JP2023083422A - 面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＤＢＲのペア数を削減することの可能な面発光レーザを提供する。【解決手段】本開示の一実施形態に係る面発光レーザは、第１ＤＢＲ層と、活性層と、電流狭窄層と、第２ＤＢＲ層と、誘電体層と、反射金属層とがこの順に積層された積層体を備えている。電流狭窄層は、活性層に注入する電流を狭窄する電流注入領域を有している。反射金属層は、電流注入領域を平面視で覆うように設けられている。誘電体層は、光反射機能を有する厚さのＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5からなる。【選択図】図１

Description

本開示は、面発光レーザに関する。
面発光レーザでは、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）が用いられる。
特開２００５－０８５８３６号公報
ところで、面発光レーザの分野では、ＤＢＲのペア数削減によるデバイス特性の向上や生産性改善が求められている。従って、ＤＢＲのペア数を削減することの可能な面発光レーザを提供することが望ましい。
本開示の一実施形態に係る面発光レーザは、第１ＤＢＲ層と、活性層と、電流狭窄層と、第２ＤＢＲ層と、誘電体層と、反射金属層とがこの順に積層された積層体を備えている。電流狭窄層は、活性層に注入する電流を狭窄する電流注入領域を有している。反射金属層は、電流注入領域を平面視で覆うように設けられている。誘電体層は、光反射機能を有する厚さのＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5からなる。
本開示の一実施形態に係る面発光レーザでは、活性層から見て第２ＤＢＲ層側に、誘電体層および反射金属層が設けられている。これにより、第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層、誘電体層ならびに反射金属層により、所定の発振波長でレーザ発振が生じる。このとき、第２ＤＢＲ層のペア数が第１ＤＢＲ層のペア数よりも少ない場合であっても、所定の発振波長でのレーザ発振を生じさせることができ、しかも、レーザ発振の閾値ゲインの上昇を抑えつつ、光取り出し効率を高く維持することができる。
本開示の第１の実施の形態に係る面発光レーザの断面構成例を表す図である。 図１の面発光レーザの上面構成例を表す図である。 図１の面発光レーザの裏面構成例を表す図である。 図１の発光素子の製造過程の一例を表す図である。 図４Ａに続く製造過程の一例を表す図である。 図４Ｂに続く製造過程の一例を表す図である。 図４Ｃに続く製造過程の一例を表す図である。 図４Ｄに続く製造過程の一例を表す図である。 （Ａ）ＧａＡｓ基板上にｎ－ＤＢＲ層が形成された半導体層の断面構成例を表す図である。（Ｂ）ＧａＡｓ基板上に、Ａｌミラー層、λ／４ＳｉＯ2層、およびｎ－ＤＢＲ層が形成された半導体層の断面構成例を表す図である。 ｎ－ＤＢＲペア数と、図５（Ａ），図５（Ｂ）のｎ－ＤＢＲに波長９４０ｎｍのレーザ光を入射したときの図５（Ａ），図５（Ｂ）のｎ－ＤＢＲの反射率との関係を表す図である。 （Ａ）図５（Ａ）の半導体層上にキャビティ層、電流狭窄層、ｐ－ＤＢＲ層が積層されたレーザ構造の断面構成例を表す図である。（Ｂ）図５（Ｂ）の半導体層上にキャビティ層、電流狭窄層、ｐ－ＤＢＲ層が積層されたレーザ構造の断面構成例を表す図である。 ｎ－ＤＢＲペア数と、図７（Ａ），図７（Ｂ）のレーザ構造における発振の閾値ゲインとの関係を表す図である。 ｎ－ＤＢＲペア数と、図７（Ａ），図７（Ｂ）のレーザ構造における光取り出し効率との関係を表す図である。 図１の面発光レーザの断面構成の一変形例を表す図である。 図１０の面発光レーザの上面構成例を表す図である。 本開示の第２の実施の形態に係る面発光レーザの断面構成例を表す図である。 図１２の面発光レーザの上面構成例を表す図である。 図１２の面発光レーザの裏面構成例を表す図である。 図１２の発光素子の製造過程の一例を表す図である。 図１５Ａに続く製造過程の一例を表す図である。 図１５Ｂに続く製造過程の一例を表す図である。 図１５Ｃに続く製造過程の一例を表す図である。 図１５Ｄに続く製造過程の一例を表す図である。
以下、本開示を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比などについても、それらに限定されるものではない。なお、説明は、以下の順序で行う。

１．第１の実施の形態
裏面出射型の面発光レーザに誘電体層および反射金属層を設けた例
２．第１の実施の形態の変形例
誘電体層を透明導電体層に置き換えた例
３．第２の実施の形態
上面出射型の面発光レーザに誘電体層および反射金属層を設けた例
＜１．第１の実施の形態＞
[構成]
本開示の第１の実施の形態に係る面発光レーザ１について説明する。図１は、面発光レーザ１の断面構成例を表したものである。図２は、面発光レーザ１の上面構成例を表したものである。図３は、面発光レーザ１の裏面構成例を表したものである。
面発光レーザ１は、薄型で低消費電力が要求される用途や、薄型で大面積が要求される用途などに好適に適用可能な裏面出射型のレーザである。面発光レーザ１は、例えば、活性層１２Ａを含むキャビティ層１２を備えている。キャビティ層１２は、発振波長λ0や用途に合わせて設計される。
面発光レーザ１は、さらに、例えば、垂直共振器を備えている。垂直共振器は、基板１０の法線方向において互いに対向する２つのＤＢＲ（distributed Bragg reflector）によって発振波長λ0で発振するように構成されている。垂直共振器は、例えば、キャビティ層１２および電流狭窄層１３を挟み込む２つのＤＢＲ層を含んで構成されている。なお、垂直共振器は、例えば、基板１０、キャビティ層１２および電流狭窄層１３を挟み込む２つのＤＢＲ層を含んで構成されていてもよい。上記２つのＤＢＲ層は、例えば、後述のＤＢＲ層１１（第１ＤＢＲ層）と、後述のＤＢＲ層１４（第２ＤＢＲ層）とにより構成されている。ＤＢＲ層１１は、例えば、基板１０の上面に接して形成されている。ＤＢＲ層１４は、例えば、ＤＢＲ層１１と比べて基板１０から相対的に離れた位置（つまり、光出射面１Ｓから離れた位置）に配置されている。垂直共振器は、さらに、例えば、誘電体層１５および反射金属層１６を備えている。誘電体層１５および反射金属層１６は、ＤＢＲ層１４の機能を補助する層であり、ＤＢＲ層１４のペア数の削減に寄与する層である。つまり、誘電体層１５および反射金属層１６は、キャビティ層１２から見て、ＤＢＲ層１４側の反射ミラーの終端部に相当する。
面発光レーザ１は、例えば、基板１０上に、ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２、電流狭窄層１３、ＤＢＲ層１４、誘電体層１５および反射金属層１６を、基板１０側からこの順に備えている。面発光レーザ１は、例えば、さらに、基板１０の上面側に、埋込層１７、電極層１８およびパッド電極１９を備えている。面発光レーザ１は、例えば、さらに、基板１０の裏面側に、電極層２１を備えている。面発光レーザ１は、例えば、基板１０とＤＢＲ層１１とを互いにオーミック接触させるためのコンタクト層を有していてもよい。面発光レーザ１は、さらに、例えば、ＤＢＲ層１４と電極層１８とを互いにオーミック接触させるためのコンタクト層を有していてもよい。
面発光レーザ１では、例えば、ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２、電流狭窄層１３およびＤＢＲ層１４を含む半導体層のうち、少なくとも、キャビティ層１２、電流狭窄層１３およびＤＢＲ層１４が、柱状のメサ部２０となっている。メサ部２０の積層面内方向の断面形状は、例えば、円形状となっている。メサ部２０の側面には、少なくとも、キャビティ層１２、電流狭窄層１３およびＤＢＲ層１４の側面が露出している。
基板１０は、ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２、電流狭窄層１３およびＤＢＲ層１４をエピタキシャル結晶成長させる際に用いられた結晶成長基板である。基板１０、ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２、電流狭窄層１３およびＤＢＲ層１４は、例えば、ＧａＡｓ系半導体によって構成されている。
基板１０は、キャビティ層１２から発せられる光に対して光透過性を有する基板であり、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板である。ｎ型ＧａＡｓ基板には、ｎ型不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）などが含まれている。ＤＢＲ層１１は、例えば、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（λ0は発振波長、ｎは低屈折率層の屈折率）のｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなる。発振波長λ0は、例えば、光通信用の波長である９４０ｎｍとなっている。高屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは高屈折率層の屈折率）のｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）からなる。低屈折率層は、高屈折率層よりもＡｌ（アルミニウム）組成比の高い材料により構成されている。ＤＢＲ層１１には、ｎ型不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）などが含まれている。
キャビティ層１２は、発振波長λ0や用途に合わせて設計される。キャビティ層１２は、例えば、活性層１２Ａおよびバリア層が交互に積層された積層体を有している。キャビティ層１２は、さらに、例えば、上記積層体を挟み込む一対のガイド層を有していてもよい。発振波長λ0が９４０ｎｍのレーザ特性を得る場合には、上記積層体は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる活性層１２Ａと、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓからなるバリア層とが交互に積層された構成となっており、上記ガイド層は、例えば、厚さ１００ｎｍのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる。キャビティ層１２は、例えば、ノンドープの半導体によって構成されている。キャビティ層１２のうち、後述の電流注入領域１３Ａと対向する領域が、面発光レーザ１に電流が注入されたときに発光領域となる。
電流狭窄層１３は、キャビティ層１２に注入する電流を狭窄するための開口部（電流注入領域１３Ａ）を有している。電流注入領域１３Ａは、例えば、円形状となっている。電流狭窄層１３は、電流注入領域１３Ａの周囲に、電流狭窄領域１３Ｂを有している。電流狭窄領域１３Ｂは、絶縁材料によって形成されており、例えば、Ａｌ2Ｏxによって形成されている。電流狭窄層１３は、例えば、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ、または、ＡｌＡｓを部分的に酸化させることにより形成されている。電流狭窄層１３は、例えば、ＤＢＲ層１４内のキャビティ層１２寄りの低屈折率層の位置に設けられていてもよい。
ＤＢＲ層１４は、例えば、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは低屈折率層の屈折率）のｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ａｓ（０＜ｘ３＜１）からなる。高屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは高屈折率層の屈折率）のｐ型Ａｌx4Ｇａ1-x4Ａｓ（０≦ｘ４＜ｘ３）からなる。低屈折率層は、高屈折率層よりもＡｌ（アルミニウム）組成比の高い材料により構成されている。ＤＢＲ層１４には、ｐ型不純物として、例えば、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが含まれている。
ＤＢＲ層１４における低屈折率層および高屈折率層のペア数は、例えば、ＤＢＲ層１１における低屈折率層および高屈折率層のペア数よりも少なくなっている。ＤＢＲ層１４のペア数は、誘電体層１５および反射金属層１６が設けられていないときにＤＢＲ層として必要となるペア数の半分以下の数となっている。これは、誘電体層１５および反射金属層１６が、ＤＢＲ層１４の光反射機能を補助しているからであり、誘電体層１５および反射金属層１６による光反射の能力の分だけ、ＤＢＲ層１４における低屈折率層および高屈折率層のペア数を少なくすることができるからである。
誘電体層１５は、例えば、ＤＢＲ層１４のうち、キャビティ層１２側とは反対側に接している。誘電体層１５は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは誘電体層１５の屈折率）のＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5からなる。反射金属層１６は例えば、誘電体層１５を介して、ＤＢＲ層１４に接している。反射金属層１６は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含んで構成されている。反射金属層１６の膜厚は、例えば、２０ｎｍ以上となっている。
電極層１８は、ＤＢＲ層１４と誘電体層１５との間に形成されている。電極層１８は、少なくとも電流注入領域１３Ａと対向する箇所に開口を有しており、ＤＢＲ層１４の上面の外縁に接して形成されている。つまり、面発光レーザ１のキャビティ層１２への電流を注入するための電極層１８が、垂直共振器構造における光路とは異なる経路に設けられている。電極層１８は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をＤＢＲ層１４の上面側から順に積層した構造を有しており、ＤＢＲ層１４と電気的に接続されている。
パッド電極１９は、面発光レーザ１の外部端子としての役割を有している。パッド電極１９は、電極層１８と電気的に接続されている。パッド電極１９は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものである。パッド電極１９は、例えば、電極層１８とともに一体に形成されている。パッド電極１９は、例えば、埋込層１７の上面に接して形成されている。
埋込層１７は、パッド電極１９の形成面を設けるための層である。埋込層１７は、メサ部２０の周囲に形成されており、メサ部２０の一部を埋め込んでいる。埋込層１７の上面の高さと、ＤＢＲ層１４の上面の高さとが、おおむね、互いに等しくなっていることが好ましい。埋込層１７は、絶縁性の樹脂で構成されており、例えば、ポリイミドにより構成されている。
電極層２１は、面発光レーザ１の外部端子としての役割を有している。電極層２１は、基板１０と電気的に接続されている。電極層２１は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を基板１０側からこの順に積層して構成されている。電極層２１は、少なくとも電流注入領域１３Ａと対向する箇所に開口を有しており、基板１０の裏面の外縁に接して形成されている。基板１０の裏面のうち、電極層２１の開口内に露出している面が、面発光レーザ１からの光（レーザ光Ｌ）が外部に出射される光出射面１Ｓとなっている。
[製造方法]
次に、本実施の形態に係る面発光レーザ１の製造方法について説明する。図４Ａ～図４Ｅは、面発光レーザ１の製造手順の一例を表したものである。
面発光レーザ１を製造するためには、例えばＧａＡｓからなる基板１０上に、化合物半導体を、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法などのエピタキシャル結晶成長法により一括に形成する。この際、化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などのメチル系有機金属ガスと、アルシン(ＡｓＨ3)ガスを用い、ドナー不純物の原料としては、例えばジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いる。
まず、基板１０の表面上に、例えばＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル結晶成長法により、ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２、被酸化層１３ＤおよびＤＢＲ層１４をこの順に形成する（図４Ａ）。次に、例えば、円形状のレジスト層（図示せず）を形成したのち、このレジスト層をマスクとして、ＤＢＲ層１４、被酸化層１３Ｄ、キャビティ層１２およびＤＢＲ層１１のうち、少なくともＤＢＲ層１４、被酸化層１３Ｄおよびキャビティ層１２を選択的にエッチングする。このとき、例えばＣｌ系ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いることが好ましい。これにより、例えば、図４Ｂに示したように、ＤＢＲ層１４、被酸化層１３Ｄ、キャビティ層１２およびＤＢＲ層１１のうち、少なくともＤＢＲ層１４、被酸化層１３Ｄおよびキャビティ層１２にまで達する高さの柱状のメサ部２０が形成される。このとき、メサ部２０の側面に被酸化層１３Ｄが露出している。その後、レジスト層を除去する。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部２０の側面から被酸化層１３Ｄに含まれるＡｌを選択的に酸化する。または、ウエット酸化法により、メサ部２０の側面から被酸化層１３Ｄに含まれるＡｌを選択的に酸化する。これにより、メサ部２０内において、被酸化層１３Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となり、電流狭窄層１３が形成される（図４Ｃ）。続いて、メサ部２０の周囲に、例えばポリイミドなどの絶縁性樹脂からなる埋込層１７を形成したのち、ＤＢＲ層１４および埋込層１７の上面に、電極層１８およびパッド電極１９を形成する（図４Ｄ）。また、基板１０の裏面に、電極層２１を形成する。その後、例えば、スパッタ法により誘電体層を成膜し、成膜した誘電体層のうち必要のない箇所をリフトオフ法により除去する。このようにして、メサ部２０の上面に誘電体層１５を形成する（図４Ｅ）。最後に、蒸着法により反射金属層を成膜し、成膜した反射金属層のうち必要のない箇所をリフトオフ法により除去する。このようにして、反射金属層１６を形成する（図１）。このようにして、面発光レーザ１が製造される。
[動作]
このような構成の面発光レーザ１では、ＤＢＲ層１４と電気的に接続されたパッド電極１９と、ＤＢＲ層１１と電気的に接続された電極層２１との間に所定の電圧が印加されると、電流注入領域１３Ａを通してキャビティ層１２に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。その結果、キャビティ層１２、一対のＤＢＲ層１１，１４、誘電体層１５および反射金属層１６により、発振波長λ0でレーザ発振が生じる。そして、ＤＢＲ層１１から漏れ出た光がビーム状のレーザ光となって光出射面１Ｓから外部に出力される。
[効果]
次に、本実施の形態に係る面発光レーザ１の効果について、比較例と参考にしつつ説明する。
図５（Ａ）は、ＧａＡｓ基板上にｎ－ＤＢＲ層が形成された半導体層の断面構成例を表したものである。図５（Ｂ）は、ＧａＡｓ基板上に、Ａｌミラー層、λ／４ＳｉＯ2層、およびｎ－ＤＢＲ層が形成された半導体層の断面構成例を表したものである。図６は、ｎ－ＤＢＲペア数と、図５（Ａ），図５（Ｂ）のｎ－ＤＢＲに波長９４０ｎｍのレーザ光を入射したときの図５（Ａ），図５（Ｂ）のｎ－ＤＢＲの反射率との関係を表したものである。図６中の「ＤＢＲ構造」側のグラフが、図５（Ａ）のｎ－ＤＢＲの反射率を表しており、図６中の「複合ミラー構造」側のグラフが、図５（Ｂ）のｎ－ＤＢＲの反射率を表している。なお、図５（Ｂ）において、Ａｌミラー層が本実施形態の「反射金属層１６」の一例であり、λ／４ＳｉＯ2層が本実施形態の「誘電体層１５」の一例であり、ｎ－ＤＢＲが本実施形態の「ＤＢＲ層１１」の一例である。
図６から、「複合ミラー構造」の方が、「ＤＢＲ構造」よりも、ｎ－ＤＢＲペア数が少なくなっても、反射率の下落量が少ないことがわかる。また、「複合ミラー構造」では、ｎ－ＤＢＲペア数が２０前後の場合であっても、反射率が０．９９５（＝９９．５％）を下回ることがなく、実用に耐え得る範囲内になっていることがわかる。
図７（Ａ）は、図５（Ａ）の半導体層上にキャビティ層、電流狭窄層、ｐ－ＤＢＲ層が積層されたレーザ構造の断面構成例を表したものである。図７（Ｂ）は、図５（Ｂ）の半導体層上にキャビティ層、電流狭窄層、ｐ－ＤＢＲ層が積層されたレーザ構造の断面構成例を表したものである。図８は、ｎ－ＤＢＲペア数と、図７（Ａ），図７（Ｂ）のレーザ構造における発振の閾値ゲインとの関係を表したものである。図９は、ｎ－ＤＢＲペア数と、図７（Ａ），図７（Ｂ）のレーザ構造における光取り出し効率との関係を表したものである。図８中の「ＤＢＲ構造」側のグラフが、図７（Ａ）のレーザ構造の閾値ゲインを表しており、図８中の「複合ミラー構造」側のグラフが、図７（Ｂ）のレーザ構造の閾値ゲインを表している。図９中の「ＤＢＲ構造」側のグラフが、図７（Ａ）のレーザ構造の光取り出し効率を表しており、図９中の「複合ミラー構造」側のグラフが、図７（Ｂ）のレーザ構造の光取り出し効率を表している。なお、図７（Ｂ）において、キャビティ層が本実施形態の「キャビティ層１２」の一例であり、電流狭窄層が本実施形態の「電流狭窄層１３」の一例であり、ｐ－ＤＢＲが本実施形態の「ＤＢＲ層１４」の一例である。
図８から、「複合ミラー構造」の方が、「ＤＢＲ構造」よりも、ｎ－ＤＢＲペア数が少なくなっても、閾値ゲインの上昇量が少ないことがわかる。また、「複合ミラー構造」では、ｎ－ＤＢＲペア数が２０前後の場合であっても、閾値ゲインが２５００ｃｍ－１を上回ることがなく、実用に耐え得る範囲内になっていることがわかる。また、図９から、「複合ミラー構造」の方が、「ＤＢＲ構造」よりも、ｎ－ＤＢＲペア数が少なくなっても、光取り出し効率が減少しないことがわかる。
本実施の形態では、キャビティ層１２から見て、ＤＢＲ層１４側の反射ミラーの終端部に、ＤＢＲ層１４の機能を補助する誘電体層１５および反射金属層１６が設けられている。これにより、キャビティ層１２、一対のＤＢＲ層１１，１４、誘電体層１５および反射金属層１６により、発振波長λ0でレーザ発振が生じる。このとき、ＤＢＲ層１４のペア数がＤＢＲ層１１のペア数よりも少ない場合であっても、発振波長λ0でのレーザ発振を生じさせることができ、しかも、レーザ発振の閾値ゲインの上昇を抑えつつ、光取り出し効率を高く維持することができる。従って、ＤＢＲ層１４のペア数をＤＢＲ層１１のペア数よりも少なくすることができる。その結果、ＤＢＲ層１４のペア数削減によるデバイス特性の向上や生産性改善を図ることができる。また、ＤＢＲ層１４のペア数削減により、Ｆ－Ｐ Ｄｉｐ波長の検出が容易となるので、エピウェハーの特性評価精度を改善することが可能となる。
また、本実施の形態では、面発光レーザ１のキャビティ層１２への電流を注入するための電極層１８が、垂直共振器構造における光路とは異なる経路に設けられている。具体的には、電極層１８は、誘電体層１５および反射金属層１６を介さずに、直接、ＤＢＲ層１４に電流を注入可能な位置に設けられている。電極層１８は、例えば、図１に示したように、ＤＢＲ層１４と誘電体層１５との間に設けられており、かつ、電流注入領域１３Ａと対向する箇所を避けて、ＤＢＲ層１４の上面と接している。これにより、面発光レーザ１の駆動電圧を低くすることができる。また、電極層１８が、垂直共振器構造における光路とは別の経路に設けられていることから、誘電体層１５を導電性の材料で形成する必要がない。従って、誘電体層１５に対して、膜厚の制御のし易い材料や製法を選択することができる。
＜２．変形例＞
次に、上記実施の形態に係る面発光レーザ１の変形例について説明する。
図１０は、本変形例に係る面発光レーザ１の断面構成例を表したものである。図１１は、図１０の面発光レーザ１の上面構成例を表したものである。
また、本変形例では、誘電体層１５の代わりに透明導電体層２２が設けられており、かつ、電極層１８の代わりに電極層２３が設けられている。このとき、電極層２３は、透明導電体層２２および反射金属層１６と電気的に接続されており、かつ、パッド電極１９とも電気的に接続されている。つまり、面発光レーザ１のキャビティ層１２への電流を注入するための電極層２３は、垂直共振器構造における光路と共通の経路にキャビティ層１２へ注入する電流を流す。透明導電体層２２は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは透明導電体層２２の屈折率）のＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、または、ＩＴｉＯ（Indium Titanium Oxide）などの透明導電体材料を含んで構成されている。透明導電体層２２は、ＤＢＲ層１４と電気的に接続されている。
本変形例では、キャビティ層１２から見て、ＤＢＲ層１４側の反射ミラーの終端部に、ＤＢＲ層１４の機能を補助する透明導電体層２２および反射金属層１６が設けられている。これにより、キャビティ層１２、一対のＤＢＲ層１１，１４、透明導電体層２２および反射金属層１６により、発振波長λ0でレーザ発振が生じる。このとき、ＤＢＲ層１４のペア数がＤＢＲ層１１のペア数よりも少ない場合であっても、発振波長λ0でのレーザ発振を生じさせることができ、しかも、レーザ発振の閾値ゲインの上昇を抑えつつ、光取り出し効率を高く維持することができる。従って、ＤＢＲ層１４のペア数をＤＢＲ層１１のペア数よりも少なくすることができる。その結果、ＤＢＲ層１４のペア数削減によるデバイス特性の向上や生産性改善を図ることができる。また、ＤＢＲ層１４のペア数削減により、Ｆ－Ｐ Ｄｉｐ波長の検出が容易となるので、エピウェハーの特性評価精度を改善することが可能となる。
また、本変形例では、面発光レーザ１に電流注入するための電極層２３が、透明導電体層２２上に設けられている。具体的には、電極層２３は、透明導電体層２２および反射金属層１６を介して、ＤＢＲ層１４に電流を注入可能な位置に設けられている。これにより、電極層２３を簡易に製造することができる。
＜３．第２の実施の形態＞
[構成]
本開示の第２の実施の形態に係る面発光レーザ２について説明する。図１２は、面発光レーザ２の断面構成例を表したものである。図１３は、面発光レーザ２の上面構成例を表したものである。図１４は、面発光レーザ２の裏面構成例を表したものである。
面発光レーザ２は、薄型で低消費電力が要求される用途や、薄型で大面積が要求される用途などに好適に適用可能な上面出射型のレーザである。面発光レーザ２は、例えば、活性層３２Ａを含むキャビティ層３２を備えている。キャビティ層３２は、発振波長λ0や用途に合わせて設計される。
面発光レーザ２は、さらに、例えば、垂直共振器を備えている。垂直共振器は、基板３０の法線方向において互いに対向する２つのＤＢＲによって発振波長λ0で発振するように構成されている。垂直共振器は、例えば、キャビティ層３２および電流狭窄層３３を挟み込む２つのＤＢＲ層を含んで構成されている。なお、垂直共振器は、例えば、基板３０、キャビティ層３２および電流狭窄層３３を挟み込む２つのＤＢＲ層を含んで構成されていてもよい。上記２つのＤＢＲ層は、例えば、後述のＤＢＲ層３１（第２ＤＢＲ層）と、後述のＤＢＲ層３４（第１ＤＢＲ層）とにより構成されている。ＤＢＲ層３１は、例えば、基板３０の上面に接して形成されている。ＤＢＲ層３４は、例えば、ＤＢＲ層３１と比べて基板３０から相対的に離れた位置（つまり、光出射面２Ｓに近い位置）に配置されている。垂直共振器は、さらに、例えば、誘電体層３８および反射金属層３９を備えている。誘電体層３８および反射金属層３９は、ＤＢＲ層３１の機能を補助する層であり、ＤＢＲ層３１のペア数の削減に寄与する層である。つまり、誘電体層３８および反射金属層３９は、キャビティ層３２から見て、ＤＢＲ層３１側の反射ミラーの終端部に相当する。
面発光レーザ２は、例えば、基板３０上に、ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、電流狭窄層３３およびＤＢＲ層３４を、基板３０側からこの順に備えている。面発光レーザ２は、例えば、さらに、基板３０の上面側に、埋込層３５、電極層３６およびパッド電極３７を備えている。面発光レーザ２は、例えば、さらに、基板３０の裏面側に、電極層４１を備えている。面発光レーザ２は、例えば、基板３０の開口部３０Ａ内に、基板３０の開口部３０Ａ内に露出したＤＢＲ層３１に接する誘電体層３８を備えており、さらに、誘電体層３８に接して反射金属層３９を備えている。基板３０の開口部３０Ａは、少なくとも後述の電流注入領域３３Ａと対向する領域に形成されており、例えば、後述のメサ部４０と対向する領域に形成されている。つまり、誘電体層３８および反射金属層３９は、少なくとも後述の電流注入領域３３Ａと対向する領域に形成されており、例えば、後述のメサ部４０と対向する領域に形成されている。面発光レーザ２は、例えば、基板３０とＤＢＲ層３１とを互いにオーミック接触させるためのコンタクト層を有していてもよい。面発光レーザ２は、さらに、例えば、ＤＢＲ層３４と電極層３６とを互いにオーミック接触させるためのコンタクト層を有していてもよい。
面発光レーザ２では、例えば、ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、電流狭窄層３３およびＤＢＲ層３４を含む半導体層のうち、少なくとも、キャビティ層３２、電流狭窄層３３およびＤＢＲ層３４が、柱状のメサ部４０となっている。メサ部４０の積層面内方向の断面形状は、例えば、円形状となっている。メサ部４０の側面には、少なくとも、キャビティ層３２、電流狭窄層３３およびＤＢＲ層３４の側面が露出している。
基板３０は、ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、電流狭窄層３３およびＤＢＲ層３４をエピタキシャル結晶成長させる際に用いられた結晶成長基板である。基板３０、ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、電流狭窄層３３およびＤＢＲ層３４は、例えば、ＧａＡｓ系半導体によって構成されている。
基板３０は、キャビティ層３２から発せられる光に対して光透過性を有する基板であり、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板である。ｎ型ＧａＡｓ基板には、ｎ型不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）などが含まれている。ＤＢＲ層３１は、例えば、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは低屈折率層の屈折率）のｎ型Ａｌx5Ｇａ1-x5Ａｓ（０＜ｘ５＜１）からなる。発振波長λ0は、例えば、光通信用の波長である９４０ｎｍとなっている。高屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは高屈折率層の屈折率）のｎ型Ａｌx6Ｇａ1-x6Ａｓ（０≦ｘ６＜ｘ５）からなる。低屈折率層は、高屈折率層よりもＡｌ（アルミニウム）組成比の高い材料により構成されている。ＤＢＲ層３１には、ｎ型不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）などが含まれている。
キャビティ層３２は、発振波長λ0や用途に合わせて設計される。キャビティ層３２は、例えば、活性層３２Ａおよびバリア層が交互に積層された積層体を有している。キャビティ層３２は、さらに、例えば、上記積層体を挟み込む一対のガイド層を有していてもよい。発振波長λ0が９４０ｎｍのレーザ特性を得る場合には、上記積層体は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる活性層３２Ａと、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓからなるバリア層とが交互に積層された構成となっており、上記ガイド層は、例えば、厚さ１００ｎｍのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなる。キャビティ層３２は、例えば、ノンドープの半導体によって構成されている。キャビティ層３２のうち、後述の電流注入領域３３Ａと対向する領域が、面発光レーザ２に電流が注入されたときに発光領域となる。
電流狭窄層３３は、キャビティ層３２に注入する電流を狭窄するための開口部（電流注入領域３３Ａ）を有している。電流注入領域３３Ａは、例えば、円形状となっている。電流狭窄層３３は、電流注入領域３３Ａの周囲に、電流狭窄領域３３Ｂを有している。電流狭窄領域３３Ｂは、絶縁材料によって形成されており、例えば、Ａｌ2Ｏxによって形成されている。電流狭窄層３３は、例えば、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ、または、ＡｌＡｓを部分的に酸化させることにより形成されている。電流狭窄層３３は、例えば、ＤＢＲ層３４内のキャビティ層３２寄りの低屈折率層の位置に設けられていてもよい。
ＤＢＲ層３４は、例えば、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは低屈折率層の屈折率）のｐ型Ａｌx7Ｇａ1-x7Ａｓ（０＜ｘ７＜１）からなる。高屈折率層は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは高屈折率層の屈折率）のｐ型Ａｌx8Ｇａ1-x8Ａｓ（０≦ｘ８＜ｘ７）からなる。低屈折率層は、高屈折率層よりもＡｌ（アルミニウム）組成比の高い材料により構成されている。ＤＢＲ層３４には、ｐ型不純物として、例えば、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが含まれている。
ＤＢＲ層３１における低屈折率層および高屈折率層のペア数は、例えば、ＤＢＲ層３４における低屈折率層および高屈折率層のペア数よりも少なくなっている。ＤＢＲ層３１のペア数は、誘電体層３８および反射金属層３９が設けられていないときにＤＢＲ層として必要となるペア数の半分以下の数となっている。これは、誘電体層３８および反射金属層３９が、ＤＢＲ層３１の光反射機能を補助しているからであり、誘電体層３８および反射金属層３９による光反射の能力の分だけ、ＤＢＲ層３１における低屈折率層および高屈折率層のペア数を少なくすることができるからである。
誘電体層３８は、例えば、厚さがλ0／（４ｎ）（ｎは誘電体層３８の屈折率）のＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5からなる。反射金属層３９は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含んで構成されている。反射金属層３９の膜厚は、例えば、２０ｎｍ以上となっている。
電極層３６は、ＤＢＲ層３４の上面に形成されている。電極層３６は、少なくとも電流注入領域３３Ａと対向する箇所に開口を有しており、ＤＢＲ層３４の上面の外縁に接して形成されている。電極層３６は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をＤＢＲ層３４の上面側から順に積層した構造を有しており、ＤＢＲ層３４と電気的に接続されている。ＤＢＲ層３４の上面のうち、電極層３６の開口内に露出している面が、面発光レーザ２からの光（レーザ光Ｌ）が外部に出射される光出射面２Ｓとなっている。
パッド電極３７は、面発光レーザ２の外部端子としての役割を有している。パッド電極３７は、電極層３６と電気的に接続されている。パッド電極３７は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものである。パッド電極３７は、例えば、電極層３６とともに一体に形成されている。パッド電極３７は、例えば、埋込層３５の上面に接して形成されている。
埋込層３５は、パッド電極３７の形成面を設けるための層である。埋込層３５は、メサ部４０の周囲に形成されており、メサ部４０の一部を埋め込んでいる。埋込層３５の上面の高さと、ＤＢＲ層３４の上面の高さとが、おおむね、互いに等しくなっていることが好ましい。埋込層３５は、絶縁性の樹脂で構成されており、例えば、ポリイミドにより構成されている。
電極層４１は、面発光レーザ２の外部端子としての役割を有している。電極層４１は、基板３０と電気的に接続されている。電極層４１は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を基板３０側からこの順に積層して構成されている。電極層４１は、少なくとも電流注入領域３３Ａと対向する箇所に開口を有しており、基板３０の裏面のうち、開口部３０Ａの周縁部分に接して形成されている。
[製造方法]
次に、本実施の形態に係る面発光レーザ２の製造方法について説明する。図１５Ａ～図１５Ｅは、面発光レーザ２の製造手順の一例を表したものである。
面発光レーザ２を製造するためには、例えばＧａＡｓからなる基板３０上に、化合物半導体を、例えばＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル結晶成長法により一括に形成する。この際、化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などのメチル系有機金属ガスと、アルシン(ＡｓＨ3)ガスを用い、ドナー不純物の原料としては、例えばジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いる。
まず、基板３０の表面上に、例えばＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル結晶成長法により、ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、被酸化層３３ＤおよびＤＢＲ層３４をこの順に形成する（図１５Ａ）。次に、例えば、円形状のレジスト層（図示せず）を形成したのち、このレジスト層をマスクとして、ＤＢＲ層３４、被酸化層３３Ｄ、キャビティ層３２およびＤＢＲ層３１のうち、少なくともＤＢＲ層３４、被酸化層３３Ｄおよびキャビティ層３２を選択的にエッチングする。このとき、例えばＣｌ系ガスによるＲＩＥを用いることが好ましい。これにより、例えば、図１５Ｂに示したように、ＤＢＲ層３４、被酸化層３３Ｄ、キャビティ層３２およびＤＢＲ層３１のうち、少なくともＤＢＲ層３４、被酸化層３３Ｄおよびキャビティ層３２にまで達する高さの柱状のメサ部４０が形成される。このとき、メサ部４０の側面に被酸化層３３Ｄが露出している。その後、レジスト層を除去する。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部４０の側面から被酸化層３３Ｄに含まれるＡｌを選択的に酸化する。または、ウエット酸化法により、メサ部４０の側面から被酸化層３３Ｄに含まれるＡｌを選択的に酸化する。これにより、メサ部４０内において、被酸化層３３Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となり、電流狭窄層３３が形成される（図１５Ｃ）。続いて、メサ部４０の周囲に、例えばポリイミドなどの絶縁性樹脂からなる埋込層３５を形成したのち、ＤＢＲ層３４および埋込層３５の上面に、電極層３６およびパッド電極３７を形成する（図１５Ｄ）。
次に、基板３０の裏面に、開口部３０Ａを形成する（図１５Ｅ）。その後、例えば、スパッタ法により誘電体層を成膜し、成膜した誘電体層のうち必要のない箇所をリフトオフ法により除去する。このようにして、メサ部４０の上面に誘電体層３８を形成する（図１２）。最後に、蒸着法により反射金属層を成膜し、成膜した反射金属層のうち必要のない箇所をリフトオフ法により除去する。このようにして、反射金属層３９を形成する（図１）。このようにして、面発光レーザ２が製造される。
[動作]
このような構成の面発光レーザ２では、ＤＢＲ層３４と電気的に接続されたパッド電極３７と、ＤＢＲ層３１と電気的に接続された電極層４１との間に所定の電圧が印加されると、電流注入領域３３Ａを通してキャビティ層３２に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。その結果、キャビティ層３２、一対のＤＢＲ層３１，３４、誘電体層３８および反射金属層３９により、発振波長λ0でレーザ発振が生じる。そして、ＤＢＲ層３４から漏れ出た光がビーム状のレーザ光となって光出射面２Ｓから外部に出力される。
[効果]
次に、本実施の形態に係る面発光レーザ２の効果について説明する。
本実施の形態では、キャビティ層３２から見て、ＤＢＲ層３１側の反射ミラーの終端部に、ＤＢＲ層３１の機能を補助する誘電体層３８および反射金属層３９が設けられている。これにより、キャビティ層３２、一対のＤＢＲ層３１，３４、誘電体層３８および反射金属層３９により、発振波長λ0でレーザ発振が生じる。このとき、ＤＢＲ層３１のペア数がＤＢＲ層３４のペア数よりも少ない場合であっても、発振波長λ0でのレーザ発振を生じさせることができ、しかも、レーザ発振の閾値ゲインの上昇を抑えつつ、光取り出し効率を高く維持することができる。従って、ＤＢＲ層３１のペア数をＤＢＲ層３４のペア数よりも少なくすることができる。その結果、ＤＢＲ層３１のペア数削減によるデバイス特性の向上や生産性改善を図ることができる。また、ＤＢＲ層３１のペア数削減により、Ｆ－Ｐ Ｄｉｐ波長の検出が容易となるので、エピウェハーの特性評価精度を改善することが可能となる。
また、本実施の形態では、面発光レーザ２に電流注入するための電極層４１が、垂直共振器構造における光路とは別の経路に設けられている。具体的には、電極層４１は、誘電体層３８および反射金属層３９を介さずに、直接、ＤＢＲ層３１に電流を注入可能な位置に設けられている。電極層４１は、例えば、図１２に示したように、基板３０の裏面のうち、開口部３０Ａの周縁部分に接して形成されており、かつ、電流注入領域３３Ａと対向する箇所を避けて、基板３０の裏面と接している。これにより、面発光レーザ２の駆動電圧を低くすることができる。また、電極層４１が、垂直共振器構造における光路とは別の経路に設けられていることから、誘電体層３８を導電性の材料で形成する必要がない。従って、誘電体層３８に対して、膜厚の制御のし易い材料や製法を選択することができる。
以上、実施の形態およびその変形例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
また、例えば、本開示は以下のような構成を取ることができる。
（１）
活性層と、
前記活性層を挟み込む第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層と、
前記活性層から見て前記第２ＤＢＲ層側の反射ミラーの終端部に相当する誘電体層および反射金属層と
を備えた
面発光レーザ。
（２）
前記誘電体層は、前記第２ＤＢＲ層のうち、前記活性層側とは反対側に接しており、
前記反射金属層は、前記誘電体層を介して、前記第２ＤＢＲ層に接している
（１）に記載の面発光レーザ。
（３）
前記第２ＤＢＲ層のペア数は、前記第１ＤＢＲ層のペア数よりも少なくなっている
（１）または（２）に記載の面発光レーザ。
（４）
前記第１ＤＢＲ層および前記第２ＤＢＲ層によって形成される垂直共振器構造における光路とは異なる経路に、前記活性層への電流を注入するための電極層を更に備えた
（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の面発光レーザ。
（５）
前記誘電体層は、厚さが発振波長／（４ｎ）（ｎは前記誘電体層の屈折率）のＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5からなる
（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の面発光レーザ。
（６）
前記反射金属層は、Ａｕ、ＡｇまたはＡｌを含んで構成されている
（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の面発光レーザ。
（７）
活性層と、
前記活性層を挟み込む第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層と、
前記活性層から見て前記第２ＤＢＲ層側の反射ミラーの終端部に相当する透明導電体層および反射金属層と
を備えた
面発光レーザ。
（８）
前記第１ＤＢＲ層および前記第２ＤＢＲ層によって形成される垂直共振器構造における光路と共通の経路に前記活性層へ注入する電流を流す電極層を更に備えた
（７）に記載の面発光レーザ。
（９）
前記透明導電体層は、厚さが発振波長／（４ｎ）（ｎは前記透明導電体層の屈折率）のＩＴＯ、または、ＩＴｉＯを含んで構成されている
（７）または（８）に記載の面発光レーザ。
本開示の一実施形態に係る面発光レーザによれば、活性層から見て第２ＤＢＲ層側の反射ミラーの終端部に、誘電体層および反射金属層を設けるようにしたので、ＤＢＲのペア数を削減することができる。なお、本開示の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。
本出願は、日本国特許庁において２０１８年３月７日に出願された日本特許出願番号第２０１８－０４１０４２号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (8)

  1. 第１ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）層と、活性層と、電流狭窄層と、第２ＤＢＲ層と、誘電体層と、反射金属層とがこの順に積層された積層体を備え、
    前記電流狭窄層は、前記活性層に注入する電流を狭窄する電流注入領域を有し、
    前記反射金属層は、前記電流注入領域を平面視で覆うように設けられ、
    前記誘電体層は、光反射機能を有する厚さのＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、ＴｉＯ2またはＴａ2Ｏ5からなる
    面発光レーザ。
  2. 前記光反射機能を有する厚さは、発振波長と前記誘電体層の材料の屈折率とに依存する厚さとなっている
    請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記光反射機能を有する厚さは、発振波長／（４ｎ）（ｎは前記誘電体層の屈折率）となっている
    請求項１に記載の面発光レーザ。
  4. 前記電流狭窄層は、前記電流注入領域の周囲に絶縁領域を有する
    請求項１に記載の面発光レーザ。
  5. 前記第１ＤＢＲと、前記第２ＤＢＲと、前記誘電体層と、前記反射金属層とは、垂直共振器を構成する
    請求項１に記載の面発光レーザ。
  6. 前記第２ＤＢＲ層のペア数は、前記第１ＤＢＲ層のペア数よりも少なくなっている
    請求項１に記載の面発光レーザ。
  7. 前記第１ＤＢＲ層および前記第２ＤＢＲ層によって形成される垂直共振器構造における光路とは異なる経路に、前記活性層への電流を注入するための電極層を更に備えた
    請求項１に記載の面発光レーザ。
  8. 前記反射金属層は、Ａｕ、ＡｇまたはＡｌを含む
    請求項１に記載の面発光レーザ。
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