KR101079005B1 - 수직 공진형 표면 발광 레이저(ｖｃｓｅｌ), ｖｃｓｅｌ 어레이 소자, 광 주사 장치, 및 화상 형성 장치 - Google Patents

수직 공진형 표면 발광 레이저(ｖｃｓｅｌ), ｖｃｓｅｌ 어레이 소자, 광 주사 장치, 및 화상 형성 장치 Download PDF

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Abstract

수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)는, 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상에 형성된 하부 반사경, 및 메사(mesa) 구조를 포함한다. 메사 구조는, 활성층, 전류 협착 구조(current confined structure)를 포함하는 선택 산화층, 및 상부 반사경을 포함한다. 반도체 기판에 하부 전극이 연결되고, 상부 반사경에 상부 전극이 연결된다. VCSEL은, 상부 전극과 하부 전극 사이에 전류가 흐르면, 반도체 기판의 면에 수직으로 레이저광을 출사한다. 반도체 기판은 (100)면에 대하여 경사져 있다. 활성층은, 기판에 대하여 압축 변형도(compressive strain)를 갖는 양자 우물층, 및 스페이서층을 포함한다. 스페이서층은 반도체 기판에 대하여 압축 변형도 또는 인장 변형도(tensile strain)를 갖는다.

Description

수직 공진형 표면 발광 레이저(ＶＣＳＥＬ), ＶＣＳＥＬ 어레이 소자, 광 주사 장치, 및 화상 형성 장치{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER(VCSEL), VCSEL ARRAY DEVICE, OPTICAL SCANNING APPARATUS, AND IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은, 일반적으로 표면 발광 레이저에 관한 것이며, 보다 자세하게는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL), VCSEL 어레이 소자, 이러한 VCSEL 어레이 소자를 통합한 광 주사 장치, 및 이러한 광 주사 장치를 통합한 화상 형성 장치에 관한 것이다.
수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)는, 레이저가 형성되는 기판에 수직 방향으로 광을 출사하는 반도체 레이저이다. VCSEL은 단부 발광형(edge-emitting) 반도체 레이저보다 비용일 덜 들고 더 성능이 우수하다. 이러한 이유로, VCSEL은, 광 통신, 광 인터커넥션, 광 픽업, 및 레이저 프린터와 같은 화상 형성 장치에 대한 광원으로서 이용이 점차 증가되고 있다. 예컨대, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1999, Vol.11, No.12, pp. 1539-1541("비특허 문헌 1")은, AlGaAs 재료를 채용하는 VCSEL로서, 레이저가 3 mW 이상의 싱글 모드 출력을 갖는 것을 개시하고 있다.
상술된 용도들을 위한 VCSEL은, 높은 활성층 이득, 저임계 전류, 고출력, 고신뢰성, 및 편광 방향이 제어된 것과 같은 특성을 가질 것이 요구된다.
통상적으로, VCSEL은 GaAs 기판 상에 반도체막들의 층들을 형성함으로써 형성된다. 구체적으로는, VCSEL은, GaAs 양자 우물 활성층의 한 측 상에 형성된 AlGaAs의 클래드층, 및 AlGaAs와 AlAs막들의 반도체층들을 교대로 함으로써 형성된 반사경들(Distributed Bragg Reflector, DBR)들을 포함한다. 광 출사측 상의 클래드층과 반사경 사이에 전류 협착층이 형성되어, 성능을 향상시킨다.
그러나, 상기 구조를 갖는 VCSEL에서, 단부 발광형 반도체 레이저와 비교하여, 편광 제어가 어렵다. 많은 경우에서, 편광 제어는 제조 프로세스에서 예측 불가능한 변동에 의존한다. 편광은 동일 기판 상에서도 변할 수도 있어, 일정한 편광 방향을 갖는 VCSEL을 안정하게 획득하는 것을 어렵게 한다. 이 VCSEL은 단부 발광형 레이저보다 더 짧은 공동(cavity) 길이와 광 출사용의 더 큰 개구부를 가지므로, 편광 안정성을 달성하기 어렵다.
VCSEL이 레이저 프린터와 같은 화상 형성 장치에 의하여 화상을 형성하기 위한 광원으로서 사용되면, 편광 방향의 변화에 의해 광 주사용 폴리곤 미러에서 반사율이 상이하게 된다. 그 결과, 광 이용 효율이 감소하거나, 화상이 안정하게 기록될 수 없다. 후술되는 바와 같이, VCSEL에서 편광 방향을 안정화시키기 위하여 다양한 대책이 취해져 오고 있다.
IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1998, Vol.10, No.12, pp. 1676-1678("비특허 문헌 2")는, VCSEL에서 편광 방향을 제어하는 방법으로서, 예컨대 기판의 이방성이 이용되는 방법을 개시한다. 구체적으로는, 본 방법은 경사진 (311)B 기판을 이용함으로써 편광 방향을 (-233) 방향으로 제어하는 방법을 포함한다.
일본 특허 공개 공보 No. 2008-28424("특허 문헌 1")는, VCSEL에서의 메사 구조에 이방성을 제공함으로써 편광을 제어하는 방법을 개시한다. 일본 특허 No.3791193("특허 문헌 2")은, 배선이 인출되는 방향을 이용하는 편광 제어 방법을 개시한다. 일본 특허 공개 공보 No.2008-16824("특허 문헌 3")는, VCSEL 내부에 국소적으로 산화 영역을 제공함으로써 활성층에 응력의 인가를 포함하는 편광 제어 방법을 개시한다.
일본 특허 공개 공보 No. 11-340570("특허 문헌 4") 및 11-354888("특허 문헌 5")는, 레이저 프린터와 같은 화상 형성 장치에서 보다 고속의 요구를 만족시키기 위하여, 단일 칩 상에 복수의 광원들이 제공되는 멀티 빔 반도체 레이저를 개시한다.
일본 특허 공개 공보 No. 2002-217492("특허 문헌 6")는, 기판 상에 활성층을 형성하는 방법으로서, 활성층과 기판 사이에, 활성층과 기판 사이의 중간 격자 상수를 가지는 완화층이 제공되어, 고품질의 활성층이 형성될 수 있는 방법을 개시한다.
일본 특허 공개 공보 No.2003-347582("특허 문헌 7")는, AlInP/GaInP를 이용하여 기판 상에 DBR을 형성하여 격자 상수가 서서히 변화하여, 고품질의 활성층을 형성하는 방법을 개시한다.
비특허 문허 2에 따른 방법에서, 기판은 25°로 경사져 있다. 기판의 경사가 증가함에 따라, 산화 협착층을 형성할 때에 등방성 산화가 점차 어려워져, 제조의 어려움이 증가되게 된다. 또한, 이러한 기판은 특수한 기판이고, 상당히 비싸, VCSEL을 저비용으로 제조하는 것을 어렵게 한다.
특허 문헌 1의 방법에서, 전류 협착 영역에 메사 구조의 이방성이 반영된다. 이 경우, 전류 주입 균일성이 상실될 수도 있고, 또는 제조된 레이저로부터 원하는 스폿 형상이 획득되지 않을 수도 있다. 또한, 특허 문헌 1의 방법에서, 메사 구조의 이방성은 또한 VCSEL에 전류 협착 영역을 형성하는 프로세스에 영향을 미쳐, 균일한 전류 주입이 어렵다.
특허 문헌 2에 따른 방법에서, VCSEL이 고밀도로 단일 칩 내에서 집적되는 경우, 각각의 소자들의 간격들이 더 좁아져, 배선들을 자유롭게 형성하는 것을 어렵게 한다. 배선을 위하여 각각의 소자들 간의 간격들이 증가되면, 각 칩의 면적이 증가하여, 제조 비용을 상승시킨다.
특허 문헌 3에 따른 방법에서, VCSEL의 구조는 추가적인 제조 단계를 요하여, 제조 프로세스가 더욱 복잡해지고, 더 긴 제조 시간을 요하여, 제조 비용을 증가시킨다. 또한, 전류 협착층은 AlAs를 산화함으로써 획득된 AlOx로 형성되어, 이 협착층 주위에 변형을 발생시킨다. 그 결과, 통전(energization) 시 전위(dislocation)가 발생되어, 신뢰성을 저하시킬 가능성이 있다. 따라서, 이러한 전류 협착층을 복수 제공하는 것은 바람직하지 않다.
특허 문헌 4 및 5에 따른 멀티 빔 반도체 레이저는, 단면 발광형 반도체 레이저로서, 소자들이 일차원적으로 어레이화되는 경우, 각 소자들 간의 열 간섭의 문제점이 있고, 구조에 수 ㎛ 이하의 협한 피치들을 획득하기 어렵다.
특허 문헌 6에 개시된 구조에서, 활성층은 기판과는 상당히 상이한 격자 상수를 갖는다. 기판과 활성층 사이에 중간 격자 상수를 갖는 완화층이 제공되어도, 활성층 근처의 큰 변형을 갖는 층의 존재가 활성층을 변형시켜, 고품질을 획득하기 어렵게 한다.
특허 문헌 7에 따른 구조에서, 기판과는 상당히 상이한 격자 상수를 갖는 활성층을 형성하기 위하여, 기판과 활성층 사이의 DBR의 격자 상수가 서서히 변화된다. 따라서, 활성층 근처의 DBR과 활성층 간의 격자 상수의 차는 특허 문헌 6에서보다 작다. 그러나, 통상적으로 수 ㎛ 정도인 DBR의 두께가 주어지면, 활성층에 가해지는 응력이 크다. 따라서, 특허 문헌 6의 경우에서와 같이 고품질의 활성층을 획득하기 어렵다.
따라서, 종래의 레이저 광원들은, 예컨대 레이저 프린터와 같은 화상 형성 장치의 고속화에 충분히 대응할 수 없다.
관련 기술의 하나 이상의 문제점들은 본 발명에 의하여 극복되며, 본 발명은, 일 태양에서, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 표면 상에, 상이한 굴절률들을 갖는 반도체막들의 층들을 교대로 형성함으로써 상기 반도체 기판의 표면 상에 형성된 하부 반사경; 상기 하부 반사경 상에서 반도체 재료로 형성된 활성층, 상기 활성층 상에서 형성되고 부분적으로 산화되어, 전류 협착 구조를 형성하는 선택 산화층, 및 상기 선택 산화층 상에서 상이한 굴절률들을 갖는 반도체막들의 층들을 교대로 형성함으로써 형성된 상부 반사경을 포함하는 메사 구조; 상기 반도체 기판에 연결된 하부 전극; 및 상기 상부 반사경에 연결된 상부 전극을 포함하는 VCSEL이다.
본 VCSEL은, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 전류가 흐르는 경우, 상기 반도체 기판의 면에 수직으로 레이저광을 출사한다. 본 태양에 따른 VCSEL은, 상기 반도체 기판이 특정면에 대하여 경사지고, 상기 활성층은, 상기 기판에 대하여 압축 변형을 갖는 양자 우물층과, 스페이서층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 스페이서층은 상기 반도체 기판에 대하여 특정 변형(specific strain)을 갖는다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, VCSEL 어레이 소자는 반도체 기판 상에 배열된 복수의 상기 VCSEL들을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 태양에 따르면, 광 빔으로 피주사면을 주사하는 광 주사 장치는, 광원 유닛; 상기 광원 유닛에 의하여 출사된 광 빔을 편향하도록 구성된 편향 유닛; 및 상기 피주사면 상에 상기 편향 유닛에 의하여 편향된 상기 광 빔을 집광하도록 구성된 주사 광학 시스템을 포함한다. 본 광 주사 장치는, 상기 광원 유닛은 상기 VCSEL 어레이 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 태양에 따르면, 매체 상에 화상을 형성하는 화상 형성 장치는, 상기 매체 상에 형성될 화상을 운반하는 화상 캐리어, 및 상기 매체 상에 형성될 상기 화상에 관한 화상 정보에 따라 상기 화상 캐리어를 광으로 주사하는 광 주사 장치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 특정 방향으로 편광 제어된 VCSEL, 이 VCSEL을 이용한 VCSEL 어레이 소자, 광 주사 장치 및 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들, 이점들 및 특징들을 첨부된 도면과 함께 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 설명하며, 도면들에서 동일한 도면 부호들은 몇몇 도면들에 걸쳐 동일하거나 대응하는 부분들을 지정한다.
(제1 실시예)
본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)는 전류 협착 구조를 포함한다. 도 1a는 경사지지 않은 n-GaAs 기판(10)의 평면도를 도시한다. 도 1b는 도 1a에서 점선 A1-A2를 따라 취한 단면도를 도시한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, n-GaAs 기판(10)의 표면은 경사지지 않은 주요면(100)이다.
도 1c는 15°의 각 α로 (011) 방향으로 (100)면에 대하여 경사진 n-GaAs 반도체 기판(11)의 단면도이다. 이 경사각은 일반적으로는, 2°내지 20°일 수도 있다. 이와 같이, 경사진 기판을 사용함으로써, 경사 방향과 상기 경사 방향에 수직하는 방향 사이에 활성층에 이득차가 생겨, 편광 방향을 특정 방향으로 제어하는 것이 더 쉬워진다.
도 2을 참조하여, 제1 실시예에 따른 VCSEL의 구조를 설명한다. 본 실시예에 따른 VCSEL은 경사진 n-GaAs 반도체 기판(11)을 포함한다. 이 경사진 n-GaAs 반도체 기판(11) 상에, 고굴절률과 저굴절률을 갖는 반도체막들의 층들을 교대로 형성함으로써 하부 반사경(12)이 형성된다. 이 하부 반사경(12)의 정상부 상에, 하부 스페이서층(13)이 형성되며, 그 위에 다중 양자 우물층(14)이 더 형성된다. 이 다중 양자 우물층(14) 상에, 상부 스페이서층(15)이 형성된다. 이 상부 스페이서층(15) 상에, 선택 산화층(16)이 형성되고, 그 위에 상부 반사경(17)이 더 형성 된다. 이 상부 반사경(17)은 고굴절률과 저굴절률을 갖는 반도체막들의 층들을 교대로 형성함으로써 형성된다. 이 상부 반사경(17) 상에 컨택트층(18)이 더 형성된다.
본 실시예에 따르면, 하부 스페이서층(13), 다중 양자 우물층(14) 및 상부 스페이서층(15)은 활성층(31)을 구성한다. 다중 양자 우물층(14)은 반도체 기판(11)에 대하여 압축이되는 변형을 갖는다.
이와 같이 각 층들이 형성된 후, 하부 스페이서층(13), 다중 양자 우물층(14), 상부 스페이서층(15), 선택 산화층(16), 상부 반사경(17), 및 컨택트층(18)의 적층으로 메사 구조가 형성된다. 그 후, 선택 산화층(16)은 선택적으로 산화되어, 주변의 산화된 영역(산화 영역)(32)과 중심의 비산화된 영역(전류 협착 영역)(33)을 형성한다. 특히, 산화 영역(32)에서, AlxOy의 절연체가 형성되어, 소자를 통과하여 전류가 흐르는 경우, 이 전류 협착 영역(33)을 통하여 전류가 집중하여 흐르는 전류 협착 구조를 형성한다.
그 후, 메사 구조를 덮도록 보호막(19)이 형성되고, 이어서, 컨택트층(18)에 연결된 상부 전극(20) 및 반도체 기판(11)의 이면 상에 하부 전극(21)이 형성된다.
이 VCSEL에서, 상부 전극(20)과 하부 전극(21) 사이에 전류가 흐르는 경우, 활성층(31)으로 전류가 주입되어, 반전 분포 상태가 형성되어 발광한다. 이 활성층(31)에 생성된 광은, 하부 반사경(12)과 상부 반사경(17) 사이에서 증폭된 후, 반도체 기판(11)에 수직으로 출사된다.
이와 같이 출사된 레이저광의 편광 방향은, 예컨대 제조 프로세스에서의 상술된 변동들로 인하여 쉽게 변한다. 본 발명자들은, 경사진 주요면을 갖는 반도체 기판(11)을 이용하고, 반도체 기판(11)에 대하여 압축 변형을 갖는 다중 양자 우물층(14)을 제공하고, 하부 스페이서층(13)과 상부 스페이서층(15) 각각에서 특정 변형을 제공함으로써, 편광 방향이 안정화될 수 있다는 것을 발견했다.
구체적으로, 본 발명자들은, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)은, 적어도 In과 P를 포함하는 AlGaInPAs 재료, 즉, InP에, A1, Ga, 및 As 중 하나 이상을 첨가한 재료로 형성되는 경우, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)에, 반도체 기판(11)에 대하여 압축 변형을 제공함으로써, 즉, 도 3의 스페이서층의 변형의 값이 양인 것에 의하여 편광각이 90°가 된다는 것을 발견하였다. 따라서, 압축 변형량에 상관없이 일정한 편광 방향이 획득될 수 있다.
여기서 "변형(strain)"이란, 반도체 기판의 격자 상수에 대한 각 막들의 재료의 격자 상수의 비에 관한 것이다. 반도체 기판의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 막은 압축 변형을 가져, 도 3의 스페이서층의 변형의 값은 양이 된다. 반도체 기판의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 막은 인장 변형을 가져, 도 3의 스페이서층의 변형의 값은 음이 된다. 본 실시예에 따라, 다중 양자 우물층(14)은 +0.7%의 압축 변형을 갖는다.
본 실시예에서, 반도체 기판(11)이 (100)면에 대하여 경사져도, (010)면 또는 (001)면에 대하여 경사진 반도체 기판으로도 동일한 효과가 획득될 수도 있다. 다른 실시예에서, 다중 양자 우물층(14)이 아니라 단일 양자 우물층이 채용될 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각이 압축 변형을 갖는 경우, 편광각이 90°이다. 그러나, 편광각은, 예컨대 다중 양자 우물층(14)에서의 압축 변형이 큰 경우, 편광각은 180°일 수도 있다. 이것은, 압축 변형이 증가함에 따라, 반도체 기판(11)의 격자 상수와 다중 양자 우물층(14)의 격자 상수 간의 차가 커지므로, 격자 정합의 상태가 상이하게 된다는 사실에 추정적으로 기인한다. 이 경우에서도, 다중 양자 우물층(14)이 반도체 기판(11)에 대하여 압축 변형을 갖고, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)이, InP에, AI, Ga, 및 As 중 하나 이상이 첨가되어 제조되고, 각각이 반도체 기판(11)에 대하여 압축 변형을 갖는 것이면, 편광각은, 180°일 수도 있어도, 안정한 편광각이 획득될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 반도체 기판의 경사각이 15°이어도, 편광 방향은, 기판의 경사각만이 아니라, 스페이서층 및 다중 양자 우물층의 변형량의 조합에도 기초하여 제어된다. 따라서, 비특허 문헌 2에서와 같이, 경사각이 더 높은 경우와 비교하여 프로세스 곤란성이 감소될 수 있다. 또한, 15°경사진 기판이 DVD를 위한 레이저 다이오드용 기판으로서 널리 이용되므로, 기판은 비교적 저렴하다.
15°보다 작은 경사각을 갖는 기판이 이용되는 경우, 스페이서층들 및 다중 양자 우물층의 변형의 값을 더 높게 설정함으로써 동일한 효과가 획득될 수 있다. 반대로, VCSEL 제조 프로세스가 개선되어 15°보다 큰 경사가 가능하게 되면, 더 높은 경사각들을 갖는 기판을 사용함으로써 매우 높은 편광 안정성이 획득될 수도 있다.
특허 문헌 1에 따른, 메사 구조 이방성에 기초한 편광 제어 방법과 조합하여, 기판 경사각과 스페이서/양자 우물 변형의 조합을 포함하는 본 실시예에 따른 편광 제어 방법이 사용될 수 있다. 따라서, 각각의 방법들의 문제점을 감소하면서 본 실시예의 효과들이 획득될 수 있다.
특허 문헌 6에서, 기판과 양자 우물 사이에 변형 완화층이 제공되지만, 기판과 양자 우물 간의 격자 상수차가 크기 때문에, 고품질의 활성층을 획득하기 어렵다. 본 실시예에 따르면, 기판과 스페이서층 간의 격자 상수차가 작아, 활성층에 큰 변형을 가하지 않고 고품질의 활성층이 형성될 수 있다.
특허 문헌 7의 경우에서, 기판과 활성층 사이의 DBR의 격자 상수가 서서히 변화된다. 따라서, 활성층과 이 활성층에 인접하는 층 간의 격자 상수차가 경미하여도, 수 ㎛ 정도인 변형된 층들의 두께로 인하여, 활성층에 큰 응력이 인가되어, 고품질의 활성층을 획득하기 어렵게 된다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 기판과 스페이서층 간의 격자 상수차는 작고, 스페이서층의 막 두께는 수백 nm 정도이다. 따라서, 활성층에 큰 변형이 가해지지 않고 고품질의 활성층이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 VCSEL은 이차원 어레이의 형성을 가능하게 하고, 소자 간격들은 희망에 따라 설정될 수 있다. 따라서, 단부 발광형 반도체 레이저와 비교하여, 단일의 칩에 집적될 수 있는 발광 소자들 수가 증가될 수 있다.
(제2 실시예)
본 발명의 제2 실시예에 따르면, VCSEL은 편광 제어층을 포함한다. 이 VCSEL을 도 2 및 도 4를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 VCSEL은 도 2에 도시된 구조를 가지며, 활성층(31)은 도 4에 도시된 구조를 갖는다. 특히, VCSEL은, 경사진 주요면을 갖는 반도체 기판(11); 반도체 기판(11)에 대하여 압축 변형을 갖는 다중 양자 우물층(14); 및 편광 제어층(41)이 각각 제공된 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)을 포함한다. 제2 실시예에 따르면, 다음 식이 만족된다.
(ea x ta + eb x tb)/(ta + tb) > 0 (1)
여기서, ea는 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)에서의 격자 변형이고; ta는 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)의 총 막 두께이고; eb는 각 편광 제어층(41)에서의 격자 변형이고; tb는 각각의 편광 제어층(41)의 총 막 두께이다. 식 (1)의 좌변, 즉 (ea x ta + eb x tb)/(ta + tb)를 이후 단순히 E라고 칭할 수도 있다.
식 (1)이 만족되면, 도 3의 경우에서와 같이, 편광각은, 반도체 기판의 (0-11)면에 대하여 약 90°에서 안정되어, VCSEL은 일정한 편광각을 갖는다. 도 4에서, 편광 제어층(41)이 하부 스페이서층(13)과 상부 스페이서층(15) 각각에 제공되어 있는 것이 도시되어 있고, 식 (1)이 만족되면, 도 5에 도시된 바와 같이 편광 제어층(41)이 하부 스페이서층(13) 또는 상부 스페이서층(15)에 형성될 수도 있다.
하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)이 GaInPAs로 제조되어도, 편광 제어층(41)은 적어도 In과 P를 포함하는 AlGaInP 재료, 즉, InP에, A1, Ga, 및 As 중 하나 이상이 첨가된 재료로 제조된다. 이러한 방식으로, 편광 제어층(41)에 보다 높은 밴드갭이 획득될 수 있다. 따라서, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이 서층(15)이 낮은 밴드갭의 재료로 제조되는 경우, 향상된 전자 구속(electron-confining) 효율성이 획득될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 활성층(31)의 밴드 구조를 도시한다. 다중 양자 우물층(14)은, +0.7%의 변형을 갖는 Ga0.7In0.3P0.5As0.5의 양자 우물층들과, 0%의 변형을 갖는 Ga0.516In0.484P의 장벽층들로 형성된다. 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)은, 0%의 변형을 갖는 (Al0.1Ga0.9)0.516In0.484P로 형성된다. 편광 제어층(41)은 +0.04%의 변형을 갖는 (Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P로 형성된다. 이 경우, 식 (1)의 좌변의 값은 +0.03%이다. 편광 제어층(41)은 넓은 밴드갭을 갖는 (Al0.5Ga0.5)0.51In0.48P로 형성되므로, 향상된 광과 전자 구속 효율성이 획득될 수 있다.
(제3 실시예)
본 실시예의 제3 실시예에 따르면, VCSEL 어레이 소자는 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL들의 어레이를 포함한다.
도 7을 참조하여, VCSEL 어레이 소자는 제1 기선(baseline)들 및 제2 기선들을 따라 이차원적으로 배열된 VCSEL들(50)을 포함한다. 제2 기선들 각각에 따라서, VCSEL들(50)은 제1 기선들에 수직인 간격들 d로 배열된다. VCSEL들(50)의 위치들이 제1 기선들 상에 투영된 경우, VCSEL들(50)은 간격들 h로 배열된다.
제3 실시예에 따른 VCSEL 어레이 소자가 레이저 프린터와 같은 화상 형성 장치에서 이용되는 경우, 제1 기선들에 수직으로 광이 출사되어, 상당히 미세 한(fine) 화상이 형성될 수 있다.
(제4 실시예)
본 발명의 제4 실시예에 따르면, 광 주사 장치(100)는 광원으로서 제3 실시예에 따른 VCSEL 어레이 소자를 포함한다. 도 8을 참조하여 광 주사 장치(100)를 설명한다.
이 광 주사 장치(100)는, 광원 유닛(121), 콜리메이터 렌즈(122), 폴리곤 미러(125), 및 fθ 렌즈(126)를 포함한다. 도 8에서, 지면의 수평 방향이 주 주사 방향에 대응하고, 수직 방향은 부 주사 방향에 대응한다.
광원 유닛(121)은 제3 실시예에 따른 VCSEL 어레이 소자를 포함한다. 콜리메이터 렌즈(122)는, 광원 유닛(121)으로부터 출사된 광 빔을 실질적으로 평행광으로 만들도록 구성된다. 콜리메이터 렌즈(122)로부터의 광 빔은 회전하는 폴리곤 미러(125)에 의하여 반사된 후, fθ 렌즈(126)에 의하여 광 스폿으로서 감광 드럼(101)의 표면 상에 집광된다. 폴리곤 미러(125)는 모터(미도시)에 의하여 일정 속도로 회전된다. 따라서, 광 빔은 등각 속도로 편향되고, 감광 드럼(101)의 표면 상의 광 스폿은 주 주사 방향으로 일정 속도로 이동한다.
본 실시예에 따르면, 광원 유닛(121)의 VCSEL 어레이 소자에서의 각 VCSEL들의 편광각들이 정렬되어, 폴리곤 미러(125)는 균일한 반사율로 반사한다. 따라서, 본 실시예의 광 주사 장치를 통합하는 화상 형성 장치는 미세한 화상을 형성할 수 있다.
(제5 실시예)
본 발명의 제5 실시예에 따르면, 화상 형성 장치로서의 레이저 프린터는 제4 실시예에 따른 광 주사 장치를 포함한다.
도 9를 참조하여, 제5 실시예에 따른 레이저 프린터를 설명한다. 레이저 프린터는 광 주사 장치(100), 감광 드럼(101), 대전 유닛(102), 현상 유닛(103), 토너 카트리지(104), 클리닝 유닛(105), 전사 유닛(111) 및 제전(除電, neutralizing) 유닛(114)을 포함한다.
감광 드럼(101)의 표면 상에는, 감광층이 형성된다. 감광 드럼(101)은 도 9에 도시된 바와 같이, 시계 방향으로 회전된다. 대전 유닛(102)은 감광 드럼(101)의 표면을 균일하게 대전하도록 구성된다.
광 주사 장치(100)는, 대전 유닛(102)에 의해 대전된 감광 드럼(101)의 표면을 광으로 조사한다. 이 광 조사는 감광 드럼(101)의 표면 상에, 원하는 화상 정보에 대응하는 잠상을 생성한다. 이와 같이 잠상이 형성된 감광 드럼 표면의 영역은, 감광 드럼(101)이 회전할 때 현상 유닛(103)을 향하여 이동된다.
토너 카트리지(104)는 현상 유닛(103)에 공급되는 토너를 포함한다. 현상 유닛(103)은, 토너가 감광 드럼(101)의 표면 상의 잠상에 부착되게 하여, 이 잠상을 현상한다. 그 후, 감광 드럼(101)이 더 회전하여, 감광 드럼(101)의 표면 상의 현상된 잠상이 전사 유닛(111)으로 이송된다.
전사 유닛(111)에는, 감광 드럼(101)의 표면 상의 토너가 기록지(113)을 향하여 전기적으로 끌여 당겨질 수 있도록, 감광 드럼(101)의 표면 상의 토너의 극성과는 역극성의 전하가 공급된다. 즉, 이 전하에 의해 감광 드럼(101)의 표면 상의 토너가 기록지(113)에 전사되어, 현상된 화상이 기록지(113)에 전사된다.
제전 유닛(114)은 화상 형성 후 감광 드럼(101)의 표면을 제전(neutralize)하도록 구성된다. 클리닝 유닛(105)은, 화상 형성 후 감광 드럼(101)의 표면에 잔존하는 토너(잔류 토너)를 제거한다. 제거된 잔류 토너는 재이용될 수도 있다. 잔류 토너가 제거된 감광 드럼(101)의 표면은 다시 대전 유닛(102)을 향하여 이동된다.
(제6 실시예)
(컬러 화상 형성 장치)
제6 실시예에 따라, 본 발명은 컬러 화상을 형성하기 위한 화상 형성 장치로서 컬러 레이저 프린터를 제공한다. 본 컬러 레이저 프린터를 도 10을 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 컬러 레지어 프린터는 컬러 화상을 프린트하기 위하여 복수의 감광 드럼들을 갖는 탠덤(tandem) 컬러기이다. 구체적으로, 컬러 레이저 프린터는, 블랙(K)용의 감광 드럼(Kl), 대전기(K2), 현상기(K4), 클리닝 유닛(K5), 및 전사 대전 유닛(K6); 시안(C)용의 감광 드럼(C1), 대전기(C2), 현상기(C4), 클리닝 유닛(C5), 및 전사 대전 유닛(C6); 마젠타(M)용의 감광 드럼(M1), 대전기(M2), 현상기(M4), 클리닝 유닛(M5), 및 전사 대전 유닛(M6); 및 황색(Y)용의 감광 드럼(Yl), 대전기(Y2), 현상기(Y4), 클리닝 유닛(Y5), 및 전사 대전 유닛(Y6)을 포함한다. 컬러 레이저 프린터는 또한, 제5 실시예에 따른 광 주사 장치(100), 전사 벨트(201), 정착(fusing) 유닛(202)을 포함한다.
이 컬러 레이저 프린터에서의 광 주사 장치(100)는, 블랙용, 시안용, 마젠타용, 및 황색용 반도체 레이저들을 포함한다. 이들 반도체 레이저들 각각은 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL을 포함한다.
블랙용 감광 드럼(K1)은 블랙용 반도체 레이저로부터 광 빔으로 조사된다. 시안용 감광 드럼(C1)은 시안용 반도체 레이저로부터 광 빔으로 조사된다. 유사하게, 감광 드럼(M1)은 마젠타용 반도체 레이저로부터 광 빔으로 조사되고, 감광 드럼(Y1)은 황색용 반도체 레이저로부터 광 빔으로 조사된다.
감광 드럼들(K1, C1, M1, Y1) 각각은, 화살표가 나타낸 방향으로 회전하고, 그 회전 방향에 따라, 대전기(K2, C2, M2, Y2), 현상기(K4, C4, M4, Y4), 전사 대전 유닛(K6, C6, M6, Y6), 및 클리닝 유닛(K5, C5, M5, Y5)이 배열되어 있다. 대전기(K2, C2, M2, Y2)는, 대응하는 감광 드럼(K1, C1, M1, Y1)의 표면을 균일하게 대전한다. 감광 드럼(K1, C1, M1, Y1) 각각의 대전된 표면은, 광 주사 장치(100)에 의하여 출사된 광 빔으로 조사되어, 감광 드럼들(K1, C1, M1, Y1) 각각의 표면에 정전 잠상이 형성된다.
그 후, 각 현상기(K4, C4, M4, Y4)에 의하여 감광 드럼(K1, C1, Ml, Y1) 각각의 표면 상에 토너 화상이 형성된다. 다음, 각각의 컬러들의 토너 화상이 대응하는 전사 대전 유닛들(K6, C6, M6, Y6)에 의해 기록지에 전사되고, 이어서 정착 수단(202)에 의해 기록지에 화상이 정착된다. 감광 드럼(K1, C1, M1, Y1)의 표면 상에 잔존하는 잔류 토너는 대응하는 클리닝 유닛(K5, C5, M5, Y5)에 의하여 제거된다.
본 실시예는 화상 캐리어들로서 감광 드럼들을 채용하지만, 화상 캐리어로서 은염(silver halide) 필름이 이용될 수도 있다. 이 경우에서, 광 주사에 의해 은염 필름 상에 잠상이 형성될 수도 있고, 다음, 통상의 은염 사진 프로세스에서 잘 공지된 방식으로 현상된다. 다음, 현상된 잠상은 통상의 은염 사진 프로세스에서의 프린팅 프로세스와 유사한 프로세스에 의하여 인화지로 전사될 수도 있다.
제6 실시예에 따른 화상 형성 장치는, 광 제판 장치, 또는 CT 스캔 화상들과 같은 화상들을 생성하기 위한 광 화상 생성 장치로서 사용될 수도 있다.
화상 캐리어는 또는, 빔 스폿으로부터 열 에너지의 인가시 발색하는 발색 매체(포지티브 인화지와 같은)를 구비할 수도 있다. 이 경우에서, 광 주사에 의해 가시 화상이 화상 캐리어 상에 직접 형성될 수 있다.
(제7 실시예)
본 발명의 제7 실시예에 따라, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL)는 전류 협착 구조를 포함한다. 제7 실시예에 따른 VCSEL의 구조는 도 2에 도시된 제1 실시예와 기본적으로 일치한다.
구체적으로, 본 발명자들은, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)이, AlGaInPAs 재료, 즉, InP에, A1, Ga, 및 As 중 하나 이상을 첨가한 재료로 형성되는 경우, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)에, 반도체 기판(11)에 대하여 인장 변형을 제공함으로써, 즉, 도 3의 스페이서층의 변형의 값이 음인 것에 의하여 편광각이 180°가 된다는 것을 발견하였다. 따라서, 인장 변형량에 상관없이 일정한 편광 방향이 획득될 수 있다.
여기서 "변형(strain)"이란, 반도체 기판의 격자 상수에 대한 각 막들의 재료들의 격자 상수의 비에 관한 것으로 한다. 반도체 기판의 격자 상수보다 큰 격자 상수를 갖는 막은 큰 압축 변형을 가져, 도 3의 스페이서층의 변형의 값이 양이 된다. 반도체 기판의 격자 상수보다 작은 격자 상수를 갖는 막은 인장 변형을 가져, 도 3의 스페이서층의 변형의 값이 음이 된다. 본 실시예에 따라, 다중 양자 우물층(14)은 +0.7%의 압축 변형을 갖는다.
본 실시예가 (100)면에 대하여 경사진 반도체 기판(11)을 채용하여도, (010)면 또는 (001)면에 대하여 경사진 반도체 기판으로도 동일한 효과가 획득될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 반도체 기판의 경사각, 즉 15°는, 기판의 경사각만이 아니라, 스페이서층 및 다중 양자 우물층의 변형량의 조합에도 기초하여 제어된다. 따라서, 비특허 문헌 2에서와 같이, 경사각이 더 높은 경우와 비교하여 프로세스 곤란성이 감소될 수 있다. 또한, 15°경사진 기판이 DVD를 위한 레이저 다이오드용 기판으로서 널리 이용되므로, 기판은 비교적 저렴하다.
15°보다 작은 경사각을 갖는 기판이 이용되는 경우, 스페이서층 및 다중 양자 우물층의 변형의 값을 더 높게 설정함으로써 동일한 효과가 획득될 수 있다. 반대로, VCSEL에 대한 제조 프로세스가 개선되어 15°보다 큰 경사가 가능하게 되면, 상당히 높은 편광 안정성이 획득될 수도 있다.
특허 문헌 1에 따른 메사 구조 이방성에 기초한 편광 제어 방법과 조합하여, 기판 경사각과 스페이서/양자 우물 변형의 조합을 포함하는 본 실시예에 따른 편광 제어 방법이 사용될 수 있다. 따라서, 각각의 방법들의 문제점을 감소하면서 본 실시예의 효과들이 획득될 수 있다.
특허 문헌 6에서, 기판과 양자 우물 사이에 변형 완화층이 제공되지만, 기판과 양자 우물 간의 격자 상수차가 크기 때문에, 고품질의 활성층을 획득하기 어렵다. 본 실시예에 따르면, 기판과 스페이서층 간의 격자 상수차가 작아, 활성층들에 큰 변형을 가하지 않고 고품질의 활성층들이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 기판과 양자 우물층 각각은 압축 변형을 갖는 것으로 형성되어, 스페이서층들에서의 인장 변형과 함께, 변형 보상 효과가 예측될 수 있다.
특허 문헌 7의 경우에서, 기판과 활성층 사이의 DBR의 격자 상수가 서서히 변화된다. 따라서, 활성층과 이 활성층에 인접하는 층 간의 격자 상수차가 경미하여도, 수 ㎛ 정도인 변형된 층들의 두께로 인하여, 활성층에는 큰 응력이 인가되어, 고품질의 활성층을 획득하기 어렵게 된다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 기판과 스페이서층 간의 격자 상수차는 작고, 스페이서층의 막 두께는 수백 nm 정도이다. 따라서, 활성층에 큰 변형이 가해지지 않고 고품질의 활성층이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 기판과 양자 우물층은 각각 압축 변형을 갖도록 형성되어, 스페이서층들에서의 인장 변형과 함께, 변형 보상 효과가 예측될 수 있다.
본 실시예에 따르면, VCSEL에서의 각 소자들은 이차원 어레이의 형성이 가능하고, 소자 간격들은 희망에 따라 설정될 수 있다. 따라서, 단부 발광형 반도체 레이저와 비교하여, 단일의 칩에 집적될 수 있는 발광 소자들 수가 증가될 수 있 다.
(제8 실시예)
본 발명의 제8 실시예에 따르면, VCSEL은 편광 제어층을 포함한다. 이 VCSEL을 도 2 및 도 4를 참조하여 설명한다.
본 실시예에 따른 VCSEL은 도 2에 도시된 구조를 가지며, 활성층(31)은 도 4에 도시된 구조를 갖는다. 구체적으로, VCSEL은, 경사진 주요면을 갖는 반도체 기판(11); 반도체 기판(11)에 대하여 압축 변형을 갖는 다중 양자 우물층(14); 및 편광 제어층(41)이 각각 제공된 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)을 포함한다. 제8 실시예에 따르면, 다음 식이 만족된다.
(ea x ta + eb x tb)/(ta + tb) < 0 (2)
여기서, ea는 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)에서의 격자 변형이고; ta는 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)의 총 막 두께이고; eb는 각 편광 제어층(41)에서의 격자 변형이고; tb는 각각의 편광 제어층(41)들의 총 막 두께이다. 식 (2)의 좌변, 즉 (ea x ta + eb x tb)/(ta + tb)를 이후 단순히 E라고 칭할 수도 있다.
식 (2)가 만족되면, 도 3의 경우에서와 같이, 편광각은, 반도체 기판의 (0-11)면에 대하여 약 180°에서 안정되어, 일정한 편광각을 갖는 VCSEL이 제공될 수 있다. 도 4에서, 편광 제어층(41)이 하부 스페이서층(13)과 상부 스페이서층(15) 각각에 제공되어 있고, 식 (2)가 만족되면, 도 5에 도시된 바와 같이 편광 제어층(41)은 하부 스페이서층(13) 또는 상부 스페이서층(15)에 형성될 수도 있다.
하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)이 GaInPAs로 제조되어도, 편광 제어층(41)은 AlGaInP 재료, 즉, InP에, A1, Ga, 및 As 중 하나 이상이 첨가된 재료로 제조된다. 이러한 방식으로, 편광 제어층(41)에 보다 높은 밴드갭이 획득될 수 있다. 따라서, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15)이 낮은 밴드갭의 재료로 제조되는 경우, 향상된 전자 구속(electron-confining) 효율성이 획득될 수 있다.
도 7에 도시된 제3 실시예에서와 같이, 본 발명의 제7 또는 제8 실시예에 따른 VCSEL들은 VCSEL 어레이 소자를 구성하기 위하여 어레이될 수도 있다. 도 8에 도시된 제4 실시예에서와 같이, 이러한 VCSEL 어레이 소자는 광 주사 장치를 구성하기 위하여 사용될 수도 있다. 또한, 도 9에 도시된 제5 실시예에서와 같이, 이러한 광 주사 장치를 갖는 화상 형성 장치가 제공될 수도 있다. 도 10에 도시된 제6 실시예에서와 같이, 이러한 화상 형성 장치는 컬러 화상을 형성하기 위한 컬러 화상 형성 장치를 구성하기 위하여 사용될 수도 있다.
예들
이 후, 본 발명의 다양한 실시예들의 예들을 설명한다.
(예 1)
예 1에 따른 VCSEL은 780 nm의 발광 파장을 갖는다. 이 VCSEL을 도 2 및 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은 VCSEL의 활성층(31)의 밴드 구조를 도시한다.
도 2를 참조하여, 예 1에 따른 VCSEL은, (111)면의 방향으로 15°로 경사진 n-GaAs 기판으로 형성된 반도체 기판(11)을 포함한다. 반도체 기판(11) 상에, n- Al0.9Ga0.1As 막들과 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 50쌍 적층함으로써 형성되는 DBR(Distributed Bragg Reflector)인 하부 반사경(12)이 형성된다.
이 하부 반사경(12)의 정상부 상에, (Al0.1Ga0.9)0.516In0.484P로 하부 스페이서층(13)이 형성되고, 그 위에 다중 양자 우물층(14)이 형성된다. 이 다중 양자 우물층(14) 상에, (Al0.1Ga0.9)0.516In0.484P로 상부 스페이서층(15)이 형성되고, 그 위에 AlAs의 선택 산화층(16)이 형성된다. 이 선택 산화층(16) 상에, p-Al0.9Ga0.1As 와 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 30쌍 적층함으로써 형성되는 DBR인 상부 반사경(17)이 형성된다. 이 상부 반사경(17)의 정상부 상에, p-GaAs로 컨택트층(18)이 형성된다.
각 층들은, 780 nm의 발광 파장이 획득될 수 있도록 미리 결정된 막 두께들을 갖는다. 반도체 기판(11)의 경사각은 2°내지 20°일 수도 있다.
다음, 결과적인 층들의 적층으로 메사 구조가 형성되고, 선택 산화층(16)이 수증기 분위기에서 부분적으로 산화되어, 산화 영역(32)과 전류 협착 영역(33)을 형성한다. 그 후, 메사 구조를 덮도록 보호막(19)이 형성된다. 다음, 컨택트층(18)에 연결되는 상부 전극(20)이 Au/AuZn으로 형성되고, 반도체 기판(11)의 이면 상에 Au/Ni/AuGe로 하부 전극(21)이 형성된다.
상부 스페이서층(15) 내부에는, (Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P로 편광 제어층(41)이 형성되고, 그 두께는 20nm이다. 이 편광 제어층(41)은, 반도체 기판(11)에 대하여 +0.12%의 변형을 갖는다. 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각은 반도체 기판(11)에 대하여 O%의 변형을 갖는다. 다중 양자 우물층(14)은, 두께 5.5nm와, 반도체 기판(11)에 대한 변형 +0.71%을 갖는 Ga0.7In0.3P0.41As0.59의 양자 우물층들과, 두께 8nm와, 반도체 기판(11)에 대한 변형 -0.6%을 갖는 Ga0.6In0.4P의 장벽층들의 교대층들을 포함한다. 이들 층들의 적층 중 어느 한 측 상에, 8nm의 두께와, 반도체 기판(11)에 대한 0의 변형을 갖는 Ga0.516In0.484P의 층이 형성된다.
이 VCSEL에서, E의 값은 +0.023이다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 예 1에 따른 VCSEL에 의하여 출사되는 광은, 반도체 기판(11)의 (0-11)면에 대하여 90°인 편광 방향에서 안정하다.
(예 2)
예 2에 따른 VCSEL은 780nm의 발광 파장을 갖는다. VCSEL을 도 2 및 도 14를 참조하여 설명한다. 도 14는 예 2에 따른 활성층(31)의 밴드 구조를 도시한다.
도 2를 참조하여, 이 VCSEL은 (111)면의 방향으로 15°로 경사진 n-GaAs 기판을 구비하는 반도체 기판(11)을 포함한다. 하부 반사경(12)은, n-Al0.9Ga0.1As 막들 및 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 50쌍을 구비하는 DBR로 형성된다. 하부 반사경(12)의 정상부 상에, (Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P로 하부 스페이서층(13)이 형성된 후, 다중 양자 우물층(14)이 형성된다. 다중 양자 우물층(14) 상에, (Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P로 상부 스페이서층(15)이 형성되고, 그 위에, AlAs로 선택 산화층(16)이 형성된 다. 선택 산화층(16)의 정상부 상에, p-Al0.9Ga0.1As 막들과 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 30쌍 구비하는 DBR인 상부 반사경(17)이 형성된다. 이 상부 반사경(17) 상에 p-GaAs로 컨택트층(18)이 형성된다. 각각의 층들은, 780nm의 발광 파장이 획득될 수 있도록 미리 결정된 막 두께를 갖는다. 반도체 기판(11)의 경사각은 2°내지 20°일 수도 있다.
다음, 결과적인 층들의 적층으로 메사 구조가 형성된 후, 선택 산화층(16)이 수증기 분위기 속에서 부분적으로 산화되어, 산화 영역(32)과 전류 협착 영역(33)을 형성한다. 그 후, 메사 구조를 덮도록 보호막(19)이 형성되고, 컨택트층(18)에 연결되는 상부 전극(20)이 Au/AuZn로 형성되고, 반도체 기판(11)의 이면 상에 Au/Ni/AuGe로 하부 전극(21)이 형성된다.
하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각은 반도체 기판(11)에 대하여 +0.04%의 변형을 갖는다.
다중 양자 우물층(14)은, 두께 5.5nm와, 반도체 기판(11)에 대하여 변형 +0.71%를 갖는 Ga0.7In0.3P0.41As0.59의 양자 우물층들과, 두께 8nm와, 반도체 기판(11)에 대한 변형 -0.6%을 갖는 Ga0.6In0.4P의 장벽층들의 교대층들을 구비한다. 이 적층의 한 측 상에, 두께 8nm와, 반도체 기판(11)에 대한 변형 0을 갖는 Ga0.516In0.484P의 층이 형성된다.
예 2에 따른 VCSEL은 편광 제어층을 갖지 않는다. 따라서, 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각에서의 반도체 기판(11)에 대한 변형은 +0.04이다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 예 2에 따른 VCSEL에 의하여 출사된 광은 반도체 기판(11)의 (0-11)면에 대하여 90°인 편광 방향으로 안정하다.
(예 3)
예 3에 따른 VCSEL은 780nm의 발광 파장을 갖는다. 이 VCSEL을 도 2 및 도 15를 참조하여 설명한다. 도 15는 예 3에 따른 활성층(31)의 밴드 구조를 도시한다.
도 2을 참조하여, 예 3에 따른 VCSEL은, (111)면 방향으로 15°로 경사진 n-GaAs 기판으로 형성된 반도체 기판(11)을 포함한다. 이 반도체 기판(11)의 정상부 상에, n-Al0.9Ga0.1As 막들과 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 50쌍 적층함으로써 형성된 DBR인 하부 반사경(12)이 형성된다. 이 하부 반사경(12)의 정상부 상에, (Al0.5 Ga0.5)0.48In0.52P로 하부 스페이서층(13)이 형성된 후, 다중 양자 우물층(14)이 형성된다. 다중 양자 우물층(14)의 정상부 상에, (Al0.5Ga0.59)0.48In0.52P로 상부 스페이서층(15)이 형성된다. 다중 양자 우물층(14)의 정상부 상에 선택 산화층(16)이 AlAs로 더 형성된다. 선택 산화층(16)의 정상부 상에, p-Al0.9Ga0.1As 막들과 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 30쌍을 포함하는 DBR로 상부 반사경(17)이 형성된다. 상부 반사경(17)의 정상부 상에, p-GaAs로 컨택트층(18)이 형성된다.
각각의 층들은, 780nm의 발광 파장이 획득될 수 있도록, 미리 결정된 막 두께들을 갖는다. 반도체 기판(11)의 경사각은 2°내지 20°일 수도 있다.
다음, 결과적인 층들의 적층으로 메사 구조가 형성된 후, 선택 산화층(16)이 수증기 분위기 속에서 부분적으로 산화되어, 산화 영역(32)과 전류 협착 영역(33)을 형성한다. 그 후, 메사 구조를 덮도록 보호막(19)이 형성되고, 컨택트층(18)에 연결되는 상부 전극(20)이 Au/AuZn으로 형성되고, 반도체 기판(11)의 이면 상에 Au/Ni/AuGe로 하부 전극(21)이 형성된다.
하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각은 반도체 기판(11)에 대하여 +0.27%의 변형을 갖는다.
다중 양자 우물층(14)은, 5.5 nm의 두께 및 반도체 기판(11)에 대한 +0.71%의 변형을 갖는 Ga0.7In0.3P0.41As0.59의 양자 우물층들과, 8nm의 두께 및 반도체 기판(11)에 대한 -0.6%의 변형을 갖는 Ga0.6In0.4P의 장벽층들의 교대층들을 포함한다. 이 층들의 적층의 한 측 상에, 8 nm의 두께 및 반도체 기판(11)에 대한 0의 변형을 갖는 Ga0.516In0.484P의 층이 형성된다.
이와 같은 예 3에 따른 VCSEL은 편광 제어층을 갖지 않는다. 따라서, 반도체 기판(11)에 대한 하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각에서의 변형은 +0.27이다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 예 3에 따른 VCSEL(50)에 의하여 출사된 광은, 반도체 기판(11)의 (0-11)면에 대하여 90°인 편광 방향에서 안정하다.
(예 4)
예 4에 따른 VCSEL을 도 2 및 도 12를 참조하여 설명한다. VCSEL은 780nm의 발광 파장을 갖는다. 도 12는 VCSEL의 활성층(31)의 밴드 구조를 도시한다.
도 2을 참조하여, VCSEL은, (111)면 방향으로 15°로 경사진 n-GaAs 기판으로 형성된 반도체 기판(11)을 포함한다. 이 반도체 기판(11)의 정상부 상에, n-Al0.9Ga0.1As 막들과 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 50쌍을 포함하는 DBR의 하부 반사경(12)이 형성된다. 이 하부 반사경(12)의 정상부 상에, (Al0.5Ga0.5)0.525In0.475P로 하부 스페이서층(13)이 형성된 후, 다중 양자 우물층(14)이 형성된다. 다중 양자 우물층(14)의 정상부 상에, (Al0.5Ga0.5)0.525In0.475P로 상부 스페이서층(15)이 형성되고, 그 정상부 상에 AlAs로 선택 산화층(16)이 더 형성된다. 선택 산화층(16)의 정상부 상에, p-Al0.9Ga0.1As 막들과 n-Al0.3Ga0.7As 막들을 교대로 30쌍을 포함하는 DBR로 상부 반사경(17)이 형성된다. 상부 반사경(17)의 정상부 상에, p-GaAs로 컨택트층(18)이 형성된다.
각각의 층들은, 780nm의 발광 파장이 획득될 수 있도록, 미리 결정된 막 두께들을 갖는다. 반도체 기판(11)의 경사각은 2°내지 20°일 수도 있다.
다음, 결과적인 층들의 적층으로 메사 구조가 형성되고, 선택 산화층(16)이 수증기 분위기 속에서 부분적으로 산화되어, 산화 영역(32)과 전류 협착 영역(33)을 형성한다. 그 후, 메사 구조를 덮도록 보호막(19)이 형성되고, 컨택트층(18)에 연결되는 상부 전극(20)이 Au/AuZn으로 형성되고, 반도체 기판(11)의 이면 상에 Au/Ni/AuGe로 하부 전극(21)이 형성된다.
하부 스페이서층(13) 및 상부 스페이서층(15) 각각은 반도체 기판(11)에 대하여 -0.05%의 변형을 갖는다.
다중 양자 우물층(14)은, 5.5 nm의 두께 및 반도체 기판(11)에 대한 +0.71%의 변형을 갖는 Ga0.7In0.3P0.41As0.59의 양자 우물층들과, 8nm의 두께 및 반도체 기판(11)에 대한 -0.6%의 변형을 갖는 Ga0.6In0.4P의 장벽층들의 교대층들을 포함한다. 이 층들의 적층의 한 측 상에, 8nm의 두께 및 반도체 기판(11)에 대한 0의 변형을 갖는 Ga0.516In0.484P의 층이 형성된다.
이 VCSEL에서, 하부 스페이서층(13)과 상부 스페이서층(15) 각각에서의 반도체 기판(11)에 대한 변형은 -0.05이다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 예 4에 따른 VCSEL(50)에 의하여 출사된 광은, 반도체 기판(11)의 (0-11)면에 대하여 180°인 편광 방향에서 안정하다.
본 발명이 특정 실시예들과 예들을 참조하여 상세히 설명하였으나, 설명된 바와 같은, 다음의 청구범위에 의하여 정의된 본 발명의 범위 및 사상 내에서 변화 및 수정이 존재한다.
도 1a는 경사지지 않은 n-GaAs 기판의 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 점선 A1-A2을 따라 취한 n-GaAs 기판의 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 경사진 n-GaAs 기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 VCSEL의 단면도이다.
도 3은 반도체 기판에 대하여 스페이서층에서의 변형 대 편광각의 도면을 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 VCSEL의 활성층의 단면도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 VCSEL의 활성층의 또다른 예의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 활성층의 밴드 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 VCSEL 어레이 소자를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 주사 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 화상 형성 장치를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 컬러 레이저 프린터를 개략적으로 도시한다.
도 11은 예 1에 따른 VCSEL의 활성층의 밴드 구조를 도시한다.
도 12는 예 4에 따른 VCSEL의 활성층의 밴드 구조를 도시한다.
도 13은 본 발명의 다양한 예들에 따른 VCSEL의 평면도이다.
도 14는 예 2에 따른 VCSEL의 활성층의 밴드 구조를 도시한다.
도 15는 예 3에 따른 VCSEL의 활성층의 밴드 구조를 도시한다.

Claims (15)

  1. 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)로서,
    반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 표면 상에 상이한 굴절률들을 갖는 반도체막들의 층들을 교대로 형성함으로써 상기 반도체 기판의 표면 상에 형성된 하부 반사경;
    상기 하부 반사경 상에 반도체 재료로 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성되고 부분적으로 산화되어, 전류 협착 구조(current confined structure)를 형성하는 선택 산화층, 및 상기 선택 산화층 상에서 상이한 굴절률들을 갖는 반도체막들을 교대로 형성함으로써 형성된 상부 반사경을 포함하는 메사(mesa) 구조;
    상기 반도체 기판에 연결된 하부 전극; 및
    상기 상부 반사경에 연결된 상부 전극
    을 구비하고,
    상기 수직 공진형 표면 발광 레이저는, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전류가 흐르는 경우, 상기 반도체 기판의 면에 수직으로 레이저광을 출사하고,
    상기 반도체 기판의 상기 표면은 미리 정해진 면에 대하여 경사지고,
    상기 활성층은, 상기 기판에 대하여 압축 변형을 갖는 양자 우물층과, 상기 양자 우물층의 상부측에 형성된 상부 스페이스층과, 상기 양자 우물층의 하부측에 형성된 하부 스페이서층을 포함하고,
    상기 상부 스페이서층과 상기 하부 스페이서층은 상기 반도체 기판에 대하여 특정 변형을 갖는 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층은, InP에 A1, Ga, 및 As 중 하나 이상이 첨가된 재료로 형성된 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층은 상기 반도체 기판에 대하여 압축 변형(compressive strain)을 갖는 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층은 상기 반도체 기판에 대하여 인장 변형(tensile strain)을 갖는 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 면은 (100)면인 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 면은 (010)면 또는 (001)면인 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 (111)면의 방향으로 경사진 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 경사각은 2°이상 20°이하인 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양자 우물층은, 단일 양자 우물층, 또는 복수의 양자 우물층들과 장벽층들을 포함하는 다중 양자 우물층을 포함하는 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층은 편광 제어층을 포함하고,
    상기 편광 제어층은 다음 식,
    (ea x ta + eb x tb)/(ta + tb) > 0 (1)
    을 만족하고, 여기서, ea는 상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층에서의 격자 변형이고, ta는 상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층의 총 막 두께이고, eb는 상기 편광 제어층에서의 격자 변형이고, tb는 상기 편광 제어층의 총 막 두께인 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층은 편광 제어층을 포함하고,
    상기 편광 제어층은 다음 식,
    (ea x ta + eb x tb)/(ta + tb) < 0 (2)
    을 만족하고, 여기서, ea는 상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층에서의 격자 변형이고, ta는 상기 상부 스페이서층 및 상기 하부 스페이서층의 총 막 두께이고, eb는 상기 편광 제어층에서의 격자 변형이고, tb는 상기 편광 제어층의 총 막 두께인 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 편광 제어층은, InP에 A1, Ga, 및 As 중 하나 이상이 첨가된 재료로 형성되는 것인 수직 공진형 표면 발광 레이저.
  13. 반도체 기판 상에 배열된 제 1 항 내지 제 4 항, 제 10 항, 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 수직 공진형 표면 발광 레이저를 복수개 포함하는 것인 레이저광 출사용 수직 공진형 표면 발광 레이저 어레이 소자.
  14. 광 빔으로 피주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
    광원 유닛;
    상기 광원 유닛에 의하여 출사된 광 빔을 편향하도록 구성된 편향 유닛; 및
    상기 피주사면 상에 상기 편향 유닛에 의하여 편향된 상기 광 빔을 집광하도록 구성된 주사 광학 시스템
    을 구비하고,
    상기 광원 유닛은 제 13 항에 기재된 수직 공진형 표면 발광 레이저 어레이 소자를 포함하는 것인 광 주사 장치.
  15. 매체 상에 화상을 형성하기 위한 화상 형성 장치로서,
    상기 매체 상에 형성될 화상을 운반하기 위한 화상 캐리어, 및 상기 매체 상에 형성될 상기 화상에 관한 화상 정보에 따라 상기 화상 캐리어를 광으로 주사하기 위한 광 주사 장치를 구비하고,
    상기 광 주사 장치는 제 14 항에 기재된 광 주사 장치를 포함하는 것인 화상 형성 장치.
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