KR20070066864A - 대구경 표면 발광형 반도체 레이저 소자를 이용한 광정보처리 장치 - Google Patents

대구경 표면 발광형 반도체 레이저 소자를 이용한 광정보처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대구경의 VCSEL 소자를 이용하여 소자의 신뢰성이 높은 광정보 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
광정보 처리 장치의 주사형 노광 장치(400)는, VCSEL을 포함하는 광원과, 광원으로부터 출사되는 레이저광을 감광 드럼(480)에 집광하는 광학계와, 집광된 레이저광을 감광체 드럼(480) 위에서 주사하는 폴리곤 미러(440) 등을 포함하는 주사 기구를 구비하고 있다. VCSEL의 전류 협착부의 비산화 영역의 직경은 5미크론 이상, 바람직하게는 8미크론 이상인 것을 이용함으로써, VCSEL의 정전 내압이나 신뢰성이 비약적으로 개선되고, 또한 비산화 영역의 직경 편차에 의한 소자간의 특성 편차가 저감된다.
광정보 처리 장치, 주사형 노광 장치, VCSEL, 전류 협착부

Description

대구경 표면 발광형 반도체 레이저 소자를 이용한 광정보 처리 장치{OPTICAL DATA PROCESSING APPARATUS USING VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER(VCSEL) DEVICE WITH LARGE OXIDE-APERTURE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 사시도.
도 2의 (a) 내지 (d)는 본 실시예에 따른 VCSEL의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도.
도 3의 (a) 내지 (d)는 본 실시예에 따른 VCSEL의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도.
도 4의 (a)는 본 실시예에 따른 VCSEL의 상면도, 도 4의 (b)는 VCSEL의 발광 패턴을 나타내는 도면, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)의 A-A선 단면도.
도 5는 구멍을 갖는 VCSEL에서 얻어진 광출력-주입 전류 특성 및 근시야상(near field pattern)을 나타내는 도면.
도 6은 구멍을 갖는 VCSEL과 구멍을 갖지 않는 VCSEL의 L-I 특성을 비교한 도면.
도 7은 구멍을 갖지 않는 VCSEL과 구멍을 갖는 VCSEL 각각의 발진(發振) 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 8의 (a)는 정부(頂部)에 형성한 구멍의 일례를 나타내는 도면, 도 8의 (b)는 발광 패턴의 일례를 나타내는 도면.
도 9는 VCSEL 어레이를 구동하는 회로 구성 예를 나타내는 도면.
도 10은 VCSEL 어레이를 실장한 패키지의 구성을 나타내는 모식도.
도 11은 VCSEL 어레이를 실장한 다른 패키지의 구성을 나타내는 모식도.
도 12는 본 실시예에 따른 대구경(大口徑) VCSEL을 이용한 전자 사진식 화상 형성 장치의 구성을 나타내는 모식도.
도 13의 (a)는 산화(酸化) 개구 직경과 신뢰성에 관한 데이터를 나타내는 도면, 도 13의 (b)는 산화 개구 직경과 정전(靜電) 내압에 관한 데이터를 나타내는 도면.
도 14의 (a)는 싱글 모드 VCSEL의 확산각과 광출력에 관한 데이터를 나타내는 도면, 도 14의 (b)는 멀티 모드 VCSEL의 확산각과 광출력에 관한 데이터를 나타내는 도면, 도 14의 (c)는 고차(高次) 싱글 모드 VCSEL의 확산각과 광출력에 관한 데이터를 나타내는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 기판 11 : p측 전극
12 : 하부 다층 반사막 13 : n측 전극
14 : 하부 스페이서층 16 : 양자 우물 활성층
18 : 상부 스페이서층 20 : AlAs층
22 : 상부 다층 반사막 24 : 컨택트층
26 : SiON 30 : 포스트부
32 : 전류 협착부(狹窄部) 34 : 비(非)산화 영역
36 : SiNx 38 : 레지스트 구조물
4O : 전극 개구부 50a, 50b, 50c, 50d, 50e : 구멍
51a∼51i : 구멍 60a, 60b, 60c, 60d : 발광 스폿
61a∼61h: 발광 스폿 300 : VCSEL 패키지
310 : VCSEL 칩 320 : 서브마운트
4OO : 주사형 노광 장치 41O : 집광(集光) 광학계
420 : 하프 미러(half-mirror) 430 : 모니터용 포토다이오드
440 : 폴리곤 미러 450 : 회전 모터
460 : fθ 렌즈 470 : 반사 미러
480 : 감광체 드럼
본 발명은 표면 발광형 반도체 레이저 소자를 이용한 광정보 처리 장치에 관한 것으로서, 특히 복사기나 프린터 등의 화상 형성 장치에서의 대구경 표면 발광형 반도체 레이저 소자의 이용에 관한 것이다.
표면 발광형 반도체 레이저 소자(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode: 이하 VCSEL이라고 함)는 반도체 기판의 주표면 측으로부터 광을 방출(放出) 하는 타입의 레이저 다이오드이다. 종래부터 이용하여 온 단면(端面) 발광형 반도체 레이저 소자에 비하여 구동 전류가 낮고, 웨이퍼 레벨에서의 검사가 가능하며, 2차원화가 용이하다는 특징을 구비한다. 이 때문에, 광통신, 또는 광을 이용하여 실행되는 데이터 기억, 화상 형성 등 다양한 광정보 처리 분야에서 광원으로서의 이용이 실행되고 있다.
VCSEL에서는 주입된 전류를 효율적으로 활성층에 가두기 위해, 전류 협착(狹窄) 구조가 필요하게 된다. 전류 협착의 방법으로서는 주로 프로톤(proton) 주입에 의해 고저항화(高抵抗化) 영역을 형성하는 방법과, 알루미늄을 함유하는 반도체층을 선택적으로 산화시키는 방법의 2가지가 이용되지만, 최근에는 후자(後者)가 주류를 이루고 있다.
굴절률 도파(導波) 구조를 갖는 선택 산화형 VCSEL은, 반도체 다층막이 에피택셜 성장된 반도체 기판을 에칭하여 포스트(post) 구조를 형성한 후, 포스트 측면으로부터 Al을 함유하는 반도체층을 열적(熱的)으로 산화 처리하는 공정을 포함한다. 활성층 근방의 반도체 다층 반사막의 일부인 알루미늄을 함유하는 반도체층을 선택적으로 산화시켜 고저항화 영역을 형성하는 동시에, 이 부위의 굴절률을 저하시켜 광도파로(光導波路)를 구성하고 있다. 이 강한 광 가두기 효과에 의해, 낮은 임계값 전류, 또한 고효율의 우수한 특성을 얻고 있다.
산화에 의해 형성되는 고저항화 영역의 내측 직경, 즉, 비산화 영역의 직경은 레이저광의 발진 모드를 좌우한다. 기본 횡모드 발진(싱글 모드)을 얻기 위해서는, 비산화 영역의 직경을 대략 4미크론 이하로 좁힐 필요가 있다. 그것보다도 크면, 고차(高次) 모드 발진(멀티 모드)으로 이행(移行)한다.
비산화 영역의 직경은, 모드 발진 이외에도, 정전 내압이나 신뢰성에 영향을 미치는 것이 알려져 있다. 예를 들어 비특허문헌 1에 의하면, 도 13의 (a)에 나타낸 바와 같이, 비산화 영역의 직경과 소자가 고장날 때까지의 시간 관계가 도시되고, 또한 도 13의 (b)에 나타낸 바와 같이, 비산화 영역의 직경과 정전 내압의 관계가 도시되며, 비산화 영역의 직경이 작아질수록 정전 내압 또는 신뢰성은 저하됨을 알 수 있다.
한편, 비산화 영역의 직경이 5미크론 이상일지라도, 기판 표면에 세공(細工)을 실시함으로써, 고차 횡모드 발진이면서 멀티 모드 발진이 아니라, 특정 하나의 횡모드, 즉, 싱글 모드에서의 발진이 얻어지는 것이 특허문헌 1에 개시되어 있다.
[비특허문헌 1] Bobby M. Hawkins et al., "Reliability of Various Size Oxide Aperture VCSELs", [online], Advanced Optical Components white paper, [2005년 12월 9일 검색], 인터넷 <URL: http://www.adopco.com/publication/documents/ReliabiliutyofVariousSizeOxideApertureVCSELs.pdf>
[특허문헌 1] 일본국 공개특허2002-359432호 공보
예를 들어 레이저 프린터 등의 전자 사진 방식의 화상 형성 장치(주사형 노광 장치)의 광원으로서 VCSEL을 이용한 경우, 고해상도를 얻기 위해서는 감광체 드럼면 위에 작은 발광 스폿을 연결시킬 필요가 있다. 즉, VCSEL의 방사광을 렌즈에 의해 집광하는 요청 때문에, 발광 강도 분포가 가우시안형 싱글 모드(기본 횡모드 발진)가 바람직하고, 그 결과, 고해상도 레이저 프린터 등의 용도에는 비산화 영역의 직경이 대략 4미크론 이하인 VCSEL이 이용되었다.
그러나, VCSEL의 포스트부의 직경은 약 20∼30미크론이고, 그 포스트 구조로부터 4미크론 직경 이하의 비산화 영역을 형성하기 위해서는, 산화 깊이를 정확하게 제어할 필요가 있으며, 그 제어를 행하는 것은 프로세스적으로 어렵고, 또한 웨이퍼마다 직경의 편차가 발생하여 제조 수율 저하의 원인으로 되었다.
또한, 비산화 영역의 직경을 작게 하면 할수록 상기와 같이 정전 내압 및 신뢰성이 열화(劣化)되기 때문에, 소자의 열화 속도가 높아져 수명 특성이 저하된다. 소자의 수명은 제품의 수명을 결정하기 때문에, 교환 부품의 준비와 같은 불필요한 비용을 초래한다. 따라서, 비산화 영역의 직경이 4미크론 이하의 소구경(小口徑)인 싱글 모드 VCSEL을 레이저 프린터 등의 화상 형성 장치의 광원으로서 이용하는 것은 비용 상승의 일인(一因)이었다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대구경 VCSEL을 광원으로서 이용하는 비용을 저감한 광정보 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 광정보 처리 장치는, 광원(光源)과, 광원으로부터의 광을 광정보 기록 매체에 집광(集光)하는 광학계와, 그 집광된 레이저광을 상기 광정보 기록 매체 위에서 주사하는 기구를 구비하고, 광원은 레이저광을 출사(出射)하는 적 어도 하나의 면발광형 반도체 레이저 소자를 포함한다. 적어도 하나의 면발광형 반도체 레이저 소자는, 수직 공진기 구조를 구성하는 제 1 및 제 2 미러 사이에 활성 영역 및 전류 협착부(狹窄部)를 포함하고, 전류 협착부에는 전류를 협착하기 위한 약 4미크론보다도 큰 개구부가 형성되어 있다. 바람직하게는, 광원은 복수의 면발광형 반도체 레이저 소자가 배열된 어레이를 포함하고, 면발광형 반도체 레이저 소자가 기판 위에 1차원 또는 2차원으로 배열된다.
바람직하게는, 전류 협착부는 Al을 함유하는 반도체층으로 이루어지고, 개구부는 Al을 함유하는 반도체층을 선택적으로 산화시킨 산화 영역에 의해 포위되어 있다. 개구부의 평면 형상이 원형이면 그 직경이 4미크론보다도 크고, 평면 형상이 사각형이면 그 대각선이 4미크론보다도 크다. 보다 바람직하게는, 개구부는 8미크론 이상이다. 전류 협착부가 포스트 구조 내에 형성될 때, 개구부의 형상은 포스트 구조의 외형을 반영하는 형상으로 되고, 포스트 구조가 원기둥 형상이면 개구부의 평면 형상은 원 형상이며, 포스트 구조가 각기둥 형상이면 개구부의 평면 형상은 사각형 형상이다. 이렇게 하여, 개구부의 직경을 대구경으로 함으로써, 전류 협착부의 제조를 용이하게 하고, 면발광형 반도체 레이저 소자의 제조 수율을 향상시켜 비용을 저감할 수 있다.
바람직하게는, 면발광형 반도체 레이저 소자는 특정 하나의 횡모드를 포함하는 싱글 모드에서 동작된다. 전류 협착부의 개구부가 4미크론보다 커지면 멀티 모드 발진으로 되지만, 고차 싱글 모드이면 하나의 횡모드 발진을 얻을 수 있다. 이것에 의해, 고출력이며 확산각의 변동이 적은 광원을 얻을 수 있다. 고차 싱글 모 드는 면발광형 반도체 레이저 소자의 출사(出射) 표면 예를 들어 상부 다층 반사막의 컨택트층에 복수의 구멍 또는 홈을 가공함으로써 실현된다.
또한, 면발광형 반도체 레이저 소자는 임계값 근방에서 동작시키도록 할 수도 있다. 전류 협착부의 개구부가 4미크론보다 커지면, 주입 전류량의 증대와 함께 멀티 모드 발진으로 되기 쉽지만, 임계값 근방에서 동작시키면, 0차 모드(기본 횡모드)의 레이저 발진이 얻어진다. 또한, 구동 전류를 임계값 근방에 고정시킴으로써, 확산각의 변동도 억제할 수 있다. 이와 같이 멀티 모드 발진하기 쉬운 대구경의 면발광형 반도체 레이저 소자일지라도, 구동 조건을 제어함으로써 싱글 모드 발진과 동등한 동작이 가능해지고, 광원으로서 이용할 수 있게 된다. 또한, 이 경우, 광출력도 싱글 모드 발진의 면발광형 반도체 레이저 소자보다도 높아진다는 이점(利點)이 있다.
이하, 본 발명에 따른 VCSEL을 이용한 주사형 노광 장치의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 VCSEL의 사시도이다. 본 실시예의 VCSEL은 기판(10) 위에 각기둥 형상의 포스트부(30)를 포함하고, 포스트부(30) 정부(頂部)의 전극 개구부(40) 내에 복수의 구멍(50a, 50b, 50c, 50d, 50e)이 형성되어 있다. 그리고, 포스트부(30) 내의 AlAs층(전류 협착층)(20)에는 약 8미크론 직경의 비산화 영역이 형성되어 있다. 이러한 구성의 VCSEL은, 후술하는 바와 같이, 고차 싱글 모드의 레이저광을 출사한다.
도 2 및 도 3은 도 1의 VCSEL의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 우 선, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD법)에 의해, n형 GaAs 기판(10)의 (100)면 위에 n형 Al0.8Ga0.2As층과 n형 Al0.1Ga0.9As층의 복수층 적층체로 이루어지는 하부 다층 반사막(12)과, 비도핑의 Al0.4Ga0.6As층으로 이루어지는 하부 스페이서층(14)과, 비도핑의 GaAs층으로 이루어지는 양자 우물 활성층 및 비도핑의 Al0.2Ga0.8As층으로 이루어지는 장벽층의 적층체인 양자 우물 활성층(16)과, 비도핑의 Al0.4Ga0.6As층으로 이루어지는 상부 스페이서층(18)과, p형 AlAs층(20)과, p형 Al0.8Ga0.2As층과 p형 Al0.1Ga0.9As층의 복수층 적층체로 이루어지는 상부 다층 반사막(22)과, p형 GaAs층으로 이루어지는 컨택트층(24)을 차례로 적층 형성한다.
하부 다층 반사막(12) 및 상부 다층 반사막(22)을 구성하는 Al0.8Ga0.2As층과 Al0.1Ga0.9As층의 각층(各層)의 두께는 모두 λ/4nr(단, λ은 발진 파장, nr은 매질(媒質)의 굴절률)이다. 또한, 상부 다층 반사막(22)은 최상층에 컨택트층(24), 최하층에 AlAs층(20)을 더하여 구성된다.
하부 스페이서층(14)의 하면(下面)으로부터 상부 스페이서층(18)의 상면(上面)까지의 전체적인 막 두께는 λ/nr의 정수(整數) 배이며, 그 사이에 정재파(standing-wave)가 형성된다. 그리고, 광강도가 가장 강한, 정재파의 소위 「배(antinode)」 부분이 양자 우물 활성층의 위치에 오는 설계로 되어 있다.
다음으로, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 기판 상면에 에칭 시의 마스크 재료로 되는 SiON(26)을 퇴적한 후, 포토리소그래피를 이용하여 레지스트(28)를 퇴 적하고, 원하는 형상으로 가공한다. 이것을 에칭 마스크로 하여 BCl3:Cl2를 원료 가스로 하는 반응성 이온 에칭을 행하고, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같이, 적어도 AlAs층(20)이 노출될 때까지 에칭하여 포스트부(30)를 형성한다.
이어서, 질소를 캐리어 가스(유량: 2리터/분)로 하는 340℃의 수증기 분위기에 15분간 노출시킨다. AlAs층(20)은 상부 다층 반사막의 주성분인 Al0.8Ga0.2As층이나 Al0.1Ga0.9As층에 비하여 현저하게 빠른 산화 속도를 갖기 때문에, 활성 영역의 직상(直上) 부분이 포스트 외주부로부터 산화되고, 도 2의 (d)에 나타낸 바와 같이, 포스트 형상을 반영한 절연 영역(전류 협착부)(32)이 형성된다. 산화되지 않고 남은 비산화 영역(34)은 전류 주입 영역으로 된다. 여기서는 직경 약 8미크론의 비산화 영역을 형성했다.
다음으로, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 표면 보호막으로 되는 SiNx(36)을 퇴적한 후, 포스트 형성 시에 에칭 마스크로서 사용한 SiON(26)과 함께 일부를 제거하여, 포스트부(30) 정부의 컨택트층(24)을 노출시키고, 또한 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 포스트 정부의 중앙 영역에 사각형의 레지스트 구조물(38)을 형성한다. 그리고, 상방(上方)으로부터 전자 빔 증착에 의해 Au, Zn, Au를 연속적으로 퇴적하고, 레지스트 구조물(38)을 제거하면, 상면에 퇴적되어 있던 Au, Zn, Au가 함께 제거되고(리프트오프(lift-off)), 포스트 정부에는 p측 전극(11)과 함께 전극 개구부(40)가 형성된다.
그 후, 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이, 전극 개구부(40) 내에 집속(集束) 이온 빔(FIB) 가공 장치를 이용하여 5개의 구멍(50a∼50e)을 형성한다. 1개의 구멍(50a)은 전류 주입 영역의 중심 위치에 상당하는 상방의 다층 반사막 표면에 형성하고, 나머지 4개의 구멍(50b∼50e)은 전류 주입 영역의 코너부에 형성했다. 여기서는, 각 구멍(50a∼50e)의 직경은 약 0.5미크론으로 하고, 깊이는 상부 다층 반사막(22)에 이르는 깊이 약 0.5미크론으로 했다.
마지막으로, 도 3의 (d)에 나타낸 바와 같이, 기판 이면(裏面) 측에 Au-Ge/Ni/Au를 증착하고, 340℃의 질소 분위기 하에서 열처리를 10분간 행하며, 이것을 n측 전극(13)으로 하여 도 1에 나타낸 VCSEL이 완성되었다.
도 4의 (a)는 VCSEL을 상방에서 본 도면이다. 5개의 둥근 구멍(50a∼50e)을 형성함으로써, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 4개의 발광 스폿(60a∼60d)이 얻어진다. 도 4의 (c)는 도 4의 (a)의 VCSEL의 A-A선 단면도이다.
이렇게 하여 얻어진 VCSEL의 광출력-주입 전류(L-I) 특성 및 근시야상을 도 5에 나타낸다. 광출력은 실선, 직렬 저항은 1점쇄선, 인가 전압은 파선으로 각각 도시되어 있다. 모든 전류 주입 영역에서 안정된 LP21 모드의 발진이 얻어지고, 광출력은 최대 3.8㎽, 직렬 저항은 광출력 3㎽ 시에 80Ω으로 되었다.
도 6은 동일한 비산화 영역(34)의 직경을 갖고, 표면 가공을 행하지 않은 VCSEL(이하, 구멍을 갖지 않는 VCSEL이라고 함)과 표면 가공을 행하여 5개의 둥근 구멍(50a∼50e)을 형성한 VCSEL(이하, 구멍을 갖는 VCSEL이라고 함)에서 L-I 특성을 비교한 것이다. 표면 가공에 의해 공진기 손실이 증가하고, 임계값 전류가 상 승하는 동시에 광출력도 2/3 정도로 저하된다.
도 7은 구멍을 갖지 않는 VCSEL과 구멍을 갖는 VCSEL의 각각에 대하여 주입 전류 3㎃, 7㎃, 10㎃ 시의 발진 스펙트럼을 나타낸 것이다. 구멍을 갖지 않는 VCSEL에서는 주입 전류 3㎃에서 이미 LP01, LP11, LP21의 각 모드에 대응한 스펙트럼이 관찰되어, 멀티 모드 발진하고 있음을 확인할 수 있다. 이것에 대하여 구멍을 갖는 VCSEL에서는, 주입 전류 3㎃ 내지 10㎃의 사이에서 LP11과 LP21 모드 사이에서의 스펙트럼 강도비는 30㏈을 초과하고, LP21 모드에 의한 발진이 유지되고 있음을 알 수 있다.
이상 나타낸 예에서는 5개의 구멍을 형성하여 LP21 모드를 얻었지만, 그 이외에도 기판 표면의 가공 패턴을 변경함으로써 다른 고차 횡모드를 얻을 수 있다. 예를 들어 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 9개의 구멍(51a∼51i)을 형성함으로써, 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같은 발광 스폿(61a∼61h)으로 이루어지는 LP41 모드를 얻을 수도 있다.
도 1에 나타낸 VCSEL은 기판 위에 1개의 포스트부(발광부)가 형성된 싱글 스폿형 레이저이지만, 그 이외에도, 기판 위에 복수의 포스트부(발광부)가 형성된 멀티 스폿형 VCSEL 어레이로 하는 것도 가능하다. 광원에 높은 광출력을 요할 경우에는, 멀티 스폿형 VCSEL이 이용된다.
도 9는 멀티 스폿형 VCSEL 어레이를 구동하는 회로의 구성을 나타내는 도면 이다. 레이저 다이오드·드라이브(LDD)(200)는 입력된 구동 제어 신호에 응답하여 기판 위에 형성된 복수의 포스트부(202-1∼202-n)에 대하여 동일한 구동 신호(210)를 공급한다. 이 구동 신호(210)는 VCSEL의 p측 전극(11)과 n측 전극(13)에 공급된다. 각 포스트부(202-1∼202-n)는 동시에 구동되고, 포스트 정부의 전극 개구부(40)로부터 기판과 수직 방향으로 복수의 레이저광이 동시에 출사된다. LDD(200)의 구동 신호(210)는 광신호로 변환되고, 전체적으로 1개의 광신호로서 예를 들어 감광체 드럼면 위를 주사하거나 광섬유 등에 입사(入射)된다.
도 10은 VCSEL을 실장한 패키지의 구성을 나타내는 단면도이다. 패키지(300)는 단일 또는 복수의 VCSEL이 형성된 칩(310)을 도전성 접착제(320)를 통하여 원반(圓盤) 형상의 금속 스템(stem)(330) 위에 고정시킨다. 도전성 리드(340, 342)는 스템(330)에 형성된 관통 구멍(도시 생략) 내에 삽입되며, 한쪽 리드(340)는 칩(310)의 이면에 형성된 n측 전극에 전기적으로 접속되고, 다른쪽 리드(342)는 칩(310)의 표면에 형성된 p측 전극에 본딩 와이어 등을 통하여 전기적으로 접속된다.
칩(310)을 포함하는 스템(330) 위에 사각형 형상의 중공(中空) 캡(350)이 고정되고, 캡(350)의 중앙 개구 내에 볼 렌즈(360)가 고정된다. 볼 렌즈(360)의 광축(光軸)은 칩(310)의 어레이의 대략 중심과 일치하도록 위치 결정된다. 리드(340, 342) 사이에 순방향의 전압이 인가되면, 칩(310)의 포스트부로부터 레이저광이 출사된다. 칩(310)과 볼 렌즈(360)의 거리는 칩(310)으로부터의 레이저광의 방사 각도 θ 내에 볼 렌즈(360)가 포함되도록 조정된다. 또한, 캡 내에 VCSEL의 발광 상태를 모니터하기 위한 수광(受光) 소자를 포함시키도록 할 수도 있다.
도 10은 다른 패키지의 구성을 나타내는 도면이다. 도 10에 나타낸 패키지(302)는 볼 렌즈(360)를 이용하는 대신에, 캡(350)의 중앙 개구 내에 평판(平板) 유리(362)를 고정시킨다. 평판 유리(362)의 중심은 칩(310)의 대략 중심과 일치하도록 위치 결정된다. 칩(310)과 평판 유리(362)의 거리는 평판 유리(362)의 개구 직경이 칩(310)으로부터의 레이저광의 방사 각도 θ 이상으로 되도록 조정된다.
도 11은 전자 사진식 화상 형성 장치의 일부를 구성하는 주사형 노광 장치(400)의 구성을 나타내는 개략도이다. VCSEL 칩을 포함하는 VCSEL 패키지(300)는 하우징(housing)(도시 생략)에 고정되고, 구동 회로와 접속된다. VCSEL 칩으로부터 출사된 레이저광은 집광 광학계(410)를 통과하여 그 앞에 설치된 하프 미러(420)에 의해 분기(分岐)되고, 일부는 모니터용 포토다이오드(430)에, 나머지는 폴리곤 미러(440)에 유도된다. 모니터용 포토다이오드(430)는 출사광의 광출력 값을 검출하여 VCSEL의 발광 상태를 확인하기 위한 것이다.
폴리곤 미러(440)는 하부에 회전 모터(450)를 구비하여 매분(每分) 1만회를 초과하는 고속으로 회전하고, 레이저광을 fθ 렌즈(460), 반사 미러(470)를 통하여 원통형 감광체 드럼(480)의 표면 위에 유도한다. 통상의 렌즈의 왜곡 특성은 화상 높이를 y, 초점 거리를 f, 화상 각도를 θ로 하면 다음 식으로 표현된다.
[수식 1]
y = f·tanθ … 식 (1)
이것에 대하여, 왜곡 특성이 y=f·θ로 되도록 설계된 렌즈를 fθ 렌즈라고 한다. 폴리곤 미러에 의해 반사된 레이저광은 모터의 회전 수가 일정하면 등각도 운동을 하지만, 이 렌즈를 투과한 레이저광은 감광체 드럼면 위에서 주사 속도가 일정(등속도 운동)해지도록 변환된다.
감광체 드럼(480)에 유도된 레이저광에 의거하여 잠상(潛像)을 형성(노광 공정)한 후, 현상, 전사, 정착의 각 공정을 거쳐 전자 사진식의 복사기, 레이저 프린터가 실현된다.
구멍을 갖지 않는 대구경의 VCSEL을 이용한 경우, 멀티 모드 발진의 결과로써 주입 전류량의 변화와 함께 확산각이 크게 변화되는 것은 피할 수 없다. 그러나, 구멍을 갖는 VCSEL의 경우, 고차 횡모드의 발진이기는 하여도 특정 횡모드, 즉, 싱글 모드의 발진이 얻어지기 때문에, 멀티 모드 발진 시에 비하여 확산각의 변화는 적으며, 감광체 드럼면 위에서 광 스폿을 안정화시키고, 또한 충분히 작게 집광할 수 있게 된다.
또한, 실시예는 포스트 정부에 세공을 실시하고, 고차 모드이면서 싱글 모드의 VCSEL을 광원으로서 사용하는 예를 나타냈지만, 전극 개구부(40)의 표면을 가공하지 않은 구멍을 갖지 않는 대구경의 VCSEL을 광원으로서 이용하는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이 동작 범위는 좁지만, 포스트 정부에 세공을 실시하지 않은 통상의 대구경 VCSEL에서도 주입 전류 영역을 임계값 부근에 한정하면 변화가 작은 확산각을 얻을 수는 있다. VCSEL을 임계값 근방에서 구동함으로써, 레이저광에 0차 모드(기본 횡모드)만을 발생시키고, 멀티 모드의 단점인 구동 전류의 변화에 따라 확산각의 변화를 억제하면서, 멀티 모드의 장점인 높은 광출력을 얻을 수 있다. 이 경우, 상기한 LDD(200)에 의해 VCSEL의 구동 전류를 제어한다. 다만, 이 경우에 얻어지는 광출력의 범위도 한정적인 것으로 되어, 광강도 변조를 수반하는 용도에는 적합하지 않다.
상기 실시예는 예시적인 것이며, 이것에 의해 본 발명의 범위가 한정적으로 해석되어야만 하는 것이 아니라, 본 발명의 구성 요건을 만족하는 범위 내에서 다른 방법에 의해서도 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자를 이용한 광정보 처리 장치는 장치의 비용 저감에 기여한다.
본 발명의 광정보 처리 장치에 의하면, 전류 협착부의 개구부가 약 4미크론보다도 큰 VCSEL을 광원으로서 이용함으로써, 전류 협착부의 개구부 제조가 프로세스적으로 용이해지고, 웨이퍼마다의 개구부 편차를 저감하여 제조 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 개구부의 정전 내압이나 신뢰성이 향상되고, 더 나아가서는, 레이저 프린터 등의 광정보 처리 장치의 비용 저하로 이어진다. 또한, 개구부의 직경을 크게 함으로써, 싱글 모드 발진만이 얻어지는 소구경의 VCSEL보다도 높은 광출력을 얻을 수 있다.
일반적으로, 비산화 영역의 직경이 4미크론보다도 큰 선택 산화형 VCSEL에서는, 주입 전류량의 증가와 함께 고차 횡모드 발진을 발생시키고, 확산각이 증대된다. 이것은 고차 횡모드가 대부분의 경우 복수의 횡모드, 즉, 멀티 모드 발진으로 되는 것에 기인한다. 고차 횡모드는 차수(次數)가 높아질수록 확산각이 커지는 경 향이 있고, 멀티 모드 발진은 그의 중첩으로 되기 때문에, 외관상 확산각이 증대된다.
그런데, 비산화 영역의 직경이 4미크론보다 커도, 기판 표면의 레이저 출사 영역에 오목부 또는 홈을 형성함으로써, 고차 횡모드 발진이면서 멀티 모드 발진이 아니라, 특정 하나의 횡모드, 즉, 싱글 모드에서의 발진을 얻을 수 있다.
도 14의 (c)는, 고차 싱글 모드 발진을 발생시키는 VCSEL에 대해서 주입 전류량과 광출력(●로 나타냄), 및 확산각(▲로 나타냄) 관계를 나타낸 것이다. 비교를 위해 통상의 멀티 모드 VCSEL(도 14의 (b)), 및 싱글 모드 VCSEL(도 14의 (a))에서 얻어진 측정 결과도 나타냈다. 또한, 여기서, 멀티 모드 VCSEL에서의 비산화 영역의 직경은 고차 싱글 모드 VCSEL과 동일한 8미크론이고, 싱글 모드 VCSEL은 3미크론이다.
측정 결과로부터도 명확히 알 수 있듯이, 고차 싱글 모드 VCSEL의 확산각은 넓은 광출력 범위에서 안정되어 있으며, 그 변화의 비율은 싱글 모드 VCSEL과 동등해졌다. 예를 들어 도 14의 (c)에 있어서, 광출력이 개시될 때의 확산각은 약 20도이고, 광출력이 피크로 되는 약 5㎽일 때의 확산각은 약 21도이며, 그 변화량은 약 5% 이하이다. 또한, 개구 직경이 크기 때문에 확산각의 절대값은 싱글 모드 VCSEL보다도 오히려 작다. 따라서, 기본 횡모드 발진의 경우와 동일하게, 고차 횡모드 발진에서도 「작은 발광 스폿을 연결시키는」 것이 가능함을 알 수 있다.
이와 같이 고차 싱글 모드 소자를 이용하면, 감광체 드럼면 위에서 변화가 적은 발광 스폿을 용이하게 얻을 수 있기 때문에, 제조 수율 향상과 함께 특성 편 차가 작은 VCSEL이 간편하게 얻어지고, 저렴한 주사형 노광 장치를 실현할 수 있다.
또한, 상기 측정 결과로부터, 멀티 모드 VCSEL일지라도 주입 전류 영역을 임계값 근방에 한정하면 확산각의 변화는 작게 유지하는 것이 가능함을 알 수 있다. 따라서, 기판 표면에 세공을 실시하지 않아도 임계값 근방에서 상기 소자를 동작시킴으로써 단봉성(單峰性)의 발광 프로파일을 얻는 것도 가능하다. 이것은 멀티 모드 VCSEL의 주사형 노광 장치로의 적용 가능성을 나타내는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 VCSEL을 이용한 광정보 처리 장치에 의하면, 비산화 영역의 직경이 5미크론 이상, 보다 바람직하게는 8미크론 이상인 고차 싱글 모드 VCSEL, 또는 멀티 모드 VCSEL을 광원으로서 이용함으로써, 소자의 정전 내압 및 신뢰성이 비약적으로 개선되고, 또한 비산화 영역의 직경 편차에 의한 소자간의 특성 편차도 작은 광정보 처리 장치를 실현할 수 있어 비용 저감으로 이어진다.

Claims (10)

  1. 광원(光源)과, 광원으로부터의 광을 광정보 기록 매체에 집광(集光)하는 광학계와, 그 집광된 레이저광을 상기 광정보 기록 매체 위에서 주사(走査)하는 기구를 구비한 광정보 처리 장치에 있어서,
    상기 광원은 레이저광을 출사(出射)하는 적어도 하나의 면발광형 반도체 레이저 소자를 포함하며, 상기 적어도 하나의 면발광형 반도체 레이저 소자는 수직 공진기 구조를 구성하는 제 1 및 제 2 미러 사이에 활성 영역 및 전류 협착부(狹窄部)를 포함하고, 상기 전류 협착부에는 전류를 주입하기 위한 약 4미크론보다도 큰 개구부가 형성되어 있는 광정보 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 면발광형 반도체 레이저 소자가 배열된 어레이를 포함하는 광정보 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 협착부는 Al을 함유하는 반도체층을 포함하고, 개구부는 Al을 함유하는 반도체층을 선택적으로 산화시켜 이루어지는 영역에 의해 둘러싸여 있는 광정보 처리 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    면발광형 반도체 레이저 소자는 특정 하나의 횡모드를 포함하는 싱글 모드에서 동작되는 광정보 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    면발광형 반도체 레이저 소자는 고차(高次) 싱글 모드에서 동작되는 광정보 처리 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    면발광형 반도체 레이저 소자는 임계값 근방에서 동작되는 광정보 처리 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 미러는 Al을 함유하는 III-V족 화합물 반도체층을 포함하고, 활성 영역에서 발생되는 레이저광의 파장은 약 850㎚인 광정보 처리 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광원은 적어도 하나의 면발광형 반도체 레이저를 소자를 실장하는 패키지를 포함하는 광정보 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 패키지는 면발광형 반도체 레이저 소자로부터 출사된 광을 집광하는 렌즈를 포함하는 광정보 처리 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    광학계는 모터에 의해 회전되는 폴리곤 미러와 fθ 렌즈를 포함하며, 광원으로부터의 레이저광은 폴리곤 미러에서 반사되고, 그 반사광은 fθ 렌즈에 의해 감광체 드럼면 위를 주사하는 광정보 처리 장치.
KR1020060117740A 2005-12-22 2006-11-27 대구경 표면 발광형 반도체 레이저 소자를 이용한 광정보처리 장치 KR100866059B1 (ko)

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