(57)【要約】【課題】本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のためのフォトニック結晶の欠陥構造に向けられる。【解決手段】本発明によると、一連の孔（２４）がパターンを形成し、パターンは、フォトニック結晶のパターン内に、欠陥部（２８）を形成する１つ又はそれ以上の不在孔を有し、孔は、単一の横モード動作を保証するように予め規定される深さ、孔直径、及び、孔ピッチを有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器型面発光レーザのためのフォトニック結晶欠陥構造であって、
パターンを形成するように配列された複数の孔（２４）と、
前記パターン内に含まれる少なくとも１つの不在孔欠陥部（２８）とを有し、
前記孔の直径を孔ピッチで除した比が、孔深さに依存し、かつ、単一の横モード動作が発生するように設定されていることを特徴とするフォトニック結晶構造。
【請求項２】
前記不在孔欠陥部の半径は、単一モードが得られるように設定されている、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
垂直共振器型面発光レーザの一部として形成される、請求項１に記載の構造であって、前記レーザは、
基板（１４）と、
下部の分布型ブラッグ反射鏡（１８）と、
上部の分布型ブラッグ反射鏡（２０）と、
電流開口（３８）と、
上部及び下部電極（１６，２９）と、
前記上部及び下部の分布型ブラッグ反射鏡の間に配設され、活性領域を有する垂直共振器（２２）とを備えることを特徴とする構造。
【請求項４】
前記複数の孔及び前記欠陥部が、前記上部の分布型ブラッグ反射鏡内に形成された有限深さの孔である、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記複数の孔が、前記垂直共振器と前記上部及び下部の分布型ブラッグ反射鏡のそれぞれの少なくとも一部とを貫通して延びる有限深さの孔である、請求項３に記載の構造。
【請求項６】
前記複数の孔が無限深さの孔である、請求項３に記載の構造。
【請求項７】
複数の欠陥部が前記パターン内に配列されている、請求項３に記載の構造。
【請求項８】
前記パターンが７点の欠陥パターンである、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
更に、複数の７点の欠陥パターンを有する、請求項８に記載の構造。
【請求項１０】
前記パターンを複数備えており、該パターンの幾つかは異なり、幾つかは横方向の光学的カップリングが発生するように適合している、請求項３に記載の構造。
【請求項１１】
複数のパターンが、前記孔の寸法、孔間のピッチ、孔深さ及び欠陥部半径を適合させることによって適合している、請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
前記電流開口が、前記共振器内に酸化領域を有する、請求項３に記載の構造。
【請求項１３】
前記電流開口が、前記共振器内にイオン注入領域を有する、請求項３に記載の構造。
【請求項１４】
前記共振器内の屈折率差が、単一の横モード動作を達成するように小さく形成されている、請求項３に記載の構造。
【請求項１５】
前記不在孔欠陥部の半径が、単一モード動作を達成するように設定されている、請求項３に記載の構造。
【請求項１６】
Ｖeffが略２．４０５よりも小さくなるようにレーザのＶ−パラメータが設定されるように寸法が設定され、Ｖeffは、下記式：
【数１】
2007502029.tif 000006
で表される（式中、λは動作波長、ｒは等価欠陥部半径、ｎeffはフォトニック結晶孔パターン及び存在する欠陥部構造を除いた垂直共振器の実効屈折率、Δｎは前記パターン及び前記１つ又はそれ以上の欠陥部によって発生する屈折率低下、γは深さ依存の単一の横モード係数）、請求項１５に記載の構造。
【請求項１７】
Δｎが、最適化によって、Ｖeffを略２．４０５以下に維持するような高い数値に設定される、請求項１６に記載の構造。
【請求項１８】
Δｎが１０−３より大きく設定される、請求項１７に記載の構造。
【請求項１９】
前記パターン内に複数の欠陥部が配列されている、請求項１に記載の構造。
【請求項２０】
垂直共振器型面発光レーザ内のフォトニック結晶欠陥構造であって、
基板（１４）と、
前記基板に電気的に接触する下部電極（１６）と、
前記下部電極と反対の基板面側に形成される下部の分布型ブラッグ反射鏡（１８）と、
上部の分布型ブラッグ反射鏡（２０）と、
パターンを形成するように配列される複数の有限深さの孔（２４）と、前記パターン内の不在孔（２８）とから成る孔であって、前記パターンは前記上部の分布型ブラッグ反射鏡の少なくとも一部に形成され、前記孔の直径、ピッチ及び深さが、深さ依存の単一の横モード係数によって規定される孔と、
活性領域を覆うクラッドを含み、前記上部及び下部の分布型ブラッグ反射鏡の間に配設される垂直共振器（２２）と、
前記パターンよりも大きな開口（３０）を有する上部電極（２９）と、
を備えることを特徴とするフォトニック結晶欠陥構造。
【請求項２１】
複数の欠陥部が前記パターン内に配列される、請求項２０に記載の構造。
【請求項２２】
前記パターンを複数備えており、該パターンの幾つかは異なり、幾つかは横方向の光学的カップリングが発生するように適合している、請求項２０に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の分野である。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光エレクトロニクス、及び、レーザ発光を利用する他のデバイスのための基礎である。横方向に出射するレーザは、商業的に広範囲に利用されている。この型式のレーザは、劈開された端面から横方向に出射する。横方向出射は、高出力が得られるものの、このデバイスを他の同様なデバイスや、異なるデバイスと集積するためには不便である。横方向出射のレーザは、また、楕円形のビームを有し、その楕円形のビーム横断面の長軸に沿ってより大きく拡がる。この楕円ビームの不均一な拡がり及び形状により、横方向出射のレーザ素子では、その有効性が制限されることがある。
【０００３】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、他の型式の半導体レーザである。ＶＣＳＥＬは、垂直方向に出射する。これは、ＶＣＳＥＬを他の同様な、或いは、異なるデバイスと集積するために利点となる。ＶＣＳＥＬは、一般に、横方向出射のレーザよりも低い出力を有するものの、円形の横断面を有するビームを提供する。ＶＣＳＥＬは極めて小型でもある。典型的なＶＣＳＥＬは、厚さが数μｍ〜１０μｍ、直径が１μｍ〜１０μｍである。更に、ＶＣＳＥＬの円形状のビームは、全ての方向に均一に拡がる。ＶＣＳＥＬは、通常は固有の単一の縦モードを示すが、単一の横モード動作を得ることも重要である。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８４８０６号公報
【特許文献２】特開平１１−１８６６５７号公報
【非特許文献１】H.J. Unold et al. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.7, No.2, p386, 2002
【非特許文献２】N. Ueda et al. IEICE Transmission. Electron. vol.E85-C, No. 1, p64, 2002
【非特許文献３】D.G. Deppe et al. Electronics Letters, vol. 33, No. 3, p211, 1997
【非特許文献４】E.W. Young et al., Photon. Technique. Lett. Vol. 13, p927, 2001
【非特許文献５】D.S. Song et al., Appl. Phys. Lett., vol. 80, p3901, 2002.
【非特許文献６】D. Serkland, K.D. Choquette et al., Appl. Phys. Lett. 75, 3754(1999)
【非特許文献７】M. Warren et al., Appl. Phys. Lett. 61, 1484(1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＶＣＳＥＬで単一の横モード動作を得るために、幾つかのやり方が追求されてきた。従来のイオン注入構造では、横方向の屈折率閉じ込め構造がないので、横方向の共振器直径の大きさを制御することにより、単一モードを得ている。このことは、単一モードの出力を本質的に制限することになる。充分に小さな開口直径を有する酸化狭窄のＶＣＳＥＬ構造でも、単一モード動作が実際に得られている。小さな酸化開口により、高次モードをカットオフする単一モード動作が実現する。しかし、酸化領域と非酸化領域の屈折率比は極めて高いので、８５０ｎｍの発振波長では、開口の直径を３〜４μｍよりも小さくしなければならない。この形状は、製造が困難であり、また、必然的に高い電気抵抗をもたらし、出力を１ｍＷ以下に抑えてしまう。ＶＣＳＥＬで単一モード発光を達成するためのもっと複雑なやり方として、表面レリーフエッチング（例えば、非特許文献１参照）や、モード選択性反射（例えば、非特許文献２参照）、高次モードに付加的な回折損失を与える延長共振器構造（例えば、非特許文献３参照）がある。更に、イオン注入と酸化開口とを単一のデバイス内で組み合わせ、単一の横モード動作を得ることも可能である（非特許文献４参照）。これらのやり方は、基本モードと他の高次モードとが或る程度は空間的な重なりを持つために、不要な高次モードと共に基本モードの発振性能をも低下させる。高次モードに散乱損失を導入すれば、それは基本モードにも損失を与える。
【０００６】
日本特許文献には、フォトニック結晶閉じ込めのＶＣＳＥＬに向けられたものがある（例えば、特許文献１，２参照）。これら文献は、孔のパターンを有するフォトニック結晶を示し、動作周波数におけるフォトニック・バンドギャップの存在を前提としている。これら文献と同様に、非特許文献５では、孔のパターン及び欠陥部を含むフォトニック結晶に関して単一モードの存在が断言されている。しかし、これら文献は、単一の横モード動作を示すＶＣＳＥＬの設計を行う際に必要な、デバイスの物理パラメータを設定する手引きを与えていない。
【０００７】
二次元アレイ内でＶＣＳＥＬ間のコヒーレント・カップリングを行うために、幾つかの方策が以前から示されてきた。再成長ステップなどの複雑な製造プロセスが必要になるものの、要素間のカップリングを提供するために、共振器長の変更に基づいた漏れモードのやり方が示されている（例えば、非特許文献６参照）。「市松模様」の位相整合層と組み合わせた画素アレイを深くエッチングすると、最も低い次数のアレイモードのカップリングが得られる旨が示されているが、これもまた複雑な手順を必要とする（例えば、非特許文献７参照）。これらのやり方の目的は全て、中央の遠視野ローブで高い出力を持つ最も低次の超モードを確立することであり、この目的を達成することで、極めて高い（１００ｍＷを超える）出力の単一モードＶＣＳＥＬ光源の開発を可能にすることである。単一の横モード動作、及び／又は、横方向カップリングを可能にする、改良されたＶＣＳＥＬ構造が依然として必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のためのフォトニック結晶欠陥構造に向けたものである。本発明によると、一連の孔がパターンを形成し、該パターンは、フォトニック結晶のパターン内に、欠陥部を形成する１又はそれ以上の不在孔を有し、孔は、単一の横モード動作を保証する所定の深さ、孔径、及び、パターンピッチを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のためのフォトニック結晶の欠陥構造に関する。本発明のＶＣＳＥＬは、不在孔の欠陥部を含む孔パターンを持つフォトニック結晶を有し、孔、パターンピッチ、及び、孔深さは、単一の横モードが得られるような寸法を有する。不在孔の欠陥部を含むこのパターンは、単一の横モード動作のために必要であり、発明者らによる計算及びシミュレーションでは、この欠陥部がなければ、また、単一の横モードが得られるような寸法を有する孔径、パターンピッチ、及び、孔深さでなければ、どんなに最適な構造をもってしても、動作周波数でフォトニック・バンドギャップが得られないことが示された。本発明の別の態様では、欠陥部を有する孔パターンによって形成される閉じ込め構造が最適な構造を与える。最適構造は、１つ以上の縦方向共振器中で、横方向の光モードプロファイルを適切に設計することにより実現される。本発明の別の態様では、孔のパターンの形状的な特性、及び、不在孔欠陥部を設定することにより、２つ以上の縦方向共振器間のカップリングが適切に設計される。
【００１０】
本発明のレーザには、多くの用途がある。例示的な１つの用途は、高速光通信システム、及び／又は、データ回線である。そのようなシステムでは、単一の横モード発振特性を持つＶＣＳＥＬが、鍵となる部材である。更に、二次元アレイ内で横方向にコヒーレント・カップリングされた複数のＶＣＳＥＬの新しい応用も発生するであろう。横方向にカップリングされた共振器は、光プロセッシング用途のための鍵となる部材を提供する。発光応答をカップリングすることは、論理素子として使用できる。
【００１１】
以下、本発明を、好適な実施形態のレーザ素子について記述し、かつ、欠陥パターンを有する好適な孔について述べながら説明する。本発明の記述では、特別に例示する素子、製造プロセス、及び、素子用途は、例示の目的で用いられる。各寸法、及び、例示する素子は、本発明の記述及び理解のために幾らか誇張している。図示した要素は、必ずしも、互いの相対関係で寸法通りではない。図面を通して、同様な参照符号により、正確に同一ではないが対応する同様な部品を示している。模式的な図面は、当業者によって、そのような図面がこの分野で共通に用いられているものと理解されよう。本発明の素子は、従来の設備を用いて製造され得る。
【００１２】
図１を参照すると、フォトニック結晶の欠陥構造１２を有する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、垂直断面の模式的斜視図で示されている。本素子は基板１４を有し、該基板１４は、その底面に形成されかつ基板１４と電気的に接触する下部電極１６を有する。下部の分布型ブラッグ反射鏡１８が、下部電極１６と反対側の基板１４面側に形成されている。上部の分布型ブラッグ反射鏡２０は、垂直共振器２２の上側部分を構成しており、該垂直共振器２２は、活性領域を覆うクラッドを有する。ＶＣＳＥＬ１０の横方向閉じ込めは、深さに依存した単一の横モード係数に従って寸法が定められた複数の孔２４によって得られる。好適な態様では、孔は、単一の横モード係数に従って寸法が定められた有限深さの孔であり、また、別の態様では、孔は、単一の横モード係数に従って寸法が定められた無限深さの孔である。有限深さの孔とは、孔がＶＣＳＥＬ内のビームの全反射光路の長さよりも短い深さを有することを意味しており、一方、無限深さの孔は、ビームの全反射光路の長さと同じか、またはそれ以上の長さを有するものである。本発明の単一の横モード係数により、深さに従って、孔径をパターンピッチで割った比率が設定される。有限深さの孔は、現在の製造技術で容易に達成可能な直径／ピッチ比を必要とする。無限深さの孔は、単一モード動作を数学的に支持するような直径／ピッチ比を必要とする。本発明の単一の横モード係数に従って形成される無限深さの孔のアスペクト比は、容易に定められるものの、製造することは容易でないかも知れない。現在の製造プロセスの改良と、孔形成技術の発展とが、無限深さの孔を用いる態様で本発明を適用することに有益となる。
【００１３】
孔２４は、パターン２６を形成するように配列され、パターン２６は、パターン内の欠陥部２８に１つ以上の不在孔を含む。上部電極２９は開口３０を有し、開口３０はパターン２６より長くとも或いは短くともよい、複数のパターンであって各パターンが１つ又はそれ以上の孔欠陥部を含むパターンを形成してもよく、各欠陥部２８が１つ以上の不在孔を含んでもよい。電極１６、２９に電力を供給すると、ＶＣＳＥＬ１０は、欠陥部２８が存在する領域からビームを出射する。
【００１４】
パターン２６内の孔２４は、空隙であり、又は、孔が形成される材料に比して屈折率が高いか又は低い材料を含むものであり、空孔と称してもよい。孔は、単純なエッチングで形成してもよい。孔の最小径は、それらのピッチ及び深さに依存する。しかし、それ以外の場合には、特別に設計されかつ最適化された本発明の態様を得るために、孔径を調整することが出来る。別の態様が図２及び図３に示されている。図２の態様では、パターン２６は、上部及び下部の分布型ブラッグ反射鏡２０、１８の双方及び垂直共振器２２を貫通して延びている。
【００１５】
上記素子の全ては、１つの欠陥部２８を有し周期的に配列された孔２４のパターン２６によって形成された二次元フォトニック結晶を有する。図１の孔２４は、三角形の格子状に配列されている。１つ以上の孔２４が除かれて、少なくとも１つの不在孔欠陥部２８が形成される。この六角形状の欠陥サイト２８は、単一の横モード閉じ込め型ＶＣＳＥＬの中心である。四角形状の欠陥を有する方形パターンも、単一の横モードを閉じ込めるために設計できる。同様に、１つの大きなパターン２６内に存在するアレイ状の複数欠陥部２８により、横方向に閉じ込め構造を持つ複数のＶＣＳＥＬの二次元アレイが得られ、そのアレイ内では、個々の欠陥間のカップリングが、孔２４の寸法（直径）、孔間のピッチ、孔深さ、及び、欠陥半径を変化させることにより、設計できる。
【００１６】
イオン注入又は酸化された領域３６が、垂直共振器の領域内で電流開口３８を形成してもよい。電流開口は、フォトニック結晶の欠陥部の直径と同じでもよく、或いは、これより大きくても小さくてもよい。
【００１７】
図１の実施形態において、（垂直共振器２２内部の）活性領域は、孔２６と接してはおらず、キャリア損失となるキャリアの非発光性再結合は発生しない。また、孔深さは、典型的には略５μｍ未満であり、図２の実施形態のような深孔２４に比べて作製が容易である。図１の実施形態では、パターン化されたフォトニック結晶構造を有する上部ＤＢＲが、モード選択性フィルタとして作用する。
【００１８】
図２の実施形態は、共振器２２の下まで届く深孔２４を有する。完全な単一モードの導波路がこの実施形態で実現される。しかし、この構造は、先の素子に比して、幾らかの困難性、つまり、より深いエッチングと、活性領域の露出した表面での非発光性再結合とを有する。非発光性再結合は、フォトニック結晶の欠陥部の直径よりも電流路を小さく規定することによって、減少させることが出来る。
【００１９】
図３の実施形態は、垂直共振器２２の内部と、上部及び下部の分布型ブラッグ反射鏡１８、２０の一部である垂直共振器２２の隣接部のみに、フォトニック結晶構造を有する。この場合、垂直共振器２２内の活性領域では基本モードのみが発生する。双方のＤＢＲは、孔がなく殆ど完全であるので、実施形態の構造の内では、最も高い反射率が期待できる。この構造は、フォトニック結晶の欠陥部の直径よりも電流路が小さく決定されなければ、非発光性再結合の問題がある。
【００２０】
例示的な材料の組み合わせが表１及び２に示されている。一般的には、いかなる材料も、本発明のＶＣＳＥＬ素子に適当である。
【表１】
2007502029.tif 000002
【表２】
2007502029.tif 000003
【００２１】
ＶＣＳＥＬ素子の製造方法は、従来のＶＣＳＥＬ素子の製造プロセスと同様であるが、孔２４を形成するための追加のエッチング、又は、材料除去プロセスが含まれる。例示すると、図１の素子は、上部及び下部の分布型ブラッグ反射鏡２０、１８、垂直共振器２２のクラッド及び活性領域を、結晶成長により、例えば、有機金属化学気相成長や分子線エピタキシーで形成する。ブラッグ反射鏡内のパターンを、従来方法で形成する。電流開口３８を、例えば、フォトレジストをマスクとするイオン注入によって形成する。誘電体蒸着（例えば、プラズマ化学気相成長によるＳｉＮｘ膜）によって、エッチングマスクとして使用できる薄い層を形成する。絶縁材料中にパターンを形成するための電子線リソグラフィーによって、パターンマスクを形成する。次いで、ドライエッチング（例えば、誘導結合反応性プラズマエッチング）によって孔を形成する（例えば、フォトニック結晶の格子定数ａに対する孔径ｂの比率は、ｂ／ａ＝０．１とする）。次いで、（例えば、反応性イオンエッチングによって）誘電体マスクを除去する。その後に、金属加工（例えば、上部のブラッグ反射鏡の表面上での従来のリフトオフ法）によって、上部電極２９を形成する。
【００２２】
規格化周波数、つまり、Ｖ−パラメータを使って、円筒形状の導波路、例えば光ファイバ内を通すモード数を決定する。発明者らは、本発明に係るＶＣＳＥＬの横モードの数を調整するために使用できる修正版を開発した。第１次の高次モードのカットオフ条件によってＶ＝２．４０５が得られ、従って、Ｖ＜２．４０５を有する導波路が単一モードであると考えた。本発明のＶＣＳＥＬでは、有効なＶ−パラメータは、下記式：
【数１】
2007502029.tif 000004
で表される。式中、λは動作波長、ｒは等価欠陥直径、ｎｅｆｆは、フォトニック結晶の孔パターン及び存在する欠陥構造を含まないＶＣＳＥＬ共振器の実効屈折率、Δｎは、無限深さを有するフォトニック結晶パターンによって引き起こされる屈折率の低下、γは本発明による深さ依存の係数である。単一の横モードの深さ依存係数γは、下記式：
【数２】
2007502029.tif 000005
で定義される。
【００２３】
式（２）において、Δλは反射波長のシフトであり、これは、孔の深さと等しい材料厚の領域で、鏡の実効屈折率がフォトニック結晶の屈折率に置き換えられたときに発生するもので、分布型ブラッグ反射鏡の反射率を求めるための標準的なやり方によって計算される。深さ依存の単一の横モード係数γは、定性的にはＶＣＳＥＬ構造内のフォトニック結晶構造と縦方向の光強度分布との空間的な重なり量に比例するものと理解できる。γ＝０はエッチング深さがなくなること（孔の深さが０に近づくこと）に対応し、γ＝１は無限のエッチング深さの孔に対応し、γ＝０．５は垂直共振器２２の中央に届く孔に対応する。深さの関数となるγの特定な値は、ＶＣＳＥＬの細かい構造に依存する。孔によって垂直共振器内に引き起こされる屈折率差は、単一モード動作を発生させるのに充分となるように小さくする。
【００２４】
本発明の更なる記述を目的として、特別な例示の実施形態、及び、実験結果を説明する。その結果は、本発明の好適な態様を明らかにし、本発明の有効性を明らかにするため当業者に好意的に評価されるであろう。当業者は、その結果が、上記で述べたように、本発明の広い態様を制限するものではないことを理解するであろう。
【００２５】
以下の記述では、単一点の欠陥構造、及び、７点の欠陥構造の等価欠陥半径を、それぞれΛ−ｄ／２及び３１／２Λ−ｄ／２と仮定する。Λはパターンピッチであり、ｄは円形状の孔の直径である。式（１）は、深さ依存係数γを含んでおり、規格化周波数を計算するために使用した。このやり方により、本発明は、単一横モードの動作を提供する、本発明の特定の実施形態を適切に設計するために使用できる。
【００２６】
屈折率変化Δｎは、フォトニック結晶が横方向及び縦方向の双方に無限であると仮定することによって計算される、平面外への伝播モードのフォトニックバンド線図から求められる。以下に示す例では、材料の屈折率が３．４であると仮定する。Δｎは、パターンピッチ及び相対孔径ｄ／Λの双方に強く依存する。λ＝８５０ｎｍと仮定したので、パターンピッチ１μｍは１．１８に相当する。
【００２７】
単一の横モード条件は、熱効果又はキャリア注入によって生まれる屈折率の揺らぎによって容易に壊される。一連のパラメータで、フォトニック結晶の格子定数が５μｍ、ｄ／Λ＝０．５、及び、γ＜０．１とすると、Δｎは１０−３より小さい。ちなみに、ＶＣＳＥＬ内の熱効果は、略１０−２のΔｎを発生可能であり、導波路の特性を決定してしまうであろう。この問題を回避するため、Δｎはできるだけ大きくすべきである。同時に、Ｖｅｆｆは、単一モード条件を保持するために、２．４０５未満とすべきである。大きなｄ／Λ比は、この目的に有効であると思われる。しかし、大きなｄ／Λ構造は、大きな散乱損失を引き起こす。
【００２８】
Δｎを大きくする別の方法は、格子定数Λを小さくし、かつ、７点の欠陥構造を選択することによる。７点の欠陥部及び孔パターンは、欠陥パターンの半径によって定義される円周内に含まれる７つの不在孔を有する不在孔欠陥部２８を含み、図４に示される。７点の欠陥構造を導入することにより、実効欠陥部半径がΛ−ｄ／２から３１／２Λ−ｄ／２まで大きくなるので、Ｖeffは２倍に増大する。
【００２９】
本発明に従って試作素子を製造した。試作素子は、ＧａＡｓ基板と、８５０ｎｍの共振器波長を有し、２５周期の上部ＤＢＲと３５．５周期の下部ＤＢＲとの間に挟まれた垂直共振器とを備える。双方のＤＢＲは、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ対層を有する。試作構造は、（図１に従い）有限のエッチング深さを有し、上部のＤＢＲ内に、単一点の欠陥部、又は、７点の欠陥部の何れかを有する。欠陥構造は、電子線リソグラフィーによって表面に輪郭が描かれ、ＳｉＣｌ４をエッチングガスとする誘導結合反応性プラズマエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いて作製された。上部及び下部コンタクトの金属加工の後に、従来のフォトリソグラフィーにＩＣＰ−ＲＩＥを追加することで、方形状のメサを形成した。最後に、下部ＤＢＲ内のＡｌＡｓ層を選択的に酸化することで、電流開口を形成した。酸化プロセスの間は、ＰｈＣ孔の側壁を保護するためにＳｉＯ２膜を用いた。発明者らは、格子定数Λが２．０μｍで、０．３、０．５及び０．７と異なるｄ／Λ比を有する７点欠陥部の素子を製造した。小さな孔のエッチング深さはその直径に依存するので、異なる孔直径により異なる孔深さが得られる。走査電子顕微鏡で測定されたエッチング深さは、０．３、０．５、及び、０．７の各d/Λ比について、それぞれ１．６８μｍ、１．８５μｍ、及び、１．９２μｍであった。これは、上部ＤＢＲ中への１３、１４、１５周期のエッチングに対応し、０．０２０、０．０２４、０．０３２となるγ値がそれぞれ得られた。
【００３０】
酸化開口のサイズが、約３μｍの等価半径を有する欠陥サイズと同等であれば、フォトニック結晶によって閉じ込められたモードは、酸化層によって形成された約０．０５のステップ状の屈折率差によって影響を受ける。従って、発明者らは、欠陥の直径よりもかなり大きな、約２１μｍ×２１μｍの大きな酸化開口サイズを用いた。最小のｄ／Λ比０．３を有する試作素子は、最も低いしきい値電流を有したが、酸化閉じ込めモードで動作し、このことはそのスペクトルと近視野像により確認された。大きなｄ／Λ比（０．７）を有する試作素子は、大きなしきい値電流を有し、しきい値以下の低い効率を有する。これら素子の光電界は、中心の欠陥領域に閉じ込められているので、各素子の注入電流の殆どは、フォトニック結晶による閉じ込め領域の周囲を通過し、無駄となった。この大きなしきい値電流は、注入電流を欠陥サイト内に狭窄することにより、低減可能である。
【００３１】
単に欠陥領域と酸化領域との比によって見積もられた実効しきい値電流は、酸化開口内の電流密度を均一と仮定すると、約１．５ｍＡである。しきい値電流密度は、６ｋＡ／ｃｍ２であり、これは従来の酸化狭窄ＶＣＳＥＬよりも高い。発明者らは、これは、電流注入効率の低下というよりも、ＰｈＣ構造に起因する、意図的ではない発散損失に起因するとした。ｄ／Λ比が０．５の素子の発振スペクトルにより、単一モード動作が確認された。より短い波長での弱いピークは、フォトニック結晶閉じ込めモードで動作する発明素子の全てで再現可能であり、酸化閉じ込めモードの１つであると考えられた。
【００３２】
試作素子は、欠陥サイト内で強い発光を示した。その発光は、欠陥の形状に対応した。従って、三角形状の孔パターンによって規定された六角形状の不在欠陥部を有する試作素子では、六角形の発光パターンになることが証明された。試作素子は、酸化開口がフォトニック結晶閉じ込めモードに大きな影響を与えないように、大きな酸化開口を用いた。大きなステップ状の屈折率差をもたらさない電流狭窄技術、つまり、イオン注入構造は、電流開口のサイズが、フォトニック結晶閉じ込めモードに適合するようにさせると考えられる。その結果、高出力作動と共に、低いしきい値電流及び高い効率の作動が可能になる。
【００３３】
本発明の特定の実施形態について示しかつ記述したが、他の変形や、置換及び代替は、当該分野の熟練者には明らかであろう。そのような変形、置換及び代替は、添付の特許請求の範囲から定まる本発明の範囲を逸脱することなく得られるものである。
本発明の様々な特徴が、添付の特許請求の範囲で記述されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォトニック結晶の孔パタンを含む、好適な実施形態の垂直共振器型面発光レーザの断面を示す模式的斜視図を示す。
【図２】本発明の一実施形態に係るフォトニック結晶の孔パタンを含む、好適な実施形態の垂直共振器型面発光レーザの横断面を示す模式的斜視図を示す。
【図３】本発明の一実施形態に係るフォトニック結晶の孔パタンを含む、好適な実施形態の垂直共振器型面発光レーザの横断面を示す模式的斜視図を示す。
【図４】７点の欠陥部を有する好適な実施形態の孔パタンを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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