JP2014103233A - 面発光レーザ素子、光走査装置、画像形成装置、及び面発光レーザ素子の製造方法、 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子の静電破壊を防止できる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】 面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、該基板１０１上に積層された下部半導体ＤＢＲ１０３と、該下部半導体ＤＢＲ１０３上に積層された活性層１０５と、酸化領域１０８ａ及び該酸化領域に囲まれた非酸化領域１０８ｂを有する選択酸化層１０８と、該選択酸化層１０８の直上に形成され、酸化領域１０８ａ及び非酸化領域１０８ｂの直上に高ドープ領域を有するドーピング層１２０とを含み、活性層１０５上に積層された上部半導体ＤＢＲ１０７と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、面発光レーザ素子、光走査装置、画像形成装置、及び面発光レーザ素子の製造方法に係り、更に詳しくは、レーザ光を射出する面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子を備える光走査装置、該光走査装置を備える画像形成装置、及び前記面発光レーザ素子の製造方法に関する。

従来、面発光レーザ素子のパッケージへの実装時等に、素子に静電気等の電圧が掛かると、発光部に瞬時に大電流が流れ、素子性能が損なわれていた。すなわち、素子が静電破壊していた。

そこで、発光部の近傍に保護構造を設け、該保護構造を介して電流を逃がす技術が開示されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

しかしながら、特許文献１及び２に開示されている技術では、発光部自体に静電気等の電圧が掛かると、素子が静電破壊するおそれがあった。

本発明は、レーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、基板と、前記基板上に積層された第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に積層された活性層と、酸化領域及び該酸化領域に囲まれた非酸化領域を有する選択酸化層と、該選択酸化層の直上に形成され、少なくとも前記酸化領域の直上に高ドープ領域を有するドーピング層とを含み、前記活性層上に積層された第２の反射鏡と、を備える面発光レーザ素子である。

これによれば、素子の静電破壊を防止できる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ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示す概略図である。 第１実施形態の面発光レーザ素子が有する複数の発光部の配置を説明するための図である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の構成を説明するための図である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その１）である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その２）である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その３）である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その４）である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その５）である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その６）である。 第１実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その７）である。 第２実施形態の面発光レーザ素子の構成を説明するための図である。 第２実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その１）である。 第２実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その２）である。 第２実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その３）である。 第２実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その４）である。 第２実施形態の面発光レーザ素子の製造手順を説明するための図（その５）である。 カラープリンタの概略構成を説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態を図１〜図１１に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ１０００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ１０００は、光走査装置１０１０、感光体ドラム１０３０、帯電装置１０３１、現像ローラ１０３２、転写チャージャ１０３３、除電ユニット１０３４、クリーニングユニット１０３５、トナーカートリッジ１０３６、給紙コロ１０３７、給紙トレイ１０３８、レジストローラ対１０３９、定着ローラ１０４１、排紙ローラ１０４２、排紙トレイ１０４３、通信制御装置１０５０、及び上記各部を統括的に制御するプリンタ制御装置１０６０などを備えている。なお、これらは、プリンタ筐体１０４４の中の所定位置に収容されている。

通信制御装置１０５０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１０６０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１０６０は、上位装置からの要求に応じて各部を制御するとともに、上位装置からの画像情報を光走査装置１０１０に送る。

感光体ドラム１０３０は、円柱状の部材であり、その表面には感光層が形成されている。すなわち、感光体ドラム１０３０の表面が被走査面である。そして、感光体ドラム１０３０は、図１における矢印方向に回転するようになっている。

帯電装置１０３１、現像ローラ１０３２、転写チャージャ１０３３、除電ユニット１０３４及びクリーニングユニット１０３５は、それぞれ感光体ドラム１０３０の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム１０３０の回転方向に沿って、帯電装置１０３１→現像ローラ１０３２→転写チャージャ１０３３→除電ユニット１０３４→クリーニングユニット１０３５の順に配置されている。

帯電装置１０３１は、感光体ドラム１０３０の表面を均一に帯電させる。

光走査装置１０１０は、帯電装置１０３１で帯電された感光体ドラム１０３０の表面を、上位装置からの画像情報に基づいて変調された光束により走査し、感光体ドラム１０３０の表面に画像情報に対応した潜像を形成する。ここで形成された潜像は、感光体ドラム１０３０の回転に伴って現像ローラ１０３２の方向に移動する。なお、この光走査装置１０１０の構成については後述する。

トナーカートリッジ１０３６にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ１０３２に供給される。

現像ローラ１０３２は、感光体ドラム１０３０の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ１０３６から供給されたトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着した像（以下では、便宜上「トナー像」ともいう）は、感光体ドラム１０３０の回転に伴って転写チャージャ１０３３の方向に移動する。

給紙トレイ１０３８には記録紙１０４０が格納されている。この給紙トレイ１０３８の近傍には給紙コロ１０３７が配置されており、該給紙コロ１０３７は、記録紙１０４０を給紙トレイ１０３８から１枚ずつ取り出し、レジストローラ対１０３９に搬送する。該レジストローラ対１０３９は、給紙コロ１０３７によって取り出された記録紙１０４０を一旦保持するとともに、該記録紙１０４０を感光体ドラム１０３０の回転に合わせて感光体ドラム１０３０と転写チャージャ１０３３との間隙に向けて送り出す。

転写チャージャ１０３３には、感光体ドラム１０３０の表面のトナーを電気的に記録紙１０４０に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム１０３０の表面のトナー像が記録紙１０４０に転写される。ここで転写された記録紙１０４０は、定着ローラ１０４１に送られる。

定着ローラ１０４１では、熱と圧力とが記録紙１０４０に加えられ、これによってトナーが記録紙１０４０上に定着される。ここで定着された記録紙１０４０は、排紙ローラ１０４２を介して排紙トレイ１０４３に送られ、排紙トレイ１０４３上に順次、積み重ねられる。

除電ユニット１０３４は、感光体ドラム１０３０の表面を除電する。

クリーニングユニット１０３５は、感光体ドラム１０３０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１０３０の表面は、再度帯電装置１０３１に対向する位置に戻る。

次に、前記光走査装置１０１０の構成について説明する。

この光走査装置１０１０は、一例として図２に示されるように、光源装置１４、カップリングレンズ１５、開口板１６、シリンドリカルレンズ１７、反射ミラー１８、ポリゴンミラー１３、第１走査レンズ１１ａ、第２走査レンズ１１ｂ、及び走査制御装置（図示省略）などを備えている。そして、これらは、光学ハウジング３０の所定位置に組み付けられている。

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。

カップリングレンズ１５は、光源装置１４から射出された光束を略平行光とする。

開口板１６は、開口部を有し、カップリングレンズ１５を介した光束のビーム径を規定する。

シリンドリカルレンズ１７は、開口板１６の開口部を通過した光束を、反射ミラー１８を介してポリゴンミラー１３の偏向反射面近傍に副走査対応方向に関して結像する。

光源装置１４とポリゴンミラー１３との間の光路上に配置される光学系は、偏向器前光学系とも呼ばれている。本実施形態では、偏向器前光学系は、一例として、カップリングレンズ１５と開口板１６とシリンドリカルレンズ１７と反射ミラー１８とから構成されている。

ポリゴンミラー１３は、一例として、高さの低い正六角柱状部材からなり、側面に６面の偏向反射面が形成されている。このポリゴンミラー１３は、副走査対応方向に平行な軸のまわりを等速回転しながら、反射ミラー１８からの光束を偏向する。

第１走査レンズ１１ａは、ポリゴンミラー１３で偏向された光束の光路上に配置されている。

第２走査レンズ１１ｂは、第１走査レンズ１１ａを介した光束の光路上に配置されている。そして、この第２走査レンズ１１ｂを介した光束が、感光体ドラム１０３０の表面に照射され、光スポットが形成される。この光スポットは、ポリゴンミラー１３の回転に伴って感光体ドラム１０３０の長手方向に移動する。すなわち、感光体ドラム１０３０上を走査する。このときの光スポットの移動方向が「主走査方向」である。また、感光体ドラム１０３０の回転方向が「副走査方向」である。

ポリゴンミラー１３と感光体ドラム１０３０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。本実施形態では、走査光学系は、一例として、第１走査レンズ１１ａと第２走査レンズ１１ｂとから構成されている。なお、第１走査レンズ１１ａと第２走査レンズ１１ｂの間の光路上、及び第２走査レンズ１１ｂと感光体ドラム１０３０の間の光路上の少なくとも一方に、少なくとも１つの折り返しミラーが配置されても良い。

光源装置１４は、一例として、図３に示されるように、面発光レーザ素子１００、該面発光レーザ素子１００が実装されるパッケージ（不図示）などを有している。

面発光レーザ素子１００は、一例として、２次元配列された複数（例えば４０個）の発光部１４０、該複数の発光部１４０の周囲に配置された複数（例えば４０個）の電極パッド（不図示）などを有する。複数の発光部１４０は、ワイヤボンディングによって、対応する複数の電極パッドと電気的に接続されている。

ここでは、各発光部は、発振波長が７８０ｎｍ帯の垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）である。そこで、以下では、複数の発光部１４０を併せて面発光レーザアレイとも呼ぶ。

なお、本明細書では、各発光部からのレーザ光の射出方向をＺ軸方向、該Ｚ軸方向に直交する平面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向として説明する。ここでは、Ｘ軸方向が主走査対応方向であり、Ｙ軸方向が副走査対応方向である。

面発光レーザ素子１００では、一例として、４０個の発光部１４０は、副走査対応方向に関する位置が互いに異なるようにＸＹ平面に沿って２次元配列されている。

より詳細には、４０個の発光部１４０は、副走査対応方向に等間隔（間隔ｄ１とする）で並ぶ４個の発光部１４０をそれぞれが含む１０個の発光部列がＸＹ平面内で主走査対応方向に対して傾斜する方向に等間隔で並ぶように配列されている。すなわち、４０個の発光部１４０は、該４０個の発光部１４０の中心から、副走査対応方向に延びる仮想線上に下ろした垂線が等間隔（間隔ｄ２とする）となるように配列されている。この場合、各発光部の点灯タイミングを調整することで感光体ドラム１０３０上に４０個の光スポットを副走査方向に等間隔で同時に形成することができる。

そして、副走査対応方向に隣り合う２つの発光部１４０の副走査対応方向のピッチｄ１が例えば２３．８５μｍであれば、間隔ｄ２は２．６５μｍとなる。そして、光走査装置１０１０の全光学系の倍率が例えば２倍であれば、感光体ドラム１０３０上に副走査方向に５．３μｍ間隔で書き込みドットを形成することができる。すなわち、４８００ｄｐｉ（ドット／インチ）の高密度書込みができる。

勿論、ＸＹ平面内で主走査対応方向に傾斜する方向に並ぶ複数の発光部の数を増やしたり、ピッチｄ１を狭くして間隔ｄ２がより小さくなるように発光部を配置したり、光走査装置１０１０の全光学系の倍率を下げたりすれば、書込み密度をより高密度化でき、より高品質（高解像度）の印刷が可能となる。なお、主走査方向の書き込み間隔は、各発光部の点灯のタイミングを調整することで容易に調整できる。

面発光レーザ素子１００は、一例として、図４に示されるように、基板１０１、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、コンタクト層１０９、ｐ側電極１１３、ｎ側電極１１４などを有している。なお、図４では、面発光レーザ素子１００の一の発光部１４０のＸＺ断面が図示されている。

基板１０１は、一例として、表面が鏡面研磨面であるｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。

下部半導体ＤＢＲ１０３は、基板１０１の＋Ｚ側にバッファ層１０２を介して積層され、例えばｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、例えばｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを３７．５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例えば厚さ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、例えばノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ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、例えば３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有する３重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層は、例えばＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓからなり、各障壁層は、例えばＧａ_０．３Ａｌ_０．７Ａｓからなる。

上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋Ｚ側に積層され、例えばノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ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（λ）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、例えばｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と例えばｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２４ペア有している。なお、図４では、便宜上、このペアの数は、実際の数（２４）よりも少なく示されている。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例えば厚さ２０ｎｍ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（λは、発振波長）の光学的厚さとなるように設定されている。以下では、上部半導体ＤＢＲ１０７を構成する、１ペアの高屈折率層及び低屈折率層を、屈折率層対とも称する。

上部半導体ＤＢＲ１０７における共振器構造体から＋Ｚ側に例えば屈折層対２ペア分離れた位置には、例えば厚さ３３ｎｍのｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層１０８が配置されている。なお、選択酸化層１０８は、ｐ−ＡｌＡｓ層の＋Ｚ側及び−Ｚ側の少なくとも一方に例えば組成傾斜層、中間層などの層を含んでいても良く、ここでは、実際に酸化される層を併せて選択酸化層１０８と呼ぶ。図４では、選択酸化層１０８と共振器構造体との間に位置する層は、１つの屈折率層であるかの如く図示されているが、実際には、２ペアの屈折率層対である。

選択酸化層１０８の＋Ｚ側には、一の高屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層）が隣接して配置されており、該一の高屈折率層は、不純物濃度が高い高ドープ層となっている。そこで、以下では、この一の高屈折率層を、ドーピング層１２０とも称する。すなわち、ドーピング層１２０は、不純物濃度が高い高屈折率層である。ここでは、ドーピング層１２０は、３λ／４（λは、発振波長）の光学的厚さに設定されている。

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。

コンタクト層１０９からは、電極パッド（不図示）に延伸する、ｐ−ＳｉＮからなる光学的に透明な誘電体層である保護層１１１によって絶縁された金属配線（リード配線）が形成されている。金属配線及び電極パッドは、オーミック材料のＡｕＺｎと配線材としてのＡｕがリフトオフ法により形成される。

ここで、光源装置１４の製造方法について簡単に説明する。先ず、電流供給用、接地用の複数の配線部材が設けられたパッケージ（不図示）の所定位置に、面発光レーザ素子１００をダイボンディングする。

次いで、面発光レーザ素子１００の複数の電極パッドとパッケージの複数の配線部材とをワイヤボンディングにより電気的に接続する。

以下に、面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。面発光レーザ素子１００は、半導体製造工程によって、基板１０１上に同時に複数個が一体的に形成された後、複数のチップ状の面発光レーザ素子１００に分割される。なお、上記のように、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。

（１−１）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。この結晶成長は、不図示の結晶成長装置の反応管内において行われる。

ここでは、ＭＯＣＶＤ法の場合には、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。

具体的には、基板１０１上に、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、例えば２ペアの屈折率層対、選択酸化層１０８及びドーピング層１２０となる一の高屈折率層（ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層）を、この順に成長させる（図５参照）。なお、上記一の高屈折率層は、通常の上部半導体ＤＢＲを形成する場合と同様のドーピング条件で成長させる。ここでは、上記一の高屈折率層を光学的厚さが３λ／４となるように成長させる。また、この際、前述したように、選択酸化層１０８を、ｐ−ＡｌＡｓ層に加えて、例えば組成傾斜層、中間層などを含む構成としても良い。

（１−２）上記一の高屈折率層に対してイオン注入を行う（図６参照）。上記一の高屈折率層はｐ型半導体なので、ここではドーパントとしてＢｅ（ベリリウム）を用いる。具体的には、ＢｅＣｌ_２を用いてＢｅを注入した後、アニール処理による活性化を行う。この結果、上記一の高屈折率層は、高ドープ層としてのドーピング層１２０となる。

（１−３）図６の積層体上に、２１．５ペアの屈折率層対、及びコンタクト層１０９を、この順に、成長させる。この結果、２４ペアの屈折率層対及び選択酸化層１０８を含む上部半導体ＤＢＲ１０７が形成され、該上部半導体ＤＢＲ１０７上にコンタクト層１０９が形成される（図７参照）。

（１−４）積層体の表面の４０個の発光部１４０となる４０箇所を、それぞれ例えば一辺が２０μｍの正方形状のレジストパターンでマスクする。そして、Ｃｌ_２ガスを用いるＥＣＲエッチング法で、各レジストパターンをフォトマスクとしてメサ構造体（以下では、便宜上「メサ」と略述する）を形成する。ここでは、エッチングは、下部スペーサ層１０４に達するまで行われる。この結果、各発光部となるメサが形成される（図８参照）。

（１−５）積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、メサの選択酸化層１０８中のＡｌ（アルミニウム）がメサの外周部から選択的に酸化され、メサの中央部に、Ａｌの酸化領域１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域である非酸化領域１０８ｂが残留する（図９参照）。すなわち、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部に制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記非酸化領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。このようにして、例えば一辺が４．５μｍ程度の略正方形状の電流通過領域が形成される。

（１−６）気相化学堆積法（ｐ−ＣＶＤ法）を用いて、ｐ−ＳｉＮからなる光学的に透明な誘電体層である保護層１１１を形成する（図１０参照）。

（１−７）メサ頂部の保護層１１１上に、正方形状のレジストパターンを形成し、ウエットエッチングを施すことで、ｐ側電極取り出し口としての正方形状のコンタクトホールを形成する（図１１参照）。ここでは、エッチャントとして、例えばＢＨＦ（バッファードフッ酸）が用いられる。

（１−８）メサ頂部の光射出口となる領域（射出領域）に一辺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。このとき、同時に電極パッド及び金属配線となる部分にもｐ側の電極材料が蒸着される。

（１−９）光射出口となる領域に蒸着された電極材料をリフトオフし、ｐ側電極１１３を形成する（図４参照）。このｐ側電極で囲まれた領域が射出領域（光射出口）である。このとき、同時に電極パッド及び金属配線も形成される。

（１−１０）基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば、２５０μｍ程度）まで研磨した後、基板１０１の裏面（−Ｚ側の面）にｎ側電極１１４を形成する（図４参照）。ここでは、ｎ側電極はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

（１−１１）アニールによって、ｐ側電極とｎ側電極のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部１４０となる。この結果、複数（例えば４０個）の発光部１４０をそれぞれが含む複数の面発光レーザ素子１００（図３参照）が一体的に形成される。

この後、例えばヘキ開工程等の幾つかの後工程を経て、複数のチップ状の面発光レーザ素子１００（図３参照）が完成される。

ところで、酸化狭窄型のＶＣＳＥＬ素子（面発光レーザ素子）では、ｐ側及びｎ側電極間に電圧が印加されることにより素子内に電流が流れ、この電流が選択酸化層によって狭窄されて活性層に到達することで光が発生する。そして、この光が下部半導体ＤＢＲ及び上部半導体ＤＢＲによって増幅され、ｐ側電極の開口（光射出口）からレーザ光として射出される。

従来、このような酸化狭窄型のＶＣＳＥＬ素子のパッケージへの実装時等に、素子に静電気等の電圧が掛かると、発光部に瞬時に大電流が流れ、素子性能が損なわれていた。すなわち、素子が静電破壊していた。

この静電破壊は、図４におけるＡ点（酸化領域１０８ａと非酸化領域１０８ｂとの境界付近）でのみ発生すると考えられていた。

そこで、この静電破壊を防止するために、例えば電流通過領域（選択酸化層の非酸化領域）の形状を円形にすることで局所的に（例えば図４のＡ点で）電流密度が上昇することを抑制する試みなどがなされてきた。

しかしながら、発明者らが調査を進めたところ、図４におけるＢ点（酸化領域１０８ａ直上）でも上部半導体ＤＢＲが溶融する静電破壊が発生することが明らかになった。

この静電破壊は、選択酸化層の直上を横方向（Ｚ軸に直交する方向）に流れる電流によって生じる発熱が原因であると考えられる。

そこで、選択酸化層の直上の電気抵抗を小さくして、横方向に流れる電流による発熱を小さくすることで、図４におけるＢ点での静電破壊を防止できる。すなわち、素子の静電耐圧を向上させることができる。

以上説明した第１実施形態の面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、該基板１０１上に積層された下部半導体ＤＢＲ１０３と、該下部半導体ＤＢＲ１０３上に積層された活性層１０５と、酸化領域１０８ａ及び該酸化領域１０８ａに囲まれた非酸化領域１０８ｂを有する選択酸化層１０８と、該選択酸化層１０８の直上に形成され、酸化領域１０８ａ及び非酸化領域１０８ｂの直上に高ドープ領域を有するドーピング層１２０（高ドープ層）とを含み、活性層１０５上に積層された上部半導体ＤＢＲ１０７と、を備えている。

この場合、ドーピング層１２０は電気抵抗が小さいため、面発光レーザ素子１００に例えば静電気等の電圧が掛かったときに、ドーピング層１２０に流れる電流による発熱を低減させることができる。この結果、図４におけるＢ点での静電破壊を防止できる。

また、ドーピング層１２０は、酸化領域１０８ａと非酸化領域１０８ｂとの境界を跨ぐように形成されているため、該境界付近の電流密度が局所的に上昇することを十分に抑制できる。この結果、図４におけるＡ点での静電破壊を防止することができる。

結果として、面発光レーザ素子１００では、素子の静電破壊を確実に防止できる。

また、面発光レーザ素子１００では、発光部１４０の選択酸化層１０８の直上の一の高屈折率層の電気抵抗（不純物濃度）を小さくすることで、素子の静電破壊が防止されている。すなわち、発光部１４０自体が静電破壊を防止する構造を有しているため、発光部１４０自体に静電気等の電圧が掛かっても、該発光部１４０の静電破壊を防止することができる。

この場合、発光部１４０を例えば静電気等から保護するための特別な構造を素子における発光部１４０の周囲に設ける必要がない。この結果、素子における発光部の高密度集積化を図りつつ、素子の静電破壊を確実に防止できる。

また、ドーピング層１２０は、上部半導体ＤＢＲ１０７の作成過程で形成される一の高屈折率層にイオン注入を行い、アニール処理を施すのみで生成できるため、生成が容易である。この結果、製造コストの上昇を極力抑制できる。

結果として、第１実施形態では、超高信頼性の小型のマルチチャンネル面発光レーザ素子を低価格で提供できる。

ところで、上部半導体ＤＢＲを構成するＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌの組成が大きいほどキャリア移動度が増加する。このため、同じドーピング濃度の場合、Ａｌ組成が小さい高屈折層の方が、Ａｌ組成が大きい低屈折率層よりも、電気抵抗が低くなる。

面発光レーザ素子１００では、ドーピング層１２０は、上部半導体ＤＢＲ１０７を構成する高屈折率層とされているため、仮に低屈折率層とされる場合よりも、電気抵抗を低減することができ、素子の静電耐圧を向上できる。

また、面発光レーザ素子１００では、ドーピング層１２０の光学厚さが３λ／４とされているため、仮にドーピング層の光学的厚さが他の高屈折率層と同じλ／４とされる場合よりも、横方向に流れる電流に対して導通面積を大きくすることができるので、電気抵抗及び電流密度を低減できる。この結果、より効率的に発熱量を低減でき、素子の静電耐圧を向上させることができる。

また、面発光レーザ素子１００では、例えばパッケージ等への実装の際の静電破壊が確実に防止されるため、実装工程が無駄にならず、かつ光源装置１４の製造歩留まりを向上させることができる。

また、光走査装置１０１０は、光源装置１４を備えているため、多数の光スポットで感光体ドラムを安定して精度良く走査することができる。

また、レーザプリンタ１０００は、光走査装置１０１０を備えているため、高速、かつ高精細に画像を形成することができる。すなわち、スループット及び画像品質の向上を図ることができる。

以下に、本発明の第２実施形態を、図１２〜図１７を用いて説明する。第２実施形態では、主に上記第１実施形態と異なる点を説明し、上記第１実施形態と同様の構成を有する部材には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態は、面発光レーザ素子の各発光部の構成が上記第１実施形態と異なる。図１２には、第２実施形態の面発光レーザ素子２００の一の発光部２４０のＸＺ断面図が示されている。

具体的には、第２実施形態の面発光レーザ素子２００は、図１２に示されるように、各発光部２４０のドーピング層２２０の構成が、上記第１実施形態の面発光レーザ素子１００と異なる。

すなわち、上記第１実施形態におけるドーピング層１２０は、高ドープ層（高ドープ領域）のみで構成されているのに対し、第２実施形態におけるドーピング層２２０は、中央部に不純物濃度が低い低ドープ領域を有し、かつ該中央部を囲む周囲部に不純物濃度が高い高ドープ領域を有している。ここでは、ドーピング層２２０の光学的厚さは、例えば５λ／４に設定されている。

以下に、第２実施形態の面発光レーザ素子２００の製造方法について説明する。
（２−１）上記工程（１−１）と同様の工程を行い、積層体を作成する（図５参照）。ここでは、積層体の最上層である一の高屈折率層は、光学的厚さが５λ／４となるように成長される。

（２−２）図５における積層体を結晶成長装置の反応管内から取り出し、上記一の高屈折率層の中央部上に、公知の写真製版技術を用いて、レジストパターンを形成する（図１３参照）。レジストパターンの面積は、この後の酸化工程により設定される電流通過領域（非酸化領域）の面積と同程度であることが好ましい。そこで、ここでは、１辺が４．５μｍの正方形状のレジストパターンを形成する。

（２−３）レジストパターンが形成された、上記一の高屈折率層に対してイオン注入を行う（図１４参照）。この一の高屈折率層は、ｐ型半導体なので、ドーパントとして例えばＢｅを用いる。ここでは、ＢｅＣｌ２を用いてＢｅを注入した後、アニール処理による活性化を行う。この結果、上記一の高屈折率層は、低ドープ領域を中央部に有し、かつ高ドープ領域を周囲部に有するドーピング層２２０となる。

（２−４）レジストパターンを除去する。

（２−５）図１４の積層体を成長反応管内に戻し、該積層体上に２１．５ペアの屈折率層対、及びコンタクト層１０９を、この順に成長させる（図１５参照）。ここでは、各屈折率層対の高屈折率層は、ドーピング層２２０の低ドープ領域のドーピング濃度とほぼ同じドーピング濃度で成長される。

（２−６）上記工程（１−４）と同様の工程を行い、メサを形成した後、工程（１−５）と同様の工程を行い、酸化狭窄構造体を形成する（図１６参照）。この結果、電流通過領域としての非酸化領域１０８ｂと、ドーピング層２２０の低ドープ領域とは、ほぼ同じ大きさ（面積）となる。

（２−７）上記工程（１−６）と同様の工程を行った後、上記工程（１−７）と同様の工程を行い、メサ上部にコンタクトホールを形成する（図１７参照）。

（２−８）上記工程（１−８）〜上記工程（１−１１）と同様の工程、及び幾つかの工程を経た後、２次元配列された複数の発光部２４０（図１２参照）をそれぞれが有する複数のチップ状の面発光レーザ素子２００が作成される。

以上説明した第２の実施形態の面発光レーザ素子２００では、ドーピング層２２０は、中央部に高ドープ領域を有し、かつ該中央部を囲む周囲部に低ドープ領域を有している。

この場合、ドーピング層２２０の高ドープ領域は、素子に例えば静電気等の電圧が掛かったときに選択酸化層１０８の直上を横方向に流れる電流に対して低抵抗の電流経路となるため、この電流による発熱が低減される。この結果、図１２におけるＢ´点での静電破壊が防止される。

また、高ドープ領域と低ドープ領域との境界は、酸化領域１０８ａと非酸化領域１０８ｂとの境界の直上に位置しているため、該境界付近の電流密度が局所的に上昇することを抑制できる。この結果、図１２におけるＡ´点での静電破壊を防止することができる。

また、非酸化領域１０８ｂの直上に位置するドーピング層２２０の中央部が低ドープ領域であるため、仮にドーピング層の中央部が高ドープ領域である場合に比べ、光吸収損失が低減される。すなわち、面発光レーザ素子２００におけるレーザ光の取り出し効率は、選択酸化層の直上の半導体層が高ドープ領域を有するドーピング層とされていない従来の面発光レーザ素子と同等である。

結果として、面発光レーザ素子２００では、光吸収損失の増大を招くことなく、素子の静電破壊を防止できる。すなわち、第２実施形態では、高効率かつ高信頼性の小型のマルチチャンネル面発光レーザ素子を提供できる。

なお、上記第１及び第２実施形態では、ドーピング層の光学的厚さは、発振波長をλとしたとき、３λ／４又は５λ／４に設定されているが、これに限られない。要は、ドーピング層の光学的厚さは、（２ｋ＋１）λ／４（ｋは自然数）に設定されることが好ましい。

また、上記第１及び第２実施形態では、ドーピング層を形成する際、イオン注入を行うｐ型ドーパント材料としてＢｅを用いているが、イオンの種類はこれに限定されない。例えば、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃなどの材料を用いても同様の効果を得ることができる。

また、上記第１及び第２実施形態では、各発光部（メサ）のＸＹ断面形状が正方形である面発光レーザ素子について説明したが、これに限定されない。各発光部のＸＹ断面形状が例えば楕円形、円形、正方形以外の多角形等である面発光レーザ素子についても、同様の効果を得ることができる。特に、メサのＸＹ断面形状を例えば楕円形、円形等にし、電流通過領域の形状を楕円形、円形等にすることで、図４のＡ点及び図１２のＡ´点における静電破壊をより確実に防止することができる。

また、上記第１及び第２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。材料を適切に選択する事により、例えば６５０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３ｕｍ帯、１．５ｕｍ帯の波長帯の素子を同様に作成することができる。

また、上記第１及び第２実施形態の面発光レーザ素子では、複数の発光部は、図３に示されるように２次元配列されているが、これに限らず、要は、ＸＹ平面に沿って２次元配列されていれば良い。また、複数の発光部は、副走査対応方向に関する位置が互いに異なるように配置されることが好ましい。

また、上記第１及び第２実施形態では、面発光レーザ素子１００が４０個の発光部を有する場合について説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、面発光レーザ素子は、発光部を１個のみ有していても良いし、２個〜３９個有していても良いし、４１個以上有していても良い。

また、上記第２実施形態では、ドーピング層における高ドープ領域は、酸化領域全体の直上に形成されているが、これに限らず、要は、酸化領域の少なくとも一部の直上に形成されていれば良い。具体的には、酸化領域における非酸化領域を取り囲む少なくとも１つの任意の枠状部分の直上にのみ形成されても良い。

また、上記第２実施形態では、ドーピング層２２０における低ドープ領域は、非酸化領域１０８ｂと同形かつ同大とされているが、これに限られない。例えば、ドーピング層を、低ドープ領域が非酸化領域よりも小さくなり、かつ高ドープ領域が酸化領域と非酸化領域との境界を跨ぐように形成しても良い。この場合、光吸収損失の増大を抑制しつつ、図１２におけるＡ´点及びＢ´点における静電破壊を防止できる。また、例えば、ドーピング層を、低ドープ領域が非酸化領域よりも大きくなるように、すなわち低ドープ領域が酸化領域と非酸化領域との境界を跨ぐように形成しても良い。この場合、光吸収損失の増大を招くことなく、図１２におけるＢ´点における静電破壊を防止できる。

また、上記第１及び第２実施形態では、選択酸化層の直上に形成された高屈折率層がドーピング層とされているが、これに代えて、選択酸化層の直上に低屈折率層を形成し、この低屈折率層をドーピング層としても良い。

以上は、ｎ型基板上の素子について説明したものであるが、ｎ型基板上の素子に対して限定されるものではなく、ｐ型基板上の素子に対しても同様のことが言える。ｐ型基板を用いた場合には、上記の説明において、各層の導電型とキャリアの極性を入れ換えれば同様の効果が得られる。また、波長も７８０ｎｍ帯に限定されるものではなく、６５０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ及び１．５μｍ帯など、異なる活性層材料を用いた他の波長帯であっても良い。また、基板もＧａＡｓ以外の基板を用いても良い。

また、上記面発光レーザ素子１００は、画像形成装置以外の用途にも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、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯等の波長帯であっても良い。この場合に、活性層を構成する半導体材料は、発振波長に応じた混晶半導体材料を用いることができる。例えば、６５０ｎｍ帯ではＡｌＧａＩｎＰ系混晶半導体材料、９８０ｎｍ帯ではＩｎＧａＡｓ系混晶半導体材料、１．３μｍ帯及び１．５μｍ帯ではＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系混晶半導体材料を用いることができる。

また、上記第１及び第２実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ１０００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、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。

例えば、媒体が、ＣＴＰ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｏ Ｐｌａｔｅ）として知られている印刷版であっても良い。つまり、光走査装置１０１０は、印刷版材料にレーザアブレーションによって直接画像形成を行い、印刷版を形成する画像形成装置にも好適である。

また、例えば、媒体が、いわゆるリライタブルペーパーであっても良い。これは、例えば紙や樹脂フィルム等の支持体上に、以下に説明するような材料が記録層として塗布されている。そして、レーザ光による熱エネルギ制御によって発色に可逆性を与え、表示／消去を可逆的に行うものである。

透明白濁型リライタブルマーキング法とロイコ染料を用いた発消色型リライタブルマーキング法があり、いずれも適用できる。

透明白濁型は、高分子薄膜の中に脂肪酸の微粒子を分散したもので、１１０℃以上に加熱すると脂肪酸の溶融により樹脂が膨張する。その後、冷却すると脂肪酸は過冷却状態になり液体のまま存在し、膨張した樹脂が固化する。その後、脂肪酸が固化収縮して多結晶の微粒子となり樹脂と微粒子間に空隙が生まれる。この空隙により光が散乱されて白色に見える。次に、８０℃から１１０℃の消去温度範囲に加熱すると、脂肪酸は一部溶融し、樹脂は熱膨張して空隙を埋める。この状態で冷却すると透明状態となり画像の消去が行われる。

ロイコ染料を用いたリライタブルマーキング法は、無色のロイコ型染料と長鎖アルキル基を有する顕消色剤との可逆的な発色及び消色反応を利用している。レーザ光により加熱されるとロイコ染料と顕消色剤が反応して発色し、そのまま急冷すると発色状態が保持される。そして、加熱後、ゆっくり冷却すると顕消色剤の長鎖アルキル基の自己凝集作用により相分離が起こり、ロイコ染料と顕消色剤が物理的に分離されて消色する。

また、媒体が、紫外光を当てるとＣ（シアン）に発色し、可視光のＲ（レッド）の光で消色するフォトクロミック化合物、紫外光を当てるとＭ（マゼンタ）に発色し、可視光のＧ（グリーン）の光で消色するフォトクロミック化合物、紫外光を当てるとＹ（イエロー）に発色し、可視光のＢ（ブルー）の光で消色するフォトクロミック化合物が、紙や樹脂フィルム等の支持体上に設けられた、いわゆるカラーリライタブルペーパーであっても良い。

これは、一旦紫外光を当てて真っ黒にし、Ｒ・Ｇ・Ｂの光を当てる時間や強さで、Ｙ・Ｍ・Ｃに発色する３種類の材料の発色濃度を制御してフルカラーを表現し、仮に、Ｒ・Ｇ・Ｂの強力な光を当て続ければ３種類とも消色して真っ白にすることもできる。

このような光エネルギ制御によって発色に可逆性を与えるものも上記実施形態と同様な光走査装置を備える画像形成装置として実現できる。

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。

また、一例として図１８に示されるように、複数の感光体ドラムを備えるカラープリンタ２０００であっても良い。

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、ブラック用のステーション（感光体ドラムＫ１、帯電装置Ｋ２、現像装置Ｋ４、クリーニングユニットＫ５、及び転写装置Ｋ６）と、シアン用のステーション（感光体ドラムＣ１、帯電装置Ｃ２、現像装置Ｃ４、クリーニングユニットＣ５、及び転写装置Ｃ６）と、マゼンタ用のステーション（感光体ドラムＭ１、帯電装置Ｍ２、現像装置Ｍ４、クリーニングユニットＭ５、及び転写装置Ｍ６）と、イエロー用のステーション（感光体ドラムＹ１、帯電装置Ｙ２、現像装置Ｙ４、クリーニングユニットＹ５、及び転写装置Ｙ６）と、光走査装置２０１０と、転写ベルト２０８０と、定着ユニット２０３０などを備えている。

各感光体ドラムは、図１８中の矢印の方向に回転し、各感光体ドラムの周囲には、回転方向に沿って、それぞれ帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニングユニットが配置されている。各帯電装置は、対応する感光体ドラムの表面を均一に帯電する。帯電装置によって帯電された各感光体ドラム表面に光走査装置２０１０により光が照射され、各感光体ドラムに潜像が形成されるようになっている。そして、対応する現像装置により各感光体ドラム表面にトナー像が形成される。さらに、対応する転写装置により、転写ベルト２０８０上の記録紙に各色のトナー像が転写され、最終的に定着ユニット２０３０により記録紙に画像が定着される。

光走査装置２０１０は、前記面発光レーザ素子１００又は前記面発光レーザ素子２００と同様の面発光レーザ素子を含む光源装置を、色毎に有している。そこで、上記光走査装置１０１０と同様の効果を得ることができる。また、カラープリンタ２０００は、この光走査装置２０１０を備えているため、上記レーザプリンタ１０００と同様の効果を得ることができる。

ところで、カラープリンタ２０００では、各部品の製造誤差や位置誤差等によって色ずれが発生する場合がある。このような場合であっても、点灯させる発光部を選択することで色ずれを低減することができる。

１１ａ…第１走査レンズ（走査光学系の一部）、１１ｂ…第２走査レンズ（走査光学系の一部）、１３…ポリゴンミラー（偏向器）、１４…光源装置、１００…面発光レーザ素子、１０１…基板、１０３…下部半導体ＤＢＲ（第１の反射鏡）、１０５…活性層、１０７…上部半導体ＤＢＲ(第２の反射鏡)、１０８…選択酸化層、１０８ａ…酸化領域、１０８ｂ…非酸化領域、１２０…ドーピング層、１４０…発光部、２２０…ドーピング層、１０００…レーザプリンタ、１０１０…光走査装置、１０３０…感光体ドラム（像担持体）、２０００…カラープリンタ（画像形成装置）、２０１０…光走査装置、Ｋ１，Ｃ１，Ｍ１，Ｙ１…感光体ドラム（像担持体）。

特許第４８２１９６７号公報 特開２００６−３５２０１５号公報

Claims (10)

1. レーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、
   基板と、
   前記基板上に積層された第１の反射鏡と、
   前記第１の反射鏡上に積層された活性層と、
   酸化領域及び該酸化領域に囲まれた非酸化領域を有する選択酸化層と、該選択酸化層の直上に形成され、少なくとも前記酸化領域の直上に高ドープ領域を有するドーピング層とを含み、前記活性層上に積層された第２の反射鏡と、を備える面発光レーザ素子。
2. 前記高ドープ領域は、前記酸化領域と前記非酸化領域との境界を跨ぐように形成されてい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. 前記高ドープ領域は、前記ドーピング層の中央部を囲む周囲部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記ドーピング層の中央部は、少なくとも前記非酸化領域の直上に位置し、前記高ドープ領域よりも不純物濃度が低い低ドープ領域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. 前記低ドープ領域は、前記非酸化領域と同じ大きさであることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記第２の反射鏡は、前記選択酸化層上に交互に積層された高屈折率層及び低屈折率層を含み、
   前記ドーピング層は、前記選択酸化層の直上に積層された前記高屈折率層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記レーザ光の発振波長をλとしたとき、前記ドーピング層の光学的厚さは、（２ｋ＋１）λ／４（ｋは自然数）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. レーザ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１〜７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装置と、
   前記光源装置からのレーザ光を偏向する偏向器と、
   前記偏向器で偏向されたレーザ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。
9. 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が含まれる光を走査する少なくとも１つの請求項８に記載の光走査装置と、を備える画像形成装置。
10. 面発光レーザ素子の製造方法であって、
    基板上に第１の反射鏡を形成するステップと、
    前記第１の反射鏡上に活性層を形成するステップと、
    前記活性層上に、酸化領域及び該酸化領域に囲まれた非酸化領域を有する選択酸化層を形成するステップと、
    前記選択酸化層上に第２の反射鏡を形成するステップと、を含み、
    前記第２の反射鏡を形成するステップは、
    前記選択酸化層の直上に前記第２の反射鏡の一部となる半導体層を形成するサブステップと、
    前記半導体層における少なくとも前記酸化領域の直上の領域に対してイオン注入を行うサブステップと、を含む面発光レーザ素子の製造方法。

Images