KR20130006705A - 면 발광 레이저 소자, 면 발광 레이저 어레이, 광 주사 장치, 및 화상 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

면 발광 레이저 소자가 개시되어 있다. 면 발광 레이저 소자는, 활성층을 포함하는 공진기 구조체, 상기 공진기 구조체를 사이에 끼우는 제1 및 제2 반도체 분포 브래그 반사기, 및 상기 제1 반도체 분포 브래그 반사기에서 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 선택적 산화물로 형성됨으로써 주입 전류와 발진광의 횡 모드를 동시에 가둘 수 있는 협착 구조를 포함한다. 피선택 산화물의 두께는 28 nm이고, 발진 임계 전류가 최대값이 될 때의 온도는 약 17℃ 이다.

Description

면 발광 레이저 소자, 면 발광 레이저 어레이, 광 주사 장치, 및 화상 형성 장치{SURFACE EMITTING LASER ELEMENT, SURFACE EMITTING LASER ARRAY, OPTICAL SCANNING DEVICE, AND IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은 일반적으로, 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 레이저 빔을 출사하는 면 발광 레이저 소자, 면 발광 레이저 소자가 배열된 면 발광 레이저 어레이, 면 발광 레이저 소자 혹은 면 발광 레이저 어레이를 사용하는 광 주사 장치, 및 광 주사 장치를 사용하는 화상 형성 장치에 관한 것이다.
최근, 면 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 레이저 빔을 발광하는 면 발광 레이저 소자(면 발광 반도체 레이저 소자)가 활발히 연구되어 왔다. 면 발광 레이저 소자에서, 발진 임계 전류는 단면(端面) 발광 레이저 소자의 것보다 낮고, 원형의 고품질 레이저 빔이 획득될 수 있다. 또한, 면 발광 레이저 소자는 면 발광 레이저 소자의 기판에 수직인 방향으로 레이저 빔을 출사할 수 있으므로, 고밀도로 2차원적으로 면 발광 레이저 소자가 배열될 수 있다. 따라서, 예컨대, 병렬 광 인터커넥션(interconnection)용 광원과 고속이고 고선명의 전자 사진 시스템에의 응용이 검토되어 왔다.
면 발광 레이저 소자는, 전류 주입 효율을 높이기 위해서 협착 구조를 갖고 있다. 이 협착 구조로서는, Al(알루미늄)의 선택 산화에 의한 협착 구조가 자주 사용된다. 이하, 일부 경우에서, 이 협착 구조는 산화 협착 구조로 칭한다(비특허 문헌 1 및 2 참조)
또한, 비특허 문헌 3에는, 780 nm 대의 VCSEL(vertical cavity surface emtting laser) 어레이(면 발광 레이저 어레이)를 이용한 프린터가 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 1은 면 발광 레이저 소자를 개시한다. 이 면 발광 레이저 소자에서, 공진기의 길이로 정해지는 발진 파장과, 활성층의 조성으로 정해지는 게인 피크 파장 간의 차(디튜닝(detuning)량)는 미리 결정된 온도에서 미리 결정된량이고, 미리 결정된 온도보다 높은 온도 범위에서 발진 파장은 게인 피크 파장과 동일해진다.
또한, 특허 문헌 2는 멀티 스폿 광원을 갖는 멀티 스폿 화상 형성 장치를 개시한다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 공보 제2004-319643호 [특허 문헌 2] 일본 특허 공개 공보 제H11-48520호
[비특허 문헌 1] K.D.Choquette, K.L.Lear, R.P.Schneider, Jr., K.M.Geib, "Cavity Characteristics of Selectively Oxidized Vertical-Cavity Lasers", Applied Physics Letters, vol.66, No.25, pp.3413-3415,1995 [비특허 문헌 2] K.D.Choquette, R.P.Schneider, Jr., K.L.Lear, K.M.Geib, "Low Threshold Voltage Vertical-Cavity Lasers Fabricated by Selective Oxidation", Electronics Letters, No.24, Vol.30, pp.2043-2044,1994 [비특허 문헌 3] H.Nakayama, T.Nakamura, M.Funada, Y.Ohashi, M.Kato, "780 nm VCSELs for Home Networks and Printers", Electronic Components and Technology Conference Proceedings, 54th, Vol.2, June, 2004, pp.1371-1375
전자 사진에서, 광원에 구동 전류를 공급했을 때, 광원의 광 출력의 응답 펄스 형태의 상승 움직임은 화상 품질에 큰 영향을 미친다. 응답 펄스 형태는 시간의 경과에 따른 광 출력의 변화이고, 일부 경우에서 광파형으로 칭한다. 예컨대, 광파형의 상승 시간은 물론, 초기 상승 시간에서 광 출력이 일정량에 도달한 후도, 광량이 약간 변동하더라도, 화상 품질을 저하시킬 수도 있다는 위험성이 있다.
광파형의 상승 시간 및 하강 시간에서 형성되는 것은 화상의 윤곽 부분이며, 특히 상승 시간 및 대략 상승되었다고 간주된 후 몇분 동안 광량이 변화되면, 화상의 윤곽 부분이 불명료하게 되어, 화질이 시각적으로 희미하게 된다.
예컨대, A4(297 mm x 210 mm) 사이즈 용지의 약 300 mm 폭의 1라인을 주사하는 데 요하는 시간이 300㎲이면, 1 ㎲에서 약 1 mm 폭이 주사된다. 화상 농도가 변동되면, 사람의 눈의 시각 감도가 가장 높게 되는 폭은 1~2 mm이다고 말해진다. 따라서, 약 1 mm 폭에 있어서 화상 농도가 변동하면, 화상 농도 변화는 사람의 눈으로 충분히 검출되고, 화상의 윤곽이 희미하다는 인상을 받게 된다.
도 39는, 종래의 면 발광 레이저 소자의 광파형을 도시하는 그래프이다. 도 39에서, 산화 협착 구조를 갖는 면 발광 레이저 소자는, 펄스 폭 500㎲, 듀티비 50%(펄스 주기 1 ms)의 펄스 조건으로 구동된다. 도 39에 도시된 바와 같이, 비교적 긴 시간 스케일로 보면, 광 출력은 상승 직후에 피크를 도시하고, 저하되어 안정되게 된다. 이 광 출력의 변화는, 면 발광 레이저 소자의 자기 발열에 의한 것이며, "드롭 특성"이라 불린다.
도 40은 도 39에 도시된 광 출력의 상승 부분의 확대도이다. 본 발명의 발명자들은 광 출력을 상세히 연구하였다. 도 40에 도시된 바와 같이, 짧은 시간 스케일로 보면, 본 발명자들은 드롭 특성과는 상이한 광 출력의 변화가 발생하고 있다고 발견했다.
도 40에서, 광 출력은, 10 ns 경과하더라도 상승된 상태가 되지 않고, 약 200 ns 경과한 후 대략 상승된 상태로 되지만, 시간이 약 1㎲에 도달할 때 까지 점차로 증가한다. 이러한 현상(특성)은, 본 발명의 발명자에 의해서 새롭게 발견된 것이다. 본 발명의 설명에서, 이 특성을 "부(負)의 드롭 특성(negative drop characteristics)"이라고 불린다. 종래의 단면 발광 레이저 소자에서는, 부의 드롭 특성이 생성되지 않는다.
본 발명의 발명자등은, 부의 드롭 특성에 주목하여, 그 원인을 자세히 연구하였다. 이 부의 드롭 특성은, 산화 협착 구조에 있어서의 횡 모드의 광 가둠의 강도와 밀접히 관련되어 있다는 것을 발견하였다. 또한, 부의 드롭 특성이 억제된 면 발광 레이저 소자, 즉 양호한 부의 드롭 특성을 갖는 면 발광 레이저 소자는 수명이 짧을 수도 있다는 것을 발견하였다.
본 발명의 실시예에서, 면 발광 레이저 소자, 복수의 면 발광 레이저 소자가 배열된 면 발광 레이저 어레이, 면 발광 레이저 소자 또는 면 발광 레이저 어레이를 사용하는 광 주사 장치, 및 면 발광 레이저 소자의 수명을 단축시키지 않고 부의 드롭 특성이 방지되는 광 주사 장치를 사용하는 화상 형성 장치가 제공된다.
본 발명의 일 태양에 따라, 이들 및 다른 이점들 중 하나 이상을 달성하기 위하여, 면 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 광을 출사하는 면 발광 레이저 소자가 제공된다. 면 발광 레이저 소자는, 활성층을 포함하는 공진기 구조체, 및 상기 공진기 구조체를 사이에 끼우고, 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화하여 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화물로 전류 통과 영역을 둘러쌈으로써 주입 전류와 발진광의 횡 모드를 동시에 가둘 수 있는 협착 구조를 포함하는 제1 및 제2 반도체 분포 브래그 반사기를 포함한다. 상기 피선택 산화층의 두께는 적어도 25 nm이며, 발진 임계 전류와 온도 간의 관계에 있어서 발진 임계 전류가 최소값이 될 때의 온도는 25℃ 이하이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 부의 드롭 특성은 펄스 주기의 크기에 상관없이 방지될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 면 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 광을 출사하는 면 발광 레이저 소자가 제공된다. 면 발광 레이저 소자는, 활성층을 포함하는 공진기 구조체, 및 상기 공진기 구조체를 사이에 끼우고, 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화하여 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화물로 전류 통과 영역을 둘러쌈으로써 주입 전류와 발진광의 횡 모드를 동시에 가둘 수 있는 협착 구조를 포함하는 제1 및 제2 반도체 분포 브래그 반사기를 포함한다. 상기 피선택 산화층의 두께는 적어도 25 nm이며, 전류 통과 영역을 둘러싸는 산화물의 가장 두꺼운 두께의 두께는 110 nm 이하이고, 온도와 발진 임계 전류 간의 관계에서, 발진 임계 전류가 최소값으로 되는 온도는 25℃ 이하이다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 면 발광 레이저 소자의 수명을 단축시키지 않고 펄스 주기의 크기에 상관없이 부의 드롭 특성이 방지될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 주어진 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 면 발광 레이저 소자가 집적되어 있기 때문에, 수명을 단축시키지 않고 펄스 주기에 상관없이 "부의 드롭 특성"을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명은 고정밀도의 광 주사를 행하는 데 적합하며, 고품질의 화상을 형성하는 데 적합하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 상부 반도체 DBR의 일부를 확대한 도이다.
도 3은 면 발광 레이저 소자에서 25℃에서 피선택 산화층의 두께와 드롭률과의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 종래의 면 발광 레이저 소자를, 펄스 주기 1 ms, 듀티비 50%의 직사각형(rectangular) 전류 펄스로 구동했을 때의 광파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 종래의 면 발광 레이저 소자를 펄스 주기 100 ns, 듀티비 50% 인 직사각형 전류 펄스로 구동했을 때의 광파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 면 발광 레이저 소자의 횡 모드 분포를 획득하기 위하여 전계 강도 분포의 계산에 사용되는 굴절률을 설명하기 한 테이블이다.
도 7은 면 발광 레이저 소자의 기본 횡 모드 분포의 계산된 결과를 도시하는 그래프이다.
도 8은 면 발광 레이저 소자의 내부 유효 굴절률차를 도시하는 도면이다.
도 9는 유효 굴절률차의 크기와 기본 횡 모드 분포의 확장을 도시하는 도면이다.
도 10은 면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 상승할 때의 유효 굴절률차를 도시하는 도면이다.
도 11은 내부 온도가 상승할 때 횡 방향으로의 광 가둠이 상온에서 불충분한 면 발광 레이저 소자에 있어서의 I-L 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 12는 도 11에 도시된 시간에서의 광파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 피선택 산화층의 두께와 산화 협착 구조의 산화 협착 직경 간의 관계에서의 광 가둠 계수를 도시하는 테이블이다.
도 14는 도 13에 도시된 계산된 결과를 도시하는 그래프이다.
도 15는 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경 간의 드롭률을 도시하는 테이블이다.
도 16은 광 가둠 계수가 상온에서 기본 횡 모드에서 대략 0.983인 면 발광 레이저 소자의 광파형을 도시하는 그래프이다.
도 17은 광 가둠 계수가 상온에서 기본 횡 모드에서 대략 0.846인 면 발광 레이저 소자의 광파형을 도시하는 그래프이다.
도 18은 면 발광 레이저 소자의 자기 발열에 의하여 생성된 면 발광 레이저 소자의 횡 모드 분포의 변화를 도시하는 제1 그래프이다.
도 19는 면 발광 레이저 소자의 발열 영역을 도시하는 도면이다.
도 20은 면 발광 레이저 소자의 자기 발열에 의하여 생성된 면 발광 레이저 소자의 횡 모드 분포의 변화를 도시하는 제2 그래프이다.
도 21은 몇몇 면 발광 레이저 소자에서 피선택 산화층의 두께에 대한 광 가둠 계수 간의 비를 도시하는 도면이다.
도 22는 디튜닝량이 양이고 음일 경우 공진 파장과 피크 게인 파장 간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 23은 면 발광 레이저 소자의 분위기 온도가 변화될 때 디튜닝량이 서로 상이한 3개의 면 발광 레이저 소자의 발진 임계 전류의 측정된 결과를 도시하는 그래프이다.
도 24는 임계 전류가 최소값이 될 때 디튜닝량과 온도 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 25는 면 발광 레이저 소자 각각에서 임계 전류가 최소값이 될 때 드롭률과 온도 간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 26은 피선택 산화층의 두께가 20nm일 때 메사(mesa)의 외주부에서의 산화층의 두께와 드롭률 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 27은 면 발광 레이저 소자로 형성된 면 발광 레이저 어레이 각각의 수명과 산화층의 최대 두께 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 28은 본 발명의 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자의 단면도이다.
도 29는 낮은 도핑 농도 영역이 보여지는 본 발명의 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자의 단면도이다.
도 30은 기본 횡 모드에서의 메사 직경과 광 가둠 계수 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 31은 1차 횡 모드에서의 메사 직경과 광 가둠 계수 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 32는 메사의 직경이 변화될 때 1차 횡 모드의 전계 강도를 도시하는 그래프이다.
도 33은 본 발명의 제3 실시예에 따른 면 발광 레이저 어레이를 도시하는 도면이다.
도 34는 도 33에 도시된 발광 단면의 2차원 배열을 도시하는 도면이다.
도 35는 도 34의 A-A 단면도이다.
도 36은 본 발명의 제4 실시예에 따른 화상 형성 장치의 단면도이다.
도 37은 도 36에 도시된 광 주사 장치의 단면도이다.
도 38은 칼라 프린터의 단면도이다.
도 39는 종래의 면 발광 레이저 소자의 광파형을 도시하는 그래프이다.
도 40은 도 39에 도시된 광 출력의 상승부의 확대도이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)의 단면도이다. 본 발명의 설명에서, 레이저 빔(광) 발진 방향을 Z 축으로 하고, Z 축 방향에 수직인 면 상의 서로 직교하는 2개의 방향을 X축 방향 및 Y축 방향으로 한다.
면 발광 레이저 소자(100)의 설계 상 발진 파장은 780 nm 대이다. 면 발광 레이저 소자(100)에서, 버퍼층(102)과 같은 복수의 반도체층, 하부 반도체 DBR(distributed Bragg reflector)(제2 반도체 DBR)(103), 하부 스페이서층(104), 활성층(105), 상부 스페이서층(106), 상부 반도체 DBR(제1 반도체 DBR)(107), 및 컨택트층(109)이 기판(101) 상에 순차 적층되어 있다. 다음에서, 상기 반도체층이 적층된 구조체를 제1 적층체라고 한다.
기판(101)은 n-GaAs 단결정으로 형성된다.
버퍼층(102)은 n-GaAs로 형성된다.
하부 반도체 DBR(103)은, n-Al0 .9Ga0 .1As로 형성되는 저굴절률층과 n-Al0.3Ga0.7As로 형성되는 고굴절률층의 쌍을 40.5쌍 포함한다. 또한, 전기 저항값을 감소시키기 위하여, 저굴절률층과 고굴절률층 사이에는, 한 조성으로부터 다른 조성으로 조성이 서서히 변화되는 20 nm 두께의 조성 경사층이 형성된다. 저굴절률층 및 고굴절률층 각각은, 발진 파장이 λ일 때 인접하는 조성 경사층의 1/2를 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 갖도록 결정된다.
광학 두께가 λ/4일 때, 실제 두께 "h"는 h = λ/4N이다(N은 층의 매질의 굴절률이다).
하부 스페이서층(104)은, 비도핑의 Al0 .6Ga0 .4As로 형성된다.
활성층(105)은, Al0 .15Ga0 .85As/Al0 .6Ga0 .4As로 형성된 다중 양자 우물층이다.
상부 스페이서층(106)은 비도핑의 Al0 .6Ga0 .4As로 형성된다.
하부 스페이서층(104)과 활성층(105)과 상부 스페이서층(106)으로 형성된 부분을 공진기 구조체로 불리고, 공진기 구조체의 두께는 1 파장의 광학 두께가 되도록 결정된다. 활성층(105)은, 높은 유도 방출 확률(stimulated emission probability)를 획득하기 위하여, 전계의 정재파 분포의 안티 노드(anti-node) 위치에 대응하는 공진기 구조체의 중앙에 있다. 공진기 구조체는, 하부 반도체 DBR(103)과 상부 반도체 DBR(107) 사이에 끼워져 있다.
상부 반도체 DBR(107)은, p-Al0 .9Ga0 .1As로 형성된 저굴절률층과 p-Al0 .3Ga0 .7As로 형성된 고굴절률층의 24개 쌍을 포함한다. 또한, 전기 저항값을 감소시키기 위하여, 저굴절률층과 고굴절률층 사이에, 한 조성으로부터 다른 조성으로 조성이 서서히 변화되는 두께 20 nm의 조성 경사층이 형성된다. 저굴절률층과 고굴절률층 각각은, 발진 파장이 λ일 때 인접하는 조성 경사층의 1/2을 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 갖도록 결정된다.
컨택트층(109)은 p-GaAs로 형성된다.
다음, 본 발명의 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)의 제조 방법을 간략히 설명한다.
(1-1): 제1 적층체는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)법 혹은 MBE(molecular beam epitaxy)법을 사용하여 결정 성장에 의해서 형성된다. 이 때, p-AlAs로 형성된 28 nm 두께의 피선택 산화층(108)이 상부 반도체 DBR(107)의 저굴절률층 중 하나에 삽입된다.
상기에서, Ⅲ족의 원료로서는, TMA(trimethyl aluminum), TMG(trimethyl gallium), 또는 TMI(trimethyl indium)이 사용되며, Ⅴ족의 원료로서는, 아르신(AsH3) 가스가 사용된다. 또한, p형 도펀트의 원료로서는, 사브롬화탄소(CBr4)가 사용되고, n 형 도펀트의 원료로서는, 셀레늄화수소(H2Se)가 이용된다.
(1-2): 제1 적층체의 표면에 한 변이 20㎛의 사각형을 갖는 레지스트 패턴이 형성된다.
(1-3): Cl2 가스를 이용하는 ECR(electron cyclotron resonance) 에칭에 의하여, 사각형 레지스트 패턴을 포토마스크로서 사용하면서 사각형 프리즘 형상을 갖는 메사가 형성된다. 여기서는, 에칭의 저면은 하부 반도체 DBR(103) 내에 위치된다.
(1-4) 포토마스크가 제거된다.
(1-5) 메사의 피선택 산화층(108)의 일부가 제1 적층체를 수증기 속에서 열을 가하여 선택적으로 산화된다. 여기서는, 산화층(108a)으로 둘러싸인 비산화 영역(108b)이 메사의 중앙부에 잔류된다. 결국, 면 발광 레이저 소자(100)의 발광부의 구동 전류 경로가 메사의 중앙부에 제한되는 산화 협착 구조가 형성된다. 비산화 영역(108b)이 전류 통과 영역(전류 주입 영역)이고, 전류 통과 영역의 한 변은 4.5 ㎛이다.
(1-6): CVD(chemical vapor deposition)법을 이용하여 SiN의 보호층(111)이 형성된다.
(1-7): 제1 적층체는 폴리이미드층(112)으로 평탄화된다.
(1-8): 메사의 상부에 p 전극 컨택트의 창이 개구된다. 여기서, 포토레지스트의 마스크가 형성되고, 포토레지스트의 일부가 메사의 상부의 개구부를 노광하여 제거되고, 창은 BHF(buffered hydrofluoric acid)의 사용으로 폴리이미드층(112) 및 보호층(111)을 에칭함으로써 개구된다.
(1-9): 메사의 상부의 발광부가 되는 영역에 한 변 8㎛의 사각형의 레지스트 패턴이 형성되고, p 전극 재료가 증착에 의하여 증착된다. p 전극 재료로서는, Cr/AuZn/Au 또는 Ti/Pt/Au로 형성되는 다층막이 이용된다.
(1-10): 발광부의 전극 재료를 리프트 오프하여, p 전극(113)이 형성된다.
(1-11): 기판(101)의 저면이, 기판(101)의 두께가, 예컨대 100 ㎛이 되도록 연마되고, 기판(101)의 저면 상에 n 전극(114)이 형성된다. n 전극(114)은 AuGe/Ni/Au로 형성된 다층막이다.
(1-12): 어닐링에 의해서, p 전극(113)과 n 전극(114) 간의 오믹 컨택트가 획득된다. 이에 따라, 메사는 발광부가 된다.
(1-13): 면 발광 레이저 소자(100)가 절단에 의하여 칩으로서 형성된다.
펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 면 발광 레이저 소자(100)에 공급되는 경우, 공급후 10 ns 에서의 광 출력을 P1, 공급후 1㎲에서의 광 출력을 P2라고 하면, (P1 - P2)/P2 = -0.05가 획득된다. 다음에서, 일부 경우에서, "(P1 - P2)/P2 x 100"(%)의 값을 드롭률이라 부른다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)에서의 드롭률은 -5%이다.
[제1 실시예의 변형예]
다음, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예의 변형예를 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 상부 반도체 DBR(107)의 일부의 확대도이다. 본 발명의 제1 실시예의 변형예에서, 소자가 본 발명의 제1 실시예에서의 소자와 유사하거나 동일하면, 소자는 본 발명의 제1 실시예의 도면 번호와 동일한 도면 번호를 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상부 반도체 DBR(107)은 상부 스페이서층(106)의 + Z측에 있고, 저굴절률층과 고굴절률층의 26개 쌍을 포함한다. 또한, 전기 저항값을 감소시키기 위하여, 한 조성에서 다른 조성으로 조성이 서서히 변화하는 20 nm 두께의 조성 경사층이 형성된다.
상부 반도체 DBR(107)의 저굴절률층(107c) 사이에, p-AlAs로 형성된 28 nm의 피선택 산화층(108)이 삽입되어 있다. 이 피선택 산화층(108)의 위치는, 상부 스페이서층(106)으로부터 광학적으로 5λ/4 만큼 떨어져 있다. 저굴절률층(107c)과 피선택 산화층(108)을 포함하는 광학 두께는 인접하는 조성 경사층의 1/2을 포함하는 3λ/4이도록 결정된다.
피선택 산화층(108) 및 저굴절률층(107c)의 + Z측의 조성 경사층은 정재파의 대응하는 노드에 위치되도록 결정된다.
피선택 산화층(108)을 포함하는 저굴절률층(107c)을 제외하는 저굴절률층 및 고굴절률층 각각은, 발진 파장이 λ일 때, 인접하는 조성 경사층의 1/2를 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 갖도록 결정되어 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 피선택 산화층(108)의 -Z 측 및 + Z 측에는, p-Al0 .83Ga0 .17As로 형성된 두께 20 nm의 중간층(107m)이 형성된다.
대응하는 중간층(107m)에 인접하는 저굴절률층(107c)은 p-Al0 .75Ga0 .25As로 형성된다.
저굴절률층(107a)은 p-Al0 .9Ga0 .1As로 형성된다. 고굴절률층(107b)은 p-Al0.1Ga0.9As로 형성된다.
즉, 피선택 산화층(108)은 상부 반도체 DBR(107)의 저굴절률층의 일부이고, 피선택 산화층(108)을 포함하는 저굴절률층은 피선택 산화층(108)에 인접하는 2개의 중간층(107m)과, 대응하는 중간층(107m)에 인접하는 2개의 저굴절률층(107c)을 포함한다. 중간층(107m)에서의 Al의 함유율은, 피선택 산화층(108)에서의 Al의 함유율보다도 17% 작다. 또한, 저굴절률층(107c)에서의 Al의 함유율은, 피선택 산화층(108)에서의 Al의 함유율보다도 25% 작다.
컨택트층(109)(도 1 참조)은 상부 반도체 DBR(107)의 + Z 측에 적층되고, p-GaAs로 형성된다.
일부 경우에서, 기판(101) 상에 복수의 반도체층이 적층된 것을 본 발명의 제1 실시예의 변형예에서 제2 적층체로 칭한다.
다음, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)의 제조 방법을 간략히 설명한다.
본 발명의 제1 실시예의 변형예에서, "'"이 본 발명의 제1 실시예의 대응하는 제조 공정에 부가되었다.
(1'-1): 제2 적층체는 MOCVD법 혹은 MBE법을 사용하여 결정 성장에 의해서 형성된다.
상기에서, Ⅲ족의 원료로서는, TMA, TMG, 또는 TMI이 사용되며, Ⅴ족의 원료로서는, 아르신 가스가 사용된다. 또한, p형 도펀트의 원료로서는, 사브롬화탄소(CBr4)가 사용되고, n 형 도펀트의 원료로서는, 셀레늄화수소(H2Se)가 이용된다.
(1'-2): 제2 적층체의 표면에 한 변이 20㎛의 사각형을 갖는 레지스트 패턴이 형성된다.
(1'-3): Cl2 가스를 이용하는 ECR 에칭에 의하여, 사각형 레지스트 패턴을 포토마스크로서 사용하면서 사각형 프리즘 형상을 갖는 메사가 형성된다. 여기서는, 에칭의 저면은 하부 반도체 DBR(103) 내에 위치된다.
(1'-4): 포토마스크가 제거된다.
(1'-5): Al의 일부가 제2 적층체를 수증기속에서 열을 가하여 선택적으로 산화된다. 이 때, 피선택 산화층(108)의 Al의 일부와 중간층(107m)의 일부가 산화된다. 이로써, 산화층(108a)으로 둘러싸인 비산화 영역(108b)이 메사의 중앙부에 잔류된다. 결국, 면 발광 레이저 소자(100)의 발광부의 구동 전류 경로가 메사의 중앙부에 제한되는 산화 협착 구조가 형성된다. 비산화 영역(108b)이 전류 통과 영역(전류 주입 영역)이다. 열 처리 조건은, 전류 통과 영역의 한 변이 약 4.5 ㎛이도록 적절하게 선택된다. 특히, 유지 온도는 360℃이도록 선택되고, 유지 시간은 33분이도록 선택된다.
(1'-6): CVD법을 이용하여 SiN 또는 SiO2의 보호층(111)이 형성된다.
(1'-7): 제2 적층체는 폴리이미드층(112)으로 평탄화된다.
(1'-8): 메사의 상부에 p 전극 컨택트의 창이 개구된다. 여기서, 포토레지스트의 마스크가 형성되고, 포토레지스트의 일부가 메사의 상부의 개구부를 노광하여 제거되고, 창은 BHF의 사용으로 폴리이미드층(112) 및 보호층(111)을 에칭함으로써 개구된다.
(1'-9): 메사의 상부의 발광부가 되는 영역에 한 변 8㎛의 사각형의 레지스트 패턴이 형성되고, p 전극 재료가 증착에 의하여 증착된다. p 전극 재료로서는, Cr/AuZn/Au 또는 Ti/Pt/Au로 형성되는 다층막이 이용된다.
(1'-10): 발광부의 전극 재료를 리프트 오프하여, p 전극(113)이 형성된다.
(1'-11): 기판(101)의 저면이, 기판(101)의 두께가, 예컨대 100 ㎛이 되도록 연마되고, 기판(101)의 저면 상에 n 전극(114)이 형성된다. n 전극(114)은 AuGe/Ni/Au로 형성된 다층막으로 형성된다.
(1'-12): 어닐링에 의해서, p 전극(113)과 n 전극(114) 간의 오믹 컨택트가 획득된다. 이에 따라, 메사는 발광부가 된다.
(1'-13): 면 발광 레이저 소자(100)가 절단에 의하여 칩으로서 형성된다.
펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 면 발광 레이저 소자(100)에 공급되는 경우, 공급후 10 ns 에서의 광 출력을 P1, 공급후 1㎲에서의 광 출력을 P2라고 하면, (P1 - P2)/P2 = -0.05가 획득된다. 다음에서, 일부 경우에서, "(P1 - P2)/P2 x 100"(%) 값을 드롭률이라 부른다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)에서의 드롭률은 -5%이다.
다음, 일부 경우에서, 본 발명의 제1 실시예(변형예 포함)에 따른 면 발광 레이저 소자(100)가 다른 면 발광 레이저 소자와 비교될 때, 도면 부호는 생략된다.
도 3은 면 발광 레이저 소자에 있어서, 25℃에서 피선택 산화층의 두께와 드롭률 간의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 피선택 산화층의 두께가 감소되면, 드롭률은 지수식으로 감소되고(부의 드롭률이 증가), 부의 드롭 특성이 현저하게 나타나고, 소자의 드롭률이 크게 변동된다. 드롭률이 -10% 이상이 되도록 결정되면(-10% ~ 0%), 피선택 산화층(108)의 두께는 25 nm 이상이어야 한다. 여기서, 드롭률이 -10% 보다 작은 면 발광 레이저 소자가 사용되면(부의 드롭률이 -10%보다 크면), 레이저 프린터로부터 출력되는 화상의 윤곽의 적어도 일부는, 화상이 육안으로 관찰될 때 종종 불분명하다. 또한, 피선택 산화층(108)의 두께는, 면 발광 레이저 소자(100)의 제조시 변동을 고려하면, 바람직하게는 28 nm 이상이며, 피선택 산화층(108)의 두께가 30 nm 이상인 것으로 결정되면, 화상 품질은 거의 열화되지 않는다.
본 발명의 발명자들은, 피선택 산화층을 갖는 종래의 면 발광 레이저 소자가 많은 직사각형 전류 펄스에 의하여 구동되는 경우에서의 광파형을 상세히 검토했다. 도 4는, 종래의 면 발광 레이저 소자가 펄스 주기 1 ms, 듀티비 50%의 때의 직사각형 전류 펄스에 의하여 구동되는 경우의 광파형을 도시하는 그래프이다. 도 5는, 종래의 면 발광 레이저 소자가 펄스 주기 100 ns, 듀티비 50%인 직사각형 전류 펄스에 의하여 구동되는 경우의 광파형을 도시하는 그래프이다.
다음에서, 면 발광 레이저 소자를 일반적으로 설명할 때, 면 발광 레이저 소자는 도면 부호를 갖지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광 출력이 상승된 후, 광 출력은 점차로 증가되어, 부의 드롭 특성이 나타난다. 또한, 60 ns가 경과된 후에도, 광 출력은 100%(1.4 mW)에 도달하지 않는다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 광 출력이 상승된 후, 광 출력은 안정되고, 부의 드롭 특성이 나타나지 않는다.
상술된 바와 같이, 종래의 면 발광 레이저 소자에 직사각형 전류 펄스가 공급되는 경우, 직사각형 전류 펄스의 듀티비가 동일하여도, 펄스 주기가 길면, 부의 드롭 특성이 나타나고, 펄스 주기가 짧으면, 부의 드롭 특성이 나타나지 않는다.
펄스 주기가 상이하면, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 서로 상이하다고 생각된다. 즉, 펄스 주기가 긴 경우에는, 발열하고 있는 시간 및 냉각되는 시간 모두 길기 때문에, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 크게 변동된다. 한편, 펄스 주기가 짧은 경우에는, 연속하는 냉각 시간이 충분히 획득될 수 없으므로, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도는 크게 변동하지 않고, 내부 온도는 평균적으로 높은 온도에서 안정된다. 즉, 부의 드롭 특성이 나타나는 구동 조건 하에서 내부 온도가 크게 변동된다. 부의 드롭 특성은 면 발광 레이저 소자의 내부 온도에 기인된다고 생각할 수 있다.
면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 변화되면, 발진 모드의 횡 방향으로 전계 강도 분포(이하, 일부 경우에서 횡 모드 분포라고 칭한다)가 변화된다.
면 발광 레이저 소자의 횡 모드 분포는, 수학식 (1) 및 (2)(헴홀츠(Helmholtz) 방정식)을 사용하여 전계 강도 분포를 계산함으로써 추정될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
그러나, 수학식 (1) 및 (2)를 해석적으로 푸는 것이 어렵고, 따라서 통상은, 계산기를 이용하는 유한 요소법에 의하여 수치 해석이 행해진다. 유한 요소법의 솔버(solver)로서, 몇몇 솔버가 있고, 시판의 VCSEL 시뮬레이터(예컨대, LASER MOD)를 이용할 수 있다.
예로서, 발진 파장이 780 nm 대인 면 발광 레이저 소자의 기본 횡 모드 분포를 산출한다.
계산에 이용한 면 발광 레이저 소자에서, 활성층은 Al0 .12Ga0 .88As(8 nm 두께)/Al0 .3Ga0 .7As(8 nm 두께)로 형성된 3중량자 웰 구조를 갖고, 스페이서층은 Al0.6Ga0.4As로 형성된다. 또한, 하부 반도체 DBR는 Al0 .3Ga0 .7As(고굴절률층) 및 AlAs(저굴절률층)의 40.5쌍으로 형성되고, 상부 반도체 DBR는 Al0 .3Ga0 .7As(고굴절률층)과 Al0 .9Ga0 .1As(저굴절률층)의 24쌍으로 형성된다.
면 발광 레이저 소자는, 직경 25㎛의 칼럼 형상 메사 구조를 가져, 에칭이, 하부 반도체 DBR와 하부 스페이서층의 계면까지 행해지고, 에칭이 된 영역은 공기로 채워진다. 즉, 단순한 에칭된 메사 구조가 형성된다. 에칭되어 있지 않은 메사를 포함하는 하부 반도체 DBR의 직경은 35㎛이며, 계산이 수행될 때 최대 폭이다.
피선택 산화층의 재료는 AlAs이며, 피선택 산화층의 위치는, 상부 반도체 DBR에서의 광학 두께 3λ/4를 갖는 저굴절률층 내에 있고, 전계 강도 분포는 활성층(105)으로부터 세어 제3 노드에 위치된다.
횡 모드 분포(전계 강도 분포)의 계산에서, 활성층의 게인 및 반도체 재료에 의한 광속(light flux)의 흡수는 고려하지 않고, 구조로 결정되는 고유 모드(eigenmode) 분포만이 획득된다. 또한, 면 발광 레이저 소자의 온도는 균일하게 300 K이도록 결정된다. 또한, 전계 강도 분포의 계산시 사용되는 대응하는 층의 굴절률은 도 6에 도시된다.
산화 협착 구조에 있어서의 피선택 산화층(108)의 두께가 30 nm인 것으로 결정되고, 전류 통과 영역의 직경(일부 경우에서, 산화 협착 직경으로 칭한다)이 4 ㎛인 것으로 결정되면, 활성층에 있어서의 기본 횡 모드 분포의 계산 결과가 도 7에 도시되어 있다. 도 7은 기본 횡 모드 분포의 계산된 결과를 도시하는 그래프이다. 도 7에서, 횡축 "x"는 메사의 반경 방향의 중심부터의 거리를 나타내고, "x = 0"은 메사의 중심을 도시하고, 종축은 규격화된 전계 강도를 나타낸다. 다음에서, 일부 경우에서, 산화 협착 구조의 산화층을 단순히 산화층으로 칭한다.
산화층의 굴절률은 약 1.6이고, 산화층 근처의 반도체층의 굴절률(약 3.0)보다도 작고, 따라서, 면 발광 레이저 소자의 내부에는, 소위 내부 유효 굴절률차(built-in effective refractive index difference)(Δneff)가 존재한다(도 8 참조). 도 8은 면 발광 레이저 소자의 내부 유효 굴절률차(Δneff)를 도시하는 도면이다.
유효 굴절률차(Δneff)에 의하여 기본 횡 모드와 같은 발진 모드는 횡 방향으로 제한된다. 이 때, 발진 모드의 횡 방향의 확대는, 유효 굴절률차(△neff)의 크기에 의하여 결정된다. 도 9(a) 및 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 유효 굴절률차(△neff)가 크면(도 9(b)), 횡 방향의 발진 모드의 확대가 작다. 즉, 기본 횡 모드 분포의 확대가 작다. 도 9는 유효 굴절률차(△neff)의 크기와 기본 횡 모드 분포의 확대를 도시하는 도면이다.
면 발광 레이저 소자에 구동 전류를 주입하면, 전류가 메사의 중앙부에 집중하고, 줄열과 활성층 영역에서의 비발광 재결합에 의해서, 메사 중앙부의 활성층 부근의 온도가 국소적으로 상승한다. 반도체 재료는, 온도가 상승하면, 밴드갭 에너지가 감소되어, 굴절률이 커지는 성질을 갖고 있다. 따라서, 메사의 중앙부의 온도가 국소적으로 상승하면, 중앙부의 굴절률은 중앙부를 둘러싸는 부분보다 커지고, 횡 방향의 광 가둠이 강해진다.
도 9(a)에 도시된 바와 같이, 내부 유효 굴절률차(Δneff)가 작은 경우에, 메사 중앙부의 온도가 국소적으로 상승하면, 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 유효 굴절률차(Δneff)의 변화가 커져, 기본 횡 모드 분포가 크게 변화된다. 이 경우에는, 전류 주입이 행해지고 있는 게인 영역이 횡 모드 분포와 중첩되는 부분이 증가되고, 횡 방향의 광 가둠 계수(Γl)가 증가된다. 이 결과, 게인 영역에서의 광 강도가 증가되고, 유도 방출 레이트가 증대되고, 발진 임계 전류(이하에서는, 일부 경우에서, 단순히 임계 전류라고 칭한다)가 낮아진다.
상술된 바와 같이, 내부 유효 굴절률차(Δneff)가 작고, 상온에서 횡 방향의 광 가둠이 불충분한 면 발광 레이저 소자에서, 내부 온도가 상승하면, I-L 곡선(전류-광 출력 곡선)(I-L 특성)은 전체적으로 저전류측으로 시프트되고, 발광 효율이 향상된다(도 11 참조). 이 경우에서, 동일한 구동 전류값에 있어서의 광 출력은 시간의 경과에 따라 증가되고, 부의 드롭 특성이 나타난다(도 12 참조).
도 11에서, 내부 온도가 상승하기 전의 시각 t = t0에서 예측되는 I-L 곡선과, 펄스(전류)가 인가되는 동안 내부 온도가 충분히 상승한 시각 t=t1에서 예측되는 다른 I-L 곡선이 도시되어 있다. 온도가 상승하면, 발광 효율이 향상하여 임계 전류가 저감하기 때문에, 시간 t1에 있어서의 I-L 곡선은 시간 t0에 대하여 I-L 곡선으로부터 저전류측으로 시프트된다. 펄스의 구동 전류 값 Iop은 일정하므로, 시간 t1의 광 출력 p1은 시간 t0에서 광 출력 p0보다 크다. 이 시간에서 광파형은 도 12에 도시되어 있다.
한편, 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 내부 유효 굴절률차(Δneff)가 큰 경우, 메사 중앙부의 온도가 상승하더라도, 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 유효 굴절률차(Δneff)의 변화는 작고, 기본 횡 모드 분포는 크게 변화하지 않는다.
상술된 바와 같이, 내부 유효 굴절률차(Δneff)가 크고, 상온에서의 횡 방향의 광 가둠이 충분한 면 발광 레이저 소자에서, 내부 온도가 상승하더라도, 기본 횡 모드 분포는 안정적이고, 발광 효율의 변화는 거의 발생하지 않는다. 이 경우에는, 동일한 구동 전류에서의 광 출력은 시간이 경과하더라도 거의 일정하며, 부의 드롭 특성은 나타나지 않는다.
횡 방향의 광 가둠 강도를 나타내는 지표로서, 횡 방향의 광 가둠 계수(이하, 단순히 광 가둠 계수)가 있다. 광 가둠 계수의 값이 크면, 전계 강도는 게인 영역에 집중되므로, 횡 모드 분포는 예리한(acute) 분포를 갖는다. 다시 말해서, 상온에서 광 가둠 계수가 크면, 산화 협착 구조에 의해 충분히 광이 가둬지므로, 전계 강도 분포는 게인 영역의 국소적인 온도 변화(굴절률 변화)와 같은 변동에 대하여 안정하다.
광 가둠 계수는, 면 발광 레이저 소자의 중심을 통과하는 반경 방향에서의 단면의 전계의 적분 강도에 대한 전류 통과 영역의 반경의 영역에서의 전계 적분 강도의 비로서 정의된다. 광 가둠 계수는 산출된 기본 횡 모드 분포에 기초로 하여, 수학식 (3)을 이용하여 산출된다. 수학식 (3)에서, "a"는 전류 통과 영역의 반경이다.
Figure pat00003
도 13은 피선택 산화층의 두께와 산화 협착 구조의 산화 협착 직경 간의 관계에서의 광 가둠 계수를 도시하는 테이블이다. 도 13에서, 780 nm 대의 면 발광 레이저 소자에서, 상온에서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수가 계산된 결과로서 나타낸다. 광 가둠 계수는 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경에 좌우된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 광 가둠 계수는, 피선택 산화층의 두께가 두껍고, 산화 협착 직경이 크면, 크다.
도 14는 도 13에 도시된 계산된 결과를 도시하는 그래프이다. 도 14에서, 횡축은 피선택 산화층의 두께를 나타내고, 종축은 광 가둠 계수를 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이, 피선택 산화층의 두께의 증가에 대하여 광 가둠 계수의 변화를 보면, 산화 협착 직경이 상이한 경우, 피선택 산화층의 두께가 25 nm 보다 작은 영역에서, 광 가둠 계수가, 상이한 산화 협착 직경 사이에서 크게 변하고, 피선택 산화층의 두께가 25 nm 이상이면, 광 가둠 계수는 대응하는 포화 경향을 나타낸다.
실제로, 피선택 산화층의 두께 및 산화 협착 직경이 서로 상이한 복수의 면 발광 레이저 소자가 제작되고, 복수의 면 발광 레이저 소자의 드롭 특성이 평가되었다. 평과된 결과를 도 15에 도시한다. 도 15에서, 드롭률이 -10% 이상이면, "O"이 도시되고, 드롭률이 -10% 보다 작으면, "X"가 도시된다.
도 13 및 도 15에 도시된 바와 같이, 상온에서 기본 횡 모드에서 광 가둠 계수가 0.9 이상인 면 발광 레이저 소자에서, -10%의 드롭률를 얻을 수 있다. 또한, 일반적으로 잘 이용되는 산화 협착 직경은, 4.0㎛ 내지 5.0㎛의 범위 내이므로, 도 13에 도시된 바와 같이, 피선택 산화층의 두께가 25 nm 이상이면, 0.9 이상의 광 가둠 계수를 획득할 수 있다.
도 16은, 상온에 있어서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수가 약 0.983인 면 발광 레이저 소자의 광파형을 도시하는 그래프이다. 이 때, 드롭률은 약 -4.3%이다.
도 17은, 상온에서 기본 횡 모드의 광 가둠 계수가 약 0.846인 면 발광 레이저 소자의 광파형을 도시하는 그래프이다. 이 때, 드롭률은 약 -62.8%였다.
상술된 바와 같이, 상온에 있어서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수를 0.9 이상으로 결정하면, 부의 드롭 특성을 저하시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는, 주로 산화 협착 직경과 피선택 산화층의 두께의 2개에 인자에 의하여 결정되므로, 산화 협착 직경과 피선택 산화층의 두께의 조합을 선택하는 것이 중요하다.
본 발명의 발명자들이 몇몇 피팅 방식을 시행하여, 도 13에 도시된 계산 결과(광 가둠 계수)는, 산화 협착 직경 "d"㎛(전류 통과 영역의 폭)과, 피선택 산화층의 두께 "t" nm(전류 통과 영역을 둘러싸는 산화물의 두께)의 변수의 2차 형식으로 피팅될 수 있다는 것을 발견했다.
수학식 (4)은 산화 협착 직경 "d"과 피선택 산화층의 두께 "t"의 2차 형식의 광 가둠 계수 Γ의 피팅 결과이다. 도 13에 도시된 특정 값을 "d" 및 "t"에 대입하면, 도 13에 도시된 기본 횡 모드의 광 가둠 계수 Γ는 약 1%의 오차로 획득되었다.
상술된 바와 같이, 부의 드롭 특성을 효과적으로 억제하기 위해서는, 광 가둠 계수가 0.9 이상인 것이 요구된다. 피선택 산화층의 두께 "t"와 산화 협착 직경 "d"의 조합(범위)는 수학식 (4)로 획득될 수 있다.
Figure pat00004
즉, 이 범위는 "Γ(d,t) ≥ 0.9"의 부등식을 만족하는 "t"와 "d"의 조합이다. 구체적으로는, 부등식은 수학식 (5)로 나타낸다.
Figure pat00005
따라서, 수학식 (5)을 만족하기 위하여, 산화 협착 직경 "d"와 피선택 산화층의 두께 "t"가 선택되면, 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 0.9 이상이 되고, 부의 드롭 특성이 낮춰진 면 발광 레이저 소자를 획득할 수 있다.
유효 굴절률차(△neff)가 드롭 특성에 영향을 미친다는 것은 이전에 알려지지 않았고, 본 발명의 발명자들이 처음으로 상기를 발견하였다.
일반적으로, 상온에서 유효 굴절률차(△neff)는, 피선택 산화층이 두껍고, 피선택 산화층이 활성층 근처에 위치될 때, 커진다. 이 때, 상기 2개의 영향도를 비교하면, 피선택 산화층의 두께의 영향도가 위치의 영향도보다 훨씬 크다.
따라서, 상온에서의 횡 방향의 광 가둠 강도는 주로 피선택 산화층의 두께에 의하여 결정된다. 또한, 피선택 산화층의 두께는 부의 드롭 특성을 방지하기 위하여 25 nm 이상이도록 요구되는 것으로 말할 수 있다.
피선택 산화층을 선택적으로 산화하기 위한 공정에서, 산화는 기판의 표면에 대하여 평행 방향으로 진행할 뿐만 아니라, 기판의 표면에 수직인 방향으로 약간 진행한다. 따라서, 선택 산화가 끝난 메사의 단면을 전자 현미경으로 관찰하면, 산화층의 두께는 균일하지 않고, 메사 외주부의 두께가 메사의 산화 종료부(oxidized tip)의 두께보다 크다. 그러나, 메사의 중앙부로부터, 외주 방향으로 메사의 중앙부로부터 2 ㎛ 내지 3㎛ 떨어진 부분까지의 영역에서의 산화층의 두께는 피선택 산화층의 두께와 실질적으로 동일하다. 발진광은 주로 메사의 산화 종료부의 유효 굴절률차(△neff)에 의하여 영향을 받기 때문에, 피선택 산화층의 두께를 미리 결정된 값(25 nm 이상)이도록 제어하면, 산화 종료부의 산화층의 두께는 미리 결정된 두께일 수 있다.
도 18은, 면 발광 레이저 소자의 자기 발열에 의하여 생성된 면 발광 레이저 소자의 횡 모드 분포의 변화를 도시하는 제1 그래프이다. 도 18에서, 상온(27℃)에 있어서의 광 가둠 계수가 약 0.788였고, 산화 협착 직경이 4㎛였고, 피선택 산화층의 두께가 20 nm였던 면 발광 레이저 소자가 사용되었다. 도 18에서, 횡 모드 분포의 변화가 면 발광 레이저 소자의 전체 영역에서 27℃에서 계산되었다. 또한, 동작 상태에서 전류 주입 영역(발열 영역)의 온도가 현저히 상승하는 것으로 생각되기 때문에, 산화층에 의하여 제어되는 전류 주입 영역의 굴절률만이 공진 영역(한 쌍의 반도체 DBR에 의하여 사이에 끼워진 스페이서층과 활성층으로 형성된; 도 19 참조)에서 60℃의 온도에 있도록 결정되었다.
도 18에 도시된 바와 같이, 공진 영역의 전류 주입 영역의 온도 만을 60℃이도록 결정한 경우, 27℃의 경우와 비교해서 기본 횡 모드 분포는 좁아졌고, 즉 기본 횡 모드 분포에 큰 변화가 보였다. 공진 영역의 전류 주입 영역의 온도 만을 60℃로 한 경우의 기본 횡 모드 분포의 광 가둠 계수는 0.987이며, 27℃의 경우의 기본 횡 모드 분포의 광 가둠 계수의 변화율은 25%였다. 자기 발열에 의하여 기본 횡 모드 분포가 안정되지 않으면, 부의 드롭 특성이 나타나고, 이것은 면 발광 레이저 소자에서 바람직하지 않다.
도 20은, 면 발광 레이저 소자의 자기 발열에 의하여 생성된 면 발광 레이저 소자의 횡 모드 분포의 변화를 도시하는 제2 그래프이다. 도 20에서, 상온(27℃)에서 광 가둠 계수가 약 0.973이었던 면 발광 레이저 소자가 사용되었고, 산화 협착 직경이 4㎛이었고, 피선택 산화층의 두께는 30 nm였다. 도 20에 도시된 바와 같이, 공진 영역의 전류 주입 영역의 온도만이 60℃로 한 경우, 광 가둠 계수는 약 0.994이었고, 기본 횡 모드 분포의 광 가둠 계수의 변화율은 27℃의 경우의 2.2%였다.
도 21은 몇몇 면 발광 레이저 소자에서 피선택 산화층의 두께에 대한 광 가둠 계수 간의 비를 도시하는 도면이다. 도 21에서, 산화 협착 직경이 서로 상이한 몇몇 면 발광 레이저 소자에서, 상온에서의 광 가둠 계수 "Γl"에 대한, 공진 영역의 전류 주입 영역만을 60℃로 했을 때 기본 횡 모드의 광 가둠 계수"Γl'"의 비(Γl'/Γl)를 계산하였다. 도 21에 도시된 바와 같이, 비(Γl'/Γl)가 1.1 이하(변화율이 10% 미만)였을 때에, 드롭률이 -5% 이상이었고, 적합한 광파형을 얻을 수 있었다.
한편, 비(Γl'/Γl)가 1.1를 넘으면, 부의 드롭 특성이 분명하게 나타나며, 비(Γl'/Γl)가 커지면, 드롭률이 작아진다(부의 드롭률이 커진다).
상술된 바와 같이, 상온에서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수에 대한 공진 영역의 전류 주입 영역의 온도만을 60℃로 한 경우, 기본 횡 모드의 광 가둠 계수의 변화율이 10% 이내에 결정되는 경우, 부의 드롭 특성이 더 방지될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예(변형예 포함)에 따른 면 발광 레이저 소자(100)에서, 상온(27℃)에서 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 약 0.974였다. 또한, 공진 영역(공진기 구조체)의 전류 주입 영역의 온도만을 60℃로 했을 때의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 약 0.996이었다. 즉, 광 가둠 계수의 변화율은 2.2%였다.
또한, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 변화되면, 디튜닝량(공진 파장과 게인 피크 파장 간의 차)이 변화된다. 따라서, 다음에, 디튜닝량과 부의 드롭 특성 간의 관계를 설명한다.
단면 발광 레이저 소자에서, 공진 종 모드가 조밀하게 존재하기 때문에, 레이저 발진은 게인 피크 파장(λg)에서 발생된다. 한편, 면 발광 레이저 소자에서, 일반적으로 공진 파장이 단일 파장이며, 반도체 DBR의 반사 대역 중에는 단일 종 모드만이 존재한다. 또한, 레이저 발진은 공진 파장(λr)에서 생기기 때문에, 면 발광 레이저 소자의 발광 특성은, 공진 파장(λr)과 활성층의 게인 피크 파장(λg)의 관계에 의존한다.
디튜닝량(△λ0)을 수학식 (6)으로 정의한다. 수학식 (6)에서, λr0는 공진 파장이며, λg0는 게인 피크 파장이다. 첨자 "0"은, 면 발광 레이저 소자를 상온에서 임계 전류에 의한 CW(continuous wave oscillation)을 실행하도록 구동시킨 경우의 값을 의미한다. 첨자 "0"이 없는 경우는, 상기 이외의 경우가 보여진다(나타난다). 예컨대, 임계 전류보다 큰 전류로 면 발광 레이저 소자가 구동된다.
Figure pat00006
도 22(a)에서, △λ0> 0의 경우가 도시되고, 도 22(b)에는, △λ0<0의 다른 경우가 도시된다.
발진 파장은, 게인 피크 파장이 아니라, 공진 파장에 의해 결정된다. 따라서, 면 발광 레이저 소자의 레이저 특성은, △λ0의 정 또는 부 기호 및 그 크기에 크게 의존한다. 예컨대, 상온에서의 임계 전류는 △λ0의 절대값이 크면 높은 경향이 있다.
공진 파장 및 게인 피크 파장은, 온도 상승에 따라, 장 파장측으로 변화된다. 공진 파장의 변화는 공진기 구조체의 재료의 굴절률의 변화에 의해서 생기고, 게인 피크 파장의 변화는 활성층의 재료의 밴드갭 에너지에 의하여 생긴다. 그러나, 밴드갭 에너지의 변화율은, 굴절률의 변화율보다도 약 일자릿수 크다. 따라서, 온도 변화시의 발광 특성은, 주로 게인 피크 파장의 변화량에 의하여 결정된다. 공진 파장의 변화율은 약 0.05 nm/K 이며, 실질적으로, 무시될 수 있다.
면 발광 레이저 소자에 있어서, 주입 전류의 변화에 의해서 내부 온도(활성층의 온도)가 상승하면, 게인 피크 파장은 장 파장측으로 시프트된다. 그러므로, △λ0> 0의 경우(도 22(a) 참조)에는, △λ의 절대값(디튜닝량)이 한번 감소하고, 그 후 증가한다.
일반적으로, 면 발광 레이저 소자로서는, 게인 피크 파장과 공진 파장이 일치하게 되면, 발진 효율(발광 효율)이 최대값이 된다.
△λ0> 0의 경우에, 상온으로부터 면 발광 레이저 소자의 내부 온도를 상승시켜 임계 전류를 계측하면, 임계 전류는 내부 온도가 상승하는 동안 감소하기 시작한다. 임계 전류는, 게인 피크 파장과 공진 파장이 일치하게 될 때 최소값이 되고, 내부 온도를 더 증가시키면 상승하기 시작한다. 즉, 상온보다 더 고온에서 임계 전류가 최소값으로 되는 온도가 존재한다.
Δλ0< 0의 경우(도 22(b) 참조)에는, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도(활성층의 온도)가 상승하면, Δλ의 절대값은 단조 증가되고, 따라서 면 발광 레이저 소자의 내부 온도를 상온으로부터 상승시켜 임계 전류를 계측하면, 임계 전류는, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 상승할 때만 증가된다.
이 경우, 내부 온도가 상온으로부터 감소되면, 게인 피크 파장(△λg)은 단파장측으로 시프트된다. 면 발광 레이저 소자의 내부 온도를 상온으로부터 저하시켜 임계 전류를 계측하면, 임계 전류는 감소하기 시작하고, 게인 피크 파장이 공진 파장과 일치하게 될 때, 임계 전류는 최소값이 된다. 내부 온도가 더 감소되면, 임계 전류는 증가하기 시작한다. 즉, Δλ0 < 0에서, 임계 전류가 최소값이 되는 온도는 상온보다 저온측에 존재하고 있다.
도 23은 면 발광 레이저 소자의 분위기 온도가 변할 때 디튜닝량(△λ0)이 서로 상이한 3개의 면 발광 레이저 소자의 발진 임계 전류의 측정 결과를 도시한다. 3개의 면 발광 레이저 소자에서, △λ0 < 0, △λ0
Figure pat00007
0, △λ0 > 0이다. 또한, 도 23에서, 각 온도에서 발진 임계 전류 "Ith"가 발진 임계 전류 "25℃에서 Ith"에 의하여 구분되는 값을 도시하고, 횡축은 면 발광 소자의 분위기 온도(측정된 온도)를 나타낸다. 도 23에 도시된 바와 같이, △λ0 < 0의 경우에는 상온보다 저온측에서, △λ0
Figure pat00008
0의 경우에는 상온 부근에서, △λ0 > 0의 경우에는 상온보다 높은 온도측에서 발진 임계 전류가 최소값이 된다.
종래의 면 발광 레이저 소자에서, 고온, 고출력 동작 상태에서의 발광 특성의 열화를 막기 위해서, 발진 임계 전류가 통상은 고온에서 감소되도록 △λ0 > 0이 결정된다.
그러나, △λ0 > 0로 결정된 종래의 면 발광 레이저 소자를 사각형 전류 펄스로 구동한 경우에, 내부 온도의 상승에 따라 I-L 특성(전류-광 출력 특성)이 저전류측으로 시프트되고, (발진)임계 전류가 저하된다. 따라서, 동일한 구동 전류값에 있어서의 광 출력은 시간의 경과에 따라 증가된다. 즉, 부의 드롭 특성이 나타난다. 한편, △λ0 < 0의 경우에는, 내부 온도의 상승에 따라 I-L 특성은 고전류측으로 시프트되기 때문에, 광 출력은 증가되지 않는다. 즉, 부의 드롭 특성은 나타나지 않는다. 따라서, 부의 드롭 특성을 억제하기 위해서는, 산화층의 두께를 결정하는 것 외에, △λ0 < 0로 설정하여 상온 이상에서 임계 전류가 최소값이 되지 않도록 제어해야 한다.
△λ0를 원하는 값이도록 설정하기 위해서는, 게인 피크 파장(λg0)을 알아야 한다. 단면 발광 레이저 소자에서, 발진 파장이 게인 피크 파장과 일치하게 되므로, 발진 파장으로부터 게인 피크 파장을 획득할 수 있다. 그러나, 면 발광 레이저 소자에서, 공진 파장은 구조에 의해서 결정되고, 따라서, 게인 피크 파장은 거의 추정되지 않는다.
게인 피크 파장을 추정하기 위하여, 다음의 두 방법 중 하나가 사용된다. 제1 방법에서, 면 발광 레이저 소자의 활성층과 동일한 형태의 활성층을 갖는 단면 발광 레이저 소자가 제조되고, 게인 피크 파장은 상온에서 발진 파장으로부터 추정된다. 제2 방법에서, 면 발광 레이저 소자의 활성층과 동일한 형태의 활성층을 갖는 더블 헤테로 구조가 제조되고, 게인 피크 파장이 PL(photo luminescence) 파장으로부터 추정된다.
예컨대, 제1 방법에서, 스트라이프 폭이 40㎛이고, 공진기 길이가 500㎛인, 면 발광 레이저 소자의 활성층 구조와 동일한 활성층 구조를 갖는 산화막 스트라이프형의 단면 발광 레이저 소자가 제조되고, 단면 발광 레이저 소자의 상온에서의 CW의 임계 전류의 파장이 게인 피크 파장(λg0)이도록 결정된다.
제2 방법에서, 레이저 발진시 파장은, PL 파장에 대하여 장파장측으로 시프트되므로, 시프트량이 조정되어야 한다. 파장 시프트는, 광 여기 공정과 전류 여기 공정과 같은 여기 공정차 및 전류 여기 공정에서 전류에 의하여 발생되는 열에 의하여 생성된다. 일반적으로, 단면 발광 레이저 소자에서의 발진 파장은, PL 파장(λPL)보다 약 10nm 만큼 더 긴 파장이 된다. 따라서, 이 경우, 파장 시프트량이 10nm이도록 결정된다.
따라서, PL 파장(λPL)을 기준으로 졀정하면, 수학식 (6)은 수학식 (7)로 변환된다.
Figure pat00009
상기 파장 시프트량 10 nm은 일반적인 값이지만, 사용되는 재료에 따라서 변경될 수 있다.
Δλ0가 서로 상이한 복수의 면 발광 레이저 소자를 제작하였고, 각 면 발광 레이저 소자에 있어서의 임계 전류가 최소값이 되는 온도를 구했다. 도 24는 구한 결과를 도시한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 임계 전류가 △λ0가 0일 때 상온에서 임계 전류가 최소값이 되는 것을 이해할 수 있다.
다음에, 피선택 산화층의 두께가 서로 상이한(30, 31, 34 nm) 복수의 면 발광 레이저 소자를 제작하였고, 각 면 발광 레이저 소자에 있어서의 임계 전류가 최소값이 되는 온도와 드롭률을 구했다. 도 25는, 면 발광 레이저 소자 각각에서 임계 전류가 최소값이 될 때의 온도와 드롭률 간의 관계를 도시한다.
도 25에서, 우선 피선택 산화층의 두께가 동일한 면 발광 레이저 소자에 주목한다. 임계 전류가 최소값이 될 때 온도가 25℃ 이하인 면 발광 레이저 소자 어느 것에도, 드롭률의 절대값이 작고(0에 근접), 또한 대략 일정하다. 한편, 임계 전류가 최소값이 될 때 온도가 25℃ 이상인 면 발광 레이저 소자에서, 최소 임계 전류에서 온도가 높아질 때 드롭률이 작아진다(부의 드롭률이 커진다).
최소 임계 전류에서의 온도가 상온보다 높은 면 발광 레이저 소자에서, 전류 주입에 의해 활성층의 온도가 상승했을 때, 발진 효율이 향상된다. 따라서, 상술된 바와 같이, 부의 드롭 특성이 현저히 나타난다. 또한, 최소 임계 전류의 온도가 상온보다 높은 면 발광 레이저 소자에서, 전류 주입 초기에서의 발진 효율이 낮으므로, 전류 주입 초기 후 발진 효율이 커지고, 부의 드롭 특성이 현저히 나타난다.
다음, 도 25에서, 피선택 산화층의 두께의 차이에 주목한다. 최소 임계 전류에서의 온도가 25℃ 이하인 면 발광 레이저 소자에서, 피선택 산화층의 두께가 클 때, 드롭률이 0에 가깝고, 부의 드롭 특성이 억제된다. 상술된 바와 같이, 피선택 산화층의 두께가 크면, 산화층에 의한 광 가둠 계수가 크고, 온도 변화에 대하여 기본 횡 모드 분포가 안정하게 된다.
도 25에 도시된 면 발광 레이저 소자에서, 피선택 산화층의 두께가 25 nm 이상이므로, 최소 임계 전류에서의 온도가 25℃ 이하인 면 발광 레이저 소자에서, 드롭률은 -10% 이상이고(드롭률은 -10% 내지 0%의 범위에 있다), 부의 드롭 특성이 효과적으로 억제되어 있다.
상술된 바와 같이, 부의 드롭 특성을 방지하기 위하여, 디튜닝량(△λ0) 및 광 가둠 계수가, 활성층의 온도가 상승할 때 면 발광 레이저 소자의 발광 효율이 상온에서의 발광 효율보다 높지 않도록 결정된다.
본 발명의 제1 실시예(변형예 포함)에 따른 면 발광 레이저 소자(100)에서, 활성층(105)의 PL 파장이 772 nm이도록 결정되고, 상온에서의 디튜닝량(△λ0)이 -2 nm이도록 결정되고, 임계 전류가 약 17℃에서 최소값이 된다.
광 가둠 계수가 서로 상이한 복수의 면 발광 레이저 소자가, 최소 임계 전류에서의 온도가 25℃ 이하인 조건 하에 제조하였고, 복수의 면 발광 레이저 소자를 상세하 연구하였다. 연구 결과로서, 광 가둠 계수는 약 0.9였고, 드롭률은 약 -5%였다. 광 가둠 계수가 0.9보다 크도록 제조되었으면, 드롭률은 증가되었다.
광 가둠 계수가 0.9보다 작은 면 발광 레이저 소자에서, 광 가둠 계수가 작으면, 드롭률이 작아지는 경향이 보여졌고, 드롭률이 -70% 이하인 면 발광 레이저 소자도 보였다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)는, 활성층(105)을 포함하는 공진기 구조체와, 이 공진기 구조체를 사이에 끼운 하부 반도체 DBR(103) 및 상부 반도체 DBR(107)를 포함한다. 상부 반도체 DBR(107)는, 주입 전류와 발진 광의 횡 모드를 동시에 가둘수 있는 산화 협착 구조를 포함한다. 산화 협착 구조에서, Al을 포함하는 피선택 산화층(108)의 일부가 산화될 때 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화층(108a)이 전류 통과 영역(108b)(비산화 영역)을 둘러싼다. 피선택 산화층(108)의 두께는 28nm 이고, 온도는 임계 전류가 최소값이 될 때 약 17℃이다. 이로써, 부의 드롭 특성은 펄스 주기에 상관없이 방지될 수 있다.
또한, 펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 공급되고, (P1 - P2) / P2 = -0.05이며, 부의 드롭 특성이 더욱 방지될 수 있다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 상온에 있어서의 산화 협착 구조에서의 기본 횡 모드의 횡 방향에서의 광 가둠 계수는 약 0.974이다. 따라서, 부의 드롭 특성이 더욱 방지된다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 공진기 구조체에 있어서의 전류 주입 영역의 온도만을 상온으로부터 60℃로 변화시킬 때, 광 가둠 계수의 변화율은 2.2%이고, 부의 드롭 특성은 또한 더욱 개선된다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 상온에서의 발진 임계 전류에 있어서의 게인 피크 파장이, 공진기 구조체의 공진 파장보다도 2 nm 만큼 더 길고, 따라서 부의 드롭 특성이 더욱 방지될 수 있다.
다음, 본 발명의 제1 실시예의 변형예를 보다 상세히 설명한다.
도 26은, 피선택 산화층(108)의 두께를 20 nm으로 한 경우의, 메사 외주부에서의 산화층(108a)의 두께와 드롭률과의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 26에서, 기호는 로트로 제조된 면 발광 레이저 소자(100)를 도시한다. 또한, 면 발광 레이저 소자(100)는 중간층(107m)을 포함하지 않고, 저굴절률층(107c)은 Al0 .83Ga0 .17As로 형성된다.
도 26에 도시된 바와 같이, 메사 외주부에서의 산화층(108a)의 두께가 면 발광 레이저 소자(100)의 동일한 구조에서 로트마다 상이하고, 산화층(108a)의 두께는 드롭률에 관련되어 있다. 산화층(108a)의 두께가 극단적으로 크도록 결정되면, 피선택 산화층(108)의 두께가 25 nm보다 작아도, 적합한 드롭률(미소 드롭률)이 획득될 수 있다.
그러나, 산화층(108a)의 두께가 극단적으로 크도록 결정되면, 면 발광 레이저 소자(100)의 수명이 단축된다는 것을 알았다. 도 27은, 면 발광 레이저 소자(100)로 형성된 면 발광 레이저 어레이의 수명과 산화층(108a)의 최대 두께 간의 두께를 도시하는 그래프이다.
도 27에서, 면 발광 레이저 소자(100)는 중간층(107m)을 포함하지 않고, 저굴절률층(107c)이 Al0 .83Ga0 .17As로 형성된다. 또한, 복수의 면 발광 레이저 소자(100)를 배열함으로써 면 발광 레이저 어레이의 복수 로트가 형성된다. 다음, 산화층(108a)의 수명과 최대 두께가 측정된다. 또한, 기호는 로트로 제조된 면 발광 레이저 어레이를 도시한다.
또한, 각 발광부로부터 광 출력이 일정하게 되도록 구동 전류를 피드백 제어하고, 발광부의 구동 전류 중 적어도 하나가 최초 구동 전류의 120% 이상이 될 때 수명은 경과 시간인 것으로 결정된다.
특히, 메사 외주부에서의 산화층(108a)의 두께가 125 nm일 때, 면 발광 레이저 소자(100)는 빠르게 열화된다. 또한, 다른 실험으로부터, 산화층(108a)의 최대 두께가 60 nm일 때의 면 발광 레이저 소자(100)의 수명은, 산화층(108a)의 최대 두께가 80 nm일 때의 수명과 실질적으로 동일했다. 또한, 산화층(108a)의 최대 두께가 110 nm을 넘으면, 면 발광 레이저 소자(100)의 열화가 빨라졌다. 면 발광 레이저 소자(100)의 수명은, 산화층(108a)의 두께가 125 nm일 때, 허용 범위내이지만, 제조 공정에서의 두께의 변동을 고려하면, 산화층(108a)의 두께는 110 nm 이하인 것이 바람직하다.
Al을 포함하는 반도체(예컨대, AlAs)가 산화될 때, AlxOy가 형성되고, 반도체의 체적이 감소되고, 반도체에 변형이 생긴다. 이 변형의 크기는, 산화층(108a)의 두께가 크면 크다. 산화층(108a)의 두께가 110 nm보다 크게 되면, 이 변형이 활성층(105)에 영향을 미쳐, 활성층(105)에 결함이 생기고, 면 발광 레이저 소자(100)의 수명이 단축된다.
또한, 산화층(108a)의 두께가 크면, 싱글 모드 출력이 작아지고, 광 발산각이 넓어진다. 메사 외주부에서의 산화층(108a)의 두께가 110 nm을 넘으면, 싱글 모드 출력 및 광 발산각은 면 발광 레이저 소자(100) 사이에서 변동된다.
즉, 원하는 드롭률을 얻기 위해서, 메사 외주부에서의 산화층(108a)의 두께를 110 nm을 넘는 두께로 하면, 면 발광 레이저 소자(100)의 수명이 단축되고, 싱글 모드 출력 및 광 발산각이 면 발광 레이저 소자(100) 간에서 분산된다.
면 발광 레이저 소자(100)의 산화 협착 구조를 SEM(Scanning Electronic Microscope, 주사형 전자 현미경)을 이용하여 관찰할 때, 산화층(108a)에서, 메사의 외주부에서의 두께가 60 nm 내지 70 nm로 가장 두껍고, 면 발광 레이저 소자(100) 간에서 크게 변동되지 않는다.
또한, 전류 통과 영역(108b)(비산화 영역)은, 원하는 크기를 갖는 사각형이다. 또한, 단일 모드 출력, 광 발산각, 수명과 같은 특성은 면 발광 레이저 소자(100) 간에서 크게 변동되지 않는다. 상기 특성은, 면 발광 레이저 어레이가 면 발광 레이저 소자(100)로 형성될 때 유리하다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에서, 산화층(108a)의 두께를 제어하기 위하여, 면 발광 레이저 소자(100)는 중간층(107m)(제1 층)과 저굴절률층(107c)(제2 층)을 포함한다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 면 발광 레이저 소자(100)는, 활성층(105)을 포함하는 공진기 구조체를 포함하고, 하부 반도체 DBR(103) 및 상부 반도체 DBR(107)이 이 공진기 구조체를 사이에 끼운다. 상부 반도체 DBR(107)은, 주입 전류와 발진 광의 횡 모드를 동시에 가둘수 있는 산화 협착 구조를 포함한다. 산화 협착 구조에서, Al을 포함하는 피선택 산화층(108)의 일부가 산화될 때 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화층(108a)이 전류 통과 영역(108b)(비산화 영역)을 둘러싼다.
피선택 산화층(108)의 두께는 28nm 이고, 산화층(108a)의 두께는 가장 두꺼운 부분에서 60 nm 내지 70 nm이고, 임계 전류가 최소값이 될 때 온도는 약 17℃이다.
이것으로, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 부의 드롭 특성은 수명을 단축시키지 않고 펄스 주기에 상관없이 방지될 수 있다.
또한, 펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 공급되고, (P1 - P2) / P2 = -0.05이며, 부의 드롭 특성이 더욱 방지될 수 있다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 상온에 있어서의 산화 협착 구조에서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 약 0.96이고, 따라서, 부의 드롭 특성이 더욱 방지된다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 공진기 구조체에 있어서의 전류 주입 영역의 온도만을 상온으로부터 60℃로 변화시킬 때, 광 가둠 계수의 변화율은 3.0%이고, 부의 드롭 특성은 또한 더욱 개선된다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100)에서, 상온에서의 발진 임계 전류에 있어서의 게인 피크 파장이, 공진기 구조체의 공진 파장보다도 2 nm 만큼 더 길고, 따라서 부의 드롭 특성이 더욱 방지될 수 있다.
또한, 피선택 산화층(108)은 상부 반도체 DBR(107)의 저굴절률층의 일부이며, 피선택 산화층(108)을 포함하는 저굴절률층은, 피선택 산화층(108)을 사이에 끼우는 2개의 중간층(107m)과, 대응하는 중간층(107m)에 인접한 2개의 저굴절률층(107c)을 포함한다. 중간층(107m)에서의 Al 함유율은 피선택 산화층(108)에서의 Al 함유율보다 17% 만큼 더 낮다. 또한, 저굴절률층(107c)에서의 Al 함유율은 피선택 산화층(108)에서의 Al 함유율보다 25% 만큼 더 낮다.
이로써, Al이 선택적으로 산화될 때, 피선택 산화층(108)의 XY 면내의 산화속도 및 피선택 산화층(108)의 산화 두께가 충분히 제어될 수 있다. 따라서, 면 발광 레이저 소자(100) 간에서 산화층(108a)의 두께의 변동을 쉽게 작게 할 수 있다. 즉, 면 발광 레이저 소자(100)의 제조시 수율을 크게 할 수 있다. 결과적으로, 산화층(108a)의 두께가 의도하지 않게 미리 결정된 두께보다 커지는 것이 방지될 수 있고, 활성층(105) 상의 산화층(108a)에서의 변동의 영향을 감소시킬 수 있고, 면 발광 레이저 소자(100)는 장기 수명을 가질 수 있다.
또한, 피선택 산화층(108)을 포함하는 저굴절률층(107c, 107m)의 광학 두께가 인접한 조성 경사층의 1/2를 포함하여 3λ/4인 것으로 결정되므로, 피선택 산화층(108) 및 저굴절률층(107c)의 +Z 측의 조성 경사층은 정재파의 대응하는 노드에 위치된다. 이에 따라, 피선택 산화층(108)에서의 광속의 회절 손실 및 고 농도 도핑을 갖는 조성 경사층에서의 광속의 흡수 손실이 저감될 수 있다.
발진 파장이 λ이고, 피선택 산화층(108)을 포함하는 저굴절률층(107m, 107c)의 광학 두께는 (2n+1)λ/4(n은 정수)이면, 피선택 산화층(108) 및 저굴절률층(107c)의 +Z측의 조성 경사층이 정재파의 대응하는 노드에 위치될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예의 변형예에서, 중간층(107m)은 피선택 산화층(108)을 사이에 끼우도록 위치된다. 그러나, 피선택 산화층(108a)의 가장 두꺼운 부분의 두께는 110nm 이하이면, 중간층(107m) 중 하나가 생략될 수 있다. 또한, 산화층(108a)의 가장 두꺼운 부분의 두께가 110 nm 이하인 것으로 결정될 수 있을 때, 중간층(107m)이 생략될 수 있다.
또한, 피선택 산화층(108)과 중간층(107m)에서의 Al의 함유율은 상기 비율에 한정되지 않는다. 그러나, 피선택 산화층(108)에서의 Al의 함유율과 중간층(107m) 에서의 Al의 함유율 간의 차는 5% 이상이고 또한 20% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 저굴절률층(107c)에서의 Al의 함유율은 상기 비율에 한정되지 않는다. 그러나, 피선택 산화층(108)에 있어서의 Al의 함유율과 저굴절률층(107c)에서의 Al의 함유율 간의 차는 20%을 넘는 것이 바람직하다. 저굴절률층(107c)은, Z 방향(적층 방향)으로의 산화를 막으면서, 광속의 반사경으로서의 반사율을 높이기 위해 기능한다. 따라서, 저굴절률층(107c)의 Al 조성은 저굴절률층(107a)의 것보다 작은 것이 바람직하다.
[제2 실시예]
도 28은 본 발명의 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100A)의 단면도이다. 본 발명의 설명에서, 레이저 빔 방사 방향은 Z 축 방향인 것으로 결정되고, Z 축 방향에 수직인 면 상에 서로 직교하는 두 방향은 X 축 방향과 Y 축 방향인 것으로 결정된다.
면 발광 레이저 소자(100A)의 설계 발진 파장은 780 nm 대이다. 면 발광 레이저 소자(100A)에서, 버퍼층(202)과 같은 복수의 반도체층, 하부 반도체 DBR(203), 하부 스페이서층(204), 활성층(205), 상부 스페이서층(204), 상부 반도체 DBR(207), 및 컨택트층(209)이 기판(201) 상에 순차적으로 적층된다. 다음에서, 상기 반도체 적층 구조를 제3 적층체라 부른다.
기판(201)은 n-GaAs 단결정으로 형성되고, 주요 면의 법선 방향이 [100] 방향에 대하여 [111] A 방향으로 15도 경사진 경사 기판이다.
버퍼층은 n-GaAs로 형성된다.
하부 반도체 DBR(203)은, n-AlAs로 형성되는 저굴절률층과 n-Al0 .3Ga0 .7As로 형성되는 고굴절률층의 쌍을 40.5쌍 포함한다. 또한, 전기 저항값을 감소시키기 위하여, 저굴절률층과 고굴절률층 사이에는, 한 조성으로부터 다른 조성으로 조성이 서서히 변화되는 20 nm 두께의 조성 경사층이 형성된다.
저굴절률층 및 고굴절률층 각각은, 발진 파장이 λ일 때 인접하는 조성 경사층의 1/2를 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 갖도록 결정된다.
하부 스페이서층(204)은, 비도핑의 (Al0 .6Ga0 .9)0.5In0 .5P로 형성된다.
활성층(205)은, GaInAsP로 형성된 양자 우물층과 GaInP로 형성된 배리어층을 포함한다.
780 nm대의 발진 파장을 획득하기 위하여, 양자 우물층은 As를 GaInP 혼합된 결정에 도입함으로써 형성되고, 압축 왜곡을 포함한다. 배리어층은 인장 왜곡을 도입함으로써 밴드갭을 크게 하고, 높은 캐리어 가둠을 실현하고, 양자 우물층의 왜곡을 보정하는 구조를 형성한다. 양자 우물층의 조성은, 단면 발광 LD(laser diode) 구조에서의 CW 발진 임계 전류에서의 발진 파장이 면 발광 레이저 소자의 공진 파장과 동일해지도록 결정된다. 즉, PL 파장은 단면 LD 발진 파장의 발진 파장으로부터의 차(약 10 nm)를 고려하여, 770 nm이 되도록 조정되어 있다.
기판(201)이 경사진 기판이기 때문에, 활성층(205)에서 이방성 게인이 도입되고, 편광 방향이 특정 방향일 수 있다. 즉, 편광 제어가 실현될 수 있다.
상부 스페이서층(206)은 비도핑의 (Al0 .6Ga0 .9)0.5In0 .5P로 형성된다.
하부 스페이서층(204)과 활성층(205)과 상부 스페이서층(206)으로 형성된 부분을 공진기 구조체로 불리고, 공진기 구조체의 두께는 1 파장의 광학 두께가 되도록 결정된다. 활성층(205)은, 높은 유도 방출 확률을 획득하기 위하여, 전계의 정재파 분포의 안티 노드 위치에 대응하는 공진기 구조체의 중앙에 있다. 공진기 구조체는, 하부 반도체 DBR(203)과 상부 반도체 DBR(207) 사이에 끼워져 있다.
상부 반도체 DBR(207)은 제1 상부 반도체 DBR(207a)와 제2 상부 반도체 DBR(207b)을 포함한다.
제1 상부 반도체 DBR(207a)은, p-(Al0 .7Ga0 .3)0.5In0 .5P로 형성된 저굴절률층과 p-(Al0.7Ga0.9)0.5In0.5P로 형성된 고굴절률층의 한 쌍(제1 쌍)을 포함한다. 제1 상부 반도체 DBR(207a)는 AlGaAs 층이 갖는 것보다 큰 밴드갭 에너지를 갖고, 활성 영역으로 주입된 전자를 막기 위한 블록층으로서 기능한다.
기판(201)은 경사진 기판이므로, 기판(201)은 AlGaInP 재료에서 힐록(hillock)의 발생을 방지하고, 결정성을 향상시킬 수 있고, 자연 초격자(natural superlatice)의 발생을 방지하고, 밴드갭 에너지의 감소를 방지한다. 또한, 제1 상부 반도체 DBR(207a)는 고 레벨에서 밴드갭 에너지를 유지할 수 있고, 전자에 대한 블록층으로서 충분히 기능한다.
제2 상부 반도체 DBR(207b)는, p-Al0 .9Ga0 .1As로 형성된 저굴절률층과 p-Al0.3Ga0.7As로 형성된 고굴절률층의 23개 쌍(제2 쌍)을 포함한다.
전기 저항값을 감소시키기 위하여, 상부 반도체 DBR(207)에서, 저굴절률층과 고굴절률층 사이에, 한 조성으로부터 다른 조성으로 조성이 서서히 변화되는 두께 20 nm의 조성 경사층이 형성된다. 저굴절률층과 고굴절률층 각각은, 발진 파장이 λ일 때 인접하는 조성 경사층의 1/2을 포함함으로써 λ/4의 광학 두께를 갖도록 결정된다.
컨택트층(209)은 p-GaAs로 형성된다.
다음, 면 발광 레이저 소자(100A)의 제조 방법을 간략히 설명한다.
(2-1): 제3 적층체는 MOCVD법 혹은 MBE법을 사용하여 결정 성장에 의해서 형성된다. 이 때, 제2 상부 반도체 DBR(207b)의 중간에, 활성층(205)으로부터 제3 위치로부터 정재파의 노드의 위치(공진기 구조체로부터 제3 쌍)에 p-AlAs로 형성되는 30 nm 두께의 피선택 산화층(208)이 삽입된다.
이 때, Ⅲ족의 원료로서는, TMA, TMG, 또는 TMI이 사용되며, Ⅴ족의 원료로서는, 아르신(AsH3) 가스가 사용된다. 또한, p형 도펀트의 원료로서는, 사브롬화탄소(CBr4)가 사용되고, n형 도펀트의 원료로서는, 셀레늄화수소(H2Se)가 이용된다. 또한, AlGaInAsP계 재료의 V족 P 원료로서는, 포스핀(PH3) 가스가 사용되고, AlGaInP 재료의 p형 도펀트 원료로서는, 디메틸징크(DMZn)가 이용된다.
또한, 공진기 구조체 근처의 하부 반도체 DBR(203)에서의 복수의 층(도 29에서의 A 영역)에서는, n형 도펀트의 도핑 농도를 다른 영역에서의 것보다 상대적으로 저농도이도록 조정하고 있다.
구체적으로는, 하부 반도체 DBR(203)에서, 하부 스페이서층(204)에 접촉하는 영역으로부터의 4쌍은 남아 있는 37.5 쌍에 대하여 저농도 영역이다. 구체적인 도핑 농도에서, 저도핑 농도 영역에 대해서는, 조성 일정층(굴절률층) 및 정재파의 안티 노드에 대응하는 부분의 도핑 농도는 3 ~ 7.5 x 1017 cm-3의 범위 내이도록 결정되고, 정재파의 노드에 대응하는 부분의 도핑 농도를 3 x 1017 ~ 1 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정된다. 나머지 37.5 쌍에 대해서는, 조성 일정층(굴절률층) 및 정재파의 안티노드에 대응하는 부분의 도핑 농도를 1 ~ 3 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정되고, 정재파의 노드에 대응하는 부분의 도핑 농도를 1 ~ 5 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정된다.
또한, 공진기 구조체 근처의 제1 상부 반도체 DBR(207a) 및 제2 상부 반도체 DBR(207b)에서의 복수의 층(도 29에서의 B 영역)에서는, p형 도펀트의 도핑 농도를 다른 영역에서의 것보다 상대적으로 저농도이도록 조정하고 있다.
구체적으로는, 상부 반도체 DBR(207)에서, 상부 스페이서층(206)에 접촉하는 영역으로부터의 4쌍은 남아 있는 20 쌍에 대하여 저농도 영역이다. 구체적인 도핑 농도에서, 저도핑 농도 영역에 대해서는, 조성 일정층(굴절률층) 및 정재파의 안티 노드에 대응하는 부분의 도핑 농도는 약 2 ~ 1.3 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정되고, 정재파의 노드에 대응하는 부분의 도핑 농도를 2 x 1017 ~ 4 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정된다. 나머지 20 쌍에 대해서는, 조성 일정층(굴절률층) 및 정재파의 안티노드에 대응하는 부분의 도핑 농도를 1 x 1018 ~ 1.5 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정되고, 정재파의 노드에 대응하는 부분의 도핑 농도를 4 x 1018cm-3의 범위 내이도록 결정된다.
(2-2): 제3 적층체의 표면에 한 변이 25㎛의 사각형을 갖는 레지스트 패턴이 형성된다.
(2-3): Cl2 가스를 이용하는 ECR(electron cyclotron resonance) 에칭에 의하여, 사각형 레지스트 패턴을 포토마스크로서 사용하면서 사각형 프리즘 형상을 갖는 메사가 형성된다. 여기서는, 에칭의 저면은 하부 스페이서층(204)에 위치된다.
(2-4): 포토마스크가 제거된다.
(2-5): 메사의 피선택 산화층(208)의 일부가 제3 적층체를 수증기속에서 열을 가하여 선택적으로 산화된다. 여기서는, 산화층(208a)로 둘러싸인 비산화 영역(208b)이 메사의 중앙부에 잔류된다. 결국, 면 발광 레이저 소자(100A)의 발광부의 구동 전류 경로가 메사의 중앙부에 제한되는 산화 협착 구조가 형성된다. 비산화 영역(208b)이 전류 통과 영역(전류 주입 영역)이고, 전류 통과 영역의 한 변은 4㎛이다.
(2-6): CVD(chemical vapor deposition)법을 이용하여 SiO2의 보호층(211)이 형성된다.
(2-7): 메사의 상부에 p 전극 컨택트의 창이 개구된다. 여기서, 포토레지스트의 마스크가 형성되고, 포토레지스트의 일부가 메사의 상부의 개구부를 노광하여 제거되고, 창은 BHF의 사용으로 보호층(211)을 에칭함으로써 개구된다.
(2-8): 메사의 상부에서 발광부가 되는 영역에 한 변 10㎛의 사각형의 레지스트 패턴이 형성되고, p 전극 재료가 증착에 의하여 증착된다. p 전극 재료로서는, Cr/AuZn/Au 또는 Ti/Pt/Au로 형성되는 다층막이 이용된다.
(2-9): 발광부의 전극 재료를 리프트 오프하여, p 전극(213)이 형성된다.
(2-10): 기판(201)의 저면이, 기판(201)의 두께가, 예컨대 100 ㎛이 되도록 연마되고, 기판(201)의 저면 상에 n 전극(214)이 형성된다. n 전극(214)은 AuGe/Ni/Au로 형성된 다층막으로 형성된다.
(2-11): 어닐링에 의해서, p 전극(213)과 n 전극(214) 간의 오믹 컨택트가 획득된다. 이에 따라, 메사는 발광부가 된다.
(2-12): 면 발광 레이저 소자(100A)가 절단에 의하여 칩으로서 형성된다.
펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 면 발광 레이저 소자(100A)에 공급되는 경우, 드롭률은 -1%이다.
또한, 면 발광 레이저 소자(100A)에서, 상온에서의 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 0.978이다.
상술된 바와 같이, 산화 협착 구조를 갖는 면 발광 레이저 소자에서 부의 드롭 특성을 방지하기 위하여, 소자 내부의 국소적인 온도 변화에 의하여 발생되는 굴절률 변화에 대하여, 횡 모드의 광 가둠이 커지게 되도록, 산화층에 의한 광 가둠 계수를 크게 결정하는 것이 효과적이다.
그러나, 광 가둠 계수를 크게 하면, 기본 횡 모드뿐만 아니라, 고차 횡 모드에 대해서도 광 가둠이 상승하고, 고차 모드 발진이 일어나기 쉬워진다. 따라서, 부의 드롭 특성의 억제와 싱글 모드 출력의 증가 간은 트레이드 오프의 관계에 있다.
발진 파장이 780 nm대의 면 발광 레이저 소자에서, 기본(0차) 횡 모드의 광 가둠 계수와 메사의 직경과의 관계가 도 30에 도시되고, 고차 횡 모드의 하나인 1차 횡 모드의 광 가둠 계수와 메사의 직경과의 관계가 도 31에 도시되어 있다. 도 30 및 도 31에서는, 두께 30 nm의 피선택 산화층(208)은, 반도체 DBR에서의 공진기 구조체로부터 제3 쌍째에 있고, 정재파 분포의 노드에 있다. 또, 산화 협착 직경은 4㎛이고, 면 발광 레이저 소자(100A)의 온도는 모든 영역에서 상온이다.
도 30에 도시된 바와 같이, 피선택 산화층(208)의 두께가 30 nm이기 때문에, 메사 직경이 15 ~ 30 ㎛의 범위에서, 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 0.9 이상이고, 부의 드롭 특성을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 도 31에 도시된 바와 같이, 메사 직경의 증가에 따라, 광 가둠 계수은 저하된다. 1차 횡 모드와 기본 횡 모드 간에는 직교 관계가 있으므로, 메사의 크기를 크게 하면, 1차 횡 모드에서, 기본 횡 모드와의 공간적 중첩(전류 주입 영역과의 공간적 중첩)을 저감할 수 있다. 도 32는 1차 횡 모드에서 규격화 전계 강도와 메사의 크기(메사 직경) 간의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 32에, 메사 직경이 18㎛과 25㎛인 2 경우가 도시되어 있다. 도 32에 도시된 바와 같이, 메사 직경이 증가되면, 전계 강도 분포는 메사의 주변측으로 시프트된다.
1차 횡 모드의 광 가둠 계수는, 1차 횡 모드의 발진의 능력을 나타내는 지표이고, 광 가둠 계수의 값이 작으면, 1차 횡 모드는 거의 발진하지 않는다. 따라서, 메사 직경이 증가되면, 1차 횡 모드의 발진이 억제되고, 싱글 모드 출력이 높아진다.
또한, 도 31에 도시된 바와 같이, 1차 횡 모드의 광 가둠 계수는, 메사 직경이 크게 되면 저하되지만, 메사 직경이 22㎛ 이상이면, 광 가둠 계수는 포화 상태를 나타낸다. 즉, 22㎛의 메사 직경은, 1차 횡 모드의 거동이 크게 변한다는 중요성을 갖는다. 따라서, 메사가 칼럼 형상을 갖고, 직경이 22㎛ 이상으로 결정되고, 메사가 사각 프리즘 형태를 갖고, 변이 22㎛ 이상이도록 결정되면, 1차 횡 모드의 발진을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 때, 기본 횡 모드의 광 가둠 계수는 0.9 이상이도록 유지된다(도 30 참조). 따라서, 부의 드롭 특성을 억제하면서, 싱글 모드 출력을 향상시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 부의 드롭 특성은 메사 중앙부의 국소적인 온도 변화가 원인으로 발생된다. 따라서, 부의 드롭 특성을 억제하는 제1 방법은, 상온에서의 광 가둠 계수를 크게 하여, 메사 중앙부의 국소적인 온도 변화에 대한 횡 모드 분포의 안정성을 향상시키는 것이다. 또한, 제2 방법은 메사 중앙부의 국소적인 온도 상승을 억제하는 것이다.
이 제2 방법은, 구체적으로, 면 발광 레이저 소자 내의 발열이 면 발광 레이저 소자의 전력 변환 효율을 향상함으로써 저감된다. 반도체 재료에서, 자유 캐리어 흡수가 존재하고, 전력 변환 효율을 저하시키는 요인이다. 자유 캐리어 흡수에 의해 흡수된 광 에너지는 캐리어의 운동 에니저로 되고, 최종적으로 격자 진동 에너지로 변환되고, 자유 캐리어 흡수가 메사 중앙부 부근의 온도를 상승시킨다. 자유 캐리어 흡수는 광의 전계 강도 및 캐리어 농도에 의존하고, 캐리어 농도가 높고 전계 강도가 높으면 자유 캐리어 흡수가 현저히 발생된다.
면 발광 레이저 소자에서의 발진광의 전계 강도는 활성층 근방에서 크고, 활성층으로부터 떨어진 위치에서 서서히 감소된다. 자유 캐리어 흡수는 전계 강도가 높은 위치에서 발생하고, 전력 변환 효율이 크게 저하하고, 더 많은 열이 생성된다.
또한, 자유 캐리어 흡수가 크면, 광 에너지의 흡수에 의하여 발생된 광 출력의 감소를 보상하기 위하여, 활성층으로의 전류 주입을 크게 해야 하고, 그 결과, 발열량이 증가하고, 면 발광 레이저 소자의 내부 온도가 더 상승된다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 반도체 DBR의 공진기 구조체에 인접하고 전계 강도가 큰 영역에서의 도핑 농도는, 다른 영역에 대하여 저농도이도록 결정되면, 자유 캐리어 흡수는 저감되고, 면 발광 레이저 소자의 전력 변환 효율이 향상될 수 있다. 그 결과, 면 발광 레이저 소자 내부의 국소적인 온도 상승을 저감할 수 있고, 기본 횡 모드 분포의 변화와 디튜닝량의 변화와 같은 부의 드롭 특성의 발생 원인을 감소시킬 수 있다.
산화 협착 구조를 갖는 면 발광 레이저 소자는, 활성층의 전류 주입 영역을 산화층에 의해 비교적 작은 영역으로 한정하며, 따라서 산화 협착 구조에서의 전류 통과 영역이 고저항값을 갖기 쉽다. 또한, 전류 통과 영역은 필연적으로 발광 영역과 공간적 중첩 영역을 갖고, 따라서 전류 주입에 의해 전류 통과 영역에 열이 발생되고, 메사의 중앙부의 발광 영역에서 온도가 상승되기 쉽다. 상술된 바와 같이, 이 온도 상승은 부의 드롭 특성의 발생 원인이 된다.
본 발명의 발명자들은, 기본 횡 모드의 광 가둠 계수, 소자 내부에서의 발열, 및 산화층의 응력의 영향 등을 고려하여, 부의 드롭 특성이 작고, 또 장기 신뢰성이 우수한 소자 구조를 검토하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 피선택 산화층의 위치가 공진기 구조체로부터 반도체 DBR에서의 제3 쌍 또는 제4 쌍(정재파 분포에서의 활성층으로부터 제3 또는 제4 노드)에 있을 때 효과가 높다는 것을 발견하였다.
산화 협착 구조에서의 산화층은, 전류 협착과 광 가둠을 동시에 행하는 기능을 가지므로, 산화층은, 저임계 전류가 실현되도록 활성층에 가깝게 산화층이 위치할 때 이점을 갖는다. 산화층이 활성층에 가까우면, 광 가둠 계수가 클 수 있고, 따라서, 부의 드롭 특성이 효과적으로 억제될 수 있다.
본 발명자들은, 피선택 산화층의 위치가 공진기 구조체로부터 제1 쌍 또는 제2 쌍에 있으면, 면 발광 레이저 소자는 높은 장기 신뢰성을 갖지 않는다는 것을 발견하였다. 통상, 피선택 산화층의 체적은 선택 산화 공정에서 감소된다. 또, 산화 협착 구조는 저항값이 크고, 전류가 공급되면 발열한다. 피선택 산화층이 공진기 구조체로부터 제1 쌍 또는 제2 쌍에 있으면, 피선택 산화층의 수축에 의한 응력 및 산화 협착 구조로부터의 열이 활성층에 영향을 미칠 수도 있다. 이 경우, 활성층에서의 전위(dislocation) 및 증식(multiplication)이 현저하게 발생되고, 면 발광 레이저 소자의 수명이 단축된다.
한편, 본 발명자들은, 피선택 산화층의 위치가 공진기 구조체로부터 제3 쌍 또는 제4 쌍에 있으면, 면 발광 레이저 소자의 수명은 대폭 길어지고 충분한 신뢰성을 갖는다는 것을 발견하였다.
그러나, 피선택 산화층의 위치가 공진기 구조체로부터 제5 쌍에 있으면, 임계 전류가 커지고, 입력 전력이 높아지고, 면 발광 레이저 소자 내부의 발열이 증가되고, 부의 드롭 특성이 약간 커진다.
이상과 같이, 본 발명의 발명자들은, 피선택 산화층의 위치가 공진기 구조체로부터 제3 쌍 또는 제4 쌍에 있으면, 부의 드롭 특성의 저감과 고 신뢰성이 동시에 실현될 수 있다는 것을 발견하였다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100A)는, 활성층(205)을 포함하는 공진기 구조체와, 이 공진기 구조체를 사이에 끼워 설치된 하부 반도체 DBR(203) 및 상부 반도체 DBR(207)를 포함한다. 상부 반도체 DBR(207)은 산화 협착 구조를 포함한다. 산화 협착 구조에서, Al을 포함하는 피선택 산화층(208)의 일부가 산화되어 생성된 산화물을 적어도 포함하는 산화층(208a)이 전류 통과 영역(208b)을 둘러 싸고, 주입 전류와 발진광의 횡 모드가 동시에 가둬진다. 또한, 피선택 산화층(208)의 두께는 30 nm이고, 펄스 주기가 1 ms, 펄스 폭이 500 ㎛인 직사각형 펄스를 공급했을 때, 드롭(률)은 (P1 - P2) / P2 = -0.01이다. 이것에 의해, 펄스 주기에 관계없이, 부의 드롭 특성을 억제할 수 있다.
또, 면 발광 레이저 소자(100A)에서는, 공진기 구조체에 인접하는 상부 반도체 DBR(207)의 일부는 저 도핑 농도을 갖고 있다. 상부 반도체 DBR(207) 내의 전계 강도는 활성층(205)으로부터 제4 쌍 근처에서 반감된다. 전계 강도가 큰 영역의 도핑 농도를 저농도로 결정함으로써, 자유 캐리어 흡수를 효과적으로 저감할 수 있다. 흡수 손실이 저감되면, 발진 임계 전류가 저감하고, 슬로프 효율이 향상되고, 따라서 구동 전류가 감소될 수 있다. 즉, 입력 전력이 작을 수 있으므로, 발열이 저감된다. 따라서, 부의 드롭 특성을 더욱 억제할 수 있다.
또, 조성 일정층(굴절률층)과 정재파 분포의 안티노드에 대응하는 부분 간에 도핑 농도가 서로 상이할 수 있다. 또, 저 도핑 농도 영역에서, 쌍의 도핑 농도는 상기 범위 내에서 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 저 도핑 농도 영역에서, 스페이서층 부근에서 전계 강도가 큰 부분이 도핑 농도가 저 농도보다 낮은 영역이면, 자유 캐리어 흡수를 효과적으로 저감할 수 있다.
또, 면 발광 레이저 소자(100A)에서는, 레이저 발진 방향에 직교하는 메사의 단면의 한 변의 길이를 25㎛이고, 따라서, 싱글 모드 출력을 2 mW로 높게 할 수 있다.
또, 면 발광 레이저 소자(100A)에서는, 피선택 산화층(208)이 공진기 구조체로부터 제3 쌍에서 상부 반도체 DBR(207) 내에 위치된다. 이것에 의해, 실용적인 임계 전류가 유지되는 동안, 전류 협착에 의한 고저항값에 의하여 발열하는 부분이 활성층(205)으로부터 분리되고, 열 저항이 저감되고, 메사 중앙부의 국소적인 발열이 저감될 수 있다. 또, 산화층(208a) 내의 왜곡의 활성층(205)에의 영향이 저감될 수 있고, 면 발광 레이저 소자(100A)는 긴 수명과 높은 장기 신뢰성을 가질 수 있다. 피선택 산화층(208)을 공진기 구조체로부터 제4 쌍에서의 상부 반도체 DBR(207)내에 위치될 수 있다.
[제3 실시예]
도 33은, 본 발명의 제3 실시예에 따른 면 발광 레이저 어레이(500)를 도시하는 도면이다.
면 발광 레이저 어레이(500)에서, 복수의 발광부가 기판 상에 배치되어 있다. 도 33에서는, 32개의 발광부가 배치되어 있다. 도 33에서, 지면 우 방향을 +M 방향, 지면 하 방향을 +S 방향으로 한다.
면 발광 레이저 어레이(500)은, 도 34에 도시되어 있는 바와 같이, M 방향으로부터 S 방향을 향하여 경사각 α(0°<α< 90°)을 이루는 T 방향으로 발광부 사이에 등간격으로 8개의 발광부가 배치된 4개의 발광부 어레이를 포함한다. 한 어레이에서의 8개의 발광부는, 8개의 발광부의 중심 간에 S 방향으로의 간격이 "c"이도록 배치되고, 4개의 발광부 어레는, 4개의 발광부 어레이 간의 S 방향으로의 간격(2개의 발광부 어레이의 중심 간의 거리)이 "e"이도록 배치된다. 즉, 32개의 발광부는 2차원적으로 배열되어 있다.
도 34에서, 간격 "c"는 3㎛, 간격 "e"는 24㎛, M 방향의 발광부 간의 간격 "m"은 30㎛이다.
도 35는 도 34의 A-A 단면도이다. 도 35에 도시된 바와 같이, 면 발광부는 도 1에 도시된 것과 동일한 구조를 갖고 있다. 즉, 발광부는 면 발광 레이저 소자(100)이다. 즉, 면 발광 레이저 어레이(500)는, 면 발광 레이저 소자(100)의 제조 방법과 유사한 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 면 발광 레이저 어레이(500)는, 면 발광 레이저 소자(100)로 형성된다. 따라서, 면 발광 레이저 어레이(500)는 면 발광 레이저 소자(100)의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
면 발광 레이저 어레이(500)에서, 2개의 인접하는 발광부(면 발광 레이저 소자(100)) 간의 거리(홈)는, 바람직하게는, 발광부가 서로 전기적으로 및 공간적으로 분리되도록, 5㎛ 이상이다. 이 거리가 너무 작으면, 면 발광 레이저 어레이(500)가 제조될 때 에칭이 용이하게 제어되지 않는다. 또, 메사의 크기(한 변의 길이)는 10㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 길이가 너무 짧으면, 면 발광 어레이(500) 내에 열이 머무르고, 특성이 저하될 수도 있다.
본 발명의 제3 실시예에서, 발광부의 수는 32개다. 그러나, 이 수는 32에 제한되지 않고, 32개보다 작거나 그 보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 면 발광 레이저 어레이(500)에서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 면 발광 레이저 소자(100A)가 면 발광 레이저 소자(100)를 사용하는 대신 사용될 수 있다.
또, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에서는, 레이저 발진 방향에 직교하는 방향으로 메사 형상이 사각형 또는 원형이다. 그러나, 본 형상은 사각형 또는 원형에 제한되지 않고, 타원형 또는 직사각형과 같은 임의 형태일 수 있다.
또, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에서는, 발광부의 발진 파장이 780 nm 대이다. 그러나, 파장대는 780 nm에 한정되지 않고, 예컨대 650 nm, 850 nm, 980 nm, 1.3㎛, 1.5㎛일 수 있다.
[제4 실시예]
도 36은 본 발명의 제4 실시예에 따른 화상 형성 장치의 단면도이다. 도 36에서, 화상 형성 장치로서, 레이저 프린터(1000)가 도시되어 있다. 도 36에서, 화상 형성 장치로서, 레이저 프린터(1000)가 도시되어 있다.
도 36에 도시된 바와 같이, 레이저 프린터(1000)는, 광 주사 장치(1010), 광전도체(photoconductor) 드럼(1030)(화상 캐리어), 차져(charger)(1031), 현상 롤러(1032), 전사 챠저(1033), 방전 유닛(1034), 클리닝 유닛(1035), 토너 카트리지(1036), 급지 롤러(1037), 급지 트레이(1038), 레지스트레이션(registration) 롤러쌍(1039), 정착 롤러(1041), 용지 출력 롤러(1042), 용지 출력 트레이(1043), 통신 제어기(1050), 및 프린터 캐비넷(1044)에서 대응하는 미리 결정된 위치에서의 상기 요소를 통괄적으로 제어하는 프린터 제어기(1060)를 포함한다.
통신 제어기(1050)는, 예컨대 네트워크를 통하여 외부 장치(예컨대, 퍼스널 컴퓨터)와의 양방향 통신을 제어한다.
광전도체 드럼(1030)은 실린더형 부재이며, 광전도체 드럼(1030)의 표면 상에 광전도체층이 형성된다. 즉, 광전도체 드럼(1030)의 표면은 피주사면이다. 광전도체 드럼(1030)은 도 36에 도시된 화살표 방향으로 회전된다.
챠저(1031), 현상 롤러(1032), 전사 챠저(1033), 방전 유닛(1034) 및 클리닝 유닛(1035)은, 광전도체 드럼(1030)의 표면 근방에 배치되어 있다. 광전도체 드럼(1030)의 회전 방향을 따라서, 챠저(1031), 현상 롤러(1032), 전사 챠저(1033), 방전 유닛(1034), 클리닝 유닛(1035)이 이 순서로 순차적으로 배치되어 있다.
챠저(1031)는 광전도체 드럼(1030)의 표면을 균일하게 대전시킨다.
광 주사 장치(1010)는, 광전도체 드럼(1030)의 표면에, 외부 장치부터의 송신된 화상 정보에 기초로 하여 변조된 광빔(광속)을 조사한다. 이에 따라, 화상 정보에 기초한 정전 잠상이 광전도체 드럼(1030)의 표면에 형성된다. 형성된 정전 잠상은 광전도체 드럼(1030)의 회전에 대응하는 현상 롤러(1032)로 이동된다. 광 주사 장치(1010)는 이하에 상세히 설명한다.
토너 카트리지(1036)에 토너가 저장되어 있고, 이 저장된 토너는 현상 롤러(1032)에 공급된다.
현상 롤러(1032)는 광전도체 드럼(1030)의 표면에 형성된 정전 잠상에 토너 카트리지(1036)로부터 공급된 토너를 부착시킨다. 이로써, 정전 잠상이 현상되고, 화상 정보가 나타난다. 토너가 부착된 정전 잠상(토너상)은 광전도체 드럼(1030)의 회전에 대응하여 전사 챠저(1033)로 이동된다.
급지 트레이(1038)에는 기록지(1040)가 저장되어 있다. 이 급지 트레이(1038)의 근방에는 급지 롤러(1037)가 배치되어 있고, 급지 롤러(1037)는 기록지(1040)를 급지 트레이(1038)로부터 1매씩 추출하여, 추출된 기록지(1040)를 레지스트레이션 롤러쌍(1039)으로 반송한다. 레지스트레이션 롤러쌍(1039)은 급지 롤러(1037)에 의하여 추출된 기록지(1040)를 일시적으로 유지하고, 기록지(1040)를 광전도체 드럼(1030)의 회전에 대응하여 광전도체 드럼(1030)과 전사 챠저(1033) 간의 위치에 송출한다.
전사 챠저(1033)에는, 광전도체 드럼(1030) 상의 토너상을 기록지(1040)에 전기적으로 끌어 당기도록, 토너와는 역극성의 전압이 인가되어 있다. 이 전압에 의해, 광전도체 드럼(1030)의 표면의 토너상이 기록지(1040)에 전사된다. 토너상이 전사된 기록지(1040)는 정착 롤러(1041)에 보내진다.
정착 롤러(1041)에 의하여, 열과 압력이 기록지(1040)에 가해진다. 이것에 의해서, 기록지(1040) 상에 토너상이 정착된다. 정착 롤러(1041)에 의하여 토너상이 정착된 기록지(1040)는, 용지 출력 롤러(1042)를 통해 용지 출력 트레이(1043)에 보내지고, 기록지(1040)는 용지 출력 트레이(1043) 상에 쌓인다.
방전 유닛(1034)은 광전도체 드럼(1030)의 표면을 방전한다.
클리닝 유닛(1035)은, 광전도체 드럼(1030)의 표면에 남은 토너를 제거하고, 광전도체 드럼(1030)의 표면은 챠저(1031)에 대향하는 위치로 되돌아간다.
다음, 광 주사 장치(1010)의 구성에 관해서 설명한다.
도 37에 도시된 바와 같이, 예로서, 광 주사 장치(1010)는, 하우징(30)에 미리 결정된 위치에 대응하여, 편향기측 주사 렌즈(11a), 상면측 주사 렌즈(11b), 폴리곤 미러(13), 광원(14), 커플링 렌즈(15), 개구판(16), 아나모픽(anamorphic) 렌즈(17), 반사 미러(18) 및 주사 제어기(도시생략)를 포함한다.
다음에서, 주 주사에 대응하는 방향을 주 주사 대응 방향이라 하고, 부 주사 방향에 대응하는 방향을 부 주사 대응 방향이라고 한다.
예로서, 광원(14)은 면 발광 레이저 어레이(500)를 포함하고, 32개 광빔을 동시에 출력할 수 있다. 면 발광 레이저 어레이(500)에서, M 방향은 주 주사 대응 방향과 동일하고, S 방향은 도 33에 도시된 부 주사 대응 방향과 동일하다.
커플링 렌즈(15)는 광원(14)으로부터 출력된 광 빔을 약한 발산광이도록 한다.
개구판(16)은 개구부를 갖고, 커플링 렌즈(15)를 통하여 광 빔의 빔 직경을 제어한다.
아나모픽 렌즈(17)는, 개구판(16)의 개구부를 통과한 광 빔으로부터 반사 미러(18)를 통해 폴리곤 미러(13)의 편향 반사면 근방에 부 주사 대응 방향으로 결상한다.
광원(14)과 폴리곤 미러(13) 간의 광로 상에 배치되는 광학계는, 편향기 앞 광학계라고 불린다. 본 발명의 제4 실시예에서, 편향기 앞 광학계는, 커플링 렌즈(15), 개구판(16), 아나모픽 렌즈(17), 및 반사 미러(18)로 형성된다.
폴리곤 미러(13)는, 내접원(inscribing circle)의 반경이, 예컨대 18 mm인 6면 거울을 갖고, 각 거울은 편향 반사면이다. 폴리곤 미러(13)는 부 주사 대응 방향에 평행한 축의 주위를 등속 회전하고, 반사 미러(18)로부터 광 빔을 편향한다.
편향기측 주사 렌즈(11a)는 폴리곤 미러(13)로 편향된 광 빔의 광로에 있다.
상면측 주사 렌즈(11b)는 편향기측 주사 렌즈(11a)로부터의 광로에 있다. 상면측 주사 렌즈(11b)로부터의 광 빔은 광전도체 드럼(1030)의 표면 상에 조사되어, 광전도체 드럼(1030)의 표면 상에 광 스폿이 형성된다. 이 광 스폿은, 폴리곤 미러(13)의 회전에 대응하여 광전도체 드럼(1030)의 길이 방향으로 이동한다. 즉, 광 스폿은 광전도체 드럼(1030)의 면을 주사한다. 광 스폿의 이동 방향은 주 주사 방향이고, 광전도체 드럼(1030)의 회전 방향은 부 주사 방향이다.
폴리곤 미러(13)와 광전도체 드럼(1030) 간의 광로 상에 배치되는 광학계는, 주사 광학계라고 불리고 있다. 본 발명의 제4 실시예에서, 주사 광학계는, 편향기측 주사 렌즈(11a)와 상면측 주사 렌즈(11b)로 형성된다. 여기서, 편향기측 주사 렌즈(11a)와 상면측 주사 렌즈(11b) 간의 광로, 및 상면측 주사 렌즈(11b)와 광전도체 드럼(1030) 간의 광로 중 적어도 하나의 광로 상에, 적어도 하나의 광축 폴딩(folding) 미러가 배치될 수 있다.
면 발광 레이저 어레이(500)에서는, 각 발광부를 부 주사 대응 방향으로 연장하는 가상선 상에 정 조사했을 때의 발광부 간의 간격 "c"가 일정하고, 따라서, 발광부의 발광 타이밍이 조정되면, 광전도체 드럼(1030) 상에서는 부 주사 방향으로 등간격으로 발광부가 사실상 배열되는 것으로 말할 수 있다.
또한, 간격 "c"이 3㎛이므로, 광 주사 장치(1010)의 광학계의 배율을 약 1.8배로 하면, 4800 dpi(도트/인치)의 고밀도 기록이 가능하다. 주 주사 대응 방향의 발광부의 수를 증가하면, 간격 "e"를 좁혀 간격 "c"를 더 작게 하는 어레이 배치로 하거나, 광학계의 배율을 낮추고, 보다 고밀도 기록이 가능하여, 보다 고품질의 인쇄가 가능하다. 이로써, 주 주사 방향의 기록 간격은 발광부의 발광 타이밍을 조정함으로써 용이하게 제어될 수 있다.
이 경우에서, 레이저 프린터(1000)에서는, 기록 도트 밀도가 상승하여도 인쇄 속도를 감소시키지 않고 인쇄할 수 있다. 또, 기록 도트 밀도가 변하지 않으면, 인쇄 속도를 더 빠르게 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 주사 장치(1010)에 서, 광원(14)은 면 발광 레이저 어레이(500)를 포함하므로, 고정밀도의 광 주사를 행할 수 있다.
또, 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 프린터(1000)는 광 주사 장치(1010)를 구비하므로, 고품질의 화상을 형성할 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에서는, 광원(14)이 32개의 발광부를 포함하나, 발광부의 수는 32개에 한정되지 않고, 32개보다 작거나 34보다 많을 수 있다.
또, 본 발명의 제4 실시예에서는, 광원(14)이 면 발광 레이저 어레이(500)를 갖는다. 그러나, 광원(14)은 면 발광 레이저 소자(100A)로 형성된 면 발광 레이저 어레이를 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 제4 실시예에서, 면 발광 레이저 어레이(500) 대신, 면 발광 레이저 어레이(500)에서의 발광부와 유사한 발광부가 1차원 배열된 면 발광 레이저 어레이를 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 제4 실시예에서, 화상 형성 장치로서, 레이저 프린터(1000)가 사용되나, 화상 형성 장치는 레이저 프린터(1000)에 한정되는 것은 아니고, 광 주사 장치(1010)를 구비한 화상 형성 장치일 수 있다. 이 경우, 고품질 화상이 형성될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 제4 실시예에서, 화상 형성 장치로서, 대응하는 색을 나타내는 레이저 빔이 기록 매체에 직접 조사되는 화상 형성 장치가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에서, 화상 형성 장치로서, 은염 필름이 사용되는 화상 형성 장치가 사용될 수 있다. 이 경우에는, 광 주사에 의해 은염 필름 상에 잠상이 형성되고, 이 잠상은 통상의 은염 포토그래피 프로세스의 현상 처리에 의하여 가시화될 수 있다. 그리고, 통상의 은염 포토그래피 프로세스의 인쇄 처리에 의하여 가시 화상이 인화지에 인쇄될 수 있다. 화상 형성 장치는 광 재생 장치나, CT(computerized tomography) 스캔 화상을 나타내는 광 화상 형성 장치로서 사용될 수 있다.
또한, 도 38에 도시된 바와 같이, 화상 형성 장치로서, 복수의 광전도체 드럼을 갖는 컬러 프린트(2000)가 사용될 수 있다.
컬러 프린트(2000)는, 4색 화상(블랙, 시안, 마젠타, 옐로우 화상)을 중첩시켜 풀 컬러의 화상을 형성하는 탠덤 방식의 다색 컬러 프린트이다. 컬러 프린터(2000)는, 블랙 화상용 광전도체 드럼(K1), 대전 장치(K2), 현상 장치(K4), 클리닝 유닛(K5), 및 전사 장치(K6); 시안 화상용 광전도체 드럼(C1), 대전 장치(C2), 현상 장치(C4), 클리닝 유닛(C5), 및 전사 장치(C6); 마젠타 화상용 광전도체 드럼(M1), 대전 장치(M2), 현상 장치(M4), 클리닝 유닛(M5), 및 전사 장치(M6); 옐로우 화상용 광전도체 드럼(Y1), 대전 장치(Y2), 현상 장치(Y4), 클리닝 유닛(Y5), 및 전사 장치(Y6); 광 주사 장치(2010), 전사 벨트(2080), 및 정착 유닛(2030)을 포함한다.
다음에서, 소자의 동작은 4색 화상에서와 동일하므로, 블랙 화상의 동작을 대표로서 설명한다.
광전도체 드럼(K1)은 도 38에 도시된 화살표 방향으로 회전된다. 광전도체 드럼(K1)를 둘러싸도록, 대전 장치(K2), 현상 장치(K4), 클리닝 유닛(K5), 및 전사 장치(K6)가 배치되어 있다. 대전 장치(K2)는 광전도체 드럼(K1)의 표면을 균일하게 대전한다. 대전 장치(K2)에 의해서 대전된 광전도체 드럼(K1)의 표면에 광 주사 장치(2010)가 광 빔을 조사한다. 이로써, 광전도체 드럼(K1)의 표면 상에 정전 잠상이 형성된다. 현상 장치(K4)는 정전 잠상을 현상하고, 광전도체 드럼(K1)의 표면에 토너상을 형성한다. 전사 장치(K6)는 전사 벨트(2080) 상의 기록 매체(용지)에 토너상을 전사하고, 전사된 화상은 정착 유닛(2030)에 의하여 정착된다. 상기 동작이 모든 색의 화상에 대하여 수행되면, 풀 칼라의 화상이 기록 매체에 인쇄된다.
광 주사 장치(2010)는, 광원(14)과 유사한 광원을 각 색마다 포함한다. 따라서, 광 주사 장치(1010)는 광 주사 장치(1010)의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 컬러 프린트(2000)는 광 주사 장치(2010)를 포함하므로, 컬러 프린터(2000)는 레이저 프린터(1000)의 효과의 동일한 효과를 얻을 수 있다.
컬러 프린터(2000)에서, 각 부품의 제조 오차와 위치 오차에 의해서 색의 위치맞춤 오차(color registration error)가 발생될 수도 있다. 그러나, 광 주사 장치(2010)가 2차원으로 배치된 복수의 발광부를 포함하므로, 조사될 발광부가 선택되면, 색의 위치맞춤 오차가 정확하게 정정될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 면 발광 레이저 소자(100(100A)) 및 면 발광 레이저 어레이(500)에서, 부의 드롭 특성이 충분히 방지될 수 있다. 또한, 광 주사 장치(1010)에서, 정확한 광 주사가 수행될 수 있다. 또한, 화상 형성 장치(1000)는 고품질 화상을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변동 및 변형이 행해질 수도 있다.
본 발명은, 일본 특허청에 2008년 2월 12일 출원된 일본 우선권 특허 출원 제2008-029877호, 일본 특허청에 2008년 4월 23일 출원된 일본 우선권 특허 출원 제2008-112494호, 일본 특허청에 2008년 5월 27일 출원된 일본 우선권 특허 출원 제2008-138419호, 일본 특허청에 2008년 11월 7일 출원된 일본 우선권 특허 출원 제2008-287101호, 및 일본 특허청에 2008년 11월 7일 출원된 일본 우선권 특허 출원 제2008-287123호에 기초하며, 그 전체 내용이 여기서 참조용으로 인용되었다.
이상과 같이, 본 명세서는 이하의 사항을 개시한다.
(예 1) 면 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 광을 출사하는 면 발광 레이저 소자로서,
활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및
상기 공진기 구조체를 사이에 끼우고, 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화하여 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화물로 전류 통과 영역을 둘러쌈으로써 주입 전류와 발진광의 횡 모드를 동시에 가둘 수 있는 협착 구조를 포함하는 제1 및 제2 반도체 분포 브래그(Bragg) 반사기
를 포함하고,
상기 피선택 산화층의 두께는 25 nm 이상 34 nm 이하이고,
발진 임계 전류와 온도 간의 관계에서 발진 임계 전류가 최소값이 될 때의 온도는 0℃ 이상 25℃ 이하이고,
상기 면 발광 레이저 소자에, 펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 공급되면, 10 ns의 펄스가 공급된 후 광 출력이 P1으로 정의되고, 1 ㎲의 펄스가 공급된 후 광 출력이 P2로 정의될 때, (P1 - P2) / P2 ≥ -0.1의 관계가 만족되는 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 2) 예 1에 있어서, 상기 전류 통과 영역의 폭이 "d" ㎛로 정의되고, 상기 전류 통과 영역을 둘러싸는 산화물의 두께가 "t" nm로 정의될 때, (-2.54d2-0.14t2-0.998d·t+53.4d+12.9t-216 ≥ 0.9)의 관계가 만족되는 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 3) 예 1에 있어서, 상기 공진기 구조체의 전류 주입 영역의 온도만이 상온에서 60℃로 변화되면, 상기 협착 구조에서의 횡 방향으로 기본 횡 모드의 광 가둠 계수의 변화율은 0% 이상 10% 이하인 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 4) 예 1에 있어서, 상기 공진기 구조체와 상기 제1 및 제2 반도체 분포 브래그 반사기를 포함하는 복수의 반도체층의 일부는 발광 방향으로 연장하는 칼럼 형태 또는 사각형 프리즘 형태의 메사 형태를 갖고,
광 발진 방향에 수직인 단면에서의 상기 칼럼 형태의 직경과, 상기 사각형 프리즘 형태의 한 변의 길이는 22 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 5) 예 1에 있어서, 상기 제1 반도체 분포 브래그 반사기의 공진기 구조체에 인접하는 영역에서의 불순물의 도핑 농도는, 제1 반도체 분포 브래그 반사기의 다른 영역에서의 불순물의 도핑 농도보다 낮은 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 6) 예 1에 있어서, 상기 제1 반도체 분포 브래그 반사기는 저굴절률층과 고굴절률층의 복수의 쌍을 포함하고,
상기 피선택 산화층은 상기 제1 반도체 분포 브래그 반사기의 공진기 구조체로부터 제3 쌍 또는 제4 쌍에 있는 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 7) 예 1에 기재된 상기 면 발광 레이저 소자를 복수개 포함하는 면 발광 레이저 어레이.
(예 8) 광에 의하여 피주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
예 1에 기재된 상기 면 발광 레이저 소자를 포함하는 광원;
상기 광원으로부터 광을 편향시키는 편향기; 및
상기 편향기에 의하여 편향된 광을 상기 피주사면에 집광하는 주사 광학계
를 포함하는 광 주사 장치.
(예 9)
광에 의하여 피주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
예 7에 기재된 상기 면 발광 레이저 어레이를 포함하는 광원;
상기 광원으로부터 광을 편향시키는 편향기; 및
상기 편향기에 의하여 편향된 광을 상기 피주사면에 집광하는 주사 광학계
를 포함하는 광 주사 장치.
(예 10)
화상 형성 장치로서,
하나 이상의 화상 캐리어; 및
화상 정보를 포함하는 광을 상기 화상 캐리어에 주사하는, 예 8에 기재된 하나 이상의 광 주사 장치
을 포함하는 화상 형성 장치.
(예 11) 화상 형성 장치로서,
하나 이상의 화상 캐리어; 및
화상 정보를 포함하는 광을 상기 화상 캐리어에 주사하는, 예 9에 기재된 하나 이상의 광 주사 장치
을 포함하는 화상 형성 장치.
(예 12) 예 10에 있어서, 상기 화상 정보는 다색 화상 정보인 것인 화상 형성 장치.
(예 13) 예 11에 있어서, 상기 화상 정보는 다색 화상 정보인 것인 화상 형성 장치.
(예 14) 면 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 광을 출사하는 면 발광 레이저 소자로서,
활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및
상기 공진기 구조체를 사이에 끼우고, 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화하여 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화물로 전류 통과 영역을 둘러쌈으로써 주입 전류와 발진광의 횡 모드를 동시에 가둘 수 있는 협착 구조를 포함하는 제1 및 제2 반도체 분포 브래그 반사기
를 포함하고,
상기 피선택 산화층의 두께는 25 nm 이상 34 nm이하이고,
상기 전류 통과 영역을 둘러싸는 상기 산화물의 최대 두께는 60 nm 이상 110 nm 이하이고,
발진 임계 전류와 온도 간의 관계에서 발진 임계 전류가 최소값이 될 때의 온도는 0℃ 이상 25℃ 이하이고,
상기 면 발광 레이저 소자에, 펄스 주기가 1 ms이고, 펄스 폭이 500 ㎲인 직사각형 전류 펄스가 공급되면, 10 ns의 펄스가 공급된 후 광 출력이 P1으로 정의되고, 1 ㎲의 펄스가 공급된 후 광 출력이 P2로 정의될 때, (P1 - P2) / P2 ≥ -0.1의 관계가 만족되는 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 15) 예 14에 있어서, 상기 전류 통과 영역의 폭이 "d" ㎛로 정의되고, 상기 전류 통과 영역을 둘러싸는 산화물의 두께가 "t" nm로 정의될 때, (-2.54d2-0.14t2-0.998d·t+53.4d+12.9t-216 ≥ 0.9)의 관계가 만족되는 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 16) 예 14에 있어서, 상기 피선택 산화층은 상기 제1 반도체 분포 브래그 반사기의 저굴절률층의 일부이고,
상기 피선택 산화층을 포함하는 저굴절률층은, 상기 피선택 산화층에 인접하는 제1 층과 상기 제1 층에 인접하는 제2 층을 포함하고,
상기 제1 층에서의 알루미늄의 함유율은, 상기 피선택 산화층에서의 알루미늄의 함유율보다 낮고, 상기 제2 층에서의 알루미늄의 함유율보다 높은 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 17) 예 16에 있어서, 발진 파장이 λ로 정의될 때, 상기 피선택 산화층을 포함하는 저굴절률층의 광학 두께는 (2n + 1)/λ(n은 1 이상의 정수)인 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 18) 예 16에 있어서, 상기 피선택 산화층에서의 알루미늄의 함유율과, 상기 제1 층에서의 알루미늄의 함유율 간의 차는 5% 이상 20% 이하인 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 19) 예 16에 있어서, 상기 피선택 산화층에서의 알루미늄의 함유율과, 상기 제2 층에서의 알루미늄의 함유율 간의 차는 20%보다 큰 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 20) 예 14에 있어서, 상온에서의 발진 임계 전류의 게인 피크 파장은 상기 공진기 구조체의 공진 파장보다 긴 것인 면 발광 레이저 소자.
(예 21) 예 14에 기재된 상기 면 발광 레이저 소자를 복수개 포함하는 면 발광 레이저 어레이.
(예 22) 광에 의하여 피주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
예 14에 기재된 상기 면 발광 레이저 소자를 포함하는 광원;
상기 광원으로부터 광을 편향시키는 편향기; 및
상기 편향기에 의하여 편향된 광을 상기 피주사면에 집광하는 주사 광학계
를 포함하는 광 주사 장치.
(예 23) 광에 의하여 피주사면을 주사하는 광 주사 장치로서,
예 21에 기재된 상기 면 발광 레이저 어레이를 포함하는 광원;
상기 광원으로부터 광을 편향시키는 편향기; 및
상기 편향기에 의하여 편향된 광을 상기 피주사면에 집광하는 주사 광학계
를 포함하는 광 주사 장치.
(예 24) 화상 형성 장치로서,
하나 이상의 화상 캐리어; 및
화상 정보를 포함하는 광을 상기 화상 캐리어에 주사하는 예 22에 기재된 하나 이상의 광 주사 장치
를 포함하는 화상 형성 장치.
(예 25) 화상 형성 장치로서,
하나 이상의 화상 캐리어; 및
화상 정보를 포함하는 광을 상기 화상 캐리어에 주사하는 예 23에 기재된 하나 이상의 광 주사 장치
를 포함하는 화상 형성 장치.
(예 26) 예 24에 있어서, 상기 화상 정보는 다색 화상 정보인 것인 화상 형성 장치.
(예 27) 예 25에 있어서, 상기 화상 정보는 다색 화상 정보인 것인 화상 형성 장치.
11a : 편향기측 주사 렌즈 11b : 상면측 주사 렌즈
13 : 폴리곤 미러 14 : 광원
100 : 면 발광 레이저 소자 103 : 하부 반도체 DBR
104 : 하부 스페이서층 105 : 활성층
106 : 상부 스페이서층 107 : 상부 반도체 DBR
107c : 저굴절률층 107m : 중간층
108 : 피선택 산화층 108a : 산화층
108b : 전류 통과 영역 500 : 면 발광 레이저 어레이
1000 : 레이저 프린터 1010 : 광 주사 장치
1030 : 광전도체 드럼 2000 : 컬러 프린트
2010 : 광 주사 장치 K1, C1, M1, Y1: 광전도체 드럼

Claims (1)

  1. 면 발광 레이저 소자의 기판의 표면에 수직인 방향으로 광을 출사하는 면 발광 레이저 소자로서,
    활성층을 포함하는 공진기 구조체; 및
    상기 공진기 구조체를 사이에 끼우고, 알루미늄을 포함하는 피선택 산화층의 일부를 산화하여 형성된 산화물을 적어도 포함하는 산화물로 전류 통과 영역을 둘러쌈으로써 주입 전류와 발진광의 횡 모드를 동시에 가둘 수 있는 협착 구조를 포함하는 제1 및 제2 반도체 분포 브래그(Bragg) 반사기
    를 포함하고,
    상기 피선택 산화층의 두께는 25 nm 이상 34 nm 이하이고,
    발진 임계 전류와 온도 간의 관계에서 발진 임계 전류가 최소값이 될 때의 온도는 0℃ 이상 25℃ 이하인 것인 면 발광 레이저 소자.
KR1020127031497A 2008-02-12 2009-02-09 면 발광 레이저 소자, 면 발광 레이저 어레이, 광 주사 장치, 및 화상 형성 장치 KR20130006705A (ko)

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