(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光学モードを有する光キャビティ（１０）であって、
少なくとも１つの透過性を有する反射器（１２）と、
量子井戸（２１，２２）の第一の組（２０）と、
上記第一の組（２０）の上記量子井戸（２１，２２）の電気的注入手段（３１，３２，３３）とを備えている光キャビティ（１０）を備えており、
上記第一の組（２０）の上記量子井戸（２１，２２）は、
それらの電子的共鳴の少なくとも１つが、上記光キャビティ（１０）の光学モードとの強結合系であるように配置されているとともに、励起子−ポラリトン混在モードに従って光（２）を放射するように配置されており、
上記光キャビティ（１０）は、
上記電気的注入手段（３１，３２，３３）の直接的範囲の外側に配置されている量子井戸（４１，４２，４３，４４，４５）の第二の組（４０）を更に備え、
上記第二の組（４０）は、それらの電子的共鳴の少なくとも１つが、上記光キャビティ（１０）の上記励起子−ポラリトン混在モードとの強結合系中にあるように、上記第一の組（２０）の上記量子井戸（２１，２２）に関連して配置されている、
ことを特徴とする光（２）放射システム（１）。
【請求項２】
上記光（２）は、指向性を有する単色の光ビームの形態で放射される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム（１）。
【請求項３】
上記第一の組（２０）は、実質的に上記第二の組（４０）の量子井戸（４１，４２，４３，４４，４５）の数未満の数の量子井戸（２１，２２）を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のシステム（１）。
【請求項４】
上記第一の組（２０）および上記第二の組（４０）の上記量子井戸（２１，２２，４１，４２，４３，４４，４５）は、同一である、
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項５】
上記光キャビティ（１０）は、
上記光キャビティ（１０）の下端および上端にそれぞれ配置されている底部反射器（１１）および上部反射器（１２）
を備えており、
上記上部反射器（１２）は、上記システム（１）により放射される上記光（２）が上記上部反射器（１２）を通過するように透過性を有している、
ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項６】
上記光キャビティ（１０）の上記反射器（１１，１２）は、ブラッグ反射器である、
ことを特徴とする請求項５に記載のシステム（１）。
【請求項７】
上記光キャビティ（１０）は、Ｐ型ドープ領域（１３）およびＮ型ドープ領域（１５）を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項８】
上記光キャビティ（１０）は、それぞれＮ型およびＰ型にドープされた上記光キャビティ（１０）の領域（１３，１５）の間に配置されているドープされていないギャップ領域（１４）を含んでいる、
ことを特徴とする請求項７に記載のシステム（１）。
【請求項９】
上記第一の組（２０）の上記量子井戸（２１，２２）は、上記光キャビティ（１０）の上記ギャップ領域（１４）と上記Ｐ型ドープ領域（１５）との間に配置されている、
ことを特徴とする請求項８に記載のシステム（１）。
【請求項１０】
上記第二の組（４０）の上記量子井戸（４１，４２，４３，４４，４５）は、上記光キャビティ（１０）の上記Ｎ型ドープ領域（１３）と上記底部反射器（１１）との間に配置されている、
ことを特徴とする、請求項５または６に従属している請求項７から９の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項１１】
注入の上記手段（３１，３２，３３）は、電流供給源（３３）に接続された電気接点の対を少なくとも１つ（３１ａ，３２ａ）含んでいる、
ことを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項１２】
注入の上記手段（３１，３２，３３）の電気接点の１つの対（３１ａ，３２ａ）の接点（３１ａ）は、上記Ｎ型ドープ領域（１３）に固定され、他の接点（３２ａ）は、上記Ｐ型ドープ領域（１５）に固定されている、
ことを特徴とする、請求項７から１０の何れかに従属している請求項１１に記載のシステム（１）。
【請求項１３】
上記光キャビティ（１０）は、基板（３）に蒸着されている、
ことを特徴とする請求項１から１２の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項１４】
上記光キャビティ（１０）は、平面である、
ことを特徴とする請求項１から１３の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項１５】
上記光キャビティ（１０）は、上記システム（１）により放射された上記光（２）が上記光キャビティ（１０）の上記透過性を有する反射器（１２）に対して垂直であるように配置されている、
ことを特徴とする請求項１から１４の何れかに記載のシステム（１）。
【請求項１６】
上記第一の組（２０）および上記第二の組（４０）の上記量子井戸（２１，２２，４１，４２，４３，４４，４５）は、窒化ガリウム族から成る材料により構成されている、
ことを特徴とする請求項１から１５の何れかに記載のシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸の電気的注入を伴うポラリトンモードに従った光放射システムに関する。
【０００２】
本発明は、「ポラリトンレーザ」型の効果を得るために量子井戸構造を用いる半導体光源の分野に関する。
【０００３】
より具体的には、少なくとも１つの光学モードを有する光キャビティであって、少なくとも１つの透過性を有する反射器、量子井戸の第一の組、および当該第一の組のこれらの量子井戸の電気的注入手段を備えている光キャビティを備えている光放射システムに関する。上記第一の組の量子井戸は、それらの電子的共鳴の少なくとも１つが、上記光キャビティの光学モードとの強結合系中にあり、励起子−ポラリトン混在モードに従って光を放射するように配置されている。
【背景技術】
【０００４】
半導体レーザは、単色の強い光ビームを生成するために用いられる。それらは、ＰＮ接合中を循環している電流であって、光キャビティの一方の側を電子によって、他方の側を正孔によって満たすことができる電流を用いて励起される。そして、光ビームは、接合界面において正孔と電子との再結合により生成される。上記レーザの動作は、電子−正孔対の再結合による光の放射が、電子−正孔対の生成による吸収よりも大きい反転分布状態を実現することにより為される。この状態は、半導体レーザの動作閾値、つまり、接合中において循環している電流の最小密度を、上記レーザが動作するように部分的に決定する。これらのレーザにとっては、かなり高い放射閾値を有しているという点が不利益であり、この結果、熱によるエネルギーロスが発生し、場合によっては、レーザ効果を得ることが非常に困難になったり、むしろ出来なくなったりする。
【０００５】
上記ポラリトンレーザは、そのような閾値問題を克服することができる。これは、強結合系における平面マイクロキャビティに存在している励起子−光子タイプの準粒子である励起子−ポラリトンに関するボーズアインシュタイン凝縮の原理に基づくものである。この装置は、レーザの光に匹敵するほどの光ビームを放射するので、通常「レーザ」と呼ばれる。しかしながら、これは異なる動作原理、つまり、励起された光子の放射にではなく励起子−ポラリトンの凝縮に基づくものである。このように、従来のレーザにおける閾値に関与する反転分布状態は、本質的に従来のレーザを非常に低い閾値を有するレーザにするポラリトンレーザにおいては、満たされる必要はない。更に、これによりマイクロ回路へそれを集積化することができるようになり、携帯用デバイスのバッテリー寿命を延ばすことが可能になる。ポラリトンレーザの動作原理が、文献"Phys. Lett. A 214; 193頁、1996年"において初めて提案され、例えば、文献"Phys. Rev. Lett. 101, 146404 (2008年)"のように、それ以来、多くの論文において研究されている。
【０００６】
商業的に実行可能なポラリトンレーザを実現するために、これまでに為されていない、電気的に注入されたポラリトンレーザを製造する必要がある。そして、それは室温で動作することが好ましい。この第二の側面については、文献「Phys. Rev. Lett. 98, 126405 (2007年)」、「Phys. Rev. Lett. 101, 406409 (2008年)」、及び「Appl. Phys. Lett. 93, 051102 (2008年)」に記述されているように、ＧａＮ系の材料のような、室温にて安定した励起子を有する半導体が用いられる。
【０００７】
文献「Phys. Rev. Lett. 101, 406409 (2008年)」に記述されているように、光励起の下、ポラリトンレーザ効果が見られる体積材料により活性層が構成されているマイクロキャビティを実現できる。他の解決策により、本体構造のために得られた閾値に関して、原則として１０の倍数によって閾値を減少させることができる、量子井戸が構成された活性層を備えているマイクロキャビティを実現することができる。上記量子井戸は、空間におけるある方向に従って電子及び正孔の動きを閉じ込めることのできる平面構造であって、他の２つの方向においてそれらの動きを自由のままとすることのできる平面構造である。この閉じ込めは不連続であり、量子井戸が含まれている材料の本質的な特性だけではなく、エネルギーの値が量子井戸の次元にも従っているエネルギーバンドを生じさせる。量子井戸は、特に分子線または化学的蒸着を用いたエピタキシによって製造されてもよい。
【０００８】
励起子のような他の粒子も、同様の方法にて量子井戸により影響を受けてもよい。形状の選択及び量子井戸を含んでいる材料の選択により、電子、励起子、正孔及びその他のエネルギーレベルを定義することができる。これらの粒子は、エネルギーレベル間を移動し、その結果として特定のエネルギーを有する光子を放射し吸収する。
【０００９】
量子井戸ポラリトン構造は、欧州特許１７２９３８３号明細書及び欧州特許１８１３９８１号明細書に記述されている。後者において、放射システムは、第一ブラッグ反射器、量子井戸を包囲している２つの半導体層、及び最後に第二ブラッグ反射器が蒸着されている基板を備えている。この全体により、量子井戸が配置されている光マイクロキャビティが形成されている。そのように形成されたマイクロキャビティは、ポラリトンを空間的に配置してもよく、ポラリトンに対する不連続なエネルギーレベルを少なくとも３つ含んでいてもよい。
【００１０】
米国特許第５８７７５０９号明細書中において、他の構造が記述されている。この明細書において、光放射システムは、共鳴光マイクロキャビティ、単一の量子井戸、共鳴伝導の手段を含んでいる。上記光キャビティは、透過性を有するブラッグ反射器を１つ含んでいる２つのブラッグ反射器、Ｎ型ドープ及びＰ型にドープされた領域、及びドープされていないギャップ領域を含んでいる。上記量子井戸は、電子、励起子、正孔、及びポラリトンのエネルギーレベルを少なくとも１つ与えるように、上記光キャビティの内部に配置されている。ポラリトンのエネルギーレベルは、光子のエネルギーが励起子のエネルギーレベルのエネルギーに対して十分に近いときに得られる。多重量子井戸を有するマイクロキャビティに基づいた、ポラリトン状態を用いている光放射システムは、文献「Appl. Phys. Letters 92、061107、2008年」、「Phys. Rev. B 77、113303、2008年」、「Phys. Rev. Letters 100、136806、2008年」、及び「Nature 453、372頁、2008年」にて開示されているように、既に実現されている。
【００１１】
上記文献に記述されている構造により、発光ダイオードタイプの機能を実現することはできるにも関わらず、ポラリトンレーザ効果を得ることはできない。ポラリトンレーザ効果を得るために、上記ポラリトンモードにより互いに結合された、多重量子井戸を含んでいる構造を用いることが必要である。その結果、光と物質との結合が最大化され、ポラリトンのボーズアインシュタイン凝縮が促進される。そのようなポラリトンレーザ効果の主な追加が、光励起の下、１２個の量子井戸を含んでいる構造を有するＧａＡｓ系の材料を用いて得られ（文献「Science 316、1007、2007年」に掲載）、２６個の量子井戸を含んでいる構造を有するＣｄＴｅ系の材料を用いて得られ（文献「Nature 443、409、2006年」に掲載）、そして９３個の量子井戸を含んでいる構造を有するＧａＮ系の材料を用いて得られた（文献「Appl. Phys. Lett. 93、051102、2008年」に掲載）。しかしながら、井戸の数が多くなると、井戸を電気的に注入することが困難、若しくは不可能にさえなるという不利益を被る。
【００１２】
そして、量子井戸の電気的注入に伴い問題が生じる。実に、一方では、効率の良い均一の注入には、活性領域において少ない数の量子井戸が必要である。これは、電子が片側に到着し、正孔が反対側に到着するという事実により説明できる。結合するには後者が全ての量子井戸を通過しなければならないので、電子と正孔との間に多重量子井戸がある場合は、注入は更に困難になる。
【００１３】
その上、マーケティングのためには、室温にて動作するコンポーネントを実現することがとても好ましい。上述したように、最も先進的な解決策は、例えばＧａＮ族のようなギャップが広い半導体により実現された平面マイクロキャビティを用いることである。このタイプの構造においては、光励起の下で、ポラリトンレーザ効果が加えられた。更に、窒化ガリウムを用いることにより、半導体レーザの実現が分かりにくいままである波長帯において３５０ナノメートル程度の紫外光が放射される。
【００１４】
ＧａＮ族の材料を用いる場合、正孔の移動度が電子の移動度よりも非常に小さいので、電気的注入の均一性の問題は極めて重要である。典型的に、数ユニット以上の数の量子井戸を効率的に注入することは困難である。他方では、ポラリトンレーザは、上述のように、多くの量子井戸を含まなければならない。ＧａＮの量子井戸を有する構造において３００Ｋにおけるポラリトンレーザ効果が単独で加えられたのは、６７個の量子井戸を含んでいる構造に対してであった(文献「Appl. Phys. Lett. 93、051102、2008年」に掲載)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】欧州特許第１７２９３８３号明細書（公開日：２００６年１２月６日）
【特許文献２】欧州特許第１８１３９８１号明細書（公開日：２００７年８月１日）
【特許文献３】米国特許第５８７７５０９号明細書（公開日：１９９９年３月２日）
【特許文献４】米国特許出願公開２００７／００３６９７号明細書（公開日：２００７年１月４日）
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Phys. Lett. A 214、193、1996年
【非特許文献２】Phys. Rev. Lett. 101、146404、2008年
【非特許文献３】Phys. Rev. Lett. 98、126405、2007年
【非特許文献４】Phys. Rev. Lett. 101、406409、2008年
【非特許文献５】Appl. Phys. Lett. 93、051102、2008年
【非特許文献６】Appl. Phys. Letters 92、061107、2008年
【非特許文献７】Phys. Rev. B 77、113303、2008年
【非特許文献８】Phys. Rev. Letters 100、136806、2008年
【非特許文献９】Nature 453、372、2008年
【非特許文献１０】Science 316、1007、2007年
【非特許文献１１】Nature 443、409、2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
少数の井戸を必要とする電気的注入と、最大数の井戸を必要とするポラリトンレーザ効果との間におけるこの矛盾により、現在、半導体レーザ、および電気的励起ポラリトンレーザの実現に向けた光励起ポラリトンレーザに用いられている形状は使えなくなる。
【００１８】
このように、先行技術の解決策を用いても、量子井戸の電気的注入によるポラリトンモードに従った単色の強い光を放射するための効率の良いシステムを実現することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の目的は、ポラリトンレーザ効果を観測するために十分な数の量子井戸を光キャビティへ挿入すること、及びこの構造において効率良く電子的に励起できるある特定の配列を光キャビティに挿入することを提案することにより、この技術的な問題を克服することである。挿入された全量子井戸のうち、ごく一部分が電気的注入を行われるように配置されており、これらの井戸においては良い状態で注入が起こる。量子井戸の組の他の部分は、この電気的注入が直接的には行われないように配置されている。それにもかかわらず、全井戸が強結合系に関係しており、電気的に注入された井戸は、マイクロキャビティの拡張ポラリトンモードが存在することによって他の井戸と光学的に結合している。
【００２０】
そして、上記注入された量子井戸から、全量子井戸に関係するポラリトンモードの光子が放射される。これらの光子は、直接的に励起されていない量子井戸により吸収される。注入された井戸により光子を放射する工程、及び、他の井戸により吸収されるその後の工程は、強結合系においてとても速く、弱結合系におけるものよりも２桁短い。これがポラリトン効果である。このような技術により、上記光学モードと強結合している多重量子井戸を有するマイクロキャビティにポラリトンを効率的に電気的に注入することができる。
【００２１】
最低エネルギー状態におけるポラリトンの凝縮は、強結合されている量子井戸の数が多いときに非常に促進される。それゆえに、本発明により、このタイプの構造にポラリトンを電気的に注入することができる。ポラリトン凝縮の自発的な放射性崩壊により、単色の強い光ビームの放射、つまり一反射器の有限な透過性により可能となった放射という結果がもたらされる。
【００２２】
ポラリトン効果を得るために必要な上記強結合系を活用する方法を探すことが、解決策へのアプローチとなる。そして、ポラリトンモードに従った光子の放射を得るために電気的に注入された量子井戸と、注入されていない量子井戸との相互作用をもたらすためにこの結合系を用いる際に、ごく少数の井戸を注入することが可能であり、残り井戸は光子の吸収により光励起されることができ、これらの井戸は、光励起された後、同一のポラリトンモードに直接従った光子を再放射することが明らかになった。
【００２３】
このアプローチは、従来のレーザに適用されることができないという意味においてより一層発明的である。本来、電気的に励起されていない井戸は、反転分布に至ることはできない。それらは単に光を吸収し、レーザ効果を崩壊させてしまう。一方、ポラリトンレーザにとって、光の吸収がまさしく探しているものであり、励起された井戸と電気的に励起されていない井戸とを結合するために活用されるものである。
【００２４】
この目的を考慮して、本発明は、目的のために少なくとも１つの光学モードを有する光キャビティであって、少なくとも１つの透過性を有する反射器、量子井戸の第一の組、および当該第一の組のこれらの量子井戸の電気的注入手段を備えている光キャビティを備えている光放射システムに関する。上記第一の組の量子井戸は、それらの電子的共鳴の少なくとも１つが、上記光キャビティの光学モードとの強結合系であり、励起子−ポラリトン混在モードに従って光を放射するように配置されている。このシステムにおいては、上記光学キャビティは、電気的注入手段の直接的範囲の外側に配置されている量子井戸の第二の組を更に備え、上記第二の組は、それらの電子的共鳴の少なくとも１つが、上記光キャビティの上記励起子−ポラリトン混在モードとの強結合系中にあるように、上記第一の組の量子井戸に関連して配置されている。
【００２５】
ここで、当業者は、上記第二の組の量子井戸は直接的には電気的に注入されておらず、ポラリトンモードとの結合により、上記第一の組の量子井戸により放射された光子をただ吸収し再放射することが理解できるであろう。
【００２６】
当業者は、光子の上記キャビティの外側への放射、および、それゆえの単色の強い光ビームの生成は、ポラリトン凝縮の自発的な放射性崩壊によるものであることもまた理解できるであろう。
【００２７】
この解決策は、強結合系の取得およびポラリトンモードの形成と量子井戸の元々の配置とを有利に結び付ける。ポラリトンモードに従った光子を放射することによって、電気的に注入されていない井戸を、これらの光子を吸収することにより光励起させることができ、そして同一のポラリトンモードに従った後者を再放射する。そして、量子井戸の複数が挿入されている共鳴光キャビティを含んでいるシステムが得られ、全ての量子井戸は、かなり高い量子効果を得るようにポラリトン効果に関与する。更に、電気的に注入された量子井戸が少数であることは、電気的に注入されていない井戸においてスクリーニングおよび位相シフト現象を減少させることにより、ポラリトンレーザ効果を取得することに有利である。
【００２８】
ある特定の実施形態によれば、光は、いわゆる「ポラリトンレーザ」を構成している、指向性のある単色の光ビームとして放射される。
【００２９】
上記第一の組は、５個未満の量子井戸を含んでいることがより好ましい。これにより、注入される井戸が少数であるため、均一に電気的注入をすることができる。
【００３０】
上記第一の組は、実質的に上記第二の組の量子井戸の数よりも少ない数の量子井戸を含んでいることがより好ましい。このようにして、上記第二の組のこれらの量子井戸は、（電気的に注入されている）上記第一の組の量子井戸と強結合しているので、そのような数の井戸を用いて得られたポラリトンレーザ効果は、より一層実質的なものとなる。
【００３１】
上記第一および第二の組の量子井戸は、同一であることがより好ましい。
【００３２】
上記光キャビティは、上記光キャビティの下端および上端にそれぞれ配置されている底部反射器および上部反射器を備えている。上記上部反射器は、上記システムにより放射された光が上記上部反射器を通過するように透過性を有する。
【００３３】
特に有益な別の実施例によれば、上記光キャビティの上記反射器はブラッグ反射器であり、これには発生する光学的なロスが非常に少ないという利点がある。
【００３４】
ある特定の実施形態によれば、上記光キャビティは、Ｐ型ドープ領域およびＮ型ドープ領域を含んでいる。
【００３５】
後者の場合、ある特定の実施形態によれば、上記光キャビティは、それぞれ上記Ｎ型ドープ領域と上記Ｐ型ドープ領域との間に配置されたドープされていないギャップ領域を含んでいる。
【００３６】
この場合、上記第一の組および第二の組の量子井戸は、それぞれ次のように配置されている。上記第一の組の量子井戸は、上記光キャビティの上記ギャップ領域と上記Ｐ型ドープ領域との間に配置され、上記第二の組の量子井戸は、上記光キャビティの上記Ｎ型ドープ領域と上記底部反射器との間に配置されている。
【００３７】
このように、上記第一の組の量子井戸のみが、上記Ｎ型ドープ領域と上記Ｐ型ドープ領域との間、つまり、電気的注入が生成される領域の間にある。上記第二の組の量子井戸は、これらの領域の内部にはなく、それゆえに電気的には励起されない。電気的に励起された上記第一の組の井戸により、励起子−ポラリトンがそのようなものとして生成される。ここでは、上記第一および第二の組の井戸は同等に関係してくる。つまり、上記第一の組の井戸によって放射された光子は、上記光キャビティを出る前に、上記第二の組の井戸によって吸収され、その後、数回再放射される。
【００３８】
ある特定の実施形態によれば、注入の手段は、電流の供給源に接続された電気接点の組を少なくとも１組含んでいる。
【００３９】
後者の場合、ある特定の実施形態によれば、注入の手段の１組の電気接点の一方の接点は、上記Ｎ型ドープ領域に固定され、他方の接点は、上記Ｐ型ドープ領域に固定される。
【００４０】
ある特定の実施形態によれば、上記光キャビティは基板に蒸着される。これにより、後者のキャビティ全体を製造することができる。
【００４１】
上記光キャビティは、平面であることがより好ましい。
【００４２】
上記光キャビティは、上記システムにより放射された光が、上記光キャビティの上記透過性を有する反射器に対して直行するように配置されていることがより好ましい。この効果は、全ての構成要素が平らであり互いに平行であるような平面光キャビティを有することにより得られてもよい。
【００４３】
上記システムのある特定の実施形態によれば、上記第一および第二の組の量子井戸は、窒化ガリウム族から成る材料により構成されている。これにより、３５０ナノメートル程の紫外領域に属するポラリトン光を放射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
それぞれの図面と共に、制限されていない実施形態の例についての詳細な記述を読むのであれば、本発明をより良く理解することができるであろう。
【図１】本発明のある特定の実施形態に係る光放射システムの図である。
【図２】本発明に係る光放射システム内部における電子および正孔の動きを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１に示されているように、本発明のある特定の実施形態に係る、光２を放射するためのシステム１は、基板３および光キャビティ１０を備えている。それは、ある特定の放射波長において動作するようにデザインされている。
【００４６】
本実施形態において、上記システムは、２個の電気的に注入された量子井戸２１および２２、および５個の注入されていない量子井戸４１〜４５を備えている。井戸の数をこのように選択したことは、はっきりと図に描かれている。このように、当業者は、量子井戸のより適切な数を選択することができるであろう。特に、注入された井戸については５未満の数が選択され得る。また、注入されていない井戸については、明らかにより多くの数が選択され、ＧａＮの量子井戸を有する構造である場合、６０個という多さになることもあり得る。当業者は、量子井戸の総数が多いと上記ポラリトンレーザ効果に有利であることにまさに注目するであろう。
【００４７】
本システムは、基板３上において分子線エピタキシ技術に従って得られてもよく、この技術は当事者には良く知られていることである。ＧａＮベースにして実現される構造として、適切な基板は、ＧａＡｓまたはサファイアであってもよい。
【００４８】
光キャビティ１０は、２つの反射器のうちの１つが有限の透過性を有することにより可能となる、ポラリトンの自発的な放射性崩壊による光の放射に対応しているポラリトンモードを少なくとも１つ有している共鳴光マイクロキャビティである。本実施形態に係る本キャビティは、２つのブラッグ反射器１１および１２、それぞれがＮ型およびＰ型にドープされた領域１３および１５、ドープされていないギャップ領域１４、量子井戸２１および２２による第一の組２０、注入の手段３１〜３３、および量子井戸４１〜４５による第二の組４０を備えている。上記２つのブラッグ反射器１１および１２は、それぞれ上記キャビティの下側および上側に配置されている。底部反射器１１は、例えば、Ａｌ０．８５,Ｉｎ０．１５ＮおよびＡｌＧａＮが交互に層を成す構成であり、その実現は、例えば、米国特許出願公開２００７／００３６９７号明細書に記述されている。またはＡｌ０．５８Ｇａ０．３２ＮおよびＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎが交互に層を成す構成である。例えば、上記上部反射器は、交互にＳｉＯ２およびＳｉＮの誘電体層により構成されている。これらの交互の層は、図１において、連続した白の帯および黒の帯により示されている。上記層の各々の厚さは、放射された光２の波長の１／４に等しい。
【００４９】
これら２つの反射器１１および１２は、レーザの発光波長にて上記光を反射するように設計されている。上部反射器１２は、上記システムから放射された光２が、この反射器１２を通過することにより後者から出ることができるように透過する特性を更に有している。ここでの透過性を有する反射器とは、放射された上記光の一部がそれを通過できるような有限な透過性を有している反射器を意味している。
【００５０】
これらのブラッグ反射器には、エネルギーロスがほとんど生じないという利点がある。それにもかかわらず、他の実施形態によれば、これらのブラッグ反射器１１および１２を、他のタイプの反射器に置き換えようと考えてもよい。
【００５１】
底部ブラッグ反射器１１と上部ブラッグ反射器１２との間において、光キャビティ１０は、中間層の組を含んでいる。これらの層は、上記第二の組の量子井戸４１〜４５、Ｎ型ドープ領域１３、ドープされていないギャップ領域１４、上記第一の組の量子井戸２１および２２、およびＰ型ドープ領域１５が連続しているものである。
【００５２】
本システムにおける全ての層および要素は、平面であり互いに並行であることが好ましい。また、出力光２は、上記システムの基準面に対して垂直な方向に放射されるであろう。
【００５３】
Ｎ型ドープ領域１３は、Ｎ型にドープされたＡｌＧａＮ層から成る。同様に、Ｐ型ドープ領域１５は、Ｐ型にドープされたＡｌＧａＮ層から成る。ドープされていないギャップ領域１４は、ＡｌＩｎＮ層中に作られた開口部により構成されている。注入の手段により生成され、上記キャビティの一部を通過する電流は、この開口部により通過することができる。ＡｌＩｎＮ層の残りの部分１６は、電流が生成されるときに、電子および正孔をそれらの動きについて操作するようなトンネルを形成する。
【００５４】
上記第一および第二の組の量子井戸は、アルミニウムを２０％含んだＧａＮ／ＡｌＧａＮ混合物により構成されており、それらの厚さは薄く、数原子層程でなければならない。このアルミニウムの比率により、励起子に対する強振動子力を保持することができ、強結合系を存在させることができる。
【００５５】
当業者は、本特許の範囲を逸脱することなく、他の適切な材料または合金においてもまた上記量子井戸と同様に領域１３および１５を実現できるであろう。特に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮのような他の混合物は、上記量子井戸を実現するために窒化ガリウムを用いて実現されてもよい。窒化ガリウムには、実は、青色発光または紫外線放射という特性がある。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのようなガリウム砒素をベースにした混合物もまた用いられてもよい。特に、所望の発光波長に従って、他の材料が選択されてもよい。他の形状が考慮されてもよい。
【００５６】
更に、量子井戸は同様のものであっても異なるものであってもよい。特に、それらは異なる形状をしていてもよく、異なる材料を用いて実現されてもよい。
【００５７】
他の実施形態によれば、上記量子井戸は、量子細線および量子ドットの形状をしていてもよい。なお、量子細線、量子井戸、および量子ドットによる閉じ込めは、それぞれ空間における一次元、二次元、および三次元において為される。当業者は、そのような量子構造の製造技術を良く知っている。
【００５８】
注入の手段３１〜３３は、発電機３３により動力が供給された幾つかの電気接点により構成されている。このような発電機により供給された電圧値は、約１．６〜１．８ボルトであり、光キャビティ１０を通過する電流は、したがってこのキャビティの表面の次元に依存している。これらの電気接点は対になって（２１ａと２２ａとの対および２１ｂと２２ｂとの対）動作する。各対に対して、一方の接点２１ａ（または２１ｂ）は、Ｎ型ドープ領域１３に固定されており、こうして接点Ｎと呼ばれ、他方の接点２２ａ（または２２ｂ）は、Ｐ型ドープ領域に固定されており、こうして接点Ｐと呼ばれる。したがって、同一対の２つの接点間における電流が生成されることにより、電子および正孔は反対方向に転置される。図２に示されているように、電子は接点Ｎから接点Ｐに転置され（矢印５１）、正孔は接点Ｐから接点Ｎに転置される（矢印５２）。
【００５９】
各層および注入の手段は、第一の組の量子井戸２１および２２に電気的注入を行えるように配置される。第二の組の量子井戸４１〜４５は、この方法において電気的注入は為されない。更に、上記第一の組の量子井戸は、それらの電子的共鳴の少なくとも１つが上記光キャビティの光学モードとの強結合系であり、励起子−ポラリトン混在モードに従って光を放射するように配置されている。量子井戸２１および２２のこの配置は、電気的注入手段との関係において規定される。つまり、量子井戸２１および２２は、電気注入手段の対の２つの電気接点間に配置され、これにより、上記キャビティのポラリトンモードに従って光子を放射することができる。
【００６０】
電流が上記第一の組の量子井戸を通過するとき、電子／励起子および正孔は、これらの井戸に密集するようになる。そして、これらの井戸の各々の電子的／励起子的共鳴が、上記キャビティの閉じ込められたポラリトンモードの１つと結合している強結合系において起こる。そして、この強結合は結果として励起子−ポラリトンと呼ばれる準粒子をもたらす。これらの準粒子は、上記キャビティの上記ポラリトンモードに従って放射される。
【００６１】
第二の組の量子井戸４１〜４５は、上記電気的注入手段の作用の直接的範囲の外側に配置されており、上記第一の組の量子井戸に関して、それらの電子的共鳴の少なくとも１つが、光キャビティ１０の上記励起子−ポラリトン混在モードとの強結合系中にあるように配置されている。このように、第二の組の量子井戸４１〜４５は、上記光キャビティのポラリトンモードに従って、第一の組の量子井戸により放射された光子を吸収した後、再放射するであろう。まさに、上記量子井戸は、注入の手段である電気接点２１ａおよび２２ａにより定義される注入ゾーンの外側に配置されている。加えて、量子井戸４１〜４５は、量子井戸２１および２２と同一のポラリトンモードに関与する。このように、これらの量子井戸４１〜４５は、量子井戸２１および２２により放射される光子を上記ポラリトンモードに従って吸収するであろう。そして、上記第二の組のこれらの量子井戸は、励起子を密集させた後、上記キャビティの同一のポラリトンモードに従って、光子の形でそれらを放射するであろう。
【００６２】
上記システムが平面であり、それを備えている全要素が互いに平行である場合、励起子−ポラリトンから結果的に生じる光の放射は、上記キャビティの上面に、つまり、上記上部ブラッグ反射器１２の上面に対して垂直に起こるであろう。
【００６３】
なお、ポラリトンモードにおける光の放射について、後者においては注入（または励起）電流の強度に関して非線形依存性が存在する。
【００６４】
本発明に係る光放射システムは、非常に高い量子効率を得ることができ、この効率は、与えられた方向に放射される光子の数と注入された電子または電荷キャリアとの比として定義される。
【００６５】
本システムは、多くの適用例に、例えば、データを光学的に記憶するための適用例、特にＤＶＤプレーヤーのための適用例に用いてもよい。後者の場合、紫外線を放射する窒化ガリウムＧａＮ中に量子井戸を有するシステムの利用することにより、記憶量を増大させることができる。
【００６６】
消費においてはモータも実質的な役割を果たすが、閾値が低減することにより上記デバイスにおける消費が低減され、バッテリーをより長持ちさせたい携帯用システム（携帯用コンピュータ）へのその使用が見込める。
【００６７】
最後に、考慮され得る他の適用例は、熱消散の問題が極めて重要であるマイクロ回路上にこのようなポラリトンレーザシステムを集積することであってもよい。
【００６８】
先述した本発明の実施形態は、例示のために提供されており、決して制限するものではない。当業者は特許の範囲を逸脱することなく本発明に係る他の異なる実施例を実現し得ることが分かる。
【図１】
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【図２】
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