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JP7804816B2 - Light-emitting device - Google Patents
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JP7804816B2 - Light-emitting device - Google Patents

Light-emitting device

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JP7804816B2
JP7804816B2 JP2025077349A JP2025077349A JP7804816B2 JP 7804816 B2 JP7804816 B2 JP 7804816B2 JP 2025077349 A JP2025077349 A JP 2025077349A JP 2025077349 A JP2025077349 A JP 2025077349A JP 7804816 B2 JP7804816 B2 JP 7804816B2
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Description

本開示は、発光装置に関する。 This disclosure relates to a light-emitting device.

特許文献1には、可飽和吸収層を含むVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER:垂直共振器型面発光レーザ)が開示されている。特許文献1のVCSELは、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成し得る。 Patent Document 1 discloses a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) that includes a saturable absorbing layer. The VCSEL in Patent Document 1 can generate optical pulses with short optical pulse widths and high peak values.

特許文献2には、複数の活性領域と、活性領域の間に配されたトンネル接合とを有するVCSELが開示されている。 Patent document 2 discloses a VCSEL having multiple active regions and tunnel junctions arranged between the active regions.

特開2022-176886号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2022-176886 米国特許出願公開第2022/0190559号明細書US Patent Application Publication No. 2022/0190559

特許文献1及び特許文献2に記載されているような発光装置において、更なる性能改善が求められている。 Further performance improvements are required for light-emitting devices such as those described in Patent Documents 1 and 2.

そこで、本開示は、より性能を改善し得る発光装置を提供することを目的とする。 The present disclosure therefore aims to provide a light-emitting device that can further improve performance.

本明細書の一開示によれば、半導体基板の上に配された第1反射鏡と、前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、を有し、前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層と、前記複数の第1量子井戸層の層間に配された第3バリア層とを含み、前記第2活性層は、第4バリア層と、前記第4バリア層の上に配された複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の上に配された第5バリア層と、前記複数の第2量子井戸層の層間に配された第6バリア層とを含み、前記複数の第2量子井戸層の数をN、前記複数の第2量子井戸層の各層の厚さをw(nm)、活性層の数をM、所定の尖頭値比の光強度を得るために要する量子井戸の層数をQとしたとき、前記第2活性層の厚さTa(nm)は、以下の式(1)を満たし、
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
前記第2活性層と前記第1トンネル接合層との距離は、40nm以上であり、前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層が、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層よりも薄いことを特徴とする発光装置が提供される。
According to one disclosure of the present specification, there is provided a semiconductor device including a first reflecting mirror disposed on a semiconductor substrate, a first active layer disposed on the first reflecting mirror, a first tunnel junction layer disposed on the first active layer, a second active layer disposed on the first tunnel junction layer, and a second reflecting mirror disposed on the second active layer, wherein the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers, and a third barrier layer disposed between the plurality of first quantum well layers. the second active layer includes a fourth barrier layer, a plurality of second quantum well layers disposed on the fourth barrier layer, a fifth barrier layer disposed on the plurality of second quantum well layers, and a sixth barrier layer disposed between the plurality of second quantum well layers, wherein when the number of the plurality of second quantum well layers is N, the thickness of each of the plurality of second quantum well layers is w (nm), the number of active layers is M, and the number of quantum well layers required to obtain an optical intensity with a predetermined peak value ratio is Q, the thickness Ta (nm) of the second active layer satisfies the following formula (1):
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
The distance between the second active layer and the first tunnel junction layer is 40 nm or more, and any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers is thinner than any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer.

また、本明細書の更に他の一開示によれば、半導体基板の上に配された第1反射鏡と、前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、を有し、前記第2活性層は、第4バリア層と、前記第4バリア層の上に配された複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の上に配された第5バリア層とを含み、前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄いことを特徴とする発光装置が提供される。 Furthermore, according to yet another disclosure of this specification, there is provided a light-emitting device comprising: a first reflecting mirror disposed on a semiconductor substrate; a first active layer disposed on the first reflecting mirror; a first tunnel junction layer disposed on the first active layer; a second active layer disposed on the first tunnel junction layer; and a second reflecting mirror disposed on the second active layer, wherein the second active layer includes a fourth barrier layer, a plurality of second quantum well layers disposed on the fourth barrier layer, and a fifth barrier layer disposed on the plurality of second quantum well layers, and the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.

また、本明細書の更に他の一開示によれば、半導体基板の上に配された第1反射鏡と、前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、を有し、前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層とを含み、前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄いことを特徴とする発光装置が提供される。 Furthermore, according to yet another disclosure of this specification, there is provided a light-emitting device comprising: a first reflecting mirror disposed on a semiconductor substrate; a first active layer disposed on the first reflecting mirror; a first tunnel junction layer disposed on the first active layer; a second active layer disposed on the first tunnel junction layer; and a second reflecting mirror disposed on the second active layer, wherein the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, and a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers, and the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.

本開示によれば、より性能を改善し得る発光装置が提供される。 This disclosure provides a light-emitting device that can further improve performance.

第1実施形態に係る発光装置を示す概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a light emitting device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。1 is an enlarged cross-sectional view showing a light emitting device according to a first embodiment. 第1実施形態に係る発光装置の光出力波形の例を示すグラフである。4 is a graph showing an example of a light output waveform of the light emitting device according to the first embodiment. 第1実施形態に係る発光装置における活性層近傍のエネルギーバンドギャップ図である。FIG. 2 is an energy band gap diagram near the active layer in the light emitting device according to the first embodiment. 第2実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing a light emitting device according to a second embodiment. 第2実施形態に係る発光装置における活性層近傍のエネルギーバンドギャップ図である。FIG. 10 is an energy band gap diagram near the active layer in the light emitting device according to the second embodiment. 第3実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing a light emitting device according to a third embodiment. 第3実施形態に係る発光装置における活性層近傍のエネルギーバンドギャップ図である。FIG. 11 is an energy band gap diagram near the active layer in the light emitting device according to the third embodiment. 第4実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing a light-emitting device according to a fourth embodiment. 第5実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing a light-emitting device according to a fifth embodiment. 第6実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view showing a light-emitting device according to a sixth embodiment. 第7実施形態に係る発光装置を示す断面拡大図である。FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing a light-emitting device according to a seventh embodiment. 第8実施形態に係る測距装置の概略構成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance measuring device according to an eighth embodiment. 第9実施形態に係る移動体の構成例を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing an example of the configuration of a moving body according to the ninth embodiment.

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。以降の説明において、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成し得るVCSELを高尖頭値VCSELと称する場合がある。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Identical or corresponding elements throughout the drawings are designated by common reference numerals, and their description may be omitted or simplified. In the following description, a VCSEL capable of generating an optical pulse with a short optical pulse width and a high peak value may be referred to as a high peak value VCSEL.

[第1実施形態]
図1は、本実施形態に係る発光装置1を示す概略断面図である。本実施形態の発光装置1は、分布ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)を有する垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)である。発光装置1は、半導体基板11、下部DBR層12、スペーサ部13、共振器部20、上部DBR層32、電極40、41及び保護膜42を有している。下部DBR層12(第1反射鏡)は、半導体基板11の上に配されている。スペーサ部13は、下部DBR層12の上に配されている。共振器部20は、スペーサ部13の上に配されている。上部DBR層32(第2反射鏡)は、共振器部20の上に配されている。下部DBR層12と上部DBR層32との間に位置する層(スペーサ部13及び共振器部20)が、共振器スペーサ部である。スペーサ部13の中には、可飽和吸収層131が配されている。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a light-emitting device 1 according to this embodiment. The light-emitting device 1 of this embodiment is a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) having a distributed Bragg reflector (DBR). The light-emitting device 1 includes a semiconductor substrate 11, a lower DBR layer 12, a spacer portion 13, a resonator portion 20, an upper DBR layer 32, electrodes 40 and 41, and a protective film 42. The lower DBR layer 12 (first reflector) is disposed on the semiconductor substrate 11. The spacer portion 13 is disposed on the lower DBR layer 12. The resonator portion 20 is disposed on the spacer portion 13. The upper DBR layer 32 (second reflector) is disposed on the resonator portion 20. Layers (spacer portion 13 and resonator portion 20) located between the lower DBR layer 12 and the upper DBR layer 32 form a resonator spacer portion. A saturable absorbing layer 131 is disposed within the spacer portion 13 .

図2は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。図2は、図1に示されている領域Rを拡大した図である。図1及び図2を相互に参照して発光装置1の構成をより詳細に説明する。 Figure 2 is an enlarged cross-sectional view showing the light-emitting device 1 according to this embodiment. Figure 2 is an enlarged view of region R shown in Figure 1. The configuration of the light-emitting device 1 will be described in more detail with mutual reference to Figures 1 and 2.

共振器部20は、スペーサ部13の上に配されたn型層21と、n型層21の上に配された活性層22(第1活性層)とを有している。また、共振器部20は、活性層22の上にスペーサ部を介して配された活性層25(第2活性層)と、活性層25の上に配されたp型層26とを有している。 The resonator section 20 has an n-type layer 21 disposed on the spacer section 13, and an active layer 22 (first active layer) disposed on the n-type layer 21. The resonator section 20 also has an active layer 25 (second active layer) disposed on the active layer 22 via a spacer section, and a p-type layer 26 disposed on the active layer 25.

活性層22の中には、バリア層222(第1バリア層)と、3層の量子井戸層221(第1量子井戸層)と、量子井戸層221の層間に配された2層のバリア層224(第3バリア層)と、バリア層223(第2バリア層)とが配されている。3層の量子井戸層221と2層のバリア層224は多重量子井戸構造をなしている。 The active layer 22 contains a barrier layer 222 (first barrier layer), three quantum well layers 221 (first quantum well layers), two barrier layers 224 (third barrier layers) disposed between the quantum well layers 221, and a barrier layer 223 (second barrier layer). The three quantum well layers 221 and the two barrier layers 224 form a multiple quantum well structure.

活性層25の中には、バリア層252(第4バリア層)と、3層の量子井戸層251(第2量子井戸層)と、量子井戸層251の層間に配された2層のバリア層254(第6バリア層)と、バリア層253(第5バリア層)とが配されている。3層の量子井戸層251と2層のバリア層254は多重量子井戸構造をなしている。 The active layer 25 contains a barrier layer 252 (fourth barrier layer), three quantum well layers 251 (second quantum well layers), two barrier layers 254 (sixth barrier layer) and a barrier layer 253 (fifth barrier layer) disposed between the quantum well layers 251. The three quantum well layers 251 and the two barrier layers 254 form a multiple quantum well structure.

量子井戸層221、251は、ノンドープのInGaAs層であり得る。バリア層222、223、224、252、253、254は、ノンドープのGaAs層であり得る。 The quantum well layers 221 and 251 may be undoped InGaAs layers. The barrier layers 222, 223, 224, 252, 253, and 254 may be undoped GaAs layers.

活性層22と活性層25の間のスペーサ部は、活性層22の上に配されたp型層27と、p型層27の上に配された酸化狭窄層23(第1酸化狭窄層)と、酸化狭窄層23の上に配されたp型層28とを含む。また、活性層22と活性層25の間のスペーサ部は、p型層28の上に配されたトンネル接合層24(第1トンネル接合層)と、トンネル接合層24の上に配されたn型層29とを含む。上部DBR層32の中には、酸化狭窄層31(第2酸化狭窄層)が配されている。 The spacer portion between the active layer 22 and the active layer 25 includes a p-type layer 27 disposed on the active layer 22, an oxide constriction layer 23 (first oxide constriction layer) disposed on the p-type layer 27, and a p-type layer 28 disposed on the oxide constriction layer 23. The spacer portion between the active layer 22 and the active layer 25 also includes a tunnel junction layer 24 (first tunnel junction layer) disposed on the p-type layer 28, and an n-type layer 29 disposed on the tunnel junction layer 24. An oxide constriction layer 31 (second oxide constriction layer) is disposed within the upper DBR layer 32.

活性層22、活性層25、p型層26、上部DBR層32及び活性層22と活性層25の間のスペーサ部は、メサ状に加工されている。このメサ状加工により露出したn型層21の上には、n型層21に電気的に接続された電極40が配されている。上部DBR層32の上には、上部DBR層32に電気的に接続された電極41が配されている。n型層21の上面及びメサの側面及び上面のうちの、電極40、41の表面の少なくとも一部を除く部分には、保護膜42が配されている。 The active layer 22, active layer 25, p-type layer 26, upper DBR layer 32, and the spacer between the active layer 22 and active layer 25 are processed into a mesa shape. An electrode 40 electrically connected to the n-type layer 21 is disposed on the n-type layer 21 exposed by this mesa processing. An electrode 41 electrically connected to the upper DBR layer 32 is disposed on the upper DBR layer 32. A protective film 42 is disposed on the top surface of the n-type layer 21 and the side and top surfaces of the mesa, excluding at least a portion of the surfaces of the electrodes 40 and 41.

半導体基板11は、例えば、GaAs基板により構成され得る。下部DBR層12は、例えば、光学膜厚が1/4λcであるAl0.1GaAs層とAl0.9GaAs層との積層体を1ペアとして、これを35ペア積層することにより構成され得る。ここで、λcは下部DBR層12の高反射帯域の中心波長であり、本実施形態では940nmである。本実施形態では、半導体基板11及び下部DBR層12は、n型である。 The semiconductor substrate 11 may be formed, for example, by a GaAs substrate. The lower DBR layer 12 may be formed, for example, by stacking 35 pairs of stacked layers, each stacked layer consisting of an Al 0.1 GaAs layer and an Al 0.9 GaAs layer, each having an optical film thickness of ¼λc. Here, λc is the center wavelength of the high reflection band of the lower DBR layer 12, which is 940 nm in this embodiment. In this embodiment, the semiconductor substrate 11 and the lower DBR layer 12 are n-type.

スペーサ部13は、一般的なVCSELには存在しない構成である。可飽和吸収層131は、例えば、厚さ8nmのInGaAs量子井戸層を厚さ10nmのAlGaAsバリア層で挟んだ量子井戸を3層含む多重量子井戸により構成され得る。スペーサ部13内の多重量子井戸以外の部分は、ドープされた、またはノンドープのGaAs、AlGaAs層等により構成され得る。 The spacer section 13 has a structure not found in typical VCSELs. The saturable absorbing layer 131 may be composed of a multiple quantum well structure including three quantum well layers, each with an 8-nm-thick InGaAs quantum well layer sandwiched between 10-nm-thick AlGaAs barrier layers. The rest of the spacer section 13 other than the multiple quantum well layers may be composed of doped or undoped GaAs, AlGaAs, or other layers.

共振器部20は、n型層21、活性層22、p型層27、酸化狭窄層23及びp型層28を含むn-i-p接合と、トンネル接合層24と、n型層29、活性層25及びp型層26を含むn-i-p接合とを含む。トンネル接合層24は、半導体基板11側から順に、ハイドープのp型層とハイドープのn型層とを含む。このように、本実施形態の発光装置は、複数のn-i-p接合が、トンネル接合層24により接続された多重接合VCSELである。なお、トンネル接合層24は、3層以上の半導体領域により構成されていてもよい。酸化狭窄層23はAl0.98Ga0.02As層の一部が酸化されることにより形成され得る。 The resonator section 20 includes an nip junction including an n-type layer 21, an active layer 22, a p-type layer 27, an oxide constriction layer 23, and a p-type layer 28, a tunnel junction layer 24, and an nip junction including an n-type layer 29, an active layer 25, and a p-type layer 26. The tunnel junction layer 24 includes, in order from the semiconductor substrate 11 side, a highly doped p-type layer and a highly doped n-type layer. As described above, the light-emitting device of this embodiment is a multi-junction VCSEL in which multiple nip junctions are connected by the tunnel junction layer 24. The tunnel junction layer 24 may be composed of three or more semiconductor regions. The oxide constriction layer 23 can be formed by oxidizing a portion of an Al 0.98 Ga 0.02 As layer.

上部DBR層32は、例えば、光学膜厚が1/4λcであるAl0.1Ga0.9As層とAl0.9Ga0.1As層との積層体を1ペアとして、これを20ペア積層することにより構成され得る。上部DBR層32の中には、酸化狭窄層31が配されている。酸化狭窄層31は、例えば厚さ30nmのAl0.98Ga0.02As層である。本実施形態では、上部DBR層32は、p型である。 The upper DBR layer 32 can be formed by stacking, for example, 20 pairs of stacked layers, each of which is an Al0.1Ga0.9As layer and an Al0.9Ga0.1As layer, each having an optical film thickness of ¼λc. An oxidized constriction layer 31 is disposed within the upper DBR layer 32. The oxidized constriction layer 31 is, for example, an Al0.98Ga0.02As layer having a thickness of 30 nm. In this embodiment, the upper DBR layer 32 is p-type.

酸化狭窄層23、31は、例えば製造時に、Al0.98Ga0.02As層をメサの側面から水蒸気によって酸化することにより形成された、メサの中心部分の非酸化部と、メサの側壁近傍の酸化部と、を有する。平面視における非酸化部の直径は、10μm程度であり得る。これにより、発光装置1に注入された電流は非酸化部のみを流れるため、発光装置1は平面視においてメサの中心部分と重なる部分のみがレーザ発振する。しかしながら、酸化狭窄層23は必須ではなく、これが配されていなくてもよい。 The oxidized constriction layers 23, 31 have a non-oxidized portion in the center of the mesa and an oxidized portion near the sidewall of the mesa, formed by oxidizing the Al0.98Ga0.02As layer from the side of the mesa with water vapor during manufacturing, for example. The diameter of the non-oxidized portion in plan view can be approximately 10 μm. As a result, current injected into the light-emitting device 1 flows only through the non-oxidized portion, and only the portion of the light-emitting device 1 that overlaps with the center portion of the mesa in plan view lases. However, the oxidized constriction layer 23 is not essential and may not be provided.

なお、発光装置1で発生したレーザ光が上部DBR層32の側から出射するように構成されていてもよく、発光装置1で発生したレーザ光が半導体基板11の側から出射するように構成されていてもよい。レーザ光が上部DBR層32の側から出射する場合は、上部DBR層32の反射率を、下部DBR層12よりも低くなるよう設計する。 The laser light generated by the light emitting device 1 may be configured to be emitted from the upper DBR layer 32 side, or the laser light generated by the light emitting device 1 may be configured to be emitted from the semiconductor substrate 11 side. If the laser light is emitted from the upper DBR layer 32 side, the reflectivity of the upper DBR layer 32 is designed to be lower than that of the lower DBR layer 12.

本実施形態の発光装置1では、通常のVCSELの構成を基本として、以下に示す3つの要素を更に付加している。VCSELに付加する3つの要素のうちの1つ目は、活性層の体積を実質的に増加することである。例えば、通常のVCSELは3層の量子井戸で構成されるが、本実施形態の発光装置1では、これよりも活性層の体積が増加されている。2つ目は、可飽和吸収層131を導入することである。3つ目は、VCSELとして有効共振器長、通常のVCSELのそれよりも長くすることである。有効共振器長とは、共振器内で光が感じる共振器長である。より具体的には、活性層を共振方向に透過した光が共振器を構成する2枚の反射鏡で反射され、再び活性層を透過するまでに光が伝搬する距離の平均値である。この有効共振器長が通常のVCSEL程度の長さである場合には、尖頭値のパルス幅が短くなりすぎる場合がある。有効共振器長は、必要なパルス幅が得られるように設計されることが好ましい。例えば、本実施形態の発光装置1の有効共振器長は、通常のVCSELの有効共振器長よりも長く設定され得る。これら要素のうちの少なくとも1つ、好ましくは3つを付加することにより、尖頭値が高くパルス幅の短い光パルスを発生し得るVCSELを実現することが可能である。 The light-emitting device 1 of this embodiment is based on the configuration of a typical VCSEL, but the following three elements have been added. The first of these three elements is to substantially increase the volume of the active layer. For example, a typical VCSEL is composed of three quantum wells, but the volume of the active layer in the light-emitting device 1 of this embodiment is even larger. The second is to introduce a saturable absorbing layer 131. The third is to increase the effective cavity length of the VCSEL compared to that of a typical VCSEL. The effective cavity length is the cavity length experienced by light within the cavity. More specifically, it is the average distance traveled by light that passes through the active layer in the resonant direction, is reflected by the two reflecting mirrors that make up the cavity, and then passes through the active layer again. If this effective cavity length is comparable to that of a typical VCSEL, the peak pulse width may be too short. The effective cavity length is preferably designed to obtain the required pulse width. For example, the effective cavity length of the light-emitting device 1 of this embodiment can be set longer than the effective cavity length of a normal VCSEL. By adding at least one, and preferably three, of these elements, it is possible to realize a VCSEL that can generate optical pulses with high peak values and short pulse widths.

発光装置1は、活性層に電流を注入するための2つの電極を有する。具体的には、本実施形態の発光装置1は電極40と電極41を有しており、電極40と電極41は活性層に電流を注入する。ここで、可飽和吸収層への電流注入又は逆バイアスの電圧印加によって光吸収特性の制御が行われるように変形された発光装置の構成もあり得る。このような構成を比較例とする。比較例の発光装置は、例えば、可飽和吸収層を用いたVCSELであって、活性層及び可飽和吸収層の両方がp型層とn型層とにより挟まれているp-i-n構成を有する。更に比較例は、活性層を挟むp型層とn型層を電気的に制御するための2つの電極と、可飽和吸収層のp型層とn型層を電気的に制御するための2つの電極とを有する。ここで、4つの電極のいずれか2つを1つの電極で兼ねる構成も可能である。よって、電極の数は3つ、あるいは4つ以上であり得る。 The light-emitting device 1 has two electrodes for injecting current into the active layer. Specifically, the light-emitting device 1 of this embodiment has electrodes 40 and 41, which inject current into the active layer. However, modified light-emitting device configurations are also possible in which the optical absorption characteristics are controlled by injecting current into the saturable absorbing layer or applying a reverse bias voltage. Such a configuration is referred to as a comparative example. The comparative light-emitting device is, for example, a VCSEL using a saturable absorbing layer, and has a p-i-n configuration in which both the active layer and the saturable absorbing layer are sandwiched between p-type and n-type layers. Furthermore, the comparative example has two electrodes for electrically controlling the p-type and n-type layers sandwiching the active layer, and two electrodes for electrically controlling the p-type and n-type layers of the saturable absorbing layer. It is also possible to configure the device so that one electrode serves as any two of the four electrodes. Therefore, the number of electrodes may be three, four, or more.

比較例に対して本実施形態の発光装置1においては、電流注入又は逆バイアスの電圧印加といった可飽和吸収層への電気的制御が行われない。すなわち、発光装置1が有する電極の数は、比較例の発光装置が有する電極の数よりも少ない。このような構成によって発光装置1の微細化が可能となる。また、このような構成によって各電極を制御する制御回路の数又は規模を削減することもできる。また、電極の数が多いほど、電極ごとの電気的な特性分布が大きくなり得るため、電極の数を削減することにより電気的特性のばらつきを低減することが可能となる。 In contrast to the comparative example, the light-emitting device 1 of this embodiment does not perform electrical control on the saturable absorption layer, such as current injection or reverse bias voltage application. That is, the number of electrodes in the light-emitting device 1 is smaller than the number of electrodes in the light-emitting device of the comparative example. This configuration enables the light-emitting device 1 to be miniaturized. This configuration also makes it possible to reduce the number or size of the control circuits that control each electrode. Furthermore, since the greater the number of electrodes, the greater the distribution of electrical characteristics between electrodes, reducing the number of electrodes makes it possible to reduce the variation in electrical characteristics.

なお、比較例の発光装置の設計思想と本実施形態の発光装置1の設計思想は異なる。比較例の発光装置においては、活性層にp-i-nの順方向に電圧が印加されることで活性層に発光のためのキャリアが注入される。また、可飽和吸収層にはp-i-nの順方向又は逆方向に電圧が印加される。可飽和吸収層に印加される電圧の条件又は時間変化により発光装置の発振タイミングが制御される。この構成においては、可飽和吸収層に印加される電圧又は電流を制御して可飽和吸収層の吸収係数等の特性を変化させることにより発振タイミングが制御される。したがって、レーザ発振させない状態における可飽和吸収層の吸収係数は、発振しないように十分に大きい値に設計されていることが好ましい。一方で、発振させる状態における可飽和吸収層の吸収係数は、十分に小さい値に設計されていることが好ましい。比較例の構成においては、ある一定時間が経過すると非発振状態から発振状態へ移行するような発振条件に近い利得と可飽和吸収層の吸収係数とを有していることは好ましくなく、余裕のある設計が行われることが望まれる。そのため、比較例の構成においては、十分に非発振状態となるような利得に対して大きな吸収係数と十分に発振状態となるような小さな吸収係数とを実現するように発光装置が設計されており、電気的な制御により吸収計数の制御が実現されている。 Note that the design concept of the light-emitting device of the comparative example differs from that of the light-emitting device 1 of this embodiment. In the light-emitting device of the comparative example, a voltage is applied to the active layer in the forward direction of the p-i-n, thereby injecting carriers for light emission into the active layer. Furthermore, a voltage is applied to the saturable absorbing layer in the forward or reverse direction of the p-i-n. The oscillation timing of the light-emitting device is controlled by the conditions or time changes of the voltage applied to the saturable absorbing layer. In this configuration, the oscillation timing is controlled by controlling the voltage or current applied to the saturable absorbing layer to change the characteristics of the saturable absorbing layer, such as the absorption coefficient. Therefore, it is preferable that the absorption coefficient of the saturable absorbing layer in a state where laser oscillation is not occurring is designed to be sufficiently large so as not to cause oscillation. On the other hand, it is preferable that the absorption coefficient of the saturable absorbing layer in a state where oscillation is occurring is designed to be sufficiently small. In the configuration of the comparative example, it is not desirable to have a gain and an absorption coefficient of the saturable absorbing layer close to the oscillation conditions that transition from a non-oscillation state to an oscillation state after a certain period of time; therefore, a design with a margin of error is desirable. Therefore, in the comparative example configuration, the light-emitting device is designed to achieve a large absorption coefficient relative to the gain that is sufficient to achieve a non-oscillation state, and a small absorption coefficient that is sufficient to achieve an oscillation state, and the absorption coefficient is controlled electrically.

また、図2には、発光装置1内を伝搬する光の定在波の腹と節の位置が破線により模式的に示されている。図2に示されているように、量子井戸層221、251は、定在波の腹の位置に配されるように各層の材料及び膜厚が設計されている。また、トンネル接合層24は、定在波の節の位置に配されるように各層の材料及び膜厚が設計されている。トンネル接合層24はハイドープのp型層及びn型層により構成されており、光の吸収を避ける観点で定在波の節の近傍に配されることが望ましいためである。また、酸化狭窄層23、31は、定在波の節の位置に配されるように各層の材料及び膜厚が設計されている。これにより、酸化狭窄層23、31の酸化部分の端部による光学的な影響が低減される。なお、酸化部分の端部による光学的な影響がレーザ特性に影響を与えない場合には、酸化狭窄層23が必ずしも節近傍に配置されていなくてもよく、節からずれた位置に配置されていてもよい。 In addition, Figure 2 schematically shows the positions of the antinodes and nodes of the standing wave of light propagating within the light-emitting device 1 using dashed lines. As shown in Figure 2, the materials and thicknesses of each layer of the quantum well layers 221 and 251 are designed so that they are located at the antinodes of the standing wave. Furthermore, the materials and thicknesses of each layer of the tunnel junction layer 24 are designed so that they are located at the nodes of the standing wave. This is because the tunnel junction layer 24 is composed of highly doped p-type and n-type layers, and it is desirable to place it near the nodes of the standing wave to avoid light absorption. Furthermore, the materials and thicknesses of each layer of the oxidized constriction layers 23 and 31 are designed so that they are located at the nodes of the standing wave. This reduces the optical effect of the edges of the oxidized portions of the oxidized constriction layers 23 and 31. Note that if the optical effect of the edges of the oxidized portions does not affect the laser characteristics, the oxidized constriction layer 23 does not necessarily have to be located near the nodes, and may be located at a position offset from the nodes.

図3は、実施形態に係る発光装置1の光出力波形を計算により求めた例を示すグラフである。図3の横軸は任意単位による時間を示しており、図3の縦軸は任意単位による光量(実線)及び任意単位によるキャリア密度(破線)を示している。 Figure 3 is a graph showing an example of a calculated optical output waveform of the light-emitting device 1 according to the embodiment. The horizontal axis of Figure 3 represents time in arbitrary units, and the vertical axis of Figure 3 represents the amount of light in arbitrary units (solid line) and the carrier density in arbitrary units (dashed line).

本実施形態に係る発光装置1は、最大ピーク値を有し、かつ、最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出する。すなわち、本実施形態による発光装置1では、電流の注入開始から数10~数100ps程度経過した後に発振が始まる。この発振開始の遅れは、活性層22、25の実効的な体積を大きくしていること、及び電流の注入開始から一定時間は可飽和吸収層131での光の吸収により発振が阻害されることによる。可飽和吸収層131に光が吸収されると、吸収された光はキャリアとして可飽和吸収層131内に蓄積される。光の吸収に伴ってキャリアが増加していき、可飽和吸収層131内におけるキャリア密度が透明キャリア密度に達すると、可飽和吸収層131は光を吸収しなくなる。その結果、レーザ発振を阻害する効果がなくなり、半導体発光素子はレーザ発振を始める。 The light-emitting device 1 according to this embodiment emits light having a maximum peak value and a profile that converges to a stable value, which is a predetermined light intensity, after the maximum peak value. That is, in the light-emitting device 1 according to this embodiment, oscillation begins approximately several tens to several hundreds of picoseconds after the start of current injection. This delay in the start of oscillation is due to the large effective volume of the active layers 22 and 25 and the fact that oscillation is inhibited for a certain period of time after the start of current injection due to light absorption in the saturable absorbing layer 131. When light is absorbed in the saturable absorbing layer 131, the absorbed light accumulates as carriers within the saturable absorbing layer 131. The number of carriers increases as light is absorbed, and when the carrier density in the saturable absorbing layer 131 reaches the transparent carrier density, the saturable absorbing layer 131 no longer absorbs light. As a result, the effect of inhibiting laser oscillation disappears, and the semiconductor light-emitting element begins laser oscillation.

可飽和吸収層131によって一定時間、レーザ発振を阻害している目的は、閾値キャリア密度を超えるキャリアを活性層22、25に蓄積するためである。ここで、閾値キャリア密度とは、レーザ発振をするために必要な利得を発生させるキャリア密度である。 The purpose of inhibiting laser oscillation for a certain period of time using the saturable absorbing layer 131 is to accumulate carriers exceeding the threshold carrier density in the active layers 22 and 25. Here, the threshold carrier density is the carrier density that generates the gain necessary for laser oscillation.

図4は、本実施形態に係る発光装置1における活性層25近傍のエネルギーバンドギャップ図である。図4の縦軸はエネルギーギャップEgを示しており、図4の横軸は発光装置1の深さ方向の位置を示している。なお、図4において、横軸の縮尺は強調のため適宜変更されており、図4に図示されている各層の幅は実際の各半導体層の厚さを反映したものではない。また、図4に示されている半導体層の厚さの数値は、発光装置1の設計例を示している。 Figure 4 is an energy bandgap diagram near the active layer 25 in the light-emitting device 1 according to this embodiment. The vertical axis of Figure 4 represents the energy gap Eg, and the horizontal axis of Figure 4 represents the depth direction of the light-emitting device 1. Note that the scale of the horizontal axis in Figure 4 has been appropriately changed for emphasis, and the width of each layer shown in Figure 4 does not reflect the actual thickness of each semiconductor layer. Furthermore, the numerical values for the thickness of the semiconductor layers shown in Figure 4 represent an example design of the light-emitting device 1.

図4に示されているように、活性層25には、厚さ8nmの量子井戸層251が3層配されている。3層の量子井戸層251の各々の間には、厚さ6nmのバリア層254が配されている。3層の量子井戸層251の下には厚さ86nmのバリア層252が配されており、3層の量子井戸層251の上には厚さ86nmのバリア層253が配されている。活性層25の全体の厚さTaは、208nmである。なお、図4においては省略されているが、活性層22も同様の設計であり得る。本実施形態では、バリア層252の厚さとバリア層253の厚さは同一である。 As shown in FIG. 4, the active layer 25 has three 8-nm-thick quantum well layers 251 arranged therein. A 6-nm-thick barrier layer 254 is arranged between each of the three quantum well layers 251. An 86-nm-thick barrier layer 252 is arranged below the three quantum well layers 251, and an 86-nm-thick barrier layer 253 is arranged above the three quantum well layers 251. The total thickness Ta of the active layer 25 is 208 nm. Although omitted in FIG. 4, the active layer 22 may also have a similar design. In this embodiment, the thickness of the barrier layer 252 and the thickness of the barrier layer 253 are the same.

また、図4に示されているように、バリア層252とトンネル接合層24の間には、スペーサ層としてn型層29が配されている。n型層29の厚さTsは、219nmである。なお、n型層29は複数の層で構成されていてもよい。この複数の層は、例えば、酸化狭窄層、キャリアブロック層、歪緩和層等を含んでもよい。 Also, as shown in FIG. 4, an n-type layer 29 is disposed between the barrier layer 252 and the tunnel junction layer 24 as a spacer layer. The thickness Ts of the n-type layer 29 is 219 nm. The n-type layer 29 may be composed of multiple layers. These multiple layers may include, for example, an oxide constriction layer, a carrier blocking layer, a strain relaxation layer, etc.

活性層25の厚さTaの設計と、n型層29の厚さTsの設計と、多重量子井戸における量子井戸層及びバリア層の厚さの関係とについてより詳細に説明する。まず、活性層25の厚さTaの設計について説明する。発明者らの検討によれば、実効共振器長が2μmの発光装置1において、5以上の尖頭値比が必要な場合に必要な実効的な量子井戸層は7.5個である。また、レーザ発振に必要な誘導増幅を発生するための最低限のキャリア密度は2×1018cm-3程度である。このとき、量子井戸層に蓄積されるキャリアの密度に対するバリア層に蓄積されるキャリアの密度の比は0.2程度である。本実施形態では、活性層1つ当たりの量子井戸層の数は3であり、2つの活性層22、25が積層されていることから合計の量子井戸層の数は6(3×2)である。また、1層当たりの量子井戸層の厚さは8nmである。活性層25の厚さTaは、量子井戸層の厚さの合計とバリア層の厚さの合計を加算したものである。したがって、量子井戸層とバリア層を合わせて7.5個の量子井戸層に相当する活性層の厚さを確保するための、活性層25の最小限の厚さは、{8×3×2+(7.5-3×2)×8/0.2}/2=54nmである。したがって、上述の前提においては、活性層25の厚さTaは、54nm以上であることが望ましい。ここで、尖頭値比とは、光パルス波形のピーク値と、その後の安定化後の定常値との比である。例えば、尖頭値比5とは、尖頭値の光量が定常値の光量の5倍となっているということである。 The design of the thickness Ta of the active layer 25, the design of the thickness Ts of the n-type layer 29, and the relationship between the thicknesses of the quantum well layers and barrier layers in the multiple quantum well structure will be described in more detail. First, the design of the thickness Ta of the active layer 25 will be described. According to the inventors' investigations, in a light-emitting device 1 having an effective cavity length of 2 μm, when a peak ratio of 5 or more is required, 7.5 effective quantum well layers are required. Furthermore, the minimum carrier density required to generate the stimulated amplification necessary for laser oscillation is approximately 2×10 18 cm −3 . At this time, the ratio of the density of carriers accumulated in the barrier layers to the density of carriers accumulated in the quantum well layers is approximately 0.2. In this embodiment, the number of quantum well layers per active layer is three, and since two active layers 22 and 25 are stacked, the total number of quantum well layers is six (3×2). Furthermore, the thickness of each quantum well layer is 8 nm. The thickness Ta of the active layer 25 is the sum of the total thickness of the quantum well layers and the total thickness of the barrier layers. Therefore, the minimum thickness of the active layer 25 to ensure a thickness equivalent to 7.5 quantum well layers, including the quantum well layers and barrier layers, is {8 × 3 × 2 + (7.5 - 3 × 2) × 8/0.2}/2 = 54 nm. Therefore, under the above assumptions, it is desirable that the thickness Ta of the active layer 25 be 54 nm or greater. Here, the peak value ratio is the ratio between the peak value of the optical pulse waveform and the steady-state value after stabilization. For example, a peak value ratio of 5 means that the peak light intensity is five times the steady-state light intensity.

上述の検討を一般化して説明する。活性層1つ当たりの量子井戸層の数をN、1層当たりの量子井戸層の厚さをw(nm)、発光装置1内の活性層の数をM、所定の尖頭値比の光強度を得るために要する量子井戸の層数をQとする。このとき、活性層25の厚さTaは以下の式(1)を満たすことが望ましい。
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
The above discussion will now be generalized. Let N be the number of quantum well layers per active layer, w (nm) be the thickness of each quantum well layer, M be the number of active layers in the light-emitting device 1, and Q be the number of quantum well layers required to obtain a light intensity with a predetermined peak-to-peak ratio. In this case, it is desirable that the thickness Ta of the active layer 25 satisfy the following formula (1):
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)

以上のように、式(1)を満たすように活性層25の厚さTaを設定することにより、十分な尖頭値比が得られる発光装置1が提供される。また、活性層22においても同様の理由により、式(1)を満たすように厚さTaが設定されることが望ましい。 As described above, by setting the thickness Ta of the active layer 25 so as to satisfy formula (1), a light-emitting device 1 is provided that can obtain a sufficient peak value ratio. For the same reason, it is also desirable to set the thickness Ta of the active layer 22 so as to satisfy formula (1).

また、発光装置1の用途によっては、より大きい尖頭値比が必要な場合もある。例えば、10以上の尖頭値比が必要な場合に必要な実効的な量子井戸層は11個である。この場合には、量子井戸層とバリア層を合わせて11個の量子井戸層に相当する活性層の厚さを確保するための、活性層25の最小限の厚さは、活性層数が2の場合は、{8×3×2+(11-3×2)×8/0.2}/2=124nmである。したがって、10以上の尖頭値比が必要な場合においては、活性層25の厚さTaは、124nm以上であることが望ましい。このような用途の例としては、測距対象物が遠方にある場合の測距用の発光装置が挙げられる。 Furthermore, depending on the application of the light-emitting device 1, a greater peak-to-peak ratio may be required. For example, if a peak-to-peak ratio of 10 or greater is required, 11 effective quantum well layers are required. In this case, the minimum thickness of the active layer 25 to ensure an active layer thickness equivalent to 11 quantum well layers, including the quantum well layers and barrier layers, is {8 x 3 x 2 + (11 - 3 x 2) x 8/0.2}/2 = 124 nm when there are two active layers. Therefore, if a peak-to-peak ratio of 10 or greater is required, it is desirable that the thickness Ta of the active layer 25 be 124 nm or greater. An example of such an application is a light-emitting device used for distance measurement when the object to be measured is located far away.

このように、活性層25の厚さTaが厚いほど尖頭値比が向上し得る。しかしながら、キャリアの拡散長を考慮すると、厚さTaは1μm以下であることが望ましい。したがって、厚さTaの範囲は54nm以上、1μm以下であることが望ましく、厚さTaの範囲は124nm以上、1μm以下であることがより望ましい。 As such, the peak value ratio can be improved as the thickness Ta of the active layer 25 increases. However, considering the carrier diffusion length, it is desirable that the thickness Ta be 1 μm or less. Therefore, it is desirable that the thickness Ta range be 54 nm or more and 1 μm or less, and it is even more desirable that the thickness Ta range be 124 nm or more and 1 μm or less.

次に、量子井戸層とバリア層の厚さの関係についてより詳細に説明する。上述のように、本実施形態のような高尖頭値のVCSELにおいては、量子井戸層だけではなく、バリア層にもキャリアが蓄積される。そのため、量子井戸層の数は発振に必要な最低限とし、バリア層にキャリアを蓄積することで量子井戸層の不足分を補う設計思想が採用されている。放射再結合の発生量はキャリア密度の2乗に比例する。そのため、本実施形態のように量子井戸層とバリア層にわたって広くキャリアを蓄積することにより、自然放射光によるエネルギー損失が低減される。上述の設計を実現するため、本実施形態においてはある程度のバリア層の厚さが確保されていることが望まれる。本構成は、通常VCSELの活性層構成や、量子井戸層を増やしてキャリア蓄積量を増やす構成よりも有利となる。キャリアをバリア層も用いて広く薄く蓄積する目的のため、ノンドープ領域の厚さを厚くすることが好ましい。好ましい量子井戸層の発光準位とバリア層のバンドギャップとのエネルギー差(バンドギャップ差)は、後述の通り、バンド端による光吸収の影響を避けることを重視する場合には105meVから230meVの範囲である。バンド端による光吸収による4%程度の光取り出し効率の低下が許容される場合には、バンドギャップ差は60meVから230meVの範囲であることが好ましい。ここで、60meVから230meVとは、60meV以上、230meV以下を意味する。これに対して、上述の高尖頭値VCSELではない、通常VCSELの活性層の設計指針を示して、高尖頭値VCSELとの違いを以下に説明する。通常VCSELにおいては、量子井戸層とバリア層のバンドギャップ差は、バリア層にキャリアがたまらないように大きくする。これは、バリア層でのキャリア蓄積を避け、応答速度を上げ、発振閾値を下げるためである。また、バリア層を含むノンドープ部分の厚さは極力薄くする。これは、応答速度を上げ、電気抵抗を下げるためである。更に、ノンドープ部分は必要最小限とし、かつ共振器長を1λcなど、定在波の強度分布に合わせるため、共振器部のノンドープ部以外はドープ層として、ドープ層の厚さで共振器長を1λcといった所定の厚さに調整する。そのため、トンネルジャンクション層からのドーパント拡散は、ドープ部内に収まるため問題とならない。 Next, the relationship between the thickness of the quantum well layers and the barrier layers will be explained in more detail. As described above, in a high-peak VCSEL such as this embodiment, carriers accumulate not only in the quantum well layers but also in the barrier layers. Therefore, a design concept is adopted in which the number of quantum well layers is kept to the minimum necessary for oscillation, and carrier accumulation in the barrier layers compensates for any shortfall in the quantum well layers. The amount of radiative recombination is proportional to the square of the carrier density. Therefore, by accumulating carriers widely across the quantum well layers and barrier layers, as in this embodiment, energy loss due to spontaneous emission is reduced. To achieve the above design, it is desirable in this embodiment to ensure a certain level of barrier layer thickness. This configuration is advantageous over the active layer configuration of a typical VCSEL or a configuration that increases carrier accumulation by increasing the number of quantum well layers. To achieve wide and thin carrier accumulation using the barrier layers as well, it is preferable to increase the thickness of the non-doped region. As described below, the energy difference (band gap difference) between the emission level of the quantum well layer and the band gap of the barrier layer is preferably in the range of 105 meV to 230 meV when it is important to avoid the influence of light absorption by the band edge. If a decrease in light extraction efficiency of about 4% due to light absorption by the band edge is acceptable, the band gap difference is preferably in the range of 60 meV to 230 meV. Here, 60 meV to 230 meV means 60 meV or more and 230 meV or less. In contrast, the design guidelines for the active layer of a normal VCSEL, which is not the high peak VCSEL described above, are presented below to explain the differences from a high peak VCSEL. In a normal VCSEL, the band gap difference between the quantum well layer and the barrier layer is made large to prevent carrier accumulation in the barrier layer. This is to avoid carrier accumulation in the barrier layer, increase response speed, and lower the oscillation threshold. Furthermore, the thickness of the non-doped portion, including the barrier layer, is made as thin as possible. This is to increase response speed and reduce electrical resistance. Furthermore, the non-doped portion is kept to a minimum, and the resonator length is adjusted to a predetermined thickness, such as 1λc, to match the intensity distribution of the standing wave. The non-doped portion of the resonator is made into a doped layer, and the resonator length is adjusted to a predetermined thickness, such as 1λc, by the thickness of the doped layer. Therefore, dopant diffusion from the tunnel junction layer is not a problem, as it is contained within the doped portion.

更に、仮に何らかの理由でバリア層にドーパントが混入しても通常の半導体レーザ(VCSELを含む)においては、特性劣化は生じにくい。逆に半導体レーザの特性向上のためにバリア層の一部に意図的にドーパントをドープする例もあり得る。例えば、量子井戸間のバリア層の一部にp型のドーパントをドープすることにより半導体レーザの変調速度を向上させる構成もあり得る。 Furthermore, even if dopants are mixed into the barrier layer for some reason, degradation of the characteristics of ordinary semiconductor lasers (including VCSELs) is unlikely to occur. Conversely, there are cases where dopants are intentionally doped into part of the barrier layer to improve the characteristics of the semiconductor laser. For example, a configuration may be possible in which the modulation speed of a semiconductor laser is improved by doping part of the barrier layer between quantum wells with a p-type dopant.

通常のVCSELの構成においては、共振器部の量子井戸層とバリア層などで構成されるノンドープ部の厚さはできるだけ薄いことが好ましい。また、活性層、トンネルジャンクション層などの各層の位置と層間の屈折率界面の位置とを定在波の強度分布に合わせるため、結果的にドープ層が厚くなり、トンネルジャンクション層からのドーパントの拡散は問題とならない。さらに、バリア層にドーパントが混入しても半導体レーザの特性が向上する場合もあり得る。 In a typical VCSEL configuration, it is preferable that the thickness of the non-doped section, which is composed of the quantum well layer and barrier layer of the resonator section, be as thin as possible. Furthermore, since the positions of each layer, such as the active layer and tunnel junction layer, and the positions of the refractive index interfaces between layers are aligned with the intensity distribution of the standing wave, the doped layers end up being thicker, and dopant diffusion from the tunnel junction layer is not a problem. Furthermore, even if dopants are mixed into the barrier layers, the characteristics of the semiconductor laser may still improve.

一方、高尖頭値VCSELにおいては、厚いバリア層が必要であるため、バリア層が通常のVCSELと比較してトンネルジャンクション層に近接する。これにより、高尖頭値VCSELのバリア層にドーパントが混入すると、バリア層にキャリアを溜める機能が低下し、結果として高尖頭値のパルスエネルギーが低下するという課題が生じることを発明者らは見出した。これについての詳細は後述する。 On the other hand, high-peak VCSELs require a thick barrier layer, which means that the barrier layer is closer to the tunnel junction layer than in normal VCSELs. The inventors have discovered that if dopants are mixed into the barrier layer of a high-peak VCSEL, the barrier layer's ability to store carriers is reduced, resulting in a problem of reduced high-peak pulse energy. This will be discussed in more detail later.

高尖頭値VCSELにおいて尖頭値比5以上が必要な場合、つまり、量子井戸層の厚さが8nmであり、活性層1つ当たりの量子井戸層の数が3であり、活性層25の厚さTaが54nmである場合について述べる。この場合においては、量子井戸層の厚さの合計は8×3=24nmであり、バリア層の厚さの合計は、54-24=30nmである。したがって、量子井戸層の厚さの合計に対するバリア層の厚さの合計の比の値は、約1.25である。これは、バリア層の厚さが下限である場合の例であるため、量子井戸層の厚さの合計に対するバリア層の厚さの合計の比の値は、1.25以上であることが望ましい。 The following describes a case where a peak-to-peak ratio of 5 or greater is required for a high-peak VCSEL. That is, the quantum well layer thickness is 8 nm, there are three quantum well layers per active layer, and the thickness Ta of the active layer 25 is 54 nm. In this case, the total thickness of the quantum well layers is 8 x 3 = 24 nm, and the total thickness of the barrier layers is 54 - 24 = 30 nm. Therefore, the ratio of the total thickness of the barrier layers to the total thickness of the quantum well layers is approximately 1.25. This is an example where the barrier layer thickness is at the lower limit, so it is desirable for the ratio of the total thickness of the barrier layers to the total thickness of the quantum well layers to be 1.25 or greater.

また、尖頭値比10以上が必要な場合、つまり、量子井戸層の厚さが8nmであり、活性層1つ当たりの量子井戸層の数が3であり、活性層25の厚さTaが124nmである場合について述べる。この場合においては、量子井戸層の厚さの合計は8×3=24nmであり、バリア層の厚さの合計は、124-24=100nmである。したがって、量子井戸層の厚さの合計に対するバリア層の厚さの合計の比の値は、4.17である。これは、バリア層の厚さが下限である場合の例であるため、量子井戸層の厚さの合計に対するバリア層の厚さの合計の比の値は、4.17以上であることがより望ましい。 Next, we will consider the case where a peak ratio of 10 or greater is required, that is, where the quantum well layer thickness is 8 nm, there are three quantum well layers per active layer, and the thickness Ta of the active layer 25 is 124 nm. In this case, the total thickness of the quantum well layers is 8 x 3 = 24 nm, and the total thickness of the barrier layers is 124 - 24 = 100 nm. Therefore, the ratio of the total thickness of the barrier layers to the total thickness of the quantum well layers is 4.17. This is an example where the barrier layer thickness is at the lower limit, so it is more desirable for the ratio of the total thickness of the barrier layers to the total thickness of the quantum well layers to be 4.17 or greater.

また、複数の量子井戸層は定在波の腹の近傍に位置するように設計されるため、複数の量子井戸層の間のバリア層は、比較的薄く設計される場合が多い。そのため、上述のようにバリア層の合計厚さを確保する観点から、複数の量子井戸層の上下のバリア層が比較的厚く設計される場合が多い。したがって、活性層内の複数のバリア層のうちの少なくとも1つが比較的厚く設計され、量子井戸層間のバリア層が比較的薄く設計されることが望ましい。すなわち、図2の例においては、複数の量子井戸層221、251のうちの少なくとも1層がバリア層222、223、224、252、253、254のうちの少なくとも1層よりも薄いことが望ましい。これにより、量子井戸層が定在波の腹の近傍に位置するような設計が実現され得る。 Furthermore, because the multiple quantum well layers are designed to be located near the antinodes of the standing wave, the barrier layers between the multiple quantum well layers are often designed to be relatively thin. Therefore, as mentioned above, in order to ensure the total thickness of the barrier layers, the barrier layers above and below the multiple quantum well layers are often designed to be relatively thick. Therefore, it is desirable that at least one of the multiple barrier layers in the active layer be designed to be relatively thick, and that the barrier layers between the quantum well layers be designed to be relatively thin. That is, in the example of Figure 2, it is desirable that at least one of the multiple quantum well layers 221, 251 be thinner than at least one of the barrier layers 222, 223, 224, 252, 253, 254. This makes it possible to realize a design in which the quantum well layers are located near the antinodes of the standing wave.

次に、n型層29の厚さTsの設計について説明する。上述のように、本実施形態の発光装置1においては尖頭値比の確保のため、ある程度バリア層を厚くすることが求められる。一方、本実施形態では、発光装置1内にトンネル接合層24が配されている。 Next, we will explain the design of the thickness Ts of the n-type layer 29. As mentioned above, in the light-emitting device 1 of this embodiment, the barrier layer needs to be thick to a certain extent in order to ensure the peak value ratio. Meanwhile, in this embodiment, a tunnel junction layer 24 is disposed within the light-emitting device 1.

ここで、通常VCSELの設計思想において活性層が配置される位置に、単純に高尖頭値VCSELにおいて必要な厚いバリア層を有する活性層を置き換えて配置しようとすると、トンネル接合層とバリア層の距離が通常VCSELの場合よりも近くなる。そのため、発明者らは本実施形態の構成において、以下の要因によりトンネル接合層24の製造工程が発光装置1の特性に影響を与え得ることを見出した。 However, if an attempt is made to simply replace the active layer with a thick barrier layer, which is necessary for a high peak power VCSEL, at the position where the active layer is placed in the design concept of a normal VCSEL, the distance between the tunnel junction layer and the barrier layer will be closer than in a normal VCSEL. Therefore, the inventors have discovered that in the configuration of this embodiment, the manufacturing process for the tunnel junction layer 24 can affect the characteristics of the light-emitting device 1 due to the following factors.

トンネル接合層24は、トンネル確率の向上及び電気抵抗の低減のため、1019cm-3程度かそれ以上のハイドープのp型層及びn型層を含み得る。バリア層にキャリアが溜まらない通常VCSELとは異なり、高尖頭値VCSELの場合は、バリア層にもキャリアが溜まる。そのため、トンネル接合層24のドーパントがバリア層に混入すると、電流注入により注入されたキャリアに加えドープにより発生したキャリアが存在するためバリア層のキャリア濃度が増加する。その結果、電子と正孔の発光再結合確率が上がり、蓄積したキャリアが発光再結合で消滅する速度が増加する。更に、ドーパントは非発光再結合中心を生成することもあり、非発光再結合中心を介した電子と正孔の非発光再結合が増加しキャリアが非発光再結合で消滅する。その結果、キャリアを溜める機能が低下することにより、発光効率が低下する場合がある。ドーパントがバリア層に混入することによる発光効率の低下は、バリア層にはキャリアを溜めない通常のVCSELにおいては生じず、高尖頭値VCSELにおいて生じる現象である。 The tunnel junction layer 24 may include highly doped p-type and n-type layers with a doping concentration of approximately 10 19 cm −3 or more to improve tunneling efficiency and reduce electrical resistance. Unlike typical VCSELs, in which carriers do not accumulate in the barrier layer, high-peak VCSELs also accumulate carriers in the barrier layer. Therefore, when the dopants of the tunnel junction layer 24 are mixed into the barrier layer, the carrier concentration of the barrier layer increases due to the presence of carriers generated by doping in addition to carriers injected by current injection. As a result, the probability of radiative recombination of electrons and holes increases, and the rate at which accumulated carriers disappear through radiative recombination increases. Furthermore, dopants may generate nonradiative recombination centers, which increase the nonradiative recombination of electrons and holes through these centers, resulting in the disappearance of carriers through nonradiative recombination. As a result, the carrier accumulation function is reduced, which may result in reduced luminous efficiency. The reduction in light emission efficiency due to the incorporation of dopants into the barrier layer does not occur in a normal VCSEL, which does not store carriers in the barrier layer, but occurs in a high peak power VCSEL.

トンネル接合層24のドーパントがバリア層に混入する要因としては、バリア層のエピタキシャル成長中に成膜装置内に残留するガスの影響と、製造工程中の熱によるトンネル接合層24からのドーパントの拡散の影響が挙げられる。なお、バリア層のエピタキシャル成長中に成膜装置内に残留するガスは、トンネル接合層24よりも基板から遠い側のバリア層(すなわち、トンネル接合層24よりも後に成膜されるバリア層)に影響を与える。 The dopants of the tunnel junction layer 24 may be mixed into the barrier layer due to the influence of gas remaining in the deposition apparatus during epitaxial growth of the barrier layer and the influence of dopant diffusion from the tunnel junction layer 24 due to heat during the manufacturing process. Note that gas remaining in the deposition apparatus during epitaxial growth of the barrier layer affects the barrier layer farther from the substrate than the tunnel junction layer 24 (i.e., the barrier layer deposited after the tunnel junction layer 24).

上述の要因によるドーパントの混入の影響は、活性層25とトンネル接合層24との距離、すなわち、n型層29の厚さTsに依存する。発明者らによるトンネル接合層からのドーパントの混入範囲の検討によれば、厚さTsは40nm以上であることが望ましく、これによりドーパントの混入の影響が低減される。また、厚さTsは70nm以上であることがより望ましく、これによりドーパントの混入の影響が更に低減される。 The impact of dopant contamination due to the above factors depends on the distance between the active layer 25 and the tunnel junction layer 24, i.e., the thickness Ts of the n-type layer 29. According to the inventors' study of the range of dopant contamination from the tunnel junction layer, it is desirable for the thickness Ts to be 40 nm or greater, which reduces the impact of dopant contamination. Furthermore, it is even more desirable for the thickness Ts to be 70 nm or greater, which further reduces the impact of dopant contamination.

次に、バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差の好適な範囲について説明する。本開示では量子井戸層だけでなくバリア層にもキャリアを溜める構成とすることで、蓄積されるキャリアの量を増加させている。バリアにキャリアを溜めるために必要なバリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差は230meV以下である。量子井戸の基底準位のバンドギャップとバリア層のバンドギャップの差が小さく、かつ発光装置が絶対零度付近ではなく半導体レーザが使用される通常の温度範囲で用いられる場合を想定する。この場合においては、量子井戸層内に存在するキャリアのうちの一部が、エネルギー方向の分布において、バリア層の伝導帯及び価電子帯と同じエネルギー位置にも存在し得る。そして、このような分布が生じるための好適な範囲が230meV以下である。そのため、バリア層にキャリアを存在させるという観点からは230meV以下であればその効果を奏する。 Next, we will explain the preferred range of the band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer. In this disclosure, carriers are accumulated not only in the quantum well layer but also in the barrier layer, thereby increasing the amount of accumulated carriers. The band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer required to accumulate carriers in the barrier is 230 meV or less. Assume that the difference between the band gap of the ground state of the quantum well and the band gap of the barrier layer is small, and the light-emitting device is used within the normal temperature range in which semiconductor lasers are used, rather than near absolute zero. In this case, some of the carriers present in the quantum well layer may exist at the same energy position as the conduction band and valence band of the barrier layer in the energy direction distribution. The preferred range for such a distribution is 230 meV or less. Therefore, from the perspective of having carriers exist in the barrier layer, a band gap of 230 meV or less is effective.

一方で、バリア層を構成する半導体による光吸収を避けるという別な観点からは、バンドギャップ差が特定の値以上であることが好ましい。本実施形態では、バリア層の材料はGaAsであり、GaAsの吸収係数の波長依存性を用いて光取り出し効率を計算すると以下のようになる。バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差が105meVである場合には、バンドギャップによる吸収がない場合と比較して光取り出し効率が2%低下する。同様に、バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差が60meV、48meV、44meVである場合には、バンドギャップによる吸収がない場合と比較して光取り出し効率がそれぞれ、3%、4%、5%低下する。これらの差に着目すると、2%低下から3%低下の間の差は45meVであり比較的大きい。しかしながら、3%低下から4%低下の間の差は12meVであり、4%低下から5%低下の間の差は4meVであるため急激に小さくなる。 On the other hand, from the perspective of avoiding light absorption by the semiconductor that makes up the barrier layer, it is preferable that the band gap difference be equal to or greater than a specific value. In this embodiment, the material for the barrier layer is GaAs, and the light extraction efficiency can be calculated using the wavelength dependence of the absorption coefficient of GaAs as follows. When the band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer is 105 meV, the light extraction efficiency decreases by 2% compared to when there is no band gap absorption. Similarly, when the band gap differences between the barrier layer and the quantum well layer are 60 meV, 48 meV, and 44 meV, the light extraction efficiency decreases by 3%, 4%, and 5%, respectively, compared to when there is no band gap absorption. Focusing on these differences, the difference between a 2% and a 3% decrease is relatively large at 45 meV. However, the difference between a 3% and a 4% decrease is 12 meV, and the difference between a 4% and a 5% decrease is 4 meV, so it rapidly decreases.

ところで、3元以上の化合物半導体においては、結晶成長時の元素組成の制御性の目安は1%程度であり、この程度の制御性であれば容易に実現可能である。そして、組成が1%変化した場合のバンドギャップの変化量は、AlGaAs系では12meVであり、InGaAs系では14meVである。そのため、これらの組成が1%変化した場合と上述の光取り出し効率が3%から4%に変化した場合とが同程度のエネルギー差である。そのため、結晶成長時の1%の組成変化量を考慮すると、バンドギャップ差は、上述の光取り出し効率の低下が3%である設計値に対応する60meV以上であることが好ましい。 In ternary or higher compound semiconductors, the target controllability of elemental composition during crystal growth is approximately 1%, and this level of controllability is easily achievable. A 1% change in composition results in a bandgap change of 12 meV for AlGaAs-based materials and 14 meV for InGaAs-based materials. Therefore, a 1% change in composition results in a similar energy difference when the light extraction efficiency mentioned above changes from 3% to 4%. Therefore, considering a 1% change in composition during crystal growth, it is preferable for the bandgap difference to be 60 meV or more, which corresponds to the design value of a 3% decrease in light extraction efficiency mentioned above.

以上より、バリア層にキャリアを存在させるという観点とバリア層での光吸収を避ける観点とを合わせてバンドギャップ差の好適な範囲を検討する。バンド端による光吸収の影響を避けることを重視して光取り出し効率の低下を2%以下に抑えるためには、バンドギャップ差は105meVから230meVの範囲であることが好ましい。また、バンド端による光吸収により4%程度の光取り出し効率の低下が許容できる場合には、結晶成長時の制御性も考慮すると、バンドギャップ差は60meVから230meVの範囲であることが好ましい。 Based on the above, we consider the optimal range of the band gap difference, taking into account both the need to allow carriers to exist in the barrier layer and the need to avoid light absorption in the barrier layer. To minimize the decrease in light extraction efficiency to 2% or less, while prioritizing the avoidance of the effects of light absorption due to the band edge, the band gap difference is preferably in the range of 105 meV to 230 meV. Furthermore, if a decrease in light extraction efficiency of approximately 4% due to light absorption due to the band edge is acceptable, then the band gap difference is preferably in the range of 60 meV to 230 meV, taking into account controllability during crystal growth.

なお、上述とは異なる化合物半導体材料が用いられる場合であっても、直接遷移型の半導体材料であれば、バンドギャップ以下の波長に対する吸収係数の波長依存性は大きくは変わらないため、上述の数値を適用できる。 Even if a compound semiconductor material different from the above is used, the wavelength dependence of the absorption coefficient for wavelengths below the band gap does not change significantly as long as it is a direct transition semiconductor material, so the above values can be applied.

発光装置1の製造方法の一例を説明する。まず、半導体基板11の上に、有機金属気相成長法又は分子線エピタキシー法により、下部DBR層12、スペーサ部13、共振器部20及び上部DBR層32を構成する各半導体層を成長させる。 An example of a method for manufacturing the light-emitting device 1 will now be described. First, the semiconductor layers that make up the lower DBR layer 12, spacer portion 13, resonator portion 20, and upper DBR layer 32 are grown on the semiconductor substrate 11 by metalorganic vapor phase epitaxy or molecular beam epitaxy.

次いで、フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用い、活性層22、活性層25、p型層26、上部DBR層32及び活性層22と活性層25の間のスペーサ部をパターニングする。これにより、例えば直径が30μm程度の柱状のメサを形成する。 Next, photolithography and etching techniques are used to pattern the active layer 22, active layer 25, p-type layer 26, upper DBR layer 32, and the spacer between the active layer 22 and active layer 25. This forms a columnar mesa with a diameter of, for example, approximately 30 μm.

次いで、450℃程度の水蒸気雰囲気中で熱酸化を行い、上部DBR層32内及び活性層22と活性層25の間のAl0.98Ga0.02As酸化狭窄層31、23をメサの側壁部分から酸化する。この際、酸化時間を制御することにより、Al0.98Ga0.02As層内に、メサの中心部分の非酸化部と、メサの側壁近傍の酸化部と、を形成する。Al0.98Ga0.02As層の非酸化部分は、直径が10μm程度となるように制御する。 Next, thermal oxidation is performed in a water vapor atmosphere at approximately 450°C to oxidize the Al0.98Ga0.02As oxidized constriction layers 31 and 23 in the upper DBR layer 32 and between the active layers 22 and 25, starting from the sidewalls of the mesa. By controlling the oxidation time, an unoxidized portion in the center of the mesa and an oxidized portion near the sidewalls of the mesa are formed in the Al0.98Ga0.02As layer. The diameter of the unoxidized portion of the Al0.98Ga0.02As layer is controlled to be approximately 10 μm .

次いで、フォトリソグラフィ及び真空蒸着法を用い、メサの上面上にp側電極となる電極41を形成し、エッチングすることにより露出したn型層21の上面上にn側電極となる電極40を形成する。電極41は円環状のパターンを有しており、中央の開口部が光取り出し用の円形窓となる。 Next, photolithography and vacuum deposition are used to form electrode 41, which will serve as the p-side electrode, on the top surface of the mesa, and then etching is performed to form electrode 40, which will serve as the n-side electrode, on the top surface of the n-type layer 21 that is exposed. Electrode 41 has a circular ring-shaped pattern, and the central opening serves as a circular window for light extraction.

次いで、フォトリソグラフィ及びプラズマCVD法を用い、電極40、41が設けられたメサの上面及び側面とn型層21の上面を覆うように保護膜42を形成する。なお、上記プロセス手順において、電極よりも先にメサ全体を保護膜で覆い、その後、メサの上面部の一部の保護膜を除去し、その部分に電極を形成する手順としても良い。 Next, photolithography and plasma CVD are used to form a protective film 42 to cover the top and side surfaces of the mesa on which the electrodes 40 and 41 are provided, as well as the top surface of the n-type layer 21. Note that the above process procedure may also be modified so that the entire mesa is covered with a protective film before the electrodes are formed, and then a portion of the protective film on the top surface of the mesa is removed and the electrode is formed in that area.

次いで、良好な電気特性を得るために、窒素雰囲気中で熱処理を行い、電極材料と半導体材料との界面を合金化し、本実施形態の発光装置1を完成する。 Next, to obtain good electrical properties, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere to alloy the interface between the electrode material and the semiconductor material, completing the light-emitting device 1 of this embodiment.

以上のように、本実施形態においては、複数の活性層22、25の間にトンネル接合層24が配された構成において、より性能を改善し得る発光装置1が提供される。なお、第1実施形態では可飽和吸収層を用いて一定時間レーザ発振を抑制し、半導体レーザ内部にキャリアを蓄積したのちに短パルスを発生させ、蓄積したキャリアを放出する動作をしている。本実施形態は、そのような一定時間レーザ発振を抑制し半導体レーザ内部にキャリアを蓄積する構成において、キャリア蓄積に好適なキャリア蓄積層と量子井戸層を有する構成である。そのため、可飽和吸収層以外のレーザ発振を一定時間抑制する構成を有する半導体レーザにおいても同様に効果を奏する。なお、上記説明では、メサはn型層21の上まで形成されているが、これに限定されず、例えば、酸化狭窄層の下まで形成されていても良い。なお、メサは可飽和吸収層131よりも上で形成されていることが好ましい。これは、可飽和吸収層131にメサ形成をすることにより、可飽和吸収層131に非発光再結合が増えてしまうためである。 As described above, this embodiment provides a light-emitting device 1 with improved performance in a configuration in which a tunnel junction layer 24 is disposed between multiple active layers 22, 25. In the first embodiment, a saturable absorbing layer is used to suppress laser oscillation for a certain period of time, and carriers are accumulated inside the semiconductor laser before generating a short pulse and releasing the accumulated carriers. This embodiment, which suppresses laser oscillation for a certain period of time and accumulates carriers inside the semiconductor laser, has a carrier accumulation layer and quantum well layer suitable for carrier accumulation. Therefore, similar effects are achieved in semiconductor lasers that have a configuration that suppresses laser oscillation for a certain period of time other than the saturable absorbing layer. In the above description, the mesa is formed up to the n-type layer 21, but this is not limited thereto. For example, it may be formed down to the oxide constriction layer. It is preferable that the mesa be formed above the saturable absorbing layer 131. This is because forming a mesa in the saturable absorbing layer 131 increases non-radiative recombination in the saturable absorbing layer 131.

[第2実施形態]
本実施形態では、第1実施形態に対してバリア層252、253の厚さを変更した変形例を説明する。本実施形態において、第1実施形態と共通の要素については説明を省略又は簡略化することがある。
Second Embodiment
In this embodiment, a modification of the first embodiment will be described in which the thicknesses of the barrier layers 252 and 253 are changed. In this embodiment, the description of elements common to the first embodiment may be omitted or simplified.

図5は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。本実施形態において、第1実施形態に対する相違点は、活性層25内において、バリア層252がバリア層253よりも薄いことである。また、この変更に伴い、本実施形態では、量子井戸層251の位置が第1実施形態における量子井戸層251の位置よりも下にずらされるように、n型層29とp型層26の厚さが変更されている。 Figure 5 is an enlarged cross-sectional view showing the light-emitting device 1 according to this embodiment. This embodiment differs from the first embodiment in that the barrier layer 252 is thinner than the barrier layer 253 in the active layer 25. In addition, in accordance with this change, the thicknesses of the n-type layer 29 and the p-type layer 26 have been changed so that the position of the quantum well layer 251 is shifted lower than the position of the quantum well layer 251 in the first embodiment.

図6は、本実施形態に係る発光装置1における活性層25近傍のエネルギーバンドギャップ図である。活性層25には、厚さ8nmの量子井戸層251が3層配されている。3層の量子井戸層251の各々の間には、厚さ6nmのバリア層254が配されている。3層の量子井戸層251の下には、厚さ68nmのバリア層252が配されている。3層の量子井戸層251の上には、厚さ104nmのバリア層253が配されている。したがって、活性層25の全体の厚さTaは、208nmであり、第1実施形態の活性層25の全体の厚さと同一である。なお、図4においては省略されているが、活性層22は第1実施形態と同様の設計であり得る。 Figure 6 is an energy bandgap diagram near the active layer 25 in the light-emitting device 1 according to this embodiment. Three 8-nm-thick quantum well layers 251 are arranged in the active layer 25. A 6-nm-thick barrier layer 254 is arranged between each of the three quantum well layers 251. A 68-nm-thick barrier layer 252 is arranged below the three quantum well layers 251. A 104-nm-thick barrier layer 253 is arranged above the three quantum well layers 251. Therefore, the total thickness Ta of the active layer 25 is 208 nm, which is the same as the total thickness of the active layer 25 in the first embodiment. Although omitted in Figure 4, the active layer 22 may have a similar design to that of the first embodiment.

本実施形態では、バリア層252がバリア層253よりも薄い。このように、多重量子井戸の上下のバリア層の厚さは同一でなくてもよい。第1実施形態と比較して、本実施形態では上部DBR層32から活性層25までの距離が長い。このため、例えば上部DBR層32の一部をエッチングして、共振器部20上に電極を配する構成において、この電極材料の拡散が活性層に悪影響を及ぼす場合には、活性層の位置を電極から遠ざけることで、拡散の影響をより少なくする効果が得られる。 In this embodiment, barrier layer 252 is thinner than barrier layer 253. As such, the thicknesses of the upper and lower barrier layers of the multiple quantum well do not need to be the same. Compared to the first embodiment, the distance from the upper DBR layer 32 to the active layer 25 is longer in this embodiment. Therefore, for example, in a configuration in which part of the upper DBR layer 32 is etched and an electrode is disposed on the resonator section 20, if diffusion of this electrode material adversely affects the active layer, the effect of further reducing the effects of diffusion can be achieved by positioning the active layer away from the electrode.

したがって、本実施形態においても、性能を改善し得る発光装置1が提供される。 Therefore, this embodiment also provides a light-emitting device 1 that can improve performance.

[第3実施形態]
本実施形態では、第2実施形態に対して活性層の厚さを変更した変形例を説明する。本実施形態において、第1実施形態又は第2実施形態と共通の要素については説明を省略又は簡略化することがある。
[Third embodiment]
In this embodiment, a modification in which the thickness of the active layer is changed from that of the second embodiment will be described. In this embodiment, the description of elements common to the first and second embodiments may be omitted or simplified.

図7は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。本実施形態において、第2実施形態に対する相違点は、活性層22、25の全体の厚さを薄くするように変更されている点である。また、これに伴い、共振器部20の長さを半波長分だけ短縮するように、p型層26の厚さが薄くなっている。 Figure 7 is an enlarged cross-sectional view showing the light-emitting device 1 according to this embodiment. The difference between this embodiment and the second embodiment is that the overall thickness of the active layers 22 and 25 has been reduced. Accordingly, the thickness of the p-type layer 26 has also been reduced so that the length of the resonator portion 20 is shortened by half a wavelength.

図8は、本実施形態に係る発光装置1における活性層25近傍のエネルギーバンドギャップ図である。活性層25には、厚さ8nmの量子井戸層251が3層配されている。3層の量子井戸層251の各々の間には、厚さ6nmのバリア層254が配されている。3層の量子井戸層251の下には、厚さ68nmのバリア層252が配されている。3層の量子井戸層251の上には、厚さ86nmのバリア層252が配されている。したがって、活性層25の全体の厚さTaは、190nmであり、第2実施形態の活性層25の全体の厚さよりも薄い。なお、図8においては省略されているが、活性層22の全体の厚さTaも190nmである。 Figure 8 is an energy bandgap diagram near the active layer 25 in the light-emitting device 1 according to this embodiment. The active layer 25 has three 8-nm-thick quantum well layers 251 arranged therein. A 6-nm-thick barrier layer 254 is arranged between each of the three quantum well layers 251. A 68-nm-thick barrier layer 252 is arranged below the three quantum well layers 251. An 86-nm-thick barrier layer 252 is arranged above the three quantum well layers 251. Therefore, the total thickness Ta of the active layer 25 is 190 nm, which is thinner than the total thickness of the active layer 25 in the second embodiment. Although omitted in Figure 8, the total thickness Ta of the active layer 22 is also 190 nm.

本実施形態では、活性層22、25の厚さが第2実施形態の場合と比べて薄いが、Taの厚さは124nm以上となっており、高尖頭値比としては10以上が得られる。このように、活性層22、25の厚さは適宜変更可能である。 In this embodiment, the thickness of the active layers 22 and 25 is thinner than in the second embodiment, but the thickness of the Ta is 124 nm or more, and a high peak value ratio of 10 or more can be obtained. In this way, the thickness of the active layers 22 and 25 can be changed as appropriate.

したがって、本実施形態においても、第1実施形態及び第2実施形態と同様に、性能を改善し得る発光装置1が提供される。 Therefore, in this embodiment, as in the first and second embodiments, a light-emitting device 1 is provided that can improve performance.

本実施形態においては、第2実施形態の場合と比べて活性層25と酸化狭窄層31の距離が近い。したがって、キャリアの横方向の広がりが低減され発光効率が向上し得る。 In this embodiment, the distance between the active layer 25 and the oxide constriction layer 31 is closer than in the second embodiment. This reduces the lateral spread of carriers, potentially improving light-emitting efficiency.

また、本実施形態では、活性層22、25、p型層26が薄くされていることにより、第1実施形態と比較して1ジャンクション当たりの共振器部20の長さが半波長分だけ短縮されている。これにより、メサの形成のためのエッチングの深さを浅くすることができるため、製造工程が簡略化され、歩留まりが向上し得る。共振器長を短くすることで、上述のようにメサエッチングの深さを浅くできる。また、共振器長を短くすることで、使用する材料が減ることによりコストダウンとなる、縦モード間隔が広がるため縦モードホッピングのリスクが低減する、半導体による光吸収が減り、光取り出し効率が向上する、等のメリットが生じる。なお、これらのメリットは、ジャンクション数が多くなる程顕著となる。共振器長を短くすることで、本実施形態でも上記の効果を奏する。 In addition, in this embodiment, the active layers 22, 25 and p-type layer 26 are made thinner, thereby reducing the length of the resonator portion 20 per junction by half a wavelength compared to the first embodiment. This allows the etching depth for mesa formation to be shallower, simplifying the manufacturing process and improving yield. By shortening the resonator length, the mesa etching depth can be made shallower, as described above. Furthermore, shortening the resonator length offers benefits such as cost reduction due to the reduction in material used, a reduced risk of longitudinal mode hopping due to a wider longitudinal mode spacing, and reduced light absorption by the semiconductor, improving light extraction efficiency. These benefits become more pronounced as the number of junctions increases. By shortening the resonator length, the above effects can also be achieved in this embodiment.

なお、共振器長が短いことにより有効共振器長が短く、それにより必要な高尖頭値パルス幅が得られない場合には、例えば基板に近い酸化狭窄層よりも基板側にスペーサ層等を設けることにより有効共振器長が調整されてもよい。この場合であっても、酸化狭窄層23は第1実施形態と比較して上側(基板と反対側)に位置するため、エッチングの深さを浅くできる利点がある。 If the effective resonator length is short due to a short resonator length, and the required high peak pulse width cannot be obtained, the effective resonator length may be adjusted, for example, by providing a spacer layer or the like closer to the substrate than the oxide constriction layer closer to the substrate. Even in this case, the oxide constriction layer 23 is located higher (opposite the substrate) compared to the first embodiment, which has the advantage of allowing the etching depth to be shallower.

次に、バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差の好適な範囲について説明する。バリアにキャリアを溜めるために必要なバリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差は第1実施形態と同じく230meV以下である。バンドギャップ差の好適な範囲の最大値が第1実施形態と同一である理由は、バリア層にキャリアを溜めるための原理は上述の通りであり、この値はバリア層の膜厚などには依存しないためである。 Next, we will explain the preferred range of the band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer. The band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer required to store carriers in the barrier is 230 meV or less, the same as in the first embodiment. The reason the maximum value of the preferred range of the band gap difference is the same as in the first embodiment is because the principle for storing carriers in the barrier layer is as described above, and this value does not depend on the film thickness of the barrier layer, etc.

第1実施形態と同様にして計算された、バリア層を構成する半導体による光吸収の光取り出し効率への影響の計算結果は以下のとおりである。バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差が95meVである場合には、バンドギャップによる吸収がない場合と比較して光取り出し効率が2%低下する。同様に、バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差が55meV、46meV、42meVである場合には、バンドギャップによる吸収がない場合と比較して光取り出し効率がそれぞれ、3%、4%、5%低下する。これらの差に着目すると、2%低下から3%低下の間の差は40meVであり比較的大きい。しかしながら、3%低下から4%低下の間の差は9meVであり、4%低下から5%低下の間の差は4meVであるため急激に小さくなる。 The results of calculations performed in the same manner as in the first embodiment to determine the effect of light absorption by the semiconductor constituting the barrier layer on light extraction efficiency are as follows: When the band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer is 95 meV, the light extraction efficiency decreases by 2% compared to when there is no band gap absorption. Similarly, when the band gap differences between the barrier layer and the quantum well layer are 55 meV, 46 meV, and 42 meV, the light extraction efficiency decreases by 3%, 4%, and 5%, respectively, compared to when there is no band gap absorption. Focusing on these differences, the difference between a 2% and 3% reduction is 40 meV, which is relatively large. However, the difference between a 3% and 4% reduction is 9 meV, and the difference between a 4% and 5% reduction is 4 meV, which rapidly decreases.

ところで、3元以上の化合物半導体においては、結晶成長時の元素組成の制御性の目安は1%程度であり、この程度の制御性であれば容易に実現可能である。そして、組成が1%変化した場合のバンドギャップの変化量は、AlGaAs系では12meVであり、InGaAs系では14meVである。そのため、これらの組成が1%変化した場合と上述の光取り出し効率が3%から4%に変化した場合とが同程度のエネルギー差である。そのため、結晶成長時の1%の組成変化量を考慮すると、バンドギャップ差は、上述の光取り出し効率の低下が3%である設計値に対応する55meV以上であることが好ましい。 In ternary or higher compound semiconductors, the target controllability of elemental composition during crystal growth is approximately 1%, and this level of controllability is easily achievable. A 1% change in composition results in a bandgap change of 12 meV for AlGaAs-based materials and 14 meV for InGaAs-based materials. Therefore, a 1% change in composition results in a similar energy difference when the light extraction efficiency mentioned above changes from 3% to 4%. Therefore, considering a 1% change in composition during crystal growth, it is preferable that the bandgap difference be 55 meV or more, which corresponds to the design value for a 3% decrease in light extraction efficiency mentioned above.

以上より、バリア層にキャリアを存在させるという観点とバリア層での光吸収を避ける観点とを合わせてバンドギャップ差の好適な範囲を検討する。バンド端による光吸収の影響を避けることを重視して光取り出し効率の低下を2%以下に抑えるためには、バンドギャップ差は95meVから230meVの範囲であることが好ましい。また、バンド端による光吸収により4%程度の光取り出し効率の低下が許容できる場合には、結晶成長時の制御性も考慮すると、バンドギャップ差は55meVから230meVの範囲であることが好ましい。 Based on the above, we consider the optimal range of the band gap difference, taking into account both the need to allow carriers to exist in the barrier layer and the need to avoid light absorption in the barrier layer. To minimize the decrease in light extraction efficiency to 2% or less, while prioritizing the avoidance of the effects of light absorption due to the band edge, the band gap difference is preferably in the range of 95 meV to 230 meV. Furthermore, if a decrease in light extraction efficiency of approximately 4% due to light absorption due to the band edge is acceptable, then the band gap difference is preferably in the range of 55 meV to 230 meV, taking into account controllability during crystal growth.

バリア層と量子井戸層とのバンドギャップ差の好適な範囲に関して、第1実施形態と第3実施形態の両方に共通する範囲は以下のとおりである。バンド端による光吸収の影響を避けることを重視して光取り出し効率の低下を2%以下に抑えるためには、バンドギャップ差は105meVから230meVの範囲(105meV以上、230meV以下)であることが好ましい。また、バンド端による光吸収により4%程度の光取り出し効率の低下が許容できる場合には、結晶成長時の制御性も考慮すると、バンドギャップ差は60meVから230meVの範囲(60meV以上、230meV以下)であることが好ましい。 The preferred range of the band gap difference between the barrier layer and the quantum well layer, which is common to both the first and third embodiments, is as follows: To minimize the reduction in light extraction efficiency to 2% or less while prioritizing the avoidance of the effects of light absorption due to the band edge, the band gap difference is preferably in the range of 105 meV to 230 meV (105 meV or more, 230 meV or less). Furthermore, if a reduction in light extraction efficiency of approximately 4% due to light absorption due to the band edge is acceptable, and taking into account controllability during crystal growth, the band gap difference is preferably in the range of 60 meV to 230 meV (60 meV or more, 230 meV or less).

[第4実施形態]
本実施形態では、第1実施形態に対してバリア層222、223の厚さを変更した変形例を説明する。本実施形態において、第1実施形態と共通の要素については説明を省略又は簡略化することがある。
[Fourth embodiment]
In this embodiment, a modification of the first embodiment will be described in which the thicknesses of the barrier layers 222 and 223 are changed. In this embodiment, the description of elements common to the first embodiment may be omitted or simplified.

図9は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。本実施形態において、第1実施形態に対する相違点は、活性層22内において、バリア層222がバリア層223よりも薄いことである。また、この変更に伴い、n型層21とp型層27の厚さが変更されている。ただし、活性層22の全体の厚さTaは、第1実施形態の活性層22の全体の厚さと同一である。また、活性層25は第1実施形態と同様の設計であり得る。 Figure 9 is an enlarged cross-sectional view showing the light-emitting device 1 according to this embodiment. This embodiment differs from the first embodiment in that the barrier layer 222 is thinner than the barrier layer 223 within the active layer 22. This change also changes the thicknesses of the n-type layer 21 and the p-type layer 27. However, the total thickness Ta of the active layer 22 is the same as the total thickness of the active layer 22 in the first embodiment. Furthermore, the active layer 25 may have the same design as in the first embodiment.

本実施形態では、バリア層222がバリア層223よりも薄い。このように、多重量子井戸の上下のバリア層の厚さは同一でなくてもよく、第1実施形態と同様の効果が得られる。 In this embodiment, barrier layer 222 is thinner than barrier layer 223. In this way, the thicknesses of the barrier layers above and below the multiple quantum well do not need to be the same, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.

したがって、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、性能を改善し得る発光装置1が提供される。 Therefore, in this embodiment, as in the first embodiment, a light-emitting device 1 is provided that can improve performance.

本実施形態においては、第1実施形態の場合と比べて、活性層25と酸化狭窄層31の距離と、活性層22と酸化狭窄層23の距離とを近い値に設定することができる。したがって、複数の活性層22、25の間のキャリアの広がり度合を均一化することができ、発光装置1の性能が向上し得る。 In this embodiment, the distance between the active layer 25 and the oxide constriction layer 31 and the distance between the active layer 22 and the oxide constriction layer 23 can be set to closer values than in the first embodiment. Therefore, the degree of carrier diffusion between the multiple active layers 22, 25 can be made uniform, potentially improving the performance of the light-emitting device 1.

[第5実施形態]
本実施形態では、第1実施形態に対して、第2実施形態と同様にバリア層222、223の厚さを変更し、更に第4実施形態と同様にバリア層252、253の厚さを変更した変形例を説明する。すなわち、本実施形態は、第2実施形態の特徴と第4実施形態の特徴とを組み合わせたものである。本実施形態において、第1実施形態、第2実施形態又は第4実施形態と共通の要素については説明を省略又は簡略化することがある。
Fifth Embodiment
In this embodiment, a modification of the first embodiment will be described in which the thicknesses of the barrier layers 222 and 223 are changed as in the second embodiment, and the thicknesses of the barrier layers 252 and 253 are also changed as in the fourth embodiment. That is, this embodiment combines the features of the second embodiment and the fourth embodiment. In this embodiment, the description of elements common to the first, second, or fourth embodiment may be omitted or simplified.

図10は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。本実施形態において、第1実施形態に対する相違点は、活性層25内においてバリア層252がバリア層253よりも薄く、更に活性層22内においてバリア層222がバリア層223よりも薄いことである。また、これらの変更に伴い、n型層29、p型層26、n型層21及びp型層27の厚さが変更されている。ただし、活性層22、25の全体の厚さTaは、第1実施形態の活性層22、25の全体の厚さと同一である。 Figure 10 is an enlarged cross-sectional view showing the light-emitting device 1 according to this embodiment. This embodiment differs from the first embodiment in that the barrier layer 252 is thinner than the barrier layer 253 in the active layer 25, and furthermore, the barrier layer 222 is thinner than the barrier layer 223 in the active layer 22. In addition, due to these changes, the thicknesses of the n-type layer 29, p-type layer 26, n-type layer 21, and p-type layer 27 have also been changed. However, the total thickness Ta of the active layers 22 and 25 is the same as the total thickness of the active layers 22 and 25 in the first embodiment.

本実施形態では、バリア層252がバリア層253よりも薄く、かつバリア層222がバリア層223よりも薄い。このように、多重量子井戸の上下のバリア層の厚さは同一でなくてもよい。また、ジャンクションごとの活性層の形状の違いによって各活性層の利得差又はその他の特性差が生じることが問題となる場合には、各ジャンクションの活性層の形状を同一にしてもよい。これにより、ジャンクションごとに活性層の形状が異なる場合と比較して特性差を低減できる効果が得られる。 In this embodiment, barrier layer 252 is thinner than barrier layer 253, and barrier layer 222 is thinner than barrier layer 223. In this way, the thicknesses of the barrier layers above and below the multiple quantum well do not need to be the same. Furthermore, if differences in the shape of the active layer at each junction cause gain or other characteristic differences between the active layers, the shape of the active layer at each junction may be made the same. This has the effect of reducing characteristic differences compared to when the shape of the active layer is different for each junction.

したがって、本実施形態においても、性能を改善し得る発光装置1が提供される。 Therefore, this embodiment also provides a light-emitting device 1 that can improve performance.

[第6実施形態]
本実施形態では、第2実施形態に対して各半導体領域の導電型を変更した変形例を説明する。本実施形態において、第1実施形態又は第2実施形態と共通の要素については説明を省略又は簡略化することがある。
Sixth Embodiment
In this embodiment, a modification in which the conductivity type of each semiconductor region is changed from that of the second embodiment will be described. In this embodiment, the description of elements common to the first and second embodiments may be omitted or simplified.

図11は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。本実施形態においては、第2実施形態に対し、ノンドープの部分以外の各半導体領域の導電型が反転されている。すなわち、第2実施形態のn型層21、p型層27、p型層28、n型層29及びp型層26は、それぞれ、本実施形態ではp型層21a、n型層27a、n型層28a、p型層29a及びn型層26aに置換されている。また、第2実施形態のn型の下部DBR層12及びp型の上部DBR層32は、それぞれ、本実施形態ではp型の下部DBR層12a及びn型の上部DBR層32aに置換されている。また、本実施形態では、トンネル接合層24a(第1トンネル接合層)は、半導体基板11側から順に、ハイドープのn型層(第1のn型層)とハイドープのp型層(第1のp型層)とを含む。また、本実施形態では、半導体基板11の導電型はp型である。 Figure 11 is an enlarged cross-sectional view showing a light-emitting device 1 according to this embodiment. In this embodiment, the conductivity types of each semiconductor region other than the non-doped portions are reversed compared to the second embodiment. That is, the n-type layer 21, p-type layer 27, p-type layer 28, n-type layer 29, and p-type layer 26 of the second embodiment are replaced with p-type layer 21a, n-type layer 27a, n-type layer 28a, p-type layer 29a, and n-type layer 26a, respectively, in this embodiment. Furthermore, the n-type lower DBR layer 12 and p-type upper DBR layer 32 of the second embodiment are replaced with p-type lower DBR layer 12a and n-type upper DBR layer 32a, respectively, in this embodiment. Furthermore, in this embodiment, the tunnel junction layer 24a (first tunnel junction layer) includes, in order from the semiconductor substrate 11 side, a highly doped n-type layer (first n-type layer) and a highly doped p-type layer (first p-type layer). In this embodiment, the conductivity type of the semiconductor substrate 11 is p-type.

本実施形態においても、第1実施形態と同様に、性能を改善し得る発光装置1が提供される。 In this embodiment, as in the first embodiment, a light-emitting device 1 is provided that can improve performance.

また、本実施形態では、バリア層253よりも薄いバリア層252の側にp型層29aが配される。一般的に正孔の移動度は電子の移動度よりも小さいため、薄いバリア層252の側にp型層29aが配されている方が量子井戸へのキャリアの注入が効率化される。したがって、本実施形態では、第2実施形態に比べてキャリアの注入が効率化され得る。 In addition, in this embodiment, the p-type layer 29a is arranged on the side of the barrier layer 252, which is thinner than the barrier layer 253. Generally, the mobility of holes is smaller than the mobility of electrons, so arranging the p-type layer 29a on the side of the thin barrier layer 252 makes the injection of carriers into the quantum well more efficient. Therefore, in this embodiment, the injection of carriers can be made more efficient than in the second embodiment.

[第7実施形態]
本実施形態では、第6実施形態に対してトンネル接合層を更に追加した変形例を説明する。本実施形態において、第1実施形態、第2実施形態又は第6実施形態と共通の要素については説明を省略又は簡略化することがある。
Seventh Embodiment
In this embodiment, a modification in which a tunnel junction layer is further added to the sixth embodiment will be described. In this embodiment, the description of elements common to the first, second, or sixth embodiment may be omitted or simplified.

図12は、本実施形態に係る発光装置1を示す断面拡大図である。本実施形態の発光装置1においては、スペーサ部13の上にn型層51が配されており、n型層51の上にトンネル接合層52(第2トンネル接合層)が配されており、トンネル接合層52の上にp型層21aが配されている。トンネル接合層52は、半導体基板11側から順に、ハイドープのn型層(第2のn型層)とハイドープのp型層(第2のp型層)とを含む。p型層21aよりも上の構成は第6実施形態と同様である。また、本実施形態では、半導体基板11及び下部DBR層12の導電型はn型である。トンネル接合層52は、トンネル接合層52よりも下の層と上の層の導電型を反転させる役割を有している。トンネル接合層52が下部DBR層12と活性層22の間に配されていることにより、n型の半導体基板11を採用することができる。本実施形態において、スペーサ部13内の多重量子井戸以外の部分は、ノンドープのGaAs層等により構成され得る。 Figure 12 is an enlarged cross-sectional view showing the light-emitting device 1 according to this embodiment. In the light-emitting device 1 of this embodiment, an n-type layer 51 is disposed on the spacer portion 13, a tunnel junction layer 52 (second tunnel junction layer) is disposed on the n-type layer 51, and a p-type layer 21a is disposed on the tunnel junction layer 52. The tunnel junction layer 52 includes, in order from the semiconductor substrate 11 side, a highly doped n-type layer (second n-type layer) and a highly doped p-type layer (second p-type layer). The configuration above the p-type layer 21a is the same as in the sixth embodiment. In this embodiment, the semiconductor substrate 11 and the lower DBR layer 12 have n-type conductivity. The tunnel junction layer 52 serves to invert the conductivity types of the layers above and below the tunnel junction layer 52. The tunnel junction layer 52 is disposed between the lower DBR layer 12 and the active layer 22, allowing the use of an n-type semiconductor substrate 11. In this embodiment, the portions of the spacer portion 13 other than the multiple quantum wells may be composed of an undoped GaAs layer or the like.

本実施形態においても、第1実施形態と同様に、性能を改善し得る発光装置1が提供される。また、本実施形態においても第6実施形態と同様にキャリアの注入が効率化され得る。 In this embodiment, as in the first embodiment, a light-emitting device 1 is provided that can improve performance. Furthermore, in this embodiment, as in the sixth embodiment, carrier injection can be made more efficient.

また、本実施形態においては、一般的にp型の半導体基板よりも高品質であるn型の半導体基板11を用いることができるため、第6実施形態に比べて発光装置1の性能が向上し得る。 Furthermore, in this embodiment, an n-type semiconductor substrate 11, which is generally of higher quality than a p-type semiconductor substrate, can be used, which can improve the performance of the light-emitting device 1 compared to the sixth embodiment.

なお、トンネル接合層52は、スペーサ部13よりも下(基板側)に配されていてもよいが、図12のようにスペーサ部13よりも上(基板とは反対側)に配されていることが望ましい。n型の半導体の方が光の吸収が少なく、品質が向上し得るためである。 The tunnel junction layer 52 may be arranged below the spacer portion 13 (on the substrate side), but it is preferable to arrange it above the spacer portion 13 (on the opposite side from the substrate) as shown in Figure 12. This is because n-type semiconductors absorb less light and can improve quality.

[第8実施形態]
第8実施形態による測距装置について、図13を用いて説明する。図13は、本実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。
Eighth Embodiment
A distance measuring device according to the eighth embodiment will be described with reference to Fig. 13. Fig. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of the distance measuring device according to this embodiment.

本実施形態による測距装置700は、第1乃至第7実施形態のいずれかに記載の発光装置1がアレイ状に配された面発光レーザアレイを光源部に適用した測距装置(LiDAR装置)である。測距装置700は、制御部710と、面発光レーザアレイドライバ712と、面発光レーザアレイ714と、発光側光学系718と、受光側光学系720と、イメージセンサ722と、距離データ処理部724とにより構成され得る。 The distance measuring device 700 according to this embodiment is a distance measuring device (LiDAR device) that uses a surface-emitting laser array, in which the light-emitting devices 1 described in any one of the first to seventh embodiments are arranged in an array, as a light source. The distance measuring device 700 can be configured with a control unit 710, a surface-emitting laser array driver 712, a surface-emitting laser array 714, an emitting-side optical system 718, a receiving-side optical system 720, an image sensor 722, and a distance data processing unit 724.

面発光レーザアレイ714は、第1乃至第7実施形態のいずれかに記載の発光装置1がアレイ状に配された半導体装置がパッケージに実装されたものである。面発光レーザアレイドライバ712は、制御部710からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ714を発振するための駆動電流を生成し、面発光レーザアレイ714に出力する駆動部である。なお、面発光レーザアレイ714と面発光レーザアレイドライバ712とは必ずしも別々の構成要素である必要はなく、面発光レーザアレイドライバ712の機能は面発光レーザアレイ714が備えていてもよい。 The surface-emitting laser array 714 is a packaged semiconductor device in which light-emitting devices 1 according to any one of the first to seventh embodiments are arranged in an array. The surface-emitting laser array driver 712 is a driver that receives a drive signal from the control unit 710, generates a drive current for oscillating the surface-emitting laser array 714, and outputs this to the surface-emitting laser array 714. Note that the surface-emitting laser array 714 and the surface-emitting laser array driver 712 do not necessarily have to be separate components, and the surface-emitting laser array driver 712 may have the function of the surface-emitting laser array driver 712.

発光側光学系718は、面発光レーザアレイ714により生成されたレーザ光を測距対象範囲に向けて出射する光学系である。受光側光学系720は、測定対象物1000により反射されたレーザ光をイメージセンサ722に導く光学系である。なお、図13では発光側光学系718及び受光側光学系720を1枚の凸レンズ形状の部材により表しているが、これらは1枚の凸レンズ形状の部材のみから構成されるものではなく、複数のレンズを組み合わせたレンズ群から構成されている。 The light-emitting optical system 718 is an optical system that emits laser light generated by the surface-emitting laser array 714 toward the distance measurement target range. The light-receiving optical system 720 is an optical system that guides laser light reflected by the measurement target 1000 to the image sensor 722. Note that while Figure 13 shows the light-emitting optical system 718 and the light-receiving optical system 720 as a single convex lens-shaped element, they are not composed of only a single convex lens-shaped element, but are composed of a lens group combining multiple lenses.

イメージセンサ722は、光電変換部を含む複数の画素が2次元アレイ状に配列された光電変換装置であり、入射した光に応じた電気信号を出力する受光装置である。イメージセンサ722は、例えばCMOSイメージセンサやSPADイメージセンサなどの撮像装置であり得る。距離データ処理部724は、イメージセンサ722からの信号に基づき、測距対象範囲に存在する測定対象物1000までの距離に関する情報を生成し、出力する距離情報取得部としての機能を備える。なお、距離データ処理部724は、イメージセンサ722と電気的に接続されていればよく、イメージセンサ722と同じパッケージ内に配置されていてもよいし、イメージセンサ722とは別のパッケージ内に配置されていてもよい。 The image sensor 722 is a photoelectric conversion device in which multiple pixels, each including a photoelectric conversion unit, are arranged in a two-dimensional array, and is a light-receiving device that outputs an electrical signal in response to incident light. The image sensor 722 may be an imaging device such as a CMOS image sensor or a SPAD image sensor. The distance data processing unit 724 functions as a distance information acquisition unit that generates and outputs information regarding the distance to the measurement object 1000 present in the distance measurement range based on the signal from the image sensor 722. Note that the distance data processing unit 724 only needs to be electrically connected to the image sensor 722, and may be located in the same package as the image sensor 722 or in a package separate from the image sensor 722.

制御部710は、マイクロコンピュータや論理回路を含む情報処理装置などにより構成され、各部の動作制御や各種の演算処理などの測距装置700における動作を司る中心的な処理装置としての機能を備える。 The control unit 710 is composed of an information processing device including a microcomputer and logic circuits, and functions as a central processing device that controls the operation of each component and performs various calculations within the distance measuring device 700.

次に、本実施形態による測距装置の動作について、図13を用いて説明する。まず、制御部710は、面発光レーザアレイドライバ712に駆動信号を出力する。面発光レーザアレイドライバ712は、制御部710からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ714に所定の電流値の電流を注入する。これにより、面発光レーザアレイ714が発振し、面発光レーザアレイ714からレーザ光が出力される。 Next, the operation of the distance measuring device according to this embodiment will be described with reference to Figure 13. First, the control unit 710 outputs a drive signal to the surface-emitting laser array driver 712. The surface-emitting laser array driver 712 receives the drive signal from the control unit 710 and injects a current of a predetermined value into the surface-emitting laser array 714. This causes the surface-emitting laser array 714 to oscillate, and laser light is output from the surface-emitting laser array 714.

面発光レーザアレイ714により生成されたレーザ光は、発光側光学系718により、測距対象範囲に向けて出射される。測距対象範囲にある測定対象物1000に照射されたレーザ光のうち、測定対象物1000によって反射されて受光側光学系720に入射したレーザ光は、受光側光学系720によってイメージセンサ722に導かれる。 The laser light generated by the surface-emitting laser array 714 is emitted toward the distance measurement range by the light-emitting optical system 718. Of the laser light irradiated onto the measurement object 1000 within the distance measurement range, the laser light reflected by the measurement object 1000 and incident on the light-receiving optical system 720 is guided by the light-receiving optical system 720 to the image sensor 722.

イメージセンサ722の各画素は、レーザ光の入射したタイミングに応じた電気信号パルスを生成する。イメージセンサ722により生成された電気信号パルスは、距離データ処理部724に入力される。 Each pixel of the image sensor 722 generates an electrical signal pulse according to the timing of the laser light incidence. The electrical signal pulse generated by the image sensor 722 is input to the distance data processing unit 724.

距離データ処理部724は、イメージセンサ722から出力される電気信号パルスの受信タイミングに基づき、光伝搬方向に沿った測定対象物1000までの距離に関する情報を生成する。例えば、面発光レーザアレイ714から光が射出されるタイミングとイメージセンサ722が受光するタイミングとの時間差に基づいて測定対象物1000までの距離に関する情報を生成する。イメージセンサ722の各画素から出力される電気信号パルスに基づく距離情報をそれぞれ算出することにより、測定対象物1000の3次元情報を取得することができる。 The distance data processing unit 724 generates information about the distance to the object 1000 along the light propagation direction based on the timing of receiving the electrical signal pulse output from the image sensor 722. For example, it generates information about the distance to the object 1000 based on the time difference between when light is emitted from the surface-emitting laser array 714 and when it is received by the image sensor 722. By calculating distance information based on the electrical signal pulse output from each pixel of the image sensor 722, three-dimensional information about the object 1000 can be obtained.

本実施形態の測距装置700は、例えば自動車の分野において、他の車両と衝突しないように制御を行うための制御装置や、他の車両に追従して自動運転する制御を行うための制御装置などに適用可能である。また、本実施形態の測距装置700は、自動車のみならず、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの他の移動体(移動装置)や、移動体検出システムなどにも適用可能である。本実施形態の測距装置700は、距離情報を含め、3次元的に認識した物体の情報を利用する機器に広く適用することができる。これら移動体は、本実施形態の測距装置と、当該測距装置が取得した距離に関する情報に基づいて移動体を制御する制御手段と、を含んで構成され得る。 The ranging device 700 of this embodiment can be applied, for example, in the automotive field, to control devices that perform control to prevent collisions with other vehicles, and to control automatic driving by following other vehicles. Furthermore, the ranging device 700 of this embodiment can be applied not only to automobiles, but also to other moving bodies (moving devices) such as ships, aircraft, and industrial robots, as well as moving body detection systems. The ranging device 700 of this embodiment can be widely applied to equipment that uses information about objects recognized three-dimensionally, including distance information. These moving bodies can be configured to include the ranging device of this embodiment and control means that controls the moving body based on the distance information acquired by the ranging device.

また、本実施形態の測距装置700により取得可能な奥行きを含めた3次元情報は、画像撮影装置、画像処理装置、表示装置などで利用することも可能である。例えば、本実施形態の測距装置700により取得した3次元情報を用い、現実世界の画像の上に仮想物体を違和感なく表示することが可能である。また、画像情報とともに3次元情報を保存しておくことで、撮影後に撮影映像のボケ味等を修正することも可能である。 In addition, the three-dimensional information including depth that can be acquired by the distance measuring device 700 of this embodiment can also be used in image capturing devices, image processing devices, display devices, etc. For example, the three-dimensional information acquired by the distance measuring device 700 of this embodiment can be used to seamlessly display a virtual object on top of an image of the real world. Furthermore, by storing the three-dimensional information along with the image information, it is possible to correct the blurring of the captured image after shooting.

[第9実施形態]
第9実施形態による移動体について、図14(a)及び図14(b)を用いて説明する。図14(a)及び図14(b)は、本実施形態による移動体の構成例を示すブロック図である。
Ninth Embodiment
A moving body according to the ninth embodiment will be described with reference to Figures 14(a) and 14(b), which are block diagrams showing an example of the configuration of a moving body according to this embodiment.

図14(a)は、車載カメラとして車両に搭載される機器の構成例を示している。機器80は、測距対象物までの距離を計測する距離計測部803と、距離計測部803により計測された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部804と、を有する。距離計測部803は、例えば第8実施形態において説明した測距装置700により構成され得る。ここで、距離計測部803は、測距対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、測距対象物までの距離等に関する情報である。 Figure 14(a) shows an example configuration of equipment mounted on a vehicle as an in-vehicle camera. Equipment 80 has a distance measurement unit 803 that measures the distance to an object to be measured, and a collision determination unit 804 that determines whether or not there is a possibility of a collision based on the distance measured by distance measurement unit 803. Distance measurement unit 803 may be configured, for example, by the distance measurement device 700 described in the eighth embodiment. Here, distance measurement unit 803 is an example of a distance information acquisition means that acquires distance information to the object to be measured. In other words, distance information is information related to the distance to the object to be measured, etc.

機器80は、車両情報取得装置810と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、機器800には、衝突判定部804での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ECU820が接続されている。また、機器80は、衝突判定部804での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置830とも接続されている。例えば、衝突判定部804の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU820はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置830は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステム等の画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。機器80のこれらの装置は上述のように車両を制御する動作の制御を行う移動体制御部として機能する。 Device 80 is connected to vehicle information acquisition device 810 and can acquire vehicle information such as vehicle speed, yaw rate, and steering angle. Device 800 is also connected to control ECU 820, a control device that outputs a control signal to generate braking force for the vehicle based on the determination result of collision determination unit 804. Device 80 is also connected to warning device 830, which issues a warning to the driver based on the determination result of collision determination unit 804. For example, if collision determination unit 804 determines that there is a high possibility of a collision, control ECU 820 performs vehicle control to avoid the collision and mitigate damage by applying the brakes, releasing the accelerator, or suppressing engine output. Warning device 830 warns the user by sounding an alarm, displaying warning information on the screen of a car navigation system, or vibrating the seat belt or steering wheel. These devices of device 80 function as a mobile object control unit that controls the operation of controlling the vehicle as described above.

本実施形態では車両の周囲、例えば前方又は後方を機器80で測距する。図14(b)は、車両前方(測距範囲850)を測距する場合の機器を示している。測距制御手段としての車両情報取得装置810が、測距動作を行うように機器80又は距離計測部803に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。 In this embodiment, the device 80 measures the distance around the vehicle, for example, the front or rear. Figure 14(b) shows the device when measuring the distance in front of the vehicle (measurement range 850). The vehicle information acquisition device 810, which acts as a distance measurement control means, sends an instruction to the device 80 or the distance measurement unit 803 to perform a distance measurement operation. This configuration can further improve the accuracy of distance measurement.

上述では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、機器は、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機、人工衛星、産業用ロボット及び民生用ロボット等の移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)、監視システム等、広く物体認識又は生体認識を利用する機器に適用することができる。 The above describes an example of control to prevent collisions with other vehicles, but the invention can also be applied to control of autonomous driving by following other vehicles, and control of autonomous driving to prevent vehicles from veering out of their lanes. Furthermore, the invention is not limited to vehicles such as automobiles, but can be applied to moving objects (mobile devices) such as ships, aircraft, artificial satellites, industrial robots, and consumer robots. In addition, the invention can be applied to a wide range of devices that use object recognition or biometric recognition, such as intelligent transport systems (ITS) and surveillance systems, and is not limited to moving objects.

[変形実施形態]
本開示は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本開示の実施形態である。
[Modified embodiment]
The present disclosure is not limited to the above-described embodiments and various modifications are possible. For example, an example in which part of the configuration of one embodiment is added to another embodiment, or an example in which part of the configuration of one embodiment is replaced with part of the configuration of another embodiment, is also an embodiment of the present disclosure.

上述の第1乃至第7実施形態では、活性層を2つ含む2ジャンクションの形態を例示したが、ジャンクション数はこれに限定されるものではない。例えば、ジャンクション数が3以上であっても上述の実施形態と同様の構成が適用され得る。例えば3ジャンクションの形態においては、トンネル接合層24からn型層21までの層を含むグループが2つ積層された構造が適用され得る。 In the first to seventh embodiments described above, a two-junction configuration including two active layers is illustrated, but the number of junctions is not limited to this. For example, a configuration similar to the above-described embodiments can be applied even if the number of junctions is three or more. For example, in a three-junction configuration, a structure in which two groups including layers from the tunnel junction layer 24 to the n-type layer 21 are stacked can be applied.

また、上述の第1乃至第7実施形態では、半導体基板11としてGaAs基板を用いた場合に結晶成長が可能な半導体材料としてGaAs、AlGaAs、InGaAsを例示したが、半導体基板11はGaAs基板に限定されるものではない。例えば、半導体基板11としてInP基板を用いることもできる。半導体基板11としてInP基板を用いた場合に結晶成長が可能な半導体材料としては、例えば、InP、InGaAs、InGaP、InGaAsP等が挙げられる。 In addition, in the above-described first to seventh embodiments, GaAs, AlGaAs, and InGaAs were given as examples of semiconductor materials on which crystal growth is possible when a GaAs substrate is used as the semiconductor substrate 11, but the semiconductor substrate 11 is not limited to a GaAs substrate. For example, an InP substrate can also be used as the semiconductor substrate 11. Examples of semiconductor materials on which crystal growth is possible when an InP substrate is used as the semiconductor substrate 11 include InP, InGaAs, InGaP, and InGaAsP.

また、上記第1乃至第7実施形態による発光装置におけるDBR層は、必ずしも半導体材料によって構成されている必要はなく、半導体材料以外の材料によって構成されていてもよい。この場合も、発光装置を第1乃至第7実施形態と同様の機能を奏するように構成することで本実施形態と同様の効果を奏することができる。 Furthermore, the DBR layer in the light-emitting devices according to the first to seventh embodiments does not necessarily have to be made of a semiconductor material, and may be made of a material other than a semiconductor material. In this case, too, by configuring the light-emitting device to perform the same functions as the first to seventh embodiments, it is possible to achieve the same effects as this embodiment.

また、上記第1乃至第7実施形態による発光装置における酸化狭窄層23は必ずしも必要ではなく、酸化狭窄層23が配されていなくてもよい。その場合には、例えば図2においては、活性層22よりも下の層を全体的に1/2λcの距離だけ紙面上方向にずらした構成が適用可能である。それにより、共振器長を1/2λcだけ短くすることができるため、製造時に使用される材料が削減されコストが低減される。また、縦モード間隔が広がるため縦モードホッピングのリスクが低減する、半導体による光吸収が低減し光取り出し効率が向上する等の利点もある。なお、これらの利点は、ジャンクション数が多い程顕著となる。なお、共振器長が短いことにより有効共振器長が短く、それにより必要な高尖頭値パルス幅が得られない場合には、例えば基板に近い側にスペーサ層等を設けることで有効共振器長が調整されてもよい。 Furthermore, the oxide constriction layer 23 is not necessarily required in the light-emitting devices according to the first to seventh embodiments, and the oxide constriction layer 23 may not be provided. In such cases, for example, in FIG. 2, a configuration can be applied in which the layers below the active layer 22 are shifted upward in the plane of the drawing by a distance of 1/2λc. This shortens the cavity length by 1/2λc, thereby reducing the amount of material used during manufacturing and lowering costs. Other advantages include a wider longitudinal mode spacing, which reduces the risk of longitudinal mode hopping, and reduced light absorption by the semiconductor, improving light extraction efficiency. These advantages become more pronounced as the number of junctions increases. If a short cavity length results in a short effective cavity length and therefore prevents the required high peak pulse width from being obtained, the effective cavity length may be adjusted, for example, by providing a spacer layer closer to the substrate.

また、第1実施形態による発光装置における電極40は、必ずしもn型層21の上面に形成される必要はなく、例えば、半導体基板11の下面に形成されていてもよい。この場合も、可飽和吸収層がp型層とn型層とに挟まれているp-i-n構成であり、可飽和吸収層が外部から電気的に制御されない構成であれば、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。 Furthermore, the electrode 40 in the light-emitting device according to the first embodiment does not necessarily have to be formed on the upper surface of the n-type layer 21; it may be formed, for example, on the lower surface of the semiconductor substrate 11. In this case, too, the same effects as in the first embodiment can be achieved as long as the saturable absorption layer is sandwiched between a p-type layer and an n-type layer in a p-i-n configuration and is not electrically controlled from the outside.

本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「AはBである」旨(A=B)の記載があれば、「AはBではない」旨(A≠B)の記載を省略しても、本明細書は「AはBではない」旨を開示又は示唆しているものとする。なぜなら、「AはBである」旨を記載している場合には、「AはBではない」場合を考慮していることが前提だからである。 The disclosure of this specification includes the complement of the concepts described herein. In other words, if this specification states, for example, that "A is B" (A = B), then even if the statement that "A is not B" (A ≠ B) is omitted, this specification is deemed to disclose or suggest that "A is not B." This is because when it states that "A is B," it is assumed that the case where "A is not B" is taken into consideration.

本明細書の開示内容は、以下の構成を含む。
(構成1)
半導体基板の上に配された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、
前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、
前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、
前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、
を有し、
前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層と、前記複数の第1量子井戸層の層間に配された第3バリア層とを含み、
前記第2活性層は、第4バリア層と、前記第4バリア層の上に配された複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の上に配された第5バリア層と、前記複数の第2量子井戸層の層間に配された第6バリア層とを含み、
前記複数の第2量子井戸層の数をN、前記複数の第2量子井戸層の各層の厚さをw(nm)、活性層の数をM、所定の尖頭値比の光強度を得るために要する量子井戸の層数をQとしたとき、前記第2活性層の厚さTa(nm)は、以下の式(1)を満たし、
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
前記第2活性層と前記第1トンネル接合層との距離は、40nm以上であり、
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層が、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層よりも薄い
ことを特徴とする発光装置。
(構成2)
前記第2活性層の厚さTaは、54nm以上である
ことを特徴とする構成1に記載の発光装置。
(構成3)
前記第2活性層の厚さTaは、124nm以上である
ことを特徴とする構成1又は2に記載の発光装置。
(構成4)
前記第2活性層と前記第1トンネル接合層との距離は、70nm以上である
ことを特徴とする構成1乃至3のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成5)
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層の厚さの合計に対する前記第1バリア層から前記第6バリア層の厚さの合計の比の値が1.25以上である
ことを特徴とする構成1乃至4のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成6)
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層の厚さの合計に対する前記第1バリア層から前記第6バリア層の厚さの合計の比の値が4.17以上である
ことを特徴とする構成1乃至5のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成7)
前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄い
ことを特徴とする構成1乃至6のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成8)
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄い
ことを特徴とする構成1乃至6のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成9)
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄く、
前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄い
ことを特徴とする構成1乃至6のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成10)
前記第1活性層と前記第2活性層の間に配された第1酸化狭窄層と、
前記第2活性層の上に配された第2酸化狭窄層と、
を更に有する
ことを特徴とする構成1乃至9のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成11)
前記第2活性層の上に配された第2酸化狭窄層を更に有する
ことを特徴とする構成1乃至9のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成12)
半導体基板の上に配された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、
前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、
前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、
前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、
を有し、
前記第2活性層は、第4バリア層と、前記第4バリア層の上に配された複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の上に配された第5バリア層とを含み、
前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄い
ことを特徴とする発光装置。
(構成13)
前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層とを含み、
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄い
ことを特徴とする構成12に記載の発光装置。
(構成14)
前記半導体基板はp型であり、
前記第1トンネル接合層は、第1のn型層と、前記第1のn型層の上に配された第1のp型層とを含む
ことを特徴とする構成12又は13に記載の発光装置。
(構成15)
前記半導体基板と前記第1活性層の間に配された第2トンネル接合層を更に有し、
前記半導体基板はn型であり、
前記第1トンネル接合層は、第1のn型層と、前記第1のn型層の上に配された第1のp型層とを含み、
前記第2トンネル接合層は、第2のn型層と、前記第2のn型層の上に配された第2のp型層とを含む
ことを特徴とする構成12又は13に記載の発光装置。
(構成16)
半導体基板の上に配された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、
前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、
前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、
前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、
を有し、
前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層とを含み、
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄い
ことを特徴とする発光装置。
(構成17)
前記第1反射鏡と前記第2反射鏡の間に可飽和吸収層を更に有する
ことを特徴とする構成1乃至16のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成18)
前記可飽和吸収層は、前記第1反射鏡と前記第1活性層の間に配されている
ことを特徴とする構成17に記載の発光装置。
(構成19)
前記発光装置は、最大ピーク値を有し、かつ、前記最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出するように構成されている
ことを特徴とする構成1乃至18のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成20)
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層と、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層とのバンドギャップ差が、60meV以上、230meV以下である
ことを特徴とする構成1乃至19のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成21)
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層と、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層とのバンドギャップ差が、105meV以上、230meV以下である
ことを特徴とする構成1乃至20のいずれか1項に記載の発光装置。
(構成22)
構成1乃至21のいずれか1項に記載の発光装置と、
前記発光装置から射出され、測定対象物で反射した光を受ける受光装置と、
前記発光装置から光が射出されるタイミングと前記受光装置が受光するタイミングとの時間差に基づいて前記測定対象物までの距離に関する情報を取得する距離情報取得部と、
を有することを特徴とする測距装置。
(構成23)
移動体であって、
構成22に記載の測距装置と、
前記測距装置が取得した前記距離に関する情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。
The disclosure of this specification includes the following configurations.
(Configuration 1)
a first reflector disposed on a semiconductor substrate;
a first active layer disposed on the first reflector;
a first tunnel junction layer disposed on the first active layer;
a second active layer disposed on the first tunnel junction layer;
a second reflector disposed on the second active layer; and
and
the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers, and a third barrier layer disposed between the plurality of first quantum well layers;
the second active layer includes a fourth barrier layer, a plurality of second quantum well layers disposed on the fourth barrier layer, a fifth barrier layer disposed on the plurality of second quantum well layers, and a sixth barrier layer disposed between the plurality of second quantum well layers;
When the number of the plurality of second quantum well layers is N, the thickness of each of the plurality of second quantum well layers is w (nm), the number of active layers is M, and the number of quantum well layers required to obtain a light intensity with a predetermined peak value ratio is Q, the thickness Ta (nm) of the second active layer satisfies the following formula (1):
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
a distance between the second active layer and the first tunnel junction layer is 40 nm or more;
a light-emitting device, wherein any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers is thinner than any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer;
(Configuration 2)
2. The light emitting device according to claim 1, wherein the second active layer has a thickness Ta of 54 nm or more.
(Configuration 3)
3. The light emitting device according to claim 1, wherein the second active layer has a thickness Ta of 124 nm or more.
(Configuration 4)
4. The light emitting device according to any one of the first to third aspects, wherein the distance between the second active layer and the first tunnel junction layer is 70 nm or more.
(Configuration 5)
5. The light-emitting device according to any one of structures 1 to 4, wherein a ratio of a total thickness of the first barrier layer to the sixth barrier layer to a total thickness of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers is 1.25 or more.
(Configuration 6)
6. The light-emitting device according to any one of structures 1 to 5, wherein a ratio of a total thickness of the first barrier layer to the sixth barrier layer to a total thickness of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers is 4.17 or more.
(Configuration 7)
7. The light-emitting device according to any one of the preceding claims, wherein the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.
(Configuration 8)
7. The light emitting device according to any one of the preceding claims, wherein the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.
(Configuration 9)
the first barrier layer is thinner than the second barrier layer;
7. The light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.
(Configuration 10)
a first oxide constriction layer disposed between the first active layer and the second active layer;
a second oxide constriction layer disposed on the second active layer;
10. The light emitting device according to any one of configurations 1 to 9, further comprising:
(Configuration 11)
10. The light emitting device of any one of configurations 1 to 9, further comprising a second oxide constriction layer disposed on the second active layer.
(Configuration 12)
a first reflector disposed on a semiconductor substrate;
a first active layer disposed on the first reflector;
a first tunnel junction layer disposed on the first active layer;
a second active layer disposed on the first tunnel junction layer;
a second reflector disposed on the second active layer; and
and
the second active layer includes a fourth barrier layer, a plurality of second quantum well layers disposed on the fourth barrier layer, and a fifth barrier layer disposed on the plurality of second quantum well layers;
The light emitting device, wherein the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.
(Configuration 13)
the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, and a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers;
13. The light emitting device of claim 12, wherein the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.
(Configuration 14)
the semiconductor substrate is p-type;
14. The light emitting device of claim 12 or 13, wherein the first tunnel junction layer includes a first n-type layer and a first p-type layer disposed on the first n-type layer.
(Configuration 15)
a second tunnel junction layer disposed between the semiconductor substrate and the first active layer;
the semiconductor substrate is n-type;
the first tunnel junction layer includes a first n-type layer and a first p-type layer disposed on the first n-type layer;
14. The light emitting device of claim 12 or 13, wherein the second tunnel junction layer includes a second n-type layer and a second p-type layer disposed on the second n-type layer.
(Configuration 16)
a first reflector disposed on a semiconductor substrate;
a first active layer disposed on the first reflector;
a first tunnel junction layer disposed on the first active layer;
a second active layer disposed on the first tunnel junction layer;
a second reflector disposed on the second active layer; and
and
the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, and a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers;
The light emitting device, wherein the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.
(Configuration 17)
17. The light emitting device according to any one of structures 1 to 16, further comprising a saturable absorbing layer between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror.
(Configuration 18)
18. The light-emitting device according to configuration 17, wherein the saturable absorbing layer is disposed between the first reflector and the first active layer.
(Configuration 19)
19. The light emitting device of any one of configurations 1 to 18, wherein the light emitting device is configured to emit light having a maximum peak value and a profile that converges to a stable value that is a predetermined light intensity after the maximum peak value.
(Configuration 20)
20. The light-emitting device according to any one of structures 1 to 19, wherein a band gap difference between any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers and any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer is 60 meV or more and 230 meV or less.
(Configuration 21)
21. The light-emitting device according to any one of structures 1 to 20, wherein a band gap difference between any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers and any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer is 105 meV or more and 230 meV or less.
(Configuration 22)
The light-emitting device according to any one of configurations 1 to 21,
a light receiving device that receives light emitted from the light emitting device and reflected by the object to be measured;
a distance information acquisition unit that acquires information about the distance to the measurement object based on the time difference between the timing at which light is emitted from the light emitting device and the timing at which light is received by the light receiving device;
A distance measuring device comprising:
(Configuration 23)
A mobile object,
23. The distance measuring device according to claim 22,
a control means for controlling the moving object based on information about the distance acquired by the distance measuring device;
A moving object characterized by having:

本開示は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present disclosure can also be realized by supplying a program that realizes one or more of the functions of the above-described embodiments to a system or device via a network or storage medium, and having one or more processors in the computer of that system or device read and execute the program. It can also be realized by a circuit (e.g., an ASIC) that realizes one or more functions.

なお、上述の実施形態は、いずれも本開示を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of specific embodiments for implementing the present disclosure, and should not be construed as limiting the technical scope of the present disclosure. In other words, the present disclosure can be implemented in various forms without departing from its technical concept or main features.

1 発光装置
11 半導体基板
12、12a 下部DBR層
22、25 活性層
24、52 トンネル接合層
32、32a 上部DBR層
221、251 量子井戸層
222、223、224、252、253、254 バリア層
REFERENCE SIGNS LIST 1 Light emitting device 11 Semiconductor substrate 12, 12a Lower DBR layer 22, 25 Active layer 24, 52 Tunnel junction layer 32, 32a Upper DBR layer 221, 251 Quantum well layer 222, 223, 224, 252, 253, 254 Barrier layer

Claims (23)

半導体基板の上に配された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、
前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、
前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、
前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、
を有し、
前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層と、前記複数の第1量子井戸層の層間に配された第3バリア層とを含み、
前記第2活性層は、第4バリア層と、前記第4バリア層の上に配された複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の上に配された第5バリア層と、前記複数の第2量子井戸層の層間に配された第6バリア層とを含み、
前記複数の第2量子井戸層の数をN、前記複数の第2量子井戸層の各層の厚さをw(nm)、活性層の数をM、所定の尖頭値比の光強度を得るために要する量子井戸の層数をQとしたとき、前記第2活性層の厚さTa(nm)は、以下の式(1)を満たし、
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
前記第2活性層と前記第1トンネル接合層との距離は、40nm以上であり、
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層が、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層よりも薄い
ことを特徴とする発光装置。
a first reflector disposed on a semiconductor substrate;
a first active layer disposed on the first reflector;
a first tunnel junction layer disposed on the first active layer;
a second active layer disposed on the first tunnel junction layer;
a second reflector disposed on the second active layer; and
and
the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers, and a third barrier layer disposed between the plurality of first quantum well layers;
the second active layer includes a fourth barrier layer, a plurality of second quantum well layers disposed on the fourth barrier layer, a fifth barrier layer disposed on the plurality of second quantum well layers, and a sixth barrier layer disposed between the plurality of second quantum well layers;
When the number of the plurality of second quantum well layers is N, the thickness of each of the plurality of second quantum well layers is w (nm), the number of active layers is M, and the number of quantum well layers required to obtain a light intensity with a predetermined peak value ratio is Q, the thickness Ta (nm) of the second active layer satisfies the following formula (1):
Ta≧{w×N×M+(Q-N×M)×w/0.2}/M (1)
a distance between the second active layer and the first tunnel junction layer is 40 nm or more;
a light-emitting device, wherein any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers is thinner than any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer;
前記第2活性層の厚さTaは、54nm以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
The light emitting device according to claim 1 , wherein the second active layer has a thickness Ta of 54 nm or more.
前記第2活性層の厚さTaは、124nm以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
The light emitting device according to claim 1 , wherein the second active layer has a thickness Ta of 124 nm or more.
前記第2活性層と前記第1トンネル接合層との距離は、70nm以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
The light emitting device according to claim 1 , wherein the distance between the second active layer and the first tunnel junction layer is 70 nm or more.
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層の厚さの合計に対する前記第1バリア層から前記第6バリア層の厚さの合計の比の値が1.25以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
2. The light-emitting device according to claim 1, wherein a ratio of a total thickness of the first barrier layer to the sixth barrier layer to a total thickness of the first quantum well layers and the second quantum well layers is 1.25 or more.
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層の厚さの合計に対する前記第1バリア層から前記第6バリア層の厚さの合計の比の値が4.17以上である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
2. The light emitting device according to claim 1, wherein a ratio of a total thickness of the first barrier layer to the sixth barrier layer to a total thickness of the first quantum well layers and the second quantum well layers is 4.17 or more.
前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄い
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
The light emitting device according to claim 1 , wherein the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄い
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
The light emitting device according to claim 1 , wherein the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄く、
前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄い
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
the first barrier layer is thinner than the second barrier layer;
The light emitting device according to claim 1 , wherein the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.
前記第1活性層と前記第2活性層の間に配された第1酸化狭窄層と、
前記第2活性層の上に配された第2酸化狭窄層と、
を更に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
a first oxide constriction layer disposed between the first active layer and the second active layer;
a second oxide constriction layer disposed on the second active layer;
The light emitting device according to claim 1 , further comprising:
前記第2活性層の上に配された第2酸化狭窄層を更に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
2. The light emitting device according to claim 1, further comprising a second oxide constriction layer disposed on the second active layer.
半導体基板の上に配された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、
前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、
前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、
前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、
を有し、
前記第2活性層は、第4バリア層と、前記第4バリア層の上に配された複数の第2量子井戸層と、前記複数の第2量子井戸層の上に配された第5バリア層とを含み、
前記第4バリア層は、前記第5バリア層よりも薄い
ことを特徴とする発光装置。
a first reflector disposed on a semiconductor substrate;
a first active layer disposed on the first reflector;
a first tunnel junction layer disposed on the first active layer;
a second active layer disposed on the first tunnel junction layer;
a second reflector disposed on the second active layer; and
and
the second active layer includes a fourth barrier layer, a plurality of second quantum well layers disposed on the fourth barrier layer, and a fifth barrier layer disposed on the plurality of second quantum well layers;
The light emitting device, wherein the fourth barrier layer is thinner than the fifth barrier layer.
前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層とを含み、
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄い
ことを特徴とする請求項12に記載の発光装置。
the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, and a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers;
The light emitting device of claim 12 , wherein the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.
前記半導体基板はp型であり、
前記第1トンネル接合層は、第1のn型層と、前記第1のn型層の上に配された第1のp型層とを含む
ことを特徴とする請求項12に記載の発光装置。
the semiconductor substrate is p-type;
13. The light emitting device of claim 12, wherein the first tunnel junction layer includes a first n-type layer and a first p-type layer disposed on the first n-type layer.
前記半導体基板と前記第1活性層の間に配された第2トンネル接合層を更に有し、
前記半導体基板はn型であり、
前記第1トンネル接合層は、第1のn型層と、前記第1のn型層の上に配された第1のp型層とを含み、
前記第2トンネル接合層は、第2のn型層と、前記第2のn型層の上に配された第2のp型層とを含む
ことを特徴とする請求項12に記載の発光装置。
a second tunnel junction layer disposed between the semiconductor substrate and the first active layer;
the semiconductor substrate is n-type;
the first tunnel junction layer includes a first n-type layer and a first p-type layer disposed on the first n-type layer;
13. The light emitting device of claim 12, wherein the second tunnel junction layer includes a second n-type layer and a second p-type layer disposed on the second n-type layer.
半導体基板の上に配された第1反射鏡と、
前記第1反射鏡の上に配された第1活性層と、
前記第1活性層の上に配された第1トンネル接合層と、
前記第1トンネル接合層の上に配された第2活性層と、
前記第2活性層の上に配された第2反射鏡と、
を有し、
前記第1活性層は、第1バリア層と、前記第1バリア層の上に配された複数の第1量子井戸層と、前記複数の第1量子井戸層の上に配された第2バリア層とを含み、
前記第1バリア層は、前記第2バリア層よりも薄い
ことを特徴とする発光装置。
a first reflector disposed on a semiconductor substrate;
a first active layer disposed on the first reflector;
a first tunnel junction layer disposed on the first active layer;
a second active layer disposed on the first tunnel junction layer;
a second reflector disposed on the second active layer; and
and
the first active layer includes a first barrier layer, a plurality of first quantum well layers disposed on the first barrier layer, and a second barrier layer disposed on the plurality of first quantum well layers;
The light emitting device, wherein the first barrier layer is thinner than the second barrier layer.
前記第1反射鏡と前記第2反射鏡の間に可飽和吸収層を更に有する
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
The light emitting device according to claim 1 , further comprising a saturable absorbing layer between the first reflector and the second reflector.
前記可飽和吸収層は、前記第1反射鏡と前記第1活性層の間に配されている
ことを特徴とする請求項17に記載の発光装置。
18. The light emitting device according to claim 17, wherein the saturable absorbing layer is disposed between the first reflector and the first active layer.
前記発光装置は、最大ピーク値を有し、かつ、前記最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出するように構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
2. The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting device is configured to emit light having a profile that has a maximum peak value and that converges to a stable value that is a predetermined light intensity after the maximum peak value.
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層と、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層とのバンドギャップ差が、60meV以上、230meV以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
2. The light-emitting device according to claim 1, wherein a band gap difference between any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers and any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer is 60 meV or more and 230 meV or less.
前記複数の第1量子井戸層及び前記複数の第2量子井戸層のうちのいずれか1層と、前記第1バリア層から前記第6バリア層のうちのいずれか1層とのバンドギャップ差が、105meV以上、230meV以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
2. The light-emitting device according to claim 1, wherein a band gap difference between any one of the plurality of first quantum well layers and the plurality of second quantum well layers and any one of the first barrier layer to the sixth barrier layer is 105 meV or more and 230 meV or less.
請求項1乃至21のいずれか1項に記載の発光装置と、
前記発光装置から射出され、測定対象物で反射した光を受ける受光装置と、
前記発光装置から光が射出されるタイミングと前記受光装置が受光するタイミングとの時間差に基づいて前記測定対象物までの距離に関する情報を取得する距離情報取得部と、
を有することを特徴とする測距装置。
A light emitting device according to any one of claims 1 to 21;
a light receiving device that receives light emitted from the light emitting device and reflected by the object to be measured;
a distance information acquisition unit that acquires information about the distance to the measurement object based on the time difference between the timing at which light is emitted from the light emitting device and the timing at which light is received by the light receiving device;
A distance measuring device comprising:
移動体であって、
請求項22に記載の測距装置と、
前記測距装置が取得した前記距離に関する情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。
A mobile object,
a distance measuring device according to claim 22;
a control means for controlling the moving object based on information about the distance acquired by the distance measuring device;
A moving object characterized by having:
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