WO2021124968A1 - 垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法 - Google Patents

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中島　博
弥樹博 横関
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    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18388—Lenses

Definitions

  • the present technology relates to a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element having a pair of DBRs, a vertical resonator type surface emitting laser element array, a vertical resonator type surface emitting laser module, and a vertical resonator type surface emitting laser element.
  • a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) element has a structure in which an active layer in which light emission is generated is sandwiched by a pair of distributed Bragg reflectors (DBRs).
  • the DBR is formed by alternately stacking a plurality of low refractive index layers and high refractive index layers, and reflects light having a predetermined wavelength to cause laser oscillation.
  • a dielectric material SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , a-Si, TiO 2, etc.
  • a dielectric material SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , a-Si, TiO 2, etc.
  • Patent Document 1 since the semiconductor DBR is provided on the active layer side, there is a problem that the thermal resistance is high and the bonding interface is high. Also, when the dielectric DBR is used, there is a problem in heat dissipation because the dielectric DBR has low thermal conductivity.
  • the purpose of this technology is to have a vertical resonator type surface emitting laser element, a vertical resonator type surface emitting laser element array, and a vertical resonator type surface emitting laser, which have low thermal resistance and can operate at a high temperature. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a module and a vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element includes a first substrate, a second substrate, a first DBR layer, and a second DBR layer.
  • the first substrate is made of the first material and is provided with an active layer.
  • the second substrate transmits light having a specific wavelength, is made of a second material different from the first substrate, and is bonded to the first substrate.
  • the first DBR layer is provided on the side of the first substrate opposite to the second substrate, and reflects light of the wavelength.
  • the second DBR layer is provided on the side of the second substrate opposite to the first substrate, and reflects light of the wavelength.
  • the first substrate and the second substrate having the active layer are provided between the first DBR layer and the second DBR layer. Therefore, the heat generated in the active layer is dissipated through the second substrate located in the vicinity, and a VCSEL element having a small thermal resistance can be realized.
  • heat dissipation can be ensured by joining a second substrate made of a material different from the first substrate. Is.
  • the second material may be a material having a higher thermal conductivity than the first material.
  • the first material may be InP, and the second material may be Si, SiC, AlN or GaN.
  • the first substrate may have the active layer formed by crystal growth on a substrate made of InP.
  • the first material may be GaAs
  • the second material may be Si, SiC, AlN or GaN.
  • the first substrate may have the active layer formed by crystal growth on a substrate made of GaAs.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may have a current constriction structure due to tunnel junction.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may have an optical constriction structure due to the tunnel junction.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may have a current constriction structure by oxidation treatment.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may have a current constriction structure due to ion implantation.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element is formed by a convex portion provided on the second substrate and the second DBR layer provided on the convex portion, and the incident light is emitted from the active layer.
  • a lens structure that concentrates light in the region between the first DBR layer and the second DBR layer may be provided.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element transmits light having the above wavelength and is made of a third material different from the first substrate, and is on the opposite side of the first substrate from the second substrate.
  • a third substrate bonded to the The first DBR layer may be provided on the side of the third substrate opposite to the first substrate.
  • the first DBR layer is a semiconductor DBR or a dielectric DBR.
  • the second DBR layer may be a semiconductor DBR or a dielectric DBR.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may emit laser light from the second DBR layer side.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may emit laser light from the first DBR layer side.
  • a plurality of vertical resonator type surface emitting laser elements are arranged.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element is made of a first material, transmits light having a specific wavelength to a first substrate provided with an active layer, and is different from the first substrate.
  • a second substrate made of the above-mentioned material, which is bonded to the first substrate, and a first substrate of the first substrate, which is provided on the opposite side of the second substrate and reflects light of the wavelength.
  • Vertical resonator type surface emission including a DBR (Distributed Bragg Reflector) layer and a second DBR layer of the second substrate opposite to the first substrate and reflecting light of the wavelength.
  • a plurality of laser elements are arranged.
  • the vertical resonator type surface emitting laser module includes a vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element is made of a first material, transmits light having a specific wavelength to a first substrate provided with an active layer, and is different from the first substrate.
  • a second substrate made of the above-mentioned material, which is bonded to the first substrate, and a first substrate of the first substrate, which is provided on the opposite side of the second substrate and reflects light of the wavelength. It includes a DBR (Distributed Bragg Reflector) layer and a second DBR layer of the second substrate, which is provided on the opposite side of the first substrate and reflects light of the wavelength.
  • the second board is a circuit board.
  • the method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element array is made of a first material and forms a first substrate provided with an active layer.
  • a second substrate made of a second material different from the first substrate is formed by transmitting light having a specific wavelength.
  • the above is between the first DBR (Distributed Bragg Reflector) layer that joins the first substrate and the second substrate and reflects the light of the wavelength and the second DBR layer that reflects the light of the wavelength.
  • VCSEL Very Cavity Surface Emitting Laser
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the VCSEL element 100 according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a partial configuration of the VCSEL element 100.
  • the VCSEL element 100 includes a first substrate 110, a second substrate 120, a first DBR layer 131, a second DBR layer 132, a first electrode 133, a second electrode 134, a dielectric film 135, and a metal layer. 136 is provided.
  • the first substrate 110 includes a first semiconductor layer 111, a second semiconductor layer 112, a third semiconductor layer 113, a fourth semiconductor layer 114, an active layer 115, a first tunnel junction layer 116, and a second.
  • a tunnel junction layer 117 is provided.
  • the first semiconductor layer 111 is formed on the second substrate 120, and the active layer 115 is formed on the first semiconductor layer 111.
  • the second semiconductor layer 112 is formed on the active layer 115, and the third semiconductor layer 113 is formed on the second semiconductor layer 112.
  • the first tunnel junction layer 116 is formed on a partial region of the third semiconductor layer 113, and the second tunnel junction layer 117 is formed on the first tunnel junction layer 116.
  • the fourth semiconductor layer 114 is formed on the third semiconductor layer 113 and the second tunnel junction layer 117, and covers the first tunnel junction layer 116 and the second tunnel junction layer 117.
  • the first semiconductor layer 111, the second semiconductor layer 112, and the fourth semiconductor layer 114 are made of a semiconductor material having a first semiconductor type, and are made of, for example, n-InP.
  • the third semiconductor layer 113 is made of a semiconductor material having a second semiconductor type, for example, p-InP.
  • the active layer 115 emits and amplifies naturally emitted light.
  • the active layer 115 has a multi-quantum well (MQW) structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately laminated.
  • the quantum well layer is composed of, for example, InGaAsP, AlGaInAs, InGaAs, or InAs
  • the barrier layer is, for example, It can consist of GaAs, InGaAs, InGaAsP or AlGaInAs.
  • the active layer 115 is not limited to the quantum well structure, and may have a quantum dot structure or the like made of InAs or the like.
  • the first tunnel junction layer 116 and the second tunnel junction layer 117 form a current constriction structure due to tunnel junction.
  • the first tunnel junction layer 116 is made of a semiconductor material having a second semiconductor type, for example, p + -InP.
  • the second tunnel junction layer 117 is made of a semiconductor material having a second semiconductor type, and is made of, for example, n + -InP.
  • first tunnel junction layer 116 and the second tunnel junction layer 117 are not limited to InP, and may be made of InGaAsP or AlGaInAs.
  • the fourth semiconductor layer 114 is made of InP, since it has a refractive index difference from InGaAsP and AlGaInAs, the action of concentrating light in the vicinity of the tunnel junction region by the first tunnel junction layer 116 and the second tunnel junction layer 117. (Light squeezing action) can be generated.
  • the first substrate 110 has the above configuration. Each layer of the first substrate 110 can be formed on a substrate made of InP by doping and crystal growth.
  • the second substrate 120 is made of a material different from that of the first substrate 110 and is bonded to the first substrate 110.
  • the bonding interface between the first substrate 110 and the second substrate 120 is shown as the bonding interface S.
  • the material and thickness of the second substrate 120 are configured so as to transmit light having an emission wavelength (hereinafter, wavelength ⁇ ) of the VCSEL element 100.
  • the second substrate 120 is preferably made of a material having a higher thermal conductivity than the material of the first substrate 110.
  • the first substrate 110 is made of InP
  • the second substrate 120 is made of SiC, SiC, etc. It can be made of AlN, GaN, or the like.
  • the constituent materials of the first substrate 110 and the second substrate 120 may be amorphized in the vicinity of the bonding interface S. Further, the lattice constants of the first substrate 110 and the second substrate 120 may be different via the bonding interface S.
  • the first DBR layer 131 is provided on the side of the first substrate 110 opposite to the second substrate 120, and functions as a DBR (Distributed Bragg Reflector) that reflects light having a wavelength of ⁇ .
  • the first DBR layer 131 may be formed by alternately stacking a plurality of low refractive index layers and high refractive index layers.
  • the first DBR layer 131 is a dielectric DBR, and the low refractive index layer may be made of, for example, SiO 2 , and the high refractive index layer may be made of, for example, Ta 2 O 5 . Further, the first DBR layer 131 may be a semiconductor DBR, the low refractive index layer may be made of, for example, AlGaAs, and the high refractive index layer may be made of, for example, GaAs.
  • the thickness of the low refractive index layer and the high refractive index layer is preferably ⁇ / 4, respectively.
  • the second DBR layer 132 is provided on the side of the second substrate 120 opposite to the first substrate 110, and functions as a DBR that reflects light having a wavelength of ⁇ .
  • the second DBR layer 132 may be formed by alternately stacking a plurality of low refractive index layers and high refractive index layers.
  • the second DBR layer 132 is a dielectric DBR, and the low refractive index layer may be made of, for example, SiO 2 , and the high refractive index layer may be made of, for example, Ta 2 O 5 . Further, the second DBR layer 132 is a semiconductor DBR, and the low refractive index layer may be made of, for example, AlGaAs, and the high refractive index layer may be made of, for example, GaAs.
  • the thickness of the low refractive index layer and the high refractive index layer is preferably ⁇ / 4, respectively.
  • the first electrode 133 is made of metal, is provided around the first DBR layer 131 on the first substrate 110, and conducts to the fourth semiconductor layer 114.
  • the first electrode 133 may be provided on the first DBR layer 131 when the first DBR layer 131 is a semiconductor DBR.
  • the second electrode 134 is made of metal, is provided on the first semiconductor layer 111, and conducts to the first semiconductor layer 111.
  • the second electrode 134 may be provided on the second DBR layer 132 when the second DBR layer 132 is a semiconductor DBR.
  • the dielectric film 135 is made of a dielectric material and is formed on the end faces of the first semiconductor layer 111, the second semiconductor layer 112, the third semiconductor layer 113, and the fourth semiconductor layer 114.
  • the metal layer 136 is made of metal and is provided on the second substrate 120 to cover the second DBR layer 132.
  • the VCSEL element 100 has the above configuration.
  • the material of each layer is not limited to the above-mentioned one, and any material may be used as long as the VCSEL element 100 can operate.
  • the first semiconductor type (n type) and the second semiconductor type (p type) may be reversed in each of the above layers.
  • the shape and thickness of each layer can be adjusted as appropriate.
  • the first substrate 110 is not limited to that formed of a base material made of InP, and may be formed of another material.
  • the first substrate 110 may be made of a group III-V element, and specifically, each layer may be formed on a substrate made of GaAs by doping and crystal growth.
  • the semiconductor material having the first semiconductor type can be made of, for example, n-AlGaA
  • the semiconductor material having the second semiconductor type can be made of, for example, p-AlGaA
  • the active layer 115 can be, for example, a laminate of a quantum well layer made of InGaAs or GaInNAs and a barrier layer made of GaAs.
  • the second substrate 120 can be made of a material having higher thermal conductivity than GaAs, such as Si, SiC, AlN, or GaN.
  • the first substrate 110 may have each layer formed on a substrate made of GaN.
  • the material of the first substrate 110 can be an InP material, a GaAs-based material, a GaN-based material, or the like.
  • the first DBR layer 131 and the second DBR layer 132 are configured to reflect light having an oscillation wavelength ⁇ .
  • the component of the oscillation wavelength ⁇ of the naturally emitted light forms a standing wave between the first DBR layer 131 and the second DBR layer 132, and is amplified by the active layer 115.
  • the light forming a standing wave oscillates with a laser, and the laser light is emitted through each layer between the second semiconductor layer 112 and the first DBR layer 131.
  • the surface on which the laser beam is emitted is shown as the light emitting surface H.
  • the second substrate 120 is provided in the vicinity of the active layer 115 between the first DBR layer 131 and the second DBR layer 132, and the heat generated in the active layer 115 is transferred to the second substrate 120. It is transmitted and dissipated through the second substrate 120. Therefore, it is possible to realize a VCSEL element 100 having a small thermal resistance and capable of high temperature operation.
  • the second substrate 120 has a higher thermal conductivity than the material of the first substrate 110, the heat dissipation property becomes larger and the thermal resistance can be reduced. Further, as the material of the second substrate 120, regardless of the material of the first substrate 110, a material having high thermal conductivity can be selected, so that the degree of freedom in setting and manufacturing process is high. Further, since it is possible to manufacture the second substrate 120 with a large diameter size, it is possible to reduce the manufacturing cost.
  • the first substrate 110 is manufactured.
  • the first substrate 110 has an etch stop layer 152, a first semiconductor layer 111, an active layer 115, a second semiconductor layer 112, a third semiconductor layer 113, and a first tunnel junction layer 116 on the base material 151 by epitaxial crystal growth.
  • the second tunnel junction layer 117 and the fourth semiconductor layer 114 can be formed.
  • the first tunnel junction layer 116 and the second tunnel junction layer 117 can be formed by a lithography process.
  • the base material 151 can be made of InP or GaAs.
  • the etch stop layer 152 may be made of InGaAs or InGaAsP.
  • the first substrate 110 is temporarily attached to the support substrate 154 by the adhesive layer 153, and the substrate 151 is removed.
  • the adhesive layer 153 may be made of wax and the support substrate 154 may be made of InP or glass.
  • the second substrate 120 is bonded to the surface of the first substrate 110 on the first semiconductor layer 111 side.
  • the bonding interface S the bonding interface between the first substrate 110 and the second substrate 120 is shown as the bonding interface S.
  • any bonding method such as surface activation bonding, dehydration condensation bonding, or thermal diffusion bonding can be used.
  • chemical mechanical polishing By applying chemical mechanical polishing to the bonding interface S, the bonding strength can be further improved.
  • the adhesive layer 153 and the support substrate 154 are removed.
  • the support substrate 154 can be removed by heating the adhesive layer 153 with an oven or the like to melt it and removing it with an organic solvent.
  • FIG. 7 after forming a mesa (plateau-like structure) on the first substrate 110, the first DBR layer 131, the first electrode 133, the second electrode 134, and the dielectric film are formed on the first substrate 110.
  • a mesa plateau-like structure
  • the second substrate 120 is thinned to form the second DBR layer 132 and the metal layer 126.
  • the thinning of the second substrate 120 may be performed by using a back grinder, or the second substrate 120 may be used as an SOI (Silicon on Insulator) substrate and the base material and the oxide film may be removed.
  • SOI Silicon on Insulator
  • the VCSEL element 100 can be manufactured as described above. In the above manufacturing method, the second substrate 120 is bonded after the base material 151 is etched, but the second substrate 120 may be bonded to the surface of the base material 151 without removing the base material 151. ..
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the VCSEL element 100 according to the first modification.
  • the second substrate 120 is thickened, and a convex portion 120a having a lens shape is provided on the surface opposite to the first substrate 210.
  • the shape of the convex portion 120a may be a spherical lens shape, a cylindrical lens shape, or another lens shape.
  • each layer of the second DBR layer 132 formed on the convex portion 120a is curved in a concave shape along the shape of the convex portion 120a, and the metal layer 136 formed on the second DBR layer 132 also has the shape of the second DBR layer 132. Curves concavely along. Therefore, the lens structure is formed by the second DBR layer 232 and the metal layer 236.
  • the thickness of the first substrate 120 is thickened, so that the heat dissipation is further improved.
  • the lens structure is formed in the second DBR layer 132 and the metal layer 136, the light emitted from the active layer 215 is focused by this lens structure in the narrowed region due to the tunnel junction in the active layer 115, and the light is narrowed. The action is obtained. This improves the luminous efficiency.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the VCSEL element 100 according to the second modification.
  • the metal layer 136 may not be provided on the second substrate 120, and only the second DBR layer 132 may be provided.
  • the second DBR layer 132 is a semiconductor DBR, it is possible to provide the second electrode 134 on the second DBR layer 132 as shown in FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the VCSEL element 100 according to the third modification.
  • the first electrode 133 is formed so as to cover the first DBR layer 131
  • the metal layer 136 is formed so as not to cover the second DBR layer 132.
  • the laser beam can be emitted from the second DBR layer 132 side by adjusting the materials and the number of layers of the first DBR layer 131 and the second DBR layer 132.
  • FIG. 10 shows a light emitting surface H from which laser light is emitted.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the VCSEL element 200 according to the present embodiment.
  • the VCSEL element 200 includes a first substrate 210, a second substrate 220, a first DBR layer 231 and a second DBR layer 232, a first electrode 233, a second electrode 234, a dielectric film 235, and a metal layer 236. To be equipped.
  • the first substrate 210 includes a first semiconductor layer 211, a second semiconductor layer 212, a third semiconductor layer 213, a constriction layer 214, and an active layer 215.
  • the first semiconductor layer 211 is formed on the second substrate 220, and the active layer 215 is formed on the first semiconductor layer 211.
  • the second semiconductor layer 212 is formed on the active layer 215, and the constriction layer 214 is formed on the second semiconductor layer 212.
  • the third semiconductor layer 213 is formed on the constriction layer 214.
  • the first semiconductor layer 211 and the second semiconductor layer 212 are made of a material having a first semiconductor type, and are made of, for example, n-InP.
  • the third semiconductor layer 213 is made of a material having a second semiconductor type, for example, p-InP.
  • the constriction layer 214 imparts a constriction action to the electric current.
  • the constriction layer 214 has an injection region 214a and a constriction region 214b.
  • the injection region 214a is provided in the central portion of the constriction layer 214 and is a highly conductive region.
  • the injection region 214a is composed of, for example, InAlAs.
  • the constriction region 214b is provided around the injection region 214a and has a lower conductivity than the injection region 214a.
  • the constriction region 214b can be made of a material obtained by oxidizing the constituent material of the injection region 214a. As a result, the current flowing through the constriction layer 214 is concentrated in the injection region 214a, that is, the constriction layer 214 forms a current constriction structure.
  • the active layer 215 emits and amplifies naturally emitted light.
  • the active layer 215 has a multiple quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately laminated.
  • the quantum well layer is composed of, for example, InGaAsP, AlGaInAs, InGaAs or InAs
  • the barrier layer is, for example, GaAs, InGaAs, InGaAsP or AlGaInAs. Can consist of.
  • the active layer 215 is not limited to the quantum well structure, and may have a quantum dot structure or the like made of InAs or the like.
  • the second substrate 220, the first DBR layer 231 and the second DBR layer 232, the first electrode 233, the second electrode 234, the dielectric film 235, and the metal layer 236 are the second substrate 120 and the first DBR according to the first embodiment, respectively. It has the same configuration as the layer 131, the second DBR layer 132, the first electrode 133, the second electrode 134, the dielectric film 135, and the metal layer 136. That is, the second substrate 220 transmits light having a wavelength ⁇ , is made of a material different from that of the first substrate 210, and is bonded to the first substrate 210 at the bonding interface S.
  • the VCSEL element 200 has the above configuration.
  • the material of each layer is not limited to the above-mentioned one, and any material may be used as long as the VCSEL element 200 can operate.
  • the first semiconductor type (n type) and the second semiconductor type (p type) may be reversed in each of the above layers.
  • the shape and thickness of each layer can be adjusted as appropriate.
  • the lens structure (see FIG. 8) may be formed on the second substrate 220, or the second DBR layer 232 may be provided instead of the metal layer 236. (See FIG. 9). Further, it is also possible to have a configuration in which the laser beam is emitted from the second DBR layer 232 side (see FIG. 10).
  • the VCSEL element 200 operates in the same manner as the VCSEL element 100 according to the first embodiment except that the current is constricted by the constriction layer 214, and heat is dissipated by the second substrate 220. Therefore, it is possible to realize a VCSEL element 200 having a small thermal resistance and capable of high temperature operation.
  • the VCSEL element 200 can be manufactured by joining the first substrate 210 and the second substrate 220, as in the first embodiment.
  • the constriction region 214b can be formed by forming a mesa on the first substrate 210 and then subjecting the constituent material of the constriction layer 214 to an oxidation treatment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the VCSEL element 300 according to the present embodiment.
  • the VCSEL element 300 includes a first substrate 310, a second substrate 320, a first DBR layer 331, a second DBR layer 332, a first electrode 333, a second electrode 334, a dielectric film 335, and a metal layer 336. To be equipped.
  • the first substrate 310 includes a first semiconductor layer 311, a second semiconductor layer 312, and an active layer 313.
  • the first semiconductor layer 311 is formed on the second substrate 320, and the active layer 313 is formed on the first semiconductor layer 311.
  • the second semiconductor layer 312 is formed on the active layer 313.
  • the first semiconductor layer 311 is made of a material having a first semiconductor type, for example, n-InP.
  • the second semiconductor layer 312 is made of a material having a second semiconductor type, for example, p-InP.
  • the active layer 313 emits and amplifies naturally emitted light.
  • the active layer 313 has a multiple quantum well structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately laminated.
  • the quantum well layer is composed of, for example, InGaAsP, AlGaInAs, InGaAs or InAs
  • the barrier layer is, for example, GaAs, InGaAs, InGaAsP or AlGaInAs. Can consist of.
  • the active layer 313 is not limited to the quantum well structure, and may have a quantum dot structure or the like made of InAs or the like.
  • the first semiconductor layer 311 and the second semiconductor layer 312 and the active layer 313 are subjected to a high resistance treatment except for the central portion.
  • the region subjected to the high resistance treatment is shown as the high resistance region R.
  • the high resistance treatment is, for example, boron ion implantation.
  • the current flowing through the first semiconductor layer 311 and the second semiconductor layer 312 and the active layer 313 becomes difficult to flow in the high resistance region R, and a current constriction structure is formed.
  • the second substrate 320, the first DBR layer 331, the second DBR layer 332, the first electrode 333, the second electrode 334, the dielectric film 335, and the metal layer 336 are the second substrate 120 and the first DBR according to the first embodiment, respectively. It has the same configuration as the layer 131, the second DBR layer 132, the first electrode 133, the second electrode 134, the dielectric film 135, and the metal layer 136. That is, the second substrate 320 transmits light having a wavelength ⁇ , is made of a material different from that of the first substrate 310, and is bonded to the first substrate 310 at the bonding interface S.
  • the VCSEL element 300 has the above configuration.
  • the material of each layer is not limited to the above-mentioned one, and any material may be used as long as the VCSEL element 300 can operate.
  • the first semiconductor type (n type) and the second semiconductor type (p type) may be reversed in each of the above layers.
  • the shape and thickness of each layer can be adjusted as appropriate.
  • the lens structure (see FIG. 8) may be formed on the second substrate 320, or the second DBR layer 332 may be provided instead of the metal layer 336. (See FIG. 9). Further, it is also possible to have a configuration in which the laser beam is emitted from the second DBR layer 332 side (see FIG. 10).
  • the VCSEL element 300 operates in the same manner as the VCSEL element 100 according to the first embodiment except that the current is narrowed by the high resistance region R, and heat is dissipated by the second substrate 320. Therefore, it is possible to realize a VCSEL element 300 having a small thermal resistance and capable of high temperature operation.
  • the VCSEL element 300 can be manufactured by joining the first substrate 310 and the second substrate 320, as in the first embodiment.
  • the high resistance region R can be formed by forming a mesa on the first substrate 310 and then performing an ion implant after masking the central portion of the mesa.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the VCSEL element 400 according to the present embodiment.
  • the VCSEL element 400 includes a first substrate 410, a second substrate 420, a third substrate 430, a first DBR layer 431, a second DBR layer 432, a first electrode 433, a second electrode 434, and a dielectric film. It includes a 435 and a metal layer 436.
  • the first substrate 410, the second substrate 420, the second DBR layer 432, the second electrode 434, the dielectric film 435, and the metal layer 436 are the first substrate 110, the second substrate 120, and the second DBR according to the first embodiment, respectively. It has the same configuration as the layer 132, the second electrode 134, the dielectric film 135, and the metal layer 136.
  • the first substrate 410 includes the first semiconductor layer 411, the second semiconductor layer 412, the third semiconductor layer 413, the fourth semiconductor layer 414, the active layer 415, the first tunnel junction layer 416, and the second tunnel junction layer 417. It has the same configuration as the first semiconductor layer 111, the second semiconductor layer 112, the third semiconductor layer 113, the fourth semiconductor layer 114, the active layer 115, the first tunnel junction layer 116, and the second tunnel junction layer 117, respectively. Have.
  • the second substrate 420 transmits light having a wavelength of ⁇ , is made of a material different from that of the first substrate 410, and is bonded to the first substrate 410.
  • the bonding interface between the first substrate 410 and the second substrate 420 is shown as the bonding interface S1.
  • the third substrate 430 is made of a material different from that of the first substrate 410, and is bonded to the side of the first substrate 410 opposite to the bonding interface S1.
  • the bonding interface between the first substrate 410 and the third substrate 430 is shown as the bonding interface S2.
  • the material and thickness of the third substrate 430 are configured so as to transmit light having an emission wavelength ⁇ of the VCSEL element 400.
  • the third substrate 430 is preferably made of a material having a higher thermal conductivity than the material of the first substrate 410, and can be made of, for example, Si, SiC, AlN, GaN or the like.
  • the material of the third substrate 430 may be the same as or different from the material of the second substrate 420.
  • the first DBR layer 431 is provided on the side of the third substrate 430 opposite to the first substrate 410, and functions as a DBR that reflects light having a wavelength of ⁇ .
  • the first DBR layer 431 may be formed by alternately stacking a plurality of low refractive index layers and high refractive index layers.
  • the first DBR layer 431 is a dielectric DBR, and the low refractive index layer may be made of, for example, SiO 2 , and the high refractive index layer may be made of, for example, Ta 2 O 5 . Further, the first DBR layer 431 is a semiconductor DBR, and the low refractive index layer may be made of, for example, AlGaAs, and the high refractive index layer may be made of, for example, GaAs.
  • the thickness of the low refractive index layer and the high refractive index layer is preferably ⁇ / 4, respectively.
  • the first electrode 433 is made of metal, is provided on the third substrate 430 around the first DBR layer 431, and conducts to the third substrate 430.
  • the first electrode 433 may be provided on the first DBR layer 431 when the first DBR layer 431 is a semiconductor DBR.
  • the VCSEL element 400 has the above configuration.
  • the material of each layer is not limited to the above, and any material may be used as long as the VCSEL element 400 can operate.
  • the first semiconductor type (n type) and the second semiconductor type (p type) may be reversed in each of the above layers.
  • the shape and thickness of each layer can be adjusted as appropriate.
  • the VCSEL element 400 operates in the same manner as the VCSEL element 400 according to the first embodiment.
  • the second substrate 420 and the third substrate 430 are provided between the first DBR layer 431 and the second DBR layer 432.
  • the heat generated in the active layer 415 is dissipated not only from the second substrate 420 but also from the third substrate 430, so that the VCSEL element 400 has higher heat dissipation and is suitable for high temperature operation.
  • the VCSEL element 400 can be manufactured by joining the second substrate 420 and the third substrate 430 to the first substrate 410.
  • the third substrate 430 can be bonded to the first substrate 410 by the same method as that of the second substrate 420.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the VCSEL element 400 according to the first modification.
  • a convex portion 420a having a lens shape is provided on the surface of the second substrate 420 opposite to the first substrate 410.
  • the shape of the convex portion 420a may be a spherical lens shape, a cylindrical lens shape, or another lens shape.
  • each layer of the second DBR layer 432 formed on the convex portion 420a is curved in a concave shape along the shape of the convex portion 420a, and the metal layer 436 formed on the second DBR layer 432 also has the shape of the second DBR layer 432. Curves concavely along. Therefore, the lens structure is formed by the second DBR layer 432 and the metal layer 436.
  • the lens structure is formed by the second DBR layer 432 and the metal layer 436, the light emitted from the active layer 415 is collected by this lens structure in the narrowed region of the active layer 415 due to the tunnel junction. A light stenotic effect is obtained. This improves the luminous efficiency.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the VCSEL element 400 according to the second modification.
  • a convex portion 430a having a lens shape is provided on the surface of the third substrate 430 opposite to the first substrate 410. ..
  • the shape of the convex portion 430a may be a spherical lens shape, a cylindrical lens shape, or another lens shape.
  • each layer of the first DBR layer 431 formed on the convex portion 430a is curved in a concave shape along the shape of the convex portion 430a, and a lens structure is formed.
  • the lens structure is formed on both the second substrate 420 and the third substrate 430, the light emitted from the active layer 415 is transferred to the narrowed region of the active layer 415 due to the tunnel junction by both lens structures. It is focused and has a light narrowing effect. As a result, the luminous efficiency is further improved.
  • the lens structure may not be provided on the second substrate 420, and the lens structure may be provided only on the third substrate 430. Further, the VCSEL element 400 may be configured so that the laser beam is emitted to the second substrate 420 side. Further, in the present embodiment, the VCSEL element 400 has a current constriction structure due to tunnel junction, but the current constriction structure due to oxidation according to the second embodiment or the current due to high resistance according to the third embodiment. It may have a stenotic structure.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the VCSEL element array 500 according to the present embodiment.
  • the VCSEL element array 500 is an array in which a plurality of VCSEL elements 100 are arranged.
  • the VCSEL element array 500 includes three VCSEL elements 100, but the number of VCSEL elements 100 may be a plurality and is not limited to three.
  • Each VCSEL element 100 has the configuration described in the first embodiment, and each layer except the first tunnel junction layer 116, the second tunnel junction layer 117, the first DBR layer 131, and the second DBR layer 132 has a plurality of VCSEL elements. It is a continuous layer between 100.
  • the VCSEL element array 500 can be formed by forming a structure corresponding to each VCSEL element 100 on the first substrate 110 and the second substrate 120, and then joining the first substrate 110 and the second substrate 120.
  • each VCSEL element 100 can have high heat dissipation.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the VCSEL element array 500 according to the modified example.
  • a convex portion 120a having a lens shape is provided on the surface of the second substrate 120 opposite to the first substrate 110, and the second DBR layer 132 and the metal layer 136 provide the convex portion 120a.
  • a lens structure may be formed.
  • each VCSEL element 100 has a current constriction structure due to tunnel junction, but due to the current constriction structure due to oxidation according to the second embodiment or the high resistance according to the third embodiment. It may have a current constriction structure.
  • the VCSEL element array 500 may include a third substrate in addition to the second substrate 120 as in the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the VCSEL module 600 according to the present embodiment.
  • the VCSEL module 600 includes a plurality of VCSEL elements 100, and is configured by joining the first substrate 110 and the second substrate 120.
  • the VCSEL element 100 has the same configuration as that of the first embodiment, but the second substrate 120 is a circuit board and includes a heat radiating unit 120b and a circuit unit 120c. Further, the VCSEL module 600 may include one VCSEL element 100.
  • the heat radiating unit 120b is provided between the first substrate 110 and the second DBR layer 132 in each VCSEL element 100.
  • the heat radiating unit 120b is made of a material different from that of the first substrate 110, is configured to transmit light having an emission wavelength ⁇ of the VCSEL element 100, and is made of, for example, Si, SiC, AlN, GaN, or the like.
  • the circuit unit 120c constitutes, for example, an IC (integrated circuit) in which a wiring layer and an insulating layer are laminated.
  • a photodiode 601 is provided on the second substrate 120, and the VCSEL module 600 constitutes a TOF (Time Of Flight) module in which the VCSEL element 100 is a light emitting element and the photodiode 601 is a light receiving element.
  • TOF Time Of Flight
  • the VCSEL module 600 can be manufactured by joining the first substrate 110 and the second substrate 120.
  • the VCSEL element 100 has a high affinity with silicon photonics, and can be easily applied to TOF modules and packages.
  • each VCSEL element 100 can be independently driven by mounting on the second substrate 120 which is a circuit board.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the VCSEL module 600 according to the modified example.
  • a convex portion 120a having a lens shape is provided on the surface of the second substrate 120 opposite to the first substrate 110, and the second DBR layer 132 and the metal layer 136 provide the convex portion 120a.
  • a lens structure may be formed.
  • each VCSEL element 100 has a current constriction structure due to tunnel junction, but the current constriction structure due to oxidation according to the second embodiment or the current due to high resistance according to the third embodiment. It may have a stenotic structure.
  • the VCSEL module 600 may include a third substrate in addition to the second substrate 120 as in the fourth embodiment.
  • a vertical resonator type surface emitting laser element provided on the side of the second substrate opposite to the first substrate and provided with a second DBR layer that reflects light of the wavelength.
  • the second material is a vertical resonator type surface emitting laser element which has a higher thermal conductivity than the first material.
  • the first material is InP
  • the second material is a vertical resonator type surface emitting laser element which is Si, SiC, AlN or GaN.
  • the first substrate is a vertical resonator type surface emitting laser element having the active layer formed by crystal growth on a substrate made of InP.
  • the first material is GaAs
  • the second material is a vertical resonator type surface emitting laser element which is Si, SiC, AlN or GaN.
  • the first substrate is a vertical resonator type surface emitting laser element having the active layer formed by crystal growth on a substrate made of GaAs.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element according to any one of (1) to (6) above.
  • a third substrate that transmits light having the above wavelength and is made of a third material different from the first substrate and is joined to the opposite side of the first substrate from the second substrate is further added.
  • the first DBR layer is a vertical resonator type surface emitting laser element including the third substrate provided on the opposite side of the first substrate.
  • the first DBR layer is a semiconductor DBR or a dielectric DBR.
  • the second DBR layer is a vertical resonator type surface emitting laser element which is a semiconductor DBR or a dielectric DBR.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element according to any one of (1) to (13) above.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element according to claim 1. A vertical resonator type surface emitting laser element that emits laser light from the second DBR layer side.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element according to claim 1. A vertical resonator type surface emitting laser element that emits laser light from the first DBR layer side.
  • the first substrate is made of a first material and is provided with an active layer, and a second substrate that transmits light having a specific wavelength and is different from the first substrate.
  • Vertical resonator type in which a plurality of vertical resonator type surface emitting laser elements provided on the side of the second substrate opposite to the first substrate and having a second DBR layer that reflects light of the above wavelength are arranged.
  • Surface emitting laser element array 17.
  • the first substrate is made of a first material and is provided with an active layer, and a second substrate that transmits light having a specific wavelength and is different from the first substrate.
  • a vertical resonator type surface emitting laser element provided on the side of the second substrate opposite to the first substrate and having a second DBR layer that reflects light of the wavelength is provided.
  • the second substrate is a vertical resonator type surface emitting laser module which is a circuit board. (18) Forming a first substrate made of a first material and provided with an active layer, A second substrate made of a second material different from the first substrate is formed by transmitting light having a specific wavelength.
  • the above is between the first DBR (Distributed Bragg Reflector) layer that joins the first substrate and the second substrate and reflects the light of the wavelength and the second DBR layer that reflects the light of the wavelength.
  • a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element array that forms a structure in which a first substrate and the second substrate are located.
  • VCSEL elements 110 210, 310, 410 ... First substrate 120, 220, 320, 420 ... Second substrate 430 ... Third substrate 131, 231, 331, 431 ... First DBR layer 132, 232, 332, 432 ... Second DBR layer 115, 215, 315, 415 ... Active layer 500 ... VCSEL element array 600 ... VCSEL module

Abstract

［課題］熱抵抗が小さく、高温動作が可能な垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法を提供すること。 ［解決手段］本技術に係る垂直共振器型面発光レーザ素子（１００）は、第１の基板（１１０）と、第２の基板（１２０）と第１のＤＢＲ層（１３１）と、第２のＤＢＲ層（１３２）とを具備する。第１の基板（１１０）は、第１の材料からなり、活性層（１１５）が設けられている。第２の基板（１２０）は、特定の波長を有する光を透過し、第１の基板（１１０）とは異なる第２の材料からなり、第１の基板（１１０）に接合されている。第１のＤＢＲ層（１３１）は、第１の基板（１１０）の、第２の基板（１２０）とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する。第２のＤＢＲ層（１３２）は、第２の基板（１２０）の、第１の基板（１１０）とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する。

Description

垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法
　本技術は、一対のＤＢＲを備える垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法に関する。
　ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser:垂直共振器型面発光レーザ）素子は、発光が生じる活性層を、一対の分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）によって挟んだ構造を有する。ＤＢＲは低屈折率層と高屈折率層を交互に複数層積層したものであり、所定の波長の光を反射することで、レーザ発振を生じさせる。
　ここで、ＩｎＰ系材料からなる活性層を有する長波長帯のＶＣＳＥＬ素子では、ＩｎＰに格子整合可能であって屈折率差が十分な材料が存在せず、光反射率及び熱伝導率が高い半導体ＤＢＲをＩｎＰ基板上に構成することが難しい。このため、ＧａＡｓ基板等、ＩｎＰ基板とは別の基板上に半導体ＤＢＲを形成し、ＩｎＰ基板にウェーハ接合する技術が開発されている(例えば、特許文献１参照）。
　一方、非導電性のＤＢＲであれば、比較的安価な製法で屈折率差を生じさせやすい誘電体材料（ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ａ－Ｓｉ、ＴｉＯ２等）を用いて作製可能である。このため、これらの誘電体材料を用いた誘電体ＤＢＲを備えるＩｎＰ系ＶＣＳＥＬも実用化されている。
特開２００５－１５９０７１号公報
　しかしながら、特許文献１の構成では、半導体ＤＢＲが活性層側に設けられているため、熱抵抗が高く、接合界面が高抵抗化するという問題があった。また、誘電体ＤＢＲを利用する場合も、誘電体ＤＢＲは熱伝導性が小さいため、放熱性に問題があった。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、熱抵抗が小さく、高温動作が可能な垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る垂直共振器型面発光レーザ素子は、第１の基板と、第２の基板と第１のＤＢＲ層と、第２のＤＢＲ層とを具備する。
　上記第１の基板は、第１の材料からなり、活性層が設けられている。
　上記第２の基板は、特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、上記第１の基板に接合されている。
　上記第１のＤＢＲ層は、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する。
　上記第２のＤＢＲ層は、上記第２の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する。
　この構成によれば、活性層を有する第１の基板と第２の基板は、第１のＤＢＲ層と第２のＤＢＲ層の間に設けられている。このため、活性層において生じた熱は、近傍に位置する第２の基板を介して放熱され、熱抵抗が小さいＶＣＳＥＬ素子を実現することができる。特に、第１の基板が熱伝導性が小さい材料からなる場合であっても、第１の基板とは異なる材料からなる第２の基板が接合されることにより、放熱性を確保することが可能である。
　上記第２の材料は、上記第１の材料より熱伝導性が大きい材料であってもよい。
　上記第１の材料はＩｎＰであり、上記第２の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮであってもよい。
　上記第１の基板は、ＩｎＰからなる基材上に結晶成長により形成された上記活性層を有してもよい。
　上記第１の材料はＧａＡｓであり、上記第２の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮであってもよい。
　上記第１の基板は、ＧａＡｓからなる基材上に結晶成長により形成された上記活性層を有してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、トンネル接合による電流狭窄構造を有してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記トンネル接合による光狭窄構造を有してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、酸化処理による電流狭窄構造を有してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、イオン注入による電流狭窄構造を有してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記第２の基板に設けられた凸部と、上記凸部上に設けられた上記第２のＤＢＲ層によって形成され、入射光を、上記活性層のうち上記第１のＤＢＲ層と上記第２のＤＢＲ層の間の領域に集光するレンズ構造を有してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は上記波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第３の材料からなり、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に接合された第３の基板をさらに具備し、
　上記第１のＤＢＲ層は、上記第３の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられていてもよい。
　上記第１のＤＢＲ層は半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲであり、
　上記第２のＤＢＲ層は半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲであってもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記第２のＤＢＲ層側からレーザ光を出射してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記第１のＤＢＲ層側からレーザ光を出射してもよい。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る垂直共振器型面発光レーザ素子アレイは、垂直共振器型面発光レーザ素子が複数配列されている。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、上記第１の基板に接合された第２の基板と、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、上記第２の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子が複数配列されている。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る垂直共振器型面発光レーザモジュールは、垂直共振器型面発光レーザ素子を具備する。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、上記第１の基板に接合された第２の基板と、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、上記第２の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層とを備える。
　上記第２の基板は回路基板である。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る垂直共振器型面発光レーザ素子アレイの製造方法は、第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板を形成する。
　特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなる第２の基板を形成する。
　上記第１の基板と上記第２の基板を接合し、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層の間に上記第１の基板と上記第２の基板が位置する構造を形成する
本技術の第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の一部構成の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 第１の実施形態の第１の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 第１の実施形態の第２の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 第１の実施形態の第３の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 本技術の第２の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 本技術の第３の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 本技術の第４の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 第４の実施形態の第１の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 第４の実施形態の第２の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 本技術の第５の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子アレイの断面図である。 第５の実施形態の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子アレイの断面図である。 本技術の第６の実施形態に係るＶＣＳＥＬモジュールの断面図である。 第６の実施形態の変形例に係るＶＣＳＥＬモジュールの断面図である。
　本技術の実施形態に係るＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振器型面発光レーザ）素子について説明する。
　[ＶＣＳＥＬ素子の構造]
　図１は本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００の断面図であり、図２はＶＣＳＥＬ素子１００の一部構成の断面図である。これらの図に示すように、ＶＣＳＥＬ素子１００は、第１基板１１０、第２基板１２０、第１ＤＢＲ層１３１、第２ＤＢＲ層１３２、第１電極１３３、第２電極１３４、誘電体膜１３５及び金属層１３６を備える。
　第１基板１１０は、図２に示すように、第１半導体層１１１、第２半導体層１１２、第３半導体層１１３、第４半導体層１１４、活性層１１５、第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７を備える。第１半導体層１１１は第２基板１２０上に形成され、活性層１１５は第１半導体層１１１上に形成されている。第２半導体層１１２は活性層１１５上に形成され、第３半導体層１１３は第２半導体層１１２上に形成されている。
　第１トンネル接合層１１６は、第３半導体層１１３の一部領域上に形成され、第２トンネル接合層１１７は第１トンネル接合層１１６上に形成されている。第４半導体層１１４は、第３半導体層１１３上及び第２トンネル接合層１１７上に形成され、第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７を被覆する。
　第１半導体層１１１、第２半導体層１１２及び第４半導体層１１４は、第１の半導体型を有する半導体材料からなり、例えばｎ－ＩｎＰからなる。第３半導体層１１３は、第２の半導体型を有する半導体材料からなり、例えばｐ－ＩｎＰからなる。
　活性層１１５は、自然放出光の放出及び増幅を行う。活性層１１５は、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）構造を有し、量子井戸層は例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓからなり、障壁層は例えばＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなるものとすることができる。また、活性層１１５は量子井戸構造に限られず、ＩｎＡｓ等からなる量子ドット（quantum dot）構造等を有するものであってもよい。
　第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７は、トンネル接合による電流狭窄構造を形成する。第１トンネル接合層１１６は第２の半導体型を有する半導体材料からなり、例えばｐ＋－ＩｎＰからなる。第２トンネル接合層１１７は第２の半導体型を有する半導体材料からなり、例えばｎ＋－ＩｎＰからなる。
　また、第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７はＩｎＰに限られず、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなるものであってもよい。第４半導体層１１４がＩｎＰからなる場合、ＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓとは屈折率差を有すため、第１トンネル接合層１１６及び、第２トンネル接合層１１７によって光をトンネル接合領域の近傍に集中させる作用（光狭窄作用）を生じさせることが可能となる。
　第１基板１１０は以上のような構成を有する。第１基板１１０は、ＩｎＰからなる基材にドーピング及び結晶成長により、各層を形成したものとすることができる。
　第２基板１２０は第１基板１１０とは異なる材料からなり、第１基板１１０に接合されている。図２において、第１基板１１０と第２基板１２０の接合界面を接合界面Ｓとして示す。第２基板１２０は、ＶＣＳＥＬ素子１００の発光波長（以下、波長λ）を有する光を透過するように材料及び厚みが構成されている。また、第２基板１２０は、第１基板１１０の材料より熱伝導性が大きい材料からなるものが好適であり、例えば、第１基板１１０がＩｎＰからなる場合、第２基板１２０はＳｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮ等からなるものとすることができる。
　なお、ＶＣＳＥＬ素子１００において接合界面Ｓの近傍では、第１基板１１０及び第２基板１２０の構成材料がアモルファス化されてもよい。また、接合界面Ｓを介して第１基板１１０及び第２基板１２０の格子定数が異なっていてもよい。
　第１ＤＢＲ層１３１は、第１基板１１０の、第２基板１２０とは反対側に設けられ、波長λの光を反射するＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射鏡）として機能する。第１ＤＢＲ層１３１は、低屈折率層と高屈折率層を交互に複数積層したものとすることができる。
　第１ＤＢＲ層１３１は誘電体ＤＢＲであり、低屈折率層は例えばＳｉＯ２からなり、高屈折率層は例えばＴａ２Ｏ５からなるものとすることができる。また第１ＤＢＲ層１３１は半導体ＤＢＲであり、低屈折率層は例えばＡｌＧａＡｓからなり、高屈折率層は例えばＧａＡｓからなるものとすることもできる。低屈折率層と高屈折率層の厚さはそれぞれλ／４が好適である。
　第２ＤＢＲ層１３２は、第２基板１２０の、第１基板１１０とは反対側に設けられ、波長λの光を反射するＤＢＲとして機能する。第２ＤＢＲ層１３２は、低屈折率層と高屈折率層を交互に複数積層したものとすることができる。
　第２ＤＢＲ層１３２は誘電体ＤＢＲであり、低屈折率層は例えばＳｉＯ２からなり、高屈折率層は例えばＴａ２Ｏ５からなるものとすることができる。また第２ＤＢＲ層１３２は半導体ＤＢＲであり、低屈折率層は例えばＡｌＧａＡｓからなり、高屈折率層は例えばＧａＡｓからなるものとすることもできる。低屈折率層と高屈折率層の厚さはそれぞれλ／４が好適である。
　第１電極１３３は、金属からなり、第１基板１１０上において第１ＤＢＲ層１３１の周囲に設けられ、第４半導体層１１４に導通する。なお、第１電極１３３は、第１ＤＢＲ層１３１が半導体ＤＢＲである場合、第１ＤＢＲ層１３１上に設けられてもよい。
　第２電極１３４は、金属からなり、第１半導体層１１１上に設けられ、第１半導体層１１１に導通する。なお、第２電極１３４は、第２ＤＢＲ層１３２が半導体ＤＢＲである場合、第２ＤＢＲ層１３２上に設けられてもよい。
　誘電体膜１３５は、誘電体材料からなり、第１半導体層１１１、第２半導体層１１２、第３半導体層１１３及び第４半導体層１１４の端面上に形成されている。金属層１３６は、金属からなり、第２基板１２０上に設けられ、第２ＤＢＲ層１３２を被覆する。
　ＶＣＳＥＬ素子１００は以上のような構成を有する。なお、各層の材料は上述のものに限られず、ＶＣＳＥＬ素子１００が動作可能なものであればよい。例えば、上記各層において第１の半導体型（ｎ型）と第２の半導体型（ｐ型）は逆であってもよい。また、各層の形状や厚みも適宜調整可能である。
　[第１基板の材料について]
　第１基板１１０はＩｎＰからなる基材から形成されたものに限られず、他の材料から形成されたものであってもよい。例えば第１基板１１０は、III－Ｖ族元素からなり、具体的にはＧａＡｓからなる基材にドーピング及び結晶成長により、各層を形成したものとすることもできる。
　この場合、第１の半導体型を有する半導体材料は例えばｎ－ＡｌＧａＡであり、第２の半導体型を有する半導体材料は例えばｐ－ＡｌＧａＡからなるものとすることができる。また、活性層１１５は例えば、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓからなる量子井戸層とＧａＡｓからなる障壁層を積層したものとすることができる。第２基板１２０は、第１基板１１０がＧａＡｓからなる場合、ＧａＡｓより熱伝導性が大きい材料、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮ等からなるものとすることができる。
　この他にも第１基板１１０は、ＧａＮからなる基材に各層を形成したものとしてもよい。第１基板１１０の材料については、以下の各実施形態においても同様に、ＩｎＰ材料の他、ＧａＡｓ系材料やＧａＮ系材料等とすることが可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
　第１電極１３３と第２電極１３４の間に電圧を印加すると、第１電極１３３と第２電極１３４の間で電流が流れる。電流は、第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７におけるトンネル接合による狭窄作用を受け、活性層１１５のうち第１トンネル接合層１１６に近接する領域に注入される。これにより、当該領域において自然放出光が生じる。自然放出光はＶＣＳＥＬ素子１００の積層方向（Ｚ方向）に進行し、第１ＤＢＲ層１３１及び第２ＤＢＲ層１３２によって反射される。
　第１ＤＢＲ層１３１及び第２ＤＢＲ層１３２は発振波長λを有する光を反射するように構成されている。自然放出光のうち発振波長λの成分は第１ＤＢＲ層１３１及び第２ＤＢＲ層１３２の間で定在波を形成し、活性層１１５によって増幅される。
　注入電流が閾値を超えると定在波を形成する光がレーザ発振し、第２半導体層１１２と第１ＤＢＲ層１３１の間の各層を透過してレーザ光が出射される。図１においてレーザ光が出射される面を光出射面Ｈとして示す。
　ここで、ＶＣＳＥＬ素子１００では、第１ＤＢＲ層１３１と第２ＤＢＲ層１３２の間の、活性層１１５の近傍に第２基板１２０が設けられており、活性層１１５において生じた熱は第２基板１２０に伝達され、第２基板１２０を介して放熱される。したがって、熱抵抗が小さく、高温動作が可能なＶＣＳＥＬ素子１００を実現することが可能である。
　特に第２基板１２０が第１基板１１０の材料より熱伝導性が大きい場合、放熱性がより大きくなり、熱抵抗を低減させることが可能である。また、第２基板１２０の材料は第１基板１１０の材料に係わらず、熱伝導性が高い材料を選択することができるため、設定及び製造プロセスの自由度が高い。さらに、第２基板１２０の大口径サイズで製造することが可能であるため、製造コストを低減することが可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
　ＶＣＳＥＬ素子１００の製造方法について説明する。図３乃至図７は、ＶＣＳＥＬ素子１００の製造方法を示す模式図である。
　まず、図３に示すように、第１基板１１０を作製する。第１基板１１０は、基材１５１上に、エピタキシャル結晶成長によって、エッチストップ層１５２、第１半導体層１１１、活性層１１５、第２半導体層１１２、第３半導体層１１３、第１トンネル接合層１１６、第２トンネル接合層１１７及び第４半導体層１１４を形成することにより、作製することができる。
　第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７は、リソグラフィ工程によって形成することができる。基材１５１はＩｎＰ又はＧａＡｓからなるものとすることができる。また、エッチストップ層１５２はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰからなるものとすることができる。
　続いて、図４に示すように、接着層１５３によって第１基板１１０を支持基板１５４に仮貼りし、基材１５１を除去する。接着層１５３はワックスからなり、支持基板１５４は、ＩｎＰ又はガラスからなるものとすることができる。
　続いて、図５に示すように、第１基板１１０の第１半導体層１１１側の面に第２基板１２０を接合する。同図において、第１基板１１０と第２基板１２０の接合界面を接合界面Ｓとして示す。この接合は、表面活性化接合、脱水縮合接合又は熱拡散接合等の任意の接合方法を用いることができる。なお接合界面Ｓに化学機械研磨を施しておくことにより、より接合強度を向上させることができる。
　続いて、図６に示すように、接着層１５３及び支持基板１５４を除去する。支持基板１５４は、接着層１５３をオーブン等により加熱して融解させ、有機溶媒で除去することにより、除去することが可能である。続いて、図７に示すように、第１基板１１０においてメサ（台地状構造）を形成した後、第１基板１１０上に第１ＤＢＲ層１３１、第１電極１３３、第２電極１３４及び誘電体膜１３５を形成する。
　続いて、図１に示すように、第２基板１２０を薄膜化し、第２ＤＢＲ層１３２及び金属層１２６を形成する。第２基板１２０の薄膜化はバックグラインダーを用いて行ってもよく、第２基板１２０をＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板とし、母材と酸化膜を除去して行ってもよい。ＶＣＳＥＬ素子１００は以上のようにして作製することが可能である。なお、上記製造方法では、基材１５１をエッチングした後、第２基板１２０を接合しているが、基材１５１を除去せず、基材１５１の表面に第２基板１２０を接合してもよい。
　[変形例]
　ＶＣＳＥＬ素子１００の変形例について説明する。図８は、第１の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子１００の断面図である。同図に示すように、第２基板１２０は厚膜化され、第１基板２１０とは反対側の面には、レンズ形状を有する凸部１２０ａが設けられている。凸部１２０ａの形状は、球面レンズ状であってもよく、シリンドリカルレンズ状やその他のレンズ形状であってもよい。
　これにより、凸部１２０ａ上に形成される第２ＤＢＲ層１３２の各層は凸部１２０ａの形状に沿って凹状に湾曲し、第２ＤＢＲ層１３２上に形成される金属層１３６も第２ＤＢＲ層１３２の形状に沿って凹状に湾曲する。このため、第２ＤＢＲ層２３２及び金属層２３６によってレンズ構造が形成されている。
　この構成では、第１基板１２０の厚みが厚膜化されているため、より放熱性が向上する。また、第２ＤＢＲ層１３２及び金属層１３６においてレンズ構造が形成されているため、活性層２１５から放出された光はこのレンズ構造によって活性層１１５のうちトンネル接合による狭窄領域に集光され、光狭窄作用が得られる。これにより、発光効率が向上する。
　また、図９は、第２の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子１００の断面図である。同図に示すように、第２基板１２０上に金属層１３６は設けられず、第２ＤＢＲ層１３２のみが設けられもよい。第２ＤＢＲ層１３２が半導体ＤＢＲである場合、図９に示すように、第２ＤＢＲ層１３２上に第２電極１３４を設けることが可能である。
　さらに、図１０は、第３の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子１００の断面図である。同図に示すように、第１電極１３３は、第１ＤＢＲ層１３１を被覆するように形成され、金属層１３６は、第２ＤＢＲ層１３２を被覆しないように形成されている。この構成において、第１ＤＢＲ層１３１及び第２ＤＢＲ層１３２の材料や積層数を調整することにより、第２ＤＢＲ層１３２側からレーザ光を出射させることが可能である。図１０において、レーザ光が出射される光出射面Ｈを示す。
　（第２の実施形態）
　本技術の第２の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子について説明する。
　［ＶＣＳＥＬ素子の構造］
　図１１は本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子２００の断面図である。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ素子２００は、第１基板２１０、第２基板２２０、第１ＤＢＲ層２３１、第２ＤＢＲ層２３２、第１電極２３３、第２電極２３４、誘電体膜２３５及び金属層２３６を備える。
　第１基板２１０は、図１１に示すように、第１半導体層２１１、第２半導体層２１２、第３半導体層２１３、狭窄層２１４及び活性層２１５を備える。第１半導体層２１１は第２基板２２０上に形成され、活性層２１５は第１半導体層２１１上に形成されている。
　第２半導体層２１２は活性層２１５上に形成され、狭窄層２１４は第２半導体層２１２上に形成されている。第３半導体層２１３は狭窄層２１４上に形成されている。第１半導体層２１１、第２半導体層２１２は第１の半導体型を有する材料からなり、例えばｎ－ＩｎＰからなる。第３半導体層２１３は第２の半導体型を有する材料からなり、例えばｐ－ＩｎＰからなる。
　狭窄層２１４は、電流に狭窄作用を付与する。狭窄層２１４は、注入領域２１４ａと狭窄領域２１４ｂを有する。注入領域２１４ａは狭窄層２１４の中央部分に設けられ、導電性が高い領域である。注入領域２１４ａは例えばＩｎＡｌＡｓからなる。
　狭窄領域２１４ｂは、注入領域２１４ａの周囲に設けられ、注入領域２１４ａより導電性が低い領域である。狭窄領域２１４ｂは、注入領域２１４ａの構成材料を酸化した材料からなるものとすることができる。これにより、狭窄層２１４を流れる電流は注入領域２１４ａに集中し、即ち狭窄層２１４によって電流狭窄構造が形成されている。
　活性層２１５は、自然放出光の放出及び増幅を行う。活性層２１５は、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有し、量子井戸層は例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓからなり、障壁層は例えばＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなるものとすることができる。また、活性層２１５は量子井戸構造に限られず、ＩｎＡｓ等からなる量子ドット構造等を有するものであってもよい。
　第２基板２２０、第１ＤＢＲ層２３１、第２ＤＢＲ層２３２、第１電極２３３、第２電極２３４、誘電体膜２３５及び金属層２３６は、それぞれ第１の実施形態に係る第２基板１２０、第１ＤＢＲ層１３１、第２ＤＢＲ層１３２、第１電極１３３、第２電極１３４、誘電体膜１３５及び金属層１３６と同一の構成を有する。即ち、第２基板２２０は、波長λの光を透過し、第１基板２１０とは異なる材料からなり、接合界面Ｓにおいて第１基板２１０に接合されている。
　ＶＣＳＥＬ素子２００は以上のような構成を有する。なお、各層の材料は上述のものに限られず、ＶＣＳＥＬ素子２００が動作可能なものであればよい。例えば、上記各層において第１の半導体型（ｎ型）と第２の半導体型（ｐ型）は逆であってもよい。また、各層の形状や厚みも適宜調整可能である。
　また、ＶＣＳＥＬ素子２００においても第１の実施形態と同様に、第２基板２２０にレンズ構造（図８参照）を形成してもよく、金属層２３６に替えて第２ＤＢＲ層２３２を設けてもよい（図９参照）。さらに、第２ＤＢＲ層２３２側からレーザ光を出射する構成(図１０参照）とすることも可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
　ＶＣＳＥＬ素子２００では、電流が狭窄層２１４によって狭窄される他は第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００と同様に動作し、第２基板２２０によって放熱がなされる。したがって、熱抵抗が小さく、高温動作が可能なＶＣＳＥＬ素子２００を実現することが可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
　ＶＣＳＥＬ素子２００は、第１の実施形態と同様に、第１基板２１０と第２基板２２０を接合することにより製造することが可能である。狭窄領域２１４ｂは第１基板２１０においてメサを形成した後、狭窄層２１４の構成材料に酸化処理を施すことによって形成することが可能である。
　（第３の実施形態）
　本技術の第３の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子について説明する。
　［ＶＣＳＥＬ素子の構造］
　図１２は本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子３００の断面図である。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ素子３００は、第１基板３１０、第２基板３２０、第１ＤＢＲ層３３１、第２ＤＢＲ層３３２、第１電極３３３、第２電極３３４、誘電体膜３３５及び金属層３３６を備える。
　第１基板３１０は、図１２に示すように、第１半導体層３１１、第２半導体層３１２及び活性層３１３を備える。第１半導体層３１１は第２基板３２０上に形成され、活性層３１３は第１半導体層３１１上に形成されている。第２半導体層３１２は活性層３１３上に形成されている。第１半導体層３１１は第１の半導体型を有する材料からなり、例えばｎ－ＩｎＰからなる。第２半導体層３１２は第２の半導体型を有する材料からなり、例えばｐ－ＩｎＰからなる。
　活性層３１３は、自然放出光の放出及び増幅を行う。活性層３１３は、量子井戸層と障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有し、量子井戸層は例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓからなり、障壁層は例えばＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなるものとすることができる。また、活性層３１３は量子井戸構造に限られず、ＩｎＡｓ等からなる量子ドット構造等を有するものであってもよい。
　第１半導体層３１１、第２半導体層３１２及び活性層３１３は、中央部分を除いて高抵抗化処理が施されている。図１１において、高抵抗化処理が施された領域を高抵抗領域Ｒとして示す。高抵抗化処理は例えばホウ素のイオン注入である。これにより、第１半導体層３１１、第２半導体層３１２及び活性層３１３を流れる電流は高抵抗領域Ｒを流れにくくなり、電流狭窄構造が形成されている。
　第２基板３２０、第１ＤＢＲ層３３１、第２ＤＢＲ層３３２、第１電極３３３、第２電極３３４、誘電体膜３３５及び金属層３３６は、それぞれ第１の実施形態に係る第２基板１２０、第１ＤＢＲ層１３１、第２ＤＢＲ層１３２、第１電極１３３、第２電極１３４、誘電体膜１３５及び金属層１３６と同一の構成を有する。即ち、第２基板３２０は、波長λの光を透過し、第１基板３１０とは異なる材料からなり、接合界面Ｓにおいて第１基板３１０に接合されている。
　ＶＣＳＥＬ素子３００は以上のような構成を有する。なお、各層の材料は上述のものに限られず、ＶＣＳＥＬ素子３００が動作可能なものであればよい。例えば、上記各層において第１の半導体型（ｎ型）と第２の半導体型（ｐ型）は逆であってもよい。また、各層の形状や厚みも適宜調整可能である。
　また、ＶＣＳＥＬ素子３００においても第１の実施形態と同様に、第２基板３２０にレンズ構造（図８参照）を形成してもよく、金属層３３６に替えて第２ＤＢＲ層３３２を設けてもよい（図９参照）。さらに、第２ＤＢＲ層３３２側からレーザ光を出射する構成(図１０参照）とすることも可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
　ＶＣＳＥＬ素子３００では、電流が高抵抗領域Ｒによって狭窄される他は第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００と同様に動作し、第２基板３２０によって放熱がなされる。したがって、熱抵抗が小さく、高温動作が可能なＶＣＳＥＬ素子３００を実現することが可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
　ＶＣＳＥＬ素子３００は、第１の実施形態と同様に、第１基板３１０と第２基板３２０を接合することにより製造することが可能である。高抵抗領域Ｒは第１基板３１０においてメサを形成した後、メサ中央部をマスクした上でイオンインプラントを行うことにより形成することが可能である。
　（第４の実施形態）
　本技術の第４の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子について説明する。
　［ＶＣＳＥＬ素子の構造］
　図１３は本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子４００の断面図である。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ素子４００は、第１基板４１０、第２基板４２０、第３基板４３０、第１ＤＢＲ層４３１、第２ＤＢＲ層４３２、第１電極４３３、第２電極４３４、誘電体膜４３５及び金属層４３６を備える。
　第１基板４１０、第２基板４２０、第２ＤＢＲ層４３２、第２電極４３４、誘電体膜４３５及び金属層４３６は、それぞれ第１の実施形態に係る第１基板１１０、第２基板１２０、第２ＤＢＲ層１３２、第２電極１３４、誘電体膜１３５及び金属層１３６と同一の構成を有する。
　即ち、第１基板４１０は、第１半導体層４１１、第２半導体層４１２、第３半導体層４１３、第４半導体層４１４、活性層４１５、第１トンネル接合層４１６及び第２トンネル接合層４１７を備え、それぞれ、第１半導体層１１１、第２半導体層１１２、第３半導体層１１３、第４半導体層１１４、活性層１１５、第１トンネル接合層１１６及び第２トンネル接合層１１７と同一の構成を有する。
　第２基板４２０は、波長λの光を透過し、第１基板４１０とは異なる材料からなり、第１基板４１０に接合されている。図１３において、第１基板４１０と第２基板４２０の接合界面を接合界面Ｓ１として示す。
　第３基板４３０は、第１基板４１０とは異なる材料からなり、第１基板４１０のうち接合界面Ｓ１とは反対側に接合されている。図１３において、第１基板４１０と第３基板４３０の接合界面を接合界面Ｓ２として示す。第３基板４３０は、ＶＣＳＥＬ素子４００の発光波長λを有する光を透過するように材料及び厚みが構成されている。
　また、第３基板４３０は、第１基板４１０の材料より熱伝導性が大きい材料からなるものが好適であり、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮ等からなるものとすることができる。第３基板４３０の材料は第２基板４２０の材料と同一であってもよく、異なってもよい。
　第１ＤＢＲ層４３１は、第３基板４３０の、第１基板４１０とは反対側に設けられ、波長λの光を反射するＤＢＲとして機能する。第１ＤＢＲ層４３１は、低屈折率層と高屈折率層を交互に複数積層したものとすることができる。
　第１ＤＢＲ層４３１は誘電体ＤＢＲであり、低屈折率層は例えばＳｉＯ２からなり、高屈折率層は例えばＴａ２Ｏ５からなるものとすることができる。また第１ＤＢＲ層４３１は半導体ＤＢＲであり、低屈折率層は例えばＡｌＧａＡｓからなり、高屈折率層は例えばＧａＡｓからなるものとすることもできる。低屈折率層と高屈折率層の厚さはそれぞれλ／４が好適である。
　第１電極４３３は、金属からなり、第３基板４３０上において第１ＤＢＲ層４３１の周囲に設けられ、第３基板４３０に導通する。なお、第１電極４３３は、第１ＤＢＲ層４３１が半導体ＤＢＲである場合、第１ＤＢＲ層４３１上に設けられてもよい。
　ＶＣＳＥＬ素子４００は以上のような構成を有する。なお、各層の材料は上述のものに限られず、ＶＣＳＥＬ素子４００が動作可能なものであればよい。例えば、上記各層において第１の半導体型（ｎ型）と第２の半導体型（ｐ型）は逆であってもよい。また、各層の形状や厚みも適宜調整可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
　ＶＣＳＥＬ素子４００は、第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子４００と同様に動作する。ここで、ＶＣＳＥＬ素子４００では、第１ＤＢＲ層４３１と第２ＤＢＲ層４３２の間に第２基板４２０及び第３基板４３０が設けられている。これにより、活性層４１５において生じた熱は、第２基板４２０だけでなく第３基板４３０からも放熱されるため、ＶＣＳＥＬ素子４００はより高い放熱性を有し、高温動作に好適である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
　ＶＣＳＥＬ素子４００は、第１基板４１０に第２基板４２０及び第３基板４３０を接合することにより製造することが可能である。第３基板４３０は、第２基板４２０と同様の方法によって第１基板４１０に接合することが可能である。
　［変形例］
　ＶＣＳＥＬ素子４００の変形例について説明する。図１４は、第１の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子４００の断面図である。同図に示すように、第２基板４２０の第１基板４１０とは反対側の面には、レンズ形状を有する凸部４２０ａが設けられている。凸部４２０ａの形状は、球面レンズ状であってもよく、シリンドリカルレンズ状やその他のレンズ形状であってもよい。
　これにより、凸部４２０ａ上に形成される第２ＤＢＲ層４３２の各層は凸部４２０ａの形状に沿って凹状に湾曲し、第２ＤＢＲ層４３２上に形成される金属層４３６も第２ＤＢＲ層４３２の形状に沿って凹状に湾曲する。このため、第２ＤＢＲ層４３２及び金属層４３６によってレンズ構造が形成されている。
　この構成では、第２ＤＢＲ層４３２及び金属層４３６によってレンズ構造が形成されているため、活性層４１５から放出された光はこのレンズ構造によって活性層４１５のうちトンネル接合による狭窄領域に集光され、光狭窄作用が得られる。これにより、発光効率が向上する。
　図１５は、第２の変形例に係るＶＣＳＥＬ素子４００の断面図である。同図に示すように、第２基板４２０に設けられた凸部４２０ａに加え、第３基板４３０の第１基板４１０とは反対側の面にはレンズ形状を有する凸部４３０ａが設けられている。凸部４３０ａの形状は、球面レンズ状であってもよく、シリンドリカルレンズ状やその他のレンズ形状であってもよい。
　これにより、凸部４３０ａ上に形成される第１ＤＢＲ層４３１の各層は凸部４３０ａの形状に沿って凹状に湾曲し、レンズ構造が形成されている。この構成では、第２基板４２０及び第３基板４３０の両方においてレンズ構造が形成されているため、活性層４１５から放出された光は両方のレンズ構造によって活性層４１５のうちトンネル接合による狭窄領域に集光され、光狭窄作用が得られる。これにより、発光効率がさらに向上する。
　なお、ＶＣＳＥＬ素子４００では、第２基板４２０にレンズ構造が設けられず、第３基板４３０のみにレンズ構造が設けられてもよい。また、ＶＣＳＥＬ素子４００は、第２基板４２０側にレーザ光が出射されるように構成されてもよい。さらに、本実施形態においては、ＶＣＳＥＬ素子４００はトンネル接合による電流狭窄構造を有するものとしたが、第２の実施形態に係る酸化による電流狭窄構造又は第３の実施形態に係る高抵抗化による電流狭窄構造を有するものであってもよい。
　（第５の実施形態）
　本技術の第５の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子アレイについて説明する。
　図１６は、本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子アレイ５００の断面図である。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ素子アレイ５００は、複数のＶＣＳＥＬ素子１００が配列されたアレイである。図１６ではＶＣＳＥＬ素子アレイ５００は３つのＶＣＳＥＬ素子１００を含むが、ＶＣＳＥＬ素子１００の数は複数であればよく、３つに限られない。
　各ＶＣＳＥＬ素子１００は第１の実施形態において説明した構成を有し、第１トンネル接合層１１６、第２トンネル接合層１１７、第１ＤＢＲ層１３１及び第２ＤＢＲ層１３２を除く各層は、複数のＶＣＳＥＬ素子１００の間で連続した層である。
　ＶＣＳＥＬ素子アレイ５００は、第１基板１１０と第２基板１２０に、各ＶＣＳＥＬ素子１００に対応する構造を形成した後、第１基板１１０と第２基板１２０を接合することで形成することができる。
　この構造においても、各ＶＣＳＥＬ素子１００において第１ＤＢＲ層１３１と第２ＤＢＲ層１３２の間に第２基板１２０が設けられているため、各ＶＣＳＥＬ素子１００は高い放熱性を有するものとすることができる。
　［変形例］
　ＶＣＳＥＬ素子アレイ５００の変形例について説明する。図１７は、変形例に係るＶＣＳＥＬ素子アレイ５００の断面図である。同図に示すように、各ＶＣＳＥＬ素子１００において第２基板１２０の第１基板１１０とは反対側の面には、レンズ形状を有する凸部１２０ａが設けられ、第２ＤＢＲ層１３２及び金属層１３６によってレンズ構造が形成されてもよい。
　さらに、本実施形態においても、各ＶＣＳＥＬ素子１００はトンネル接合による電流狭窄構造を有するものとしたが、第２の実施形態に係る酸化による電流狭窄構造又は第３の実施形態に係る高抵抗化による電流狭窄構造を有するものであってもよい。また、ＶＣＳＥＬ素子アレイ５００は、第２基板１２０に加え、第４の実施形態と同様に第３の基板を備えるものであってもよい。
　（第６の実施形態）
　本技術の第６の実施形態に係るＶＣＳＥＬモジュールについて説明する。
　図１８は、本実施形態に係るＶＣＳＥＬモジュール６００の断面図である。同図に示すように、ＶＣＳＥＬモジュール６００は、複数のＶＣＳＥＬ素子１００を備え、第１基板１１０と第２基板１２０が接合されて構成されている。ＶＣＳＥＬ素子１００は第１の実施形態と同様の構成を有するが、第２基板１２０は回路基板であり、放熱部１２０ｂ及び回路部１２０ｃを備える。また、ＶＣＳＥＬモジュール６００は１つのＶＣＳＥＬ素子１００を備えるものであってもよい。
　放熱部１２０ｂは各ＶＣＳＥＬ素子１００において、第１基板１１０と第２ＤＢＲ層１３２の間に設けられている。放熱部１２０ｂは第１基板１１０と異なる材料からなり、ＶＣＳＥＬ素子１００の発光波長λを有する光を透過するように構成され、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮ等からなる。
　回路部１２０ｃは、例えば配線層や絶縁層が積層されたＩＣ（integrated circuit）を構成している。第２基板１２０には、フォトダイオード６０１が設けられており、ＶＣＳＥＬモジュール６００によって、ＶＣＳＥＬ素子１００を発光素子、フォトダイオード６０１を受光素子とするＴＯＦ（Time Of Flight）モジュールが構成されている。
　ＶＣＳＥＬモジュール６００は、第１基板１１０と第２基板１２０を接合することにより作製することが可能である。ＶＣＳＥＬ素子１００はシリコンフォトニクスとの親和性が高く、ＴＯＦモジュールやパッケージへの応用展開が容易である。
　なお、図１８に示すように、ＶＣＳＥＬモジュール６００が複数のＶＣＳＥＬ素子１００を備える場合、回路基板である第２基板１２０に実装することにより各ＶＣＳＥＬ素子１００を独立駆動させることができる。
　［変形例］
　ＶＣＳＥＬモジュール６００の変形例について説明する。図１９は、変形例に係るＶＣＳＥＬモジュール６００の断面図である。同図に示すように、各ＶＣＳＥＬ素子１００において第２基板１２０の第１基板１１０とは反対側の面には、レンズ形状を有する凸部１２０ａが設けられ、第２ＤＢＲ層１３２及び金属層１３６によってレンズ構造が形成されてもよい。
　さらに、本実施形態において、各ＶＣＳＥＬ素子１００はトンネル接合による電流狭窄構造を有するものとしたが、第２の実施形態に係る酸化による電流狭窄構造又は第３の実施形態に係る高抵抗化による電流狭窄構造を有するものであってもよい。また、ＶＣＳＥＬモジュール６００は、第２基板１２０に加え、第４の実施形態と同様に第３の基板を備えるものであってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
　（１）　　
　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、
　特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、上記第１の基板に接合された第２の基板と、
　上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
　上記第２の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層と
　を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（２）
　上記（１）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第２の材料は、上記第１の材料より熱伝導性が大きい材料である
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（３）
　上記（１）又は（２）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第１の材料はＩｎＰであり、
　上記第２の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮである
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（４）
　上記（３）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第１の基板は、ＩｎＰからなる基材上に結晶成長により形成された上記活性層を有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（５）
　上記（１）又は（２）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第１の材料はＧａＡｓであり、
　上記第２の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮである
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（６）
　上記（５）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第１の基板は、ＧａＡｓからなる基材上に結晶成長により形成された上記活性層を有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（７）
　上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　トンネル接合による電流狭窄構造を有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（８）
　上記（７）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記トンネル接合による光狭窄構造を有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（９）
　上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　酸化処理による電流狭窄構造を有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１０）
　上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　イオン注入による電流狭窄構造を有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１１）
　上記（１）から（１０）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第２の基板に設けられた凸部と、上記凸部上に設けられた上記第２のＤＢＲ層によって形成され、入射光を、上記活性層のうち上記第１のＤＢＲ層と上記第２のＤＢＲ層の間の領域に集光するレンズ構造
　を有する垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１２）
　上記（１）から（１１）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第３の材料からなり、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に接合された第３の基板をさらに具備し、
　上記第１のＤＢＲ層は、上記第３の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられている
　を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１３）
　上記（１）から（１２）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第１のＤＢＲ層は半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲであり、
　上記第２のＤＢＲ層は半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲである
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１４）
　上記（１）から（１３）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第２のＤＢＲ層側からレーザ光を出射する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１５）
　上記（１）から（１３）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記第１のＤＢＲ層側からレーザ光を出射する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１６）
　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、上記第１の基板に接合された第２の基板と、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、上記第２の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子が複数配列された
　垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ。
　（１７）
　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、上記第１の基板に接合された第２の基板と、上記第１の基板の、上記第２の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、上記第２の基板の、上記第１の基板とは反対側に設けられ、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子
　を具備し、
　上記第２の基板は回路基板である
　垂直共振器型面発光レーザモジュール。
　（１８）
　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板を形成し、
　特定の波長を有する光を透過し、上記第１の基板とは異なる第２の材料からなる第２の基板を形成し、
　上記第１の基板と上記第２の基板を接合し、上記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、上記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層の間に上記第１の基板と上記第２の基板が位置する構造を形成する
　垂直共振器型面発光レーザ素子アレイの製造方法。
　１００、２００、３００、４００…ＶＣＳＥＬ素子
　１１０、２１０、３１０、４１０…第１基板
　１２０、２２０、３２０、４２０…第２基板
　４３０…第３基板
　１３１、２３１、３３１、４３１…第１ＤＢＲ層
　１３２、２３２、３３２、４３２…第２ＤＢＲ層
　１１５、２１５、３１５、４１５…活性層
　５００…ＶＣＳＥＬ素子アレイ
　６００…ＶＣＳＥＬモジュール

Claims (18)

  1. 　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、
    　特定の波長を有する光を透過し、前記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、前記第１の基板に接合された第２の基板と、
    　前記第１の基板の、前記第２の基板とは反対側に設けられ、前記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、
    　前記第２の基板の、前記第１の基板とは反対側に設けられ、前記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層と
    　を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
  2. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第２の材料は、前記第１の材料より熱伝導性が大きい材料である
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  3. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第１の材料はＩｎＰであり、
    　前記第２の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮである
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  4. 　請求項３に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第１の基板は、ＩｎＰからなる基材上に結晶成長により形成された前記活性層を有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  5. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第１の材料はＧａＡｓであり、
    　前記第２の材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ又はＧａＮである
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  6. 　請求項５に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第１の基板は、ＧａＡｓからなる基材上に結晶成長により形成された前記活性層を有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  7. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　トンネル接合による電流狭窄構造を有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  8. 　請求項７に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記トンネル接合による光狭窄構造を有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  9. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　酸化処理による電流狭窄構造を有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  10. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　イオン注入による電流狭窄構造を有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  11. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第２の基板に設けられた凸部と、前記凸部上に設けられた前記第２のＤＢＲ層によって形成され、入射光を、前記活性層のうち前記第１のＤＢＲ層と前記第２のＤＢＲ層の間の領域に集光するレンズ構造
    　を有する垂直共振器型面発光レーザ素子。
  12. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記波長を有する光を透過し、前記第１の基板とは異なる第３の材料からなり、前記第１の基板の、前記第２の基板とは反対側に接合された第３の基板をさらに具備し、
    　前記第１のＤＢＲ層は、前記第３の基板の、前記第１の基板とは反対側に設けられている
    　を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
  13. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第１のＤＢＲ層は半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲであり、
    　前記第２のＤＢＲ層は半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲである
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  14. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第２のＤＢＲ層側からレーザ光を出射する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  15. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記第１のＤＢＲ層側からレーザ光を出射する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  16. 　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、特定の波長を有する光を透過し、前記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、前記第１の基板に接合された第２の基板と、前記第１の基板の、前記第２の基板とは反対側に設けられ、前記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、前記第２の基板の、前記第１の基板とは反対側に設けられ、前記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子が複数配列された
    　垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ。
  17. 　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板と、特定の波長を有する光を透過し、前記第１の基板とは異なる第２の材料からなり、前記第１の基板に接合された第２の基板と、前記第１の基板の、前記第２の基板とは反対側に設けられ、前記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、前記第２の基板の、前記第１の基板とは反対側に設けられ、前記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層とを備える垂直共振器型面発光レーザ素子
    　を具備し、
    　前記第２の基板は回路基板である
    　垂直共振器型面発光レーザモジュール。
  18. 　第１の材料からなり、活性層が設けられた第１の基板を形成し、
    　特定の波長を有する光を透過し、前記第１の基板とは異なる第２の材料からなる第２の基板を形成し、
    　前記第１の基板と前記第２の基板を接合し、前記波長の光を反射する第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、前記波長の光を反射する第２のＤＢＲ層の間に前記第１の基板と前記第２の基板が位置する構造を形成する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子アレイの製造方法。
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