JP2024519809A - 光電子構成要素及びレーザ - Google Patents
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Abstract
光電子構成要素は、フォトニック結晶（１）及び利得媒体（３）を含むスタックを含む。利得媒体が、少なくとも２つの量子ウェル（３０）及び少なくとも１つのトンネル接合部（３１）の層列を含み、電磁波を放出するように構成されている。フォトニック結晶は利得媒体に電磁で結合する。スタックは基板（５）に配置される。択一的または付加的に、利得媒体は少なくとも１つの量子ウェルを含んでいる。フォトニック結晶は誘電体層に構造化され、利得媒体と電磁結合する。【選択図】図１
Description
光電子構成要素及びレーザが記載されている。
半導体レーザは、その小さいサイズ及びパワースペクトルのため、広範囲の用途において、例えば集積センサの解決法において使用される。半導体レーザは、一般に２つのクラス、すなわち、レーザ光が半導体チップのウェハ表面に対して平行に伝播し、劈開されたエッジで反射または結合される端面発光レーザと、光が半導体ウェハの表面に対して垂直に伝播する面発光レーザとに分類することができるあまり一般的でない面発光レーザのカテゴリは、レーザ光が実質的にウェハ表面に沿った空洞において伝搬するように構成されている（面内レーザ）。この種のレーザの１つの実現形態は、フォトニック結晶構造体を有する面内レーザ共振器が実現されるフォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）である。同じ構造体がまた、出力ビームを形成するために、光の一部を反射する。ここでは、単一周波数動作を達成することができ、これは、例えば、３Ｄセンシング及び光データ伝送における用途にとって重要であり得る。
フォトニック結晶面発光レーザ、つまりＰＣＳＥＬは、例えば、機能層のスタックによって実現することができる。端面発光レーザとは対照的に、レーザは、製造を簡素化し、特定の用途に合わせてレーザ特性を調整するために、用途に応じて結合導波路を備えることができ、またそうすべきである。同時に、使用されるフォトニック結晶などの質の高い構成要素が必要とされている。
１つの目的は、より簡単な製造及び改善されたレーザ特性を可能にする光電子構成要素及びレーザを明記することである。
これらの課題は、独立請求項に記載の光電子構成要素及びレーザによって解決される。光電子構成要素及びレーザのさらなる実施形態は、従属請求項の説明の対象である。
光電子構成要素の一実施形態によれば、光電子構成要素は、フォトニック結晶及び利得媒体を含むスタックを含む。利得媒体は、少なくとも２つの量子ウェルと少なくとも１つのトンネル接合部との層列を含む。スタックは、電磁波の放出される領域において透明な基板に配置される。利得媒体は、電磁波を放出するように構成されている。フォトニック結晶は利得媒体に電磁で結合する。
レーザ、特にフォトニック結晶面発光レーザ、ＰＣＳＥＬの輝度を増加させるために、スタックを備える光電子構成要素が有利であり得る。複数の接合部を有する他の半導体レーザとは異なり、導波路を結合することも可能であり、多くの場合に必要である。これにより、例えば、各導波路に対してフォトニック結晶層を実装することを省略できる。
導波路を結合することにより、回折的に制限されたビームコリメーションのみで、出力密度が高い大面積のレーザを生成することができる。さらに、スタックは、スーパー導波管内に配置することができる。
トンネル接合部に助けられ、個々の量子ウェルを小さな空間を隔ててコヒーレントに結合することができる。この概念では、１つのフォトニック結晶層しか必要とされないため、ナノ構造化は量子ウェル及びトンネル接合部の堆積後にのみ行わなければならず、ひいてはデバイスの最も高い感度な層に追加の欠陥が生じないため、作製がさらに容易である。
一実施形態では、光電子構成要素は、フォトニック結晶及び利得媒体を含むスタックを含む。利得媒体は、少なくとも１つの量子ウェルを含み、電磁波を放出するように構成されている。フォトニック結晶は誘電体層に構造化され、利得媒体と電磁結合する。スタックは、基板に配置される。基板は、例えば、電磁波を結合するために、電磁波の領域において透過性であってもよい。代替的に、例えば電磁波がこの側から結合しない場合、基板は電磁波の領域において不透明であってもよい。
ＰＣＳＥＬの高いコリメーションの質により、基板に結合が行われる場合であっても、ビームの大幅な拡幅は生じない。すなわち、レーザとして使用される光電子構成要素の光学特性は、「厚い」基板、例えば１００μｍ超によっても損なわれず、それゆえ、以前に提案された基板よりもはるかに厚い基板を用いて構成要素を製造することも可能である。
高い質のフォトニック結晶構造体を用いたこのアプローチを実現するために、フォトニック結晶を半導体材料の内部に直接構造化するのではなく、活性ゾーンに近い付加的に挿入された層で構造化することができる。この層は、例えば、別の誘電体材料及び／または酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明導電性材料と組み合わせた誘電体材料を含む。良好な光学特性を有し、同時に高い熱伝導率を有する材料が誘電体材料として特に適しているのに対して、熱特性が相対的に良好でない他の誘電体材料も原理上適している。
代替的な概念に対するこのアプローチの１つの利点として、半導体材料の比較的薄い層しか必要とされない、ということが挙げられる。その結果、対応するエピタキシャルのプロセスにかかる時間が大幅に短くなり、そのため比較的単純なアーキテクチャの低コストの構成要素が有効になる。誘電体の構造化により、半導体の欠陥を低減することができ、または回避することさえできる。
一実施形態では、光電子構成要素は、フォトニック結晶及び利得媒体を含むスタックを含む。利得媒体は、少なくとも１つの量子ウェルを含み、電磁波を放出するように構成されている。フォトニック結晶（１）は、導電層に構造化され、利得媒体に電磁で結合される。スタックは、基板に配置される。基板は、例えば、電磁波を結合するために、電磁波の領域において透過性であってもよい。代替的に、例えば電磁波がこの側から結合しない場合、基板は電磁波の領域において不透明であってもよい。
これにより、例えば、ＩｎＧａＮレーザなどのｐ側のフォトニック結晶構造体が可能になる。例えばｐ側にＩＴＯを含む導電層の内部の実現により、ｐ側（ＡＲコーティング）を介した結合を容易にする完全に平坦化された構造を可能にし、例えばｎ側を介した熱結合を可能にする。
少なくとも１つの実施形態では、層列は、少なくとも２つの量子ウェルと少なくとも１つのトンネル接合部とを含む。また、フォトニック結晶は、電気層に構造化されている。
光電子構成要素の少なくとも１つの実施形態では、フォトニック結晶は、フォトニック結晶が層列に配置されるように、利得媒体に含まれている。
代替的に、フォトニック結晶は、フォトニック結晶が層列の外層に配置されるように、利得媒体とは別に配置され得る。
少なくとも１つの実施形態では、利得媒体は１つ以上のクラッドを有する。１つ以上のクラッドは、量子ウェルがトンネル接合部から離間されるように、層列に配置される。
少なくとも１つの実施形態では、量子ウェルとトンネル接合部との間の距離は、それぞれ、利得媒体から基本モードを結合可能であるように調整される。
少なくとも１つの実施形態では、１つ以上のクラッドは、それぞれ複数の単一のモードを利得媒体から結合し、単一のモードをエネルギー伝達によって結合することができるように、量子ウェルとトンネル接合部との間の距離が調整されるように、距離で調整される。
少なくとも１つの実施形態においては、フォトニック結晶は、クラッドを含む。
少なくとも１つの実施形態では、誘電体層は第１の誘電体材料を含む。誘電体層は、第２の誘電体材料及び／または電磁波の領域で透明な導電性材料をさらに含む。
少なくとも１つの実施形態では、導電層は、第１の導電性材料、第２の導電性材料、及び／または電磁波の領域において透明である誘電体材料を含む。
さらに、導電層と誘電体層とを適切な材料選択によって組み合わせることができる。したがって、例えば、部分的に誘電性の層及び部分的に導電層を設けることができる。
少なくとも１つの実施形態では、フォトニック結晶のフォトニック結晶構造体は、第１の誘電体材料を含み、第２の誘電体材料及び／または透明導電性材料に完全に埋め込まれている。フォトニック結晶のフォトニック結晶構造体は、量子ウェルに面した側の第２の誘電体材料及び／または透明導電性材料に、少なくとも部分的に埋め込まれていなくてよい。
少なくとも１つの実施形態では、フォトニック結晶のフォトニック結晶構造体は、利得媒体と直接的に接触している。
少なくとも１つの実施形態では、フォトニック結晶は、導電性材料を有しない層に構造化される。
少なくとも１つの実施形態では、レーザは、本明細書に記載されている概念による光電子構成要素の１つ以上を含む。さらに、ポンプ源が設けられており、利得媒体により振起放出を励起するように構成されている。
少なくとも１つの実施形態では、光電子構成要素を製造する方法は、以下のステップを含む。まず、フォトニック結晶と利得媒体をスタック状に配置する。スタックは、電磁波の放出される領域において透明な基板にさらに配置される。利得媒体は、少なくとも２つの量子ウェルと少なくとも１つのトンネル接合部とを、層列において含む。利得媒体は、電磁波を放出するように構成されている。最終的に、フォトニック結晶は利得媒体に電磁で結合する。
少なくとも１つの実施形態では、光電子構成要素を製造する方法は、以下のステップを含む。まず、フォトニック結晶と利得媒体をスタック状に配置する。スタックは、電磁波の放出される領域において透明な基板に配置される。利得媒体は、少なくとも１つの量子ウェルを含み、電磁波を放出するように構成されている。フォトニック結晶は誘電体層に構造化され、利得媒体と電磁結合する。
光電子構成要素または光電子構成要素を製造する方法のさらなる実施形態、及びさらなる発展は、図１～図１１に関連して以下に説明される例示的な実施形態から明らかになる。図面において、同一、類似、または同一に作用する回路のパーツには、同じ参照符号が付されている。
図１は、光電子構成要素を示す。この例及び以下の例では、光電子構成要素は、フォトニック結晶１及び利得媒体３を含むスタックを含む。
フォトニック結晶１は、例えば半導体材料、例えばヒ化ガリウム、ＧａＡｓ、窒化ガリウム、ＧａＮ、またはリン化インジウム、ＩｎＰの薄層からなり、これは放出すべき電磁波に対して透過性であり、すなわち吸収しないかまたは吸収がわずかである。放出されるべき電磁波は、例えば、電磁スペクトルの赤外線、ＩＲ、紫外線、ＵＶ、または可視光線、ＶＩＳの一部である。フォトニック結晶１は、周期的な屈折率構造であり、電磁波を誘導、フィルタリング、及び／または波長選択的に、例えば回折及び干渉などの光学的過程により反射させることができるフォトニック構造体１１を含む。周期的なフォトニック構造体は、例えば、光電子構成要素から放射され得る電磁波の放射方向、波長及び発散を決定または規定する。
フォトニック結晶構造体１１は、所定の方向または領域に延在するフォトニック結晶構造体を形成するように、パターン（例えば、正方形または三角形のパターン）で配置された１次元または２次元配列の構造要素１２を備える。構造要素は、空気孔または誘電性材料を含むことができる。２次元フォトニック結晶構造体としては、いわばラテラルキャビティとして機能する。例えば、フォトニック構造体は、構造要素同士の距離（ピッチ）、またはそれらの充填率及び他のパラメータによって特徴付けられる。図示されていないのは、１つの平面へのフォトニック結晶の拡張であり、結果として周期的フォトニック構造体の２次元分布となる。原則的に、フォトニック結晶は１つの方向に沿って延在することができ、これによって周期的なフォトニック構造体の１次元分布となる。
利得媒体３は、量子ウェル３０、トンネル接合部３１、及びクラッド３２の層列を含む。量子ウェルは活性媒体であり、適切に励起されたときに、振起放出によって電磁波を放出するように構成されている。利得媒体は、２つの外側クラッドによって画定されている。この例では、フォトニック結晶は、利得媒体のための第１の外側クラッドである。第２の外側クラッド３３は、スタックが配置されている基板５から利得媒体を画定する。基板は電磁放射線の領域に対して透過的である。第１の外側クラッドと第２の外側クラッドとは、利得媒体のクラッド３２とは異なる層の厚さを有することができる。利得媒体のスタックは、第１及び第２の外側クラッドによって画定される共通の導波路を形成する。この例では、利得媒体のクラッド３２は、等しい層の厚さを有する。例えば、層の厚さは、１００ｎｍ～５００ｎｍの範囲にある。クラッドはドープされた半導体を含み、例えばｎドープまたはｐドープである。
スタックは、複数の量子ウェルを含み、この例では３つであるが、少なくとも２つの量子ウェルを含む。この構造は、多重量子ウェルと呼ばれる。第１の量子ウェルは、フォトニック結晶にフォトニック結合されている。この例では、フォトニック結晶は、第１の量子ウェルに配置されている。「フォトニック結合」という用語は、光電子結晶が動作（例えばレーザ）しているときに、フォトニック結晶と量子ウェルとの間にエバネッセント場を形成させる、この空間的近接性を指す。これについては以下でより詳しく説明する。
この層列では、第１の量子ウェルの後にさらなるクラッド３２が続き、その後に第１のトンネル接合部３１及び別のクラッド３２が続く。この配列は、さらなるクラッド３２を有する第２の量子ウェル３０に対して繰り返され、続いて、第２のトンネル接合部３１及びさらなるクラッド３２が続く。このクラッドに続いて第３の量子ウェル３０が設けられており、これは、ある意味では、基板５の方向でスタックを終了させる。第３の量子ウェル３０は、第２の外側クラッド３３に配置されている。
トンネル接合部３１は、例えば、ｐｎ接合を表す。したがって、ｎドープ領域及びｐドープ領域の有利なシーケンスを、層列によって調整することができる。この例では、それぞれの量子ウェル、クラッド及びトンネル接合部のシーケンスによって、量子ウェル１つあたり１つの基本モードのみが適切な励起によって確立されることが保証される。複数の量子ウェル（多重量子ウェル）を配置することにより、重ね合わせによって「超」基本モードが確立され、これは量子ウェルの層の厚さ及び相対的な位置によって決定される。このためには１μｍ未満の層の厚さが本目的に有利であることが判明しており、層の厚さは、それぞれの量子ウェル、クラッド及びトンネル接合部のシーケンスを表す。このようにして、量子ウェルは互いに非常に近接しているので、量子ウェルは互いに光子で結合され、「極」基本モードが確立される。スタックにおけるトンネル接合部の位置は、基本モードがノードなどを有していないため、あまり重要でないことが判明している。したがって、基本モードに対応するエバネッセント場の中で、フォトニック結晶構造体をフォトニック結晶層の下の薄い活性層（量子ウェル）に結合させることにより、振起放出によるレーザ利得を実現することができる。
基板は、２つの対向する表面を含む。一方の表面５１には、外側クラッド３３が設けられているので、層列は、基板に配置されている。対向面５２には、任意選択的に反射コーティング５３が設けられている。この反射コーティングは、例えば、（金属）反射器またはブラッグミラーを含む。反射コーティングはまた、表面５１に設けられてもよい。反射コーティングは、それが共振器の構成要素ではないことから、あるいは、基板における高い反射率がレーザ活性のために必ずしも必要とされないことから任意選択である。
光電子構成要素は、レーザの一部として動作させ得る。適切なポンプ源は、電気的または光学的であり、利得媒体に振起放出を生じさせる。例えば、活性領域、すなわち量子ウェルをポンピングするための電流が、金属電極を介して、光電子構成要素の上面及び下面に、例えばフォトニック結晶及び基板の反対側の表面５２に印加される。電極は図示されていない。この例では、レーザ発光は、フォトニック結晶が配置された上面（矢印で示す）を介して発生する。例えば、電極は、放出面のごく一部、例えば１０μｍ～１００μｍ程度の寸法を有する矩形の領域のみを覆う。中央から矩形の領域が取り除かれた上部電極を使用することも可能である。これにより、フォトニック結晶モードのポンピングがその外側領域において生じるのに対し、出力結合は中央領域において可能である。
モードのエバネッセント場の中で、フォトニック結晶１のフォトニック結晶構造体１１を、フォトニック結晶層１１の下の活性層（利得層）としての利得媒体の量子ウェル３０に結合することによって、振起放出によるレーザ利得を実現する。ここで、クラッドは、量子ウェルとトンネル接合部との間の距離をそれぞれ調整し、利得媒体から基本モードを結合できるようにする。活性領域は、活性領域に閉じ込められた電荷キャリアを維持するために、層列においてフォトニック構造体から分離されるが、クラッド３２及びトンネル接合部３１のシーケンスによって、フォトニックで結合される。
ドープされた半導体（外側クラッド３３及びフォトニック結晶１）の光学的に透明で、導電性のクラッド層は、スタックの上方及び下方に位置している。したがって、それぞれの量子ウェル、クラッド及びトンネル接合部のシーケンスによって、量子ウェル１つあたり１つの基本モードが確立される。複数の量子ウェル（多重量子ウェル）を配置することにより、重ね合わせによって「超」基本モードが確立され、これは量子ウェルの層の厚さ及び相対的な位置によって決定される。層列の一方の側の反射コーティング５３、例えばブラッグ反射器（ブラッグミラー）により、より効率的な電力抽出を達成することができる。
導波路を結合することにより、回折で制限されたビームコリメーションのみで、高出力密度の大面積のレーザを生成できる。さらに、光電子構成要素は、超導波管内部に配置できる。トンネル接合部により、個々の量子ウェルをわずかな空間距離でコヒーレントに結合することができる。この概念では、１つのフォトニック結晶層しか必要とされないため、ナノ構造化は量子ウェル及びトンネル接合部の堆積後にのみ行うことができ、そのためデバイスの最も高感度な層に追加の欠陥が生じないため、作製がさらに容易になる。
図２は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、前の例に基づいており、図１と比較して以下の特徴でのみ変更されている。
今は、反射コーティング５３は、フォトニック結晶の外面１２に配置されている。この反射コーティングは、例えば（金属）反射器またはブラッグミラーを含み、それが共振器の構成要素ではないので任意選択であるか、または高い反射率がレーザ活性に必ず必要とされるわけではない。基板５の方向でのレーザ光の結合を補助するために、反射防止コーティング５４を基板の表面５２に適用し得る。この例では、レーザ発光は、構成要素の底面に沿って（矢印で示す）、すなわち基板５の方向に生じる。
図３は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素はまた、図１の例をさらに発展させたものであり、以下の特徴でのみ変更されている。
利得媒体３は、図１に記載されているのとは異なる層列を含む。この層列では、第１の量子ウェルに最初にクラッド３２が続き、次にトンネル接合部３１が続く。これに、さらなるクラッド３２が続いている。このクラッドに第２の量子ウェル３０が続いており、これは、ある意味では、基板５の方向で層列を終了する。この例では、第３の量子ウェルは設けられていない。その代わりに、第２の量子ウェルは外側クラッド３３によって終端されている。フォトニック結晶１は、別の外側クラッドを表す。
図１とは異なり、クラッド３２はそれぞれ、トンネル接合部３１または量子ウェル３０とは異なる層の厚さを有している。クラッド３２の層の厚さは、量子ウェルとトンネル接合部との間の距離が調整され、利得媒体からいくつかの単一モードが結合され得るように選択される。選択された距離に起因して、単一のモードがエネルギーの移動によって結合される。
モードのエバネッセント場の中で、フォトニック結晶１のフォトニック結晶構造体１１を、フォトニック結晶層１１の下の活性層（利得層）としての利得媒体の量子ウェル３０に結合することによって、振起放出によるレーザ利得を実現する。ここで、クラッドは、それぞれ利得媒体が２つの導波路に分割されて、それぞれが単一のモードを形成するように、量子ウェルとトンネル接合部との間の距離を調整する。活性領域は、活性領域に閉じ込められた電荷キャリアを維持するために、層列においてフォトニック構造体から分離されるが、クラッド３２及びトンネル接合部３１のシーケンスによって、フォトニックでそれに結合される。ドープされた半導体（外側クラッド３３及びフォトニック結晶１）の光学的に透明で、導電性のクラッド層は、層列の上方及び下方に位置している。
したがって、量子ウェル、クラッド、及びトンネル接合部のシーケンスによって、量子ウェルまたは導波管ごとに１つのシングルモードが生じる。量子ウェル（多重量子ウェル）、トンネル接合部及びクラッドの層の厚さを選択することによって、導波路がコヒーレントに結合されることを達成することができる。単一モードの確立は、結合によって重なり合い、エネルギーを交換する。これにより、レーザ光を中央フォトニック結晶から結合させることができる。
図４は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、前の例に基づいており、図３と比較して以下の特徴でのみ変更されている。
今は、反射コーティング５３は、フォトニック結晶の外面１２に配置されている。この反射コーティングは、例えば（金属）反射器またはブラッグミラーを含み、それが共振器の構成要素ではないので任意選択であるか、または高い反射率がレーザ活性に必ず必要とされるわけではない。基板５の方向でのレーザ光の結合を補助するために、反射防止コーティング５４を基板の表面５２に適用し得る。この例では、レーザ発光は、構成要素の底面に沿って（矢印で示す）、基板５の方向に生じる。
図５は、光電子構成要素の別の例を示す。この例では、フォトニック結晶は、層列に配置されている。
さらなる実施形態では、フォトニック結晶はまた、導波路間に、例えばトンネル接合部の内部または中間クラッド３２の内部に配置されてもよい。薄い、低損失のトンネル接合部が有利であり得る。フォトニック結晶構造体はまた、基板側に配置することもできる。フォトニック結晶の構造（ピッチ、フィルファクタなど）によって、放出方向、波長及び発散が決定される、または定められる。
ＰＣＳＥＬの高いコリメーションの質に基づき、基板を介して結合が行われる場合であっても、ビームの大幅な拡幅は生じない。すなわち、光電子構成要素自体は、その光学特性において、いくらか「厚い」基板（例えば＞１００μｍ）においてて大きな影響を受けず、それゆえ、従来提案されてきたものよりも著しく厚い基板を有する構成要素を作製することができる。質の良いフォトニック結晶構造体を用いてこのアプローチを実現するために、フォトニック結晶を半導体材料の内部に直接埋め込むことなく、誘電体層に構造化することができる。この付加的に挿入された層は、利得媒体の活性領域、すなわち量子ウェルの近くに配置することができる。誘電体におけるこの種の構造化により、半導体における欠陥を回避することができる。
図６は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、フォトニック結晶１及び利得媒体３を含むスタックを含む。利得媒体は、活性媒体として電磁波を放出するように構成された量子ウェル３０を含む。
利得媒体は、透明基板５に配置される。基板は、半導体材料、例えばヒ化ガリウム、ＧａＡｓ、窒化ガリウム、ＧａＮ、またはリン化インジウム、ＩｎＰを含んでおり、これは、放出される電磁波に対して透過性であり、すなわち吸収しないか、または吸収がわずかである。放出されるべき電磁波は、例えば、電磁スペクトルの赤外線、ＩＲ、紫外線、ＵＶ、または可視光線、ＶＩＳの一部にある。
基板５の方向へのレーザ光の結合を補助するために、基板の表面５２に反射防止コーティング５４が適用されている。さらに、表面５２には、電極５３、例えばｎコンタクトが配置されている。この例では、レーザ発光は、底面（矢印で示す）に沿って発生する。電極は、表面５３のごくわずかな部分、例えば、１０μｍ～１００μｍ程度の寸法を有する矩形の領域のみを覆うように構成されている。中央から矩形の領域が取り除かれた電極を使用することも可能である。これにより、フォトニック結晶モードのポンピングがその外側領域において生じるのに対し、出力結合は中央領域において可能である。
表面５２とは反対側の基板の別の表面５１には、利得媒体が層列と共に配置される。層列は、量子ウェル３０を取り囲む、異なってドーピングされた半導体を含む。この例では、ｎドープされたＧａＮの第１の半導体層３４が表面５１に配置されており、これに量子ウェル３０が続いている。ｐドープされたＧａＮの第２の半導体層３４は、順次、量子ウェルに配置されている。
利得媒体、特に層列の実施形態は、図１～図５の実施形態によって置き換えまたは拡張することが可能であり、この場合、半導体層３４は、クラッドによって置き換えまたは補完することが可能である。このようにして、図１～図５の実施形態を図６～図１０の実施形態に置き換えまたは補完することができる。
フォトニック結晶１は、誘電体層１４に構造化され、利得媒体に電磁で結合される。この点に関して、誘電体層１４は、第１の誘電体材料、この例ではＩＴＯを含む第１の層１５を含む。フォトニック構造体１１は、第１の誘電体材料も含む第２の層１６に構造化されている。構造要素１３は、第２の誘電体材料を含む。誘電体層１４はさらに、利得媒体に接触する第３の層１７を含む。
誘電体層１４は、別の誘電体材料及び／または酸化インジウムスズ（短くすると、ＩＴＯ）などの透明導電性材料と組み合わせた誘電体材料を含む。良好な光学特性と同時に高い熱伝導率を備えた材料は、誘電体材料として特に適しているが、熱の特性がそれほど良好ではない他の誘電体材料もまた原理上適している、ただし他の欠点がある可能性もある。ＩＴＯは、ＴＣＯと混合することができ、ここで、ＴＣＯは、透明な導電性酸化物を指す。適切な材料は、例えば以下のものである：
ＩＴＯ／ＣａＦ ｎ＿ＴＣＯ＞ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＳｉＯ ｎ＿ＴＣＯ＞ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＭｇＦ ｎ＿ＴＣＯ＞ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＴｉＯ ｎ＿ＴＣＯ＜ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＴａＯ ｎ＿ＴＣＯ＜ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＣａＦ ｎ＿ＴＣＯ＞ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＳｉＯ ｎ＿ＴＣＯ＞ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＭｇＦ ｎ＿ＴＣＯ＞ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＴｉＯ ｎ＿ＴＣＯ＜ｎ＿誘電体
ＩＴＯ／ＴａＯ ｎ＿ＴＣＯ＜ｎ＿誘電体
例えば、以下に示す屈折率を使用することができる。
さらに、フォトニック結晶に第２の電極１８、例えばｐコンタクトを配置する。電極は、例えば、電磁放射線を放射するために反射性の材料を含む（例えばＡｕまたはＡｌ）。任意選択で、電極を、電流開口を設けるため開口１９という形態で構成された絶縁体に含ませることができる。
２つの電極によって、光電子構成要素を励起し、電磁波をレーザ放射として振起放出及び放射することができる。ここで提案されている構造では、誘電体材料で作製されるフォトニック構造体を完全に透明導電性材料に埋め込んでフォトニック結晶を形成する。ｐ－ＧａＮ及び直接的に隣接する閉じたＩＴＯ層の層の厚さは、好ましくは、量子ウェルからのフォトニック結晶の小さな間隔（＜３００ｎｍ、好ましくは＜１００ｎｍ～約５０ｎｍ）を保証するために非常に薄い。代替の疑念と比較されるこのアプローチの利点は、利得媒体において半導体材料の比較的薄い層しか必要とされないことである。その結果、対応するエピタキシャルのプロセスにかかる時間が大幅に短くなり、そのため、比較的単純なアーキテクチャを有する低コストの構成要素が有効になる。
図７は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は図６の例に対応するが、この実施形態では、フォトニック構造体の他に開口２０が設けられている。開口を、フォトニック結晶と直接同じ材料系及び／または金属などの別の材料から直接作製することができる。例えば、開口は誘電体層（例えば層１６、１７）を画定する。開口は、ビームの広がりまたは発散などのレーザの特性に有利に影響を及ぼすために使用することができる。
図８は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、図６の例に対応するが、誘電体層１４は第１の層１５及び第２の層１６のみを含み、第３の層１７は含まないことが異なる。その代わりに、利得媒体への接触は、第２の層１６によって直接的に確立される。したがって、このセットアップでは、ｐ－ＧａＮとフォトニック結晶との間に閉じた誘電体層、例えばＩＴＯ層を設けないことにより、フォトニック構造体と量子ウェルとの間の距離がさらに短くなる。ここでは、活性ゾーンへの良好な電荷輸送を依然として行えることが重要である。この場合も、開口１９は、フォトニック結晶に構造化することができる。
図９は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、図８をさらに発展させたもので、フォトニック結晶が、導電性材料を含まない誘電体層１４の中に構造化されている、という違いを有する。例えば、誘電体層は、異なる屈折率を有する２つの誘電体材料を含む。それにもかかわらず、良好な接触を保証するために、中間層３５が、フォトニック結晶１と利得媒体３との間の非常に良好な横方向の導電性（例えばｐ＋＋ＧａＮ）を有する層列に挿入されている。
さらに、フォトニック結晶に第２の電極１８、例えばｐコンタクトを配置する。誘電体層１４は、電極に埋め込まれる。電極は、放射される電磁放射に対して反射する材料（例えばＡｕまたはＡｌ）を含む。任意選択で、電極を、電流開口を設けるため（電流）開口１９という形態で構成された絶縁体に含ませることができる。さらに、基板５はまた、表面５２の（電流）開口１９、電極５５、例えばｎコンタクト及び反射防止コーティング５４を有することもできる。
図１０は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、図９の例示的な実施形態をさらに発展させたものである。このセットアップにおいて、フォトニック結晶は、導電性材料（例えばＴＣＯ）と誘電体との組み合わせによって構成され、例えば、導電性材料が２つの異なるＴＣＯ材料からなるか、またはＴＣＯが２つの異なる方法によって堆積される。まず、ＴＣＯ１膜２１を例えばＡＬＤによって堆積し、フォトニック結晶のＧａＮｐ＋＋に接する深さに、該ＴＣＯ１膜２１を堆積する。次のステップでは、平坦なＴＣＯ２膜２２が堆積され、これは、フォトニック結晶を平坦に封止するが、フォトニック結晶を埋め込まない。したがって、ｐコンタクトは、ＴＣＯ２及びＴＣＯ１からｐ－ＧａＮを介して実現される。
結果、誘電体層１４は、構造要素１３が埋め込まれた第１の層１５を含む。誘電体層１５及び構成要素は、誘電膜２１で覆われている。フィルム２２は、フィルム２１に平面状のシールを形成する。
光電子構成要素は、さらに発展することができる。例えば、シリコンなどの形状保持層の成形によりフォトニック結晶構造体を加工する。シリコンは、このプロセスで構造化される。その後、誘電体が堆積し、これがシリコンのモールドを形成する。その後、シリコンを再び除去する（しかしながら、波長／その波長でのＳｉの吸収に応じて、シリコンが残る場合がある）。さらなるプロセスを、図１０に記載されているように行うことができる。一般に、誘電体の代わりに、例えば高屈折率のａ－Ｓｉを使用することができる。薄い層のため、Ｓｉにおける吸収は、例えば４５０ｎｍであっても許容可能である（例えば、４５０ｎｍで、１００ｎｍの厚さで透過率８０％）。しかしながら、Ｓｉはフォトニック結晶の一部しか占めないので、透過率はひと際高い（フィルファクタ）。ａ－Ｓｉは、他の誘電体に比べて、例えば非常に正確に構造化することができるという利点がある。
ここに提示した概念はＧａＮベースのＰＣ－ＶＣＳＥＬに適しているが、ＧａＡｓベース及びＩｎＰベースのシステムにも適用可能である。特に、この場合には利点が非常に明確になる。原則的に、ミラーはまた、基板側で使用することができる。この例示的実施形態は、上面を介してレーザ発光を結合するように構成されていてもよく、この目的で、例えば以下のメタライゼーションが適合される。
ＳｉＯ ｎ＝１．４６５
ＳｉＮ ｎ＝２．０５５
ＴａＯ ｎ～２．１６
ＴｉＯ ｎ～２．８
ＮｂＯ ｎ～２．４４５
ＨｆＯ ｎ～１．９１
ＣａＦ ｎ＝１．４３８
ＭｇＦ２ ｎ＝１．３８
ＡｌＯ ｎ～１．７７
ＡｌＮ ｎ～２．２
ＩＴＯ ｎ～１．９（ＴＣＯ材料に応じて）
ＧａＮ ｎ～２．４６
ＳｉＯ ｎ＝１．４６５
ＳｉＮ ｎ＝２．０５５
ＴａＯ ｎ～２．１６
ＴｉＯ ｎ～２．８
ＮｂＯ ｎ～２．４４５
ＨｆＯ ｎ～１．９１
ＣａＦ ｎ＝１．４３８
ＭｇＦ２ ｎ＝１．３８
ＡｌＯ ｎ～１．７７
ＡｌＮ ｎ～２．２
ＩＴＯ ｎ～１．９（ＴＣＯ材料に応じて）
ＧａＮ ｎ～２．４６
ここで、ＩＴＯという用語が、さまざまなＴＣＯ（透明導電性酸化物）材料を表すために使用されており、ＩＴＯはその中の１つである。
図１１は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素は、フォトニック結晶及び利得媒体を含むスタックを含む。利得媒体は、電磁波を放出するように構成された活性媒体である量子ウェル３０を含む。
利得媒体は、透明基板５に配置される。基板は、半導体材料、例えばヒ化ガリウム、ＧａＡｓ、窒化ガリウム、ＧａＮ、またはリン化インジウム、ＩｎＰを含んでおり、これは、放出される電磁波に対して透過性であり、すなわち吸収しないか、または吸収がわずかである。放出されるべき電磁波は、例えば、電磁スペクトルの赤外線、ＩＲ、紫外線、ＵＶ、または可視光線、ＶＩＳの一部である。利得媒体は、２つの半導体層３４を含む。例えば、第１の半導体層はｐドープであり、第２の半導体層はｎドープである。この例では、第２の半導体層は、利得媒体に面しており、ｎドープ（例えば、ｎＧａＮ）されており、第１の半導体層は、導電層２１に面しており、ｐドープ（例えば、ｐＧａＮ）されている。
この実施形態及び以下の実施形態の利得媒体の設計、特に層列は、図１～図１０の実施形態によって置き換えまたは拡張することが可能であり、この場合、半導体層３４は、例えばクラッドによって置き換えまたは補完することが可能である。このようにして、図示された例示的な実施形態を置き換えるかまたは補足することができる。
フォトニック結晶は、導電層２１に構造化され、利得媒体に電磁で結合される。これに関して、導電層２１は、第１の導電性材料を含む第１の層２２を含む。これは、ＴＣＯになり得、「ＴＣＯ」は、透明な導電性酸化物を指す。この例では、第１の導電性材料はＩＴＯである。第１の層２２は、光電子構成要素を横方向に封止するために用いられる。フォトニック構造体は、第１の導電性材料も含む第２の層２３に構造化される。フォトニック構造体は、構造要素２５（ボイド）によって形成される。構造要素は、右側の図に拡大して示されており、例えば光電子構成要素の同様の発光波長、例えば約３００ｎｍである。第２の層２３ひいては構造要素２５の構造化は、例えば縁取りプロセスによって行われる。導電層２１はさらに、利得媒体３に接触する第３の層２４を含む。この例では、第３の導電層２４は、利得媒体の表面に平面状に配置される。
導電層２１または層２２、２３、２４はそれぞれ、異なる堆積法、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）、スパッタリング法またはセッティングによって製造することができる。過度に成長したまたは過度にスパッタリングされたボイド２５の変形例は、エッチングされた構造が、最後に必要とされるものよりも最初は大きくてよい（スパッタリングの間に部分的に過度に成長するため）という付加的な利点を有する。これにより、構造化プロセス及び解像度に関して、より多くの自由度またはさらなる選択肢が得られる。特に、反射防止コーティング（ＡＲ）は、閉構造に適用することができる。
図１２は、光電子構成要素の別の例を示す。光電子構成要素、特に図１１の導電層２１は、エッチング及びマスキングによって構造化することができる。このプロセスでは、異なる深さの構造要素２５を製造することができる。
左側の図は、それぞれエッチングステップが続く２つのリソグラフィステップの組み合わせによって達成することができる構造化を示している。これに代えて、１回のグレーリソグラフィステップ及び１回のエッチングステップを実施でき、これにより部分格子間の良好な位置合わせが可能となる。択一的に、異なる深さの構造２６、２７を第２の層２３に導入することができる。次いで、これらの構造は、第２の層２３を単独で、及び／または第１の層２２と一緒に堆積させて、構造要素２５を形成することによって、形成することができる。右側の図面には、その後に形成される構造要素が示されている。導電性材料、例えばＩＴＯは、スパッタリングによって適用され、構造２６、２７をカプセル化することができる。さらに、第１の層２２をこのステップで被着し、最終的に平坦化することもできる。
図１３は、光電子構成要素のさらなる例を示す。左側の図には、図１１による光電子構成要素が示されており、付加的に電気コンタクトが示されている。基板の表面５２には、電極５３、例えばｎコンタクトが配置されている。選択的に、レーザ光の結合を補助するために、表面５２に反射防止コーティングを設けることができる。
この例では、レーザの放出は、底面５２に沿って生じている。電極は、表面５２のごくわずかな部分、例えば、１０μｍ～１００μｍ程度の寸法を有する矩形の領域のみを覆うように構成されている。中央から矩形の領域が取り除かれた電極を使用することも可能である。これにより、フォトニック結晶モードのポンピングがその外側領域において生じるのに対し、出力結合は中央領域において可能である。
さらに、フォトニック結晶に第２の電極１８、例えばｐコンタクトを配置する。電極は、例えば、電磁放射線を放射するために反射性の材料を含む（例えばＡｕまたはＡｌ）。第２の電極１８は、裏面からの接触が可能である。任意選択で、第１及び第２の電極を、電流開口を設けるため開口１９という形態で構成された絶縁体に含ませることができる。
図の右側には、第２の電極１８の択一的な配置が示されている。基板の表面５２の代わりに、電極は、半導体層３４に、かつ利得媒体に隣接して、例えば利得媒体に面した第２のｎドープ半導体層に配置される。したがって、第２の電極１８は、表側からの接触を可能にする。
２つの電極によって、光電子構成要素を励起し、電磁波をレーザ放射線として振起放出及び放射することができる。ここで提案している設定では、導電性材料から作製されるフォトニック構造体が完全に透明導電性材料に埋め込まれており、かようにしてフォトニック結晶が形成される。電極は、第１の電極の開口１９によって基板側に放出が発生するように構成されている。
図１４には、光電子構成要素のさらなる例が示されている。図の左側には、図１２による光電子構成要素（左）が示されており、反射器２６、特にｅｐｉ－ＤＢＲ反射器が付加的に基板に配置されている。電極は、第１の電極の開口１９によって上側で放出が生じるように構成されている。
図１５は、光電子構成要素の別の例を示す。この構成要素は、図１１に示した構成要素に対応するが、導電層２１は開口されており、すなわち、光電子構成要素を横方向に封止するために第１の層２１は設けられていない。構造２６、２７は、封入されずに残り、したがって光電子構成要素の構造要素を形成する。電流の分布は、導電層２１の横方向に、例えばＩＴＯの中間リッジに形成可能である。
図１６は、光電子構成要素のさらなる例を示す。これらの構成要素は、図１５に示したものに対応し、反射器、特にｅｐｉ－ＤＢＲ反射器は、基板に付加的に配置されている。
本特許出願は、ドイツ特許出願第１０２０２１１１３５９８．２号及び第１０２０２１１２８１２４．５号の優先権を主張するものであり、この開示内容を参照により本明細書に援用する。
本発明は、例示的な実施形態に基づく説明によりそれに限定されるものではない。むしろ、特に特許請求の範囲の特徴の任意の組み合わせを含む任意の新しい特徴及び特徴の任意の組み合わせは、この特徴または組み合わせ自体が特許請求の範囲または例示的な実施形態に明示的に記載されていなくても、本発明に含まれる。
１ フォトニック結晶
３ 利得媒体
５ 基板
１１ フォトニック構造体
１２ フォトニック結晶の表面
１３ 構造要素
１４ 誘電体層
１５ 第１の層
１６ 第２の層
１７ 第３の層
１８ 電極
１９ （電流）開口
２０ 開口
２１ 導電層
２２ 第１の層
２３ 第２の層
２４ 第３の層
２５ 構造要素
２６ 反射器
３０ 量子ウェル
３１ トンネル接合部
３２ クラッド
３３ 外側クラッド
３４ 半導体層
３５ 中間層
５１ 表面
５２ 表面
５３ 反射コーティング
５４ 反射防止コーティング
５５ 電極
３ 利得媒体
５ 基板
１１ フォトニック構造体
１２ フォトニック結晶の表面
１３ 構造要素
１４ 誘電体層
１５ 第１の層
１６ 第２の層
１７ 第３の層
１８ 電極
１９ （電流）開口
２０ 開口
２１ 導電層
２２ 第１の層
２３ 第２の層
２４ 第３の層
２５ 構造要素
２６ 反射器
３０ 量子ウェル
３１ トンネル接合部
３２ クラッド
３３ 外側クラッド
３４ 半導体層
３５ 中間層
５１ 表面
５２ 表面
５３ 反射コーティング
５４ 反射防止コーティング
５５ 電極
Claims (16)
- フォトニック結晶（１）及び利得媒体（３）を含むスタックを含む光電子構成要素であって、
－前記利得媒体が、少なくとも２つの量子ウェル（３０）及び少なくとも１つのトンネル接合部（３１）の層列を含み、電磁波を放出するように構成されており、
－前記フォトニック結晶（１）が前記利得媒体に電磁で結合され、
－前記スタックが基板（５）に配置される、前記光電子構成要素。 - フォトニック結晶（１）及び利得媒体（３）を含むスタックを含む光電子構成要素であって、
－前記利得媒体は、少なくとも１つの量子ウェル（３０）を含み、電磁波を放出するように構成され、
－前記フォトニック結晶（１）は、誘電体層（１４）に構造化され、前記利得媒体に電磁で結合され、
－前記スタックは基板（５）に配置される、前記光電子構成要素。 - フォトニック結晶（１）及び利得媒体（３）を含むスタックを含む光電子構成要素であって、
－利得媒体は、少なくとも１つの量子ウェル（３０）を含み、電磁波を放出するように構成され、
－前記フォトニック結晶（１）は、導電層（２１）に構造化され、前記利得媒体に電磁で結合され、
－前記スタックは基板（５）に配置される、前記光電子構成要素。 - －前記層列は、前記少なくとも２つの量子ウェル（３０）と前記少なくとも１つのトンネル接合部（３１）とを含み、
－フォトニック結晶（１）は、誘電体層（１４）に構造化される、請求項１に記載の光電子構成要素。 - 前記フォトニック結晶（１）は、前記フォトニック結晶が層列に配置されるように、前記利得媒体（３）に含まれている、請求項１から４のいずれか１項に記載の光電子構成要素。
- 前記フォトニック結晶（１）は、前記フォトニック結晶が層列の外層に配置されるように、前記利得媒体（３）とは別に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の光電子構成要素。
- －前記利得媒体（３）は、１つ以上のクラッド（３２）を有し、
－前記１つ以上のクラッドは、量子ウェル（３０）がトンネル接合部（３１）から離間されるように、層列に配置される、請求項１から６のいずれか１項に記載の光電子構成要素。 - 前記１つ以上のクラッド（３２）は、前記利得媒体（３）から基本モードを結合できるようにそれぞれ前記量子ウェル（３０）と前記トンネル接合部（３１）との間の距離を調整する、請求項７に記載の光電子構成要素。
- 前記１つ以上のクラッド（３２）は、それぞれ前記量子ウェル（３０）と前記トンネル接合部（３１）との間の距離を調整して、前記利得媒体（３）から複数の単一モードを結合できるようにし、前記単一モードをエネルギー伝達によって結合する、請求項７に記載の光電子構成要素。
- 前記フォトニック結晶（１）は、クラッド（３３）を含む、請求項７から９のいずれか１項に記載の光電子構成要素。
- 誘電体層（１４）は、
－第１の誘電体材料、
－第２の誘電体材料及び／または前記電磁波の領域において透明な導電性材料を備え、及び／または導電層（２１）は、
－第１の導電性材料、
－第２の導電性材料及び／または前記電磁波の領域で透明な誘電体材料を備える、請求項２から１０のいずれか１項に記載の光電子構成要素。 - 前記フォトニック結晶（１）のフォトニック結晶構造体（１１）は、前記第１の誘電体材料を含み、前記第２の誘電体材料及び／または透明導電性材料に完全に埋め込まれている、請求項１１に記載の光電子構成要素。
- 前記フォトニック結晶（１）の前記フォトニック結晶構造体（１１）は、量子ウェルに面する側の前記第２の誘電体材料及び／または透明導電性材料には少なくとも部分的に埋め込まれてはいない、請求項１２に記載の光電子構成要素。
- 前記フォトニック結晶（１）のフォトニック結晶構造体（１１）は、前記利得媒体（３）に直接接触している、請求項１２または１３に記載の光電子構成要素。
- 前記フォトニック結晶（１）は、導電性材料を含まない層に構造化されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の光電子構成要素。
- レーザであって、
－請求項１から１５のいずれか１項に記載の光電子構成要素のうちの１つ以上、及び
－前記利得媒体によって振起放出を励起するように構成されたポンプ源、を備える、前記レーザ。
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