專利名稱：包含多層反射器的光學(xué)設(shè)備和垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含多層反射器的光學(xué)設(shè)備。
背景技術(shù)：
(垂直腔面發(fā)射激光器)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種光學(xué)設(shè)備，能夠在垂直 于半導(dǎo)體村底的方向上發(fā)光，這樣可以容易形成二維陣列。在執(zhí)行從二維陣列發(fā)射的多束的并行處理時，能夠獲得較高的密度和較高 的速度，由此可以期望各種工業(yè)應(yīng)用。例如，當(dāng)垂直腔面發(fā)射激光 器陣列用作電子照相印刷機的曝光源時，可以通過使用多束(multibeam )的印刷工藝的并行處理來提高印刷速度。當(dāng)前實際使用中的垂直腔面發(fā)射激光器是一種用于主要產(chǎn)生紅 外區(qū)域(0.75pm至0.85jLim)激光的設(shè)備。隨著振蕩波長從紅外區(qū)域 縮短到紅光區(qū)域、藍(lán)光區(qū)域和紫外區(qū)域，能夠使束斑進(jìn)一步減小， 由此能夠獲得更高的分辨率。因此，需要垂直腔面發(fā)射激光器在從 紅光到紫外光區(qū)域中的實際應(yīng)用。通過縮短的波長而獲得的分辨率增長和使用多束的并行處理的 組合可以獲得很顯著的效果，因此期待著其作用于包括關(guān)于印刷機 的應(yīng)用的各種領(lǐng)域。當(dāng)能夠在其中光纖中散射或吸收很少的1.3pm 至1.5|um的波段中振蕩的垂直腔面發(fā)射激光器可以投入實用時，使 用陣列光纖和陣列光源能夠執(zhí)行遠(yuǎn)距離大容量通信。 (多層反射器)垂直腔面發(fā)射激光器的特征在于包括在垂直于襯底的面內(nèi) (in-plane)方向的方向上提供的腔體。為了實現(xiàn)能夠在室溫下連續(xù) 工作的表面發(fā)射激光器，反射率為99%或更高的反射器是必須的。
要使用的這樣的反射器的例子包括多層反射器，其中按照X/4的 光學(xué)厚度多次交替層壓具有相互不同的折射率的兩種材料。這里，入 表示從光學(xué)設(shè)備中發(fā)射出的光的波長。通過將層的厚度乘以該層材 料的折射率獲得光學(xué)厚度。(近紅外垂直腔面發(fā)射激光器)對于使用已經(jīng)處于實用的GaAs半導(dǎo)體的近紅外垂直腔面發(fā)射 激光器，使用半導(dǎo)體多層鏡，其中結(jié)合了具有極高結(jié)晶度的GaAs 和AlAs。此外，還使用其中將Al成分少的AlGaAs和Al成分高的 AlGaAs結(jié)合用于構(gòu)成層的半導(dǎo)體多層鏡。然而，用于通信的長波長(1.3ium至1.5pm)激光和紅光(0.62jLim 至0.7lam)激光存在一個問題，即它們的熱特性不理想或者很難實現(xiàn) 高功率輸出。也就是說，在用于產(chǎn)生通信波長區(qū)域或紅光區(qū)域的光的活性層 中，沒有能夠在60。C至80。C范圍的高溫中充分限制活性層中電子的 鍍層材料。因此，隨著溫度的增加，大量電子從活性層中溢出，使 得熱特性惡化，并且很難實現(xiàn)高功率輸出。在垂直腔面發(fā)射激光器中，通過高熱阻的半導(dǎo)體多層反射器將 由活性層產(chǎn)生的熱量限制在活性層的附近。因此，不幸地，為了產(chǎn)生上述波長的光而使用該材料的垂直腔 面發(fā)射激光器是溫度特性不理想的設(shè)備。更具體地說，長波長垂直腔面發(fā)射激光器的常規(guī)多層反射器具 有以下結(jié)構(gòu)，其中將光學(xué)厚度為X/4的InGaAsP層(高折射率層)和 光學(xué)厚度為人/4的InP層(低折射率層)交替層壓為大量層對。在這 種情況下，用作高折射率層的InGaAsP層的熱阻比用作低折射率層 的InP層的熱阻大約高20倍。在這種情況下，在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints 第80-81頁(Precision and Intelligence Laboratory, Tokyo Institute of Technology)中，討論了一種多層反射器，其中多層反射器構(gòu)成層的 光學(xué)厚度不設(shè)為入/4。
更具體地說，對于長波長垂直腔面發(fā)射激光器的多層反射器，在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81頁 (Precision and Intelligence Laboratory , Tokyo Institute of Technology)中，公開了 一種多層反射器用于減小熱阻，其中將熱阻 小的InP層的光學(xué)厚度設(shè)為大于人/4的值，并且將熱阻大的InGaAsP 層的光學(xué)厚度設(shè)為小于X/4的值。構(gòu)成多層反射器的高折射率層和低折射率層的總的層厚度固定 為入/2的光學(xué)厚度。因此，認(rèn)為熱耗散效果可以得到改善，由此可以 提供在其中能夠防止設(shè)備溫度增加的多層反射器。 (紫外光/藍(lán)光垂直腔面發(fā)射激光器)GaN半導(dǎo)體材料用于在紫外光/藍(lán)光區(qū)域(300]um至500pm )的 垂直腔面發(fā)射激光器。對于多層反射器，例如，選擇之間具有較大 折射率差的一對GaN材料和A1N材料。但是，由這兩種材料制成的多層反射器具有很大的晶格失配。 當(dāng)按照 J4的光學(xué)厚度生長幾十對時，更有可能由晶格失配將晶格應(yīng) 變引入多層中。由此，發(fā)生破裂，因此很難形成要實現(xiàn)99%或更高 反射率的這種多層反射器。因此，在日本專利申請公開號2003 - 107241中，也討論了一種 多層反射器，其中多層反射器的構(gòu)成層的光學(xué)厚度不設(shè)為入/4。更具體地說，公開了一種多層反射器，其中將相對于襯底熱膨 脹系數(shù)差較小的GaN層的光學(xué)厚度設(shè)為大于人/4的值，并將相對于 襯底熱膨脹系數(shù)差較大的AlQ.6GaQ.4N層的光學(xué)厚度設(shè)為小于X/4的 值。構(gòu)成多層反射器的高折射率層和低折射率層(一對)的總光學(xué) 厚度固定為A72的光學(xué)厚度。由此，認(rèn)為能夠提供很少發(fā)生破裂的多 層反射器。在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80- 81頁 (Precision and Intelligence Laboratory ， Tokyo Institute of Technology)和日本專利申請公開號2003 - 107241中，介紹了包含其光學(xué)厚度不為X/4的層的多層反射器。但是，其中沒有介紹實際將 多層反射器結(jié)合到共振腔中的設(shè)計方針。本發(fā)明的發(fā)明人如在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80 - 81頁(Precision and Intelligence Laboratory, Tokyo Institute of Technology )中所述的那樣布置了其光學(xué)厚度不為 J4的 各層，并著眼于共振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這種布置導(dǎo)致 設(shè)計值從共振波長的偏離和反射率的減小。也就是說，當(dāng)沒有考慮關(guān)于內(nèi)部光強分布的高折射率層和低折 射率層的布置時，很可能由于共振頻率的偏離而造成產(chǎn)量減少或者 由于反射率的減小而造成設(shè)備特性的惡化。結(jié)果，盡管預(yù)期使用了 光學(xué)厚度不為V4的層用于改善特性，但是仍發(fā)生無法獲得這種用法 的效果的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在于解決了上述問題，并且本發(fā)明的目的是提供一種包含 反射器的光學(xué)設(shè)備，該反射器具有其光學(xué)厚度不為X/4的層，由此使 共振波長更接近設(shè)計值，并抑制了反射率的減小。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于產(chǎn)生波長入的光的光學(xué)設(shè)備，該光 學(xué)設(shè)備包括反射器和活性層，該反射器為半導(dǎo)體多層反射器，包含 被交替層壓并具有相互不同折射率的第一層和第二層，其中第一層 具有小于X/4的光學(xué)厚度而第二層具有大于XV4的光學(xué)厚度，并且第 一層和第二層之間的界面位于不同于在該反射器中光強分布的波節(jié) 和波腹的位置。根據(jù)本發(fā)明，對于包含具有光學(xué)厚度不為X/4的層的反射器的光 學(xué)設(shè)備，能夠使共振波長更接近設(shè)計值，并能夠抑制反射率的減小。 從下面參考附圖對示例性實施例的說明，本發(fā)明進(jìn) 一 步的特征將變得清楚。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖2A、 2B、 2C和2D是表示圖1的垂直腔面發(fā)射激光器的共振 器結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖3是表示根據(jù)例1的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖4A、 4B、 4C、 4D是表示如圖2A至圖2D所示的每個包含 AlAs/AlQ.5GaQ.5As多層反射器和Ga^In^P量子阱活性層的共振器結(jié) 構(gòu)的放大示意圖；圖5表示在僅考慮如圖6A至圖6D中所示的多層反射器的情況 下在中心波長和反射率之間的比較；圖6A、 6B、 6C和6D是表示在僅考慮AlAs/Al0.5Ga0.5As多層反 射器的情況下結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖7表示在僅考慮包含如圖4A至圖4D所示多層反射器和活性 層的共振器的情況下在中心波長和反射率之間的比較；圖8A和圖8B是表示和傳統(tǒng)例子(圖8A)相比較的例1的具體 結(jié)構(gòu)(圖8B)的示意說明圖；圖9是表示根據(jù)例2的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖10A、10B、10C和IOD是表示每個包含如圖9所示的AlN/GaN 多層反射器和InGaN量子阱活性層的共振器結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖ll表示在僅考慮如圖12A至圖12D所示的多層反射器的情況 下在中心波長和反射率之間的比較；圖12A、 12B、 12C和12D是表示僅考慮AlN/GaN多層反射器的 情況下的結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖13表示在考慮包含如圖IOA至圖IOD所示的多層反射器和活 性層的共振器的情況下在中心波長和反射率之間的比較；圖14A和圖14B是表示和傳統(tǒng)例子(圖14A)相比較的例2的 具體結(jié)構(gòu)(圖14B)的示意說明圖15是表示根據(jù)例3的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截 面圖；圖16是表示包含如圖15所示的AlN/GaN多層反射器和InGaN 量子阱活性層的共振器結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖17是表示根據(jù)例4的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截 面圖；圖18是表示包含如圖17所示的AlN/GaN多層反射器和InGaN 量子阱活性層的共振器結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖19是表示根據(jù)本發(fā)明的使用光學(xué)設(shè)備的電子照相裝置的示意 說明圖。
具體實施方式
將參考圖1和圖2A至圖2D介紹本發(fā)明的實施例。圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。這里，將介紹垂直腔面發(fā)射激光器的一個例子。在襯底101上設(shè)置有多層反射器102、分隔層103、活性層104、分隔層105和多層反射器106。圖2A至圖2D是表示圖1的多層反射器102、分隔層103和活 性層104的放大示意圖。在多層反射器102的情況中，為了方便就 只示出了位于靠近活性層104的三對。圖2A和圖2B表示參考例， 圖2C表示本發(fā)明的實施例，而圖2D表示傳統(tǒng)例子。A. 傳統(tǒng)例子的結(jié)構(gòu)在圖2D所示的傳統(tǒng)例子中，以傳統(tǒng)設(shè)計值構(gòu)成了其中兩層的光 學(xué)厚度為V4的多層反射器。如圖2D所示，多層反射器102包括交 替層壓的層IIO和層120。層120具有和層110的折射率不同的折射 率。只需要層110和120具有相互不同的折射率，因此層110的折 射率可以高于或低于層120的折射率。圖2D表示層120的折射率低 于層110的折射率的情況。B. 參考例子的結(jié)構(gòu)
在圖2A和圖2B的參考例子中，構(gòu)成了其中兩層的光學(xué)厚度偏 離AV4的多層反射器。如圖2A和2B所示，該多層反射器包括交替 層壓的第一層130和第二層140。只需要第一層130和第二層140 具有不同的折射率，因此第一層130的折射率可以高于或低于第二 層140的折射率。不同于傳統(tǒng)例子的結(jié)構(gòu)，在參考例子中，第一層130的光學(xué)厚度 小于入/4而第二層140的光學(xué)厚度大于X/4。光學(xué)厚度是由層的厚度乘以該層材料的折射率獲得的。例如，假 設(shè)將第一層130的膜厚表示為dA，其折射率表示為nA，將第二層140 的膜厚表示為dB,其折射率表示為nB。則第一層130的光學(xué)厚度表 示為dAnA，第二層140的光學(xué)厚度表示為dBnB?？梢赃m當(dāng)設(shè)置第一層130的光學(xué)厚度和第二層140的光學(xué)厚度。 例如，可以將第一層130的光學(xué)厚度設(shè)為X/8或更小，可以將第二層 140的光學(xué)厚度設(shè)為或更大。可選地，可以將第一層130的光 學(xué)厚度設(shè)為人/16或更小，可以將第二層140的光學(xué)厚度設(shè)為7X/16 或更大。為了獲得所設(shè)計的共振波長，希望將第一層130的光學(xué)厚度與第 二層140的光學(xué)厚度的總和設(shè)為人/2。在圖2D的右側(cè)示出了多層反射器的內(nèi)部光強分布210。內(nèi)部光 強分布210包括波腹220和波節(jié)230。如圖2A中所示，位于第一層130和第二層140之間的一個界面 對應(yīng)于光強分布的波腹220。如圖2B所示，位于第一層130和第二 層140之間的一個界面對應(yīng)于光強分布的波節(jié)230。C.本實施例的結(jié)構(gòu)如在參考例子中所示，在本實施例中，只需要第一層UO和第二 層140具有不同的折射率，因此第一層130的折射率可以高于或低 于第二層140的折射率。第一層130的光學(xué)厚度小于入/4,第二層MO 的光學(xué)厚度大于入/4。但是，如圖2C中所示，在本發(fā)明的實施例中，在第一層130和
第二層140之間的界面既不對應(yīng)于光強分布的波腹220也不對應(yīng)于 光強分布的波節(jié)230。從圖2D的傳統(tǒng)例子開始，當(dāng)構(gòu)成多層反射器的兩層的厚度改變 時，如圖2A或圖2B所示，在各層之間的界面通常分布為使得對應(yīng) 于光強分布的波腹或波節(jié)。即使在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints 第 80 - 81 頁 (Precision and Intelligence Laboratory, Tokyo Institute of Technology )的tf )兄中，也4吏用了基于 圖2A或圖2B的方法。但是，如圖2C所示，本發(fā)明實施例的特征是使用了這樣的結(jié)構(gòu)， 其中在各層之間的界面布置為既不對應(yīng)于光強分布的波腹也不對應(yīng) 于光強分布的波節(jié)。當(dāng)使用這樣一種結(jié)構(gòu)時，能夠獲得更接近設(shè)計值的共振波長，并 且能夠抑制反射率的減小?？梢愿鶕?jù)目的適當(dāng)選擇光學(xué)厚度小的第一層130的材料和光學(xué) 厚度大的第二層140的材料。下文中，將介紹長波長激光和短波長 激光的應(yīng)用例子。(對長波長激光的應(yīng)用)如上所述，用于通信的長波長(1.3|iim至1.5jum)激光和紅光 (0.62)am至0.7(im)激光存在的問題在于，它們的熱特性不理想或 是難于獲得高功率輸出。垂直腔面發(fā)射激光器存在的問題在于，由 活性層產(chǎn)生的熱被高熱阻的半導(dǎo)體多層反射器限制在活性層的附近。更具體地說，當(dāng)將作為二元系統(tǒng)材料的Al0.5Ga0.5As層和AlAs 層分別用作用于紅光垂直腔面發(fā)射激光器的高折射率層和低折射率 層時，Al。.5Ga。.5As層的熱阻比AlAs層的熱阻高8倍或更高。因此，如在例1中將要介紹的那樣，在紅光垂直腔面發(fā)射激光器 的多層反射器的情況中，熱阻大的AlGaAs層的光學(xué)厚度可以設(shè)為小 于A74 (第一層130),而熱阻小的AlAs層的光學(xué)厚度可以設(shè)為大于 X/4 (第二層140)。
在長波長垂直腔面發(fā)射激光器的多層反射器的情況中，熱阻大的InGaAsP層的光學(xué)厚度可以設(shè)為小于X/4 (第一層130)，而熱阻小 的InP層的光學(xué)厚度可以設(shè)為大于入/4 (第二層140)。 (對短波長激光的應(yīng)用)GaN半導(dǎo)體材料用于在紫外光/藍(lán)光區(qū)域(300|iim至500pm)中 的垂直腔面發(fā)射激光器。這種短波長激光存在的問題在于，在使用 低折射率層和高折射率層之間的大折射率差時，沒有能夠與用作外 延生長中基底的層(例如，襯底)進(jìn)行晶格匹配的適當(dāng)材料。因此，可以將晶格失配小的層的光學(xué)厚度設(shè)為大于人/4,可以將 晶格失配大的層的光學(xué)厚度設(shè)為小于X/4。由此，可以提供一種多層 反射器，其中在抑制發(fā)生破裂的風(fēng)險的同時可以實現(xiàn)高反射率。例如，當(dāng)GaN、 GaN和A1N分別用于襯底、高折射率層和低折 射率層時，在襯底的GaN和低折射率層的A1N之間的晶格失配較大。因此，如將要在例2中所述的，在短波長垂直腔面發(fā)射激光器的 多層反射器的情況中，A1N層與襯底的晶格失配較大，但是其相對 于高折射率層的折射率差增大，可以將該A1N層的光學(xué)厚度設(shè)為小 于人/4。 GaN層與襯底的晶格失配較少，并被用作高折射率層，可以 將該GaN層的光學(xué)厚度設(shè)為大于人/4。從熱膨脹系數(shù)角度出發(fā)，可以將相對于襯底的熱膨脹系數(shù)差較大 的AlGaN層的光學(xué)厚度設(shè)為小于入/4,可以將相對于襯底的熱膨脹系 數(shù)差較小的GaN層的光學(xué)厚度設(shè)為大于人/4。 (另一實施例)被層壓的第一層130和第二層140的對數(shù)理想地為兩對或更多 對。當(dāng)被層壓的對數(shù)增加時，多層反射器的反射率變得更高。當(dāng)在 第一層130和第二層140之間的折射率差增加時，多層反射器的反 射率變得更高。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備可以用于各種光學(xué)設(shè)備，不僅包括垂直腔 面發(fā)射激光器還包括發(fā)光二極管和光學(xué)功能設(shè)備。例如，當(dāng)在本發(fā) 明中的多層反射器的對數(shù)減少時，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備可以用作 發(fā)光二極管。根據(jù)本發(fā)明，不必提供上方和下方多層反射器。本發(fā)明還包括具 有至少一個單獨多層反射器的光學(xué)設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備可以適用于作為電子照相記錄處理圖像 形成裝置的光源。 (例子)(例1: AlAs/AlGaAs ) 在例1中，將介紹一種垂直腔面發(fā)射激光器，其包括多層反射器， 該多層反射器用作用于紅光垂直腔面發(fā)射激光器的多層反射器，并 且由AlAs材料和AlGaAs材料形成。構(gòu)造該多層反射器用于減小熱 阻。圖3是表示根據(jù)例1的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。在本例中，垂直腔面發(fā)射激光器包括GaAs襯底400、 n型 AlAs/Al。.5Ga。.5As多層反射器410、 n型Al0.35Ga。.15In0.5P分隔層405、 Ga0.5In。.5P/Al。.25Ga。.25In。.5P量子阱活性層404、 p型Alo.35Ga。.15In0.5P 分隔層409和p型Alo.gGacuAs/Alo.sGao.sAs多層反射器420。在此使用的Gao.5Ino.5P/Alo.25Gao.25Ino.5P量子阱活性層404包括例 如四個GaQ.5In。.5P阱層，并具有650nm至690nm的光發(fā)射波長人。調(diào)節(jié)n型Al。.35GaQ.15In。.5P分隔層405的厚度和p型 Alo.35Ga。.15In。.5P分隔層409的厚度，以使用 一個波長的光學(xué)厚度作 為共振腔長度。如果需要，可以調(diào)節(jié)光發(fā)射波長、阱的數(shù)量或是共 振腔長度。形成p型Alo.9GacuAs/Alo.5Gao.5As多層反射器420,使得如傳統(tǒng) 設(shè)計中一樣每個光學(xué)厚度為V4。為了減小電阻，可以在Alo.9Ga(nAs 層和Al。.5Ga。.5As層之間提供大約20nm的組成梯度層。即使在這種 情況下，形成多層反射器420,使得包含該組成梯度層的層的光學(xué)厚 度為入/4。與此對照的是，為了減小n型AlAs/Alo.sGao.sAs多層反射器410 的熱阻，其兩個組成層的光學(xué)厚度不為人/4。將熱阻小的AlAs層的 光學(xué)厚度設(shè)為大于A74,而將熱阻大的Al。.5Ga。.5As層的光學(xué)厚度設(shè)為 小于入/4。在本例中，將AlAs層的光學(xué)厚度設(shè)為3人/8,而將Alo.5Gao.5As 層的光學(xué)厚度設(shè)為人/8。需要注意，為了防止共振波長偏移，將層的 層厚的總和保持在X/2的光學(xué)厚度。 (共振腔結(jié)構(gòu))下文中，將介紹將其中膜厚可調(diào)的多層反射器結(jié)合到共振腔結(jié)構(gòu) 中的方法。圖4A至4D是表示如圖3中所示的AlAs/Alo.5GaQ.5As多層反射 器 410 、 Gao.5InQ.5P/Alo.25Gao.25Ino.5P 量子阱活性層 404和 Alo.35Gao.15Ino.5P分隔層405的示意性放大圖。圖4A至圖4D表示內(nèi)部光強分布210、內(nèi)部光強分布210的波 腹220、內(nèi)部光強分布210的波節(jié)230、 AlAs層406和Al0.5Ga0.5As 層407。出于簡化考慮，在圖4A至圖4D中僅表示了在多層反射器 中的三對。AlAs層406為低折射率層，Alo.5Gao.5As層407為高折射 率層。在本例中，將熱阻大的AlQ.5Ga。.5As層407的光學(xué)厚度設(shè)為X/8 以獲得薄膜，并將熱阻小的AlAs層406的光學(xué)厚度設(shè)為以獲 得厚膜。下文中，將基于加厚的AlAs層406和變薄的Al0.5Ga0.5As層407 的配置介紹圖4A至圖4D中以下各種的情形。圖4A和圖4B表示參考例。圖4A表示在AlAs層406和 Al0.5Ga().5As層407之間的界面布置為對應(yīng)于光強分布的波腹220的 情況，圖4B表示該界面布置為對應(yīng)于光強分布的波節(jié)230的情況。圖4C表示例1，界面^皮定位為既不對應(yīng)于光強分布的波腹也不 對應(yīng)于波節(jié)。圖4C表示一種更理想的例子，其中加厚的AlAs層406 的中心或者變薄的Al。.5Gao.5As層407的中心凈皮定位為恰好對應(yīng)于光 強分布的彼此相鄰的波腹和波節(jié)間的中點。 圖4D表示傳統(tǒng)例子。對照例1,以基于傳統(tǒng)設(shè)計值的X/4的光學(xué) 厚度構(gòu)成多層反射器。需要注意，在本例中，用Alo.9Ga(uAs層408 取代AlAs層406作為低折射率層。 (反射率和共振波長)圖5表示上述每種多層反射器的反射率和反射阻帶的中心波長 的計算結(jié)果。將它們設(shè)計為使得反射阻帶的中心波長變成670nm。 基于如圖6A至圖6D中所示的僅存在下方反射器的假設(shè)，計算由每 個箭頭指示的方向上的反射率。假設(shè)用作比較例的以X/4的光學(xué)厚度 設(shè)計的傳統(tǒng)多層反射器具有70對的層。為了獲得基本上等于傳統(tǒng)多 層反射器的反射率，進(jìn)一步增加6對的層以在圖6A、 6B和6C的每 種情況中提供總計76對的層數(shù)。從圖5的表格可以清楚，當(dāng)僅考慮多層反射器時，不管薄膜層或 厚膜層的布置，在圖6A、 6B和6C中獲得基本上相同的反射率(99.997 % )和基本上相同的中心波長(670nm)。也就是說, 即使當(dāng)光學(xué)厚 度偏離X/4時，僅考慮反射器所進(jìn)行的計算中，變薄或加厚層的位置 不會產(chǎn)生問題。接下來，圖7表示在結(jié)合共振腔結(jié)構(gòu)的情況下，即在圖4A至圖 4D的每個的情況下，共振波長和在該波長的反射率的計算結(jié)果。在 以人/4的光學(xué)厚度設(shè)計的傳統(tǒng)多層反射器的情況下，即在圖4D的情 況下，從僅關(guān)于多層反射器的計算和關(guān)于其中結(jié)合多層反射器的共 振腔的計算都獲得相同的結(jié)果(670nm, 99.997%或更高)。與此對照，顯示出在圖4A的情況中共振波長向更長波長偏移了 大約8nm,而在圖4B的情況中共振波長向更短波長偏移了大約8nm。 反射率減小到大約99.98%。另一方面，在圖4C的情況中，盡管多層反射器包括光學(xué)厚度不 為人/4的層，但僅關(guān)于多層反射器的計算結(jié)果以及關(guān)于其中結(jié)合多層 反射器的共振器的計算結(jié)果如圖4D的傳統(tǒng)情況中的一樣基本上彼 此相同。也就是說，在如上所述使用其光學(xué)厚度偏離X/4的層的多層反射 器的情況中，會不期望地發(fā)生共振波長的偏離或者反射率的降低， 除非不僅考慮多層反射器還考慮其中結(jié)合多層反射器的共振腔。在使用了本例中結(jié)構(gòu)的情況下，即使當(dāng)光學(xué)厚度偏離AV4時，也能夠帶 來不受損害的總體性 能。 (設(shè)計引導(dǎo)) 接下來，將介紹圖4C的具體結(jié)構(gòu)。圖8B表示在本例中圖4C的結(jié)構(gòu)，圖8A表示在傳統(tǒng)例子中圖 4D的結(jié)構(gòu)。在圖8A和圖8B中，X表示激光的振蕩波長，m表示位于活性層 與第 一鏡子和第二鏡子中至少 一個之間的介質(zhì)的平均折射率。此外， n2表示其光學(xué)厚度大于X/4的加厚層(AlAs層)的折射率，113表示 其光學(xué)厚度小于人/4的變薄層(AlQ.5Ga。.5As層)的折射率。變薄的 Al0.5GaQ.5As層的光學(xué)厚度變得比人/4 ( X/4 n3)更小，并在這里由x 表示。在本例中，如圖8B所示布置作為垂直腔面發(fā)射激光器的多個反 射器之一的AlAs/Al。.5Ga。.5As多層反射器。也就是說，如此布置，使 得具有x厚度的Alo.5Gao.5As層的中心位于離活性層的中心的距離為 人/2 ni、人/4 ri2的整數(shù)倍的位置，以及由下面的表達(dá)式定義的距離的 位置<formula>formula see original document page 16</formula>并且以由下面表達(dá)式定義的間隔反復(fù)設(shè)置AlAs/Alo.5Gao.5As層<formula>formula see original document page 16</formula>由該表達(dá)式表示的結(jié)構(gòu)例子包括將熱導(dǎo)率高的AlAs層的層厚度 設(shè)為3V8n2,并將熱導(dǎo)率低的Alo.5Gao.5As層的層厚度設(shè)為X/8n3的結(jié) 構(gòu)。(例2: AlN/GaN)將介紹例2。在例2中，將介紹一種垂直腔面發(fā)射激光器，其包 括具有AlN層和GaN層的多層反射器，并且其用于發(fā)射紫外光/藍(lán)光。
考慮折射率差和晶格失配，構(gòu)成反射器以改善反射率。圖9是表示根據(jù)例2的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。在本例中，垂直腔面發(fā)射激光器包括GaN襯底701、 AlN/GaN 多層反射器702、 GaN分隔層703、 InGaN量子阱活性層704，和 SiO/Ti02多層反射器705。在這里使用的InGaN量子阱活性層704包括例如四個InGaN阱 層，并具有390nm至410nm的光發(fā)射波長。調(diào)節(jié)兩個GaN分隔層 103的光學(xué)厚度以獲得對應(yīng)于2個波長的共振腔長度。如果需要，可 以調(diào)節(jié)光發(fā)射波長、阱數(shù)、或共振器長度。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計方法，構(gòu)成多層反射器702的A1N層和GaN層的 每個的光學(xué)厚度為人/4。與此對照，根據(jù)本例，使用GaN襯底，因此將具有較大晶格失 配的A1N層的光學(xué)厚度設(shè)為X/8，將具有較小應(yīng)變的GaN層的光學(xué) 厚度"i殳為3X/8，并層壓24對A1N層和GaN層。SiO/ri02多層反射器705包括以對應(yīng)于X/4的光學(xué)厚度的傳統(tǒng)層 厚層壓的8對層。因為與本發(fā)明沒有直接關(guān)系，所以在此省略了電 流注入所必須的摻雜和電極形成。但是，當(dāng)適當(dāng)?shù)貓?zhí)行摻雜和電極 形成時，就可以提供能夠注入電流的結(jié)構(gòu)。 (共振腔結(jié)構(gòu))圖10A至圖10D是表示包含如圖9所示的AlN/GaN多層反射器 702和InGaN量子阱活性層704的共振腔結(jié)構(gòu)的示意性放大圖。圖10A至圖10D表示內(nèi)部光強分布210、內(nèi)部光強分布210的 波腹220、內(nèi)部光強分布210的波節(jié)230、 InGaN量子阱704、 A1N 層805和GaN層806。為了簡化，在圖10A至圖10D只示出了多層 反射器中的三對。A1N層805是低折射率層，GaN層806是高折射 率層。在通常用于III族氮化物半導(dǎo)體激光器的村底的晶格常數(shù)或用作 外延生長中基底的最厚III族氮化物半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)與A1N層的
晶格常數(shù)之間存在很大的差值。另一方面，A1N層具有低折射率，因此相對于例如GaN層的高 折射率層的折射率差很大，由此提高了反射率。因此，在本例中， 將晶格失配大的A1N層的光學(xué)厚度設(shè)為X/8，將晶格失配小的GaN 層的光學(xué)厚度設(shè)為3A78。下文中，將基于其配置針對變薄的A1N層介紹圖IOA至圖10D 的以下各種情況。圖IOA和圖10B表示參考例。圖IOA表示GaN/AlN界面定位為 對應(yīng)于光強分布210的波腹220的情況，圖IOB表示一個界面定位 為對應(yīng)于光強分布210的波節(jié)230的情況。圖IOC表示例2,界面定位為既不對應(yīng)于光強分布的波腹也不對 應(yīng)于波節(jié)。圖10C表示一種更期望的例子，其中變薄的A1N層805 的中心定位為恰好對應(yīng)于在光強分布的彼此相鄰的波腹和波節(jié)間的 中點。圖IOD表示傳統(tǒng)例子。為了和例2比較，以基于傳統(tǒng)設(shè)計值的 人/4的光學(xué)厚度構(gòu)成多層反射器。需要注意，在本例中，Alo.5Ga0.5N 層807取代A1N層805用作低折射率層。為了便于體現(xiàn)在構(gòu)成層界面和內(nèi)部光強分布的波腹/波節(jié)之間的 關(guān)系，在右側(cè)顯示強度分布。 (反射率和共振波長)圖11表示在上述每種多層反射器中反射率和反射阻帶中心波長 的計算結(jié)果。對它們進(jìn)行設(shè)計使得反射阻帶的中心波長變成400nm 。 在假設(shè)如在圖12A至圖12D中所示的僅存在下方反射器的基礎(chǔ)上計 算由每個箭頭所指方向上的反射率。在圖12A至圖12D的每種情況 中，提供24對的層。從圖ll的表格可以清楚，當(dāng)僅考慮多層反射器時，不管薄膜層 或厚膜層的布置，在圖12A、圖12B和圖12C中獲得基本上相同的 反射率(99.5% )和基本上相同的中心波長(400nm)。也就是說， 即使當(dāng)光學(xué)厚度偏離X/4時，僅考慮反射器進(jìn)行的計算中變薄層的位 置也不會引發(fā)問題。接下來，圖13表示在結(jié)合共振腔的情況中，即在圖IOA至圖10D 的每種情況中，共振波長和反射率的計算結(jié)果。在以入/4的光學(xué)厚度 設(shè)計的傳統(tǒng)多層反射器情況中，即在圖IOD的情況中，從僅關(guān)于多 層反射器的計算和關(guān)于其中結(jié)合多層反射器的共振腔的計算都獲得 相同的結(jié)果(400nm, 99.12% )。與此對照，在圖IOA和圖IOB的情況中，顯示出在圖IOA的情 況中共振波長向更短波長偏移而在圖10B的情況中共振波長向更長 波長偏移了分別大約9nm至10nm。反射率減小到大約98% 。另一方面，在圖10C的情況中，盡管多層反射器由其光學(xué)厚度 不為A74的層組成，但是僅關(guān)于多層反射器的計算結(jié)果和關(guān)于其中結(jié) 合多層反射器的共振腔的計算結(jié)果如在圖10D的傳統(tǒng)情況中一樣基 本上彼此相同，并且未觀察到反射率的下降和共振波長的偏離。也就是說，在使用如上所述的偏離X/4的光學(xué)厚度的層的多層反 射器的情況下，會不期望地發(fā)生共振波長的偏離或者反射率的降低， 除非不僅考慮多層反射器還考慮其中結(jié)合多層反射器的共振腔。在使用了本例中結(jié)構(gòu)的情況下，即使當(dāng)光學(xué)厚度偏離人/4時，也 能夠帶來不受損害的總體性能。如上所述，根據(jù)本例，能夠容易地制造高反射率且很少次數(shù)破裂 的III族氮化物半導(dǎo)體多層反射器，并且能夠?qū)崿F(xiàn)使用該多層反射器 的垂直腔面發(fā)射激光器。 (設(shè)計指導(dǎo))接下來，將進(jìn)一步介紹在本例中圖IOC的具體結(jié)構(gòu)。圖14B表示在本例中圖IOC的結(jié)構(gòu)，而圖14A表示在傳統(tǒng)例子 中圖10D的結(jié)構(gòu)。在圖14A和圖14B中，X表示激光的振蕩波長，m表示位于活性 層與第 一鏡子和第二鏡子中至少 一個之間的介質(zhì)的平均折射率。此外，112表示其相對于襯底的晶格失配較大的III族氮化物半導(dǎo) 體層(A1N層)的折射率，n3表示其相對于襯底的晶格失配較小的 III族氮化物半導(dǎo)體層(GaN層)的折射率。其晶格失配較大的A1N 層的光學(xué)厚度比X/4 (X/4n2)更小，并在這里由x表示。在本例中，如圖14所示布置作為垂直腔面發(fā)射激光器中的多個 反射器之一的AlN/GaN多層反射器。也就是說，如此布置，使得具 有比X/4 n2小的x厚度的A1N層的中心位于離活性層的中心的距離為 入/2m的整數(shù)倍的位置，以及由下面的表達(dá)式定義的距離的位置<formula>formula see original document page 20</formula>并且以由下面表達(dá)式定義的間隔反復(fù)設(shè)置A1N/GaN層<formula>formula see original document page 20</formula>由該表達(dá)式表示的結(jié)構(gòu)例子包括將具有較大晶格失配的半導(dǎo)體層用作層厚度為X/8n2的A1N層，并將具有較小晶格失配的半導(dǎo)體層 用作層厚度為3人/8ri3的GaN層的結(jié)構(gòu)。 (例3: AlN/GaN)將介紹例3。在例3中，將介紹一種垂直腔面發(fā)射激光器，其中 使用不同于例2中襯底的襯底(藍(lán)寶石)，并且在活性層上方和下 方使用不同的膜厚形成多層反射器。圖15是表示根據(jù)本例的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截 面圖。在本例中，垂直腔面發(fā)射激光器包括藍(lán)寶石襯底1501、 GaN厚 膜1510、 AlN/GaN多層反射器1502、 GaN分隔層1503、 InGaN量 子阱活性層1504,和AlN/GaN多層反射器1505。例如，在這里使用的InGaN多量子阱活性層和例2中所使用的 一樣。每個多層反射器1502和1505包括A1N構(gòu)成層和GaN構(gòu)成層。 在這種情況中，在藍(lán)寶石襯底上構(gòu)成層的生長接著GaN厚膜的外延 生長。因此將具有較大晶格失配的A1N層的光學(xué)厚度設(shè)為X/16以獲得 薄膜，將具有較小應(yīng)變的GaN層的光學(xué)厚度設(shè)為7X/16以獲得厚膜， 并層壓52對A1N層和GaN層。
因為與本發(fā)明沒有直接關(guān)系，所以在此省略了電流注入所必須的 摻雜和電極形成。但是，當(dāng)適當(dāng)?shù)貓?zhí)行摻雜和電極形成時，就可以 提供能夠注入電流的結(jié)構(gòu)。圖16是表示包含如圖15所示的AlN/GaN多層反射器1502和 InGaN量子阱活性層1504的共振腔結(jié)構(gòu)的示意性放大圖。為了簡化，在圖16中僅示出了包含在多層反射器中的3對。和 例2中一樣，界面定位為既不對應(yīng)于多層反射器中光強分布210的 波腹220也不對應(yīng)于其波節(jié)230。圖16表示一種更理想的例子。布置變薄的A1N層1507，使得變 薄的A1N層1507的中心定位為對應(yīng)于光強分布的4皮此相鄰的波節(jié)和 波腹間的中點。在相鄰的A1N層1507之間提供加厚的GaN層1506。即使在這 種情況下，也獲得99%或更高的反射率，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)在室溫下 連續(xù)振蕩可能需要的高反射率。在本例中每一個多層反射器的層厚度基本上是例2中每一個多 層反射器層厚度的兩倍。但是，在這兩個例子中所積累的應(yīng)變量基 本上是彼此相同的。因此，該多層反射器是抗破裂的。如上所述，根據(jù)本例，可以響應(yīng)于其他需求更理想地選擇要減 少的層厚和對數(shù)。(例4: AlN/GaN)將介紹例4。在例4中，將介紹一種垂直腔面發(fā)射激光器，其中 使用不同于例2或例3中使用的襯底的村底(A1N)來形成多層反射 器。同樣的，本例和例2及例3不同，A1N層的光學(xué)厚度要比GaN 層的光學(xué)厚度更厚。圖17是表示根據(jù)本例的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截 面圖。在本例中，垂直腔面發(fā)射激光器包括A1N襯底1601、 AlN/GaN 多層反射器1602、 GaN分隔層1603、 InGaN量子阱活性層1604，和 Si02/Ti02多層反射器1605。
在此使用的InGaN量子阱活性層1604和Si02/Ti02多層反射器 1605與在例2中的相同。AlN/GaN多層反射器1602包括A1N構(gòu)成層和GaN構(gòu)成層。在 這種情況中，通過外延生長在A1N襯底1601上形成構(gòu)成層。因此，將具有較大晶格失配的GaN層的光學(xué)厚度設(shè)為入/8以獲得 薄膜，將具有較小應(yīng)變的A1N層的光學(xué)厚度設(shè)為以獲得厚膜， 并層壓27對GaN層和A1N層。因為與本發(fā)明沒有直接關(guān)系，所以在此省略了電流注入所必須的 摻雜和電極形成。但是，當(dāng)適當(dāng)?shù)貓?zhí)行摻雜和電極形成時，就可以 提供能夠注入電流的結(jié)構(gòu)。圖18是表示包含如圖17所示的AlN/GaN多層反射器1602和 InGaN量子阱活性層1604的共振腔結(jié)構(gòu)的示意性放大圖。為了簡化，在圖18中僅示出了在多層反射器中的3對。和例2及例3中一樣，構(gòu)成層界面定位為既不對應(yīng)于多層反射 器中光強分布210的波腹220也不對應(yīng)于其波節(jié)230。圖18表示一 種更期望的例子。形成多層反射器，使的變薄的GaN層1606的中心 定位為對應(yīng)于光強分布的彼此相鄰的波節(jié)和波腹間的中點。即使在這種情況下，也獲得99%或更高的反射率，這樣就能夠 實現(xiàn)在室溫下連續(xù)振蕩可能需要的高反射率。如上所述，根據(jù)本例，可以基于要使用的襯底的類型和由此對多 層反射器的構(gòu)成層產(chǎn)生的晶格失配的程度來確定要變薄的層，以實 現(xiàn)破裂的減少和反射率的增加。 (例5:圖像形成裝置)將對本發(fā)明的例5進(jìn)行說明。在例5中，將介紹將根據(jù)本發(fā)明的 光學(xué)設(shè)備用作電子照相裝置的光源的例子。電子照相裝置包括感光部件；用于為感光部件充電的充電單元； 用于發(fā)射光束以對充電的感光部件形成靜電潛像的光束發(fā)射單元； 和用于對通過所發(fā)射光束形成的靜電潛像進(jìn)行顯影的顯影單元。下文中，將參考圖19介紹由電子照相裝置執(zhí)行的成像處理。
由充電單元1690均勻地給感光部件1670充電。從作為曝光光源 的本發(fā)明光學(xué)設(shè)備1640通過作為光路改變單元的多角鏡1650和聚 光透鏡1660向感光部件1670發(fā)射激光。當(dāng)向感光部件1670發(fā)射激 光時，電荷從感光部件1670的受照射部分移除以形成靜電潛像。由 顯影單元1680將調(diào)色劑提供到形成有靜電潛像的感光部件1670上， 由此形成調(diào)色劑圖像。將調(diào)色劑圖像轉(zhuǎn)印到例如紙張的轉(zhuǎn)印材料。盡管已經(jīng)參考示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了介紹，但是可以理解 本發(fā)明并不受所公開的這些示例性實施例的限制。下列權(quán)利要求的 范圍是要符合最寬泛的解釋，以包括全部這樣的修改和等效結(jié)構(gòu)及 功能。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生波長λ的光的光學(xué)設(shè)備，包括反射器和活性層，所述反射器為半導(dǎo)體多層反射器，包含被交替層壓并具有彼此不同折射率的第一層和第二層，其中所述第一層具有小于λ/4的光學(xué)厚度而所述第二層具有大于λ/4的光學(xué)厚度；并且其中在所述第一層和所述第二層之間的界面位于不同于在所述反射器中光強分布的波節(jié)和波腹的位置上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中層壓兩對或更多對的所述 第一層和所述第二層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述第一層的中心位于對 應(yīng)于所述反射器中光強分布的彼此相鄰的波節(jié)和波腹間的中點的位 置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述第一層的光學(xué)厚度和 所述第二層的光學(xué)厚度的總和為人/2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述第一層具有比所述第 二層的熱阻更大的熱阻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)設(shè)備，其中所述第二層包括二元材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的光學(xué)設(shè)備，其中所述第二層是AlAs層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中在所述光學(xué)設(shè)備的村底的 晶格常數(shù)和所述第二層的晶格常數(shù)之間的差小于在所述襯底的晶格 常數(shù)和所述第 一 層的晶格常數(shù)之間的差。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)設(shè)備，其中所述第一層是A1N層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)設(shè)備，其中所述第二層是GaN層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述第一層具有X/8的光 學(xué)厚度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中所述第二層具有3人/8的 光學(xué)厚度。
13. —種垂直腔面發(fā)射激光器，包括 襯底；在襯底上提供的兩個反射器；以及 在所述兩個反射器之間提供的活性層，其中所述兩個反射器中至少一個包括根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備'
14. 一種電子照相裝置，包括 感光部件；用于為所述感光部件充電的充電單元；用于發(fā)射光束以對充電的感光部件形成靜電潛像的光束發(fā)射單 元^ 和用于對通過所發(fā)射光束形成的靜電潛像進(jìn)行顯影的顯影單元， 學(xué)設(shè)備。
全文摘要
公開了一種光學(xué)設(shè)備，包括具有光學(xué)厚度不為λ/4的層的多層反射器，以及一種使用這種光學(xué)設(shè)備的垂直腔面發(fā)射激光器。能夠抑制由λ/4光學(xué)厚度的偏差造成的共振頻率偏移或反射率下降，從而改善性能和產(chǎn)量。用于產(chǎn)生波長λ的光的光學(xué)設(shè)備包括反射器和活性層。反射器為半導(dǎo)體多層反射器，包含被交替層壓并具有不同折射率的第一層和第二層。第一層具有小于λ/4的光學(xué)厚度。第二層具有大于λ/4的光學(xué)厚度。在第一層和第二層之間的界面位于既不在反射器內(nèi)光強分布的波節(jié)的位置也不在波腹的位置。
文檔編號H01S5/30GK101132118SQ200710147710
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者竹內(nèi)哲也 申請人:佳能株式會社