JP2017017172A - Surface light emitting laser, laser array, solid-state laser, information acquisition device, image forming apparatus, and manufacturing method of laser array - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a VCSEL that reduces an increase in laser threshold and stabilizes output.SOLUTION: A surface light emitting laser comprises: a p-type first semiconductor layer 105 that is arranged on an active layer 104; a second semiconductor layer 106 that is arranged on the first semiconductor layer 105 and includes an opening 130; and a p-type third semiconductor layer 107 that is arranged on the second semiconductor layer 106 and the first semiconductor layer 105 located in the opening 130 to fill a difference in step formed by the opening 130. The first semiconductor layer 105 includes hydrogen; the first semiconductor layer 105 has a hydrogen density distribution in which the density of hydrogen of a portion corresponding to the opening 130 is lower than the density of hydrogen of a portion outside the portion corresponding to the opening 130.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、面発光レーザ、レーザアレイ、固体レーザ、情報取得装置、画像形成装置、及びレーザアレイの製造方法に関する。   The present invention relates to a surface emitting laser, a laser array, a solid-state laser, an information acquisition device, an image forming apparatus, and a method for manufacturing a laser array.

端面発光レーザの材料としてGaNなどの窒化物半導体を用いるものが知られている。その端面発光レーザで良く用いられているリッジ導波型構造では、表面のp型層にリッジを形成することで横方向の光閉じ込めを行っている。しかし、活性層周辺で電流が横方向に広がってしまい閾値が高くなる。そこで、特許文献1のように、横方向の電流の閉じ込めを強くするために、p型層中に開口部のあるn型層を形成したpnp型の電流狭窄構造が用いられる。この電流狭窄構造の具体的な製造方法は、p−AlGaN層を形成後、電流をブロックする層としてn−GaN層を形成する。その後、n−GaN層を反応性イオンエッチングでストライプ状にエッチングし開口部を形成し、最後にp−GaN層を成長することで、pnp型の電流狭窄構造を実現している。   A material using a nitride semiconductor such as GaN is known as an edge emitting laser material. In the ridge waveguide structure often used in the edge emitting laser, lateral light confinement is performed by forming a ridge in the p-type layer on the surface. However, the current spreads in the lateral direction around the active layer and the threshold value increases. Therefore, as in Patent Document 1, a pnp-type current confinement structure in which an n-type layer having an opening is formed in a p-type layer is used in order to strengthen current confinement in the lateral direction. In a specific manufacturing method of this current confinement structure, after forming a p-AlGaN layer, an n-GaN layer is formed as a layer that blocks current. Thereafter, the n-GaN layer is etched in a stripe shape by reactive ion etching to form openings, and finally the p-GaN layer is grown, thereby realizing a pnp-type current confinement structure.

また、特許文献1には、電流狭窄部分の不純物のドーピングプロファイルが示されている。n型層の上下に形成されているp型層からMgが拡散し、特にn型層下部のp−GaNからの拡散が多いことが記載されている。n型層にp型層中のMgが拡散するとn型層中の電子が補償されてしまい、n型層がp型化してしまう。n型層が薄い場合、n型層全体がp型化してしまうため、n型層によるバンド障壁が形成されずに、電流をブロックできなくなる。そのため、このn型層は1.5μmの厚さで形成されている。   Patent Document 1 shows a doping profile of impurities in a current confinement portion. It is described that Mg diffuses from the p-type layer formed above and below the n-type layer, and in particular, the diffusion from the p-GaN below the n-type layer is large. When Mg in the p-type layer diffuses into the n-type layer, electrons in the n-type layer are compensated, and the n-type layer becomes p-type. When the n-type layer is thin, the entire n-type layer becomes p-type, so that no band barrier is formed by the n-type layer and current cannot be blocked. Therefore, this n-type layer is formed with a thickness of 1.5 μm.

一方、垂直共振器型の面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下VCSELという)でも電流狭窄構造を用いる。VCSELでは、光射出側にある電極は、光を遮蔽しないように光射出領域を避けて配置されている。この光射出領域は活性層での発光領域と対応している。つまり、活性層の発光領域は、光射出側にある電極が配置された領域とは異なる位置にある。このため、電流の経路を発光領域となる部分に流すための電流狭窄構造を用いる。   On the other hand, a vertical cavity surface emitting laser (vertical cavity surface emitting laser, hereinafter referred to as VCSEL) also uses a current confinement structure. In the VCSEL, the electrode on the light emission side is arranged avoiding the light emission region so as not to shield light. This light emission region corresponds to the light emission region in the active layer. That is, the light emitting region of the active layer is at a position different from the region where the electrode on the light emission side is disposed. For this reason, a current confinement structure is used for flowing a current path to a portion to be a light emitting region.

特開2004−006934号公報JP 2004006934 A

しかし、VCSELの電流狭窄構造として、特許文献1のようなpnp型の電流狭窄構造では以下のような問題が生じる。   However, as the current confinement structure of the VCSEL, the pnp type current confinement structure as in Patent Document 1 has the following problems.

pnp型の電流狭窄構造は、開口部を形成されたn型層の上にp型層を成長させるが、この開口部による段差があるため、開口部周辺のp型層は開口の中心へ向かって横方向成長する。p型層の厚さがn型層の厚さより薄い場合、開口部による段差が平らにならず残ってしまう。VCSELの場合、この段差の影響により、光を散乱させレーザ閾値が増加する。   In the pnp-type current confinement structure, a p-type layer is grown on an n-type layer in which an opening is formed. Since there is a step due to the opening, the p-type layer around the opening is directed toward the center of the opening. Grow laterally. When the thickness of the p-type layer is thinner than the thickness of the n-type layer, the step due to the opening remains without being flat. In the case of a VCSEL, the laser threshold is increased by scattering light due to the effect of the step.

また、p型層をn型層の厚さより厚く成長させると、段差を平らにすることができるが、上記のようにMgの拡散による影響を低減するためにn型層は厚く形成されているため、p型層も厚くなる。そのためVCSELの共振器長が大きくなり、複数の縦モードで発振することになり、出力が安定しなくなる。   Further, when the p-type layer is grown thicker than the thickness of the n-type layer, the step can be flattened, but the n-type layer is formed thick in order to reduce the influence of Mg diffusion as described above. Therefore, the p-type layer also becomes thick. For this reason, the resonator length of the VCSEL increases, and oscillation occurs in a plurality of longitudinal modes, and the output becomes unstable.

そこで、本発明は、レーザ閾値の増加を低減し、出力を安定にするVCSELを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a VCSEL that reduces an increase in laser threshold and stabilizes output.

本発明の一つの態様は、第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部に対応する部分の外の部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有することを特徴とする。   One aspect of the present invention includes a first reflecting mirror, an active layer disposed on the first reflecting mirror, a p-type first semiconductor layer disposed on the active layer, A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening; and the opening on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening. A p-type third semiconductor layer disposed so as to fill a step due to the portion, a second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening, An electrode disposed on the third semiconductor layer and in a region corresponding to the outside of the opening, wherein the first semiconductor layer includes hydrogen, and the first semiconductor The layer has a hydrogen concentration in which the hydrogen concentration in the portion corresponding to the opening is lower than the hydrogen concentration in the portion outside the portion corresponding to the opening. And having a distribution.

また、本発明の別の態様は、第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の電気抵抗が前記開口部の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さい電気抵抗の分布を有することを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a first reflector, an active layer disposed on the first reflector, and a p-type first semiconductor layer disposed on the active layer. And a second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening, and on the first semiconductor layer located on the second semiconductor layer and the opening, A p-type third semiconductor layer disposed so as to fill the step due to the opening, and a second reflecting mirror disposed on the third semiconductor at least in a region corresponding to the opening And an electrode disposed on the third semiconductor layer and in a region corresponding to the outside of the opening, and the first semiconductor layer has hydrogen, and the first semiconductor layer has hydrogen. This semiconductor layer has an electrical resistance in which the electrical resistance of the portion corresponding to the opening is smaller than the electrical resistance of the portion corresponding to the outside of the opening. And having a distribution.

また、本発明の別の態様は、第1の反射鏡と、前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分のキャリア濃度が前記開口部の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度分布を有することを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a first reflector, an active layer disposed on the first reflector, and a p-type first semiconductor layer disposed on the active layer. And a second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening, and on the first semiconductor layer located on the second semiconductor layer and the opening, A p-type third semiconductor layer disposed so as to fill the step due to the opening, and a second reflecting mirror disposed on the third semiconductor at least in a region corresponding to the opening And an electrode disposed on the third semiconductor layer and in a region corresponding to the outside of the opening, and the first semiconductor layer has hydrogen, and the first semiconductor layer has hydrogen. In the semiconductor layer, the carrier concentration in the portion corresponding to the opening is higher than the carrier concentration in the portion corresponding to the outside of the opening. It characterized by having a Yaria concentration distribution.

また、本発明の別の態様は、複数の面発光レーザを有するレーザアレイの製造方法であって、第1の反射鏡を形成する工程と、前記第1の反射鏡の上に活性層を形成する工程と、前記活性層の上にp型の第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層の上に、開口部を有する第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるようにp型の第3の半導体層を形成する工程と、前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に、第2の反射鏡を形成する工程と、前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に、電極を形成する工程と、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とを水素原子を含まない雰囲気で熱処理する工程と、前記第2の反射鏡を形成する工程と前記電極を形成する工程との後に、面発光レーザごとに分離するためのメサ構造を形成する工程と、を有し、前記第1の半導体層は、水素を有し、前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部の外に対応する部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有することを特徴とするレーザアレイの製造方法。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a laser array having a plurality of surface emitting lasers, the step of forming a first reflecting mirror, and the formation of an active layer on the first reflecting mirror. A step of forming a p-type first semiconductor layer on the active layer, a step of forming a second semiconductor layer having an opening on the first semiconductor layer, Forming a p-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening; and Forming a second reflecting mirror at least in a region corresponding to the opening, and a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer. Forming an electrode, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor. A mesa structure for separating each surface emitting laser is formed after the step of heat-treating the layer in an atmosphere not containing hydrogen atoms, the step of forming the second reflecting mirror, and the step of forming the electrode. And the first semiconductor layer has hydrogen, and the first semiconductor layer has a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening and a hydrogen concentration in a portion corresponding to the outside of the opening. A laser array manufacturing method having a hydrogen concentration distribution lower than the concentration.

本発明は、レーザ閾値の増加を低減し、出力を安定にするVCSELを提供することができる。   The present invention can provide a VCSEL that reduces the increase in laser threshold and stabilizes the output.

実施形態1に係るVCSELの一例を示す断面模式図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a VCSEL according to the first embodiment. 実施形態1の電流狭窄構造を説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a current confinement structure according to Embodiment 1. 実施形態1に係るVCSELアレイの製造方法の一例を示す断面模式図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a manufacturing method of the VCSEL array according to the first embodiment. 実施形態1に係るVCSELアレイの製造方法の一例を示す断面模式図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a manufacturing method of the VCSEL array according to the first embodiment. 実施形態2に係る固体レーザの一例を示す模式図。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a solid-state laser according to a second embodiment. 実施形態3に係る被検体情報取得装置の一例を示す模式図。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a subject information acquisition apparatus according to a third embodiment. 実施形態4に係る画像形成装置の一例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of an image forming apparatus according to a fourth embodiment.

p型不純物としてMgを用いる窒化物半導体は、結晶成長中にIII族原料やV族原料由来の水素原子が結晶中に取り込まれ、水素原子がMgと結合することでMgが不活性化し高抵抗になる。本発明の垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL)は、以下の電流狭窄構造を採っている。すなわち、p型半導体層の上に水素原子をブロックするマスクとなる半導体層を形成し、面内の一部を選択的に活性化させて、水素原子の濃度分布をp型半導体層に形成する。この結果、p型半導体層内に電気抵抗の分布を持たせた電流狭窄構造が形成されている。   Nitride semiconductors that use Mg as a p-type impurity incorporate hydrogen atoms derived from Group III and Group V materials into the crystal during crystal growth, and combine the hydrogen atoms with Mg to deactivate Mg, resulting in high resistance. become. The vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) of the present invention employs the following current confinement structure. That is, a semiconductor layer serving as a mask for blocking hydrogen atoms is formed on the p-type semiconductor layer, and a part of the surface is selectively activated to form a hydrogen atom concentration distribution in the p-type semiconductor layer. . As a result, a current confinement structure having an electric resistance distribution is formed in the p-type semiconductor layer.

以下に、本発明のVCSELについて説明するが、はじめに、本明細書中で使用する用語等について定義する。本明細書中でVCSEL構造の上下方向について言及する場合は、基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。   The VCSEL of the present invention will be described below. First, terms used in this specification will be defined. In this specification, when referring to the vertical direction of the VCSEL structure, the substrate side is defined as the lower side, and the side opposite to the substrate is defined as the upper side.

(実施形態1)
図1(a)は、本実施形態のVCSELの一例を示す断面模式図、図1(b)は、本実施形態のVCSELの一例を示す上面模式図である。図1(a)は、図1(b)のA−B断面図に対応する。VCSELは、基板101の上に、n型の下部反射鏡102、スペーサ層103、活性層104、p型の第1の半導体層105、第2の半導体層106、p型の第3の半導体層107、コンタクト層108を、順に有している。さらに、VCSELは、コンタクト層108の上に、上部反射鏡109と第1の電極110とを有し、基板101の下に第2の電極111を有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an example of the VCSEL of this embodiment, and FIG. 1B is a schematic top view of an example of the VCSEL of this embodiment. FIG. 1A corresponds to a cross-sectional view taken along a line AB in FIG. The VCSEL has an n-type lower reflecting mirror 102, a spacer layer 103, an active layer 104, a p-type first semiconductor layer 105, a second semiconductor layer 106, and a p-type third semiconductor layer on a substrate 101. 107 and a contact layer 108 are sequentially provided. Further, the VCSEL includes an upper reflecting mirror 109 and a first electrode 110 on the contact layer 108, and a second electrode 111 below the substrate 101.

第1の半導体層105は、基板101の面内方向に電気抵抗の分布があり、電気抵抗の高い領域105aと電気抵抗の低い領域105bを備えている。より具体的には、第1の半導体層105は、面内方向に水素濃度分布を有しており、領域105aの水素濃度は領域105bの水素濃度よりも高くなっている。領域105bの水素濃度は第1の半導体層105中のMg濃度の50%未満が好ましく、より好ましくは30%未満、さらに好ましくは10%未満である。領域105aの水素濃度は第1の半導体105中のMg濃度の50%以上が好ましく、より好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%以上である。   The first semiconductor layer 105 has an electrical resistance distribution in the in-plane direction of the substrate 101, and includes a region 105a having a high electrical resistance and a region 105b having a low electrical resistance. More specifically, the first semiconductor layer 105 has a hydrogen concentration distribution in the in-plane direction, and the hydrogen concentration in the region 105a is higher than the hydrogen concentration in the region 105b. The hydrogen concentration in the region 105b is preferably less than 50% of the Mg concentration in the first semiconductor layer 105, more preferably less than 30%, and even more preferably less than 10%. The hydrogen concentration in the region 105a is preferably 50% or more of the Mg concentration in the first semiconductor 105, more preferably 70% or more, and still more preferably 90% or more.

第2の半導体層106には、開口部130が形成されている。第3の半導体層107は、開口部130を覆い塞ぐように第2の半導体層106の上に配置されている。具体的には、第3の半導体層107は、第2の半導体層106の上と開口部130に位置する第1の半導体層105の上に配置されている。また、コンタクト層108の上には、開口部130に対応する領域に上部反射鏡109が配置されている。第1の電極110は、開口部130に対応する領域の外に配置されている。   An opening 130 is formed in the second semiconductor layer 106. The third semiconductor layer 107 is disposed on the second semiconductor layer 106 so as to cover and close the opening 130. Specifically, the third semiconductor layer 107 is disposed on the second semiconductor layer 106 and on the first semiconductor layer 105 located in the opening 130. Further, an upper reflecting mirror 109 is disposed on the contact layer 108 in a region corresponding to the opening 130. The first electrode 110 is disposed outside the region corresponding to the opening 130.

本実施形態の電流狭窄構造は、第1の半導体層105と第2の半導体層106と第3の半導体層107によって構成されている。すなわち、第1の電極110から注入されたホールは、コンタクト層108、開口部130に形成された第3の半導体層107、第1の半導体層105の低抵抗な領域105bを通り、活性層104に供給される。一方、電子は、第2の電極111から基板101、下部反射鏡102、スペーサ層103を介して活性層104に注入される。そして、活性層104内でホールと電子が再結合することで発光が生じる。   The current confinement structure of this embodiment is constituted by a first semiconductor layer 105, a second semiconductor layer 106, and a third semiconductor layer 107. That is, the hole injected from the first electrode 110 passes through the contact layer 108, the third semiconductor layer 107 formed in the opening 130, and the low-resistance region 105 b of the first semiconductor layer 105, and then the active layer 104. To be supplied. On the other hand, electrons are injected from the second electrode 111 into the active layer 104 through the substrate 101, the lower reflecting mirror 102, and the spacer layer 103. Then, light is emitted by recombination of holes and electrons in the active layer 104.

発光された光の一部は、下部反射鏡102と上部反射鏡109との間で共振し、レーザ発振する。活性層104内での発光は、開口部130と略対応しており、開口部130が光射出領域と対応する。なお、本実施形態において、VCSELの光射出面は上部反射鏡109側であり、基板101とは反対側から光が射出されるが、基板101側から光が射出される構成であってもよい。   Part of the emitted light resonates between the lower reflecting mirror 102 and the upper reflecting mirror 109, and laser oscillation occurs. Light emission in the active layer 104 substantially corresponds to the opening 130, and the opening 130 corresponds to the light emission region. In this embodiment, the light emission surface of the VCSEL is on the upper reflecting mirror 109 side, and light is emitted from the side opposite to the substrate 101. However, the light may be emitted from the substrate 101 side. .

次に、本実施形態の電流狭窄構造について詳しく説明する。まず、第2の半導体層106や第3の半導体層107の厚さについて述べる。第3の半導体層107は、開口部130による段差の影響をなくすことが求められる。そのため、第3の半導体層107の厚さは、開口部130による段差、つまり、第2の半導体層106の厚さに依存する。例えば、開口部130の直径が約10μm以下であれば、開口部130による段差の影響をなくすには、第3の半導体層107の厚さは、第2の半導体層106と同程度の厚さが必要になる。   Next, the current confinement structure of this embodiment will be described in detail. First, the thicknesses of the second semiconductor layer 106 and the third semiconductor layer 107 are described. The third semiconductor layer 107 is required to eliminate the influence of the step due to the opening 130. Therefore, the thickness of the third semiconductor layer 107 depends on a step due to the opening 130, that is, the thickness of the second semiconductor layer 106. For example, when the diameter of the opening 130 is about 10 μm or less, the thickness of the third semiconductor layer 107 is about the same as that of the second semiconductor layer 106 in order to eliminate the influence of the step due to the opening 130. Is required.

共振器長を短くして縦モードを減らし、モードホップを押さえてVCSELの出力を安定化させるために、第3の半導体層107の厚さは薄くする方がよく、第2の半導体層106の厚さも第3の半導体層107の厚さに合わせて薄くすることが好ましい。このため、第2の半導体層106及び第3の半導体層107の厚さは、200nm以下、さらに好ましくは100nm以下であることが好ましい。さらに、光吸収や電気抵抗の増加を抑制する観点でも第2の半導体層106及び第3の半導体層107の厚さは薄い方がよい。第3の半導体層107のようにp型の窒化物半導体の光吸収係数は、50cm−1乃至300cm−1あると言われている。吸収係数を少なく見積もって50cm−1とすると、p型である第3の半導体層107の光吸収は、厚さが200nmでは0.1%、100nmでは0.05%になる。 In order to stabilize the output of the VCSEL by shortening the resonator length to reduce the longitudinal mode and to suppress the mode hop, it is better to reduce the thickness of the third semiconductor layer 107. It is preferable to reduce the thickness in accordance with the thickness of the third semiconductor layer 107. Therefore, the thickness of the second semiconductor layer 106 and the third semiconductor layer 107 is preferably 200 nm or less, more preferably 100 nm or less. Furthermore, the thickness of the second semiconductor layer 106 and the third semiconductor layer 107 is preferably small from the viewpoint of suppressing increase in light absorption and electrical resistance. A light absorption coefficient of a p-type nitride semiconductor like the third semiconductor layer 107 is said to be 50 cm −1 to 300 cm −1 . If the absorption coefficient is estimated to be 50 cm −1 , the light absorption of the p-type third semiconductor layer 107 is 0.1% when the thickness is 200 nm and 0.05% when the thickness is 100 nm.

次に、第1の半導体層105が面内方向で電気抵抗の面内分布を有する構成について説明する。第2の半導体層106は、窒化物半導体では、フェルミ準位が価電子帯から遠ざかると水素原子が、その窒化物半導体の結晶中に存在しにくくなることが知られている。水素原子が存在しにくくなるということは、その窒化物半導体を水素原子が透過しにくくなることを意味する。   Next, a configuration in which the first semiconductor layer 105 has an in-plane distribution of electrical resistance in the in-plane direction will be described. As for the second semiconductor layer 106, it is known that in the case of a nitride semiconductor, when the Fermi level moves away from the valence band, hydrogen atoms are less likely to be present in the crystal of the nitride semiconductor. The fact that hydrogen atoms are less likely to be present means that hydrogen atoms are less likely to pass through the nitride semiconductor.

本実施形態では、フェルミ準位が価電子帯から離れた構造を、第1の半導体層105上に、第2の半導体層106として形成することで、水素原子をブロックするマスクとして利用できる。フェルミ準位が価電子帯から離れた構造とは、通常のドーピング濃度よりホールが低くなったp型の半導体層や、半導体層が層全体で空乏化した状態を指す。 In this embodiment, a structure in which the Fermi level is separated from the valence band is formed as the second semiconductor layer 106 on the first semiconductor layer 105, so that it can be used as a mask for blocking hydrogen atoms. The structure in which the Fermi level is separated from the valence band refers to a p type semiconductor layer in which holes are lower than a normal doping concentration or a state in which the entire semiconductor layer is depleted.

本実施形態の第2の半導体層106は、第1の半導体層105や第3の半導体層から拡散するMgと、第2の半導体層106にドーピングしたSi濃度を制御することによって、第2の半導体層106の層全体を空乏化した構造にしている。また、第2の半導体層106の厚さは、水素原子をブロックするために、50nm以上の厚さを有する。   The second semiconductor layer 106 of the present embodiment controls the second semiconductor layer 106 by controlling the Mg concentration diffused from the first semiconductor layer 105 and the third semiconductor layer and the Si concentration doped in the second semiconductor layer 106. The entire semiconductor layer 106 is depleted. The second semiconductor layer 106 has a thickness of 50 nm or more in order to block hydrogen atoms.

この構成により、後述する製造方法においてVCSEL全体をアニールする際に、第2の半導体層106が配置された領域にある第1の半導体層105からは水素が抜けないようにすることができる。その結果、第1の半導体層105内で、水素濃度の分布が形成される。具体的には、第1の半導体層105は、開口部130に対応する部分の水素濃度が開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなる水素濃度分布を有する。このため、第1の半導体層105の開口部130に対応する部分では、水素が抜けることでMgが活性化される。一方、第1の半導体層105の開口部130以外に対応する部分では、水素が抜けないためMgが活性されないままである。   With this configuration, when the entire VCSEL is annealed in the manufacturing method described later, hydrogen can be prevented from being released from the first semiconductor layer 105 in the region where the second semiconductor layer 106 is disposed. As a result, a hydrogen concentration distribution is formed in the first semiconductor layer 105. Specifically, the first semiconductor layer 105 has a hydrogen concentration distribution in which a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening 130 is lower than a hydrogen concentration in a portion corresponding to the outside of the opening 130. For this reason, in the part corresponding to the opening part 130 of the 1st semiconductor layer 105, Mg is activated by hydrogen escaping. On the other hand, in the portion corresponding to the portion other than the opening 130 of the first semiconductor layer 105, since hydrogen does not escape, Mg remains inactive.

この結果、第1の半導体層105において、開口部130に対応する部分は低抵抗の領域105bになり、それ以外の部分が高抵抗の領域105aになっている。この結果、第1の電極110からのホールが低抵抗の領域105bを介して活性層104に供給される。なお、第1の半導体層105は、面内方向で、開口部130に対応する部分のキャリア濃度は、活性化されたMgの影響で、開口部130の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高くなっている。   As a result, in the first semiconductor layer 105, a portion corresponding to the opening 130 is a low resistance region 105b, and the other portion is a high resistance region 105a. As a result, holes from the first electrode 110 are supplied to the active layer 104 through the low resistance region 105b. Note that, in the first semiconductor layer 105, the carrier concentration in the portion corresponding to the opening 130 in the in-plane direction is more than the carrier concentration in the portion corresponding to the outside of the opening 130 due to the influence of activated Mg. It is high.

水素濃度を検出する方法としては、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)を用いることができる。一方、電気抵抗やキャリア濃度の分布を測定する方法としては、走査型静電容量顕微鏡法(Scanning Capacitance Microscopy)が挙げられる。その他に、走査型マイクロ波顕微鏡法(Scanning Microwave Microscopy)、走査広がり抵抗顕微鏡法(Scanning Spreading Resistance Microscopy)を用いてもよい。   As a method of detecting the hydrogen concentration, secondary ion mass spectrometry (SIMS) can be used. On the other hand, as a method for measuring the distribution of electric resistance and carrier concentration, scanning capacitance microscopy (Scanning Capacitance Microscopy) can be mentioned. In addition, a scanning microwave microscopy or a scanning spreading resistance microscope may be used.

第2の半導体層106の像全体を空乏化するために、第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度は1×1019乃至3×1019cm−3の濃度でドーピングを行う。一方、第2の半導体層106へドーピングするSi濃度が、第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度と同じ、又は第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度より高い濃度とする。その場合には、第2の半導体層106へ拡散したMgの影響を打ち消し、第2の半導体層106をn型にすることができる。しかし、過剰ドーピングのため結晶品質が劣化し、第2の半導体層106にピットなどが発生し、リークが生じ、電流狭窄構造の機能が得られなくなる。従って、第2の半導体層106のSi濃度は、第1の半導体層105のMg濃度よりも低くし、好ましくは1×1018乃至5×1018cm−3にする。 In order to deplete the entire image of the second semiconductor layer 106, the Mg concentration of the first semiconductor layer 105 and the third semiconductor layer 107 is doped with a concentration of 1 × 10 19 to 3 × 10 19 cm −3. Do. On the other hand, the Si concentration doped into the second semiconductor layer 106 is the same as the Mg concentration of the first semiconductor layer 105 and the third semiconductor layer 107, or the Mg concentration of the first semiconductor layer 105 and the third semiconductor layer 107. The concentration is higher than the concentration. In that case, the influence of Mg diffused into the second semiconductor layer 106 can be canceled and the second semiconductor layer 106 can be made to be n-type. However, the crystal quality is deteriorated due to excessive doping, pits and the like are generated in the second semiconductor layer 106, leakage occurs, and the function of the current confinement structure cannot be obtained. Therefore, the Si concentration of the second semiconductor layer 106 is set lower than the Mg concentration of the first semiconductor layer 105, preferably 1 × 10 18 to 5 × 10 18 cm −3 .

次に、第2の半導体層106に形成される空乏層について述べる。第1の半導体層105上に第2の半導体層106を接合すると、第2の半導体層106と第1の半導体層105との界面にはドーピング濃度に応じて空乏層が形成される。この第1の半導体層105と第2の半導体層106との界面に形成される空乏層のうち、第2の半導体層106内に形成される領域を空乏層の幅Wn1とする。同様に、第3の半導体層107と第2の半導体層106の界面でも空乏層が形成され、そのうち第2の半導体層106内に形成される領域を空乏層の幅Wn2とする。   Next, a depletion layer formed in the second semiconductor layer 106 is described. When the second semiconductor layer 106 is bonded to the first semiconductor layer 105, a depletion layer is formed at the interface between the second semiconductor layer 106 and the first semiconductor layer 105 in accordance with the doping concentration. Of the depletion layer formed at the interface between the first semiconductor layer 105 and the second semiconductor layer 106, a region formed in the second semiconductor layer 106 is defined as the width Wn1 of the depletion layer. Similarly, a depletion layer is also formed at the interface between the third semiconductor layer 107 and the second semiconductor layer 106, and a region formed in the second semiconductor layer 106 is defined as a width Wn2 of the depletion layer.

図2は、図1中の領域150の拡大模式図を示す。図2の様に、第2の半導体層106内では、Wn1とWn2が第2の半導体層106の厚さ方向で互いに重なり合うように形成される。このため、第2の半導体層106は、層全体が空乏層になっている。つまり、第2の半導体層106の厚さtと空乏層の幅Wn1、Wn2を使って式で表すと、以下の式で表される。
t≦Wn1+Wn2 ・・・(1)
ここで、空乏層の厚さWn1(又はWn2)は、以下の式(2)と境界条件(3)(電圧と電界が連続、空乏層端において電界が0、空乏層端のp側の電圧が0とn側の電圧が拡散電位Vd)とから、計算で求められる。Na(x)は、第2の半導体層106中のMgの分布、Nd(x)は第2の半導体層106中のSiの分布である。xは、厚さ方向を表す。eは電荷素量、εは比誘電率、εは真空中の誘電率である。また、pp0は第1の半導体層105(又は第3の半導体層107)中のホール密度、pn0は第2の半導体層106中のホール密度である。nn0は第2の半導体層106中の電子密度、np0は第1の半導体層105(又は第3の半導体層107)中の電子密度、Wnは第2の半導体層106に広がる空乏層の幅、Wpは第1の半導体層105(又は第3の半導体層107)に広がる空乏層の幅である。Wnは、Wn1又はWn2である。実際のデバイスでは、Mgが内部拡散するのでNa(x)が単純な関数で表せなくなり、解析解を求めることが難しく数値計算で求める。
FIG. 2 shows an enlarged schematic view of the region 150 in FIG. As shown in FIG. 2, in the second semiconductor layer 106, Wn1 and Wn2 are formed so as to overlap each other in the thickness direction of the second semiconductor layer 106. Therefore, the entire second semiconductor layer 106 is a depletion layer. That is, when expressed by the equation using the thickness t of the second semiconductor layer 106 and the widths Wn1 and Wn2 of the depletion layer, the following equation is obtained.
t ≦ Wn1 + Wn2 (1)
Here, the thickness Wn1 (or Wn2) of the depletion layer is expressed by the following formula (2) and boundary condition (3) (the voltage and the electric field are continuous, the electric field is 0 at the depletion layer end, and the p-side voltage at the depletion layer end Is calculated from 0 and the n-side voltage is the diffusion potential Vd). Na (x) is the distribution of Mg in the second semiconductor layer 106, and Nd (x) is the distribution of Si in the second semiconductor layer 106. x represents the thickness direction. e is the elementary charge, ε s is the relative permittivity, and ε 0 is the permittivity in vacuum. Further, p p0 is the hole density in the first semiconductor layer 105 (or the third semiconductor layer 107), and pn0 is the hole density in the second semiconductor layer 106. n n0 is the electron density in the second semiconductor layer 106, n p0 is the electron density in the first semiconductor layer 105 (or the third semiconductor layer 107), and Wn is a depletion layer extending to the second semiconductor layer 106. The width Wp is the width of the depletion layer extending to the first semiconductor layer 105 (or the third semiconductor layer 107). Wn is Wn1 or Wn2. In an actual device, since Mg diffuses internally, Na (x) cannot be expressed by a simple function, and it is difficult to obtain an analytical solution by numerical calculation.

Figure 2017017172
Figure 2017017172

Figure 2017017172

この結果、第1の半導体層105内に電気抵抗の分布が生じ、第2の半導体層106中の開口部130に対応した低抵抗な領域105bを介して活性層104にキャリアが注入される電流狭窄構造が形成される。そして、開口部130に対応する領域が発光領域となる。また、本実施形態の構成では、第2の半導体層106の厚さが小さいため、開口部130による段差は小さくなる。そのため、その段差を埋める第3の半導体層107の厚さも小さくなり、共振器長が大きくなることを低減でき、レーザ出力を安定化することができる。また、段差を埋めることができるため、光の散乱を抑制でき、レーザ閾値を小さくすることができる。
Figure 2017017172

As a result, a distribution of electrical resistance is generated in the first semiconductor layer 105, and a current in which carriers are injected into the active layer 104 through the low resistance region 105 b corresponding to the opening 130 in the second semiconductor layer 106. A constriction structure is formed. A region corresponding to the opening 130 is a light emitting region. Further, in the configuration of this embodiment, since the thickness of the second semiconductor layer 106 is small, the step due to the opening 130 is small. Therefore, the thickness of the third semiconductor layer 107 filling the step is also reduced, the increase in the resonator length can be reduced, and the laser output can be stabilized. In addition, since the step can be filled, light scattering can be suppressed and the laser threshold can be reduced.

次に、VCSELの製造方法について説明する。特に、図3、4を用いて、VCSELアレイの製造方法について説明する。VCSEL素子についても同様の製造方法で形成することができる。   Next, a method for manufacturing the VCSEL will be described. In particular, a method for manufacturing a VCSEL array will be described with reference to FIGS. A VCSEL element can be formed by a similar manufacturing method.

まず、図3(a)で示すように、基板101上に、n型の下部反射鏡102とスペーサ層103、活性層104を順に形成する。基板101は窒化物半導体が形成できれば良く、サファイア、Si、GaAs、SiC、GaNを用いることができる。下部反射鏡102は、AlGaNとInGaNの積層体からなる分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下DBRという)を用いることができる。活性層104は効率良く発光させるために、量子井戸構造等を用いる。例えば、活性層104としては、InGaN/GaNなどを用いることができる。   First, as shown in FIG. 3A, an n-type lower reflecting mirror 102, a spacer layer 103, and an active layer 104 are sequentially formed on a substrate 101. The substrate 101 only needs to be able to form a nitride semiconductor, and sapphire, Si, GaAs, SiC, and GaN can be used. The lower reflecting mirror 102 may be a distributed Bragg reflector (hereinafter referred to as DBR) made of a laminate of AlGaN and InGaN. The active layer 104 uses a quantum well structure or the like in order to emit light efficiently. For example, as the active layer 104, InGaN / GaN or the like can be used.

さらに、図3(a)で示すように、活性層104まで成長した基板101上にp型不純物としてMgをドーピングした第1の半導体層105を形成する。この工程の際に、第1の半導体層105中には、III族原料やV族原料の分解で生じた水素原子がMgと結合して第1の半導体層105中に取り込まれて、Mgはほとんど活性化されておらず、第1の半導体層105としては高抵抗である。   Further, as shown in FIG. 3A, a first semiconductor layer 105 doped with Mg as a p-type impurity is formed on the substrate 101 grown to the active layer 104. During this process, in the first semiconductor layer 105, hydrogen atoms generated by the decomposition of the group III raw material and the group V raw material are combined with Mg and taken into the first semiconductor layer 105. Almost no activation is made, and the first semiconductor layer 105 has a high resistance.

次に、図3(b)で示すように、後の工程で第1の半導体層105中の水素を選択的に活性化させるためのマスクとして、Siを含み、開口部130のある第2の半導体層106を形成する。第2の半導体層106の厚さは、上述したように200nm以下にする。また、第2の半導体層106のSiの濃度は、第1の半導体層105のMgの濃度よりも低くする。この構成により、第2の半導体層106の層全体にわたって空乏層が形成され、水素の透過を抑制することが可能となる。   Next, as shown in FIG. 3B, a second mask including Si and having an opening 130 is used as a mask for selectively activating hydrogen in the first semiconductor layer 105 in a later step. A semiconductor layer 106 is formed. The thickness of the second semiconductor layer 106 is 200 nm or less as described above. Further, the Si concentration of the second semiconductor layer 106 is set lower than the Mg concentration of the first semiconductor layer 105. With this configuration, a depletion layer is formed over the entire second semiconductor layer 106, and permeation of hydrogen can be suppressed.

開口部130は、第1の半導体層105面内で電気抵抗を低くしたい部分に対応して設ける。開口部130の形成方法としては、以下の方法が挙げられる。すなわち、成長阻害用のマスクを形成して第2の半導体層106を選択成長させる方法、フォトリソグラフィーとドライエッチング等を用いて形成する方である。また、VCSELの素子間には、開口部130が設けられずに第2の半導体層106が形成されている。   The opening 130 is provided corresponding to a portion in the surface of the first semiconductor layer 105 where electrical resistance is desired to be lowered. Examples of the method for forming the opening 130 include the following methods. That is, a method for selectively growing the second semiconductor layer 106 by forming a growth-inhibiting mask, photolithography, dry etching, or the like. In addition, the second semiconductor layer 106 is formed between the VCSEL elements without providing the opening 130.

次に、図3(c)で示すように、第3の半導体層107とコンタクト層108を第2の半導体層106の上と、開口部130にある第1の半導体層105の上に跨って形成する。この時、第1の半導体層105と同様に第3の半導体層107も水素原子が取り込まれ、第3の半導体層107も高抵抗になる。第3の半導体層の107の厚さは、開口部130による段差を埋める厚さであればよいが、光吸収や抵抗が大きくならないような厚さであることが好ましい。   Next, as shown in FIG. 3C, the third semiconductor layer 107 and the contact layer 108 are straddled over the second semiconductor layer 106 and the first semiconductor layer 105 in the opening 130. Form. At this time, similarly to the first semiconductor layer 105, the third semiconductor layer 107 also takes in hydrogen atoms, and the third semiconductor layer 107 also has high resistance. The thickness of the third semiconductor layer 107 may be a thickness that fills the step due to the opening 130, but is preferably a thickness that does not increase light absorption or resistance.

次に、図4(a)で示すように、水素原子を含まない雰囲気でアニール(熱処理)をする。そうすると、第3の半導体層107は表面に水素原子の拡散を妨げるものが存在しないので、第3の半導体層107中の水素原子は表面から脱離し、第3の半導体層107中のMgが活性化し、全体がp型化し低抵抗になる。一方、第1の半導体層105は、開口部130の領域で第3の半導体層107を経由して表面へ水素原子が脱離することができる。しかし、開口部130の無い領域では、水素原子が第2の半導体層106に阻まれて表面へ脱離しにくくなる。   Next, as shown in FIG. 4A, annealing (heat treatment) is performed in an atmosphere not containing hydrogen atoms. Then, since the third semiconductor layer 107 has no surface that prevents diffusion of hydrogen atoms, hydrogen atoms in the third semiconductor layer 107 are desorbed from the surface, and Mg in the third semiconductor layer 107 is activated. And the whole becomes p-type and has low resistance. On the other hand, in the first semiconductor layer 105, hydrogen atoms can be released to the surface through the third semiconductor layer 107 in the region of the opening 130. However, in a region where there is no opening 130, hydrogen atoms are blocked by the second semiconductor layer 106 and are difficult to desorb to the surface.

その結果、図4(a)のように、第1の半導体層105内に水素濃度分布が生じる。具体的には、開口部130に対応する部分の水素濃度は、開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなっている。このため、開口部130の部分ではMgが選択的に活性化され、開口部130直下の第1の半導体層105は電気抵抗の低い領域105bとなる。一方、第2の半導体層106直下の第1の半導体層105は電気抵抗の高い領域105aになる。   As a result, a hydrogen concentration distribution is generated in the first semiconductor layer 105 as shown in FIG. Specifically, the hydrogen concentration in the portion corresponding to the opening 130 is lower than the hydrogen concentration in the portion corresponding to the outside of the opening 130. For this reason, Mg is selectively activated in the portion of the opening 130, and the first semiconductor layer 105 immediately below the opening 130 becomes a region 105b with low electrical resistance. On the other hand, the first semiconductor layer 105 immediately below the second semiconductor layer 106 becomes a region 105a with high electrical resistance.

なお、熱処理工程の順序は注意が必要である。表面にメサ形成などをして素子分離をすると、第1の半導体層105の側壁面から水素原子が脱離されてしまう。そのため、この熱処理は、素子分離の前に行うことが望ましい。なお、素子分離後に熱処理工程を行う場合には、開口部130からメサ構造の側壁面までの距離を大きく取り、短時間で熱処理を行ことでも同様の構成を得ることが可能である。開口部130からメサ構造の側壁面までの距離は、開口部130の最も長い径よりも大きくすればよい。   It should be noted that the order of the heat treatment steps needs attention. When element isolation is performed by forming a mesa on the surface, hydrogen atoms are desorbed from the side wall surface of the first semiconductor layer 105. Therefore, it is desirable to perform this heat treatment before element isolation. Note that in the case where the heat treatment step is performed after element isolation, a similar structure can be obtained by increasing the distance from the opening 130 to the side wall surface of the mesa structure and performing the heat treatment in a short time. The distance from the opening 130 to the side wall surface of the mesa structure may be larger than the longest diameter of the opening 130.

次に、図4(b)で示すように、コンタクト層108の上に第1の電極110を形成し、基板101の裏面に第2の電極を形成する。また、コンタクト層108の上に上部反射鏡109を形成する。なお、第1の電極110は、素子毎に形成する。さらに、第1の電極110は、VCSELの光射出領域を避けるため、開口部130に対応する領域以外に形成されている。また、上部反射鏡109は、開口部130に対応する領域に形成されている。   Next, as shown in FIG. 4B, the first electrode 110 is formed on the contact layer 108, and the second electrode is formed on the back surface of the substrate 101. Further, the upper reflecting mirror 109 is formed on the contact layer 108. Note that the first electrode 110 is formed for each element. Further, the first electrode 110 is formed in a region other than the region corresponding to the opening 130 in order to avoid the VCSEL light emission region. The upper reflecting mirror 109 is formed in a region corresponding to the opening 130.

最後に、図4(c)のように、VCSEL素子を分離するようにメサ構造を形成する。なお、図では示していないが、この工程は、エッチングしない領域は保護膜を設けた上で行う。また、図4(b)では、スペーサ層103までを分離するようにメサ構造を形成する例を示したが、下部反射鏡102の一部あるいは全部をエッチングして分離してもよい。また、活性層104までを分離してスペーサ層103は、素子で繋がっていてもよい。スペーサ層103を素子でつなげた構成にする場合、第2の電極111をスペーサ層103の上に設けてもよく、この場合には、基板101、下部反射鏡は導電性を有していなくてもよい。   Finally, as shown in FIG. 4C, a mesa structure is formed so as to separate the VCSEL elements. Although not shown in the drawing, this step is performed after a protective film is provided in a region not to be etched. FIG. 4B shows an example in which the mesa structure is formed so as to separate up to the spacer layer 103, but a part or all of the lower reflecting mirror 102 may be separated by etching. Further, the spacer layer 103 may be connected by an element by separating up to the active layer 104. In the case where the spacer layer 103 is connected by an element, the second electrode 111 may be provided on the spacer layer 103. In this case, the substrate 101 and the lower reflecting mirror are not conductive. Also good.

(基板)
基板101は、上述したように、サファイア、Si、GaAs、SiC、GaNを用いることができる。また、サファイアの上に、GaNなどのバッファ層を設けたものを基板として用いることも可能である。
(substrate)
As described above, sapphire, Si, GaAs, SiC, or GaN can be used for the substrate 101. In addition, a substrate in which a buffer layer such as GaN is provided on sapphire can be used as a substrate.

(下部反射鏡及び上部反射鏡)
下部反射鏡102及び上部反射鏡109は、例えば、高屈折率の層と低屈折率の層とが光学厚さ1/4波長で交互に積層されたDBRで構成されている。下部反射鏡102及び上部反射鏡109には、半導体で構成された半導体DBR、誘電体で構成された誘電体DBRのどちらを用いることもできる。一般的に、誘電体で構成されたDBRの方が半導体で構成されたDBRよりも、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差を大きくしやすいため、少ない積層数で高い反射率を実現できる。一方、半導体で構成されたDBRはペア数が多くなってしまうが、結晶成長中に同時に成膜でき、ドーピングにより電流を流すことができる等のプロセス上の利点がある。
(Lower reflector and upper reflector)
The lower reflecting mirror 102 and the upper reflecting mirror 109 are composed of, for example, a DBR in which high refractive index layers and low refractive index layers are alternately stacked with an optical thickness of ¼ wavelength. As the lower reflecting mirror 102 and the upper reflecting mirror 109, either a semiconductor DBR made of a semiconductor or a dielectric DBR made of a dielectric can be used. In general, a DBR made of a dielectric is easier to increase the refractive index difference between a high refractive index layer and a low refractive index layer than a DBR made of a semiconductor, so that a high reflectance is achieved with a small number of layers. realizable. On the other hand, a DBR made of a semiconductor has a large number of pairs. However, it has a process advantage that a film can be formed simultaneously during crystal growth and a current can be supplied by doping.

誘電体DBRの低屈折率層としては酸化シリコンを用い、高屈折率層としては酸化チタン又は五酸化タンタルを用いることができる。半導体DBRの低屈折率層としてはAlGaN又はGaNを用いることができる。半導体DBRの高屈折率層としては、低屈折率層としてAlGaNを用いる場合にはGaN又はInGaNを、低屈折率層としてGaNを用いる場合にはInGaNを用いることができる。また、半導体DBRの高屈折率層と低屈折率層の両方にAlGaNあるいはInGaNを用い、それぞれの層のAl組成あるいはIn組成を変えた構成であってもよい。   Silicon oxide can be used as the low refractive index layer of the dielectric DBR, and titanium oxide or tantalum pentoxide can be used as the high refractive index layer. AlGaN or GaN can be used as the low refractive index layer of the semiconductor DBR. As the high refractive index layer of the semiconductor DBR, GaN or InGaN can be used when AlGaN is used as the low refractive index layer, and InGaN can be used when GaN is used as the low refractive index layer. Further, AlGaN or InGaN may be used for both the high refractive index layer and the low refractive index layer of the semiconductor DBR, and the Al composition or In composition of each layer may be changed.

エピタキシャル成長で一括形成するためには、下部反射鏡102に半導体DBR、上部反射鏡109にも半導体DBRを用いることができる。ただし、より広帯域で高反射率を得るために誘電体DBRを上部反射鏡109に用いてもよい。   In order to collectively form the layers by epitaxial growth, a semiconductor DBR can be used for the lower reflecting mirror 102 and a semiconductor DBR can also be used for the upper reflecting mirror 109. However, the dielectric DBR may be used for the upper reflecting mirror 109 in order to obtain a high reflectance in a wider band.

(スペーサ層)
スペーサ層103は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体を用いることができる。スペーサ層103は、n型で構成されるために、Si、Cなどのドーパントがドープされている。スペーサ層103は複数の層で構成されていてもよい。また、図示されていないが、活性層104と第1の半導体層105の間に、別途スペーサ層が配置されていてもよい。
(Spacer layer)
The spacer layer 103 can be made of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, or AlGaN. Since the spacer layer 103 is of an n-type, it is doped with a dopant such as Si or C. The spacer layer 103 may be composed of a plurality of layers. Although not shown, a separate spacer layer may be disposed between the active layer 104 and the first semiconductor layer 105.

(活性層)
活性層104は電流を注入することで光を発生する材料であれば特に限定されない。例えば、GaNとInGaNからなる量子井戸構造を活性層104として用いることが可能である。量子井戸構造は単量子井戸でもよいし、多重量子井戸でもよい。また、多重量子井戸構造は、少なくとも2つ以上の異なるエネルギー準位で発光が可能な量子井戸構造、いわゆる非対称量子井戸構造が挙げられる。非対称量子井戸構造を構成するには、例えば、一つの量子井戸層の厚さや組成が他の量子井戸層と異なっている構成が挙げられる。
(Active layer)
The active layer 104 is not particularly limited as long as it is a material that generates light by injecting current. For example, a quantum well structure made of GaN and InGaN can be used as the active layer 104. The quantum well structure may be a single quantum well or a multiple quantum well. Examples of the multiple quantum well structure include a quantum well structure capable of emitting light at at least two different energy levels, a so-called asymmetric quantum well structure. In order to configure the asymmetric quantum well structure, for example, a configuration in which the thickness and composition of one quantum well layer is different from those of other quantum well layers.

また、活性層104は、複数の活性層で構成されていてもよい。例えば、複数の活性層それぞれは、VCSEL内で電界強度分布の腹に配置されるにように互いに離間して配置される構成が好ましい。なお、活性層104の材料・構造は、発振波長させたい波長に応じて適宜選択できる。   The active layer 104 may be composed of a plurality of active layers. For example, it is preferable that each of the plurality of active layers is disposed apart from each other so as to be disposed on the antinode of the electric field strength distribution in the VCSEL. The material and structure of the active layer 104 can be appropriately selected according to the wavelength desired to be oscillated.

(第1の半導体層)
第1の半導体層105は、上述したように、第2の半導体層106の開口部130に対応する部分の電気抵抗が、第2の半導体層106の開口部130の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さい構成を有している。さらに、第1の半導体層105は、第2の半導体層106の開口部130に対応する部分の水素濃度が、第2の半導体層106の開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有している。言い換えると、第1の半導体層105は、第2の半導体層106の開口部130に対応する部分のキャリア濃度が、第2の半導体層106の開口部130の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度分布を有している。
(First semiconductor layer)
As described above, in the first semiconductor layer 105, the electric resistance of the portion corresponding to the opening 130 of the second semiconductor layer 106 is the electric resistance of the portion corresponding to the outside of the opening 130 of the second semiconductor layer 106. The structure is smaller than the resistance. Further, in the first semiconductor layer 105, the hydrogen concentration in the portion corresponding to the opening 130 of the second semiconductor layer 106 is higher than the hydrogen concentration in the portion corresponding to the outside of the opening 130 of the second semiconductor layer 106. It has a low hydrogen concentration distribution. In other words, in the first semiconductor layer 105, the carrier concentration in the portion corresponding to the opening 130 in the second semiconductor layer 106 is greater than the carrier concentration in the portion corresponding to outside the opening 130 in the second semiconductor layer 106. Has a high carrier concentration distribution.

第1の半導体層105には、p型を構成するために、Mgがドープされており、その濃度は、1×1018乃至5×1019cm−3で、より好ましくは5×1018乃至4×1019cm−3、さらに好ましくは1×1019乃至3×1019cm−3である。また、第1の半導体層105は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。 The first semiconductor layer 105 is doped with Mg to form a p-type, and the concentration thereof is 1 × 10 18 to 5 × 10 19 cm −3 , more preferably 5 × 10 18 to It is 4 × 10 19 cm −3 , more preferably 1 × 10 19 to 3 × 10 19 cm −3 . The first semiconductor layer 105 is made of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, or AlGaN.

(第2の半導体層)
第2の半導体層106は、第1の半導体層105の一部から水素が抜けるのを抑制する機能を有している。このために、第2の半導体層106は、層全体が空乏化されている。また、第1の半導体層105内に電気抵抗の分布を形成するために、第2の半導体層106は開口部130を有している。開口部130は、図1(b)で示すような円形でなくてもよく、楕円形や矩形などの形状でもよい。
(Second semiconductor layer)
The second semiconductor layer 106 has a function of suppressing release of hydrogen from part of the first semiconductor layer 105. For this reason, the entire second semiconductor layer 106 is depleted. In addition, the second semiconductor layer 106 has an opening 130 in order to form a distribution of electrical resistance in the first semiconductor layer 105. The opening 130 does not have to be circular as shown in FIG. 1B, and may be oval or rectangular.

第2の半導体層106は、空乏層を形成するためにSiがドープされており、その濃度は、第1の半導体層105のMg濃度よりも低く、1×1018乃至5×1018cm−3が好ましい。また、第2の半導体層106は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。また、第2の半導体層106の厚さは50nm以上200nm以下が好ましい。 The second semiconductor layer 106 is doped with Si to form a depletion layer, and the concentration thereof is lower than the Mg concentration of the first semiconductor layer 105, and is 1 × 10 18 to 5 × 10 18 cm −. 3 is preferred. The second semiconductor layer 106 is formed of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, or AlGaN. The thickness of the second semiconductor layer 106 is preferably greater than or equal to 50 nm and less than or equal to 200 nm.

(第3の半導体層)
第3の半導体層107は、第2の半導体層106の開口部130による段差を埋める厚さで構成されている。具体的には、第2の半導体層106と同等以上の厚さがあればよい。また、第3の半導体層107には、p型を構成するために、Mgがドープされており、その濃度は、1×1019乃至3×1019cm−3が好ましい。また、第3の半導体層107は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。
(Third semiconductor layer)
The third semiconductor layer 107 is configured to have a thickness that fills the step due to the opening 130 of the second semiconductor layer 106. Specifically, the thickness may be equal to or greater than that of the second semiconductor layer 106. The third semiconductor layer 107 is doped with Mg in order to form a p-type, and the concentration is preferably 1 × 10 19 to 3 × 10 19 cm −3 . The third semiconductor layer 107 is formed of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, or AlGaN.

(コンタクト層)
コンタクト層108は、第1の電極110と電気的な接続を採れる構成であれば、特に制約はないが、p型で構成されている。また、コンタクト層108中のMg濃度は、第1の半導体層105と第3の半導体層107のMg濃度よりも高く、3×1019乃至5×1019cm−3が好ましい。また、コンタクト層108は、GaNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導体で形成されている。
(Contact layer)
There is no particular limitation on the contact layer 108 as long as it can be electrically connected to the first electrode 110, but the contact layer 108 is formed of a p-type. The Mg concentration in the contact layer 108 is higher than that of the first semiconductor layer 105 and the third semiconductor layer 107 and is preferably 3 × 10 19 to 5 × 10 19 cm −3 . The contact layer 108 is formed of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, or AlGaN.

(第1の電極及び第2の電極)
第1の電極110及び第2の電極111は、キャリアを注入する構成であれば材料は限定されない。チタンや金などの単体の金属や合金、または金属膜の積層体を用いることができる。例えば、Ti/Au、AuGe/Ni/Auを電極材料として用いることができる。
(First electrode and second electrode)
The material of the first electrode 110 and the second electrode 111 is not limited as long as carriers are injected. A single metal or alloy such as titanium or gold, or a laminate of metal films can be used. For example, Ti / Au or AuGe / Ni / Au can be used as the electrode material.

また、第1の電極110は、図1(b)で示すように、開口部130よりも外側に位置しており、発光領域(光射出領域)に重ならないように配置されている。このような構成であれば、第1の電極110はドーナツ状でなくてもよい。また、第1の電極110は複数に分割されていてもよい。第1の電極110は、VCSELの素子毎に設けられている。   Further, as shown in FIG. 1B, the first electrode 110 is located outside the opening 130 and is disposed so as not to overlap the light emitting region (light emission region). With such a structure, the first electrode 110 may not have a donut shape. The first electrode 110 may be divided into a plurality of parts. The first electrode 110 is provided for each VCSEL element.

第2の電極111は、基板101の下に配置されているが、これに限定されない。例えば、下部反射鏡102やスペーサ層103の上に形成されてもよい。また、第2の電極111も分割されていてもよい。   Although the 2nd electrode 111 is arrange | positioned under the board | substrate 101, it is not limited to this. For example, it may be formed on the lower reflecting mirror 102 or the spacer layer 103. The second electrode 111 may also be divided.

(実施形態2)
次に、図5を用いて、実施形態1で説明したVCSELがアレイ状に配列して集積された面発光レーザアレイを励起光源として備えた固体レーザの構成例について説明する。図5は本実施形態に係る固体レーザの模式図である。
(Embodiment 2)
Next, a configuration example of a solid-state laser including a surface-emitting laser array in which the VCSELs described in the first embodiment are integrated and arranged in an array as an excitation light source will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of a solid-state laser according to this embodiment.

本実施形態に係る固体レーザ1100は、面発光レーザアレイ1110、固体レーザ媒体1130、一対の反射鏡1150aおよび1150bを有する。   A solid-state laser 1100 according to this embodiment includes a surface-emitting laser array 1110, a solid-state laser medium 1130, and a pair of reflecting mirrors 1150a and 1150b.

面発光レーザアレイ1110は、波長λの励起光1120を固体レーザ媒体1130に照射する。固体レーザ媒体1130は、励起光1120を吸収し、レーザ遷移に伴い光1140を発する。固体レーザ媒体から発生した光1140が2つの反射鏡1150aおよび1150bで反射を繰り返すことにより、固体レーザは発振状態となる。そして、発振状態の固体レーザ1100から反射鏡1150bを透過した固体レーザ光1160が射出される。   The surface emitting laser array 1110 irradiates the solid-state laser medium 1130 with excitation light 1120 having a wavelength λ. The solid-state laser medium 1130 absorbs the excitation light 1120 and emits light 1140 with laser transition. The light 1140 generated from the solid-state laser medium is repeatedly reflected by the two reflecting mirrors 1150a and 1150b, so that the solid-state laser enters an oscillation state. Then, a solid-state laser beam 1160 that has passed through the reflecting mirror 1150b is emitted from the solid-state laser 1100 in the oscillation state.

ここで、固体レーザ媒体1130の吸収スペクトルに合わせて、面発光レーザアレイ1110から出射される励起光1120の波長λを決定することが好ましい。すなわち、固体レーザ媒体1130の吸収スペクトルに合わせて、面発光レーザアレイ1110に用いられる反射鏡の反射率のピーク波長を設計することが好ましい。さらに、固体レーザ媒体1130の吸収スペクトルのピーク付近の波長が反射率のピークとなるように反射鏡を設計することがより好ましい。例えば、固体レーザ媒体1130としてアレキサンドライト結晶を用いる場合、反射鏡の反射率のピーク波長λをアレキサンドライト結晶の吸収スペクトルのピーク付近の400nmとすることで効率よく固体レーザを発振させることができる。なお、本実施形態に係る固体レーザには、いかなる固体レーザ媒体を採用してもよい。   Here, it is preferable to determine the wavelength λ of the excitation light 1120 emitted from the surface emitting laser array 1110 in accordance with the absorption spectrum of the solid-state laser medium 1130. That is, it is preferable to design the peak wavelength of the reflectance of the reflecting mirror used in the surface emitting laser array 1110 according to the absorption spectrum of the solid-state laser medium 1130. Furthermore, it is more preferable to design the reflecting mirror so that the wavelength near the peak of the absorption spectrum of the solid-state laser medium 1130 becomes the peak of reflectance. For example, when an alexandrite crystal is used as the solid-state laser medium 1130, the solid-state laser can be efficiently oscillated by setting the peak wavelength λ of the reflectance of the reflector to 400 nm near the peak of the absorption spectrum of the alexandrite crystal. Note that any solid-state laser medium may be employed for the solid-state laser according to the present embodiment.

(実施形態3)
次に、図6を用いて、実施形態2で説明した固体レーザ1100を用いた被検体情報取得装置について説明する。本実施形態に係る被検体情報取得装置は、固体レーザ1100、光学系1200、探触子(検出素子)1400、信号処理部(取得部)1500、表示部1600を有する。
(Embodiment 3)
Next, a subject information acquisition apparatus using the solid-state laser 1100 described in the second embodiment will be described with reference to FIG. The subject information acquisition apparatus according to this embodiment includes a solid-state laser 1100, an optical system 1200, a probe (detection element) 1400, a signal processing unit (acquisition unit) 1500, and a display unit 1600.

まず、固体レーザ1100から発生した光は、光学系1200を介してパルス光1210として被検体1000に照射される。そして、光音響効果により被検体1000内の光吸収体1010で光音響波1020が発生する。続いて、探触子1400が被検体1000内を伝搬した光音響波1020を検出して時系列の電気信号を取得する。続いて、信号処理部1500が時系列の電気信号に基づいて被検体内部の情報を取得し、表示部1600に被検体内部の情報を表示させる。   First, light generated from the solid-state laser 1100 is irradiated to the subject 1000 as pulsed light 1210 through the optical system 1200. Then, a photoacoustic wave 1020 is generated in the light absorber 1010 in the subject 1000 due to the photoacoustic effect. Subsequently, the probe 1400 detects the photoacoustic wave 1020 that has propagated through the subject 1000 and acquires a time-series electrical signal. Subsequently, the signal processing unit 1500 acquires information inside the subject based on the time-series electrical signal, and causes the display unit 1600 to display information inside the subject.

なお、本実施形態において、固体レーザ1100が発することのできる光の波長は、被検体1000の内部まで光が伝搬する波長を使うことが望ましい。具体的には、被検体1000が生体の場合、好適な波長は、500nm以上1200nm以下である。ただし、比較的生体表面付近の生体組織の光学特性値分布を求める場合は、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nm以上1600nm以下の波長領域を使用することも可能である。   In the present embodiment, the wavelength of light that can be emitted by the solid-state laser 1100 is desirably a wavelength at which light propagates to the inside of the subject 1000. Specifically, when the subject 1000 is a living body, a suitable wavelength is 500 nm or more and 1200 nm or less. However, when obtaining the optical characteristic value distribution of the living tissue relatively near the surface of the living body, it is also possible to use a wavelength region having a wider range than the above wavelength region, for example, a wavelength region of 400 nm to 1600 nm.

本実施形態に係る被検体情報としては、光音響波の初期音圧、光エネルギー吸収密度、吸収係数、および被検体を構成する物質の濃度などがある。ここで、物質の濃度とは、酸素飽和度、オキシヘモグロビン濃度、デオキシヘモグロビン濃度、および総ヘモグロビン濃度などである。総ヘモグロビン濃度とは、オキシヘモグロビン濃度およびデオキシヘモグロビン濃度の和である。また、本実施形態において被検体情報は、数値データとしてではなく、被検体内の各位置の分布情報であってもよい。すなわち、吸収係数分布や酸素飽和度分布などの分布情報を被検体情報としてもよい。   The object information according to the present embodiment includes an initial sound pressure of a photoacoustic wave, a light energy absorption density, an absorption coefficient, and a concentration of a substance constituting the object. Here, the concentration of the substance includes oxygen saturation, oxyhemoglobin concentration, deoxyhemoglobin concentration, total hemoglobin concentration, and the like. The total hemoglobin concentration is the sum of the oxyhemoglobin concentration and the deoxyhemoglobin concentration. In the present embodiment, the subject information may not be numerical data but may be distribution information of each position in the subject. That is, distribution information such as an absorption coefficient distribution and an oxygen saturation distribution may be used as the subject information.

また、固体レーザ1100は波長を切り替える構成であってもよい。また、異なる複数の固体レーザ1100を用いることもできる。   The solid-state laser 1100 may be configured to switch wavelengths. A plurality of different solid-state lasers 1100 can also be used.

(実施形態4)
次に、図7を用いて、実施形態1で説明したVCSELがアレイ状に配列して構成された面発光レーザアレイを光源として備えた画像形成装置の構成例について説明する。図7(a)は、本実施形態に係る画像形成装置の平面図であり、図7(b)は同装置の側面図である。
(Embodiment 4)
Next, a configuration example of an image forming apparatus including a surface emitting laser array in which the VCSELs described in the first embodiment are arranged in an array as a light source will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a plan view of the image forming apparatus according to this embodiment, and FIG. 7B is a side view of the apparatus.

図7(b)に示されるモータ2012によって、回転多面鏡2010が回転駆動するように構成されている。面発光レーザアレイ2014は、記録用光源となるものであり、レーザドライバ(図示せず)により画像信号に応じて点灯または消灯するように構成されている。   The rotating polygon mirror 2010 is driven to rotate by a motor 2012 shown in FIG. The surface emitting laser array 2014 serves as a recording light source, and is configured to be turned on or off according to an image signal by a laser driver (not shown).

図7(a)、(b)に示すように、こうして光変調されたレーザ光は、面発光レーザアレイ2014からコリメータレンズ2018を介し回転多面鏡2010に向けて照射される。回転多面鏡2010は矢印方向に回転していて、面発光レーザアレイ2014から出力されたレーザ光は、回転多面鏡2010の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。   As shown in FIGS. 7A and 7B, the laser light thus optically modulated is irradiated from the surface emitting laser array 2014 toward the rotary polygon mirror 2010 via the collimator lens 2018. The rotating polygon mirror 2010 rotates in the direction of the arrow, and the laser light output from the surface emitting laser array 2014 is reflected as a deflected beam that continuously changes the emission angle on the reflecting surface as the rotating polygon mirror 2010 rotates. Is done.

この反射光は、f−θレンズ2020により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡2016を経て感光ドラム(感光体)2000に照射され、感光ドラム2000上で主走査方向に走査される。このとき、回転多面鏡2010の1面を介したビーム光の反射により、感光ドラム2000の主走査方向に面発光レーザアレイ2014に対応した複数のライン分の画像が形成される。   The reflected light is subjected to correction of distortion and the like by the f-θ lens 2020, irradiated to the photosensitive drum (photosensitive member) 2000 through the reflecting mirror 2016, and scanned on the photosensitive drum 2000 in the main scanning direction. At this time, the image of a plurality of lines corresponding to the surface emitting laser array 2014 is formed in the main scanning direction of the photosensitive drum 2000 by the reflection of the beam light through one surface of the rotating polygon mirror 2010.

感光ドラム2000は、予め帯電器2002により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。また、感光ドラム2000は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は現像器2004により現像され、現像された可視像は転写帯電器2006により、転写紙に転写される。可視像が転写された転写紙は、定着器2008に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。   The photosensitive drum 2000 is charged in advance by a charger 2002 and sequentially exposed by scanning with a laser beam to form an electrostatic latent image. Further, the photosensitive drum 2000 is rotated in the direction of the arrow, and the formed electrostatic latent image is developed by the developing device 2004, and the developed visible image is transferred to the transfer paper by the transfer charger 2006. The transfer paper on which the visible image is transferred is conveyed to a fixing device 2008, and after fixing, the transfer paper is discharged out of the apparatus.

(実施例1)
本発明の実施形態1に対応する実施例について、図3、4を用いて説明する。
Example 1
An example corresponding to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、図3(a)で示すように、基板101としてGaN基板を用いる。GaN基板をMOCVD装置にセットし加熱する。キャリアガスと原料ガスを供給してGaN基板上に半導体層を成長させる。始めに、n型の導電性をもたせた下部反射鏡102を成長させる。下部反射鏡102は低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡(DBR)で、低屈折率層はAlNやAlGaN、高屈折率層はInGaNやGaNで構成する。次に共振器内の定在波の位置を調整するためのn型のスペーサ層103を成長させ、その上に活性層104としてInGaN/GaNの5周期の多重量子井戸構造からなる活性層104を成長させる。   First, a GaN substrate is used as the substrate 101 as shown in FIG. A GaN substrate is set in a MOCVD apparatus and heated. A carrier gas and a source gas are supplied to grow a semiconductor layer on the GaN substrate. First, the lower reflecting mirror 102 having n-type conductivity is grown. The lower reflecting mirror 102 is a distributed Bragg reflecting mirror (DBR) in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked. The low refractive index layer is made of AlN or AlGaN, and the high refractive index layer is made of InGaN or GaN. Next, an n-type spacer layer 103 for adjusting the position of the standing wave in the resonator is grown, and an active layer 104 having an InGaN / GaN 5-period multiple quantum well structure is formed thereon as an active layer 104. Grow.

次に、電流をブロックするための電子ブロック層としてp−AlGaN(不図示)を成長させ、その上に、図3(a)で示すように、第1の半導体層105としてMg濃度が1×1019cm−3のp−GaNを成長させる。p−GaNは成長中に原料として用いたNHやトリメチルガリウム等に含まれる水素原子が取り込まれ高抵抗になっている。 Next, p-AlGaN (not shown) is grown as an electron blocking layer for blocking current, and on that, as shown in FIG. 3A, the Mg concentration of the first semiconductor layer 105 is 1 ×. 10 19 cm −3 of p-GaN is grown. p-GaN has high resistance due to incorporation of hydrogen atoms contained in NH 3 , trimethyl gallium and the like used as raw materials during growth.

次に、図3(b)で示すように、開口部130のある第2の半導体層106として、厚さ100nm、Si濃度2×1018cm−3のAlGaNを形成する。AlGaNを用いる理由は、AlGaN上にp−GaNを成長する時の熱による開口部130の変形を抑制できるからである。 Next, as shown in FIG. 3B, AlGaN having a thickness of 100 nm and a Si concentration of 2 × 10 18 cm −3 is formed as the second semiconductor layer 106 having the opening 130. The reason for using AlGaN is that deformation of the opening 130 due to heat when p-GaN is grown on AlGaN can be suppressed.

開口部130の形成手順は、以下のとおりである。基板101をMOCVD装置から取り出し、フォトリソフラフィーやドライエッチング(RIEやICP)を用いて、開口部130に相当する場所にSiOやSiNなどの選択成長用マスクを形成する。次に、基板101をMOCVD装置にセットし、SiHを供給しながらAlGaNを成長する。AlGaN305の成長後、基板101をMOCVD装置から取り出し、選択成長用マスクを除去することで、開口部130を備えた第2の半導体層106が形成される。 The procedure for forming the opening 130 is as follows. The substrate 101 is taken out from the MOCVD apparatus, and a selective growth mask such as SiO 2 or SiN x is formed at a location corresponding to the opening 130 by using photolithography and dry etching (RIE or ICP). Next, the substrate 101 is set in an MOCVD apparatus, and AlGaN is grown while supplying SiH 4 . After the growth of the AlGaN 305, the substrate 101 is taken out of the MOCVD apparatus and the selective growth mask is removed, whereby the second semiconductor layer 106 having the opening 130 is formed.

この工程において、第2の半導体層106であるAlGaNは、第1の半導体層105を構成するp−GaNからMgが拡散されて、Mgを含みながら成長する。拡散するMgの分布は、経験上、100nm厚で1桁濃度が下がる指数関数で分布する。本実施例ではAlGaNの基板101側でMgが1×1019cm−3程度存在し、AlGaNの表面側で1×1018cm−3程度存在した指数関数的な分布になる。 In this step, AlGaN, which is the second semiconductor layer 106, grows while Mg is diffused from the p-GaN constituting the first semiconductor layer 105. The distribution of Mg that diffuses is experientially distributed with an exponential function in which the concentration decreases by one digit at a thickness of 100 nm. In this example, Mg has an exponential distribution with about 1 × 10 19 cm −3 on the AlGaN substrate 101 side and about 1 × 10 18 cm −3 on the AlGaN surface side.

次に、図3(c)で示すように、第3の半導体層107としてMg濃度1×1019cm−3のp−GaNを成長させる。ここでも第3の半導体層107のp−GaNから第2の半導体層106のAlGaNへMgが拡散する。このMgは、第1の半導体層に含まれるMgよりは拡散しにくく、数十nm乃至50nm程度拡散する。 Next, as shown in FIG. 3C, p-GaN having an Mg concentration of 1 × 10 19 cm −3 is grown as the third semiconductor layer 107. Again, Mg diffuses from the p-GaN of the third semiconductor layer 107 to the AlGaN of the second semiconductor layer 106. This Mg is more difficult to diffuse than Mg contained in the first semiconductor layer, and diffuses about several tens to 50 nm.

そして、コンタクト層108としてMgをハイドーピングしたp−GaNを成長させる。第3の半導体層107とコンタクト層108も、成長中の原料に含まれる水素原子が取り込まれて高抵抗になっている。 Then, p + -GaN highly doped with Mg is grown as the contact layer 108. The third semiconductor layer 107 and the contact layer 108 also have high resistance due to incorporation of hydrogen atoms contained in the growing raw material.

次に、図4(a)で示すように、基板101をMOCVD装置から取り出して窒素雰囲気中、900℃で熱処理をする。この結果、第1の半導体層105の一部、第3の半導体層107、コンタクト層108から水素原子が脱離する。第1の半導体層105は、開口部130以外には第2の半導体層106が形成されているので、開口部130の部分でのみ水素原子が脱離し、それ以外の部分は水素原子がほとんど残る。その結果、図4(b)のように、開口部130の部分の領域105aが低抵抗になり、領域105bは高抵抗のままである。   Next, as shown in FIG. 4A, the substrate 101 is taken out of the MOCVD apparatus and heat-treated at 900 ° C. in a nitrogen atmosphere. As a result, hydrogen atoms are released from part of the first semiconductor layer 105, the third semiconductor layer 107, and the contact layer 108. In the first semiconductor layer 105, the second semiconductor layer 106 is formed in addition to the opening 130, so that hydrogen atoms are desorbed only in the portion of the opening 130, and almost all hydrogen atoms remain in the other portions. . As a result, as shown in FIG. 4B, the region 105a in the opening portion 130 has a low resistance, and the region 105b remains at a high resistance.

次に、図4(b)のように、コンタクト層108の上に上部反射鏡として誘電体DBRと第1の電極110を形成し、基板101の裏面に第2の電極111を形成する。   Next, as shown in FIG. 4B, the dielectric DBR and the first electrode 110 are formed on the contact layer 108 as an upper reflecting mirror, and the second electrode 111 is formed on the back surface of the substrate 101.

最後に、図4(c)で示すように、エッチングしない領域は保護膜(不図示)を設け、VCSELを素子毎に分離するためのメサをドライエッチングにより形成する。スペーサ層103までを分離するようにメサ構造を形成する。   Finally, as shown in FIG. 4C, a protective film (not shown) is provided in a region not to be etched, and a mesa for separating the VCSEL for each element is formed by dry etching. A mesa structure is formed so as to separate up to the spacer layer 103.

以上の工程で活性層の基板側に備えた下部反射鏡と活性層の表面側に備えた上部反射鏡による共振器を備えた窒化物半導体面発光レーザ(VCSEL)が完成する。   Through the above steps, a nitride semiconductor surface emitting laser (VCSEL) having a resonator composed of a lower reflecting mirror provided on the substrate side of the active layer and an upper reflecting mirror provided on the surface side of the active layer is completed.

このように形成されたVCSELは、第1の半導体層105の内部に、開口部130に対応する部分の水素濃度が開口部130の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなる水素濃度分布を有している。つまり、第1の半導体層105は、開口部130に対応する部分の電気抵抗が開口部130の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さくなる電気抵抗の分布を有している。この結果、電気抵抗の小さい領域105bに選択的にホールが流れやすくなる電流狭窄構造を有している。   The VCSEL thus formed has a hydrogen concentration distribution in the first semiconductor layer 105 in which the hydrogen concentration in the portion corresponding to the opening 130 is lower than the hydrogen concentration in the portion corresponding to the outside of the opening 130. Have. That is, the first semiconductor layer 105 has an electrical resistance distribution in which the electrical resistance of the portion corresponding to the opening 130 is smaller than the electrical resistance of the portion corresponding to the outside of the opening 130. As a result, it has a current confinement structure that facilitates the flow of holes selectively in the region 105b with low electrical resistance.

101 基板
104 活性層
105 第1の半導体層
106 第2の半導体層
107 第3の半導体層
110 第1の電極
111 第2の電極
130 開口部
101 substrate 104 active layer 105 first semiconductor layer 106 second semiconductor layer 107 third semiconductor layer 110 first electrode 111 second electrode 130 opening

Claims (17)

第1の反射鏡と、
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部の外に対応する部分の水素濃度よりも低い水素濃度分布を有することを特徴とする面発光レーザ。
A first reflector;
An active layer disposed on the first reflector;
A p-type first semiconductor layer disposed on the active layer;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening;
A p-type third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
A second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening;
An electrode disposed on a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer,
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a hydrogen concentration distribution in which a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening is lower than a hydrogen concentration in a portion corresponding to the outside of the opening.
第1の反射鏡と、
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の電気抵抗が前記開口部の外に対応する部分の電気抵抗よりも小さい電気抵抗の分布を有することを特徴とする面発光レーザ。
A first reflector;
An active layer disposed on the first reflector;
A p-type first semiconductor layer disposed on the active layer;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening;
A p-type third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
A second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening;
An electrode disposed on a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer,
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has an electric resistance distribution in which a portion corresponding to the opening has a smaller electric resistance than a portion corresponding to the outside of the opening.
第1の反射鏡と、
前記第1の反射鏡の上に配置された活性層と、
前記活性層の上に配置されたp型の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置され、開口部を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるように配置されたp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に配置された第2の反射鏡と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に配置された電極と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分のキャリア濃度が前記開口部の外に対応する部分のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度分布を有することを特徴とする面発光レーザ。
A first reflector;
An active layer disposed on the first reflector;
A p-type first semiconductor layer disposed on the active layer;
A second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer and having an opening;
A p-type third semiconductor layer disposed on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
A second reflecting mirror disposed on the third semiconductor and at least in a region corresponding to the opening;
An electrode disposed on a region corresponding to the outside of the opening on the third semiconductor layer,
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a carrier concentration distribution in which a carrier concentration in a portion corresponding to the opening is higher than a carrier concentration in a portion corresponding to the outside of the opening.
前記第2の半導体層は、層全体が空乏層であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の面発光レーザ。   The surface emitting laser according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is a depletion layer as a whole. 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との接合によって生じた空乏層のうち第2の半導体層の側の空乏層をWn1、前記第3の半導体層と前記第2の半導体層との接合によって生じた空乏層のうち第2の半導体層の側の空乏層をWn2として、
前記第2の半導体層の厚さtは、
t≦Wn1+Wn2
を満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
Of the depletion layers generated by the junction of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the depletion layer on the second semiconductor layer side is Wn1, and the third semiconductor layer and the second semiconductor layer are Wn2 is a depletion layer on the second semiconductor layer side of the depletion layer generated by the junction of
The thickness t of the second semiconductor layer is:
t ≦ Wn1 + Wn2
The surface emitting laser according to claim 1, wherein:
前記第1の半導体層は、Mgを含み、
前記第2の半導体層は、Siを含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
The first semiconductor layer includes Mg;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the second semiconductor layer contains Si.
前記第2の半導体層に含まれるSiの濃度は、前記第1の半導体層に含まれるMgの濃度よりも低いことを特徴とする請求項6に記載の面発光レーザ。   The surface emitting laser according to claim 6, wherein the concentration of Si contained in the second semiconductor layer is lower than the concentration of Mg contained in the first semiconductor layer. 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層は、窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の面発光レーザ。   8. The surface emitting device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer are made of a nitride semiconductor. laser. 複数の面発光レーザを有するレーザアレイであって、
前記複数の面発光レーザの少なくとも1つは、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の面発光レーザであることを特徴とするレーザアレイ。
A laser array having a plurality of surface emitting lasers,
9. The laser array according to claim 1, wherein at least one of the plurality of surface emitting lasers is the surface emitting laser according to claim 1.
一対の反射鏡と、
前記一対の反射鏡の間に配置されたレーザ媒体と
前記レーザ媒体を励起するための光源と、を有する固体レーザであって、
前記光源が、請求項9に記載のレーザアレイを有することを特徴とする固体レーザ。
A pair of reflectors;
A solid-state laser comprising: a laser medium disposed between the pair of reflecting mirrors; and a light source for exciting the laser medium,
A solid-state laser, wherein the light source has the laser array according to claim 9.
請求項10に記載の固体レーザと、
前記固体レーザから射出される光を被検体に照射することにより発生する音響波を検出して電気信号を出力する検出素子と、
前記検出素子から出力された電気信号に基づいて、前記被検体内部の情報を取得する取得部と、を有する情報取得装置。
A solid-state laser according to claim 10;
A detection element that detects an acoustic wave generated by irradiating the subject with light emitted from the solid-state laser and outputs an electrical signal;
An information acquisition apparatus comprising: an acquisition unit that acquires information inside the subject based on an electrical signal output from the detection element.
請求項9に記載のレーザアレイと、
前記面発光レーザから射出される光によって潜像が露光される感光体と、を有する画像形成装置。
A laser array according to claim 9;
And a photoreceptor on which a latent image is exposed by light emitted from the surface emitting laser.
複数の面発光レーザを有するレーザアレイの製造方法であって、
第1の反射鏡を形成する工程と、
前記第1の反射鏡の上に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上にp型の第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、開口部を有する第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上と前記開口部に位置する前記第1の半導体層の上に、前記開口部による段差を埋めるようにp型の第3の半導体層を形成する工程と、
前記第3の半導体の上であって、少なくとも前記開口部に対応する領域に、第2の反射鏡を形成する工程と、
前記第3の半導体層の上であって、前記開口部の外に対応する領域に、電極を形成する工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とを水素原子を含まない雰囲気で熱処理する工程と、
前記第2の反射鏡を形成する工程と前記電極を形成する工程との後に、面発光レーザごとに分離するためのメサ構造を形成する工程と、を有し、
前記第1の半導体層は、水素を有し、
前記第1の半導体層は、前記開口部に対応する部分の水素濃度が前記開口部の外に対応する部分の水素濃度よりも低くなる水素濃度分布を有することを特徴とするレーザアレイの製造方法。
A method of manufacturing a laser array having a plurality of surface emitting lasers,
Forming a first reflecting mirror;
Forming an active layer on the first reflecting mirror;
Forming a p-type first semiconductor layer on the active layer;
Forming a second semiconductor layer having an opening on the first semiconductor layer;
Forming a p-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer and on the first semiconductor layer located in the opening so as to fill a step due to the opening;
Forming a second reflecting mirror on the third semiconductor at least in a region corresponding to the opening;
Forming an electrode on the third semiconductor layer in a region corresponding to the outside of the opening;
Heat-treating the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer in an atmosphere containing no hydrogen atoms;
A step of forming a mesa structure for separating each surface emitting laser after the step of forming the second reflecting mirror and the step of forming the electrode;
The first semiconductor layer comprises hydrogen;
The method of manufacturing a laser array, wherein the first semiconductor layer has a hydrogen concentration distribution in which a hydrogen concentration in a portion corresponding to the opening is lower than a hydrogen concentration in a portion corresponding to outside the opening. .
前記第2の半導体層は、層全体が空乏層であることを特徴とする請求項13に記載のレーザアレイの製造方法。   14. The method of manufacturing a laser array according to claim 13, wherein the second semiconductor layer is a depletion layer as a whole. 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との接合によって生じた空乏層のうち第2の半導体層の側の空乏層をWn1、前記第3の半導体層と前記第2の半導体層との接合によって生じた空乏層のうち第2の半導体層の側の空乏層をWn2として、
前記第2の半導体層の厚さtは、
t≦Wn1+Wn2
を満たすことを特徴とする請求項13又は14に記載のレーザアレイの製造方法。
Of the depletion layers generated by the junction of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the depletion layer on the second semiconductor layer side is Wn1, and the third semiconductor layer and the second semiconductor layer are Wn2 is a depletion layer on the second semiconductor layer side of the depletion layer generated by the junction of
The thickness t of the second semiconductor layer is:
t ≦ Wn1 + Wn2
The method for manufacturing a laser array according to claim 13 or 14, wherein:
前記第1の半導体層は、Mgを含み、
前記第2の半導体層は、Siを含むことを特徴とする請求項13乃至15のいずれか1項に記載のレーザアレイの製造方法。
The first semiconductor layer includes Mg;
16. The method of manufacturing a laser array according to claim 13, wherein the second semiconductor layer contains Si.
前記第2の半導体層に含まれるSiの濃度は、前記第1の半導体層に含まれるMgの濃度よりも低いことを特徴とする請求項16に記載のレーザアレイの製造方法。   The method for manufacturing a laser array according to claim 16, wherein the concentration of Si contained in the second semiconductor layer is lower than the concentration of Mg contained in the first semiconductor layer.
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