(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流オン時の最小パルス幅が、ミリ秒以下のオーダのパルス電流により半導体レーザを駆動するレーザビームプリンタ用光源装置であって、前記半導体レーザに、前記駆動により前記半導体レーザの発振閾値近傍でマルチモード化し、かつ、該閾値より離れた使用時の電流ではシングルモード化する半導体レーザを用いることを特徴とするレーザビームプリンタ用光源装置。
【請求項２】
前記半導体レーザが活性層をｎ形およびｐ形クラッド層により挟持するダブルヘテロ接合構造であり、該活性層が量子井戸構造に形成されてなる請求項１記載のレーザビームプリンタ用光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高精細レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）の光源装置に関する。さらに詳しくは、レーザダイオードを駆動するパルス幅がミリ秒以下の短い時間のパルスでもオーバーシュート（過渡応答）の発生しない安定した出力が得られ、印字ムラの発生しない印刷をすることができるレーザビームプリンタ用光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームプリンタは、レーザビームにより感光ドラム上に静電気の像を描き、静電気を帯びた部分にトナー（粉末インク）を付着させることにより印刷する。このレーザビームにより像を描くのに、レーザダイオードを使用した光源装置が用いられ、レーザダイオードにパルス電流を印加することにより、断続的に駆動される。この場合、図８に示されるように、レーザダイオードに通電が開始されてから光出力は徐々に低下するという特性を一般に示す。この低下する割合であるドループ（ΔＰ／Ｐ×１００％）が大きいと、色ムラが発生しやすいという問題がある。この原因はレーザダイオードの温度上昇に起因していると考えられ、このドループを減少させる一つの方法として、レーザダイオード（ＬＤ）チップ自身の発熱を抑制するため、活性層を多重量子井戸（ＭＱＷ）構造にして、閾値電流Ｉthを小さくすることが考えられる。しかし、このＭＱＷ構造にすると、キャリアのエネルギー分布の幅が狭くなるため、発振スペクトル幅が狭くなり、シングルモード発振しやすい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような閾値電流を低下させたシングルモード発振をするレーザダイオードは、素子の発熱が小さくなり、確かにドループは低減できる。しかし、図９（ａ）〜（ｂ）に駆動パルスとその光出力波形が示されるように、パルスの立上り部分でオーバーシュート（過渡現象）Ａが発生する。このオーバーシュートＡの割合は１〜２μｓｅｃ程度の時間であるが、安定した光出力の２０％程度にも及ぶことがある。一方、近年、プリンタの印字速度を向上させるため、この駆動パルスのパルス幅が非常に狭くなり、ミリ秒以下、とくにマイクロ秒からサブマイクロ秒程度に小さくすることが要求されてくると、ドループ以外に前述のオーバーシュートの影響が色ムラとして問題になってくる。
【０００４】
一方、活性層をたとえばバルク活性層などにしてマルチモード化すると、前述のように閾値電流が上昇し、ＬＤチップが発熱して大きいドループが発生しやすいと共に、図９（ｃ）に示されるように、逆に立上り部分の光出力が低くなって色ムラが発生したり、パルス内でさらに自励発振して安定した光出力が得られない。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、レーザビームプリンタ用光源装置をオン時の駆動パルスのパルス幅が小さなミリ秒以下、とくにマイクロ秒からサブマイクロ秒のようなパルスにより駆動する場合にも、パルス立上り時の過渡現象（過渡応答）が現れず、安定した光出力が得られ、色ムラの生じない印刷をすることができるレーザビーム用光源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前述のように短いパルス幅で半導体レーザを駆動するレーザビーム用光源装置において、パルスの立上り部分での過渡現象（過渡応答）による印字の色ムラを除去するため、鋭意検討を重ねた結果、レーザの発振スペクトルと、過渡現象の変化率（立上り時の過渡的なピークの光出力Ｐp と安定出力Ｐo との差ΔＰ（Ｐp −Ｐo ）のＰo に対する割合ΔＰ／Ｐo ・１００％、図９（ｂ）参照）との間に関係があることを見出し、発振スペクトルは、たとえばストライプ幅、電流ブロック層の組成、電流ブロック層と活性層との間の距離、クラッド層のキャリア濃度、電流ブロック層への光吸収層の挿入程度（挿入場所、吸収層の組成や厚さなど）などを変化させて発振する光の吸収量を調整することにより、前述の変化率を調整することができ、この変化率を＋８％から−８％の範囲にすることにより、ミリ秒からマイクロ秒オーダの駆動パルスによっても、色ムラの生じないレーザビームプリンタ用光源装置が得られることを見出した。
【０００８】
ここに変化率とは、パルス駆動による立上り部のピーク出力と平準化（安定化）した光出力との比を％表示したもので、変化率が負であることは、立上り時の光出力が平準化した光出力より小さいことを意味する。
【００１０】
本発明のレーザビームプリンタ用光源装置は、電流オン時の最小パルス幅が、ミリ秒以下のオーダのパルス電流により半導体レーザを駆動するレーザビームプリンタ用光源装置であって、前記半導体レーザに、前記駆動により前記半導体レーザの発振閾値近傍でマルチモード化し、かつ、該閾値より離れた使用時の電流ではシングルモード化する半導体レーザを用いることを特徴とする。この構成にしても、変化率を小さくすることができる。
【００１１】
ここに発振閾値近傍とは、発振し始める電流値近傍の動作電流を意味し、閾値より離れた電流とは、閾値電流の１.２倍程度以上の閾値より大きな動作電流を意味する。
【００１２】
前記半導体レーザが活性層をｎ形およびｐ形クラッド層により挟持するダブルヘテロ接合構造であり、該活性層が量子井戸構造（ＳＱＷまたはＭＱＷ）に形成されていることにより、使用時電流でシングルモード発振をしながら、発振光の吸収度合の調整により閾値近傍でマルチモード化して、変化率を小さくすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のレーザビームプリンタ用光源装置について説明をする。
【００１４】
本発明のレーザビームプリンタ用光源装置は、オン時の最小パルス幅が、ミリ秒以下のオーダのパルス電流により半導体レーザを駆動するものにおいて、半導体レーザ（ＬＤ）が、図１にＬＤチップの断面説明図が示されるように、活性層４をｎ形およびｐ形クラッド層５、３により挟持するダブルヘテロ接合構造で、かつ、一方のクラッド層（ｎ形クラッド層５、８）にストライプ溝７ａが形成された電流ブロック層７が埋め込まれた構造を有しており、半導体レーザのストライプ溝７ａの幅Ｗ、活性層４の量子井戸の数、クラッド層５の組成、電流ブロック層７と活性層４との距離ｄ、電流ブロック層７の組成および電流ブロック層７内への光吸収層の形成などの内、少なくとも１つを調整することにより、パルス電流の立上り部分の変化率が＋８％から−８％の範囲（以下、単に±８％以下ともいう）となるか、半導体レーザの発振閾値近傍でマルチモード化し、かつ、その閾値より離れた電流でシングルモード化するように形成されていることに特徴がある。
【００１５】
前述のように、本発明者らは、短いパルスで駆動するレーザビームプリンタ用光源装置において、パルスの立上り部分での過渡現象（過渡応答）を除去するため、種々の半導体レーザを作製し、その種々の特性を調べた結果、図２に示されるように、発振近傍のレーザの発振スペクトルの半値幅ＦＷＨＭの値によりその変化率が変り、ＦＷＨＭと、過渡現象の変化率との間に密接な関係があることを見出した。ＦＷＨＭは光スペクトルのモード数を反映しているため、ＦＷＨＭを一定の範囲内に入るようにすることにより、変化率を±８％以内にすることができ、過渡現象による印字の色ムラの影響をなくすることができることを見出した。
【００１６】
すなわち、図２において、横軸は動作電流が発振閾値の１.１倍（Ｉop／Ｉthがほぼ１.１）のときの種々のＦＷＨＭ（ｎｍ）で、そのＦＷＨＭの値を有する半導体レーザの変化率（％）が縦軸に示されている。図２で、ＦＷＨＭが０.４以下の測定点の半導体レーザは、半値幅が小さく完全なシングルモード発振をしている半導体レーザで、この種類では変化率が１４％以上と大きく、また、ＦＷＨＭが１.７程度と大きいものは、ＣＤやＤＶＤ用の光源として用いられるような、使用時電流でもマルチモード発振をしているもので、この場合は過渡現象がパルスの立上り時の出力（尖頭出力）が小さすぎて−１０％程度になっている。この中間の発振をさせることにより、変化率が小さく、この変化率を、±８％以内、好ましくは±４％以内、さらに好ましくは±２％以内になるような半導体レーザにすることにより、印字による色ムラの生じないレーザビーム用光源装置が得られることを見出した。
【００１７】
さらに、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、発振スペクトルもしくはそのＦＷＨＭは、たとえばストライプ幅、活性層の量子井戸の数、電流ブロック層の組成、電流ブロック層と活性層との間の距離、電流ブロック層へ挿入する光吸収層の材料や挿入場所、クラッド層のキャリア濃度などを変化させて発振する光の吸収量を調整することにより、所望の値に調整することができることを見出した。この調整は、たとえば多重量子井戸構造の活性層で、シングルモード発振をするように形成されたＬＤチップにおいて、ストライプ幅を広くすると発振した光の吸収量が大きくなり、発振近傍でＦＷＭＨが広く（すなわちマルチモード化して変化率が小さく）なり、クラッド層５の屈折率を大きく（ＡｌＧａＡｓ系であれば、Ａｌの混晶比を小さく）して活性層とクラッド層の屈折率差を小さくすることで光のコンファイメント（閉込め）を弱めたり、活性層のウェルの数を増やすことにより、光の吸収量が大きくなって同様の効果が得られる。また、電流ブロック層と活性層との距離を大きくすることにより、キャリアのロスが多くなって同様の効果が生じ、さらに電流ブロック層の材料に吸収性のものを使用し、または電流ブロック層の内部に光吸収層を設けることにより同様の効果を生じさせることができる。
【００１８】
このように、完全なシングルモードやマルチモードの発振をするのではなく、シングルモード発振を基本としながら、発振閾値電流の近傍での動作電流、すなわちパルス駆動のパルスの立上り付近での動作をマルチ化することにより、立上り部分の過渡現象を小さくすることができる。なお、この調整は前述のそれぞれ１つの項目だけの調整でもよいが、２以上の項目を組合せて調整することもでき、少なくとも１つの項目の調整により、前述の変化率、または発振スペクトル（波形）の半値幅、または一定の動作電流に対する半値幅の関係を調べながら適当な設計値を得ることができる。
【００１９】
つぎに、具体的な構造例により詳細に説明をする。本発明の光源装置に用いるＬＤチップは、基本的な構造例が図１に示されるような構造になっている。図１で、たとえばＺｎがドープされたｐ形ＧａＡｓ基板１上に、基板温度を５００〜７５０℃程度にして、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）により、Ｂｅドープのｐ形ＧａＡｓからなるバッファ層２を０.１〜２μｍ、Ｂｅドープのｐ形Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０.４≦ｘ≦０.７、たとえばｘ＝０.６）からなるｐ形クラッド層３を１〜２μｍ程度、ＢｅドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなるｐ形光ガイド層４ｃを０.０１〜０.０５μｍ程度、ノンドープで３〜６ｎｍのＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓウエル層４ａと６〜８ｎｍのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓバリア層４ｂとをそれぞれ交互に積層し、図１（ｂ）に井戸構造が示されるように、ウェル層４ａを３層積層したＭＱＷ構造の活性層４、ＳｉドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなるｎ形光ガイド層４ｄを０.０１〜０.０５μｍ程度、Ｓｉドープのｎ形Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０.４≦ｘ≦０.７、たとえばｘ＝０.６）からなるｎ形第１クラッド層５を０.０３〜０.１μｍ程度、Ｓｉドープのｎ形ＩｎＧａＡｌＰからなるエッチングストップ層６を０.０１〜０.０５μｍ程度、さらにＢｅをドープしたｐ形Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ（０.５≦ｙ≦０.８、たとえばｙ＝０.７）からなる電流ブロック層７を０.２〜０.５μｍ程度それぞれ連続的に成長する。
【００２０】
その後、ウェハを一旦ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ホトリソグラフィ工程と、酒石酸および過酸化水素水の混合溶液によるエッチングにより、ストライプ溝７ａを形成する。このストライプ溝７ａの幅Ｗが従来は２〜３μｍ程度であったのを、４〜６μｍ程度で形成した。その後、再度ＭＯＣＶＤ装置に入れて、Ｓｉドープのｎ形Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０.４≦ｘ≦０.７、たとえばｘ＝０.６）からなるｎ形第２クラッド層８を０.５〜２μｍ程度、ＳｉドープのＧａＡｓからなるｎ形コンタクト層９を０.５〜２μｍ程度それぞれ成長する。そして、ＧａＡｓ基板１の裏面を研削およびポリッシュして、積層した半導体層の表面側にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉを真空蒸着により成膜し、３００〜４００℃程度でシンターした後、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を設けてｎ側電極１０ａを、さらにＧａＡｓ基板１の裏面にＴｉ／Ａｕの積層膜からなるｐ側電極１０ｂをそれぞれ形成し、ダイシングと劈開によりチップ化することにより図１（ａ）に示される構造のＬＤチップが得られる。
【００２１】
この構造（各層の組成は前述の例で、たとえばで示した値）で、ストライプ溝７ａの幅を従来の２〜３μｍの場合と、本発明の４〜６μｍにした場合の半値幅ＦＷＨＭを動作電流（Ｉop）と発振閾値電流（Ｉth）との比Ｉop／Ｉthを変化させて調べた結果を図３に示す。図３において、黒三角が従来の２〜３μｍの場合で、白抜きの菱形が本発明の４〜６μｍの場合である。図３から明らかなように、従来の構造では動作電流の全域においてＦＷＨＭが小さく、最初からシングルモードの発振であるが、本発明によれば、閾値近傍では、ＦＷＨＭが大きく、マルチモード化しているが、動作電流が閾値の１.１倍以上になるとＦＷＨＭが小さくなり、殆どシングルモード発振になっていることが分る。すなわち、この平均化により、変化率を非常に小さくすることができる。また、このときの光出力波形は、図７に示されるように、パルスの立上り部分での過渡現象が殆ど発生していないことが確認された。なお、この例では、基板１側をｐ形の構造にしたが、基板１側をｎ形にして、上述の導電形を全て逆にして上層をｐ形にしても同様の結果が得られた。
【００２２】
また、前述と同じ構造で、ストライプ幅を従来の３〜４μｍとし、両クラッド層３、５、８のＡｌの組成を０.６から０.５に変更すると共に、活性層のウェル層を３層から５層に増やしたものを作製して、従来のものと比較して図４に示す。図４において、黒四角が従来の構造のもので、白丸が上記の組成変更とウェル層の数を増やした例である。この場合も、前述の例と同様に本発明によれば、動作電流が閾値電流に近い（Ｉop／Ｉthが１に近い）ところではＦＷＨＭが大きく、マルチモード化しているが、動作電流が閾値より大きくなるに連れてＦＷＨＭが小さくなり、シングルモード化していることが分る。なお、この例ではウェル層の数とクラッド層の組成の両方を同時に変更したが、一方だけでも調整することができる。
【００２３】
図５は調整方法の他の例を示す説明図で、この例は、前述の構造のＬＤチップのＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓからなる電流ブロック層７の内部にＡｌz Ｇａ1-z Ａｓ（０.０８≦ｚ≦０.１５）の吸収層７ｂを厚さｔが２００Å≦ｔ≦５００Åの範囲で、電流ブロック層７の底面からの距離ｈが５００Å≦ｈ≦１０００Åの範囲で挿入することにより、同様の結果が得られた。これは、電流ブロック層７の組成が光を吸収しない組成であるが、光を吸収する吸収層７ｂを挿入することにより、活性層で発光する光の一部が吸収され、前述のように発振閾値電流Ｉthの近傍でマルチモード化するためと考えられる。
【００２４】
前述の光吸収層７ｂを電流ブロック層７内に挿入しなくても、電流ブロック層７の組成を、たとえばＡｌの混晶比を０.７から０.６３と小さくすると共に、クラッド層５の厚さを１５００〜２５００Å程度に大きくすることにより、キャリア分布の広がりを大きくして、同様の効果が得られた。
【００２５】
図６は、本発明の光源装置に用いるＬＤチップの他の構造例である。この例は、ｎ形ＧａＡｓ基板１１上に基板温度を５００〜７００℃程度にして、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシー）法により、ＳｉドープでＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０.４≦ｘ≦０.７）からなるｎ形クラッド層１３を２μｍ程度、ＳｉドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなるｎ形光ガイド層１４ｃを０.０２〜０.０５μｍ程度、ノンドープで３〜６ｎｍのＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓからなるウェル層と６〜８ｎｍのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなるバリア層とをそれぞれ交互に積層し、ウェル層を３層積層したＭＱＷ構造の活性層１４、ＢｅドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなるｐ形光ガイド層１４ｄを０.０２〜０.０５μｍ程度、Ｂｅドープのｐ形Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０.４≦ｘ≦０.７）からなるｐ形第１クラッド層１５を０.２５〜０.５μｍ程度、ＳｉドープのＧａＡｓからなる電流ブロック層１７を０.２〜０.５μｍ程度、ノンドープのＡｌsＧａ1-sＡｓ（０.０５≦ｓ≦０.１５）からなる蒸発防止層１７ｃを０.０２〜０.０５μｍ程度それぞれ連続的に成長する。その後、一旦成長装置からウェハを取り出し、ホトリソグラフィ工程および硫酸と過酸化水素水との混合溶液によるエッチングにより、ＧａＡｓ電流ブロック層１７の底部に０.０５〜０.２μｍ程度の厚さ残るようにウェットエッチングをしてストライプ溝１７ａとなる凹部を形成する。
【００２６】
その後、再びウェハを成長装置内に入れて、Ａｓ線を照射しながら、基板温度を６００〜８００℃程度にし、電流ブロック層１７の底部に残っているＧａＡｓ層を蒸発させてサーマルエッチングをする。そして、３〜５μｍ幅のストライプ溝１７ａを形成する。その後、ＢｅドープのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０.４≦ｘ≦０.７）からなるｐ形第２クラッド層１８を０.５〜２μｍ程度、ＢｅドープのＧａＡｓからなるコンタクト層１９を０.５〜２μｍ程度、それぞれ成長してエピタキシャル成長を終了する。そして、ウェハの裏面を研削、ポリッシュして薄くし、その裏面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉを蒸着して３００〜４００℃程度でシンターした後に、Ｔｉ／Ａｕ層の積層膜を蒸着などにより設けてｎ側電極２０ａを、積層した半導体層の表面に同様にＴｉ／Ａｕの積層膜によりｐ側電極２０ｂをそれぞれ設け、ダイシングと劈開によりチップ化する。
【００２７】
この構造では、電流ブロック層にＧａＡｓの光を吸収する材料を用いているが、その電流ブロック層と活性層との距離を調整することにより、適度な吸収量にすることができ、発振閾値電流の近傍ではマルチモード化し、閾値電流より離れた動作電流では、シングルモード発振をする半導体レーザ、すなわち前述の変化率またはＦＷＨＭを有する半導体レーザが得られる。
【００２８】
本発明のレーザビームプリンタ用の光源装置によれば、半導体レーザが閾値電流の近傍ではマルチモード化し、閾値電流から離れた動作電流ではシングルモード化する。この閾値電流近傍でのマルチモード化により、多数のモードに投入電力を分配しなければならないため、シングルモードの半導体レーザよりも立上りが遅くなる。一方、動作電流が閾値電流より大きくなるとシングルモード化するため、直ちに正規の光出力が得られる。その結果、図７に示されるように、パルス駆動の立上り部分での過渡現象が非常に小さくなる。そのため、プリンタの印字速度を上げるため、駆動パルスのオン時のパルス幅が非常に狭くなって、ミリ秒以下、さらにマイクロ秒程度に短くなっても、パルスの立上り部分の過渡現象による印字の色ムラが発生せず、鮮明な印刷をすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザビームプリンタ用光源装置のパルス駆動により発光する半導体レーザが、そのパルスの立上り部分での変化率が非常に小さくなるため、パルス幅が数百マイクロ秒以下、さらにはマイクロ秒程度に短くなっても過渡現象の影響がなくなり、安定した光出力が得られ、色ムラの生じない安定な印字が得られるレーザビーム用光源装置となる。その結果、今後益々要求度が厳しくなる印字スピードを上げるための短パルス駆動化に非常に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザビームプリンタ用光源装置に用いるＬＤチップの断面構造の説明図である。
【図２】半導体レーザの発振スペクトルの半値幅ＦＷＨＭと変化率との関係を示す図である。
【図３】本発明により変化率を調整した一例のＬＤの動作電流に対するＦＷＨＭの関係を従来構造のものと比較して示した図である。
【図４】本発明により変化率を調整した一例のＬＤの動作電流に対するＦＷＨＭの関係を従来構造のものと比較して示した図である。
【図５】本発明により変化率を調整する他の例のＬＤチップの一部の説明図である。
【図６】本発明の光源装置に用いるＬＤチップの他の構造例の説明図である。
【図７】本発明のＬＤのパルス駆動による光出力の波形を示す図である。
【図８】一般的なレーザビームプリンタ用光源装置のドループがある場合のパルス駆動による光出力の波形である。
【図９】駆動パルスとシングルモード発振およびマルチモード発振のＬＤの光出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｐ形クラッド層
４    活性層
５    ｎ形第１クラッド層
７    電流ブロック層
７ａ  ストライプ溝
８    ｎ形第２クラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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