專利名稱：激光器件及具有激光器件的陣列、設備、模塊和系統(tǒng)的制作方法
激光器件及具有激光器件的陣列、設備、模塊和系統(tǒng)
本發(fā)明專利申請是國際申請日為2009年04月28日、國際申請?zhí)枮镻CT/ JP2009/058733,國家申請?zhí)枮?00980125447. 9、進入中國國家階段日期為2010年12月30 日、申請人為“株式會社理光”、發(fā)明名稱為“垂直腔表面發(fā)射激光器件、垂直腔表面發(fā)射激光器陣列、光學掃描設備、成像設備、光學發(fā)射模塊和光學發(fā)射系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請的分案申請。技術領域
本發(fā)明旨在一種垂直腔表面發(fā)射激光器件、垂直腔表面發(fā)射激光器陣列、光學掃描設備、成像設備、光學發(fā)射模塊和光學發(fā)射系統(tǒng)。尤其是，本發(fā)明旨在相對于襯底正交地發(fā)射光線的垂直腔表面發(fā)射激光器件、其中集成有這種垂直腔表面發(fā)射激光器件的垂直腔表面發(fā)射激光器陣列；包括這種垂直腔表面發(fā)射激光器件或者這種垂直腔表面發(fā)射激光器陣列的光學掃描設備；包括這種光學掃描設備的成像設備以及包括這種垂直腔表面發(fā)射激光器陣列的光學發(fā)射模塊和光學發(fā)射系統(tǒng)。
背景技術：
由于它們的結構，垂直腔表面發(fā)射激光器件特征在于容易降低閾值電流和功率消耗。近年來，氧化物限制垂直腔表面發(fā)射激光器件已經被集中地研究，與先前研究的離子注入垂直腔表面發(fā)射激光器件(例如，見專利文件I)相比，該器件能夠降低閾值電流并且提供更高速度的響應。
氧化物限制垂直腔表面發(fā)射激光器件具有如下的優(yōu)點具有氧化物所提供的有利的橫向模式限制，這導致穩(wěn)定的振蕩模式；但是，由于氧化物的光學限制太強，難于獲得單個基礎橫向模式振蕩。要指出的是，氧化物限制垂直腔表面發(fā)射激光器件在下面簡稱為“垂直腔表面發(fā)射激光器件”。
用于實現(xiàn)單個基礎橫向模式操作的廣泛采用的傳統(tǒng)技術是提供一個較小面積的未氧化區(qū)域，該區(qū)域是電流注入區(qū)域(電流通過區(qū)域)，使得更高階的橫向模式被限制并且不振蕩。換句話說，該技術是切斷高階橫向模式。
用于實現(xiàn)單個基礎橫向模式操作的另一種提出的方法是減小由氧化物提供的橫向模式限制的強度。如果橫向模式限制的強度降低，高階模式振蕩將被抑制。在這種情況下，不需要使得未氧化區(qū)域較小，因此，可以改善熱特性和電特性。這導致飽和功率增加并且調制率增大。為了減小氧化物帶來的光學限制的強度，傳統(tǒng)上，氧化物被設置在遠離有源層的位置處，或者氧化物被做得較薄。
垂直腔表面發(fā)射激光器件由于每個激光器件相對于它的襯底正交地發(fā)射光束而易于以高密度布置成二維形式，于是，開始研究將它們應用于高速和高解析度電子照相系統(tǒng)等。例如，非專利文件2公開了一種利用780nm波段VCSEL陣列(垂直腔表面發(fā)射激光器陣列)的打印機。專利文件I公開了一種多點成像設備，其具有多個點光源。通常，通過利用能夠以單個基礎橫向模式執(zhí)行高功率操作的垂直腔表面發(fā)射激光器件，可以實現(xiàn)更高速度的光學寫入。
這種垂直腔表面發(fā)射激光器件包括電流限制結構，以便增加電流流入的效率。通常使用的電流限制結構是通過AlAs (砷化鋁)的選擇性氧化來形成的(電流限制結構在下面也稱為氧化物電流限制結構)(例如，見專利文件2)。氧化物電流限制結構是如下形成的， 即在前體結構中形成預定尺寸的臺地(mesa),其中，要被選擇性氧化的p-AlAs層被沿著橫向側暴露，并且將前體結構放置在高溫水蒸氣氣氛中，以便從橫向側開始Al被選擇性氧化，使得臺地的中心部分保持未氧化。未氧化的部分作用為用于驅動垂直腔表面發(fā)射激光器的電流的通過區(qū)域(電流注入區(qū)域)。以這種方式，容易獲得電流限制。
對于垂直腔表面發(fā)射激光器，如果在有源層中產生的熱量被快速釋放，結溫度 (junction temperature)(有源層的溫度)的升高可以被抑制,并且可以防止增益降低。這不僅導致高輸出，而且導致有利的溫度特性，并由此獲得更長的操作壽命。
半導體多層反射器通常是由AlGaAs材料制成。AlGaAs材料的導熱性根據Al成分變化很大，并且AlAs具有最高的導熱性(見圖65)。
由于這個因素，已經提出包括在設置于熱釋放路徑側并鄰近諧振器結構的半導體多層反射器中的每個AlAs低折射率層被設計為具有比通常更大的光學厚度(例如，見專利文件3至5)。
[專利文件I]日本未審公開的專利申請公開說明書第H11-48520號；
[專利文件2]美國專利公開說明書第5493577號
[專利文件3]日本未審公開的專利申請公開說明書第2005-354061號；
[專利文件4]日本未審公開的專利申請公開說明書第2007-299897號；
[專利文件5]美國專利公開說明書第6720585號；
[非專利文件 I]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, 1994, pp. 2043-2044
[非專利文件 2] H. Nakayama, T. Nakamura, M. Funada, Y. Ohashi & M. Kato, “780nm VC SELs for Home Networks and Printers，，，Electronic Components and Technology Conference Proceedings, 54th, Vol. 2, June2004, pp. 1371-1375;
在電子照相術等中，當驅動電流施加到光源上時所獲得的，光源的光學輸出響應波形的上升方式(rising behavior)會對圖像質量有顯著影響。光學輸出響應波形代表光學輸出中的時間變化，并且在下面也稱為“光學波形”。例如，在上升開始時，不僅在光學波形的上升時間過程中，而且在光學輸出已經達到恒定光強度之后，光強度中的微小變化 (fractional change)都會使得圖像質量退化。
這是由于在光學波形的上升和下降時間的過程中形成的圖像部分是圖像的輪廓。 如果尤其在光學波形的上升時間的過程中和在光學波形被認為基本上已升起之后的預定時間段期間光強度變化，圖像的輪廓變得模糊，導致缺乏視覺銳度的不良圖像質量。
例如，在具有大約300mm寬度(長度方向)的A4紙張上需要300 μ s來掃描一行，在 I μ s內的掃描距離大約是1_。也就是說當寬度是I至2_時，人眼對圖像密度的變化具有最高的視覺靈敏度。因此，如果在大約Imm寬度上圖像密度變化，該密度變化將足以被人眼察覺，產生輪廓模糊的印象。
本發(fā)明要解決的另一個問題涉及在半導體多層發(fā)射器中低折射率層的光學厚度。 如果每個低折射率層的光學厚度從λ/4 (λ是振蕩波長)到3 λ/4變化，光吸收(下面為了方便也簡稱為吸收)變化三倍。在半導體多層反射器中，越靠近諧振器結構，電場強度越強， 并因此，吸收的顯著影響被施加。結果，在專利文件3至5中公開的方法存在使得斜坡效率 (slope efficiency)降低和閾值電流增加的問題。發(fā)明內容
鑒于下面描述的本發(fā)明人的新發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明包括以下各方面
本發(fā)明的第一方面是垂直腔表面發(fā)射激光器件，其相對于襯底正交地發(fā)射光線， 并且包括諧振器結構，該諧振器結構包括有源層；以及半導體多層反射器，該半導體多層反射器設置成將諧振器結構夾在它們之間并且包括限制結構，該限制結構同時限制注入的電流和振蕩光的橫向模式。限制結構具有氧化區(qū)域，該氧化區(qū)域圍繞電流通過區(qū)域。氧化區(qū)域是通過氧化一部分選擇性氧化層來形成的并包括至少一種氧化物，該選擇性氧化層包括鋁。選擇性氧化層厚度至少為25nm。半導體多層反射器包括光學限制減弱部分，該光學限制減弱部分在橫向上減小光學限制。該光學限制減弱部分相對于諧振器結構設置在襯底側。
本發(fā)明的第二方面是一種垂直腔表面發(fā)射激光器件，其相對于襯底正交地發(fā)射光束并包括諧振器結構和半導體多層反射器，該諧振器結構包括有源層，所述半導體多層反射器設置成將諧振器結構夾在它們之間并且包括多對第一層和第二層。第一層和第二層具有不同的折射率。第二層比第一層具有更高的導熱性。半導體多層發(fā)射器包括第一局部發(fā)射器和第二局部反射器。第一局部反射器包括至少一對第一層和第二層，其中第二層在光學厚度上大于第一層。第二局部反射器設置在第一局部反射器和諧振器結構之間，并且包括至少一對第一層和第二層，其中，第一層和第二層每一個在光學厚度上都小于第一局部反射器的第二層的。
本發(fā)明的第三方面是垂直腔表面發(fā)射激光器陣列，其上集成有多個本發(fā)明的垂直腔表面發(fā)射激光器件。
本發(fā)明的第四方面是用于用光掃描掃描表面的光學掃描設備。該光學掃描設備包括光源，該光源包括本發(fā)明的垂直腔表面發(fā)射激光器件；偏轉器，該偏轉器被構造成偏轉光源發(fā)出的光；以及掃描光學系統(tǒng)，該掃描光學系統(tǒng)被構造成將被偏轉的光聚焦在掃描表面上。
本發(fā)明的第五方面是用于用光掃描掃描表面的光學掃描設備。該光學掃描設備包括光源，該光源包括本發(fā)明的垂直腔表面發(fā)射激光器件；偏轉器，該偏轉器被構造成偏轉光源發(fā)出的光；以及掃描光學系統(tǒng)，該掃描光學系統(tǒng)被構造成將被偏轉的光聚焦在掃描表面上。
本發(fā)明的第六表面是成像設備，該成像設備包括至少一個圖像載體；和一個或多個本發(fā)明的光學掃描設備，該光學掃描設備被構造成將包含圖像信息的光照射到至少一個圖像載體上。
本發(fā)明的第七方面是光學發(fā)射模塊，用于根據輸入電信號產生光學信號。該光學發(fā)射模塊包括垂直腔表面發(fā)射激光器陣列；和驅動裝置，該驅動裝置被構造成根據輸入的電信號驅動垂直腔表面發(fā)射激光器陣列。
本發(fā)明的第八方面是光學發(fā)射系統(tǒng)，該光學發(fā)射系統(tǒng)包括光學發(fā)射模塊；和光學傳輸介質，該光學傳輸介質被構造成傳輸光學發(fā)射模塊所產生的光信號；以及轉換器，該轉換器被構造成將所傳輸的光信號轉變成電信號。


本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點從下面本發(fā)明的詳細描述，并當結合附圖閱讀時可以由本領域技術人員理解到，其中
圖I示出根據本發(fā)明一個實施方式的激光打印機的示意結構；
圖2是示出圖I的光學掃描設備的示意圖3示出包括在圖2的光源中的垂直腔表面發(fā)射激光器件；
圖4A和4B是圖3的襯底的說明性視圖5是示出圖3的低半導體DBR的一部分的放大圖6是示出圖3的有源層的附近的放大圖7示出當傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件被方波電流脈沖驅動時獲得的光學波形，所述方波電流脈沖具有Ims的脈沖周期和50%的占空比；
圖8示出當傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件被方波電流脈沖驅動時獲得的光學波形，所述方波電流脈沖具有IOOns的脈沖周期和50%的占空比；
圖9是內建等效折射率差(built-ineffective refractive index difference) Aneff (部分I)的說明圖IOA和IOB是內建等效折射率差Λ neff (部分2)的說明圖IlA和IlB是在內部溫度升高時獲得的內建等效折射率差Aneff的說明圖12是由于在垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度升高、I-L曲線偏移的說明圖，該垂直腔表面發(fā)射激光器件在室溫下在橫向上的光學限制不充分；
(部分I)
(部分2)
(部分3)
圖13示出在圖12的情況下獲得的光學波形；圖14示出用于計算的折射率；圖15示出光學限制系數、選擇性氧化層的厚度以及氧化物限制直徑之間的關系 圖16示出光學限制系數、選擇性氧化層的厚度以及氧化物限制直徑之間的關系圖17示出光學限制系數、選擇性氧化層的厚度以及氧化物限制直徑之間的關系圖18不出具有在25° C下大約O. 983的基礎橫向模式光學限制的垂直腔表面發(fā)射激光器件的光學波形；
圖19不出具有在25° C下大約O. 846的基礎橫向模式光學限制的垂直腔表面發(fā)射激光器件的光學波形；
圖20示出相對于在25。C的垂直腔表面發(fā)射激光器件、選擇性氧化層的厚度與下降率之間的關系；
圖21是Λ λ >0的說明圖22
圖23
圖24
圖25
圖26
圖27間的關系；
圖28
圖29構；
圖30
圖31
圖32
圖33關系;
圖34
圖35間的關系；
圖36
圖37
圖38
圖39
圖40
圖41
圖42
圖43
圖44
圖45
圖46
圖47
圖48
圖49
圖50
圖51
圖52
圖53
圖54
圖55
圖56是Δ λ ZO的說明圖；示出振蕩閾值電流和測量溫度之間的關系；示出獲得最低閾值電流的溫度和失諧量之間的關系；示出獲得最低閾值電流的溫度與下降率之間的關系(部分I);示出獲得最低閾值電流的溫度與下降率之間的關系(部分2)；示出在光學限制減弱區(qū)域A中的對的個數與基礎橫向模式光學限制系數之示出用于計算的傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件的結構；示出用于計算的具有光學限制減弱區(qū)域的垂直腔表面發(fā)射激光器件的結示出用于計算的傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件的下半導體DBR的結構；示出光學限制減弱區(qū)域A ;示出光學限制減弱區(qū)域B;示出在光學限制減弱區(qū)域B中的對數與基礎橫向模式光學限制系數之間的示出光學限制減弱區(qū)域C ;示出在光學限制減弱區(qū)域C中的對的個數與基礎橫向模式光學限制系數之是示出光學限制減弱區(qū)域的效果的視圖；是示出系數損失減小層的視圖(部分I)；是示出系數損失減小層的視圖(部分2)；是輸出吸收損失減小層對光學限制系數的影響的視圖；是示出光學限制減弱區(qū)域和吸收損失減小層的效果的視圖(部分I);是示出光學限制減弱區(qū)域和吸收損失減小層的效果的視圖(部分2)；示出光學限制減弱區(qū)域的第一種改進示出光學限制減弱區(qū)域的第二種改進示出光學限制減弱區(qū)域的第三種改進示出垂直腔表面發(fā)射激光器陣列；示出圖45的發(fā)光部件的二維陣列；是沿著圖46的線A-A的橫截面圖；是彩色打印機的示意圖；示出傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件的光學波形；示出圖49種光學波形的上升及其附近的放大圖；是示出下半導體DBR的放大圖；示出實施例I的下半導體DBR ；示出實施例2的下半導體DBR ；示出第三下半導體DBR包括三對折射率層的下半導體DBR ；示出熱阻的計算結果；示出垂直腔表面發(fā)射激光器件的改進；
圖57示出下半導體DBR的一部分的放大圖58是示出有源層的附近的放大圖59示出光學發(fā)射模塊和光學發(fā)射系統(tǒng)的示意性結構；
圖60示出包括在光源中的垂直腔表面發(fā)射激光器陣列；
圖61示出沿著圖60所示的A-A線的截面圖62示出圖61的下半導體DBR的一部分的放大圖63是示出圖61的有源層的附近的放大圖64示出圖59的光纖電纜；以及
圖65示出AlGaAs材料的導熱性與Al組分之間的關系。具體實施方式

第一實施方式
圖49示出在脈沖寬度500 μ S、占空比50% (脈沖周期1ms)的脈沖條件下驅動垂直腔表面發(fā)射激光器件時獲得的光學波形。如圖49所示，剛好在上升時間之后的達到峰值之后，光學輸出掉落并且在相對長時間觀察時變得穩(wěn)定。光學輸出的變化是由于垂直腔表面發(fā)射激光器件的自加熱，并通常稱作“下降特性(droop characteristic)”。
在本發(fā)明的發(fā)明人所進行的深入檢驗中，已經作出新的發(fā)現(xiàn)，S卩在短的時間段上出現(xiàn)不同于“下降特性”的光學輸出的變化，如圖50所示，圖50提供了圖49的光學波形的上升及其附近的放大圖。
根據圖50,在IOns之后光學輸出已經完全上升。在大約200ns之后,光學輸出基本上完全上升，并且隨后逐漸增加，直到大約I μ s為止。這個現(xiàn)象(特性)是本發(fā)明的發(fā)明人作出的新發(fā)現(xiàn)。在這個說明書中，這種特性被稱作“負下降特性”。要指出的是負下降特性在傳統(tǒng)邊緣發(fā)射半導體激光器件中沒有被發(fā)現(xiàn)過。
為了用垂直腔表面發(fā)射激光器件獲得高圖像質量，在上升時間過程中的光學相應需要被適當控制，并且已經清楚難于利用具有負下降特性的垂直腔表面發(fā)射激光器件來獲得高質量圖像。
接著參照圖I到圖41描述本發(fā)明的一個實施方式。圖I示出根據本發(fā)明一個實施方式的激光打印機1000的總體結構。
激光打印機1000例如包括光學掃描設備1010、感光鼓1030、充電器1031、顯影輥1032、轉印充電器1033、中和單元1034、清潔單元1035、調色劑盒1036、供紙輥1037、供紙托盤1038、成對的阻擋輥1039、定影輥1041、排紙輥1042、收集托盤1043、通信控制單元 1050、以及用于對上面各個部件進行總體控制的打印機控制單元1060。所有這些部件設置在打印機機殼1044中的預定位置處。
通信控制單元1050控制與更高層設備(例如，個人計算機)的雙向通信，該更高層設備例如通過網絡連接到激光打印機1000上。
感光鼓1030具有圓柱形主體，在其表面上形成感光層。即，感光鼓1030的表面是其上進行掃描的表面。感光鼓1030被設計成沿著圖I中箭頭所示方向旋轉。
充電器1031、顯影輥1032、轉印充電器1033、中和單元1034和清潔單元1035設置在感光鼓1030的表面附近。具體地說，這些部件沿著感光鼓1030的旋轉方向以所陳述的順序設置。
充電器1031均勻充電感光鼓1030的表面。
光學掃描設備1010將基于從更高層設備送出的圖像信息調制的光束發(fā)射到被充電器1031充電的感光鼓1030的表面上。于是，在感光鼓1030的表面上形成與圖像信息相對應的潛像。然后，隨著感光鼓1030旋轉，潛像朝向顯影輥1032移動。要指出的是光學掃描設備1010的結構將在后面描述。
調色劑盒1036容納調色劑，該調色劑將被提供到顯影輥1032。
顯影輥1032將調色劑盒1036提供的調色劑施加到感光鼓1030表面上形成的潛像上，由此將潛像顯影成可見圖像。然后具有調色劑的可見圖像(以下為了方便也稱作“調色劑圖像”)隨著感光鼓1030的旋轉而朝向轉印充電器1033移動。
供紙托盤1038容納記錄片材1040。供紙輥1037設置在供紙托盤1038附近。供紙輥1037 —次從供紙托盤1038取出一張記錄片材1040，并且將它傳送到成對的阻擋輥 1039。阻擋輥1039首先供紙輥1037取出的記錄片材1040，并且然后根據感光鼓1030的旋轉而將記錄片材1040送出到感光鼓1030與轉印充電器1033之間的間隙。
極性與感光鼓1030表面上的調色劑的極性相反的電壓被施加到轉印充電器 1033，以便電吸引調色劑。通過該電壓，感光鼓1030表面上的調色劑圖像被轉印到記錄片材1040。其上已經轉印有調色劑圖像的記錄片材1040被送到定影輥1041。
定影輥1041向記錄片材1040施加熱和壓力，由此調色劑被固定到記錄片材1040 上。然后，其上已經定影有調色劑的記錄片材1040經由排紙輥1042被送到收集托盤1043。 經歷這種處理過程的多張記錄片材1040被依次堆疊在收集托盤1043上。
中和單元1034使得感光鼓1030的表面電中和。
清潔單元1035去除在感光鼓1030表面上剩余的調色劑(殘留調色劑)。從其上已經去除了調色劑的感光鼓1030的表面返回到與充電器1031相對的位置。
接著描述光學掃描設備1010的結構。
作為示例，如圖2所示，光學掃描設備1010包括偏轉器側掃描透鏡11a、圖像平面?zhèn)葤呙柰哥Rlib、多角鏡13、光源14、耦合透鏡15、光圈擋板16、變形透鏡17、反射鏡18、掃描控制器(未示出)等。這些部件設置并固定在殼體30中的預定位置處。
要指出的是對應于主掃描方向的方向和對應于副掃描方向的方向在下面分別簡稱為主掃描對應方向和副掃描對應方向。
耦合透鏡15將光源14發(fā)射的光束轉變成基本上平行光。
光圈擋板16具有光圈，并限制通過耦合透鏡15的光的直徑。
變形透鏡17轉變已經穿過光圈擋板16的光圈的光束，使得該光束通過反射鏡18 在多角鏡13的偏轉反射表面附近沿著副掃描對應方向形成圖像。
設置在光源14和多角鏡13之間的光路上的光學系統(tǒng)可以稱為偏轉器前光學系統(tǒng)。在本實施方式中，偏轉器前光學系統(tǒng)包括稱合透鏡15、光圈擋板16、變形透鏡17和反射鏡18。
多角鏡13例如包括六面鏡，它的內切圓直徑為18mm。多角鏡13的每個面是偏轉反射面。多角鏡13隨著它圍繞與副掃描對應方向平行的軸線以均勻速度旋轉而偏轉被反射鏡18所反射的光束。
偏轉器側掃描透鏡Ila設置在多角鏡13偏轉的光束的光路上。
圖像平面?zhèn)葤呙柰哥RIlb設置在已經穿過偏轉器側掃描透鏡Ila的光束的光路上。已經穿過圖像平面?zhèn)葤呙柰哥RIlb的光束被投影在感光鼓1030的表面上，由此形成光點。隨著多角鏡13旋轉，光點在感光鼓1030的縱向上偏移。即，光點橫過感光鼓1030掃描。光點移動的方向是主掃描方向。另一方面，感光鼓1030的旋轉方向是副掃描方向。
設置在多角鏡13和感光鼓1030之間的光路上的光學系統(tǒng)可以稱作掃描光學系統(tǒng)。在本實施方式中，掃描光學系統(tǒng)包括偏轉器側掃描透鏡Ila和圖像平面?zhèn)葤呙柰哥R lib。要指出的是在偏轉器側掃描透鏡Ila和圖像平面?zhèn)葤呙柰哥RIlb之間的光路上以及在圖像平面?zhèn)葤呙柰哥RIlb和感光鼓1030之間的光路上的至少一個上可以設置至少一個光路彎曲鏡。
光源14包括垂直腔表面發(fā)射激光器件100，其實施例在圖3中示出。在這個說明書中，激光振蕩方向被稱作Z方向，而在垂直于Z方向的平面內彼此正交的兩個方向被稱作 X和Y方向。
垂直腔表面發(fā)射激光器件100被設計成具有780nm波段的振蕩波長，并且包括襯底101、緩沖層102、下半導體DBR (分布式布拉格反射器)103、下間隔層104、有源層105、 上間隔層106、上半導體DBR107和接觸層109。
包括在垂直腔表面發(fā)射激光器件100內的襯底101具有鏡面拋光表面。襯底101 是n-GaAs單晶襯底，其中鏡面拋光表面的法線方向從晶體取向[100]朝向晶體取向[111] A傾斜15度，如圖4A所示。也就是說，襯底101是傾斜襯底。在這個實施方式中，襯底101 設置成使得晶體取向
與+X方向對齊，且晶體取向
與-X方向對齊，如圖4B 所示。
緩沖層102是n-GaAs層，其布置在襯底101的+Z方向表面上。
下半導體DBR103包括第一下半導體DBRlOS1、第二下半導體DBR1032和第三下半導體DBR1033，其實施例在圖5中示出。
第一下半導體DBRlOS1鋪設在緩沖層102的+Z方向表面上。第一下半導體DBRlOS1 包括36. 5對n-AlAs低折射率層103a和n-Al0.3Ga0.7As高折射率層103b。為了減小電阻， 組分梯度層(compositionally graded layer)(未示出)設置在每兩個相鄰的折射率層之間。在組分梯度層中，組分從一個向另一個逐漸變化。設計成每個折射率層通過包括它相鄰的組分梯度層的1/2厚度而具有λ/4 (其中λ是振蕩波長)的光學厚度。當光學厚度是λ/4時，層的實際厚度d是λ/4Ν (其中，N是層的材料的折射率)。
第二下半導體DBR1032鋪設在第一下半導體DBRlOS1的+Z方向表面上，并且包括三對低折射率層103a和高折射率層103b。為了減少電阻，組分梯度層(未示出)設置在每兩個相鄰的折射率層之間。設計成每個低折射率層103a通過包括1/2厚度的其相鄰的組分梯度層而具有3 λ /4的光學厚度，而每個高折射率層103b通過包括1/2厚度的其相鄰的組分梯度層而具有λ/4的光學厚度。第二下半導體DBR1032是光學限制減弱區(qū)域。
第三下半導體DBR1033鋪設在第二下半導體DBR1032的+Z方向表面上，并且包括一對低折射率層103a和高折射率層103b。為了減少電阻，組分梯度層(未示出)設置在每兩個相鄰的折射率層之間。設計成每個折射率層通過包括1/2厚度的其相鄰的組分梯度層而具有λ/4的光學厚度。
從而，在本實施方式中，下半導體DBR103包括40. 5對低和高折射率層103a和 103b。
作為未摻雜(AlaiGaa9)a5Ina5P層的下間隔層104鋪設在第三下半導體DBR1033的 +Z方向表面上。
有源層105鋪設在下間隔層104的+Z方向表面上。有源層105是三重量子阱有源層，包括GaInAsP量子阱層105a和GaInP勢壘層105b，如圖6所示的實施例中的。每個量子阱層105a通過將As引入到GaInp混合晶體中而產生，由此獲得780nm波段的振蕩波長， 并且具有壓縮應變。勢壘層105b具有帶間隙，且引入拉伸應變，由此提供高載流子限制，并且也作用為量子阱層105a的應變補償結構。
在這個實施方式中，由于傾斜襯底用作襯底101，各向異性被引入到有源層的增益中，由此實現(xiàn)將極化方向沿預定方向對準(極化控制)。
作為未摻雜(AlaiGaa9)a5Ina5P層的上間隔層106鋪設在有源層105的+Z方向表面上。
包括下間隔層104、有源層105和上間隔層106的區(qū)域被稱為諧振器結構，它被設計為具有λ的光學厚度。有源層105的PL波長被設計為772nm，比諧振器結構的諧振波長 780nm短8nm，并且最低閾值電流在17° C下獲得。有源層105設置在諧振器結構的中心， 這對應于電場的駐波的腹點(antinode)，以便實現(xiàn)高激勵發(fā)射率。諧振器結構夾在下半導體DBR103和上半導體DBR107之間。
上半導體DBR107包括第一上半導體DBRlOT1和第二上半導體DBR1072。
第一上半導體DBRlOT1鋪設在上間隔層106的+Z方向表面上，并且包括一對 P- (Al0.7Ga0.3) ο. 51% 5P低折射率層和P- (Al0. ^a0.9) 0.5In0.5P高折射率層。為了減小電阻，組分梯度層設置在每兩個相鄰的折射率層之間。設計成每個折射率層通過包括1/2厚度的其相鄰的組分梯度層而具有λ/4的光學厚度。
與AlGaAs層相比，第一上半導體DBR1071具有更高的帶隙能量，并且作為阻止電子注入有源區(qū)域的阻擋層。
由于傾斜襯底用作襯底101,不僅有可能減小AlGaInP材料的小丘缺陷形成的出現(xiàn)并改善結晶性，而且有可能減小自然超晶格的出現(xiàn)并防止帶隙能量減小。于是，第一上半導體DBRlOT1能夠保持高帶隙能量，并且有利的起到電子阻擋層的作用。
第二上半導體DBR1072鋪設在第一上半導體DBRlOT1的+Z方向表面上，并且包括 23對P-Ala9Ga0. ,As低折射率層和ρ_Α1α 3Ga0.7As高折射率層。為了減小電阻，組分梯度層設置在每兩個相鄰的折射率層之間。設計成每個折射率層通過包括1/2厚度的其相鄰組分梯度層而具有λ/4的光學厚度。
在第二上半導體DBR1072的一個低折射率層中，插入30nm厚度的p-AlAs選擇性氧化層。選擇性氧化層設置在從上間隔層106起第三對的低折射率層之內，在對應于電場的駐波的節(jié)點的位置。
接觸層109是p-GaAs層，鋪設在第二上半導體DBR1072的+Z方向表面上。
下面將其中多個半導體層鋪設在襯底101上所形成的結構成為層疊體。
另外，下面描述的每個折射率層的厚度包括1/2厚度的其相鄰組分梯度層。
接著是用于制造垂直腔表面發(fā)射激光器件100的方法的簡要描述。
(I)上述層疊體是通過晶體生長的方法產生，該晶體生長的方法如金屬有機化學蒸鍍(M0CVD方法)或者分子束外延附生(MBE方法)。
在這個步驟中，三甲基鋁(TMA)、三甲基鎵(TMG)和三甲基銦(TMI)用作三族材料， 且三氫化砷(AsH3)氣體用作四族材料。另外，四溴化碳(CBr4)用作P型摻雜物，而硒化氫 (H2Se)作為η型摻雜物。磷化氫(PH3)氣體用作AlGaInAsP材料的四族P材料，而二甲基鋅 (DMZn)用作AlGaInP的ρ型摻雜物。
(2)在層疊體的表面上形成方形抗蝕圖案,每一邊為25 μ m。
(3)利用方形抗蝕圖案作為光掩膜，通過利用Cl2氣體的ECR蝕刻形成方柱形臺地。蝕刻底部位于下半導體DBR103中。
(4)去除掩膜。
(5)層疊體在水蒸氣中被熱處理。在這個步驟中，選擇性氧化層中的Al被從臺地的四周選擇性氧化。于是，在臺地的中心留下由Al氧化層108b所圍繞的未氧化區(qū)域108a (見圖3)。以這種方式，形成氧化的電流限制結構，其中，用于驅動發(fā)光部分的電流的通道被局限于臺地的中心。未氧化區(qū)域108a作用為電流通過區(qū)域(電流注入區(qū)域)。根據各種初步試驗結果來選擇熱處理的適當條件(保持溫度、保持時間等)，使得電流通過區(qū)域的每邊大約4 μ m。具體地說，保持溫度是360° C，而保持時間是30分鐘。
(6) SiN或者SiO2制成的保護層通過化學蒸鍍(CVD方法)形成。
(7)聚酰亞胺112用于平面化層疊體。
(8)用于ρ-電極接觸的孔設置在臺地的頂部上。在這個步驟中，光阻材料掩膜設置在臺地的頂部，然后臺地上要形成孔的位置被暴露于光，以從該位置去除光阻材料掩膜。 隨后，通過緩沖HF蝕刻(BHF蝕刻)聚酰亞胺112和保護層111來形成孔。
(9)每一邊為10 μ m的方形抗蝕圖案形成在臺地的頂部、要成為發(fā)光部分的區(qū)域上，并且P電極材料然后通過蒸鍍沉積。作為P電極材料，使用Cr/AuZn/Au或Ti/Pt/Au制成的多層膜。
(IO)P-電極材料被從要成為發(fā)光部分的區(qū)域浮脫(lift off)，由此形成P-電極 113。
(11)襯底101的背面被拋光使得襯底101具有預定厚度(例如大約100 μ m)，然后， 形成η-電極114。η-電極114是AuGe/Ni/Au制成的多層膜。
(12) ρ-電極113和η-電極114通過退火而歐姆接觸，由此臺地成為發(fā)光部分。
(13)層疊體被切割成芯片。
通過向以上述方式制造的垂直腔表面發(fā)射激光器件100施加方波電流脈沖來進行試驗，該方波電流脈沖具有Ims的脈沖周期和500 μ s的脈沖寬度(占空比50%)，以產生 I. 4mW的光學輸出為目標。結果為(Pl-P2)/P2=-0.06，其中Pl是在施加之后IOns獲得的光學輸出，而P2是在施加后I μ s獲得的光學輸出。要指出的是，從方程(Pl-P2)/P2 X 100 (單位％)獲得的值在下面也稱為下降率。從而，本實施方式的垂直腔表面發(fā)射激光器件100 的下降率為-6%。應該指出的是，如果具有小于-10%的下降率的垂直腔表面發(fā)射激光器件用于激光打印機，在用裸眼觀察時，從該激光打印機輸出的圖像非常易于出現(xiàn)模糊輪廓，至少局部上出現(xiàn)。
在上述試驗中，垂直腔表面發(fā)射激光器件100產生大于2mW的單個基礎橫向模式輸出。
另外，垂直腔表面發(fā)射激光器件100呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件相當的閾值電流特性和外微分量子效率(斜坡效率)。
本發(fā)明的發(fā)明人詳細地檢驗了在具有氧化的電流限制結構的傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件被各種方波電流脈沖驅動時獲得的光學波形。圖7示出脈沖周期為Ims且占空比為50%獲得的光學波形，而圖8示出脈沖周期IOOns且占空比為50%獲得的光學波形。
根據圖7的光學波形，示出負下降特性，其中，在上升時間之后光輸出逐漸增加。 甚至在60ns后，光輸出不會達到目標值(I. 5mW)。另一方面，根據圖8的光學波形，在上升時間之后的光輸出是穩(wěn)定的，且不出現(xiàn)負下降特性。
于是，可以理解到即使施加到傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器件上的方波電流脈沖具有相同的占空比，即，相同的加熱值，如果所施加的方波電流脈沖具有長的脈沖周期，則出現(xiàn)負下降特性，而如果所施加的方波電流脈沖具有短的脈沖周期，則不出現(xiàn)負下降特性。
可以預期在脈沖周期上的差導致垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度的不同。 即，在長脈沖周期的情況下，加熱周期和冷卻周期都長，垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度變化很大。另一方面，在短脈沖周期的情況下，冷卻周期不會持續(xù)很長時間。因此，垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度的變化較小，并且內部溫度保持為平均相對較高。也就是說， 對于導致負下降特性的驅動條件，垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度變化很大，因此，可以推導出負下降特性是歸因于垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度的現(xiàn)象。
如果垂直腔表面發(fā)射激光器件的內部溫度變化，在橫向上的振蕩模式的電場強度分布(以下也稱為橫向模式分布)也變化。
在氧化的電流限制結構中的氧化層具有大約I. 6的折射率，該折射率低于相鄰半導體層的折射率(大約3)。于是，在垂直腔表面發(fā)射激光器件的內側，在橫向上存在所謂的內建等效折射率差Aneff (見圖9)。
通過等效折射率差Aneff，包括基礎橫向模式的振蕩模式被限制在橫向上。在這一點上，振蕩模式在橫向上的傳播取決于Aneff的大小，Aneff越大，在橫向上的傳播越小(見圖IOA和IOB)。
如果電流(驅動電流)被注入到垂直腔表面發(fā)射激光器件中，電流被集中在臺地的中心部分(下面稱為臺地中心部分)。然后，由于Joule熱，在有源層區(qū)域等中的無輻射復合、 尤其在臺地中心部分的靠近有源層一部分與周圍區(qū)域相比具有更高的局部溫度。如果半導體材料的溫度增加，半導體材料的帶隙能量降低，這導致高折射率。因此，如果臺地中心部分的局部溫度增加，臺地中心部分的折射率變得比周圍區(qū)域的高，并于是，在橫向上的光學限制變得明顯。
如圖IOA所示，在內建等效折射率差Aneff小時，如果臺地中心部分的局部溫度增加，等效折射率差Aneff的變化變大，如圖IlA中所示，這導致橫向模式分布中的大變動。在這種情況下，電流被注入的增益區(qū)域與橫向模式之間的重疊增大，并且在橫向上的光學限制變得明顯。結果，在增益區(qū)域的光強度增大，并且激勵發(fā)射率增加，并于是降低閾值電流。
從而，對于具有小內建等效折射率差Aneff并在室溫下具有在橫向上不充分光學限制的垂直腔表面發(fā)射激光器件，如果內部溫度增加，I-L曲線(注入電流-光學輸出曲線)整個向低電流側偏移，并且發(fā)光效率提高(見圖12)。在這種情況下，用相同驅動電流值獲得的光學輸出隨時間增加，并從而可以觀察到負下降特性(見圖13)。圖12示出對于時間t=、秒估算的I-L特性，該時間為內部溫度增加之前，并示出對于時間t=h秒估算的I-L 特性，在時間t1;內部溫度已經隨著脈沖驅動電流的供給而充分增加。隨著溫度增加，發(fā)光效率提高且閾值電流降低，因此，h秒的I-L特性與h秒的I-L特性相比向低電流側偏移。 由于驅動電流在Itjp恒定，光學輸出在h秒的情況下較大。這個情況的光學波形示于圖13 中。
另一方面，在內建等效折射率差Aneff大的情況下，如圖IOB所示，即使臺地中心部分的局部溫度增加，在等效折射率差Aneff方面的變化小，如圖IlB所示，于是，在橫向模式分布上觀察到小的變化。
從而，對于具有大內建等效折射率差Aneff并具有在室溫下在橫向上充分光學限制的垂直腔表面發(fā)射激光器件中，即使內部溫度增加，橫向模式分布穩(wěn)定，且在發(fā)光效率上看到很小變化。在這種情況下，用相同驅動電流值獲得的光學輸出保持隨時間變化基本穩(wěn)定，并因此，不會出現(xiàn)負下降特性。
橫向光學限制系數(下面，簡稱為光學限制系數)用作表示在橫向上光學限制的強度的指標，要指出的是光學限制系數可以從“位于電流通過區(qū)域所處的半徑范圍內的電場的積分強度(integrated intensity)”與“在穿過垂直腔表面發(fā)射激光器件的中心的X-Y 橫截面上的電場的積分強度”的比中獲得。光學限制系數越大，電場強度的分布更明顯地集中在增益區(qū)域。換句話說，在室溫下獲得的光學限制系數越大，通過氧化的電流限制結構獲得的光學限制更充分，這表示即使在增益區(qū)域的局部溫度變化的過程中，橫向模式分布也是穩(wěn)定的。
垂直腔表面發(fā)射激光器件的橫向模式分布可以通過利用下面的Helmholtz方程 (方程(I)和(2 ))計算電場強度的分布來估計。
[方程I]
權利要求
1.一種垂直腔表面發(fā)射激光器件，其相對于襯底正交地發(fā)光，該垂直腔表面發(fā)射激光器件包括 包括有源層的諧振器結構；以及 半導體多層反射器，該半導體多層反射器設置成在其間夾置該諧振器結構，并且包括多對第一層和第二層，所述第一層和第二層具有不同的折射率， 其中，所述第二層比第一層具有更高的導熱率， 所述半導體多層反射器包括第一局部反射器和第二局部反射器，第一局部反射器包括至少一對，其中所述第二層在光學厚度上大于第一層，所述第二局部反射器設置在第一局部反射器和諧振器結構之間，并且包括至少一對，其中，第一層和第二層中每一個在光學厚度上都小于所述第一局部反射器的第二層的。
2.如權利要求I所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，所示第二局部反射器的第一層和第二層的每一個的光學厚度是振蕩波長的1/4。
3.如權利要求I或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，所述第二局部反射器包括一對和五對之間。
4.如權利要求I或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，在第一局部反射器中，第一層的光學厚度是振蕩波長的1/4，而第二層的光學厚度是(211+1)入/4，其中，λ是振蕩波長，而η是等于或大于I的整數。
5.如權利要求I或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，每對的第二層是包含AlAs的層。
6.如權利要求I或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，所述半導體多層反射器包括鋪設在諧振器結構的一側上的第一半導體多層反射器；和鋪設在諧振器結構的另一側上的第二半導體多層反射器， 在有源層中產生的熱量主要通過第一半導體多層反射器釋放；且 所述第一局部反射器和第二局部反射器包括在所述第一半導體多層反射器中。
7.如權利要求6所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，在所述第一半導體多層反射器中，雜質摻雜濃度在諧振器結構側上相對低。
8.如權利要求I或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件，其中，所述諧振器結構包括銦。
9.一種垂直腔表面發(fā)射激光器陣列，其上集成有多個如權利要求I所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件。
10.一種光學掃描設備，用于用光對掃描表面掃描，所述光學掃描設備包括 光源，該光源包括如權利要求I所述的垂直腔表面發(fā)射激光器件； 偏轉器，該偏轉器被構造成偏轉從所述光源發(fā)出的光；以及 掃描光學系統(tǒng)，該掃描光學系統(tǒng)被構造成將被偏轉的光聚焦到所述掃描表面上。
11.一種光學掃描設備，用于用光對掃描表面掃描，所述光學掃描設備包括 光源，該光源包括如權利要求9所述的垂直腔表面發(fā)射激光器陣列； 偏轉器，該偏轉器被構造成偏轉從所述光源發(fā)出的光；以及 掃描光學系統(tǒng)，該掃描光學系統(tǒng)被構造成將被偏轉的光聚焦到所述掃描表面上。
12.—種成像設備，該成像設備包括 至少一個圖像載體；以及一個或多個如權利要求10或11所述的光學掃描設備，該光學掃描設備被構造成將包含圖像信息的光照射到所述至少一個圖像載體上。
13.如權利要求12所述的成像設備，其中，所述圖像信息是多顏色圖像信息。
14.一種光學發(fā)射模塊，用于根據輸入的電信號產生光信號，所述光學發(fā)射模塊包括 如權利要求9所述的垂直腔表面發(fā)射激光器陣列；以及 驅動裝置，該驅動裝置被構造成根據輸入的電信號驅動所述表面腔垂直發(fā)射激光器陣列。
15.—種光學發(fā)射系統(tǒng),包括 如權利要求14所述的光學發(fā)射模塊； 光學傳輸介質，該光學傳輸介質被構造成傳輸光學發(fā)射模塊產生的光信號； 轉換器，該轉換器被構造成將所傳輸的光信號轉變成電信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直腔表面發(fā)射激光器件及具有該激光器件的陣列、設備、模塊和系統(tǒng)。垂直腔表面發(fā)射激光器件包括包括有源層的諧振器結構；以及半導體多層反射器，該半導體多層反射器設置成在其間夾置該諧振器結構，并且包括多對第一層和第二層，第一層和第二層具有不同的折射率，其中，第二層比第一層具有更高的導熱率，半導體多層反射器包括第一局部反射器和第二局部反射器，第一局部反射器包括至少一對，其中第二層在光學厚度上大于第一層，第二局部反射器設置在第一局部反射器和諧振器結構之間，并且包括至少一對，其中，第一層和第二層中每一個在光學厚度上都小于第一局部反射器的第二層的。
文檔編號B41J2/47GK102983498SQ2012104934
公開日2013年3月20日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權日2008年5月2日
發(fā)明者軸谷直人, 佐藤俊一, 菅原悟, 本村寬 申請人:株式會社理光