垂直腔表面發射激光器、裝置、光學掃描設備和成像設備的制作方法

專利名稱：垂直腔表面發射激光器、裝置、光學掃描設備和成像設備的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及表面發射激光器，更具體地，涉及垂直腔表面發射激光器(VCSEL)、 VCSEL陣列裝置、結合有該VCSEL陣列裝置的光學掃描 設備和結合有該光學掃描設備的成像設備。
背景技術：
垂直腔表面發射激光器(VCSEL)是在垂直于激光器形成在其上的襯底 的方向發光的半導體激光器。VCSEL比邊緣發射半導體激光器成本更低且 性能更好。由于該原因，VCSEL越來越多地用作用于光通信、光學互連、 光學拾取器和成像設備例如激光打印機的光源。例如，正EE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1999， Vol. 11,No.12， pp.l539-1541("非專利文獻") 公開一種采用AlGaAs材料的VCSEL，其中激光器具有3mW或以上的單模 輸出。用于上述應用的VCSEL要求具有這樣的特征，如高有源層增益、低閾 值電流、高輸出、高可靠性和受控偏振方向。典型地，VCSEL是通過在GaAs襯底上形成半導體薄膜層而形成。具 體地，VCSEL包括形成在GaAs量子阱有源層的任一側上的AlGaAs覆層和 由AlGaAs和AlAs薄膜的交替半導體層制成的反射鏡(分布布拉格(Bragg) 反射器(DBR))。電流限制層形成在光發射側面上的覆層和反射鏡之間用于 提高性能。但是，在具有上面的結構的VCSEL中，與邊緣發射半導體激光器相比， 偏振控制是困難的。在許多情形中，偏振控制取決于制造過程中的不可預 知的變化。偏振甚至在相同的襯底上也會不同，從而使得其難以穩定地獲 得具有恒定偏振方向的VCSEL。因為VCSEL具有比邊緣發射激光器更短 的腔長度和更大的開口用于光發射，所以難以獲得偏振穩定性。當VCSEL用作光源用于通過成像設備例如激光打印機形成圖像時，在偏振方向的變化導致在用于光學掃描的多角鏡上不同的反射率。結果，光利用效率降低或者不能穩定地寫入圖像。已經進行各種手段以穩定VCSEL 中的偏振方向，如下面所討論的。IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1998， Vol.10, No. 12， pp.l676-1678("非專利文獻2")公開一種用于控制VCSEL中的偏振方向的方 法，由此利用例如襯底的各向異性。具體地，該方法包括通過利用傾斜(311 )B 襯底控制偏振方向到(-233)方向。曰本專利申請公開說明書第2008-28424號("專利文獻l")公開一種通過 提供各向異性給VCSEL中的臺面(mesa)結構控制偏振的方法。日本專利第 3791193號("專利文獻2")公開一種利用其中金屬絲引線被抽出的方向的偏 振控制方法。日本專利申請公開說明書第2008-16824號("專利文獻3")公開 一種偏振控制方法，其通過在VCSEL內部局部地提供氧化區域使得應力施 加到有源層。日本專利申請公開說明書第11-340570號("專利文獻4")和11-354888 號("專利文獻5")公開一種多束半導體激光器，其中為了滿足對成像設備例 如激光打印機中的更高速度的要求，在單個芯片上設置多個光源。曰本專利申請公開說明書第2002-217492號("專利文獻6")公開一種用 于在襯底上形成有源層的方法，其中在有源層和襯底之間設置松弛層，該 松弛層具有在有源層和襯底之間的中等晶格常數，以使得可以形成高質量 的有源層。曰本專利申請公開說明書第2003-347582號("專利文獻7")公開一種使 用AlInP/GalnP在襯底上形成DBR以使得晶格常數逐漸改變以便形成高質 量的有源層的方法。在根據非專利文獻2的方法中，襯底傾斜25。。隨著襯底傾斜增大，當 形成氧化限制層時，各向同性的氧化變得越來越困難，從而導致增大制造 難度。再者，這樣的襯底是專門的襯底，非常昂貴，從而使得難以以低的 成本制造VCSEL。在專利文獻l的方法中，臺面結構的各向異性反映在電流限制區域中。 在這種情形下，電流注入均一性會失去，或者不能從制造的激光器獲得期 望的光斑形狀。此外，在專利文獻1的方法中，臺面結構各向異性還影響 在VCSEL中形成電流限制區域的過程，使得均勻的電流注入是困難的。在根據專利文獻2的方法中，當VCSEL高密度地集成在單一芯片內時， 單個元件的間隔變得更窄，從而使得難以自由地形成金屬絲。如果單個元 件之間的間隔由于布線的原因而增大，單個芯片的區域增大，從而導致制 造成本增大。在根據專利文獻3的方法中，VCSEL的結構要求額外的制造步驟，使 得制造過程變得更加復雜并需要更長的制造時間，從而導致制造成本增大。 再者，電流限制層是由通過氧化AlAs獲得的AlOx制成，其在限制層周圍 產生應變。結果，在通電時產生錯位，從而導致可靠性可能降低。這樣， 并不優選提供多個這樣的電流限制層。根據專利文獻4和5的多束半導體激光器是邊緣發射半導體激光器， 其中當元件一維地排列時，存在單個部件之間熱干涉的問題，并且難以在 該結構上獲得數pm或更小的窄的節距。在專利文獻6公開的結構中，有源層具有與襯底非常不同的晶格常數。 盡管在襯底和有源層之間提供有中等晶格常數的松弛層，但是在有源層附 近具有大應變的層的存在拉緊有源層，從而使得難以獲得高的質量。在根據專利文獻7的結構中，襯底和有源層之間的DBR的晶格常數逐 漸變化以為了允許形成具有與襯底非常不同的晶格常數的有源層。這樣， 在有源層附近的DBR之間的晶格常數與有源層的晶格常數的差異小于專利 文獻6中的。但是，由于典型地在數iim數量級的DBR厚度，施加到有源 層的應力是大的。這樣，難以獲得高質量的有源層，如在專利文獻6的情 形中。這樣，傳統的激光源不能足以應付在成像設備例如激光打印機中的提 高的速度。發明內容本發明克服現有技術的一個或多個缺點，其在一方面是VCSEL,其包括半導體村底；下反射鏡，該下反射鏡通過在半導體襯底表面上形成具有不同折射率的半導體薄膜層而形成在半導體襯底表面上；臺面結構，該臺面結構包括在下反射鏡上由半導體材料形成的有源層、形成在部分氧化的有源層上從而形成電流限制結構的選擇性的氧化層以及上通過交替地形 成具有不同折射率的半導體薄膜而在選擇性的氧化層上形成的反射鏡；下電極，該下電極連接到半導體襯底；和上電極，該上電極連接到上反射鏡。 當電流在上電極和下電極之間流動時，VCSEL發射垂直于半導體襯底 平面的激光。根據這方面的VCSEL的特征在于，半導體襯底相對于特定平 面傾斜，并且所述有源層包括具有相對于襯底的壓縮應變的量子阱層和間 隔層。間隔層具有相對于半導體襯底的特定的應變。根據本發明的另一方面，VCSEL陣列裝置的特征在于，在半導體襯底 上安置有多個上述VCSEL。根據本發明的另 一方方面，用于通過光束掃描被掃描表面的光學掃描 設備包括光源單元；偏轉單元，其配置成偏轉通過光源單元發出的光束； 和掃描光學系統，該掃描光學系統被配置成將通過偏轉單元偏轉的光束聚 焦在掃描表面上。光學掃描設備的特征在于，光源單元包括上述VCSEL陣 列裝置。根據本發明的又一方面，用于在介質上形成圖像的成像設備包括用 于承載待形成在介質上的圖像的圖像載體；和用于根據有關待形成在介質 上的圖像的圖像信息用光掃描圖像載體的光學掃描設備。成像設備的特征 在于，光學掃描設備包括上述光學掃描設備。


結合附圖描述本發明的這些以及其它目的、優點和特征，其中圖1A是沒有傾斜的n-GaAs襯底的平面視圖；圖1B是沿著圖1A的虛線Al-A2剖開的n-GaAs襯底的截面；圖1C是根據本發明的第一實施例的傾斜的n-GaAs襯底的截面；圖2是根據本發明的第一實施例的VCSEL的截面；圖3示出偏振角相對于間隔層中關于半導體襯底的應變的圖形；圖4是#4居本發明的第二實施例的VCSEL的有源層的截面；圖5是根據第二實施例的VCSEL的有源層的另一例子的截面；圖6示出圖5所示的有源層的帶結構；圖7示意性地示出根據本發明的第三實施例的VCSEL陣列裝置； 圖8示意性地示出根據本發明的第四實施例的光學掃描設備； 圖9示意性地示出根據本發明的第五實施例的成像設備； 圖10示意性地示出根據本發明的第六實施例的彩色激光打印機；圖11示出根據例子1的VCSEL中的有源層的帶結構； 圖12示出根據例子4的VCSEL中的有源層的帶結構； 圖13示出根據本發明的不同例子的VCSEL的平面視圖； 圖14示出根據例子2的VCSEL的有源層的帶結構；以及 圖15示出根據例子3的VCSEL的有源層的帶結構。
具體實施方式
在此及后，參照附圖描述本發明的實施例，其中在整個的若干視圖中 相同的標號表示相同的或者相應的部分。 (第一實施例)根據本發明的第 一實施例的垂直腔表面發射激光器(VCSEL)包括電流 限制結構。圖1A示出沒有傾斜的n-GaAs村底IO的平面視圖。圖IB示出 沿著圖1A的虛線Al-A2剖開的截面。如圖1A和IB所示，n-GaAs襯底10 的表面是沒有傾斜的主表面(IOO)。圖1C示出相對于(100)平面向著(011)方向傾斜15°的a角的n-GaAs半 導體襯底11。傾斜角度通常可以為2°-20°。通過這樣利用傾斜的襯底，在 傾斜方向和垂直于傾斜方向的方向之間的有源層中產生增益差異，從而使得更易于控制偏振方向到某一方向。參照圖2，描述根據第一實施例的VCSEL的結構。根據本實施例的 VCSEL包括傾斜的n-GaAs半導體襯底11。在傾斜的n-GaAs半導體襯底 11上，通過交替地形成具有高和低折射率的半導體薄膜層而形成下反射鏡 12。在下反射鏡12頂上，形成有下間隔層13，在下間隔層13上進一步形 成多量子阱層14。在多量子阱層14上，形成上間隔層15。在上間隔層l5 上，形成可選擇的氧化層16，在氧化層16上進一步形成上反射鏡17。上 反射鏡17通過交替形成具有高和低折射率的半導體薄膜層而形成。接觸層 18進一步形成在上反射鏡17上。根據本實施例，下間隔層13、多量子阱層14和上間隔層15組成有源 層31。多量子阱層14相對于半導體襯底11具有壓縮應變。在如此形成各個層后，臺面結構形成為下間隔層13、多量子阱層14、 上間隔層15、可選擇氧化層16、上反射鏡17和接觸層18的堆疊。其后， 可選擇氧化層16選擇性地氧化以形成周邊的氧化區域(氧化區域)32和中心的非氧化區域(電流限制區域)33。特別地，在氧化區域32中，形成AlxOy 的絕緣體，從而形成電流限制結構，以使得當電流流動通過元件時電流以 集中的方式流動通過限制區域33。其后，形成防護薄膜19以覆蓋臺面結構，然后是形成連接到接觸層18 的上電極20和在半導體襯底11的背面上的下電極21。在該VCSEL中，當電流在上電極20和下電極21之間流動時，電流被 注入到有源層31中，由此形成反向(inverted)分布的狀態，從而發光。在有 源層31中產生的光在下反射鏡12和上反射鏡17之間被放大，然后垂直于 半導體襯底11發出。這樣發出的激光的偏振方向由于例如制造過程中的上述變化而容易改 變。發明人發現可以通過利用具有傾斜主表面的半導體襯底11，提供相對 于半導體襯底ll具有壓縮應變的多量子阱層14,以及在下間隔層13和上 間隔層15的每一個中提供一定應變，來穩定偏振方向。具體地，發明人發現，當上間隔層13和下間隔層15是由AlGalnPAs 材料形成時，該AlGalnPAs材料至少包括In和P，也就是InP， Al、 Ga和 As的一種或多種加入到其中，通過在上間隔層13和下間隔層15中提供相 對于半導體襯底11壓縮的應變，偏振角度變成90。，其中圖3中的間隔層 的應變值為正。這樣，可以獲得恒定的偏振方向，而不管壓縮應變量如何。"應變，，在此意在指各個薄膜材料的晶格常數與半導體襯底的晶格常數 的比率。具有比半導體襯底的晶格常數更大的晶格常數的薄膜具有壓縮應 變，以使得圖3中的間隔層的應變值為正。具有比半導體襯底的晶格常數 更小的晶格常數的薄膜具有拉伸應變，其中圖3中間隔層的應變值為負。 根據本實施例，多量子阱層14具有+0.7%的壓縮應變。盡管本實施例中半導體襯底11關于(IOO)平面傾斜，但是通過關于(OIO) 或者(001)平面傾斜的半導體襯底也可以獲得相同的效果。在另一實施例中， 可以采用單量子阱層，而非多量子阱層14。才艮據本實施例，當下間隔層13和上間隔層15每個都具有壓縮應變時， 如圖3所示，偏振角是90。。但是，例如，當多量子阱層14中的壓縮應變 是大的時，偏振角可以是180。。這可假定是由于以下事實的原因隨著壓 縮應變增大，半導體襯底11的晶格常數和多量子阱層14的晶格常數之間 的差異變大，從而導致晶格匹配的不同狀態。在這種情形中，同樣地，也可以獲得穩定的偏振角，盡管是180。，只要多量子阱層14相對于半導體襯 底ll具有壓縮應變，并且下間隔層13和上間隔層15是由Al、 Ga和As的 一種或多種加入到其中的InP制成，并且每一個相對于半導體襯底11具有壓縮應變。根據本實施例，盡管半導體襯底的傾斜角是15。，偏振方向不僅基于襯 底的傾斜角而且基于間隔層和多量子阱層中的應變量的組合而受控。這樣， 處理難度與例如非專利文獻2中的傾斜角較高的情形相比可以得以降低。 而且，因為15。傾斜的襯底廣泛用作用于DVD的激光二極管的襯底，該襯 底相對1更宜。當使用具有小于15。的傾斜角的襯底時，通過將間隔層和多量子阱層中 的應變值設置得更高，可以獲得等同效果。反過來，如果通過改進VCSEL 制造過程有可能制造超過15。的傾斜，通過利用具有更高傾斜角的襯底可以 獲得極高的偏振穩定性。根據本實施例的偏振控制方法，包括襯底傾斜角和間隔層/量子阱應變 的組合，可以與根據專利文獻1的基于臺面結構的各向異性的偏振控制方 法組合使用。這樣，可以獲得本實施例的效果，同時減少單個方法的缺點。盡管在專利文獻6中在襯底和量子阱之間設置有應變松馳層，但是由 于襯底和量子阱之間的晶格常數的大的差異難以獲得高質量的有源層。根 據本實施例，襯底和間隔層之間的晶格常數的差異小，以使得可以形成高 質量的有源層，而并不施加大的應變到有源層。在專利文獻7的情形中，襯底和有源層之間的DBR的晶格常數逐漸變 化。這樣，盡管有源層和與有源層相鄰的層之間的晶格常數的差異是輕微 的，但是由于應變層的厚度在幾個^m數量級，大的應力施加到有源層，從 而使得難以獲得高質量的有源層。但是，根據本實施例，襯底和間隔層之 間的晶格常數的差異小，間隔層的薄膜厚度在幾百nm數量級。這樣，可以 形成高質量的有源層，而并不使有源層受制于大應變。根據本實施例的VCSEL允許形成二維陣列，其中元件間隔可以根據期 望地進行設置。這樣，與邊緣發射半導體激光器相比，可以集成在單一芯 片上的光發射元件的數量可以增大。(第二實施例)根據本發明的第二實施例，VCSEL包括偏振控制層。參照圖2和4描 述該VCSEL 。根據本實施例的VCSEL具有如圖2所示的結構，其中有源層31具有 如圖4所示的結構。具體地，VCSEL包括具有傾斜主表面的半導體襯底 11;相對于半導體襯底11具有壓縮應變的多量子阱層14;下間隔層13和 上間隔層15，在其中每一個中設置有偏振控制層41。根據第二實施例，滿 足以下表達式(eaxta+ebxtb)/(ta+tb)〉0 (1) 其中，ea是下間隔層13和上間隔層15中的晶格應變；ta是下間隔層 13和上間隔層15的總薄膜厚度；eb是每個偏振控制層41中的晶格應變； tb是各個偏振控制層41的總薄膜厚度。表達式(l)的左側部分，也就是， (eaxta+ebxtb)/(ta+tb)在此及后可以簡單稱作E。當滿足表達式(l)時，偏振角穩定在相對于半導體襯底的(0-ll)表面大約 90。，如圖3中的情形，以使得VCSEL具有恒定偏振角。盡管圖4示出偏 振控制層41設置在下間隔層13和上間隔層15的每個中，但是偏振控制層 41也可形成在下間隔層13或者上間隔層15中，如圖5所示，只要滿足表 達式(l)。盡管下間隔層13和上間隔層15是由GalnPAs制成，但是偏振控制層 41是由AlGalnP材料制成，該材料至少包括In和P，也就是InP, Al、 Ga 和As的一種或多種加入到其中。以這種方法，可以在偏振控制層41中獲 得更高的帶隙。這樣，當下間隔層13和上間隔層15是由具有低帶隙的材 料制成時，可以獲得提高的電子限制效率。圖6示出圖5所示的有源層31的帶結構。多量子阱層14是由具有+0.7% 應變的Gao.7lno.3Po.5Aso.5和具有0%的應變的Gao.516Ino.484P阻擋層形成。下間 隔層13和上間隔層15是由具有0。/。應變的(Alo.,Gao.9)o.5wIno.484P形成。偏振 控制層41是由具有+0.04。/。應變的(Alo.5Gao.5)o.5^n,P形成。在這種情形下， 表達式(1)的左側部分的值為+0.03%。因為偏振控制層41是由具有寬的帶隙 的(Al。.5Ga。.5)o.Mlno.49P形成，可以獲得改善的光和電子限制效率。(第三實施例)根據本發明的第三實施例，VCSEL陣列裝置包括根據本發明的實施例的VCSEL陣列。參照圖7， VCSEL陣列裝置50包括沿著第一基線和第二基線的二維排 列的VCSEL 50。沿著每一第二基線，VCSEL 50垂直于第一基線以間隔d 排列。當VCSEL 50的位置投影在第一基線上時，VCSEL 50以間隔h排列。當根據第三實施例的VCSEL陣列裝置用于成像設備例如激光打印機 時，光垂直于第一基線發出，以使得可以形成非常優良的圖像。(第四實施例)根據本發明的第四實施例，光學掃描設備100包括根據第三實施例的 作為光源的VCSEL陣列裝置。參照圖8描述光學掃描設備100。光學掃描設備100包括光源單元121、準直透鏡122、多角鏡125和fB 透4竟126。在圖8中，圖紙的水平方向對應主掃描方向，垂直方向對應副掃 描方向。光源單元121包括根據第三實施例的VCSEL陣列。準直透鏡122配置 的以使得從光源單元121發出的光束成為大致平行的光。來自準直透鏡122 的光束通過旋轉多角鏡125反射，然后由份透鏡126作為光斑匯集在感光 鼓101的表面上。多角鏡125通過電機(未示出)以恒定速度旋轉。這樣，光 束以恒定角速度偏轉，感光鼓101的表面上的光斑在主掃描方向以恒定速 度移動。根據本實施例，光源單元121中的VCSEL陣列裝置中單個VCSEL的 偏振角對齊，以使得多角鏡125具有均一反射率地反射。這樣，結合本實 施例的光學掃描設備的成像設備能夠形成優良的圖像。(第五實施例)根據本發明的第五實施例，作為成像設備的激光打印機包括根據第四 實施例的光學掃描設備。參照圖9，描述根據第五實施例的激光打印機。激光打印機包括光學掃 描設備100、感光鼓101、充電裝置102、顯影單元103、色粉盒104、清潔 單元105、轉印單元111和中和單元114。在感光鼓101的表面上，形成感光層。感光鼓101在順時針方向旋轉， 如圖9所示。充電單元102配置成對感光鼓101的表面均勻充電。光學掃描設備100通過光照射已經通過充電單元102充電的感光鼓101 的表面。光照在感光鼓101的表面上產生潛象，其對應期望的圖像信息。 然后形成潛象的感光鼓表面區域隨著感光鼓101旋轉向著顯影單元103移 動。色粉盒104包含提供給顯影單元103的色粉。顯影單元103使得色粉 附著到感光鼓101表面上的潛象，從而顯影潛象。其后，感光鼓101進一 步旋轉并且將在感光鼓101的表面上顯影的潛象傳遞到轉印單元111。轉印單元111被供給與感光鼓101的表面上的色粉的極性相反的極性 的電荷，以使得感光鼓101的表面上的色粉可以向著記錄片材113電吸引。 也就是，電荷使得感光鼓101表面上的色粉轉印到記錄片材113上，從而 將顯影圖像轉印到記錄片材113上。中和單元114配置的以在圖像形成之后中和感光鼓101表面。在圖像 形成后，清潔單元105移除感光鼓101表面上剩余的色粉(殘余色粉)。移除 的殘余色粉可以循環使用。殘余色粉已經從其上移除的感光鼓101的表面 再次向著充電單元102移動。(第六實施例) (彩色成像設備)根據第六實施例，本發明提供彩色激光打印機作為用于形成彩色圖像 的成像設備。參照圖IO描述彩色激光打印機。根據本實施例的彩色激光打印機是具有多個用于打印彩色圖像的感光 鼓的串列式彩色設備。具體地，彩色激光打印機包括用于黑色(K)的感光 鼓K1、充電器K2、顯影器K4、清潔單元K5和轉印充電單元K6;用于青 色(C)的感光鼓C1、充電器C2、顯影器C4、清潔單元C5和轉印充電單元 C6;用于品紅色(M)的感光鼓M1、充電器M2、顯影器M4、清潔單元M5 和轉印充電單元M6;和用于黃色(Y)的感光鼓Y1、充電器Y2、顯影器Y4、 清潔單元Y5和轉印充電單元Y6。彩色激光打印機還包括根據第五實施例 的光學掃描設備100、轉印帶201和定影單元202。彩色激光打印機中的光學掃描設備100包括用于黑色、青色、品紅色 和黃色的半導體激光器。這些半導體激光器的每一個包括根據本發明的實 施例的VCSEL。用于黑色的感光鼓Kl通過來自用于黑色的半導體激光器的光束進行 照射。用于青色的感光鼓Cl通過來自用于青色的半導體激光器的光束進行照射。類似地，感光鼓M1通過來自用于品紅色的半導體激光器的光束進行感光鼓Kl, Cl， Ml和Yl的每一個在箭頭所示方向旋轉，沿著箭頭 方向排列充電器K2， C2， M2或Y2、顯影器K4， C4， M4或Y4、轉印充 電單元K6, C6， M6或Y6、清潔單元K5， C5， M5或Y5。充電器K2, C2， M2或者Y2對相應的感光鼓K1， Cl， M1或者Y1均勻充電。每個感 光鼓Kl, Cl, Ml和Yl的充電后的表面用光學掃描設備100發出的光束 進行照射，由此在每個感光鼓Kl, Cl， Ml和Yl的表面上形成靜電潛象。其后，色粉圖像通過各自的顯影器K4， C4， M4或者Y4形成在每個 感光鼓Kl, Cl， Ml和Yl的表面上。單個顏色的色粉圖像然后通過相應 的轉印充電單元K6， C6， M6和Y6轉印到記錄片材上，然后通過定影單 元202將圖像定影在記錄片材上。保留在感光鼓K1， Cl, Ml或者Yl的 表面上的殘余色粉通過相應的清潔單元K5， C5， M5或者Y5移除。盡管本實施例采用感光鼓作為圖像載體，但是面化銀薄膜也可用作圖 像載體。在這種情形下，潛象可以通過光學掃描形成在卣化銀薄膜上，然 后以傳統的卣化銀攝影術工藝中熟知的方式顯影。顯影后的潛象然后可以 通過類似于傳統的鹵化銀攝影術工藝中的印刷工藝的工藝轉印到印刷紙 上。根據第六實施例的成像設備可以用作光盤制造設備，或者用于產生圖 像例如CT掃描圖像的光學影象產生設備。圖像載體還可包括顏色產生介質(例如正片印刷紙張)，其通過應用來自 光束斑的熱能顯影顏色。在這種情形下，可見圖像通過光學掃描直接形成 在圖像載體上。(第七實施例)根據本發明的第七實施例，垂直腔表面發射激光器(VCSEL)結構包括電 流限制結構。^^據第七實施例的VCSEL結構基本與圖2的第一實施例相同。具體地，發明人發現，當上間隔層13和下間隔層15由AlGalnPAs材 料形成時，其中AlGalnPAs也就是Al、 Ga和As的一種或多種加入到其中的InP,通過在上間隔層13和下間隔層15中提供相對于半導體襯底11的 拉伸應變，偏振角度變成180。，其中圖3中的間隔層的應變值為負。這樣， 可以獲得恒定的偏振方向，而不管拉伸應變量如4可。"應變，，在此意在指各個薄膜材料的晶格常數與半導體襯底的晶格常數 的比率。具有比半導體襯底的晶格常數更大的晶格常數的薄膜具有大的壓 縮應變，以使得圖3中的間隔層的應變值是正的。具有比半導體襯底的晶 格常數更小晶格常數的薄膜具有拉伸應變，其中圖3中的間隔層的應變值 是負的。根據本實施例，多量子阱層14具有+0.7%的壓縮應變。盡管本實施例采用相對于(100)平面傾斜的半導體襯底11,但是利用相根據本實施例，半導體襯底的傾斜角，也就是15。，不僅基于襯底的傾 斜角還基于間隔層和多量子阱層中的應變量的組合進行控制。這樣，與例 如非專利文獻2中的傾斜角較高的情形相比，可以降低處理難度。而且， 因為15。傾斜的襯底廣泛用于用作DVD的激光二極管的襯底，該襯底相對 便宜。當使用具有小于15。的傾斜角的襯底時，可以通過將間隔層和多量子阱 層中的應變值設置得更高而獲得同等效果。相反，如果通過對VCSEL的制 造過程的改善可能制造超過15。的傾斜，可以獲得極高的偏振穩定性。根據本實施例的包括襯底傾斜角和間隔層/量子阱應變的組合的偏振控 制方法可以與根據專利文獻1的基于臺面結構各向異性的偏振控制方法組 合使用。這樣，可以獲得本實施例的效果，同時減少單個方法的缺點。盡管專利文獻6中在襯底和量子阱之間設置有應變松馳層，但是由于 襯底和量子阱之間的晶格常數的大的差異難以獲得高質量的有源層。根據 本實施例，襯底和間隔層之間的晶格常數的差異是小的，以使得可以形成 高質量的有源層，且不會施加大的應變到有源層。而且，根據本實施例， 襯底和量子阱層每一個形成為具有壓縮應變，以使得與間隔層中的拉伸應 變一起，可以預期應變補償效果。在專利文獻7的情形中，襯底和有源層之間的DBR的晶格常數逐漸變 化。這樣，盡管在有源層和與有源層相鄰的層之間的晶格常數的差異是輕 微的，但是由于應變層的厚度在數pm數量級，大的應力施加到有源層，使 得難以獲得高質量的有源層。但是，根據本實施例，襯底和間隔層之間的晶格常數的差異是小的，間隔層的薄膜厚度是在幾百nm數量級。這樣，可 以形成高質量的有源層，而不會施加大的應變到有源層。而且，根據本實 施例，襯底和量子阱層每一個形成為具有壓縮應變，以使得與間隔層中的 拉伸應變一起，應變補償的效果可以預期。才艮據本實施例，在VCSEL中的單個元件可以二維布置，其中元件的間 隔可以如期望地設定。這樣，與邊緣發射半導體激光器相比，可以集成在 單 一 芯片上的光發射部件的數量可以增大。(第八實施例)才艮據本發明的第八實施例，VCSEL包括偏振控制層。參照圖2和4描 述VCSEL。根據本實施例的VCSEL具有如圖2所示的結構，其中有源層31具有 如圖4所示的結構。具體地，VCSEL包括具有傾斜主表面的半導體襯底 11;相對于半導體村底11具有壓縮應變的多量子阱層14;和下間隔層13 和上間隔層15,在其每個中設置偏振控制層41。根據第八實施例，滿足以 下表達式(eaxta+ebxtb)/(ta+tb)<0 (2) 其中ea是下間隔層13和上間隔層15中的晶格應變；ta是下間隔層13 和上間隔層15的總薄膜厚度；eb是每個偏振控制層41中的晶格應變；tb 是單個偏振控制層41的總薄膜厚度。表達式(2)的左側部分，也就是， (eaxta+ebxtb)/(ta+tb),在此及后可以簡單稱作E。當滿足表達式(2)時，偏振角在相對于如圖3所示的半導體襯底的(O-ll) 表面大約180。處穩定，以使得具有恒定偏振角的VCSEL可以得以提供。盡 管圖4示出設置在下間隔層13和上間隔層15的每一個中的偏振控制層41 ， 偏振控制層41也可形成在下間隔層13中或者上間隔層15中，如圖5所示， 只要滿足表達式(l)。盡管下間隔層13和上間隔層15是由GalnPAs制成，但是偏振控制層 41是由AlGalnP材料制成，也就是Al、 Ga和As的一種或者多種加入到其 中的InP。以這種方式，可以在偏振控制層41中獲得更高的帶隙。這樣， 當下間隔層13和上間隔層15是由具有低帶隙的材料制成時，可以獲得提 高的電子限制效率。如在圖7所示的第三實施例中，根據本發明的第七或者第八實施例的 VCSEL可以安置成構建VCSEL陣列裝置。如在圖8所示的第四實施例中， 這樣的VCSEL陣列裝置可用于構建光學掃描設備。再者，如在圖9所示的 第五實施例中，可以提供具有這樣的光學掃描設備的成像設備。如在圖10 所示的第六實施例中，這樣的成像設備可用于構建用于形成彩色圖像的彩 色成像設備。例子在此及后，描述本發明的各實施例的例子。 (例子1)根據例子1的VCSEL具有780nm的發射波長。參照圖2和11描述該 VCSEL。圖11示出VCSEL的有源層31的帶結構。參照圖2, #^居例子1的VCSEL包括由在(lll)平面方向傾斜15°的 n-GaAs襯底形成的半導體襯底11。在半導體襯底11上，形成下反射鏡12， 其是通過層疊50交替對的n-Al。.9Ga(uAs薄膜和n-Ala3Ga。.7As薄膜形成的分 布布拉格反射器(DBR)。在下反射鏡12頂上，由(Al(uGao.9)o.M6ln。.484P形成有下間隔層13，隨后 形成多量子阱層14。在多量子阱層14上，由(Alo.,Gao.9)o.5,6lno.484P形成上間 隔層15，然后形成AlAs的可選擇氧化層16。在可選擇的氧化層16上，形 成上反射鏡17,其是由30對交替的p-AV9Gao.!As和n-Alo.3Gao.7As薄膜形 成的DBR。在上反射鏡17頂上，由P-GaAs形成接觸層18。各個層具有預定膜厚度以使得可以獲得780nm的發射波長。半導體襯 底11的傾斜角可為是2°-20°。然后，臺面結構形成為所述各層的合成堆疊，可選擇氧化層16在水蒸 汽環境中部分氧化以形成氧化區域32和電流限制區域33。其后，防護薄膜 19形成以覆蓋臺面結構。然后，連接到接觸層18的上電極20由Au/AuZn 形成，下電極21由Au/Ni/AuGe形成在半導體襯底11的后表面上。在上間隔層15內，由(Alo.5Ga。.5)o.5lno.5P形成偏振控制層41 ，其具有20nm 的厚度。偏振控制層41相對于半導體襯底11具有+0.12%的應變。下間隔 層13和上間隔層15每個相對于半導體襯底11具有0%的應變。多量子阱 層14包括具有5.5nm厚度和相對于半導體襯底11具有+0.71%應變的 Gaa7Ina3Pai4As().59量子阱層和具有8nm厚度和相對于半導體村底11具有-0.6%應變的GaG.6In。.4P的阻擋層的交替層。在堆疊層的任一側上，形成具 有8nm厚度和相對于半導體襯底11零應變的Ga。.516In().484P層。在該VCSEL中，E值為+0.023。這樣，如圖13所示，通過根據例子1 的VCSEL發出的光在關于半導體襯底11的(0-ll)表面90。的偏振方向是穩 定的。(例子2)才艮據例子2的VCSEL具有780nm的發射波長。參照圖2和14描述該 VCSEL。圖14示出根據例子2的有源層31的帶結構。參照圖2， VCSEL包括半導體襯底11,該半導體4于底11包括在(lll) 平面方向傾斜15°的n-GaAs襯底。下反射鏡12由包括50對交替的 n-Ala9GaaiAs薄膜和n-Al。.3Gao.7As薄膜的DBR形成。在下反射鏡12的頂 上，由(Alo.sGao.5)(^Ino.49P形成下間隔層13，然后形成多量子阱層14。在多 量子阱層14上，由(Alo.5Gao.5)(^Ino.49P形成上間隔層15，在上間隔層頂上 由AlAs形成可選擇的氧化層16。在可選擇的氧化層16的頂上，形成上反 射鏡17,其是包括30對交替的p-Al。.9Ga(uAs薄膜和n-Alo.3Ga。.7As薄膜的 DBR。接觸層18由p-GaAs形成在上反射鏡17上。各個層具有預定膜厚度 以使得可以獲得780nm的發射波長。半導體襯底11的傾斜角可以是2°-20。。臺面結構然后由所述各層的合成堆疊形成，然后可選擇的氧化層16在 水蒸氣環境中部分氧化以形成氧化區域32和電流限制區域33。其后，防護 薄膜19形成以覆蓋臺面結構，連接到接觸層18的上電極20由Au/AuZn制 成，下電極21由Au/Ni/AuGe形成在半導體村底11的后表面上。下間隔層13和上間隔層15每個相對于半導體襯底11具有+0.04%的 應變。多量子阱層14包括具有5.5nm厚度和相對于半導體村底11具有 +0.71%的應變的Gao.7lno.3P,Asc.59量子阱層和具有8nm厚度和相對于半導 體襯底11具有-0.6%的應變的阻擋層的交替層。在堆疊的任一側上，形成具 有8nm厚度和相對于半導體襯底11零應變的Gaa516In。.484P層。根據例子2的VCSEL沒有偏振控制層。這樣，在下間隔層13和上間 隔層15的每個中相對于半導體襯底11的應變為+0.04。這樣，如圖13所示， 通過根據例子2的VCSEL發出的光在關于半導體襯底11的(0-ll)表面90° 的偏振方向是穩定的。19(例子3)
才艮據例子3的VCSEL具有780nm的發射波長。參照圖2和15描述 VCSEL。圖15示出根據例子3的有源層31的帶結構。
參照圖2，根據例子3的VCSEL包括由在(lll)平面方向傾斜15。的 n-GaAs村底制成的半導體襯底11。在半導體襯底11頂上，形成下反射4竟 12，該下反射鏡12是由50對n-Al0.9GaaiAs薄膜和n-Alo.3Ga0.7As薄膜交替 層制成。在下反射鏡12的頂上，由(Alo.5Gao.5)o.48ln。.52P形成下間隔層13, 隨后是多量子阱層14。在多量子阱層14頂上，由(Alo.5Gao.59)o.48lno.52P形成 上間隔層15。可選擇的氧化層16由AlAs進一步形成在多量子阱層14頂上。 在可選擇的氧化層16頂上，由包括30對p-Alo.9Ga(nAs薄膜和n-Alo.3Gao.7As 薄膜的交替層的DBR形成上反射鏡17。在上反射鏡17的頂上，由p-GaAs 形成4妄觸層18。
各個層具有預定的膜厚度以使得可以獲得780nm的發射波長。半導體 襯底11的傾斜角可以是2°-20°。
臺面結構然后通過所述各層的堆疊形成，然后可選擇的氧化層16在水 蒸氣環境中部分氧化以形成氧化區域32和電流限制區域33。其后，防護薄 膜19形成以覆蓋臺面結構，連接到接觸層18的上電極20由Au/AuZn形成， 下電極21由Au/Ni/AuGe形成在半導體襯底11的后表面上。
下間隔層13和上間隔層15每個相對于半導體襯底11具有+0.27%的應變。
多量子阱層14包括具有5.5nm厚度和相對于半導體襯底11具有 +0.71%的應變的Ga。.7lno.3P。.4!As。.59的量子阱層和具有8nm厚度和相對于半 導體襯底ll具有-0.6%的應變的阻擋層的交替層。在該堆疊的任一側上， 形成具有8nm厚度和相對于半導體襯底11零應變的Gao^6lno.484P層。
這樣，根據例子3的VCSEL沒有偏振控制層。這樣在下間隔層13和 上間隔層15的每個中相對于半導體襯底11的應變為+0.27。這樣，如圖13
表面90。的偏振方向是穩定的。 (例子4)
參照圖2和12描述根據例子4的VCSEL。 VCSEL具有780nm的發射 波長。圖12示出VCSEL的有源層31的帶結構。參照圖2, VCSEL包括由在(lll)平面方向傾斜15。的n-GaAs村底形成 的半導體襯底11。在半導體襯底11頂上，形成包括50對n-Alo.9GacnAs薄 膜和n-AlG.3Ga。.7As薄膜的交替層的DBR的下反射鏡12。在下反射鏡12頂 上，由(Alo.sGao.5)o.525lno.475P形成下間隔層13,隨后是多量子阱層14。在多
量子阱層14頂上，由(Alo.5Gao.5)o.525lno.475P形成上間隔層15,在上間隔層15
上由AlAs進一步形成可選擇的氧化層16。在可選擇的氧化層16頂上，由 包括30對的p-Alo.9Ga。.,As薄膜和n-A^Ga^As薄膜的交替層的DBR形成 上反射鏡17。在上反射鏡17頂上，由p-GaAs形成接觸層18。
各個層具有預定的膜厚度以使得可以獲得780nm的發射波長。半導體 襯底11的傾斜角可以是2。到20°。
臺面結構然后通過所述層的堆疊形成，可選擇的氧化層16在水蒸氣環 境中部分氧化以形成氧化區域32和電流限制區域33。其后，防護薄膜19 形成以覆蓋臺面結構，其后由Au/AuZn形成連接到接觸層18的上電極20, 由Au/Ni/AuGe在半導體襯底11的后表面上形成下電極21 。
下間隔層13和上間隔層15每個相對于半導體襯底11具有-0.05%的應變。
多量子阱層14包括具有5.5nm厚度和相對于半導體襯底11具有 +0.71%的應變的Gao.7lno.3Po.^As().59的量子阱層和具有8nm的厚度和相對于 半導體襯底11具有-0.6%的應變的阻擋層的交替層。在該堆疊的任一側上， 形成具有8nm厚度和相對于半導體襯底11零應變的Gao.5i6lno.484P層。
在該VCSEL中，在下間隔層13和上間隔層15中相對于半導體襯底11 的應變是-0.05。這樣，如圖13所示，通過根據例子4的VCSEL50發出的 光在關于半導體襯底11中的(0-ll)表面180。的偏振方向是穩定的。
盡管已經參照某些實施例和例子詳細描述了本發明，但是可以在本發 明的權利要求所描述和限定的范圍和精神內進行變化和修改。
權利要求
1.一種垂直腔表面發射激光器，包括半導體襯底；下反射鏡，該下反射鏡通過在所述半導體襯底的表面上交替地形成具有不同折射率的半導體薄膜層而形成在所述半導體襯底表面上；臺面結構，該臺面結構包括由半導體材料形成在所述下反射鏡上的有源層；形成在所述有源層上的可選擇的氧化層，該可選擇的氧化曾部分氧化從而形成電流限制結構；和上反射鏡，該上反射鏡通過交替地形成具有不同折射率的半導體薄膜而形成在所述可選擇的氧化層上；下電極，該下電極連接到所述半導體襯底；和上電極，該上電極連接到所述上反射鏡，當電流在所述上電極和所述下電極之間流動時，所述垂直腔表面發射激光器發射垂直于所述半導體襯底的平面的激光，其特征在于，所述半導體襯底表面相對于特定平面傾斜，所述有源層包括相對于所述襯底具有壓縮應變的量子阱層和間隔層，其中所述間隔層相對于所述半導體襯底具有特定應變。
2. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述間隔層由 Al、 Ga和As的一種或多種加入到其中的InP形成。
3. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述間隔層相 對于所述半導體村底具有壓縮應變。
4. 如權利要求1所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述間隔層相 對于所述半導體襯底具有拉伸應變。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所 述半導體襯底相對于(100)平面傾斜。
6. 如權利要求1-4中任一項所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所 述半導體襯底相對于(010)或者(001)平面傾斜。
7. 如權利要求1-4中任一項所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所 述半導體襯底相對于(l 1 l)平面方向傾斜。
8. 如權利要求1-7中任一項所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述半導體襯底的傾斜角不超過20°。
9. 如權利要求1-8中任一項所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所 述量子阱層包括單一量子阱層或者包括多個量子阱層和阻擋層的多量子阱層。
10. 如權利要求3所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述間隔層包 括偏振控制層，其中所述偏振控制層滿足以下表達式(eaxta+ebxtb)/(ta+tb)>0 (1) 其中ea是所述間隔層中的晶格應變，ta是所述間隔層的薄膜厚度，eb 是在所述偏振控制層中的晶格應變，tb是所述偏振控制層的薄膜厚度。
11. 如權利要求4所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述間隔層包 括偏振控制層，其中所述偏振控制層滿足以下表達式(eaxta+ebxtb)/(ta+tb)<0 (2) 其中ea是所述間隔層中的晶格應變，ta是所述間隔層的薄膜厚度，eb 是在所述偏振控制層中的晶格應變，tb是所述偏振控制層的薄膜厚度。
12. 如權利要求10或11所述的垂直腔表面發射激光器，其中，所述偏 振控制層由Al、 Ga和As的一種或多種加入到其中的InP形成。
13. —種用于發射激光的垂直腔表面發射激光器陣列裝置，其特征在 于，在半導體襯底上布置多個根據權利要求1-12中任一項所述的垂直腔表 面發射激光器。
14. 一種用于通過光束掃描被掃描表面的光學掃描設備，包括 光源單元；偏轉單元，該偏轉單元用以偏轉所述光源單元發出的光束；和 掃描光學系統，該掃描光學系統用以將通過所述偏轉單元偏轉的光束聚焦在所述被掃描表面上，其特征在于，所述光源單元包括如權利要求13所述的垂直腔表面發射激光器陣列裝置。
15. —種用于在介質上形成圖像的成像設備，包括用于承載待形成在所 述介質上的圖像的圖像載體，和用于根據待形成在所述介質上的圖像的圖 像信息通過光掃描所述圖像載體的光學掃描設備，其特征在于，所述光學掃描設備包括如權利要求M所示的光學掃描設備。
全文摘要
本發明公開了一種垂直腔表面發射激光器(VCSEL)，VCSEL陣列裝置，光學掃描設備和成像設備，其中VCSEL包括半導體襯底、形成在半導體襯底上的下反射鏡和臺結構。臺結構包括有源層、包括電流限制結構的可選擇的氧化層和上反射鏡。下電極連接到半導體襯底，上電極連接到上反射鏡。當電流在上電極和下電極之間流動時，VCSEL發射垂直于半導體襯底的平面的激光。半導體襯底關于(100)平面傾斜。有源層包括相對于襯底具有壓縮應變的量子阱層和間隔層。間隔層相對于半導體襯底具有壓縮應變或者拉伸應變。
文檔編號H01S5/02GK101599616SQ20091014133
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月2日 優先權日2008年6月3日
發明者上西盛圣, 敬 原 申請人:株式會社理光