JP2013051398A - 面発光レーザ素子、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高次横モードの発振を抑制し、かつレーザ光を基準面に対して略直交する方向に射出することができる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】 各発光部は、基板、バッファ層、下部半導体ＤＢＲ、共振器構造体、上部半導体ＤＢＲ、上部電極１１３、下部電極、配線部材、及び誘電体層１１６などを有している。基板は、ｘ軸方向を傾斜軸方向とする傾斜基板である。そして、誘電体層１１６は、ｚ軸方向からみたとき、内径の中心が射出領域の中心に対して＋ｙ方向に０．２μｍシフトしている。
【選択図】図１８

Description

本発明は、面発光レーザ素子、光走査装置及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、基板に垂直な方向にレーザ発振を行う面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子を有する光走査装置、及び該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に対して垂直な方向にレーザ発振を行う半導体レーザ素子であり、基板に対して平行な方向にレーザ発振を行う端面発光型の半導体レーザ素子に比べて、（１）低価格、（２）低消費電力、（３）小型で高性能、（４）２次元集積化が容易、という特徴を有している。

面発光レーザ素子は、電流流入効率を高めるために狭窄構造体を有している。この狭窄構造体としては、Ａｌ（アルミニウム）Ａｓ（ヒ素）層の選択酸化による狭窄構造体（以下では、便宜上「酸化狭窄構造体」ともいう）がよく用いられている。

この酸化狭窄構造体は、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が側面に露出している所定の大きさのメサを形成した後、高温の水蒸気雰囲気中に置いて、Ａｌをメサ側面から選択的に酸化させ、メサの中心付近に、被選択酸化層における酸化されていない領域を残留させたものである。この酸化されていない領域が、面発光レーザ素子の駆動電流の通過領域（電流注入領域）となる。このように、容易に電流狭窄が可能となる。

酸化狭窄構造体におけるＡｌの酸化（Ａｌ_ｘＯ_ｙ）した層の屈折率は、１．６程度であり、半導体層に比べて低い。これにより、共振器構造体内に横方向の屈折率差が生じ、光がメサ中央に閉じ込められるので、発光効率を向上させることができる。その結果、低閾値電流、高効率等の優れた特性を実現することが可能となる。

面発光レーザ素子の応用分野としては、プリンタにおける光書き込み系の光源（発振波長：７８０ｎｍ帯）、光ディスク装置における書き込み用光源（発振波長：７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯）、光ファイバを用いるＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの光伝送システムの光源（発振波長：１．３μｍ帯、１．５μｍ帯）が挙げられる。さらには、ボード間、ボード内、集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）のチップ間、及び集積回路のチップ内の光伝送用の光源としても期待されている。

これらの応用分野においては、面発光レーザ素子から射出される光（以下では、「射出光」ともいう）は、偏光方向が一定、断面形状が円形でかつ、射出光が基準面に対して直交する方向に射出されることが必要とされる。

偏光方向の調整に関して現在最も有力視されているのは、傾斜基板を利用する方法である。傾斜基板を利用することで、基板の主面に対して結晶構造が非対称となり、光学利得に異方性を導入することができる。この結果、光学利得が高くなる特定の方向に偏光方向を揃えることが可能になる。

例えば、特許文献１には、比較的簡単な構成でレーザ光の偏光を一定方向に制御することができ、低しきい値電流、高出力を得ることができる面発光型半導体レーザを提供することを目的とし、半導体基板の主面は結晶学的に（１ ０ ０）面と等価な結晶面方位を有する面に対し、［１ ０ ０］方向を基準として、［１ １ ０］方向に−５°から＋５°の範囲の角度で傾斜しており、活性層がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体で構成され、半導体基板の主面と平行な面で切断したときの外周形状が少なくとも特異点のないマクロ的に滑らかな形状の被酸化層を周縁部から酸化して、選択酸化層を形成した面発光型半導体レーザが開示されている。

また、特許文献２には、高次横モードの発振を制御しつつ、偏光方向が安定している面発光レーザ素子を提供することを目的とし、レーザ光が射出される射出面上に、射出領域を取り囲んで設けられたｐ側電極と、射出領域内で、該射出領域の中心部から外れた部分に形成され、反射率を射出領域の中心部の反射率よりも低くする透明な誘電体膜と、を備え、射出領域内における反射率の低い領域は、互いに直交する２つの方向で異方性を有する面発光レーザ素子が開示されている。

また、特許文献３には、上部電極の内側の開口部の一部表面を被覆して、発振レーザ光の発振波長に対して透明な層が形成されており、透明な層の厚みが、発振レーザ光の発振波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（ただし、ｎは透明な層の屈折率、ｉは整数を表す）に相当する厚みになっている面発光半導体レーザ素子が開示されている。

また、特許文献４には、メサ構造体を形成するのに先立って、積層体の上面に、透明な誘電体層を積層する工程と、誘電体層の上面に、メサ構造体の外形を規定するパターン、及び出射領域における反射率が高い部分及び低い部分の一方に対応する領域を保護するパターンを含む第１のレジストパターンを形成する工程と、第１のレジストパターンをエッチングマスクとして誘電体層をエッチングする工程と、出射領域の全体に対応する領域を保護する第２のレジストパターンを形成する工程と、を含む面発光レーザ素子の製造方法が開示されている。

面発光レーザ素子の種々の用途を考えると、レーザ光が基準面（例えば、パッケージの上面）に対して直交する方向に射出されることは重要である。なお、本明細書では、レーザ光の射出方向とは、基準面に直交する方向に対する、放射光強度が最大となる方向の角度をいう（図２４〜図２５（Ｂ）参照）。

図２６（Ａ）及び図２６（Ｂ）には、ｙ軸方向からみた場合及びｘ軸方向からみた場合について、ｘ軸方向を傾斜軸方向とする傾斜基板を用いた面発光レーザ素子から射出されるレーザ光の射出方向の発生頻度が示されている。ｙ軸方向からみた場合に関しては、基準面に直交する方向に射出される素子が多いが、ｘ軸方向からみた場合に関しては、全体的に基準面に直交する方向に対して傾いて射出される素子が多い。

このように、傾斜基板を用いた面発光レーザ素子から射出されるレーザ光の射出方向は、基準面に直交する方向に対して傾いて射出される場合があった。レーザ光が基準面に直交する方向に対して傾いて射出されると、所望のレーザ特性を安定して得るのが困難となる。

本発明は、第１の観点からすると、傾斜基板上に下部反射鏡、活性層を含む共振器構造体、上部反射鏡が積層され、電極によって取り囲まれた射出領域からレーザ光を射出する面発光レーザ素子において、前記上部反射鏡は、アルミニウムを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化物が電流通過領域を取り囲む狭窄構造体を有し、前記射出領域内に設けられ、該射出領域の中心を含む一部領域の少なくとも一部を囲む誘電体膜を有し、前記射出領域に直交する方向からみたとき、前記誘電体膜で囲まれる領域の中心は、前記傾斜基板の傾斜軸に直交する向きに、該向きに関する前記狭窄構造体の大きさに応じて、前記射出領域の中心からずれていることを特徴とする面発光レーザ素子。

本発明は、第２の観点からすると、光によって被走査面を走査する光走査装置であって、本発明の面発光レーザ素子を有する光源と、前記光源からの光を偏向する光偏向器と、前記光偏向器で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と、を備える光走査装置である。

本発明は、第３の観点からすると、少なくとも１つの像担持体と、前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する本発明の光走査装置と、を備える画像形成装置である。

本発明の面発光レーザ素子によれば、高次横モードの発振を抑制し、かつレーザ光を基準面に対して略直交する方向に射出することができる。

本発明の光走査装置によれば、被走査面の光走査を精度良く行うことができる。

本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像を形成することができる。

本発明の一実施形態に係るカラープリンタの概略構成を説明するための図である。 図１における光走査装置を説明するための図（その１）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その２）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その３）である。 図１における光走査装置を説明するための図（その４）である。 面発光レーザアレイを説明するための図である。 面発光レーザアレイにおける複数の発光部の配列状態を説明するための図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ各発光部の構成を説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイの基板を説明するための図である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その１）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その２）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その３）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その４）である。 マスクＭを説明するための図である。 従来の面発光レーザアレイでのマスクＭを説明するための図である。 図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その５）である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その６）である。 図１７におけるメサの平面図である。 面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図（その７）である。 比較例を説明するための図である。 誘電体層の変形例を説明するための図である。 変形例の誘電体層におけるΔｙと射出方向との関係を説明するための図である。 誘電体層の内径の中心が射出領域の中心と一致している場合の、ｙ軸方向に関する電流通過領域の寸法とｙｚ面内での射出方向との関係を説明するための図である。 面発光レーザ素子から射出されるレーザ光の射出方向を説明するための図（その１）である。 図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザ素子から射出されるレーザ光の射出方向を説明するための図（その２）である。 図２６（Ａ）及び図２６（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザ素子から射出されるレーザ光の射出方向の発生頻度を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図２０に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るカラープリンタ２０００の概略構成が示されている。

このカラープリンタ２０００は、４色（ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー）を重ね合わせてフルカラーの画像を形成するタンデム方式の多色カラープリンタであり、光走査装置２０１０、４つの感光体ドラム（２０３０ａ、２０３０ｂ、２０３０ｃ、２０３０ｄ）、４つのクリーニングユニット（２０３１ａ、２０３１ｂ、２０３１ｃ、２０３１ｄ）、４つの帯電装置（２０３２ａ、２０３２ｂ、２０３２ｃ、２０３２ｄ）、４つの現像ローラ（２０３３ａ、２０３３ｂ、２０３３ｃ、２０３３ｄ）、４つのトナーカートリッジ（２０３４ａ、２０３４ｂ、２０３４ｃ、２０３４ｄ）、転写ベルト２０４０、転写ローラ２０４２、定着装置２０５０、給紙コロ２０５４、レジストローラ対２０５６、排紙ローラ２０５８、給紙トレイ２０６０、排紙トレイ２０７０、通信制御装置２０８０、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置２０９０などを備えている。

なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系において、各感光体ドラムの長手方向に沿った方向をＸ軸方向、４つの感光体ドラムの配列方向に沿った方向をＺ軸方向として説明する。

通信制御装置２０８０は、ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御する。

プリンタ制御装置２０９０は、ＣＰＵ、該ＣＰＵにて解読可能なコードで記述されたプログラム及び該プログラムを実行する際に用いられる各種データが格納されているＲＯＭ、作業用のメモリであるＲＡＭ、アナログデータをデジタルデータに変換するＡＤ変換回路などを有している。そして、プリンタ制御装置２０９０は、通信制御装置２０８０を介して受信した上位装置からの多色の画像情報（ブラック画像情報、シアン画像情報、マゼンタ画像情報、イエロー画像情報）を光走査装置２０１０に通知する。

感光体ドラム２０３０ａ、帯電装置２０３２ａ、現像ローラ２０３３ａ、トナーカートリッジ２０３４ａ、及びクリーニングユニット２０３１ａは、組として使用され、ブラックの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｋステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｂ、帯電装置２０３２ｂ、現像ローラ２０３３ｂ、トナーカートリッジ２０３４ｂ、及びクリーニングユニット２０３１ｂは、組として使用され、シアンの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｃステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｃ、帯電装置２０３２ｃ、現像ローラ２０３３ｃ、トナーカートリッジ２０３４ｃ、及びクリーニングユニット２０３１ｃは、組として使用され、マゼンタの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｍステーション」ともいう）を構成する。

感光体ドラム２０３０ｄ、帯電装置２０３２ｄ、現像ローラ２０３３ｄ、トナーカートリッジ２０３４ｄ、及びクリーニングユニット２０３１ｄは、組として使用され、イエローの画像を形成する画像形成ステーション（以下では、便宜上「Ｙステーション」ともいう）を構成する。

各感光体ドラムはいずれも、その表面に感光層が形成されている。すなわち、各感光体ドラムの表面がそれぞれ被走査面である。なお、各感光体ドラムは、不図示の回転機構により、図１における面内で矢印方向に回転する。

各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面をそれぞれ均一に帯電させる。

光走査装置２０１０は、プリンタ制御装置２０９０からの多色の画像情報に基づいて色毎に変調された光束で、対応する帯電された感光体ドラムの表面を走査する。これにより、各感光体ドラムの表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像が各感光体ドラムの表面にそれぞれ形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラムの回転に伴って対応する現像装置の方向に移動する。なお、光走査装置の構成については後述する。

各現像ローラは、回転に伴って、対応するトナーカートリッジからのトナーが、その表面に薄く均一に塗布される。そして、各現像ローラの表面のトナーは、対応する感光体ドラムの表面に接すると、該表面における光が照射された部分にだけ移行し、そこに付着する。すなわち、各現像ローラは、対応する感光体ドラムの表面に形成された潜像にトナーを付着させて顕像化させる。ここでトナーが付着した像（トナー画像）は、感光体ドラムの回転に伴って転写ベルト２０４０の方向に移動する。

イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各トナー画像は、所定のタイミングで転写ベルト２０４０上に順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。

給紙トレイ２０６０には記録紙が格納されている。この給紙トレイ２０６０の近傍には給紙コロ２０５４が配置されており、該給紙コロ２０５４は、記録紙を給紙トレイ２０６０から１枚ずつ取り出し、レジストローラ対２０５６に搬送する。該レジストローラ対２０５６は、所定のタイミングで記録紙を転写ベルト２０４０と転写ローラ２０４２との間隙に向けて送り出す。これにより、転写ベルト２０４０上のカラー画像が記録紙に転写される。カラー画像が転写された記録紙は、定着装置２０５０に送られる。

定着装置２０５０では、熱と圧力とが記録紙に加えられ、これによってトナーが記録紙上に定着される。トナーが定着された記録紙は、排紙ローラ２０５８を介して排紙トレイ２０７０に送られ、排紙トレイ２０７０上に順次積み重ねられる。

各クリーニングユニットは、対応する感光体ドラムの表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。残留トナーが除去された感光体ドラムの表面は、再度対応する帯電装置に対向する位置に戻る。

次に、前記光走査装置２０１０の構成について説明する。

光走査装置２０１０は、一例として図２〜図５に示されるように、４つの光源（２２００ａ、２２００ｂ、２２００ｃ、２２００ｄ）、４つのカップリングレンズ（２２０１ａ、２２０１ｂ、２２０１ｃ、２２０１ｄ）、４つの開口板（２２０２ａ、２２０２ｂ、２２０２ｃ、２２０２ｄ）、４つのシリンドリカルレンズ（２２０４ａ、２２０４ｂ、２２０４ｃ、２２０４ｄ）、光偏向器２１０４、４つの走査レンズ（２１０５ａ、２１０５ｂ、２１０５ｃ、２１０５ｄ）、６枚の折り返しミラー（２１０６ａ、２１０６ｂ、２１０６ｃ、２１０６ｄ、２１０８ｂ、２１０８ｃ）、及び不図示の走査制御装置などを備えている。

なお、以下では、便宜上、主走査方向に対応する方向を「主走査対応方向」と略述し、副走査方向に対応する方向を「副走査対応方向」と略述する。

光源２２００ａとカップリングレンズ２２０１ａと開口板２２０２ａとシリンドリカルレンズ２２０４ａと走査レンズ２１０５ａと折り返しミラー２１０６ａは、感光体ドラム２０３０ａに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｂとカップリングレンズ２２０１ｂと開口板２２０２ｂとシリンドリカルレンズ２２０４ｂと走査レンズ２１０５ｂと折り返しミラー２１０６ｂと折り返しミラー２１０８ｂは、感光体ドラム２０３０ｂに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｃとカップリングレンズ２２０１ｃと開口板２２０２ｃとシリンドリカルレンズ２２０４ｃと走査レンズ２１０５ｃと折り返しミラー２１０６ｃと折り返しミラー２１０８ｃは、感光体ドラム２０３０ｃに潜像を形成するための光学部材である。

光源２２００ｄとカップリングレンズ２２０１ｄと開口板２２０２ｄとシリンドリカルレンズ２２０４ｄと走査レンズ２１０５ｄと折り返しミラー２１０６ｄは、感光体ドラム２０３０ｄに潜像を形成するための光学部材である。

各カップリングレンズは、対応する光源から射出された光束の光路上に配置され、該光束を略平行光束とする。

各開口板は、開口部を有し、対応するカップリングレンズを介した光束を整形する。

各シリンドリカルレンズは、対応する開口板の開口部を通過した光束を、光偏向器２１０４の偏向反射面近傍にＹ軸方向に関して結像する。

光偏向器２１０４は、２段構造のポリゴンミラーを有している。各ポリゴンミラーは、４面の偏向反射面を有している。そして、１段目（下段）のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ２２０４ａからの光束及びシリンドリカルレンズ２２０４ｄからの光束がそれぞれ偏向され、２段目（上段）のポリゴンミラーではシリンドリカルレンズ２２０４ｂからの光束及びシリンドリカルレンズ２２０４ｃからの光束がそれぞれ偏向されるように配置されている。なお、１段目のポリゴンミラー及び２段目のポリゴンミラーは、互いに位相が略４５°ずれて回転し、書き込み走査は１段目と２段目とで交互に行われる。

光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ａからの光束は、走査レンズ２１０５ａ、及び折り返しミラー２１０６ａを介して、感光体ドラム２０３０ａに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ａの長手方向に移動する。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｂからの光束は、走査レンズ２１０５ｂ、及び２枚の折り返しミラー（２１０６ｂ、２１０８ｂ）を介して、感光体ドラム２０３０ｂに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｂの長手方向に移動する。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｃからの光束は、走査レンズ２１０５ｃ、及び２枚の折り返しミラー（２１０６ｃ、２１０８ｃ）を介して、感光体ドラム２０３０ｃに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｃの長手方向に移動する。

また、光偏向器２１０４で偏向されたシリンドリカルレンズ２２０４ｄからの光束は、走査レンズ２１０５ｄ、及び折り返しミラー２１０６ｄを介して、感光体ドラム２０３０ｄに照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、光偏向器２１０４の回転に伴って感光体ドラム２０３０ｄの長手方向に移動する。

各感光体ドラムにおける光スポットの移動方向が、「主走査方向」であり、感光体ドラムの回転方向が、「副走査方向」である。

光偏向器２１０４と各感光体ドラムとの間の光路上に配置される光学系は、走査光学系とも呼ばれている。

各光源は、一例として図６に示されるように、３２個の発光部が２次元配列されている面発光レーザアレイ１００を有している。ここでは、レーザ発振方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に直交する面内における互いに直交する２つの方向をｘ軸方向及びｙ軸方向とする。

３２個の発光部は、図７に示されるように、全ての発光部を副走査対応方向に延びる仮想線上に正射影したときに、発光部間隔が等しく（図７では「ｄ１」）なるように配置されている。なお、本明細書では、「発光部間隔」とは２つの発光部の中心間距離をいう。

図８（Ａ）は、１つの発光部をｘｚ面に平行に切断したときの断面図であり、図８（Ｂ）は、１つの発光部をｙｚ面に平行に切断したときの断面図である。

各発光部は、発振波長が７８０ｎｍ帯の面発光レーザであり、基板１０１、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ１０７、上部電極１１３、下部電極１１４、配線部材１１５、及び誘電体層１１６などを有している。

基板１０１は、表面が鏡面研磨面であり、図９（Ａ）に示されるように、鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。すなわち、基板１０１は、いわゆる傾斜基板である。ここでは、図９（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０ −１ １］方向が＋ｘ方向、結晶方位［０ １ −１］方向が−ｘ方向となるように配置されている。そこで、傾斜基板の傾斜軸は、ｘ軸方向に平行である。なお、−ｙ方向を「傾斜方向」ともいう。

また、ここでは、基板１０１に傾斜基板を用いることによって、偏光方向をｘ軸方向に安定させようとする偏光調整作用が働くものとする。

図８に戻り、バッファ層１０２は、基板１０１の＋ｚ側の面上に積層され、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体ＤＢＲ１０３は、バッファ層１０２の＋ｚ側の面上に積層され、ｎ−Ａｌ_０．９３Ｇａ_０．０７Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４２．５ペア有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部スペーサ層１０４は、下部半導体ＤＢＲ１０３の＋ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓからなる層である。

活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋ｚ側に積層され、ＧａＩｎＡｓＰ／Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓからなる３重量子井戸構造の活性層である。

上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋ｚ側に積層され、ノンドープのＡｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓからなる層である。

下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部半導体ＤＢＲ１０７は、上部スペーサ層１０６の＋ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ_０．９３Ｇａ_０．０７Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３３Ｇａ_０．６７Ａｓからなる高屈折率層のペアを３２ペア有している。各屈折率層の間には組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ１０７における低屈折率層の１つには、ｐ−Ａｌ_０．９９Ｇａ_０．０１Ａｓからなる被選択酸化層が厚さ３０ｎｍで挿入されている。この被選択酸化層の挿入位置は、上部スペーサ層１０６から２ペア目の低屈折率層中である。

コンタクト層１０９は、上部半導体ＤＢＲ１０７の＋ｚ側に積層され、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。

なお、このように基板１０１上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。

次に、面発光レーザアレイ１００の製造方法について説明する。

（１）上記積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）あるいは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって作成する（図１０参照）。

ここでは、ＩＩＩ族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料には、フォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いている。

（２）積層体の表面に所望のメサ形状に対応する１辺が２５μｍの正方形状のレジストパターンを形成する。

（３）誘導結合型（ＩＣＰ）ドライエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底面は下部スペーサ層１０４中に位置するようにした。

（４）フォトマスクを除去する（図１１参照）。

（５）積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、メサの外周部から被選択酸化層１０８中のＡｌが選択的に酸化される。そして、メサの中央部に、Ａｌの酸化層１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂを残留させる（図１２参照）。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が作成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。ここでは、電流通過領域１０８ｂは、一辺の長さが約５．４μｍの略正方形状であった。

（６）積層体の表面に、分離用（チップ切り出し用）の溝を形成するためのレジストマスクを設ける。

（７）上述したレジストマスクをエッチングマスクとして、ドライエッチング法により分離用（チップ切り出し用）の溝を形成する。

（８）プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮからなる保護層１１１を形成する（図１３参照）。ここでは、保護層１１１の光学的厚さがλ／４となるようにした。具体的には、ＳｉＮの屈折率ｎが１．８６、発振波長λが７８０ｎｍであるため、実際の膜厚（＝λ／４ｎ）は約１０５ｎｍに設定した。

（９）レーザ光の射出面となるメサ上部に、いわゆる窓開けを行うためのエッチングマスク（マスクＭという）を作成する。ここでは、メサ上面の周囲、及びメサ上面の環状領域がエッチングされないようにマスクＭを作成する。一例として、該環状領域の内径を４μｍ、外径を８μｍとした。そして、該環状領域の内径の中心は、電流通過領域１０８ｂの中心から＋ｙ側にΔｙ（ここでは、Δｙ＝０．２μｍ）シフトしている（図１４参照）。なお、電流通過領域１０８ｂの中心とは、該電流通過領域１０８ｂにおける２つの対角線の交点をさす。ところで、従来の面発光レーザアレイでは、Δｙ＝０となるように設定していた（図１５参照）。

（１０）ＢＨＦにて保護層１１１をエッチングする。

（１１）マスクＭを除去する（図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）参照）。上部電極１１３の開口部となる領域内に残っている保護層１１１が、前記誘電体層１１６である。この誘電体層１１６は、メサ上面におけるレーザ光が射出される領域内の周辺部の反射率を中心部の反射率よりも低くする機能を有している。

（１２）メサ上面に、中心がメサ上面の中心と略一致する一辺１０μｍの正方形状のレジストパターンを形成し、ｐ側の電極材料の蒸着を行なう。ｐ側の電極材料としてはＣｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕからなる多層膜、もしくはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層膜が用いられる。

（１３）正方形状のレジストパターン上に蒸着された電極材料をリフトオフし、上部電極１１３を形成する（図１７及び図１８参照）。この上部電極１１３で囲まれた領域が射出領域である。該射出領域の中心とメサ上面の中心とは一致している。ここでは、誘電体層１１６の内径の中心が射出領域の中心から−ｙ側にΔｙ（ここでは、Δｙ＝−０．２μｍ）シフトしている。

（１４）基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば１００μｍ程度）まで研磨した後、下部電極１１４を形成する（図１９参照）。ここでは、下部電極１１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

（１５）アニールによって、上部電極１１３と下部電極１１４のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。

（１６）チップ毎に切断し、それぞれセラミックパッケージに実装する。

このように製造された面発光レーザアレイ１００について、光出力が０．３ｍＷとなるときの各発光部におけるレーザ光の射出方向を計測したところ、各レーザ光はパッケージの基準面に対してほぼ直交する方向に射出された。

比較例として、図２０に示されるように、同様の層構成で、誘電体層１１６の内径の中心が射出領域の中心から−ｙ側にΔｙ（ここでは、Δｙ＝−０．２μｍ）シフトしている面発光レーザアレイ（面発光レーザアレイＡという）を作成した。この面発光レーザアレイＡについて、光出力が０．３ｍＷとなるときの各発光部におけるレーザ光の射出方向を計測したところ、各レーザ光は、基板の傾斜軸に直交する面内では、パッケージの基準面に直交する方向に対して、基板の傾斜とは反対の向きに傾いて射出された。なお、Δｙ＝０μｍの面発光レーザアレイにおいても、各レーザ光は、基板の傾斜軸に直交する面内では、パッケージの基準面に直交する方向に対して、基板の傾斜とは反対の向きに傾いて射出された。

以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ１００によると、各発光部は、基板１０１、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、共振器構造体、上部半導体ＤＢＲ１０７、上部電極１１３、下部電極１１４、配線部材１１５、及び誘電体層１１６などを有している。

基板１０１は、ｘ軸方向を傾斜軸方向とする傾斜基板である。また、電流通過領域１０８ｂのｙ軸方向に関する寸法は、約５．４μｍである。そして、誘電体層１１６は、ｚ軸方向からみたとき、内径の中心が射出領域の中心に対して＋ｙ方向に０．２μｍシフトしている。

この場合は、面発光レーザアレイ１００は、高次横モードの発振を抑制し、かつレーザ光を基準面に対して略直交する方向に射出することができる。

また、光走査装置２０１０によると、各光源が面発光レーザアレイ１００を有しているため、各感光体ドラムの光走査を精度良く行うことができる。

カラープリンタ２０００は、光走査装置２０１０を備えているため、結果として、高品質の画像を形成することができる。

ところで、面発光レーザアレイ１００では、各発光部を副走査対応方向に延びる仮想線上に正射影したときの発光部間隔が等間隔ｄ２であるので、点灯のタイミングを調整することで感光体ドラム上では副走査方向に等間隔で発光部が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。

そして、例えば、上記間隔ｄ２を２．６５μｍ、光走査装置２０１０の光学系の倍率を２倍とすれば、４８００ｄｐｉ（ドット／インチ）の高密度書込みができる。もちろん、主走査対応方向の発光部数を増加したり、副走査対応方向のピッチｄ１（図７参照）を狭くして間隔ｄ２を更に小さくするアレイ配置としたり、光学系の倍率を下げる等を行えばより高密度化でき、より高品質の印刷が可能となる。なお、主走査方向の書き込み間隔は、発光部の点灯のタイミングで容易に制御できる。

また、この場合には、カラープリンタ２０００では書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷することができる。また、同じ書きこみドット密度の場合には印刷速度を更に速くすることができる。

また、面発光レーザアレイ１００を効率良く活用することで、寿命が向上するので、書き込みユニットもしくは光源ユニットの再利用が可能となる。

なお、上記実施形態において、一例として図２１に示されるように、誘電体層１１６が、環状におけるｙ軸方向の両端が削りとられた形状であっても良い。この場合に、Δｙ＝０．２μｍとして作成した面発光レーザアレイについて、光出力が０．３ｍＷとなるときのレーザ光の射出方向を計測したところ、該レーザ光は基準面にほぼ直交する方向に射出された。

そして、図２２には、電流通過領域が一辺の長さが約５．４μｍの略正方形状の面発光レーザアレイについて、Δｙの値と、光出力が０．３ｍＷとなるときのレーザ光の射出方向との関係（計測結果）が示されている。

図２２に示されるように、Δｙの値が０．２〜０．４μｍのとき、従来のΔｙ＝０のときと比べて、基準面に対して直交する方向により近い方向にレーザ光が射出される。

射出領域に直交する方向からみたとき、一例として図１８に示されるように、基板の傾斜軸に直交する軸方向（ここでは、ｙ軸方向）に関して、誘電体膜と電流通過領域の重なる部分が、電流通過領域の中心に対して軸方向の一側（ここでは、−ｙ側）と他側（ここでは、＋ｙ側）とに存在し、該重なる部分の面積は、軸方向の一側と他側とで異なっている。なお、従来は、基板の傾斜軸に直交する軸方向に関して、誘電体膜と電流通過領域の重なる面積は、上記軸方向の一側と他側とで同じであった。

具体的には、電流通過領域の中心から上記軸方向の一側に向かう方向は傾斜方向（図９（Ａ）参照。ここでは、−ｙ方向）と一致し、誘電体膜と電流通過領域の重なる部分の面積は、上記一側の方が上記他側よりも大きい。誘電体膜と電流通過領域とが重なる箇所では、放射強度の分布が広くなるため、ここでは、放射強度分布の全体の強度が傾斜方向側に引っ張られることで全体の強度分布が変化する。その結果、傾斜基板を用いた場合でも、射出方向が基準面に対して垂直な方向に向くようにすることができる。

ところで、傾斜方向側での誘電体膜と電流通過領域の重なりが大きくなると、レーザの発光効率の低下が心配されたが、Δｙ＝０の場合と変わらなかった。

また、図２３には、ｚ軸方向からみたとき、誘電体層１１６の内径の中心が射出領域の中心と一致している場合の、ｙ軸方向に関する電流通過領域の寸法とｙｚ面内での射出方向との関係が示されている。電流通過領域の寸法と射出方向との間には相関が見られ、電流通過領域の寸法が大きくなるにつれ、射出方向も大きくなる。

そこで、射出領域に直交する方向からみたとき、誘電体層で囲まれた領域の中心を、傾斜基板の傾斜軸に直交する向きに、該向きに関する電流通過領域の寸法に応じて、射出領域の中心からずらすことによって、高次横モードの発振を抑制し、かつレーザ光を基準面に対して略直交する方向に射出することができる。

また、上記実施形態では、メサの横断面の外形形状が略正方形の場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、メサの横断面の外形形状を、円形、楕円形あるいは長方形など任意の形状とすることができる。

また、上記実施形態では、基板の主面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって傾斜している場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、主面の法線方向が、結晶方位＜１ ０ ０＞の一の方向に対して、結晶方位＜１ １ １＞の一の方向に向かって傾斜している基板であれば良い。

また、上記実施形態では、各光源が面発光レーザアレイ１００を有する場合について説明したが、これに限らず、各光源が面発光レーザアレイ１００と同様にして作成され、発光部が１つの面発光レーザ素子を有していても良い。

また、上記実施形態では、発光部の発振波長が７８０ｎｍ帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。感光体の特性に応じて、発光部の発振波長を変更しても良い。

また、面発光レーザアレイ１００は、画像形成装置以外の用途に用いることができる。その場合には、発振波長は、その用途に応じて、６５０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の波長帯であっても良い。

また、上記実施形態では、画像形成装置としてカラープリンタの場合について説明したが、これに限定されるものではなく、単色のプリンタであっても良い。

また、上記実施形態では、トナー画像を記録紙に転写する画像形成装置について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、レーザ光によって発色する媒体（例えば、用紙）に直接、レーザ光を照射する画像形成装置であっても良い。

また、像担持体として銀塩フィルムを用いた画像形成装置であっても良い。この場合には、光走査により銀塩フィルム上に潜像が形成され、この潜像は通常の銀塩写真プロセスにおける現像処理と同等の処理で可視化することができる。そして、通常の銀塩写真プロセスにおける焼付け処理と同等の処理で印画紙に転写することができる。このような画像形成装置は光製版装置や、ＣＴスキャン画像等を描画する光描画装置として実施できる。

１００…面発光レーザアレイ、１０１…基板、１０３…下部半導体ＤＢＲ（下部反射鏡）、１０４…下部スペーサ層（共振器構造体の一部）、１０５…活性層、１０６…上部スペーサ層（共振器構造体の一部）、１０７…上部半導体ＤＢＲ（上部反射鏡）、１１３…上部電極、１１５…配線部材、１１６…誘電体層、２０００…カラープリンタ（画像形成装置）、２０１０…光走査装置、２０３０ａ〜２０３０ｄ…感光体ドラム（像担持体）、２１０４…光偏向器、２１０５ａ〜２１０５ｄ…走査レンズ（走査光学系の一部）、２２００ａ〜２２００ｄ…光源。

特許第４０１００９５号公報 特開２０１０−１５３７６８号公報 特許第３５６６９０２号公報 特開２０１１−００９６９３号公報

Claims (11)

1. 傾斜基板上に下部反射鏡、活性層を含む共振器構造体、上部反射鏡が積層され、電極によって取り囲まれた射出領域からレーザ光を射出する面発光レーザ素子において、
   前記上部反射鏡は、アルミニウムを含む被選択酸化層の一部が酸化されて生成された酸化物を少なくとも含む酸化物が電流通過領域を取り囲む狭窄構造体を有し、
   前記射出領域内に設けられ、該射出領域の中心を含む一部領域の少なくとも一部を囲む誘電体膜を有し、
   前記射出領域に直交する方向からみたとき、前記誘電体膜で囲まれる領域の中心は、前記傾斜基板の傾斜軸に直交する向きに、該向きに関する前記狭窄構造体の大きさに応じて、前記射出領域の中心からずれていることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記射出領域に直交する方向からみたとき、前記誘電体膜の形状は、環状であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記射出領域に直交する方向からみたとき、前記誘電体膜の形状は、環状の少なくとも１箇所が分断されている形状であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記射出領域に直交する方向からみたとき、前記誘電体膜の形状は、前記傾斜基板の傾斜軸に平行な方向に関して対向する２箇所が分断されている形状であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記射出領域に直交する方向からみたとき、前記傾斜基板の傾斜軸に直交する軸方向に関して、前記誘電体膜と前記電流通過領域の重なる部分が、前記電流通過領域の中心に対して前記軸方向の一側と他側とに存在し、該重なる部分の面積は、前記軸方向の一側と他側とで異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記電流通過領域の中心から前記軸方向の一側に向かう方向は傾斜方向と一致し、
   前記誘電体膜と前記電流通過領域の重なる部分の面積は、前記一側の方が前記他側よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記誘電体膜の光学的厚さは、「発振波長／４」の奇数倍であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
8. 前記誘電体膜は、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＴｉＯｘ及びＳｉＯＮのいずれかの膜であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
9. 光によって被走査面を走査する光走査装置であって、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を有する光源と、
   前記光源からの光を偏向する光偏向器と、
   前記光偏向手段で偏向された光を前記被走査面上に集光する走査光学系と、を備える光走査装置。
10. 少なくとも１つの像担持体と、
    前記少なくとも１つの像担持体に対して画像情報に応じて変調された光を走査する請求項９に記載の光走査装置と、を備える画像形成装置。
11. 前記画像情報は、多色の画像情報であることを特徴とする請求項１０に記載の画像形成装置。