表面发射激光器元件、阵列、光学扫描装置和成像设备的制作方法

专利名称：表面发射激光器元件、阵列、光学扫描装置和成像设备的制作方法
技术领域：
本发明总'光束的表面发射激光器元件、其中安置有表面发射激光器元件的表面发射 激光器阵列、使用表面发射激光器元件或者表面发射激光器阵列的光学扫 描装置以及利用光学扫描装置的成像设备。
背景技术：
VCSEL(垂直腔表面发射激光器)在垂直于VCSEL的衬底表面的方向发 射激光束，并且VCSEL与边缘发射激光器相比，具有低成本、低能耗、小 尺寸和高效率，并且适合用于二维装置。因此，VCSEL已经被广泛研究。对于VCSEL的应用领域，有打印机的光学写入系统的光源(振荡波长 在780nm波段)、光盘装置的记录和再现光源(振荡波长在780nm波段和 850nm波段)和利用光纤的光学传输系统例如LAN(局域网)的光源(振荡波长 在13pm波段和15pm波段)。此外，VCSEL已经期望用作LSI(大规;溪集成) 的板之间、板内部、芯片之间以及LSI的芯片内部的光源。在VCSEL的应用领域中，在很多情形下，从VCSEL输出的激光束(在 此及后，在一些情形中称为输出激光束)要求具有恒定的偏振模式和圓形截 面形状。关于偏振模式的控制，在利用衬底(非倾斜衬底)的VCSEL的制造中， 该衬底的主表面是(l OO)表面，电流通过区域(电流通道区域)具有各向异性 的形状(例如，参见专利文献1-3)。此外，偏振模式通过利用所谓的倾斜衬底进行控制(参见专利文献4和 非专利文献1)。再者，关于输出激光束的截面形状，通过调节谐振器结构体的柱形状 (台面形状)，电流通过区域的形状被确定为圆形或者方形(参见专利文献5)。 但是，当电流通过区域具有各向异性的形状时，输出激光束的截面形5状难以为圆形的。此外，当简单使用倾斜村底时，电流通过区域的形状变得不对称(见图17A),并且输出激光束的截面形状难以为圆形的。在图17B 中，示出形状关于二轴对称的电流通过区域。[专利文献l]曰本未审查专利申请公开说明书第H9-l72218号[专利文献2]曰本专利第2891133号[专利文献3]日本未审查专利申请公开说明书第2008-28424号 [专利文献4]日本专利第4010095号 [专利文献5]日本专利第3762765号[非专利文献1] T, Ohtoshi, T. Kuroda， A. Niwa和S. Tsuji的"Dependence of optical gain on crystal orientation in surface emitting lasers with strained quantum wells", Appl. Phys. Lett. 65(15)， pp. 1886-1877， 1994。通过制造具有倾斜衬底的表面发射激光器元件，本发明的发明人已经 详细研究了电流通过区域的形状与输出激光束的偏振抑制比和照射角之间 的关系。结果，本发明人已经新发现以下情况。也就是，在一些情形中， 仅通过使得电流通过区域的形状为圆形或者方形的，输出激光束的截面形 状难以是圓形的。本发明人已经详细研究了以上结果的原因，并新发现，当使用倾斜衬 底时，围绕电流通过区域的氧化物的厚度大大地影响输出激光束的照射角。发明内容在本发明的优选实施例中，提供一种在垂直于表面发射激光器元件的 衬底表面的方向发射激光束的表面发射激光器元件、表面发射激光器元件 安置在其中的表面发射激光器阵列、利用表面发射激光器元件或者表面发 射激光器阵列的光学扫描装置和利用光学扫描装置的成像设备，其中可以 获得稳定的输出激光束偏振方向而不会导致高成本，并且输出激光束的截 面形状可以基本上为圆形的。本发明的特征和优点在下面的描述中提出，并且部分地从该描述以及 附图将变得明显，或者可以通过根据该描述中提供的教导实践本发明而获 得。本发明的特征和优点将通过在垂直于表面发射激光器元件的衬底表面 的方向发射激光束的表面发射激光器元件、其中安置有表面发射激光器元 件的表面发射激光器阵列、利用表面发射激光器元件或者表面激光器阵列的光学扫描装置和利用光学扫描装置的成像设备而实现和获得，其在说明 书中以如此全面、清楚、简洁和确切的术语特别地指出，以使得本领域技 术人员能够实施本发明。为了实现这些以及其它优点的一个或多个，根据本发明的一方面，提供一种表面发射激光器元件。该表面发射激光器元件包括衬底，其主表 面的法线方向相对于[l OO]晶体取向的一个方向朝向[l 1 l]晶体取向的一个 方向倾斜；谐振器结构体，该谐振器结构体包括有源层；第一和第二半导 体分布布拉格(Bragg)反射器，其夹住谐振器结构体并包括限制结构，在该 限制结构中电流通过区域由氧化层围绕；堆叠在衬底上的多个半导体层； 和具有开口部分的金属层，该开口部分成为该多个半导体层上的光输出部 分。其截面形状具有较长的长度方向的激光束通过氧化物限制结构输入到 金属层，并且光输出部分在垂直于激光束的较长的长度方向的第一方向上 的开口宽度小于光输出部分在平行于激光束的较长的长度方向的第二方向 上的另一开口宽度。


当结合附图阅读时，本发明的特征和优点从下面的详细描述将变得更加明显，其中图1是根据本发明的实施例的成像设备的剖视图；图2是图1所示的光学扫描装置的剖视图；图3A是根据本发明的实施例的表面发射激光器元件的剖视图；图3B是图3A所示的表面发射激光器元件的俯视图;图4A是示出图3A所示的村底的倾斜的图形；图4B是示出图3A所示的衬底的位置的图形；图5是示出图3A所示的表面发射激光器元件的台面的外形的图形；图6是表面发射激光器元件沿着图3A的线A-A的剖视图；图7是图6所示的氧化物限制结构沿着图6的线A-A的剖视图；图8是图6所示的氧化物限制结构沿着图6的线B-B的剖视图；图9是示出在所制造的表面发射激光器元件中的电流通过区域的长宽比(rectangular ratio)和偏振抑制比之间的关系的曲线；图IO是示出使用类似于图3A所示的倾斜衬底的表面发射激光器元件的电流通过区域长宽比与输出激光束照射角之间的关系的曲线；图ll是示出利用类似于图3A所示的衬底的倾斜衬底的表面发射激光 器元件的光输出部分的开口宽度和在X轴方向的输出激光束照射角之间的 关系的曲线；图12A是示出激光束和电流通过区域的形状的图形；图12B是示出激光束和光输出部分的形状的图形；图13是示出根据本发明的实施例的表面发射激光器阵列的图形；图14是示出图13所示的光发射部分的二维阵列的图形；图15是沿着图14的线A-A的剖视图；图16是彩色打印机的剖视图；图17A是示出台面的外形和电流通过区域的形状的图形；以及图17B是示出台面的外形和关于二轴对称的电流通过区域的形状的图形。
具体实施方式
参照附图描述实施本发明的最佳方式。 参照图1-11,描述本发明的实施例。图1是根据本发明的实施例的成像设备的剖视图。在图1中，作为成 像设备，激光打印机1000被示出。如图1所示，激光打印机1000包括光学扫描装置1010、光导鼓1030、 充电器1031、显影辊1032、转印充电器1033、放电单元1034、清洁单元 1035、调色剂盒1036、纸张馈送辊1037、纸张馈送托盘1038、"对配准辊 1039、定影辊1041、纸张^T出辊1042、纸张输出^Jt 1043、通信控制器 1050和用于控制总体在打印机拒1044中的相应的预定位置的上的部件的打 印机控制器1060。通信控制器1050通过例如网络来控制与外部设备(例如，个人电脑)的 相互通信。光导鼓1030(图像载体)是圆筒状元件，光导层形成在光导鼓1030的表 面上。也就是，光导鼓1030的表面是待扫描的表面。光导鼓1030在图1 所示的箭头方向旋转。充电器1031、显影辊1032、转印充电器1033、放电单元1034和清洁8单元1(B5布置在光导鼓1030的表面附近。充电器1031、显影辊1032、转 印充电器1033、放电单元1034、清洁单元1035沿着光导鼓1030的旋转方 向以该顺序布置。充电器1031对光导鼓1030的表面均匀充电。光学扫描装置1010将基于从外部设备传输的图像信息调制的光通量 (激光束)照射到由充电器1031充电的光导鼓1030的表面上。由此，基于图 像信息的静电潜象形成到光导鼓1030的表面上。对应光导鼓1030的旋转， 形成的静电潜象移动到显影辊1032。下面详细描述光学扫描装置1010。调色剂存储在调色剂盒1036中并且所存储的调色剂供应到显影辊 1032。显影辊1032将从调色剂盒1036供应的调色剂粘附到形成在光导鼓 1030的表面上的静电潜象上。借助此，静电潜象被显影，并且使得图像信 息被显现。对应光导鼓1030的旋转，调色剂粘附到其上的静电潜象(调色剂 图像)移动到转印充电器1033。记录纸张1040存储在纸张馈送托盘1038中。布置在纸张馈送托盘1038 附近的纸张4贵送辊1037从纸张々贵送托盘1038 —张一张地冲合取记录纸张 1040，并将拾取的记录纸张1040传送到一对配准辊1039。这对配准辊1039 临时地保持由纸张馈送辊1037拾取的记录纸张1040，并且对应光导鼓1030 的旋转将记录纸张1040传送到光导鼓1030和转印充电器1033之间的位置 (间隙)。极性与调色剂极性相反的电压施加到转印充电器1033上以使得光导鼓 1030上的调色剂图像被电吸引到记录纸张1040上。光导鼓1030的表面上 的调色剂图像通过该电压转印到记录纸张1040上。调色剂图像已经转印到 其上的记录纸张104(H皮传递到定影辊1041。热和压力通过定影辊1041施加到记录纸张1040。借助此，记录纸张 1040上的调色剂图像被定影。调色剂图像已经通过定影辊1041固定到其上 的记录纸张1040经由纸张输出辊1042传递到纸张输出托盘1043，并且记 录纸张1040堆叠在纸张输出托盘1043上。放电单元1034对光导鼓1030的表面放电。清洁单元1035移除光导鼓1030表面上剩余的调色剂。其上的剩余调 色剂已经被移除的光导鼓1030的表面返回到面对充电器1031的位置。接着，描述光学扫描装置1010的结构。图2是光学扫描装置1010的 剖一见图。
如图2所示，作为一个例子，光学扫描装置1010包括在壳体30中的 对应预定位置处的偏转器侧扫描透镜lla、图像面侧扫描透镜llb、多角镜 13(偏转单元)、光源14、耦合透镜15、光圈挡片16、变形透镜17、反射镜 18和扫描控制器(未示出)。
在下面，对应主扫描方向的方向称作主扫描对应方向，对应副扫描方 向的方向称作副扫描对应方向。
耦合透镜15使得从光源14输出的光通量(激光束)为大致平行的光。光 源14和耦合透镜15固定到由铝形成的支撑件并集成在一起。
光圈挡片16包括光圈部分并控制从耦合透镜15发出的光通量的光束 直径。
变形透镜17在副扫描对应方向上经由反射镜18从通过光圈挡片16的 光圏部分的光通量在多角镜13的偏转反射面附近形成图像。
布置在光源14和多角镜13之间的光路上的光学系统称作在偏转器前 的光学系统。在本实施例中，在偏转器前的光学系统由耦合透镜l5、光圈 挡片16、变形透镜17和反射镜18形成。
多角镜13是具有六个侧面的镜子，其内切圆半径为例如18毫米，并 且每个镜子是偏转反射表面。多角镜13以恒定速度围绕平行于副扫描对应 方向的轴旋转并偏转来自反射镜18的光通量。
偏转器侧扫描透镜lla位于通过多角镜13偏转的光通量的光路中。
图像面侧扫描透镜lib位于来自偏转器侧扫描透镜lla的光路中。来 自图像面侧扫描透镜lib的光通量照射到光导鼓1030的表面上，光斑形成 在光导鼓1030的表面上。对应多角镜13的旋转，光斑在光导鼓1030的较 长的长度方向(宽度方向)移动。也就是，光斑扫描光导鼓1030的表面。光 斑的移动方向是主扫描方向，光导鼓1030的旋转方向是副扫描方向。
在多角镜13和光导鼓1030之间的光路上的光学系统称作扫描光学系 统。在本实施例中，扫描光学系统由偏转器侧扫描透镜lla和图像面侧扫描 透镜lib形成。此外，至少一个光轴折叠镜可以布置在偏转器侧扫描透镜 lla和图像面侧扫描透镜llb之间的光路和图像面侧扫描透镜llb和光导鼓 1030之间的光^各中的至少一个上。图3A是根据本本发明的实施例的表面发射激光器元件100的剖视图。 图3B是表面发射激光器元件100的俯视图。作为一个例子，光源14包括 如图3A和3B所示的表面发射激光器元件100。
在本发明的描述中，激光束(光通量)照射方向是Z轴方向，在垂直于Z
表面发射激光器元件100的设计振荡波长为780nm波段。表面发射激 光器元件100包括衬底101、緩沖层102、下半导体DBR(分布布拉格反射 器)103、下间隔层104、有源层105、上间隔层106、上半导体DBR107、接 触层109等。
下面描述在图3A和3B中的具有相应的标记108、 108a、 108b、 112、 113、 114、和115的部件。
图4A是示出衬底101的倾斜的图形。图4B是示出衬底101的位置的 图形。
衬底101的表面是镜面抛光表面，衬底101是n-GaAs单晶衬底。如图 4A所示，衬底101的镜面抛光表面(主表面)的法线方向相对于[l OO]晶体取 向方向朝[l 1 l]A晶体取向方向倾斜15度(0=15度)。也就是，衬底101是 所谓的倾斜衬底。如图4B所示，衬底101布置成使得[O 1 -l]晶体取向方向 是-X方向，而[O-l 1]晶体取向方向是+X方向。
返回图3A,緩冲层102堆叠在衬底101的+Z侧表面上并由n-GaAs形成。
下半导体DBR 103堆叠在緩冲层102的+Z侧上并包括40.5对由n-AlAs 形成的低折射率层和由n-Ala3Gao.7As形成的高折射率层。
此外，为了降低电阻值，在折射率层之间形成20nm厚的组分梯度层， 在该组分梯度层中，组分逐渐从一种组分变化为另一组分。当振荡波长为人 时，通过包括1/2的相邻的组分梯度层，每一折射率层确定为具有X/4的光 学厚度。
在光学厚度和实际厚度之间存在以下关系。当光学厚度为A74时，实际 厚度"h" =^/41^(>}是层的介质的折射率)。
下间隔层104堆叠在下半导体DBR103的+Z侧上并且由非掺杂的 (Al0.iGa0.9)0.5In0.5P形成。
有源层105堆叠在下间隔层104的+Z侧上并且具有三量子阱结构，该
ii三量子阱结构具有三层的量子阱层和四层的阻挡层。量子阱层的每一层由
GalnAsP形成，其组分引起0.7%的压缩应变，并具有大约780nrn的带隙波 长。每一阻挡层由GalnP形成，其组分引起0.6%的拉伸应变。
上间隔层106堆叠在有源层105的+Z侧上并由非掺杂的 (Alo.iGao.9)o.5ln。.5P开j成。
由下间隔层104、有源层105和上间隔层106形成的部分称作谐振器结 构体，并且该谐振器结构体的厚度确定为一个波长的光学厚度。为了获得 高受激发射概率，有源层105位于谐振器结构体的中心，该中心对应电场 的驻波分布的反节点位置。
上半导体DBR107包括第一上半导体DBR(未示出)和第二上半导体 DBR(未示出)。
第一上半导体DBR堆叠在上间隔层106的+Z侧上并包括一对由 p-(Alo.7Gaa3)a5Ina5P形成的低折射率层和由p-(Al(uGao.9)o.5lno.5P形成的高折 射率层。
第二上半导体DBR堆叠在第一上半导体DBR的+Z侧上并包括23对 由p-Alo.9GacuAs形成的^f氐折射率层和由p-Alo.3Gao.7As形成的高折射率层。
为了降低电阻值，在上半导体DBR107的折射率层之间形成组分梯度 层，其中组分从一种组分逐渐变化为另一组分。当振荡波长为人时，通过 包括1/2的相邻的组分梯度层，低和高折射率层的每一层确定为具有X/4的 光学厚度。
由p-AlAs形成的30nm厚的待选择性氧化的层108被插入到第二上半 导体DBR的低折射率层之一中。待选择性氧化的层108的插入位置是在从 上间隔层106起的第三对低折射率层中并位于对应电场的驻波分布的节点 位置。
接触层109堆叠在第二上半导体DBR的+Z侧上并由p-GaAs形成。 在下面，在一些情形中，其中多个半导体层堆叠在衬底101上的结构
称作层堆叠体。
接着，简单描述表面发射激光器元件100的制造方法。
(1)层堆叠体借助于MOCVD(金属有机化学蒸气淀积)方法或者
MBE(分子束外延)方法通过晶体生长而形成。
在上面，作为族m原材料，使用TMA(三曱基铝)、TMG(三甲基镓)或者TMI(三曱基铟)，并且，作为族V原材料，使用磷化氢(PH3)或者月申(AsH3)。 此外，作为p类型掺杂物的原材料，使用四溴化碳(CBr4)或者二甲基锌 (DMZn),并且作为n类型掺杂物的原材料，使用硒化氢(H2Se)。
(2) 具有矩形形状的抗蚀图案(resist pattem)形成在层堆叠体的表面上 (见图5),其中该矩形形状在X轴方向的长度"aX，，为25.5pm,在Y轴方向 的长度"aY"为25.0pm。
图5是示出表面发射激光器元件IOO的台面的外形的图形。
(3) 具有四角柱形状的台面通过利用ECR(电子回旋加速器共振)蚀刻 法借助于Cl2气体同时利用上面的抗蚀图案作为光掩膜而形成。蚀刻的底部 表面定位在下间隔层104中。
(4) 光掩膜被去除。
(5) 热处理在水蒸气中施加到层堆叠体。借助此，在待选择性氧化的层 108中的铝(A)从台面的外部被选择性地氧化，而由Al的氧化层108a围绕 的非氧化层108b保留在台面的中心部分(见图3A)。也就是，形成所谓的氧 化物限制结构，其中表面发射激光器元件100的光发射部分的激励电流路 线:被限制到台面的中心部分。非氧化区域108b是电流通过区域(电流注入区 域)。
(6) SiN或者Si02的防护层111通过利用CVDG匕学蒸气淀积)方法形成。
(7) 层堆叠体通过聚酰亚胺层112平整。
(8) 用于p电极接触的窗开口于台面的上部。形成光阻材料掩膜，光阻 材料的开口部分通过将开口部分暴露在台面的上部而被去除，窗借助于 BHF(緩冲氢氟酸)通过蚀刻聚酰亚胺层112和防护层111而^C打开。
(9) 矩形形状的抗蚀图案形成在台面的上部、成为光输出部分(金属层 的开口部分)的区域上，所述矩形形状在X轴方向的长度为10pm,在Y轴 方向的长度为11.5pm,并且p电极材^H皮淀积。作为p电才及材冲+,由 Cr/AuZn7Au或者Ti/Pt/Au形成的多层薄膜被使用。
(10) p电极113通过在光输出部分剥离(lifting off)电极材料而形成。由 p电极113围绕的部分是光输出部分115。 p电极113是金属层。
(11) 衬底101的底面被抛光以使得衬底101的厚度变为例如100|_im， n 电极114形成在衬底101的底面上。n电极114由AuGe/Ni/Au多层薄膜形 成。
13(12) p电极113和n电极114之间的欧姆接触通过退火获得，借助此， 台面变为光发射部分。
(13) 表面发射激光器元件IOO通过被切除而形成为芯片。 在通过上面的方法制造的表面发射激光器元件100中，输出激光束的
偏振方向是X轴方向，其是期望的方向，偏振抑制比是20dB或者更大并且 稳定。偏振抑制比是在期望偏振方向的光强与在垂直于期望偏振方向的方 向上的光强的比率，也就是说，成像设备例如复印机要求具有大约20dB。 此外，在表面发射激光器元件100中，在X轴方向和Y轴方向的输出激光 束的照射角度之间的差为0.1。或者更小，并且输出激光束的截面形状为大致 圆形。
图6是表面发射激光器元件100沿着图3A的线A-A的剖视图。也就 是，表面发射激光器元件100的氧化物限制结构在图6中示出。在图6中， 限定以下内容。也就是，从氧化层108a的+Y侧末端到电流通过区域108b(非 氧化层)的+Y侧末端的距离为"dyl",从氧化层108a的-Y侧末端到电流通过 区域108b的-Y侧末端的距离为"dy2"，从氧化层108a的+X侧末端到电流 通过区域108b的+X侧末端的距离为"dxl"，并且从氧化层108a的-X侧末 端到电流通过区域108b的-X侧末端的距离为"dx2"。当通过利用IR(红外线) 显微镜测量距离时，测量结果为dy2>dyl， dx2 dxl>dyl。这表明在-Y方 向的氧化速率小于在+Y、十X和-X方向的氧化速率。
此外，在图6中，限定以下内容。也就是，电流通过区域在Y轴方向 的宽度为"bY，，，电流通过区域108b在X轴方向的宽度为"bX"。然后，测量 该宽度，并且测量结果为"bY"-4.0pm, "bX"=4.5^im，并且"bY/bX"(电流通 过区域108b的长宽比)是0.89。
图7是图6所示的氧化物限制结构沿着图6的线A-A的剖视图。在图 7中，限定以下内容。也就是，氧化层108a在电流通过区域108b的+Y侧 的厚度为"Syl"，氧化层108a在电流通过区域108b的-Y侧的厚度为"Sy2"。 然后，当在Y轴方向的数个位置测量该厚度时，"Syl"大于"Sy2"大约2nm, 即使距氧化末端部分的距离是相同的，例如在图7中的距离"d"。
图8是图6所示的氧化物限制结构沿图6的线B-B的剖视图。在图8 中，限定以下内容。也就是，氧化层108a在电流通过区域108b的-X侧的 厚度为"Sxl",氧化层108a在电流通过区域雨b的+X侧的厚度为"Sx2"。那么当在X轴方向的数个位置测量该厚度时，当距氧化末端部分的距离是
相同的例如在图8中的距离"d"时，"Sx 1"大致等于"Sx2"。此外，"Sx 1 ，，和"Sx2" 的厚度小于"Syl"的厚度，即使距氧化末端部分的距离是相同的。
本发明的发明人已经制造了多个表面发射激光器元件100，其电流通过 区域108b的长宽比彼此不同，并获得长宽比和偏振抑制比之间的关系。
图9是示出在所制造的表面发射激光器元件100中的电流通过区域 108b的长宽比(bY/bX)和偏振抑制比之间的关系的曲线。在图9中，表面发 射激光器元件100的偏振方向是X轴方向；也就是，相同的方向。在图9 中，黑色圆圈示出第一组的多个表面发射激光器元件，白色圆圈示出第二 组的多个表面发射激光器元件，并且第一和第二组的结构彼此部分不同。 如图9所示，在第一和第二组的任一中，当长宽比(bY/bX)小于1.0时，也 就是，当在电流通过区域108b中在X轴方向的长度大于在Y轴方向的长度 时，偏振抑制比可以是较大的。
通常，在表面发射激光器元件中，当在横向方向的光限制(在此及后， 在一些情形中，简称为光限制)大时，输出激光束的照射角趋于为大的。当 电流通过区域的宽度小且氧化层的厚度大时，光限制的程度变大。也就是， 当电流通过区域的宽度小且氧化层的厚度大时，输出激光束的照射角趋于 变大。
图IO是示出利用类似于衬底101的倾斜衬底的表面发射激光器元件的 电流通过区域的长宽比和输出激光束的照射角之间的关系的曲线，其中光 输出部分的形状是方形的。如图IO所示，当电流通过区域的长宽比(bY/bX) 变大时，在X轴方向的照射角变大，并且在Y轴方向的照射角变小。此外， 当电流通过区域的长宽比(bY/bX)为大约1.1时，在X和Y轴方向的照射角 变为相同的。
也就是，当电流通过区域的长宽比小于大约1.1时，输出激光束的截面 形状为椭圓的，其中Y轴方向是较长的长度方向。此外，当电流通过区域 的长宽比大于大约1.1时，输出激光束的截面形状为椭圆的，其中X轴方 向为较长的长度方向。当电流通过区域的长宽比是1.0,也就是，电流通过 区域的形状为正方形时，在X和Y轴方向的照射角由于氧化层的"Sxl" Sx2〈Syl"的关系而是不同的。
当电流通过区域的长宽比小于大约1.1时，电流通过区域的长宽比越小，在X轴方向和Y轴方向的照射角之间的差异越大(在此及后，在一些情 形中，简称为照射角差异)。
如上所述，为了增大偏振抑制比，电流通过区域的长宽比制造得为小
的是有效的。特别地，当电流通过区域的长宽比被制造得小于1.0时，可以
获得高于传统情形的偏振抑制比。但是，当电流通过区域的长宽比被制造
得小于1.0时，照射角差异变得比传统情形的更大。
例如，当电流通过区域的长宽比是1.0时，照射角差异为大约0.2。，当 电流通过区域的长宽比为0.89时，照射角差异为大约0.4°(见图10中的Arl)。
图11是示出利用类似于村底101的倾斜衬底的表面发射激光器元件的 光输出部分的开口宽度和在X轴方向的输出激光束的照射角之间的关系的 曲线，其中，光输出部分和电流通过区域的形状为方形的。
如图ll所示，输出激光束的照射角取决于光输出部分的开口宽度。当 开口宽度小时，输出激光束的照射角趋于变大。该趋势与在Y轴方向的照 射角是相同的。
通过上面，通过利用在X和Y轴方向的光输出部分的开口宽度之间的 数值关系，输出激光束的截面形状的较长的长度方向可以确定为X轴方向 或者Y轴方向。此外，照射角差异的大小可以通过在X轴方向和Y轴方向 的光输出部分的开口宽度之间的差异(绝对值)而调节。
因此，由于电流通过区域108b的形状和氧化物限制结构中的氧化层 108a的厚度的不均一所致的照射角差异的增大可以通过光输出部分U5的 形状补偿。
在本实施例中，在光输出部分115中，在X和Y轴方向的开口宽度被 确定成使得在X轴方向的开口宽度小于在Y轴方向的开口宽度，"在X轴 方向的照射角 >在Y轴方向的照射角"，照射角差异的大小为接近值Ar 1的值 (图11中的Ar2)。具体地，在X轴方向的开口宽度确定为10.0|Lim，在Y轴 方向的开口宽度确定为11.5jim。
借助此，即使电流通过区域108b的形状不是方形的并且围绕电流通过 区域108b的氧化层108a的厚度不是均一的，输出激光束的截面形状可以大 致为圆形。
如上所述，根据本实施例中的表面发射激光器元件100，在衬底101 中，主表面(镜面抛光表面)的法线方向相对于[l OO]晶体取向方向在[l 1 l]A晶体取向方向上倾斜15度，在该衬底101上包括有源层105的谐振器结构 体和多个半导体层被堆叠，其中多个半导体层包括夹住谐振器结构体的下 半导体DBR103和上半导体DBR107。
此外，在上半导体DBR107中的氧化物限制结构中，电流通过区域108b 的长宽比是0.89,且在围绕电流通过区域108b的氧化层108a中，在+Y轴 方向的氧化厚度大于在+X和-X轴方向的氧化厚度。
此外，电流通过区域108b的形状关于穿过电流通过区域108b的中心 并平行于X轴的轴(第一轴)是对称的，并且关于穿过电流通过区域108b的 中心并平行于Y轴的另一轴(第二轴)是对称的。
此外，在光输出部分115中，在X轴方向的开口宽度小于在Y轴方向 的开口宽度。
因此，根据本实施例的表面发射激光器元件100,输出激光束在偏振方 向的稳定性可以提高而不会导致高成本，并且输出激光束的截面形状可以 大致为圆形。
此外，根据本实施例的光学扫描装置1010,因为光源14包括表面发射 激光器元件100，高精度的光学扫描可以得以执行而不会导致高成本。
此外，根据本实施例的激光打印机1000,因为激光打印机1000包括光 学扫描装置1010,高质量的图像可以得以形成而不会导致高成本。
在上面，描述了其中电流通过区域108b的长宽比为0.89且氧化层1(^a 的厚度不是均一的情形。但是，所述情形并不限于本实施例的上面情况。 例如，本实施例可以应用到其中电流通过区域108b的长宽比为1.0并且氧 化层108a的厚度不是均一的情形，以及其中电流通过区域108b的长宽比小 于l.O并且氧化层108a的厚度为均一的情形。也就是，在截面形状是具有 较长长边的非方形的激光束经由氧化物限制结构输入到光输出部分115的 情形中，当光输出部分115的形状被适当地确定时，可以获得以上效果。
在上面，表面发射激光器元件100的振荡波长是在780nm波段。但是， 表面发射激光器元件100的振荡波长可以对应光导体(光导鼓)的特征而变 化。
此外，表面发射激光器元件100可被用于成像设备之外的设备。在这 种情形中，振荡波长可以为在650nm波段、850nm波段、980nm波段、1.3pm 波段、1.5pm波段等，取决于意在的用途。在这样的情形中，作为用于形成
17有源层105的半导体材料，可以对应振荡波长使用混晶半导体材料。
例如，当振荡波长是在650nm波段时，基于AlGalnP的混晶半导体材 料可以被使用，当振荡波长是在980nm波段时，基于InGaAs的混晶半导体 材料可以被使用，并且，当振荡波长是在1.3)tim或者1.5pm波段时，基于 GalnNAs(Sb)的混晶半导体材料可以被使用。
此外，当每个半导体DBR的材料和结构对应振荡波长被选取时，可以 形成对应任意的振荡波长的表面发射激光器元件。作为半导体DBR的材料， 除了基于AlGaAs的混晶材料之外，基于AlGaI叩的混晶材料可以被使用。 期望地，低和高折射率层对应振荡波长是可透射的，低和高折射率层之间 的折射率差异尽可能大。
此外，表面发射激光器元件100的光输出部分115的形状可以关于穿 过光^r出部分115的中心并平^f亍于Y轴方向的轴对称，并且可以关于穿过 光输出部分115并平行于X轴方向的轴不对称。此时，光输出部分115在 +Y侧的开口宽度可以大于在-Y侧的开口宽度。
如上所述，因为电流通过区域108b的+Y侧的氧化层108a厚度大于在 其它部分的厚度，光限制在+Y侧变大。因为光限制的不对称具有二维分布， 激光束的形状变得稍微变形的椭圆形状。也就是，激光束的形状在+Y侧面 稍微较小，并在Y轴方向具有非对称的变形(见图12A)。图12A是示出激 光束和电流通过区域108b的形状的图形。
激光束形状的变形产生关于X轴方向不对称的光束强度分布；因此， 当从表面发射激光器元件发出的激光束通过光圈挡片的开口部分时，通过 开口部分的激光束的光量分布变为关于X轴方向不对称。但是，当在光输 出部分中，在+Y侧面的开口宽度调节为大于在-Y侧面时，激光束的形状的 变形可以被校正。
详细的变形校正在原理上可以通过精细调节光输出部分的形状而执 行。但是，实际上，即使执行粗略的校正，也可以获得足够的效果。因此， 如图12B所示，光输出部分115的形状优选地为梯形的，其可以容易设计 和制造。图12B是示出激光束和光输出部分115的形状的图形。在该情形 中，在光输出部分115处，激光束的形状在+Y侧稍大，水平地长，并具有 在Y轴方向的不对称变形，在氧化物限制结构中反映激光束形状的变形。 为了解决上面的问题，当光输出部分115的形状确定为梯形时，其开口宽度在+Y侧大时，激光束形状可以为具有低变形的大致圓形。
在本实施例中，描述其中氧化层108a在电流通过区域108b的+Y侧上 的厚度大于其它部分的情形。也就是，在这种情形中，dy2>dyl， dx2 dxl>dyl。但是，本发明人的另一实验中，存在其中dy2>dyl,dy2>dx2 dxl 的情形，这取决于待选择性氧化的层108的厚度和氧化条件的组合。在这 样的情形中，已经理解，如图9所示的电流通过区域108b的长宽比和偏振 抑制比之间的关系具有相反的关系。但是，即使在这样的情形中，当电流 通过区域108b的长宽比确定为增大偏振抑制比并且光输出部分115的开口 宽度确定为对于待输入到光输出部分115的激光束的较长的长度方向为较 长时，激光束的形状也可以为大致圆形的。
图13是示出根据本发明的实施例的表面发射激光器阵列500的图形。
在如图2所示的光学扫描装置1010中的光源14可以包括如图13所示 的表面发射激光器阵列500，而非包括表面发射激光器元件100。
在表面发射激光器阵列500中，多个光发射部分布置在衬底上。在图 13中，设置32个光发射部分。在图13中，M方向是主扫描对应方向，S 方向是副扫描对应方向。光发射部分的数量并不限制于32，并且可以小于 32或者大于32。
图14是示出如图13所示的光发射部分的二维阵列的图形。如图14所 示，表面发射激光器阵列500包括四个光发射部分阵列，其中八个光发射 部分以在光发射部分之间在从M方向向S方向具有倾斜角度的T方向上以 相同间隔布置。 一个阵列中的八个光发射部分布置成使得在八个光发射部 分的中心之间在S方向的间隔为"c，，，四个光发射部分阵列布置成使得在四 个光发射部分阵列之间在S方向的间隔为"e"(两个光发射部分阵列的中心 之间的距离)。也就是，32个光发射部分是二维排列的。
在图14中，间隔"c"为3pm,间隔"e"为24nm,在M方向在光发射部 分之间的间隔"m"为30|am。
图15是沿着图14的线A-A的剖视图。如图15所示，光发射部分与表 面发射激光器元件IOO是相同的。也就是，表面发射激光器阵列500可以 通过类似于表面发射激光器元件100的制造方法的方法制造。
表面发射激光器阵列500由表面发射激光器元件100形成。因此，表 面发射激光器阵列500可以具有与表面发射激光器元件100的效果相同的效果。
在表面发射激光器阵列500中，当每个光发射部分垂直地投影于在副 扫描方向延伸的虚拟线上时，在光发射部分之间的间隔"c"为恒定的；因此， 当光发射部分的光发射时序被调节时，可以说，光发射部分沿着副扫描方 向在光导鼓1030上具有相同间隔排列。
此外，因为间隔"c"为3pm，当光学扫描装置1010的光学系统的放大 率确定为大约1.8倍时，可以执行4800dpi(点每英寸)的高密度写入。当光发 射部分的数量在主扫描对应方向增大时，执行阵列布置，其中间隔"c"通过 缩窄间隔"e"而进一步减小，或者光学系统的放大率降低；可以执行进一步 的高密度写入，并且可以执行更高质量的打印。此外，在主扫描方向的写
在这种情形中，在激光打印机1000中，即使写入点密度增大，打印也 可得以执行而不会降低打印速度。再者，当写入点密度不变时，打印速度 可以进一步提高。
此外，在这种情形中，来自光发射部分的激光束(光通量)的偏振方向是 稳定且相等的；因此，激光打印机IOOO可以稳定地形成高质量的图像。
在表面发射激光器阵列500中，两个相邻光发射部分(表面发射激光器 元件IOO)之间的距离(凹槽)优选地为5pm或者更大，以使得光发射部分彼 此电分离和空间分离。当该距离太小时，当制造表面发射激光器阵列500 时蚀刻不容易控制。此外，台面的尺寸(一条边的长度)优选地为10pm或者 更大。当该长度太短时，热量滞留在表面发射阵列500内部并且性能会降 低。
此外，在表面发射激光器阵列中，可以一维地排列具有类似于表面发 射激光器元件100结构的结构的表面发射激光器元件。
此外，在本实施例中，衬底101的镜面抛光表面(主表面)的法线方向相 对于[l 0 O]晶体取向方向朝[l 1 l]A晶体取向方向倾斜15度。但是，衬底 101的镜面抛光表面(主表面)的法线方向可以相对于[l 0 O]晶体取向方向在 [1 1 1]A晶体取向方向上倾斜15度之外的角度。
此外，在本实施例中，作为成像设备，使用激光打印机1000;但是， 成像设备并不限于激光打印机1000,可以是包括光学扫描装置1010的成像 设备。
20例如，在本实施例中，作为成像设备，可使用其中表示相应颜色的激 光束直接照射到记录介质上的成像设备。
此外，在本实施例中，作为成像设备，其中银盐薄膜用作图像载体的 成像设备可被使用。在这种情形中，潜象通过光学扫描形成在银盐薄膜上， 并且潜象可以通过传统的4艮盐照相工艺的显影处理而可一见化。再者，可视 的图像可以通过传统的银盐照相工艺的印刷处理转印到照相相纸上。成像
设备可用作光学再现设备或者光学成像设备，其显示CT(计算机断层扫描)
所扫描的图像等。
此外，如图16所示，作为成像设备，具有多个光导鼓的彩色打印机2000 可以被使用。图16是彩色打印机2000的剖视图。
彩色打印机2000是串列式多色打印机，其通过重叠四种颜色的图像(黑 色、青色、品红色和黄色图像)而形成全色图像。彩色打印机2000包括用于 黑色图像的光导鼓K1、充电装置K2、显影装置K4、清洁单元K5和转印 装置K6;用于青色图像的光导鼓C1、充电装置C2、显影装置C4、清洁单 元C5和转印装置C6;用于品红色图像的光导鼓M1、充电装置M2、显影 装置M4、清洁单元M5和转印装置M6;用于黄色图像的光导鼓Yl 、充电 装置Y2、显影装置Y4、清洁单元Y5和转印装置Y6;光学扫描装置2010、 转印带2080;定影单元2030等。
在下面，因为在四种颜色的图像中部件的操作是相同的，所以描述黑 色图像的操作作为代表。
光导鼓Kl在如图16所示的箭头方向旋转。充电装置K2、显影装置 K4、转印装置K6和清洁单元K5沿着光导鼓K1方向依次布置以围绕光导 鼓K1。
充电装置K2对光导鼓K1的表面均勾充电。光学扫描装置2010将激 光束照射到由充电装置K2充电的光导鼓K1的表面上。借助此，静电潜象 形成在光导鼓K1的表面上。显影装置K4显影静电潜象并在光导鼓K1的 表面上形成调色剂图像。转印装置K6将调色剂图像转印到转印带2080上 的记录介质(纸张)上，并且转印的图像通过定影单元2030固定。当上面的 操作被执行用于所有颜色的图像时，全色图像印刷在记录介质上。
光学扫描装置2010在每种颜色中包括类似于光源14的光源。因此， 光学扫描装置2010可以获得与光学扫描装置1010的效果相同的效果。此
21外，因为彩色打印机2000包括光学扫描装置2010,彩色打印机2000可以 获得与激光打印机1000的效果相同的效果。
在彩色打印机2000中，彩色套准误差会由于每个部件的制造误差和部 件的定位误差而产生。但是，在光学扫描装置2010的每一光源包括类似于 表面发射激光器阵列500的表面发射激光器阵列的情形中，当待发光的光 发射部分被选取时，彩色套准误差可以降低。
如上所述，根据本发明的实施例，在表面发射激光器元件100和表面 发射激光器阵列500中，输出激光束在偏振方向的稳定性可以是高的，并 且输出激光束的截面形状可以为大致圓形的而不会导致高成本。此外，在 光学扫描装置1010(2010)中，精确的光学扫描可以得以执行而不会导致高成 本。此外，成像设备1000(2000)可以形成高质量的图^象而不会导致高成本。
再者，本发明并不限于特定公开的实施例，可以进行各种变化和修改，
其并不超出本发明的范围。
本发明基于于2008年6月11日向日本专利局提交的日本优先权专利 申请No.2008-153382和于2009年4月7日向日本专利局提交的日本优先权 专利申请No.2009-092551,其整个内容在此通过？ 1用作为参考。
权利要求
1.一种表面发射激光器元件，包括衬底，该衬底的主表面的法线方向相对于[100]晶体取向的一个方向朝[111]晶体取向的一个方向倾斜；谐振器结构体，该谐振器结构体包括有源层；第一和第二半导体分布布拉格反射器，所述第一和第二半导体分布布拉格反射器夹住所述谐振器结构体并包括限制结构，在该限制结构中电流通过区域由氧化层围绕；堆叠在所述衬底上的多个半导体层；和金属层，该金属层具有开口部分，所述开口部分成为在所述多个半导体层上的光输出部分，其中截面形状具有较长的长度方向的激光束经由所述氧化物限制结构输入到所述金属层；并且所述光输出部分在垂直于所述激光束的所述较长的长度方向的第一方向上的开口宽度小于所述光输出部分在平行于所述激光束的所述较长的长度方向的第二方向上的另一开口宽度。
2. 如权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中 所述电流通过区域在所述第一方向上的长度大于所述电流通过区域在所述第二方向上的长度。
3. 如权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中围绕所述电流通 过区域的所述氧化层的厚度在平行于所述第二方向的其中一个方向上大于 在平行于所述第一方向的方向上的。
4. 如权利要求3所述的表面发射激光器元件，其中所述金属层的所述光输出部分的形状关于穿过所述光输出部分的中心 平行于所述第二方向的轴对称，并且关于通过所述光输出部分的中心平行 于所述第一方向的轴不对称；以及与围绕所述电流通过区域的所述氧化层的厚度比其它部分大的部分相 对应的所述光输出部分的开口宽度大于所述光输出部分的其他开口宽度。
5. 如权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中 所述第一方向平行于所述衬底的表面，并垂直于所述[l OO]晶体取向的一个方向和所述[l 1 l]晶体取向的一个方向；以及所述第二方向是垂直于所述衬底的所述主表面的所述法线方向和第一方向的方向。
6. 如权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中 所述电流通过区域的形状关于穿过所述电流通过区域的中心平行于所述第一方向的第一轴对称，并且关于穿过所述电流通过区域中心平行于所 述第二方向的第二轴对称。
7. 如权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中 所述第一方向平行于输出激光束的偏振方向。
8. 如权利要求1所述的表面发射激光器元件，其中 所述衬底的所述主表面的所述法线方向相对于所述[l 0 O]晶体取向方向朝向[l 1 l]A晶体取向方向倾斜；以及平行于所述第一方向的方向是[O -1 l]晶体取向方向和[O 1 -l]晶体取向方向。
9. 一种表面发射激光器阵列，包括 多个如权利要求1所述的表面发射激光器元件。
10. —种光学扫描装置，该光学扫描装置通过激光束扫描待扫描的表 面，包4舌光源，该光源包括如权利要求l所述的表面发射激光器元件； 偏转单元，该偏转单元偏转来自所述光源的激光束；和 扫描光学系统，该扫描光学系统将由所述偏转单元偏转的激光束聚集 到所述待扫描的表面上。
11. 一种光学扫描装置，该光学扫描装置通过激光束扫描待扫描的表面，包括光源，该光源包括如权利要求9所述的表面发射激光器阵列； 偏转单元，该偏转单元偏转来自所述光源的激光束；和 扫描光学系统，该扫描光学系统将由所述偏转单元偏转的激光束聚集 到所述待扫描的表面上。
12. —种成像设备，包括 至少一个图像载体；和如权利要求IO所述的光学扫描装置，该光学扫描装置将包括图像信息的激光束扫描到所述图像载体上。
13. —种成像设备，包括 至少一个图像载体；和如权利要求11所述的光学扫描装置，该光学扫描装置将包括图像信息 的激光束扫描到所述图像载体上。
14. 如权利要求12所述的成像设备，其中 所述图像信息是多颜色图像信息。
15. 如权利要求13所述的成像设备，其中 所述图像信息是多颜色图像信息。
全文摘要
本发明公开了一种表面发射激光器元件、表面发射激光器阵列、光学扫描装置和成像设备。在表面发射激光器元件中，在倾斜的衬底上，包括有源层的谐振器结构体和夹住谐振器结构体的下半导体DBR和上半导体DBR堆叠。在上半导体DBR的氧化物限制结构中的电流通过区域的形状关于穿过电流通过区域的中心并平行于X轴的轴对称，并且关于穿过电流通过区域中心并平行于Y轴的轴对称，并且围绕电流通过区域的氧化层的厚度在+Y轴方向比在+X和-X方向大。光输出部分在X轴方向的开口宽度小于光输出部分在Y轴方向的另一开口宽度。
文档编号H01S5/02GK101604819SQ20091014594
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者佐藤俊一, 原坂和宏, 石井稔浩, 菅原悟 申请人:株式会社理光