JP5669364B2 - 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、基板に対して垂直方向に光を出力する面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイ、前記面発光レーザ素子あるいは前記面発光レーザアレイを有する光走査装置、該光走査装置を備える画像形成装置に関する。

面発光レーザ素子はその構造上、低閾値電流化及び低消費電力化が容易であるという特徴を備えている。近年、それまでに研究されていたイオン注入型の面発光レーザ素子に比べて、より低閾値電流化が可能で、高速応答性に優れた酸化狭窄型の面発光レーザ素子が精力的に研究されている（例えば、非特許文献１参照）。

酸化狭窄型の面発光レーザ素子は、酸化物による横モードの光閉じ込めが良好で、発振モード特性が安定であるという利点を備えているが、酸化物による光閉じ込めが大きすぎるために、単一基本横モード発振を得ることが難しい。なお、以下では、酸化狭窄型の面発光レーザ素子を、便宜上、単に「面発光レーザ素子」という。

従来、単一基本横モード制御を行う方法として、電流注入領域（電流通過領域）である非酸化領域の面積を小さくし、高次横モードが閉じ込められて発振しないように、言い換えると高次横モードがカットオフされるようにする方法が広く採用されていた。

また、単一基本横モード制御を行う別の方法として、酸化物による横モードの光閉じ込めの強さを小さくする方法が提案された。横モードの光閉じ込めの強さが小さいと高次モード発振が抑制される。この場合には、非酸化領域の面積を小さくする必要はないので、熱的特性及び電気的特性はいずれも向上する方向に向かう。そこで、飽和出力が向上し、変調速度も向上することとなる。酸化物による光閉じ込めの強さを低減するため、従来、酸化物の位置を活性層から遠ざけるか、または、酸化物の厚さを薄くしていた。

面発光レーザ素子は基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せることから、高密度で２次元的に集積することが容易であり、高速で高精細の電子写真システム等への応用が検討され始めている。例えば、非特許文献２には、７８０ｎｍ帯のＶＣＳＥＬアレイ（面発光レーザアレイ）を用いたプリンタが開示されている。また、特許文献１には、マルチスポット光源を有するマルチスポット画像形成装置が開示されている。一般的には、単一基本横モードで高出力動作が可能な面発光レーザ素子を用いることにより、より高速な光書き込みが実現可能である。

電子写真などでは、光源に駆動電流を供給したときの、光源の光出力の応答波形（光出力の時間変化、以下では、「光波形」ともいう）における立ち上がりの挙動は、画像品質に極めて大きな影響を与える。例えば、光波形における立ち上がり時間は勿論のこと、立ち上がりの初期において光出力が一定光量に達した後に、光量が僅かに変動しても画像の品質を低下させるおそれがある。

これは、光波形の立ち上がり時及び立下り時に形成されるのが、いずれも画像の輪郭部分であり、特に立ち上がり時、及び略立ち上がったとみなせる状態から暫くの間で光量が変化すると画像の輪郭が不明瞭となり、視覚的に鮮明さを欠く画質となるからである。

例えば、Ａ４用紙幅（縦）約３００ｍｍの１ラインを走査するのに要する時間が３００μｓであれば、１μｓの時間に約１ｍｍ幅が走査される。画像濃度の変動に対して、人の目の視覚感度が最も高くなる幅は１〜２ｍｍであると言われている。そこで、約１ｍｍ幅において画像濃度が変動すると、その濃度変化は人の目で検出されるに十分なものとなって、輪郭が不鮮明な印象を与えることになる。

図４９は、面発光レーザ素子を、パルス幅５００μｓ、デューティ５０％（パルス周期１ｍｓ）のパルス条件で駆動したときの光波形を示したものである。図４９に示されるように、比較的長い時間スケールで見ると、光出力は立ち上がり直後に一度ピークを示した後、光出力が低下し安定になっている。この光出力の変化は、面発光レーザ素子の自己発熱によるものであり、一般的に「ドループ特性」と呼ばれている。

ところで、発明者らが詳細な検討を行ったところ、図４９における光波形の立ち上がり近傍を拡大した図５０に示されるように、短い時間スケールで見てみると、「ドループ特性」とは異なる光出力の変化が生じているという新しい知見を得た。

図５０では、光出力は、１０ｎｓ経過しても立ち上がった状態とならず、約２００ｎｓ経過すると略立ち上がった状態となっているが、その後１μｓ程度までの時間の間に次第に増加している。このような現象（特性）は、発明者らによって新たに見出されたものである。本明細書では、このような特性を「負のドループ特性」と呼ぶこととする。なお、従来の端面発光レーザ素子では、このような「負のドループ特性」は、見られることはない。

面発光レーザ素子で高品質な画質を得るには、立ち上がり時の光応答波形を適切に制御する必要があり、上記「負のドループ特性」を有する面発光レーザ素子では高品質な画像を得るのが難しいことが明らかになった。

本発明は、上述した発明者等の得た新規知見に基づいてなされたものであり、以下の構成を有するものである。

本発明は、第１の観点からすると、基板に対して垂直方向に光を出力するＡｌＧａＡｓ系の材料から成る面発光レーザ素子であって、活性層を含む共振器構造体と；前記共振器構造体を挟んで設けられ、アルミニウム及びヒ素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み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる狭窄構造体をその中に含む半導体多層膜反射鏡と；を備え、前記半導体多層膜反射鏡は、前記共振器構造体に対して前記基板側に、横方向に関する光閉じ込めを低減させる光閉じ込め低減部を有し、前記半導体多層膜反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層をペアとする複数のペアを有し、前記光閉じ込め低減部は、前記ペアを少なくとも１ペアを有し、該少なくとも１ペアにおける低屈折率層及び高屈折率層の少なくともいずれかの光学厚さは、発振波長λ、１以上の整数ｎを用いて、（２ｎ＋１）λ／４であり、前記被選択酸化層の厚さを少なくとも２８ｎｍ、前記電流通過領域の直径を４．０μｍ以上、発振の閾値電流が最小となるときの温度を２５℃以下とすることにより、負のドループ特性を抑制し、パルス周期が１ｍｓ、パルス幅が５００μｓの方形波電流パルスを供給したとき、供給後１０ｎｓでの光出力Ｐ１、及び供給後１μｓでの光出力Ｐ２を用いて、０≧（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２≧−０．１、の関係が満足される面発光レーザ素子である。

これによれば、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作が可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明の面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイである。

これによれば、本発明の面発光レーザ素子が集積されているため、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作が可能となる。

本発明は、第３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偏向器と；前記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４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アレイを有する光源と；前記光源からの光を偏向する偏向器と；前記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。

上記各光走査装置によれば、本発明の面発光レーザ素子あるいは本発明の面発光レーザアレイを有しているため、結果として、高精度の光走査を行うことが可能となる。

本発明は、第５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が含まれる光を走査する少なくとも１つの本発明の光走査装置と；を備える画像形成装置。

これによれば、少なくとも１つの本発明の光走査装置を備えているため、高品質の画像を形成することが可能となる。

本発明の一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。 図２における光源に含まれる面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ図３における基板を説明するための図である。 図３における下部半導体ＤＢＲの一部を拡大した図である。 図３における活性層近傍を拡大した図である。 従来の面発光レーザ素子を、パルス周期１ｍｓ、デューティ５０％の方形波電流パルスで駆動したときの光波形を説明するための図である。 従来の面発光レーザ素子を、パルス周期１００ｎｓ、デューティ５０％の方形波電流パルスで駆動したときの光波形を説明するための図である。 作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆを説明するための図（その１）である。 図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆを説明するための図（その２）である。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれ内部温度が上昇したときの有効屈折率差Δｎｅｆｆを説明するための図である。 室温での横方向の光閉じ込めが不十分な面発光レーザ素子における、内部温度の上昇によるＩ−Ｌ曲線のシフトを説明するための図である。 図１２のときの光波形を説明するための図である。 計算に用いた各屈折率を説明するための図である。 光閉じ込め係数と被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径の関係を説明するための図（その１）である。 光閉じ込め係数と被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径の関係を説明するための図（その２）である。 光閉じ込め係数と被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径の関係を説明するための図（その３）である。 ２５℃での基本横モードの光閉じ込め係数が約０．９８３となる面発光レーザ素子の光波形を説明するための図である。 ２５℃での基本横モードの光閉じ込め係数が約０．８４６となる面発光レーザ素子の光波形を説明するための図である。 ２５℃での面発光レーザ素子における被選択酸化層の厚さとドループ率との関係を説明するための図である。 Δλ_０＞０を説明するための図である。 Δλ_０＜０を説明するための図である。 発振閾値電流と測定温度との関係を説明するための図である。 ディチューニング量と閾値電流が最小となる温度との関係を説明するための図である。 ドループ率と閾値電流が最小となる温度との関係を説明するための図（その１）である。 ドループ率と閾値電流が最小となる温度との関係を説明するための図（その２）である。 光閉じ込め低減領域Ａのペア数と基本横モードの光閉じ込め係数との関係を説明するための図である。 計算に用いた従来の面発光レーザ素子の構造を説明するための図である。 計算に用いた光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子の構造を説明するための図である。 計算に用いた従来の面発光レーザ素子における下部半導体ＤＢＲの構造を説明するための図である。 光閉じ込め低減領域Ａを説明するための図である。 光閉じ込め低減領域Ｂを説明するための図である。 光閉じ込め低減領域Ｂのペア数と基本横モードの光閉じ込め係数との関係を説明するための図である。 光閉じ込め低減領域Ｃを説明するための図である。 光閉じ込め低減領域Ｃのペア数と基本横モードの光閉じ込め係数との関係を説明するための図である。 光閉じ込め低減領域の効果を説明するための図である。 吸収損失低減層を説明するための図（その１）である。 吸収損失低減層を説明するための図（その２）である。 吸収損失低減層の光閉じ込め係数に及ぼす影響を説明するための図である。 光閉じ込め低減領域及び吸収損失低減層の効果を説明するための図（その１）である。 光閉じ込め低減領域及び吸収損失低減層の効果を説明するための図（その２）である。 光閉じ込め低減領域の変形例１を説明するための図である。 光閉じ込め低減領域の変形例２を説明するための図である。 光閉じ込め低減領域の変形例３を説明するための図である。 面発光レーザアレイを説明するための図である。 図４５における発光部の２次元配列を説明するための図である。 図４６のＡ−Ａ断面図である。 カラープリンタの概略構成を説明するための図である。 従来の面発光レーザ素子の光波形を説明するための図である。 図４９における立ち上がり近傍を拡大した図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図４１に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係るレーザプリンタ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、帯電チャージャ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。

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。

帯電チャージャ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、帯電チャージャ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。

帯電チャージャ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、帯電チャージャ１０３１で帯電された感光体ドラム１０３０の表面に、上位装置からの画像情報に基づいて変調された光束を照射する。これにより、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム１０３０の表面に形成される。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潜像（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枚づつ取り出し、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の表面上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上に順次スタックされる。

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、再度帯電チャージャ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、偏向器側走査レンズ１１ａ、像面側走査レンズ１１ｂ、ポリゴンミラー１３、光源１４、カップリングレンズ１５、開口板１６、アナモルフィックレンズ１７、反射ミラー１８、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、ハウジング３０の中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１４から出力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。

アナモルフィックレンズ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、カップリングレンズ１５と開口板１６とアナモルフィックレンズ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、一例として内接円の半径が１８ｍｍの６面鏡を有し、各鏡がそれぞれ偏向反射面となる。このポリゴンミラー１３は、副走査対応方向に平行な軸の周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。

偏向器側走査レンズ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。

像面側走査レンズ１１ｂは、偏向器側走査レンズ１１ａを介した光束の光路上に配置されている。そして、この像面側走査レンズ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、偏向器側走査レンズ１１ａと像面側走査レンズ１１ｂとから構成されている。なお、偏向器側走査レンズ１１ａと像面側走査レンズ１１ｂの間の光路上、及び像面側走査レンズ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を有している。なお、本明細書では、レーザ発振方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に垂直な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軸方向として説明する。

面発光レーザ素子１００は、設計上の発振波長が７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子であり、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、コンタクト層１０９などを有している。

基板１０１は、表面が鏡面研磨面であり、図４（Ａ）に示されるように、鏡面研磨面の法線方向が、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４（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。

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、一例として図５に示されるように、第１の下部半導体ＤＢＲ１０３１と、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２と、第３の下部半導体ＤＢＲ１０３３とを有している。

第１の下部半導体ＤＢＲ１０３１は、バッファ層１０２の＋Ｚ側に積層され、ｎ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層１０３ａと、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層１０３ｂのペアを３６．５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組成傾斜層（図示省略）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の光学厚さとなるように設定されている。ところで、光学厚さが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。

第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２は、第１の下部半導体ＤＢＲ１０３１の＋Ｚ側に積層され、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを３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組成傾斜層（図示省略）が設けられている。そして、低屈折率層１０３ａは、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、３λ／４の光学厚さとなるように設定され、高屈折率層１０３ｂは、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学厚さとなるように設定されている。この第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２が、「光閉じ込め低減領域」となる。

第３の下部半導体ＤＢＲ１０３３は、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２の＋Ｚ側に積層され、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを１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組成傾斜層（図示省略）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の光学厚さとなるように設定されている。

このように、本実施形態では、下部半導体ＤＢＲ１０３は、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを合計で４０．５ペア有している。

下部スペーサ層１０４は、第３の下部半導体ＤＢＲ１０３３の＋Ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ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、一例として図６に示されるように、ＧａＩｎＡｓＰからなる量子井戸層１０５ａとＧａＩｎＰからなる障壁層１０５ｂとを有する３重量子井戸活性層である。量子井戸層１０５ａは７８０ｎｍ帯の発振波長を得るために、ＧａＩｎＰ混晶にＡｓを導入したものであり圧縮歪みを有する。また、障壁層１０５ｂは、引張歪みを導入することによってバンドギャップを大きくし、高いキャリア閉じ込めを実現するとともに、量子井戸層１０５ａの歪み補償構造を形成している。

ここでは、基板１０１に傾斜基板が用いられているため、活性層での利得に異方性が導入され、偏光方向を特定の方向に揃えること（偏光制御）が可能になっている。

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_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ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、その厚さが１波長の光学厚さとなるように設定されている。活性層１０５のＰＬ波長は、共振器構造体の共振波長７８０ｎｍに対し、８ｎｍだけ短波長となる７７２ｎｍに設定されており、１７℃において閾値電流が最小になる。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。この共振器構造体は、下部半導体ＤＢＲ１０３と上部半導体ＤＢＲ１０７とに挟まれている。

上部半導体ＤＢＲ１０７は、第１の上部半導体ＤＢＲ１０７１及び第２の上部半導体ＤＢＲ１０７２を有している。

第１の上部半導体ＤＢＲ１０７１は、上部スペーサ層１０６の＋Ｚ側に積層され、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる低屈折率層とｐ−（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる高屈折率層のペアを１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の光学厚さとなるように設定されている。

この第１の上部半導体ＤＢＲ１０７１は、ＡｌＧａＡｓ層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、活性領域へ注入された電子のブロック層として機能する。

また、基板１０１に傾斜基板が用いられているため、ＡｌＧａＩｎＰ材料の丘状欠陥（ヒロック）の発生を抑制し、結晶性を向上させることができるとともに、自然超格子の発生を抑制し、バンドギャップエネルギーの減少を防止することができる。従って、第１の上部半導体ＤＢＲ１０７１は、バンドギャップエネルギーを大きく保つことができ、電子のブロック層として良好に機能する。

第２の上部半導体ＤＢＲ１０７２は、第１の上部半導体ＤＢＲ１０７１の＋Ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２３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の光学厚さとなるように設定されている。

第２の上部半導体ＤＢＲ１０７２における低屈折率層の１つには、ｐ−ＡｌＡｓ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３ペア目の低屈折率層中であって、電界の定在波分布における節に対応する位置である。

コンタクト層１０９は、第２の上部半導体ＤＢＲ１０７２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。

また、以下で示される屈折率層の光学厚さは、隣接する組成傾斜層の１／２を含んでいるものとする。

次に、面発光レーザ素子１００の製造方法について簡単に説明する。

（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。

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族の原料にはアルシン（ＡｓＨ_３）ガスを用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）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。そして、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系材料のＶ族Ｐ原料には、ホスフィン（ＰＨ_３）ガスを用い、ＡｌＧａＩｎＰのｐ型ドーパント原料には、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いている。

（２）積層体の表面に一辺が２５μｍの正方形状のレジストパターンを形成する。

（３）Ｃｌ２ガスを用いるＥＣＲ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半導体ＤＢＲ１０３中に位置するようにした。

（４）フォトマスクを除去する。

（５）積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、被選択酸化層中のＡｌがメサの外周部から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３参照）。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、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。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、種々の予備実験の結果から、電流通過領域の一辺が略４μｍとなるように、熱処理の条件（保持温度、保持時間等）を適切に選択している。具体的には、保持温度は３６０℃、保持時間は３０分とした。

（６）気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ＳｉＮあるいはＳｉＯ_２からなる保護層１１１を形成する。

（７）ポリイミド１１２で平坦化する。

（８）メサ上部にＰ側電極コンタクトの窓開けを行う。ここでは、フォトレジストによるマスクを施した後、メサ上部の開口部を露光してその部分のフォトレジストを除去した後、ＢＨＦにてポリイミド１１２及び保護層１１１をエッチングして開口する。

（９）メサ上部の光出射部となる領域に一辺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。

（１０）光出射部の電極材料をリフトオフし、ｐ側の電極１１３を形成する。

（１１）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、ｎ側の電極１１４を形成する。ここでは、ｎ側の電極１１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層膜である。

（１２）アニールによって、ｐ側の電極１１３とｎ側の電極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。

（１３）チップ毎に切断する。

このようにして製造された面発光レーザ素子１００に、目標の光出力を１．４ｍＷとし、パルス周期が１ｍｓ、パルス幅が５００μｓ（デューティ５０％）の方形波電流パルスを供給したとき、供給後１０ｎｓでの光出力をＰ１、供給後１μｓでの光出力をＰ２とすると、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２＝−０．０６であった。なお、以下では、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２×１００の値（単位は％）を「ドループ率」ともいう。そこで、本実施形態に係る面発光レーザ素子１００では、ドループ率は、−６％である。ところで、ドループ率が−１０％よりも小さい面発光レーザ素子を用いると、レーザプリンタから出力される画像は、肉眼で観察したときに、高い頻度で、少なくとも一部において輪郭が不鮮明となる。

また、面発光レーザ素子１００は、２ｍＷ以上の単一基本横モード出力を得ることができた。

さらに、面発光レーザ素子１００は、閾値電流特性、外部微分量子効率（スロープ効率）は、従来の面発光レーザ素子とほとんど同じであった。

ところで、発明者らは、酸化狭窄構造体を有する従来の面発光レーザ素子を、種々の方形波電流パルスで駆動したときの光波形を詳細に検討した。図７は、パルス周期１ｍｓ、デューティ５０％のときの光波形であり、図８は、パルス周期１００ｎｓ、デューティ５０％のときの光波形である。

図７の光波形を見ると、立ち上がった後、光出力が次第に増加し、「負のドループ特性」が現れている。また、６０ｎｓ後においても、光出力が目標値（１．５ｍＷ）に達していない。一方、図８の光波形では、立ち上がり後の出力は安定し、「負のドループ特性」は現れていない。

このように、従来の面発光レーザ素子に方形波電流パルスを供給したときに、同じデューティであっても、すなわち、同じ発熱量であっても、パルス周期が長い場合に「負のドループ特性」が見られ、短い場合には「負のドループ特性」は見られないことがわかった。

パルス周期が異なると、面発光レーザ素子の内部温度の状況が異なると考えられる。つまり、パルス周期が長い場合には、発熱している時間及び冷却される時間がいずれも長いため、面発光レーザ素子の内部温度は大きく変動する。一方、パルス周期が短い場合には、連続した冷却時間を十分に取れないため、面発光レーザ素子の内部温度の変動は小さく、平均的に高めの温度で安定することになる。つまり、「負のドループ特性」が見られる駆動条件では、面発光レーザ素子の内部温度が大きく変動しており、「負のドループ特性」は面発光レーザ素子の内部温度に起因した現象であると考えることができる。

面発光レーザ素子の内部温度が変化すると、発振モードの横方向に関する電界強度分布（以下、便宜上「横モード分布」ともいう）が変化する。

酸化狭窄構造体における酸化層の屈折率は約１．６であり、周辺の半導体層の屈折率（約３）よりも小さいため、面発光レーザ素子の内部には、横方向にいわゆる作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆが存在する（図９参照）。

この有効屈折率差Δｎｅｆｆによって、基本横モード等の発振モードは横方向に閉じ込められる。このとき、発振モードの横方向の広がりは、△ｎｅｆｆの大きさによって決まり、△ｎｅｆｆが大きい程、横方向の広がりは小さい（図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）参照）。

この面発光レーザ素子に電流（駆動電流）を注入すると、電流がメサ中央部分に集中し、ジュール熱や、活性層領域における非発光再結合等によって、特にメサ中央部の活性層付近の温度が周辺領域に対して局所的に上昇する。半導体材料は、温度が上昇するとバンドギャップエネルギーが減少し、屈折率が大きくなる性質を有している。このため、メサ中央部の温度が局所的に上昇すると、中央部分の屈折率が周辺領域に対して大きくなり、横方向の光閉じ込めが強くなる。

図１０（Ａ）に示されるように、作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆが小さい場合に、メサ中央部の温度が局所的に上昇すると、図１１（Ａ）に示されるように、有効屈折率差Δｎｅｆｆの変化が大きくなり、横モード分布が大きく変化する。この場合には、電流注入が行われている利得領域と横モードとの重なりが増し、横方向の光閉じ込めが強くなる。この結果、利得領域での光強度が増加し、誘導放出レートが増大し、閾値電流が低くなる。

このように、作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆが小さく、室温での横方向の光閉じ込めが不十分な面発光レーザ素子では、内部温度が上昇すると、これに応じてＩ−Ｌ曲線は全体的に低電流側にシフトし、発光効率が向上する（図１２参照）。この場合には、同じ駆動電流値における光出力は時間とともに増大し、「負のドループ特性」が見られる（図１３参照）。図１２には、内部温度が上昇する前の時刻ｔ＝ｔ０秒に予測されるＩ−Ｌ特性と、パルス状に駆動電流が供給されて内部温度が十分上昇した時刻ｔ＝ｔ１秒に予測されるＩ−Ｌ特性が示されている。温度上昇に伴い発光効率が向上して閾値電流が低減するので、ｔ１秒におけるＩ−Ｌ特性は、ｔ０秒に対して低電流側にシフトしたものになる。駆動電流の値Ｉｏｐは一定であるから、ｔ１秒の場合の方が光出力は大きくなる。この場合の光波形が図１３に示されている。

一方、図１０（Ｂ）に示されるように、作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆが大きい場合には、メサ中央部の温度が局所的に上昇しても、図１１（Ｂ）に示されるように、有効屈折率差Δｎｅｆｆの変化は小さく、横モード分布はあまり変化しない。

このように、作り付けの有効屈折率差Δｎｅｆｆが大きく、室温での横方向の光閉じ込めが十分大きな面発光レーザ素子では、内部温度が上昇しても、横モード分布は安定しており、発光効率の変化は殆ど起こらない。この場合には、同じ駆動電流値における光出力は時間が経過してもほぼ一定であり、「負のドループ特性」は見られない。

横方向の光閉じ込めの強さを表す指標として、横方向の光閉じ込め係数（以下では、便宜上、単に「光閉じ込め係数」という）がある。なお、ここでは、「面発光レーザ素子の中心を通るＸＹ断面における電界の積分強度」に対する「電流通過領域と同じ半径領域中における電界の積分強度」の割合から光閉じ込め係数を求めることができる。この光閉じ込め係数の値が大きいほど、電界強度分布が利得領域に集中した鋭い分布になっている。言い換えると、室温での光閉じ込め係数の値が大きいほど、酸化狭窄構造体により十分に閉じ込めがなされており、利得領域の局所的な温度変化に対して横モード分布が安定であることを意味している。

面発光レーザ素子の横モード分布は、次のヘルムホルツ方程式（式（１）、式（２））から電界強度分布を計算することによって見積もることができる。

但し、上記（１）式及び（２）式は解析的に解くことが難しいため、通常は、計算機を用いた有限要素法による数値解析が行われる。有限要素法のソルバーとして利用できるものは種々あり、市販のＶＣＳＥＬシミュレータ（例えば、ＬＡＳＥＲ ＭＯＤ）を用いることができる。

一例として、７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子における基本横モード分布を算出する。

計算に用いた面発光レーザ素子では、活性層を厚さ８ｎｍ／８ｎｍのＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの３重量子井戸構造とし、各スペーサ層をＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓとしている。また、下部半導体ＤＢＲはＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ（高屈折率層）／ＡｌＡｓ（低屈折率層）の４０．５ペアからなり、上部半導体ＤＢＲはＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ（高屈折率層）／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ（低屈折率層）の２４ペアからなっている。

そして、この面発光レーザ素子は、直径２５μｍの円柱メサ形状を有し、メサエッチングは、下部半導体ＤＢＲと下部スペーサ層の界面まで行われているとし、エッチングが行われた領域は大気が占めるものとした。すなわち、単純なエッチドメサ構造とした。下部半導体ＤＢＲにおけるメサエッチングされていない部分の直径は３５μｍであり、これが計算で考慮されている最大の横幅である。また、被選択酸化層の材料はＡｌＡｓとし、被選択酸化層の位置は、上部半導体ＤＢＲにおける光学厚さ３λ／４の低屈折率層中であって、定在波分布に関して活性層から数えて３番目の節に対応する位置としている。

なお、計算では活性層の利得、及び半導体材料による吸収は考慮せず、構造で決まる固有モード分布のみを求めている。そして、面発光レーザ素子の温度は３００Ｋで均一であるとしている。また、各材料の屈折率は、図１４に示した値を用いた。なお、以下では、便宜上、酸化狭窄構造体の酸化層を、単に「酸化層」ともいい、電流通過領域の直径を「酸化狭窄径」ともいう。

上記のようにして算出された基本横モード分布に基づいて、次の（３）式を用いて光閉じ込め係数Γｌを算出した。ここで、ａは電流通過領域の半径に相当する。

上記７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子における室温での基本横モードの光閉じ込め係数を、種々の被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径について計算した結果が、図１５に示されている。これによると、光閉じ込め係数は、被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径に依存し、被選択酸化層の厚さが厚いほど、酸化狭窄径が大きいほど、高い値をとる。

図１６は、光閉じ込め係数を縦軸、被選択酸化層の厚さを横軸にして図１５の計算結果を図示したものである。被選択酸化層の厚さの増加に対する光閉じ込め係数の変化を見ると、酸化狭窄径が異なっていても、被選択酸化層の厚さが２５ｎｍ以下の領域でその変化が急であり、２５ｎｍ以上では飽和傾向を示すことが分かる。

実際に、被選択酸化層の厚さ及び酸化狭窄径がそれぞれ異なる複数の面発光レーザ素子を作製し、それらのドループ特性の評価を行った結果が図１７に示されている。図１７では、ドループ率が−１０％以上となったものを「○」、−１０％よりも小さくなったものを「×」として表している。図１５と図１７から、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が０．９以上となる素子構造では、−１０％以上のドループ率が得られていることがわかる。

図１８には、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が約０．９８３となる面発光レーザ素子の光波形が示されている。このときのドループ率は約−４．３％であった。

また、図１９には、室温における基本横モードの光閉じ込め係数が約０．８４６となる面発光レーザ素子の光波形が示されている。このときのドループ率は約−６２．８％であった。

このように、光閉じ込め係数が互いに異なる種々の面発光レーザ素子を作製し、詳細な検討を行ったところ、光閉じ込め係数が約０．９のときに、ドループ率は−５％程度であった。光閉じ込め係数をこれより増加させると、その増加に伴って、ドループ率は大きくなる結果となった。逆に、光閉じ込め係数が０．９より小さい面発光レーザ素子では、光閉じ込め係数が小さくなるほどドループ率が小さくなる傾向が見られ、ドループ率が−７０％以下の面発光レーザ素子も見られた。

このように、室温における基本横モードの光閉じ込め係数を０．９以上とすることで、「負のドループ特性」を抑制することができる。

一般に、室温での有効屈折率差△ｎｅｆｆは、被選択酸化層の厚さが厚いほど、また被選択酸化層の位置が活性層に近いほど、大きくなる。但し、これら２つの影響度を比較すると、被選択酸化層の厚さの影響度の方がはるかに大きい。従って、室温での横方向の光閉じ込めの強さは、主に被選択酸化層の厚さによって決まる。

また、一般的に良く用いられる酸化狭窄径は、４．０μｍ以上であり、図１５に示されるように、被選択酸化層の厚さが２５ｎｍ以上であれば、０．９以上の光閉じ込め係数を確保することができる。

四角柱状のメサを有し、酸化狭窄径が４μｍ以上である面発光レーザ素子において、被選択酸化層１０８の厚さとドループ率との関係が、図２０に示されている。図２０におけるドループ率は、パルス周期１ｍｓ、デューティ５０％の方形波電流パルスで駆動したときの光波形から求めた。これによると、被選択酸化層の厚さが薄くなると、ドループ率は指数関数的に小さくなり、「負のドループ特性」が顕著に現れる。また、素子毎のドループ率のばらつきも顕著となってくる。そして、ドループ率を−１０％以上とするには、被選択酸化層の厚さを２５ｎｍ以上にする必要がある。

また、基本横モードの光閉じ込め係数は、主として酸化狭窄径と被選択酸化層の厚さの２つに依存して決まるので、酸化狭窄径と被選択酸化層の厚さの組み合わせをどのように選ぶかは重要である。

発明者らが様々なフィッティング方式を試行したところ、図１５の計算結果は、酸化狭窄径（ｄ［μｍ］とする）と、被選択酸化層の厚さ（ｔ［ｎｍ］とする）を変数として、これらの２次形式で概ねフィッティングすることが可能であった。次の（４）式は、基本横モードの光閉じ込め係数（Γとする）を、酸化狭窄径ｄと被選択酸化層の厚さｔの２次形式でフィッティングした結果であり、ｄ、ｔに図１５の具体的な値を代入することにより、概ね１％の誤差で図１５の基本横モードの光閉じ込め係数を得ることができる。

Γ（ｄ，ｔ）＝−２．５４ｄ^２−０．１４ｔ^２−０．９９８ｄ・ｔ＋５３．４ｄ＋１２．９ｔ−２１６ ……（４）

「負のドループ特性」を効果的に抑制するためには、光閉じ込め係数を０．９以上に設定する必要があるが、ここで光閉じ込め係数が０．９以上となる酸化狭窄径（ｄ）と、被選択酸化層の厚さ（ｔ）の組み合わせ（範囲）は、上記（４）式より求めることができる。つまり、この範囲とは、Γ（ｄ，ｔ）≧０．９なる不等式を満たすｄとｔの組み合わせであり、より具体的には次の（５）式のように表される。

−２．５４ｄ^２−０．１４ｔ^２−０．９９８ｄ・ｔ＋５３．４ｄ＋１２．９ｔ−２１６≧０．９ ……（５）

そこで、上記（５）式が成立するように酸化狭窄径（ｄ）と、被選択酸化層の厚さ（ｔ）を選ぶことにより、基本横モードの光閉じ込め係数は０．９以上となり、「負のドループ特性」が抑制された素子を得ることができる。

△ｎｅｆｆがドループ特性に影響を与えることはこれまで知られておらず、以上のように、本願の発明者らにより今回初めて明らかになった。

なお、Ａｌを選択酸化する工程（上記工程（５））では、酸化は基板面に対して平行方向（ここでは、ＸＹ面内方向）のみではなく、垂直方向（ここでは、Ｚ軸方向）へも僅かながら進行する。従って、選択酸化が終わったメサの断面を電子顕微鏡で観察すると、酸化層の厚さは一様ではなく、メサ外周部（酸化開始部）における厚さが厚く、酸化終了部が薄くなっている。但し、酸化終了部からメサの外周方向に向かって２〜３μｍまでの領域では、酸化層の厚さは被選択酸化層の厚さとほぼ一致している。発振光は主に酸化終了部における有効屈折率差の影響を受けるので、上記工程（１）において被選択酸化層の厚さを所望の値（２５ｎｍ以上）に制御することにより、酸化層における酸化終了部の厚さを所望の値にすることができる。

ところで、光閉じ込め係数の他に、面発光レーザ素子の内部温度が変化するとディチューニング量も変化する。そこで、次に、ディチューニング量と「負のドループ特性」との関係について説明する。

端面発光型レーザ素子では、共振縦モードが密に存在しているため、レーザ発振はゲインピーク波長λｇにおいて生じる。一方、面発光レーザ素子では、通常、共振波長が１波長であり、半導体ＤＢＲの反射帯域中には単一縦モードしか存在し得ない。また、レーザ発振は共振波長λｒにおいて生じるので、面発光レーザ素子の発光特性は、共振波長λｒと活性層のゲインピーク波長λｇの関係に依存する。

ここでは、ディチューニング量Δλ_０を次の（６）式で定義する。λｒ_０は共振波長であり、λｇ_０はゲインピーク波長である。なお、添え字０は、室温において閾値電流でＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）駆動させた場合の値を意味している。以下、添え字０がない場合は、これ以外の場合、例えば閾値電流以上で動作させた場合の値などを意味する。

Δλ_０＝λｒ_０−λｇ_０ ……（６）

図２１には、Δλ_０＞０の場合が示され、図２２には、Δλ_０＜０の場合が示されている。

発振波長は、ゲインピーク波長ではなく、共振波長により決まるため、面発光レーザ素子のレーザ特性は、Δλ_０の正負、及びその値に大きく依存する。例えば、室温における閾値電流はΔλ_０の絶対値が大きいほど高くなる傾向がある。

共振波長及びゲインピーク波長は、温度上昇に伴って、いずれも長波長側に変化する。この際、共振波長の変化は共振器構造体を構成する材料の屈折率変化によって生じ、ゲインピーク波長の変化は活性層材料のバンドギャップエネルギーの変化によって起こる。但し、バンドギャップエネルギーの変化の割合は、屈折率変化の割合よりも約一桁大きい。そこで、温度変化時の発光特性は、主にゲインピーク波長の変化量に依存して決まる。なお、共振波長の温度変化率は約０．０５ｎｍ／Ｋであり、実質的に、温度に対する変化は無視することができる。

面発光レーザ素子において、注入電流の変化等によって内部温度（活性層の温度）が上昇すると、ゲインピーク波長は長波長側へシフトする。そこで、Δλ_０＞０の場合（図２１参照）には、Δλの絶対値（離調度）は一度減少し、その後増加する。

一般に、面発光レーザ素子では、ゲインピーク波長と共振波長が一致した状態が最も発振効率（発光効率）が高くなる。

△λ_０＞０の場合に、素子温度（環境温度）を室温から上昇させて閾値電流を計測すると、閾値電流は素子温度の上昇とともに減少し始めることになる。そして、閾値電流は、ゲインピーク波長と共振波長が一致したときに最小値となり、さらに温度を高くすると上昇し始める。すなわち、室温よりも高温側に閾値電流が最小となる温度が存在することになる。

Δλ_０＜０の場合（図２２参照）には、内部温度（活性層の温度）が上昇すると、Δλの絶対値は単に増加するのみであるから、素子温度を室温から上昇させて閾値電流を計測すると、閾値電流は素子温度の上昇とともに増加するのみとなる。

この場合、素子温度を室温から低下させると、ゲインピーク波長△λｇは短波長側にシフトする。そこで、素子温度を室温から低下させて閾値電流を計測すると、閾値電流は減少し始め、ゲインピーク波長と共振波長が一致したときに最小となる。そして、更に温度を下げると閾値電流は増加し始めることになる。すなわち、Δλ_０＜０の場合には、閾値電流が最小となる温度は室温より低温側に存在している。

△λ_０が互いに異なる（△λ_０＜０、△λ_０≒０、△λ_０＞０）３つの素子の発振閾値電流を、素子温度（環境温度）を変えて計測した結果が一例として図２３に示されている。図２３における縦軸は、各温度における発振閾値電流（Ｉｔｈ）を２５℃（室温）における発振閾値電流（Ｉｔｈ（２５℃））で規格化した値である。図２３から、△λ_０＜０の場合には室温よりも低温側で、△λ_０≒０の場合には室温付近で、△λ_０＞０の場合には室温より高い温度で閾値電流が最小となっていることが実際に確認できる。

従来の面発光レーザ素子では、高温、高出力動作状態での発光特性の劣化を防ぐため、通常は高温での閾値電流が低くなるように、△λ_０＞０と設定されている。

しかしながら、Δλ_０＞０に設定された従来の面発光レーザ素子を方形波電流パルスで駆動した場合に、内部温度の上昇に伴いＩ−Ｌ特性は低電流側にシフトし、閾値電流が低下するので、同じ駆動電流値における光出力は時間とともに増大する。つまり、「負のドループ特性」が発生することになる。一方、Δλ_０＜０の場合には、内部温度の上昇に伴いＩ−Ｌ特性は高電流側にシフトするので、光出力の上昇は起こらない。つまり、「負のドループ特性」は発生しない。このように、「負のドループ特性」を抑制するには、酸化層の厚さ以外に、△λ_０＜０に設定し、室温以上の温度で閾値電流が最小とならないようにする必要がある。

λ_０を所望の値に設定するにはゲインピーク波長λｇ_０を知る必要がある。端面発光レーザ素子では、発振波長がゲインピーク波長に一致するので、発振波長からゲインピーク波長を知ることができる。ところが、面発光レーザ素子では、共振波長は構造によって決まるので端面発光レーザ素子のようにゲインピーク波長を見積もることが難しい。

このため、（１）同じ活性層を有する端面発光レーザ素子を作製して、室温における発振波長からゲインピーク波長を見積もる方法か、あるいは（２）同じ活性層を有するダブルへテロ構造を作製し、フォトルミネッセンス波長（ＰＬ波長）からゲインピーク波長を見積もる方法か、のいずれかがとられる。

上記（１）の方法をとる場合には、一例として、同じ活性層構造を持つストライプ幅４０μｍ、共振器長５００μｍの酸化膜ストライプ型の端面発光レーザ素子を作製し、該端面発光レーザ素子の室温でのＣＷ発振の閾値電流における波長をゲインピーク波長λｇ_０として用いる。

また、上記（２）の方法をとる場合には、レーザ発振時の波長は、ＰＬ波長に対して長波長側にシフト（波長シフト）しているので、この分の調整が必要になる。上記波長シフトは、光励起、電流励起等の励起過程の違いや、電流励起の場合に電流によって発生する発熱の影響のためである。一般的に、端面発光レーザ素子での発振波長は、ＰＬ波長λＰＬに対して１０ｎｍ程度、長波長となる。そこで、この場合の波長シフト量を１０ｎｍとする。

従って、ＰＬ波長を基準に考えると、上記（６）式は、次の（７）式となる。

Δλ_０＝λｒ_０−λｇ_０＝λｒ_０−（λＰＬ＋１０）＝λｒ_０−λＰＬ−１０ ……（７）

上記波長シフト量１０ｎｍは、一般的な値であるが、使用している材料系に応じて変更しても良い。

Δλ_０がそれぞれ異なる複数の面発光レーザ素子を作製し、各面発光レーザ素子における閾値電流が最小となる温度を求めた。その結果が図２４に示されている。この図２４から、実際に△λ_０が０のときに、室温において閾値電流が最小となっていることがわかる。

次に、被選択酸化層の厚さがそれぞれ異なる（３０、３１、３４ｎｍ）複数の面発光レーザ素子を作製し、光パルスの出力を変えて各面発光レーザ素子を駆動し、閾値電流が最小となる温度とドループ率を求めた。図２５及び図２６には、被選択酸化層の厚さ毎に、ドループ率と閾値電流が最小になる温度との関係が示されている。

ここで、図２５は、光出力が１．４ｍＷとなる電流パルスで面発光レーザ素子を駆動した場合のドループ率を示したものである。また、図２６は、図２５に示したのと同じ面発光レーザ素子を、光出力が０．３ｍＷとなる電流パルスで駆動を行った場合のドループ率を示したものである。

先ず、図２５と図２６を比べると、光出力によってドループ率が異なっていることがわかる。光出力が小さい（０．３ｍＷ）ほうがドループ率が小さく、「負のドループ特性」が顕著に現れている。

光出力が大きい場合は、注入電流量が大きく素子の発熱量も増えており、通電の初期から熱による出力飽和の影響が顕著に現れていると考えられる。つまり、通常のドループ特性が、比較的早い時間スケールで現れているものと考えられる。「負のドループ特性」とは、通電の初期から１μＳまでの時間スケールにおいて、光パルスの出力が次第に増加する現象であるから、通電の初期において熱による出力飽和の影響が現れ始めたことによって、「負のドループ特性」が改善されたものと考えられる。

以上のように、同じ素子であっても、素子の光出力を変えることにより、ドループ率は異なった値をとり、光出力が低いほど「負のドループ特性」が顕著に現れる。

ところで、プリンタシステムで画像の濃淡を表現するために、光パルスの強度を変調する方法が取られている。従って、高精細な画像を実現するには、低出力から高出力までの広い出力範囲において、「負のドループ特性」が抑制されていることが大変重要になる。そして、上述のように低出力になるほど「負のドループ特性」が顕著に現れるので、低出力時における「負のドループ特性」を抑制することが非常に重要である。これは、発明者らが、素子の駆動条件を変えて、詳細にドループ特性について検討を行ったことにより、新たに見出された課題である。

次に、図２５と図２６において、閾値電流が最小となる温度が２５℃以下の素子について、ドループ率と被選択酸化層の厚さの関係について考える。被選択酸化層の厚さが３０ｎｍと３１ｎｍの結果は、ばらつきの範囲で重なっているが、３４ｎｍの結果と比べると被選択酸化層の厚さが厚いほどドループ率が大きく（０に近く）、「負のドループ特性」が抑制されていることがわかる。なお、図２５及び図２６における破線Ａは、閾値電流が最小となる温度が２５℃以下で被選択酸化層の厚さが３４ｎｍのときのドループ率の平均を示し、破線Ｂは、閾値電流が最小となる温度が２５℃以下で被選択酸化層の厚さが３０ｎｍ及び３１ｎｍのときのドループ率の平均を示している。これは前述したように、被選択酸化層の厚さが厚いほど、酸化層による光閉じ込め係数が大きく、温度変化に対して基本横モードが安定するからである。

前述のように「負のドループ特性」が画像の品質に影響を及ぼし始めるドループ率の目安は−１０％である。これよりもドループ率が小さくなると、高い頻度で画像の一部が不鮮明になる不具合がある。図２５に示されるように、光出力が１．４ｍＷの場合では、多少のばらつきはあるものの、被選択酸化層の厚さが３４ｎｍの素子における平均のドループ率は−３％程度であり、被選択酸化層の厚さが３０ｎｍ及び３１ｎｍの素子における平均のドループ率は−５％程度であるので、これらの変化率からすると被選択酸化層の厚さが２５ｎｍ以上であれば、−１０％以上のドループ率を得ることができる。

また、図２６に示されるように、光出力が０．３ｍＷの場合では、多少のばらつきはあるものの、被選択酸化層の厚さが３４ｎｍの素子における平均のドループ率は−５％程度であり、被選択酸化層の厚さが３０ｎｍ及び３１ｎｍの素子における平均のドループ率は−７％程度であるので、これらの変化率からすると被選択酸化層の厚さが２５ｎｍ以上であれば、概ね−１０％以上のドループ率を得ることができる。

このように、被選択酸化層の厚さが２５ｎｍ以上で、発振の閾値電流が最小となる温度が２５℃以下の素子においては、低出力から高出力までの広い出力範囲において、概ね−１０％以上のドループ率を有する素子を得ることが可能である。

発振の閾値電流が最小となる温度が室温（２５℃）より高温側にある面発光レーザ素子は、電流注入により活性層の温度が上昇した際に発振効率が向上する素子であるため、既に説明したように「負のドループ特性」が現れる。そして、図２６に示されるように、光出力が０．３ｍＷとなるパルス電流で駆動した場合においてその傾向が顕著である。

光閉じ込め係数及び閾値電流が最小となる温度（ディチューニング量）に共通して言えるのは、「負のドループ特性」を抑制するためには、活性層の温度が上昇したときに、室温よりも、面発光レーザ素子の効率（発光効率）が向上しないように設定することが重要であるということである。そして、被選択酸化層の厚さをある程度厚く設定した素子であっても、閾値電流が最小となる温度が高温に設定されるほど、「負のドループ特性」が発生し易くなることは基本的に不可避である。

図２６に示されるように、閾値電流が最小となる温度が２５℃以上の素子を、光出力が０．３ｍＷとなる電流パルスで駆動すると、「負のドループ特性」が顕著に現れ始める。しかしながら、閾値電流が最小となる温度が３５℃以下で、被選択酸化層の厚さが３０ｎｍ以上の素子であれば、平均値で見ると−１０％以上のドループ率が得られている。

また、図２５に示されるように、光出力が１．４ｍＷとなる電流パルスで駆動すると、図２５に示した閾値電流が最小となる温度の範囲内において、いずれの被選択酸化層の厚さ（３０ｎｍ、３１ｎｍ、３４ｎｍ）においても、−１０％以上のドループ率が得られている。

つまり、これらを合わせて考えると、被選択酸化層の厚さが３０ｎｍ以上であれば、閾値電流が最小となる温度が３５℃以下の素子は、広い出力範囲で−１０％以上のドループ率を得ることが可能である。そして、これらの面発光レーザ素子をプリンタの書き込み光源に用いることにより、濃度むらのない高精細な画像を得ることができる。なお、図２４を参照すると、閾値電流が最小になる温度が３５℃の素子の、室温におけるディチューニング量は約４ｎｍである。

ところで、面発光レーザ素子を書き込み光源に用いるには、単一基本横モード出力が大きいことが有利である。単一基本横モード出力を大きくするには、光閉じ込めを弱くすることが有効である。これは、「負のドループ特性」の抑制とは相反することである。

そこで、発明者らは、「負のドループ特性」の抑制効果を保ちつつ、単一基本横モード出力を向上させるべく、面発光レーザ素子における共振器構造体の構造と光閉じ込めの強さと関係について詳細な検討を行った。この結果、上記の２つの特性を同時に改善するには下部半導体ＤＢＲ（基板側ｎ型多層膜反射鏡）の中に以下に説明する光閉じ込め低減領域を設けることが有効であることを見出した。

光閉じ込め低減領域の作用効果について説明する。

光閉じ込め低減領域のない従来の面発光レーザ素子及び光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子の室温（３００Ｋ）における基本横モードの光閉じ込め係数をそれぞれ算出した。その結果が図２７に示されている。ここでの計算に用いられた各面発光レーザ素子は、発振波長が７８０ｎｍ帯であり、その基本構造は、ｎ−ＡｌＡｓ（低屈折率層）／ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ（高屈率層）をペアとした４０．５ペアの下部半導体ＤＢＲ（基板側ｎ型多層膜反射鏡）と、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓをペアとした２４ペアの上部半導体ＤＢＲ（出射側ｐ型多層膜反射鏡）とＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓのスペーサ層を有している。活性層はＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの３重量子井戸構造とし、スペーサ層の中央に設けている。被選択酸化層は上部半導体ＤＢＲ中において活性層から３番目の定在波の節に対応する位置に設けている。また、酸化層の厚さは２８ｎｍ、酸化狭窄径は４μｍである。

従来の面発光レーザ素子の形状は、図２８に示されるように、下部半導体ＤＢＲまでを直径２５μｍの円形に加工したメサポスト構造としている。また、光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子は、図２９に示されるように、下部半導体ＤＢＲに接した領域に光閉じ込め低減領域が設けられている。

従来の面発光レーザ素子における下部半導体ＤＢＲの構造が図３０に示されている。各屈折率層はいずれもλ／４の光学厚さである。光閉じ込め低減領域を有する面発光レーザ素子における下部半導体ＤＢＲの構造が図３１に示されている。光閉じ込め低減領域は、光学厚さが３λ／４の高屈折率層とλ／４の低屈折率層のペアを３ペア有している。なお、このように、光学厚さが３λ／４の高屈折率層とλ／４の低屈折率層のペアからなる光閉じ込め低減領域を、以下では、便宜上「光閉じ込め低減領域Ａ」ともいう。

また、従来の面発光レーザ素子及び光閉じ込め低減領域Ａを有する面発光レーザ素子における下部半導体ＤＢＲのペア数は同じである。さらに、光閉じ込め低減領域Ａに含まれる高屈折率層は、その光学厚さがλ／４の奇数倍であり、多重反射の位相条件を満足するので、半導体材料の自由キャリア等の吸収を考慮しなければ、垂直方向（Ｚ軸方向）に関しては、従来の面発光レーザ素子における下部半導体ＤＢＲと同等の反射率を有している。

なお、図２７には、光閉じ込め低減領域Ａが１〜３ペアの場合についての結果がそれぞれ示されている。ここで、ペア数が０は、従来の面発光レーザ素子を示している。

図２７によると、光閉じ込め低減領域Ａを設けることにより、従来の面発光レーザ素子に対して、基本横モードの光閉じ込め係数が低減している。また、光閉じ込め低減領域Ａのペア数が増加するにつれて、光閉じ込め係数が小さくなっている。

図３２は、別の光閉じ込め低減領域を示したものである。この光閉じ込め低減領域は、光学厚さがλ／４の高屈折率層（Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ）と、３λ／４の低屈折率層（ＡｌＡｓ）をペアとしており、低屈折率層が、従来の面発光レーザ素子よりも厚く形成されている。なお、このように、光学厚さがλ／４の高屈折率層と３λ／４の低屈折率層のペアからなる光閉じ込め低減領域を、以下では、便宜上「光閉じ込め低減領域Ｂ」ともいう。

この光閉じ込め低減領域Ｂを有する面発光レーザ素子の室温（３００Ｋ）における基本横モードの光閉じ込め係数が図３３に示されている。

図３３によると、光閉じ込め低減領域Ｂを設けることにより、光閉じ込め低減領域Ａと同様に、従来の面発光レーザ素子に対して、基本横モードの光閉じ込め係数が低減している。また、光閉じ込め低減領域Ｂのペア数が増加するにつれて、光閉じ込め係数が小さくなっている。なお、同じペア数で比較すると、光閉じ込め低減領域Ｂのほうが、光閉じ込め低減領域Ａよりも大きな低減効果を有していることが分かる。ところで、ＡｌＡｓは半導体多層膜反射鏡の材料であるＡｌＧａＡｓ混晶の中で最も熱伝導率が良い。このＡｌＡｓからなる層を厚く設けると横方向への熱拡散が良好になり、活性層における温度上昇を低減する効果がある。これによって、素子中央部の温度上昇が緩和されて、有効屈折率差の変化が小さくなるので、負のドループ特性を抑制できる効果も併せて得ることができる。

図３４は、さらに別の光閉じ込め低減領域を示したものである。この光閉じ込め低減領域Ｃは、光学厚さが３λ／４の高屈折率層（Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ）と、３λ／４の低屈折率層（ＡｌＡｓ）をペアとしており、低屈折率層及び高屈折率層の両方が、従来の面発光レーザ素子よりも厚く形成されている。なお、このように、光学厚さが３λ／４の高屈折率層と３λ／４の低屈折率層のペアからなる光閉じ込め低減領域を、以下では、便宜上「光閉じ込め低減領域Ｃ」ともいう。

この光閉じ込め低減領域Ｃを有する面発光レーザ素子の室温（３００Ｋ）における基本横モードの光閉じ込め係数が図３５に示されている。

図３５によると、光閉じ込め低減領域Ｃを設けることにより、光閉じ込め低減領域Ａと同様に、従来の面発光レーザ素子に対して、基本横モードの光閉じ込め係数が低減している。また、光閉じ込め低減領域Ｃのペア数が増加するにつれて、光閉じ込め係数が小さくなっている。なお、同じペア数で比較すると、光閉じ込め低減領域Ｃのほうが、光閉じ込め低減領域Ａ及び光閉じ込め低減領域Ｂよりも大きな低減効果を有していることが分かる。

このように、発明者らは、光閉じ込め低減領域の高屈折率層及び低屈折率層を厚くするほど、そしてペア数を多くするほど、より効果的に基本横モードの光閉じ込め係数を低減する効果が得られることを見出した。

そして、更に注目すべきは、この光閉じ込め低減効果は、後述するように「負のドループ特性」を劣化させないで単一基本横モード出力を向上させる効果を有しているという点である。一般的に考えると、光閉じ込め係数の低減は単一基本横モード出力の向上においては有利であるが、横モードの安定性が悪くなり「負のドループ特性」が発生しやすくなることが予想される。

図３６には、発振波長が７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子の単一基本横モード出力とドループ率との関係を実験的に調べた結果が示されている。図３６における黒丸は従来の面発光レーザ素子、白丸は光閉じ込め低減領域Ｂを有する面発光レーザ素子の結果である。電流通過領域の面積は全て１６μｍ^２である。また、図３６における「２８」は被選択酸化層の厚さが２８ｎｍの場合を示し、「３０」は被選択酸化層の厚さが３０ｎｍ場合を示している。

「負のドループ特性」及び単一基本横モード出力は、いずれも光閉じ込め係数と関係があり、これらの特性は、図３６に示されるように、互いに相反する関係となる。例えば、光閉じ込め係数が大きいほど、横モードの安定性は向上するので「負のドループ特性」は抑制される。また、光閉じ込め係数が増大すると高次横モードの閉じ込めも向上し発振し易くなるので単一基本横モード出力が低下する。仮に、単に光閉じ込め係数のみで、ドループ率及び単一基本横モード出力が決定されるのであれば、光閉じ込め低減領域の有無に関係なく、１つの直線で相関が表されるはずである。

しかしながら、図３６に示されるように、光閉じ込め低減領域を設けた場合、及び光閉じ込め低減領域を設けない場合では、互いに異なる直線で表される相関を示している。更に、同じドループ率の素子構造であっても、光閉じ込め低減領域を設けた場合は、光閉じ込め低減領域を設けない場合よりも、高い単一基本横モード出力が得られている。つまり、このことは、光閉じ込め低減領域が、ドループ率に影響を及ぼさないで、単一基本横モード出力を向上させる効果を有していることを示すものである。

このように、発明者らは、光閉じ込め低減領域を設け、閾値電流が最小となる温度が２５℃以下になるようにディチューニング量を設定し、被選択酸化層の厚さを２５ｎｍ以上とすることにより、「負のドループ特性」を効果的に抑制し、更にドループ特性を良好に維持したまま単一基本横モード出力を向上させることが可能であることを新たに見出した。

面発光レーザ素子１００は、光閉じ込め低減領域と共振器構造体との間に、第３の下部半導体ＤＢＲ１０３３が設けられている。この役割について以下に説明する。

一般に、半導体材料では自由キャリアによる光吸収が存在する。この光吸収は光の電界強度及び自由キャリア濃度に比例して増加する。自由キャリアによって吸収された光のエネルギーは、キャリアの運動エネルギーとなり最終的には格子振動のエネルギーに変換される。これは、発振の閾値電流を増加させ、外部微分量子効率（スロープ効率）を低下させる原因となる。

また、半導体ＤＢＲは、各屈折率層の界面からの反射光が同位相となるとともに、入射光に対して逆位相となるように重ね合わされることによって、大きな反射作用（高反射率）を得ている。この際、反射は界面のみで起こるので、各屈折率層中における電界強度（振幅）の減衰はなく一定である。レーザ発振状態では、半導体ＤＢＲ内の電界分布は定在波を生じており、λ／４の光学厚さ毎に節と腹が交互に現れる。いずれもλ／４の光学厚さの低屈折率層と高屈折率層とからなる通常の半導体ＤＢＲでは、低屈折率層と高屈折率層の界面が定在波の節及び腹に対応する位置となる。また、共振器構造体に近い部位では、発振光の定在波の強度が大きく、この領域における自由キャリアによる光吸収が顕著である。

ここで、図３７に示されるように、光閉じ込め低減領域と共振器構造体との間に、光学厚さがいずれもλ／４の低屈折率層と高屈折率層のペアを設けたときの吸収損失の低減効果について計算した。なお、以下では、便宜上、光閉じ込め低減領域と共振器構造体との間に設けられる光学厚さがいずれもλ／４の低屈折率層と高屈折率層のペアを「吸収損失低減層」ともいう。

その結果、従来の半導体ＤＢＲ（図３０参照）における吸収損失を１００％としたときに、図３８に示されるように１ペアの吸収損失低減層を設けた場合には、全く設けなかった場合（図３２参照）に対して、吸収損失を２３％低減することができた。また、３ペアの吸収損失低減層を設けた場合には、全く設けなかった場合に対して、吸収損失を５４％低減することができた。ここで、計算ではｎ型キャリア濃度を３〜５×１０１８ｃｍ^−３の範囲内で、また光閉じ込め低減領域に含まれるペア数を１〜５ペアの範囲内で変化させたが、上記比率は殆ど変わらなかった。

面発光レーザ素子１００は、１ペアの吸収損失低減層を設けることによって、自由キャリアによる光吸収を低減している。つまり、光閉じ込め低減領域では、低屈折率層の厚さを厚くしているため、厚さ自体が増加することと、厚さの増加により定在波の腹が余計に含まれることにより、自由キャリアによる光吸収が増加する。この場合に、１ペアの吸収損失低減層を設けることによって、光閉じ込め低減領域における電界強度を低減させ、吸収損失を低減させることができる。

図３９には、高屈折率層をＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ、低屈折率層をＡｌＡｓとして、光閉じ込め低減領域Ａ（ｔｙｐｅＡ）、光閉じ込め低減領域Ｂ（ｔｙｐｅＢ）、光閉じ込め低減領域Ｃ（ｔｙｐｅＣ）に対して、１ペアの吸収損失低減層がある場合と全くない場合の基本横モードの光閉じ込め係数が示されている。なお、各光閉じ込め低減領域のペア数は３ペアである。

また、図３９には、各構造における光閉じ込め係数の低減率を示している。光閉じ込め係数の低減率とは、従来の半導体ＤＢＲ（図３０参照）における基本横モードの光閉じ込め係数を１００％とした場合に、それぞれの構造の光閉じ込め係数が何％に低減されているかを表したものである。

図３９から、１ペアの吸収損失低減層を設けたことによる光閉じ込め係数の変化は僅かであることがわかる。

また、光閉じ込め低減領域が全く設けられていない面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ１（図３０参照）、光閉じ込め低減領域Ｂは設けられているが吸収損失低減層は設けられていない面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ２（図３２参照）、及び光閉じ込め低減領域Ｂと１ペアの吸収損失低減層とが設けられている面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ３（図３８参照）を実際に作製し比較評価を行った。なお、各面発光レーザ素子は、いずれも発振波長が７８０ｎｍ帯であり、電流通過領域の面積は全て１６μｍ^２である。また、各面発光レーザ素子の下部半導体ＤＢＲにおける高屈折率層と低屈折率層のペア数は同じである。

図４０に示されるように、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ２及び面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ３では、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ１に対して略同等の明確な単一基本横モード出力の向上が確認された。なお、図４０における「３０」は、被選択酸化層の厚さが３０ｎｍの場合であり、「２８」は、被選択酸化層の厚さが２８ｎｍの場合である。

また、図４０を見ると、同じドループ率では、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ２及び面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ３は、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ１に比べ、０．３〜０．５ｍＷ程度の単一基本横モード出力の向上が確認できる。

図４１には、単一基本横モード出力（計算値）と基本モードの光閉じ込め係数（計算値）との関係が示されている。図４１におけるシンボルの意味は図４０と同じである。また、図４１における「３０」及び「２８」の意味も図４０と同じである。

図４１を見ると、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ３は、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ１に比べて、明確な光閉じ込め係数の低減と、これに対応した単一基本横モード出力の向上を確認することができる。

また、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ３は、面発光レーザ素子ＶＣＳＥＬ２よりも、低い閾値電流、及び高い外部微分量子効率（スロープ効率）を得ることができた。これは、吸収損失が低減されたためである。

以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザ素子１００によると、活性層１０５を含む共振器構造体、該共振器構造体を挟んで設けられた下部半導体ＤＢＲ１０３と上部半導体ＤＢＲ１０７を備えている。上部半導体ＤＢＲ１０７は、アルミニウムを含む厚さ３０ｎｍの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層１０８ａが電流通過領域１０８ｂを取り囲み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる狭窄構造体をその中に含んでいる。

また、下部半導体ＤＢＲ１０３は、共振器構造体に対して基板１０１側に設けられ、横方向に関する光閉じ込めを低減させる光閉じ込め低減領域としての第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２を有している。これにより、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作が可能となる。

また、活性層のＰＬ波長を共振器の共振波長７８０ｎｍに対して７７２ｎｍに設定し、室温でのディチューニング量△λ_０を−２ｎｍとし、１７℃のときに閾値電流が最小になるようにしている。これにより、更に「負のドループ特性」を抑制することができる。

また、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２は、低屈折率層１０３ａの光学厚さが３λ／４となるように設定されているため、各屈折率層の界面を定在波の腹あるいは節に対応する位置とすることができる。なお、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２における低屈折率層１０３ａの光学厚さは、１以上の整数ｎを用いて、（２ｎ＋１）λ／４であれば良い。この場合にも、各屈折率層の界面を定在波の腹あるいは節に対応する位置とすることができる。

また、パルス周期が１ｍｓ、パルス幅が５００μｓの方形波電流パルスを供給したとき、（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２＝−０．０６であるため、更に「負のドループ特性」を抑制することができる。

また、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２と共振器構造体との間に第３の下部半導体ＤＢＲ１０３３を設けているため、吸収損失を低減させることができる。

本実施形態に係る光走査装置１０１０によると、光源１４が面発光レーザ素子１００を有しているため、高精度の光走査を行うことが可能となる。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ１０００によると、光走査装置１０１０を備えているため、高品質の画像を形成することが可能となる。

なお、上記実施形態では、第３の下部半導体ＤＢＲ１０３３が、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを１ペア有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。

なお、上記実施形態において、吸収損失を考慮する必要がない場合には、図４２に示されるように、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２が共振器構造体に隣接しても良い。

また、上記実施形態では、第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２が、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを３ペア有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。

また、上記実施形態において、前記第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２に代えて、図４３に示される第４の下部半導体ＤＢＲ１０３４を用いても良い。この第４の下部半導体ＤＢＲ１０３４は、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを３ペア有し、上記光閉じ込め低減領域Ｂと同様に、低屈折率層１０３ａはλ／４の光学厚さとなるように設定され、高屈折率層１０３ｂは３λ／４の光学厚さとなるように設定されている。

また、上記実施形態において、前記第２の下部半導体ＤＢＲ１０３２に代えて、図４４に示される第５の下部半導体ＤＢＲ１０３５を用いても良い。この第５の下部半導体ＤＢＲ１０３５は、低屈折率層１０３ａと高屈折率層１０３ｂのペアを３ペア有し、上記光閉じ込め低減領域Ｃと同様に、低屈折率層１０３ａは３λ／４の光学厚さとなるように設定され、高屈折率層１０３ｂは３λ／４の光学厚さとなるように設定されている。

また、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子１００に代えて、一例として図４５に示されるように、面発光レーザアレイ５００を用いても良い。

この面発光レーザアレイ５００は、複数（ここでは３２個）の発光部が２次元的に配列して同一基板上に形成されている。ここでは、図４５におけるＭ方向は主走査対応方向であり、Ｓ方向は副走査対応方向である。なお、発光部の数は３２個に限定されるものではない。

ここでは、複数の発光部は、すべての発光部をＳ方向に伸びる仮想線上に正射影したときに、隣接する発光部間隔が等間隔ｃとなるように配列されている。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。

ここでは、間隔ｃは３μｍ、間隔ｄは２４μｍ、Ｍ方向の発光部間隔Ｘ（図４６参照）は３０μｍである。

各発光部は、図４６のＡ−Ａ断面図である図４７に示されるように、前述した面発光レーザ素子１００と同様な構造を有している。そして、この面発光レーザアレイ５００は、前述した面発光レーザ素子１００と同様な方法で製造することができる。

このように、面発光レーザアレイ５００は、前記面発光レーザ素子１００が集積された面発光レーザアレイであるため、前記面発光レーザ素子１００と同様な効果を得ることができる。特にアレイである場合の効果として、酸化層１０８ａの厚さプロファイルや酸化距離の発光部間のばらつきが極めて小さいので、ドループ特性を含めた各種特性が均一であり、駆動制御しやすい。また発光部毎の寿命のばらつきも小さく、しかも長い。

この場合に、面発光レーザアレイ５００では、すべ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の発光部間隔が等間隔ｃ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１０３０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、上記間隔ｃが３μｍであるため、光走査装置１０１０の光学系の倍率を約１．８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、前記間隔ｄを狭くして間隔ｃ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、レーザプリンタ１０００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。

ところで、２つの発光部の間の溝は、各発光部の電気的及び空間的分離のために、５μｍ以上とすることが好ましい。あまり狭いと製造時のエッチングの制御が難しくなるからである。また、メサの大きさ（１辺の長さ）は１０μｍ以上とすることが好ましい。あまり小さいと動作時に熱がこもり、特性が低下するおそれがあるからである。

なお、上記実施形態では、レーザ発振方向に直交する断面でのメサ形状が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く、例えば円形、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、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、面発光レーザ素子１００及び面発光レーザアレイ５００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、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、上記実施形態において、前記面発光レーザ素子１００に代えて、前記面発光レーザ素子１００と同様の発光部が１次元配列された面発光レーザアレイを用いても良い。

また、上記実施形態では、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。

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４８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「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「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「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「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４８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、前記光源１４と同様な光源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、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、光走査装置２０１０の各光源が前記面発光レーザアレイ５００と同様な面発光レーザアレイを有していると、点灯させる発光部を変更することで色ずれを低減することができる。

以上説明したように、本発明の面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイによれば、「負のドループ特性」を抑制するとともに、単一基本横モード発振において高出力動作を可能とするのに適している。また、本発明の光走査装置によれば、高精度の光走査を行うのに適している。また、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のに適している。

１１ａ…偏向器側走査レンズ（走査光学系の一部）、１１ｂ…像面側走査レンズ（走査光学系の一部）、１３…ポリゴンミラー（偏向器）、１４…光源、１００…面発光レーザ素子、１０１…基板、１０３…下部半導体ＤＢＲ（半導体多層膜反射鏡の一部）、１０３_２…第２の下部半導体ＤＢＲ（光閉じ込め低減領域）、１０３_４…第４の下部半導体ＤＢＲ（光閉じ込め低減領域）、１０３_５…第５の下部半導体ＤＢＲ（光閉じ込め低減領域）、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（半導体多層膜反射鏡の一部）、１０８ａ…酸化層（狭窄構造体の一部）、１０８ｂ…電流通過領域（狭窄構造体の一部）、５００…面発光レーザアレイ、１０００…レーザプリンタ（画像形成装置）、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）。

特開平１１−４８５２０号公報

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、ｐ．２０４３−２０４４、１９９４ Ｈ．Ｎａｋａｙａｍａ、Ｔ．Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｍ．Ｆｕｎａｄａ、Ｙ．Ｏｈａｓｈｉ、Ｍ．Ｋａｔｏ、「７８０ｎｍ ＶＣＳＥＬｓ ｆｏｒ Ｈｏｍｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ Ｐｒｉｎｔｅｒｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、５４ｔｈ、Ｖｏｌ．２、Ｊｕｎｅ、２００４、ｐ．１３７１−１３７５

Claims (8)

1. 基板に対して垂直方向に光を出力するＡｌＧａＡｓ系の材料から成る面発光レーザ素子であって、
   活性層を含む共振器構造体と；
   前記共振器構造体を挟んで設けられ、アルミニウム及びヒ素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み、注入電流と発振光の横モードを同時に閉じこめることができる狭窄構造体をその中に含む半導体多層膜反射鏡と；を備え、
   前記半導体多層膜反射鏡は、前記共振器構造体に対して前記基板側に、横方向に関する光閉じ込めを低減させる光閉じ込め低減部を有し、
   前記半導体多層膜反射鏡は、低屈折率層と高屈折率層をペアとする複数のペアを有し、
   前記光閉じ込め低減部は、前記ペアを少なくとも１ペアを有し、該少なくとも１ペアにおける低屈折率層及び高屈折率層の少なくともいずれかの光学厚さは、発振波長λ、１以上の整数ｎを用いて、（２ｎ＋１）λ／４であり、
   前記被選択酸化層の厚さを少なくとも２８ｎｍ、前記電流通過領域の直径を４．０μｍ以上、発振の閾値電流が最小となるときの温度を２５℃以下とすることにより、負のドループ特性を抑制し、
   パルス周期が１ｍｓ、パルス幅が５００μｓの方形波電流パルスを供給したとき、
   供給後１０ｎｓでの光出力Ｐ１、及び供給後１μｓでの光出力Ｐ２を用いて、０≧（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ２≧−０．１、の関係が満足される面発光レーザ素子。
2. 前記半導体多層膜反射鏡は、前記光閉じ込め低減部と前記共振器構造体との間に前記ペアを少なくとも１ペア有し、該少なくとも１ペアにおける低屈折率層及び高屈折率層の光学厚さが、λ／４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. 前記電流通過領域の幅ｄ［μｍ］、該電流通過領域を取り囲む酸化物の厚さｔ［ｎｍ］を用いて、−２．５４ｄ^２−０．１４ｔ^２−０．９９８ｄ・ｔ＋５３．４ｄ＋１２．９ｔ−２１６≧０．９、の関係が満足され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. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子が集積された面発光レーザアレイ。
5. 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１〜３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偏向器と；
   前記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。
6. 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４に記載の面発光レーザアレイを有する光源と；
   前記光源からの光を偏向する偏向器と；
   前記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。
7. 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５又は６に記載の光走査装置と；を備える画像形成装置。
8. 前記画像情報は、多色のカラー画像情報であることを特徴とする請求項７に記載の画像形成装置。
   
   

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