JP5590829B2 - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ、面発光レーザアレイ及び画像形成装置に関するものである。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、半導体基板の面内方向に対して垂直方向にレーザ光を出射するレーザである。
面発光レーザは、縦モード特性として安定した単一モードが得られ、また端面発光レーザに比べて低しきい値、２次元アレイ化が容易、などの優れた特性を有するレーザである。そのため、面発光レーザは、光通信、光伝送用の光源、また電子写真の光源として応用が期待されている。

ところで、このような面発光レーザにおいて、発振する横モードの制御は重要な課題であり、通信などへの応用を考えると、横モード出力は単一モード（シングルモード）であることが求められる。
そのため、従来においては、特許文献１に開示されているように、面発光レーザでは素子内部に選択酸化による電流狭窄構造を設けることにより活性層の発光領域を制限し、また同時に選択酸化部分で導波構造を形成することにより、単一横モード化を図っている。

米国特許５４９３５７７号明細書

しかしながら、上記した従来例における特許文献１のような構造の面発光レーザによると、つぎのように高次横モードが生じ易くなるという課題を有している。すなわち、上記特許文献１に記載された電流狭窄構造を有する面発光レーザでは、図６（ａ）の模式図に示すように、光放射部の周囲に配置される電極から注入された電流が電流狭窄部で絞られる。
そのため、活性層の電流分布は、図６（ｂ）の実線で示すように、電流狭窄領域内の周辺部に対応する付近にピークを有する。
このような電流分布により、活性層の利得も電流狭窄領域内の周辺部に対応する周辺部で増大するため、必然的に高次横モードの利得が増大し、高次横モードが強く励起される。
したがって、高い光出力を得るために注入電流を増大すると、高次横モードの発振が生じ易くなる。

本発明は、上記課題に鑑み、高次横モードの発振を抑制することが可能となる構造を有する面発光レーザ、面発光レーザアレイ及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は、つぎのように構成した面発光レーザ、面発光レーザアレイ及び画像形成装置を提供するものである。
本発明の面発光レーザは、
基板の上に設けられた下部ＤＢＲ層と、
前記下部ＤＢＲ層の上に設けられたｎ型の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた、前記活性層に注入される電流を狭窄するための電流狭窄層と、
前記電流狭窄層と前記活性層との間に設けられた、ホールキャリヤの電界印加方向への移動を抑制する障壁構造と、
前記障壁構造と前記活性層との間、および、前記電流狭窄層と前記障壁構造との間に設けられたｐ型の上部クラッド層と、
前記電流狭窄層の上に設けられた上部ＤＢＲ層と、を有し、
前記活性層は、量子井戸層と障壁層からなる量子構造と、前記量子構造を挟むスペーサ層とで構成され、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層それぞれの価電子帯エネルギーは、前記スペーサ層の価電子帯エネルギーよりも低く、
前記障壁構造が、前記上部クラッド層の価電子帯エネルギーと異なる価電子帯エネルギーを有する層で構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザアレイは、上記した面発光レーザが、一次元または二次元に配列されていることを特徴とする。
また、本発明の画像形成装置は、上記した面発光レーザアレイを光源として構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記課題に鑑み、高次横モードの発振を抑制することが可能となる構造を有する面発光レーザ、面発光レーザアレイ及び画像形成装置を実現することができる。

本発明の面発光レーザにおける活性層付近の価電子帯エネルギーの概略について説明する模式図。 本発明の実施形態における面発光レーザの活性層近傍のエネルギーバンドの概略について説明する模式図。 本発明の実施形態における面発光レーザの概略構成を説明する断面模式図。 本発明の実施形態における面発光レーザの基本モード光出力に対する障壁構造の効果を説明する図。 本発明の実施形態における面発光レーザの基本モード／高次モード、素子電圧に対する障壁構造のエネルギー依存性を説明する図。 面発光レーザにおける電流狭窄による電流分布を説明する模式図であり、図６（ａ）は電流が電流狭窄部で絞られる状態を示す図、図６（ｂ）は電流分布のピークについて説明する図。 本発明の実施例における面発光レーザの製造工程を説明する図。 本発明の実施形態の面発光レーザの別形態における活性層付近の価電子帯エネルギーの概略について説明する模式図。

本発明では、基板上に、下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層、これらの間に介在する活性層、及び該活性層に注入される電流を狭窄するための電流狭窄層、を含む複数の半導体層が積層され、これらの電流狭窄構造と活性層との間にキャリヤに対する障壁構造を設ける。
すなわち、図６（ｂ）の実線で示された電流分布を、点線で示された電流分布の形状に変化させるために、電流狭窄構造と活性層との間にキャリヤに対する障壁構造を設ける。
具体的には、電流狭窄部を通過した多数キャリヤの電界印加方向への移動を抑制する障壁構造を設け、多数キャリヤの面内方向への拡散を増大する構造とする。
これにより、電流狭窄部の周辺部に集中した電流分布をなだらかな形状に変化させることができ、高次横モードに対する利得を低減させることが可能となる。
このような構造とすることによって、高次横モードが抑制できるので、より高い電流注入レベルでも基本モード発振を維持できるので、単一モード発振を実現できる。
更に、前記電流狭窄構造をＰ型領域に設け、多数キャリヤをホールキャリヤとすることで、移動度が小さいホールキャリヤの面内拡散の増大を低いエネルギーの障壁構造で実現できる。
これは、上記した障壁層の導入による面発光レーザの駆動電圧の増加を抑えるのにも有効である。
更に、電流狭窄構造と活性層との間における上部クラッド層に上記障壁構造を挿入することで、キャリヤの面内方向への拡散を増大することができる。

図１は、上記構成による本発明の原理を示す活性層近傍の価電子帯エネルギー図である。
活性層１１のｐ導電性側に、周辺から酸化することで形成される電流狭窄部１５ａ、ｐ側の上部第２クラッド層１４、本発明によるｐ−障壁構造１３、ｐ側の上部第１クラッド層１２が設けられる。
そして、ｐ側から注入された多数キャリヤであるホールキャリヤを、ｐ−障壁構造１３によって面内方向への拡散を増大させる。
これにより、電流狭窄部１５ａの周辺部に集中したホールキャリヤが、活性層ではそのピークを低減させることができる。
更に、上記本発明の多数キャリヤの拡散を増大する構造を、面発光レーザの光放射面を、光放射面の中心部と周辺部で反射率が異なる構造とすることで、基本モードと高次モードの光放射面における共振器の反射損失を制御して、単一モード発振を実現する構造に適用することで、単一基本横モード発振が更に容易に実現できる。
また、高次モードの利得ピークが抑圧できるので、高次モードの抑圧に必要な反射損失レベルの低減が可能となり、単一モード発振の注入電流範囲を広くすることができる。
また、高次モードの利得ピークの抑圧により、単一基本横モードの光出力を維持しつつ、電流非狭窄径を小さくした構造とすることが可能になり、面発光レーザのしきい電流、駆動電流の低減も可能になる。

以下に、図を用いて本発明の実施形態における面発光レーザについて説明する。図２及び図３において、図１と同一機能を備えた層には同じ符号が付されている。
図３において、６はｎ−金属電極、７はＧａＡｓ基板、８はｎ−ＧａＡｓバッファ層、９はｎ側の下部ＤＢＲ層、１０はｎ側の下部クラッド層である。
１１は活性層、１２はｐ側の上部第１クラッド層、１３はｐ−障壁層、１４はｐ側の上部第２クラッド層、１５ａは電流狭窄部、１５ｂは周辺酸化部である。
１６はｐ側の上部第３クラッド層、１７はｐ側の上部ＤＢＲ層、１８はｐ型コンタクト層、１９は絶縁層、２０は埋め込み層、２１はｐ−金属電極である。

本実施形態における面発光レーザにおいて、ｐ−金属電極２１から注入されるホールキャリヤは、図６（ａ）の模式図のように電流狭窄部１５ａで絞られる。その際、電流狭窄部１５ａの周辺部の電流密度が著しく増大するため、活性層１３においても、図６（ｂ）の実線に示されるような電流分布となる。
この電流分布がほぼ維持されて、活性層１１の利得分布となるため、高次モードを強く励起し、高次モードの発振が生じ易くなる。
そこで、図２の活性層付近のエネルギーバンド図に示すように、活性層１１のｐ側にｐ−障壁構造１３を挿入すると、ホールキャリヤは、ｐ−障壁構造１３によって電界印加方向への進路を阻害されるため、電界印加方向とは垂直の面内方向への拡散が増大する。
これにより、活性層１１における電流分布は、図６（ｂ）の点線に示されるように、ピークレベルが低減され、活性層１１の利得分布のピークもなだらかになり、高次モードの励起も低下する。

図４を用いて、本実施形態における面発光レーザの基本モード光出力に対する障壁層の効果について説明する。
図４には、本実施形態の面発光レーザにおいて、ｐ側の上部第２クラッド層１４をＡｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓ層とし、ｐ−障壁構造１３をＡｌ _0.12 Ｇａ _0.38 Ｉｎ _0.5 Ｐとして構成した際の、基本モード光出力の電流依存性が示されている。
また、参照のために、ｐ−障壁構造１３を挿入していない構成の基本モード光出力の電流依存性も示されている。
この図から、ｐ−障壁構造１３の挿入により、高い注入電流領域で高次モード光出力が抑圧され、基本モード光出力が増大されていることが分かる。

図５を用いて、本実施形態における面発光レーザの基本モード／高次モード、素子電圧の障壁構造のエネルギー高さ依存性について説明する。
図５には、ｐ−障壁構造１３のＡｌ組成に対する面発光レーザの基本モード光出力に対する高次モード光出力の割合、および、面発光レーザ素子の電圧の依存性について示されている。
ｐ−障壁構造１３のＡｌ組成を増加させることは、ｐ−障壁構造１３のホールキャリヤに対するエネルギー障壁を高くすることになる。
同図において、Ａｌ組成０．３５付近から素子電圧の増大が生じており、更に、Ａｌ組成０．４付近で基本モード光出力に対する高次モード光出力の割合が、ｐ−障壁構造を挿入しない構成と同等になっている。
このようなことから、ｐ−障壁構造のＡｌ組成は０．３５以下が望ましい。
なお、図８に示すように、ｐ−障壁構造１３の効果は価電子帯エネルギーの井戸構造でも得られる。すなわち、ｐ−障壁構造１３を、上部クラッド層の価電子帯エネルギーより高い価電子帯エネルギーを有する層で構成しても同様の結果が得られる。
これは、ｐ側の上部第２クラッド層からｐ−障壁構造１３の価電子帯エネルギーの井戸に落ちたホールキャリヤにとって、ｐ側の上部第１クラッド層の価電子帯エネルギーが障壁となることによる。

以上のような本実施形態の面発光レーザは、基本横モード発振で高い光出力が得られるので、一次元または二次元に配列された面発光レーザアレイ、あるいはこのような面発光レーザアレイを光源とする複写機やプリンタ等の画像形成装置の光源に適している。

図７を用いて、本発明の実施例における面発光レーザの概略製造工程について説明する。
図７（ａ）〜（ｄ）は、本実施例における面発光レーザの概略製造工程を説明するための図であり、図１と同一機能を備えた層には同じ符号が付されている。
本実施例における面発光レーザは、図７（ａ）に示す層構成を備えており、これらはつぎのように各層を順次成長させて構成される。
すなわち、ＧａＡｓ基板７上に公知の技術であるＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層８、ｎ−ＤＢＲ層９、ｎ−クラッド層１０、活性層１１を成長させる。
そして、更にこの活性層１１上に、ｐ−第１クラッド層１２、ｐ−障壁構造１３、ｐ−第２クラッド層１４、電流狭窄部１５ａ、ｐ−第３クラッド層１６、ｐ−ＤＢＲ層１７、およびｐ型コンタクト層１８を順次成長させる。
ｎ側の下部クラッド層１０は、ｎ型のＡｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓ層で構成される。
また、ｎ側の下部ＤＢＲ層は、Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 ＡｓとＡｌＡｓとを各層の膜厚がλ／４ｎ_ｒ（ただし、λはレ−ザの発振波長、ｎ_ｒは構成する媒質の屈折率）となるように交互に２９周期積層した積層体で構成される。
活性層１１は、アンドープのＧａＡｓよりなる量子井戸層と、アンドープのＡｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓよりなる障壁層と、これらの量子構造を挟むアンドープのＡｌ _0.25 Ｇａ _0.75 Ａｓよりなるスペーサ層で構成される。

また、上部クラッド層はＡｌＧａＡｓ層で構成される。具体的には、上部クラッド層を構成するｐ側の上部第１クラッド層１２、ｐ側の上部第２クラッド層１４、ｐ側の上部第３クラッド層１６は、ｐ型のＡｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓ層で構成される。
また、障壁構造１３はＡｌＧａＩｎＰ層で構成され、ＧａＡｓ層で構成されている基板と格子整合している。
具体的には、ｐ−障壁構造１３は、ｐ型のＡｌ _0.12 Ｇａ _0.38 Ｉｎ _0.5 Ｐ層で構成され、ｐ−第１クラッド層、ｐ−第２クラッド層を構成するＡｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓ層との間で、価電子帯にエネルギー障壁を形成する。
一方、伝導帯側ではエネルギーの井戸構造となる。
電流狭窄部１５ａは、Ａｌ _0.98 Ｇａ _0.02 Ａｓ層で構成されており、周辺酸化部１５ｂは、Ａｌ _0.98 Ｇａ _0.02 Ａｓ層を酸化することで形成される。
ｐ側の上部ＤＢＲ層１７は、Ａｌ _0.25 Ｇａ _0.75 ＡｓとＡｌＡｓとを各層の膜厚がλ／４ｎ_ｒ（ただし、λはレ−ザの発振波長、ｎ_ｒは構成する媒質の屈折率）となるように交互に２０周期積層した積層体である。
ｐ−コンタクト層１８は、ｐ−側金属電極１９を形成する際に、低抵抗のオーミックコンタクトを得るため、高キャリヤ濃度ＧａＡｓ層で構成される。

次に、図７（ｂ）に示すように、基板上面にＳｉＯ_２膜を堆積する。
そして、レジストパターンを形成し、このパターンをマスクに、公知のエッチング技術により、少なくとも電流狭窄構造となるＡｌ _0.98 Ｇａ _0.02 Ａｓ層１５が露出するまでエッチングを行って約３０μｍ径のメサ形状を形成した後、レジストを除去する。
これを図７（ｃ）に示すように、公知技術であるウエット酸化により、前記露出しているＡｌ _0.98 Ｇａ _0.02 Ａｓ層をメサ形状の周囲からを選択的に酸化させる。これにより、Ａｌ _0.98 Ｇａ _0.02 Ａｓ層で構成される電流狭窄部１５ａとＡｌ _0.98 Ｇａ _0.02 Ａｓの酸化物で構成される周辺酸化部１５ｂが形成され、電流狭窄部１５ａが活性層への電流パスとなる。
なお、前記 面発光デバイスの活性層の近傍に形成される電流狭窄部の開口部径は、電流注入領域の径に応じて適宜決められる。
次に、図７（ｄ）に示すようにＳｉＯ_２膜を除去し、全面にＳｉＮ保護膜３１、埋め込み絶縁層２０を堆積する。
そして、光放射部を除いてリング状に内径１０μｍ、外径１５μｍの窓３２を開け、ｐ型金属電極２１となるＴｉ、Ａｕを連続堆積するとともに、ＧａＡｓ基板側にｎ型金属電極６としてＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕを連続形成して図３の面発光レーザ構造が得られる。

図３の面発光レーザ構造において、ｐ−ｎ電極間に電界を印加することで、ｐ型電極から注入されたホールキャリヤが、電流狭窄部に集中した後、活性層までの間に存在する障壁層で電界印加方向と垂直の面内方向への拡散が増大する。
これにより、活性層におけるキャリヤ分布の電流狭窄周辺部に対応するピークを低減できるので、高次モード発振を抑圧し、単一モード発振を維持することができる。
なお、上記実施例では、上部クラッド層Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓより低い価電子帯エネルギーを持つＡｌＧａＩｎＰ層を障壁構造１３として使用したが、これに限定されるものではない。
例えば、図８に示すように、上部クラッド層Ａｌ _0.6 Ｇａ _0.4 Ａｓより高い価電子帯エネルギーを持つＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２５＜ｘ＜０．６）を障壁構造１３として使用することも可能である。
このように、価電子帯エネルギーに井戸構造を形成することで、ホールキャリヤの面内方向への拡散を増大させることも可能である。

６：ｎ側金属電極
７：ＧａＡｓ基板
８：バッファ層
９：ｎ−ＤＢＲ層
１０：ｎ−クラッド層
１１：活性層
１２：ｐ−第１クラッド層
１３：障壁層
１４：ｐ−第２クラッド層
１５ａ：電流狭窄部（電流狭窄領域）
１５ｂ：周辺酸化部
１６：ｐ−第３クラッド層
１７：ｐ−ＤＢＲ層
１８：コンタクト層
２１：ｐ側金属電極

Claims (10)

1. 基板の上に設けられた下部ＤＢＲ層と、
   前記下部ＤＢＲ層の上に設けられたｎ型の下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層の上に設けられた活性層と、
   前記活性層の上に設けられた、前記活性層に注入される電流を狭窄するための電流狭窄層と、
   前記電流狭窄層と前記活性層との間に設けられた、ホールキャリヤの電界印加方向への移動を抑制する障壁構造と、
   前記障壁構造と前記活性層との間、および、前記電流狭窄層と前記障壁構造との間に設けられたｐ型の上部クラッド層と、
   前記電流狭窄層の上に設けられた上部ＤＢＲ層と、を有し、
   前記活性層は、量子井戸層と障壁層からなる量子構造と、前記量子構造を挟むスペーサ層とで構成され、
   前記下部クラッド層と前記上部クラッド層それぞれの価電子帯エネルギーは、前記スペーサ層の価電子帯エネルギーよりも低く、
   前記障壁構造が、前記上部クラッド層の価電子帯エネルギーと異なる価電子帯エネルギーを有する層で構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記障壁構造が、前記上部クラッド層の価電子帯エネルギーより低い価電子帯エネルギーを有する層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記障壁構造が、前記上部クラッド層の価電子帯エネルギーより高い価電子帯エネルギーを有する層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
4. 前記上部クラッド層がＡｌＧａＡｓで構成され、
   前記障壁構造がＡｌＧａＩｎＰで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
5. 前記基板がＧａＡｓで構成されており、
   前記障壁構造が、前記基板と格子整合していることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
6. 前記障壁構造のＡｌ組成が、０．３５以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の面発光レーザ。
7. 前記上部クラッド層がＡｌＧａＡｓで構成され、
   前記障壁構造が前記上部クラッド層よりＡｌ組成が小さいＡｌＧａＡｓで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザの光放射面が、光放射面の中心部と周辺部で反射率が異なる構造を有することを特徴とする面発光レーザ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザが、一次元または二次元に配列されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
10. 請求項９に記載の面発光レーザアレイを光源として構成されていることを特徴とする画像形成装置。

Images