WO2021187282A1 - 面発光レーザ - Google Patents

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Definitions

  • This disclosure relates to a surface emitting laser.
  • the surface emitting laser is disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2.
  • Surface emitting lasers are required to have both high light output and low drive voltage. Therefore, it is desirable to provide a surface emitting laser capable of achieving both a high light output and a low drive voltage.
  • the surface emitting laser includes a first DBR (distributed Bragg reflector) layer, an active layer, a second DBR layer and a first conductive contact layer in this order, and further comprises a first DBR layer and an active layer. It has a laminated structure including a second conductive contact layer and a two-dimensional electron gas generation layer in between or in the first DBR layer.
  • the surface emitting laser further includes a first electrode layer in contact with the first conductive type contact layer and a second electrode layer in contact with the second conductive type contact layer.
  • the driving voltage of the surface emitting laser is reduced by the second conductive type contact layer in contact with the second electrode layer, and the surface emitting laser is provided near the second conductive type contact layer 2
  • the dimensional electron gas generation layer ensures carrier transport even when the second conductive contact layer is thinned.
  • FIG. 1 shows an example of cross-sectional configuration of the surface emitting laser 1.
  • the surface emitting laser 1 is provided with a vertical resonator on the substrate 10.
  • the vertical resonator is configured to oscillate at an oscillation wavelength of ⁇ 0 by two DBR (distributed Bragg reflector) layers (n-type DBR layer 21 and p-type DBR layer 27) facing each other in the normal direction of the substrate 10. .
  • the n-type DBR layer 21 corresponds to a specific example of the “first DBR layer” of the present disclosure.
  • the p-type DBR layer 27 corresponds to a specific example of the “second DBR layer” of the present disclosure.
  • the n-type DBR layer 21 is formed at a position closer to the substrate 10 than the p-type DBR layer 27.
  • the p-type DBR layer 27 is formed at a position distant from the substrate 10 as compared with the n-type DBR layer 21.
  • the surface emitting laser 1 is configured so that the laser beam L is emitted from the p-type DBR layer 27 side. Therefore, the surface emitting laser 1 is a top emitting type laser having a light emitting surface 1S of the laser beam L on the upper surface.
  • the surface emitting laser 1 includes an epitaxial laminated structure 20 formed on a substrate 10 by an epitaxial crystal growth method using the substrate 10 as a crystal growth substrate.
  • the epitaxial laminated structure 20 includes, for example, an n-type DBR layer 21, a two-dimensional electron gas generation layer 22, an n-type contact layer 23, a spacer layer 24, an active layer 25, a spacer layer 26, a p-type DBR layer 27, and a p-type contact layer. 28 is included in this order from the substrate 10 side.
  • the n-type contact layer 23 corresponds to a specific example of the "first conductive type contact layer" of the present disclosure.
  • the p-type contact layer 28 corresponds to a specific example of the “second conductive type contact layer” of the present disclosure.
  • the spacer layer 24, the active layer 25, the spacer layer 26, the p-type DBR layer 27, and the p-type contact layer 28 constitute a columnar mesa portion 20A extending in the normal direction of the substrate 10. doing.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 and the n-type contact layer 23 are provided in the region on the n-type DBR layer 21 side in the positional relationship with the mesa portion 20A.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is provided at least at a position facing the mesa portion 20A and the electrode layer 31 with the n-type contact layer 23 in between.
  • the n-type contact layer 23 is formed at a position closer to the active layer 25 than the two-dimensional electron gas generation layer 22.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 and the n-type contact layer 23 are provided between the n-type DBR layer 21 and the active layer 25.
  • the substrate 10 is arranged at a position facing the mesa portion 20A via the two-dimensional electron gas generation layer 22 and the n-type contact layer 23.
  • the surface emitting laser 1 includes an electrode layer 32 in contact with the top of the mesa portion 20A (that is, the p-type contact layer 28), and includes an electrode layer 31 in contact with the n-type contact layer 23 extending to the skirt of the mesa portion 20A.
  • the p-type contact layer 28 is a layer for ohmic contacting the p-type DBR layer 27 and the electrode layer 32 with each other.
  • the n-type contact layer 23 is a layer that serves as a current path between the electrode layer 31 and the central portion of the mesa portion 20A.
  • the electrode layer 32 has, for example, a ring shape having an opening at least at a position facing the light emitting region of the active layer 25.
  • the surface exposed in the opening of the electrode layer 32 is the light emitting surface 1S.
  • the electrode layer 31 is in contact with the surface of the n-type contact layer 23 on the active layer 25 side, which corresponds to the skirt of the mesa portion 20A (that is, the exposed surface that is not covered by the mesa portion 20A and is exposed). ing.
  • the electrode layer 32 corresponds to a specific example of the “first electrode layer” of the present disclosure.
  • the electrode layer 31 corresponds to a specific example of the “second electrode layer” of the present disclosure.
  • the surface emitting laser 1 is formed of, for example, an arsenic semiconductor.
  • the arsenic semiconductor refers to a compound semiconductor containing an arsenic (As) element and at least one of aluminum (Al), gallium (Ga), and indium (In).
  • the substrate 10 is, for example, an n-type semiconductor substrate. Examples of the n-type semiconductor substrate that can be used for the substrate 10 include an n-type GaAs substrate.
  • the substrate 10 may be a semi-insulating semiconductor substrate. Examples of the semi-insulating semiconductor substrate that can be used for the substrate 10 include a GaAs substrate.
  • the substrate 10 may be a semi-insulating semiconductor substrate from the viewpoint of reducing the absorption of light emitted from the active layer 25. Examples of the semi-insulating semiconductor substrate that can be used for the substrate 10 include a semi-insulating GaAs substrate.
  • the n-type DBR layer 21 is formed by alternately laminating low refractive index layers (not shown) and high refractive index layers (not shown).
  • the low refractive index layer is composed of, for example, n-type Alx1Ga1-x1As (0 ⁇ x1 ⁇ 1) having an optical thickness of ⁇ 0 ⁇ 1/4 ( ⁇ 0 is an oscillation wavelength), and the high refractive index layer is, for example. It is composed of n-type Alx2Ga1-x2As (0 ⁇ x2 ⁇ x1) having an optical thickness of ⁇ 0 ⁇ 1/4.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is configured to be capable of generating a state in which electrons are two-dimensionally distributed in the semiconductor layer.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is configured such that, for example, a barrier is created in the conduction band at the boundary between two types of laminated semiconductor layers, and the Fermi level is above the conduction band by adjusting the voltage and doping. ing.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed in a laminated body composed of, for example, a non-doped GaAs layer 22c, a non-doped AlGaAs layer 22b, and an n-type AlGaAs layer 22a in this order from the n-type contact layer 23 side.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed in, for example, an n-type AlGaAs layer 22a, a non-doped AlGaAs layer 22b, and a non-doped GaAs layer 22c laminated in this order on an n-type DBR layer 21. ..
  • a barrier is formed in the conduction band near the boundary between the non-doped GaAs layer 22c and the non-doped AlGaAs layer 22b, and the Fermi level EF is formed. It is above the conduction band. Therefore, of the non-doped GaAs layer 22c, the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed near the boundary between the non-doped GaAs layer 22c and the non-doped AlGaAs layer 22b.
  • the n-type contact layer 23 is made of, for example, n-type GaAs.
  • the spacer layer 24 is made of, for example, n-type Alx3Ga1-x3As (0 ⁇ x3 ⁇ 1). Examples of the n-type impurities in the n-type DBR layer 21, the n-type AlGaAs layer 22a, the n-type contact layer 23, and the spacer layer 24 include silicon (Si).
  • the active layer 25 is, for example, a barrier layer (not shown) composed of an undoped Inx4Ga1-x4As (0 ⁇ x4 ⁇ 1) well layer (not shown) and an undoped Alx5Ga1-x5As (0 ⁇ x5 ⁇ 1). It has a multiple quantum well structure in which The region of the active layer 25 facing the current injection region 29B (described later) is the light emitting region.
  • the spacer layer 26 is made of, for example, p-type Alx6Ga1-x6As (0 ⁇ x6 ⁇ 1).
  • the p-type DBR layer 27 is formed by alternately laminating low refractive index layers (not shown) and high refractive index layers (not shown).
  • the low refractive index layer is composed of, for example, p-type Alx7Ga1-x7As (0 ⁇ x7 ⁇ 1) having an optical thickness of ⁇ 0 ⁇ 1/4
  • the high refractive index layer is, for example, an optical thickness of ⁇ 0 ⁇ . It is composed of 1/4 n-type Alx8Ga1-x8As (0 ⁇ x8 ⁇ x7).
  • the p-type DBR layer 27 is configured to have a smaller reflectance with respect to the oscillation wavelength ⁇ 0 of the vertical resonator in the mesa portion 20A as compared with the n-type DBR layer 21.
  • the p-type DBR layer 27 is formed thinner than, for example, the n-type DBR layer 21.
  • the p-type contact layer 28 is made of, for example, p-type Alx9Ga1-x9As (0 ⁇ x9 ⁇ 1). Examples of the p-type impurities in the spacer layer 26, the p-type DBR layer 27 and the p-type contact layer 28 include carbon (C).
  • the epitaxial laminated structure 20 has a current constriction layer 29 in the p-type DBR layer 27 or between the p-type DBR layer 27 and the spacer layer 26.
  • the current constriction layer 29 has a current injection region 29B and a current constriction region 29A.
  • the current constriction region 29A is formed in a peripheral region of the current injection region 29B.
  • the current injection region 29B is composed of, for example, p-type Alx10Ga1-x10As (0 ⁇ x10 ⁇ 1).
  • the current constriction region 29A is composed of, for example, Al2O3 (aluminum oxide), and can be obtained, for example, by oxidizing a high concentration of Al contained in the AlAs layer described later from the side surface. Therefore, the current constriction layer 29 has a function of constricting the current.
  • the electrode layer 31 is in contact with the surface of the n-type contact layer 23 on the mesa portion 20A side.
  • the electrode layer 31 is composed of an alloy, and is, for example, a laminated body formed by laminating AuGe, Ni, and Au in order from the n-type contact layer 23 side.
  • the electrode layer 32 is made of a non-alloy, and is, for example, a laminated body formed by laminating Ti, Pt, and Au in order from the p-type contact layer 28 side.
  • An insulating layer 33 is formed around the mesa portion 20A.
  • the insulating layer 33 is a layer for protecting the mesa portion 20A, and is composed of, for example, SiO2 or Si3N4.
  • compound semiconductors are collectively formed on a substrate 10 made of GaAs, for example, by an epitaxial crystal growth method such as a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. do.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • raw materials for the compound semiconductor for example, methylaluminum (TMAl), trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn) and other methyl-based organometallic gases and arsine (AsH3) gas are used as raw materials for donor impurities.
  • As the raw material of the acceptor impurity for example, disilane (Si2H6) is used, and for example, carbon tetrabromide (CBr4) is used.
  • an n-type DBR layer 21, a two-dimensional electron gas generation layer 22, an n-type contact layer 23, a spacer layer 24, an active layer 25, and a spacer layer are applied by an epitaxial crystal growth method such as the MOCVD method.
  • an epitaxial laminated structure 20 including a p-type DBR layer 27 and a p-type contact layer 28 is formed.
  • the epitaxial laminated structure 20 is selectively etched using this resist layer as a mask, and the epitaxial laminated structure 20 is epitaxially laminated to a depth reaching the n-type contact layer 23.
  • the structure 20 is etched.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • Cl-based gas Cl-based gas.
  • the columnar mesa portion 20A is formed.
  • the n-type contact layer 23 is exposed at the skirt of the mesa portion 20A.
  • an AlAs layer is formed at a position where the current constriction layer 29 is formed, and the AlAs layer is exposed on the side surface of the mesa portion 20A.
  • the resist layer is removed.
  • an oxidation treatment is performed at a high temperature to selectively oxidize Al contained in the AlAs layer from the side surface of the mesa portion 20A.
  • Al contained in the AlAs layer is selectively oxidized from the side surface of the mesa portion 20A by a wet oxidation method.
  • the outer edge region of the AlAs layer becomes an insulating layer (aluminum oxide), and the current constriction layer 29 is formed.
  • the insulating layer 33 covering the mesa portion 20A is formed.
  • an opening is formed at a predetermined position in the skirt of the mesa portion 20A.
  • an electrode layer 31 in contact with the surface (exposed surface) on the mesa portion 20A side of the n-type contact layer 23 is formed in the opening. In this way, the surface emitting laser 1 is manufactured.
  • the electrode layer 31 is provided on the back surface of the substrate 10.
  • the substrate 10 is composed of, for example, an n-type GaAs substrate, and a laser is applied by applying a predetermined voltage between the electrode layer 32 on the mesa portion 20A and the electrode layer 31 provided on the back surface of the substrate 10. Oscillation occurs. At this time, the drive voltage increases due to the resistance component in the thickness direction of the substrate 10 and the n-type DBR layer 21.
  • the n-type contact layer 23 is thickly formed. As a result, the resistance component in the lateral direction is lowered, and the driving voltage is reduced. However, since the n-type contact layer 23 is formed thick, light absorption occurs in the n-type contact layer 23, the threshold current deteriorates, and the light output decreases.
  • the driving voltage of the surface emitting laser 1 is reduced by the n-type contact layer 23 in contact with the electrode layer 31, and the two-dimensional electron gas generation layer 22 provided near the n-type contact layer 23 reduces the drive voltage. Even when the n-type contact layer 23 is thinned, carrier transportation is ensured. When the n-type contact layer 23 is formed thin, the light absorption in the n-type contact layer 23 is suppressed, the threshold current is reduced, and the light output is improved. On the other hand, the presence of the two-dimensional electron gas generation layer 22 ensures the transport of carriers in the lateral direction, so that the resistance component in the lateral direction is lowered and the driving voltage is reduced. Therefore, in the present embodiment, both high optical output and low drive voltage can be achieved at the same time.
  • the n-type contact layer 23 is formed at a position closer to the active layer 25 than the two-dimensional electron gas generation layer 22, and the electrode layer 31 is the surface of the n-type contact layer 23 on the active layer 25 side. It touches the exposed surface).
  • the mesa portion 20A can be formed and at the same time, the exposed surface of the n-type contact layer 23 can be formed. Therefore, both high optical output and low drive voltage can be achieved without providing a special process in the manufacturing process.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 includes the non-doped GaAs layer 22c, the non-doped AlGaAs layer 22b, and the n-type AlGaAs layer 22a in this order from the n-type contact layer 23 side, and is composed of the non-doped GaAs layer.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed near the boundary between the non-doped GaAs layer 22c and the non-doped AlGaAs layer 22b. Since the two-dimensional electron gas generation layer 22 can be formed by using the non-doped layer in this way, the light absorption in the two-dimensional electron gas generation layer 22 is suppressed, the threshold current is reduced, and the light output is improved. do. Therefore, both high optical output and low drive voltage can be achieved at the same time.
  • the spacer layer 24, the active layer 25, the spacer layer 26, the p-type DBR layer 27, and the p-type contact layer 28 constitute a columnar mesa portion 20A extending in the normal direction of the substrate 10. doing.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22, the spacer layer 24, the active layer 25, the spacer layer 26, the p-type DBR layer 27, and the p-type contact layer 28 are the substrates 10 in the epitaxial laminated structure 20.
  • An example is illustrated in which a columnar mesa portion 20A extending in the normal direction of the above is formed.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed in a laminated body composed of, for example, a non-doped GaAs layer 22c, a non-doped AlGaAs layer 22b, and an n-type AlGaAs layer 22a in this order from the n-type contact layer 23 side.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed in, for example, a laminated body formed by laminating a non-doped GaAs layer 22c, a non-doped AlGaAs layer 22b, and an n-type AlGaAs layer 22a on an n-type contact layer 23 in this order. ..
  • the non-doped GaAs layer 22c in the non-doped GaAs layer 22c, a barrier is formed in the conduction band near the boundary between the non-doped GaAs layer 22c and the non-doped AlGaAs layer 22b.
  • the Fermi level EF is above the conduction band. Therefore, of the non-doped GaAs layer 22c, the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed near the boundary between the non-doped GaAs layer 22c and the non-doped AlGaAs layer 22b.
  • the drive voltage of the surface emitting laser 1 is reduced by the n-type contact layer 23 in contact with the electrode layer 31, and the two-dimensional electron gas provided near the n-type contact layer 23 is provided.
  • the generation layer 22 ensures carrier transport even when the n-type contact layer 23 is thinned.
  • the n-type contact layer 23 is formed thin, the light absorption in the n-type contact layer 23 is suppressed, the threshold current is reduced, and the light output is improved.
  • the presence of the two-dimensional electron gas generation layer 22 ensures the transport of carriers in the lateral direction, so that the resistance component in the lateral direction is lowered and the driving voltage is reduced. Therefore, even in this modified example, both high optical output and low drive voltage can be achieved at the same time.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed at a position closer to the active layer 25 than the n-type contact layer 23, and the electrode layer 31 corresponds to the skirt of the mesa portion 20A of the n-type contact layer 23. It is in contact with a portion (that is, an exposed surface 2S that is exposed without being covered with the two-dimensional electron gas generation layer 22).
  • a portion that is, an exposed surface 2S that is exposed without being covered with the two-dimensional electron gas generation layer 22.
  • the surface emitting laser 1 is a top emitting type that emits the laser light L from the upper surface of the mesa portion 20A, but is a back emitting type that emits the laser light L from the substrate 10 side. It may be.
  • the substrate 10 may be omitted.
  • the substrate 10 can be peeled off by, for example, providing a lift-off layer between the substrate 10 and the epitaxial laminated structure 20 and irradiating the lift-off layer with a laser or the like. By peeling off the substrate 10 in this way, the light absorption loss due to the substrate 10 can be eliminated. Therefore, both high optical output and low drive voltage can be achieved at the same time.
  • the semiconductor layer provided on the top side of the mesa portion 20A in the epitaxial laminated structure 20 is made of a p-type semiconductor, and the semiconductor layer provided on the substrate 10 side in the epitaxial laminated structure 20 is formed. It was composed of an n-type semiconductor.
  • the semiconductor layer provided on the top side of the mesa portion 20A in the epitaxial laminated structure 20 is composed of an n-type semiconductor, and the semiconductor provided on the substrate 10 side in the epitaxial laminated structure 20.
  • the layer may be made of a p-type semiconductor.
  • the surface emitting laser 1 is formed of a arsenic semiconductor.
  • the surface emitting laser 1 is formed of a group III-V semiconductor containing, for example, nitrogen (N), boron (B), antimony (Sb), and phosphorus (P). You may.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 includes, for example, a non-doped GaN layer, a non-doped AlGaN layer, and an n-type AlGaN layer in this order from the n-type contact layer 23 side. It may be formed in the laminated body. At this time, for example, in the non-doped GaN layer, a barrier is formed in the conduction band near the boundary between the non-doped GaN layer and the non-doped AlGaN layer, and the Fermi level is above the conduction band.
  • the two-dimensional electron gas generation layer 22 is formed near the boundary between the non-doped GaN layer and the non-doped AlGaN layer. Therefore, also in this modified example, both high light output and low drive voltage can be achieved at the same time as in the above-described embodiment and the modified example.
  • the present disclosure may have the following structure.
  • a first DBR (distributed Bragg reflector) layer, an active layer, a second DBR layer, and a first conductive contact layer are included in this order, and a first DBR layer is provided between the first DBR layer and the active layer, or in the first DBR layer.
  • a laminated structure including a two-conductive contact layer and a two-dimensional electron gas generation layer, The first electrode layer in contact with the first conductive contact layer and A surface emitting laser including a second electrode layer in contact with the second conductive contact layer.
  • the second conductive contact layer is formed at a position closer to the active layer than the two-dimensional electron gas generating layer.
  • the active layer, the second DBR layer, and the first conductive contact layer form a columnar mesa portion.
  • the two-dimensional electron gas generation layer is formed at a position closer to the active layer than the second conductive contact layer.
  • at least the active layer, the second DBR layer, and the first conductive contact layer form a columnar mesa portion.
  • the second conductive contact layer has an exposed surface on the surface on the active layer side that is exposed without being covered with the two-dimensional electron gas generation layer at a portion corresponding to the skirt of the mesa portion.
  • the laminated structure has a non-doped GaAs layer, a non-doped AlGaAs layer, and a second conductive type AlGaAs layer in this order from the second conductive type contact layer side.
  • the laminated structure has a non-doped GaN layer, a non-doped AlGaN layer, and a second conductive type AlGaN layer in this order from the second conductive type contact layer side.
  • the driving voltage of the surface emitting laser is reduced by the second conductive contact layer in contact with the two electrode layers, and the surface emitting laser is provided near the second conductive contact layer. Since the carrier transport can be ensured even when the second conductive contact layer is thinned by the two-dimensional electron gas generation layer, both high light output and low drive voltage can be achieved at the same time.

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Abstract

本開示の一実施形態に係る面発光レーザは、第１ＤＢＲ層、活性層、第２ＤＢＲ層および第１導電型コンタクト層をこの順に含み、さらに、第１ＤＢＲ層と活性層との間、または、第１ＤＢＲ層内に第２導電型コンタクト層および２次元電子ガス生成層を含む積層構造を備える。この面発光レーザは、さらに、第１導電型コンタクト層に接する第１電極層と、第２導電型コンタクト層に接する第２電極層とを備える。

Description

面発光レーザ
　本開示は、面発光レーザに関する。
　面発光レーザについて、例えば、特許文献１，２に開示されている。
特開平１１－０４６０３８号公報 特開２０１８－１２５４０４号公報
　面発光レーザでは、高光出力と低駆動電圧を両立することが求められている。従って、高光出力と低駆動電圧を両立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（distributed Bragg reflector）層、活性層、第２ＤＢＲ層および第１導電型コンタクト層をこの順に含み、さらに、第１ＤＢＲ層と活性層との間、または、第１ＤＢＲ層内に第２導電型コンタクト層および２次元電子ガス生成層を含む積層構造を備える。この面発光レーザは、さらに、第１導電型コンタクト層に接する第１電極層と、第２導電型コンタクト層に接する第２電極層とを備える。
　本開示の一実施形態に係る面発光レーザでは、第２電極層に接する第２導電型コンタクト層によって、面発光レーザの駆動電圧が低減され、第２導電型コンタクト層の近くに設けられた２次元電子ガス生成層によって、第２導電型コンタクト層を薄くした場合であっても、キャリアの輸送が確保される。
本開示の一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の面発光レーザにおける２次元電子ガス生成層およびその近傍の層の伝導帯のエネルギー準位の一例を表す図である。 比較例に係る面発光レーザの断面構成例を表す図である。 比較例に係る面発光レーザの断面構成例を表す図である。 図１の面発光レーザの断面構成の一変形例を表す図である。 図５の面発光レーザにおける２次元電子ガス生成層およびその近傍の層の伝導帯のエネルギー準位の一例を表す図である。 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５の面発光レーザの断面構成の一変形例を表す図である。
　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。
＜実施の形態＞
[構成]
　本開示の一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。
　面発光レーザ１は、基板１０上に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）層（ｎ型ＤＢＲ層２１、ｐ型ＤＢＲ層２７）によって発振波長λ０で発振するように構成されている。ｎ型ＤＢＲ層２１は、本開示の「第１ＤＢＲ層」の一具体例に相当する。ｐ型ＤＢＲ層２７は、本開示の「第２ＤＢＲ層」の一具体例に相当する。ｎ型ＤＢＲ層２１は、ｐ型ＤＢＲ層２７と比べて基板１０寄りの位置に形成されている。ｐ型ＤＢＲ層２７は、ｎ型ＤＢＲ層２１と比べて基板１０から離れた位置に形成されている。面発光レーザ１は、ｐ型ＤＢＲ層２７側からレーザ光Ｌが出射されるように構成されている。従って、面発光レーザ１は、上面にレーザ光Ｌの光出射面１Ｓを有する上面出射型のレーザである。
　面発光レーザ１は、基板１０上に、基板１０を結晶成長基板としてエピタキシャル結晶成長法により形成されたエピタキシャル積層構造２０を備えている。エピタキシャル積層構造２０は、例えば、ｎ型ＤＢＲ層２１、２次元電子ガス生成層２２、ｎ型コンタクト層２３、スペーサ層２４、活性層２５、スペーサ層２６、ｐ型ＤＢＲ層２７およびｐ型コンタクト層２８を、基板１０側からこの順に含んで構成されている。ｎ型コンタクト層２３は、本開示の「第１導電型コンタクト層」の一具体例に相当する。ｐ型コンタクト層２８は、本開示の「第２導電型コンタクト層」の一具体例に相当する。
　エピタキシャル積層構造２０において、少なくとも、スペーサ層２４、活性層２５、スペーサ層２６、ｐ型ＤＢＲ層２７およびｐ型コンタクト層２８は、基板１０の法線方向に延在する柱状のメサ部２０Ａを構成している。２次元電子ガス生成層２２およびｎ型コンタクト層２３は、メサ部２０Ａとの位置関係で、ｎ型ＤＢＲ層２１側の領域に設けられている。２次元電子ガス生成層２２は、ｎ型コンタクト層２３を間にして、少なくとも、メサ部２０Ａおよび電極層３１と対向する位置に設けられている。ｎ型コンタクト層２３は、２次元電子ガス生成層２２よりも活性層２５寄りの位置に形成されている。２次元電子ガス生成層２２およびｎ型コンタクト層２３は、ｎ型ＤＢＲ層２１と活性層２５との間に設けられている。基板１０は、２次元電子ガス生成層２２およびｎ型コンタクト層２３を介して、メサ部２０Ａと対向する位置に配置されている。
　面発光レーザ１は、メサ部２０Ａの頂部（つまり、ｐ型コンタクト層２８）に接する電極層３２を備えており、メサ部２０Ａのすそ野に広がるｎ型コンタクト層２３に接する電極層３１を備えている。ｐ型コンタクト層２８は、ｐ型ＤＢＲ層２７と電極層３２とを互いにオーミック接触させるための層である。ｎ型コンタクト層２３は、電極層３１とメサ部２０Ａの中心部分との間の電流経路となる層である。電極層３２は、例えば、少なくとも、活性層２５の発光領域と対向する位置に開口を有するリング形状となっている。ｎ型コンタクト層２３のうち、電極層３２の開口内に露出している表面が光出射面１Ｓとなる。電極層３１は、ｎ型コンタクト層２３の、活性層２５側の表面のうち、メサ部２０Ａのすそ野に相当する箇所（つまり、メサ部２０Ａに被覆されずに露出している露出面）に接している。電極層３２は、本開示の「第１電極層」の一具体例に相当する。電極層３１は、本開示の「第２電極層」の一具体例に相当する。
　面発光レーザ１は、例えば、砒化物半導体によって形成されている。砒化物半導体とは、砒素（Ａｓ）元素を含み、またアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム(Ｉｎ)のうちの少なくとも１元素以上を含んで構成された化合物半導体を指す。基板１０は、例えば、ｎ型半導体基板である。基板１０に用いられ得るｎ型半導体基板としては、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板が挙げられる。基板１０は、半絶縁性半導体基板であってもよい。基板１０に用いられ得る半絶縁性半導体基板としては、例えば、ＧａＡｓ基板が挙げられる。基板１０は、活性層２５から発せられた光の吸収を低減する観点からは、半絶縁性半導体基板であってもよい。基板１０に用いられ得る半絶縁性半導体基板としては、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板が挙げられる。
　ｎ型ＤＢＲ層２１は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を交互に積層して構成されたものである。ｎ型ＤＢＲ層２１において、低屈折率層は例えば光学厚さがλ０×１／４（λ０は発振波長）のｎ型Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなり、高屈折率層は例えば光学厚さがλ０×１／４のｎ型Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）からなる。
　２次元電子ガス生成層２２は、半導体層内で２次元状に電子が分布する状態を生成可能に構成されている。２次元電子ガス生成層２２は、例えば、積層された２種類の半導体層の境界で伝導帯に障壁を作り、電圧やドーピングの調整により、フェルミ準位が伝導帯より上に来るように構成されている。２次元電子ガス生成層２２は、例えば、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃ、ノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂおよびｎ型ＡｌＧａＡｓ層２２ａをｎ型コンタクト層２３側からこの順に含んで構成された積層体内に形成されている。２次元電子ガス生成層２２は、例えば、ｎ型ＤＢＲ層２１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２２ａ、ノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂおよびノンドープＧａＡｓ層２２ｃをこの順に積層して構成された積層体内に形成されている。例えば、図１、図２に示したように、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃのうち、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃとノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂとの境界付近では、伝導帯に障壁が形成されており、フェルミ準位ＥＦが伝導帯より上に来ている。従って、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃのうち、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃとノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂとの境界付近に、２次元電子ガス生成層２２が形成されている。
　ｎ型コンタクト層２３は、例えば、ｎ型ＧａＡｓからなる。スペーサ層２４は、例えばｎ型Ａｌｘ３Ｇａ１－ｘ３Ａｓ（０≦ｘ３＜１）からなる。ｎ型ＤＢＲ層２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２２ａ、ｎ型コンタクト層２３およびスペーサ層２４におけるｎ型不純物としては、例えば、ケイ素（Ｓｉ）が挙げられる。
　活性層２５は、例えば、アンドープのＩｎｘ４Ｇａ１－ｘ４Ａｓ（０＜ｘ４＜１）からなる井戸層（図示せず）およびアンドープのＡｌｘ５Ｇａ１－ｘ５Ａｓ（０≦ｘ５＜１）からなる障壁層（図示せず）を交互に積層してなる多重量子井戸構造となっている。なお、活性層２５のうち電流注入領域２９Ｂ（後述）との対向領域が発光領域となる。
　スペーサ層２６は、例えばｐ型Ａｌｘ６Ｇａ１－ｘ６Ａｓ（０≦ｘ６＜１）からなる。ｐ型ＤＢＲ層２７は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を交互に積層して構成されたものである。ｐ型ＤＢＲ層２７において、低屈折率層は例えば光学厚さがλ０×１／４のｐ型Ａｌｘ７Ｇａ１－ｘ７Ａｓ（０＜ｘ７＜１）からなり、高屈折率層は例えば光学厚さがλ０×１／４のｎ型Ａｌｘ８Ｇａ１－ｘ８Ａｓ（０≦ｘ８＜ｘ７）からなる。ｐ型ＤＢＲ層２７は、ｎ型ＤＢＲ層２１と比較して、メサ部２０Ａ内の垂直共振器の発振波長λ０に対して小さな反射率を有するよう構成されている。ｐ型ＤＢＲ層２７は、例えば、ｎ型ＤＢＲ層２１と比較して薄く形成されている。ｐ型コンタクト層２８は、例えば、ｐ型Ａｌｘ９Ｇａ１－ｘ９Ａｓ（０≦ｘ９＜１）からなる。スペーサ層２６、ｐ型ＤＢＲ層２７およびｐ型コンタクト層２８におけるｐ型不純物としては、例えば、カーボン（Ｃ）が挙げられる。
　エピタキシャル積層構造２０は、ｐ型ＤＢＲ層２７内、または、ｐ型ＤＢＲ層２７とスペーサ層２６との間に、電流狭窄層２９を有している。電流狭窄層２９は、電流注入領域２９Ｂおよび電流狭窄領域２９Ａを有する。電流狭窄領域２９Ａは、電流注入領域２９Ｂの周辺領域に形成されている。電流注入領域２９Ｂは、例えばｐ型Ａｌｘ１０Ｇａ１－ｘ１０Ａｓ（０＜ｘ１０≦１）からなる。電流狭窄領域２９Ａは、例えば、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）を含んで構成されており、例えば、後述のＡｌＡｓ層に含まれる高濃度のＡｌを、側面から酸化することにより得られる。従って、電流狭窄層２９は電流を狭窄する機能を有している。
　電極層３１は、ｎ型コンタクト層２３のうち、メサ部２０Ａ側の表面に接している。電極層３１は、合金を含んで構成されており、例えば、ＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕをｎ型コンタクト層２３側から順に積層して構成された積層体となっている。電極層３２は、非合金によって構成されており、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕをｐ型コンタクト層２８側から順に積層して構成された積層体となっている。メサ部２０Ａの周囲には、絶縁層３３が形成されている。絶縁層３３は、メサ部２０Ａを保護するための層であり、例えば、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４で構成されている。
[製造方法]
　次に、本実施の形態に係る面発光レーザ１の製造方法について説明する。
　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、ｎ型ＤＢＲ層２１、２次元電子ガス生成層２２、ｎ型コンタクト層２３、スペーサ層２４、活性層２５、スペーサ層２６、ｐ型ＤＢＲ層２７およびｐ型コンタクト層２８を含むエピタキシャル積層構造２０を形成する。
　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、エピタキシャル積層構造２０を選択的にエッチングするとともに、ｎ型コンタクト層２３に達する深さまでエピタキシャル積層構造２０をエッチングする。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。このようにして、柱状のメサ部２０Ａを形成する。このとき、メサ部２０Ａのすそ野には、ｎ型コンタクト層２３が露出している。また、電流狭窄層２９が形成される箇所にＡｌＡｓ層が形成されており、メサ部２０Ａの側面にはＡｌＡｓ層が露出している。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２０Ａの側面からＡｌＡｓ層に含まれる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２０Ａの側面からＡｌＡｓ層に含まれるＡｌを選択的に酸化する。これにより、メサ部２０Ａ内において、ＡｌＡｓ層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２９が形成される。
　次に、メサ部２０Ａ（例えばｐ型コンタクト層２８）の上面に接する電極層３２を形成したのち、メサ部２０Ａを覆う絶縁層３３を形成する。このとき、メサ部２０Ａのすそ野の所定の箇所に開口を形成しておく。次に、その開口内に、ｎ型コンタクト層２３のうち、メサ部２０Ａ側の表面（露出面）に接する電極層３１を形成する。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、ｎ型コンタクト層２３と電気的に接続された電極層３１と、ｐ型コンタクト層２８と電気的に接続された電極層３２との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層２９で狭窄された電流が活性層２５に注入され、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、メサ部２０Ａ内の垂直共振器により、発振波長λ０でレーザ発振が生じる。そして、ｐ型ＤＢＲ層２７から漏れ出た光がビーム状のレーザ光Ｌとなって光出射面１Ｓから外部に出力される。
[効果]
　次に、比較例と対比しつつ、本実施の形態に係る面発光レーザ１の効果について、説明する。
　図３、図４は、比較例に係る面発光レーザ１００，２００の断面構成例を表したものである。図３に記載の面発光レーザ１００では、電極層３１が基板１０の裏面に設けられている。この場合、基板１０を例えばｎ型ＧａＡｓ基板で構成し、メサ部２０Ａ上の電極層３２と、基板１０の裏面に設けられた電極層３１との間に所定の電圧を印加することにより、レーザ発振が生じる。このとき、基板１０およびｎ型ＤＢＲ層２１の厚さ方向の抵抗成分によって、駆動電圧が高くなる。
　図４に記載の面発光レーザ２００では、ｎ型コンタクト層２３が厚く形成されている。これにより、横方向の抵抗成分が低くなり、駆動電圧が低減される。しかし、ｎ型コンタクト層２３が厚く形成されていることから、ｎ型コンタクト層２３での光吸収が生じ、閾値電流が悪化し、光出力が低下する。
　一方、本実施の形態では、電極層３１に接するｎ型コンタクト層２３によって、面発光レーザ１の駆動電圧が低減され、ｎ型コンタクト層２３の近くに設けられた２次元電子ガス生成層２２によって、ｎ型コンタクト層２３を薄くした場合であっても、キャリアの輸送が確保される。ｎ型コンタクト層２３が薄く形成された場合、ｎ型コンタクト層２３での光吸収が抑制され、閾値電流が小さくなり、光出力が改善する。一方で、２次元電子ガス生成層２２の存在により、横方向のキャリアの輸送が確保されるので、横方向の抵抗成分が低くなり、駆動電圧が低減される。従って、本実施の形態では、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
　本実施の形態では、ｎ型コンタクト層２３が２次元電子ガス生成層２２よりも活性層２５寄りの位置に形成され、電極層３１がｎ型コンタクト層２３のうち、活性層２５側の表面（露出面）に接する。これにより、製造過程において、エピタキシャル積層構造２０を選択的にエッチングすることにより、メサ部２０Ａを形成すると同時に、ｎ型コンタクト層２３の露出面を形成することができる。従って、製造過程に特別な工程を設けなくても、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
　本実施の形態では、２次元電子ガス生成層２２が、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃ、ノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂおよびｎ型ＡｌＧａＡｓ層２２ａをｎ型コンタクト層２３側からこの順に含んで構成されており、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃのうち、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃとノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂとの境界付近に、２次元電子ガス生成層２２が形成されている。このように、ノンドープの層を用いて２次元電子ガス生成層２２を形成することができるので、２次元電子ガス生成層２２での光吸収が抑制され、閾値電流が小さくなり、光出力が改善する。従って、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
＜変形例＞
[変形例Ａ]
　上記実施の形態において、例えば、図５に示したように、２次元電子ガス生成層２２とｎ型コンタクト層２３の位置関係が入れ替わっていてもよい。このとき、２次元電子ガス生成層２２は、ｎ型コンタクト層２３よりも活性層２５寄りの位置に形成され、ｎ型コンタクト層２３は、活性層２５側の表面のうち、メサ部２０Ａのすそ野に相当する箇所に、２次元電子ガス生成層２２に被覆されずに露出する露出面２Ｓを有している。エピタキシャル積層構造２０において、少なくとも、スペーサ層２４、活性層２５、スペーサ層２６、ｐ型ＤＢＲ層２７およびｐ型コンタクト層２８は、基板１０の法線方向に延在する柱状のメサ部２０Ａを構成している。なお、図５には、エピタキシャル積層構造２０において、少なくとも、２次元電子ガス生成層２２、スペーサ層２４、活性層２５、スペーサ層２６、ｐ型ＤＢＲ層２７およびｐ型コンタクト層２８が、基板１０の法線方向に延在する柱状のメサ部２０Ａを構成している場合が例示されている。
　本変形例では、２次元電子ガス生成層２２は、例えば、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃ、ノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂおよびｎ型ＡｌＧａＡｓ層２２ａをｎ型コンタクト層２３側からこの順に含んで構成された積層体内に形成されている。２次元電子ガス生成層２２は、例えば、ｎ型コンタクト層２３上に、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃ、ノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂおよびｎ型ＡｌＧａＡｓ層２２ａをこの順に積層して構成された積層体内に形成されている。本変形例では、例えば、図５、図６に示したように、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃのうち、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃとノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂとの境界付近では、伝導帯に障壁が形成されており、フェルミ準位ＥＦが伝導帯より上に来ている。従って、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃのうち、ノンドープＧａＡｓ層２２ｃとノンドープＡｌＧａＡｓ層２２ｂとの境界付近に、２次元電子ガス生成層２２が形成されている。
　本変形例では、上記実施の形態と同様、電極層３１に接するｎ型コンタクト層２３によって、面発光レーザ１の駆動電圧が低減され、ｎ型コンタクト層２３の近くに設けられた２次元電子ガス生成層２２によって、ｎ型コンタクト層２３を薄くした場合であっても、キャリアの輸送が確保される。ｎ型コンタクト層２３が薄く形成された場合、ｎ型コンタクト層２３での光吸収が抑制され、閾値電流が小さくなり、光出力が改善する。一方で、２次元電子ガス生成層２２の存在により、横方向のキャリアの輸送が確保されるので、横方向の抵抗成分が低くなり、駆動電圧が低減される。従って、本変形例でも、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
　本変形例では、２次元電子ガス生成層２２がｎ型コンタクト層２３よりも活性層２５寄りの位置に形成され、電極層３１がｎ型コンタクト層２３のうち、メサ部２０Ａのすそ野に相当する箇所（つまり、２次元電子ガス生成層２２に被覆されずに露出する露出面２Ｓ）に接する。これにより、製造過程において、エピタキシャル積層構造２０を選択的にエッチングすることにより、メサ部２０Ａを形成すると同時に、ｎ型コンタクト層２３の露出面を形成することができる。従って、製造過程に特別な工程を設けなくても、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。また、上記実施の形態と比べて、ｎ型コンタクト層２３を活性層２５からより遠くに配置することができるので、ｎ型コンタクト層２３での光吸収をより抑制することができる。
[変形例Ｂ]
　上記実施の形態およびその変形例において、２次元電子ガス生成層２２およびｎ型コンタクト層２３が、例えば、図７、図８に示したように、ｎ型ＤＢＲ層２１内に設けられていてもよい。このようにした場合であっても、上記実施の形態およびその変形例と同様に、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
[変形例Ｃ]
　上記実施の形態およびその変形例では、面発光レーザ１はメサ部２０Ａの上面からレーザ光Ｌを出射する上面出射型となっていたが、基板１０側からレーザ光Ｌを出射する裏面出射型となっていてもよい。このとき、基板１０が省略されてもよい。基板１０は、例えば、基板１０と、エピタキシャル積層構造２０との間に、リフトオフ層を設けておき、リフトオフ層にレーザなどを照射することにより、基板１０を剥離することが可能である。このように、基板１０を剥離することにより、基板１０による光吸収損失をなくすことができる。従って、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
[変形例Ｄ]
　上記実施の形態およびその変形例では、エピタキシャル積層構造２０においてメサ部２０Ａの頂部側に設けられた半導体層がｐ型半導体で構成され、エピタキシャル積層構造２０において基板１０側に設けられた半導体層がｎ型半導体で構成されていた。しかし、上記実施の形態およびその変形例において、エピタキシャル積層構造２０においてメサ部２０Ａの頂部側に設けられた半導体層がｎ型半導体で構成され、エピタキシャル積層構造２０において基板１０側に設けられた半導体層がｐ型半導体で構成されていてもよい。
[変形例Ｅ]
　上記実施の形態およびその変形例では、面発光レーザ１が、砒化物半導体によって形成されている場合が例示されていた。しかし、上記実施の形態およびその変形例において、面発光レーザ１は、例えば、窒素（Ｎ）、ホウ素（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、リン（Ｐ）を含むＩＩＩ-Ｖ族半導体によって形成されていてもよい。
　例えば、上記実施の形態およびその変形例において、２次元電子ガス生成層２２が、例えば、ノンドープＧａＮ層、ノンドープＡｌＧａＮ層およびｎ型ＡｌＧａＮ層をｎ型コンタクト層２３側からこの順に含んで構成された積層体内に形成されていてもよい。このとき、例えば、ノンドープＧａＮ層のうち、ノンドープＧａＮ層とノンドープＡｌＧａＮ層との境界付近では、伝導帯に障壁が形成されており、フェルミ準位が伝導帯より上に来ている。従って、ノンドープＧａＮ層のうち、ノンドープＧａＮ層とノンドープＡｌＧａＮ層との境界付近に、２次元電子ガス生成層２２が形成されている。従って、本変形例においても、上記実施の形態およびその変形例と同様、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
　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）
　第１ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）層、活性層、第２ＤＢＲ層および第１導電型コンタクト層をこの順に含み、さらに、前記第１ＤＢＲ層と前記活性層との間、または、前記第１ＤＢＲ層内に第２導電型コンタクト層および２次元電子ガス生成層を含む積層構造と、
　前記第１導電型コンタクト層に接する第１電極層と、
　前記第２導電型コンタクト層に接する第２電極層と
　を備えた
　面発光レーザ。
（２）
　前記第２導電型コンタクト層は、前記２次元電子ガス生成層よりも前記活性層寄りの位置に形成され、
　前記積層構造のうち、少なくとも、前記活性層、前記第２ＤＢＲ層および前記第１導電型コンタクト層が柱状のメサ部となっており、
　前記第２電極層は、前記第２導電型コンタクト層のうち、前記活性層側の表面に接する
　（１）に記載の面発光レーザ。
（３）
　前記２次元電子ガス生成層は、前記第２導電型コンタクト層よりも前記活性層寄りの位置に形成され、
　前記積層構造のうち、少なくとも、前記活性層、前記第２ＤＢＲ層および前記第１導電型コンタクト層が柱状のメサ部となっており、
　前記第２導電型コンタクト層は、前記活性層側の表面のうち、前記メサ部のすそ野に相当する箇所に、前記２次元電子ガス生成層に被覆されずに露出する露出面を有し、
　前記第２電極層は、前記前記露出面に接する
　（１）に記載の面発光レーザ。
（４）
　前記積層構造は、ノンドープＧａＡｓ層、ノンドープＡｌＧａＡｓ層および第２導電型ＡｌＧａＡｓ層を前記第２導電型コンタクト層側からこの順に有し、
　前記２次元電子ガス生成層は、前記ノンドープＧａＡｓ層のうち、前記ノンドープＡｌＧａＡｓ層と前記ノンドープＡｌＧａＡｓ層との境界付近に形成される
　（１）ないし（３）のいずれか１つに記載の面発光レーザ。
（５）
　前記積層構造は、ノンドープＧａＮ層、ノンドープＡｌＧａＮ層および第２導電型ＡｌＧａＮ層を前記第２導電型コンタクト層側からこの順に有し、
　前記２次元電子ガス生成層は、前記ノンドープＧａＮ層のうち、前記ノンドープＡｌＧａＮ層と前記ノンドープＡｌＧａＮ層との境界付近に形成される
　（１）ないし（３）のいずれか１つ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、２電極層に接する第２導電型コンタクト層によって、面発光レーザの駆動電圧を低減し、第２導電型コンタクト層の近くに設けられた２次元電子ガス生成層によって、第２導電型コンタクト層を薄くした場合であっても、キャリアの輸送を確保できるようにしたので、高光出力と低駆動電圧を両立することができる。
　本出願は、日本国特許庁において２０２０年３月１９日に出願された日本特許出願番号第２０２０－０４８９８８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 (5)

  1. 　第１ＤＢＲ（distributed Bragg reflector）層、活性層、第２ＤＢＲ層および第１導電型コンタクト層をこの順に含み、さらに、前記第１ＤＢＲ層と前記活性層との間、または、前記第１ＤＢＲ層内に第２導電型コンタクト層および２次元電子ガス生成層を含む積層構造と、
    　前記第１導電型コンタクト層に接する第１電極層と、
    　前記第２導電型コンタクト層に接する第２電極層と
    　を備えた
    　面発光レーザ。
  2. 　前記第２導電型コンタクト層は、前記２次元電子ガス生成層よりも前記活性層寄りの位置に形成され、
    　前記積層構造のうち、少なくとも、前記活性層、前記第２ＤＢＲ層および前記第１導電型コンタクト層が柱状のメサ部となっており、
    　前記第２電極層は、前記第２導電型コンタクト層のうち、前記活性層側の表面に接する
    　請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 　前記２次元電子ガス生成層は、前記第２導電型コンタクト層よりも前記活性層寄りの位置に形成され、
    　前記積層構造のうち、少なくとも、前記活性層、前記第２ＤＢＲ層および前記第１導電型コンタクト層が柱状のメサ部となっており、
    　前記第２導電型コンタクト層は、前記活性層側の表面のうち、前記メサ部のすそ野に相当する箇所に、前記２次元電子ガス生成層に被覆されずに露出する露出面を有し、
    　前記第２電極層は、前記前記露出面に接する
    　請求項１に記載の面発光レーザ。
  4. 　前記積層構造は、ノンドープＧａＡｓ層、ノンドープＡｌＧａＡｓ層および第２導電型ＡｌＧａＡｓ層を前記第２導電型コンタクト層側からこの順に有し、
    　前記２次元電子ガス生成層は、前記ノンドープＧａＡｓ層のうち、前記ノンドープＡｌＧａＡｓ層と前記ノンドープＡｌＧａＡｓ層との境界付近に形成される
    　請求項１に記載の面発光レーザ。
  5. 　前記積層構造は、ノンドープＧａＮ層、ノンドープＡｌＧａＮ層および第２導電型ＡｌＧａＮ層を前記第２導電型コンタクト層側からこの順に有し、
    　前記２次元電子ガス生成層は、前記ノンドープＧａＮ層のうち、前記ノンドープＡｌＧａＮ層と前記ノンドープＡｌＧａＮ層との境界付近に形成される
    　請求項１に記載の面発光レーザ。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119381893B (zh) * 2024-12-30 2025-04-18 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种高均匀性二维vcsel激光器及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08204037A (ja) * 1995-01-26 1996-08-09 Nec Corp 単一トラップメモリ装置
JPH11135770A (ja) * 1997-09-01 1999-05-21 Sumitomo Chem Co Ltd ３−５族化合物半導体とその製造方法および半導体素子
JP2004031669A (ja) * 2002-06-26 2004-01-29 Seiko Epson Corp 半導体素子部材及び半導体装置並びにそれらの製造方法、電気光学装置、電子機器
JP2007324363A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Ritsumeikan 半導体装置
US20150194789A1 (en) * 2014-01-03 2015-07-09 Finisar Corp Vcsel with integrated electrically modulated intra-cavity graphene absorber
JP2018064061A (ja) * 2016-10-14 2018-04-19 株式会社リコー 半導体発光素子、照明装置、ヘッドライト、移動体、イルミネーション装置、映像装置、投射型映像装置及びプロジェクター。

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1146038A (ja) 1997-05-29 1999-02-16 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法
JP2002176226A (ja) * 2000-09-22 2002-06-21 Toshiba Corp 光素子およびその製造方法
US9136673B2 (en) * 2012-07-20 2015-09-15 The Regents Of The University Of California Structure and method for the fabrication of a gallium nitride vertical cavity surface emitting laser
JP2018125404A (ja) 2017-01-31 2018-08-09 株式会社リコー 面発光レーザ素子
CN106848838B (zh) * 2017-04-06 2019-11-29 中国科学院半导体研究所 基于多孔DBR的GaN基VCSEL芯片及制备方法
TWI793076B (zh) * 2017-06-30 2023-02-21 晶元光電股份有限公司 半導體元件
JP7363897B2 (ja) * 2019-06-24 2023-10-18 住友電気工業株式会社 面発光レーザ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08204037A (ja) * 1995-01-26 1996-08-09 Nec Corp 単一トラップメモリ装置
JPH11135770A (ja) * 1997-09-01 1999-05-21 Sumitomo Chem Co Ltd ３−５族化合物半導体とその製造方法および半導体素子
JP2004031669A (ja) * 2002-06-26 2004-01-29 Seiko Epson Corp 半導体素子部材及び半導体装置並びにそれらの製造方法、電気光学装置、電子機器
JP2007324363A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Ritsumeikan 半導体装置
US20150194789A1 (en) * 2014-01-03 2015-07-09 Finisar Corp Vcsel with integrated electrically modulated intra-cavity graphene absorber
JP2018064061A (ja) * 2016-10-14 2018-04-19 株式会社リコー 半導体発光素子、照明装置、ヘッドライト、移動体、イルミネーション装置、映像装置、投射型映像装置及びプロジェクター。

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