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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023133123
(43)【公開日】2023-09-22
(54)【発明の名称】面発光レーザ素子、検出装置及び移動体
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20230914BHJP
H01S 5/0239 20210101ALI20230914BHJP
H01L 33/04 20100101ALI20230914BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20230914BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20230914BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
H01S5/0239
H01L33/04
H01S5/343
G01C3/06 120Q
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022204673
(22)【出願日】2022-12-21
(31)【優先権主張番号】P 2022037461
(32)【優先日】2022-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000006747
【氏名又は名称】株式会社リコー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100107515
【弁理士】
【氏名又は名称】廣田 浩一
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 亮一郎
【テーマコード（参考）】
2F112
5F173
5F241
【Ｆターム（参考）】
2F112AD01
2F112BA20
2F112CA05
2F112CA12
2F112DA21
2F112DA25
2F112EA05
5F173AC03
5F173AC13
5F173AC35
5F173AC42
5F173AF04
5F173AF12
5F173AF38
5F173AF96
5F173AG12
5F173AG20
5F173AH03
5F173AP05
5F173AP09
5F173AP33
5F173AP45
5F173AR14
5F241CA05
5F241CA08
5F241CA12
5F241CA65
5F241CA66
5F241CB11
5F241CB28
(57)【要約】
【課題】高い出力を得ることができる面発光レーザ素子、検出装置及び移動体を提供する。
【解決手段】面発光レーザ素子は、第１反射鏡及び第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、を有し、前記共振器領域は、結晶歪を含む複数の活性層と、前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、を有し、前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含む。
【選択図】図２
【解決手段】面発光レーザ素子は、第１反射鏡及び第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、を有し、前記共振器領域は、結晶歪を含む複数の活性層と、前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、を有し、前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含む。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１反射鏡及び第２反射鏡と、
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、
を有し、
前記共振器領域は、
結晶歪を含む複数の活性層と、
前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、
前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、
を有し、
前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含むことを特徴とする面発光レーザ素子。
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、
を有し、
前記共振器領域は、
結晶歪を含む複数の活性層と、
前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、
前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、
を有し、
前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含むことを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項2】
前記共振器領域は、スペーサ層を複数有し、
前記複数のスペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
前記複数のスペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項3】
前記共振器領域は、複数の積層体を有し、
前記積層体の各々は、
複数の前記スペーサ層の１つである第１スペーサ層と、
複数の前記スペーサ層の他の１つである第２スペーサ層と、
前記複数の活性層の１つであり、前記第１スペーサ層と前記第２スペーサ層の間にある前記活性層と、
を有し、
前記積層体において、前記第１スペーサ層および前記第２スペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
前記積層体の各々は、
複数の前記スペーサ層の１つである第１スペーサ層と、
複数の前記スペーサ層の他の１つである第２スペーサ層と、
前記複数の活性層の１つであり、前記第１スペーサ層と前記第２スペーサ層の間にある前記活性層と、
を有し、
前記積層体において、前記第１スペーサ層および前記第２スペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項4】
前記活性層から発せられる光の波長をλとし、前記積層体の個数をｎ（ｎは２以上の自然数）としたとき、
前記共振器領域の全体の光学的厚さはｎλ／２であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
前記共振器領域の全体の光学的厚さはｎλ／２であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項5】
前記積層体の各々の光学的厚さはλ／２以下であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項6】
前記共振器領域に含まれる前記活性層の結晶歪量の合計をεとしたとき、前記共振器領域に含まれる前記活性層と逆の結晶歪量の合計は、－１．１ε～－０．９εの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項7】
前記活性層及びトンネル接合層の合計の結晶歪の量は、１０８％・ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項8】
前記活性層の結晶歪の量は、３６％・ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項9】
前記歪緩和層は、Ｐを含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項10】
前記歪緩和層は、ＡｌＧａＡｓＰ層又はＡｌＧａＩｎＡｓＰ層であることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ素子。
【請求項11】
前記歪緩和層は、ＡｌＧａＩｎＰ層又はＧａＩｎＰ層であることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ素子。
【請求項12】
前記歪緩和層を構成するＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は６５％以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項13】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子から発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする検出装置。
前記面発光レーザ素子から発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする検出装置。
【請求項14】
前記検出部からの信号に基づき前記対象物との距離を算出する算出部をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の検出装置。
【請求項15】
請求項１４に記載の検出装置を備えることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、面発光レーザ素子、検出装置及び移動体に関する。
【背景技術】
【0002】
面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を出射する半導体レーザである。面発光レーザは、端面発光型の半導体レーザと比較して、低価格、低消費電力、小型であって高性能であること、また２次元的に集積化しやすいといった特徴を有している。
【0003】
面発光レーザは、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に設けられた上部ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ反射鏡とからなる共振器構造を有している。よって、共振器領域は、発振波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振するように所定の光学的厚さで形成されている。上部ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる材料、即ち、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層することにより形成された分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）により形成されている。ＤＢＲにおいては、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料及び高屈折率材料は、各材料の屈折率を考慮した光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。
【0004】
また、マルチジャンクション型面発光レーザが知られている。マルチジャンクション型面発光レーザは、活性層を含む共振器領域を積層方向に複数組備える。マルチジャンクション型面発光レーザにより、高出力なレーザ光出力が可能になる。マルチジャンクション型面発光レーザは、カスケード型面発光レーザともよばれる場合がある。マルチジャンクション型面発光レーザでは、活性層が多いほど、光出力を高くすることができる。また、活性層の間にトンネル接合層を設けることで、各々の活性層に均等にキャリアを注入することができるため、効果的にレーザ出力を高くすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
面発光レーザを含む半導体レーザでは、活性層に圧縮方向の結晶歪を持たせることで、レーザ動作時の光学利得が改善し、発振閾値電流の低減、光出力の増加が可能になる。ところが、マルチジャンクション型面発光レーザにおいて、出力の向上のために活性層を多くすると、それだけ結晶歪が蓄積し、共振器領域の結晶歪が大きくなる。そして、活性層の合計厚さが臨界膜厚を超えると、ミスフィット転位等の結晶欠陥が生じてしまう。このため、従来の面発光レーザでは、マルチジャンクション構造を採用しても、高出力化が困難である。
【0006】
結晶歪に関し、非特許文献１には結晶歪による活性層の層数の制限を示唆する記載がある。また、特許文献１にはトンネル接合層にＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＳｂ等を用いることが記載されている。しかしながら、これらの従来技術によっても、面発光レーザ素子の高出力化は困難である。
【0007】
本発明は、高い出力を得ることができる面発光レーザ素子、検出装置及び移動体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
開示の技術の一態様によれば、面発光レーザ素子は、第１反射鏡及び第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、を有し、前記共振器領域は、結晶歪を含む複数の活性層と、前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、を有し、前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含む。
【発明の効果】
【0009】
開示の技術によれば、高い出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図2】第１実施形態に係る面発光レーザ素子の要部を示す断面図である。
【図3】第３実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図4】第３実施形態に係る面発光レーザ素子の要部を示す断面図である。
【図5】第４実施形態に係る距離測定装置を示す図である。
【図6】第５実施形態に係る移動体を示す図である。
【図7】第６実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。
【図8】第６実施形態に係る光学検査装置のブロック構成を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
【0012】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。第１実施形態は面発光レーザ素子に関する。図１は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
まず、第１実施形態について説明する。第１実施形態は面発光レーザ素子に関する。図１は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【0013】
第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００は、発振波長λが９４０ｎｍの面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子１００は、主として、基板１０１と、下部ＤＢＲ１０２と、共振器領域１０３と、上部ＤＢＲ１０４と、コンタクト層１０５と、下部電極１０６と、上部電極１０７とを有する。下部ＤＢＲ１０２は基板１０１の上にあり、共振器領域１０３は下部ＤＢＲ１０２の上にあり、上部ＤＢＲ１０４は共振器領域１０３の上にあり、コンタクト層１０５は上部ＤＢＲ１０４の上にある。下部ＤＢＲ１０２、共振器領域１０３、上部ＤＢＲ１０４及びコンタクト層１０５は、基板１０１の上面に半導体層を積層することで形成されている。下部電極１０６は基板１０１の裏面に設けられ、上部電極１０７はコンタクト層１０５の表面に設けられている。面発光レーザ素子１００は、共振器領域１０３から上方にレーザ光を出射する。面発光レーザ素子１００は、上面出射型の垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）素子である。
【0014】
基板１０１は、半導体基板であるｎ－ＧａＡｓ基板により形成されている。下部ＤＢＲ１０２は、各層がλ／４の光学的厚さで３５．５ペアのｎ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０２ａとｎ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂとを交互に積層することにより形成されている（図２参照）。つまり、下部ＤＢＲ１０２は、３６個のｎ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０２ａと、３５個のｎ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂとを含む。
【0015】
共振器領域１０３は、互いに積層された３個の積層体１０を有する。共振器領域１０３は、更に、厚さ方向で隣り合う積層体１０の間にトンネル接合層２０を有する。積層体１０は、下部スペーサ層１１と、活性層１２と、上部スペーサ層１３とを有する。積層体１０において、活性層１２は下部スペーサ層１１の上にあり、上部スペーサ層１３は活性層１２の上にある。トンネル接合層２０は、ｐ型層２１と、ｎ型層２２とを有する（図２参照）。ｎ型層２２はｐ型層２１の上にある。
【0016】
下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３は、例えばＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓ０．９２５Ｐ０.０７５層である。活性層１２は、交互に積層されたＧａＩｎＡｓ量子井戸層及びＡｌＧａＡｓ障壁層を含む量子井戸構造を有する。例えば、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層の厚さは８ｎｍである。１個の活性層１２に含まれるＧａＩｎＡｓ量子井戸層の数は、例えば３層である。このような組成の活性層１２の格子定数は、基板１０１を構成するＧａＡｓの格子定数よりも大きい。一方、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３を構成するＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓ０．９２５Ｐ０.０７５の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい。下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の厚さは、積層体１０の位置にもよるが、合計で８０ｎｍ程度である。詳細は後述するが、本実施形態では、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層はＧａＡｓ基板に対して０．９％の圧縮方向の結晶歪を含有する。第１実施形態では、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３は歪緩和層の一例である。
【0017】
ｐ型層２１は、ｐ型不純物の濃度が１０１９ｃｍ－３以上のｐ＋＋－ＧａＡｓ層であり、ｎ型層２２は、ｎ型不純物の濃度が１０１９ｃｍ－３以上のｎ＋＋－ＧａＡｓ層である。ｐ型層２１及びｎ型層２２は互いに積層することでトンネル接合が形成されている。ｎ型層２２における伝導帯の電子がｐ型層２１における価電子帯に向かい、バンド間でトンネル電流が流れる。トンネル接合層２０は、電流を担う電荷の極性をｎ型からｐ型に変換する。
【0018】
上部ＤＢＲ１０４は、各層がλ／４の光学的厚さで２０ペアのｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａとｐ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１０４ｂとを交互に積層することにより形成されている（図２参照）。つまり、上部ＤＢＲ１０４は、２０個のｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａと、２０個のｐ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１０４ｂとを含む。
【0019】
面発光レーザ素子１００は、最も上方の積層体１０と最も下方のｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａとの間に、電流狭窄層１０８を有する。電流狭窄層１０８は、選択酸化領域１０８ａと、電流狭窄領域１０８ｂとを含む。電流狭窄領域１０８ｂは選択酸化領域１０８ａにより囲まれている。電流狭窄層１０８は、例えばｐ－ＡｌＡｓの選択的な酸化により形成されている。電流狭窄層１０８の下側の一部分は共振器領域１０３に含まれ、電流狭窄層１０８の上側の一部分は上部ＤＢＲ１０４に含まれる。
【0020】
コンタクト層１０５は、ｐ＋－ＧａＡｓにより形成されている。コンタクト層１０５、上部ＤＢＲ１０４、共振器領域１０３及び下部ＤＢＲ１０２の一部にメサ１０９が形成されている。面発光レーザ素子１００は、メサ１０９の側面と、下部ＤＢＲ１０２の上面とを覆う保護層１５１を有する。保護層１５１は、例えば、ＳｉＮ等の誘電体から形成されている。更に、メサ１０９の形成のために半導体層が除去された領域には、ポリイミド等の樹脂材料を埋め込むことにより、樹脂層１５２が形成されている。
【0021】
ここで、共振器領域１０３について更に詳細に説明する。図２は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００の要部を示す断面図である。図２中の断面構造の右側に示す波形は、規格化された縦モードの波形を模式的に示す。
【0022】
面発光レーザ素子１００では、積層体１０の各々の光学的厚さがλ／２以下であり、各活性層１２に規格化された縦モードの腹が位置する。
【0023】
最も下方の積層体１０については、当該積層体１０と、当該積層体１０の直上のｐ型層２１との合計の光学的厚さがλ／２である。そして、当該積層体１０と下部ＤＢＲ１０２との境界に規格化された縦モードの節が位置し、当該積層体１０の直上のトンネル接合層２０に含まれるｐ型層２１とｎ型層２２との境界に節が位置する。従って、当該積層体１０と、当該積層体１０の直上のｐ型層２１とが１つのλ／２共振器のように機能する。
【0024】
中央の積層体１０については、当該積層体１０と、当該積層体１０の直下のｎ型層２２と、当該積層体１０の直上のｐ型層２１との合計の光学的厚さがλ／２である。そして、当該積層体１０の直下のトンネル接合層２０に含まれるｐ型層２１とｎ型層２２との境界に節が位置し、当該積層体１０の直上のトンネル接合層２０に含まれるｐ型層２１とｎ型層２２との境界に節が位置する。従って、当該積層体１０と、当該積層体１０の直下のｎ型層２２と、当該積層体１０の直上のｐ型層２１とが１つのλ／２共振器のように機能する。
【0025】
最も上方の積層体１０については、当該積層体１０と、当該積層体１０の直下のｎ型層２２と、当該積層体１０の直上の電流狭窄層１０８の一部分との合計の光学的厚さがλ／２である。そして、当該積層体１０の直下のトンネル接合層２０に含まれるｐ型層２１とｎ型層２２との境界に節が位置し、当該積層体１０の直上の電流狭窄層１０８の一部分に節が位置する。従って、当該積層体１０と、当該積層体１０の直下のｎ型層２２と、当該積層体１０の直上の電流狭窄層１０８の一部分とが１つのλ／２共振器のように機能する。
【0026】
そして、共振器領域１０３の光学的厚さは３λ／２となっている。
【0027】
一般に、基板の表面にエピタキシャル成長した半導体層に生じる、基板の表面に平行な方向（面内方向）の結晶歪ε//は、次の式（１）で表される。ただし、ａｅｐｉは半導体層の格子定数であり、ａｓｕｂは基板の格子定数である。
【0028】
ε//＝－（ａｅｐｉ－ａｓｕｂ）／ａｓｕｂ ・・・（１）
【0029】
格子定数ａｅｐｉが格子定数ａｓｕｂよりも大きい場合、結晶歪ε//は負となる。この場合、半導体層には圧縮方向の結晶歪（圧縮歪）が生じる。一方、格子定数ａｅｐｉが格子定数ａｓｕｂよりも小さい場合、結晶歪ε//は正となる。この場合、半導体層には引張方向の結晶歪（引張歪）が生じる。
【0030】
本実施形態では、上述のように、活性層１２の格子定数が、基板１０１を構成するＧａＡｓの格子定数よりも大きく、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の格子定数が、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい。従って、活性層１２は圧縮歪を含み、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３は引張歪を含む。つまり、面内方向において下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３は活性層１２とは逆方向の結晶歪を含む。従って、各積層体１０の内部において、活性層１２の結晶歪と、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の結晶歪とが互いに打ち消し合う。
【0031】
本実施形態では、活性層１２に含まれるＧａＩｎＡｓ量子井戸層は、０．９％の圧縮方向の結晶歪を含有し、その厚さは８ｎｍである。従って、活性層１２が３層のＧａＩｎＡｓ量子井戸層を有する場合、互いに積層された３層の量子井戸層を含む活性層１２における圧縮歪の合計は、３×０．９％×８ｎｍで２１．６％・ｎｍである。従って、１個の積層体１０内において、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３が合計で２１．６％・ｎｍの引張歪を含んでいれば、結晶歪を相殺することができる。例えば下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の合計の厚さが８０ｎｍである場合、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３が合計で０．２７％の引張歪を含んでいれば、各積層体１０内において、結晶歪を相殺することができる。例えば、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３がＡｌＧａＡｓＰ層である場合、Ｖ族元素中のＰ組成比が７．５％であれば、結晶歪を相殺することができる。なお、ＡｌＧａＡｓ障壁層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数と同程度であるため、その結晶歪は考慮しなくてもよい。
【0032】
活性層１２に含まれる量子井戸層の数は３層に限定されない。活性層１２に含まれる量子井戸層の数が１層の場合、１層の量子井戸層を含む活性層１２における圧縮歪の合計は、１×０．９％×８ｎｍで７．２％・ｎｍである。従って、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の合計の厚さが８０ｎｍである場合、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３が合計で０．０９％の引張歪を含んでいれば、各積層体１０内において、結晶歪を相殺することができる。下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３がＡｌＧａＡｓＰ層である場合、Ｖ族元素中のＰ組成比が２．５％であれば、結晶歪を相殺することができる。また、活性層１２に含まれる量子井戸層の数が５層の場合、互いに積層された５層の量子井戸層を含む活性層１２における圧縮歪の合計は、５×０．９％×８ｎｍで３６％・ｎｍである。従って、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の合計の厚さが８０ｎｍである場合、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３が合計で０．４５％の引張歪を含んでいれば、各積層体１０内において、結晶歪を相殺することができる。下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３がＡｌＧａＡｓＰ層である場合、Ｖ族元素中のＰ組成比が１３％であれば、結晶歪を相殺することができる。
【0033】
このように、第１実施形態によれば、マルチジャンクション構造を採用しながら、結晶歪の蓄積を抑制することができる。従って、第１実施形態によれば、高出力化を実現することができる。
【0034】
なお、共振器領域１０３に含まれる活性層１２の結晶歪量の合計をεactiveとしたとき、共振器領域１０３に含まれる下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の結晶歪の量の合計は、－１．１εactive～－０．９εactiveの範囲内にあることが好ましい。
【0035】
また、障壁層によって結晶歪を補償しようとする場合、圧縮歪を含む量子井戸層と引張歪を含む障壁層とが直接接触しながら繰り返し積層されるため、成長ウインドウが狭くなる。ただし、成長ウインドウへの影響が小さい範囲で、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３だけでなく、障壁層によっても結晶歪の一部を補償するようにしてもよい。この場合には、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３によって補償する引張歪の量が減少してもよい。この場合は、共振器領域１０３に含まれる活性層１２の量子井戸層の結晶歪量の合計をεactiveとして、共振器領域１０３に含まれる、量子井戸層と逆の結晶歪の量の合計が－１．１εactive～－０．９εactiveの範囲内になることが好ましい。
【0036】
また、本実施形態では、λ／２のピッチで活性層１２が配置され、λ／２共振器として機能する部分が複数設けられている。このため、活性層１２の間での温度ばらつきを抑制することができる。例えば、下部電極１０６の下方にヒートシンクが設けられた場合、最も上方の活性層１２においても、最も下方の活性層１２と同程度の放熱性を得ることができる。放熱性の低下は、キャリアリークに伴う利得の低下及び連続駆動時の特性劣化等を引き起こすおそれがあり、また、温度ばらつきは活性層１２の間での特性寄与ばらつきを引き起こすおそれがあるが、本実施形態によれば、これらを抑制することができる。例えば、λのピッチで活性層が配置され、λ共振器として機能する部分を複数有する面発光レーザ素子と比べて、放熱性の観点で良好な特性を得ることができる。この効果は、特に面発光レーザ素子が高密度アレイ化された場合に顕著である。
【0037】
更に、本実施形態では、活性層１２のピッチがλ／２であるため、電流狭窄層１０８から最も離れた活性層１２においても横方向キャリア拡散を抑制することができ、各活性層１２において高い利得を得ることができる。
【0038】
本実施形態では、共振器領域１０３が、λ／２共振器として機能する部分を複数（３個）含んでおり、下部ＤＢＲ１０２の最上層がｎ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０２ａであり、上部ＤＢＲ１０４の最下層がｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａである。従って、共振器領域１０３は、全体として低屈折率層となる材料で構成される。ただし、活性層１２の材料は、出力しようとする光の波長により決定されるため、屈折率を調整できる部分は下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３である。
【0039】
下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３がＡｌＧａＡｓ層である場合、ＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が高いほど、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の屈折率が低くなる。その一方で、ＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が高いほど、ＡｌＧａＡｓ層中の微量の酸素に起因して非発光再結合中心が形成されやすく、特性及び信頼性上が低下するおそれがある。これに対し、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３がＡｌＧａＡｓＰ層である場合には、Ｖ族元素中のＰ組成比が高いほど、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の屈折率が低くなる。従って、ＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が高くなくても、十分に低い屈折率を得ることができる。例えば、Ａｌ組成比が６５％であっても、Ｐ組成比が７．５％であれば、十分に低い屈折率を得ることができる。例えば、Ａｌ組成比が６０％であっても、Ｐ組成比が１３％であれば、十分に低い屈折率を得ることができる。下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３を構成するＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は、非発光再結合中心の形成の抑制の観点から６５％以下であることが好ましい。
【0040】
更に、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３がＡｌＧａＡｓＰ層である場合には、ＡｌＧａＡｓ層である場合と比べて、キャリアの横方向拡散を低減しやすい。下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３はＡｌＧａＩｎＡｓＰ層であってもよい。
【0041】
本実施形態では、共振器領域１０３に含まれるスペーサ層（下部スペーサ層１１、上部スペーサ層１３）の全てが、活性層１２と逆方向の歪を含む歪緩和層であるが、スペーサ層の少なくとも一部が歪緩和層であればよい。例えば、下部スペーサ層１１及び上部スペーサ層１３の一方が活性層と逆方向の結晶歪を含み、他方が結晶歪を含まない形態でもよく、１つのスペーサ層が活性層と逆方向の結晶歪を含む層と結晶歪を含まない層を有する形態でもよい。また、複数の積層体１０のうちの一部のみが歪緩和層を有する形態でもよく、また、共振器領域１０３における最も下の下部スペーサ層１１と最も上の上部スペーサ層１３のみが結晶歪を含む等の形態であってもよい。ただし、各々の積層体１０に含まれるスペーサ層の少なくとも一部が歪緩和層を有する形態とすることで、蓄積される歪をより低減して積層体を複数積層できるため、効果的である。
【0042】
（面発光レーザ素子の製造方法）
次に、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。面発光レーザ素子１００を製造する際には、半導体層は、有機金属化学成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法又は電子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法等によるエピタキシャル成長により形成する。具体的には、基板１０１の上に、下部ＤＢＲ１０２、共振器領域１０３、上部ＤＢＲ１０４及びコンタクト層１０５を順に結晶成長により形成する。なお、共振器領域１０３及び上部ＤＢＲ１０４の境界部分に電流狭窄層１０８となるｐ－ＡｌＡｓ層を形成する。
次に、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。面発光レーザ素子１００を製造する際には、半導体層は、有機金属化学成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法又は電子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法等によるエピタキシャル成長により形成する。具体的には、基板１０１の上に、下部ＤＢＲ１０２、共振器領域１０３、上部ＤＢＲ１０４及びコンタクト層１０５を順に結晶成長により形成する。なお、共振器領域１０３及び上部ＤＢＲ１０４の境界部分に電流狭窄層１０８となるｐ－ＡｌＡｓ層を形成する。
【0043】
次に、ｐ－ＡｌＡｓ層の側面が露出するまで、半導体層をエッチングにより除去することにより、メサ１０９を形成する。メサ１０９を形成する際のエッチングは、ドライエッチング法を用いることができる。メサ１０９の上面から見た形状は、円形の他に、楕円形、正方形、長方形の矩形等の任意の形状とすることができる。
【0044】
メサ１０９を形成した後、水蒸気中で熱処理することにより、側面の露出している電流狭窄層１０８となるｐ－ＡｌＡｓ層が側面より酸化されＡｌｘＯｙ等の絶縁物となり、選択酸化領域１０８ａが形成される。このようにｐ－ＡｌＡｓ層に選択酸化領域１０８ａを形成することにより、ｐ－ＡｌＡｓ層において酸化されていない中心部分が電流狭窄領域１０８ｂとなり、駆動電流の経路を中心部分の電流狭窄領域１０８ｂに制限することができる。このような構造は、電流狭窄構造とよばれることがある。
【0045】
次に、メサ１０９の側面及び上面を含む全面に、ＳｉＮ等の誘電体により保護層１５１を形成する。更に、メサ１０９を形成する際に、半導体層がエッチングされた領域にポリイミドを埋め込むことにより平坦化し、樹脂層１５２を形成する。この後、コンタクト層１０５の上の保護層１５１及び樹脂層１５２を除去し、コンタクト層１０５上のレーザ光が出射される領域の周囲に、ｐ側個別電極となる上部電極１０７を形成する。また、基板１０１の裏面にはｎ側共通電極となる下部電極１０６を形成する。
【0046】
本実施形態においては、メサ１０９を形成することにより露出した半導体層の側面及びメサ１０９の周囲の底面を保護層１５１により保護するため、面発光レーザ素子１００の信頼性を向上させることができる。特に、半導体層が腐食されやすいＡｌを含む半導体層である場合には、効果を発揮する。
【0047】
なお、上部ＤＢＲ１０４に含まれる最下層のｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａと、共振器領域１０３に含まれる最上層の上部スペーサ層１３とが直接接して、電流狭窄層１０８が最下層のｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａより上方に設けられていてもよい。この場合、面発光レーザ素子１００は、共振器領域１０３に含まれる最上層の上部スペーサ層１３の光学的厚さの調整等により、規格化された縦モードの節がｐ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１０４ａと上部スペーサ層１３との境界に位置するように構成される。また、この場合には、電流狭窄層１０８の全体が上部ＤＢＲ１０４に含まれ、共振器領域１０３は電流狭窄層１０８を含まない。
【0048】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る面発光レーザ素子は、第１実施形態と同じく、９４０ｎｍトンネルジャンクションＶＣＳＥＬデバイス構造を有するが、トンネル接合層２０の材料が異なる。第１実施形態では、ｐ型層２１がｐ＋＋－ＧａＡｓ層であり、ｎ型層２２がｎ＋＋－ＧａＡｓ層であるのに対し、第２実施形態では、ｐ型層２１がｐ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層であり、ｎ型層２２がｎ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層である。ｐ型層２１がｐ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層であり、ｎ型層２２がｎ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層であることで、第１実施形態と比較して、バンドギャップエネルギーが減少する。このため、同一のドープ濃度でより、トンネル障壁の電気抵抗が低減し、トンネル電流が流れやすくなる。別の見方として、同一のトンネル電流固定で考える場合は、よりドープ濃度を低減できる。ドープ濃度を低減すると光吸収損失が低減できるため、レーザ光出力が向上する利点がある。
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る面発光レーザ素子は、第１実施形態と同じく、９４０ｎｍトンネルジャンクションＶＣＳＥＬデバイス構造を有するが、トンネル接合層２０の材料が異なる。第１実施形態では、ｐ型層２１がｐ＋＋－ＧａＡｓ層であり、ｎ型層２２がｎ＋＋－ＧａＡｓ層であるのに対し、第２実施形態では、ｐ型層２１がｐ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層であり、ｎ型層２２がｎ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層である。ｐ型層２１がｐ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層であり、ｎ型層２２がｎ＋＋－ＧａＩｎＡｓ層であることで、第１実施形態と比較して、バンドギャップエネルギーが減少する。このため、同一のドープ濃度でより、トンネル障壁の電気抵抗が低減し、トンネル電流が流れやすくなる。別の見方として、同一のトンネル電流固定で考える場合は、よりドープ濃度を低減できる。ドープ濃度を低減すると光吸収損失が低減できるため、レーザ光出力が向上する利点がある。
【0049】
なお、ＧａＩｎＡｓ層がトンネル接合層２０に用いられた場合、第１実施形態における活性層１２に関して説明したように、圧縮歪が蓄積するおそれがある。上述のように、第１実施形態では、３層の量子井戸層を含む活性層１２における圧縮歪の合計は２１．６％・ｎｍであり、１層の量子井戸層を含む活性層１２における圧縮歪の合計は７．２％・ｎｍであり、５層の量子井戸層を含む活性層１２における圧縮歪の合計は３６％・ｎｍである。
【0050】
第２実施形態においては、ＧａＩｎＡｓ層を含むトンネル接合層２０の圧縮歪も考慮される。トンネル接合層２０は、ｐ型層２１及びｎ型層２２の２つのＧａＩｎＡｓ層を含む。また、最大のＩｎ組成は活性層と同じであるため、量子井戸層の１層の歪量の最大値は０．９％である。Ｉｎ組成がこれよりも高い場合、量子井戸層での発光がトンネル接合層２０に吸収されるのため、最大のＩｎ組成は活性層と同じとする。ｐ型層２１及びｎ型層２２の各々の厚さは１０ｎｍ～２０ｎｍである。ｐ型層２１及びｎ型層２２の各々の厚さが１０ｎｍ以上であれば、トンネル接合の機能が満たされる。ｐ型層２１及びｎ型層２２のいずれかの厚さが２０ｎｍを超えると、光吸収が生じるおそれがある。このため、トンネル接合層２０が２組ある場合、圧縮歪の合計は、最大で、２組×０．９％×４０ｎｍで７２％・ｎｍになる。
【0051】
そして、量子井戸層の歪量とトンネル接合層の歪量を足し合わせると、最大合計で１０８％・ｎｍになる。スペーサ層の厚さが合計８０ｎｍの場合、１．３５％の引張歪を含んでいれば結晶歪を相殺することができる。
【0052】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、主として材料系及び発振波長λの点で第１実施形態と相違する。図３は、第３実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、主として材料系及び発振波長λの点で第１実施形態と相違する。図３は、第３実施形態に係る面発光レーザ素子を示す断面図である。
【0053】
第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００は、発振波長λが６８０ｎｍの面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子２００は、主として、基板１０１と、下部ＤＢＲ２０２と、共振器領域２０３と、上部ＤＢＲ２０４と、コンタクト層１０５と、下部電極１０６と、上部電極１０７とを有する。下部ＤＢＲ２０２は基板１０１の上にあり、共振器領域２０３は下部ＤＢＲ２０２の上にあり、上部ＤＢＲ２０４は共振器領域２０３の上にあり、コンタクト層１０５は上部ＤＢＲ１０４の上にある。下部ＤＢＲ２０２、共振器領域２０３、上部ＤＢＲ２０４及びコンタクト層１０５は、基板１０１の上面に半導体層を積層することで形成されている。面発光レーザ素子２００は、共振器領域２０３から上方にレーザ光を出射する。面発光レーザ素子２００は、上面出射型のＶＣＳＥＬ素子である。
【0054】
基板１０１は、半導体基板であるｎ－ＧａＡｓ基板により形成されている。下部ＤＢＲ２０２は、各層がλ／４の光学的厚さで４５ペアのｎ－Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層２０２ａとｎ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層２０２ｂとを交互に積層することにより形成されている（図４参照）。つまり、下部ＤＢＲ２０２は、４５個のｎ－Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層２０２ａと、４５個のｎ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層２０２ｂとを含む。
【0055】
共振器領域２０３は、互いに積層された３個の積層体３０を有する。共振器領域２０３は、更に、厚さ方向で隣り合う積層体３０の間にトンネル接合層４０を有する。積層体３０は、下部スペーサ層３１と、活性層３２と、上部スペーサ層３３とを有する。積層体３０において、活性層３２は下部スペーサ層３１の上にあり、上部スペーサ層３３は活性層３２の上にある。トンネル接合層４０は、ｐ型層４１と、ｎ型層４２とを有する（図４参照）。ｎ型層４２はｐ型層４１の上にある。
【0056】
下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３は、例えば（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ層である。活性層３２は、交互に積層されたＧａＩｎＰ量子井戸層及び（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ障壁層を含む量子井戸構造を有する。例えば、ＧａＩｎＰ量子井戸層の厚さは８ｎｍである。１個の活性層３２に含まれるＧａＩｎＰ量子井戸層の数は、例えば３層である。このような組成の活性層３２の格子定数は、基板１０１を構成するＧａＡｓの格子定数よりも大きい。一方、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３を構成する（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５２Ｉｎ０．４８Ｐの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい。下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３の厚さは、積層体３０の位置にもよるが、合計で６０ｎｍ程度である。本実施形態では、ＧａＩｎＰ量子井戸層はＧａＡｓ基板に対して０．５％の圧縮方向の結晶歪を含有する。
【0057】
ｐ型層４１は、ｐ型不純物の濃度が１０１９ｃｍ－３以上のｐ＋＋－（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層であり、ｎ型層４２は、ｎ型不純物の濃度が１０１９ｃｍ－３以上のｎ＋＋－（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層である。ｐ型層４１及びｎ型層４２は、互いにトンネル接合している。ｎ型層４２における伝導帯の電子がｐ型層４１における価電子帯に向かい、バンド間でトンネル電流が流れる。トンネル接合層４０は、電流を担う電荷の極性をｎ型からｐ型に変換する。
【0058】
上部ＤＢＲ２０４は、各層がλ／４の光学的厚さで３２ペアのｐ－Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層２０４ａとｐ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層２０４ｂとを交互に積層することにより形成されている（図４参照）。つまり、上部ＤＢＲ２０４は、３２個のｐ－Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層２０４ａと、３２個のｐ－Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層２０４ｂとを含む。
【0059】
面発光レーザ素子２００は、最も上方の積層体３０と最も下方のｐ－Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層２０４ａとの間に、電流狭窄層１０８を有する。電流狭窄層１０８は、選択酸化領域１０８ａと、電流狭窄領域１０８ｂとを含む。電流狭窄層１０８の下側の一部分は共振器領域２０３に含まれ、電流狭窄層１０８の上側の一部分は上部ＤＢＲ２０４に含まれる。
【0060】
コンタクト層１０５は、ｐ－ＧａＡｓにより形成されている。コンタクト層１０５、上部ＤＢＲ２０４、共振器領域２０３及び下部ＤＢＲ２０２の一部にメサ２０９が形成されている。面発光レーザ素子２００は、メサ２０９の側面と、下部ＤＢＲ２０２の上面とを覆う保護層１５１を有する。更に、メサ１０９の形成のために半導体層が除去された領域には、ポリイミド等の樹脂材料を埋め込むことにより、樹脂層１５２が形成されている。
【0061】
ここで、共振器領域２０３について更に詳細に説明する。図４は、第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００の要部を示す断面図である。図４中の断面構造の右側に示す波形は、規格化された縦モードの波形を模式的に示す。
【0062】
面発光レーザ素子２００では、積層体３０の各々の光学的厚さがλ／２以下であり、各活性層３２に規格化された縦モードの腹が位置する。
【0063】
最も下方の積層体３０については、当該積層体３０と、当該積層体３０の直上のｐ型層４１との合計の光学的厚さがλ／２である。そして、当該積層体３０と下部ＤＢＲ２０２との境界に規格化された縦モードの節が位置し、当該積層体３０の直上のトンネル接合層４０に含まれるｐ型層４１とｎ型層４２との境界に節が位置する。従って、当該積層体３０と、当該積層体３０の直上のｐ型層４１とが１つのλ／２共振器のように機能する。
【0064】
中央の積層体３０については、当該積層体３０と、当該積層体３０の直下のｎ型層４２と、当該積層体３０の直上のｐ型層４１との合計の光学的厚さがλ／２である。そして、当該積層体３０の直下のトンネル接合層４０に含まれるｐ型層４１とｎ型層４２との境界に節が位置し、当該積層体３０の直上のトンネル接合層４０に含まれるｐ型層４１とｎ型層４２との境界に節が位置する。従って、当該積層体３０と、当該積層体３０の直下のｎ型層４２と、当該積層体３０の直上のｐ型層４１とが１つのλ／２共振器のように機能する。
【0065】
最も上方の積層体３０については、当該積層体３０と、当該積層体３０の直下のｎ型層４２と、当該積層体３０の直上の電流狭窄層１０８の一部分との合計の光学的厚さがλ／２である。そして、当該積層体３０の直下のトンネル接合層４０に含まれるｐ型層４１とｎ型層４２との境界に節が位置し、当該積層体３０の直上の電流狭窄層１０８の一部分に節が位置する。従って、当該積層体３０と、当該積層体３０の直下のｎ型層４２と、当該積層体３０の直上の電流狭窄層１０８の一部分とが１つのλ／２共振器のように機能する。
【0066】
そして、共振器領域２０３の光学的厚さは３λ／２となっている。
【0067】
本実施形態では、上述のように、活性層３２の格子定数が、基板１０１を構成するＧａＡｓの格子定数よりも大きく、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３の格子定数が、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい。従って、活性層３２は圧縮歪を含み、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３は引張歪を含む。つまり、面内方向において下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３は活性層３２とは逆方向の結晶歪を含む。従って、各積層体３０の内部において、活性層３２の結晶歪と、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３の結晶歪とが互いに打ち消し合う。
【0068】
本実施形態では、活性層３２に含まれるＧａＩｎＰ量子井戸層は、０．５％の圧縮方向の結晶歪を含有し、その厚さは８ｎｍである。従って、活性層３２が３層のＧａＩｎＰ量子井戸層を有する場合、互いに積層された３層の量子井戸層を含む活性層３２における圧縮歪の合計は、３×０．５％×８ｎｍで１２％・ｎｍである。従って、１個の積層体３０内において、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３が合計で１２％・ｎｍの引張歪を含んでいれば、結晶歪を相殺することができる。例えば下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３の合計の厚さが６０ｎｍである場合、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３が合計で０．２％の引張歪を含んでいれば、各積層体３０内において、結晶歪を相殺することができる。例えば、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３がＡｌＧａＩｎＰ層である場合、ＩＩＩ族元素中のＩｎ組成比が４８％であれば、結晶歪を相殺することができる。なお、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ障壁層の格子定数はＧａＡｓ基板の格子定数と同程度であるため、その結晶歪は考慮しなくてもよい。
【0069】
このように、第３実施形態によっても、マルチジャンクション構造を採用しながら、結晶歪の蓄積を抑制することができる。従って、第３実施形態によっても、高出力化を実現することができる。
【0070】
第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００と同様の方法により製造することができる。
【0071】
なお、第３実施形態においては、活性層３２におけるＩＩＩ族元素中のＩｎ組成比の調整により、活性層３２が引張歪を含むようにすることもできる。また、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３におけるＩＩＩ族元素中のＩｎ組成比の調整により、下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３が圧縮歪を含むようにすることもできる。下部スペーサ層３１及び上部スペーサ層３３はＧａＩｎＰ層であってもよい。
【0072】
本開示において、１個の活性層における圧縮歪の合計は特に限定されず、例えば３６％・ｎｍ以下である。
【0073】
また、共振器領域に含まれる積層体の数は３個に限定されず、１個又は２個であってもよく、４個以上であってもよい。積層体の数がｎ個（ｎは自然数）の場合、共振器領域の全体の光学的厚さはｎλ／２である。
【0074】
また、面発光レーザ素子が出射する光の波長は特に限定されない。例えば、波長が７８０ｎｍ、８０８ｎｍ、９８０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１２００ｎｍ、１３００ｎｍ又は１５００ｎｍの光を面発光レーザ素子が出射してもよい。
【0075】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は距離測定装置に関する。図５は、第４実施形態に係る距離測定装置を示す図である。距離測定装置は検出装置の一例である。
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は距離測定装置に関する。図５は、第４実施形態に係る距離測定装置を示す図である。距離測定装置は検出装置の一例である。
【0076】
第４実施形態に係る距離測定装置４００は、ＴＯＦ（Time of Flight）法の距離測定装置である。距離測定装置４００は、発光素子４１０と、受光素子４２０と、駆動回路４３０とを有する。発光素子４１０は、発光ビーム（照射光４１１）を測距の測距対象物４５０へと向けて照射する。受光素子４２０は、測距対象物４５０からの反射光４２１を受光する。駆動回路４３０は、発光素子４１０を駆動するとともに、発光ビームの発光タイミングと、受光素子４２０による反射光４２１の受光タイミングとの時間差を検出することにより、測距対象物４５０までの往復の距離を算出する。駆動回路４３０は算出部の一例である。
【0077】
発光素子４１０は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００、第２実施形態に係る面発光レーザ素子又は第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００を複数含んでもよい。パルスの繰り返し周波数は、例えば数ｋＨｚから数１０ＭＨｚの範囲である。
【0078】
受光素子４２０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）又は単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）である。受光素子４２０は、アレイ状に配列された受光素子を複数含んでもよい。受光素子４２０は検出部の一例である。
【0079】
ＴＯＦ法での測距では、測距対象物からの信号とノイズを分離することが重要である。より遠くにある測距対象物を測定する場合、及びより反射率の低い測距対象物を測定する場合には、より高感度の受光素子を用いて対象物からの信号を得ることが好ましい。しかしながら、より高感度の受光素子を用いると、背景光ノイズ又はショットノイズを誤検出する可能性が高くなる。信号とノイズとを分離するために、受光信号のしきい値を上げることも考えられるが、その分だけ発光ビームのピーク出力を高くしなければ、測距対象物からの信号光を受光しにくくなる。
【0080】
第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００、第２実施形態に係る面発光レーザ素子又は第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００によれば、高出力の光パルスを出力することができる。第４実施形態に係る距離測定装置によれば、ピーク出力の高い光パルスにより、検出の高精度化と長距離化とを両立することができる。
【0081】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は移動体に関する。図６は、第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車を示す図である。第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車５００の前面上方（例えばフロントグラスの上部）には、第４実施形態で説明した距離測定装置４００が設けられている。距離測定装置４００は、自動車５００の周囲の物体５０２までの距離を計測する。距離測定装置４００の計測結果は、自動車５００の有する制御部に入力され、制御部はこの計測結果に基づいて、移動体の動作の制御を行う。若しくは、制御部は、距離測定装置４００の計測結果に基づいて、自動車５００の運転者５０１へ向けて自動車５００内に設けられた表示部に警告表示を行ってもよい。
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は移動体に関する。図６は、第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車を示す図である。第５実施形態に係る移動体の一例としての自動車５００の前面上方（例えばフロントグラスの上部）には、第４実施形態で説明した距離測定装置４００が設けられている。距離測定装置４００は、自動車５００の周囲の物体５０２までの距離を計測する。距離測定装置４００の計測結果は、自動車５００の有する制御部に入力され、制御部はこの計測結果に基づいて、移動体の動作の制御を行う。若しくは、制御部は、距離測定装置４００の計測結果に基づいて、自動車５００の運転者５０１へ向けて自動車５００内に設けられた表示部に警告表示を行ってもよい。
【0082】
このように、第５実施形態では、距離測定装置４００を自動車５００に設けることで、高精度に自動車５００の周辺の物体５０２の位置を認識することができる。なお、距離測定装置４００の搭載位置は、自動車５００の上部前方に限定されず、側面や後方に搭載されてもよい。また、この例では、距離測定装置４００を自動車５００に設けたが、距離測定装置４００を航空機又は船舶に設けてもよい。また、ドローン及びロボット等の、運転者が存在しない、自律移動を行う移動体に設けてもよい。
【0083】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。第６実施形態は光学検査装置に関する。図７は、第６実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。図８は、第６実施形態に係る光学検査装置のブロック構成を例示する図である。
次に、第６実施形態について説明する。第６実施形態は光学検査装置に関する。図７は、第６実施形態に係る光学検査装置の概略構成を例示する図である。図８は、第６実施形態に係る光学検査装置のブロック構成を例示する図である。
【0084】
第６実施形態に係る光学検査装置６００は、一例として、拡散光トモグラフィー（diffuse optical tomography：ＤＯＴ）に用いられる。ＤＯＴは、例えば生体等の被検体（散乱体）に光を照射し、被検体内を伝播した光を検出して、被検体内部の光学特性を推定する技術である。特に、脳内の血流を検出することで、うつ症状の鑑別診断補助やリハビリテーションの補助機器として利用が期待されている。
【0085】
光学検査装置６００は、光学センサ６１０、制御部６２０、計算部６３０、表示部６４０等を備えている。光学センサ６１０は、複数の光源モジュール６１１を含む照射系と、複数の検出モジュール６１２を含む検出系とを備えている。照射系は、対象物に光を照射する機能を有し、検出系は照射系から対象物に照射され対象物内を伝播した光を検出する機能を有している。複数の光源モジュール６１１及び複数の検出モジュール６１２は、それぞれ制御部６２０に対して電気配線を介して接続されている。
【0086】
制御部６２０は、例えば、図８に示すように、中央処理装置６２１、スイッチ部６２２、電流制御部６２３、Ａ／Ｄ変換部６２４、演算部６２５及び記録部６２６等を備えている。制御部６２０では、中央処理装置６２１からの情報によって、スイッチ部６２２が制御され、発光する光源モジュール６１１が選択される。このとき、スイッチ部６２２を介して光源モジュール６１１に供給される電流が電流制御部６２３で所望の値に制御される。検出モジュール６１２での検出結果（データ）は、Ａ／Ｄ変換部６２４でＡ／Ｄ変換され、演算部６２５で平均化処理等の演算が行われる。演算部６２５での演算結果は、順次、記録部６２６に記録される。
【0087】
光源モジュール６１１の光源として、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００、第２実施形態に係る面発光レーザ素子又は第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００を含む面発光レーザが用いられる。本実施形態では、面発光レーザの出射光の波長は、７８０ｎｍ帯及び９００ｎｍ帯のいずれかとするか、７８０ｎｍ帯と９００ｎｍ帯の２種類の面発光レーザから選択可能な構成とすることが好ましい。上述のように、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００、第２実施形態に係る面発光レーザ素子又は第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００は従来の面発光レーザ素子に比べて高出力である。このため、第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００、第２実施形態に係る面発光レーザ素子又は第３実施形態に係る面発光レーザ素子２００を含む面発光レーザを光学検査装置６００に適用することで、より精度の高い計測が可能となる。
【0088】
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
【0089】
本開示の態様は、例えば、以下のとおりである。
＜１＞
第１反射鏡及び第２反射鏡と、
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、
を有し、
前記共振器領域は、
結晶歪を含む複数の活性層と、
前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、
前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、
を有し、
前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含むことを特徴とする面発光レーザ素子。
＜２＞
前記共振器領域は、スペーサ層を複数有し、
前記複数のスペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする前記＜１）に記載の面発光レーザ素子。
＜３＞
前記共振器領域は、複数の積層体を有し、
前記積層体の各々は、
複数の前記スペーサ層の１つである第１スペーサ層と、
複数の前記スペーサ層の他の１つである第２スペーサ層と、
前記複数の活性層の１つであり、前記第１スペーサ層と前記第２スペーサ層の間にある前記活性層と、
を有し、
前記積層体において、前記第１スペーサ層および前記第２スペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする前記＜２＞に記載の面発光レーザ素子。
＜４＞
前記活性層から発せられる光の波長をλとし、前記積層体の個数をｎ（ｎは２以上の自然数）としたとき、
前記共振器領域の全体の光学的厚さはｎλ／２であることを特徴とする前記＜３＞に記載の面発光レーザ素子。
＜５＞
前記積層体の各々の光学的厚さはλ／２以下であることを特徴とする前記＜３＞に記載の面発光レーザ素子。
＜６＞
前記共振器領域に含まれる前記活性層の結晶歪量の合計をεとしたとき、前記共振器領域に含まれる前記活性層と逆の結晶歪量の合計は、－１．１ε～－０．９εの範囲内にあることを特徴とする前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜７＞
前記活性層及びトンネル接合層の合計の結晶歪の量は、１０８％・ｎｍ以下であることを特徴とする前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜８＞
前記活性層の結晶歪の量は、３６％・ｎｍ以下であることを特徴とする前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜９＞
前記歪緩和層は、Ｐを含有することを特徴とする前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜１０＞
前記歪緩和層は、ＡｌＧａＡｓＰ層又はＡｌＧａＩｎＡｓＰ層であることを特徴とする前記＜９＞に記載の面発光レーザ素子。
＜１１＞
前記歪緩和層は、ＡｌＧａＩｎＰ層又はＧａＩｎＰ層であることを特徴とする前記＜９＞に記載の面発光レーザ素子。
＜１２＞
前記歪緩和層を構成するＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は６５％以下であることを特徴とする前記＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜１３＞
前記＜１＞から＜１２＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子から発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする検出装置。
＜１４＞
前記検出部からの信号に基づき前記対象物との距離を算出する算出部をさらに備えることを特徴とする前記＜１３＞に記載の検出装置。
＜１５＞
前記＜１４＞に記載の検出装置を備えることを特徴とする移動体。
＜１＞
第１反射鏡及び第２反射鏡と、
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間にある共振器領域と、
を有し、
前記共振器領域は、
結晶歪を含む複数の活性層と、
前記複数の活性層の間にあるトンネル接合層と、
前記第１反射鏡と前記活性層との間、前記複数の活性層の間、または前記活性層と前記第２反射鏡との間の少なくともいずれかにある歪緩和層と、
を有し、
前記歪緩和層は、前記活性層とは逆の結晶歪を含むことを特徴とする面発光レーザ素子。
＜２＞
前記共振器領域は、スペーサ層を複数有し、
前記複数のスペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする前記＜１）に記載の面発光レーザ素子。
＜３＞
前記共振器領域は、複数の積層体を有し、
前記積層体の各々は、
複数の前記スペーサ層の１つである第１スペーサ層と、
複数の前記スペーサ層の他の１つである第２スペーサ層と、
前記複数の活性層の１つであり、前記第１スペーサ層と前記第２スペーサ層の間にある前記活性層と、
を有し、
前記積層体において、前記第１スペーサ層および前記第２スペーサ層の少なくとも一部が前記歪緩和層であることを特徴とする前記＜２＞に記載の面発光レーザ素子。
＜４＞
前記活性層から発せられる光の波長をλとし、前記積層体の個数をｎ（ｎは２以上の自然数）としたとき、
前記共振器領域の全体の光学的厚さはｎλ／２であることを特徴とする前記＜３＞に記載の面発光レーザ素子。
＜５＞
前記積層体の各々の光学的厚さはλ／２以下であることを特徴とする前記＜３＞に記載の面発光レーザ素子。
＜６＞
前記共振器領域に含まれる前記活性層の結晶歪量の合計をεとしたとき、前記共振器領域に含まれる前記活性層と逆の結晶歪量の合計は、－１．１ε～－０．９εの範囲内にあることを特徴とする前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜７＞
前記活性層及びトンネル接合層の合計の結晶歪の量は、１０８％・ｎｍ以下であることを特徴とする前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜８＞
前記活性層の結晶歪の量は、３６％・ｎｍ以下であることを特徴とする前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜９＞
前記歪緩和層は、Ｐを含有することを特徴とする前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜１０＞
前記歪緩和層は、ＡｌＧａＡｓＰ層又はＡｌＧａＩｎＡｓＰ層であることを特徴とする前記＜９＞に記載の面発光レーザ素子。
＜１１＞
前記歪緩和層は、ＡｌＧａＩｎＰ層又はＧａＩｎＰ層であることを特徴とする前記＜９＞に記載の面発光レーザ素子。
＜１２＞
前記歪緩和層を構成するＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は６５％以下であることを特徴とする前記＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
＜１３＞
前記＜１＞から＜１２＞のいずれかに記載の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子から発せられ対象物で反射された光を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする検出装置。
＜１４＞
前記検出部からの信号に基づき前記対象物との距離を算出する算出部をさらに備えることを特徴とする前記＜１３＞に記載の検出装置。
＜１５＞
前記＜１４＞に記載の検出装置を備えることを特徴とする移動体。
【符号の説明】
【0090】
１００、２００ 面発光レーザ素子
１０、３０ 積層体
１１、３１ 下部スペーサ層
１２、３２ 活性層
１３、３３ 上部スペーサ層
２０、４０ トンネル接合層
２１、４１ ｐ型層
２２、４２ ｎ型層
１０２、２０２ 下部ＤＢＲ
１０３、２０３ 共振器領域
１０４、２０４ 上部ＤＢＲ
４００ 距離測定装置
４３０ 駆動回路（算出部）
５００ 自動車（移動体）
６００ 光学検査装置
１０、３０ 積層体
１１、３１ 下部スペーサ層
１２、３２ 活性層
１３、３３ 上部スペーサ層
２０、４０ トンネル接合層
２１、４１ ｐ型層
２２、４２ ｎ型層
１０２、２０２ 下部ＤＢＲ
１０３、２０３ 共振器領域
１０４、２０４ 上部ＤＢＲ
４００ 距離測定装置
４３０ 駆動回路（算出部）
５００ 自動車（移動体）
６００ 光学検査装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【0091】
【特許文献1】特許第４２３２３３４号公報
【非特許文献】
【0092】
【非特許文献1】"Multi-junction vertical-cavity surface-emitting lasers in the 800-1100nm wavelength range", Proc. SPIE 11704, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXV, 117040B (5 March 2021)
【非特許文献2】半導体レーザ 応用物理学会編 オーム社
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】