 들어 약 50 ㎚일 수 있다.

활성층(305)은 면 발광 레이저에 대해 적합한 다중 양자 우물 구조를 지니도록 설계하고, 그 두께는 약 40 ㎚ 내지 약 50 ㎚이다. 따라서, 공진기의 공진기 길이는 전체로서 적어도 1.5파장이 되도록 설계할 필요가 있다.

활성층(305)은 내부 광강도 정재파의 파복과 정렬하고 있으므로, 이 활성층(305)은 1.5파장 공진기 길이의 중앙에 위치하지 않는다. 그러므로, 공진기 구조는 통상의 1파장 공진기에 대해서 공통적인 대칭 구조 대신에 비대칭 구조를 가진다.

어떤 경우, 상기 대칭 구조는, 결정 성장 동안 공진 파장을 원하는 값으로 조정하면서, 활성층의 위치를 상기 내부 광강도 정재파의 파복과 용이하게 정렬시킬 수 있는 점에서 유리하다. 그 때문에, n형 AlGaInP 스페이서 층의 두께는 p형 AlGaInP 층의 두께와 같도록 증가시킨다. 예를 들어, n형 AlGaInP 스페이서 층의 두께는 약 170 ㎚로 조정해서, 대칭 구조를 가진 공진기를 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 예에 따르면, 공진기 길이는 2파장이다. n형 스페이서 층에서의 자유 캐리어 흡수는 p형 층에 비해 적기 때문에, n형 층을 두껍게 하는 것에 의한 광 흡수의 문제는 p형 층만큼 심각하지 않다.

그 결과, 누설 전류가 저감되고, 스페이서 층의 두께 증가에 의한 광 흡수의 대폭적인 증가도 없는 신규의 적색 면 발광 레이저 소자를 제공하는 것이 가능해진다.

(b) 기타 구성

도 3에 있어서는, 기판(301)(예를 들어, GaAs 기판)이 도시되어 있지만, 필요에 따라서 생략할 수도 있다. 예를 들어, GaAs 및 기타 적절한 재료로 이루어진 기판을 이용해서 그 위에 다층막을 증착시킨 후, 해당 기판을 제거할 수 있다. 대안적으로는, 다층막은 실리콘 기판, 실리콘-온-절연체(SOI: silicon-on-insulator) 기판, 게르마늄 기판, 플라스틱 기판, 또는 유리 기판과 같은 투명 기판 등의 다른 기판으로 이전하는 것도 가능하다. 방열성을 증대시키기 위해서는, 발광소자를 실리콘 기판이나 SOI 기판으로 이전시켜도 된다. 막의 이전시, 상기 증착 기판을 제거하기 위해서 연마 기술이나 연삭 기술을 이용할 수 있다. 대안적으로는, 희생층을 상기 증착 기판 상에 형성하고 나서, 이 희생층 위에 소자를 구성하는 층을 형 성시켜 막의 이전을 용이하게 하는 것도 가능하다.

상기 제2반사경(308)(p형 반도체 다층막)은 알루미늄 및 비소를 함유하는 것이 가능하다. 상기 제2반사경(308)은 각각 굴절률이 다른 제1층과 제2층을 포함하는 단위를 복수개 포함한다. 상기 제1층 및 제2층의 적어도 한 층은 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유하는 층이어도 된다.

또, 상기 제2반사경(308)의 재료는 AlAs나 AlGaAs로 제한되지 않고, GaAs의 격자와 정합하는 격자를 가진 반도체 재료이면 어느 것이라도 무방하다.

또한, 제1반사경(302)은 n형 반도체 다층막일 수 있다. 또, 상기 제1반사경(302)과 상기 활성층(305) 사이에 n형 AlGaInP 스페이서 층(도 3의 (303))을 설치해도 된다.

상기 제1반사경(302)은 상기 레이저 소자(3000)에 전류를 주입할 수 있는 한 반드시 n형 DBR일 필요는 없다. 또, 접합 기술이 이용가능하다면, 반도체 다층막 대신에 반사경으로서 포토닉 결정을 이용할 수도 있다.

또, 도 3에서는, 활성층(305)과 p형 및 n형 스페이서 층(303), (307) 사이에 스페이서 층(304), (306)이 설치되어 있지만, 이것은 필요에 따라서 생략할 수도 있다. 도 3에서는, 기판(301) 측에 제1반사경(302)(n형 DBR 영역)을 설치하고, 활성층 상부에 제2반사경(308)(p형 DBR 영역)을 설치하고 있지만, 이 구성은 반대로 할 수도 있다. 예를 들어, p형 DBR 영역이나 p형 스페이서 층을 활성층과 기판 사이에 배치할 수도 있다.

상기 활성층(305)의 구성예로는 GaInP 층과 AlGaInP 층을 포함하는 양자 우 물 활성층이 있다. 본 실시형태에서는, 상기 구성은 적색광(파장 0.6㎛ 내지 0.73㎛, 특히 0.63㎛ 내지 0.72㎛의 광)을 출력할 수 있는 구성이면 어느 것이라도 무방하다. 예를 들어, 더블 헤테로 구조나 양자 닷(quantum dot) 구조를 가진 활성층을 이용할 수도 있고, AlGaInPN 등의 기타 적합한 재료를 활성층으로서 이용하는 것도 가능하다. 대안적으로는, 도 8 내지 도 10을 참조해서 후술하는 바와 같이, 복수개의 활성층을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 2개 이상의 활성층을 이용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 공진기는 활성층(305), p형 반도체 스페이서 층(307) 및 n형 반도체 스페이서 층(303)을 포함하고 있고, 상기 활성층이 그 공진기 길이 방향의 중앙에 배치되어 있지 않은 비대칭 구조를 취할 수도 있다.

여기서, 상기 p형 AlGaInP 반도체 스페이서 층(307)의 두께는 상기 n형 AlGaInP 반도체 스페이서 층(303)의 두께보다 두껍게 할 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서, DBR 영역에서의 층의 두께는 수직 공진기형 면 발광 레이저를 구성하도록 설계될 수 있지만, 면 발광이 가능한 한 발광은 엄밀하게 수직일 필요는 없다.

본 실시형태는 고온에서의 레이저 동작을 달성하기 위해 요구되는 레이저 소자에 적합하다. 특히, 본 실시형태는 높은 발광 강도를 발휘하는 단일 횡방향 모드 레이저 소자에 적용될 경우 효과적이다.

제2실시형태

이하, 본 발명의 제2실시형태에 따른 다층막을 포함하는 적색 면 발광 레이 저 소자에 대해서 제1실시형태에서와 마찬가지로 도 3을 참조해서 설명한다.

상기 소자는 제1반사경(302), p형 AlGaAs 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308) 및 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 삽입된 활성층(305)을 포함한다. 또, 상기 소자는 상기 활성층(305)과 상기 제2반사경(308) 사이에 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 AlInP 또는 AlGaInP 반도체 스페이서 층(307)을 포함한다.

또한, p형 반도체 스페이서 층은 해당 p형 반도체 스페이서 층의 두께가 전체로서 상기 범위 내에 있다면, AlInP 및 AlGaInP의 양쪽 모두를 함유할 수도 있다.

이 구성에 의하면, 누설 전류가 저감되는 신규의 적색 면 발광 레이저 소자가 제공된다.

단, "AlGaAs" 및 "AlGaInP"란 표현은, 전자의 층이 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유하고, 후자의 층이 알루미늄, 갈륨 및 인을 함유하는 것을 의미하는 것이다. 조성비는 각 층을 에피택셜 성장할 수 있고 적색 발광이 실현되는 한 특히 한정되는 것은 아니다. 또, 본 제2실시형태에 있어서의 레이저 소자에 대해서는, 전술한 제1실시형태에서 설명한 사항을 모순이 없는 한 적용할 수 있는 것은 물론이다.

제3실시형태

이하, 제3실시형태에 따른 다층막을 포함하는 적색 면 발광 레이저 소자에 대해서 전술한 실시형태에서와 마찬가지로 도 3을 참조해서 설명한다.

상기 소자는 제1반사경(302), p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308), 상기 제1반사경(302)과 상기 제2반사경(308) 사이에 삽입된 활성층(305) 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 삽입된 p형 반도체 스페이서 층(307)을 포함한다.

도 1을 참조해서 이미 설명한 바와 같이, 상기 p형 반도체 다층막의 X점에서의 전도대 단부는 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)의 것보다 낮고, 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)의 적층 방향의 두께는 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하이다.

누설 전류가 p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308)의 존재로 인해 충분히 저감될 수 없어도, p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 조정함으로써 누설 전류를 저감시키는 것이 가능해진다(도 2A 참조).

본 제3실시형태의 레이저 소자에 대해서는, 전술한 제1실시형태에서 설명한 사항을 모순이 없는 한 적용할 수 있는 것은 물론이다.

제4실시형태( 화상형성장치 및 화상표시장치)

상기 제1실시형태 내지 제3실시형태에 있어서 설명한 적색 면 발광 레이저 소자는 예를 들어 화상형성장치 또는 화상표시장치에 적용할 수 있다.

상기 소자를 화상형성장치에 적용하는 경우에는, 도 9A 및 도 9B에 나타낸 바와 같이, 화상형성장치는 적색 면 발광 레이저 소자(914)와 해당 레이저 소자로부터 출력되는 레이저광을 반사해서 주사를 행하기 위한 광편향기(910)를 포함한다. 광편향기(910)는 레이저광을 반사하고 반사 방향을 주사할 수 있는 구성이면 어떠한 구성이라도 가질 수 있다.

광편향기(910)의 예로는 다면경, 다각형 미러 및 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용해서 실리콘 등으로 이루어진 라미네이트를 요동시킴으로써 형성된 반사경을 들 수 있다.

상기 장치가 전자사진장치인 경우, 상기 광편향기(910)에 의해 편향된 빔에 의해 정전 잠상을 형성하기 위한, 드럼 형상의 감광체(900), 대전기(902), 현상기(904) 및 정착기(908)가 설치된다. 이 전자사진장치의 상세는 이하의 실시예를 통해 설명한다.

상기 적색 면 발광 레이저 소자는 디스플레이 등의 화상표시장치를 형성하기 위해서 상기 편향기 및 기타 관련된 구성 성분 등과 조합해서 사용될 수도 있다.

대안적으로는, 많은 적색 면 발광 레이저 소자를 어레이형상으로 배치하여, 멀티 빔 화상형성장치를 형성하는 것도 가능하다.

실시예 1

이하, 실시예 1에 대해 설명한다. 도 3은 실시예 1의 적색 면 발광 레이저 소자의 층 구성의 모식적 단면도이다.

본 실시예 1의 VCSEL은 n형 GaAs 기판(301), n형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경(302), n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 스페이서 층(303), 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304), Ga_{0 .56}In_{0 .44}P/Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 양자 우물 활성층(305), 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(306), p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 스페이서 층(307), p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경(308) 및 p형 GaAs 컨택트층(309)을 포함한다. 이에 따라, 680 ㎚의 파장을 가진 광을 발광하는 적색 면 발광 레이저가 형성된다.

우선, n형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경(302)과 p형 Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.5Ga_0.5As 다층막 반사경(308)에 대해 설명한다. Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층과 Al_0.5Ga_0.5As 층은 각각 1/4 파장의 광학적 두께를 갖도록 형성된다.

실제의 소자에서는, 전기 저항을 저감시키기 위해서, Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층과 Al_0.5Ga_0.5As 층 사이에 두께 약 20 ㎚의 조성 경사층이 설치되어 있다.

이 경우, 조성 경사층의 두께를 포함하는 총 두께가 1/4 파장의 광학적 두께가 되도록 설계된다. 전류가 흐르도록 하기 위해서, p형 다층막 반사경(308)에는, 억셉터(acceptor)로서 작용하는 불순물, 예컨대, 탄소나 아연 등을 도핑한다. 또, n형 다층막 반사경(302)에는 도너(donor)로서 작용하는 불순물, 예컨대 실리콘이나 셀렌 등을 도핑한다. 그리고, 다층막 반사경 내에서의 광 흡수를 가능한 한 많이 감소시키기 위해서, 다층막 반사경 내의 광강도 정재파의 파복에서는 도핑량이 낮게 되고, 마디(즉, 파절; node)에서는 도핑량이 많게 되도록 변조 도핑을 실시해도 무방하다.

본 실시예에서는, 에피택셜 층 표면, 즉, p형 층쪽으로부터 광을 출력한다. 이와 같이 해서, p형 다층막 반사경(308)은 반복 쌍을 36쌍 정도 포함하여 최적 광 출력 효율을 발휘하는 반사경을 형성한다. n형 층쪽으로부터는 광을 출력하지 않 으므로, n형 다층막 반사경(302)은 약 60쌍의 반복 쌍을 포함시켜 가능한 한 반사율을 높이고 해당 역치 전류를 저하시키도록 설계된다.

p형 다층막 반사경(308)에서는 활성층에서부터 1 내지 3쌍의 위치에 약 30 ㎚ 두께의 Al_{0 .98}Ga_{0 .02}As 층을 삽입할 수 있고, 이 Al_{0 .98}Ga_{0 .02}As 층을 선택적으로 산화시켜 전류 구속(current-confining) 구조를 형성시킬 수도 있다.

이하, 공진기를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 스페이서층(307)의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 설정하고 있으므로, 공진기 길이는 통상 이용되는 1파장 대신에 도 4에 나타낸 바와 같이 1.5파장이다.

발광 파장이 680 ㎚이므로, 1.5파장은 1020 ㎚의 광학적 두께를 부여한다. 공진기를 구성하는 층들은 모두 AlGaInP로 구성되지만, 활성층, 배리어층, 스페이서 층 및 기타 층에는 상이한 조성비를 가진 AlGaInP 재료가 사용된다. 따라서, 각 층의 두께는 공진기 길이가 1.5파장이 되도록 그 굴절률에 의거해서 결정할 필요가 있다.

또, 광과 캐리어 간의 상호작용을 최대로 하기 위해서는, 활성층을 정재파의 파복(403)에 배치시킬 필요가 있다. 즉, 활성층(305)은 1020 ㎚의 일단부로부터 1/3의 위치에 배치하고, n형 층은 보다 짧은 영역(도 4에서는 활성층(305)의 왼쪽)에 배치하고, p형 층은 보다 긴 쪽(도 4에서는 활성층(305)의 오른쪽)에 배치한다.

상기 조건을 고려하면서, 실제의 예에 대하여 다음과 같이 상세히 설명한다.

활성층(305)은 4개의 6 ㎚　GaInP 양자 우물과 3개의 6 ㎚　Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층을 포함한다. 또, 활성층(305)의 실제의 두께는 42 ㎚이다.

발광 파장 680 ㎚에서의 GaInP 층과 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 층의 굴절률은 각각 3.56 및 3.37이므로, 이 활성층의 광학적 두께는 146 ㎚이다.

이 활성층 영역의 광학적 두께의 절반(73 ㎚), 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304)의 광학적 두께 및 n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 스페이서층(303)의 광학적 두께의 합은 1020 ㎚의 1/3인 340 ㎚일 필요가 있다.

따라서, 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 스페이서층(303)은 60.5 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 상기 층들(304), (303)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.30이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께는 267 ㎚이다.

즉, 활성층(305)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와 267nm의 합계는 340 ㎚이고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 활성층(305)의 중앙이 정재파의 파복(403)과 정렬되게 된다.

p형 층쪽에 대해서는, 활성층(305)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과 비도핑된 Al_0.25Ga_0.25In_0.5P 배리어층(306) 및 p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 스페이서층(307)의 광학적 두께가 나머지, 즉, 680 ㎚가 되도록 할 필요가 있다.

n형 층쪽에는 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 층을 이용했지만, p형 층쪽에는 가능한 한 헤 테로 배리어를 증가시키기 위해서 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층을 사용하고, 약 1×10¹⁸㎝^-3까지 도핑을 행한다. 도펀트로서는 아연이나 마그네슘을 이용할 수 있다.

배리어층(306)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 스페이서층(307)은 167.6 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 이 층들(306), (307)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.22이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 607 ㎚이다. 또, 이 697 ㎚와 활성층(305)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와의 합계는 680 ㎚이다.

이상 설명한 바와 같이, 비도핑된 배리어 층을 포함하는 n형 층, 활성층 및 비도핑된 배리어 층을 포함하는 p형 층의 광학적 두께는 각각 267 ㎚, 146 ㎚ 및 607 ㎚(합계 1020 ㎚)이다. 이 합계는 1.5파장 공진기의 경우의 광학적 두께에 상당한다.

또, p형 층의 두께는 167.6 ㎚로, 이것은 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하의 범위 내이다.

이 공진기의 양쪽에 다층막 반사경을 형성한다. 공진기와 다층막 반사경 사이의 계면이 정재파의 파복과 정렬되도록 다층막 반사경의 n측과 p측이 배열된다.

구체적으로는, 저굴절률 재료, 즉, Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층(402)이 공진기와 접하고, 상기 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층(402)에 인접하게 고굴절률 재료, 즉, Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 층(401)이 배치된다. 이들 층(401), (402)의 쌍의 필요한 수는 반복해서 형성된다(p측에 36 쌍, n측에 60쌍).

실제의 소자 제작시에는, 우선 상기 두께의 층을 가진 웨이퍼를 결정 성장 기술에 의해서 형성한다.

예를 들어, 유기 금속 화합물 기상 증착 장치나 분자선 에피택시 장치에 의해 층들을 형성한다. 웨이퍼를 형성한 후, 통상의 반도체 프로세스에 의해 도 5에 나타낸 레이저 소자(5000)를 형성한다. 단, 도 5에 있어서, 도 3을 참조해서 설명한 층과 같은 기능을 가지는 층에 대해서는, 동일한 번호로 표기하고 있다.

포토리소그래피와 반도체 에칭에 의해 포스트를 형성하고, 선택적 산화에 의해 전류 구속층(502)을 형성한다. 그 후, 절연막(503)을 형성하고, 부분적으로 제거하여 컨택트용의 p형 GaAs 컨택트층(309)의 부분을 노출시키고, p측 전극(504)을 형성한다. 최종적으로, 웨이퍼의 뒷면에 n측 전극(501)을 형성하여 소자의 제조를 종료한다.

이와 같이 제작된 소자는 고온 동작 및 전체 출력 동작을 달성할 수 있어, 적색 면 발광 레이저 소자의 응용 범위가 확대된다.

이상의 설명은 하나의 소자를 제작하는 방법을 제공한다.

어레이 형상으로 집적시킨 복수의 소자를 제작할 경우, 예를 들어 32개의 소자를 4×8 어레이 형상으로 50 ㎛ 피치로 배열시킬 때, 목적으로 하는 소자 배치를 가진 포토마스크를 초기 단계부터 사용한다. 이어서, 상기와 같은 에피웨이퍼(epiwafer)를 이용해서, 동일한 소자 형성 공정에 의해 어레이 형상으로 배치된 복수의 소자를 동시에 형성할 수 있다. 즉, 목적으로 하는 패턴을 가진 마스크를 사용함으로써 적색 면 발광 레이저 어레이를 용이하게 얻을 수 있다.

단, 상기 소자는 n형 GaAs 기판을 사용해서 형성하고, p형 층이 그 상부에 배치되어 있다. 대안적으로는, 소자 형성에 p형 GaAs 기판을 이용하고, 상기 소자는 그 상부에 n형 층을 포함하도록 해도 된다.

실시예 2

이하에, 실시예 2에 대해 설명한다. 도 7은 실시예 2의 적색 면 발광 레이저 소자(7000)의 층 구성의 모식적 단면도이다.

본 실시예의 VCSEL 구조는 n형 GaAs 기판(301), n형 AlAs/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경(701), n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 스페이서 층(303), 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304), 제1 Ga_{0 .56}In_{0 .44}P/Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 양자 우물 활성층(702), Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 중간 배리어층(703), 제2 Ga_{0 .56}In_{0 .44}P/Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 양자 우물 활성층(704), 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(306), p형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 스페이서 층(705), p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경(308) 및 p형 GaAs 컨택트층(309)을 포함한다. 이에 따라, 680 ㎚의 파장을 가진 광을 발광하는 적색 면 발광 레이저가 형성된다.

n형 다층막 반사경(701)은 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 대신에 AlAs로 구성되어 있다. 그 이유는 AlAs가 열저항이 작아 소자의 열저항을 전체로서 저감시킬 수 있기 때문이다.

p형 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경(308)은 실시예 1(도 3)의 것과 동일하다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는, 다중 양자 우물 구조를 2개 포함하는 주기 이득 구조를 이용하고 있다. 이 구조에 의하면, 광 구속 비율 및 모드 이득을 증가시켜, 높은 발광 출력을 용이하게 얻을 수 있다.

상기 주기 이득 구조를 이용하는 것에 부가해서, p형 AlGaInP 층의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 하도록 도 8에 나타낸 바와 같이 공진기 길이는 2.5파장으로 설정된다.

이하, 도 8을 참조해서 공진기의 층 구조에 대해 설명한다.

공진 파장이 680 ㎚이이고, 공진기 길이가 2.5파장이므로, 그 광학적 두께는 1700 ㎚이다.

공진기 내의 층들은 모두 AlGaInP로 구성되어 있다. 그러나, 활성층, 배리어층, 스페이서 층 및 기타 층들에 대해서 상이한 조성비를 가진 AlGaInP 재료가 사용되므로, 공진기 길이가 2.5파장이 되도록 그 굴절률을 기초로 해서 각 층의 두께를 결정할 필요가 있다.

또, 광과 캐리어 간의 상호작용을 최대로 하기 위해서, 활성층(702), (704)은 내부 광강도 정재파의 파복(403)에 배치할 필요가 있다. 즉, 1700 ㎚의 일단부로부터 1/5의 위치와 1700 ㎚의 2/5의 위치에 각각 활성층을 배치하고, 짧은 쪽 영역(도 8에서는 왼쪽)에 n형 층을, 긴 쪽 영역(도 8에서는 오른쪽)에 p형 층을 배치한다.

상기 조건을 고려하면서, 실제의 예에 대해서 이하와 같이 상세히 설명한다.

제1 활성층(702) 및 제2 활성층(704)은 각각 4개의 6 ㎚　GaInP 양자 우물과 3개의 6 ㎚　Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층을 포함하고, 실제의 두께는 42 ㎚이다. 680 ㎚에서 GaInP 층과 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 층의 굴절률은 각각 3.56 및 3.37이기 때문에, 각 활성층의 광학적 두께는 146 ㎚이다.

이 활성층 영역의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304) 및 n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 층(303)의 광학적 두께의 합계는 340 ㎚일 필요가 있다.

따라서, 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 층(303)은 60.5 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 각 층(304), (303)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.30이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 267 ㎚이다. 이 267 ㎚와 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와의 합계는 340 ㎚이다.

즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 활성층(702)의 중앙이 정재파의 파복(403)과 정렬된다. 이어서, 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과 Al_0.25Ga_0.25In_0.5P 중간 배리어층(703)의 광학적 두께와 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)의 합계가 340 ㎚로 될 필요가 있다.

Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 중간 배리어층(703)의 굴절률은 3.37이므로, 그 두께를 57.6 ㎚로 하면, 이 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 중간 배리어층(703)의 광학적 두께는 194 ㎚로 될 필요가 있다. 그리고, 이들 194 ㎚, 73 ㎚ 및 73 ㎚의 합계는 340 ㎚가 된다. 그러므로, 제2 활성층(704)의 중앙은 도 8에 나타낸 바와 같이 정재파의 또 다른 파복(403)과 정렬된다.

대안적으로는, 이 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 중간 배리어층(703)의 일부에 마그네슘이나 아연을 도핑해서 이 층을 p형 층으로 만들어, 제1 활성층(702)에의 정공 주입 효율을 증대시키는 것도 가능하다.

p측에는, 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, 비도핑된 Al_0.25Ga_0.25In_0.5P 배리어층(306) 및 p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층(705)의 광학적 두께의 합계가 그 나머지, 즉 1020 ㎚로 될 필요가 있다.

배리어층(306)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층(705)은 273.2 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 이들 층들(306), (705)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.22이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 947 ㎚이다. 이 947 ㎚와 상기 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반의 합계는 1020 ㎚이다. 비도핑된 배리어층을 포함하는 n형 층, 중간 배리어층을 포함하는 두 활성층의 광학적 두께의 합계 및 비도핑된 배리어층을 포함하는 p형 층의 광학적 두께는 각각 267 ㎚, 486 ㎚ 및 947 ㎚이므로, 그 합계는 1700 ㎚이며, 이것은 2.5파장 공진기의 광학적 두께에 상당한다. 또한, p형 AlGaInP 층의 두께는 273.2 ㎚가 되도록 형성되어, 그의 허용 범위는 100 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하로 될 수 있다.

이 공진기의 양쪽에는 다층막 반사경을 형성한다. 공진기와 다층막 반사경 의 계면은 정재파의 파복과 정렬되도록 n측 및 p측 다층막 반사경을 모두 배치한다.

구체적으로는, 저굴절률 재료로 이루어진 층들, 즉, n측의 AlAs 층(801)과 p측의 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층(402)은 공진기와 접촉하고 있다. 또한, 이들 층(801), (402)에 인접하게 n측 및 p측에 Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 층(401)을 배치한다. 그리고, 각 측에 필요한 쌍의 수(p측에 36쌍, n측에 60쌍)를 반복한다.

다음에, 실시예 1에서 설명한 바와 같이, 소자를 제작하거나, 혹은 소자의 어레이를 제작하면 된다.

실시예 3

이하, 적색 면 발광 레이저 어레이에 적용된 적색 면 발광 레이저 소자에 대해 설명한다. 도 9A 및 도 9B는 본 실시예의 적색 면 발광 레이저 어레이를 포함하는 전자 사진 화상형성장치의 구성을 나타낸다. 도 9A는 화상형성장치의 상면도이고, 도 9B는 그 장치의 측면도이다.

도 9에 나타낸 화상형성장치는 감광체(900), 대전기(902), 현상기(904), 전사 대전기(906), 정착기(908), 회전 다면경(910), 모터(912), 적색 면 발광 레이저 어레이(914), 반사경(916), 콜리메이터 렌즈(920) 및 f-θ 렌즈(922)를 포함한다.

도 9A 및 도 9B에 있어서, 모터(912)는 회전 다면경(910)을 회전시킨다. 본 실시예의 회전 다면경(910)은 6개의 반사면을 갖고 있다.

적색 면 발광 레이저 어레이(914)는 기록용 광원이다. 이 적색 면 발광 레 이저 어레이(914)는 레이저 드라이버(도시하지 않음)에 의해 화상 신호에 따라 점멸된다. 이렇게 변조된 레이저광은 적색 면 발광 레이저 어레이(914)로부터 콜리메이터 렌즈(920)를 통해 회전 다면경(910)에 적용된다.

회전 다면경(910)은 화살표 방향으로 회전한다. 적색 면 발광 레이저 어레이(914)로부터 출력된 레이저광은, 회전 다면경(910)의 회전에 수반해서 편향각을 연속적으로 변화시키는 편향빔을 형성하도록 그 회전중인 다면경(910)에서 반사된다. 이 반사광은, f-θ 렌즈(922)에 의해 왜곡 수차 등을 보정해서 반사경(916)에 의해 반사되고, 감광체(900)를 조사하면서 감광체(900)를 주주사 방향으로 주사한다. 이때, 회전 다면경(910)의 1면에 의해 편향된 빔의 반사에 의해, 주주사 방향으로 적색 면 발광 레이저 어레이(914)에 대응한 복수의 라인에 상당하는 화상이 형성된다. 본 실시예에 있어서는, 4×8의 적색 면 발광 레이저 어레이를 이용하고, 4 라인에 대응하는 화상이 동시에 형성된다.

감광체(900)는 미리 대전기(902)에 의해 대전된다. 이 감광체(900)는 레이저광의 주사에 의해 순차 노광되어 정전 잠상을 형성한다. 또, 감광체(900)는 화살표 방향으로 회전된다. 형성된 정전 잠상은 현상기(904)에 의해 현상되고, 얻어진 가시상은 전사 대전기(906)에 의해 전사지(도시생략)에 전사된다. 가시상이 전사된 전사지는 정착기(908)에 반송되어 화상 정착을 실시한 후에, 장치 밖으로 배출된다.

또, 본 실시예에서는 4×8 적색 면 발광 레이저 어레이를 이용했지만, 다른 유형의 어레이를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, m×n 적색 면 발광 레이저 어레이(m, n：자연수)를 이용해도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 적색 면 발광 레이저 어레이를 전자 사진 화상형성장치에 이용함으로써, 고속 및 고정밀 인쇄를 실현하는 화상형성장치를 얻는 것이 가능해진다.

상기 소자를 전자 사진 잔치의 광원에 적용한 경우 등의 몇몇 경우에는, 단일 황방향 모드를 달성하면서, 60℃까지 레이저 동작이 요구된다. 일반적으로, 단일 횡방향 모드를 달성시키기 위해서는, 발광 영역을 좁게(지름 4㎛ 이하) 할 필요가 있다. 주입 전류량이 같은 경우에도, 실제의 전류 밀도는 증가되고, 누설 전류도 증가한다.

본 발명에 따르면, 온도 특성이 개선된 신규의 적색 면 발광 레이저 소자가 제공된다.

또, 도 11에는 본 실시예의 레이저 소자(1201)를 내장한 레이저 디스플레이의 일례가 도시되어 있다. 도 11에 있어서, 레이저 디스플레이는 제1편향 수단(1202) 및 제2편향 수단(1211)을 포함한다. 상기 제1편향 수단(1202)에 의해 형성된 제2편향 수단(1211) 상의 주사 궤적은 참조 번호 (1210)으로 표시되어 있다. 참조 번호 (1212)는 제2편향 수단(1211)에 의해 편향된 광을 나타내고, (1213)은 특정 평면을 나타내며, (1214)는 편향광에 의해 주사되는 상기 평면(1213) 내의 범위를 나타내고, (1215)는 상기 평면(1213) 상의 주사선의 궤적을 모식적으로 나타낸 것이다. 또한, 참조 번호 (1203)은 레이저 소자(1201)의 광 방향을 나타낸다. 참조 번호 (1205), (1206)은 각각 편향된 광 방향을 나타낸다.

제1편향 수단(1202)과 제2편향 수단(1210)은 각각 광을 수평 방향 및 수직 방향으로 편향시킨다. 그 결과, 편향광에 의해 주사되는 영역은 2차원으로 된다.

실시예 4

이하, 실시예 4에 대해 설명한다. 이 실시예 4에서는, 다중 양자 우물 구조를 2개 포함하는 주기 이득 구조를 이용하고 있다. 이 구성에 의하면, 광 구속 비율 및 모드 이득을 증가시키고, 높은 발광 출력을 용이하게 얻을 수 있다.

또, 상기 주기 이득 구조에 부가해서, p형 AlGaInP 층의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 조정하기 위해 도 10에 나타낸 바와 같이 2파장 공진기를 이용한다.

이하, 도 10을 참조해서 공진기의 층 구조에 대해 설명한다.

공진 파장은 680 ㎚이고, 공진기 길이가 2파장이므로, 그 광학적 두께는 1360 ㎚이다. 공진기 내의 층들은 모두 AlGaInP로 구성되지만, 활성층, 배리어층 및 스페이서 층에 대해서 상이한 조성비를 가진 AlGaInP 재료가 사용된다. 따라서, 각 층의 두께는 공진기 길이가 2파장이 되도록 그 굴절률에 따라 결정할 필요가 있다. 또한, 광과 캐리어 간의 상호작용을 최대로 하기 위해서, 활성층(702), (704)을 내부 광강도 정재파의 파복(403)과 정렬시킬 필요가 있다. 특히, 1360 ㎚의 그 단부로부터 1/4의 위치와 1360 ㎚의 1/2의 위치에 각각 활성층을 배치하고, 짧은 쪽 영역(도 10에서는 왼쪽)에 n형 층을, 긴 쪽 영역(도 10에서는 오른쪽)에 p형 층을 배치한다.

상기 조건을 고려하면서, 실제의 예에 대해서 하기와 같이 상세히 설명한다.

제1 활성층(702) 및 제2 활성층(704)은 각각 4개의 6 ㎚　GaInP 양자 우물과 3개의 6 ㎚　Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층을 포함하고, 실제의 두께는 42 ㎚이다.

파장 680 ㎚에서의 GaInP 층과 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 층의 굴절률은 각각 3.56 및 3.37이므로, 이들 각 활성층의 광학적 두께는 146 ㎚이다. 이 활성층 영역의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, 비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304) 및 n형 Al_0.35Ga_0.15In_0.5P 층(303)의 광학적 두께의 합계는 340 ㎚일 필요가 있다.

비도핑된 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 배리어층(304)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, n형 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 층(303)은 60.5 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 이들 층(304), (303)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.30이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 267 ㎚이다. 이 267 ㎚와 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과의 합계는 340 ㎚이다. 즉, 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1 활성층(702)의 중앙이 정재파의 파복(403)과 정렬된다. 다음에, 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 중간 배리어층(703)의 광학적 두께와, 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)의 합계는 340 ㎚일 필요가 있다. Al_0.25Ga_0.25In_0.5P 중간 배리어층(703)의 굴절률이 3.37이므로, 해당 층(703)의 두께는 57.6 ㎚로 하면, 이 중간 배리어층(703)의 광학적 두께는 194 ㎚가 될 필요가 있다. 따라서, 이들의 합계는 340 ㎚가 될 것이다. 그러므로, 제2 활성층(704)의 중앙도, 도 10에 나타낸 바와 같이, 정재파의 파복(403)과 정렬된다. 대안적으로는, 이 AlGaInP 중간 배리어층(703)의 일부에 마그네슘이나 아연을 도핑하여 해당 층을 p형으로 만들어, 제1 활성층(702)에의 정공의 주입 효율을 증대시켜도 된다.

p측에는, 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, 비도핑된 Al_0.25Ga_0.25In_0.5P 배리어층(306) 및 p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층(705)의 광학적 두께의 합계는 그 나머지인 680 ㎚가 될 필요가 있다. 배리어층(306)의 두께가 20 ㎚이고, p형 Al_0.5In_0.5P 층(705)의 두께가 167.6 ㎚인 경우, 이들 층(306), (705)의 굴절률이 각각 3.37 및 3.22이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 607 ㎚이다. 이 607 ㎚와 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와의 합계는 680 ㎚이다. 비도핑된 배리어층을 포함하는 n층의 광학적 두께, 중간 배리어층을 포함하는 두 활성층의 광학적 두께의 합계, 및 비도핑된 배리어층을 포함하는 p형 층의 광학적 두께는 각각 267 ㎚, 486 ㎚ 및 607 ㎚이므로, 이들의 합계는 1360 ㎚이고, 이것은 2파장 공진기의 광학적 두께에 상당한다. 또, p형 AlGaInP 층의 두께는 167.6 ㎚로, 이것은 100 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하의 범위 내이다. 이 공진기의 양쪽에는 다층막 반사경을 형성한다. 상기 공진기와 다층막 반사경의 계면은 정재파의 파복과 정렬되도록 n측 및 p측 다층막 반사경을 모두 배치한다. 구체적으로는, 저굴절률 재료로 구성된 층들, 즉, n측의 AlAs 층(801) 및 p측의 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층(402)은 공진기에 접촉하고 있다. 이들 층(801), (402)에는 n측 및 p측에 Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 층(401)이 배치된다. 그리고, 각 측에 각각 필요한 수(p측 36 쌍, n측 60 쌍 정도)를 반복한다.

실시예 5

도 12는 본 실시형태에서 설명한 다층 구조를 가진 적색 면 발광 레이저의 최대 출력과 환경 온도 간의 관계(실선)를 나타낸 그래프이다. 상기 적색 면 발광 레이저는 도 10을 참조해서 설명한 도 10에 나타낸 구성을 가진다. p형 반도체 스페이서 층(705)은 p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층(두께: 167.6 ㎚)이다. 단, 도 10에 있어서의 층(801)은 AlAs 대신에 Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As로 구성되어 있다. 도 12에 있어서, 점선은 p형 반도체 스페이서 층이 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P로 구성되고 그 두께가 60.5 ㎚인 반면, 그 나머지 층 구성은 그래프에서 실선으로 나타낸 소자와 동일한 소자의 특성을 나타낸다.

상기 설명한 바와 같이, 누설 전류량은 환경 온도에 따라 증가하는 경향이 있고, 광 출력은 환경 온도의 증가에 따라 감소하는 경향이 있다. 종래 기술(도 12에서의 점선)의 소자로부터의 발광이 환경 온도 75.2℃에서 정지한 반면, 본 실시예의 레이저 소자는 84.1℃까지 발광을 달성한다. 60℃에서의 두 소자의 최대 출력을 비교한 경우, 본 실시예의 소자의 최대 출력은 종래의 것보다 약 40% 크다. 즉, 본 실시예의 소자에 의하면, 누설 전류가 저감되어 고온 동작 가능한 적색 면 발광 레이저를 실현할 수 있다.

단, 여기에서는 기판 쪽에 배치된 하부 DBR을 구성하는 저굴절률층으로서 낮은 열저항을 가진 AlAs 층을 이용하고 있다. 이러한 경우, 상기 레이저 소자 내부에서 발생된 열은 용이하게 도피될 수 있어, 소자 내부의 온도 상승을 억제할 수 있다.

이하의 표 1은 각종 두께를 가진 p형 스페이서 층의 예를 나타내고 있다. 표에 있어서, p형 스페이서 층으로서 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 층이 이용되고, n형 스페이서 층으로서 Al_{0 .35}Ga_{0 .15}In_{0 .5}P 층이 이용되며, p측 및 n측 각각에서의 비도핑된 배리어 층으로서 Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 층이 이용되고 있다. 4중극 Ga_{0 .5}In_{0 .5}P/Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 양자 우물이 활성층으로서 이용된 경우, 그 두께는 42 ㎚이다. 주기 이득 구조가 이용된 경우, 중간의 비도핑된 배리어 층을 포함하는 두께는 이배 주기 이득 구조를 위해 141.6 ㎚이고, 삼배 주기 이득 구조를 위해서 2개의 중간의 비도핑된 배리어 층을 포함하는 두께는 241.2 ㎚이다.

실시예 1, 2 및 4에 있어서, p형 스페이서 층의 두께는 167.6 ㎚ 또는 273.2 ㎚이다. 그러나, 표 1에 나타낸 바와 같이, p형 스페이서 층의 두께는 공진기 길이와, 활성층, 비도핑된 배리어 층 및 n형 스페이서 층의 두께를 적절하게 조정함으로써 바람직한 값(100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하)으로 조정될 수 있다.

공진기 길이가 설계된 파장의 적분 배수일 것이 요구되고 활성층의 중심이 정재파의 파복과 정렬되도록 요구될 경우, p형 스페이서의 두께는 연속적인 값을 취하지 않는다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 비도핑된 배리어 층의 두께를 조정함으로써 본 발명에서 정의된 범위 내로 어느 정도 조정하는 것이 가능해진다.

	활성층 두께 (㎚)	p형 스페이서 층 두께 (㎚)	p측 비도핑된 배리어 층 두께 (㎚)	n형 스페이서 층 두께 (㎚)	n측 비도핑된 배리어 층 두께 (㎚)	공진기 길이 (파장)	참고
1	42.0	100.0	84.6	60.5	20	1.5
2	42.0	150.0	36.8	43.3	36.8	1.5
3	42.0	167.6	20	60.5	20	1.5	도 4
4	42.0	273.2	20	60.5	20	2
5	141.6	167.6	20	60.5	20	2	도 10
6	42.0	300.0	95.2	60.5	20	2.5
7	42.0	350.0	47.5	32.4	47.5	2.5
8	141.6	273.2	20	60.5	20	2.5	도 8
9	42.0	237.2	20	163.5	20	2.5
10	42.0	350.0	47.5	135.4	47.5	3
11	141.6	350.0	47.5	60.5	20	3
12	141.6	252.2	40	143.1	40	3
13	141.6	252.2	40	246.1	40	3.5
14	141.6	350.0	47.5	135.4	47.5	3.5
15	141.6	350.0	47.5	238.4	47.5	4
16	241.2	252.2	40	246.1	40	4

이상 본 발명은 실시예를 참조해서 설명하였지만, 본 발명은 이들 개시된 실시예로 한정되지 않는 것임을 알 수 있을 것이다. 이하의 특허청구범위의 범주는 모든 변형, 등가의 구성 및 기능을 망라하도록 최광의의 해석에 따를 필요가 있다.

도 1은 적색 면 발광 레이저의 활성층, p형 반도체 스페이서 층 및 p형 반도체 다층막 영역의 밴드 단부의 라인 업을 나타낸 도면;

도 2A는 p형 반도체 스페이서 층 두께와 규격화 누설 전류 간의 관계를 나타낸 도면이고, 도 2B는 p형 반도체 스페이서 층 두께와 공진기 내부에서의 광손실 간의 관계를 나타낸 도면;

도 3은 제1실시형태에 따른 적색 면 발광 레이저의 층 구성을 나타낸 모식적 단면도;

도 4는 실시예 1의 공진기 구조를 나타낸 모식적 단면도;

도 5는 실시예 1의 레이저 소자의 모식적 단면도;

도 6은 쉬나이더 문헌으로부터 인용된 밴드 다이어그램;

도 7은 실시예 2의 적색 면 발광 레이저의 층 구성을 나타낸 모식적 단면도;

도 8은 실시예 2의 공진기 구조를 나타낸 모식적 단면도;

도 9A 및 도 9B는 화상형성장치의 모식도;

도 10은 실시예 4의 공진기 구조를 나타낸 모식적 단면도;

도 11은 화상표시장치의 모식도;

도 12는 실시예 5의 소자의 온도 특성을 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

301:　기판 302:　제1반사경

305:　활성층 307:　p형 반도체 스페이서 층

308:　제2반사경 401:　Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 층

402: Al_{0 .9}Ga_{0 .1}As 층

403:　내부 광강도 정재파의 파복

501:　n측 전극 502:　전류 구속층

503:　절연막 504:　p측 전극

701:　n형 AlAs/Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As 다층막 반사경

702: 제1 Ga_{0 .56}In_{0 .44}P/Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 양자 우물 활성층

703:　Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 중간 배리어층

704: 제2 Ga_{0 .56}In_{0 .44}P/Al_{0 .25}Ga_{0 .25}In_{0 .5}P 양자 우물 활성층

705:　p형 Al_{0 .5}In_{0 .5}P 스페이서 층 801:　AlAs 층

900:　감광체 902:　대전기

904:　현상기 906:　전사 대전기

908:　정착기 910:　회전 다면경(광편향기)

912:　모터 914:　적색 면 발광 레이저 어레이

916:　반사경 920:　콜리메이터 렌즈

922:　f-θ 렌즈

Claims (20)

1. 적색 면 발광 레이저 소자이며,

   제1반사경;

   p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경;

   상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및

   상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 있고, 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 반도체 스페이서 층을 포함하고,

   상기 p형 반도체 스페이서 층은 알루미늄, 인듐 및 인을 함유하고,

   상기 p형 반도체 다층막은 알루미늄 및 비소를 함유하고,

   상기 p형 반도체 다층막은 적층된 복수쌍의 층을 포함하되, 각 쌍은 굴절률이 다른 제1층과 제2층을 포함하며,

   상기 제1층과 제2층 중 적어도 한 층은 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유하고,

   상기 제1반사경은 n형의 반도체 다층막을 포함하고,

   상기 적색 면 발광 레이저 소자는 상기 제1반사경과 상기 활성층 사이에 n형 반도체 스페이서 층을 추가로 포함하고,

   상기 활성층, 상기 p형 반도체 스페이서 층 및 상기 n형 반도체 스페이서 층은 공진기를 구성하고, 상기 공진기는 상기 활성층이 해당 공진기의 공진기 길이 방향의 중앙에 위치하지 않는 비대칭 구조를 가지고,

   상기 p형 반도체 스페이서 층의 두께는 상기 n형 반도체 스페이서 층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 p형 반도체 스페이서 층의 두께는 150 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 p형 반도체 스페이서 층은 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}P(여기서, 0.45≤x+y≤0.55, 0.25≤x≤0.55 및 0≤y≤0.30)를 함유하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
5. 제4항에 있어서, 상기 p형 반도체 스페이서 층은 Al_xGa_yIn_{1 -x- y}P(여기서, 0.50≤x+y≤0.52, 0.35≤x≤0.52 및 0≤y≤0.17)를 함유하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 제2반사경은 GaAs와 정합하는 격자를 가진 반도체 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
9. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 GaInP로 이루어진 층과 AlGaInP로 이루어진 층을 포함하는 양자 우물 활성층인 적색 면 발광 레이저 소자.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 상기 p형 반도체 스페이서 층과 상기 활성층 사이에 또 다른 스페이서 층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1항에 있어서, 상기 활성층을 포함하는 공진기의 공진기 길이는 1.5파장 이상 4파장 이하인 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
15. 제1항에 따른 적색 면 발광 레이저 소자; 및

    상기 레이저 소자로부터 출력되는 레이저 광을 반사해서 주사를 행하기 위한 편향기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 편향기에 의해 편향된 광에 의해 정전잠상을 형성하기 위한 감광체;

    대전기;

    현상기; 및

    정착기를 포함하는 화상형성장치.
17. 제1항에 따른 적색 면 발광 레이저 소자; 및

    상기 레이저 소자로부터 출력되는 레이저 광을 반사해서 주사를 행하기 위한 편향기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상표시장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 활성층은 복수의 활성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자.
19. 삭제
20. 삭제

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