[发明专利]红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备

说明书

本申请是2008年2月14日递交的、申请号为200810005655.2的发明专利申请“红色表面发射激光器元件、图像形成装置和图像显示设备”的分案申请。

技术领域

本发明涉及红色表面发射激光器元件、以及含有该红色表面发射激光器元件的图像形成装置和图像显示设备。

背景技术

A.红色表面发射激光器元件的有用性

表面发射激光器元件(尤其是，垂直腔型的表面发射激光器被称为垂直腔表面发射激光器(VCSEL))可以沿与半导体基底的表面方向垂直的方向输出光，且可以相对容易地形成为二维阵列。

当该元件被形成为二维阵列时，利用从中发射的多个激光束实现并行处理。因此，将该二维阵列技术应用于各种工业使用有望实现更高的密度和更高的速度。

例如，可以将表面发射激光器阵列用作电子照相打印机的曝光光源，从而可以通过使用多个束的打印步骤的并行处理来提高打印速率。

当前实际使用的表面发射激光器是输出红外范围(波长λ＝0.75μm～1μm)内的激光束的元件。如果将振荡波长进一步缩短，则射束直径可以被进一步缩小并可以获得具有更高分辨率的图像。

红色表面发射激光器元件输出具有比红外范围内的波长短的波长(大约0.6μm～大约0.73μm)的光。此外，在该波长，可用于电子照相打印机的感光鼓的非晶硅的敏感度非常高。

因此，现在期望将红色表面发射激光器实际应用在由非晶硅构成的感光鼓中，以实现更高速度、更高分辨率的图像打印。

通过缩短波长来提高分辨率和多束并行处理相结合所带来的效果是相当大的。这种结合有望在不同领域有所贡献，包括电子照相打印机和诸如激光显示器的图像显示设备等领域。

B.红色表面发射激光器的基本结构

为了产生具有红色区域内波长的光，典型地使用半导体材料AlGaInP。该材料的晶格与构成沉积基底的材料GaAs的晶格相匹配，且能隙能量可以通过改变铝和镓的成分比例来控制。

为了产生激光振荡，必须将阈值电流或更高的电流注入激光器元件。电流注入允许例如电子或空穴的载流子被注入活性层，且载流子因经受辐射复合被最终转换为光。

C.相关技术的具体例子

通过在由一种不同的半导体材料AlGaAs构成的多层反射器之间插入包括AlGaInP活性层的共振器区来形成红色表面发射激光器。晶格与活性层和多层反射器的晶格相匹配的GaAs基底被用作基底。

Sandia国家实验室的Crawford领导的小组在1995年公开了1波长共振器结构的元件结构(见M.H.Crawford等人，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，Vol.7，No.7(1995)，724，下文中称为“Crawford文献”)。

这种1波长共振器结构在输出红外发射的表面发射激光器中具有最广泛使用的腔长度。在红色表面发射激光器中，该1波长腔长度在层厚度方面(在波长是680nm的情况下)大约是200nm。

尤其是，具有厚度为40nm～50nm的多量子阱结构的活性层被设置在1波长腔长度的中央区域中。分别用作间隔层并具有80nm或更小厚度的P型AlGaInP层和n型AlGaInP层被设置在活性层的两侧。

在一些情况下，无掺杂间隔层被设置在活性层和掺杂p型(或n型)间隔层之间。在这样的情况下，p型(或n型)AlGaInP间隔层的厚度大约是50nm。

在Crawford文献中，p型或n型AlGaInP层的厚度大约是50nm。

Crawford文献还教导：从具有15μmφ氧化物孔径的元件中，在675nm模式的最大光输出功率是2.8mW(20℃)。

发明内容

在将红色表面发射激光器元件作为电子照相光源使用时，需要高温下的高性能特征。

然而，Crawford文献公开了根据其元件结构，如果环境温度从20℃上升到40℃，则最大光输出功率显著下降。尤其是，在675nm模式下，最大光输出功率下降到大约1.0mW(降至40％以下的输出下降)。

本发明人发现：当增加注入电流的量来增强输出操作时，元件内的温度随着增加的电流注入而升高到20℃或更高，尽管环境温度是20℃。在这种情况下，光输出功率不增加，而可能随着电流注入量的增加而降低。因此，最大光输出功率受到限制。

据认为，因为对发射没有贡献的漏电流随着温度升高显著增加，所以发生光输出功率的这种降低。