JP2005228886A - 深紫外線固体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 高純度六方晶窒化ホウ素単結晶を直接型半導体固体発光素子として使用し、該結晶に電子線を照射して励起することによって、深紫外領域215nmの光を発生し、あるいはこれを共振して深紫外レーザ光を発生させる。
【選択図】 図6
Description
接型半導体発光素子を開発し、上記複雑な接合構造に依拠して進められている発光システムに比して格段にコストのかからないレーザ素子を提供しようというものである。そのため本発明者らにおいては、上記の条件を満たす物質を、探索したところ、後述実施例で示すように本発明者らグループにおいて開発し、合成した高純度六方晶窒化ホウ素がバンドギャップ5.97leV(207.6nm)をもつ直接型半導体発光特性を有し、このような条件を満たす物質であることが明らかにされた。その発光現象は、上記高純度六方晶窒化ホウ素試料に電子線を照射しただけで、深紫外領域で効率よく発光すること、その発光波長は、215nmをピークとする単峰性の高輝度発光特性を有することが明らかにされた。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
(2) 該発生する深紫外領域の波長の光が、215nmをピークとする単峰性の高輝度光である、前記(1)項に記載の深紫外固体発光素子。
(3) 高純度六方晶窒化ホウ素を直接型半導体固体発光素子として使用し、これに励起源として電子線照射装置を組み合わせることによって、深紫外領域の波長のレーザ光を発振させることを特徴とする、深紫外固体レーザ。
(4) 該発振する深紫外領域の光が、215nmをピークとする単峰性の高輝度レーザ光である、前記(3)項に記載の深紫外固体レーザ。
に異なるものであることは云うまでもない。
本発明の実施例で使用する高純度六方晶窒化ホウ素は、以下に記載するプロセスによって調製した。
まず、真空中で1500℃、窒素気流中で2000℃の熱処理による脱酸素処理を施した六方晶窒化ホウ素焼結体(粒径約0.5μm)を準備し、これをホウ窒化バリウム溶媒とともに高圧容器内のモリブデンカプセルに充填した。
その際、これらの溶媒の調整並びに試料のカプセルへの充填は、すべて乾燥窒素雰囲気中で行った。充填後、高圧反応容器をベルト型超高圧力発生装置に設置し、2.5万気圧、1700℃の圧力、温度条件で20時間処理した。昇温速度は適宜設定し、例えば50℃/分程度で実施することができる。高温高圧処理後、適宜冷却速度で冷却する。冷却速度は強制冷却によって例えば500℃/分程度で実施することができるが、これに限定されない。冷却後、除圧し試料を圧力容器内のモリブデンカプセルと共に回収し、機械的又は化学処理(塩酸−硝酸混液)によりモリブデンカプセルを除去し試料を回収した。無色、透明で六角柱状の結晶(1〜3mm程度)が得られ、光学顕微鏡観察、SEM観察、X線回折等による相の同定、ならびに光学的特性の評価(透過率、カソードルミネッセンス)を行った。
光吸収測定では、波長2500nmから200nm近傍にかけて高い透過率を示し、図2に示すように温度8Kにおいて波長208nmと213nmに光吸収構造(図中↓で示す)が観測された。
次に前記調製手段によって得られた高純度六方晶窒化ホウ素結晶試料を用いた場合のレーザ発振動作について説明する。
先ず、六方晶窒化ホウ素のc面の劈開性を利用して例えば数十ミクロン程度の厚みをもつ両面を劈開した平行平板を作製することにより、平行平板表裏からなるファブリペローエタロンを形成した。図8は、この平行平板を電子顕微鏡の加速電子線を利用して深紫外固体レーザ素子を組み立てたものである。同図中、1.LaB6フィラメント式電子銃か
ら6.電子線対物レンズまでからなる電子顕微鏡を利用し、すなわち、LaB6フィラメ
ント、電子加速、集束機能を利用して、加速電子線を例えば20keV程度を860mA/cm2程度の密度で該試料のc面に入射させ、試料からの発光を7.楕円ミラーで集め
9.分光器で解析した。その結果、電子線により励起された試料から紫外レーザ発光が215nmの領域の波長を中心として生じることが明らかにされた。図3は、このときのレーザスペクトルで、厚さ10ミクロン程度の平行平板試料のc面からのものである。図3に示されるように、215nm近辺を中心とする発光に細かい櫛の歯状の先鋭なスペクトル構造が現れた。これらの櫛の歯状のスペクトル構造は、平行平板表裏からなるファブリペローエタロンの縦モードが、電子線により励起された六方晶窒化ホウ素の誘導放出による光増幅を受けていることを示すものであり、レーザ発振動作を起こしていることいることが明らかにされた。
実施例1と同様劈開性を利用して厚さ約6ミクロン程度の平行平板試料を準備し、同様の発振、測定を行った。図4、図5はその測定結果を示すものである。これらの図によると、劈開性の不完全性から電子ビーム密度に関するレーザしきい値が高くなりレーザ発振動作と発光動作のしきい値が観測された。図5に示されるように、電子ビーム密度(励起電流)を大きくしていくと、ある電子ビーム密度で発光出力が急激に大きくなることが示唆されている。また、図4の発光強度の大きいスペクトルから数えて1番目から4番目のスペクトルが、図5において発光出力が急激に大きくなる点に対応し、この図4の4本の発光スペクトルは図中↓で示される波長位置でファブリペローエタロンの縦モードの光増幅が観測されていることからレーザ発振状態であることがわかる。このようにレーザ発振しきい値を境にしてしきい値前では、紫外固体発光素子として使用可能であることが示されている。
よび発光について述べているが、上述の試料を冷却することによって得られる波長210nmから235nmの発光バンドについても図7のスペクトルで示されるようにそれぞれ縦モードのエネルギー位置で際立った発光強度の増加を示していることからわかるようにレーザ発振動作しており、これらのバンドをレーザとして利用することも可能である。
振器の端面での光学的損失および導波路での光学的損失により決定されるべきものである。図3に示したスペクトルを示す試料では、例えば電子密度0.2mA/cm2でも、同様の発振動作が確認される。
得て共振器のQ値を高め、しきい値を下げる効果が期待できる。
Claims (4)
- 電子線照射によって励起され深紫外領域の波長の光を発生する、高純度六方晶窒化ホウ素からなる深紫外固体発光素子。
- 該発生する深紫外領域の波長の光が、215nmをピークとする単峰性の高輝度光である、請求項1に記載の深紫外固体発光素子。
- 高純度六方晶窒化ホウ素を直接型半導体固体発光素子として使用し、これに励起源として電子線照射装置を組み合わせることによって、深紫外領域の波長のレーザ光を発振させることを特徴とする、深紫外固体レーザ。
- 該発振する深紫外領域の光が、215nmをピークとする単峰性の高輝度レーザ光である、請求項3に記載の深紫外固体レーザ。
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