專利名稱：垂直腔表面發(fā)射激光器以及使用其的成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及垂直腔表面發(fā)射激光器。此外，本發(fā)明還涉及使用該 垂直腔表面發(fā)射激光器的成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
垂直腔表面發(fā)射激光器(下面稱為VCSEL )是用于在垂直于襯底 的面內(nèi)方向的方向發(fā)射激光束的激光裝置。
VCSEL的優(yōu)點在于，與邊緣發(fā)射激光器相比，制造工藝可以簡化， 并且可容易地實現(xiàn)二維陣列。近年來，已經(jīng)對VCSEL進(jìn)行了深入研 究。
通常使用分布式Bragg反射器(下面稱為DBR)作為VCSEL的 反射層。
DBR —般是通過以的光學(xué)膜厚度交替地層疊高折射率層和低 折射率層而形成的。即，DBR是由低折射率層和高折射率層交替層疊 的層疊結(jié)構(gòu)形成的。層疊結(jié)構(gòu)具有這樣的結(jié)構(gòu)折射率在厚度方向周 期性地變化。由于折射率的這種周期性變化，入射到DBR的光在各 個層的界面處彼此同相地,皮反射。結(jié)果，在各個層上反射的波彼此加 強(qiáng)，DBR充當(dāng)反射器。
M. Grabherr等人，IEEE Photonics Technology Letters, vol.9， no.lO， 1997， ppl304 (非專利文件l)公開了表面發(fā)射激光器，該表面發(fā) 射激光器在構(gòu)成DBR的層上包括氧化結(jié)構(gòu)，并且限制注入到活性層 的電流，以限制活性層的發(fā)射區(qū)域。下面，將參考圖8描述具有氧化 限制結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射激光器(也稱作"選擇性氧化型的表面發(fā)射激光 器，，)。
參看圖8，在GaAs半導(dǎo)體襯底801上設(shè)置DBR 802,該DBR 802
包括交替層疊的AlG.2GaG.8As高折射率層808和AlAs低折射率層809。 在DBR 802上設(shè)置具有三個GaAs量子阱和隔體層的AlGaAs腔803。 在腔803上形成DBR 804,該DBR 804包括交替層疊并且摻雜有p 型雜質(zhì)的Alo.2Gao.8As高折射率層810和A^Ga^As低折射率層811。 30函厚的AlAs層805被引入到構(gòu)成DBR 804的Al^GaojAs低 折射率層811之中的位于與腔803最近的部分處的低折射率層。此外，
注入的上部電極806和下部電極807。摻雜DBR 802,以4吏其是n型， 摻雜DBR 804 ，以使其是p型。
有選擇地氧化AlAs層805,以^^形成氧化限制結(jié)構(gòu)。由于AlAs 層805中的A1含量高于構(gòu)成DBR 804的其他層，其氧4匕速度較高， 以便在高溫蒸汽氣氛中有選擇地對其進(jìn)行氧化。通過此氧化，折射率 大約為3.1的半導(dǎo)體變成折射率大約為1.6的絕緣體(氧化鋁)。
在非專利文件i中，如參考圖8所描述的，在構(gòu)成DBR的低折 射率層811中設(shè)置包含較大量的Al的選擇性氧化層。然后，通過從橫 向方向的氧化處理，AlAs層805變成氧化區(qū)域812和非氧化區(qū)域813， 以形成氧化限制結(jié)構(gòu)。
順便說一句，垂直腔表面發(fā)射激光器的基橫模的光束是具有中央 強(qiáng)度高的高斯強(qiáng)度分布的窄擴(kuò)展光束。因此，作為在需要光強(qiáng)度集中 到中央的小斑點光束的電子照相設(shè)備中的用于曝光的光源，基橫模的 光束比高階橫模的光束更加理想。
此外，當(dāng)多個橫模同時進(jìn)行激射(lashig)時，根據(jù)垂直腔表面發(fā)
射激光器的操作條件和操作環(huán)境化，橫模變得不穩(wěn)定。即，在模式之
間發(fā)生跳躍，并且光束發(fā)散角和強(qiáng)度分布改變。
從以上背景的角度來看，穩(wěn)定的單一基橫模的激射是理想的。 在以上情況下，在非專利文件1中，非氧化區(qū)域(圖8的區(qū)域813)
的直徑(以下稱為"限制直徑，，)變窄，以提供單一基橫模。
然而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過圖8中所顯示的配置中，
計算包括非氧化區(qū)域813的DBR的反射率和包括氧化區(qū)域812的DBR
812的DBR的反射率更高。(稍后將 描述計算條件的細(xì)節(jié)。)
即，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在常規(guī)技術(shù)的配置中，通過提供氧 化限制結(jié)構(gòu)，使DBR的周邊部分的反射率高于其中央部分的反射率。 結(jié)果，在周邊部分具有較大量的功率分布的高階模的光的反射率高于 在中央部分具有較大量的功率分布的基模的光的反射率，從而，首次 認(rèn)識到，常規(guī)配置具有促使高階模的激射的影響。
具體來說，當(dāng)擴(kuò)展氧化限制結(jié)構(gòu)的限制直徑以便提供較高的輸出 時，利用氧化限制結(jié)構(gòu)的橫?？夭蛔悖す馄鹘Y(jié)構(gòu)受到DBR的影響， 并容易在多模下進(jìn)行激射。

發(fā)明內(nèi)容
在以上情況下，本發(fā)明的目的是提供一種垂直腔表面發(fā)射激光器， 它能夠抑制多模的激射，并具有限制電流的功能，并提供一種使用該 垂直腔表面發(fā)射激光器的成像設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，垂直腔表面發(fā)射激光器包括層疊的第一
反射鏡、具有活性層的腔、以及第二反射鏡，其中，所述第二反射鏡
是由多次交替地層疊的第一層和第二層構(gòu)成的多層反射器，所述第二 層的折射率高于所述第一層的折射率，并且，構(gòu)成所述多層反射器的
多個第二層中的至少一個第二層具有用于限制活性層區(qū)域的發(fā)射區(qū)域 的氧化限制結(jié)構(gòu)，該氧化限制結(jié)構(gòu)具有氧化區(qū)域和非氧化區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，成像設(shè)備包括具有多個所述垂直腔表面 發(fā)射激光器的陣列光源；用于反射從所述陣列光源輸出的激光束并進(jìn) 行掃描的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器；用于利用由所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)的光來形成靜 電潛像的感光元件；以及用于使所述靜電潛像顯影的顯影器。
通過以下參考附圖對示例性實施例的描述，本發(fā)明的其他特征將 變得顯而易見。


200810149702.0
說明書第4/15頁
圖1A和1B是顯示了用于描述本發(fā)明的激光器的截面結(jié)構(gòu)的圖。 圖2A和2B是顯示了折射率在層疊方向的變化的概念圖。 圖3是表示氧化區(qū)域和非氧化區(qū)域之間的反射率差異的曲線圖。 圖4是顯示了本發(fā)明的第一實施例中的激光器結(jié)構(gòu)的示意截面圖。
圖5A和5B是用于描述根據(jù)本發(fā)明的成像設(shè)備的圖。
圖6是顯示了本發(fā)明的第二實施例中的激光器結(jié)構(gòu)的示意截面圖。
圖7是表示氧化區(qū)域和非氧化區(qū)域之間的反射率差異的曲線圖。
圖8是顯示了根據(jù)非專利文件1的激光器中的截面結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖9A和9B是顯示了折射率在層疊方向的變化的概念圖。
圖IO是表示氧化區(qū)域和非氧化區(qū)域之間的反射率差異的曲線圖。
具體實施例方式
第一實施例(垂直腔表面發(fā)射激光器) 將參考圖1A描述本發(fā)明的第一實施例。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激光器旨在一種垂直腔表面發(fā)射激光 器，其包括層疊的第一反射鏡1002、具有活性層(圖中省略了活性層 的細(xì)節(jié))的腔IOOO、以及第二反射鏡IOIO。
第二反射鏡1010是由多次交替地層疊的第一折射率的第一層 1014和第二折射率的第二層1012構(gòu)成的多層反射器，第二折射率高 于第一折射率。此外，在作為構(gòu)成多層反射器的第二層1012的一部分 的層1022的周邊部分1500提供了氧化區(qū)域1016。更具體地說，在層 1022的厚度方向上，在第二折射率的區(qū)域1032和1042之間插入了折 射率低于第二折射率的氧化區(qū)域1016。
參見圖1A，在構(gòu)成第二反射鏡1010的多個第二層之中的、第二 層的周邊部分1500中具有氧化區(qū)域1016的層被表示為參考編號 1022。
在此示例中，在包括周邊部分1500的位置處的截面(沿著圖1A
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的線1B-1B截取的截面)由如1B所示的周邊部分1500、 1510和中央 部分1600構(gòu)成。雖然稍后將描述細(xì)節(jié)，但是，周邊部分1500和1510 由氧化區(qū)域1016構(gòu)成，而非氧化區(qū)域存在于中央部分1017中。
圖2A顯示了在圖1A中的虛線框1800部分處在層疊方向上的折 射率變化。即，圖2A顯示了在層疊表面發(fā)射激光器的腔1000以及在 腔1000緊上方形成的DBR 1010的方向上的折射率變化。
在本發(fā)明中，如圖2A所示，在構(gòu)成DBR的第二層(高折射率層) 1012和第一層(低折射率層)1014之中，在高折射率層1012的內(nèi)部 布置了選擇性氧化層1018。
當(dāng)通過氧化工藝氧化選擇性氧化層1018時，氧化部分的折射率被 降低，以表現(xiàn)出圖2B中所顯示的折射率分布。此圖顯示了這樣的狀 態(tài)選擇性氧化層1018通過氧化工藝變成氧化層1016，并且選擇性 氧化層1018的折射率進(jìn)一步降低。
當(dāng)發(fā)射波長是k時，DBR通常以這樣的方式配置 一對高折射率 層和低折射率層以的光學(xué)膜厚度多次交替地層疊。如圖2B所示， 在本發(fā)明的配置中，當(dāng)考慮>74的光學(xué)膜厚度時，構(gòu)成氧化限制結(jié)構(gòu) 的氧化區(qū)域1016位于應(yīng)該布置高折射率層的部分1022處。
如上文所描述的，在本發(fā)明中，由于在部分1022布置了具有低折 射率的材料，就整個DBR層1010而言，折射率在層疊方向的周期性 的分布被打亂。更具體地說，在圖2B中，平均折射率低的層1(M2、 1018以及1032被布置在腔1000緊上方的低折射率層10W(i)之后。此 外，布置在這些層之后的低折射率層1014(ii)與氧化層1016相比具有 高折射率。
在根據(jù)本發(fā)明的DBR中，來自包括氧化層1016的部分1022與 其上部低折射率層1014(i)和下部低折射率層1014(ii)之間的界面處的 反射波的作用是消除來自其他界面的反射波。結(jié)果，降低了包括氧化 部分1022的DBR層1010的折射率。
圖3顯示了本發(fā)明的實施例中的其中選擇性氧化層^L氧化的周邊 部分1500和其中選擇性氧化層沒有被氧化的中央部分1600的折射率
的計算結(jié)果。圖中的橫軸代表DBR的層疊的重復(fù)數(shù)，縱軸代表反射 率。
計算模型用于具有針對紅色表面發(fā)射激光器的氧化限制結(jié)構(gòu)的光 輸出端DBR 1010，以計算從包括活性層的腔1000觀看的反射率。例 如，DBR的低折射率層1014由Alo.5Ga。.5As制成，而高4斤射率側(cè)由 Alo.9GacuAs制成。氧化區(qū)域1016位于高折射率層的中央，厚度30nm， 激射波長680nm。在計算中，圖1A和1B中所顯示的氧化區(qū)域1016 的兩側(cè)的高折射率部分1032和1042兩者的厚度都被設(shè)置為12nm。 低折射率層1014的厚度是54nm。
該反射率的計算使用了特征矩陣。在圖3中，發(fā)現(xiàn)作為氧化區(qū)域
的周邊部分1500的反射率低于作為非氧化區(qū)域的中央部分1600的反 射率。從圖3確認(rèn)，在本發(fā)明的配置中，選擇性氧化層^皮氧化，以使 得包括氧化區(qū)域的諧振方向的反射率降低。
當(dāng)如上文所描述，使DBR 1010中的中央部分1600的反射率較高 而使周邊部分1500的反射率較低時，在單橫模中容易發(fā)生激射。這是 因為，在周邊部分中具有較大量功率分布的高階模的光與其中DBR 的反射率低的區(qū)域重疊。
結(jié)果，在本發(fā)明的配置中，反射率分布具有甚至在4吏限制直徑大 于在常規(guī)示例中可以維持單橫模所用的直徑的情況下，也抑制高階模 激射的影響。由此，可以保持單模工作，直至與常規(guī)示例相比更大的 限制直徑。
另一方面，圖9A顯示了一般使用的已知配置的層配置，如在非 專利文件1中所公開的典型配置，并顯示了在表面發(fā)射激光器的腔 1000和直接在腔1000上形成的DBR 1010的層疊方向上的折射率變 化。
在圖9A中所顯示的配置中，氧化層4018被布置在低折射率層 1044內(nèi)，由于氧化，選擇性氧化層變成氧化區(qū)域4016，其折射率大大 地降低(圖9B顯示了此狀態(tài))。
在此情況下，層疊方向的折射率分布發(fā)生變化，并且該層將是這
樣的層與上下層相比，折射率應(yīng)該降低，并且構(gòu)成DBR 1010的層 的層疊方向上的折射率分布的周期性不發(fā)生變化。
因此，由于在DBR 1010的各個界面上反射的波的相位等同于圖 9A中的各個界面上反射的波的相位，因此，各個界面上的反射波彼此 加強(qiáng)。此外，具有氧化區(qū)域4016的低折射率層1044和其上部和下部 高折射率層1012之間的折射率的差異變得更大，整個DBR的反射率 也增大。
圖IO顯示了當(dāng)如非專利文件l中所公開的在DBR1010內(nèi)的低折 射率層1044中布置氧化層時作為氧化區(qū)域的周邊部分和作為非氧化 區(qū)域的中央部分的折射率的計算結(jié)果。除了氧化區(qū)域的位置之外，該 配置和圖3中所顯示的計算模型的配置相同。在圖10中，可以看出， 周邊部分的反射率由于氧化而增大。
(氧化區(qū)域)
在根據(jù)本發(fā)明的垂直腔表面發(fā)射激光器中，如圖1A所示，包括 氧化限制結(jié)構(gòu)的高折射率層(第二層)1022可以不一定限于一層。例 如，可以提供兩層、三層或更多層，作為高折射率層。
此外，優(yōu)選情況下，從電流限制的角度來看，在與腔最近的第二 層的周邊部分形成氧化區(qū)域。
在氧化區(qū)域，從第二反射鏡注入的電流必需被限制在周邊部分的 內(nèi)部，并且與周邊部分的內(nèi)部(中央部分)相比，周邊部分在腔的諧 振方向上的反射率被降低。
在上面的描述中，在第二反射鏡側(cè)上布置了氧化區(qū)域。第一反射 鏡也可以由多層反射鏡構(gòu)成，并且氧化區(qū)域可以布置在構(gòu)成了該多層 的高折射率層中。此外，也可以在第一反射鏡和第二反射鏡兩者上都 布置氧化區(qū)域。
為了防止可歸因于氧化層的提供而發(fā)生的界面的打亂，優(yōu)選情況 下，由高折射率材料制成的部分(在圖1A中由參考編號1032和1042 表示)應(yīng)被布置在氧化區(qū)域1016的從觀察點來看的厚度方向的兩側(cè)。 此外，優(yōu)選情況下，部分1032和1042的實際厚度(不是光學(xué)厚度)
可以被設(shè)置在以下數(shù)值范圍內(nèi)。
更具體地說，優(yōu)選情況下，部分1032和1042的厚度被設(shè)置為5nm 或更大以及19nm或更小，更優(yōu)選情況下，對于部分1032,設(shè)置為7nm， 對于部分1042,設(shè)置為17nm。作為本發(fā)明的發(fā)明人的研究結(jié)果，部 分1032和1042的厚度不需要彼此相等，這些部分的厚度可以彼此不 對稱。具體來說，發(fā)現(xiàn)部分1032被設(shè)置為7nm，而部分1042被設(shè)置 為17nm,從而，能使氧化區(qū)域的反射率最大限度地減小。
此外，當(dāng)在多個第二層的周邊部分上設(shè)置氧化區(qū)域時，可以使由 各個氧化區(qū)域所定義的限制直徑彼此不同。更具體地說，當(dāng)在與腔最 近的第二層上形成的第一氧化限制結(jié)構(gòu)的限制直徑是第一直徑，而在 其他第二層上形成的第二氧化限制結(jié)構(gòu)的限制直徑是第二直徑時，優(yōu) 選情況下，將結(jié)構(gòu)設(shè)計為使第一直徑大于第二直徑。具體來說，在基 模的光損失不應(yīng)該極大地受靠近活性層的一側(cè)處的氧化區(qū)域的存在的 影響的情況下，該結(jié)構(gòu)是有效的。
在常規(guī)示例的結(jié)構(gòu)中，被注入到活性層中的電流的密度分布在發(fā) 射部分(活性層的位于非氧化部分813的下面的部分)中的外周邊部 分稍微高一些，而在中央部分稍微低一些。
另一方面，基模的光強(qiáng)分布是單峰強(qiáng)度分布，最高強(qiáng)度在中央， 如此，在發(fā)射部分的外周邊部分，所述強(qiáng)度與中央相比是l/3或更小。 因此，由于基模和注入電流的密度分布是不同的，難以有效地只利用 基模消耗注入的載流子，激光器的轉(zhuǎn)換效率下降。然后，不能通過基 模消耗的外周邊部分的載流子給高階模帶來增益，產(chǎn)生了有助于高階 模激射的效果。
相反，當(dāng)使限制直徑(698;第一限制直徑)大于限制直徑(699; 第二限制直徑)時，與常規(guī)示例相比，注入到活性層中的電流的密度 分布是在中央最高的單峰分布。因此，與常規(guī)示例相比，該電流注入 密度的分布更接近于基模的密度分布(單峰分布)，并且基模由于誘導(dǎo) 發(fā)射可以有效地消耗栽流子。此外，還可以提高激光器的轉(zhuǎn)換效率， 可以抑制由于存在于發(fā)射部分的外周邊的過多栽流子而導(dǎo)致的高階模
的激射。存在這樣的情況激光器的電阻由于限制直徑699的減小而 增大。然而，也可以通過增大層606的周邊的摻雜濃度來減小電阻的 增大程度。
此外，為了如此改變氧化限制直徑，將圖6中所顯示的腔603和 第二反射鏡604的部分預(yù)先通過用于將這些部分與其他設(shè)備分離的蝕 刻形成為梯形臺面(上表面?zhèn)?，或電極608側(cè)呈突出形狀)。在選擇性 氧化層具有相同厚度的情況下，當(dāng)同時執(zhí)行形成氧化區(qū)域605和606 的氧化區(qū)域的過程時，在面內(nèi)方向相同長度的周邊部分被氧化。當(dāng)氧 化工藝之前的配置是臺面配置時，實現(xiàn)了在更靠近腔603的一側(cè)的第 一限制直徑大于第二限制直徑的結(jié)構(gòu)。當(dāng)腔603和第二反射鏡604的 所述部分不是臺面而是如圖6的示意圖所示，與襯底的面內(nèi)方向基本 上垂直地被蝕刻時，預(yù)先使選擇性氧化層的厚度彼此不同，從而使得 控制第 一和第二限制直徑之間的直徑關(guān)系成為可能。
在通常氧化工藝的情況下，當(dāng)選擇性氧化層厚時的氧化區(qū)域形成 速率高于選擇性氧化層薄的情況下的氧化區(qū)域形成速率。因此，當(dāng)用
于形成第一限制直徑的選擇性氧化層比用于形成第二限制直徑的選擇 性氧化層更厚時，可以產(chǎn)生第一限制直徑大于第二限制直徑的結(jié)構(gòu)。 (材料)
第一反射鏡1002、腔1000以及第二反射鏡1010可以按此順序?qū)?疊在襯底上，以提供激光器。例如，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于紅色激光器時， 襯底由n型GaAs制成，第一反射鏡由通過AlGaAs制成的n型半導(dǎo) 體多層反射器形成。那么，構(gòu)成腔的活性層可以由GalnP制成，隔體 層可以由AlGalnP或AlInP制成。此外，第二反射鏡由通過AlGaAs 制成的p型半導(dǎo)體多層反射器形成。將參考稍后要描述的實施例來描 述材料配置和膜厚度的更多細(xì)節(jié)。
此外，在本發(fā)明中，第一反射鏡可以不一定是DBR反射鏡，例 如，可以使用在面內(nèi)方向具有周期性折射率變化的光子晶體結(jié)構(gòu)。此 外，襯底和第二反射鏡的關(guān)系可以是襯底/第 一反射鏡/腔/第二反射鏡 或襯底/第二反射鏡/腔/第 一反射鏡，只要可以進(jìn)行電流注入即可。
本發(fā)明的特征不僅可以應(yīng)用于所謂的用于進(jìn)行紅色發(fā)射的激光
器，而且還可以應(yīng)用于諸如GaN型的藍(lán)色或較短波長側(cè)的激光器。 第二實施例(應(yīng)用設(shè)備)
預(yù)期存在通過使用第一實施例中所描述的垂直腔表面發(fā)射激光器 作為光源的各種應(yīng)用設(shè)備(圖像顯示設(shè)備或成像設(shè)備)。當(dāng)然，它也可 以被用作具有多個激光器的陣列光源。
當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于成像設(shè)備時，如圖5A和5B所示，成像設(shè)備包括 光源，即，垂直腔表面發(fā)射激光器914;以及光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910，用于反 射從垂直腔表面發(fā)射激光器914輸出的激光束并進(jìn)行掃描。對光學(xué)偏 轉(zhuǎn)器910的配置沒有特別限制，只要光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910具有反射激光束 的功能和掃描反射方向的功能即可。
例如，可以通過以下配置來實現(xiàn)諸如復(fù)印機(jī)或激光束打印機(jī)之類 的成像設(shè)備。即，成像設(shè)備包括用于反射從光源輸出的激光束并進(jìn)行 掃描的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器，用于利用被光學(xué)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)的激光束來形成靜電 潛像的感光元件，以及用于對靜電潛像顯影的顯影器。
對光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910的配置沒有特別限制，只要光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910具 有反射激光束的功能和掃描反射方向的功能即可。
作為光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910,可以使用，例如，多邊反射器、多邊反射 鏡或其中由Si等等制成的薄片體被激射的反射器。
電子照相設(shè)備包括，例如，用于借助被光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910偏轉(zhuǎn)的激 光束形成靜電潛像的鼓形感光元件900、充電器卯2、顯影器卯4以及 定影器908。
甚至在根據(jù)本發(fā)明的紅色表面發(fā)射激光器用于諸如顯示器之類的 圖像顯示設(shè)備的情況下，也可以將光學(xué)偏轉(zhuǎn)器910組合來構(gòu)成。
此外，上文所描述的多個紅色表面發(fā)射激光器可以排列為陣列， 并作為多個光束，應(yīng)用于成像設(shè)備。
圖5A和5B顯示了其中安裝了根據(jù)本發(fā)明的紅色表面發(fā)射激光器 陣列的電子照相記錄型成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。圖5A是顯示了成像設(shè)備 的頂視圖，而圖5B是成像設(shè)備的側(cè)視圖。
圖5A和5B包括感光元件卯0、充電器902、顯影器904、轉(zhuǎn)印 充電器906、定影器908，作為光學(xué)偏轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)式多邊反射鏡910、 電機(jī)912、紅色表面發(fā)射激光器陣列914、反射器916、準(zhǔn)直透鏡920 以及f-e透鏡922。
參見圖5B，電機(jī)912旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式多邊反射鏡910。在此實 施例中，旋轉(zhuǎn)式多邊反射鏡910具有六個反射面。
表面發(fā)射激光器陣列914是記錄光源。表面發(fā)射激光器陣列914 由激光器驅(qū)動器(未顯示)根據(jù)圖像信號來接通或斷開，并且如此調(diào) 制的激光束通過準(zhǔn)直透鏡920從紅色表面發(fā)射激光器陣列914向旋轉(zhuǎn) 式多邊反射鏡910發(fā)射。
旋轉(zhuǎn)式多邊反射鏡910在由箭頭表示的方向旋轉(zhuǎn)，而從表面發(fā)射 激光器陣列914輸出的激光束作為偏轉(zhuǎn)光束被反射，該偏轉(zhuǎn)光束利用 旋轉(zhuǎn)式多邊反射鏡910的旋轉(zhuǎn)來連續(xù)地改變反射面上的輸出角。借助 f-9透鏡922，對反射光束進(jìn)行畸變校正，該反射光束通過反射器916 照射到感光元件900上，并在主掃描方向被掃描在感光元件900上。 在此情況下，通過激光束經(jīng)由旋轉(zhuǎn)式多邊反射鏡910的一個表面的反 射，在感光元件900的主掃描方向形成與紅色表面發(fā)射激光器陣列 對應(yīng)的多條線的圖像。在此實施例中，使用4x8紅色表面發(fā)射激光器 陣列914,同時形成32條線的圖像。
由充電器卯2預(yù)先對感光元件900進(jìn)行充電，通過掃描激光束， 對感光元件900順序地曝光，以形成靜電潛像。此外，感光元件900 在由箭頭表示的方向旋轉(zhuǎn)，并由顯影器904使形成的靜電潛像顯影， 并借助轉(zhuǎn)印充電器906將經(jīng)過顯影的可見圖像轉(zhuǎn)印到轉(zhuǎn)印紙(未顯示) 上。其上轉(zhuǎn)印了可見圖像的轉(zhuǎn)印紙被輸送到定影器908，然后，在被
定影之后，轉(zhuǎn)印紙被排出外面。
作為陣列，例如，可以使用4x8紅色表面發(fā)射激光器陣列。 示例
(第一示例)
下面，將描述本發(fā)明的第一示例。
圖4顯示了根據(jù)第一示例的表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的示意截面圖。 此示例中的表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)是按如下方式配置的。 即，表面發(fā)射激光器包括n型GaAs襯底501 、 n型 Alo.9Ga(uAs/Al。.sGao.5As多層反射器502以及腔503，該腔503具有四 個Ga0 45In0 55P量子阱以及夾著(sandwich )量子阱的AlGalnP層。 此外，表面發(fā)射激光器還包括p型Alo.9Ga(uAs/Alo.5Ga。.5As多層反射 器504，以及厚度為30nm的Al0.98Ga0.02As層505，該Al0.98Ga0.02As 層505被插入到作為從多層反射器504的活性層起的第一層的 Alo.sGa。.sAs層中。此外，表面發(fā)射激光器包括10nm厚的高度摻雜的 p型GaAs層506、用于進(jìn)行電絕緣和柱體(post)保護(hù)的Si02 509、 上部電極510以及位于襯底的背面上的下部電極511。
在本說明書中，"柱體"是指由腔503和多層反射器504形成的柱 狀部分。
此外，至于p型多層反射器的實際厚度(不是光學(xué)厚度)，形成 低折射率層(第一層)的Alo力Ga(uAs是54nm， Alo.5Gao.5As是50nm。
Al0.98Ga。.()2As層505在設(shè)備處理步驟中從橫向方向4皮氧化，并被 分成氧化區(qū)域507和非氧化區(qū)域508 。
此外，ii型多層反射器502的重復(fù)數(shù)是60個周期，p型多層反射 器504的重復(fù)數(shù)是36個周期，而構(gòu)成多層反射器的這兩種的光學(xué)厚度 是激射波長660nm的1/4波長。
可以在多層反射器502和504的層界面上設(shè)置連續(xù)地改變Al和 Ga的成分的成分分級層，以便減小電阻。
下面將描述實際的設(shè)備制造過程。
首先，允許以上層配置通過有機(jī)金屬氣相外延法或分子束外延而 生長，以提供生長晶片。通過借助半導(dǎo)體光刻法或半導(dǎo)體蝕刻技術(shù)的 干法蝕刻除去晶片，直至腔503，或腔503的下面，以形成直徑為大 約30nm的柱狀柱體。
Al0.98Ga0.。2As氧化限制層505通過在大約450° C的水汽氣氛中 從橫向方向氧化而形成。在此情況下，氧化時間是受控制的，以產(chǎn)生
進(jìn)行電流和光學(xué)限制的氧化區(qū)域507和不被氧化的中央部分508。氧 化時間是受控制的，以便中央部分508的直徑變成大約4nm。
通過作為絕緣膜沉積方法的等離子CVD法或作為圖案形成方法 的光刻法，形成絕緣膜509，以便覆蓋柱體側(cè)表面和被蝕刻部分。
通過真空沉積法和光刻法，沉積p側(cè)和n側(cè)電極510和511。電 極510形成有用于進(jìn)行光提取的圓形窗口 。
為了獲得極好的電特性，完成了其中電極和半導(dǎo)體在高溫氮氣氛 中被合金化的設(shè)備。
在非專利文件l中所公開的方法中，由于氧化限制層的限制直徑 小，因此，極大地限制了輸出。此外，如非專利文件l所公開的，當(dāng) 使限制直徑較大時(在非專利文件l中為4nm),光輸出可變得較大， 但是，在包括高階橫模的多個模下容易發(fā)生激射。
高階橫模操作的原因是i)由于限制直徑增大，光分布與活性區(qū) 域的重疊增大，以及ii)橫模之間的腔內(nèi)散射損耗的差異減小。然而， 當(dāng)如在此示例中那樣，使在垂直于光束的傳播的輻向方向的外側(cè)的 DBR的反射'率低于內(nèi)側(cè)的反射率時，這樣的配置具有抑制高階模的效 果。因此，即使使限制直徑較大以便增大光輸出，從而產(chǎn)生i)和ii)的 效果，也可以抑制高階模操作。 (第二示例)
將描述第二示例中的在構(gòu)成DBR的多個高折射率層上設(shè)置氧化 限制層的結(jié)構(gòu)。
圖6顯示了示意截面圖，顯示了根據(jù)此示例的表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)。
根據(jù)此示例的表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)在GaAs襯底601上包括n型 多層反射器602，與第一示例中的活性層相同的由量子阱和阻擋層構(gòu) 成的活性層603,以及p型Alo.9Ga(uAs/Alo.5Gao,5As多層反射器604。
此外，表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)包括30nm厚的Alo.9sGa。.()2As的選擇 性氧化層605和606，它們被插入到作為從p型多層反射器604的活 性層起的第一和第十二層的Al。.5Ga。.5As層中。此外，表面發(fā)射激光器
結(jié)構(gòu)包括高度摻雜的p型GaAs層607、上部電極608以及位于襯底 的背面的下部電極609。
除了選擇性氧化層被插入作為p型多層反射器的第十二層的 Al0.5Gao.5As層中之外，此示例的設(shè)備配置和第一示例的設(shè)備配置相 同。
設(shè)備制造是在與第 一示例中的過程相同的過程中進(jìn)行的。所述兩 個選擇性氧化層在第一示例中所公開的選擇性氧化層的氧化條件下被 氧化，兩個選擇性氧化層同時被氧化。通過上面的過程，完成具有兩 個氧化限制層的垂直腔表面發(fā)射激光器。
在第二示例中提供兩個氧化限制層的原因是因為與只引入一個氧
化限制層的情況相比，可以使氧化區(qū)域中的反射率的減小增加，以便
使基模選擇的影響增加，如下面將描述的計算的結(jié)果所示。
下面將描述在第二示例中選擇性氧化層是第十二層的理由。
圖7顯示了在使用兩個選擇性氧化層的情況下反射率對氧化層的 位置的依賴性。圖7顯示了在第一氧化層被固定于與活性層最近的 DBR的高折射率層(與第一示例中的選擇性氧化層的位置相同)，而 其他氧化層被插入到層疊于其上的高折射率層中的情況下反射率的計 算結(jié)果。圖7的橫軸代表從其中布置了第二層的高折射率的腔算起的 層的數(shù)量。例如，在層位置3的情況下，第二氧化層被放在構(gòu)成從活 性層起看到的第三DBR的高折射率層中。由于第一氧化層被固定于 腔緊上方的高折射率的第一層，所以在橫軸是圖中的層位置3的情況 下的計算模型是這樣的模型在第一和第三層的高折射率層上布置有 氧化層。第一選擇性氧化層為什么固定于與活性層最近的高折射率層 的原因是因為防止被限制的電流擴(kuò)展。從圖中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)诙x擇性氧 化層位置大約是第十二層時，反射率的差異最大，而該位置的附近是 上述配置中的最優(yōu)點。因此，在第二示例中取該位置。
由于選擇性氧化層的最佳位置隨著諸如構(gòu)成表面發(fā)射激光器的層 厚度或材料之類的參數(shù)而變化，最佳位置并不總是限于第十二層。
此外，優(yōu)選情況下，至于由選擇性氧化層定義的限制直徑(圖6近活性層側(cè)的部分處的限制直徑(698)大于位于 較遠(yuǎn)部分處的限制直徑(699)。具體來說，優(yōu)選情況下，位于靠近活性 層側(cè)的部分處的限制直徑(698)是對應(yīng)于單一基橫模中的光分布的限 制直徑，以使得不會給單一基橫模的光損失產(chǎn)生大的影響。
雖然已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā) 明不限于所公開的示例性實施例。以下權(quán)利要求的范圍應(yīng)該被給予最 廣泛的解釋，以便包含所有這樣的修改以及等效的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1. 一種垂直腔表面發(fā)射激光器，包括層疊的第一反射鏡、具有活性層的腔、以及第二反射鏡，其中，所述第二反射鏡是由多次交替地層疊的第一層和第二層構(gòu)成的多層反射器，所述第二層的折射率高于所述第一層的折射率，并且，其中，構(gòu)成所述多層反射器的多個第二層中的至少一個第二層具有氧化限制結(jié)構(gòu)，該氧化限制結(jié)構(gòu)具有氧化區(qū)域和非氧化區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中，多個第 二層具有所述氧化限制結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中，所述氧 化限制結(jié)構(gòu)是在與所述腔最近的第二層中形成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中，多個第 二層具有所述氧化限制結(jié)構(gòu)，在與所述腔最近的第二層中形成的第一 氧化限制結(jié)構(gòu)的限制直徑大于在其他第二層中形成的第二氧化限制結(jié) 構(gòu)的限制直徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中，所述第一反射鏡、所述腔以及所述第二反射鏡依次層疊在 襯底上，其中，所述襯底由n型GaAs制成，其中，所述第一反射鏡是由AlGaAs構(gòu)成的半導(dǎo)體多層反射器，其中，構(gòu)成所述腔的所述活性層包括GalnP，并且，其中，所述第二反射鏡是由AlGaAs構(gòu)成的半導(dǎo)體多層反射器。
6. —種成像設(shè)備，包括具有多個根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器的陣列光源；用于反射從所述陣列光源輸出的激光束并進(jìn)行掃描的光學(xué)偏轉(zhuǎn)器；用于利用由所述光學(xué)偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)的光來形成靜電潛像的感光元件；以及用于使所述靜電潛像顯影的顯影器。
全文摘要
本發(fā)明提供了垂直腔表面發(fā)射激光器以及使用其的成像設(shè)備。提供了具有抑制多模操作的多層反射器的激光器。垂直腔表面發(fā)射激光器包括層疊的第一反射鏡、具有活性層的腔、以及第二反射鏡。第二反射鏡是由多次交替地層疊的第一層和第二層構(gòu)成的多層反射器，第二層的折射率高于第一層的折射率。多個第二層中的至少一個第二層具有氧化限制結(jié)構(gòu)，該氧化限制結(jié)構(gòu)具有氧化區(qū)域和非氧化區(qū)域。
文檔編號G03G15/04GK101394064SQ20081014970
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者內(nèi)田武志, 竹內(nèi)哲也 申請人:佳能株式會社