垂直腔表面发射激光器件、垂直腔表面发射激光器阵列、光学扫描设备、成像设备、光学发射模块和光学发射系统

摘要

本发明公开了一种垂直腔表面发射激光器件，其相对于衬底垂直发射光，并且包括：包括有源层的谐振器结构；和半导体多层反射器，该半导体多层反射器设置成在其间夹置该谐振器结构，并且包括限制结构，该限制结构同时限制注入的电流和振荡光的横向模式，所述限制结构具有氧化区域，该氧化区域围绕电流通过区域，氧化区域是通过氧化包含铝的选择性氧化层来形成的并包括至少一种氧化物，其中，所述选择性氧化层在厚度上至少为25nm；且所述半导体多层发射器包括减小在横向上的光学限制的光学限制减弱区域，并且该光学限制减弱区域相对于谐振器结构设置在衬底侧上。

说明书

技术领域

本发明旨在一种垂直腔表面发射激光器件、垂直腔表面发射激光器阵列、光学扫描设备、成像设备、光学发射模块和光学发射系统。尤其是，本发明旨在相对于衬底正交地发射光线的垂直腔表面发射激光器件、其中集成有这种垂直腔表面发射激光器件的垂直腔表面发射激光器阵列；包括这种垂直腔表面发射激光器件或者这种垂直腔表面发射激光器阵列的光学扫描设备；包括这种光学扫描设备的成像设备以及包括这种垂直腔表面发射激光器阵列的光学发射模块和光学发射系统。

背景技术

由于它们的结构，垂直腔表面发射激光器件特征在于容易降低阈值电流和功率消耗。近年来，氧化物限制垂直腔表面发射激光器件已经被集中地研究，与先前研究的离子注入垂直腔表面发射激光器件(例如，见专利文件1)相比，该器件能够降低阈值电流并且提供更高速度的响应。

氧化物限制垂直腔表面发射激光器件具有如下的优点：具有氧化物所提供的有利的横向模式限制，这导致稳定的振荡模式；但是，由于氧化物的光学限制太强，难于获得单个基础横向模式振荡。要指出的是，氧化物限制垂直腔表面发射激光器件在下面简称为“垂直腔表面发射激光器件”。

用于实现单个基础横向模式操作的广泛采用的传统技术是提供一个较小面积的未氧化区域，该区域是电流注入区域(电流通过区域)，使得更高阶的横向模式被限制并且不振荡。换句话说，该技术是切断高阶横向模式。

用于实现单个基础横向模式操作的另一种提出的方法是减小由氧化物提供的横向模式限制的强度。如果横向模式限制的强度降低，高阶模式振荡将被抑制。在这种情况下，不需要使得未氧化区域较小，因此，可以改善热特性和电特性。这导致饱和功率增加并且调制率增大。为了减小氧化物带来的光学限制的强度，传统上，氧化物被设置在远离有源层的位置处，或者氧化物被做得较薄。

垂直腔表面发射激光器件由于每个激光器件相对于它的衬底正交地发射光束而易于以高密度布置成二维形式，于是，开始研究将它们应用于高速和高解析度电子照相系统等。例如，非专利文件2公开了一种利用780nm波段VCSEL阵列(垂直腔表面发射激光器阵列)的打印机。专利文件1公开了一种多点成像设备，其具有多个点光源。通常，通过利用能够以单个基础横向模式执行高功率操作的垂直腔表面发射激光器件，可以实现更高速度的光学写入。

这种垂直腔表面发射激光器件包括电流限制结构，以便增加电流流入的效率。通常使用的电流限制结构是通过AlAs(砷化铝)的选择性氧化来形成的(电流限制结构在下面也称为氧化物电流限制结构)(例如，见专利文件2)。氧化物电流限制结构是如下形成的，即：在前体结构中形成预定尺寸的台地(mesa)，其中，要被选择性氧化的p-AlAs层被沿着横向侧暴露，并且将前体结构放置在高温水蒸气气氛中，以便从横向侧开始Al被选择性氧化，使得台地的中心部分保持未氧化。未氧化的部分作用为用于驱动垂直腔表面发射激光器的电流的通过区域(电流注入区域)。以这种方式，容易获得电流限制。

对于垂直腔表面发射激光器，如果在有源层中产生的热量被快速释放，结温度(junction temperature)(有源层的温度)的升高可以被抑制，并且可以防止增益降低。这不仅导致高输出，而且导致有利的温度特性，并由此获得更长的操作寿命。

半导体多层反射器通常是由AlGaAs材料制成。AlGaAs材料的导热性根据Al成分变化很大，并且AlAs具有最高的导热性(见图65)。

由于这个因素，已经提出包括在设置于热释放路径侧并邻近谐振器结构的半导体多层反射器中的每个AlAs低折射率层被设计为具有比通常更大的光学厚度(例如，见专利文件3至5)。

[专利文件1]日本未审公开的专利申请公开说明书第H11-48520号；

[专利文件2]美国专利公开说明书第5493577号

[专利文件3]日本未审公开的专利申请公开说明书第2005-354061号；

[专利文件4]日本未审公开的专利申请公开说明书第2007-299897号；

[专利文件5]美国专利公开说明书第6720585号；

[非专利文件1]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.30，1994，pp.2043-2044

[非专利文件2]H.Nakayama，T.Nakamura，M.Funada，Y.Ohashi & M.Kato，“780nm VCSELs for Home Networks and Printers”，Electronic Components and Technology Conference Proceedings，54^th，Vol.2，June 2004，pp.1371-1375；

在电子照相术等中，当驱动电流施加到光源上时所获得的，光源的光学输出响应波形的上升方式(rising behavior)会对图像质量有显著影响。光学输出响应波形代表光学输出中的时间变化，并且在下面也称为“光学波形”。例如，在上升开始时，不仅在光学波形的上升时间过程中，而且在光学输出已经达到恒定光强度之后，光强度中的微小变化(fractional change)都会使得图像质量退化。

这是由于在光学波形的上升和下降时间的过程中形成的图像部分是图像的轮廓。如果尤其在光学波形的上升时间的过程中和在光学波形被认为基本上已升起之后的预定时间段期间光强度变化，图像的轮廓变得模糊，导致缺乏视觉锐度的不良图像质量。

例如，在具有大约300mm宽度(长度方向)的A4纸张上需要300μs来扫描一行，在1μs内的扫描距离大约是1mm。也就是说当宽度是1至2mm时，人眼对图像密度的变化具有最高的视觉灵敏度。因此，如果在大约1mm宽度上图像密度变化，该密度变化将足以被人眼察觉，产生轮廓模糊的印象。

本发明要解决的另一个问题涉及在半导体多层发射器中低折射率层的光学厚度。如果每个低折射率层的光学厚度从λ/4(λ是振荡波长)到3λ/4变化，光吸收(下面为了方便也简称为吸收)变化三倍。在半导体多层反射器中，越靠近谐振器结构，电场强度越强，并因此，吸收的显著影响被施加。结果，在专利文件3至5中公开的方法存在使得斜坡效率(slope efficiency)降低和阈值电流增加的问题。

发明内容

鉴于下面描述的本发明人的新发现，本发明包括以下各方面：

本发明的第一方面是垂直腔表面发射激光器件，其相对于衬底正交地发射光线，并且包括：谐振器结构，该谐振器结构包括有源层；以及半导体多层反射器，该半导体多层反射器设置成将谐振器结构夹在它们之间并且包括限制结构，该限制结构同时限制注入的电流和振荡光的横向模式。限制结构具有氧化区域，该氧化区域围绕电流通过区域。氧化区域是通过氧化一部分选择性氧化层来形成的并包括至少一种氧化物，该选择性氧化层包括铝。选择性氧化层厚度至少为25nm。半导体多层反射器包括光学限制减弱部分，该光学限制减弱部分在横向上减小光学限制。该光学限制减弱部分相对于谐振器结构设置在衬底侧。

本发明的第二方面是一种垂直腔表面发射激光器件，其相对于衬底正交地发射光束并包括谐振器结构和半导体多层反射器，该谐振器结构包括有源层，所述半导体多层反射器设置成将谐振器结构夹在它们之间并且包括多对第一层和第二层。第一层和第二层具有不同的折射率。第二层比第一层具有更高的导热性。半导体多层发射器包括第一局部发射器和第二局部反射器。第一局部反射器包括至少一对第一层和第二层，其中第二层在光学厚度上大于第一层。第二局部反射器设置在第一局部反射器和谐振器结构之间，并且包括至少一对第一层和第二层，其中，第一层和第二层每一个在光学厚度上都小于第一局部反射器的第二层的。

本发明的第三方面是垂直腔表面发射激光器阵列，其上集成有多个本发明的垂直腔表面发射激光器件。

本发明的第四方面是用于用光扫描扫描表面的光学扫描设备。该光学扫描设备包括：光源，该光源包括本发明的垂直腔表面发射激光器件；偏转器，该偏转器被构造成偏转光源发出的光；以及扫描光学系统，该扫描光学系统被构造成将被偏转的光聚焦在扫描表面上。

本发明的第五方面是用于用光扫描扫描表面的光学扫描设备。该光学扫描设备包括：光源，该光源包括本发明的垂直腔表面发射激光器件；偏转器，该偏转器被构造成偏转光源发出的光；以及扫描光学系统，该扫描光学系统被构造成将被偏转的光聚焦在扫描表面上。

本发明的第六表面是成像设备，该成像设备包括：至少一个图像载体；和一个或多个本发明的光学扫描设备，该光学扫描设备被构造成将包含图像信息的光照射到至少一个图像载体上。

本发明的第七方面是光学发射模块，用于根据输入电信号产生光学信号。该光学发射模块包括垂直腔表面发射激光器阵列；和驱动装置，该驱动装置被构造成根据输入的电信号驱动垂直腔表面发射激光器阵列。

本发明的第八方面是光学发射系统，该光学发射系统包括光学发射模块；和光学传输介质，该光学传输介质被构造成传输光学发射模块所产生的光信号；以及转换器，该转换器被构造成将所传输的光信号转变成电信号。

附图说明

本发明的这些和其他目的、特征和优点从下面本发明的详细描述，并当结合附图阅读时可以由本领域技术人员理解到，其中：

图1示出根据本发明一个实施方式的激光打印机的示意结构；

图2是示出图1的光学扫描设备的示意图；

图3示出包括在图2的光源中的垂直腔表面发射激光器件；

图4A和4B是图3的衬底的说明性视图；

图5是示出图3的低半导体DBR的一部分的放大图；

图6是示出图3的有源层的附近的放大图；

图7示出当传统垂直腔表面发射激光器件被方波电流脉冲驱动时获得的光学波形，所述方波电流脉冲具有1ms的脉冲周期和50％的占空比；

图8示出当传统垂直腔表面发射激光器件被方波电流脉冲驱动时获得的光学波形，所述方波电流脉冲具有100ns的脉冲周期和50％的占空比；

图9是内建等效折射率差(built-in effective refractive index difference)Δneff(部分1)的说明图；

图10A和10B是内建等效折射率差Δneff(部分2)的说明图；

图11A和11B是在内部温度升高时获得的内建等效折射率差Δneff的说明图；

图12是由于在垂直腔表面发射激光器件的内部温度升高、I-L曲线偏移的说明图，该垂直腔表面发射激光器件在室温下在横向上的光学限制不充分；

图13示出在图12的情况下获得的光学波形；

图14示出用于计算的折射率；

图15示出光学限制系数、选择性氧化层的厚度以及氧化物限制直径之间的关系(部分1)；

图16示出光学限制系数、选择性氧化层的厚度以及氧化物限制直径之间的关系(部分2)；

图17示出光学限制系数、选择性氧化层的厚度以及氧化物限制直径之间的关系(部分3)；

图18示出具有在25℃下大约0.983的基础横向模式光学限制的垂直腔表面发射激光器件的光学波形；

图19示出具有在25℃下大约0.846的基础横向模式光学限制的垂直腔表面发射激光器件的光学波形；

图20示出相对于在25℃的垂直腔表面发射激光器件、选择性氧化层的厚度与下降率之间的关系；

图21是Δλ₀＞0的说明图；

图22是Δλ₀＜0的说明图；

图23示出振荡阈值电流和测量温度之间的关系；

图24示出获得最低阈值电流的温度和失谐量之间的关系；

图25示出获得最低阈值电流的温度与下降率之间的关系(部分1)；

图26示出获得最低阈值电流的温度与下降率之间的关系(部分2)；

图27示出在光学限制减弱区域A中的对的个数与基础横向模式光学限制系数之间的关系；

图28示出用于计算的传统垂直腔表面发射激光器件的结构；

图29示出用于计算的具有光学限制减弱区域的垂直腔表面发射激光器件的结构；

图30示出用于计算的传统垂直腔表面发射激光器件的下半导体DBR的结构；

图31示出光学限制减弱区域A；

图32示出光学限制减弱区域B；

图33示出在光学限制减弱区域B中的对数与基础横向模式光学限制系数之间的关系；

图34示出光学限制减弱区域C；

图35示出在光学限制减弱区域C中的对的个数与基础横向模式光学限制系数之间的关系；

图36是示出光学限制减弱区域的效果的视图；

图37是示出系数损失减小层的视图(部分1)；

图38是示出系数损失减小层的视图(部分2)；

图39是输出吸收损失减小层对光学限制系数的影响的视图；

图40是示出光学限制减弱区域和吸收损失减小层的效果的视图(部分1)；

图41是示出光学限制减弱区域和吸收损失减小层的效果的视图(部分2)；

图42示出光学限制减弱区域的第一种改进；

图43示出光学限制减弱区域的第二种改进；

图44示出光学限制减弱区域的第三种改进；

图45示出垂直腔表面发射激光器阵列；

图46示出图45的发光部件的二维阵列；

图47是沿着图46的线A-A的横截面图；

图48是彩色打印机的示意图；

图49示出传统垂直腔表面发射激光器件的光学波形；

图50示出图49种光学波形的上升及其附近的放大图；

图51是示出下半导体DBR的放大图；

图52示出实施例1的下半导体DBR；

图53示出实施例2的下半导体DBR；

图54示出第三下半导体DBR包括三对折射率层的下半导体DBR；

图55示出热阻的计算结果；

图56示出垂直腔表面发射激光器件的改进；

图57示出下半导体DBR的一部分的放大图；

图58是示出有源层的附近的放大图；

图59示出光学发射模块和光学发射系统的示意性结构；

图60示出包括在光源中的垂直腔表面发射激光器阵列；

图61示出沿着图60所示的A-A线的截面图；

图62示出图61的下半导体DBR的一部分的放大图；

图63是示出图61的有源层的附近的放大图；

图64示出图59的光纤电缆；以及

图65示出AlGaAs材料的导热性与Al组分之间的关系。

具体实施方式

第一实施方式

图49示出在脉冲宽度500μs、占空比50％(脉冲周期：1ms)的脉冲条件下驱动垂直腔表面发射激光器件时获得的光学波形。如图49所示，刚好在上升时间之后的达到峰值之后，光学输出掉落并且在相对长时间观察时变得稳定。光学输出的变化是由于垂直腔表面发射激光器件的自加热，并通常称作“下降特性(droop characteristic)”。

在本发明的发明人所进行的深入检验中，已经作出新的发现，即：在短的时间段上出现不同于“下降特性”的光学输出的变化，如图50所示，图50提供了图49的光学波形的上升及其附近的放大图。

根据图50，在10ns之后光学输出已经完全上升。在大约200ns之后，光学输出基本上完全上升，并且随后逐渐增加，直到大约1μs为止。这个现象(特性)是本发明的发明人作出的新发现。在这个说明书中，这种特性被称作“负下降特性”。要指出的是负下降特性在传统边缘发射半导体激光器件中没有被发现过。

为了用垂直腔表面发射激光器件获得高图像质量，在上升时间过程中的光学相应需要被适当控制，并且已经清楚难于利用具有负下降特性的垂直腔表面发射激光器件来获得高质量图像。

接着参照图1到图41描述本发明的一个实施方式。图1示出根据本发明一个实施方式的激光打印机1000的总体结构。

激光打印机1000例如包括光学扫描设备1010、感光鼓1030、充电器1031、显影辊1032、转印充电器1033、中和单元1034、清洁单元1035、调色剂盒1036、供纸辊1037、供纸托盘1038、成对的阻挡辊1039、定影辊1041、排纸辊1042、收集托盘1043、通信控制单元1050、以及用于对上面各个部件进行总体控制的打印机控制单元1060。所有这些部件设置在打印机机壳1044中的预定位置处。

通信控制单元1050控制与更高层设备(例如，个人计算机)的双向通信，该更高层设备例如通过网络连接到激光打印机1000上。

感光鼓1030具有圆柱形主体，在其表面上形成感光层。即，感光鼓1030的表面是其上进行扫描的表面。感光鼓1030被设计成沿着图1中箭头所示方向旋转。

充电器1031、显影辊1032、转印充电器1033、中和单元1034和清洁单元1035设置在感光鼓1030的表面附近。具体地说，这些部件沿着感光鼓1030的旋转方向以所陈述的顺序设置。

充电器1031均匀充电感光鼓1030的表面。

光学扫描设备1010将基于从更高层设备送出的图像信息调制的光束发射到被充电器1031充电的感光鼓1030的表面上。于是，在感光鼓1030的表面上形成与图像信息相对应的潜像。然后，随着感光鼓1030旋转，潜像朝向显影辊1032移动。要指出的是光学扫描设备1010的结构将在后面描述。

调色剂盒1036容纳调色剂，该调色剂将被提供到显影辊1032。

显影辊1032将调色剂盒1036提供的调色剂施加到感光鼓1030表面上形成的潜像上，由此将潜像显影成可见图像。然后具有调色剂的可见图像(以下为了方便也称作“调色剂图像”)随着感光鼓1030的旋转而朝向转印充电器1033移动。

供纸托盘1038容纳记录片材1040。供纸辊1037设置在供纸托盘1038附近。供纸辊1037一次从供纸托盘1038取出一张记录片材1040，并且将它传送到成对的阻挡辊1039。阻挡辊1039首先供纸辊1037取出的记录片材1040，并且然后根据感光鼓1030的旋转而将记录片材1040送出到感光鼓1030与转印充电器1033之间的间隙。

极性与感光鼓1030表面上的调色剂的极性相反的电压被施加到转印充电器1033，以便电吸引调色剂。通过该电压，感光鼓1030表面上的调色剂图像被转印到记录片材1040。其上已经转印有调色剂图像的记录片材1040被送到定影辊1041。

定影辊1041向记录片材1040施加热和压力，由此调色剂被固定到记录片材1040上。然后，其上已经定影有调色剂的记录片材1040经由排纸辊1042被送到收集托盘1043。经历这种处理过程的多张记录片材1040被依次堆叠在收集托盘1043上。

中和单元1034使得感光鼓1030的表面电中和。

清洁单元1035去除在感光鼓1030表面上剩余的调色剂(残留调色剂)。从其上已经去除了调色剂的感光鼓1030的表面返回到与充电器1031相对的位置。

接着描述光学扫描设备1010的结构。

作为示例，如图2所示，光学扫描设备1010包括偏转器侧扫描透镜11a、图像平面侧扫描透镜11b、多角镜13、光源14、耦合透镜15、光圈挡板16、变形透镜17、反射镜18、扫描控制器(未示出)等。这些部件设置并固定在壳体30中的预定位置处。

要指出的是对应于主扫描方向的方向和对应于副扫描方向的方向在下面分别简称为主扫描对应方向和副扫描对应方向。

耦合透镜15将光源14发射的光束转变成基本上平行光。

光圈挡板16具有光圈，并限制通过耦合透镜15的光的直径。

变形透镜17转变已经穿过光圈挡板16的光圈的光束，使得该光束通过反射镜18在多角镜13的偏转反射表面附近沿着副扫描对应方向形成图像。

设置在光源14和多角镜13之间的光路上的光学系统可以称为偏转器前光学系统。在本实施方式中，偏转器前光学系统包括耦合透镜15、光圈挡板16、变形透镜17和反射镜18。

多角镜13例如包括六面镜，它的内切圆直径为18mm。多角镜13的每个面是偏转反射面。多角镜13随着它围绕与副扫描对应方向平行的轴线以均匀速度旋转而偏转被反射镜18所反射的光束。

偏转器侧扫描透镜11a设置在多角镜13偏转的光束的光路上。

图像平面侧扫描透镜11b设置在已经穿过偏转器侧扫描透镜11a的光束的光路上。已经穿过图像平面侧扫描透镜11b的光束被投影在感光鼓1030的表面上，由此形成光点。随着多角镜13旋转，光点在感光鼓1030的纵向上偏移。即，光点横过感光鼓1030扫描。光点移动的方向是主扫描方向。另一方面，感光鼓1030的旋转方向是副扫描方向。

设置在多角镜13和感光鼓1030之间的光路上的光学系统可以称作扫描光学系统。在本实施方式中，扫描光学系统包括偏转器侧扫描透镜11a和图像平面侧扫描透镜11b。要指出的是在偏转器侧扫描透镜11a和图像平面侧扫描透镜11b之间的光路上以及在图像平面侧扫描透镜11b和感光鼓1030之间的光路上的至少一个上可以设置至少一个光路弯曲镜。

光源14包括垂直腔表面发射激光器件100，其实施例在图3中示出。在这个说明书中，激光振荡方向被称作Z方向，而在垂直于Z方向的平面内彼此正交的两个方向被称作X和Y方向。

垂直腔表面发射激光器件100被设计成具有780nm波段的振荡波长，并且包括衬底101、缓冲层102、下半导体DBR(分布式布拉格反射器)103、下间隔层104、有源层105、上间隔层106、上半导体DBR 107和接触层109。

包括在垂直腔表面发射激光器件100内的衬底101具有镜面抛光表面。衬底101是n-GaAs单晶衬底，其中镜面抛光表面的法线方向从晶体取向[1 0 0]朝向晶体取向[1 1 1]A倾斜15度，如图4A所示。也就是说，衬底101是倾斜衬底。在这个实施方式中，衬底101设置成使得晶体取向[0 1 -1]与+X方向对齐，且晶体取向[0 -1 1]与-X方向对齐，如图4B所示。

缓冲层102是n-GaAs层，其布置在衬底101的+Z方向表面上。

下半导体DBR 103包括第一下半导体DBR 103₁、第二下半导体DBR 103₂和第三下半导体DBR103₃，其实施例在图5中示出。

第一下半导体DBR 103₁铺设在缓冲层102的+Z方向表面上。第一下半导体DBR 103₁包括36.5对n-AlAs低折射率层103a和n-Al_0.3Ga_0.7As高折射率层103b。为了减小电阻，组分梯度层(compositionally graded layer)(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。在组分梯度层中，组分从一个向另一个逐渐变化。设计成每个折射率层通过包括它相邻的组分梯度层的1/2厚度而具有λ/4(其中λ是振荡波长)的光学厚度。当光学厚度是λ/4时，层的实际厚度d是λ/4N(其中，N是层的材料的折射率)。

第二下半导体DBR 103₂铺设在第一下半导体DBR 103₁的+Z方向表面上，并且包括三对低折射率层103a和高折射率层103b。为了减少电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个低折射率层103a通过包括1/2厚度的其相邻的组分梯度层而具有3λ/4的光学厚度，而每个高折射率层103b通过包括1/2厚度的其相邻的组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。第二下半导体DBR 103₂是光学限制减弱区域。

第三下半导体DBR 103₃铺设在第二下半导体DBR 103₂的+Z方向表面上，并且包括一对低折射率层103a和高折射率层103b。为了减少电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻的组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

从而，在本实施方式中，下半导体DBR 103包括40.5对低和高折射率层103a和103b。

作为未掺杂(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P层的下间隔层104铺设在第三下半导体DBR 103₃的+Z方向表面上。

有源层105铺设在下间隔层104的+Z方向表面上。有源层105是三重量子阱有源层，包括GaInAsP量子阱层105a和GaInP势垒层105b，如图6所示的实施例中的。每个量子阱层105a通过将As引入到GaInp混合晶体中而产生，由此获得780nm波段的振荡波长，并且具有压缩应变。势垒层105b具有带间隙，且引入拉伸应变，由此提供高载流子限制，并且也作用为量子阱层105a的应变补偿结构。

在这个实施方式中，由于倾斜衬底用作衬底101，各向异性被引入到有源层的增益中，由此实现将极化方向沿预定方向对准(极化控制)。

作为未掺杂(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P层的上间隔层106铺设在有源层105的+Z方向表面上。

包括下间隔层104、有源层105和上间隔层106的区域被称为谐振器结构，它被设计为具有λ的光学厚度。有源层105的PL波长被设计为772nm，比谐振器结构的谐振波长780nm短8nm，并且最低阈值电流在17℃下获得。有源层105设置在谐振器结构的中心，这对应于电场的驻波的腹点(antinode)，以便实现高激励发射率。谐振器结构夹在下半导体DBR 103和上半导体DBR 107之间。

上半导体DBR 107包括第一上半导体DBR 107₁和第二上半导体DBR 107₂。

第一上半导体DBR 107₁铺设在上间隔层106的+Z方向表面上，并且包括一对p-(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P低折射率层和p-(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P高折射率层。为了减小电阻，组分梯度层设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻的组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

与AlGaAs层相比，第一上半导体DBR 1071具有更高的带隙能量，并且作为阻止电子注入有源区域的阻挡层。

由于倾斜衬底用作衬底101，不仅有可能减小AlGaInP材料的小丘缺陷形成的出现并改善结晶性，而且有可能减小自然超晶格的出现并防止带隙能量减小。于是，第一上半导体DBR 107₁能够保持高带隙能量，并且有利的起到电子阻挡层的作用。

第二上半导体DBR 107₂铺设在第一上半导体DBR 107₁的+Z方向表面上，并且包括23对p-Al_0.9Ga_0.1As低折射率层和p-Al_0.3Ga_0.7As高折射率层。为了减小电阻，组分梯度层设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

在第二上半导体DBR 107₂的一个低折射率层中，插入30nm厚度的p-AlAs选择性氧化层。选择性氧化层设置在从上间隔层106起第三对的低折射率层之内，在对应于电场的驻波的节点的位置。

接触层109是p-GaAs层，铺设在第二上半导体DBR 107₂的+Z方向表面上。

下面将其中多个半导体层铺设在衬底101上所形成的结构成为层叠体。

另外，下面描述的每个折射率层的厚度包括1/2厚度的其相邻组分梯度层。

接着是用于制造垂直腔表面发射激光器件100的方法的简要描述。

(1)上述层叠体是通过晶体生长的方法产生，该晶体生长的方法如金属有机化学蒸镀(MOCVD方法)或者分子束外延附生(MBE方法)。

在这个步骤中，三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)和三甲基铟(TMI)用作三族材料，且三氢化砷(AsH₃)气体用作四族材料。另外，四溴化碳(CBr₄)用作p型掺杂物，而硒化氢(H₂Se)作为n型掺杂物。磷化氢(PH₃)气体用作AlGaInAsP材料的四族P材料，而二甲基锌(DMZn)用作AlGaInP的p型掺杂物。

(2)在层叠体的表面上形成方形抗蚀图案，每一边为25μm。

(3)利用方形抗蚀图案作为光掩膜，通过利用Cl₂气体的ECR蚀刻形成方柱形台地。蚀刻底部位于下半导体DBR 103中。

(4)去除掩膜。

(5)层叠体在水蒸气中被热处理。在这个步骤中，选择性氧化层中的Al被从台地的四周选择性氧化。于是，在台地的中心留下由Al氧化层108b所围绕的未氧化区域108a(见图3)。以这种方式，形成氧化的电流限制结构，其中，用于驱动发光部分的电流的通道被局限于台地的中心。未氧化区域108a作用为电流通过区域(电流注入区域)。根据各种初步试验结果来选择热处理的适当条件(保持温度、保持时间等)，使得电流通过区域的每边大约4μm。具体地说，保持温度是360℃，而保持时间是30分钟。

(6)SiN或者SiO₂制成的保护层通过化学蒸镀(CVD方法)形成。

(7)聚酰亚胺112用于平面化层叠体。

(8)用于p-电极接触的孔设置在台地的顶部上。在这个步骤中，光阻材料掩膜设置在台地的顶部，然后台地上要形成孔的位置被暴露于光，以从该位置去除光阻材料掩膜。随后，通过缓冲HF蚀刻(BHF蚀刻)聚酰亚胺112和保护层111来形成孔。

(9)每一边为10μm的方形抗蚀图案形成在台地的顶部、要成为发光部分的区域上，并且p电极材料然后通过蒸镀沉积。作为p电极材料，使用Cr/AuZn/Au或Ti/Pt/Au制成的多层膜。

(10)p-电极材料被从要成为发光部分的区域浮脱(lift off)，由此形成p-电极113。

(11)衬底101的背面被抛光使得衬底101具有预定厚度(例如大约100μm)，然后，形成n-电极114。n-电极114是AuGe/Ni/Au制成的多层膜。

(12)p-电极113和n-电极114通过退火而欧姆接触，由此台地成为发光部分。

(13)层叠体被切割成芯片。

通过向以上述方式制造的垂直腔表面发射激光器件100施加方波电流脉冲来进行试验，该方波电流脉冲具有1ms的脉冲周期和500μs的脉冲宽度(占空比50％)，以产生1.4mW的光学输出为目标。结果为(P1-P2)/P2＝-0.06，其中P1是在施加之后10ns获得的光学输出，而P2是在施加后1μs获得的光学输出。要指出的是，从方程(P1-P2)/P2×100(单位：％)获得的值在下面也称为下降率。从而，本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100的下降率为-6％。应该指出的是，如果具有小于-10％的下降率的垂直腔表面发射激光器件用于激光打印机，在用裸眼观察时，从该激光打印机输出的图像非常易于出现模糊轮廓，至少局部上出现。

在上述试验中，垂直腔表面发射激光器件100产生大于2mW的单个基础横向模式输出。

另外，垂直腔表面发射激光器件100呈现出与传统垂直腔表面发射激光器件相当的阈值电流特性和外微分量子效率(斜坡效率)。

本发明的发明人详细地检验了在具有氧化的电流限制结构的传统垂直腔表面发射激光器件被各种方波电流脉冲驱动时获得的光学波形。图7示出脉冲周期为1ms且占空比为50％获得的光学波形，而图8示出脉冲周期100ns且占空比为50％获得的光学波形。

根据图7的光学波形，示出负下降特性，其中，在上升时间之后光输出逐渐增加。甚至在60ns后，光输出不会达到目标值(1.5mW)。另一方面，根据图8的光学波形，在上升时间之后的光输出是稳定的，且不出现负下降特性。

于是，可以理解到：即使施加到传统垂直腔表面发射激光器件上的方波电流脉冲具有相同的占空比，即，相同的加热值，如果所施加的方波电流脉冲具有长的脉冲周期，则出现负下降特性，而如果所施加的方波电流脉冲具有短的脉冲周期，则不出现负下降特性。

可以预期在脉冲周期上的差导致垂直腔表面发射激光器件的内部温度的不同。即，在长脉冲周期的情况下，加热周期和冷却周期都长，垂直腔表面发射激光器件的内部温度变化很大。另一方面，在短脉冲周期的情况下，冷却周期不会持续很长时间。因此，垂直腔表面发射激光器件的内部温度的变化较小，并且内部温度保持为平均相对较高。也就是说，对于导致负下降特性的驱动条件，垂直腔表面发射激光器件的内部温度变化很大，因此，可以推导出负下降特性是归因于垂直腔表面发射激光器件的内部温度的现象。

如果垂直腔表面发射激光器件的内部温度变化，在横向上的振荡模式的电场强度分布(以下也称为横向模式分布)也变化。

在氧化的电流限制结构中的氧化层具有大约1.6的折射率，该折射率低于相邻半导体层的折射率(大约3)。于是，在垂直腔表面发射激光器件的内侧，在横向上存在所谓的内建等效折射率差Δneff(见图9)。

通过等效折射率差Δneff，包括基础横向模式的振荡模式被限制在横向上。在这一点上，振荡模式在横向上的传播取决于Δneff的大小，Δneff越大，在横向上的传播越小(见图10A和10B)。

如果电流(驱动电流)被注入到垂直腔表面发射激光器件中，电流被集中在台地的中心部分(下面称为台地中心部分)。然后，由于Joule热，在有源层区域等中的无辐射复合、尤其在台地中心部分的靠近有源层一部分与周围区域相比具有更高的局部温度。如果半导体材料的温度增加，半导体材料的带隙能量降低，这导致高折射率。因此，如果台地中心部分的局部温度增加，台地中心部分的折射率变得比周围区域的高，并于是，在横向上的光学限制变得明显。

如图10A所示，在内建等效折射率差Δneff小时，如果台地中心部分的局部温度增加，等效折射率差Δneff的变化变大，如图11A中所示，这导致横向模式分布中的大变动。在这种情况下，电流被注入的增益区域与横向模式之间的重叠增大，并且在横向上的光学限制变得明显。结果，在增益区域的光强度增大，并且激励发射率增加，并于是降低阈值电流。

从而，对于具有小内建等效折射率差Δneff并在室温下具有在横向上不充分光学限制的垂直腔表面发射激光器件，如果内部温度增加，I-L曲线(注入电流-光学输出曲线)整个向低电流侧偏移，并且发光效率提高(见图12)。在这种情况下，用相同驱动电流值获得的光学输出随时间增加，并从而可以观察到负下降特性(见图13)。图12示出对于时间t＝t₀秒估算的I-L特性，该时间为内部温度增加之前，并示出对于时间t＝t₁秒估算的I-L特性，在时间t₁，内部温度已经随着脉冲驱动电流的供给而充分增加。随着温度增加，发光效率提高且阈值电流降低，因此，t₁秒的I-L特性与t₀秒的I-L特性相比向低电流侧偏移。由于驱动电流在I_op恒定，光学输出在t₁秒的情况下较大。这个情况的光学波形示于图13中。

另一方面，在内建等效折射率差Δneff大的情况下，如图10B所示，即使台地中心部分的局部温度增加，在等效折射率差Δneff方面的变化小，如图11B所示，于是，在横向模式分布上观察到小的变化。

从而，对于具有大内建等效折射率差Δneff并具有在室温下在横向上充分光学限制的垂直腔表面发射激光器件中，即使内部温度增加，横向模式分布稳定，且在发光效率上看到很小变化。在这种情况下，用相同驱动电流值获得的光学输出保持随时间变化基本稳定，并因此，不会出现负下降特性。

横向光学限制系数(下面，简称为光学限制系数)用作表示在横向上光学限制的强度的指标，要指出的是：光学限制系数可以从“位于电流通过区域所处的半径范围内的电场的积分强度(integrated intensity)”与“在穿过垂直腔表面发射激光器件的中心的X-Y横截面上的电场的积分强度”的比中获得。光学限制系数越大，电场强度的分布更明显地集中在增益区域。换句话说，在室温下获得的光学限制系数越大，通过氧化的电流限制结构获得的光学限制更充分，这表示即使在增益区域的局部温度变化的过程中，横向模式分布也是稳定的。

垂直腔表面发射激光器件的横向模式分布可以通过利用下面的Helmholtz方程(方程(1)和(2))计算电场强度的分布来估计。

[方程1]

$(\frac{{\partial }^2}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2}{\partial y^2}+k_0^2(ϵ(x,y)-n_{\mathrm{eff},m}^2))E_m(x,y,z)=0---\left(1\right)$

[方程2]

E_m(x，y，z)＝E_m(x，y)exp(ik₀n_eff，mz)                (2)

但是，要指出的是方程(1)和(2)在分析上难于计算，并因此，通常执行借助积分器利用有限元技术的数值分析。各种工具可以被用作有限元技术的求解器，并且商用VCSEL模拟器(例如LASER MOD)是一个这样的例子。

780nm波段垂直腔表面发射激光器件的基础横向模式分布作为例子进行计算。

在用于该计算的垂直腔表面发射激光器件中，有源层具有三重量子阱结构，包括Al_0.12Ga_0.88As层(各具有8nm的厚度)和Al_0.3Ga_0.7As层(各具有8nm的厚度)。每个间隔层由Al_0.6Ga_0.4As制成。下半导体DBR包括40.5对Al_0.3Ga_0.7As高折射率层和AlAs低折射率层。上半导体DBR包括24对Al_0.3Ga_0.7As高折射率层和Al_0.9Ga_0.1As低折射率层。

垂直腔表面发射激光器件具有圆柱形台地，直径为25微米。台地蚀刻已经进行到下半导体DBR和下间隔层之间的边界，并且被蚀刻区域被填充周围空气。即，垂直腔表面发射激光器件具有简单蚀刻的台地结构。没有经历台地蚀刻的下半导体DBR具有35微米的直径，这是在计算中所关注的最大宽度。AlAs制成的选择性氧化层设置在上半导体DBR中具有3λ/4光学厚度的低折射率层中，更具体地说，设置在与从有源层算起驻波的第三个节点相对应的位置。

要指出的是，计算没有将有源层的增益和半导体材料的吸收考虑在内，并且仅获得由结构所确定的固有模式分布。垂直腔表面发射激光器件的温度保持恒定在300K。每种材料的折射率在图14中示出。要指出的是氧化的电流限制结构的氧化层也简称为“氧化层”，并且电流通过区域的直径也称为“氧化限制直径”。

基于以上述方式计算的基础横向模式分布，光学限制系数Γ₁利用下面的方程(3)计算。在该方程中，a是电流通过区域的半径。

[方程3]

${\Gamma }_1=\frac{{\int }_0^a{\left|E\right|}^2\mathrm{dr}}{{\int }_0^{\infty }{\left|E\right|}^2\mathrm{dr}}---\left(3\right)$

在室温下780nm波段垂直腔表面发射激光器件的基础横向模式光学限制系数针对选择性氧化层的各种厚度以及各种氧化物限制直径进行计算。计算结果示于图15中。根据该结果，光学限制系数取决于选择性氧化层的厚度以及氧化物限制直径，并且选择性氧化层的厚度越大且氧化物限制直径越大，光学限制系数越大。

图16是示出图15的计算结果的曲线，其中水平轴上是选择性氧化层的厚度，而竖直轴是光学限制系数。至于与选择性氧化层的厚度中的变化相关联的光学限制系数的变化，可以看出对于所有不同的氧化物限制直径当选择性氧化层的厚度是25nm或更小时该变化是显著的，但是当选择性氧化层的厚度是25nm或更大时该变化趋于饱和。

制造具有各种选择性氧化层厚度和各种氧化物限制直径的多个垂直腔表面发射激光器件，以便评估它们的下降特性。图17示出评估结果。在图17中“O”表示-10％或更大的下降率，而“X”表示小于-10％的下降率。根据图15和17，可以理解到在室温下具有0.9或更大的基础横向模式光学限制系数的器件结构呈现出-10％或更大的下降率。

图18示出在室温下具有大约0.983的基础横向模式光学限制系数的垂直腔表面发射激光器件的光学波形。这个光学波形的下降率大约是-4.3％。

图19示出在室温下具有大约0.846的基础横向模式光学限制系数的垂直腔表面发射激光器件的光学波形。这个光学波形的下降率大约是-62.8％。

制造具有各种光学限制系数的各种垂直腔表面发射激光器件，且执行彻底检验。根据该检验，如果光学限制系数是大约0.9，则下降率是大约-5％；且如果光学限制系数进一步增加，则下降率与光学限制系数的增加一起增大。另一方面，如果光学限制系数小于0.9，下降率随着光学限制系数变小而减小。在该检验中，具有小光学限制系数的一些垂直腔表面发射激光器件呈现出-70％或更小的下降率。

从而，如果在室温下基础横向模式光学限制系数为0.9或更大，则可以抑制负下降特性。

通常，室温下的等效折射率差Δneff随着选择性氧化层的厚度越大并随着选择性氧化层越靠近有源层设置而变大。但是要指出的是，如果这两个因素的影响程度相比较，选择性氧化层的厚度对等效折射率差Δneff影响更大。于是，在横向上光学限制的强度主要由选择性氧化层的厚度来决定。

通常使用的氧化物限制直径为4.0微米或更大。如图15所示，如果氧化物限制直径为4.0微米或更大，并且选择性氧化层的厚度是25nm或更大，则可以获得0.9或更大的光学限制系数。

图20示出选择性氧化层108的厚度与具有方柱形台地并且氧化物限制直径为4微米或更大的垂直腔表面发射激光器件的下降率之间的关系。图20的下降率是从在垂直腔表面发射激光器件通过施加脉冲周期为1ms且占空比为50％的方波电流脉冲被驱动时获得的光学波形中计算出来的。根据图20，如果选择性氧化层的厚度减小，则下降率以指数方式减小，并且负下降特性变得显著。而且，在垂直腔表面发射激光器件之间的下降率的变化变得显著。为了具有-10％或更大的下降率，选择性氧化层应该在厚度上为25nm或更大。

由于基础横向模式光学显著十主要取决于氧化物限制直径和选择性氧化层的厚度二者，重要的是如何选择氧化物限制直径和选择性氧化层的厚度的组合。

对于氧化物限制直径和选择性氧化层的组合，发明人利用各种配合技术进行试验。结果，发现：图15的计算结果可以通过具有两个变量的二次方程形式来表示，所述两个变量为氧化物限制直径(d[μm])和选择性氧化层厚度(t[nm])。下面的方程(4)是通过将基础横向模式光学限制系数(Γ)配合到具有氧化物限制直径(d)和选择性氧化层厚度(t)的二次方程形式中获得的。通过将图15的特定值赋值给d和t，图15的系数可以在误差大约1％的情况下获得。

[方程4]

Γ(d，t)＝-2.54d²-0.14t²-0.998d·t+53.4d+12.9t-216

如上所述，为了有效抑制负下降特性，光学限制系数需要为0.9或更大。用于获得0.9或更大的光学限制系数的氧化物限制直径(d)和选择性氧化层(t)的组合(范围)可以通过上述方程(4)寻找。即，该范围表示满足不等式Γ(d，t)≥0.9的d和t的组合，并且更具体地说，该范围由下一个方程(5)来表示：

[方程5]

-2.54d²-0.14t²-0.998d·t+53.4d+12.9t-216≥0.9

通过选择氧化物限制直径(d)和选择性氧化层厚度(t)使之满足上述方程(5)，可以实现0.9或更大的光学限制系数，由此获得没有负下降特性的垂直腔表面发射激光器件。

在过去，还不知道Δneff对下降特性具有影响，并且本发明的发明人第一次获知了该影响。

在选择性氧化Al的过程(上述步骤(5)的过程)中，氧化不仅在平行于衬底平面(在这种情况下为X-Y面内方向)而且在垂直方向(Z方向)上进行，尽管很小。因此，在选择性氧化后用电子显微镜观察台地的横截面可以看到氧化层的厚度并不均匀，并且台地的周边(氧化开始之处)较厚，且氧化层的厚度在氧化结束的地方(简称为氧化结束区域)较小。但是要指出的是在从氧化结束区域向周边延伸2到3微米的区域内，氧化层的厚度基本上对应于选择性氧化层的。由于振荡光主要受到氧化结束区域的等效折射率差的影响，因此，在上述过程(1)中，选择性氧化层被控制成具有理想的厚度(25nm或更大)，由此，在氧化层中的氧化结束区域具有理想的厚度。

垂直腔表面发射激光器件的内部温度的变化不仅导致光学限制系数的变化，而且导致失谐。下面描述失谐量和负下降特性之间的关系。

在边缘发光半导体激光器件中，由于谐振纵向模式接近，激光振荡在增益峰值波长λg处发生。另一方面，垂直腔表面发射激光器件通常具有单独一个谐振波长，并且在半导体DBR的反射波段中仅存在单独一个纵向模式。另外，由于激光振荡发生在谐振波长λr处，垂直腔表面发射激光器件的发射特性取决于有源层的增益峰值波长λg和谐振波长λr。

失谐量Δλ₀由下面的方程(6)定义。λr₀是谐振波长，并且λg₀是增益峰值波长。要指出的是下标“₀”表示这个值是通过在室温在阈值电流下以CW(连续波振荡)模式驱动垂直腔表面发射激光器件所获得的值。下面没有下标“₀”的值表示在不同条件下获得的值，例如通过以大于阈值电流的电流驱动垂直腔表面发射激光器件所获得的值。

[方程6]

Δλ₀＝λr₀-λg₀

图21示出Δλ₀＞0的情况，而图22示出Δλ₀＜0的情况。

振荡波长不是由增益峰值波长确定，而是由谐振波长确定，并因此，垂直腔表面发射激光器件的激光特性极大地取决于Δλ₀是正值还是负值以及该值的大小。例如，随着Δλ₀的绝对值增加，在室温下的阈值电流也趋于增加。

随着温度增加，谐振波长和增益峰值波长二者都变长。谐振波长的变化是由于构成谐振器结构的材料的折射率变化所发生的，并且增益峰值波长的变化是由于有源层材料的带隙能量变化所发生的。要指出的是：带隙能量的变化率比折射率的变化率大大约一位数。于是，在温度变化时的发射特性主要取决于增益峰值波长的变化量。要指出的是谐振波长具有大约0.05nm/K的温度变化率，其实际上可以忽略不计。

在垂直腔表面发射激光器件中，如果内部温度(有源层的温度)由于注入电流的变化等而增加，增益峰值波长向长波长侧偏移。在Δλ₀＞0的情况下(见图21)，Δλ的绝对值(失谐程度)曾经减小并然后增加。

通常，在增益峰值波长和谐振波长彼此重合时。垂直腔表面发射激光器件具有最高的振荡效率(发光效率)。

在Δλ₀＞0的情况下，如果器件的温度(周围温度)从室温增加，随着器件温度增加，阈值电流开始减小。然后，在增益峰值波长和谐振波长彼此重合时，阈值电流达到最小值，并且当温度进一步增加是开始增大。也就是说，获得最低阈值电流的温度高于室温。

在Δλ₀＜0的情况下(见图22)，如果内部温度(有源层的温度)增加，Δλ的绝对值简单增加。因此，如果器件的温度从室温增加，随着器件温度的增加，阈值电流简单增加。

在这种情况下，如果器件的温度从室温降低，增益峰值波长Δλg向短波长侧偏移。对于这个因素，如果器件的温度从室温降低，阈值电流开始减小，并然后在增益峰值波长和谐振波长彼此重合时达到最小值。随后，如果器件的温度进一步降低，阈值电流开始增加。也就是说，在Δλ₀＜0的情况下，获得最低阈值电流的温度低于室温。

利用具有不同Δλ₀的三个器件(Δλ₀＜0、Δλ₀≈0、Δλ₀＞0)，通过改变每个器件的温度(周围温度)，测量振荡阈值电流。测量结果作为示例在图23中示出。图23的垂直轴示出将每个温度(Ith)下的振荡阈值电流通过被25℃(室温)(Ith(25℃))下的振荡阈值电流除而标准化来获得的值。可以从图23中看到下面内容：在Δλ₀＜0的情况下，阈值电流在低于室温的温度下变成最低；在Δλ₀≈0的情况下，阈值电流在大约室温的温度下成为最低；而在Δλ₀＞0的情况下，阈值电流在高于室温的温度下成为最低。

为了防止高温下发射特性退化以及高功率操作，传统的垂直腔表面发射激光器件通常被设计成具有Δλ₀＞0，使得阈值电流在高温下减小。

但是，如果Δλ₀＞0的传统垂直腔表面发射激光器被方波电流脉冲驱动，随着内部温度增高，I-L曲线向低电流侧偏移，并因此阈值电流减小。于是，以恒定驱动电流值获得的光学输出随时间增加。即，发生负下降特性。另一方面，在Δλ₀＜0的情况下，随着内部温度增加，I-L曲线向高电流侧偏移，因此，光学输出不增加。即，不会发生负下降特性。从而，为了抑制负下降特性，除了氧化层厚度外，还要满足下面的条件：Δλ₀＜0；并且，在高于室温的温度下不会获得最低阈值电流。

为了给λ₀赋予理想值，需要确定增益峰值波长λg₀。在边缘发射半导体激光器件的情况下，由于振荡波长与增益峰值波长重合，增益峰值波长可以从振荡波长确定。但是，对于垂直腔表面发射激光器件，谐振波长根据它的结构确定。因此，难于估计增益峰值波长，这不同于边缘发射半导体激光器件。

于是，采用下面的任一种方法：(1)制造具有相同有源层的边缘发射半导体激光器件，并且从室温下的振荡波长估计增益峰值波长；以及(2)制造具有相同有源层的双向异性(double-hetero)结构，并且从光致发光波长(PL波长)估计增益峰值波长。

在采用上述方法(1)的情况下，例如，制造具有相同有源层结构且带宽度40微米、谐振波长500微米的氧化物带边缘发射半导体激光器件，并且在室温下以CW工作在阈值电流下获得的边缘发射半导体激光器件的波长被用作增益峰值波长λg₀。

在采用上述方法(2)的情况下，由于相对于PL波长，激光振荡过程中的波长在纵向上偏移(波长偏移)，需要进行调节。波长偏移归因于激励过程中的差异，如光激励和电流激励；或者在电流激励情况下电流所产生的热量的影响。通常，边缘发射半导体激光器件的振荡波长比PL波长λPL长大约10nm。因此，在此假设波长偏移量是10nm。

于是，基于PL波长，上述方程(6)可以表示为下面的方程(7)。

[方程(7)]

Δλ₀＝λr₀-λg₀＝λr₀-(λPL+10)＝λr₀-λPL-10

上面的波长偏移量10nm是一个通常的数字，但是，根据使用的材料系统，它会有所变化。

在试验中，制造各自具有不同Δλ₀的各种垂直腔表面发射激光器件，并且，对每个垂直腔表面发射激光器件找到获得最小阈值电流的温度。图24示出试验结果。从图24可以看出在Δλ₀＝0时，在室温下获得最低阈值电流。

在接着的试验中，制造各自具有不同厚度(30、31或34nm)的选择性氧化层的各种垂直腔表面发射激光器件。通过改变光学脉冲输出来驱动每个垂直腔表面发射激光器件，以便找到下降率和获得最低阈值电流的温度。图25和26示出根据选择性氧化层的厚度、下降率和获取最低阈值电流的温度之间的关系。

具体地说，图25示出当垂直腔表面发射激光器件被产生1.4mW的光学输出的电流脉冲驱动时获得的下降率。图26示出当与图25中相同的垂直腔表面发射激光器件被产生0.3mW的光学输出的电流脉冲驱动时获得的下降率。

当比较图25和26时，可以看出下降率取决于光学输出变化。光学输出越小(即，0.3mW)，下降率越低，并且明显呈现出负下降特性。

考虑到在光学输出大的情况下，注入电流的量也大，并且器件的热量值也大，因此，从施加电流开始起，明显出现热量造成的功率饱和的影响。即，考虑到在相对早阶段表现出正常下降特性。要指出的是，负下降特性是光学脉冲输出从施加电流开始直到1μs逐渐增加的现象。因此，根据热量带来的功率饱和的影响在电流施加的开始就出现这个事实，可以认为已经改善了负下降特性。

因此，甚至利用相同的器件，通过改变器件的光学输出，下降率也会变化。光学输出越低，负下降特性越明显出现。

在打印系统中，光学脉冲强度被调制，以便表示图像的灰度。于是，为了实现高解析度图像，非常重要的是在从低到高的宽输出范围上抑制负下降特性。如上所述，由于低的输出负下降特性更明显出现，非常重要的是在光学输出低时抑制负下降特性。这是本发明的发明人通过在器件的各种驱动条件下详细检验下降特性而新发现的问题。

下面参照图25和26考虑在25℃或更低温度下具有最低阈值电流的垂直腔表面发射激光器件的选择性氧化层的厚度与下降率之间的关系。至于具有30nm或31nm厚度的选择性氧化层，它们的分布彼此重合。但是，当具有30nm或31nm厚度的选择性氧化层与具有34nm厚度的选择性氧化层相比较时，可以理解到选择性氧化层越厚，下降率越大(更接近0)，并因此，抑制了负下降特性。图25和26中的虚线A代表器件的平均下降率，该器件的选择性氧化层具有34nm的厚度，并且它在25℃或更低温度下具有最低阈值电流。虚线B代表器件的平均下降率，该器件的选择性氧化层具有30nm或31nm的厚度，并且它在25℃或更低温度下具有最低阈值电流。如上所述，这些结果表示选择性氧化层越厚，氧化层的光学限制系数越大，即使在温度变化的过程中，基础横向模式变得稳定。

如上所述，负下降特性开始影响图像质量的下降率是在-10％左右。如果下降率变得小于-10％，所形成的一部分图像很有可能变得模糊。如图25所示，在光学输出是1.4mW的情况下，具有34nm厚度的选择性氧化层的器件的平均下降率是-3％，虽然下降率多少有些变化。另一方面，选择性氧化层的厚度为30nm或31nm的器件的平均下降率为大约-5％。基于这些平均下降率的差，如果选择性氧化层的厚度为25nm或更大，则可以实现-10％或更大的下降率。

同样如图26所示，在光学输出是0.3mW的情况下，选择性氧化层的厚度为34nm的器件的平均下降率为大约-5％，虽然下降率或多或少变化。另一方面，选择性氧化层的厚度为30nm或31nm的器件的平均下降率为大约-7％。基于这些平均下降率的差，如果选择性氧化层的厚度为25nm或更大，则可以实现-10％或更大的下降率。

从而，选择性氧化层厚度为25nm或更大且在25℃或更低的温度下具有最低振荡阈值电流的器件能够在从低到高输出的宽输出范围上实现-10％或更大的下降率。

在高于室温(25℃)的温度下具有最低振荡阈值电流的垂直腔表面发射激光器件中，当有源层的温度由于电流注入而增加时振荡效率增加，因此，如上所述出现负下降特性。这个趋势在垂直腔表面发射激光器件被产生0.3mW的光学输出的脉冲电流驱动时尤为明显，如图26所示。

对于光学限制系数和获得最低阈值电流的温度(失谐量)二者，重要的是设定它们，以便抑制负下降特性，垂直腔表面发射激光器件的效率(发光效率)不会增大而超过有源层温度升高时在室温下获得的效率。另外，即使选择性氧化层具有特定程度的厚度，如果获得最低阈值电流的温度被设定得较高，也易于出现负下降特性。

如果在25℃或更高的温度下具有最低阈值电流的垂直腔表面发射激光器件被产生0.3mW的光学输出的电流脉冲驱动，如图26所示，显著出现负下降特性。但是，如果获得最低阈值电流的温度是35℃或更低并且选择性氧化层的厚度是30nm或更大，则平均上实现-10％或更大的下降率。

如图25所示，如果垂直腔表面发射激光器件被产生1.4mW的光学输出的电流脉冲驱动，无论氧化层的厚度如何(30nm，或34nm)在获得最低阈值电流的图25的温度范围上实现-10％或更大的下降率。

结论是，选择性氧化层的厚度为30nm或更大且在35℃或更低的温度下获得最低阈值电流的垂直腔表面发射激光器件能够在宽输出范围上获得-10％或更大的下降率。通过利用这种垂直腔表面发射激光器件作为打印机的写入光源，可以获得免受亮度不均匀影响的高解析度图像。要指出的是，参照图24，在35℃具有最低阈值电流的垂直腔表面发射激光器件在室温下具有大约4nm的失谐量。

在垂直腔表面发射激光器件用在写入光源中的情况下，具有大的单个基础横向模式输出是很大的优点。为了增加单个基础横向模式输出，有效的是减小光学限制的强度。这与减小负下降特性不兼容。

考虑到这个因素，旨在增加单个基础横向模式输出同时保持对负下降特性的抑制，本发明的发明人对谐振器结构的构造与垂直腔表面发射激光器件的光学限制强度之间的关系进行了彻底研究。结果，发现在下半导体DBR(n型衬底侧多层反射器)中提供下面将解释的光学限制减弱区域来实现上述目的是有效的。

接着解释光学限制减弱区域的效果。

对于没有光学限制减弱区域的传统垂直腔表面发射激光器件以及具有光学限制减弱区域的垂直腔表面发射激光器件，计算在室温(300K)下基础横向模式光学限制系数。图27示出计算结果。用于计算的每个垂直腔表面发射激光器件具有780nm波段的振荡波长，并基本上包括：下半导体DBR(n型衬底侧多层反射器)，其包括40.5对n-AlAs低折射率层和Al_0.3Ga_0.7As高折射率层；上半导体DBR(p型发射侧多层反射器)，其具有24对p-Al_0.9Ga_0.1As折射率层和p-Al_0.3Ga_0.7As折射率层；以及Al_0.6Ga_0.4As间隔层。有源层具有三重量子阱结构，包括Al_0.12Ga_0.88As和Al_0.3Ga_0.7As层，并设置在间隔层的中心。在上半导体DBR中，选择性氧化层设置在对应于自有源层算起驻波的第三个节点的位置处。氧化层厚度为28nm，且氧化物限制直径为4微米。

传统垂直腔表面发射激光器件在下半导体DBR上包括圆柱形台地柱结构，如图28所示，具有25微米的直径。另一方面，具有光学限制减弱区域的垂直腔表面发射激光器件包括邻近下半导体DBR的光学限制减弱区域，如图29所示。

图30示出传统垂直腔表面发射器件的下半导体DBR的结构。每个折射率层具有λ/4的光学厚度。图31示出具有光学限制减弱区域的垂直腔表面发射激光器件的下半导体DBR的结构。光学限制减弱区域具有3对具有3λ/4光学厚度的高折射率层和具有λ/4光学厚度的低折射率层。要指出的是光学限制减弱区域下面也成为光学限制减弱区域A，该光学限制减弱区域具有3λ/4光学厚度的高折射率层和λ/4光学厚度的低折射率层对。

传统垂直腔表面发射激光器件和具有光学限制减弱区域A的垂直腔表面发射激光器件在下半导体DBR中具有相同数量的高和低折射率层对。光学限制减弱区域A的每个高折射率层具有对应于λ/4奇数倍的光学厚度，这满足多反射的相位条件。因此，如果在半导体材料中自由载流子吸收等被考虑在内，具有光学限制减弱区域A的每个垂直腔表面发射激光器件的下半导体DBR在垂直方向(Z方向)的反射率等于传统垂直腔表面发射激光器件的下半导体DBR的反射率。

图27表示在光学限制减弱区域A包括一对、两对或三对的情况下获得的基础横向模式光学限制系数。在图27中，对的个数为零表示传统垂直腔表面发射激光器件。

根据图27，可以理解的是具有光学限制减弱区域A的垂直腔表面发射激光器件与传统垂直腔表面发射激光器件相比具有较低的基础横向模式光学限制系数。另外，随着光学限制减弱区域A的对的个数增加，光学限制系数减小。

图32示出具有高折射率层(Al_0.3Ga_0.7As)和低折射率层(AlAs)对的另一光学限制减弱区域，所述高折射率层具有λ/4的光学厚度，所述低折射率层具有3λ/4的光学厚度。在这种情况下，每个低折射率层被形成为比传统垂直腔表面发射激光器件厚。要指出的是包括λ/4光学厚度的高折射率层和3λ/4光学厚度的低折射率层对的光学限制减弱区域下面被称为光学限制减弱区域B。

图33表示具有光学限制减弱区域B的垂直腔表面发射激光发射器件在室温(300K)下的基础横向模式光学限制系数，以及传统垂直腔表面发射激光器件的基础横向模式光学限制系数。

根据图33，可以理解的是具有光学限制减弱区域B的垂直腔表面发射激光器件与传统垂直腔表面发射激光器件相比具有更低的基础横向模式光学限制系数，如在提供光学限制减弱区域A的情况那样。另外，随着光学限制减弱区域B内的对的数量增加，光学限制系数减小。如果基础横向模式光学限制系数在具有相同对数的光学限制减弱区域A和B之间比较，可以看出光学限制减弱区域B具有比光学限制减弱区域A更低的减弱效率。在作为半导体多层反射器的材料的AlGaAs混合晶体中，AlAs具有最高导热性。因此，在横向上的热扩散通过形成AlAs厚度的层有利的提高，这有利于减少有源层中的温度增加。另外，垂直腔表面发射激光器件的中心部分内增加的温度被降低，因此，等效折射率差中的变化变小，由此也可以获得抑制负下降特性的效果。

图34示出另一光学限制减弱区域，其具有高折射率层(Al_0.3Ga_0.7As)和低折射率层(AlAs)对，该高折射率层具有3λ/4的光学厚度，该低折射率层具有3λ/4的光学厚度。在这种情况下，低折射率层和高折射率层二者形成得比传统垂直腔表面发射激光器件的更厚。要指出的是，包括3λ/4光学厚度的高折射率层和3λ/4光学厚度的低折射率层对的光学限制减弱区域在下面也称为“光学限制减弱区域C”。

图35表示具有光学限制减弱区域C的垂直腔表面发射激光器件的室温(300K)下的基础横向模式光学限制系数，以及传统垂直腔表面发射激光器件的基础横向模式光学限制系数。

根据图35，可以理解具有光学限制减弱区域C的垂直腔表面发射激光器件与传统垂直腔表面发射激光器件相比具有更低的基础横向模式光学限制系数，如在提供了光学限制减弱区域A的情况中的。另外，随着光学限制减弱区域C中的对的数量增加，光学限制系数减小。如果在具有相同数量对的光学限制减弱区域A、B和C之间比较基础横向模式光学限制系数，可以看出光学限制减弱区域C具有最大的减弱效果。

从而，本发明的发明人已经发现随着光学限制减弱区域中高和低折射率层越厚、以及随着折射率层的对的数量越大，基础横向模式光学限制系数可以被更有效减小。

尤其要指出的是光学限制减弱效果增加单个基础横向模式输出，而不使负下降特性变差，如下所述。总的来说，光学限制系数上的减小具有增加单个基础横向模式输出的优点；但是，可以预料到横向模式的稳定性变差，并且易于出现负下降特性。

图36示出用于检验具有780nm波段振荡波长的垂直腔表面发射激光器件的单个基础横向模式输出和下降率之间的关系所进行的试验结果。图46中的填充圆圈表示从传统垂直腔表面发射激光器件获得的结果，而开口圆圈表示从具有光学限制减弱区域B的垂直腔表面发射激光器件获得的结果。在每个垂直腔表面发射激光器件中的电流通过区域的面积是16μm²。图36的数字“28”表示选择性氧化层的厚度是28nm，而数字“30”表示选择性氧化层的厚度是30nm。

负下降特性和单个基础横向模式输出都与光学限制系数相关，并且彼此为反比关系，如图36所示。例如，由于横向模式的稳定性随着光学限制系数越大而增加，抑制了负下降特性。另外，对于较大光学限制系数，高阶横向模式的限制被改善，这有利于振荡，并于是减小单个基础横向模式输出。如果光学限制系数仅是确定下降率和单个基础横向模式输出的因素，那么下降率和单个横向模式输出之间的相关性由一条直线来表示，而无论光学限制减弱区域是否存在。

但是，如图36所示，取决于是否提供了光学限制减弱区域，下降率和单个基础横向模式输出之间的直线相关性变化。更具体地说，具有光学限制减弱区域的垂直腔表面发射激光器件比没有光学限制减弱区域的实现了更高的单个基础横向模式输出，即使在它们都具有相同的下降率时。这表示光学限制减弱区域具有增加基础横向模式输出的效果，而不影响下降率。

从而，本发明的发明人最新发现通过提供光学限制减弱区域、将失谐量设定成在25℃或更低温度获得最小阈值电流以及形成25nm或更低厚度的选择性氧化层，可以有效低减小负下降特性，由此可以增加单个基础横向模式输出，同时有利的保持下降特性。

垂直腔表面发射激光器件100包括在光学限制减弱区域和谐振器结构之间的第三下半导体DBR 103₃。第三下半导体DBR 103₃的作用在下面解释。

通常，自由载流子的光吸收发生在半导体材料中。光吸收与光的电场强度和自由载流子浓度成比例地增加。由自由载流子吸收的光能变成自由载流子的动能，并最终转变成晶格振动能量。这导致振荡阈值电流增加和外微分量子效率(斜坡效率)减小。

在每个半导体DBR中，折射率层一个重叠在另一个顶上，使得从每个折射率层的交界反射的光处于相同相位，并且具有相对于入射光相反的相位，由此半导体DBR产生强反射(高反射率)。在这点上，由于反射仅发生在交界处，在每个折射率层内的电场强度(振幅)不会衰减并且保持恒定。在激光振荡过程中，在半导体DBR的电场分布中产生驻波，并且对于每个λ/4光学厚度，交替出现节点和腹点。在包括具有λ/4光学厚度的低和高折射率层的正常半导体DBR中，在低折射率层和高折射率层之间的每个交界是对应于驻波的节点和腹点的位置。在邻近谐振器结构的区域中，振荡光的驻波具有高强度，并且自由载流子的光吸收在这个区域很显著。

对于在光学限制减弱区域和谐振器结构之间设置各自具有λ/4光学厚度的一对或多对低和高折射率层的情况，计算在吸收损失上的减小效果，如图37所示。要指出的是，一组成对的高和低折射率层在下面也称为吸收损失减小层。

在此假设传统半导体DBR(见图30)的吸收损失是100％。计算结果表明在提供包括一对高和低折射率层的吸收损失减小层的情况下，与没有提供吸收损失减小层的情况(见图32)相比，吸收损失减小了23％，如图38所示。另外，在提供包括三对的吸收损失减小层的情况下，与没有提供吸收损失减小层的情况相比，吸收损失减小了54％。在计算中，n型载流子浓度在3到5×10¹⁸cm^-3的范围内变化，且包括在光学限制减弱区域中的对的数量在1到5的范围内变化，但是，在上述百分比上看到变化很小。

在垂直腔表面发射激光器件100中，自由载流子的光吸收通过提供包括一对的吸收损失减小层而予以减小。即，在光学限制减弱区域中，每个折射率层在厚度上大，并因此，由于光学限制减弱区域的厚度增加以及由于厚度增加而包括更多数量的驻波的腹点，自由载流子的光吸收增大。在这种情况下，如果提供了包括一对的吸收损失减小层，可以减小光学限制减弱区域的电场强度，从而降低吸收损失。

图39示出对于存在一对的吸收损失减小层和不存在吸收损失减小层情况所获得的基础横向模式光学限制系数。提供了三种不同光学限制减弱区域——光学限制减弱区域A、B和C(类型A、B和C)，其中，每个高折射率层由Al_0.3Ga_0.7As制成，而每个低折射率层由AlAs制成。包括在每个光学限制减弱区域中的对的个数是三。

图39还示出每种类型的光学限制系数的减弱百分比。减弱百分比表示在传统半导体DBR(见图30)的基础横向模式光学限制系数是100％时每种光学限制减弱区域的光学限制系数的减小(％)。

根据图39，可以理解到通过提供包括一对的吸收损失减小层所产生的光学限制系数的变化仅仅很小。

通过制造没有光学限制减弱区域的垂直腔表面发射激光器件VCSEL1(见图30)；具有光学限制减弱区域B但是没有吸收损失减小层的垂直腔表面发射激光器件VCSEL2(见图32)；以及具有光学限制减弱区域B和包括一对的吸收损失减小层的垂直腔表面发射激光器件VCSEL3(见图38)，来进行对比评估。要指出的是，在每种垂直腔表面发射激光器件中，振荡波长是在780nm波段，且电流通过区域的面积是16μm²。另外，所有垂直腔表面发射激光器件在它们的下半导体DBR中具有相同数量的高和低折射率层对。

对比评估的结果表明与垂直腔表面发射激光器件VCSEL1相比，垂直腔表面发射激光器件VCSEL2和VCSEL3在单个基础横向模式输出上呈现出清楚和基本上相等的增加，如图40所示。图40中的数字“30”表示选择性氧化层的厚度为30nm，而图40中的数字“28”表示选择性氧化层的厚度为28nm。

根据图40，在相同的下降率下，每个垂直腔表面发射激光器件VCSEL2和VCSEL3具有超过垂直腔表面发射激光器件VCSEL1大约0.3到0.5mW的单个基础横向模式输出。

图41示出单个基础横向模式输出(计算值)和基础横向模式光学限制系数(计算值)之间的关系。图41中使用的符号与图40中的指代相同，另外，图41中的数字“30”和“28”也与图40中的表示相同含义。根据图41，与垂直腔表面发射激光器件VCSEL1相比，垂直腔表面发射激光器件VCSEL3明显具有减小的光学限制系数，由此呈现出增加的单个基础横向模式输出。

另外，与垂直腔表面发射激光器件VCSEL2相比，垂直腔表面发射激光器件VCSEL3具有较低的阈值电流和较高的外微分量子效率(斜坡效率)。这是由于吸收损失减小。

如上面已经描述的，本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100具有包括有源层105的谐振器结构以及使得谐振器结构在它们之间的下半导体DBR 103和上半导体DBR 107。上半导体DBR 107包括电流限制结构，其中氧化层108b围绕电流通过区域108a。氧化层108b包括至少一种氧化物，并且通过氧化选择性氧化层的一部分而形成，该选择性氧化层包括铝并且具有30nm的厚度。在此，电流限制结构能够同时限制注入电流以及振荡光的横向模式。

下半导体DBR 103相对于谐振器结构设置在衬底101侧上，并且包括第二下半导体DBR 103₂，该第二下半导体DBR作用为光学限制减弱区域，用于减小横向光学限制。于是，可以在单个基础横向模式振荡下执行高功率操作，同时抑制负下降特性。

另外，在谐振器波长为780nm且在室温下的失谐量Δλ₀设定成-2nm时，有源层的PL波长设定为772nm，使得最低阈值电流可以在17℃时获得。在此，进一步抑制了负下降特性。

由于在第二下半导体DBR 103₂中，低折射率层103a各自设置成具有3λ/4的光学厚度，可以将每个折射率层的交界设定在对应于腹点或节点的位置。要指出的是，第二下半导体DBR 103₂的低折射率层103a不需要具有3λ/4的光学厚度，而是应该具有(2n+1)λ/4的光学厚度，其中n是等于或大于1的整数。于是，每个折射率层的交界可以设定在对应于驻波的腹点或节点的位置。

在供给脉冲周期为1ms且脉冲宽度为500μs的方波电流脉冲的情况下，(P1-P2/P2＝-0.06)。因此，进一步抑制负下降特性。

另外，在第二下半导体DBR 103₂和谐振器结构之间设置了第三下半导体DBR 103₃，并因此能够减小吸收损失。

对于本实施方式的光学扫描设备1010，由于光学扫描设备1010的光源14具有垂直腔表面发射激光器件100，该光学扫描设备1010能够高精度执行光学扫描。

本发明的激光打印机1000包括光学扫描设备1010，并因此能够形成高质量的图像。

b.第一实施方式的改进

根据上述实施方式，第三下半导体DBR 103₃包括低折射率层103a和高折射率层103b对，但是，本发明不局限于这种情况。

在上述实施方式中不需要将任何吸收损失考虑在内的情况下，第二下半导体DBR 103₂可以邻近谐振器结构定位，如图42所示。

根据上述实施方式，第二下半导体DBR 103₂包括三对低和高折射率层103a和103b，但是，本发明不局限于这种情况。

在上述实施方式中，图32所示的第四下半导体DBR 103₄用于替代第二下半导体DBR 103₂。第四下半导体DBR 103₄包括三对低和高折射率层103a和103b。如在光学限制减弱区域B中的，每个低折射率层103a具有λ/4的光学厚度，并且每个高折射率层具有3λ/4的光学厚度。

在上述实施方式中，图44所示的第五下半导体DBR 103₅可以用于替代第二下半导体DBR 103₂。第五下半导体DBR 103₅包括三对低和高折射率层103a和103b。如在光学限制减弱区域C中的，每个低折射率层103a具有3λ/4的光学厚度，并且每个高折射率层具有3λ/4的光学厚度。

在上述实施方式中，作为示例，光源14可以包括图45所示的垂直腔表面发射激光器阵列，替代垂直腔表面发射激光器件100。

在垂直腔表面发射激光器件500中，多个(在这种情况下，32个)发光部分布置在单个衬底上。在图45中，M方向是主扫描对应方向，而S方向是副扫描对应方向。要指出的是，发光部分的数量不局限于32。

垂直腔表面发射激光器阵列500包括四行八列发光部分，其中，列沿着T方向等间隔，该T方向是从M方向向S方向倾斜的方向，如图46所示。更具体地说，如果每个发光部分沿着S方向正交投影到假想线上，发光部分的中心点从M方向上最近相邻的发光部分的中心点偏移假想线上的均匀量c。从而，在S方向上，发光部分具有等间隔d。即，三十二个发光部分排列成二维阵列。要指出的是，在本说明书中，术语“发光部分间隔”指两个相邻发光部分的中心到中心的间隔。

在间隔c是3微米的情况下，间隔d是24微米，且在M方向上发光部分间隔X(见图46)是30微米。

每个发光部分具有与上述垂直腔表面发射激光器件100相同的结构，如图47所示，图47是沿图46所示的A-A线的横截面图。垂直腔表面发射激光器阵列500以与针对垂直腔表面发射激光器件100所描述的相同的方式来制造。

从而，由于包括集成的垂直腔表面发射激光器件100，垂直腔表面发射激光器阵列500能够实现与垂直腔表面发射激光器件100相同的效果。尤其是在采取阵列结构的情况下，氧化层108a的厚度轮廓中的变化以及氧化在发光部分之间扩散的变化非常小。因此，包括下降特性的各种特性均一，因此，易于执行驱动控制。在发光部分中工作寿命的变化也很小，实现长的工作寿命。

根据垂直腔表面发射激光器阵列500，如果每个发光部分沿着副扫描对应方向正交投影到假想线上，发光部分的中心部分从M方向最近的附近发光部分的中心部分偏移在假想线上的均匀量c。于是，调节发光部分的发光定时，在感光鼓1030上，垂直腔表面发射激光器阵列500的结构可以被认为如同发光部分在副扫描方向上以等间隔排列。

由于间隔c是3微米，如果光学扫描设备1010的光学系统的放大率被设定为大约1.8倍，可以实现具有4800dpi(点/英寸)的密度的高密度写入。另外，通过增加发光部分在主扫描对应方向上的数量；缩小间隔d以便减小阵列结构中的间隔c；或者减小光学系统的放大率，可以进一步增加密度，由此实现更高质量的打印。要指出的是通过调节发光部分的发光定时，可以轻易控制主扫描方向上的写入间隔。

在这种情况下，即使写入点密度增加，激光打印机100可以在不会减缓打印速度的情况下执行打印。或者在不改变写入点密度的情况下，可以提高打印速度。

两个相邻的发光部分之间的沟槽优选的为5微米或更大，以便允许每个发光部分彼此电隔离和空间隔离。这是因为如果沟槽太窄，难于在制造过程中控制蚀刻。要指出的是，台地优选的具有10微米或更大(一边的长度)的尺寸。这是因为如果台地太小，在工作过程中热量保持在内侧，这会导致特性退化。

根据上述实施方式，台地形状在垂直于激光振荡方向的横截面为方形；但是，本发明并不局限于这种情况。台地形状可以是任意的，例如圆形、椭圆形或者矩形。

上述实施方式描述了其中放光部分的振荡波长在780nm波段的情况；但是，本发明并不局限于这种情况。发光部分的振荡波长可以根据感光体的特性加以变化。

垂直腔表面发射激光器件100和垂直腔表面发射激光器阵列500可以用在成像设备之外的设备中。在这种情况下，振荡波长可以根据用途需要变化为650nm波段、850nm波段、980nm波段、1.3μm波段、1.5μm波段等。

在上述实施方式中，具有一维排列的类似于垂直腔表面发射激光器件100的发光部分的垂直腔表面发射激光器阵列可以替代垂直腔表面发射激光器件使用。

在上述实施方式中，激光打印机1000用作成像设备的例子，但是，本发明并不局限于这种情况。

例如，本发明可以是用于将激光直接投射到介质(例如纸)上的成像设备，其中在介质上的颜色用激光显影。

本发明可以应用于利用银盐胶片作为图像载体的成像设备。在这种情况下，潜像通过光学扫描形成在银盐胶片上，并然后通过相当于传统卤化银摄影的显影过程的过程可视化。可见的图像通过相当于传统卤化银摄影的打印过程的过程转印到打印纸上。这种成像设备可以用作光学制版设备或者用于绘制CT扫描图像等的光学绘图设备。

本发明可以是具有多个感光鼓的彩色打印机2000，如图48所述的示例中的。

彩色打印机2000是串列型多色打印机，用于通过重叠四种颜色(黑色、青色、品红色和黄色)来形成全彩色图像。彩色打印机2000包括黑色感光鼓K1、黑色充电装置K2、黑色显影装置K4、黑色清洁单元K5和黑色转印装置K6；青色感光鼓C1、青色充电装置C2、青色显影装置C4、青色清洁单元C5和青色转印装置C6；品红色感光鼓M1、品红色充电装置M2、品红色显影装置M4、品红色清洁单元M5和品红色转印装置M6；黄色感光鼓Y1、黄色充电装置Y2、黄色显影装置Y4、黄色清洁单元Y5和黄色转印装置Y6；光学扫描设备2010；传送带2080；定影单元2030等。

每个感光鼓沿着图48所示箭头的方向旋转，并且相应的充电装置、显影装置、转印装置和清洁单元围绕感光鼓沿着旋转方向依次排列。每个充电装置均匀充电相应感光鼓的表面。被充电装置充电的感光鼓的表面用从光学扫描设备2010发射的光照射，并且在感光鼓上形成潜像。然后，通过相应的显影装置，在每个感光鼓的表面上形成调色剂图像。每个转印装置将相应颜色的调色剂图像转印到传送带2080上的记录片材上，最后，转印的重叠调色剂图像被定影单元2030定影在记录片材上。

光学扫描设备2010具有用于每种颜色的光源，该光源包括类似于垂直腔表面发射激光器件100的垂直腔表面发射激光器件或者类似于垂直腔表面发射激光器阵列500的垂直腔表面发射激光器阵列。于是，光学扫描设备2010产生与光学扫描设备1010类似的效果。彩色打印机2000包括光学扫描设备2010，并因此能够产生类似于激光打印机1000的效果。

彩色打印机2000会由于制造误差、定位偏差等造成颜色失准。即使在这种情况下，如果光学扫描设备2010的每个光源包括相当于垂直腔表面发射激光器阵列500的垂直腔表面发射激光器阵列，彩色打印机2000选择要发光的发光部分，由此减小颜色失准。

c.第二实施方式

本发明的第二实施方式旨在提供一种垂直腔表面发射激光器件和垂直腔表面发射激光器阵列，其具有更长的工作寿命，高发光效率和优异的温度特性。

本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100也可以应用于激光打印机1000的光源，如同第一实施方式中的。在本实施方式中，相同的附图标记被赋予与第一实施方式共同的部件，并且省略它们的描述。

本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100被设计成具有780nm波段的振荡波长，并且包括衬底101、下半导体DBR 103、下间隔层104、有源层105、上间隔层106、上半导体DBR 107和接触层109。

衬底101是n-GaAs单晶衬底。

下半导体DBR 103包括第一下半导体DBR 103₁、第二下半导体DBR 103₂、和第三下半导体DBR 103₃，如图51所示的示例中的。

第一下半导体DBR 103₁铺设在衬底101的+Z方向表面上，且缓冲层(未示出)介于它们之间。第一下半导体DBR 103₁包括36.5对n-AlAs低折射率层103a和n-Al_0.3Ga_0.7As高折射率层103b。低折射率层103a与高折射率层103b相比具有更高的导热率(见图65)。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。在组分梯度层中，组分从一个向另一个逐渐变化。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度，其中λ是振荡波长。

第二下半导体DBR 103₂铺设在第一下半导体DBR 103₁的+Z方向表面上，并且包括三对低折射率层103a和高折射率层103b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个低折射率层103a通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有3λ/4的光学厚度，每个高折射率层103b通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。第二下半导体DBR 103₂是热释放结构，在第二下半导体DBR 103₂中的低折射率层103a是热释放层。

第三下半导体DBR 103₃铺设在第二下半导体DBR 103₂的+Z方向表面上，并且包括一个包括低折射率层103a和高折射率层103b的对。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

从而，下半导体DBR 103包括40.5对低和高折射率层103a和103b。

下间隔层104铺设在第三下半导体DBR 103₃的+Z方向表面上，并且是未掺杂(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P层。

有源层105铺设在下间隔层104的+Z方向表面上，并且包括三个量子阱层105a和四个势垒层105b，如图5中示例所示。每个量子阱层105a由GaInPAs制成，它是引起压缩应变的组分，并且具有大约780nm的带隙波长。每个势垒层105b由Ga_0.6In_0.4P制成，它是引起拉伸应变的组分。

上间隔层106铺设在有源层105的+Z方向表面上，并且是未掺杂(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P层。

包括下间隔层104、有源层105和上间隔层106的部分称为谐振器结构，它被设计成具有λ的光学厚度。有源层105设置在谐振器结构的中心，它对应于电场的驻波的腹点，以便实现高受激发射率。

在有源层105中产生的热量被设计成主要通过下半导体DBR 103释放到衬底101。衬底101的背面利用导热粘结剂等附着到封装上，并且热量从衬底101释放到封装。

上半导体DBR 107铺设在上间隔层106的+Z方向表面上，并且包括24对p-Al_0.9Ga_0.1As低折射率层107a和n-Al_0.3Ga_0.7As高折射率层107b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

在上半导体DBR 107的一个低折射率层中，插入30nm厚度的p-AlAs选择性氧化层。选择性氧化层与上间隔层106在光学上远离5λ/4，并且设置在从上间隔层106算起第三对低折射率层内。

接触层109是p-GaAs层，铺设在上半导体DBR 107的+Z方向表面上。

接着，简单描述制造本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100的方法。

(1)通过晶体生长方法产生上述层叠体，该晶体生长方法如金属有机化学蒸镀(MOCVD方法)或者分子束外延附生(MBE方法)。

在这个步骤中，三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)和三甲基铟(TMI)用作三族材料，且三氢化砷(AsH₃)气体和磷化氢(PH₃)气体用作四族材料。另外，四溴化碳(CBr₄)用作p型掺杂物，而硒化氢(H₂Se)作为n型掺杂物。

(2)在层叠体的表面上形成方形抗蚀图案，每一边为20μm。

(3)利用方形抗蚀图案作为光掩膜，通过利用Cl₂气体的ECR蚀刻形成方柱形台地。蚀刻底部位于下间隔层104。要指出的是台地优选的具有10μm或更大(一边的长度)的尺寸。这是因为如果台地太小，在工作过程中热量保持在内侧，会导致特性退化。

(4)去除掩膜。

(5)层叠体在水蒸气中被热处理。在这个步骤中，选择性氧化层中的Al被从台地的四周选择性氧化。于是，在台地的中心留下由Al氧化层108b所围绕的未氧化区域108a(。以这种方式，形成氧化的电流限制结构，其中，用于驱动发光部分的电流的通道被局限于台地的中心。未氧化区域108a作用为电流通过区域(电流注入区域)。根据各种初步试验结果来选择热处理的适当条件(保持温度、保持时间等)，使得电流通过区域具有理想的尺寸。

(6)SiN或者SiO₂制成的保护层111通过化学蒸镀(CVD方法)形成。

(7)聚酰亚胺112用于平面化层叠体。

(8)用于p-电极接触的孔设置在台地的顶部上。在这个步骤中，光阻材料掩膜设置在台地的顶部，然后台地上要形成孔的位置被暴露于光，以从该位置去除光阻材料掩膜。随后，通过缓冲HF蚀刻(BHF蚀刻)聚酰亚胺112和保护层111来形成孔。

(9)每一边为10μm的方形抗蚀图案形成在台地的顶部、要成为发光部分的区域，并且p电极材料然后通过蒸镀沉积。p电极材料包括Cr/AuZn/Au或Ti/Pt/Au并且沉积成多层膜形式。

(10)在要成为发光部分的区域上的p-电极材料被浮脱(lift off)，由此形成p-电极113。

(11)衬底101的背面被抛光使得衬底101具有预定厚度(例如大约100μm)，然后，形成n-电极114。n-电极114是AuGe/Ni/Au制成的多层膜。

(12)p-电极113和n-电极114通过退火而欧姆接触，由此台地成为发光部分。

(13)层叠体被切割成芯片。

在试验中，对于下面三个示例检验吸收损失：示例1：其中下半导体DBR 103包括仅第一下半导体DBR 103₁，其具有40.5对折射率层(见图52)；示例2：其中下半导体DBR 103包括具有37.5对折射率层的第一下半导体DBR 103₁和具有三对折射率层的第二下半导体DBR 103₂(见图53)；以及示例3：其中，下半导体DBR 103包括具有36.5对折射率层的第一下半导体DBR 103₁、具有三对折射率层的第二下半导体DBR 103₂和具有一对折射率层的第三下半导体DBR 103₃，如同本实施方式中的情形。根据该试验，当相比示例1的吸收损失示例2的吸收损失的增加被认为是100％时，与示例1中的吸收损失相比，示例3的吸收损失的增加大约是77％。即，可以理解第三下半导体DBR 103₃将吸收损失减小了大约23％。要指出的是，在第三下半导体DBR 103₃包括三对折射率层(见图54)时，与示例1的吸收损失相比，吸收损失的增加大约是46％。

该试验还表明：即使杂质浓度(杂质掺杂浓度)在3×10¹⁸(cm^-3)和5×10¹⁸(cm^-3)之间变化，对吸收损失可以获得相同减小效果。另外，虽然波长变化，对吸收损失可以获得相同的减小效果。此外，即使在第二下半导体DBR 103₂中提供了五对折射率层，对吸收损失可以获得相同的减小效果。

本实施方式的下半导体DBR 103的热阻是2720(K/W)。另一方面，示例1(见图52)和示例2(见图53)的热阻分别是3050(K/W)和2670(K/W)。于是，可以理解第三下半导体DBR 103₃对下半导体DBR 103的热阻不利影响很小。

图55示出在第三下半导体DBR 103₃中的折射率层的对的个数与下半导体DBR 103的热阻之间的关系。根据图55，如果对的个数超过5，第二下半导体DBR 103₂的热释放效果变成一半或更小。于是，第三下半导体DBR 103₃优选的包括一至五对折射率层。

热释放层导致吸收损失增加，但是也减小铺设在热释放层顶部的层的结晶性。如果铺设在热释放层顶部(在这种情况下为+Z方向)的有源层具有较小的结晶性，发光效率将下降。在下半导体DBR 103仅包括具有40.5对折射率层的第二下半导体DBR 103₂，实现热释放的显著效果；但是，有源层的结晶性难于被保持。因此，第二下半导体DBR 103₂优选的包括一至五对折射率层。第三下半导体DBR 103₃也恢复铺设在第三下半导体DBR 103₃顶部的有源层的结晶性，因此，减小对有源层的不利影响。

对于具有氧化的电流限制结构的垂直腔表面发射激光器，在制造过程中采用蚀刻来获得台地形状等，以便提供与周围的电和空间隔离。在这一点上，蚀刻应该进行得比选择性氧化层深，以便允许Al的选择性氧化。选择性氧化层通常设置在p侧半导体DBR(设置在有源层上侧的上半导体DBR)附近，以便减小电流扩散，且更具体地说，设置在对应于从有源层起电场的激光驻波的第一到第五节点的位置处。但是，由于蚀刻深度的控制能力的问题，难于将蚀刻控制成蚀刻底部达到比选择性氧化层深但是不达到下半导体DBR。尤其是，为了控制蚀刻深度穿过整个晶片需要不仅控制蚀刻时间，而且控制在晶片表面上蚀刻的均匀性以及晶体生长层的厚度的均匀性。从而，从生产的角度讲，执行蚀刻使得蚀刻的底部不达到下半导体DBR是极其困难的。

考虑这个因素，已经提出使得下半导体DBR分两级(two-tier)(例如，见日本未审公开的专利申请公开说明书第2003-347670号)。根据该提议，具有比AlGaAs显著高导热率的AlAs用于下半导体DBR中更靠近衬底设置的大多数低折射率层，而AlGaAs以传统的方式在下半导体DBR中用作更靠近有源层的低折射率层。但是，在这种情况下，难于增加靠近谐振器结构设置的折射率层的导热率。

根据本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100，半导体DBR主要由AlGaAs材料制成，并且谐振器结构由AlGaInPAs材料制成，其包含In。在这种情况下，谐振器结构的蚀刻速率被设定成低于半导体DBR的蚀刻速率。于是，利用蚀刻监视器可以轻易探测蚀刻底部是否到达谐振器结构。在此，可以以高精度执行蚀刻直到谐振器结构的中心附近，并且减小载流子的扩散，从而减小不起振荡作用的载流子。

从上面的描述可以清楚地看到，根据本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100，下半导体DBR 103是第一半导体多层反射器，而上半导体DBR 107是第二半导体多层反射器，如在所附的权利要求书中描述的。另外，第二下半导体DBR 103₂是第一局部反射器，而第三下半导体DBR 103₃是第二局部反射器。

高折射率层103b是第一层，而低折射率层103a是第二层。

如上面已经描述的，本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100在下半导体DBR 103和上半导体DBR 107之间具有包括有源层105的谐振器结构，下半导体DBR 103和上半导体DBR 107都包括多对低和高折射率层。下半导体DBR 103包括：第一下半导体DBR 103₁，其包括36.5对折射率层；第二下半导体DBR 103₂，其包括三对折射率层；和第三下半导体DBR 103₃，其包括一对折射率层。在下半导体DBR 103中，每对包括具有高导热率的n-AlAs低折射率层103a和具有比低折射率层103a低的导热率的n-Al_0.3Ga_0.7As高折射率层103b。

在第二下半导体DBR 103₂中，低折射率层103a被设计成通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有3λ/4的光学厚度，并且高折射率层103b被设计成通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

第三下半导体DBR 103₃设置在谐振器结构和第二下半导体DBR 103₂之间。每个折射率层被设计成通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

根据上述结构，可以增加热释放效率，同时减小吸收损失中的增大。在此，本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100具有更长的工作寿命、高发光效率和优异的温度特性。

对于本实施方式的光学扫描设备1010，由于光学扫描设备1010的光源14具有垂直腔表面发射激光器件100，该光学扫描设备1010能够执行稳定的光学扫描。

对于本实施方式的激光打印机1000，由于包括了光学扫描设备1010，该激光打印机1000能够形成高质量图像。

另外，垂直腔表面发射激光器件100的工作寿命急剧增加，这允许写入单元或者光源单元可以再次使用。

d.第二实施方式的改进

根据上述实施方式，在第二下半导体DBR 103₂中，下折射率层103a被设计成通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有3λ/4的光学厚度。但是，本发明并不局限于这种情况，并且如果低折射率层103a通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有(2n+1)λ/4(n是等于或大于1的整数)的光学厚度就足够了。

根据上述实施方式，第二下半导体DBR 103₂包括三对低折射率层103a和高折射率层103b；但是，本发明并不局限于此。

根据上述实施方式，第三下半导体DBR 103₃包括一对低折射率层103a和高折射率层103b；但是本发明不局限于这种情况。第三下半导体DBR 103₃可以包括一至五对低折射率层103a和高折射率层103b。

根据上述实施方式，台地形状在垂直于激光振荡方向的横截面上是方形的，但是，本发明不局限于这种情况。台地形状可以是任意的，例如，圆形的、椭圆形的或矩形的。

在上述实施方式中，邻近谐振器结构的一对下半导体DBR 103的杂质浓度与剩余部分相比可以较低。随着杂质浓度增加吸收量增大。因此，受到吸收影响很大程度的部分的杂质浓度被形成得低于具有吸收较小影响的部分的。以这种方式，可以减少吸收的增加，这是通过增加低折射率层的厚度来产生的。例如，在邻近谐振器结构的下半导体DBR 103的四对中的杂质浓度可以是5×10¹⁷(cm^-3)，而剩余对的杂质浓度可以是1×10¹⁸(cm^-3)。

上述实施方式描述了其中发光波分的振荡波长在780nm波段的情况；但是，本发明不局限于这种情况。发光部分的振荡波长可以根据感光体的特性予以改变。

垂直腔表面发射激光器件100可以用在成像设备之外的设备中。在这种情况下，振荡波长可以根据用途需要变化到650nm波段、850nm波段、980nm波段、1.3μm波段、1.5μm波段等。

作为示例，图56示出设计成具有850nm波段的振荡波长的垂直腔表面发射激光器件100A。

该垂直腔表面发射激光器件100A包括衬底201、下半导体DBR 203、下间隔层204、有源层205、上间隔层206、上半导体DBR 207、接触层209等。

衬底201是n-GaAs单晶衬底。

下半导体DBR 203包括第一下半导体DBR 203₁、第二下半导体DBR 2032和第三下半导体DBR 203₃，如图57所示的示例那样。

第一下半导体DBR 203₁铺设在衬底201的+Z方向表面上，且缓冲层(未示出)置于它们之间。第一下半导体DBR 203₁包括30.5对n-AlAs低折射率层203a和n-Al_0.1Ga_0.9As高折射率层203b。低折射率层203a具有与高折射率层203b相比更高的导热率(见图65)。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。在组分梯度层中，组分从一个向另一个逐渐变化。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度，其中λ是振荡波长。

第二下半导体DBR 203₂铺设在第一下半导体DBR 203₁的+Z方向表面上，并且包括五对低折射率层203a和高折射率层203b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个低折射率层203a通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有3λ/4的光学厚度，每个高折射率层203b通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

第三下半导体DBR 203₃铺设在第二下半导体DBR 203₂的+Z方向表面上，并且包括一对低折射率层203a和高折射率层203b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

下间隔层204铺设在第三下半导体DBR 203₃的+Z方向表面上，并且是未掺杂Al_0.4Ga_0.6As层。

有源层205铺设在下间隔层204的+Z方向表面上，并且包括三个量子阱层205a和四个势垒层205b，如图12中示例所示。每个量子阱层205a由Al_0.12Ga_0.88As制成。每个势垒层205b由Al_0.3Ga_0.7As制成。

上间隔层206铺设在有源层205的+Z方向表面上，并且是未掺杂Al_0.4Ga_0.6As层。

包括下间隔层204、有源层205和上间隔层206的部分称为谐振器结构，它被设计成具有λ的光学厚度。有源层205设置在谐振器结构的中心，它对应于电场的驻波的腹点，以便实现高受激发射率。在有源层205中产生的热量被设计成主要通过下半导体DBR 203释放到衬底201。

上半导体DBR 207铺设在上间隔层206的+Z方向表面上，并且包括24对p-Al_0.9Ga_0.1As低折射率层207a和n-Al_0.1Ga_0.9As高折射率层207b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

在上半导体DBR 207的一个低折射率层中，插入30nm厚度的p-AlAs选择性氧化层。选择性氧化层设置在从上间隔层206在光学上远离λ/4的位置处。

接触层209是p-GaAs层，铺设在上半导体DBR 207的+Z方向表面上。

垂直腔表面发射激光器件100A以上面针对垂直腔表面发射激光器件100所描述的相同方式制造。要指出的是，在图56中，附图标记211表示保护层；附图标记212表示聚酰亚胺；附图标记213表示p-电极；附图标记214表示n-电极；附图标记208a表示氧化层；而附图标记208b表示电流通过区域。垂直腔表面发射激光器件100A能够实现与垂直腔表面发射激光器件100相同的效果。

同样在这个实施方式中，光源14可以包括如图45所示的垂直腔表面发射激光器阵列500作为示例，来取代本实施方式的垂直腔表面发射激光器件100。

通常，理想的蚀刻深度对于每个发光部分来说是不同的，这是由于晶体生长层的厚度变化以及在衬底(晶片)表面上的蚀刻速率的变化。但是，难于对所有发光部分控制蚀刻，使得蚀刻底部到达比选择性氧化层更深，但是不会到达下半导体DBR的低折射率层，该低折射率层具有Al组分，相当于选择性氧化层中的。

尤其在垂直腔表面发射激光器阵列的情况下，如果蚀刻宽度由于发光部分的间隔不同而不同，则蚀刻速率发生变化。在这种情况下，即使如果不存在上述变化，蚀刻深度对每个发光部分来说也会变化。

根据垂直腔表面发射激光器阵列500，半导体DBR主要由AlGaAs材料制成，并且谐振器结构由AlGaInPAs材料制成，其包含In。于是，谐振器结构的蚀刻速率被设定成低于半导体DBR的蚀刻速率。在此，跨过晶片和阵列芯片，蚀刻的底部不会到达下半导体DBR，并于是可以控制蚀刻，使得蚀刻底部保持在谐振器结构中。

从而，根据垂直腔表面发射激光器阵列500，通过在预定位置不提供阻止蚀刻的层但是减慢蚀刻速率来控制蚀刻。于是，由于利用蚀刻监控器可以轻易探测到蚀刻底部是否达到谐振器结构，可以轻易控制蚀刻。另外，可以以高精度执行蚀刻直到谐振器结构的中心附近，并且减少载流子扩散，从而减少不用于振荡的载流子。

在预定位置处提供用于阻止蚀刻的层的情况下，在深度方向上(在这种情况下，在-Z方向上)的蚀刻可以被控制，但是，在横向上(在这种情况下，在平行于X-Y平面的方向上)的蚀刻不能被控制，这会造成诸如在台地尺寸上批次和批次之间不同的问题。

垂直腔表面发射激光器阵列500是具有32个通道的多束光源；但是由于提供了热释放措施，每个发光部分与相邻发光部分之间的热干涉被减轻。于是，当多个发光部分被同时驱动时，垂直腔表面发射激光器阵列500仅具有很小的特性变化，并且呈现出更长工作寿命。

本实施方式利用激光打印机1000作为成像设备的例子来描述；但是，本发明的本实施方式并不局限于这种情况。如在第一实施方式中所描述的，本实施方式的成像设备可以是用于将激光直接投射到介质(例如纸)上的成像设备，其中，在介质上，颜色通过激光来显影；也可以是利用银盐胶片作为图像载体的成像设备；或者具有多个感光体的彩色打印机2000。

图59示出光学发射系统3000的示意性结构。在光学发射系统3000中，光学发射器模块3001和光学接收器模块3005通过光纤电缆3004连接，由此，实现从光学发射器模块3001向光学接收器模块3005的单向光通信。

光学发射器模块3001包括光源3002和驱动电路3003，该驱动电路3003用于根据从外侧输入的电信号来调制从光源3002发射的激光的光强度。

光源3002包括垂直腔表面发射激光器阵列600，如图60所示的示例那样。

垂直腔表面发射激光器阵列600包括多个(在这种情况下为十个)发光部分，这些发光部分以一维排列在单个衬底上。要指出的是，发光部分的数量不局限于十个。

垂直腔表面发射激光器阵列600的每个发光部分被设计为具有1.3μm波段的振荡波长的垂直腔表面发射激光器。如图61所示，图61是沿着图60所示的线A-A的截面图，每个发光部分包括衬底301、下半导体DBR 303、下间隔层304、有源层305、上间隔层306、上半导体DBR 307、接触层309等。

衬底301是n-GaAs单晶衬底。

下半导体DBR 303包括第一下半导体DBR 303₁、第二下半导体DBR 303₂和第三下半导体DBR 303₃，如图62所示的示例中的。

第一下半导体DBR 303₁铺设在衬底301的+Z方向表面上，且缓冲层(未示出)置于它们之间。第一下半导体DBR 303₁包括30.5对n-AlAs低折射率层303a和n-GaAs高折射率层303b。低折射率层303a具有与高折射率层303b相比更高的导热率。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。在组分梯度层中，组分从一个向另一个逐渐变化。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度，其中λ是振荡波长。

第二下半导体DBR 303₂铺设在第一下半导体DBR 303₁的+Z方向表面上，并且包括五对低折射率层303a和高折射率层303b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个低折射率层303a通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有3λ/4的光学厚度，每个高折射率层303b通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

第三下半导体DBR 303₃铺设在第二下半导体DBR 303₂的+Z方向表面上，并且包括一对低折射率层303a和高折射率层303b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

下间隔层304铺设在第三下半导体DBR 303₃的+Z方向表面上，并且是未掺杂GaAs层。

有源层305铺设在下间隔层304的+Z方向表面上，并且包括三个量子阱层305a和四个势垒层305b，如图63中示例所示。每个量子阱层305a由GaInNAs制成。每个势垒层305b由GaAs制成。

上间隔层306铺设在有源层305的+Z方向表面上，并且是未掺杂GaAs层。

包括下间隔层304、有源层305和上间隔层306的部分称为谐振器结构，它被设计成具有λ的光学厚度。有源层305设置在谐振器结构的中心，它对应于电场的驻波的腹点，以便实现高受激发射率。在有源层305中产生的热量被设计成主要通过下半导体DBR 303释放。

上半导体DBR 307铺设在上间隔层306的+Z方向表面上，并且包括26对低折射率层307a和n-GaAs高折射率层307b。为了减小电阻，组分梯度层(未示出)设置在每两个相邻的折射率层之间。设计成每个折射率层通过包括1/2厚度的其相邻组分梯度层而具有λ/4的光学厚度。

在上半导体DBR 307的一个低折射率层中，插入20nm厚度的p-AlAs选择性氧化层。选择性氧化层设置在从上间隔层306在光学上远离5λ/4的位置处。

包括选择性氧化层的低折射率层是p-Al_0.6Ga_0.4As层，其他的低折射率层是p-Al_0.9Ga_0.1As层。在包括选择性氧化层的低折射率层中，35nm厚度的p-Al_0.8Ga_0.2As中间层设置在选择性氧化层附近。

垂直腔表面发射激光器阵列600以上面相对垂直腔表面发射激光器件100所描述的相同的方式制造。要指出的是，在图61中，附图标记311表示保护层；附图标记312表示聚酰亚胺；附图标记313表示p-电极；附图标记314表示n-电极；附图标记308a表示氧化层；而附图标记308b表示电流通过区域。

垂直腔表面发射激光器阵列600产生与垂直腔表面发射激光器阵列500相类似的效果，这是因为，每个发光部分的下半导体DBR 303具有与垂直腔表面发射激光器件100的下半导体DBR 103相类似的结构。

要指出的是，在形成台地时，包括In(铟)的GaInP层被用来替代GaAs间隔层，以便将蚀刻停止在谐振器结构内。

从光源3002输出的光信号进入并穿过光纤电缆3004，并然后输入到光学接收器模块3005中。光纤电缆3004包括多个光纤，一对一地与垂直腔表面发射激光器阵列600的多个发光部分相对应；如图64所示的示例中的。

光学接收器模块3005包括光接收元件3006，用于将光信号转变成电信号，还包括接收电路3007，用于在光接收元件3006上输出的电信号上执行信号放大、波形整形等。

本实施方式的光学发射器模块3001能够产生稳定的光信号，这是因为光源3002包括垂直腔表面发射激光器阵列600。结果，光学发射系统3000能够执行高质量光学发射。

于是，光学发射系统3000也对于在家庭、办公室、设备等内使用的短距离数据通信有效。

另外，由于具有均匀特性的多个发光部分安装在单个衬底上，可以轻易实现利用大量光束同时数据传输，由此能够进行高速通信。

此外，由于垂直腔表面发射激光器以低功耗工作，能够降低温度升高，尤其是在垂直腔表面发射激光器被集成并用在设备中的情况下。

要指出的是，上述实施方式描述了发光部分一对一地与光纤对应的情况；但是，具有不同振荡波长的多个垂直腔表面发射激光器件可以以一维布置或者以二维阵列布置，以便执行多波长传输，由此进一步提高传输速率。

上面作为例子示出了单向通信结构，但是，本发明也可以应用于双向通信结构。

工业应用性

如上所述，本发明的垂直腔表面发射激光器件和垂直腔表面发射激光器阵列能够抑制负下降特性，并且以单个基础横向模式振荡执行高功率操作。本发明的光学扫描设备能够以高精度执行光学扫描。本发明的成像设备能够形成高质量图像。

而且，本发明的垂直腔表面发射激光器件和垂直腔表面发射激光器阵列能够实现更长的工作寿命、高发光效率和优异的温度特性。本发明的光学扫描设备能够执行稳定的光学扫描。本发明的成像设备能够形成高质量的图像。本发明的光学发射模块能够产生稳定的光信号。本发明的光学发射系统能够执行高质量光学传输。

本申请基于2008年5月2日提交的日本专利申请2008-120062、2008年6月11日提交的日本专利申请2008-152427和2009年4月7日提交的日本专利申请2009-093021并要求它们的优先权，它们的全部内容通过引用由此结合于此。