KR101292390B1 - 수직 공진기형 면발광 레이저 소자, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이, 광 주사 장치 및 화상 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

기판에 대하여 수직으로 광을 출사하는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 개시되며, 이는 활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및 공진기 구조체를 개재(介在)시키는 방식으로 배치되며, 주입 전류와 발진 광의 횡 모드를 동시에 제한하는 협착 구조체를 포함한다. 협착 구조체는 전류 통과 영역을 둘러싸는 산화 영역을 가진다. 산화 영역은 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화시킴으로써 형성되며, 하나 이상의 산화물을 포함한다. 피선택 산화층의 두께는 25 ㎚ 이상이다. 반도체 다층 반사경은 횡 방향으로 광 가둠을 저감시키는 광 가둠 저감부를 포함한다. 광 가둠 저감부는 공진기 구조체에 대하여 기판측에 배치된다.

Description

수직 공진기형 면발광 레이저 소자, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이, 광 주사 장치 및 화상 형성 장치{VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER DEVICE, VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER ARRAY, OPTICAL SCANNING APPARATUS AND IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은 수직 공진기형 면발광 레이저 소자, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이, 광 주사 장치, 화상 형성 장치, 광 전송 모듈 및 광 전송 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기판에 대하여 수직방향으로 광을 출사하는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자; 이러한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 집적되어 있는 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이; 이러한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 또는 이러한 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 포함하는 광 주사 장치; 이러한 광 주사 장치를 포함하는 화상 형성 장치; 및 이러한 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 포함하는 광 전송 시스템 및 광 전송 모듈에 관한 것이다.
이들 구조로 인해, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 임계값 전류 및 전력 소비를 낮추는 것이 용이하다고 하는 특징이 있다. 최근, 지금까지 연구되고 있던 이온 주입형의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 비하여, 임계값 전류를 낮출 수 있고 고속 응답을 제공하는 산화 협착 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 집중적으로 연구되고 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조).
산화 협착 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 산화물에 의해 제공된 횡 모드의 광 가둠이 양호하고, 발진 모드가 안정되는 이점을 갖지만, 산화물에 의한 광 가둠이 너무 크므로, 단일 기본 횡모드 발진을 얻기가 어렵다. 산화 협착 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 이하에서 단순히“수직 공진기형 면발광 레이저 소자”로 지칭된다.
단일 기본 횡모드 동작을 달성하기 위하여 널리 채택되는 종래 기술은, 전류 주입 영역(전류 통과 영역)인 비산화 영역의 면적을 작게 하므로, 고차 횡모드가 제한되어 발진하지 않는다. 즉, 이 기술은 고차 횡모드를 차단시키는 것이다.
단일 기본 횡모드 동작을 달성하기 위한 또 다른 제안 방법은, 산화물에 의해 제공된 횡모드의 광가둠의 강도를 감소시키는 것이다. 횡모드의 광가둠의 강도가 감소되면, 고차 모드 발진이 억제된다. 이 경우에, 비산화 영역의 면적을 작게 할 필요가 없기 때문에, 열적 특성 및 전기적 특성 모두가 향상된다. 이는 포화 출력을 증가시키고, 변조 속도도 증가시킨다. 산화물에 의한 광가둠의 강도를 감소시키기 위하여, 종래에는, 산화물이 활성층으로 떨어진 위치에 제공되거나, 또는 산화물이 얇게 이루어진다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 각 레이저 소자가 기판에 대하여 수직으로 레이저광을 출사하므로, 고밀도로 2차원적으로 용이하게 배열될 수 있다. 따라서, 고속이고 고화질의 전자 사진 시스템 등에의 응용이 검토되기 시작하고 있다. 예컨대, 비특허문헌 2에는, 780 nm 대의 VCSEL 어레이(수직 공진기형 면발광 레이저 어레이)를 이용한 프린터가 개시되어 있다. 특허문헌 1에는, 멀티 스폿 광원을 갖는 멀티 스폿 화상 형성 장치가 개시되어 있다. 일반적으로, 고속 광기록은 단일 기본 횡모드로 고출력 동작을 수행할 수 있는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 이용함으로써 달성될 수 있다.
이러한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 전류 유입 효율을 높이기 위해서 협착구조체를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 전류 협착 구조체는 AlAs(aluminum arsenide)층의 선택 산화에 의해 형성된다(전류 협착 구조체는 이하에서 “산화 전류 협착 구조체”로도 지칭된다.)(예컨대, 특허 문헌 2 참조). 산화 전류 협착 구조체는, 선택 산화되는 p-AlAs층이 측면을 따라 노출되는 미리 결정된 크기의 메사를 전구체 구조물에 형성하고, 메사의 중앙부가 산화되지 않고 남겨지는 방식으로 Al을 측면으로부터 선택적으로 산화시키도록 고온의 수증기 분위기 내에 전구체 구조물을 배치함으로써 획득된다. 산화되지 않은 부분은 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 구동하기 위한 전류의 통과 영역(전류 주입 영역)으로 기능한다. 이런 식으로, 전류 협착이 용이하게 얻어진다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 대하여, 활성층에서 발생된 열이 신속하게 방열되면, 접합 온도(활성층의 온도)의 상승이 억제되고, 이득의 저하가 억제될 수 있다. 이는 출력을 높게 할 뿐만 아니라 온도 특성을 양호하게 하므로, 동작 수명을 길어지게 한다.
반도체 다층 반사경은, 통상 AlGaAs 재료로 이루어진다. AlGaAs 재료의 열도전율은 Al의 조성에 따라 크게 변화하고, AlAs는 가장 높은 열전도율을 가진다(도 65 참조).
이에 의해, AlAs로 이루어지는 각 저굴절율층이 제안되며, 이는 방열 경로측에 배치되는 반도체 다층 반사경에 포함되며 공진기 구조체에 인접한, AlAs로 이루어지는 각 저굴절율층으로서 통상의 경우 보다 더 큰 광학 두께를 가지도록 설계된다(예컨대, 특허 문헌 3 내지 5 참조).
[특허 문헌 1] 일본 공개 특허 공보 H11-48520호
[특허 문헌 2] 미국 특허 제5493577호 공보
[특허 문헌 3] 일본 공개 특허 공보 제2005-354061호
[특허 문헌 4] 일본 공개 특허 공보 제2007-299897호
[특허 문헌 5] 미국 특허 제6720585호 공보
[비특허 문헌 1] K. D. Choquette, R. P. Schneider, Jr., K. L. Lear & K. M.Geib,“Low threshold voItage vertical-cavity lasers fabricated by selective oxidation", Electronics Letters, No.24, Vol.30, 1994 , pp. 2043-2044
[비특허문헌 2] H. Nakayama, T. Nakamura, M. Funada, Y. Ohashi & M. Kato, "780 nm VCSELs for Home Networks and Printers", Electronic Components and Technology Conference Proceedings, 54th, Vol.2, June, 2004, pp.1371-1375
전자 사진 등에서, 광원에 구동 전류를 인가했을 때에 획득되는, 광원의 광출력 응답 파형의 상승 거동에 의해, 화상 품질에 현저한 영향을 부여한다. 광출력 응답 파형은 광출력의 시간 변화를 나타내고, 이하에서는“광 파형”으로 지칭된다. 예컨대, 화상 품질은, 광 파형의 상승 시간 동안 뿐만 아니라 상승의 초기에서 광출력이 일정 광 강도에 도달한 후에, 광 강도가 약간 변화함으로써 저하될 수도 있다.
이는 광 파형의 상승 시간 및 하강 시간 동안에 형성되는 화상의 일부가 화상의 윤곽 부분이기 때문이다. 특히 광 파형의 상승 시간 동안 및 광 파형이 실질적으로 상승했다고 간주될 수 있는 상태 이후의 어떤 시간 동안에 광 강도가 변화되면, 화상의 윤곽이 불명료하게 되고, 이는 시각적으로 선명함이 부족한 열화된 화상 품질을 갖게 한다.
예컨대, 약 300 mm의 폭을 가지는 A4 용지에 1라인을 주사하는 데 요구되는 시간이 300 ㎲인 경우에, 1 ㎲동안의 주사 거리는 약 1 mm이다. 사람의 눈은 폭이 1 내지 2 ㎜인 경우에 화상 농도의 변화에 대한 시각 감도가 가장 높다고 말해지고 있다. 따라서, 약 1 mm 폭에 걸쳐서 화상 농도가 변화하면, 그 농도 변화는 사람의 눈으로 검출되기에 충분한 것이 되며, 윤곽이 불명료하게 되는 인상을 준다.
본 발명이 논의하는 또 다른 문제점은, 반도체 다층 반사경에서 저굴절율층의 광학 두께에 관한 것이다. 각 저굴절율층의 광학 두께가 λ/4(λ은 발진 파장임)부터 3λ/4로 변경되면, 광의 흡수(이하, 편의상 단순히“흡수”로 지칭됨)는 3배 만큼 증가된다. 반도체 다층 반사경 내에서, 공진기 구조체에 가까울수록 전계 강도는 더 강해지므로, 흡수의 영향이 현저하게 된다. 그 결과, 특허문헌 3 내지 5에 개시되어 있는 방법들은, 슬로프 효율을 감소시키고 임계값 전류를 증가시키는 문제점을 가지게 된다.
이하에서 설명되는 발명자들의 새로운 지견을 고려하여, 본 발명은 이하의 양태들을 포함한다.
본 발명의 제1 양태는, 기판에 대하여 수직으로 광을 출사하는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자이며, 활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및 상기 공진기 구조체를 개재(介在)시키는 방식으로 배치되며, 주입 전류와 발진 광의 횡 모드를 동시에 제한하는 협착 구조체를 포함하는 반도체 다층 반사경을 포함한다. 상기 협착 구조체는 전류 통과 영역을 둘러싸는 산화 영역을 가진다. 상기 산화 영역은 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화시킴으로써 형성되며, 하나 이상의 산화물을 포함한다. 상기 피선택 산화층의 두께는 25 ㎚ 이상이다. 상기 반도체 다층 반사경은 횡 방향으로 광 가둠을 저감시키는 광 가둠 저감부를 포함한다. 상기 광 가둠 저감부는 상기 공진기 구조체에 대하여 기판측에 배치된다.
본 발명의 제2 양태는, 기판에 대하여 수직으로 광을 출사하는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자이며, 활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및 상기 공진기 구조체를 개재시키는 방식으로 배치되고, 제1 층 및 제2 층의 쌍을 복수 쌍 포함하는 반도체 다층 반사경을 포함한다. 상기 제1 층 및 제2 층은 다른 굴절율을 가진다. 상기 제2 층은 상기 제1 층보다 더 높은 열전도율을 가진다. 상기 반도체 다층 반사경은, 제1 부분 반사경과 제2 부분 반사경을 포함한다. 상기 제1 부분 반사경은, 상기 복수 쌍 중 하나 이상을 포함하며, 여기서 상기 제1층 보다 상기 제2층의 광학 두께가 더 크다. 상기 제2 부분 반사경은 상기 제1 부분 반사경과 상기 공진기 구조체 사이에 배치되고 상기 복수 쌍 중 하나 이상을 포함하며, 상기 제1층과 상기 제2층 각각의 광학 두께는 상기 제1 부분 반사경의 제2층보다 작다.
본 발명의 제3 양태는 본 발명의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 복수개 집적되어 있는 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이이다.
본 발명의 제4 양태는 광으로 주사면을 주사하는 광 주사 장치이다. 광 주사 장치는, 본 발명의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 포함하는 광원; 상기 광원으로부터 출사된 광을 편향시키도록 구성되는 편향기; 및 편향된 광을 상기 주사면 상에 집광시키도록 구성되는 주사 광학 시스템을 포함한다.
본 발명의 제5 양태는 광으로 주사면을 주사하는 광 주사 장치이다. 광 주사 장치는, 본 발명의 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 포함하는 광원; 상기 광원으로부터 출사된 광을 편향시키도록 구성되는 편향기; 및 편향된 광을 상기 주사면 상에 집광시키도록 구성되는 주사 광학 시스템을 포함한다.
본 발명의 제6 양태는 하나 이상의 화상 캐리어; 및 상기 하나 이상의 화상 캐리어 상에, 화상 정보를 포함하는 광을 조사하도록 구성되는 본 발명의 광 주사 장치들 중 하나 이상의 광 주사 장치를 구비하는 화상 형성 장치이다.
본 발명의 제7 양태는, 입력되는 전기 신호에 따라 광 신호를 생성하는 광 전송 모듈이다. 광 전송 모듈은, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이; 및
상기 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 상기 입력되는 전기 신호에 따라서 구동하도록 구성되는 구동 소자를 포함한다.
본 발명의 제8 양태는 광 전송 모듈; 상기 광 전송 모듈에 의해 생성된 광 신호를 전달하도록 구성되는 광 전송 매체; 및 전달된 광 신호를 전기 신호로 변환하도록 구성되는 변환기를 구비하는 광 전송 시스템이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 프린터의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 2는 도 1의 광 주사 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도2의 광원에 포함되는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 기판의 예시도이다.
도 5는 도 3의 하부 반도체 DBR의 일부를 나타내는 확대도이다.
도 6은 도 3의 활성층 부근을 나타내는 확대도이다.
도 7은 종래의 수직 공진기형 면 발광 레이저 소자, 펄스 주기 1ms, 듀티 50%의 구형파 전류 펄스로 구동했을 때의 광파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 종래의 수직 공진기형 면 발광 레이저를, 펄스 주기 100 ns, 듀티 50%의 구형파 전류 펄스로 구동했을 때의 광파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 고유한 유효 굴절률차 △neff를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 10a 및 10b는 각각 고유한 유효 굴절률차 △neff를 설명하기 위한 제2 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 내부 온도가 상승했을 때의 고유한 유효 굴절률차 △neff를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 실온에서의 횡 방향의 광 가둠이 불충분한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에서의, 내부 온도의 상승에 의한 I-L 곡선의 시프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 12의 경우에서 획득되는 광 파형을 나타낸다.
도 14는 계산에 이용한 굴절율을 나타낸다.
도 15는 광 가둠 계수와 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경과의 관계를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 16은 광 가둠 계수와 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경과의 관계를 설명하기 위한 제2 도면이다.
도 17은 광 가둠 계수와 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경과의 관계를 설명하기 위한 제3 도면이다.
도 18은 25℃에서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수가 약 0.983일 때의 수직 공진기형 면 발광 레이저 소자의 광 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 25℃에서의 기본 횡모드 광 가둠 계수가 약 0.846일 때의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 광 파형면을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 25℃에서의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에서의 피선택 산화층의 두께와 드롭율 사이의 관계를 나타낸다.
도 21은 △λ0 > 0을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 △λ0 < 0을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 발진 임계값 전류와 측정 온도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 디튜닝량과 임계값 전류가 최소로 되는 온도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 드롭율과 임계값 전류가 최소로 되는 온도와의 관계를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 26은 드롭률과 임계값 전류가 최소로 되는 온도와의 관계를 설명하기 위한 제2 도면이다.
도 27은 광 가둠 저감 영역 A의 쌍 수와 기본 횡 모드 광 가둠 계수와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 계산에 이용된 종래의 공진기형 면 발광 레이저 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 계산에 이용된 광 가둠 저감 영역을 갖는 공진기형 면 발광 레이저 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 30은 계산에 이용되는 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 하부 반도체 DBR의 구조를 나타낸다.
도 31은 광 가둠 저감 영역 A를 나타낸다.
도 32는 광 가둠 저감 영역 B를 나타낸다.
도 33은 광 가둠 저감 영역 B의 쌍 수와 기본 횡모드 광 가둠 계수 사이의 관계를 나타낸다.
도 34는 광 가둠 저감 영역 C를 나타낸다.
도 35는 광 가둠 저감 영역 C의 쌍 수와 기본 횡모드 광 가둠 계수 사이의 관계를 나타낸다.
도 36은 광 가둠 저감 영역의 효과를 나타내는 도면이다.
도 37은 흡수 손실 저감층을 나타내는 제1 도면이다.
도 38은 흡수 손실 저감층을 나타내는 제2 도면이다.
도 39는 흡수 손실 저감층의 광 가둠 계수에 대한 영향을 나타내는 도면이다.
도 40은 광 가둠 저감 영역 및 흡수 손실 저감층의 효과를 나타내는 제1 도면이다.
도 41은 광 가둠 저감 영역 및 흡수 손실 저감층의 효과를 나타내는 제2 도면이다.
도 42는 광 가둠 저감 영역의 제1 변형예를 나타낸다.
도 43은 광 가둠 저감 영역의 제2 변형예를 나타낸다.
도 44는 광 가둠 저감 영역의 제3 변형예를 나타낸다.
도 45는 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 나타낸다.
도 46은 도 45의 발광부의 2차원 배열을 나타낸다.
도 47은 도 46의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 48은 컬러 프린터의 개략적인 구조이다.
도 49는 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 광 파형을 나타낸다.
도 50은 도 49의 광 파형에서의 상승 및 그 부근에 대한 확대도를 나타낸다.
도 51은 하부 반도체 DBR의 일부를 나타내는 확대도이다.
도 52는 예1의 하부 반도체 DBR을 나타낸다.
도 53은 예2의 하부 반도체 DBR을 나타낸다.
도 54는 제3 하부 반도체 DBR이 굴절율층의 쌍을 3쌍 포함하는 하부 반도체 DBR을 나타낸다.
도 55는 열저항의 계산 결과를 나타낸다.
도 56은 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 변형예를 나타낸다.
도 57은 하부 반도체 DBR의 일부에 대한 확대도를 나타낸다.
도 58은 활성층 부근을 나타내는 확대도이다.
도 59는 광 전송 모듈과 광 전송 시스템의 개략적인 구조를 나타낸다.
도 60은 광원에 포함되는 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 나타낸다.
도 61은 도 60에 도시된 A-A라인에 따른 단면도를 나타낸다.
도 62는 도 61의 하부 반도체 DBR의 일부에 대한 확대도를 나타낸다.
도 63은 도 61의 활성층 부근을 나타내는 확대도이다.
도 64는 도 59의 광섬유 케이블을 나타낸다.
도 65는 AlGaAs 재료의 Al성분과 열전도율 사이의 관계를 나타낸다.
본 발명의 이러한 및 다른 목적, 특징 및 이점은, 첨부 도면과 함께 읽혀질 때, 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 된다.
a. 제1 실시형태
도 49는 500 ㎲의 펄스폭 및 50%의 듀티의 펄스 조건 하에서 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 구동되는 경우에 획득되는 광 파형을 나타낸다. 도 49에 나타낸 바와 같이, 광 출력은 저하되며, 비교적 긴 시간에 걸쳐서 보여질 때 안정하게 된다. 광 출력에서의 변화는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 자기 가열로 인한 것이며, 일반적으로“드롭(droop) 특성”으로 지칭된다.
본 발명의 발명자들에 의해 수행된 철저한 조사에 있어서, 도 49의 광 파형에서의 상승 부분 및 그 부근에서의 확대도를 제공하는 도 50에 도시된 바와 같이,“드롭 특성”과 다른 광 출력에서의 변화가 짧은 기간에 걸쳐서 발생한다는 것이 새롭게 발견되었다.
도 50에 있어서, 광 출력은 10 ㎱가 경과한 후에도 완전히 상승되지 않는다. 광 출력은 약 200 ㎱가 경과한 후에는 거의 완전히 상승하며, 그 후 약 1 ㎲ 까지는 점차적으로 증가한다. 이 현상(특성)은 본 발명의 발명자들에 의해 새롭게 발견된 것이다. 이 명세서에 있어서, 이러한 특성은“네가티브 드롭 특성”으로 지칭된다. 종래의 단부면 발광 레이저 소자에서는 네가티브 드롭 특성이 발견되지 않았다는 점에 주목한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자로 고품질의 화상을 얻기 위해서는, 상승 시간 동안에 광 응답 파형은 적절히 제어되어야 하며, 네가티브 드롭 특성을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 이용하여 고품질의 화상을 얻는 것이 어렵다는 것이 명확해진다.
다음으로 도 1 내지 도 41을 참조하여 본 발명의 일 실시형태를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 프린터(1000)의 일반적인 구조를 나타낸다.
레이저 프린터(1000)는 예를 들어, 광 주사 장치(1010), 감광체 드럼(1030), 차저(1031), 현상 롤러(1032), 전사 차저(1033), 제전 유닛(1034), 클리닝 유닛(1035), 토너 카트리지(1036), 급지 롤러(1037), 급지 트레이(1038), 레지스트쌍 롤러(1039), 정착 롤러(1041), 배지 롤러(1042), 배지 트레이(1043), 통신 제어 유닛(1050) 및 전술한 구성요소들을 통괄적으로 제어하는 프린터 제어 유닛(1060)을 포함한다. 이러한 구성요소들 모두는 프린터 섀시(1044) 내의 미리 결정된 위치에 배치된다.
통신 제어 유닛(1050)은 네트워크를 통하여 레이저 프린터(100)에 연결되는 상위 장치(예를 들어, 퍼스널 컴퓨터)와의 양방향 통신을 제어한다.
감광체 드럼(1030)은 원기둥형 본체를 가지며, 그 표면에는 감광층이 형성된다. 즉, 감광체 드럼(1030)의 표면이 주사가 수행되는 표면이다. 감광체 드럼(1030)은 도 1에서 화살표로 표시되는 방향으로 회전하도록 설계된다.
차저(1031), 현상 롤러(1032), 전사 차저(1033), 제전 유닛(1034) 및 클리닝 유닛(1035)은 상기 감광체 드럼(1030)의 표면 부근에 배치된다. 특히, 이러한 구성요소들은 언급된 순서로 감광체 드럼(1030)의 회전 방향을 따라 배치된다.
차저(1031)는 감광체 드럼(1030)의 표면을 균일하게 대전시킨다.
광 주사 장치(1010)는 차저(1031)에 의해 대전되는 감광체 드럼(1030)의 표면에, 상위 장치로부터 전송된 화상 정보에 기초하여 변조된 광의 빔을 조사한다. 따라서, 화상 정보에 대응하는 잠상(latent image)이 감광체 드럼(1030)의 표면에 형성된다. 그 후, 상기 잠상은 감광체 드럼(1030)이 회전함에 따라 현상 롤러(1032)를 향하여 이동된다. 광 주사 장치(1010)의 구조는 후술된다는 점에 주목한다.
토너 카트리지(1036)는 토너를 저장하며, 이 토너는 현상 롤러(1032)에 공급된다.
현상 롤러(1032)는 감광체 드럼(1030)의 표면에 형성된 잠상에 토너 카트리지(1036)로부터 공급된 토너를 부착하여 상기 잠상을 가시적인 화상으로 현상한다. 그 후, 토너를 가지는 가시적인 화상(이하, 편의상“토너상”으로 지칭됨)은 감광체 드럼(1030)이 회전함에 따라서 전사 차저(1033)를 향하여 이동된다.
급지 트레이(1038)는 기록지(1040)를 저장한다. 급지 트레이(1038) 부근에는 급지 롤러(1037)가 제공된다. 급지 롤러(1037)는 급지 트레이(1038)로부터 한번에 하나의 기록지(1040)를 추출하여, 레지스트 롤러쌍(1039)으로 반송한다. 레지스트 롤러(1039)는 먼저 급지 롤러(1037)에 의해 추출된 기록지(1040)를 유지한 후, 그 기록지(1040)를 감광체 드럼(1030)의 회전에 따라서 감광체 드럼(1030)과 전사 차저(1033) 사이의 갭을 향하여 전송한다.
전사 차저(1033)에는, 감광체 드럼(1030)의 표면 상의 토너를 전기적으로 끌어당기기 위하여, 그 토너의 극성과 반대되는 극성을 가지는 전압이 인가된다. 이 전압에 의해, 감광체 드럼(1030)의 토너상이 기록지(1040)에 전사된다. 토너상이 전사된 기록지(1040)는 정착 롤러(1041)로 전송된다.
정착 롤러(1041)는 기록지(1040)에 열과 압력을 인가함으로서, 기록지(1040) 상에 토너가 정착된다. 그 후, 토너가 정착된 기록지(1040)는 배지 롤러(1042)를 통하여 배지 트레이(1043)로 전송된다. 이러한 처리 절차들이 수행된 복수의 기록지(1040)는 배지 트레이(1043) 상에 순차적으로 적층된다.
제전 유닛(1034)은 감광체 드럼(1030)의 표면을 전기적으로 중화시킨다.
클리닝 유닛(1035)은 감광체 드럼(1030)의 표면에 남은 토너(잔류 토너)를 제거한다. 잔류 토너가 제거된 감광체 드럼(1030)의 표면은 차저(1031)와 대향하는 위치로 되돌아간다.
다음으로, 광 주사 장치(1010)의 구조를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같은 일례로서, 광 주사 장치(1010)는 편향기측 주사 렌즈(11a), 상면측 주사 렌즈(11b), 폴리곤 미러(13), 광원(14), 커플링 렌즈(15), 개구판(16), 아나모픽 렌즈(17), 반사 미러(18), 주사 제어기(미도시) 등을 포함한다. 이러한 구성요소는 하우징(30)의 미리 결정된 위치에 배치 및 고정되어 있다.
이하에서는 주주사 방향에 대응하는 방향 및 부주사 방향에 대응하는 방향을 각각“주주사 대응 방향” 및 “부주사 대응 방향”으로 간단히 지칭한다는 점에 주목한다.
커플링 렌즈(15)는 광원(14)으로부터 출사된 광빔을 실질적으로 평행한 광으로 변환한다.
개구판(16)은 개구부를 가지며, 커플링 렌즈(15)를 통과하는 광의 빔 직경을 규정한다.
아나모픽 렌즈(17)는 개구판(16)의 개구부를 통과한 광의 빔을 변환하여, 상기 광빔이 반사 미러(18)를 통하여 폴리곤 미러(13)의 편향 반사면 부근에 부주사 대응 방향으로 화상을 형성한다.
광원(14)과 폴리곤 미러(13) 사이의 광로에 배치되는 광학 시스템은 편향기 전 광학 시스템으로 지칭될 수도 있다. 본 실시형태에서, 편향기 전 광학 시스템은, 커플링 렌즈(15), 개구판(16), 아나모픽 렌즈(17) 및 반사 미러(18)를 포함한다.
폴리곤 미러(13)는 예컨대 내접원의 직경이 18 ㎜인 6면 거울을 포함한다. 폴리곤 미러(13)의 각 면은 편향 반사면으로 된다. 폴리곤 미러(13)는, 부주사 대응 방향에 평행한 축의 둘레를 등속으로 회전하면서, 반사 미러(18)에 의해 반사된 광빔을 편향시킨다.
편향기측 주사 렌즈(11a)는 폴리곤 미러(13)에 의해 편향된 광빔의 광로에 배치된다.
상(像)면측 주사 렌즈(11b)는 편향기측 주사 렌즈(11a)를 통과한 광빔의 광로에 배치된다. 상면측 주사 렌즈(11b)를 통과하는 광빔은 감광체 드럼(1030)의 표면에 투영되어, 광 스폿이 형성된다. 이 광 스폿은, 폴리곤 미러(13)가 회전함에 따라 감광체 드럼(1030)의 길이 방향으로 시프트된다. 즉, 광 스폿은 감광체 드럼(1030)에 걸쳐서 주사된다. 광 스폿이 이동하는 방향은“주주사 방향”이다. 한편, 감광체 드럼(1030)의 회전 방향은“부주사 방향”이다.
폴리곤 미러(13)와 감광체 드럼(1030) 사이의 광로에 배치되는 광학 시스템은, 주사 광학 시스템으로 지칭될 수도 있다. 본 실시형태에서, 주사 광학 시스템은 편향기측 주사 렌즈(11a)와 상면측 주사 렌즈(11b)를 포함한다. 편향기측 주사 렌즈(11a)와 상면측 주사 렌즈(11b) 사이의 광로 및 상면측 주사 렌즈(11b)와 감광체 드럼(1030) 사이의 광로 중 하나 이상에, 하나 이상의 광로 굴곡 미러가 배치될 수도 있음을 주목한다.
광원(14)은 일례로서 도 3에 도시된 바와 같이 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)를 포함한다. 이 명세서에서, 레이저 발진 방향은 Z 방향으로 지칭되며, Z 방향으로 수직한 면에서 서로 직교하는 2개의 방향은 X 방향 및 Y 방향으로 지칭된다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 780 ㎚ 대의 발진 파장을 가지도록 설계되며, 기판(101), 버퍼층(102), 하부 반도체 DBR(distribution Bragg reflector)(103), 하부 스페이서층(104), 활성층(105), 상부 스페이서층(106), 상부 반도체 DBR(107) 및 컨택트층(109)을 포함한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에 포함되는 기판(101)은 경면 연마면을 가진다. 기판(101)은 도 4a에 도시된 바와 같이, 경면 연마면의 법선 방향이 결정 방위 [1 0 0]로부터 결정 방위 [1 1 1]A로 향하여 15도(θ= 15도) 경사진 n-GaAs 단결정 기판이다. 즉, 기판(101)은 경사 기판이다. 이 실시형태에서, 기판(101)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 결정 방위 [0 1 -1]가 +X방향으로 정렬되며, 결정 방위 [0 -1 1]가 -X 방향으로 정렬되는 방식으로 배치된다.
버퍼층(102)은 기판(101)의 +Z 방향 면상에 적층되는 n-GaAs 층이다.
하부 반도체 DBR(103)은 일례로서 도 5에 도시된 바와 같이 제1 하부 반도체 DBR(1031), 제2 하부 반도체 DBR(1032), 제3 하부 반도체 DBR(1033)을 포함한다.
제1 하부 반도체 DBR(1031)은 버퍼층(102)의 +Z 방향면에 걸쳐서 적층된다. 제1 하부 반도체 DBR(1031)은 n-AlAs로 이루어지는 저굴절율층(103a)과 n-Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 고굴절율층(103b)의 쌍을 36.5쌍 포함한다. 전기 저항을 저감시키기 위하여, 각각의 2개의 이웃하는 굴절율층 사이에는 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 이 조성 경사층에서, 조성은 하나의 조성으로부터 또 다른 조성으로 서서히 변화된다. 각 굴절율층은 이웃하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써 λ/4(여기서 λ은 발진 파장임)의 광학 두께를 가지도록 설계된다. 광학 두께가 λ/4인 경우, 그 층의 실제 두께 d는 λ/4N(여기서 N은 그 층의 재료의 굴절율임)이다.
제2 하부 반도체 DBR(1032)은 제1 반도체 DBR(1031)의 +Z 방향면 상에 적층되며, 저굴절율층(103a)과 고굴절율층(103b)의 쌍을 3쌍 포함한다. 전기 저항을 저감시키기 위하여, 각각 2개의 이웃하는 굴절율층 사이에 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각각의 하부 굴절율층(103a)은 이웃하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써 3λ/4의 광학 두께를 가지고, 각각의 고굴절율층(103b)이 이웃하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 가진다. 제2 하부 반도체 DBR(1032)은 "광 가둠 저감 영역"이다.
제3 하부 반도체 DBR(1033)은 제2 하부 반도체 DBR(1032)의 +Z 방향으로 적층되며, 저굴절율층(103a)과 고굴절율층(103b)의 쌍을 포함한다. 전기 저항을 저감시키기 위하여, 각각 2개의 이웃하는 굴절율층 사이에 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각각의 굴절율층은 이웃하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 가진다.
따라서, 본 실시형태에서, 하부 반도체 DBR(103)은 저굴절율층(103a) 및 고굴절율층(103b)의 쌍을 40.5쌍 포함한다.
비도핑된 (Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P 층인 하부 스페이서층(104)은 제3 하부 반도체 DBR(1033)의 +Z 방향면으로 적층된다.
활성층(105)은 하부 스페이서층(104)의 +Z 방향면으로 적층된다. 활성층(105)은 일례로서 도 6에 도시된 바와 같이, GaInAsP 양자 우물층(105a) 및 GaInP 배리어층(105b)을 포함하는 3중 양자 우물 활성층이다. 각 양자 우물층(105a)은 780 ㎚대의 발진 파장을 얻기 위하여 GaInP 혼정(混晶)에 As를 도입함으로써 생성되며, 압축 왜곡(strain)을 가진다. 배리어층(105b)은 인장 왜곡을 도입함으로써 큰 밴드갭을 가지므로, 높은 캐리어 가둠을 실현하고, 또한 양자 우물층(105a)의 왜곡 보상 구조로서 기능한다.
이 실시형태에서, 경사 기판이 기판(101)으로 사용되므로, 활성층의 이득에 이방성이 도입되므로, 편광의 방향을 미리 결정된 방향으로 정렬시킬 수 있다(편광 제어).
비도핑된 (Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P 층인 상부 스페이서층(106)은 활성층(105)의 +Z 방향면으로 적층된다.
하부 스페이서층(104), 활성층(105) 및 상부 스페이서층(106)을 포함하는 부분은, λ의 광학 두께를 가지도록 설계되는 공진기 구조체로 지칭된다. 활성층(105)의 PL 파장은 772 ㎚로 설계되며, 이는 공진기 구조체의 공진 파장 780 ㎚ 보다 8 ㎚가 짧으며, 최소 임계값 전류는 17℃에서 얻어진다. 활성층(105)은 공진기 구조체의 중앙에 제공되며, 이는 높은 유도 방출율을 달성하기 위하여 전계의 정재파의 안티노드(antinode)에 대응한다. 공진기 구조체는 하부 반도체 DBR(103)과 상부 반도체 DBR(107) 사이에 개재된다.
상부 반도체 DBR(107)은 제1 상부 반도체 DBR(1071) 및 제2 상부 반도체(1072)를 포함한다.
제1 상부 반도체 DBR(1071)은 상부 스페이서층(106)의 +Z 방향면으로 적층되고, p-(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P로 이루어지는 저굴절율층과 p-(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P로 이루어지는 고굴절율층의 쌍을 1쌍 포함한다. 전기 저항을 감소시키기 위하여, 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 조성 경사층이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제1 상부 반도체 DBR(1071)은 AlGaAs 층과 비교하여 더 높은 밴드갭 에너지를 가지며, 활성 영역으로 주입된 전자들을 차단하기 위한 블록층으로서 기능한다.
경사 기판이 기판(101)으로서 사용되므로, AlGaInP 재료의 힐록(hillock) 결함 형성의 발생을 감소시키고 결정성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 자연 초격자의 발생을 감소시키고 밴드갭 에너지의 감소를 방지할 수 있다. 따라서, 제1 상부 반도체 DBR(1071)은 밴드갭 에너지를 크게 유지할 수 있고, 전자 블록층으로서 바람직하게 기능한다.
제2 상부 반도체 DBR(1072)은 제1 상부 반도체 DBR(1071)의 +Z방향면으로 적층되고, p-Al0.9Ga0.1As로 이루어지는 저굴절율층과 p-Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 고굴절율층의 쌍을 23쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으써 λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제2 상부 반도체 DBR(1072)의 저굴절율층 중 하나에는, 30 ㎚의 두께를 가지는 p-AlAs로 이루어지는 피선택 산화층이 삽입된다. 피선택 산화층은 상부 스페이서층(106)으로부터 3 번째 쌍의 저굴절율층 내에서 전계의 정재파의 노드에 대응하는 위치에 제공된다.
컨택트층(109)은 제2의 상부 반도체 DBR(1072)의 + Z방향면으로 적층된 p-GaAs층이다.
기판(101) 상에 복수의 반도체층이 적층되는 결과로서 생기는 구조체는 이하에서“적층체”로서 지칭된다.
또한, 이하에 설명되는 각 굴절율층의 광학 두께는, 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함한다.
다음으로 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)의 제조 방법에 관해서 간단히 설명한다.
(1) 전술한 적층체를 유기 금속 화학 기상 성장법(MOCVD 법) 또는 분자빔 에피택시 (MBE 법) 등의 결정 성장법에 의해서 생성한다.
이 단계에서, III족 원료로서 트리메틸알루미늄(TMA), 트리메틸 갈륨(TMG) 및 트리메틸 인듐(TMI)을 이용하고, V족 원료로서 아르신(AsH3)가스를 이용한다. 또한, p 형 도펀트로서는 사브롬화탄소(CBr4)를 이용하고, n 형 도펀트로서는 셀레늄화수소(H2Se)를 이용한다. AlGaInAsP계 재료의 V 족 P원료로서, 포스핀(PH3) 가스를 이용하며, AlGaInP의 p형 도펀트로서 디메틸아연(DMZn)을 이용하고 있다.
(2) 적층체의 표면에 한변이 25 μm인 정방형 레지스트 패턴을 형성한다.
(3) 상기 정방형 레지스트 패턴을 포토마스크로서 이용하여, Cl2 가스를 이용하는 ECR 에칭법으로, 사각기둥형의 메사를 형성한다. 에칭 바닥면은 하부 반도체 DBR(103) 내에 위치된다.
(4) 포토마스크를 제거한다.
(5) 적층체를 수증기 내에서 열처리한다. 이 단계에서, 피선택 산화층 내의 Al이 메사의 외주부로부터 선택적으로 산화된다. 따라서, 메사의 중앙부에, Al 산화층(108a)에 의해서 둘러싸인 산화되어 있지 않은 영역(108b)을 잔류시킨다(도 3참조). 이러한 방식으로, 산화 전류 협착 구조체가 형성되며, 여기서 발광부의 구동전류의 경로는 메사의 중앙부로 제한된다. 상기 산화되어 있지 않은 영역(108b)은 전류 통과 영역(전류 주입 영역)으로 기능한다. 여러 가지의 예비 실험의 결과에 기초하여, 전류 통과 영역의 한변이 약 4 ㎛가 되도록, 열처리의 조건(유지 온도, 유지 시간등)을 적절히 선택한다. 구체적으로, 유지 온도는 360℃이고, 유지 시간은 30분이다.
(6) 화학 기상 증착법(CVD 법)에 의해 SiN 또는 SiO2으로 이루어지는 보호층(111)을 형성한다.
(7) 폴리이미드(112)를 이용하여 적층체를 평탄화한다.
(8) 메사의 상부에 P-전극 컨택트의 개구를 제공한다. 이 단계에서, 포토레지스트 마스크를 메사의 상부에 제공한 후, 개구들이 형성되는 메사의 위치들을 노광시켜 상기 위치들로부터 포토레지스트 마스크를 제거한다. 이후에, 폴리이미드(112) 및 보호층(111)을 BHF(buffered HF) 에칭하여 개구를 형성한다.
(9) 메사의 상부에 광 출사부가 되는 영역에 한변이 10 ㎛인 정방형의 레지스트 패턴을 형성한 후, p-전극 재료를 기상 증착에 의해 증착한다. p-전극 재료로서는 Cr/AuZn/Au 또는 Ti/Pt/Au로 이루어지는 다층막이 이용된다.
(10) 광 출사부가 되는 영역으로부터 p-전극 재료를 리프트 오프함으로써, p-전극(113)을 형성한다.
(11) 기판이 미리 결정된 두께(예를 들어, 약 100 ㎛)를 가지도록 기판(101)의 이면을 연마한 후, n-전극(114)을 형성한다. n-전극(114)은 AuGe/Ni/Au로 이루어지는 다층막이다.
(12) 어닐링에 의해서, p-전극(113)과 n-전극(114)을 오믹 접촉함으로써, 메사는 발광부가 된다.
(13) 적층체는 칩들로 절단된다.
전술한 방식으로 제조된 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에, 1.4 mW의 광 출력을 생성하는 것을 목표로 하여, 1 ms의 펄스 주기 및 500 ㎲(듀티 50%)의 펄스폭을 가지는 구형파 전류 펄스를 인가함으로써 조사가 수행된다. 그 결과는 (P1 - P2)/P2 = -0.06이고, 여기서 P1은 인가 후에 10 ㎱에서 획득되는 광출력이고, P2는 인가 후에 1 ㎲에서 획득되는 광출력이다. 이하에서, 식 (P1-P2)/P2× 100으로부터 획득되는 값(단위 : %)은 “드롭율”이라고도 지칭된다. 따라서, 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)의 드롭율은 -6% 이다. -10%보다 작은 드롭율을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 레이저 프린터에 사용되면, 레이저 프린터로부터 출력되는 화상은, 육안으로 관찰될 때, 적어도 부분적으로 윤곽이 매우 불명료하게 된다.
상기 조사에 있어서, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 2 mW 보다 큰 단일 기본 횡모드 출력을 생성한다.
또한, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는, 종래의 수직 공진기형 면발광 소자와 동일한 임계값 전류 특성 및 외부 미분 양자 효율(슬로프 효율)을 나타낸다.
본 발명의 발명자들은, 산화 전류 협착 구조체를 가지는 종래의 수직 공진기형 면발광 소자가 여러 가지의 다른 구형파 전류 펄스에 의해 구동되는 경우에 획득되는 광 파형들을 상세히 조사하였다. 도 7은 1 ㎳의 펄스 주기 및 50%의 듀티에 대하여 획득되는 광 파형을 나타내며, 도 8은 100 ㎱의 펄스 주기 및 50%의 듀티에 대하여 획득되는 광 파형을 나타낸다.
도 7의 광 파형에 따르면, 상승 시간 후에 광출력이 서서히 증가하는 네가티브 드롭 특성을 나타낸다. 60 ㎱ 이후에도, 광출력은 목표값(1.5 ㎽)에 도달하지 않는다. 한편, 도 8의 광 파형에 따르면, 상승 시간후의 광출력은 안정되고, 네가티브 드롭 특성은 나타나지 않는다.
따라서, 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 인가되는 구형파 전류 펄스들이 동일한 듀티를 가지는 경우에도, 즉 동일한 발열값으로도, 인가된 구형파 전류 펄스가 긴 펄스 주기를 가지면 네가티브 드롭 특성을 나타내고, 인가된 구형파 전류 펄스가 짧은 펄스 주기를 가지면 네가티브 드롭 특성을 나타내지 않는다.
펄스 주기가 다르게 되면 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도가 다르게 된다고 생각된다. 즉, 펄스 주기가 긴 경우에는, 발열 기간과 냉각 기간이 모두 길고, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도는 크게 변동한다. 한편, 펄스 주기가 짧은 경우에, 냉각 기간이 길게 지속되지 않는다. 따라서, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도의 변동은 작고, 내부 온도는 평균적으로 비교적 높게 유지된다. 즉, 네가티브 드롭 특성을 야기하는 구동 조건에 대하여, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도는 크게 변동하므로, 네가티브 드롭 특성은 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도에 기인하는 현상이라고 추정된다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도가 변하면, 발진 모드의 횡 방향에 대한 전계 강도 분포(이하,“횡모드 분포”로도 지칭됨)도 변한다.
산화 전류 협착 구조체에서의 산화층은 약 1.6의 굴절율을 가지며, 이는 인접하는 반도체층들의 굴절율(약 3)보다 낮다. 따라서, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 내부에는, 횡방향으로 소위 고유한 유효 굴절율차 Δneff가 존재한다(도 9 참조).
유효 굴절율차 Δneff에 의해, 기본 횡모드를 포함하는 발진 모드는 횡방향으로 제한된다. 이 점에 있어서, 발진 모드의 횡방향으로의 확대는 Δneff의 크기에 의존하고, Δneff가 커질수록, 횡방향으로의 확대는 더 작아진다(도 10a 및 도 10b 참조).
수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 전류(구동 전류)를 주입하면, 전류는 메사의 중앙 부분에 집중된다(이하,“메사 중앙 부분”). 그 후, 주울열, 활성층 영역에서의 비발광 재결합 등으로 인해, 특히 활성층 부근의 메사 중앙부의 일부는 주변 영역과 비교하여 더 높은 국부적인 온도를 가진다. 반도체 재료의 온도가 증가되면, 반도체 재료는 감소된 밴드갭 에너지를 가지며, 이는 굴절율을 높게 한다. 따라서, 메사 중앙부의 국부적인 온도가 증가되면, 메사 중앙부의 굴절율이 주변 영역의 굴절율과 비교하여 더 높아지므로, 횡 방향으로의 광 가둠이 현저하게 된다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 고유한 유효 굴절율차 Δneff가 작은 경우에, 메사 중앙부의 국부적인 온도가 증가되면, 도 11a에 도시된 바와 같이, 유효 굴절율차 Δneff의 변화가 커지게 되므로, 이는 횡모드 분포를 크게 변화시킨다. 이 경우에, 전류가 주입되는 이득 영역과 횡 모드 사이의 중복이 증가하고, 횡방향의 광 가둠이 현저하게 된다. 이 결과, 이득 영역에서의 광 강도가 증가하고, 유도 방출율이 증가하고, 이에 따라 임계값 전류가 감소되다.
따라서, 작은 고유한 유효 굴절율차 Δneff를 가지며 실온에서 횡방향의 광 가둠이 불충분한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 대하여, 내부 온도가 증가하면, I-L곡선(주입 전류 광학 출력 곡선)이 더 낮은 전류측을 향하여 전체적으로 시프트되고, 발광 효율이 향상된다(도 12 참조). 이 경우에, 동일한 구동 전류값으로 획득된 광출력은 시간 경과에 따라서 증가하므로, 네가티브 드롭 특성이 관찰된다(도 13 참조). 도 12는 내부 온도의 증가 이전인 시각 t = t0초에 예측되는 I-L 특성과, 펄스형의 구동 전류가 공급되어 내부 온도가 충분히 증가된 시각 t = t1초에 예측되는 I-L 특성을 나타낸다. 온도의 증가에 따라, 발광 효율이 향상되며, 임계값 전류가 감소되므로, t1초의 I-L 특성은, t0초의 I-L 특성과 비교하여 저전류측을 향하여 시프트된다. 구동 전류는 Iop에서 일정하므로, t1초의 경우에 광출력이 더 크다. 이 경우의 광 파형을 도 13에 나타낸다.
한편, 도 10b에 도시된 바와 같이, 고유한 유효 굴절율 차 Δneff가 큰 경우에, 메사 중앙부의 국부적인 온도가 증가되는 경우에도, 도 11b에 도시된 바와 같이, 유효 굴절율 차 Δneff의 변화는 작다. 따라서, 횡모드 분포에서는 변화가 거의 관찰되지 않는다.
따라서, 고유한 유효 굴절율 차 Δneff가 크고, 실온에서의 횡방향의 광 가둠이 충분한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 대하여, 내부 온도가 증가하더라도, 횡모드 분포가 안정되며, 발광 효율의 변화는 거의 보여지지 않는다. 이 경우에, 동일한 구동값으로 획득된 광출력은 시간 경과에 대하여 실질적으로 일정하게 유지되므로, 네가티브 드롭 특성은 나타나지 않는다.
횡방향의 광 가둠의 강도를 나타내는 지표로서 횡방향 광 가둠 계수(이하, 간단히 “광 가둠 계수”로 지칭됨)를 이용한다. “수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 중심을 통과하는 X-Y 단면에서의 전계의 적분 강도”에 대한 “전류 통과 영역이 위치되는 반경 영역 내에 위치되는 전게의 적분 강도”의 비로부터 광 가둠 계수를 획득할 수 있음을 주목한다. 광 가둠 계수가 커질수록, 전계 강도의 분포가 이득 영역에 예리하게 집중된다. 즉, 실온에서 획득되는 광 가둠 계수가 커질수록, 산화 전류 협착 구조체에 의해 광 가둠이 더욱 충분하게 달성될 수 있고, 이는 이득 영역의 국부적인 온도 변화 동안에도 횡모드 분포가 안정되어 있음을 나타낸다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 횡모드 분포는 이하의 헬름홀츠(helmholtz) 방정식(식 (1) 및 (2))을 이용하여 전계 강도의 분포를 계산함으로써 추정될 수 있다.
[식 1]
Figure 112010071592515-pct00001
...(1)
[식 2]
Figure 112010071592515-pct00002
...(2)
그러나 식 (1) 및 (2)는 해석적으로 계산하기가 어렵기 때문에, 일반적으로는 계산기를 사용한 유한 요소법을 이용한 수치 해석을 수행한다는 점에 주목한다. 여러 가지 툴들이 유한 요소법에 대한 솔버(solver)로서 이용될 수 있고, 상업적으로 생산된 VCSEL 시뮬레이터(예를 들어, 레이저 MOD)는 이것의 일례이다.
780 ㎚대의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 기본 횡모드 분포를 일례로서 계산한다.
계산에 이용되는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 있어서, 활성층은 Al0.12Ga0.88As층(각각 8 ㎚의 두께를 가짐) 및 Al0.3Ga0.7As층(각각 8 ㎚의 두께를 가짐)을 포함하는 3중 양자 우물 구조를 가진다. 각 스페이서층은 Al0.6Ga0.4As로 이루어 진다. 하부 반도체 DBR은 Al0.3Ga0.7As로 이루어진 고굴절율층 및 AlAs로 이루어진 저굴절율층의 쌍을 40.5쌍 포함한다. 상부 반도체 DBR은 Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 고굴절율층 및 Al0.9Ga0.1As로 이루어지는 저굴절율층의 쌍을 24쌍 포함한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 25 ㎛의 직경을 가지는 원통형 메사를 포함한다. 메사 에칭은 하부 반도체 DBR과 하부 스페이서층 사이의 계면까지 수행되며, 에칭된 영역은 대기로 채워진다. 즉, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 단순하게 에칭된 메사 구조체를 가진다. 메사 에칭되어 있지 않은 하부 반도체 DBR는 35 ㎛의 직경을 가지며, 이는 계산에 관계되는 최대폭이다. AlAs로 이루어지는 피선택 산화층은 상부 반도체 DBR에서의 3λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층 내에 배치되며, 더욱 상세하게는, 활성층으로부터 카운트되는 정재파의 3번째 노드에 대응하는 위치에 배치된다.
계산으로는 활성층의 이득 및 반도체 재료에 의한 흡수는 고려하지 않고, 구조에 의해 결정되는 고유 모드 분포만을 획득한다는 점에 주목한다. 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 온도는 300 K에서 일정하게 유지된다. 각 재료의 굴절율은, 도 14에 도시된 것을 이용했다. 산화 전류 협착 구조체의 산화층이 간단히“산화층”으로도 지칭되며, 전류 통과 영역의 직경이“산화 협착 직경”으로도 지칭됨 에 주목한다.
전술한 바와 같이 계산된 기본 횡모드 분포에 기초로 하여, 다음 (3) 식을 이용하여 광 가둠 계수 Γ1을 계산하였다. 방정식에서, a는 전류 통과 영역의 반경이다.
[식 3]
Figure 112010071592515-pct00003
....(3)
780 ㎚ 대의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 실온에서의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 피선택 산화층의 여러 가지 두께 및 여러 가지 산화 협착 직경에 대하여 계산한다. 계산 결과를 도 15에 나타낸다. 그 결과에 따르면, 광 가둠 계수는 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경에 의존하며, 피선택 산화층의 두께가 커질수록 그리고 산화 협착 직경이 더 커질수록, 광 가둠 계수는 더 커진다.
도 16은 도 5의 계산 결과를 피선택 산화층의 두께를 횡축으로 그리고 광 가둠 계수를 종축으로 하여 나타낸 그래프이다. 피선택 산화층의 두께의 증가와 연관된 광 가둠 계수의 변화에 있어서, 모든 다른 산화 협착 직경에 대하여, 피선택 산화층의 두께가 25 ㎚ 이하인 경우에 변화가 현저하며, 피선택 산화층의 두께가 25 ㎚ 이상인 경우에 변화가 포화되는 경향을 나타냄을 알 수 있다.
여러 가지 두께의 피선택 산화층 및 여러 가지 산화 협착 직경을 가지는 복수의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 제조하여 이들의 드롭 특성을 평가하였다. 도 17은 평가 결과를 나타낸다. 도 17에서,“o”는 -10% 이상의 드롭율을 나타내고,“x”는 -10% 미반의 드롭율을 나타낸다. 도 15 및 도 17에 따르면, 실온에 있어서의 0.9 이상의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 가지는 소자 구조가, -10% 이상의 드롭율을 나타냄을 이해할 수 있다.
도 18은 실온에서 약 0.983의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 광 파형을 나타낸다. 이 광 파형의 드롭율은 약 -4.3%이다.
도 19는 실온에서 약 0.846의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 광 파형을 나타낸다. 이 광 파형의 드롭율은 약 -62.8%이다.
다른 광 가둠 계수를 가지는 여러 가지 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 제조하고, 철저한 조사를 수행하였다. 조사에 따르면, 광 가둠 계수가 약 0.9이면, 드롭율은 약 -5%이고, 광 가둠 계수가 더 증가하면, 드롭율은 광 가둠 계수의 증가에 따라서 증가한다. 한편, 광 가둠 계수가 0.9 미만이면, 드릅율은 광 가둠 계수가 더 작아짐에 따라서 감소된다. 조사에 있어서, 작은 광 가둠 계수를 가지는 일부 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 -70% 이하의 드롭율을 나타낸다.
따라서, 실온에서의 기본 횡모드 광 가둠 계수가 0.9 이상이면, 네가티브 드롭 특성을 억제할 수 있다.
일반적으로, 실온에서의 유효 굴절율차 Δneff는, 피선택 산화층의 두께가 더 커질수록 그리고 피선택 산화층이 활성층에 더 가까이 배치될수록 커지게 된다. 그러나, 이러한 2개의 인자의 영향도를 비교하면, 피선택 산화층의 두께가 유효 굴절율차 Δneff 보다 더 큰 영향도를 가짐을 주목한다. 따라서, 횡방향의 광 가둠의 강도는 피선택 산화층의 두께에 의해 주로 결정된다.
일반적으로 이용되는 산화 협착 직경은 4.0 ㎛ 이상이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 산화 협착 직경이 4.0 ㎛ 이상이고 피선택 산화층의 두께가 25 nm 이상이면, 0.9 이상의 광 가둠 계수를 획득할 수 있다.
도 20은 사각 기둥형 메사 및 4 ㎛ 이상의 산화 협착 직경을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에서의 피선택 산화층(108)의 두께와 드롭율 사이의 관계를 나타낸다. 도 20의 드롭율은, 1 ㎳의 펄스 주기 및 50%의 듀티를 가지는 구형파 전류 펄스를 인가함으로써 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 구동시켰을 때에 획득되는 광 파형으로부터 계산된다. 도 20에 따르면, 피선택 산화층의 두께가 감소되면, 드롭율이 지수함수적으로 감소되고, 네가티브 드롭 특성이 현저하게 된다. 또한, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 사이에서의 드롭율의 변동이 현저하게 된다. -10% 이상의 드롭율을 가지기 위하여, 피선택 산화층의 두께는 25 ㎚ 이상이어야 한다.
기본 횡모드 광 가둠 계수는 주로 산화 협착 직경과 피선택 산화층의 두께 양자에 의존하므로, 산화 협착 직경과 피선택 산화층의 두께의 조합을 어떻게 선택하는지가 중요하다.
발명자들이 산화 협착 직경과 피선택 산화층의 두께의 조합에 대하여 여러 가지 피팅 방식을 시도하였다. 그 결과, 산화 협착 직경(d[㎛]) 및 피선택 산화층의 두께(t[㎚])인 2가지 변수를 이용하여, 도 15의 계산 결과를 2차 형식으로 대체로 표현할 수 있음을 발견하였다. 다음 (4)식은, 기본 횡모드 광 가둠 계수(Γ)를 산화 협착 직경(d)과 피선택 산화층의 두께(t)의 2차 형식으로 피팅함으로써 획득된다. d 및 t에 도 15의 특정값을 할당함으로써, 대강 1%의 오차로 도 15의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 획득할 수 있다.
[식 4]
Figure 112010071592515-pct00004
전술한 바와 같이, 네가티브 드롭 특성을 효과적으로 억제하기 위해서는, 광 가둠 계수는 0.9 이상이 되어야 한다. 0.9 이상의 광 가둠 계수를 획득하기 위한 산화 협착 직경(d)와 피선택 산화층의 두께(t)의 조합(범위)를 상기 식(4)에 의해 발견할 수 있다. 즉, 상기 범위는 Γ(d, t) ≥ 0.9의 부등식을 충족하는 d와 t의 조합을 나타내며, 보다 상세하게, 상기 범위는 다음 식 (5)로 표현된다.
[식 5]
Figure 112010071592515-pct00005
상기 식 (5)를 충족시키기 위한 산화 협착 직경(d)과 피선택 산화층의 두께(t)를 선택함으로써, 0.9 이상의 광 가둠 계수를 달성할 수 있으므로, 네가티브 드롭 특성이 없는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 획득할 수 있다.
지금까지는, Δneff가 드롭 특성에 영향력을 가진다는 것이 알려져 있지 않고, 그 영향력은 본 발명의 발명자들에 의해 처음으로 알려졌다.
Al을 선택 산화시키는 공정(상기 공정(5))에서는, 산화는 기판면에 평행한 방향(이 경우에는, X-Y 면내 방향)뿐만 아니라, 수직 방향(Z축 방향)으로도 조금씩 진행한다. 따라서, 선택 산화 이후의 메사의 단면을 전자 현미경으로 관찰하면, 산화층의 두께는 균일하지 않고, 메사의 외주부(산화 개시부)에서의 두께가 두꺼워지고, 산화가 종료되는 산화층(간단히“산화 종료 영역”으로 지칭됨)의 두께는 보다 작아진다. 그러나, 산화 종료 영역으로부터 외주부를 향하여 2 ㎛ 내지 3 ㎛까지 연장되는 영역에서, 산화층의 두께는 피선택 산화층의 두께와 실질적으로 대응한다. 발진광은 주로 산화 종료 영역의 유효 굴절율차에 의해 영향을 받기 때문에, 피선택 산화층은 상기 공정 (1)에서 원하는 두께(25 ㎚ 이상)를 가지도록 제어되므로, 산화층에서의 산화 종료 영역은 원하는 두께를 가진다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 내부 온도의 변화는 광 가둠 계수의 변화뿐만 아니라 디튜닝량의 변화에 의해 행해진다. 다음으로 디튜닝량과 네가티브 드롭 특성 사이의 관계를 설명한다.
단부면 발광형 반도체 레이저 소자에서, 공진 종모드가 조밀하므로 레이저 발진은 이득 피크 파장 λg에서 발생된다. 한편, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 일반적으로 단일 공진 파장을 가지며, 단일 종모드 만이 반도체 DBR의 반사 대역에 존재한다. 또한, 레이저 발진은 공진 파장 λr에서 발생하므로, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 발광 특성은 공진 파장 λr 및 활성층의 이득 피크 파장 λg에 의존한다.
디튜닝량 Δλ0은 다음 (6)식으로 정의된다. λr0는 공진 파장이며, λg0은 이득 피크 파장이다. 또, 첨자“0”은 실온에서 임계값 전류로 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 CW(Continuous Wave Oscillation) 모드로 구동시킴으로써 획득된다는 점에 주목한다. 이하 첨자“0”가 없는 값은, 그 값이 다른 조건하에서 예를 들어, 임계값 전류 보다 더 큰 전류로 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 구동시킴으로써 획득된다는 것을 나타낸다.
[식 6]
Δλ0 = λr0 - λg0
도 21은 Δλ0 > 0의 경우를 나타내며, 도 22는 Δλ0 < 0의 경우를 나타낸다.
발진 파장은, 이득 피크 파장이 아니라, 공진 파장에 의해 결정되므로, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 레이저 특성은, Δλ0이 포지티브 값 또는 네가티브 값인지 여부 및 그 값의 크기에 크게 의존한다. 예를 들어, 실온에서의 임계값 전류는 Δλ0의 절대값이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다.
공진 파장 및 이득 피크 파장 양자는, 온도의 증가에 따라서, 더 길어진다. 공진 파장의 변화는 공진기 구조체를 구성하는 재료의 굴절율 변화로 인해 발생하며, 이득 피크 파장의 변화는 활성층 재료의 밴드갭 에너지의 변화로 인해 발생한다. 밴드갭 에너지의 변화율은 굴절율의 변화율 보다 약 한 자리수 만큼 더 크다는 점에 주목한다. 따라서, 온도가 변경될 때의 발광 특성은 주로 이득 피크 파장의 변화량에 의존한다. 공진 파장은 약 0.05 nm/K의 온도 변화율을 가지며, 이는 실질적으로 무시할 수 있는 변화라는 점에 주목한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 있어서, 주입 전류의 변화 등에 의해서 내부 온도(활성층의 온도)가 증가되면, 이득 피크 파장은 더 긴 파장측으로 시프트된다. Δλ0 > 0의 경우(도 21 참조)에, Δλ의 절대값(디튜닝량)은 한번 감소한 후, 증가한다.
일반적으로, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 이득 피크 파장과 공진 파장이 서로 일치하는 경우에 최대 발진 효율(발광 효율)을 가진다.
△λ0 > 0의 경우에, 소자 온도(주위 온도)가 실온으로부터 증가되면, 임계값 전류는 소자의 온도가 증가함에 따라 감소하기 시작한다. 그 후, 임계값 전류는, 이득 피크 파장과 공진 파장이 서로 일치하는 경우에 최소값에 도달하고, 온도가 더 상승하는 경우에 증가하기 시작한다. 즉, 최저 임계값 온도가 획득되는 온도는 실온 보다 더 높다.
Δλ0 < 0의 경우(도 22 참조)에, 내부 온도(활성층의 온도)가 증가되면, Δλ의 절대값은 단순하게 증가한다. 따라서, 소자의 온도가 실온으로부터 증가되면, 임계값 전류는 소자의 온도 상승에 대하여 단순하게 증가한다.
이 경우, 소자의 온도를 실온으로부터 저하시키면, 이득 피크 파장 △λg은 더 짧은 파장측으로 시프트된다. 이러한 인자가 주어지고, 소자의 온도를 실온으로부터 저하시키면, 임계값 전류는 감소되기 시작한 후, 이득 피크 파장과 공진 파장이 서로 일치하는 경우에 최소값에 도달한다. 이후에, 소자의 온도를 더 저하시키면, 임계값 전류는 증가하기 시작한다. 즉, Δλ0 < 0의 경우에, 최소 임계값 전류가 획득되는 온도는 실온보다 더 낮게 된다.
다른 △λ0(△λ0 < 0, △λ0 ≒ 0 및 △λ0 > 0)를 가지는 3개의 소자를 이용함으로써, 발진 임계값 전류는 각 소자의 온도(주위 온도)를 변경함으로써 측정된다. 측정 결과는 도 23에 일례로서 도시된다. 도 23의 종축은 각 온도에서의 발진 임계값 전류(Ith)를 25℃(실온)에서의 발진 임계값 전류[Ith(25℃)]에 의한 분할을 통하여 규격화함으로서 획득되는 값을 나타낸다. 이하의 내용 즉, △λ0 < 0의 경우에, 임계값 전류는 실온보다 낮은 온도에서 최저가 되며, △λ0 ≒ 0의 경우에, 입계값 전류는 실온 부근의 온도에서 최저가 되고, △λ 0 > 0의 경우에, 임계값 전류는 실온보다 더 높은 온도에서 최저가 된다고 도 23으로부터 알 수 있다.
종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 고온 및 고출력 동작 상태에서의 발광 특성의 저하를 방지하기 위하여, 고온에서의 임계값 전류가 감소되도록, 일반적으로 △λ0 > 0을 가지도록 설계된다.
그러나, Δλ0 > 0로 설정된 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 구형파 전류 펄스로 구동되면, I-L 곡선은 내부 온도의 증가에 따라서 더 낮은 전류측으로 시프되므로, 임계값 전류가 감소된다. 따라서, 일정한 구동 전류값으로 획득된 광 출력은 시간 경과에 따라서 증가한다. 즉, 네가티브 드롭 특성이 발생한다. 한편, Δλ0 < 0의 경우에, I-L 곡선은 내부 온도의 상승에 따라 더 높은 전류측으로 시프트되므로, 광출력은 증가하지 않는다. 즉, 네가티브 드롭 특성이 발생하지 않는다. 따라서, 네가티브 드롭 특성을 억제하기 위하여, 이하의 조건 즉, 산화층의 두께 이외에, △λ0 < 0로 설정하고, 실온보다 더 높은 온도에서 최저 임계값 전류가 획득되는 조건이 충족되어야 한다.
원하는 값을 λ0에 할당하기 위하여, 이득 피크 파장 λg0를 결정할 필요가 있다. 단부면 발광 반도체 레이저 소자의 경우에, 발진 파장은 이득 피크 파장과 일치하므로, 발진 파장으로부터 이득 피크 파장을 결정할 수 있다. 그러나, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에서, 공진 파장은 그 구조에 기초하여 결정된다. 따라서, 단부면 발광 반도체 레이저 소자의 경우와 달리, 이득 피크 파장을 추정하기는 어렵다.
따라서, (1) 동일한 활성층을 갖는 단부면 발광 반도체 레이저 소자를 제조하여, 실온에서의 발진 파장으로부터 이득 피크 파장을 추정하는 방법 및 (2) 동일한 활성층을 갖는 더블 헤테로 구조를 제조하여, 광발광 파장(PL 파장)으로부터 이득 피크 파장을 추정하는 방법 중 어느 하나를 채택한다.
상기 (1) 방법을 채택하는 경우에, 예를 들어, 동일한 활성층 구조를 갖는 40 ㎛의 스트라이프 폭 및 500 ㎛의 공진기 길이의 산화막 스트라이프형 단부면 발광 반도체 레이저 소자를 제조하고, 실온에서의 CW 동작의 임계값 전류에서 획득된 상기 단부면 발광 반도체 레이저 소자의 파장은 이득 피크 파장 λg0으로서 사용된다.
상기 (2) 방법을 채택하는 경우에, 레이저 발진 동안의 파장은 PL 파장에 대하여 길이 방향으로 시프트(파장 시프트)되므로, 조정해야 할 필요가 있다. 파장 시프트는 광 여기 및 전류 여기와 같은 여기의 과정에서의 차이, 또는 전류 여기의 경우에 전류에 의해 생성되는 열의 영향에 기인하다. 일반적으로, 단부면 발광 반도체 레이저 소자의 발진 파장은, PL 파장 λPL보다 약 10 nm정도 더 길다. 따라서, 파장 시프트량이 10 ㎚이라고 가정한다.
따라서, PL 파장에 기초하여, 상기 (6)식은 이하의 (7) 식으로 표현될 수 있다.
[식 7]
Figure 112010071592515-pct00006
상기 파장 시프트량 10 nm는, 일반적인 값이지만, 사용되는 재료 시스템에 따라서 변경될 수도 있다.
실험에 있어서, 각각이 다른 Δλ0를 가지는 여러 가지 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 제조되며, 각각의 수직 공진기형 면발광 레이저에 대하여 최소 임계값 전류가 획득되는 온도를 발견하였다. 도 24는 실험 결과를 나타낸다. 이는 △λ0이 0일 때 최저 임계값 전류가 실온에서 획득된다는 점을 도 24로부터 알 수 있다.
다음 실험에서, 각각이 다른 두께(30, 31 또는 34 nm)의 피선택 산화층을 가지는 여러 가지 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 제조하였다. 각각의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 광펄스 출력을 변경함으로써 구동하여, 최소 임계값 전류가 획득되는 온도 및 드롭율을 구하였다. 도 25 및 도 26은, 피선택 산화층의 두께에 따라서, 최저 임계값 전류가 획득되는 온도와 드롭율 사이의 관계를 나타낸다.
특히, 도 25는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 1.4 mW의 광출력을 산출하는 전류 펄스에 의해 구동하는 경우에 획득되는 드롭율을 나타낸다. 도 26은 도 25에 도시한 것과 동일한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 0.3 mW의 광출력을 산출하는 전류 펄스에 의해 구동하는 경우에 획득되는 드롭율을 나타낸다.
도 25 및 도 26을 비교하는 경우에, 드롭율은 광출력에 의존하여 변경되는 것을 알 수 있다. 광출력이 작을수록(즉, 0.3 ㎽), 드롭율이 작아지고, 네가티브 드롭 특성이 현저하게 나타난다.
광출력이 큰 경우에, 주입 전류량이 또한 커지고, 소자의 발열값이 커지므로, 전류 인가의 초기로부터 열로 인한 출력 포화의 영향이 현저하게 나타나고 있다고 생각된다. 즉, 통상의 드롭 특성이 비교적 이른 단계에서 나타나고 있다고 생각된다. 네가티브 드롭 특성은 전류 인가의 초기로부터 1 ㎲ 까지 광펄스 출력이 서서히 증가하는 현상이라는 점에 주목한다. 따라서, 전류 인가의 초기에서 열로 인한 출력 포화의 증가가 나타난다는 사실에 따라서, 네가티브 드롭 특성이 향상되었다고 생각된다.
따라서, 동일한 소자를 이용할 때에도, 드롭율은 소자의 광출력을 변경함으로써 변경된다. 광 출력이 낮을수록, 네가티브 드롭 특성이 더욱 현저하게 나타난다.
프린팅 시스템에서, 화상의 그레이 스케일을 표현하기 위하여 광펄스 강도를 변조한다. 따라서, 고화질 화상을 실현하기 위하여, 네가티브 드롭 특성을 저출력으로부터 고출력까지의 넓은 출력 범위에 걸쳐서 억제하는 것이 매우 중요하다. 전술한 바와 같이, 네가티브 드롭 특성은 낮은 출력에 대하여 더욱 현저하게 나타나기 때문에, 광출력이 낮은 경우에 네가티브 드롭 특성을 억제하는 것이 매우 중요하다. 이는 본 발명의 발명자들이 소자의 여러 가지 구동 조건 하에서의 드롭 특성의 상세한 조사를 통하여 새롭게 발견된 이슈이다.
다음으로, 도 25 및 도 26을 참조하여, 25℃ 이하에서 최저 임계값 전류를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 피선택 산화층의 두께와 드롭율 사이의 관계를 생각한다. 30 ㎚ 또는 31 ㎚의 두께를 가지는 피선택 산화층에 대하여, 이들의 분포는 서로 중복된다. 그러나, 30 ㎚ 또는 31 ㎚의 두께를 가지는 피선택 산화층이 34 ㎚의 두께를 가지는 피선택 산화층과 비교되는 경우, 피선택 산화층이 두꺼울수록 드롭율이 더 커지게 되므로(0에 근접), 네가티브 드롭 특성이 억제된다는 것을 알 수 있다. 도 25 및 도 26도에서의 파선 A는 25℃ 이하에서 최소 임계값 전류를 가지며 피선택 산화층이 34 nm의 두께를 가지는 소자의 평균 드롭율을 나타낸다. 파선 B는 25℃ 이하에서 최소 임계값 전류를 가지며 피선택 산화층이 30 ㎚ 또는 31 ㎚의 두께를 가지는 소자의 평균 드롭율을 나타낸다. 이 결과는, 전술한 바와 같이, 피선택 산화층이 두꺼울수록, 산화층의 광 가둠 계수가 더 커지므로, 온도 변화 동안에도 기본 횡모드는 안정하게 된다.
전술한 바와 같이, 네가티브 드롭 특성이 화상 품질에 영향을 미치기 시작하는 드롭율은 대략 -10%이다. 드롭율이 -10%보다 더 작아지는 경우, 형성되는 화상의 일부가 흐릿해지는 경향이 높아진다. 도 25에 도시된 바와 같이, 광출력이 1.4 mW인 경우에, 드롭율이 다소 변화하더라도, 피선택 산화층이 34 ㎚의 두께를 가지는 소자의 평균 드롭율은 약 -3%이다. 한편, 피선택 산화층이 30 ㎚ 또는 31 ㎚의 두께를 가지는 소자의 평균 드롭율은 약 -5%이다. 이러한 평균 드롭율들의 차이에 기초하여, 피선택 산화층의 두께가 25 ㎚이상이면 -10% 이상의 드롭율을 달성할 수 있다.
또한, 도 26에 도시된 바와 같이, 광출력이 0.3 mW인 경우에, 드롭율이 다소 변화하더라도, 피선택 산화층이 34 nm의 두께를 가지는 소자의 평균 드롭율은 약 -5% 이다. 한편, 피선택 산화층이 30 nm 또는 31 nm의 두께를 가지는 소자의 평균 드롭율은 약 -7%이다. 이러한 평균 드롭율의 차이에 기초하여, 피선택 산화층의 두께가 25 nm 이상이면, 약 -10% 이상의 드롭율을 달성할 수 있다.
따라서, 피선택 산화층이 25 nm 이상의 두께를 가지며, 25℃ 이하에서 최소 발진 임계값 전류를 가지는 소자들은, 저출력으로부터 고출력까지의 넓은 출력 범위에 결처셔 약 -10% 이상의 드롭율을 달성할 수 있다.
실온(25℃)보다 더 높은 온도에서 최소 발진 임계 전류를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에서, 활성층의 온도가 전류 주입에 의해 증가되는 경우에 발진 효율이 증가하므로, 전술한 바와 같이 네가티브 드롭 특성이 나타난다. 도 26에 도시된 바와 같이, 이러한 경향은 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 0.3 mW의 광출력을 산출하는 펄스 전류로 구동되는 경우에 현저하게 된다.
광 가둠 계수 및 최소 임계값 전류가 획득되는 온도(디튜닝량) 양자에 대하여, 네가티브 드롭 특성을 억제하기 위하여, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 효율(발광 효율)이 활성층의 온도가 증가될 때 실온에서 획득되는 효율보다 더 크게 증가하지 않게 하는 방식으로 이들을 설정하는 것이 중요하다. 또한, 피선택 산화층이 어느 정도의 두께를 가지는 경우에도, 최소 임계값 전류가 획득되는 온도가 더 높게 설정되면 네가티브 드롭 특성이 나타나는 경향이 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 25℃ 이하에서 최소 임계값 전류를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 0.3 mW의 광출력을 산출하는 전류 펄스에 의해 구동되면, 네가티브 드롭 특성이 현저하게 나타난다. 그러나, 최소 임계값 전류가 획득되는 온도가 35℃이하이고, 피선택 산화층의 두께가 30 nm 이상이면, 평균적으로 -10 % 이상의 드롭율이 달성된다.
도 25에 도시된 바와 같이, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 1.4 mW의 광출력을 산출하는 전류 펄스에 의해 구동되면, 최소 임계값 전류가 획득되는 도 25의 온도 범위에 걸쳐서 피선택 산화층의 두께(30 ㎚, 31 ㎚ 또는 34 ㎚)와 관계없이, -10% 이상의 드롭율이 달성된다.
끝으로, 피선택 산화층의 두께가 30 ㎚ 이상이고, 35℃ 이하에서 최소 임계값 전류를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 넓은 출력 범위에 걸쳐서 - 10% 이상의 드롭율을 달성할 수 있다. 프린터의 기록 광원으로서 이러한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 이용함으로써, 휘도 불균일이 없는 고화질 화상을 획득할 수 있다. 도 24를 참조하면, 35℃에서 최소 임계값 전류를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 실온에서 약 4 ㎚의 디튜닝량을 가짐에 주목한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 기록 광원에 사용되는 경우에, 단일 기본 횡모드 출력이 큰 것은 큰 이점이다. 단일 기본 횡모드 출력을 증가시키기 위하여, 광 가둠의 강도를 감소시키는 것이 유효하다. 이는 네가티브 드롭 특성의 감소와 상반된다.
이로 인해, 네가티브 드롭 특성을 억제하는 것을 유지하면서 단일 기본 횡모드 출력을 증가시키기 위하여, 본 발명의 발명자들은, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 광 가둠 강도 및 공진기 구조체의 구성 사이의 관계에 대해서 철저한 조사를 수행하였다. 그 결과. 상기 목적을 달성하기 위하여 하부 반도체 DBR(기판층의 n형 다층 반사경)에 이하에서 설명되는 광 가둠 저감 영역을 제공하는 것이 유효하다는 것을 발견하였다.
다음으로, 광 가둠 영역의 효과를 설명한다.
광 가둠 저감 영역이 없는 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자와 광 가둠 저감 영역을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에 대하여, 실온(300 K)에서의 기본 횡모도 광 가둠 계수를 계산하였다. 도 27은 계산 결과를 나타낸다. 계산에 사용되는 각각의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 780 ㎚대의 발진 파장을 가지며, 기본적으로 n-AlAs로 이루어진 저굴절율층 및 Al0.3Ga0.7As로 이루어진 고굴절율층의 쌍을 40.5쌍 가지는 하부 반도체 DBR(기판측의 n형 다층 반사경); p-Al0.9 Ga0.1As로 이루어진 굴절율층 및 p-Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 굴절율층의 쌍을 24쌍 가지는 상부 반도체 DBR(출사측의 p형 다층 반사경); 및 Al0.6Ga0.4As로 이루어지는 스페이서층을 포함한다. 활성층은 Al0.12Ga0.88As층 및 Al0.3Ga0.7As 층을 포함하는 3중 양자 우물 구조를 가지며, 스페이서층의 중앙에 배치된다. 피선택 산화층은, 상부 반도체 DBR 내에서, 활성층으로부터 카운트되는 정재파의 3번째 노드에 대응하는 위치에 배치된다. 산화층의 두께는 28 ㎚이고, 산화 협착 직경은 4 ㎛이다.
종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 도 28에 도시된 바와 같이, 하부 반도체 DBR 상에 25 ㎛의 직경을 가지는 원통형 메사 포스트 구조를 포함한다. 한편, 광 가둠 저감 영역을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 도 29에 도시된 바와 같이, 하부 반도체 DBR에 인접한 광 가둠 저감 영역을 포함한다.
도 30은 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 하부 반도체 DBR의 구성을 나타낸다. 각 굴절율층은 λ/4의 광학 두께를 가진다. 도 31은 광 가둠 저감 영역을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 하부 반도체 DBR의 구성을 나타낸다. 광 가둠 저감 영역은, 3λ/4의 광학 두께를 가지는 고굴절율층 및 λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층의 쌍을 3쌍 갖는다. 3λ/4의 광학 두께를 가지는 고굴절율층 및 λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층의 쌍을 가지는 광 가둠 저감 영역은 이하에서 “광 가둠 저감 영역 A”로도 지칭된다는 점에 주목한다.
종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 및 광 가둠 저감 영역 A를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 하부 반도체 DBR에서 고굴절율 및 저굴절율의 쌍을 동일한 쌍수로 가진다. 광 가둠 저감 영역 A의 각 고굴절율층은 λ/4의 홀수배에 대응하는 광학 두께를 가지며, 이는 다중 반사의 위상 조건을 충족한다. 따라서, 반도체 재료의 자유 캐리어 흡수 등이 고려되지 않으면, 광 가둠 저감 영역 A를 가지는 각각의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 하부 반도체 DBR은, 수직방향(Z 방향)에 대하여, 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 하부 반도체 DBR의 반사율과 동일한 반사율을 가진다.
도 27은 광 가둠 저감 영역 A가 1, 2 또는 3쌍을 포함하는 경우에 획득되는 기본 횡모드 광 가둠 계수를 나타낸다. 도 27에서, 쌍 수에 있어서의“0”은 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 나타낸다.
도 27에 따르면, 광 가둠 저감 영역 A를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자와 비교하여 낮은 기본 횡모드 광 가둠 계수를 가지는 것으로 이해된다. 또한, 광 가둠 저감 영역 A에서의 쌍수가 증가함에 따라, 광 가둠 계수는 감소한다.
도 32는 λ/4의 광학 두께를 가지는 고굴절율층(Al0.3Ga0.7As) 및 3λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층(AlAs)의 쌍을 가지는 또 다른 광 가둠 저감 영역을 나타낸다. 이 경우에, 각각의 저굴절율층은 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 저굴절율층보다 더 두껍게 형성된다. λ/4의 광학 두께를 가지는 고굴절율층과 3λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층의 쌍을 포함하는 광 가둠 저감 영역은 이하에서“광 가둠 저감 영역 B”로도 지칭된다는 점에 주목한다.
도 33은 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 기본 횡모드 광 가둠 계수와 함께, 광 가둠 저감 영역 B를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 실온(300 K)에서의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 나타낸다.
도 33에 따르면, 광 가둠 저감 영역 B를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 광 가둠 저감 영역 A를 제공하는 경우에서와 같이, 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자와 비교하여 더 낮은 기본 횡모드 광 가둠 계수를 가짐을 이해해야 한다. 또한, 광 가둠 저감 영역 B에서의 쌍수가 증가함에 따라, 광 가둠 계수는 감소한다. 동일한 쌍수를 가지는 광 가둠 저감 영역 A 및 광 가둠 저감 영역 B 사이에서 기본 횡모드 광 가둠 계수를 비교하면, 광 가둠 저감 영역 B는 광 가둠 저감 영역 A보다 더 큰 감소 효과를 가짐을 알 수 있다. 반도체 다층 반사경의 재료인 AlGaAs 혼정에서, AlAs는 가장 높은 열 전도율을 가진다. 따라서, 횡 방향으로의 열 확산은 AlAs로 이루어진 층들을 두껍게 형성함으로써 강화되는 것이 바람직하며, 이는 활성층에서의 온도 증가를 감소시키는 것을 용이하게 한다. 따라서, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 중앙부의 온도 상승이 감소되므로, 유효 굴절율차의 변화가 작아지게 되어, 네가티브 드롭 특성을 억제하는 효과도 얻을 수 있다.
도 34는 3λ/4의 광학 두께를 가지는 고굴절율층(Al0.3Ga0.7As) 및 3λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층(AlAs)의 쌍을 가지는 또 다른 광 가둠 저감 영역을 나타낸다. 이 경우에, 저굴절율층 및 고굴절율층 양자는 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 것보다 더 두껍게 형성된다. 3λ/4의 광학 두께를 가지는 고굴절율층과 3λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층의 쌍을 포함하는 광 가둠 저감 영역은 이하에서“광 가둠 저감 영역 C”로도 지칭된다는 점에 주목한다.
도 35는 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 기본 횡모드 광 가둠 계수와 함께, 광 가둠 저감 영역 C를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 실온(300 K)에서의 기본 횡모드 광 가둠 계수를 나타낸다.
도 35에 따르면, 광 가둠 저감 영역 C를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 광 가둠 저감 영역 A를 제공하는 경우에서와 같이, 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자와 비교하여 더 낮은 기본 횡모드 광 가둠 계수를 가짐을 이해해야 한다. 또한, 광 가둠 저감 영역 C에서의 쌍수가 증가함에 따라, 광 가둠 계수는 감소한다. 동일한 쌍수를 가지는 광 가둠 저감 영역 A, 광 가둠 저감 영역 B 및 광 가둠 저감 영역 C 사이에서 기본 횡모드 광 가둠 계수를 비교하면, 광 가둠 저감 영역 C는 가장 큰 감소 효과를 가짐을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 광 가둠 저감 영역의 고굴절율층 및 저굴절율층을 더 두껍게 하고, 그리고 굴절율층의 쌍수를 많게 할수록, 보다 효과적으로 기본 횡모드 광 가둠 계수를 저감시킬 수 있음을 발견하였다.
광 가둠 저감 효과는 후술되는 바와 같이 네가티브 드롭 특성을 열화시키지 않고 단일 기본 횡모드 출력을 증가시킨다는 점에 특히 주목해야 한다. 일반적으로 말해서, 광 가둠 계수의 감소는 단일 기본 횡모드 출력을 증가시키는 이점을 가지지만, 횡모드의 안정성이 열화되어 네가티브 드롭 특성이 발생하기 쉽게 된다고 예상된다.
도 36은 780 ㎚대의 발진 파장을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 단일 기본 횡모드 출력과 드롭율 사이의 관계를 조사한 실험의 결과를 나타낸다. 도 36에서의 검은색 원은 종래의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자로부터 획득되는 결과를 나타내며, 흰색 원은 광 가둠 저가 영역 B를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자로부터 획득되는 결과를 나타낸다. 각 수직 공진기형 면발광 레이저 소자의 전류 통과 영역의 면적은 16 ㎛2이다. 도 36의 숫자“28”은 피선택 산화층의 두께가 28 nm임을 나타내고, 숫자“30”은 피선택 산화층의 두께가 30 nm 임을 나타낸다.
네가티브 드롭 특성 및 단일 기본 횡모드 출력 양자는, 광 가둠 계수에 관련되고, 도 36에 도시된 바와 같이 서로 역관계를 가진다. 예를 들어, 광 가둠 계수가 더 커질수록 횡모드의 안정성은 증가되므로, 네가티브 드롭 특성이 억제된다. 또한, 광 가둠 계수가 더 커지면, 고차 횡모드의 가둠도 향상되며, 이는 발진을 용이하게 하므로, 단일 기본 횡모드 출력이 감소된다. 광학 가둠 계수가 드롭율 및 단일 기본 횡모드 출력을 결정하기 위한 유일한 인자이면, 광 가둠 저감 영역의 유무에 광계없이, 드롭율과 단일 기본 횡모드 출력 사이의 상관은 하나의 직선으로 표현될 수 있다.
그러나, 도 36에 도시된 바와 같이, 광 가둠 저감 영역이 제공되는지 여부에 따라서, 드롭율과 단일 기본 횡모드 출력 사이의 직선 상관이 변화한다. 더욱 상세하게는, 광 가둠 저감 영역을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자는, 이들이 동일한 드롭율을 가지는 경우에도, 광 가둠 저감 영역이 없는 것보다 더 높은 단일 기본 횡모드 출력을 달성한다. 이는 광 가둠 저감 영역이 드롭율에 영향을 미치지 않고 단일 기본 횡모드 출력을 증가시키는 효과를 가짐을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 발명자들은, 광 가둠 저감 영역을 제공하고, 최소 임계값 전류가 25℃ 이하에서 획득되는 방식으로 디튜닝량을 설정하고, 25 ㎚ 이상의 두께를 가지는 피선택 산화층을 형성하여, 네가티브 드롭 특성을 효과적으로 감소시킴으로써, 드롭 특성을 양호하게 유지하면서 단일 기본 횡모드 출력을 증가시킬 수 있음을 새롭게 발견하였다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 광 가둠 저감 영역과 공진기 구조체 사이의 제3 하부 반도체 DBR(1033)을 포함한다. 다음으로 제3 하부 반도체 DBR(1033)의 기능을 설명한다.
일반적으로, 반도체 재료에서 자유 캐리어에 의한 광흡수가 발생한다. 광흡수는 전계 강도 및 자유 캐리어 농도에 비례하여 증가한다. 자유 캐리어에 의해 흡수된 광 에너지는 자유 캐리어의 운동 에너지로 되고, 결국에는 격자 진동 에너지로 변환된다. 이는 발진 임계값 전류를 증가시키고, 외부 미분 양자 효율(슬로프 효율)을 저하시킨다.
각 반도체 DBR에서, 각 굴절율층의 계면으로부터 반사된 광이 동일한 위상에 존재하고 입사광에 대하여 반대 위상을 가지도록, 굴절율층들 중 하나가 다른 것의 상부에서 중첩됨으로써, 반도체 DBR은 강한 반사광(고반사율)을 생성한다. 이 점에서, 반사는 계면에서만 발생하므로, 각 굴절율층에서의 전계 강도(진폭)는 감쇠되지 않고 일정하게 유지된다. 레이저 발진 동안에, 정재파는 반도체 DBR의 전계 분포에서 생성되고, 노드 또는 안티노드는 매 λ/4의 광학 두께에 대하여 교대로 나타난다. 각각 λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층 및 고굴절율층을 포함하는 통상적인 반도체 DBR에서, 저굴절율층과 고굴절율층 사이의 각 계면은 정재파의 노드 및 안티노드에 대응하는 위치를 가진다. 공진기 구조체에 인접한 영역에서, 발진광의 정재파는 높은 강도를 가지며, 자유 캐리어에 의한 광 흡수는 이 영역에서 현저하게 된다.
도 37에 도시된 바와 같이, 광 가둠 저감 영역과 공진기 구조체 사이에, 각각 λ/4의 광학 두께를 가지는 저굴절율층 및 고굴절율층의 쌍이 하나 이상 제공되는 경우의 흡수 손실의 저감 효과를 계산한다. 쌍으로 이루어진 고굴절율층 및 저굴절율층의 세트는 이하에서“흡수 손실 저감층”으로도 지칭된다는 점에 주목한다.
여기서는 종래의 반도체 DBR(도 30 참조)의 흡수 손실이 100%라고 가정한다. 계산의 결과는, 도 38에 도시된 바와 같이 1쌍의 저굴절율층 및 고굴절율층을 포함하는 흡수 손실 저감층을 제공하는 경우에, 흡수 손실 저감층을 제공하지 않는 경우(도 32 참조)와 비교하여, 흡수 손실을 23% 저감시킬 수 있음을 나타낸다. 또한, 흡수 손실은, 3쌍을 포함하는 흡수 손실 저감층을 제공하는 경우에, 흡수 손실 저감층을 제공하지 않는 경우와 비교하여, 54% 감소되었다. 계산에 있어서, n형 캐리어 농도는 3× 1018cm-3 내지 5× 1018cm-3의 범위 내에서 변경되며, 광 가둠 저감 영역에 포함되는 쌍 수는 1 쌍 내지 5쌍의 범위 내에서 변경되지만, 전술한 비율에서 거의 변경되지 않았다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에서는, 한 쌍을 포함하는 흡수 손실 저감층을 제공함으로써 자유 캐리어에 의한 광 흡수가 감소된다. 즉, 광 가둠 저감 영역에서는, 각 굴절율층의 두께가 두꺼우므로, 광 가둠 저감 영역의 두께 증가뿐만 아니라 증가된 두께로 인한 정재파의 더 많은 수의 안티노드가 포함됨으로 인하여 자유 캐리어에 의한 광 흡수가 증가한다. 이 경우에, 1 쌍을 포함하는 흡수 손실 저감층이 제공되면, 광 가둠 저감 영역에서의 전계 강도를 감소시켜 흡수 손실을 저감시킬 수 있다.
도 39는 한 쌍의 흡수 손실 저감층의 유무에 대하여 획득되는 기본 횡모드 광 가둠 계수를 나타낸다. 3 개의 다른 광 가둠 저감 영역 즉, 광 가둠 저감 영역 A, B 및 C(타입 A, B 및 C)이 제공되며, 여기서 각 고굴절율층은 Al0.3Ga0.7As로 이루어지며, 각 저굴절율층은 AlAs로 이루어진다. 각 광 가둠 저감 영역에 포함되는 쌍 수는 3쌍이다.
또한, 도 39는 각 타입의 광 가둠 계수의 저감율을 나타내다. 저감율은 종래의 반도체 DBR(도 30 참조)의 기본 횡모드 광 가둠 계수가 100%인 경우에 각 광 가둠 저감 영역의 광 가둠 계수의 저감을 %로 나타낸다.
도 39에 따르면, 1쌍을 포함하는 흡수 손실 저감층을 제공함으로써 생성되는 광 가둠 계수가, 단지 약간 변화한다는 것을 알 수 있다.
광 가둠 저감 영역을 포함하지 않는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL1(도 30 참조); 광 가둠 저감 영역 B을 포함하지만 흡수 손실 저감층을 포함하지 않는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL2(도 32 참조); 광 가둠 저감 영역 B와 한 쌍을 포함하는 흡수 손실 저감층을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL3(도 38 참조)를 제조함으로써 비교 평가를 수행하였다. 각 수직 공진기형 면발광 레이저 소자에서, 발진 파장은 780 ㎚대에 있으며 전류 통과 영역의 면적은 16 ㎛2임을 주목한다. 또한, 모든 수직 공진기형 면발광 레이저 소자들은 이들의 하부 반도체 DBR에서 고굴절율층 및 저굴절율층의 쌍을 동일한 수로 포함한다.
도 40에 도시된 바와 같이, 비교 평가의 결과는, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL2 및 VCSEL3는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL1과 비교하여 단일 기본 횡모드 출력에서 명확하고 실질적으로 동일한 증가를 나타냄을 보여준다. 도 40의 숫자“30”은 피선택 산화층의 두께가 30 ㎚인 것을 나타내며, 도 40의 숫자“28”은 피선택 산화층의 두께가 28 ㎚인 것을 나타낸다.
도 40에 따르면, 동일한 드롭율에서, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL2 및 VCSEL3 각각은, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL1에 비하여 단일 기본 횡모드 출력이 약 0.3 mW 내지 0.5 mW 만큼 향상된다.
도 41은 단일 기본 횡모드 출력(계산된 값) 및 기본 횡모드 광 가둠 계수(계산된 값) 사이의 관계를 나타낸다. 도 41에 사용되는 심볼은 도 40에서 동일한 것을 나타낸다. 또한, 도 41의 숫자“30”및“28”은 도 40에서와 같이 동일한 것을 나타낸다.
도 41에 따르면, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL1과 비교하여, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL3는 광 가둠 계수에 있어서 명확하게 감소되므로, 증가된 단일 기본 횡모드 출력을 나타낸다.
또한, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL2와 비교하여, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 VCSEL3는 더 낮은 임계값 전류와 더 높은 외부 미분 양자 효율(슬로프 효율)을 가진다. 이는 흡수 손실의 감소로 인한 것이다.
전술한 바와 같이, 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 활성층(105)을 포함하는 공진기 구조체, 및 상기 공진기 구조체가 사이에 개재되어 있는 하부 반도체 DBR(103) 및 상부 반도체 DBR(107)을 가진다. 상부 반도체 DBR(107)은 산화층(108b)이 전류 통과 영역(108a)을 둘러싸고 있는 전류 협착 구조체를 포함한다. 산화층(108b)은 적어도 산화물을 포함하며, 알루미늄을 포함하며 30 ㎚의 두께를 가지는 피선택 산화층의 일부를 산화시킴으로써 생성된다. 이에 따라, 전류 협착 구조체는 주입 전류와 발진광의 횡모드를 동시에 가둘 수 있다.
하부 반도체 DBR(103)은 공진기 구조체에 대하여 기판(101)측에 제공되며, 횡방향 광 가둠을 감소시키는 광 가둠 저감 영역으로서 기능하는 제2 하부 반도체 DBR(1032)를 포함한다. 따라서, 네가티브 드롭 특성을 억제하면서 단일 기본 횡모드 발진에서의 고출력 동작을 수행할 수 있다.
또한, 활성층의 PL 파장을 공진기의 공진 파장이 780 ㎚인 경우에 772 ㎚로 설정하고, 실온에서의 디튜닝량(△λ0)을 -2 ㎚로 설정하여, 최소 임계 전류를 17℃에서 획득한다. 이에 따라, 네가티브 드롭 특성을 더 억제할 수 있다.
제2 하부 반도체 DBR(1032)에 있어서, 저굴절율층(103a)은 각각 3λ/4의 광학 두께를 가지기 위한 방식으로 제공되므로, 각 굴절융층의 계면을 안티노드 또는 노드에 대응하는 위치에 설정할 수 있다. 제2 하부 반도체 DBR(1032)의 저굴절율층(103a)은 3λ/4의 광학 두께를 반드시 가질 필요는 없지만 (2n + 1)λ/4의 광학 두께를 가져야 한다는 점에 주목하며, 여기서 n은 1 이상의 정수이다. 따라서, 각 굴절율층의 계면은 정재파의 안티노드 또는 노드에 대응하는 위치에 설정될 수 있다.
1 ㎳의 펄스 주기 및 500 ㎲의 펄스폭을 가지는 구형파 전류 펄스를 공급하는 경우에, (P1 - P2)/P2 = -0.06 이다. 따라서, 네가티브 드롭 특성을 더 억제할 수 있다.
또한, 제2 하부 반도체 DBR(1032)와 공진기 구조체 사이에 제3 하부 반도체 DBR(1033)이 제공되므로, 흡수 손실을 저감시킬 수 있다.
본 실시형태의 광 주사 장치(1010)에 대하여, 광 주사 장치(1010)의 광원(14)은 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)를 가지므로, 광 주사 장치(1010)는 고정밀도로 광주사를 수행할 수 있다.
본 발명의 레이저 프린터(1000)는 광 주사 장치(1010)를 포함하므로, 고품질의 화상을 형성할 수 있다.
b. 제1 실시형태의 변형예
상기 실시형태에 따르면, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 저굴절율층(103a) 및 고굴절율층(103b)의 쌍을 포함하지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다.
상기 실시형태에서 어떤 흡수 손실을 고려할 필요가 없는 경우에, 도 42에 도시된 바와 같이, 제2 하부 반도체 DBR(1032)은 공진기 구조체 옆에 위치될 수도 있다.
상기 실시형태에 따르면, 제2 하부 반도체 DBR(1032)은 저굴절율층(103a) 및 고굴절율층(103b)의 쌍을 3쌍 포함하지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다.
상기 실시형태에서, 제2 하부 반도체 DBR(1032) 대신에, 제4 하부 반도체 DBR(1034)을 사용할 수도 있다. 제4 하부 반도체 DBR(1034)은 저굴절율층(103a) 및 고굴절율층(103b)의 쌍을 3쌍 포함한다. 광 가둠 저감 영역 B에서와 같이, 각 저굴절율층(103a)은 λ/4의 광학 두께를 가지며, 각 고굴절율층(103b)는 3λ/4의 광학 두께를 가진다.
상기 실시형태에서, 제2 하부 반도체 DBR(1032) 대신에, 도 44에 도시된 제5 하부 반도체 DBR(1035)을 사용할 수도 있다. 제5 하부 반도체 DBR(1035)은 저굴절율층(103a) 및 고굴절율층(103b)의 쌍을 3쌍 포함한다. 광 가둠 저감 영역 C에서와 같이, 저굴절율층(103a) 각각은 3λ/4의 광학 두께를 가지며, 고굴절율층(103b) 각각은 3λ/4의 광학 두께를 가진다.
상기 실시형태에서, 광원(14)은, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100) 대신에, 일례로서 도 45에 도시된 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)를 포함할 수도 있다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)에서, 복수(이 경우에는, 32개)의 발광부가 단일 기판 상에 배열된다. 도 45에서, M 방향은 주주사 대응 방향이며, S 방향은 부주사 대응 방향이다. 발광부의 수는 32개로 제한되지 않음을 주목한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)는 4행 × 8열의 발광부를 포함하며, 여기서 열은 도 14에 도시된 바와 같이 M 방향으로부터 S 방향으로 경사진, T 방향에 따라 등간격으로 배치된다. 더욱 상세하게는, 각 발광부는 S 방향을 따라 가상선 상에 정사영(正射影)되면, 발광부의 중앙부는 가상선 상에서 M 방향으로 가장 가까운 인접 발광부의 중심점으로부터 등간격 c 만큼 시프트된다. 따라서, S 방향에서, 발광부는 등간격 d를 가진다. 즉, 2차원 어레이에 32개의 발광부가 정렬된다. 이 명세서에서,“발광부 간격”은 2개의 인접 발광부 사이의 중심간 거리를 지칭한다는 점에 주목한다.
간격 c가 3 ㎛인 경우에, 간격 d는 24 ㎛이고, M 방향으로의 발광부 간격 X(도 46 참조)는 30 ㎛이다.
각 발광부는, 도 46에 도시된 A-A 라인을 따른 단면도인, 도 47에 도시된 바와 같이, 전술한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)의 구조와 동일한 구조를 가진다. 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에 대하여 설명한 것과 동일한 방식으로 제조된다.
따라서, 집적된 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)를 포함하므로, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)와 동일한 효과를 달성할 수 있다. 특히 어레이 구성을 취하는 경우에, 산화층(108a)의 두께 프로파일의 변동 및 발광부 사이의 산화 확산의 변동은 현저하게 작다. 따라서, 드롭 특성을 포함한 여러 가지 특성들이 균일하므로, 구동 제어가 쉽게 수행된다. 또한 발광부 사이의 동작 수명의 변화가 작고, 긴 동작 수명이 달성된다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)에 따르면, 각 발광부는 부주사 대응 방향에 따라 가상선 상에 정사영되면, 발광부의 중앙부는 가상선 상에서 M 방향으로 가장 가까운 인접 발광부의 중심점으로부터 등간격 c 만큼 시프트된다. 따라서, 발광부의 점등 타이밍을 조정함으로써, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)의 구성은, 감광체 드럼(1030) 상에서 발광부가 부주사 방향으로 등간격으로 정렬되는 것으로 간주된다.
간격 c는 3 ㎛이므로, 광 주사 장치(100)의 광학 시스템의 배율은 약 1.8배로 설정되며, 4800 dpi(도트/인치)의 밀도로 고밀도 기록을 달성할 수 있다. 또한, 주주사 대응 방향으로 발광부의 수를 증가시키고, 상기 간격 d를 좁게함으로써, 어레이 구성의 공간 c를 감소시키거나 또는 광학 시스템의 배율을 감소시켜, 더 높은 품질 인쇄를 달성할 수 있도록, 밀도에서의 추가적인 증가가 달성될 수 있다. 주주사 방향으로의 기록 간격이 발광부의 점등 타이밍을 조정함으로써 쉽게 제어됨을 주목한다.
이 경우에, 기록 도트 밀도가 증가되는 경우에도, 레이저 프린터(100)는 프린터 속도를 감소시키지 않고 프린팅을 수행한다. 또한, 기록 도트 밀도를 변경하지 않는 경우에, 프린팅 속도를 증가시킬 수 있다.
2 개의 인접 발광부 사이의 트렌치는, 각 발광부를 전기적으로 그리고 공간적으로 서로 분리시키기 위하여 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이는 트렌치가 너무 좁으면, 제조 공정 동안에 에칭을 제어하기가 어렵게 되기 때문이다. 메사의 크기(1변의 길이)가 10 ㎛ 이상인 것에 주목한다. 이는 메사가 너무 작으면, 열이 동작 동안에 내부에 유지되어, 특성 저하를 야기할 수도 있기 때문이다.
상기 실시형태에 따르면, 메사 형상은 레이저 발진 방향에 직교하는 단면에서 정방형이지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다. 메사 형상은 예를 들어 원형, 타원형 또는 직사각형 등의 임의의 형상일 수 있다.
상기 실시형태는 발광부의 발진 파장이 780 ㎚대인 경우에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다. 감광체의 특성에 따라서, 발광부의 발진 파장을 변경할 수도 있다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100) 및 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)는 화상 형성 장치 이외의 장치들에 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 발진 파장은, 용도에 따라서, 650 nm대, 850 nm대, 980 nm대, 1.3 ㎛대, 1.5 ㎛ 대 등으로 변경될 수도 있다.
상기 실시형태에서, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 대신에, 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)와 유사하게 1차원 배열된 발광부를 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 사용할 수도 있다.
상기 실시형태에서, 화상 형성 장치의 일례로서 레이저 프린터(1000)가 사용되지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다.
예를 들어, 본 발명은 컬러가 레이저광에 의해 현상되는 매체(예를 들어, 용지)에 직접적으로 레이저광을 조사하는 화상 형성 장치일 수도 있다.
본 발명은 화상 캐리어로서 은염 필름을 이용하는 화상 형성 장치에 적용될 수도 있다. 이 경우에, 광 주사에 의해 은염 필름 상에 잠상이 형성된 후, 통상의 활로겐화은 사진의 현상 공정에 의해 가시화된다. 가시화된 화상은 통상의 할로겐화은 사진의 프린팅 처리와 동등한 공정에 의해 인쇄지에 전사된다. 이러한 화상 형성 장치는, 광제판(製版)장치 또는 CT 스캔 화상 등을 플로팅하는 광 플로팅 장치로서 사용될 수 있다.
본 발명은, 일례로서 도 48에 도시된 바와 같이 복수의 감광체 드럼을 가지는 컬러 프린터(2000)일 수도 있다.
컬러 프린터(2000)는, 4색(검은색, 청록색, 심홍색, 노란색)를 중합시켜 풀컬러의 화상을 형성하는 탠덤 방식의 다색 컬러 프린트이다. 컬러 프린터(2000)는 검은색용의, 감광체 드럼 K1, 대전 장치 K2, 현상 장치 K4, 클리닝 유닛 K5 및 전사 장치 K6; 청록색용의 감광체 드럼 C1, 대전 장치 C2, 현상 장치 C4, 클리닝 유닛 C5 및 전사 장치 C6; 심홍색용의 감광체 드럼 M1, 대전 장치 M2, 현상 장치 M4, 클리닝 유닛 M5 및 전사 장치 M6; 노란색용의 감광체 드럼 Y1, 대전 장치 Y2, 현상 장치 Y4, 클리닝 유닛 Y5 및 전사 장치 Y6; 광 주사 장치(2010); 전사 벨트(2080); 정착 유닛(2030) 등을 포함한다.
각 감광체 드럼은, 도 48에 도시된 화살표의 방향으로 회전하고, 감광체 드럼 주위에 회전 방향을 따라서, 대응하는 대전 장치, 현상 장치, 전사 장치 및 클리닝 유닛이 순차적으로 배치되어 있다. 각 대전장치는, 대응하는 감광체 드럼의 표면을 균일하게 대전한다. 대전장치에 의해서 대전된 감광체 드럼의 표면에 광 주사 장치(2010)로부터 출사된 광으로 조사하고, 감광체 드럼에 잠상을 형성한다. 그 후, 대응하는 현상 장치에 의해 각 감광체 드럼의 표면에 토너상을 형성한다. 각 전사 장치는 전사 벨트(2080) 상의 기록지에 대응하는 컬러 토너상을 전사하고, 결국, 전사되는 중첩된 토너상은 정착 유닛(2030)에 의해 기록지에 정착된다.
광 주사 장치(2010)는 각 컬러에 대한 광원을 가지며, 이는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)와 유사한 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 및 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)에 유사한 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이 중 어느 하나를 포함한다. 따라서, 광 주사 장치(2010)는 광 주사 장치(1010)의 효과와 유사한 효과를 생성한다. 컬러 프린터(2000)는 광 주사 장치(2010)를 포함하므로, 레이저 프린터(1000)의 효과와 유사한 효과를 생성할 수 있다.
컬러 프린터(2000)는 제조 오차, 위치 오차 등으로 인해 색 어긋남을 야기할 수도 있다. 이러한 경우에서도, 광 주사 장치(2010)가 각 광원이 상기 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)와 동등한 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 포함하면, 컬러 프린터(2000)는 점등되는 발광부를 선택함으로써, 색 어긋남을 감소시킨다.
c. 제2 실시형태
본 발명의 제2실시형태는 더 긴 동작 수명, 높은 발광 효율 및 우수한 온도 특성을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 및 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는, 제1 실시형태에서와 같이, 레이저 프린터(1000)의 광원(14)에 적용될 수 있다. 본 실시형태에서, 동일한 참조 번호는 제1 실시형태의 것과 공통되는 구성요소에 주어지며, 그 설명은 생략한다.
본 실시형태의 수직 공진기형 멸발광 레이저 소자(100)는 780 ㎚ 대의 발진 파장을 가지도록 설계되며, 기판(101), 하부 반도체 DBR(103), 하부 스페이서층(104), 활성층(105), 상부 스페이서층(104), 상부 반도체 DBR(103), 하부 스페이서층(104), 활성층(105), 상부 스페이서층(106), 상부 반도체 DBR(107) 및 컨택트층(109)을 포함하도록 설계된다.
기판(101)은 n-GaAS 단결정 기판이다.
하부 반도체 DBR(103)은, 일례로서 도 51에 도시된 바와 같이, 제1 하부 반도체 DBR(1031), 제2 하부 반도체 DBR(1032), 제3 하부 반도체 DBR(1033)을 포함한다.
제1 하부 반도체 DBR(1031)은, 개재된 버퍼층(미도시)에 의해 기판(101)의 +Z방향면으로 적층된다. 제1 하부 반도체 DBR(1031)은 n-AlAs로 이루어지는 저굴절율층(103a)과 n-Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 고굴절율층(103b)의 쌍을 36.5쌍 포함한다. 저굴절율층(103a)은 고굴절율층(103b)에 비하여 높은 열전도율을 가진다(도 65 참조). 각 2 개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 조성 경사층에 있어서, 조성은 한쪽 조성으로부터 또 다른 조성으로 서서히 변경된다. 각 굴절율층은, 그 인접 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4(여기서, λ는 발진 파장임)의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제2 하부 반도체 DBR(1032)은, 제1 하부 반도체 DBR(1031)의 +Z방향면으로 적층되며, 저굴절율층(103a)과 고굴절율층(103b)의 쌍을 3쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 저굴절율층(103a)은, 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, 3λ/4의 광학 두께를 가지며, 각 고굴절율층(103b)은, 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다. 제2 하부 반도체 DBR(1032)은,“방열 구조체”이다. 제2 하부 반도체 DBR(1032)에서의 저굴절율층(103a)은“방열층”이다.
제3 하부 반도체 DBR(1033)은, 제2 하부 반도체 DBR(1032)의 +Z방향면으로 적층되며, 저굴절율층(103a)과 고굴절율층(103b)을 포함하는 쌍을 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
따라서, 하부 반도체 DBR(103)은, 저굴절율층과 고굴절율층의 쌍을 40.5쌍 포함한다.
하부 스페이서층(104)은, 제3 하부 반도체 DBR(1033)의 +Z방향면으로 적층되고, 비도핑된 (Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P 층이다.
활성층(105)은 하부 스페이서층(104)의 +Z방향면으로 적층되며, 일례로서 도 6에 도시된 바와 같이, 3개의 양자 우물층(105a) 및 4개의 배리어층(105b)을 포함한다. 각 양자 우물층(105a)은, 압축 왜곡을 유기하는 조성인 GaInPAs로 이루어지고, 약 780 nm의 밴드갭 파장을 가진다. 각 배리어층(105b)은 인장 왜곡을 유기하는 조성인 Ga0.6In0.4P로 이루어진다.
상부 스페이서층(106)은 활성층(105)의 +Z방향면으로 적층되고, 비도핑된 (Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P 층이다.
하부 스페이서층(104), 활성층(105) 및 상부 스페이서층(106)을 포함하는 부분은, 공진기 구조체로 지칭되며, 이는 λ의 광학 두께를 가지도록 설계된다. 활성층(105)은 높은 유도 방출율을 달성하기 위하여, 전계의 정재파의 안티노드에 대응하는, 공진기 구조체의 중앙에 제공된다.
활성층(105)에서 발생된 열은, 주로 하부 반도체 DBR(103)을 통하여 기판(101)으로 방열되도록 설계된다. 기판(101)의 이면은 도전성 접착제 등을 이용하여 패키지에 부착되고, 열은 기판(101)으로부터 패키지로 방열된다.
상부 반도체 DBR(107)은 상부 스페이서층(106)의 +Z방향면으로 적층되고, p-Al0.9Ga0.1As로 이루어지는 저굴절율층(107a)과 p-Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 고굴절율층(107b)의 쌍을 24쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록설계된다.
상부 반도체 DBR(107)에서의 저굴절율층의 하나에는, 30 nm의 두께를 가지는 p-AlAs로 이루어지는 피선택산화층이 삽입되어 있다. 피선택 산화층은 상부 스페이서층(106)으로부터 광학적으로 5λ/4 떨어져 있으며, 상부 스페이서층(106)으로부터 카운트되는 3번째 쌍의 저굴절율층 내에 배치된다.
컨택트 층(109)은 상부 반도체 DBR(107)의 +Z방향면으로 적층되는 p-GaAs 층이다.
다음으로, 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)의 제조 방법을 간단히 설명한다.
(1) 전술한 적층체를 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD 법) 또는 분자빔 에피택셜법(MBE 법)과 같은 결정 성장법에 의해 형성한다.
이 단계에서, III족 원료로서, 트리메틸알루미늄(TMA), 트리메틸 갈륨(TMG) 및 트리메틸 인듐(TMI)을 이용하고, V 족 원료로서 아르신(AsH3) 가스, 포스핀(PH3) 가스를 이용한다. 또한, p 형 도펀트로서 사브롬화탄소(CBr4)를 이용하고, n 형 도펀트로서 셀레늄화수소(H2Se)를 이용한다.
(2) 적층체의 표면에 한변이 20 ㎛인 정방형 레지스트 패턴을 형성한다.
(3) 정방형 레지스트 패턴을 포토마스크로서 이용하여, Cl2 가스를 이용하는 ECR 에칭에 의해, 사각 기둥형의 메사를 형성한다. 에칭 바닥면은 하부 스페이서층(104)에 위치된다. 메사의 크기(1변의 길이)는 10 ㎛ 이상인 것이 바람직하다는 점에 주목한다. 이는 메사가 너무 작으면, 열이 동작 동안에 내부에 유지되어, 특성 열화를 야기할 수도 있기 때문이다.
(4) 포토마스트를 제거한다.
(5) 적층체를 수증기 내에서 열처리한다. 이 단계에서, 메사의 외주부로부터 피선택 산화층 내의 Al이 선택적으로 산화된다. 따라서, 메사의 중앙부에, Al 산화층(108a)에 의해서 둘러싸인 산화되어 있지 않은 영역(108b)을 잔류시킨다. 이러한 방식으로, 발광부의 구동 전류의 경로를 메사의 중앙부로 제한되는 산화 전류 협착 구조체가 형성된다. 상기 산화되어 있지 않은 영역(108b)은 전류 통과 영역(전류 주입 영역)으로 기능한다. 여러 가지의 예비 실험의 결과에 기초하여, 전류 통과 영역(108b)이 원하는 크기를 가지도록, 열처리의 조건(유지 온도, 유지 시간 등)을 적절히 선택한다.
(6) 화학 기상 증착법(CVD 법)에 의해, SiN 또는 SiO2으로 이루어지는 보호층(111)을 형성한다.
(7) 폴리이미드(112)를 이용하여 적층체를 평탄화한다.
(8) 메사의 상부에 P형 전극 컨택트에 대한 개구를 제공한다. 이 단계에서, 메사의 상부에 포토레지스트 마스크를 제공한 후, 개구들이 형성되는 메사의 위치를 노광하여 그 위치로부터 포토레지스트 마스크를 제거한다. 이후에, 폴리이미드(112) 및 보호층(111)을 BHF(buffered HF) 에칭하여 개구를 형성한다.
(9) 메사 상부의 광 출사부가 되는 영역에 한 변이 10 ㎛인 정방형 레지스트 패턴을 형성한 후, p형 전극 재료를 기상 증착한다. p측 전극 재료는 Cr/AuZn/Au로 또는 Ti/Pt/Au를 포함하며, 다층 형태로 증착된다.
(10) 광출사부로 되는 영역 위의 p형 전극 재료를 리프트 오프하여, p측 전극(113)을 형성한다.
(11) 기판(101)의 이면을 미리 결정된 두께(예컨대, 약 100 ㎛)를 가지도록 연마한 후, n 측 전극(114)을 형성한다. n 측 전극(114)은 AuGe/Ni/Au로 이루어지는 다층막이다.
(12) 어닐링에 의해서, p 측 전극(113)과 n 측 전극(114)을 오믹 접속한다. 따라서, 메사는 발광부가 된다.
(13) 적층체를 칩들로 절단한다.
실험에서, 본 실시형태의 경우에서와 같이, 흡수 손실은 이하의 3가지 일례 즉, 하부 반도체 DBR(103)이 40.5 쌍의 굴절율층을 가진 제1 하부 반도체 DBR(1031)만을 포함하는 예 1; 하부 반도체 DBR(103)이 37.5 쌍의 굴절율층을 가진 제1 하부 반도체 DBR(1031) 및 3 쌍의 굴절율층을 가진 제2 하부 반도체 DBR(1032)을 포함하는 예 2; 및 36.5쌍의 굴절율층을 가진 제1 하부 반도체 DBR(1031), 3쌍의 굴절율층을 가진 제2 하부 반도체 DBR(1032) 및 1쌍의 굴절율층을 가진 제3 하부 반도체 DBR(1033)을 포함하는 예 3에 대하여 결정되었다. 실험에 따르면, 예 1의 흡수 손실에 비교되는 예 2의 흡수 손실의 증가가 100%로 간주될 때, 예 1의 흡수 손실에 비교되는 예 3의 흡수 손실의 증가는 약 77%이다. 즉, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 흡수 손실의 증가량을 약 23% 감소시킨다는 점을 알 수 있다. 제3 하부 반도체 DBR(1033)이 3쌍의 굴절율층을 포함하는 경우(도 54 참조)에, 예 1의 흡수 손실과 비교되는 흡수 손실의 증가는 약 46%이다.
또한, 실험은, 불순물 농도(불순물의 도핑 농도)를 3×1018(cm-3) 과 5×1018(cm-3) 사이에서 변경하더라도, 흡수 손실에 대하여 동일한 저감 효과가 획득되는 것을 나타낸다. 또한, 파장을 변경하더라도 흡수 손실에 대하여 동일한 저감 효과를 획득하였다. 또한, 제2 하부 반도체 DBR(1032)에서 5쌍의 굴절율층이 제공되더라도, 흡수 손실에 대하여 동일한 저감 효과를 획득하였다.
본 실시형태의 하부 반도체 DBR(103)의 열저항은 2720 (K/W)이다. 한편, 예 1의 열저항(도 52 참조) 및 예 2의 열저항(도 53 참조)은 각각 3050 (K/W) 및 2670 (K/W)이다. 따라서, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 하부 반도체 DBR(103)의 열저항에 대하여 거의 악영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
도 55는 제3 하부 반도체 DBR(1033)에서의 굴절율층의 쌍수와 하부 반도체 DBR(103)의 열저항과의 관계를 나타낸다. 도 55에 따르면, 상기 쌍수가 5쌍을 초과하면, 제2 하부 반도체 DBR(1032)에 의한 방열 효과는 절반 이하로 된다. 따라서, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 1 쌍의 굴절율층 내지 5 쌍의 굴절율층을 포함하는 것이 바람직하다.
방열층은 흡수 손실을 증가시킬 뿐만 아니라 그 방열층의 상부에 적층되는 층의 결정성을 저하시킬 수도 있다. 방열층의 상측(이 경우에는 +Z방향)으로 적층되는 활성층의 결정성이 저하하면, 발광 효율이 감소된다. 하부 반도체 DBR(103)이 40.5쌍의 굴절율층을 가지는 제2 하부 반도체 DBR(1032)만을 포함하는 경우에, 방열의 효과는 현저하게 달성되지만, 활성층의 결정성은 유지하기가 어렵다. 따라서, 제2 하부 반도체 DBR(1032)은 1 쌍의 굴절율층 내지 5 쌍의 굴절율층을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 그 위에 적층되는 활성층의 결정성을 회복시켜, 활성층에의 악영향을 저감시킨다.
산화 전류 협착 구조체를 갖는 수직 공진기형 면발광 레이저에 대하여, 메사 형상 등을 획득하기 위한 제조 공정 동안에, 주위로부터 전기적 또는 공간적으로 분리하기 위해서 에칭을 행한다. 이 때, Al의 선택 산화를 허용할 수 있도록, 피선택 산화층보다도 깊게 에칭을 수행해야 한다. 피선택 산화층은, 일반적으로 전류의 확산을 감소시키기 위하여, p 측 반도체 DBR(활성층의 상측에 배치된 상부 반도체 DBR)의 활성층 부근에 제공되며, 보다 상세하게는, 활성층으로부터 전계의 레이저광 정재파의 제1 노드 내지 제5 노드에 대응하는 위치에 제공된다. 그러나, 에칭 깊이의 제어성의 문제로 인해, 에칭의 바닥면이 피선택 산화층보다 깊게 도달하지만 하부 반도체 DBR에는 이르지 않도록 에칭을 제어하는 것은 어렵다. 특히, 전체 웨이퍼에 걸쳐서 에칭 깊이를 제어하기 위해서는, 에칭 시간을 제어하는 것 뿐만 아니라 웨이퍼면 전체에 걸친 에칭의 균일화 및 결정 성장층의 두께의 균일화가 요구된다. 따라서, 에칭의 바닥면이 하부 반도체 DBR에 이르지 않도록 하는 방식으로 에칭을 수행하는 것은, 제조 관점에서, 매우 어렵다.
이 때문에, 하부 반도체 DBR을 2단으로 구성하는 것이 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2003-347670호 공보를 참조). 상기 제안에 따르면, AlGaAs보다 현저하게 더 높은 열전도율을 가지는 AlAs는, 하부 반도체 DBR에서, 기판에 더 가까이 배치된 저굴절율층의 대부분에 대하여 사용되며, AlGaAs는, 하부 반도체 DBR에서, 활성층에 더 가까이 배치된 저굴절율층에 대하여 종래의 방식에서와 같이 사용된다. 이 경우에, 공진기 구조체 부근에 배치되는 굴절율층의 열전도율을 증가시키는 것은 어렵다.
본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에 따르면, 반도체 DBR은 주로 AlGaAs 재료로 이루어지며, 공진기 구조체는 In을 포함하는 AlGaInPAs 재료로 이루어진다. 이 경우에, 공진기 구조체의 에칭 속도는 반도체 DBR의 에칭 속도보다 더 작게 설정될 수 있다. 따라서, 에칭 모니터를 이용하여, 에칭 바닥면이 공진기 구조체에 도달하는지 여부를 쉽게 검출할 수 있다. 이에 의해, 공진기 구조체의 중심 부근까지 높은 정밀도로 에칭할 수 있고, 캐리어의 확산을 감소시키므로, 발진에 기여하지 않는 캐리어를 감소시킬 수 있다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에 따르면, 첨부된 청구범위에서 설명된 바와 같이, 하부 반도체 DBR(103)은 제1 반도체 다층 반사경이고, 상부 반도체 DBR(107)은 제2 반도체 다층 반사경이다. 또한, 제2 하부 반도체 DBR(1032)은 제1 부분 반사경이고, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 제2 부분 반사경이다.
고굴절율층(103b)은 제1층이고, 저굴절율층(103a)은 제2층이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 하부 반도체 DBR(103)과 상부 반도체 DBR(107) 사이에 활성층(105)을 포함하는 공진기 구조체를 가지며, 이들 양자는 저굴절율층과 고굴절율층의 쌍을 복수 쌍 포함한다. 하부 반도체 DBR(103)은, 36.5 쌍의 굴절율층을 포함하는 제1 하부 반도체 DBR(1031); 3 쌍의 굴절율층을 포함하는 제2 하부 반도체 DBR(1032); 1 쌍의 굴절율층을 포함하는 제3 하부 반도체 DBR(1033)을 포함한다. 하부 반도체 DBR(103)에서, 각 쌍은 높은 열전도율을 가지는 n-AlAs로 이루어지는 저굴절율층(103a) 및 상기 저굴절율층(103a)의 열전도율보다 더 낮은 열전도율을 가지는 n-Al0.3Ga0.7As로 이루어지는 고굴절율층(103b)을 포함한다.
제2 하부 반도체 DBR(1032)에서, 저굴절율층(103a)은 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, 3λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계되며, 고굴절율층(103b)은 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제3 하부 반도체 DBR(1033)은 공진기 구조체와 제 2 하부 반도체 DBR(1032) 사이에 배치된다. 각 굴절율층은 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
전술한 구성에 따르면, 흡수 손실의 증가를 감소시키면서 방열 효율을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 더 긴 동작 수명, 높은 발광 효율 및 우수한 온도 특성을 가진다.
본 발명의 광 주사 장치(1010)에 대해서, 광 주사 장치(1010)의 광원(14)이 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)를 가지므로, 광 주사 장치(1010)는 안정된 광주사를 수행할 수 있다.
본 실시형태의 레이저 프린터(1000)에 대하여, 레이저 프린터(1000)는 광 주사 장치(1010)를 포함하므로, 고품질의 화상을 형성할 수 있다.
또한, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)의 동작 수명이 크게 증가되어, 기록 유닛 또는 광원 유닛을 재사용할 수 있다.
d. 제2 실시형태의 변형예
상기 실시형태에 따르면, 제2 하부 반도체 DBR(1032)에서, 저굴절율층(103a)은 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, 3λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다. 그러나, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않으며, 저굴절율층(103a)이 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, (2n + 1)λ/4[n은 1이상의 정수]를 충족하는 광학 두께를 가지면 충분하다.
상기 실시형태에 따르면, 제2 하부 반도체 DBR(1032)이 저절율층(103a)과 고굴절율층(103b)의 쌍을 3쌍 포함하지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다.
상기 실시형태에 따르면, 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 저굴절율층(103a)과 고굴절율층(103b)의 쌍을 1쌍 포함하지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다. 제3 하부 반도체 DBR(1033)은 저굴절율층(103a)과 고굴절율층(103 b)의 쌍을 1쌍 내지 5쌍 포함할 수도 있다.
상기 실시형태에 따르면, 레이저 발진 방향에 직교하는 단면에서의 메사 형상은 정방형이지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다. 메사 형상은 예를 들어 원형, 타원형 또는 직사각형 등의 임의의 형상일 수 있다.
상기 실시형태에서, 공진기 구조체에 인접한 하부 반도체 DBR(103)의 일부의 불순물 농도는, 나머지 부분과 비교하여 더 낮게 될 수도 있다. 흡수량은 불순물 농도의 증가에 따라 증가한다. 따라서, 흡수의 영향이 큰 부분의 불순물 농도를, 흡수의 영향이 작은 부분의 불순물 농도보다 낮게 한다. 이러한 방식으로, 저굴절율층의 두께를 증가시킴으로써 생성되는 흡수량의 증가를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 공진기 구조체에 인접한 하부 반도체 DBR(103)에서의 4쌍의 불순물 농도는 5× 1017(cm-3)이 될 수 있고, 나머지 쌍의 불순물 농도는 1× 1018(cm-3)이 될 수 있다.
상기 실시형태는 발광부의 발진 파장이 780 nm 대에 존재하는 경우를 설명하였지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다. 감광체의 특성에 따라서, 발광부의 발진 파장을 변경할 수도 있다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)는 화상 형성 장치 이외의 장치에 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 발진 파장은, 용도에 따라서, 650 nm대, 850 nm대, 980 nm대, 1.3 ㎛대, 1.5 ㎛대 등으로 변경될 수도 있다.
일례로서, 도 56은 850 nm 대의 발진 파장을 가지도록 설계된 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100A)를 나타낸다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100A)는, 기판(201), 하부 반도체 DBR(203), 하부 스페이서층(204), 활성층(205), 상부 스페이서층(206), 상부 반도체 DBR(207) 및 컨택트층(209) 등을 포함한다.
기판(201)은 n-GaAs 단결정 기판이다.
하부 반도체 DBR(203)은, 일례로서 도 57에 도시된 바와 같이, 제1 하부 반도체 DBR(2031), 제2 하부 반도체 DBR(2032) 및 제3 하부 반도체 DBR(2033)을 포함한다.
제1 하부 반도체 DBR(2031)은 개재된 버퍼층(미도시)을 통해 기판(201)의 +Z 방향면으로 적층된다. 제1 하부 반도체 DBR(2031)은 n-AlAs로 이루어지는 저굴절율층(203a)과 n-Al0.1Ga0.9As로 이루어지는 고굴절율층(203b)의 쌍을 30.5쌍 포함한다. 저굴절율층(203a)은 고굴절율층(203b)에 비하여 더 높은 열전도율을 가진다(도 65 참조). 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 조성 경사층에서, 조성은 한쪽 조성으로부터 또 다른 조성으로 서서히 변경된다. 각 굴절율층은, 그 인접 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4(여기서, λ는 발진 파장임)의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제2 하부 반도체 DBR(2032)은, 제1 하부 반도체 DBR(2031)의 +Z방향면으로 적층되며, 저굴절율층(203a)과 고굴절율층(203b)의 쌍을 5쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 저굴절율층(203a)은, 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, 3λ/4의 광학 두께를 가지며, 각 고굴절율층(203b)은, 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제3 하부 반도체 DBR(2033)은, 제2 하부 반도체 DBR(2032)의 +Z방향면으로 적층되며, 저굴절율층(203a)과 고굴절율층(203b)의 쌍을 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
하부 스페이서층(204)은, 제3 하부 반도체 DBR(2033)의 +Z방향면으로 적층되고, 비도핑된 Al0.4Ga0.6As 층이다.
활성층(205)은 하부 스페이서층(204)의 +Z방향면으로 적층되며, 일례로서 도 58에 도시된 바와 같이, 3개의 양자 우물층(205a) 및 4개의 배리어층(205b)을 포함한다. 각 양자 우물층(205a)은, Al0.12Ga0.88As로 이루어지고, 각 배리어층(205b)은 Al0.3Ga0.7As로 이루어진다.
상부 스페이서층(206)은 활성층(205)의 +Z방향면으로 적층되고, 비도핑된 Al0.4Ga0.6As 층이다.
하부 스페이서층(204), 활성층(205) 및 상부 스페이서층(206)을 포함하는 부분은, 공진기 구조체로 지칭되며, 이는 λ의 광학 두께를 가지도록 설계된다. 활성층(205)은 높은 유도 방출율을 달성하기 위하여, 전계의 정재파의 안티노드에 대응하는, 공진기 구조체의 중앙에 제공된다. 활성층(105)에서 발생된 열은, 주로 하부 반도체 DBR(203)을 통하여 기판(201)으로 방열되도록 설계된다.
상부 반도체 DBR(207)은 상부 스페이서층(206)의 +Z방향면으로 적층되고, p-Al0.9Ga0.1As로 이루어지는 저굴절율층(207a)과 p-Al0.1Ga0.9As로 이루어지는 고굴절율층(207b)의 쌍을 24쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
상부 반도체 DBR(207)에서의 저굴절율층의 하나에는, 30 nm의 두께를 가지는 p-AlAs로 이루어지는 피선택 산화층이 삽입되어 있다. 피선택 산화층은 상부 스페이서층(206)으로부터 광학적으로 λ/4 떨어진 위치에 배치된다.
컨택트층(209)은 상부 반도체 DBR(207)의 +Z방향면으로 적층되는 p-GaAs 층이다.
수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100A)는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에 대하여 설명되는 방식과 동일한 방식으로 제조된다. 도 56에서, 참조 부호 211은 보호층을 나타내며, 참조 부호 212는 폴리이미드를 나타내며, 참조 부호 213은 p 측 전극을 나타내며, 참조 부호 214는 n 측 전극을 나타내며, 참조 부호 208a는 산화층을 나타내며, 참조 부호 208b는 전류 통과 영역을 나타낸다. 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100A)는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)와 동일한 효과를 달성할 수 있다.
또한, 이 실시형태에서, 광원(14)은 본 실시형태의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100) 대신에, 일례로서 도 45에 도시되는 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)를 포함할 수도 있다.
일반적으로, 원하는 에칭 깊이는, 결정 성장층의 두께의 변동 및 기판(웨이퍼)면 전체에 대한 에칭 속도의 변동으로 인해 각 발광부 마다 다르다. 그러나, 에칭의 바닥면이 피선택 산화층보다 더 깊지만, 피선택 산화층의 것과 동등한 Al 조성을 가지는, 하부 반도체 DBR의 저굴절율층에 이르지 않도록 모든 발광부에 대하여 에칭을 제어하는 것은 어렵다.
특히, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이의 경우에, 발광부 간격의 차이에 의해 에칭폭이 달라지면, 에칭 속도가 변한다. 이러한 경우에, 상기 변동이 존재하지 않는다고 해도, 에칭 깊이는 각 발광부 마다 변경된다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)에 따르면, 반도체 DBR은 주로 AlGaAs 재료로 이루어지며, 공진기 구조체는 In을 포함하는 AlGaInPAs 재료로 이루어진다. 따라서, 공진기 구조체의 에칭 속도는 반도체 DBR의 에칭 속도보다 더 작게 설정될 수 있다. 이에 의해, 웨이퍼 및 어레이 칩 전체에 걸쳐서, 에칭의 바닥면은 하부 반도체 DBR에 이르지 않으므로, 에칭 바닥면이 공진기 구조체 내에 잔류되도록 에칭을 제어할 수 있다.
따라서, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)에 따르면, 에칭은 미리 결정된 위치에 에칭을 정지시키는 층을 제공하는 것이 아니라 에칭 속도를 느리게 함으로써 제어된다. 따라서, 에칭 모니터를 이용하여, 에칭 바닥면이 공진기 구조체에 도달하는지 여부를 쉽게 검출할 수 있다. 또한, 공진기 구조체의 중심 부근까지 높은 정밀도로 에칭할 수 있고, 캐리어의 확산을 감소시키므로, 발진에 기여하지 않는 캐리어를 감소시킬 수 있다.
미리 결정된 위치에 에칭을 정지시키는 층을 제공하는 경우에, 깊이 방향(이 경우에, -Z방향)으로의 에칭을 제어할 수 있지만, 수평 방향(이 경우에, X-Y면에 평행한 방향)으로의 에칭을 제어할 수 없어, 이는 메사 크기에서의 로트간 변동 등의 문제를 야기한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)는 32채널을 가진 멀티빔 광원이지만, 인접 발광부에의 각 발광부의 열간섭은, 방열 대책이 제공되므로 완화된다. 따라서, 복수의 발광부가 동시에 구동되면, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(500)는 작은 특성 변화만을 가지며, 더 긴 동작 수명을 나타낸다.
본 실시형태는 화상 형성 장치의 일례로서 레이저 프린터(1000)를 이용하는 것을 설명하였지만, 본 발명은 이 경우로 한정되지 않는다. 제1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 화상 형성 장치는 레이저광으로 컬러가 현상되는 매체(예를 들어, 용지)에 직접 레이저광을 조사하는 화상 형성 장치; 화상 캐리어로서 은염 필름을 이용하는 화상 형성 장치; 또는 복수의 감광체 드럼을 가지는 컬러 프린터(2000)일 수도 있다.
도 59는 광 전송 시스템(3000)의 개략적인 구조를 나타낸다. 광 전송 시스템(3000)에서, 광 송신 모듈(3001) 및 광 수신 모듈(3005)은 광섬유 케이블(3004)에 의해 접속되어, 광 송신 모듈(3001)로부터 광 수신 모듈(3005)까지의 한방향 광통신을 가능하게 한다.
광 송신 모듈(3001)은 광원(3002) 및 외부에서 입력된 전기 신호에 따라서, 광원(3002)으로부터 출사되는 레이저광의 광강도를 변조하는 구동 회로(3003)를 포함한다.
광원(3002)은 일례로서 도 60에 도시된 바와 같이, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)를 포함한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)는, 일 차원으로 단일 기판 상에 정렬된 복수(이 경우에, 10개)의 발광부를 포함한다. 발광부의 수는 10개로 한정되지 않음에 주목한다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)의 각 발광부는, 1.3 ㎛ 대의 발진 파장을 가지는 수직 공진기형 면발광 레이저가 되도록 설계된다. 도 60에 도시된 A-A 라인에 따른 단면도인 도 61에 도시된 바와 같이, 발광부는, 기판(301), 하부 반도체 DBR(303), 하부 스페이서층(304), 활성층(305), 상부 스페이서층(306), 상부 반도체 DBR(307) 및 컨택트층(309) 등을 포함한다.
기판(301)은, n-GaAs 단결정기판이다.
하부 반도체 DBR(303)은 일례로서 도 62에 도시된 바와 같이, 제1 하부 반도체 DBR(3031), 제2 하부 반도체 DBR(3032)와, 제3 하부 반도체 DBR(3033)을 포함한다.
제1 하부 반도체 DBR(3031)는, 개재된 버퍼층(미도시)을 통해 기판(301)의 + Z측면으로 적층된다. 제1 하부 반도체 DBR(3031)은 n-AlAs로 이루어지는 저굴절율층(303a) 및 n-GaAs로 이루어지는 고굴절율층(103b)의 쌍을 30.5쌍 포함한다. 저굴절율층(303a)은 고굴절율층(303b)에 비하여 열전도율이 크다. 각 2개의 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 조성 경사층에 있어서, 조성은 한쪽 조성으로부터 또 다른 조성으로 서서히 변경된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4(여기서, λ는 발진 파장임)의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제2 하부 반도체 DBR(3032)은 제1 하부 반도체 DBR(3031)의 +Z방향면으로 적층되며, 저굴절율층(303a) 및 고굴절율층(303b)의 쌍을 5쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 저굴절율층(303a)은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, 3λ/4의 광학 두께를 가지며, 각 고굴절율층(303b)은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
제3 하부 반도체 DBR(3033)는 제2 하부 반도체 DBR(3032)의 +Z방향면으로 적층되며, 저굴절율층(303a) 및 고굴절율층(303b)의 쌍을 1쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
하부 스페이서층(304)은 제3 하부 반도체 DBR(3033)의 +Z방향면으로 적층되며, 비도핑된 GaAs 층이다.
활성층(305)은 하부 스페이서층(304)의 +Z방향면으로 적층되며, 일례로서 도 63에 도시된 바와 같이, 3개의 양자 우물층(305a) 및 4개의 배리어층(305b)을 포함한다. 각 양자 우물층(305a)은 GaInNAs로 이루어지며, 각 배리어층(305b)은 GaAs로 이루어진다.
상부 스페이서층(306)은 활성층(305)의 +Z방향면으로 적층되어, 비도핑된 GaAs층이다.
하부 스페이서층(304), 활성층(305) 및 상부 스페이서층(306)을 포함하는 부분은, 공진기 구조체로 지칭되며, 이는 λ의 광학 두께를 가지도록 설계된다. 활성층(305)은 높은 유도 방출율을 달성하기 위하여, 전계의 정재파의 안티노드에 대응하는, 공진기 구조체의 중앙에 제공된다. 활성층(305)에서 발생된 열은, 주로 하부 반도체 DBR(303)을 통하여 방열되도록 설계된다.
상부 반도체 DBR(307)은 상부 스페이서층(306)의 +Z방향면으로 적층되고, 저굴절율층(307a)과 p-GaAs로 이루어지는 고굴절율층(307b)의 쌍을 26쌍 포함한다. 각 2개의 인접 굴절율층 사이에는, 전기 저항을 감소시키기 위하여, 조성 경사층(미도시)이 제공된다. 각 굴절율층은 그 인접하는 조성 경사층의 1/2 두께를 포함함으로써, λ/4의 광학 두께를 가지도록 설계된다.
상부 반도체 DBR(307)에서의 저굴절율층의 하나에는, 20 nm의 두께를 가지는 p-AlAs로 이루어지는 피선택 산화층이 삽입되어 있다. 피선택 산화층은 상부 스페이서층(206)으로부터 광학적으로 5λ/4 떨어진 위치에 배치된다.
피선택 산화층을 포함하는 저굴절율층은 p-Al0.6Ga0.4As로 이루어지는 층이며, 다른 저굴절율층은 p-Al0.9Ga0.1As로 이루어지는 층이다. 피선택 산화층을 포함하는 저굴절율층에서, 피선택 산화층에 인접하여 35 nm의 두께를 가지는 p-Al0.8Ga0.2As로 이루어지는 중간층(미도시)이 배치된다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)는, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)에 대하여 설명되는 방식과 동일한 방식으로 제조된다. 도 61에서, 참조 부호 311은 보호층을 나타내며, 참조 부호 312는 폴리이미드를 나타내며, 참조 부호 313은 p 측 전극을 나타내며, 참조 부호 314는 n 측 전극을 나타내며, 참조 부호 308a는 산화층을 나타내며, 참조 부호 308b는 전류 통과 영역을 나타낸다.
수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)는, 각 발광부의 하부 반도체 DBR(303)이 수직 공진기형 면발광 레이저 소자(100)의 하부 반도체 DBR(103)의 구조와 유사한 구조를 가지므로, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(100)의 효과와 유사한 효과를 달성할 수 있다.
메사를 형성할 때, 공진기 구조체 내에서 에칭을 정지시키기 위하여 GaAs 스페이서층 대신에, In(indium)을 포함하는 GaInP 층을 이용할 수도 있다.
광원(3002)으로부터 출력된 광 신호는, 광섬유 케이블(3004)에 입사되어 통과된 후, 광 수신 모듈(3005)에 입력된다. 광 섬유 케이블(3004)은 일례로서 도 64에 도시된 바와 같이, 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)의 복수의 발광부에 일대일 대응하는 복수의 광섬유를 포함한다.
광 수신 모듈(3005)는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 수광 소자(3006)와, 수광 소자(3006)로부터 출력된 전기 신호에 대하여 신호 증폭 및 파형 정형 등을 수행하는 수신 회로(3007)를 포함한다.
본 실시형태의 광 송신 모듈(3001)은, 광원(3002)이 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이(600)를 포함하므로, 안정된 광 신호를 생성할 수 있다. 그 결과, 광 전송 시스템(3000)은 고품질의 광전송을 수행할 수 있다.
따라서, 광전송 시스템(3000)은, 가정, 사무실, 기기 등에 사용되는 단거리 데이터 통신에도 유효하다.
또한, 균일한 특성을 갖는 복수의 발광부가 동일 기판 상에 탑재되므로, 많은 수의 빔을 동시에 이용하는 데이터 전송이 쉽게 달성될 수 있어, 고속 통신을 행할 수 있다.
또한, 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 저소비 전력으로 동작하기 때문에, 특히 수직 공진기형 면발광 레이저가 기기 내에 집적되어 이용되는 경우에, 온도 상승을 저감시킬 수 있다.
상기 실시형태는 발광부가 광섬유와 일대일 대응하는 경우에 관하여 설명하였지만, 다른 발진 파장을 가지는 복수의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 1차원 어레이 또는 2차원 어레이에 배열하여, 다중 파장 송신을 수행함으로써 전송 속도를 더 증가시킬 수 있음에 주목한다.
한방향 통신 구조를 일례로서 위에 도시하고 있지만, 본 발명은 양방향 통신 구조에도 적용될 수 있다.
[산업상 이용가능성]
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 및 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이는 네가티브 드롭 특성을 억제하고, 단일 기본 횡모드 발진에서 고출력 동작을 수행할 수 있다. 본 발명의 광 주사 장치는 고정밀도로 광주사를 수행할 수 있다. 본 발명의 화상 형성 장치는 고품질의 화상을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 수직 공진기형 면발광 레이저 소자 및 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이는, 긴 동작 수명, 높은 발광 효율 및 우수한 온도 특성을 달성할 수 있다. 본 발명의 광 주사 장치는 안정된 광 주사를 수행할 수 있다. 본 발명의 화상 형성 장치는 고품질의 화상을 형성할 수 있다. 본 발명의 광 전송 모듈은 안정된 광신호를 생성할 수 있다. 본 발명의 광 전송 시스템은, 고품질의 광전송을 수행할 수 있다.
본 출원은 2008년 5월 2일자로 출원된 일본 특허 출원 제2008-120062호, 2008년 6월 11일자로 출원된 일본 특허 출원 제2008-152427호, 2009년 4월 7일자로 출원된 일본 특허 출원 제2009-093021호에 기초하고, 이들의 우선권을 주장하며, 이들의 전체 내용은 참고로 여기에 포함된다.

Claims (27)

  1. 기판에 대하여 수직으로 광을 출사하는 수직 공진기형 면발광 레이저 소자로서,
    활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및
    제1 반도체 다층 반사경과 제2 반도체 다층 반사경을 포함하며, 상기 제1 및 제2 반도체 다층 반사경 사이에 상기 공진기 구조체를 개재(介在)시키는 방식으로 배치되는 반도체 다층 반사경으로서, 상기 제2 반도체 다층 반사경은, 주입 전류와 발진 광의 횡 모드를 동시에 제한하는 협착 구조체를 포함하며, 상기 협착 구조체는 전류 통과 영역을 둘러싸는 산화 영역을 가지며, 상기 산화 영역은 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화시킴으로써 형성되며, 하나 이상의 산화물을 포함하는 것인, 상기 반도체 다층 반사경을 구비하며,
    상기 피선택 산화층의 두께는 25 ㎚ 이상이며,
    상기 제1 반도체 다층 반사경은 횡 방향으로 광 가둠을 저감시키는 광 가둠 저감부를 포함하며, 상기 광 가둠 저감부는 상기 공진기 구조체에 대하여 기판측에 배치되고,
    상기 제1 반도체 다층 반사경은, 저굴절율층과 고굴절율층의 쌍을 복수 쌍 포함하며, 상기 광 가둠 저감부는 상기 횡 방향으로 균일한 굴절률을 가지는 저굴절율층과 고굴절율층의 상기 복수 쌍 중 하나 이상을 포함하며, 상기 복수 쌍 중 하나 이상에서의 상기 저굴절율층 및 상기 고굴절율층 중 하나 이상은 (2n+1)λ/4의 광학 두께를 가지며, 여기서 λ는 발진 파장이며, n은 1 이상의 정수인 것인 수직 공진기형 면발광 레이저 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수 쌍 중 하나 이상은, 상기 광 가둠 저감부와 상기 공진기 구조체 사이에 배치되며, 상기 복수 쌍 중 하나 이상에서의 상기 저굴절율층 및 상기 고굴절율층 양자는 λ/4의 광학 두께를 가지는 것인 수직 공진기형 면발광 레이저 소자.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 최소 발진 임계값 전류는 25℃ 이하에서 얻어지는 것인 수직 공진기형 면발광 레이저 소자.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 식 -2.54d2 - 0.14t2 - 0.998dㆍt + 53.4d + 12.9t - 216 ≥ 0.9 이 충족되며, 여기서 d는 상기 전류 통과 영역의 폭[㎛]이고, t는 상기 산화 영역의 두께[㎚]인 것인 수직 공진기형 면발광 레이저 소자.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 피선택 산화층의 두께는 30 ㎚ 이상이며, 최소 발진 임계값 전류는 35℃ 이하에서 얻어지는 것인 수직 공진기형 면발광 레이저 소자.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 1 ㎳의 펄스 주기 및 500 ㎲ 의 펄스폭을 가지는 구형파(square wave) 전류 펄스를 인가한 경우, 식 (P1 - P2)/P2 ≥ -0.1이 충족되며, 여기서 P1은 인가후 10 ㎱에서 얻어지는 광 출력이며, P2는 인가후 1㎲에서 얻어지는 광 출력인 것인 수직 공진기형 면발광 레이저 소자.
  8. 제1항 또는 제3항에 기재된 수직 공진기형 면발광 레이저 소자가 복수개 집적되어 있는 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이.
  9. 광으로 주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
    제1항에 기재된 수직 공진기형 면발광 레이저 소자를 포함하는 광원;
    상기 광원으로부터 출사된 광을 편향시키도록 구성되는 편향기; 및
    편향된 광을 상기 주사면 상에 집광시키도록 구성되는 주사 광학 시스템을 구비하는 광 주사 장치.
  10. 광으로 주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
    제8항에 기재된 수직 공진기형 면발광 레이저 어레이를 포함하는 광원;
    상기 광원으로부터 출사된 광을 편향시키도록 구성되는 편향기; 및
    편향된 광을 상기 주사면 상에 집광시키도록 구성되는 주사 광학 시스템을 구비하는 광 주사 장치.
  11. 하나 이상의 화상 캐리어; 및
    상기 하나 이상의 화상 캐리어 상에, 화상 정보를 포함하는 광을 조사하도록 구성되는 제9항에 기재된 광 주사 장치를 하나 이상 구비하는 화상 형성 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 화상 정보는 다색 화상 정보인 것인 화상 형성 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
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