KR20080076784A - Red surface emitting laser element, image forming device, and image display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 적색 면 발광 레이저 소자, 그리고, 해당 적색 면 발광 레이저 소자를 내장한 화상형성장치 및 화상표시장치에 관한 것이다.The present invention relates to a red surface emitting laser element, and an image forming apparatus and an image display apparatus incorporating the red surface emitting laser element.
A. 적색 면 발광 레이저 소자의 유용성A. Usefulness of Red Surface Emitting Laser Devices
면 발광 레이저 소자(특히, 수직 공진기형의 면 발광 레이저는 수직 공진기 면 발광 레이저(VCSEL: vertical cavity surfce emitting laser)라 칭해짐)는 반도체 기판의 면방향에 대해서 수직인 방향으로 광을 출력할 수 있는 동시에, 2차원 어레이로서 비교적 용이하게 형성될 수 있다.Surface-emitting laser elements (especially vertical cavity-type surface-emitting lasers (VCSELs) are used to output light in a direction perpendicular to the surface direction of a semiconductor substrate). At the same time, it can be formed relatively easily as a two-dimensional array.
상기 소자가 2차원 어레이로서 형성된 경우, 그로부터 방출되는 멀티 빔에 의해 병렬 처리가 실현되므로, 고밀도화 및 고속화를 달성하기 위해 이 2차원 어레이 기술의 다양한 산업상 이용에 대한 응용이 요망되고 있다.When the device is formed as a two-dimensional array, since parallel processing is realized by the multi-beams emitted therefrom, applications for various industrial uses of this two-dimensional array technology are desired to achieve high density and high speed.
예를 들어, 면 발광 레이저 어레이가 전자 사진 프린터의 노광 광원으로서 이용될 수 있다면, 멀티 빔에 의한 인자 공정의 병렬 처리에 의해 인쇄 속도가 증대될 수 있다.For example, if a surface emitting laser array can be used as an exposure light source of an electrophotographic printer, the printing speed can be increased by parallel processing of the printing process by the multi-beams.
현재 실용화되고 있는 면 발광 레이저는 적외 영역(파장 λ=0.75㎛ 내지 1㎛)의 레이저광을 출력하는 소자이다. 발진 파장이 더욱 단파장화되면, 빔 지름을 더욱 감소시킬 수 있어, 한층 더 고해상도의 화상을 얻을 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION A surface-emitting laser that is currently in practical use is an element that outputs laser light in an infrared region (wavelength lambda = 0.75 µm to 1 µm). If the oscillation wavelength is shorter, the beam diameter can be further reduced, and a higher resolution image can be obtained.
적색 면 발광 레이저는 적외 영역보다 짧은 파장(약 0.6㎛ 내지 약 0.73㎛)의 광을 출력한다. 게다가, 이 파장에서, 전자 사진 프린터의 감광 드럼에 적용될 수 있는 비정질(amorphous) 실리콘의 감도는 매우 높다.The red surface emitting laser outputs light of a wavelength shorter than the infrared region (about 0.6 mu m to about 0.73 mu m). In addition, at this wavelength, the sensitivity of amorphous silicon that can be applied to the photosensitive drum of an electrophotographic printer is very high.
따라서, 비정질 실리콘으로 이루어진 감광 드럼에 이용해서 고속, 고해상도의 화상 인쇄를 달성하기 위하여 이제는 적색 면 발광 레이저의 실용화가 요망되고 있다.Therefore, in order to achieve high-speed, high-resolution image printing using a photosensitive drum made of amorphous silicon, the practical use of a red surface emitting laser is now desired.
또, 이러한 단파장화에 의한 고해상도화와 멀티 빔 병렬처리의 조합으로 인한 효과는 상당히 크다. 이 조합은 전자 사진 프린터, 및 레이저 디스플레이 등의 화상표시장치를 비롯한 다양한 분야에 공헌할 것으로 기대된다.In addition, the effect due to the combination of high resolution and multi-beam parallel processing by such a short wavelength is very large. This combination is expected to contribute to various fields including electrophotographic printers and image display devices such as laser displays.
B. 적색 면 발광 레이저의 기본 구성B. Basic Configuration of Red Surface Emitting Laser
적색 영역의 파장을 가지는 광을 발생시키기 위해서, 전형적으로 반도체 재료인 AlGaInP가 이용되고 있다. 이 재료의 격자는 퇴적 기판을 구성하는 재료인 GaAs의 격자와 정합하며, 그 밴드갭 에너지는 알루미늄과 갈륨의 조성비를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.In order to generate light having a wavelength in the red region, AlGaInP, which is a semiconductor material, is typically used. The lattice of this material matches the lattice of GaAs, the material constituting the deposition substrate, and its bandgap energy can be controlled by varying the composition ratio of aluminum and gallium.
레이저 발진을 일으키기 위해서는, 레이저 소자에 역치 전류 또는 그 이상을 주입할 필요가 있다. 전류의 주입으로 인해, 전자나 정공 등의 캐리어가 활성층에 주입될 수 있고, 이 캐리어는 결국 발광 재결합(radiative recombination)함에 따 라 광으로 변환된다.In order to cause laser oscillation, it is necessary to inject a threshold current or more into the laser element. Due to the injection of electric current, carriers such as electrons or holes can be injected into the active layer, which is eventually converted into light upon radiative recombination.
C. 선행 기술의 C. Of Prior Art 구체예Embodiment
적색 면 발광 레이저는, AlGaInP 활성층을 포함하는 공진기 영역을, 다른 반도체 재료인 AlGaAs로 이루어진 다층막 반사경 사이에 삽입함으로써 형성된다. 기판으로서는, 상기 활성층과 다층막 반사경의 격자와 각각 격자 정합하는 GaAs 기판이 이용되고 있다.The red surface emitting laser is formed by inserting a resonator region including an AlGaInP active layer between the multilayer film reflectors made of AlGaAs, which is another semiconductor material. As the substrate, a GaAs substrate is lattice matched with the lattice of the active layer and the multilayer film reflector, respectively.
1995년에 샌디아 국립 연구소의 크로포드(Crawford)가 이끄는 그룹은 1파장 공진기 구조의 소자 구성을 발표한 바 있다(문헌[M. H. Crawford et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 7, No. 7 (1995), 724] 참조, 이하 "크로포드 문헌"이라 칭함).In 1995, a group led by Crawford of the Sandia National Laboratory, published a device configuration of a one-wavelength resonator structure (MH Crawford et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 7, No. 7). 1995), 724, hereinafter referred to as the Crawford literature.
이 1파장 공진기 구조는 적외 발광을 출력하는 면 발광 레이저에 있어서 가장 널리 이용되고 있는 공진기 길이를 가진다. 적색 면 발광 레이저에 있어서, 1 파장 공진기 길이는 층 두께로 환산해서 약 200 ㎚(파장 680 ㎚인 경우)이다.This one-wavelength resonator structure has a resonator length which is most widely used in surface emitting lasers that output infrared light. In the red surface emitting laser, the length of one wavelength resonator is about 200 nm (when the wavelength is 680 nm) in terms of layer thickness.
특히, 40 ㎚ 내지 50 ㎚ 두께의 다중 양자 우물 구조를 가진 활성층은 1파장 공진기 길이의 중앙 영역에 배치된다. 그리고, 그 활성층의 양쪽에는 각각 스페이서 층으로서 기능하는 동시에 두께가 80 ㎚ 이하인 p형 AlGaInP 층과 n형 AlGaInP 층이 배치된다.In particular, an active layer having a multi-quantum well structure of 40 nm to 50 nm thick is disposed in the central region of one wavelength resonator length. On both sides of the active layer, a p-type AlGaInP layer and an n-type AlGaInP layer each having a thickness of 80 nm or less are disposed as a spacer layer.
어떤 경우에는, 상기 활성층과 도핑된 p형(혹은 n형) 스페이서 층 사이에 비도핑된(undoped) 스페이서 층이 배치된다. 이러한 경우에는, 해당 p형(혹은 n형) AlGaInP 스페이서 층의 두께는 약 50 ㎚이다.In some cases, an undoped spacer layer is disposed between the active layer and the doped p-type (or n-type) spacer layer. In this case, the thickness of the p-type (or n-type) AlGaInP spacer layer is about 50 nm.
상기 크로포드 문헌에서는, p형 또는 n형 AlGaInP 층의 두께는 약 50 ㎚이다.In the Crawford literature, the thickness of the p-type or n-type AlGaInP layer is about 50 nm.
상기 크로포드 문헌에서는 또한 675 ㎚ 모드에서의 최대 발광 강도가 15㎛ φ 옥사이드 개구를 가진 소자로부터 2.8 mW(20℃)인 것을 교시하고 있다.The Crawford literature also teaches that the maximum luminous intensity in the 675 nm mode is 2.8 mW (20 ° C.) from devices with 15 μm phi oxide openings.
적색 면 발광 레이저 소자를 전자 사진용의 광원으로서 이용할 경우에는, 고온에서의 높은 동작 특성을 필요로 한다When using a red surface emitting laser element as a light source for electrophotography, high operating characteristics at high temperature are required.
그러나, 상기 크로포드 문헌에는, 그의 소자 구성에 의하면, 환경 온도가 20 ℃에서 40℃로 상승하면, 최대 발광 강도가 현저하게 감소되는 것이 개시되어 있다. 특히, 675 ㎚ 모드에서는, 그 최대 발광 강도는 약 1.0 mW까지 저하된다(40% 미만까지 출력 저하).However, the Crawford document discloses that, according to its element configuration, when the environmental temperature rises from 20 ° C to 40 ° C, the maximum luminescence intensity is significantly reduced. In particular, in the 675 nm mode, its maximum luminous intensity is reduced to about 1.0 mW (output drop to less than 40%).
또, 본 발명자들은, 환경 온도가 20℃이더라도, 출력 동작을 증대시키는 것을 목적으로 해서 전류 주입량을 증가시킨 경우, 그 전류 주입량 증가에 따라서 소자의 내부 온도가 20℃ 이상으로 증가하는 것을 발견하였다. 이러한 경우, 전류 주입량의 증가에 따라서 발광 강도가 증가하지 않거나, 또 저하될 수 있으므로, 최대 발광 강도가 제한되게 된다.Further, the present inventors found that even if the environmental temperature is 20 ° C, when the current injection amount is increased for the purpose of increasing the output operation, the internal temperature of the element increases to 20 ° C or more as the current injection amount is increased. In this case, the light emission intensity may not increase or decrease with increasing current injection amount, so that the maximum light emission intensity is limited.
이러한 발광 강도의 저하는 발광에 기여하지 않는 누설 전류가 온도 상승에 수반해서 상당히 증가하기 때문에 일어나는 것으로 여겨진다.This decrease in luminescence intensity is believed to occur because leakage current that does not contribute to luminescence increases considerably with temperature rise.
따라서, 누설 전류량을 저감할 수 있는 신규의 적색 면 발광 레이저 소자 및 그러한 적색 면 발광 레이저 소자를 내장한 화상형성장치나 화상표시장치가 요망되고 있다.Therefore, there is a need for a novel red surface emitting laser element capable of reducing the amount of leakage current, and an image forming apparatus or image display apparatus incorporating such a red surface emitting laser element.
본 발명의 제1측면은 제1반사경; p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 있고, 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 반도체 스페이서 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자를 제공한다.A first aspect of the invention is a first reflector; a second reflector including a p-type semiconductor multilayer film; An active layer between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror; And a p-type semiconductor spacer layer between the active layer and the second reflecting mirror and having a thickness of 100 nm or more and 350 nm or less.
본 발명의 제2측면은 제1반사경; p형 AlGaAs반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 AlInP 반도체 스페이서 층 또는 p형 AlGaInP 반도체 스페이서 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 적색 면 발광 레이저 소자를 제공한다.The second aspect of the invention is a first reflecting mirror; a second reflecting mirror comprising a p-type AlGaAs semiconductor multilayer film; An active layer between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror; And a p-type AlInP semiconductor spacer layer or a p-type AlGaInP semiconductor spacer layer having a thickness of 100 nm or more and 350 nm or less between the active layer and the second reflecting mirror.
본 발명의 제3측면은 제1반사경; p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경; 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 있는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 있는 p형 반도체 스페이서 층을 포함하는 적색 면 발광 레이저 소자를 제공한다. 이 적색 면 발광 레이저 소자에 있어서, 상기 p형 반도체 다층막의 X점에서의 전도대 단부(conduction band edge)는 상기 p형 반도체 스페이서 층의 X점에서의 전도대 단부보다 낮고, 또한 상기 p형 반도체 스페이서 층의 두께는 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하이다.A third aspect of the invention the first reflecting mirror; a second reflector including a p-type semiconductor multilayer film; An active layer between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror; And a p-type semiconductor spacer layer between the active layer and the second reflector. In this red surface emitting laser element, the conduction band edge at the point of the p-type semiconductor multilayer film is lower than the conduction band end at the point of the p-type semiconductor spacer layer, and the p-type semiconductor spacer layer The thickness of is 100 nm or more and 350 nm or less.
또, 화상형성장치 및 화상표시장치도 제공된다. 이들 각각은 전술한 어느 하나의 적색 면 발광 레이저 소자와 해당 레이저 소자로부터 출력되는 레이저광을 편향시켜 주사를 행하기 위한 편향기를 포함한다.In addition, an image forming apparatus and an image display apparatus are also provided. Each of these includes a red surface emitting laser element as described above and a deflector for scanning by deflecting the laser light output from the laser element.
본 발명에 의하면, 누설 전류량이 저감된 신규의 적색 면 발광 레이저 소자 및 그러한 적색 면 발광 레이저 소자를 포함하는 화상형성장치 및 화상표시장치가 제공된다.According to the present invention, there is provided a novel red surface emitting laser element having a reduced amount of leakage current, and an image forming apparatus and an image display apparatus including such a red surface emitting laser element.
본 발명의 또 다른 특징은 첨부 도면을 참조한 실시형태예의 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.Further features of the present invention will become apparent from the following description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
전술한 바와 같이, 크로포드 문헌에 기재된 구조를 가진 적색 면 발광 레이저 소자에서는 고온에서의 동작 특성이 현저하게 열화된다.As described above, in the red surface emitting laser element having the structure described in Crawford's literature, the operating characteristics at high temperatures are significantly deteriorated.
본 발명자들은 열로 인해 누설 전류량이 급격하게 증가하고, 그러한 누설 전류량의 급격한 증가로 인해 발광 효율의 대폭적인 강하(drop)를 초래하는 것이 그 원인인 것으로 가정하였다.The present inventors have assumed that the cause is that the leakage current amount increases sharply due to heat, and that the sudden increase in the leakage current amount causes a significant drop in luminous efficiency.
도 6은 크로포드 문헌과 마찬가지로 적색 VCSEL에 관한 논문인 문헌[R. P. Schneider et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 6, No. 3 (1994) 313](이하, 이것은 "쉬나이더 문헌"이라 칭함)에 기재된 밴드 다이어그램이다.FIG. 6 is a paper on red VCSEL as in Crawford literature [R. P. Schneider et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 6, No. 3 (1994) 313 (hereinafter referred to as "Schneider Literature").
특히, 도 6은 활성층, AlInP 스페이서 층(이 스페이서 층은 "클래드층"으로 표기할 경우도 있다) 및 반사경으로서 기능하는 반도체 다층막으로 구성된 DBR(distributed Bragg reflector) 영역(AlAs/Al0 .5Ga0 .5As 다층막)의 밴드 다이어그램을 나타내고 있다. DBR은 공진기의 반사경으로서 이용된다.In particular, Figure 6 is an active layer, AlInP spacer layers (the spacer layers are sometimes also denoted as "cladding layer") and composed of semiconductor multilayer film that functions as a reflector DBR (distributed Bragg reflector) region (AlAs / Al 0 .5 Ga .5 shows the band diagram of the multi-layer film As). DBR is used as a reflector of a resonator.
도 6은 DBR 영역의 구성요소의 전도대의 단부(도 6의 CB측)가 스페이서 층을 구성하는 AlInP의 밴드 단부보다 높은 것을 나타내고 있다.FIG. 6 shows that the end of the conduction band (CB side of FIG. 6) of the component of the DBR region is higher than the band end of AlInP constituting the spacer layer.
즉, 이 다이어그램은 활성층과 AlInP 스페이서 층 사이의 헤테로 배리어를 넘친 전자가 AlInP 층의 두께 이상으로 확산되기 어려운 것을 나타내고 있다.That is, this diagram shows that electrons overflowing the hetero barrier between the active layer and the AlInP spacer layer are difficult to diffuse beyond the thickness of the AlInP layer.
한편, 상기 크로포드 문헌에 개시된 소자 구조는, 활성층, 해당 활성층에 인접한 p형 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 스페이서 층 및 34쌍의 층을 포함하는 다층막 반사경을 포함하되, 각 쌍은 약 50 ㎚ 두께의 p형 AlAs 층과 약 50 ㎚ 두께의 p형 Al0 .5Ga0 .5As 층을 포함하고 있다.On the other hand, the element structure disclosed in the Crawford reference, the reflector comprising a multilayer film including an active layer, p-type Al 0 .25 Ga 0 adjacent to the active layer In 0 .25 .5 P spacer layer, and 34 pairs of layers, each pair is a p-type AlAs layer about 50 ㎚ thickness of about 50 and p-type Al ㎚ thickness 0 .5 0 .5 includes a Ga as layer.
이 경우, p형 AlInP 스페이서 층과 p형 DBR층의 두께의 합계인 p형 층의 두께는 3㎛ 이상이다.In this case, the thickness of the p-type layer which is the sum of the thicknesses of the p-type AlInP spacer layer and the p-type DBR layer is 3 µm or more.
이상 설명한 바와 같이, p형 스페이서 층보다 전도대 단부가 높은 p형 DBR 영역이 충분히 두꺼운 경우, n형 반도체층으로부터 활성층으로 주입되는 전자가 해당 활성층에 인접한 p형 스페이서 층을 넘쳐서 누설 전류로 될 확률은 극히 작게 될 수 있다.As described above, when the p-type DBR region having a higher conduction band end than the p-type spacer layer is sufficiently thick, the probability that electrons injected from the n-type semiconductor layer into the active layer overflows the p-type spacer layer adjacent to the active layer and becomes a leakage current. Can be extremely small.
이것은, 스페이서 층에 있어서, 활성층으로부터 넘친 전자의 농도 구배가 p형 DBR 영역이 제공되지 않는 경우보다 더욱 완만하게 되는 것을 의미한다.This means that in the spacer layer, the concentration gradient of electrons overflowing from the active layer becomes more gentle than when no p-type DBR region is provided.
누설에 관련된 확산 전류의 크기는 전자 농도 구배에 의존한다. 따라서, 도 6에 나타낸 밴드 다이어그램은 스페이서 층을 넘은 전자에 의해 발생된 누설 전류의 확산 전류 성분의 양이 상당히 적을 필요가 있는 것을 나타낸다.The magnitude of the diffusion current related to leakage depends on the electron concentration gradient. Thus, the band diagram shown in FIG. 6 shows that the amount of diffusion current component of the leakage current generated by the electrons beyond the spacer layer needs to be quite small.
그러나, 상기 설명한 바와 같이, 적색 면 발광 레이저 소자는 온도 특성이 나쁘다.However, as described above, the red surface emitting laser device has poor temperature characteristics.
적색 면 발광 레이저 소자에 있어서는, 상하의 다층막 반사경 사이에 삽입된 공진기 영역은 통상 AlGaInP로 구성되어 있는 한편, 다층막 반사경은 통상 AlGaAs로 구성된다. 즉, 공진기 영역은 다층막 반사경 영역과는 다른 재료로 구성되어 있다.In the red surface emitting laser element, the resonator region inserted between the upper and lower multilayer film reflectors is usually made of AlGaInP, while the multilayer film reflector is usually made of AlGaAs. That is, the resonator region is made of a material different from that of the multilayer film reflector region.
적색 면 발광 레이저 소자에 있어서는, p형 층으로서 p형 반도체 스페이서 층(예를 들어, p형 AlGaInP 스페이서 층)과 p형 DBR 영역(예를 들어, AlGaAs 층)의 양쪽 모두가 구비되어 있다. 이 독특한 구조는 모든 층이 AlGaAs계 재료로 구성된 적외 면 발광 레이저에서는 발견되지 않는다.In the red surface emitting laser device, both the p-type semiconductor spacer layer (for example, p-type AlGaInP spacer layer) and the p-type DBR region (for example, AlGaAs layer) are provided as the p-type layer. This unique structure is not found in infrared surface emitting lasers in which all layers are made of AlGaAs-based materials.
즉, 동일한 도전형을 가지는 상이한 재료로 구성된 다층 구조를 포함하는 디바이스에 있어서 누설 전류에 대한 영향을 분석하기 위해서는, 전자가 영향받는 전위인 전도대 단부의 위치를 상세하게 분석할 필요가 있다.That is, in order to analyze the influence on the leakage current in a device including a multilayer structure composed of different materials having the same conductivity type, it is necessary to analyze in detail the position of the end of the conduction band, which is the potential at which electrons are affected.
따라서, 적색 면 발광 레이저 소자의 p형 스페이서 층과 p형 DBR 영역의 구성층에 대해서 이하의 두 인자를 동시에 고려함으로써 전자의 전위를 검토하고 있다:Therefore, the potential of electrons is examined by simultaneously considering the following two factors for the p-type spacer layer and the constituent layer of the p-type DBR region of the red surface emitting laser device:
[1] 이들 p형 층에는 p형 불순물이 도핑되어 있기 때문에, 각 층의 페르미 준위는 대략 가전자대(valence band)의 밴드 단부에 위치되어 있는 점;[1] Since these p-type layers are doped with p-type impurities, the Fermi level of each layer is located approximately at the band end of the valence band;
[2] p형 반도체 스페이서 층으로서 사용되는 AlxGa1 - xIn0 .5P(0.25≤x≤0.55, 특히 0.35≤x≤0.5인 영역)와, DBR 영역을 구성하는 AlyGa1 - yAs(0.4≤y≤1)는 직접 천이형의 반도체는 아니고 간접 천이형의 반도체이며, 그 전도대에서의 밴드 단부 는 Γ점이 아니고 X점인 점. 단, Γ점은 전도대 단부의 바닥이 직접 천이형 반도체에 놓여 있는 것으로 여겨지는 영역이다.[2] p-type Al x Ga 1 is used as the semiconductor spacer layer - x In 0 .5 P (0.25≤x≤0.55 , especially 0.35≤x≤0.5-in area), and, Al y Ga 1 constituting the DBR region, y As (0.4 ≦ y ≦ 1) is not a direct transition type semiconductor but an indirect transition type semiconductor, and the band end portion of the conduction band is not a Γ point but an X point. However, the Γ point is an area where the bottom of the conduction band end is considered to lie directly in the transition type semiconductor.
상기 [1] 및 [2]의 두 점에 의거해서, 전자의 전위, 즉, 전도대에 있어서의 X점의 밴드 단부 라인 업은 도 1에 나타낸 실선(1010)으로서 나타난다. 도 1에 있어서, 가로축은 소자의 두께를 나타내고, 세로축은 GaAs에 대한 밴드 오프셋량을 나타낸다. 플러스측 영역이 전도대 쪽이고, 마이너스측 영역이 가전자대 쪽이다.Based on the two points [1] and [2], the band end lineup at the potential of the electron, that is, the X point in the conduction band, is shown as the
도 1에 있어서, (1050)은 p형 반도체 스페이서 층을 나타내고, (1060)은 p형 DBR 영역의 1쌍의 층만을 나타낸다(실제의 소자에서는 복수의 쌍이 구비되어 있다). 또, 도 1에서는, p형 반도체 스페이서 층(1050)이 p형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P로 구성되고, p형 DBR 영역(1060)이 p형 Al0 .9Ga0 .1As 층과 p형 Al0 .5Ga0 .5As 층을 쌍으로서 포함할 경우의 밴드 구조를 예시하고 있다.In Fig. 1,
비교 목적을 위해서, 상기 도 1의 그래프에서는 Γ점에서의 전도대의 밴드 단부(1020), 가전자대의 밴드 단부의 라인 업(1090) 및 의사 페르미 준위(1092), (1093)가 포함되어 있다. 또, 간단하게 하기 위해서, 도 1에서는 밴드 단부 에너지의 불연속에 기인하는 스파이크나 노치 등은 나타내지 않았다. p형 층이 검토되고 있기 때문에, p형 불순물이 도핑된 층의 밴드 라인업은 가전자대 근방에 존재하는 페르미 준위가 동일하도록 결정된다.For comparison purposes, the graph of FIG. 1 includes the
또, p형 DBR 영역(1060)(p형 반도체 다층막 영역)을 구성하는 Al0 .9Ga0 .1As에 있어서는, X점(도 1의 (1010))에서의 밴드 단부가 Γ점에서의 것보다 상당히 낮다. 특히, p형 AlGaInP 스페이서 층에 인접하는 p형 Al0 .9Ga0 .1As의 전도대의 밴드 단부 전위가 약 200 meV만큼 강하된다.Further, in the in the Al 0 .9 Ga 0 .1 As constituting the p-type DBR region (1060) (p-type semiconductor multilayer film region), X point ((1010 in Fig. 1)), the band ends are at Γ points Is significantly lower than that. In particular, the band edge potential of the conduction band of the p-type Al 0 .9 Ga 0 .1 As adjacent to the p-type AlGaInP spacer layer is stronger by about 200 meV.
즉, 쉬나이더 문헌에 개시된 밴드 다이어그램(도 6)과는 다른 밴드 다이어그램을 구축할 수 있다.That is, a band diagram different from the band diagram (Fig. 6) disclosed in the Schneider literature can be constructed.
이 새롭게 구축한 상기 밴드 다이어그램에 의거해서, 재차 누설 전류에 관해서 다음과 같이 검토할 수 있다.Based on this newly constructed band diagram, the leakage current can be examined again as follows.
전자는 활성층(1070)과 p형 반도체 스페이서 층(1050)의 밴드 단부 간의 차이인 헤테로 갭을 넘어, 이 p형 반도체 스페이서 층(1050)에 존재한다. 이러한 전자의 농도는 실제로는 인접한 p형 DBR 영역(1060)의 구성요소인 Al0 .9Ga0 .1As의 전도대 단부의 전위 강하에 의해 영향받는다. 도 1에 있어서의 비도핑된 배리어 층(1075)은 필요에 따라 설치된다.Electrons are present in this p-type
그 때문에, p형 반도체 스페이서 층(1050)과 p형 Al0 .9Ga0 .1As(1061) 간의 계면 부근의 거의 모든 전자는 해당 p형 Al0 .9Ga0 .1As 쪽으로 떨어지고, p형 반도체 스페이서 층 내부와 동일한 에너지를 가지는 전자는 그 계면 근방에 거의 존재하지 않는 것으로 여겨진다.Therefore, p-type
즉, p형 반도체 스페이서 층(1050)에 있어서의 전자 농도 구배는 매우 크고, 그 확산 전류 성분은 매우 큰 값을 취할 수 있다.In other words, the electron concentration gradient in the p-type
따라서, p형 DBR 영역(1060)은 p형 반도체 스페이서 층(1050)을 넘어 누설된 캐리어 전자에 대해서 실제로 배리어로서 기능하지 못한다.Thus, the p-
즉, p형 반도체 스페이서 층을 넘은 누설 전류를 억제하는 데 기여하는 p형 층의 유효 두께는 스페이서 층과 p형 DBR 영역의 합계 두께가 아니고, p형 반도체 스페이서 층 단독의 두께이다.That is, the effective thickness of the p-type layer that contributes to suppressing leakage current beyond the p-type semiconductor spacer layer is not the total thickness of the spacer layer and the p-type DBR region, but the thickness of the p-type semiconductor spacer layer alone.
이 새로운 지견에 근거해서 누설 전류를 검토하기 위해서, 하기 수식 1에 의해 누설 전류를 계산하였다.In order to examine leakage current based on this new knowledge, the leakage current was computed by following formula (1).
또, 누설 전류 밀도(Jleak)는 활성층으로부터 p형 반도체 스페이서 층으로 누설된 전자의 확산 성분과 드리프트 성분에 의거해서 다음 수식 1에 의해 부여된다(문헌[D. Bour et al., Journal of Quantum Electronics, Vol. 29, No. 5 (1993) 1337] 참조):The leakage current density J leak is given by the following
[수식 1][Equation 1]
여기서, q는 전하량, Dn은 전자의 확산 상수, mn은 전자의 유효 질량, k는 볼츠만 상수, h는 플랑크 상수(Plank's constant), T는 온도, ΔE는 헤테로 배리어, Ln은 전자의 확산 길이, Z는 실효 전계 길이, σp는 p형 스페이서 층의 도전율, Jtotal은 전체 주입 전류 밀도, xp는 p형 클래드층의 두께이다.Where q is the charge amount, D n is the diffusion constant of the electron, m n is the effective mass of the electron, k is the Boltzmann constant, h is Plank's constant, T is the temperature, ΔE is the hetero barrier, and L n is the electron The diffusion length, Z is the effective electric field length, σ p is the conductivity of the p-type spacer layer, J total is the total injection current density, and x p is the thickness of the p-type cladding layer.
도 2A는 상기 수식 1에 의해 계산된 규격화 누설 전류(실선(2091))를 나타내 고 있다. 가로축은 p형 반도체 스페이서 층의 두께를 나타내고, 세로축은 규격화된 누설 전류를 나타낸다. 또, 스페이서 층은 AlGaInP(예를 들어, Al0 .5In0 .5P 또는 Al0.35Ga0.15In0.5P)로 이루어진 것으로 가정하고 있다.2A shows the normalized leakage current (solid line 2091) calculated by
상기 그래프는 p형 반도체 스페이서 층의 두께가 약 80 ㎚ 이하인 영역에서 누설 전류(특히, 확산 전류 성분)가 급격하게 증가하는 것을 명확하게 도시하고 있다. 이 영역에서는, 발광 효율이 낮아지고, 고온 동작 특성이 열등해져서, 전체 출력 동작을 얻는 것이 곤란해지는 것으로 추측될 수 있다.The graph clearly shows that the leakage current (particularly the diffusion current component) increases rapidly in the region where the thickness of the p-type semiconductor spacer layer is about 80 nm or less. In this region, it can be assumed that the luminous efficiency is lowered, the high temperature operating characteristics are inferior, and it is difficult to obtain the entire output operation.
크로포드 문헌에 개시된 p형 반도체 스페이서 층의 두께는 "50 ㎚"이다. 상기 지견은, 이 두께에 의해, 얻어지는 구성은 누설 전류를 억제하는 데 유리하지 않은 것을 알 수 있다.The thickness of the p-type semiconductor spacer layer disclosed in Crawford literature is "50 nm". The above findings show that the resulting structure is not advantageous in suppressing leakage current.
즉, 적색 면 발광 레이저에 전형적으로 사용되고 있는 p형 AlGaInP 스페이서 층의 두께는 약 50 ㎚이지만, 본 발명자들의 지견에 의하면, 향상된 고온 동작 특성을 달성하기 위해서는, 이 p형 스페이서 층의 두께를 증가시킬 필요가 있는 것을 나타내고 있다.That is, the thickness of the p-type AlGaInP spacer layer typically used in red surface emitting lasers is about 50 nm, but according to the inventors' findings, in order to achieve improved high temperature operating characteristics, the thickness of this p-type spacer layer may be increased. It shows that it is necessary.
제1실시형태(적색 면 발광 레이저 소자)First Embodiment (Red Surface Emitting Laser Device)
이하, 본 제1실시형태에 따른 다층막을 포함하는 적색 면 발광 레이저 소자에 대해서 도 3을 참조해서 설명한다.Hereinafter, the red surface emitting laser element containing the multilayer film which concerns on this 1st Embodiment is demonstrated with reference to FIG.
레이저 소자(3000)는 제1반사경(302), p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308) 및 상기 제1반사경(302)과 상기 제2반사경(308) 사이에 삽입된 활성 층(305)을 포함한다. 또, 상기 레이저 소자(3000)는 활성층(305)과 상기 제2반사경(308) 사이에 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 반도체 스페이서 층(307)을 또 포함한다.The
이하, p형 반도체 스페이서 층의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 하는 이유에 대해 설명한다. 단, "두께"는 적층 방향의 길이를 의미한다.The reason why the thickness of the p-type semiconductor spacer layer is 100 nm or more and 350 nm or less is described below. However, "thickness" means the length of a lamination direction.
도 2A에 있어서의 점선(2095)은 p형 반도체 스페이서 층의 두께에 대해서, 규격화 누설 전류가 현저하게 증가하는 영역에 있어서 그 규격화 누설 전류의 변화의 정도(기울기)를 찾아내기 위해서 그린 것이다.The dotted
이 그래프는, p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께가 매우 기울기가 큰 영역(2591) 밖에 있어야만 하고, 또한 스페이서 층을 구성하는 재료의 조성비에 따라 다소 변동할 수도 있으므로 100 ㎚ 이상일 필요가 있는 것을 나타내고 있다.This graph indicates that the thickness of the p-type
이에 대해서, 점선(2096)은 p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께에 대해서, 규격화 누설 전류의 변화가 매우 완만한 영역에 있어서 그 규격화 누설 전류의 변화의 정도(기울기)를 찾아내기 위해서 그린 것이다. 이 점선(2096)에 의하면, p형 스페이서 층의 두께가 350 ㎚를 넘는 영역에서는, 스페이서 층의 두께의 변화는 누설 전류에 실질적으로 영향을 주지 않는 것을 명백히 알 수 있다.On the other hand, the dotted
이제, 도 2B를 참조하면, 실선(2091)은, p형 스페이서 층의 두께에 대해서 플롯된 공진기 내부에서의 손실의 변화를 나타낸 것이다. 이 그래프에서는 반사경에 의해 초래된 손실은 고려하지 않고, p형 스페이서 층 및 p형 DBR층에서 자유 캐리어의 흡수에 의해 초래된 손실만을 고려하여, 그것을 공진기 길이 전체에 걸쳐 분배하고 있다. 도 2B에 의하면, p형 스페이서 층의 두께에 따라 공진기 내부에서의 손실이 증가하는 것을 명백히 알 수 있다. 이 점에 있어서, 스페이서 층의 두께는 가능한 한 얇은 것이 좋다. 또, 상기 그래프에 의하면, p형 반도체 스페이서 층의 두께가 350 ㎚인 경우에도, 공진기 내부에서의 손실의 증대는 20% 이하인 것을 알 수 있다(350 ㎚에 있어서의 공진기내 손실이 12.5㎝-1, 50 ㎚에 있어서의 공진기내 손실이 10.5㎝-1인 것으로 가정해서 산출했다).Referring now to FIG. 2B, the
이와 같이 해서, p형 반도체 스페이서 층의 두께는 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 할 수 있다.In this manner, the thickness of the p-type semiconductor spacer layer can be 100 nm or more and 350 nm or less.
p형 반도체 스페이서 층에 관한 이상의 설명에서는, 그 구체적인 조성비의 설명은 생략하였다.In the above description about the p-type semiconductor spacer layer, the description of the specific composition ratio is omitted.
단, 도 2A 및 도 2B에 있어서, 규격화 누설 전류는 상기 수식 1 중의 다음과 같은 부분(수식 2)에 의거하는 한편 그 이외의 나머지 부분은 같은 것으로 가정하여 계산하고 있는 것에 주의할 필요가 있다:It should be noted, however, that in Figs. 2A and 2B, the normalized leakage current is calculated based on the following portion of Equation 1 (Equation 2) while the remaining portions are assumed to be the same:
[수식 2][Formula 2]
상기 계산에 있어서, p형 층의 두께를, p형 AlGaInP 스페이서 층의 두께(xp = 40 내지 700 ㎚)인 것으로 가정하고 있다. 또한, p형 불순물의 도핑 수준을 1×1018㎝-3, 전자의 확산 길이를 1㎛, 전체 주입 전류 밀도 Jtotal을 3 kA/㎠인 것으로 가정하고 있다. 또, 스페이서 층에 대해서 누설 전류를 규격화하기 위해서, 온도 T의 값은 계산에서는 고려하고 있지 않다. 또, 내부 광흡수에 관해서는, 다층막 반사경(p형 DBR 영역)을 포함하는 소자 전체의 자유 캐리어 흡수를 계산하고 있다.In the above calculation, the thickness of the p-type layer is assumed to be the thickness (x p = 40 to 700 nm) of the p-type AlGaInP spacer layer. In addition, it is assumed that the doping level of the p-type impurity is 1 × 10 18 cm −3 , the electron diffusion length is 1 μm, and the total injection current density J total is 3 kA / cm 2. In addition, in order to normalize the leakage current with respect to a spacer layer, the value of temperature T is not considered in calculation. Regarding the internal light absorption, the free carrier absorption of the entire element including the multilayer film reflector (p-type DBR region) is calculated.
이하에, p형 반도체 스페이서 층과 p형 반도체 다층막(p형 DBR 영역)에 관해서 상세히 설명한다.The p-type semiconductor spacer layer and the p-type semiconductor multilayer film (p-type DBR region) will be described in detail below.
p형 반도체 스페이서 층(307)의 X점에서의 전도대의 밴드 단부가 p형 DBR 영역(도 1의 (1060) 및 도 3의 (308))의 반복 단위를 구성하는 2층 중, X점에서의 전도대 단부가 높은 층의 밴드 에지보다 높게 되도록 재료를 선택한다. 즉, 상기 p형 DBR 영역에서의 X점에 있어서의 전도대 단부는 상기 p형 반도체 스페이서 층의 전도대 단부보다 낮아지도록 재료를 선택한다.The band end of the conduction band at the point X of the p-type
또, 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)은 알루미늄, 인듐 및 인을 함유하는 층으로부터 구성될 수 있다.In addition, the p-type
p형 반도체 스페이서 층(307)의 조성이 AlxGayIn1 -x- yP인 경우, x 및 y의 범위는 다음과 같이 할 수 있다.When the composition of the p-type
우선, AlxGayIn1 -x- yP와 GaAs간의 격가 정합을 달성하기 위해서, 인듐의 비율 (상기 조성식에서의 "1-x-y")은 0.45 내지 0.55, 바람직하게는 0.48 내지 0.50이면 된다.First, in order to achieve a price matching between Al x Ga y In 1 -x- y P and GaAs, the ratio of indium ("1-xy" in the above formula) should be 0.45 to 0.55, preferably 0.48 to 0.50. .
즉, 0.45≤x+y≤0.55, 구체적으로는 0.50≤x+y≤0.52이다.That is, 0.45 ≦ x + y ≦ 0.55, specifically 0.50 ≦ x + y ≦ 0.52.
전형적으로, 활성층 내부의 배리어 층은 Al0 .2Ga0 .3In0 .5P로 구성된다. 활성층과 p형 반도체 스페이서 사이에 헤테로 배리어를 확보하기 위해서는, 알루미늄의 비율(x)은 0.25 이상, 바람직하게는 0.30 이상, 더욱 바람직하게는 0.35 이상이면 된다. 또, 상기 조성에서의 알루미늄 비율의 상한은 격자 정합을 달성하기 위해서 0.55 이하, 바람직하게는 0.52 이하이면 된다.Typically, the barrier layer inside the active layer is composed of Al 0 .2 Ga 0 .3 In 0 .5 P. In order to secure a hetero barrier between the active layer and the p-type semiconductor spacer, the ratio x of aluminum may be 0.25 or more, preferably 0.30 or more, and more preferably 0.35 or more. In addition, the upper limit of the aluminum ratio in the said composition should just be 0.55 or less, Preferably it is 0.52 or less in order to achieve lattice matching.
또, 갈륨의 비율은 0일 수도 있다. 따라서, p형 반도체 스페이서 층의 조성의 일례는 AlxGayIn1 -x- yP(여기서, 상기 x 및 y는 전술한 관계식, 즉, 0.45≤x+y≤0.55, 한편, 0.25≤x≤0.55 및 0≤y≤0.30을 충족한다)이다.In addition, the ratio of gallium may be zero. Thus, one example of the composition of the p-type semiconductor spacer layer is Al x Ga y In 1 -x- y P ( where, x and y have the above-described relationship, i.e., 0.45≤x + y≤0.55, On the other hand, 0.25≤x≤0.55 And 0 ≦ y ≦ 0.30).
대안적으로는, 상기 p형 반도체 스페이서 층의 조성은 AlxGayIn1 -x- yP(0.50≤x+y≤0.52, 0.35≤x≤0.52, 0≤y≤0.17)일 수 있다.Alternatively, the composition of the p-type semiconductor spacer layer may be an Al x Ga y In 1 -x- y P (0.50≤x + y≤0.52, 0.35≤x≤0.52, 0≤y≤0.17).
단, 여기서, 상기 조성은 재료를 에피택셜 증착시킬 수 있는 한, 그 이외의 불순물 등을 함유할 수 있는 것은 물론이다.It should be understood, of course, that the composition may contain other impurities and the like as long as the material can be epitaxially deposited.
또, 인듐의 비율이 0.5인 경우, 즉 p형 AlzGa1 - zIn0 .5P 스페이서 층을 이용한 경우, z는 예를 들어 0.35≤z≤0.5의 범위로 적절하게 결정될 수 있다. z가 이 범위 내인 경우, 결정도가 비교적 높은 스페이서 층이 용이하게 형성될 수 있고, 또한, 활성층과 스페이서 층 간의 밴드 오프셋이 증가될 수 있다.Further, when the proportion of indium is 0.5, i.e., the p-type Al z Ga 1 - z In the case of using the 0 .5 P spacer layer, z, for example, may be appropriately determined in the range of 0.35≤z≤0.5. When z is within this range, a spacer layer having a relatively high crystallinity can be easily formed, and the band offset between the active layer and the spacer layer can be increased.
또한, p형 반도체 스페이서 층(307)은 다중 양자 배리어(MQB: Multi Quantum Barrier) 구조를 이용해도 무방하다.In addition, the p-type
또, 제2반사경(308)의 반복 단위를 구성하는 2층 중, 전도대 단부가 높은 층(2층이 모두 AlGaAs로 구성된 경우, 알루미늄 비율이 많은 쪽)의 조성은 AlxGa1 -xAs(0.70≤x≤1.0, 바람직하게는 0.8≤x≤1.0)일 수 있다.In the two layers constituting the repeating unit of the second reflecting
상기 제2반사경(308)을 구성하는 상기 p형 반도체 다층막은 서로 굴절률이 다른 제1층과 제2층을 각각 포함하는 반복 단위를 복수개 적층하여 구성된다. 상기 제1층 및 제2층의 적어도 한 층은 전술한 것처럼 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유할 수 있다.The p-type semiconductor multilayer film constituting the
또, 상기 반복 단위를 구성하는 2층 중, 전도대 단부가 낮은 층의 조성은 AlxGa1-xAs(0.40≤x≤0.70, 바람직하게는 0.45≤x≤0.60)일 수 있다. 이 조성에 있어서, 이것은 활성층으로부터 발광된 광의 파장에 의존할 수 있지만, 해당 활성층으로부터 발광된 광의 파장이 흡수되지 않도록, x는 0.4 이상으로 설정하여, DBR을 구성하는 기타 층에 대해서 충분한 굴절률을 달성할 수 있다. 예를 들어, 상기 층의 조성이 AlxGa1 - xAs인 경우, x=0.5이다.In addition, of the two layers constituting the repeating unit, the composition of the layer having a low conduction band end may be Al x Ga 1-x As (0.40 ≦ x ≦ 0.70, preferably 0.45 ≦ x ≦ 0.60). In this composition, this may depend on the wavelength of the light emitted from the active layer, but x is set to 0.4 or more so that the wavelength of the light emitted from the active layer is not absorbed, thereby achieving sufficient refractive index for the other layers constituting the DBR. can do. For example, when the composition of the layer is Al x Ga 1 - x As, x = 0.5.
도 1에서는, 제2반사경(308)(p형 반도체 다층막)을 구성하는 층 중, X점에서의 전도대 단부가 높은 층이 p형 반도체 스페이서 층(1050)에 인접하도록 도시되어 있지만, 이 구성은 필수는 아니다. 예를 들어, DBR 영역을 구성하는 층 중, X점에서의 전도대 단부가 낮은 층은 p형 반도체 스페이서 층(1050)에 인접하고 있어도 무방하다.In FIG. 1, among the layers constituting the second reflecting mirror 308 (p type semiconductor multilayer film), a layer having a high conduction band end at X point is shown adjacent to the p type
(a) (a) 공진기Resonator 구조 rescue
전술한 두께를 가진 p형 반도체 스페이서 층을 얻기 위해서는, 1파장보다 큰 공진기 길이가 바람직하다. 예를 들어, 1.5파장 이상의 공진기 길이가 이용될 수도 있다.In order to obtain a p-type semiconductor spacer layer having the above-mentioned thickness, a resonator length larger than one wavelength is preferable. For example, a resonator length of 1.5 wavelength or more may be used.
또, p형 반도체 스페이서 층(도 1의 (1050) 및 도 3의 (307))은 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하, 특히 150 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하의 두께를 가진 p형 AlGaInP 스페이서 층이어도 무방하다.In addition, the p-type semiconductor spacer layer (1050 of FIG. 1 and (307) of FIG. 3) may be a p-type AlGaInP spacer layer having a thickness of 100 nm or more and 350 nm or less, especially 150 nm or more and 300 nm or less.
공진기 길이의 예로는 1.5파장이나 2파장을 들 수 있다. 이러한 공진기 길이를 얻기 위해서는, 0.5파장 증분만큼 공진기 길이가 증가되도록 p형 반도체 스페이서 층의 두께를 증가시킬 수 있다. 0.5파장은 약 100 ㎚에 상당하므로, 약 60 ㎚ 두께를 가진 통상의 p형 AlGaInP 층과 조합한 경우, 그 두께는 160 ㎚(0.5파장이 추가된 경우) 및 260 ㎚(1파장이 추가된 경우)이다. 따라서, p형 반도체 스페이서 층의 두께는 특히 상기 0.5파장이 추가된 경우와 1파장이 추가된 경우를 포함하도록 150 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하일 수 있다.Examples of resonator lengths include 1.5 or 2 wavelengths. To obtain this resonator length, the thickness of the p-type semiconductor spacer layer can be increased so that the resonator length is increased by 0.5 wavelength increments. Since 0.5 wavelength corresponds to about 100 nm, when combined with a conventional p-type AlGaInP layer with a thickness of about 60 nm, the thickness is 160 nm (if 0.5 wavelength is added) and 260 nm (if 1 wavelength is added). )to be. Therefore, the thickness of the p-type semiconductor spacer layer may be 150 nm or more and 300 nm or less, particularly to include the case where 0.5 wavelength is added and the case where 1 wavelength is added.
본 실시형태의 공진기 구조에 대해서는, 공진기 길이는 1.5파장 이상일 수 있고, 공진기 길이의 상한은 4파장 이하, 바람직하게는 3.5파장 이하, 더욱 바람직하게는 2.5파장 이하이다. "공진기 길이"란 제1반사경 및 제2반사경의 사이의 영역의 적층 방향의 두께이다.For the resonator structure of this embodiment, the resonator length may be 1.5 wavelength or more, and the upper limit of the resonator length is 4 or less wavelengths, preferably 3.5 or less wavelengths, and more preferably 2.5 or less wavelengths. "Resonator length" is the thickness in the lamination direction of the region between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror.
이제, 도 3을 참조하면, 활성층(305)의 기판(301) 측에 위치하는 n형 반도체 스페이서 층(303)은 캐리어 넘침의 점에서 필수는 아니고, 필요에 따라서 구비할 수도 있다.Referring now to FIG. 3, the n-type
n형 반도체 스페이서 층(303)(예를 들어, AlGaInP) 속으로의 정공의 누설 전류는 충분히 작기 때문에, 이 n형 반도체 스페이서 층(303)의 두께는 약 40 ㎚ 내지 80 ㎚일 수 있다.Since the leakage current of holes into the n-type semiconductor spacer layer 303 (eg, AlGaInP) is sufficiently small, the thickness of the n-type
즉, 본 발명의 공진기는 활성층(305), p형 반도체 스페이서 층(307) 및 n형 반도체 스페이서 층(303)을 포함한다. 또, 공진기는 상기 활성층(305)이 그 공진기 길이 방향의 중앙에 위치하고 있지 않은 비대칭 구조를 가질 수 있다.That is, the resonator of the present invention includes an
특히, 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께는 상기 n형 반도체 스페이서 층(303)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 단, "비대칭 구조"란 p형 반도체 스페이서 층(307)이 n형 반도체 스페이서 층(303)보다 두껍고, 활성층(305)이 공진기의 중앙에 배치되어 있지 않은 구성을 의미한다. 소자 구성은 활성층의 중심이 소자 내부의 광강도의 정재파의 파복(antinode; "배"라고도 칭함)과 정렬하도록 설계될 수 있다.In particular, the thickness of the p-type
도 3을 참조하면, 활성층(305)에 인접하는 층(304), (306)은 각각 필요에 따라서 설치될 수도 있는 비도핑된의 스페이서 층(p형 및 n형 반도체 스페이서 층(307), (303)보다 불순물 농도가 낮은 스페이서 층)이다. 이들 층(304), (306)은 본 실시형태에서 필수는 아니지만, 활성층(305)에의 p형 반도체 스페이서 층(307) 및 n형 반도체 스페이서 층(303)으로부터의 불순물 확산을 차단하는 배리어층으로서 형성될 수 있다. 층(304), (306)의 두께는 10 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하, 바 람직하게는, 20 ㎚ 이상 40 ㎚ 이하일 수 있다.Referring to FIG. 3, the
AlGaInP계 반도체 레이저에서는, 예를 들어, 활성층에 GaInP 양자 우물 구조를 이용함으로써 적색 발광을 얻을 수 있다. p형 반도체 스페이서 층(307)의 예로는 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 층이나 Al0 .5In0 .5P 층을 들 수 있다.In an AlGaInP semiconductor laser, for example, red light emission can be obtained by using a GaInP quantum well structure for the active layer. Examples of the p-type
이하, 본 실시형태의 적색 면 발광 레이저의 층 구성에 대해서, 구체적인 재료를 들어 설명한다.Hereinafter, the laminated constitution of the red surface emitting laser of this embodiment is given and demonstrated with a specific material.
예를 들어, p형 반도체 스페이서 층(307)으로서 약 170 ㎚ 두께의 AlxGa0 .5-xIn0.5P 층(0.2≤x≤0.5)이 이용될 수 있다. 유효 질량이 큰 정공이 AlxGa0 .5-xIn0.5P(0.2≤x≤0.5)로 구성된 n형 반도체 스페이서 층(303)을 넘어 누설 전류에 기여하는 일은 거의 없기 때문에, 이 n형 AlGaInP 층의 두께는 통상과 마찬가지, 예를 들어 약 50 ㎚일 수 있다.For example, an Al x Ga 0 .5-x In 0.5 P layer (0.2≤x≤0.5) of about 170 ㎚ thickness can be used as the p-type
활성층(305)은 면 발광 레이저에 대해 적합한 다중 양자 우물 구조를 지니도록 설계하고, 그 두께는 약 40 ㎚ 내지 약 50 ㎚이다. 따라서, 공진기의 공진기 길이는 전체로서 적어도 1.5파장이 되도록 설계할 필요가 있다.The
활성층(305)은 내부 광강도 정재파의 파복과 정렬하고 있으므로, 이 활성층(305)은 1.5파장 공진기 길이의 중앙에 위치하지 않는다. 그러므로, 공진기 구조는 통상의 1파장 공진기에 대해서 공통적인 대칭 구조 대신에 비대칭 구조를 가진다.Since the
어떤 경우, 상기 대칭 구조는, 결정 성장 동안 공진 파장을 원하는 값으로 조정하면서, 활성층의 위치를 상기 내부 광강도 정재파의 파복과 용이하게 정렬시킬 수 있는 점에서 유리하다. 그 때문에, n형 AlGaInP 스페이서 층의 두께는 p형 AlGaInP 층의 두께와 같도록 증가시킨다. 예를 들어, n형 AlGaInP 스페이서 층의 두께는 약 170 ㎚로 조정해서, 대칭 구조를 가진 공진기를 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 예에 따르면, 공진기 길이는 2파장이다. n형 스페이서 층에서의 자유 캐리어 흡수는 p형 층에 비해 적기 때문에, n형 층을 두껍게 하는 것에 의한 광 흡수의 문제는 p형 층만큼 심각하지 않다.In some cases, the symmetrical structure is advantageous in that the position of the active layer can be easily aligned with the rupture of the internal light intensity standing wave, while adjusting the resonance wavelength to a desired value during crystal growth. Therefore, the thickness of the n-type AlGaInP spacer layer is increased to be equal to the thickness of the p-type AlGaInP layer. For example, the thickness of the n-type AlGaInP spacer layer can be adjusted to about 170 nm to form a resonator having a symmetrical structure. In this case, according to the above example, the resonator length is two wavelengths. Since free carrier absorption in the n-type spacer layer is less than that of the p-type layer, the problem of light absorption by thickening the n-type layer is not as serious as the p-type layer.
그 결과, 누설 전류가 저감되고, 스페이서 층의 두께 증가에 의한 광 흡수의 대폭적인 증가도 없는 신규의 적색 면 발광 레이저 소자를 제공하는 것이 가능해진다.As a result, it is possible to provide a novel red surface emitting laser device in which the leakage current is reduced and there is no significant increase in light absorption due to the increase in the thickness of the spacer layer.
(b) 기타 구성(b) other configurations
도 3에 있어서는, 기판(301)(예를 들어, GaAs 기판)이 도시되어 있지만, 필요에 따라서 생략할 수도 있다. 예를 들어, GaAs 및 기타 적절한 재료로 이루어진 기판을 이용해서 그 위에 다층막을 증착시킨 후, 해당 기판을 제거할 수 있다. 대안적으로는, 다층막은 실리콘 기판, 실리콘-온-절연체(SOI: silicon-on-insulator) 기판, 게르마늄 기판, 플라스틱 기판, 또는 유리 기판과 같은 투명 기판 등의 다른 기판으로 이전하는 것도 가능하다. 방열성을 증대시키기 위해서는, 발광소자를 실리콘 기판이나 SOI 기판으로 이전시켜도 된다. 막의 이전시, 상기 증착 기판을 제거하기 위해서 연마 기술이나 연삭 기술을 이용할 수 있다. 대안적으로는, 희생층을 상기 증착 기판 상에 형성하고 나서, 이 희생층 위에 소자를 구성하는 층을 형 성시켜 막의 이전을 용이하게 하는 것도 가능하다.In FIG. 3, although the board | substrate 301 (for example, GaAs board | substrate) is shown, you may abbreviate | omit as needed. For example, a substrate made of GaAs and other suitable materials may be used to deposit a multilayer thereon, and then the substrate may be removed. Alternatively, the multilayer film may be transferred to another substrate, such as a silicon substrate, a silicon-on-insulator (SOI) substrate, a germanium substrate, a plastic substrate, or a transparent substrate such as a glass substrate. In order to increase heat dissipation, the light emitting element may be transferred to a silicon substrate or an SOI substrate. During transfer of the film, polishing techniques or grinding techniques may be used to remove the deposited substrate. Alternatively, it is also possible to form a sacrificial layer on the deposition substrate and then form a layer constituting the device on the sacrificial layer to facilitate the transfer of the film.
상기 제2반사경(308)(p형 반도체 다층막)은 알루미늄 및 비소를 함유하는 것이 가능하다. 상기 제2반사경(308)은 각각 굴절률이 다른 제1층과 제2층을 포함하는 단위를 복수개 포함한다. 상기 제1층 및 제2층의 적어도 한 층은 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유하는 층이어도 된다.The second reflecting mirror 308 (p-type semiconductor multilayer film) may contain aluminum and arsenic. The
또, 상기 제2반사경(308)의 재료는 AlAs나 AlGaAs로 제한되지 않고, GaAs의 격자와 정합하는 격자를 가진 반도체 재료이면 어느 것이라도 무방하다.The material of the second reflecting
또한, 제1반사경(302)은 n형 반도체 다층막일 수 있다. 또, 상기 제1반사경(302)과 상기 활성층(305) 사이에 n형 AlGaInP 스페이서 층(도 3의 (303))을 설치해도 된다.In addition, the
상기 제1반사경(302)은 상기 레이저 소자(3000)에 전류를 주입할 수 있는 한 반드시 n형 DBR일 필요는 없다. 또, 접합 기술이 이용가능하다면, 반도체 다층막 대신에 반사경으로서 포토닉 결정을 이용할 수도 있다.The
또, 도 3에서는, 활성층(305)과 p형 및 n형 스페이서 층(303), (307) 사이에 스페이서 층(304), (306)이 설치되어 있지만, 이것은 필요에 따라서 생략할 수도 있다. 도 3에서는, 기판(301) 측에 제1반사경(302)(n형 DBR 영역)을 설치하고, 활성층 상부에 제2반사경(308)(p형 DBR 영역)을 설치하고 있지만, 이 구성은 반대로 할 수도 있다. 예를 들어, p형 DBR 영역이나 p형 스페이서 층을 활성층과 기판 사이에 배치할 수도 있다.In FIG. 3, spacer layers 304 and 306 are provided between the
상기 활성층(305)의 구성예로는 GaInP 층과 AlGaInP 층을 포함하는 양자 우 물 활성층이 있다. 본 실시형태에서는, 상기 구성은 적색광(파장 0.6㎛ 내지 0.73㎛, 특히 0.63㎛ 내지 0.72㎛의 광)을 출력할 수 있는 구성이면 어느 것이라도 무방하다. 예를 들어, 더블 헤테로 구조나 양자 닷(quantum dot) 구조를 가진 활성층을 이용할 수도 있고, AlGaInPN 등의 기타 적합한 재료를 활성층으로서 이용하는 것도 가능하다. 대안적으로는, 도 8 내지 도 10을 참조해서 후술하는 바와 같이, 복수개의 활성층을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 바와 같이, 2개 이상의 활성층을 이용할 수 있다.An example of the configuration of the
이상 설명한 바와 같이, 공진기는 활성층(305), p형 반도체 스페이서 층(307) 및 n형 반도체 스페이서 층(303)을 포함하고 있고, 상기 활성층이 그 공진기 길이 방향의 중앙에 배치되어 있지 않은 비대칭 구조를 취할 수도 있다.As described above, the resonator includes an
여기서, 상기 p형 AlGaInP 반도체 스페이서 층(307)의 두께는 상기 n형 AlGaInP 반도체 스페이서 층(303)의 두께보다 두껍게 할 수 있다.Here, the thickness of the p-type AlGaInP
또, 본 실시형태에 있어서, DBR 영역에서의 층의 두께는 수직 공진기형 면 발광 레이저를 구성하도록 설계될 수 있지만, 면 발광이 가능한 한 발광은 엄밀하게 수직일 필요는 없다.Further, in the present embodiment, the thickness of the layer in the DBR region can be designed to constitute a vertical resonator type surface emitting laser, but the emission does not need to be strictly vertical as long as surface emitting is possible.
본 실시형태는 고온에서의 레이저 동작을 달성하기 위해 요구되는 레이저 소자에 적합하다. 특히, 본 실시형태는 높은 발광 강도를 발휘하는 단일 횡방향 모드 레이저 소자에 적용될 경우 효과적이다.This embodiment is suitable for the laser element required to achieve laser operation at high temperature. In particular, the present embodiment is effective when applied to a single transverse mode laser device exhibiting high luminescence intensity.
제2실시형태Second embodiment
이하, 본 발명의 제2실시형태에 따른 다층막을 포함하는 적색 면 발광 레이 저 소자에 대해서 제1실시형태에서와 마찬가지로 도 3을 참조해서 설명한다.Hereinafter, the red surface emitting laser element containing the multilayer film which concerns on 2nd Embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG. 3 similarly to 1st Embodiment.
상기 소자는 제1반사경(302), p형 AlGaAs 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308) 및 상기 제1반사경과 상기 제2반사경 사이에 삽입된 활성층(305)을 포함한다. 또, 상기 소자는 상기 활성층(305)과 상기 제2반사경(308) 사이에 두께가 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하인 p형 AlInP 또는 AlGaInP 반도체 스페이서 층(307)을 포함한다.The device includes a
또한, p형 반도체 스페이서 층은 해당 p형 반도체 스페이서 층의 두께가 전체로서 상기 범위 내에 있다면, AlInP 및 AlGaInP의 양쪽 모두를 함유할 수도 있다.Further, the p-type semiconductor spacer layer may contain both AlInP and AlGaInP provided that the thickness of the p-type semiconductor spacer layer is entirely within the above range.
이 구성에 의하면, 누설 전류가 저감되는 신규의 적색 면 발광 레이저 소자가 제공된다.According to this structure, the novel red surface emitting laser element in which leakage current is reduced is provided.
단, "AlGaAs" 및 "AlGaInP"란 표현은, 전자의 층이 알루미늄, 갈륨 및 비소를 함유하고, 후자의 층이 알루미늄, 갈륨 및 인을 함유하는 것을 의미하는 것이다. 조성비는 각 층을 에피택셜 성장할 수 있고 적색 발광이 실현되는 한 특히 한정되는 것은 아니다. 또, 본 제2실시형태에 있어서의 레이저 소자에 대해서는, 전술한 제1실시형태에서 설명한 사항을 모순이 없는 한 적용할 수 있는 것은 물론이다.However, the expressions "AlGaAs" and "AlGaInP" mean that the former layer contains aluminum, gallium and arsenic, and the latter layer contains aluminum, gallium and phosphorus. The composition ratio is not particularly limited as long as it can epitaxially grow each layer and realize red light emission. It goes without saying that the matters described in the first embodiment described above can be applied to the laser device in the second embodiment as long as there is no contradiction.
제3실시형태Third embodiment
이하, 제3실시형태에 따른 다층막을 포함하는 적색 면 발광 레이저 소자에 대해서 전술한 실시형태에서와 마찬가지로 도 3을 참조해서 설명한다.Hereinafter, the red surface emitting laser element including the multilayer film according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 3 as in the above-described embodiment.
상기 소자는 제1반사경(302), p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308), 상기 제1반사경(302)과 상기 제2반사경(308) 사이에 삽입된 활성층(305) 및 상기 활성층과 상기 제2반사경 사이에 삽입된 p형 반도체 스페이서 층(307)을 포함한다.The device includes a
도 1을 참조해서 이미 설명한 바와 같이, 상기 p형 반도체 다층막의 X점에서의 전도대 단부는 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)의 것보다 낮고, 상기 p형 반도체 스페이서 층(307)의 적층 방향의 두께는 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하이다.As already described with reference to FIG. 1, the conduction band end at the point X of the p-type semiconductor multilayer film is lower than that of the p-type
누설 전류가 p형 반도체 다층막을 포함하는 제2반사경(308)의 존재로 인해 충분히 저감될 수 없어도, p형 반도체 스페이서 층(307)의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 조정함으로써 누설 전류를 저감시키는 것이 가능해진다(도 2A 참조).Although the leakage current cannot be sufficiently reduced due to the presence of the
본 제3실시형태의 레이저 소자에 대해서는, 전술한 제1실시형태에서 설명한 사항을 모순이 없는 한 적용할 수 있는 것은 물론이다.As a matter of course, the laser device of the third embodiment can be applied as long as there is no contradiction.
제4실시형태(Fourth Embodiment ( 화상형성장치Image Forming Device 및 화상표시장치) And image display device)
상기 제1실시형태 내지 제3실시형태에 있어서 설명한 적색 면 발광 레이저 소자는 예를 들어 화상형성장치 또는 화상표시장치에 적용할 수 있다.The red surface emitting laser element described in the first to third embodiments can be applied to, for example, an image forming apparatus or an image display apparatus.
상기 소자를 화상형성장치에 적용하는 경우에는, 도 9A 및 도 9B에 나타낸 바와 같이, 화상형성장치는 적색 면 발광 레이저 소자(914)와 해당 레이저 소자로부터 출력되는 레이저광을 반사해서 주사를 행하기 위한 광편향기(910)를 포함한다. 광편향기(910)는 레이저광을 반사하고 반사 방향을 주사할 수 있는 구성이면 어떠한 구성이라도 가질 수 있다.When the element is applied to the image forming apparatus, as shown in FIGS. 9A and 9B, the image forming apparatus reflects the red surface emitting
광편향기(910)의 예로는 다면경, 다각형 미러 및 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 이용해서 실리콘 등으로 이루어진 라미네이트를 요동시킴으로써 형성된 반사경을 들 수 있다.Examples of the
상기 장치가 전자사진장치인 경우, 상기 광편향기(910)에 의해 편향된 빔에 의해 정전 잠상을 형성하기 위한, 드럼 형상의 감광체(900), 대전기(902), 현상기(904) 및 정착기(908)가 설치된다. 이 전자사진장치의 상세는 이하의 실시예를 통해 설명한다.When the apparatus is an electrophotographic apparatus, a drum-shaped
상기 적색 면 발광 레이저 소자는 디스플레이 등의 화상표시장치를 형성하기 위해서 상기 편향기 및 기타 관련된 구성 성분 등과 조합해서 사용될 수도 있다.The red surface emitting laser element may be used in combination with the deflector and other related components to form an image display apparatus such as a display.
대안적으로는, 많은 적색 면 발광 레이저 소자를 어레이형상으로 배치하여, 멀티 빔 화상형성장치를 형성하는 것도 가능하다.Alternatively, it is also possible to arrange many red surface emitting laser elements in an array to form a multi-beam image forming apparatus.
실시예Example 1 One
이하, 실시예 1에 대해 설명한다. 도 3은 실시예 1의 적색 면 발광 레이저 소자의 층 구성의 모식적 단면도이다.Hereinafter, Example 1 will be described. 3 is a schematic cross-sectional view of the layer structure of the red surface emitting laser device of Example 1. FIG.
본 실시예 1의 VCSEL은 n형 GaAs 기판(301), n형 Al0 .9Ga0 .1As/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경(302), n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 스페이서 층(303), 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304), Ga0 .56In0 .44P/Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 양자 우물 활성층(305), 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(306), p형 Al0 .5In0 .5P 스페이서 층(307), p형 Al0 .9Ga0 .1As/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경(308) 및 p형 GaAs 컨택트층(309)을 포함한다. 이에 따라, 680 ㎚의 파장을 가진 광을 발광하는 적색 면 발광 레이저가 형성된다.VCSEL according to the first embodiment is an n-type GaAs substrate (301), n-type Al 0 .9 Ga 0 .1 As / Al 0 .5
우선, n형 Al0 .9Ga0 .1As/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경(302)과 p형 Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As 다층막 반사경(308)에 대해 설명한다. Al0 .9Ga0 .1As 층과 Al0.5Ga0.5As 층은 각각 1/4 파장의 광학적 두께를 갖도록 형성된다.First, n-type Al 0 .9 Ga 0 .1 As / Al 0 .5
실제의 소자에서는, 전기 저항을 저감시키기 위해서, Al0 .9Ga0 .1As 층과 Al0.5Ga0.5As 층 사이에 두께 약 20 ㎚의 조성 경사층이 설치되어 있다.In an actual element, in order to reduce the electrical resistance, Al 0 0 .1 .9 Ga As layer and Al 0.5 Ga 0.5 As gradient composition layer having a thickness of about 20 ㎚ between layers it is provided.
이 경우, 조성 경사층의 두께를 포함하는 총 두께가 1/4 파장의 광학적 두께가 되도록 설계된다. 전류가 흐르도록 하기 위해서, p형 다층막 반사경(308)에는, 억셉터(acceptor)로서 작용하는 불순물, 예컨대, 탄소나 아연 등을 도핑한다. 또, n형 다층막 반사경(302)에는 도너(donor)로서 작용하는 불순물, 예컨대 실리콘이나 셀렌 등을 도핑한다. 그리고, 다층막 반사경 내에서의 광 흡수를 가능한 한 많이 감소시키기 위해서, 다층막 반사경 내의 광강도 정재파의 파복에서는 도핑량이 낮게 되고, 마디(즉, 파절; node)에서는 도핑량이 많게 되도록 변조 도핑을 실시해도 무방하다.In this case, the total thickness including the thickness of the composition gradient layer is designed to be an optical thickness of 1/4 wavelength. In order to allow current to flow, the p-type
본 실시예에서는, 에피택셜 층 표면, 즉, p형 층쪽으로부터 광을 출력한다. 이와 같이 해서, p형 다층막 반사경(308)은 반복 쌍을 36쌍 정도 포함하여 최적 광 출력 효율을 발휘하는 반사경을 형성한다. n형 층쪽으로부터는 광을 출력하지 않 으므로, n형 다층막 반사경(302)은 약 60쌍의 반복 쌍을 포함시켜 가능한 한 반사율을 높이고 해당 역치 전류를 저하시키도록 설계된다.In this embodiment, light is output from the epitaxial layer surface, that is, from the p-type layer side. In this manner, the p-type
p형 다층막 반사경(308)에서는 활성층에서부터 1 내지 3쌍의 위치에 약 30 ㎚ 두께의 Al0 .98Ga0 .02As 층을 삽입할 수 있고, 이 Al0 .98Ga0 .02As 층을 선택적으로 산화시켜 전류 구속(current-confining) 구조를 형성시킬 수도 있다.In the p-type
이하, 공진기를 제조하는 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the resonator will be described.
p형 Al0 .5In0 .5P 스페이서층(307)의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 설정하고 있으므로, 공진기 길이는 통상 이용되는 1파장 대신에 도 4에 나타낸 바와 같이 1.5파장이다.a p-type Al 0 .5 0 .5 In P, so we set the thickness of the
발광 파장이 680 ㎚이므로, 1.5파장은 1020 ㎚의 광학적 두께를 부여한다. 공진기를 구성하는 층들은 모두 AlGaInP로 구성되지만, 활성층, 배리어층, 스페이서 층 및 기타 층에는 상이한 조성비를 가진 AlGaInP 재료가 사용된다. 따라서, 각 층의 두께는 공진기 길이가 1.5파장이 되도록 그 굴절률에 의거해서 결정할 필요가 있다.Since the emission wavelength is 680 nm, the 1.5 wavelength gives an optical thickness of 1020 nm. The layers constituting the resonator are all composed of AlGaInP, but AlGaInP materials having different composition ratios are used for the active layer, the barrier layer, the spacer layer, and the other layers. Therefore, the thickness of each layer needs to be determined based on the refractive index so that the resonator length is 1.5 wavelength.
또, 광과 캐리어 간의 상호작용을 최대로 하기 위해서는, 활성층을 정재파의 파복(403)에 배치시킬 필요가 있다. 즉, 활성층(305)은 1020 ㎚의 일단부로부터 1/3의 위치에 배치하고, n형 층은 보다 짧은 영역(도 4에서는 활성층(305)의 왼쪽)에 배치하고, p형 층은 보다 긴 쪽(도 4에서는 활성층(305)의 오른쪽)에 배치한다.In order to maximize the interaction between the light and the carrier, it is necessary to arrange the active layer on the
상기 조건을 고려하면서, 실제의 예에 대하여 다음과 같이 상세히 설명한다.Considering the above conditions, a practical example will be described in detail as follows.
활성층(305)은 4개의 6 ㎚ GaInP 양자 우물과 3개의 6 ㎚ Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층을 포함한다. 또, 활성층(305)의 실제의 두께는 42 ㎚이다.The
발광 파장 680 ㎚에서의 GaInP 층과 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 층의 굴절률은 각각 3.56 및 3.37이므로, 이 활성층의 광학적 두께는 146 ㎚이다.Since the refractive indices of the GaInP layer and the Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P layer at the emission wavelength 680 ㎚ were 3.56 and 3.37, and the optical thickness of the active layer 146 ㎚.
이 활성층 영역의 광학적 두께의 절반(73 ㎚), 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304)의 광학적 두께 및 n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 스페이서층(303)의 광학적 두께의 합은 1020 ㎚의 1/3인 340 ㎚일 필요가 있다.Half of the optical thickness of the active layer region (73 ㎚), undoped Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P barrier layer (304) Al 0 .35, and the optical thickness of n-type Ga 0 .15 In 0 The sum of the optical thicknesses of the .5 P spacer layers 303 needs to be 340 nm, which is 1/3 of 1020 nm.
따라서, 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 스페이서층(303)은 60.5 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 상기 층들(304), (303)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.30이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께는 267 ㎚이다.Thus, the non-doped Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5
즉, 활성층(305)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와 267nm의 합계는 340 ㎚이고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 활성층(305)의 중앙이 정재파의 파복(403)과 정렬되게 된다.That is, the sum of 73 nm and 267 nm, which are half of the optical thickness of the
p형 층쪽에 대해서는, 활성층(305)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과 비도핑된 Al0.25Ga0.25In0.5P 배리어층(306) 및 p형 Al0 .5In0 .5P 스페이서층(307)의 광학적 두께가 나머지, 즉, 680 ㎚가 되도록 할 필요가 있다.For p-type layer side, one half of the optical thickness of the active layer (305) (73 ㎚) and undoped Al 0.25 Ga 0.25 In 0.5
n형 층쪽에는 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 층을 이용했지만, p형 층쪽에는 가능한 한 헤 테로 배리어를 증가시키기 위해서 Al0 .5In0 .5P 층을 사용하고, 약 1×1018㎝-3까지 도핑을 행한다. 도펀트로서는 아연이나 마그네슘을 이용할 수 있다.an n-type layer side, but using Al 0 .35 Ga 0 .15 In 0 .5 P layer, p-type layer side is used, and the Al 0 .5 0 .5 In P layer in order to increase the potential barrier for interrogating a hedge Doping to about 1 × 10 18 cm -3 . Zinc or magnesium can be used as the dopant.
배리어층(306)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, p형 Al0 .5In0 .5P 스페이서층(307)은 167.6 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 이 층들(306), (307)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.22이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 607 ㎚이다. 또, 이 697 ㎚와 활성층(305)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와의 합계는 680 ㎚이다.
이상 설명한 바와 같이, 비도핑된 배리어 층을 포함하는 n형 층, 활성층 및 비도핑된 배리어 층을 포함하는 p형 층의 광학적 두께는 각각 267 ㎚, 146 ㎚ 및 607 ㎚(합계 1020 ㎚)이다. 이 합계는 1.5파장 공진기의 경우의 광학적 두께에 상당한다.As described above, the optical thicknesses of the n-type layer including the undoped barrier layer, the active layer and the p-type layer including the undoped barrier layer are 267 nm, 146 nm and 607 nm (1020 nm in total), respectively. This sum corresponds to the optical thickness in the case of a 1.5 wavelength resonator.
또, p형 층의 두께는 167.6 ㎚로, 이것은 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하의 범위 내이다.Moreover, the thickness of a p-type layer is 167.6 nm, and this is in the range of 100 nm or more and 350 nm or less.
이 공진기의 양쪽에 다층막 반사경을 형성한다. 공진기와 다층막 반사경 사이의 계면이 정재파의 파복과 정렬되도록 다층막 반사경의 n측과 p측이 배열된다.Multilayer film reflectors are formed on both sides of this resonator. The n side and the p side of the multilayer film reflector are arranged so that the interface between the resonator and the multilayer film reflector is aligned with the breaking of the standing wave.
구체적으로는, 저굴절률 재료, 즉, Al0 .9Ga0 .1As 층(402)이 공진기와 접하고, 상기 Al0 .9Ga0 .1As 층(402)에 인접하게 고굴절률 재료, 즉, Al0 .5Ga0 .5As 층(401)이 배치된다. 이들 층(401), (402)의 쌍의 필요한 수는 반복해서 형성된다(p측에 36 쌍, n측에 60쌍).Specifically, the low refractive index material, i.e., Al 0 .9 Ga 0 .1 As
실제의 소자 제작시에는, 우선 상기 두께의 층을 가진 웨이퍼를 결정 성장 기술에 의해서 형성한다.In actual device fabrication, a wafer having a layer of the above thickness is first formed by a crystal growth technique.
예를 들어, 유기 금속 화합물 기상 증착 장치나 분자선 에피택시 장치에 의해 층들을 형성한다. 웨이퍼를 형성한 후, 통상의 반도체 프로세스에 의해 도 5에 나타낸 레이저 소자(5000)를 형성한다. 단, 도 5에 있어서, 도 3을 참조해서 설명한 층과 같은 기능을 가지는 층에 대해서는, 동일한 번호로 표기하고 있다.For example, the layers are formed by an organometallic compound vapor deposition apparatus or a molecular beam epitaxy apparatus. After the wafer is formed, the
포토리소그래피와 반도체 에칭에 의해 포스트를 형성하고, 선택적 산화에 의해 전류 구속층(502)을 형성한다. 그 후, 절연막(503)을 형성하고, 부분적으로 제거하여 컨택트용의 p형 GaAs 컨택트층(309)의 부분을 노출시키고, p측 전극(504)을 형성한다. 최종적으로, 웨이퍼의 뒷면에 n측 전극(501)을 형성하여 소자의 제조를 종료한다.The post is formed by photolithography and semiconductor etching, and the current confining
이와 같이 제작된 소자는 고온 동작 및 전체 출력 동작을 달성할 수 있어, 적색 면 발광 레이저 소자의 응용 범위가 확대된다.The device fabricated as described above can achieve high temperature operation and overall output operation, thereby expanding the application range of the red surface emitting laser device.
이상의 설명은 하나의 소자를 제작하는 방법을 제공한다.The above description provides a method of manufacturing one device.
어레이 형상으로 집적시킨 복수의 소자를 제작할 경우, 예를 들어 32개의 소자를 4×8 어레이 형상으로 50 ㎛ 피치로 배열시킬 때, 목적으로 하는 소자 배치를 가진 포토마스크를 초기 단계부터 사용한다. 이어서, 상기와 같은 에피웨이퍼(epiwafer)를 이용해서, 동일한 소자 형성 공정에 의해 어레이 형상으로 배치된 복수의 소자를 동시에 형성할 수 있다. 즉, 목적으로 하는 패턴을 가진 마스크를 사용함으로써 적색 면 발광 레이저 어레이를 용이하게 얻을 수 있다.When fabricating a plurality of elements integrated in an array shape, for example, when arranging 32 elements in a 4 占 8 array shape at 50 占 퐉 pitch, a photomask having a target element arrangement is used from an initial stage. Subsequently, using the above epiwafer, a plurality of elements arranged in an array shape can be formed simultaneously by the same element formation process. That is, a red surface emitting laser array can be obtained easily by using the mask which has a target pattern.
단, 상기 소자는 n형 GaAs 기판을 사용해서 형성하고, p형 층이 그 상부에 배치되어 있다. 대안적으로는, 소자 형성에 p형 GaAs 기판을 이용하고, 상기 소자는 그 상부에 n형 층을 포함하도록 해도 된다.However, the device is formed using an n-type GaAs substrate, and a p-type layer is disposed thereon. Alternatively, a p-type GaAs substrate may be used for device formation, and the device may include an n-type layer thereon.
실시예Example 2 2
이하에, 실시예 2에 대해 설명한다. 도 7은 실시예 2의 적색 면 발광 레이저 소자(7000)의 층 구성의 모식적 단면도이다.The second embodiment will be described below. 7 is a schematic cross-sectional view of the layer structure of the red surface emitting
본 실시예의 VCSEL 구조는 n형 GaAs 기판(301), n형 AlAs/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경(701), n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 스페이서 층(303), 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304), 제1 Ga0 .56In0 .44P/Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 양자 우물 활성층(702), Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 중간 배리어층(703), 제2 Ga0 .56In0 .44P/Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 양자 우물 활성층(704), 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(306), p형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 스페이서 층(705), p형 Al0 .9Ga0 .1As/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경(308) 및 p형 GaAs 컨택트층(309)을 포함한다. 이에 따라, 680 ㎚의 파장을 가진 광을 발광하는 적색 면 발광 레이저가 형성된다.VCSEL structure of this embodiment is an n-type GaAs substrate (301), an n-type AlAs / Al Ga 0 .5 0 .5 As multilayer reflecting mirror (701), .15 n-type Al 0 .35 Ga 0 In 0 .5
n형 다층막 반사경(701)은 Al0 .9Ga0 .1As 대신에 AlAs로 구성되어 있다. 그 이유는 AlAs가 열저항이 작아 소자의 열저항을 전체로서 저감시킬 수 있기 때문이다.an n-type
p형 Al0 .9Ga0 .1As/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경(308)은 실시예 1(도 3)의 것과 동일하다.a p-type Al 0 .9 Ga 0 .1 As / Al 0 .5
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는, 다중 양자 우물 구조를 2개 포함하는 주기 이득 구조를 이용하고 있다. 이 구조에 의하면, 광 구속 비율 및 모드 이득을 증가시켜, 높은 발광 출력을 용이하게 얻을 수 있다.As shown in Fig. 7, in this embodiment, a periodic gain structure including two multiple quantum well structures is used. According to this structure, a high light emission output can be easily obtained by increasing the light restraint ratio and the mode gain.
상기 주기 이득 구조를 이용하는 것에 부가해서, p형 AlGaInP 층의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 하도록 도 8에 나타낸 바와 같이 공진기 길이는 2.5파장으로 설정된다.In addition to using the periodic gain structure, the resonator length is set to 2.5 wavelengths as shown in Fig. 8 so that the thickness of the p-type AlGaInP layer is 100 nm or more and 350 nm or less.
이하, 도 8을 참조해서 공진기의 층 구조에 대해 설명한다.Hereinafter, the layer structure of the resonator will be described with reference to FIG. 8.
공진 파장이 680 ㎚이이고, 공진기 길이가 2.5파장이므로, 그 광학적 두께는 1700 ㎚이다.Since the resonant wavelength is 680 nm and the resonator length is 2.5 wavelength, the optical thickness thereof is 1700 nm.
공진기 내의 층들은 모두 AlGaInP로 구성되어 있다. 그러나, 활성층, 배리어층, 스페이서 층 및 기타 층들에 대해서 상이한 조성비를 가진 AlGaInP 재료가 사용되므로, 공진기 길이가 2.5파장이 되도록 그 굴절률을 기초로 해서 각 층의 두께를 결정할 필요가 있다.The layers in the resonator are all composed of AlGaInP. However, since AlGaInP materials with different composition ratios are used for the active layer, barrier layer, spacer layer and other layers, it is necessary to determine the thickness of each layer based on its refractive index so that the resonator length is 2.5 wavelength.
또, 광과 캐리어 간의 상호작용을 최대로 하기 위해서, 활성층(702), (704)은 내부 광강도 정재파의 파복(403)에 배치할 필요가 있다. 즉, 1700 ㎚의 일단부로부터 1/5의 위치와 1700 ㎚의 2/5의 위치에 각각 활성층을 배치하고, 짧은 쪽 영역(도 8에서는 왼쪽)에 n형 층을, 긴 쪽 영역(도 8에서는 오른쪽)에 p형 층을 배치한다.In order to maximize the interaction between the light and the carrier, the
상기 조건을 고려하면서, 실제의 예에 대해서 이하와 같이 상세히 설명한다.Considering the above conditions, a practical example will be described in detail as follows.
제1 활성층(702) 및 제2 활성층(704)은 각각 4개의 6 ㎚ GaInP 양자 우물과 3개의 6 ㎚ Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층을 포함하고, 실제의 두께는 42 ㎚이다. 680 ㎚에서 GaInP 층과 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 층의 굴절률은 각각 3.56 및 3.37이기 때문에, 각 활성층의 광학적 두께는 146 ㎚이다.The first
이 활성층 영역의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304) 및 n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 층(303)의 광학적 두께의 합계는 340 ㎚일 필요가 있다.The optical thickness of a half (73 ㎚) and undoped Al Ga 0 .25 0 .25 regions of the active layer In 0 .5
따라서, 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 층(303)은 60.5 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 각 층(304), (303)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.30이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 267 ㎚이다. 이 267 ㎚와 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와의 합계는 340 ㎚이다.Thus, the undoped Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 활성층(702)의 중앙이 정재파의 파복(403)과 정렬된다. 이어서, 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과 Al0.25Ga0.25In0.5P 중간 배리어층(703)의 광학적 두께와 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)의 합계가 340 ㎚로 될 필요가 있다.That is, as shown in FIG. 8, the center of the first
Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 중간 배리어층(703)의 굴절률은 3.37이므로, 그 두께를 57.6 ㎚로 하면, 이 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 중간 배리어층(703)의 광학적 두께는 194 ㎚로 될 필요가 있다. 그리고, 이들 194 ㎚, 73 ㎚ 및 73 ㎚의 합계는 340 ㎚가 된다. 그러므로, 제2 활성층(704)의 중앙은 도 8에 나타낸 바와 같이 정재파의 또 다른 파복(403)과 정렬된다.Since the refractive index of the Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P
대안적으로는, 이 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 중간 배리어층(703)의 일부에 마그네슘이나 아연을 도핑해서 이 층을 p형 층으로 만들어, 제1 활성층(702)에의 정공 주입 효율을 증대시키는 것도 가능하다.Alternatively, the Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P doped with magnesium or zinc to the portion of the
p측에는, 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, 비도핑된 Al0.25Ga0.25In0.5P 배리어층(306) 및 p형 Al0 .5In0 .5P 층(705)의 광학적 두께의 합계가 그 나머지, 즉 1020 ㎚로 될 필요가 있다.p side, one half of the optical thickness of the active layer (704) (73 ㎚) and a non-doped Al 0.25 Ga 0.25 In 0.5
배리어층(306)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, p형 Al0 .5In0 .5P 층(705)은 273.2 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 이들 층들(306), (705)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.22이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 947 ㎚이다. 이 947 ㎚와 상기 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반의 합계는 1020 ㎚이다. 비도핑된 배리어층을 포함하는 n형 층, 중간 배리어층을 포함하는 두 활성층의 광학적 두께의 합계 및 비도핑된 배리어층을 포함하는 p형 층의 광학적 두께는 각각 267 ㎚, 486 ㎚ 및 947 ㎚이므로, 그 합계는 1700 ㎚이며, 이것은 2.5파장 공진기의 광학적 두께에 상당한다. 또한, p형 AlGaInP 층의 두께는 273.2 ㎚가 되도록 형성되어, 그의 허용 범위는 100 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하로 될 수 있다.
이 공진기의 양쪽에는 다층막 반사경을 형성한다. 공진기와 다층막 반사경 의 계면은 정재파의 파복과 정렬되도록 n측 및 p측 다층막 반사경을 모두 배치한다.Multilayer film reflectors are formed on both sides of this resonator. The n-side and p-side multilayer reflectors are arranged so that the interface between the resonator and the multilayer reflector is aligned with the standing wave breakage.
구체적으로는, 저굴절률 재료로 이루어진 층들, 즉, n측의 AlAs 층(801)과 p측의 Al0 .9Ga0 .1As 층(402)은 공진기와 접촉하고 있다. 또한, 이들 층(801), (402)에 인접하게 n측 및 p측에 Al0 .5Ga0 .5As 층(401)을 배치한다. 그리고, 각 측에 필요한 쌍의 수(p측에 36쌍, n측에 60쌍)를 반복한다.Specifically, Al 0 0 .1 .9 Ga As
다음에, 실시예 1에서 설명한 바와 같이, 소자를 제작하거나, 혹은 소자의 어레이를 제작하면 된다.Next, as described in Example 1, a device may be manufactured or an array of devices may be manufactured.
실시예Example 3 3
이하, 적색 면 발광 레이저 어레이에 적용된 적색 면 발광 레이저 소자에 대해 설명한다. 도 9A 및 도 9B는 본 실시예의 적색 면 발광 레이저 어레이를 포함하는 전자 사진 화상형성장치의 구성을 나타낸다. 도 9A는 화상형성장치의 상면도이고, 도 9B는 그 장치의 측면도이다.Hereinafter, the red surface emitting laser element applied to the red surface emitting laser array is demonstrated. 9A and 9B show the configuration of the electrophotographic image forming apparatus including the red surface emitting laser array of this embodiment. 9A is a top view of the image forming apparatus, and FIG. 9B is a side view of the apparatus.
도 9에 나타낸 화상형성장치는 감광체(900), 대전기(902), 현상기(904), 전사 대전기(906), 정착기(908), 회전 다면경(910), 모터(912), 적색 면 발광 레이저 어레이(914), 반사경(916), 콜리메이터 렌즈(920) 및 f-θ 렌즈(922)를 포함한다.The image forming apparatus shown in Fig. 9 includes a
도 9A 및 도 9B에 있어서, 모터(912)는 회전 다면경(910)을 회전시킨다. 본 실시예의 회전 다면경(910)은 6개의 반사면을 갖고 있다.9A and 9B, the
적색 면 발광 레이저 어레이(914)는 기록용 광원이다. 이 적색 면 발광 레 이저 어레이(914)는 레이저 드라이버(도시하지 않음)에 의해 화상 신호에 따라 점멸된다. 이렇게 변조된 레이저광은 적색 면 발광 레이저 어레이(914)로부터 콜리메이터 렌즈(920)를 통해 회전 다면경(910)에 적용된다.The red surface emitting
회전 다면경(910)은 화살표 방향으로 회전한다. 적색 면 발광 레이저 어레이(914)로부터 출력된 레이저광은, 회전 다면경(910)의 회전에 수반해서 편향각을 연속적으로 변화시키는 편향빔을 형성하도록 그 회전중인 다면경(910)에서 반사된다. 이 반사광은, f-θ 렌즈(922)에 의해 왜곡 수차 등을 보정해서 반사경(916)에 의해 반사되고, 감광체(900)를 조사하면서 감광체(900)를 주주사 방향으로 주사한다. 이때, 회전 다면경(910)의 1면에 의해 편향된 빔의 반사에 의해, 주주사 방향으로 적색 면 발광 레이저 어레이(914)에 대응한 복수의 라인에 상당하는 화상이 형성된다. 본 실시예에 있어서는, 4×8의 적색 면 발광 레이저 어레이를 이용하고, 4 라인에 대응하는 화상이 동시에 형성된다.The
감광체(900)는 미리 대전기(902)에 의해 대전된다. 이 감광체(900)는 레이저광의 주사에 의해 순차 노광되어 정전 잠상을 형성한다. 또, 감광체(900)는 화살표 방향으로 회전된다. 형성된 정전 잠상은 현상기(904)에 의해 현상되고, 얻어진 가시상은 전사 대전기(906)에 의해 전사지(도시생략)에 전사된다. 가시상이 전사된 전사지는 정착기(908)에 반송되어 화상 정착을 실시한 후에, 장치 밖으로 배출된다.The
또, 본 실시예에서는 4×8 적색 면 발광 레이저 어레이를 이용했지만, 다른 유형의 어레이를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, m×n 적색 면 발광 레이저 어레이(m, n:자연수)를 이용해도 된다.In this embodiment, a 4x8 red surface emitting laser array is used, but other types of arrays can be used. For example, an m × n red surface emitting laser array (m, n: natural number) may be used.
이상 설명한 바와 같이, 상기 적색 면 발광 레이저 어레이를 전자 사진 화상형성장치에 이용함으로써, 고속 및 고정밀 인쇄를 실현하는 화상형성장치를 얻는 것이 가능해진다.As described above, by using the red surface emitting laser array in the electrophotographic image forming apparatus, it is possible to obtain an image forming apparatus that realizes high speed and high precision printing.
상기 소자를 전자 사진 잔치의 광원에 적용한 경우 등의 몇몇 경우에는, 단일 황방향 모드를 달성하면서, 60℃까지 레이저 동작이 요구된다. 일반적으로, 단일 횡방향 모드를 달성시키기 위해서는, 발광 영역을 좁게(지름 4㎛ 이하) 할 필요가 있다. 주입 전류량이 같은 경우에도, 실제의 전류 밀도는 증가되고, 누설 전류도 증가한다.In some cases, such as when the device is applied to a light source of an electrophotographic feast, laser operation is required up to 60 ° C. while achieving a single yellow direction mode. In general, in order to achieve a single transverse mode, it is necessary to narrow the light emitting area (4 μm or less in diameter). Even when the injection current amount is the same, the actual current density increases and the leakage current also increases.
본 발명에 따르면, 온도 특성이 개선된 신규의 적색 면 발광 레이저 소자가 제공된다.According to the present invention, a novel red surface emitting laser device having improved temperature characteristics is provided.
또, 도 11에는 본 실시예의 레이저 소자(1201)를 내장한 레이저 디스플레이의 일례가 도시되어 있다. 도 11에 있어서, 레이저 디스플레이는 제1편향 수단(1202) 및 제2편향 수단(1211)을 포함한다. 상기 제1편향 수단(1202)에 의해 형성된 제2편향 수단(1211) 상의 주사 궤적은 참조 번호 (1210)으로 표시되어 있다. 참조 번호 (1212)는 제2편향 수단(1211)에 의해 편향된 광을 나타내고, (1213)은 특정 평면을 나타내며, (1214)는 편향광에 의해 주사되는 상기 평면(1213) 내의 범위를 나타내고, (1215)는 상기 평면(1213) 상의 주사선의 궤적을 모식적으로 나타낸 것이다. 또한, 참조 번호 (1203)은 레이저 소자(1201)의 광 방향을 나타낸다. 참조 번호 (1205), (1206)은 각각 편향된 광 방향을 나타낸다.11 shows an example of a laser display incorporating the
제1편향 수단(1202)과 제2편향 수단(1210)은 각각 광을 수평 방향 및 수직 방향으로 편향시킨다. 그 결과, 편향광에 의해 주사되는 영역은 2차원으로 된다.The first deflection means 1202 and the second deflection means 1210 deflect light in the horizontal direction and the vertical direction, respectively. As a result, the area scanned by the deflected light becomes two-dimensional.
실시예Example 4 4
이하, 실시예 4에 대해 설명한다. 이 실시예 4에서는, 다중 양자 우물 구조를 2개 포함하는 주기 이득 구조를 이용하고 있다. 이 구성에 의하면, 광 구속 비율 및 모드 이득을 증가시키고, 높은 발광 출력을 용이하게 얻을 수 있다.The fourth embodiment will be described below. In the fourth embodiment, a periodic gain structure including two multiple quantum well structures is used. According to this configuration, the light confinement ratio and the mode gain can be increased, and high light emission output can be easily obtained.
또, 상기 주기 이득 구조에 부가해서, p형 AlGaInP 층의 두께를 100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하로 조정하기 위해 도 10에 나타낸 바와 같이 2파장 공진기를 이용한다.In addition to the periodic gain structure, a two-wavelength resonator is used as shown in FIG. 10 to adjust the thickness of the p-type AlGaInP layer to 100 nm or more and 350 nm or less.
이하, 도 10을 참조해서 공진기의 층 구조에 대해 설명한다.Hereinafter, the layer structure of the resonator will be described with reference to FIG. 10.
공진 파장은 680 ㎚이고, 공진기 길이가 2파장이므로, 그 광학적 두께는 1360 ㎚이다. 공진기 내의 층들은 모두 AlGaInP로 구성되지만, 활성층, 배리어층 및 스페이서 층에 대해서 상이한 조성비를 가진 AlGaInP 재료가 사용된다. 따라서, 각 층의 두께는 공진기 길이가 2파장이 되도록 그 굴절률에 따라 결정할 필요가 있다. 또한, 광과 캐리어 간의 상호작용을 최대로 하기 위해서, 활성층(702), (704)을 내부 광강도 정재파의 파복(403)과 정렬시킬 필요가 있다. 특히, 1360 ㎚의 그 단부로부터 1/4의 위치와 1360 ㎚의 1/2의 위치에 각각 활성층을 배치하고, 짧은 쪽 영역(도 10에서는 왼쪽)에 n형 층을, 긴 쪽 영역(도 10에서는 오른쪽)에 p형 층을 배치한다.Since the resonant wavelength is 680 nm and the resonator length is two wavelengths, the optical thickness thereof is 1360 nm. The layers in the resonator are all composed of AlGaInP, but AlGaInP materials with different composition ratios for the active layer, barrier layer and spacer layer are used. Therefore, the thickness of each layer needs to be determined according to its refractive index so that the resonator length is two wavelengths. Further, in order to maximize the interaction between the light and the carrier, it is necessary to align the
상기 조건을 고려하면서, 실제의 예에 대해서 하기와 같이 상세히 설명한다.Considering the above conditions, a practical example will be described in detail as follows.
제1 활성층(702) 및 제2 활성층(704)은 각각 4개의 6 ㎚ GaInP 양자 우물과 3개의 6 ㎚ Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층을 포함하고, 실제의 두께는 42 ㎚이다.The first
파장 680 ㎚에서의 GaInP 층과 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 층의 굴절률은 각각 3.56 및 3.37이므로, 이들 각 활성층의 광학적 두께는 146 ㎚이다. 이 활성층 영역의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, 비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304) 및 n형 Al0.35Ga0.15In0.5P 층(303)의 광학적 두께의 합계는 340 ㎚일 필요가 있다.Since the refractive indices of the GaInP layer and the Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P layer at a wavelength of 680 ㎚ were 3.56 and 3.37, these optical thickness of each active layer is 146 ㎚. The half of the optical thickness of the active region (73 ㎚) and a non-doped Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5
비도핑된 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 배리어층(304)은 20 ㎚의 두께를 갖도록 형성되고, n형 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 층(303)은 60.5 ㎚의 두께를 갖도록 형성된다. 이들 층(304), (303)의 굴절률은 각각 3.37 및 3.30이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 267 ㎚이다. 이 267 ㎚와 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과의 합계는 340 ㎚이다. 즉, 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1 활성층(702)의 중앙이 정재파의 파복(403)과 정렬된다. 다음에, 제1 활성층(702)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 중간 배리어층(703)의 광학적 두께와, 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)의 합계는 340 ㎚일 필요가 있다. Al0.25Ga0.25In0.5P 중간 배리어층(703)의 굴절률이 3.37이므로, 해당 층(703)의 두께는 57.6 ㎚로 하면, 이 중간 배리어층(703)의 광학적 두께는 194 ㎚가 될 필요가 있다. 따라서, 이들의 합계는 340 ㎚가 될 것이다. 그러므로, 제2 활성층(704)의 중앙도, 도 10에 나타낸 바와 같이, 정재파의 파복(403)과 정렬된다. 대안적으로는, 이 AlGaInP 중간 배리어층(703)의 일부에 마그네슘이나 아연을 도핑하여 해당 층을 p형으로 만들어, 제1 활성층(702)에의 정공의 주입 효율을 증대시켜도 된다.Undoped Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5
p측에는, 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반(73 ㎚)과, 비도핑된 Al0.25Ga0.25In0.5P 배리어층(306) 및 p형 Al0 .5In0 .5P 층(705)의 광학적 두께의 합계는 그 나머지인 680 ㎚가 될 필요가 있다. 배리어층(306)의 두께가 20 ㎚이고, p형 Al0.5In0.5P 층(705)의 두께가 167.6 ㎚인 경우, 이들 층(306), (705)의 굴절률이 각각 3.37 및 3.22이므로, 이들 두 개의 층의 광학적 두께의 합계는 607 ㎚이다. 이 607 ㎚와 제2 활성층(704)의 광학적 두께의 절반인 73 ㎚와의 합계는 680 ㎚이다. 비도핑된 배리어층을 포함하는 n층의 광학적 두께, 중간 배리어층을 포함하는 두 활성층의 광학적 두께의 합계, 및 비도핑된 배리어층을 포함하는 p형 층의 광학적 두께는 각각 267 ㎚, 486 ㎚ 및 607 ㎚이므로, 이들의 합계는 1360 ㎚이고, 이것은 2파장 공진기의 광학적 두께에 상당한다. 또, p형 AlGaInP 층의 두께는 167.6 ㎚로, 이것은 100 ㎚ 이상 300 ㎚ 이하의 범위 내이다. 이 공진기의 양쪽에는 다층막 반사경을 형성한다. 상기 공진기와 다층막 반사경의 계면은 정재파의 파복과 정렬되도록 n측 및 p측 다층막 반사경을 모두 배치한다. 구체적으로는, 저굴절률 재료로 구성된 층들, 즉, n측의 AlAs 층(801) 및 p측의 Al0 .9Ga0 .1As 층(402)은 공진기에 접촉하고 있다. 이들 층(801), (402)에는 n측 및 p측에 Al0 .5Ga0 .5As 층(401)이 배치된다. 그리고, 각 측에 각각 필요한 수(p측 36 쌍, n측 60 쌍 정도)를 반복한다.p side, of the optical thickness of the second
실시예Example 5 5
도 12는 본 실시형태에서 설명한 다층 구조를 가진 적색 면 발광 레이저의 최대 출력과 환경 온도 간의 관계(실선)를 나타낸 그래프이다. 상기 적색 면 발광 레이저는 도 10을 참조해서 설명한 도 10에 나타낸 구성을 가진다. p형 반도체 스페이서 층(705)은 p형 Al0 .5In0 .5P 층(두께: 167.6 ㎚)이다. 단, 도 10에 있어서의 층(801)은 AlAs 대신에 Al0 .9Ga0 .1As로 구성되어 있다. 도 12에 있어서, 점선은 p형 반도체 스페이서 층이 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P로 구성되고 그 두께가 60.5 ㎚인 반면, 그 나머지 층 구성은 그래프에서 실선으로 나타낸 소자와 동일한 소자의 특성을 나타낸다.Fig. 12 is a graph showing the relationship (solid line) between the maximum output and the environmental temperature of the red surface emitting laser having the multilayer structure explained in this embodiment. The red surface emitting laser has the configuration shown in FIG. 10 described with reference to FIG. 10. p-type
상기 설명한 바와 같이, 누설 전류량은 환경 온도에 따라 증가하는 경향이 있고, 광 출력은 환경 온도의 증가에 따라 감소하는 경향이 있다. 종래 기술(도 12에서의 점선)의 소자로부터의 발광이 환경 온도 75.2℃에서 정지한 반면, 본 실시예의 레이저 소자는 84.1℃까지 발광을 달성한다. 60℃에서의 두 소자의 최대 출력을 비교한 경우, 본 실시예의 소자의 최대 출력은 종래의 것보다 약 40% 크다. 즉, 본 실시예의 소자에 의하면, 누설 전류가 저감되어 고온 동작 가능한 적색 면 발광 레이저를 실현할 수 있다.As described above, the leakage current amount tends to increase with the environmental temperature, and the light output tends to decrease with the increase of the environmental temperature. While light emission from the device of the prior art (dashed line in FIG. 12) stopped at an environmental temperature of 75.2 ° C, the laser device of this embodiment achieves light emission up to 84.1 ° C. When comparing the maximum outputs of the two devices at 60 ° C., the maximum output of the device of this embodiment is about 40% larger than the conventional one. That is, according to the device of the present embodiment, it is possible to realize a red surface emitting laser capable of operating at high temperature by reducing leakage current.
단, 여기에서는 기판 쪽에 배치된 하부 DBR을 구성하는 저굴절률층으로서 낮은 열저항을 가진 AlAs 층을 이용하고 있다. 이러한 경우, 상기 레이저 소자 내부에서 발생된 열은 용이하게 도피될 수 있어, 소자 내부의 온도 상승을 억제할 수 있다.In this case, however, an AlAs layer having a low thermal resistance is used as the low refractive index layer constituting the lower DBR disposed on the substrate side. In this case, the heat generated inside the laser device can be easily escaped, so that the temperature rise inside the device can be suppressed.
이하의 표 1은 각종 두께를 가진 p형 스페이서 층의 예를 나타내고 있다. 표에 있어서, p형 스페이서 층으로서 Al0 .5In0 .5P 층이 이용되고, n형 스페이서 층으로서 Al0 .35Ga0 .15In0 .5P 층이 이용되며, p측 및 n측 각각에서의 비도핑된 배리어 층으로서 Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 층이 이용되고 있다. 4중극 Ga0 .5In0 .5P/Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 양자 우물이 활성층으로서 이용된 경우, 그 두께는 42 ㎚이다. 주기 이득 구조가 이용된 경우, 중간의 비도핑된 배리어 층을 포함하는 두께는 이배 주기 이득 구조를 위해 141.6 ㎚이고, 삼배 주기 이득 구조를 위해서 2개의 중간의 비도핑된 배리어 층을 포함하는 두께는 241.2 ㎚이다.Table 1 below shows examples of p-type spacer layers having various thicknesses. In the table, 0 .5 Al as a p-type spacer layer In 0 .5 P layer is used and, the Al 0 .35 Ga 0 .15 In 0 .5 P layer as the n-type spacer layer is used, p-side and n each side has an undoped barrier layer is Al 0 .25 Ga 0 .25 in 0 .5 P layer is used in. Quadrupole Ga 0 .5 In 0 .5 when the P / Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P Quantum Well utilized as an active layer, that has a thickness of 42 ㎚. When a periodic gain structure is used, the thickness including the intermediate undoped barrier layer is 141.6 nm for the double periodic gain structure and the thickness including the two intermediate undoped barrier layers for the triple period gain structure. 241.2 nm.
실시예 1, 2 및 4에 있어서, p형 스페이서 층의 두께는 167.6 ㎚ 또는 273.2 ㎚이다. 그러나, 표 1에 나타낸 바와 같이, p형 스페이서 층의 두께는 공진기 길이와, 활성층, 비도핑된 배리어 층 및 n형 스페이서 층의 두께를 적절하게 조정함으로써 바람직한 값(100 ㎚ 이상 350 ㎚ 이하)으로 조정될 수 있다.In Examples 1, 2 and 4, the thickness of the p-type spacer layer is 167.6 nm or 273.2 nm. However, as shown in Table 1, the thickness of the p-type spacer layer is adjusted to a desired value (100 nm or more and 350 nm or less) by appropriately adjusting the resonator length and the thickness of the active layer, the undoped barrier layer, and the n-type spacer layer. Can be adjusted.
공진기 길이가 설계된 파장의 적분 배수일 것이 요구되고 활성층의 중심이 정재파의 파복과 정렬되도록 요구될 경우, p형 스페이서의 두께는 연속적인 값을 취하지 않는다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 비도핑된 배리어 층의 두께를 조정함으로써 본 발명에서 정의된 범위 내로 어느 정도 조정하는 것이 가능해진다.If the resonator length is required to be an integral multiple of the designed wavelength and the center of the active layer is required to align with the break of the standing wave, the thickness of the p-type spacer does not take a continuous value. As shown in Table 1, by adjusting the thickness of the undoped barrier layer, it becomes possible to adjust to some extent within the range defined in the present invention.
이상 본 발명은 실시예를 참조해서 설명하였지만, 본 발명은 이들 개시된 실시예로 한정되지 않는 것임을 알 수 있을 것이다. 이하의 특허청구범위의 범주는 모든 변형, 등가의 구성 및 기능을 망라하도록 최광의의 해석에 따를 필요가 있다.As mentioned above, although this invention was demonstrated with reference to the Example, it should be understood that this invention is not limited to these disclosed Example. The scope of the following claims is to be accorded the broadest interpretation so as to encompass all modifications, equivalent configurations and functions.
도 1은 적색 면 발광 레이저의 활성층, p형 반도체 스페이서 층 및 p형 반도체 다층막 영역의 밴드 단부의 라인 업을 나타낸 도면;BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a lineup of band ends of an active layer, a p-type semiconductor spacer layer and a p-type semiconductor multilayer film region of a red surface emitting laser;
도 2A는 p형 반도체 스페이서 층 두께와 규격화 누설 전류 간의 관계를 나타낸 도면이고, 도 2B는 p형 반도체 스페이서 층 두께와 공진기 내부에서의 광손실 간의 관계를 나타낸 도면;FIG. 2A shows the relationship between the p-type semiconductor spacer layer thickness and the normalized leakage current, and FIG. 2B shows the relationship between the p-type semiconductor spacer layer thickness and the optical loss inside the resonator;
도 3은 제1실시형태에 따른 적색 면 발광 레이저의 층 구성을 나타낸 모식적 단면도;3 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of a red surface emitting laser according to the first embodiment;
도 4는 실시예 1의 공진기 구조를 나타낸 모식적 단면도;4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a resonator of Example 1;
도 5는 실시예 1의 레이저 소자의 모식적 단면도;5 is a schematic cross-sectional view of the laser device of Example 1;
도 6은 쉬나이더 문헌으로부터 인용된 밴드 다이어그램;6 is a band diagram cited from Schneider literature;
도 7은 실시예 2의 적색 면 발광 레이저의 층 구성을 나타낸 모식적 단면도;7 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of a red surface emitting laser of Example 2;
도 8은 실시예 2의 공진기 구조를 나타낸 모식적 단면도;8 is a schematic sectional view showing a resonator structure of Example 2;
도 9A 및 도 9B는 화상형성장치의 모식도;9A and 9B are schematic views of an image forming apparatus;
도 10은 실시예 4의 공진기 구조를 나타낸 모식적 단면도;10 is a schematic sectional view showing a resonator structure of a fourth embodiment;
도 11은 화상표시장치의 모식도;11 is a schematic diagram of an image display device;
도 12는 실시예 5의 소자의 온도 특성을 나타낸 그래프.12 is a graph showing the temperature characteristic of the device of Example 5. FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
301: 기판 302: 제1반사경301: substrate 302: first reflector
305: 활성층 307: p형 반도체 스페이서 층305: active layer 307: p-type semiconductor spacer layer
308: 제2반사경 401: Al0 .5Ga0 .5As 층308: second reflector 401: Al 0 .5 0 .5 Ga As layer
402: Al0 .9Ga0 .1As 층 402: Al 0 .9 Ga 0 .1 As layer
403: 내부 광강도 정재파의 파복403: The recovery of the internal light intensity standing wave
501: n측 전극 502: 전류 구속층501: n-side electrode 502: n-current constrained layer
503: 절연막 504: p측 전극503: insulating film 504: p-side electrode
701: n형 AlAs/Al0 .5Ga0 .5As 다층막 반사경 701: n-type AlAs / Al Ga 0 .5 0 .5 As multilayer film reflector
702: 제1 Ga0 .56In0 .44P/Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 양자 우물 활성층702: No. 1 Ga 0 .56 In 0 .44 P /
703: Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 중간 배리어층 703: Al 0 .25 Ga 0 .25 In 0 .5 P intermediate barrier layer
704: 제2 Ga0 .56In0 .44P/Al0 .25Ga0 .25In0 .5P 양자 우물 활성층704: No. 2 Ga 0 .56 In 0 .44 P /
705: p형 Al0 .5In0 .5P 스페이서 층 801: AlAs 층705: p-type Al 0 .5 0 .5 In P spacer layer 801: AlAs layer
900: 감광체 902: 대전기 900: photosensitive member 902: electrical charging
904: 현상기 906: 전사 대전기 904: developer 906: warrior warrior
908: 정착기 910: 회전 다면경(광편향기)908: fixing machine 910: rotating multi-faceted mirror (optical deflector)
912: 모터 914: 적색 면 발광 레이저 어레이912: motor 914: 면 red surface emitting laser array
916: 반사경 920: 콜리메이터 렌즈916: reflector 920: collimator lens
922: f-θ 렌즈922: f-θ lens
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