(57)【要約】  半導体光電子装置（６５０）は、少なくとも１つの空洞（６６０）と少なくとも１つの多層干渉反射器（６２０、６３０）とを含んでいる。空洞（６６０）は、好ましくは、光学モードが横方向の面内において伝搬しない反導波路空洞の特性を有するように設計されている。存在している光学モードは、垂直方向または垂直方向に対して半導体と空気との界面における全内部反射の角度を下回る角度において傾斜した方向（６３３）に伝搬するモードである。このような設計は、寄生光学モードの影響を軽減させ、かつ、垂直空洞面発光レーザー、上部表面または基板を介して放射する傾斜空洞型レーザー、垂直空洞共振または傾斜空洞共振光検出器、垂直空洞共振または傾斜空洞共振光増幅器、および発光ダイオードを含む光電子装置の特性を改善する。
2007533126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）空洞と、
（ｂ）少なくとも１つの多層干渉反射器と、
（ｃ）少なくとも１つのｐ−ｎ接合要素と、
（ｄ）基板とを有し、
前記空洞の屈折率は、前記多層干渉反射器の屈折率の二乗の重み付けされた平均の平方根よりも低い値になっており、
第１波長を有し、かつ、第１傾斜角度にて伝搬する共振光学モードは、前記ｐ−ｎ接合要素における電界強度の第１絶対値と、前記空洞から前記基板内への漏れ損失の第１値とを有しており、
前記第１波長とは異なる波長における光学モード、または前記第１傾斜角度とは異なる角度にて伝搬する光学モードは、前記第１絶対値を下回るような前記ｐ−ｎ接合要素における前記電界強度の第２絶対値を有しており、
前記第１傾斜角度は、前記ｐ−ｎ接合要素内における光の伝搬方向と横方向の面に対して垂直の方向との間の角度として定義されていることを特徴とする半導体光電子装置。
【請求項２】
前記ｐ−ｎ接合要素は、ｐ−ｎ接合を有する請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項３】
前記ｐ−ｎ接合に対してバイアスを印加するバイアス要素をさらに有する請求項２記載の半導体光電子装置。
【請求項４】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）順バイアスが前記ｐ−ｎ接合に対して印加された際に光が生成されるダイオードレーザーと、
（ｂ）光が吸収された際に光電流が生成される前記ｐ−ｎ接合に対して逆バイアスが印加される共振空洞光検出器と、
（ｃ）順バイアスが前記ｐ−ｎ接合に対して印加された際に光が増幅される共振光増幅器と、
（ｄ）順バイアスが前記ｐ−ｎ接合に対して印加された際に光が生成される発光ダイオードとにより構成されるグループから選択される請求項３記載の半導体光電子装置。
【請求項５】
出力光は、前記半導体光電子装置の上部表面または前記基板を介して出射される請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項６】
前記半導体光電子装置は、垂直空洞型光電子装置として動作する請求項５記載の半導体光電子装置。
【請求項７】
前記半導体光電子装置は、傾斜空洞型光電子装置として動作する請求項５記載の半導体光電子装置。
【請求項８】
入力光は、前記半導体光電子装置の上部表面または前記基板を介して入射される請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項９】
前記半導体光電子装置は、垂直空洞型光電子装置として動作する請求項８記載の半導体光電子装置。
【請求項１０】
前記半導体光電子装置は、傾斜空洞型光電子装置として動作する請求項８記載の半導体光電子装置。
【請求項１１】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）垂直空洞面発光レーザーと、
（ｂ）傾斜空洞型レーザーとにより構成されるグループから選択されたダイオードレーザーである請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項１２】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）垂直空洞共振光検出器と、
（ｂ）傾斜空洞共振光検出器とにより構成されるグループから選択された半導体共振空洞光検出器である請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項１３】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）垂直空洞共振光増幅器と、
（ｂ）傾斜空洞共振光増幅器とにより構成されるグループから選択された半導体共振光増幅器である請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項１４】
前記第１波長とは異なる波長における光学モード、または前記第１傾斜角度とは異なる角度にて伝搬する光学モードは、前記漏れ損失の前記第１値を上回るような前記基板内への前記漏れ損失の第２値を有している請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項１５】
前記共振光学モード以外の光学モードは、１０ｃｍ-1を上回る漏れ損失を有する請求項１４記載の半導体光電子装置。
【請求項１６】
前記ｐ−ｎ接合要素における前記電界強度の前記第２絶対値は、３を上回る係数だけ、前記第１絶対値よりも低い値になっている請求項１記載の半導体光電子装置。
【請求項１７】
（ａ）空洞と、
（ｂ）少なくとも１つの多層干渉反射器と、
（ｃ）少なくとも１つのｐ−ｎ接合要素と、
（ｄ）基板とを有し、
前記空洞の屈折率は、前記多層干渉反射器の屈折率の二乗の重み付けされた平均の平方根よりも低い値になっており、
第１波長を有し、かつ、第１傾斜角度にて伝搬する共振光学モードは、前記ｐ−ｎ接合要素における電界強度の第１絶対値と、前記空洞から前記基板内への漏れ損失の第１値とを有しており、
前記第１波長とは異なる波長における光学モード、または前記第１傾斜角度とは異なる角度において伝搬する光学モードは、前記漏れ損失の前記第１値を上回るような前記基板内への前記漏れ損失の第２値を有しており、
前記第１傾斜角度は、前記ｐ−ｎ接合要素内における光の伝搬方向と横方向の面に対して垂直の方向との間の角度として定義されていることを特徴とする半導体光電子装置。
【請求項１８】
前記ｐ−ｎ接合要素は、ｐ−ｎ接合を有する請求項１７記載の半導体光電子装置。
【請求項１９】
前記ｐ−ｎ接合に対してバイアスを印加するバイアス要素をさらに有する請求項１８記載の半導体光電子装置。
【請求項２０】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）順バイアスが前記ｐ−ｎ接合に対して印加された際に光が生成されるダイオードレーザーと、
（ｂ）光が吸収された際に光電流が生成される前記ｐ−ｎ接合に対して逆バイアスが印加される共振空洞光検出器と、
（ｃ）順バイアスが前記ｐ−ｎ接合に対して印加された際に光が増幅される共振光増幅器と、
（ｄ）順バイアスが前記ｐ−ｎ接合に対して印加された際に光が生成される発光ダイオードとにより構成されるグループから選択される請求項１９記載の半導体光電子装置。
【請求項２１】
出力光は、前記半導体光電子装置の上部表面または前記基板を介して出射される請求項１７記載の半導体光電子装置。
【請求項２２】
前記半導体光電子装置は、垂直空洞型光電子装置として動作する請求項２１記載の半導体光電子装置。
【請求項２３】
前記半導体光電子装置は、傾斜空洞型光電子装置として動作する請求項２１記載の半導体光電子装置。
【請求項２４】
入力光は、前記半導体光電子装置の上部表面または前記基板を介して入射される請求項１７記載の半導体光電子装置。
【請求項２５】
前記半導体光電子装置は、垂直空洞型光電子装置として動作する請求項２４記載の半導体光電子装置。
【請求項２６】
前記半導体光電子装置は、傾斜空洞型光電子装置として動作する請求項２４記載の半導体光電子装置。
【請求項２７】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）垂直空洞面発光レーザーと、
（ｂ）傾斜空洞型レーザーとにより構成されるグループから選択されたダイオードレーザーである請求項１７記載の半導体光電子装置。
【請求項２８】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）垂直空洞共振光検出器と、
（ｂ）傾斜空洞共振光検出器とにより構成されるグループから選択された半導体共振空洞光検出器である請求項１７記載の半導体光電子装置。
【請求項２９】
前記半導体光電子装置は、
（ａ）垂直空洞共振光増幅器と、
（ｂ）傾斜空洞共振光増幅器とにより構成されるグループから選択された半導体共振光増幅器である請求項１７記載の半導体光電子装置。
【請求項３０】
前記共振光学モード以外の光学モードは、１０ｃｍ-1を上回る漏れ損失を有する請求項１７記載の半導体光電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子装置の分野に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、エッジ発光レーザー、面発光レーザー、波長可変レーザー、光増幅器、光検出器、光スイッチ、および発光ダイオードに関するものである。
（関連出願に対する参照）
本願は、「反導波路空洞に基づく光電子装置（Optoelectronic Device Based on an Antiwaveguiding Cavity）」という名称の２００４年４月７日付けで出願された米国仮特許出願第６０／５６０，１４９号に開示されている発明の権利を主張するものである。これによって、上記の米国仮特許出願の米国特許法１１９条（ｅ）（３５ＵＳＣ  １１９（ｅ））による優先権の利益を主張することが可能であり、かつ、この米国仮特許出願は、本願にて引用されることにより本願明細書に包含されている。
本出願における主題は、「傾斜空洞を有する半導体光電子装置および半導体光電子装置を作製する方法（Tilted Cavity Semiconductor Optoelectronic Device and Method of Making Same ）」という名称の２００４年９月１６日付けで出願された米国特許出願第１０／９４３，０４４号に開示されている主題に関連している。この米国特許出願は、本願にて引用されることにより本願明細書に包含されている。
【背景技術】
【０００２】
従来技術による半導体ダイオードレーザー（さらに詳しくは、エッジ発光レーザー）が、図１の（ａ）に示されている。レーザー構造（１００）は、ｎドーピングがなされた基板（１０１）上にエピタキシャル成長により形成されている。このレーザー構造は、ｎドーピングがなされたクラッド層（１０２）、導波路（１０３）、ｐドーピングがなされたクラッド層（１０８）、およびｐコンタクト層（１０９）をさらに含んでいる。導波路（１０３）は、ｎドーピングがなされた部分（１０４）、その内部に活性領域（１０６）を有する閉じ込め層（１０５）、およびｐドーピングがなされた部分（１０７）を含んでいる。ｎ接点（１１１）が基板（１０１）と接触しており、ｐ接点（１１２）が、ｐコンタクト層（１０９）上に取り付けられている。活性領域（１０６）は、順バイアス（１１３）が印加された際に、光を生成する。垂直方向（ｚ）における光学モードのプロファイルは、ｚ方向における屈折率のプロファイルによって決定される。
【０００３】
導波路（１０３）は、横方向の面内において、前面（１１６）および後面（１１７）によって境界が形成されている。後面（１１７）上に特殊な高反射コーティングが施されている場合には、レーザー光（１１５）は、前面（１１６）を介してのみ放射される。
【０００４】
基板（１０１）は、好ましくは、任意のＩＩＩ−Ｖ半導体材料またはＩＩＩ−Ｖ半導体合金から形成されている（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＧａＳｂである）。一般に、レーザー放射の所望の放射波長に応じて、ＧａＡｓまたはＩｎＰが使用されている。基板（１０１）は、好ましくは、バルク結晶のスライスまたはバルク結晶のスライス上に形成されたエピタキシャル層である。あるいは、その代わりに、ＧａＮに基づくレーザー（すなわち、その層がＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはこれらの材料の合金から形成されているレーザー構造）の場合には、サファイア、ＳｉＣ、またはＳｉ（１１１）を基板として使用することが可能である。基板（１０１）は、ｎタイプ（または、ドナー不純物）によってドーピングがなされている。可能なドナー不純物には、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅ、ならびに、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＳｎ等の両性不純物が含まれている（ただし、これらに限定されない）。この場合、後者の両性不純物は、陽イオン副格子内に大部分が組み込まれ、かつ、ドナー不純物として機能するという技術的条件下において導入される。
【０００５】
ｎドーピングがなされたクラッド層（１０２）は、好ましくは、基板に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、ドナー不純物によってドーピングがなされている。ＧａＡｓ基板（１０１）の場合には、ｎドーピングがなされたクラッド層は、好ましくは、ＧａＡｓ基板に対して格子整合されたＧａＡｌＡｓ合金もしくはＩｎ（Ｇａ，Ａｌ）Ｐ合金、または略格子整合されたＧａＡｌＡｓ合金もしくはＩｎ（Ｇａ，Ａｌ）Ｐ合金から形成されている。
【０００６】
導波路（１０３）のｎドーピングがなされた部分（１０４）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、ドナー不純物によってドーピングがなされている。ＧａＡｓ基板の場合には、導波路のｎドーピングがなされた部分（１０４）は、好ましくは、ｎドーピングがなされたクラッド層（１０２）内のＡｌ含有量を下回るＡｌ含有量を有するＧａＡｌＡｓ合金（またはＧａＡｓ）から形成されている。
【０００７】
導波路（１０３）のｐドーピングがなされた部分（１０７）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成光に対して透明であり、かつ、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。好ましくは、導波路のｐドーピングがなされた部分（１０７）は、ｎドーピングがなされた部分（１０４）と同一の物質から形成されているが、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。可能なアクセプタ不純物には、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、またはＭｎが含まれているが、ならびに、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＳｎ等の両性不純物が含まれており（ただし、これらに限定されない）。この場合、後者の両性不純物は、陰イオン副格子内に大部分が組み込まれ、かつ、アクセプタ不純物として機能するという技術的条件下において導入される。
【０００８】
ｐドーピングがなされたクラッド層（１０８）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成光に対して透明であり、かつ、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。好ましくは、ｐドーピングがなされたクラッド層（１０８）は、ｎドーピングがなされたクラッド層（１０２）と同一の材料から形成されているが、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。
【０００９】
ｐコンタクト層（１０９）は、好ましくは、基板に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。このドーピングレベルは、好ましくは、ｐクラッド層（１０８）内におけるドーピングレベルを上回っている。
【００１０】
金属接点（ｎ接点（１１１）およびｐ接点（１１２））は、好ましくは、多層金属構造から形成されている。ｎ接点（１１１）からなる金属接点は、好ましくは、Ｎｉ−Ａｕ−Ｇｅ構造を含む（ただし、これに限定されない）構造から形成されている。ｐ接点（１１２）からなる金属接点は、好ましくは、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ構造を含む（ただし、これに限定されない）構造から形成されている。
【００１１】
閉じ込め層（１０５）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成光に対して透明であり、かつ、ドーピングがなされていないかまたは弱くドーピングがなされている。閉じ込め層は、好ましくは、基板（１０１）と同一の材料から形成されている。
【００１２】
閉じ込め層（１０５）内に配置されている活性領域（１０６）は、好ましくは、任意の挿入物によって形成されており、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭い。可能な活性領域（１０６）には、量子井戸、量子細線、もしくは量子ドットの単一層系あるいは多層系、またはこれらの任意の組み合わせが含まれている（ただし、これらに限定されない）。ＧａＡｓ基板上の光電子装置においては、活性領域（１０６）の例は、ＩｎＡｓ、ＩＮ1-xＧａxＡｓ、ＩｎxＧａ1-x-yＡｌyＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy、またはこれらに類似した材料の挿入物の体系を含んでいる（ただし、これらに限定されない）。
【００１３】
エッジ発光レーザーの主な欠点の１つは、（特に高出力パワー動作における）放射光の波長の望ましくない温度依存性を結果的にもたらすような温度に伴うエネルギーバンドギャップの変動である。
【００１４】
図１の（ｂ）は、従来技術による面発光レーザー、より具体的には、垂直空洞面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）（１２０）を概略的に示している。活性領域（１２６）が、空洞（１２３）内に配置されており、この空洞は、ｎドーピングがなされた底部ミラー（１２２）とｐドーピングがなされた上部ミラー（１２８）との間に挟持されている。空洞（１２３）は、ｎドーピングがなされた層（１２４）、閉じ込め層（１２５）、およびｐドーピングがなされた層（１２７）を含んでいる。それぞれが低い屈折率および高い屈折率を有するような交互に変化する層の周期的なシーケンスを含むブラッグ（Bragg）反射器が、底部ミラー（１２２）および上部ミラー（１２８）として使用されている。活性領域（１２６）は、順バイアス（１１３）が印加された際に光を生成する。この光（１３５）は、光アパーチャ（１３２）を介して出射される。ＶＣＳＥＬから放射されるレーザー光の波長は、空洞（１２３）の長さによって決定される。
【００１５】
底部ミラー（１２２）を形成する層は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、ドナー不純物によってドーピングがなされており、かつ、交互に変化する高い屈折率および低い屈折率を有している。ＧａＡｓ基板上に成長したＶＣＳＥＬの場合には、好ましくは、ＧａＡｓおよびＧａＡｌＡｓの交互に変化する層または交互に変化するアルミニウム含有量を有するＧａＡｌＡｓの層がミラーを形成している。
【００１６】
空洞（１２３）のｎドーピングがなされた部分（１２４）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、ドナー不純物によってドーピングがなされている。
【００１７】
空洞（１２３）のｐドーピング部分（１２７）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。
【００１８】
上部ミラー（１２８）を形成する層は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、アクセプタ不純物によってドーピングがなされており、かつ、交互に変化する高い屈折率および低い屈折率を有している。ＧａＡｓ基板上に成長したＶＣＳＥＬの場合には、好ましくは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓの交互に変化する層または交互に変化するアルミニウム含有量を有するＧａＡｌＡｓの層がミラーを形成している。
【００１９】
ｐコンタクト層（１２９）は、好ましくは、アクセプタ不純物によってドーピングがなされた材料から形成されている。ＧａＡｓ基板上に成長したＶＣＳＥＬの場合には、好適な材料は、ＧａＡｓである。ドーピングレベルは、好ましくは、上部ミラー（１２８）内におけるドーピングレベルを上回っている。ｐコンタクト層（１２９）および金属のｐ接点（１１２）は、光アパーチャ（１３２）を形成するべくエッチングされている。ドーピング・プロファイルは、光電子装置の可能な限り低い抵抗値に到達するべく最適化されている。
【００２０】
閉じ込め層（１２５）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、ドーピングがなされていないかまたは弱くドーピングがなされている。閉じ込め層は、好ましくは、基板（１０１）と同一の材料から形成されている。
【００２１】
閉じ込め層（１２５）内に配置されている活性領域（１２６）は、好ましくは、任意の挿入物によって形成されており、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭い。可能な活性領域（１２６）には、量子井戸、量子細線、もしくは量子ドットの単一層系あるいは多層系、またはこれらの任意の組み合わせが含まれている（ただし、これらに限定されない）。ＧａＡｓ基板上の光電子装置においては、活性領域（１２６）の例は、ＩｎＡｓ、ＩＮ1-xＧａxＡｓ、ＩｎxＧａ1-x-yＡｌyＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy、またはこれらに類似した材料の挿入物の体系を含んでいる（ただし、これらに限定されない）。
【００２２】
活性領域（１２６）は、順バイアス（１１３）が印加された際に光学利得を生成する。この結果、活性領域（１２６）は、底部ミラー（１２２）と上部ミラー（１２８）との間において反射する光を放射する。これらのミラーは、ｐ−ｎ接合面に垂直の方向に伝搬する光に対して高い反射率を有しており、底部ミラー（１２２）の反射率は、好ましくは、上部ミラー（１２８）の反射率を上回っている。したがって、ＶＣＳＥＬの設計は、垂直方向に伝搬する光に対して正のフィードバックを提供し、この結果として、最終的にレーザー発振が実現される。レーザー光（１３５）は、光アパーチャ（１３２）を介して出射される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ＶＣＳＥＬの主な利点の１つは、波長の温度安定性にある。波長の温度変動は、屈折率の温度変動に追随しており、この屈折率の温度変動は、半導体のバンドギャップエネルギーの変動よりも一桁小さい。ＶＣＳＥＬの深刻な欠点の１つは、ＶＣＳＥＬの形状において、効果的な熱放散を実現することができないことから、その出力パワーが、数ｍＷに限定されているという点である。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、少なくとも１つの空洞および少なくとも１つの多層干渉反射器（Multilayered Interference Reflector）を含む半導体光電子装置を開示している。空洞は、好ましくは、活性媒質との大きなオーバーラップ（overlap）を有する光学モードが横方向の面内において伝搬しないという反導波路空洞の特性を有するように設計されている。存在している光学モードは、傾斜角度が半導体と空気との界面における全内部反射の角度を下回っており、かつ、このような光学モードの光が上部表面または基板を介して半導体光電子装置から出射されるように、垂直方向または垂直方向に対して傾斜した方向に伝搬するモードである。このような設計は、寄生光学モードの影響を低減させ、かつ、垂直空洞面発光レーザー、上部表面または基板を介して放射する傾斜空洞型レーザー、垂直空洞共振または傾斜空洞共振光検出器、垂直空洞共振または傾斜空洞共振光増幅器、および発光ダイオードを含む（ただし、これらに限定されない）光電子装置の特性を改善する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
エッジ発光レーザーおよびＶＣＳＥＬの両方の欠点を克服するための１つの方法は、傾斜空洞型光電子装置の概念に関係している。この概念は、多層構造の基本的な物理特性（すなわち、傾斜入射における電磁波の伝搬／透過／反射の法則）に基づいている。図２の（ａ）〜（ｄ）は、ヤリフ（Yariv）らによって開示された伝搬するＴＥ電磁波のいくつかの異なる傾斜角度（それぞれ、６５°、５５°、４０°、および０°）における周期的な多層構造の反射率スペクトルを示している（エー．ヤリフ（A. Yariv）およびピー．イェー（P. Yeh）による「レーザー放射における結晶内の光波の伝搬および制御（Optical Waves in Crystals. Propagation and Control of Laser Radiation）」（ウィリー（Wiley），１９８４年）を参照のこと）。光は、屈折率ｎ1＝３．６を有する媒質から出射され、上記の多層構造は、１５個の周期を含んでいる。それぞれの周期は、低屈折率ｎ2＝３．４を有するΛ／２の厚さの１つの層と、高屈折率ｎ1＝３．６を有するΛ／２の厚さの１つの層とを含んでいる。反射率は、電磁波の周波数ωの関数としてプロットされており、このωは、ｃ／Λを単位として計測されている（ここで、ｃは、真空中における光の速度である）。図２の（ａ）〜（ｄ）に示されている主要な特性は、次のとおりである。垂直入射（θ＝０）においては、反射率スペクトルは、低振幅の狭いスパイクを示している。角度の（図中の０°から６５°への）増大に伴って、（ｉ）スパイクが、高周波数（すなわち、短波長）に向かってシフトし、（ｉｉ）スパイクの振幅が増大し、かつ、（ｉｉｉ）スパイクの幅が広くなって、１に近い反射率を有するストップバンド（stopband）が形成されている。
【００２６】
多層構造からの電磁波の反射率の入射角度に対する強い依存性におけるこれらの特性が、傾斜空洞型半導体ダイオードレーザーの概念の基礎となっている。このようなレーザーは、２００３年８月１４日付けで公開された「傾斜空洞を有する半導体レーザー（ＴＣＳＬ）および半導体レーザーを作製する方法（Tilted Cavity Semiconductor LASER（TCSL）and Method of Making Same）」という名称の同時係属中の米国特許公開公報第２００３／０，１５２，１２０号に開示されている。
【００２７】
傾斜空洞型レーザー（３００）は、ｎドーピングがなされた基板（１０１）上にエピタキシャル成長により形成されており、かつ、ｎドーピングがなされた底部多層干渉反射器（３０２）、空洞（３０３）、ｐドーピングがなされた上部多層干渉反射器（３０８）、およびｐコンタクト層（３０９）を含んでいる。空洞（３０３）は、ｎドーピングがなされた層（３０４）、閉じ込め層（３０５）、およびｐドーピングがなされた層（３０７）を含んでいる。閉じ込め層（３０５）が活性領域（３０６）を含んでいる。このような傾斜空洞型レーザー（３００）を有するレーザー構造は、横方向の面内において、後面（３１７）および前面（３１６）によって境界が形成されている。空洞（３０３）、底部多層干渉反射器（３０２）、および上部多層干渉反射器（３０８）は、上記空洞と上記多層干渉反射器の共振条件が、特定の傾斜角度において伝搬すると共に特定の波長を有する唯一の傾斜光学モード（３２０）において満足されるように、設計されている。後面（３１７）が高反射性コーティングによって被覆されている場合には、出力レーザー光（３１５）は、前面（３１６）を介してのみ出射される。この傾斜空洞型レーザーの利点の１つは、波長の安定性にあり、同時に、高出力パワーが得られることにある。
【００２８】
底部多層干渉反射器（３０２）を形成している層は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、ドナー不純物によってドーピングがなされており、かつ、交互に変化する高い屈折率および低い屈折率を有している。ＧａＡｓ基板上に成長した傾斜空洞型レーザーの場合には、好ましくは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓの交互に変化する層または交互に変化するアルミニウム含有量を有するＧａＡｌＡｓの層がミラーを形成している。
【００２９】
空洞（３０３）のｎドーピングがなされた部分（３０４）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、ドナー不純物によってドーピングがなされている。
【００３０】
空洞（３０３）のｐドーピングがなされた部分（３０７）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、アクセプタ不純物によってドーピングがなされている。
【００３１】
上部多層干渉反射器（３０８）を形成する層は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、アクセプタ不純物によってドーピングがなされており、かつ、交互に変化する高い屈折率および低い屈折率を有している。ＧａＡｓ基板上に成長した傾斜空洞型レーザーの場合には、好ましくは、ＧａＡｓおよびＧａＡｌＡｓの交互に変化する層または交互に変化するアルミニウム含有量を有するＧａＡｌＡｓの層がミラーを形成している。
【００３２】
ｐコンタクト層（３０９）は、好ましくは、アクセプタ不純物によってドーピングがなされた材料から形成されている。ＧａＡｓ基板上に成長した傾斜空洞型レーザーの場合には、好適な材料は、ＧａＡｓである。ドーピングレベルは、好ましくは、上部多層干渉反射器（３０８）内におけるドーピングレベルを上回っている。
【００３３】
閉じ込め層（３０５）は、好ましくは、基板（１０１）に対して格子整合された材料、または略格子整合された材料から形成されており、生成された光に対して透明であり、かつ、ドーピングがなされていないかまたは弱くドーピングがなされている。閉じ込め層は、好ましくは、基板（１０１）と同一の材料から形成されている。
【００３４】
閉じ込め層（３０５）内に配置されている活性領域（３０６）は、好ましくは、任意の挿入物によって形成されており、このエネルギーバンドギャップは、基板（１０１）のエネルギーバンドギャップよりも狭い。可能な活性領域（３０６）には、量子井戸、量子細線、もしくは量子ドットの単一層系あるいは多層系、またはこれらの任意の組み合わせが含まれている（ただし、これらに限定されない）。ＧａＡｓ基板上の光電子装置の場合には、活性領域（３０６）の例は、ＩｎＡｓ、Ｉｎ1-xＧａxＡｓ、ＩｎxＧａ1-x-yＡｌyＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy、またはこれらに類似した材料の挿入物の体系を含んでいる（ただし、これらに限定されない）。
【００３５】
図４の（ａ）は、本発明の発明者によって発明された「傾斜空洞を有する半導体光電子装置および半導体光電子装置を作製する方法（Tilted Cavity Semiconductor Optoelectronic Device and Method of Making Same）」という名称の２００４年９月１６日に出願された米国特許出願第１０／９４３，０４４号による傾斜空洞型レーザーを概略的に示しており、この内容は、本願にて引用されることにより本願明細書に包含されている。この構造（４００）は、高精細空洞（４１０）および多層干渉反射器（Multilayered Interference Reflector：ＭＩＲ）（４２０）を含んでいる。高精細空洞（４１０）は、いずれも層（４１５）の屈折率を下回る屈折率を有する層（４１２）と層（４１７）との間に挟持された高屈折率を有する層（４１５）を含んでいる。光の特定の衝突角度θにおける高精細空洞（４１０）の反射率スペクトルは、狭いディップ（dip）を有している。波長とディップの幅との比率として定義される空洞の精細度（finesse）は、好ましくは、５を上回っている。ＭＩＲ（４２０）は、高屈折率を有する層（４２１）と低屈折率を有する層（４２２）の交互に変化する構造を含んでいる。空洞（４１０）の反射率のディップとＭＩＲ（４２０）のストップバンドの反射率の最大値のスペクトル位置は、いずれも角度θの関数である。空洞（４１０）とＭＩＲ（４２０）は、空洞のディップとＭＩＲのストップバンドの反射率の最大値のスペクトル位置が、単一の角度θ＝θ0において一致し、かつ、角度がθから逸脱するに伴って離隔するように、設計されている。この特定の波長λ0は、空洞（４１０）内に閉じ込められている傾斜光学モードが、ＭＩＲ（４２０）を介した最小漏れ損失を有している波長である。これにより、傾斜空洞型レーザーの傾斜光学モードの選択が円滑に実行され、かつ、この波長λ0におけるレーザー発振が保証される。
【００３６】
図４の（ｂ）は、米国特許出願第１０／９４３，０４４号による傾斜空洞型レーザーの構造（４５０）を概略的に示しており、この場合は、高精細空洞（４１０）は、ＭＩＲ（４２０）とＭＩＲ（４７０）との間に挟持されている。傾斜光学モードの選択は、前述の構造（４００）と同一の原理に基づいている。
【００３７】
図５の（ａ）は、米国特許出願第１０／９４３，０４４号による傾斜空洞型レーザー内における共振傾斜光学モードの空間プロファイルを概略的に示している。この傾斜空洞型レーザーは、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ構造に基づいている。図５の（ｂ）には、アルミニウム含有量が示されている。
【００３８】
図６の（ａ）および（ｂ）は、垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の２つの可能な設計を示している。また、この図は、レーザー光が上部ミラーを介して出射される傾斜空洞型レーザー（ＴＣＬ）の２つの可能な設計をも示している。
【００３９】
図６の（ａ）に示されているＶＣＳＥＬの従来の設計（６００）は、底部分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）（６２０）、活性領域（６０６）を含む空洞（６１０）、および上部ＤＢＲ（６３０）を含んでいる。底部ＤＢＲ（６２０）および上部ＤＢＲ（６３０）は、いずれも、第１屈折率を有する層（６２１）と第２屈折率を有する層（６２２）の交互に変化する周期的な構造を含んでいる。第２屈折率は、第１屈折率を下回っている。活性領域（６０６）が、空洞（６１０）内に配置されており、この空洞は、好ましくは、低屈折率を有する材料から形成されている。上部ミラーを介して伝搬するモード、および、導波路に沿って伝搬する寄生モードまたは基板内に漏洩する寄生モードの両方を含む複数の光学モードにおいて、レーザー発振閾値未満にて、光の放射が発生する。
【００４０】
幅が２００ｎｍのＤＢＲストップバンドを仮定すると、「共振（resonant）」空洞放射（例えば、１．３μｍにおける共振空洞放射）は、約５°未満の角度においてのみ、ＤＢＲによって反射されることが可能である。既に入射角度１０°において、ストップバンドの長波長エッジが１．２７μｍにシフトしており、１．３μｍの放射の大部分が基板内に漏洩する。
【００４１】
活性領域（６０６）内における放射再結合に由来する光子は、基板内に漏洩する可能性がある（矢印６４２参照）。さらには、全内部反射の角度を上回る角度において上部半導体と空気との界面に衝突する光子は、光電子装置から出射されることが不可能である。これらの光子は、反射されて戻り、最終的に基板内に漏洩する（矢印６４３参照）。また一方で、活性領域内において生成される光子も、横導波モードに変換されることが可能である（矢印６４１参照）。通常、空洞は十分に広いことから、許容される導波モードの数は大きい。図６の（ａ）には、この光電子装置の共振光学モードが、電界強度の二乗｜Ｅ｜2の垂直座標（ｚ）に対する依存性として示されている。
【００４２】
図６の（ｂ）は、本発明の一実施例によるＶＣＳＥＬ（６５０）を示している。前述の図６の（ａ）のＶＣＳＥＬとは対照的に、図６の（ｂ）のＶＣＳＥＬ（６５０）においては、空洞（６６０）は、低屈折率を有する材料から形成されている。この図６の（ｂ）の構造は、反導波路構造である。上記のＶＣＳＥＬにおいては、活性領域は、低屈折率を有する空洞内に配置されており、寄生モードが抑制されている。傾斜モードは、部分的または完全に反射され（矢印６７４参照）、層表面に対して非常に大きな角度を有して到来するモードのみが活性領域内に進入し、かつ、活性領域内の利得媒質（gain medium）と弱いオーバーラップを有している。対照的に、垂直共振器のモード（６３３）のみが、明確な状態に維持され、かつ、高い閉じ込め係数を提供している。図６の（ｂ）には、この光電子装置の共振光学モードが、電界強度の二乗｜Ｅ｜2の垂直座標（ｚ）に対する依存性として示されている。
【００４３】
空洞を反導波路型にする１つの方法は、空洞の屈折率とＤＢＲの平均屈折率との間に次のような式（１）の関係を提供するものである。
【００４４】
ｎcavity＜ｎDBR      （１）
【００４５】
ここで、ＤＢＲの平均屈折率とは、屈折率の二乗の平均の重み付けされた平方根として定義されている。したがって、それぞれの周期が厚さｄ1と屈折率ｎ1の第１層と厚さｄ2と屈折率ｎ2の第２層をさらに含む周期的構造を有するＤＢＲの場合には、ＤＢＲの有効屈折率は、次の式（２）（〔数１〕）のように近似することが可能である。
【００４６】
【数１】
2007533126.tif 000003
【００４７】
本発明の別の実施例においては、傾斜空洞型レーザーは、空洞の屈折率がＭＩＲの有効屈折率を下回っており、これにより、寄生光学モードの効果的な抑制を可能とするように設計された少なくとも１つの空洞と少なくとも１つの多層干渉反射器（ＭＩＲ）とを含むように、設計されている。
【００４８】
ＶＣＳＥＬ（６５０）を構成する層は、屈折率間における前述の関係（式（１））を遵守する必要があり、かつ、好ましくは、基板に対して格子整合されるかまたは略格子整合されている。量子井戸、量子細線のアレイ、もしくは量子ドットのアレイの単層構造あるいは多層構造、またはこれらの任意の組み合わせとして実現される活性媒質は、格子整合されていない薄い層を包含することが可能である。別の実施例においては、上記の光電子装置の構造全体が、基板に対して格子整合されていない変成（可塑性物質により緩和された）バッファ（metamorphic buffer）上に成長している。上部ＤＢＲまたは上部ＭＩＲは、半導体もしくは誘電体層、またはこれらの任意の組み合わせから形成されることが可能である。可能な材料の組み合わせは、当技術分野において周知である（例えば、シー．ダブリュー．ウィルムセン(C. W. Wilmsen）、エイチ．テムキン（H. Temkin）、およびエル．エー．コールドレン（L. A. Coldren）（編者）による「垂直空洞面発光レーザー（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）：設計、製造、評価および応用（Design, Fabrication, Characterization, and Applications）」（ケンブリッジ大学出版（Cambridge University Press），１９９９年）であり、この内容は、本願にて引用されることより本願明細書に包含されている）。
【００４９】
本発明の別の実施例においては、垂直空洞型または傾斜空洞型レーザーは、寄生モードが基板とコンタクト層に対して大きな漏れ損失を有するように、設計されている。この漏れ損失は、好ましくは、１０ｃｍ-1を上回っている。
【００５０】
本発明のさらに別の実施例においては、垂直空洞型または傾斜空洞型レーザーは、寄生モードが、稼動するｐ−ｎ接合内において小さな閉じ込め係数を有するように、設計されている。この小さな閉じ込め係数は、好ましくは、３を上回る係数だけ、共振光学モードの閉じ込め係数よりも低い値になっている。この稼動するｐ−ｎ接合とは、レーザーおよび光増幅器内においては、光を放射する接合であり、光検出器内においては、光を吸収する接合である。
【００５１】
本発明の別の実施例においては、垂直空洞型または傾斜空洞型レーザーは、寄生モードの第１グループの基板またはコンタクト層に対する漏れ損失が、好ましくは、１０ｃｍ-1を上回るように、設計されている。この実施例においては、寄生モードの第２グループの光学モードの稼動するｐ−ｎ接合内における閉じ込め係数が、好ましくは、３の係数だけ、共振光学モードの閉じ込め係数よりも低い値になっている。
【００５２】
（空洞内におけるパーセル効果（Purcell effect））
反導波路設計の利点は、パーセル効果に関係している。パーセル効果とは、発光する発振器が高精細共振器の空洞モードを有する（光子エネルギーおよび空間の両方における）共振内に配置された場合に、不均一な広がりが空洞のディップ幅（dip width）を下回っているときには、この共振モードにおける放射再結合の確率が、空洞の精細度（Ｑ）に等しい倍数だけ増大するというものである。約０．１ｎｍの空洞のディップと１３００ｎｍの波長を有する量子ドット（ＱＤ）ＶＣＳＥＬの場合には、Ｑ係数は、１３００ｎｍ／０．１ｎｍ、すなわち、約１３，０００であるものと推定される。このＱ係数の数値は、エスケープ（escape）の前の空洞内における光子サイクルの平均数に対応している。低温においては、ＱＤ内における均一な広がりが非常に小さく（数μｅＶ(マイクロエレクトロンボルト））、この条件が満たされる。
【００５３】
上記のような改善の物理的な理由は、次のとおりである。同一の光子が、１回だけでなく、空洞の精細度によって規定される回数だけ、共振的でかつコヒーレント性を有する（coherently）発振器と相互作用を行う。
【００５４】
室温において、深いＱＤは、約１〜１０ｍｅＶ、または１〜１０ｎｍ（単一のＱＤの光ルミネッセンスの場合）の均一な広がりを示し、放射再結合の確率の改善は、最大で１００〜１０００倍となる。
【００５５】
ただし、改善が期待される放射の角度は、非常に小さく、かつ、空洞内に閉じ込められている垂直モードの数によって規定されるという点に留意する必要がある。したがって、垂直方向における放射再結合の確率の改善にもかかわらず、上記の改善は、相対的に小さな放射再結合の確率を有している。しかしながら、この相対的に小さな放射再結合の確率は、非常に大きな放射角度にて利用可能である寄生モードにおける光の放射により、十分に相殺されることが可能である。したがって、パーセル効果は、寄生放射モードが抑制されている状況においてのみ、計測可能である。この抑制されている状況は、通常、（横モードにおける反射率のストップバンドを示し、かつ、活性状態の垂直モードを閉じ込める）空洞の周りのフォトニック（photonic）結晶のエッチングによって実現される。酸化物アパーチャ閉じ込めモードを１０°Ｋにおいて使用することによっても、ある程度の改善を実現することが可能である（エル．エー．グラハム（L. A. Graham）、ディー．エル．ハッファカー（D. L. Huffaker）、およびディー．ジー．ドッペ（D. G. Doppe）による「自然酸化物アパーチャを有する微小空洞共振器における自然放出の寿命の制御（Spontaneous lifetime Control in a Native-Oxide-Apertured Microcavity）」（応用物理レター（Applied Physics Letters），７４巻，１７号，２４０８〜２４１０頁，１９９９年）を参照のこと）。
【００５６】
（浪費状態の占有）
レーザー発振に必要とされるものは、１つまたは複数の垂直空洞モードに対する共振状態のみである。したがって、低エネルギーサイドおよび高エネルギーサイドの両方における放射状態の残りの部分は、浪費状態を占有しているものと考えられる。従来の設計においては、これらの浪費状態は、放射的に活性状態になっており、結果的に放射漏れをもたらしている。ＶＣＳＥＬにおいては、占有すべき浪費状態の数が大きいため（高外部損失を解消するために、高利得が必要である）、放射漏れにより、閾値電流が増大し、さらなる熱が生成されることになる。
【００５７】
本発明の反導波路構造には、導波モードが存在していない。さらには、共振空洞波長を上回る波長を有する放射の垂直共振導波モードは不可能である。この結果、これらの浪費状態は、相当に小さな放射漏洩によって効果的に占有されることが可能である。
【００５８】
傾斜空洞型レーザーが、本発明に従って設計され、かつ、反導波路空洞を含んでいる場合には、傾斜空洞型レーザーは、ＶＣＳＥＬと同一の利点を有している。活性媒質との大きなオーバーラップを有する導波光学モードが存在していないため、寄生放射チャネルの数が顕著に抑制される。
【００５９】
（トランスペアレンシー（transparency）電流）
従来の設計においては、放射再結合漏れが発生するという事実に加え、漏れ光子が活性媒質によって吸収されないことから、この漏れは、利得媒質の透明化に寄与しない。約１０〜３０ｃｍ-1のモード吸収および１０〜２０マイクロメートル（μｍ）のＶＣＳＥＬアパーチャの場合には、吸収される光子の量は、無視することが可能である。
【００６０】
対照的に、共振垂直（または、傾斜）モードの場合には、共振モードのマルチパス特性によって吸収が改善されるため、光は、電子的状態を非常に効果的に占有する。
【００６１】
したがって、反導波構造を使用することによって従来のモードが抑制されている場合には、非常に小さな電流（抑制された浪費状態と共振光子のリサイクリング）により、トランスペアレンシー状態に到達することが可能である。
【００６２】
（誘導放出の損失）
従来のＶＣＳＥＬにおいては、利得の異方性は、空洞によってではなく、量子井戸または量子ドットの対称性と歪プロファイルによって規定されている。閾値未満においては、誘導放出によって生成される光が伝搬し、すべての方向において増幅される。ＶＣＳＥＬモードの利点は、光のわずかな部分（小さな角度）における高度な反射性を有するＤＢＲに起因した低損失にある。
【００６３】
浪費放射モードの抑制は、誘導放出漏れチャネルの抑制にも有用である。望ましくない角度における放射が効果的に除去されることから、この浪費放射モードの抑制は、発光ダイオード（Light emitting diode：ＬＥＤ）の場合に、特に重要である。
【００６４】
（利得）
誘導放出における限られた数の可能なチャネルしか有していないことにより、結果的に、共振空洞モードに近接した相対的に狭い角度範囲内に分布した光学モード内に光子が顕著に濃縮されることになる。誘導放出の確率は、共振光子の密度に比例していることから、空洞のマルチパス特性を考慮しない場合にも、上記の結果は、特定の方向のみにおける利得の改善に結びつく。パーセル効果に起因した相対的に高い放射再結合の確率により、このような効果が増大する。
【００６５】
（技術的利点）
従来のＶＣＳＥＬは、ウエハが良好であり、かつ、光電子装置が実際にレーザー光を生成するということが証明される前に、すべて処理される必要がある。このウエハが、単純なエッジエミッタ（ストライプまたは四方がクリービング（cleaved）されたもの）として試験される場合には、上記ウエハは、低損失の導波モードにおいて動作し、表面レーザー発振は不可能である。対照的に、本発明の反導波路ＶＣＳＥＬにおいては、導波モードが不可能であり、垂直レーザー発振を実現し、例えば、垂直方向においてスクラッチング（scratched）がなされた裏面からの面および角における回折光等として検出することが可能である。この結果、評価に要する時間が顕著に低減され、高速の開発ループを実現することが可能になる。
【００６６】
（反導波路光電子装置のさらなる実施例）
本発明の別の実施例は、傾斜空洞型レーザーを開示しており、この傾斜空洞型レーザーは、共振傾斜光学モードにおいてレーザー光を生成するべく設計されている。レーザー光は、垂直方向において、上部ミラーを介して、あるいは、底部ミラーを介して基板に出射される。この実施例の傾斜空洞型レーザーにおいては、低屈折率を有する空洞は、高い平均屈折率を有する２つの多層干渉反射器（ＭＩＲ）の間に挟持されている。図６の（ｂ）は、このような傾斜空洞型レーザーを概略的に示しているが、空洞およびＭＩＲは、特定の傾斜角度によって特徴付けられた傾斜光学モードが、最小漏れ損失を有する共振モードとなるように、設計されている。
【００６７】
本発明の別の実施例は、共振光検出器を開示しており、この共振光検出器は、垂直空洞形状または傾斜空洞形状において動作し、かつ、反導波路効果を有する空洞を含んでいる。
【００６８】
図９は、本発明の一実施例による反導波空洞に基づく光検出器（９００）を概略的に示している。このような光検出器（９００）を有する光電子装置は、逆バイアス（９１３）下において動作する。望ましくは反導波路空洞（６６０）内の層（９２６）内に配置されているｐ−ｎ接合において光が吸収されなければ、この光電子装置を介して電流は流れない。外部光（９４３）が、法線方向（９５０）に対して十分に小さな角度において上記光電子装置の上部表面に衝突した際に、ｐ−ｎ接合内において光子が吸収され、電子・正孔の対が生成される。電子と正孔は、電界によって引き離され、光電流が生成される。この光電流は、マイクロ電流計（９６０）によって計測可能である。
【００６９】
この光検出器の新規な特徴は、ｐ−ｎ接合との十分なオーバーラップを有する特定の光学モードにおける光のみが光電流に寄与するという点にある。したがって、到来する光の波長における選択性に加え、この光検出器（９００）は、到来光の伝搬方向においても選択性を有しており、特定の方向から伝搬する光のみを検出する。これは、特定のアプリケーションにとって重要であろう。
【００７０】
別の実施例も可能であり、この場合には、共振空洞光検出器は、別の光電子装置との組み合わせにおいて動作する。この場合に、上記の別の光電子装置は、エバネセント電磁場（evanescent  electromagnetic field）の形態において当該光電子装置の外部に出射される光学モードの光を生成する。本発明の光検出器は、このような光を生成する光電子装置の近接電磁場ゾーン内において光を検出する能力を有している。
【００７１】
本発明のさらに別の実施例は、光増幅器を開示しており、この光増幅器は、垂直空洞形状または傾斜空洞形状において動作し、かつ、反導波路空洞を含んでいる。
【００７２】
本発明の別の実施例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を開示しており、この発光ダイオードは、垂直空洞形状または傾斜空洞形状において動作し、反導波路空洞を含んでいる。
【００７３】
当業者であれば、反導波路空洞を含む垂直空洞面発光レーザー、傾斜空洞型レーザー、光増幅器、光検出器、または発光装置の好適な実施例を様々な方法で拡張することが可能であることを理解するであろう。
【００７４】
活性領域から離隔した状態において、１つもしくは複数の多層干渉反射器（ＭＩＲ）、または、１つもしくは複数の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）に、追加層を追加することが可能である。この結果、空洞に近接したＭＩＲまたはＤＢＲの部分は、式（１）を満足する式（２）による重み付けされた平均屈折率を有することになる。この結果、この光電子装置は、前述のすべての利点を有する反導波路空洞を含む光電子装置として動作する。また一方で、追加の離隔した層を含むＭＩＲまたはＤＢＲの全体にわたって平均化された屈折率は、必ずしも式（１）を満足することにはならない。このため、空洞の屈折率は、好ましくは、空洞に近接したＭＩＲまたはＤＢＲの部分の平均屈折率を下回っている。
【００７５】
活性領域から離隔した（ＭＩＲまたはＤＢＲに類似した屈折率または異なる屈折率を有する）追加層は、本発明の光電子装置の動作に対して影響を及ぼさない。
【００７６】
また一方で、第２の導波路空洞が形成され、かつ、垂直方向に対して大きな傾斜角度で伝搬する寄生光学モードが可能となるように、新しい層を追加することも可能である。本発明に従って光電子装置が動作するのに必要とされる条件は、この寄生光学モードの活性媒質とのオーバーラップが小さいということである。
【００７７】
さらなる実施例は、当技術分野において周知のように、コンタクト層、接点、および酸化物アパーチャという要素の中の１つまたは複数のものをさらに含んでいる（例えば、シー．ダブリュー．ウィルムセン、エイチ．テムキン、およびエル．エー．コールドレン（編者）による「垂直空洞面発光レーザー（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）：設計、製造、評価および応用（Design, Fabrication, Characterization, and Applications）」（ケンブリッジ大学出版，１９９９年）である）。追加形成された層は、半導体層および誘電体層の両方、またはこれらの組み合わせであってよい。
【００７８】
ＭＩＲまたはＤＢＲは、ｎ接点側からｎドーピングを行うことが可能である。ＭＩＲまたはＤＢＲは、ｐ接点側からｐドーピングを行うことが可能である。代替実施例においては、ＭＩＲまたはＤＢＲは、ドーピングがなされていないかまたは１つもしくは両方の側から弱くドーピングがなされているにすぎず、接点は、好ましくは、空洞内接点として実現されている。
【００７９】
コンタクト層、接点、酸化物アパーチャ等のすべての追加要素と、ｐ−ｎ接合に対してバイアスを印加するための（例えば、ドーピングがなされたＤＢＲまたは空洞内接点を介した）様々な方法（この場合に、ＤＢＲは、ドーピングがなされていないか弱くドーピングがなされた状態にとどまっている）については、当技術分野において周知である。ＶＣＳＥＬ用の可能な材料の組み合わせは、当技術分野において周知である（例えば、シー．ダブリュー．ウィルムセン、エイチ．テムキン、およびエル．エー．コールドレン（編者）による「垂直空洞面発光レーザー（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）：設計、製造、評価および応用（Design, Fabrication, Characterization, and Applications）」（ケンブリッジ大学出版，１９９９年）である）。上部表面または基板を介して光を放射するべく設計された傾斜空洞型レーザーにおいては、類似の要素および技術的ソリューション（solution）が可能である。また、類似の要素および技術的ソリューションは、垂直空洞光増幅器として動作するべく設計されたものと、傾斜空洞光増幅器として動作するべく設計されたものの両方の光増幅器において可能である。また一方で、類似の要素および技術的ソリューションは、垂直空洞光検出器として機能するべく設計された光検出器と、傾斜空洞光検出器として動作するべく設計されたものの両方の共振空洞光検出器において可能である。
【００８０】
（反導波路空洞を含む波長可変共振光電子装置）
本発明は、可変垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）および可変傾斜空洞型レーザーにも適用することが可能であり、この場合には、空洞は、光生成要素および変調器要素の両方を含んでいる。変調器要素は、変調層を含んでおり、この屈折率は、量子閉じ込めスターク効果（Stark effect）に従って、あるいは、ブリーチング（bleaching）の効果により、電子的にチューニング（tuning）を行うことが可能である。空洞内の１つの層内における屈折率のチューニングを行うことにより、結果的に、放射されるレーザー光の波長がシフトする（エヌ．エヌ．レデンツォフ（N. N. Ledentsov）およびブィー．エー．シュキン（V. A. Shchukin）による「波長可変垂直空洞面発光レーザーおよび波長可変垂直空洞面発光レーザーを作製する方法（Wavelength-Tunable Vertical Cavity Surface Emitting Laser and Method of Making Same）」という名称の２００３年８月２６日付けで発行された米国特許第６，６１１，５３９号と、エヌ．エヌ．レデンツォフおよびブィー．エー．シュキンによる「波長可変レーザーおよび波長可変共振光検出器のアレイに基づくインテリジェント波長分割多重システム（Intelligent Wavelength Division Multiplexing Systems Based on Arrays of Wavelength Tunable Lasers and Wavelength Tunable Resonant Photodetectors）」という名称の２００３年１１月６日付けで公開された米国特許公開公報第２００３／０，２０６，７４１号を参照されたい。上記の米国特許および米国特許公開公報の両方が、本願にて引用されることにより本願明細書に包含されている）。
【００８１】
本発明の光電子装置が、ｍλの空洞を含んでおり、かつ、空洞のスペクトル共振の波長の傾斜角度θに対する依存性が次の式（３）（〔数２〕）のように表されるものと仮定する。
【００８２】
【数２】
2007533126.tif 000004
【００８３】
ここで、θcavityは、空洞内における傾斜モードの伝搬角度である。
【００８４】
ＭＩＲのストップバンドの反射率の最大値は、次の式（４）によって付与される。
【００８５】
λMIR＝２ｎMIRＤMIRｃｏｓθMIR      （４）
【００８６】
ここで、θMIRは、ＭＩＲ内における所定の傾斜モードの伝搬の平均角度である。
【００８７】
共振光学モードは、「光学モードの特定の伝搬角度において、空洞の共振波長が、ＭＩＲのストップバンドの最大反射率の波長と一致する」という基準によって決定される。これは、空洞とＭＩＲとの間の位相整合の基準である。ここで、空洞の屈折率が変化するものとしよう。この場合には、異なる波長における光学モードは、もはや、ＭＩＲの反射率のストップバンドの最大値に対応しておらず、位相整合条件に違反している。ＭＩＲのストップバンドが狭い場合には、光学モードの小さな漏れ損失を保証することから、位相整合条件は、非常に重要である。空洞モードの波長がＭＩＲのストップバンドの外にシフトするように、空洞の屈折率が増大した場合には、位相整合条件が、もはや満足されず、レーザー発振は不可能である。空洞の屈折率が減少した場合には、位相整合条件は、伝搬の異なる角度および異なる波長において満足することが可能であり、かつ、共振光学モードの波長のシフトを決定することが可能である。
【００８８】
対照的に、ＭＩＲのストップバンドが広い場合には、位相整合の役割は、重要ではない。共振波長の変化は、主に空洞の屈折率の変化によって決定される。これらの２つの状況が、光電子装置の導波路設計および反導波路設計における異なる結果に結びつくことになる。
【００８９】
まず、光電子装置の従来の「導波路」設計を検討しよう。この場合には、次の式（５）が成立する。
【００９０】
ｎcavity＞ｎMIR      （５）
【００９１】
空洞およびＭＩＲ内における傾斜モードの伝搬角度については、次の式（６）のように、反対の関係が当てはまる。
【００９２】
θcavity＜θMIR      （６）
【００９３】
次に、式（３）による空洞の共振波長と式（４）による最大のストップバンドの反射率の波長とを単一の角度（例えば、θ＝θcavity）の関数としてプロットする。この結果、θMIR＞θcavityであることから、式（６）により、λMIRは、λcavityを下回る角度において消滅し、２つの曲線（λcavity（θ）における（７０４）とλMIR（θ）における（７０５））は、図７の（ａ）に示されているように振舞うことになる。図７の（ａ）の空洞は、ＭＩＲを上回る屈折率を有している。空洞およびＭＩＲは、共振モードが、横方向の面に垂直の方向に対して傾斜した方向に伝搬する傾斜モードとなるように、設計されている。
【００９４】
次に、次の式（７）のように、空洞の平均屈折率が増大するように変調器の屈折率が変化するものとしよう。
【００９５】
ｎ′cavity＝ｎcavity＋Δｎ＞ｎcavity      （７）
【００９６】
共振波長の対応するシフトは、２つの効果の相互作用に依存している。第１の効果は、空洞の屈折率の平均変化である。第２の効果は、空洞を形成している隣接層間（特に、変調器と当該変調器に隣接する層との間）における整合条件に関係している。これらの２つの効果の相対的な重要性は、垂直入射におけるＭＩＲのストップバンドの幅Δλstopbandと量（λMIR（０）−λ0）との間の関係に依存している。広いストップバンドの場合には、次の式（８）のように表される。
【００９７】
Δλstopband＞｜λMIR（０）−λ0｜      （８）
【００９８】
波長のシフトは、主に空洞の平均屈折率の変化によって決定され、位相整合条件は、役割を果たさない。変調器の平均屈折率が増大すると、式（７）により、共振波長も増大する。狭いストップバンドの場合には、次の式（９）のように表される。
【００９９】
Δλstopband＜｜λMIR（０）−λ0｜      （９）
【０１００】
ここでは、整合条件が重要な役割を果たすことになる。この場合には、共振波長は、２つの曲線λcavity（θ）およびλMIR（θ）が交差する交差点によって決定される。空洞の屈折率が式（７）に従って増大すると、空洞の共振波長は、曲線（７０４）の代わりに、点線曲線（７０６）によって示される。この結果、交差点の波長は、長い波長に向かってシフトし、次の式（１０）のとおりである。
【０１０１】
λ′＞λ0      （１０）
【０１０２】
したがって、導波路傾斜空洞型光電子装置の場合には、空洞の平均屈折率における増大は、共振波長の相対的に大きな値へのシフトに結びつくことになる。
【０１０３】
反導波路空洞の場合には、異なる状況が発生する（この場合には、次の式（１１）のとおりである）。
【０１０４】
ｎcavity＜ｎMIR      （１１）
【０１０５】
この場合においても、ストップバンドが広ければ、共振波長のシフトは、主に空洞の平均屈折率の変動によって決定される。この結果、空洞の平均屈折率が増大するように変調器の屈折率が変化すると、共振波長は、この場合にも、相対的に大きな値に向かってシフトすることになる。
【０１０６】
ストップバンドが狭い場合には、非常に異なる状況が発生する。このような状況が、図７の（ｂ）および（ｃ）に示されている。式（１１）が当てはまる反導波路空洞の場合には、角度について、次の式（１２）のように、逆の関係が当てはまる。
【０１０７】
θcavity＞θMIR      （１２）
【０１０８】
ここで、反導波路ＶＣＳＥＬまたは傾斜空洞型レーザーの特定のケースについて考える。この場合には、式（３）および式（４）によって付与される２つの関数は、ポイントθcavity＝θMIR＝０において交差する。空洞の共振波長とストップバンドの最大値のスペクトル位置の両方を同一の角度（例えば、θ＝θcavity）の関数としてプロットする。曲線（７１１）は、空洞の共振波長の角度に対する依存性を示しており、曲線（７１２）は、最大ストップバンド反射率の角度に対する依存性を示している。この場合には、図７の（ｂ）に示されているように、θ＝０を除いて、すべての角度について、λcavity＜λMIRとなっている。
【０１０９】
次に、次の式（１３）のように、空洞の平均屈折率が増大するように変調器の屈折率が変化するものとしよう。
【０１１０】
ｎ′cavity＝ｎcavity＋Δｎ＞ｎcavity      （１３）
【０１１１】
この場合には、空洞の共振波長の傾斜角度に対する依存性は、図７の（ｂ）の点線の曲線（７１３）によって付与される。この曲線（７１３）は、波長λ′＜λ0において、曲線（７１２）と交差する。したがって、空洞の屈折率における増大は、この実施例においては、放射レーザー光の波長の減少に結びつくことになる。図７の（ｂ）の空洞およびＭＩＲは、光電子装置が、変調器に印加されたゼロ電圧の下で動作する際に、共振モードが、垂直方向に伝搬するＶＣＳＥＬモードとなるように、設計されている。
【０１１２】
図７の（ｃ）は、傾斜空洞型レーザーにおける類似の曲線の組を示している。空洞は、ＭＩＲを下回る屈折率を有している。空洞およびＭＩＲは、共振モードが、横方向の面に垂直の方向に対して傾斜した方向に伝搬する傾斜モードとなるように、設計されている。それぞれ、λcavityおよびλMIRを表す２つの曲線（７１４）および（７１５）は、光電子装置の共振傾斜光学モードに対応した非ゼロの角度において交差している。空洞内の変調器の屈折率が、式（１３）に従い、空洞の平均屈折率が増大するように変化した場合には、空洞の共振波長の角度依存性は、曲線（７１６）として示される。２つの曲線が交差する交差点は、相対的に大きな傾斜角度に向かって、かつ、同時に、相対的に短い波長（λ′＜λ0）に向かってシフトする。したがって、傾斜空洞型レーザーにおいては、空洞の屈折率における増大は、放射されるレーザー光の波長の減少に結びつくことになる。
【０１１３】
本発明の別の実施例においては、波長可変共振光検出器が開示されている。この波長可変共振光検出器は、反導波路空洞を有し、かつ、垂直空洞形状または傾斜空洞形状を採用している。この光検出器においては、変調器における屈折率の増大は、結果的に共振光検出器の共振波長の減少をもたらす。
【０１１４】
本発明の別の実施例においては、波長可変共振光検出器は、変調器内の屈折率の増大が、結果的に共振光検出器の共振波長の増大をもたらすように、設計されている。
【０１１５】
本発明のさらに別の実施例においては、反導波路空洞を有し、かつ、垂直空洞形状または傾斜空洞形状を採用した波長可変共振光増幅器が開示されている。この光増幅器においては、変調器内における屈折率の増大は、結果的に共振光増幅器の共振波長の減少をもたらしている。
【０１１６】
本発明のさらに別の実施例においては、波長可変共振光増幅器は、変調器内における屈折率の増大が、結果的に共振光増幅器の共振波長における増大をもたらすように、設計されている。
【０１１７】
本発明のさらに別の実施例においては、波長可変発光ダイオード（ＬＥＤ）が開示されている。この場合には、放射光のスペクトルに関して、利得媒質の同一の固有の放射帯域内においてチューニングがなされている。一実施例においては、波長可変発光ダイオードは、変調器内における屈折率の増大が、結果的に最大放射の波長の減少をもたらすように、設計されている。別の実施例においては、波長可変発光ダイオードは、変調器の屈折率における増大が、結果的に最大放射の波長の増大をもたらすように、設計されている。
【０１１８】
（共振波長の微細チューニング）
図８の（ａ）〜（ｃ）は、傾斜空洞型レーザーによって生成される波長の微細チューニングを行う方法を示している。図８の（ａ）は、図５の（ａ）に類似した共振傾斜光学モードの空間プロファイルを概略的に示している。図８の（ｂ）は、図５の（ｂ）に類似したＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ導波路に基づくレーザーにおけるアルミニウム含有量の空間プロファイルを概略的に示している。図８の（ｃ）は、空洞（６２０）およびＭＩＲ（６１０）を含む傾斜空洞型レーザー（８１０）を概略的に示している。空洞（６２０）は、半導体層（６２２）、活性領域（６０６）、半導体層（６４２）、および誘電体層（８４２）を含んでいる。
【０１１９】
共振光学モードの電界は、半導体層（６４２）および誘電体層（８４２）内において、活性領域から離れるに伴って減衰する。誘電体層（８４２）の厚さおよび屈折率を変化させることにより、共振光学モードの波長のチューニングを行うことが可能である。このチューニングは、好ましくは、次の方式によって実現される。
【０１２０】
１．半導体層（６４２）によって終端された半導体構造を成長させる。
２．この半導体構造を処理し、レーザーを製造する。
３．生成されるレーザー光の波長を計測する。放射レーザー光の計測された波長と要求された波長に応じて、必要な誘電体層の厚さを算出する。
４．算出された厚さを有する誘電体層を形成する。
【０１２１】
このような追加誘電体層は、空洞から離れたところに形成されるため、反導波路空洞としての空洞の主要な特徴に対して影響を及ぼさない。
【０１２２】
本発明の別の実施例においては、この同一の方式を実施することにより、光増幅器の共振波長の微細チューニングを行っている。
【０１２３】
本発明のさらに別の実施例においては、この同一の方式を実施することにより、共振光検出器の共振波長の微細チューニングを行っている。
【０１２４】
以上のように、本発明の代表的な実施例との関連において、本発明について図示および説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、これらの実施例の内部において、かつ、これらの実施例に対して、前述のような変更、省略、および追加、ならびにその他の様々な変更、省略、および追加を実施することが可能であることを理解するであろう。したがって、本発明は、前述の特定の実施例に限定されるものと理解してはならず、添付の特許請求の範囲の請求項に包含される範囲内において実施することが可能であり、かつ、添付の請求項に記述されている特徴に関連したすべての可能な実施例およびその等価物を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】（ａ）は、従来技術によるエッジ発光レーザーの概略図であり、（ｂ）は、ドーピングがなされたミラーを有する従来技術による垂直空洞面発光レーザーの概略図である。
【図２】（ａ）は、エー．ヤリフおよびピー．イェーによる「レーザー放射における結晶内の光波の伝搬および制御（Optical Waves in Crystals. Propagation and Control of Laser Radiation）」（ウィリー，１９８４年）に準拠した６５度の入射角度における多層周期構造の反射率スペクトルを示す図、（ｂ）は、５５度の入射角度における多層周期構造の反射率スペクトルを示す図、（ｃ）は、４０度の入射角度における多層周期構造の反射率スペクトルを示す図、そして、（ｄ）は、０度の入射角度における多層周期構造の反射率スペクトルを示す図である。
【図３】２００２年２月１２日付けで出願された本願発明者による米国特許出願に対応する米国特許公開公報第２００３／０，１５２，１２０号に開示されている傾斜空洞型レーザーの概略図である。
【図４】（ａ）は、高精細空洞および多層干渉反射器を含む傾斜空洞型レーザーの概略図であり、（ｂ）は、２つの多層干渉反射器の間に挟持された高精細空洞を含む構造の概略図である。
【図５】従来技術による傾斜空洞型レーザーにおける共振光学モードの空間プロファイルを表す電界強度の絶対値を示す図である。
【図６】（ａ）は、従来技術による垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の概略図であり、（ｂ）は、本発明の実施例による垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の概略図である。
【図７】（ａ）は、空洞の共振波長および多層干渉反射器（ＭＩＲ）の最大ストップバンド反射率の波長の角度依存性を示す概略図（その１）、（ｂ）は、空洞の共振波長および多層干渉反射器（ＭＩＲ）の最大ストップバンド反射率の波長の角度依存性を示す概略図（その２）、そして、（ｃ）は、空洞の共振波長および多層干渉反射器（ＭＩＲ）の最大ストップバンド反射率の波長の角度依存性を示す概略図（その３）である。
【図８】（ａ）は、傾斜空洞型レーザーの共振光学モードの空間プロファイルを概略的に示す図、（ｂ）は、傾斜空洞型レーザー構造の半導体部分内におけるアルミニウム含有量を概略的に示す図、そして、（ｃ）は、傾斜空洞型レーザー構造の半導体部分上における誘電体層の形成によって空洞が延長されている傾斜空洞型レーザーを概略的に示す図である。
【図９】本発明の別の実施例による反導波路空洞に基づく半導体共振空洞光検出器を概略的に示す図である。
【図１】
2007533126.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2007533126.tif 000014
2007533126.tif 000015