JP2013229580A - 第３の反射器を組み込んだ面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ共振器内に配置される部分的反射素子を含む面発光レーザ構造体の提供。
【解決手段】垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）構造体は、ポンプ波長λ_ｐｕｍｐで照射光を発光するよう設定されたポンプ光源１２５と、外付け外部接合反射器と、分配ブラッグ反射器（ＤＢＲ、）と、ＤＢＲと外部接合反射器との間に配置された活性領域と、を含む。活性領域は、レーザ波長λ_ｌａｓｅで照射光１３５を発光するよう設定される。ＶＥＣＳＥＬ構造体は、利得素子と外付け外部接合反射器との間に配置された部分的反射素子（ＰＲＥ）も含む。ＰＲＥは、レーザ波長の照射光に対して約３０％〜約７０％の反射率と、ポンプ波長の照射光に対して約３０％〜約７０％の間の反射率と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、第３の反射器を組み込んだ面発光レーザに関する。

レーザ共振器内に配置される部分的反射素子を含む面発光レーザ構造体を開示する。いくつかの実施形態では、ポンプ波長、即ちλ_ｐｕｍｐで照射光を発光するよう設定されたポンプ光源と、外付け外部接合反射器と、分配ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、ＤＢＲと外部接合反射器の間に配置される活性領域とを含む垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）構造体を用いる。活性領域は、レーザ波長λ_ｌａｓｅで照射光を発光するよう設定される。構造体は、利得素子と外付け外部接合反射器の間に配置される部分的反射素子（ＰＲＥ）も含む。部分的反射素子（ＰＲＥ）は、レーザ波長の照射光に対しては約３０％〜約７０％の反射率と、ポンプ波長の照射光に対しては約３０％〜約７０％の反射率とを有する。

いくつかの実施形態では、ＰＲＥは、レーザ波長での照射光に対しては約４０％〜約６０％の反射率と、ポンプ波長の照射光に対しては約４０％〜約６０％の反射率とを有する。いくつかの構造体は、ＰＲＥがＩＩＩーＶ族の材料層の格子を含む。

ＶＥＣＳＥＬ構造体が動作中、部分的反射素子は、基板内の平均Ｅ^２電界より２倍、３倍、４倍より高い、又はさらそれよりに高い活性領域のピークＥ^２電界を発生供給するよう設定される。

いくつかの構成では、ポンプ光源により発光される照射光は、ｓｉｎ（θ）＝ｎ_ｓｕｂｓｉｎ［ｃｏｓ^−１（λ_ｐｕｍｐ／λ_ｌａｓｅ）］のような等式で表される角度θで、基板の表面に入射するようポンプ光源が配置される。但し、基板の屈折率はｎ_ｓｕｂである。約５０％より多い、又はさらに約７５％より多いポンプ光が活性領域内に吸収されるよう、これらの外付け外部結合ミラー、ＤＢＲ、利得領域、ＰＲＥを配置することができる。

いくつかの態様によれば、ＰＲＥは、複数の層の組を含む分配ブラッグ反射器を含み、この各層の組がＡｌＧａＮの第１の層とＧａＮの第２の層とを含む。これらの第１の層と第２の層は、ＧａＮ基板上でエピタキシャル成長することができる。例えば、ＰＲＥは、２組から２０組の層の組、又は約１０組から約１２組の層の組を含むことができる。第１の層の厚さは約λ_ｌａｓｅ／４ｎ_{ＡｌＧａＮ}（λ_ｌａｓｅ）でよく、第２の層の厚さは約λ_ｌａｓｅ／４ｎ_ＧａＮ（λ_ｌａｓｅ）でよい。例えば、ある実装形態では、第１の層の厚さは約５０ｎｍで、第２の層の厚さは約４６ｎｍである。いくつかのケースでは、基板と外部接合反射器との間に反射防止膜が配置される。この反射防止膜は、ｔ_ＡＲ＝（λ_ｐｕｍｐ／４ｎ_ＡＲ） ｃｏｓ［ｓｉｎ^−１（（１／ｎ_ＡＲ）ｓｉｎθ）］の等式で表るような屈折率ｎ_ＡＲ及び厚さｔ_ＡＲを有することができる。

いくつかの実施形態は面発光レーザ構造体に関し、この面発光レーザ構造体が、第１の反射器と、第２の反射器と、第１の反射器と第２の反射器との間に配置される活性領域とを含む。この活性領域は、レーザ波長λ_ｌａｓｅで照射光を発光するよう設定される。少なくとも基板の一部が、利得素子と第１の反射器の間に配置される。この基板は、その第１の面が利得素子側に、第２の面が第１の反射器側になるよう配置される。部分的反射素子（ＰＲＥ）は、基板の第１の面上でエピタキシャル成長する。部分的反射素子は、レーザ波長の照射に対しては約４０％〜約６０％の反射率を有し、ポンプ波長の照射光に対しては約４０％〜約６０％の反射率を有する。いくつかの実施形態では、基板の一部が約１００μｍの厚さを有する。

図１は、３つの反射素子を組み込んだ光ポンプ垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）装置を示す説明図である。 図２は、図１の半導体構造体及び第２の反射器の一分部をより詳細に示す説明図である。 図３は、４４５ｎｍの波長と３８度の入射角度を有するポンプ光に対する、活性領域内の定在波を示す説明図である。 図４は、通常、活性領域面に発光され、４６０ｎｍの波長を有するレーザ照射光に関する、活性領域内の定在波を示す説明図である。 図５は、最後のＰＲＥ層に隣接する最後のスペーサＧａＮと、ＩｎＧａＮスペーサに隔てられた３組のＩｎＧａＮ量子井戸と、３組の量子井戸の各周期間の厚いＧａＮスペーサと、を含む例示のＶＥＣＳＥＬ構造体の一部に関する屈折率を示す説明図である。 図６は、図１及び図２に示されたＶＥＣＳＥＬ装置に関して計算された屈折率とＥ^２電界の強度の断面を示す説明図である。 図７は、波長に応じた反射率（Ｒ）、透過率（Ｔ）、吸収率（Ａ）を示すグラフであり、ポンプ光線の吸収率（Ａ）はＶＥＣＳＥＬの活性領域内で発生する。 図８は、レーザ照射を実現するために、Γ_ｒｅｌに応じて必要な推定ポンプパワーを示すグラフである。 図９は、部分的反射素子（ＰＲＥ）を用いるＶＥＣＳＥＬ構造体をより詳細に示す説明図である。 図１０は、２０組のＡｌＧａＮ／ＧａＮを有するＰＲＥを組み込むＶＥＣＳＥＬに関するＡ（λ）を示すグラフである。 図１１は、ＰＲＥ層の組の数に応じた活性領域内のポンプ光吸収率を示すグラフである。 図１２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＰＲＥの反射率をシュミレーションするために用いた構造体の説明図である。 図１３は、ＰＲＥ層に応じた反射率を示すグラフである。

品質の高いスペクトル特性と空間光レーザ特性のため、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）や垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）等の、面発光レーザ（ＳＥＬ）には関心が集まっている。ポンプパワーが様々な用途のための十分なパワーを生み出す必要があるため、ＩＩＩ族窒化物材料のシステム内でのＳＥＬの使用を実現することは難しい課題である。本明細書で議論する実施形態は、３つの反射素子を含むＳＥＬに関する。レーザに関する光共振器を形成する反射素子に加えて、部分的な反射を行う第３の反射器が、レーザの光共振器内に配置される。この第３の反射器により、レーザの活性領域を通過するレーザ照射光の再利用率を上げ、ＳＥＬ内のレーザ照射に対して必要とされる閾値パワーを下げる。これによりレーザ照射効率を上げる。下記に記載されるいくつかの実施形態では、光ポンプレーザのレーザ共振器内に配置される第３の反射器の動作が例示される。これらの実施形態により例示されるこれらのアプローチは、励起機構としてダイオードへの電流注入を用いるレーザにまで広げられる。

本明細書で議論するいくつかの実施形態では、２つの異なる波長、即ち、レーザ照射光の波長とポンプ光の波長で共振するよう設定された活性領域を用いる。活性領域の量子井戸構造体は、ポンプ定在波場の腹膜とレーザ定在波場の腹膜との両方を覆うように配置される。

図１は、３つの反射素子を組み込んだ光学的にポンピングされるＶＥＣＳＥＬ装置の説明図である。ＶＥＣＳＥＬは、光ポンプ光源と、この装置に関する外付けの外部結合ミラーである第１の反射器と、分配ブラッグ反射器（ＤＢＲ）等を含む第２の反射器と、部分的反射素子であり、利得構造体と第３の反射器とを含む半導体構造体と、を含む。レーザ共振器は、外付け外部結合ミラーと第２の反射器により固定される。第３の反射器は、光共振器内に配置される。

ポンプ光源は、基板に向かって集束するポンプ光１２５を発光する。例えば、ＶＥＣＳＥＬ装置は、基板上の（又は、存在すれば反射防止膜上の）スポットにポンプ光を集束する集束光学系を含むことができる。このポンプ光は、破線１２６で示される装置の光軸に対して角度θで、半導体構造体に入射することができる。いくつかのケースでは、例えば、この装置が扱いやすくなる約１００μｍ程度の厚さまで基板を薄くすることができる。半導体構造体の活性領域内で生成される照射光１３０（本明細書ではレーザ照射光と呼ぶ）の一部は、基板を通過して進み半導体構造体から外に出て外付けの外部結合ミラーに向かい、この外付けの外部結合ミラーが第１の反射器として示される。活性領域で生成される照射光の一部は、レーザ照射光の出力を示す矢印１３５で示す通り、凹面の外部結合ミラーを通過しＶＥＣＳＥＬ装置の外に出力される。レーザ照射光の大部分は、矢印１２０で示す通り、反射して半導体構造体に戻る。随意的に基板を反射防止膜で被膜して、再利用するレーザ照射光１２０及び／又はポンプ光１２５の反射光を削減することができる。この反射防止膜は、ｔ_ＡＲ＝（λ_ｐｕｍｐ／４ｎ_ＡＲ）ｃｏｓ［ｓｉｎ^−１（（１／ｎ_ＡＲ）ｓｉｎθ）］、の等式で表すような屈折率ｎ_ＡＲと、厚さｔ_ＡＲとを有することができ、λ_ｐｕｍｐは、ポンプ光の波長である。

いくつかの実装形態は、非線形光学結晶等の光周波数変換器１３６を含み、この光周波数変換器１３６は、外部共振器内に配置され、レーザ照射の調波周波数、或いは和周波数又は差周波数での照射光を生成する。この周波数変換器を用いることで、６００ｎｍより低いレーザ波長から、遠紫外線のスペクトル、例えば、３００ｎｍより低い、又はさらに約２５０ｎｍよりも低いレーザ出力１３５を得ることができる。

一実施形態では、ポンプ光源は、３７０〜４６０ｎｍの範囲のレーザ光を発光する窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのレーザダイオード（或いは、複数のレーザダイオード）であり、いくつかの実施形態では、このレーザダイオードは、４０５ｎｍのレーザ光又は４４５ｎｍのレーザ光を発光する。ポンプ光源の出力パワーは、１〜１０ワットの範囲でよい。ポンプ光源は、集束システムを含むことができ、この集束システムは、５０ｋＷ／ｃｍ^２より高いパワー密度を実現するために、ポンプ光をポンプ光線の直径５０〜２００μｍのサイズのスポットに集束する１つ以上のレンズを含む。ポンプ光源の出力部は、活性領域を駆動する光ポンプを形成する。この活性領域が、所望の波長、例えば４４０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲のレーザ照射光線を出力する。半導体の利得領域の出力波長の９９．５％以上のミラー反射率を提供するために、外付けの外部結合ミラーを誘電体層で覆うことができる。

動作中に半導体構造体が熱を持つ可能性がある。異常な高温が発生することによる装置の損傷の可能性を緩和するために、この装置に放熱板を取り付けることができ、この放熱板を第２の反射器を隣接させる。放熱板を、例えば、銅、ダイヤモンド、又はその他の熱伝導材料から構成することができる。いくつかのケースでは、レーザリフトオフ法を用いて、随意的な第２の放熱板を加えることができる。このシナリオでは、基板を取り除くためにレーザリフトオフ法を実行する、即ち、基板を薄くして基板の薄い残余膜にする。次いで、この第２の放熱板を第３の反射器又は基板の薄い残余膜の露出した裏面に取り付ける。完成した構造体は、放熱板を２枚含み、１枚は第２の反射器に隣接し、もう１枚は基板が取り除かれた状態で、第３の反射器に隣接する。後者の例では、第２の放熱板が、開口部を含み、この開口部を通して装置をポンピングしレーザ照射光を発光する。

図２は、半導体構造体２０１及び第２の反射器２３０の一部をより詳細に示す説明図である。この例では、半導体構造体２０１は、ＶＥＣＳＥＬ装置を取り扱うために適切な、例えば、約１００μｍ程度の厚さの基板を有する。この基板に関する適切な材料には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、又はその他のポンプ波長とレーザ波長の両方で低い吸収率を有する材料が含まれる。

第３の反射器２１０は、本明細書では部分的反射素子（ＰＲＥ）と指定され、ポンプ光とレーザ照射光の両方を部分的に反射可能である。第３の反射器２１０は、基板上で成長し、５組〜２０組のＡｌＧａＮ／ＧａＮ又はＩｎＡｌＮ／ＧａＮの組２１１からなるＩＩＩ族窒化物の超格子等のＩＩＩ‐Ｖ族材料の超格子を含むことができる。例えば、図２の例では、各組２１１の第１の層２１２はＧａＮを含むことができ、各組２１１の第２の層２１３はＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＮを含むことができる。第３の反射器は、Ｉｎ_ｘＡｌｙＧａ１_−ｘ−ｙＮ／Ｉｎ_ｕＡｌ_ｖＧａ_{１−ｕ−ｖ}Ｎの層の組を含むことができる。レーザ共振器内に配置されるＰＲＥを有する装置は、活性領域内のポンプ光の高い吸収率及び、基板の電界強度に対して増加した活性領域内のレーザ照射光線の電界強度により、レーザ照射を実現するために必要とされるポンプパワーを下げるが、これにより損失が発生し得る。

いくつかの実施形態では、第２の反射器２３０が誘電性ＤＢＲを含むことができ、この誘電性ＤＢＲは複数の誘電性の材料の組を含んで、特定な量の反射率を実現する。例えば、誘電性ＤＢＲは、８組の５２ｎｍのＴｉＯ^２／７９ｎｍのＳｉＯ_２１／４の波長面を含むことができ、この波長面により、約４６０ｎｍのレーザ波長とポンプ波長において、９９．９％の反射率が生み出される。第２の反射器２３０は、利得構造体上で、電子ビーム蒸着（ＥＢＥ）することにより、及び／又はスパッタリングすることにより形成することができる。

半導体構造体２０１は、部分的反射素子２１０上で成長したエピタキシャル利得領域２２０を含む。いくつかの実施形態では、利得領域２２０が、スペーサ層２２５、２２７により隔てられた複数の（例えば、５枚〜２０枚の）量子井戸２２４を含む。量子井戸構造体２２１は、１つの量子井戸、又は狭い間隔で配置された複数の量子井戸を含むことができる。図２には、各量子井戸構造体２２１が、薄いスペーサ層２２５により隔てられた２つの量子井戸層２２４を含む実施形態が示される。量子井戸構造体２２１内の量子井戸２２４の間に配置された薄いスペーサ２２５は、量子井戸構造体２２１間のスペーサ層２２７より薄い。このように、量子井戸の間に配置されたスペーサ２２５を本明細書では薄いスペーサと呼び、量子井戸構造体２２１の間のスペーサ２２７を本明細書では厚いスペーサと呼んで、２種類のスペーサ間の相対的な厚さの違いを明確にする。量子井戸構造体とミラーの間にエンドスペーサ層も存在し得る。これらのエンドスペーサ層の厚さは、一般に、厚いスペーサ層や薄いスペーサ層とは異なる。

いくつかの実施形態では、各量子井戸構造体２２１が、ＧａＮの薄いスペーサにより隔てられたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの量子井戸層２２４の組を含み、このｘは０．１０≦ｘ≦０．５である。一般には、量子井戸構造体は、１つ以上の量子井戸を含むことができる。各量子井戸層２２４は、約３ｎｍの厚さを有し、量子井戸層２２４の間に配置されたＩｎＧａＮのスペーサ層２２５は、約５ｎｍの厚さを有する。量子井戸構造体２２１は、約８０ｎｍの厚さを有する厚いＧａＮスペーサ２２７により互いに隔てられる。活性領域２２０の第１の量子井戸構造体を、約８７ｎｍの厚さを有するＧａＮ層２２２により、第３の反射器２１０から隔てることができ、活性領域２２０の最後の量子井戸構造体を、約８７ｎｍの厚さを有するＧａＮ層２２１により、第２の反射器２３０から隔てることができる。

ポンプ照射光は、複数の第１の静止腹膜を有する利得領域２２０内に定在波を形成する。レーザ照射光は、薄い複数の第２の静止腹膜を有する活性領域２２０内でも定在波を形成する。レーザ照射光２６０及びポンプ光２５０の定在波パターンの腹膜位置に各量子井戸構造体２２１が配置されるように、複数の量子井戸構造体２２１は互いに間隔をあける。

利得構造体２２０は、光学的厚さＯＴを有する合計でＮ枚の層で構成され、このＯＴは以下の等式で決定する。
但し、層ｎは、量子井戸層２２４と、薄いスペーサ層２２５と、厚いスペーサ層２２７と、２枚のエンドスペーサ層２２１、２２２とを含み、これらのエンドスペーサ層２２１、２２２により、反射器２３０、２１０から最初の量子井戸層及び量子井戸層が隔てられる。つまり、利得領域２２０は、各層の厚さにその層の屈折率で乗じた積の合計である光学的厚さを有する。活性領域は、その光学的厚さが１／２λ_ｌａｓｅの整数倍に近くなるよう設計される。但し、λ_ｌａｓｅはレーザ照射光の波長である。この光学的厚さは、波長と共に変動する屈折率に依存するため、この光学的厚さも波長と共に変動する。したがって、活性領域の有効な設計として、次のようなものがある。ＯＴ（λ_ｌａｓｅ）＝（Ｎ_{ｐａｉｒｓ}＋１）１／２λ_ｌａｓｅ、但し、Ｎ組は整数の量子井戸の組である。この設計では、レーザ照射の照射光の定在波パターンの腹膜は、量子井戸と大きな領域の重なる部分を有する。入射の角度とポンプレーザの波長とを適切に選択することにより、量子井戸と重なる腹膜を有する定在波パターンを実現することが可能となる。

ＰＲＥ２３０は、ＩＩＩ−Ｖ族の材料の超格子を含むことができる。ある例では、ＰＲＥ２３０は、目標屈折率２．３０を有する１０枚のＡｌＧａＮ層を含む。各ＡｌＧａＮ層の厚さは、約５０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層は、厚さ４６．４ｎｍを有するＧａＮ層により隔てられる。ＡｌＧａＮに関する指数はＡｌＧａＮ／ＧａＮのＤＢＲに関する反射率の計測値と一致する。部分的反射素子に関して、その他のＩＩＩ−Ｖ族窒化物、又はＩＩＩ族窒化物の組合せを用いることも可能である。例えば、上記に議論した通り、ＡｌＧａＮの代わりにＩｎＡｌＮを用いて、ＰＲＥを形成することができる。ＩｎＡｌＮを用いることにより、ＩｎＡｌＮとＧａＮとの間を合わせる良好な格子を形成しやくすることができ、歪みを減らし、結晶の品質及び性能を向上させることができる。一般には、ポンプ光の光線とレーザ照射光の光線の両方の透過率の量により、ＰＲＥが量子井戸内に最適な吸収率を提供できるよう、このＰＲＥは設計される。下記により詳細に議論するが、例えば、いくつかの実施形態では、ポンプ波長に対しては約５０％の透過率と、波長を有するレーザ照射光に対しては約５０％の透過率とを有するよう、ＰＲＥを設計することができる。

上述した通り、活性領域（量子井戸及びスペーサ層）がポンプ波長で基本共振を示すと、吸収効率が著しく向上する。活性領域の厚さにより、レーザモードの定在波、及び／又はポンプモードの定在波の数周期を覆うことができる。

図３及び図４には、ＰＲＥからの距離に応じたＥ^２電界及び屈折率が示される。図３には、活性領域内で波長４４５ｎｍを有し入射角３８度のポンプレーザ照射光に関する定在波パターン３５０及び静止腹膜３５１が示される。図４には、図３と同じ利得領域内で波長４６０ｎｍを有するレーザ照射光に関する定在波パターン４６０及び静止腹膜４６１が示される。この例に関する活性領域は、Ｎ_ｐａｉｒ＝４と、厚さ５ｎｍの薄いＧａＮスペーサ層（図３及び図４では、薄いスペーサの厚さは、「Ｔ」で示す）と、幅３ｎｍを有するＩｎＧａＮ量子井戸（量子井戸の厚さは、「Ｗ」で示す）と、厚さ８０．６ｎｍの厚いＧａＮスペーサ層（厚いスペーサの厚さは、「Ｌ」で示す）と、厚さ８６．３ｎｍのエンドＧａＮスペーサ層（エンドスペーサ厚さは、「ＩＳ」で示す）とを含む。図３及び図４に示す通り、ポンプレーザ照射光の定在波３５０及び発光レーザ照射光の定在波４６０の両方の腹膜３５１、４６１は、この利得領域内で量子井戸（Ｗ）と重なる。

図５には、最後のＰＲＥ層に隣接するＧａＮエンドスペーサと、薄いＧａＮスペーサで隔てられた３組のＩｎＧａＮ量子井戸と、３組の量子井戸の各周期の間の厚いＧａＮスペーサと、を含む例示のＶＥＣＳＥＬ構造体の一部に対する屈折率が示される。図５には、量子井戸構造体どうしの中心から中心までの距離である活性領域の１周期が示される。この例では、
となる。
但し、ＯＴ（エンドスペーサ）、ＯＴ（厚いスペーサ）、ＯＴ（薄いスペーサ）、ＯＴ（Ｗｅｌｌ）は、エンドスペーサ、厚いスペーサ、薄いスペーサ、光学井戸（ｏｐｔｉｃａｌ ｗｅｌｌ）の光学的厚さをそれぞれ示し、Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}は、本明細書では各周期内の量子井戸の数であり、ｍ’とｍは１以上の整数である。一般には、ｍ’＝ｍ＝１である。いくつかの例では、ｍ又はｍ’が、２以上に増えると有益であり得る。
ＯＴ（エンドスペーサ）＝ＩＳｎ_ＧａＮ、但しｎ_ＧａＮはＧａＮの屈折率である。
ＯＴ（井戸）＝Ｗｎ_{ＩｎＧａＮ}、但し、ｎ_{ＩｎＧａＮ}は、ＩｎＧａＮの屈折率である。
ＯＴ（薄いスペーサ）＝Ｔｎ_ＧａＮ、及びＯＴ（厚いスペーサ）＝Ｌｎ_ＧａＮ。
ＯＴに対する代数を、上記のｍ＝ｍ’＝１に関する等式に当てはめると、
ＩＳｎ_ＧａＮ＋１／２Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}Ｗｎ_{ＩｎＧａＮ}＋１／２（Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}−１）ＴｎＧａＮ＝１／２λ_ｌａｓｅ、及び
Ｌｎ_ＧａＮ＋Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}Ｗｎ_{ＩｎＧａＮ}＋（Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}−１）Ｔｎ_ＧａＮ＝１／２λ_ｌａｓｅとなる。
最小のエンドスペーサ厚さは、ＩＳ＝１／２λ_ｌａｓｅ−１／２Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}Ｗｎ_{ＩｎＧａＮ}−１／２（Ｎ_{ｗｅｌｌｓ}−１）Ｔｎ_ＧａＮとなる。いくつかのケースでは、より厚いエンドスペーサを用いることができる。１／２λ_ｌａｓｅ／ｎ_ＧａＮの整数の倍数、Ｋをエンドスペーサの厚さに加えることにより、エンドスペーサの厚さを増やすことができる。

図６には、図１及び図２に示すＶＥＣＳＥＬ装置に関して算出された屈折率とＥ^２電界強度の断面が示される。このＶＥＣＳＥＬは、利得構造体の光軸と実質的に平行な方向に、４６０ｎｍのレーザ照射光を発光する。活性領域には、（その上に反射防止膜が露出される）半導体構造体の面上で、θ＝３８度の角度入射角で４４５ｎｍのポンプ光がポンプ注入される。ポンプ波長λ_ｐｕｍｐ、レーザ波長λ_ｌａｓｅ、基板の屈折率ｎ_ｓｕｂと、ポンプ照射の入射角の最適角度θと、の間には、一定の関係が存在する。活性領域内の量子井戸を用いるポンプ光線及びレーザ照射光線の両方の腹膜の最適な重なりを有する条件を改善することからこの条件が生じる。この関係は次の通りである。ｓｉｎ（θ）＝ｎ_ｓｕｂｓｉｎ［ｃｏｓ^−１（λ_ｐｕｍｐ／λ_ｌａｓｅ）］したがって、｛λ_ｐｕｍｐ、λ_ｌａｓｅ、ｎ_ｓｕｂ｝が、｛４４５ｎｍ、４６０ｎｍ、２．４５｝の場合、θ＝３８度となる。｛λ_ｐｕｍｐ、λ_ｌａｓｅ、ｎ_ｓｕｂ｝が、｛４００ｎｍ、４６０ｎｍ、２．４５｝の場合、この条件を満たす角度θは存在しない。｛λ_ｐｕｍｐ、λ_ｌａｓｅ、ｎ_ｓｕｂ｝が、｛４００ｎｍ、４２０ｎｍ、２．４５｝の場合、θ＝４８度である。いくつかの構成は、ＶＥＣＳＥＬ装置に関与し、ポンプ光源から発光される照射光が、ｓｉｎ（θ）＝ｎ_ｓｕｂｓｉｎ［ｃｏｓ^−１（λ_ｐｕｍｐ／λ_ｌａｓｅ）］で表るような角度θで基板の表面上に入射するようポンプ光源が配置される。但し、ポンプ波長はλ_ｐｕｍｐであり、レーザ波長はλ_ｌａｓｅであり、基板の屈折率はｎ_ｓｕｂである。この条件が最適ではあるが、たとえ最適な角度θが実現しなくても、レーザ照射は発生することができる。ＧａＮ基板に関して、ｎ＝２．４５の場合、いくつかの入射角度で最適な重なりを実現するために、λ_ｐｕｍｐ／λ_ｌａｓｅの率は、約０．９１より大きくなくてはならない。

一設計の例では、図２に関連して上記の記載した１０×２枚の連続したＩｎＧａＮ量子井戸を含む活性領域内で利得が生じる。第３の反射器ＰＲＥは、目標屈折率２．３０を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮの１０層の組の超格子を含む。各ＡｌＧａＮ層の厚さは約５０ｎｍであり、各ＧａＮ層の厚さは約４６．４ｎｍである。活性領域では、エンドスペーサＧａＮ層は約８７ｎｍの厚さを有し、厚いスペーサ層は約８０ｎｍの厚さを有し、薄いスペーサ層は約５ｎｍの厚さを有し、ＩｎＧａＮ量子井戸は３ｎｍの厚さを有する。

図６には、基板表面からの距離に応じた装置の屈折率ｎ（ｚ）５１０が示される。この例では、基板は反射防止膜で覆われる。図６にはまた、基板表面からの距離に応じた電界Ｅ^２（ｚ）５２０のグラフが示される。このＥ^２電界は、真空での波長４６０ｎｍのレーザ照射光に対応する。この特定な設計に関する別の計算により４４５ｎｍのポンプ光の３８度の入射の吸収率は、約９４．５％であることが示される。

図６では、損失が予測され得るＧａＮの基板内の平均電界と比較して、ＩｎＧａＮの利得領域内のピークＥ^２電界がΓ_ｒｅｌ≒７倍向上することが示される。ＧａＮ基板内では吸収係数は、例えば、約１ｃｍ^−１程度と極めて小さいが、基板が機械的安定性を実現するための十分な厚さ、例えば、約４００μｍを有する場合は、著しい損失があり得る。構造体の任意の特定な領域内の利得又は損失は、その領域内のＥ^２電界と比例するため、損失領域と比較して、活性領域内に電界強度の増強をもたらす設計が有益である。係数Γ_ｒｅｌは、レーザ照射を実現するために必要なポンプパワーの計算に入力される。損失に打ち勝ちレーザ照射を発生させる利得を得るために、Ｅ^２電界の強さは、ＧａＮ基板内のＥ^２電界の強さと比較して、活性領域内で強くなければならない。損失を抑えるために、ＧａＮ基板の厚さを可能な限り抑え、なおも機械的安定性に関して十分な構造的支持を維持することが有益である。

図６から分かるように、ＰＲＥ領域内で発生するＥ^２電界を十分に増強することと、光共振器内でＰＲＥを用いることで、基板内のＥ^２電界に対してパラメータΓ_ｒｅｌを２倍、３倍、４倍、又はそれよりより多く、例えば約７倍に増加させることができる。

ＧａＮ基板内の損失はサブバンドギャップによる照射光の弱い吸収、又は散乱により発生し得る。いくつかのＧａＮ基板内の消散係数ｋは、ｋ＝５×１０^−６と推定することができる。この消散係数に基づいた、ＧａＮ基板内の吸光係数αは、１．４ｃｍ^−１と推定できる（但し、α＝２ωｋ／ｃ＝４πｋ／λ、但しωは照射光の周波数、λは照射光の波長、ｃは真空中の照射光の速度である）。表１に示す通り、α＝１．４ｃｍ^−１及びＴ_ｌｏｓｓ＝ｅｘｐ（−２αＬ_ＧａＮ）を用いて、この吸収率から発生する損失をＧａＮ基板の様々な厚さＬ_ＧａＮに関して算出することができる。
装置内でレーザ照射を実現するために必要な推定ポンプパワーを下記の等式により算出する。
但し、Ｎ_ｔｈは閾値でのキャリア密度、Ｅ_ｐｈは光子エネルギ、Ｎ_ｗはＩｎＧａＮ量子井戸の数、Ｌ_ｗは井戸の厚さ、Ａ_ｐは集束されるポンプ光線の領域、ｆ_ａｂｓは吸収されたパワーの一部、τ（Ｎ_ｔｈ）はキャリア密度の閾値でのキャリアライフタイムである。
キャリア密度に対する利得の依存性は下記の等式で決めることができる。
但し、ｇ_０は材料の利得、Ｎはキャリア密度、Ｎ_０は透過キャリア密度である。ＩｎＧａＮに関して、ｇ_０は、２４００ｃｍ^−１と推定することができる。レーザ照射を実現するために必要なパワーは、照射光が周期的に共振する利得領域に、どのくらい吸収されるかに依存する。ポンプ光の波長に応じて、活性領域内に吸収される照射光の一部を、シュミレーションすることにより推定し、その結果を図７に示す。図２及び図３に関連して議論した通り（３８度で入射する４４５ｎｍのポンプ光）第３の反射器を含む設計により、活性領域内で９０％より高い共振吸収が可能になる。

図７には、図１及び図２で示す装置等の装置の活性領域内の波長に応じた反射率（Ｒ）、透過率（Ｔ）、吸収率（Ａ）のグラフが示される。この例では、装置は３８度で入射するポンプ光を伴う第３の反射器であるＰＲＥを含む。上記に議論した通り、このＰＲＥは、１０組のＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の組を含み、活性領域は、ＧａＮのスペーサで隔てられた１０×２枚のＩｎＧａＮの量子井戸を含む。図７に示す通り、この装置に関して、４４５ｎｍに近いポンプ波長では、９０％を超える照射光がＩｎＧａＮ量子井戸に吸収される。

キャリア密度Ｎに応じたキャリアライフタイムτは、次のように表る。
但し、Ａ、Ｂ、Ｃに関する係数は、計測可能である。例えば、Ａ、Ｂ、Ｃは、Ｙ．Ｃ．Ｓｈｅｎ ｅｔ．ａｌ．によりＩｎ_ｘＧａ_１−ｘ、Ｎ（ｘ≒１５％）に関して計測され、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．９１、１４１１０１（２００７）」で報告されている。

閾値キャリア密度は次のように表る。
但し、Ｎ_０は透過キャリア密度、Ｒ_１は外付けの外部結合ミラー（第１の反射器）の反射率、Ｒ_２は誘電性のＤＢＲ（第２の反射器）の反射率、Ｔ_ｌｏｓｓはＧａＮ基板内の損失から発生する因子である。

指数内の利得係数Ｇは、量子井戸の材料利得ｇ_０、井戸の数Ｎ_ｗ、各井戸の厚さＬ_ｗに依存する。図６に示す通り、Γ_ｒｅｌは量子井戸内のピーク電界Ｅ^２と、損失領域内の電界Ｅ^２の平均値との割合と同じであり、以下の式で表すことができる。

レーザ共振器内に配置される第３の反射器により、Γ_ｒｅｌの高い値を実現することが可能になる。図８には、上記の等式（１）を用いて算出される閾値ポンプパワーＰ_ｔｈが示される。Γ_ｒｅｌの値が増加すると、レーザ照射に対して必要なポンプパワーの値は急降下する。図８に示す通り、Γ_ｒｅｌ≒４のときのポンプパワーはポンプパワー１ワットより小さい。計算に関して用いるパラメータを表２に記載する。

上記の例として用いられる光ポンピングされるＶＥＣＳＥＬ装置は、特定な材料、量子井戸領域の種類、数、厚さ等の活性領域の構成に関して記載されてきたが、その他の材料システム及び装置構成も、本明細書で議論する第３の反射器に関連して使用することができることに留意されたい。したがって、本明細書は、本明細書に記載する材料システム及び装置構成には限定されないものとする。別のＩＩＩ−Ｖ族窒化物材料システム又はＩＩＩ族窒化物材料システム等の種々の材料システムを用いた装置も第３の反射器から恩恵を受けることが予測できる。さらに、活性領域を特別な構成に変更することができる、例えば、説明した量子井戸の組に代わって、３つの量子井戸のグループを用いることができる。さらに、１つだけの光ポンプ光源を説明しているが、複数のポンプを使用することができることを理解されたい。

図９は、ＰＲＥを用いたＶＥＣＳＥＬ構造体をより詳細に示した説明図である。装置の層は、ＧａＮ基板から始まり左から右に向かった形成される。ＰＲＥである第３の反射器は、レーザ波長及びポンプ波長で、部分的反射を行うＤＢＲを含み、このＤＢＲは、ＧａＮ基板上で成長したものである。ＰＲＥは、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／ＧａＮの１０周期を含むことができ、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層は約．４８．８ｎｍの厚さを有し、ＧａＮ層は約４６．８ｎｍの厚さを有する。例えば、ＡｌＧａＮ層の厚さは、約λ_ｌａｓｅ／４ｎ_{ＡｌＧａＮ}（λ_ｌａｓｅ）でよく、ＧａＮ層の厚さは、約λ_ｌａｓｅ／４ｎ_ＧａＮ（λ_ｌａｓｅ）でよい。

活性領域は、ＰＲＥ上で成長した活性領域素子の約１０周期等の複数の活性領域素子を含む。各活性領域素子は、ＩｎＧａＮに基づくダブル量子井戸構造体を含む。各活性領域素子は、順番に次の層を含むことができる。：ＩｎＧａＮの予備歪み層（ｐｒｅ−ｓｔｒａｉｎ）（Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ、厚さ３５．３ｎｍ）、第１の薄いスペーサ（ＧａＮ、厚さ５ｎｍ）、第１の量子井戸（Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．８２、厚さ３ｎｍ）、ａ第２の薄いスペーサ（ＧａＮ、厚さ５ｎｍ）、第２の量子井戸、（Ｉｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ、厚さ３ｎｍ）、厚いスペーサ（ＧａＮ、厚さ２１．７ｎｍ）、キャリア閉じ込め及び歪み制御層（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、厚さ２０ｎｍ）。

第２の反射器は、ＤＢＲとして配列される１枚以上のエピタキシャル半導体の層と非エピタキシャル誘電体の層とを含むことができる。例えば、ある構成では、第２の反射器は、エピタキシャルＤＢＲを含むことができ、このエピタキシャルＤＢＲが、１０．５周期のＧａＮ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ等のＧａＮ／ＡｌＧａＮを含み、ＧａＮ層は、厚さ約４６．８ｎｍで、ＡｌＧａＮ層は、厚さ約４８．８ｎｍである。非エピタキシャル誘電体のＤＢＲを含む第２の反射器の一部を、エピタキシャルＤＢＲ上に配置することができる。例えば、誘電体のＤＢＲは、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２の４周期を含むことができ、ＳｉＯ_２層は、厚さ７８．８ｎｍ、ＴｉＯ^２層は、厚さ５２．３ｎｍである。２つのＤＢＲミラーを組合せて単一の混成ＤＢＲを作成した場合、第１のＤＢＲの高い屈折率の材料が、第２のＤＢＲの低い屈折率材料と接触するときに、目標波長において最も高い反射率が得られる。ＧａＮが、ＡｌＧａＮより高い屈折率を有し、ＳｉＯ_２が、ＴｉＯ_２より低い屈折率を有するため、混成ＤＢＲはＧａＮとＳｉＯ_２との間に接点を有する。エピタキシャル半導体部、及び非エピタキシャル誘電体を含む２重のＤＢＲを用いて、特定な熱伝導率と、特定な反射率を実現することができる。エピタキシャル半導体部は、非エピタキシャル誘電体部より高い熱伝導率を有し得、非エピタキシャル誘電体部は、エピタキシャル−半導体部よりも高い反射率を提供することができる。いくつかのケースでは、エピタキシャルＤＢＲと非エピタキシャルＤＢＲとの両方とも１／４波長のＤＢＲである。

（図１２に示す通り）ＧａＮ内に組み込まれる分離したＰＲＥの反射率を分析すると、活性領域内で高い吸収率を実現するための最適なＰＲＥの反射率は、５０％に近いことが示される。（この分析に関しては、下記に記載する。）全ての種類の材料を用いた、その他の光ポンプレーザに、この設計基準が適用可能であることが予想できる。ＰＲＥがＶＥＣＳＥＬの性能が向上させることができるための、その他の材料には、ＩＩＩ−Ｖ族のヒ素及びリン化物が含まれる。

ＰＲＥを設計して、所定の量の反射率を実現し、この反射率により、ポンプ光及び／又はレーザ照射光の特定な吸収率を活性領域内で生み出すことができる。上記の分析には、２ステップの工程を使用した。第１のステップでは、波長Ａ（λ）及びＰＲＥの層の数に応じた活性領域内の吸収率の計算に基づいて、ＰＲＥ層の組の数が決められた。第２のステップでは、ＧａＮ内に組み込まれた分離ＰＲＥ（例えば、図１２に示す）の反射率が算出された。

ステップ１に関連して、図７には、ＰＲＥを含む装置の１０×２枚のＩｎＧａＮの利得領域内のＡ（λ）の計算値が示される。このＰＲＥは、構造体を伴う１０組のＡｌＧａＮ／ＧａＮと、図９に関連して議論する装置と類似の構成とを含む。図１０には、ＰＲＥ層が２０組のＡｌＧａＮ／ＧａＮに増加したときの同じ構造体に関するＡ（λ）が示される。ポンプ波長がλ_ｐｕｍｐ＝４４５ｎｍのとき、ポンプ光のうちの約５５％だけしか活性領域内に吸収されないため、このシナリオでは、装置の性能は低下し得る。これらの計算を拡張して、ＰＲＥに関する異なる数の層を含んだ結果が図１１のグラフに示される。図１１には、ＰＲＥ層の組の数に応じた活性領域内でのポンプ光の吸収率が示される。ポンプ光の吸収率は、約２枚から約２０枚までの層に関して約５０％よりも高く、約４枚から約１８枚までの層に関して約６０％よりも高く、約１０枚から約１２までの層の組に関して約９０％よりも高いことが図１１から理解されたい。

ステップ２に関連して、ＰＲＥをＧａＮ内に組み込み、入射する照射光に関する反射率Ｒをモデリングすることにより、ＰＲＥの反射率の測定値を得ることができる。波長に応じた反射率をＰＲＥ内のＡｌＧａＮの層の数に応じて下記に算出する。シュミレーションされた構造体が図１２に示され、その構造体は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＰＲＥと、その両側の約３０μｍのＧａＮの層であることが分かる。約７０ｎｍのＳｉＯ_２を含む反射防止膜が、上段のＧａＮ層の上に配置される。λ即ち、Ｒ（λ）に応じた反射率を、ＡｌＧａＮのＰＲＥの層の数に応じて算出する。図１３には、３８度で入射する４４５ｎｍの照射光と通常の入射角（０度）の４６０ｎｍ照射光との両方に関する、ＡｌＧａＮ層の数に応じたＰＲＥの反射率が示される。この計算は、 図１２に示す構造体に関して行われた。図１１には、ＡｌＧａＮ層の最適な数は、１０枚から１２枚の範囲であることが示される。図１３により、一般にＰＲＥが、通常に入射する照射光に関して、約４０％から約６０％までの間の反射率を有するべきであることが示される。特定なシステムの分析を通して、この結果に到達したが、この結果は、その他のＰＲＥ及び利得領域を用いるシステムに対しても有効であることが予想される。図１０から１３に関連して議論した分析から、約２枚から約２０組のＡｌＧａＮ／ＧａＮの組を有するＰＲＥにより、活性領域内の吸収率が増加するが理解できる。最適な吸収率のために、約２組から約２０組まで、又は約１０組から約１２組までの組を用いることができる。

記載された実装形態の種々の態様で、複数の値及び範囲が提供される。これらの値及び範囲は、例としてのみで扱われ、請求項の範囲を制限することを意図するものではない。例えば、本開示で記載された実施形態は、開示された数値の範囲に全般に渡って実行することができる。さらに、実装形態の種々の様態に対して、複数の材料が適切なものと特定される。これらの材料は、例として扱われ、請求項の範囲を制限することを意図するものではない。

上述した種々の実施形態の記載は、ＰＲＥの例示のため及び説明のために提示され、制限のためではない。開示された実施形態は、全てを網羅すること意図すること、又は有効な実装形態を開示された実施形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を鑑みて、数多くの修正、及び変更が可能である。

Claims (10)

1. 垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）構造体であって
   ポンプ波長λ_ｐｕｍｐで照射光を放出するよう設定されたポンプ光源と、
   外付け外部接合反射器と、
   分配ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、
   前記ＤＢＲと前記外部接合反射器との間に配置された活性領域であって、レーザ波長λ_ｌａｓｅで照射光を発光するよう設定された活性領域と、
   利得素子と前記外付け外部接合反射器との間に配置された部分的反射素子（ＰＲＥ）であって、前記レーザ波長の照射光に関して約３０％〜約７０％の反射率を有し、前記ポンプ波長での照射光に関して約３０％〜約７０％の反射率を有する部分的反射素子と、を含む構造体。
2. 前記ＰＲＥが、ＩＩＩ−Ｖ族の材料層の格子を含む、請求項１に記載の構造体。
3. 前記ＶＥＣＳＥＬ構造体の動作中、前記ＰＲＥが、前記基板内の前記平均Ｅ^２電界の２倍より高い前記活性領域内のピークＥ^２電界を提供するよう設定される、請求項１に記載の構造体。
4. 前記ポンプ光源により発光される前記照射光が、ｓｉｎ（θ）＝ｎ_ｓｕｂｓｉｎ［ｃｏｓ^−１（λ_ｐｕｍｐ／λ_ｌａｓｅ）］で表るような角度θで前記基板の表面に入射するよう、前記ポンプ光源が配置され、前記基板の前記屈折率はｎ_ｓｕｂである、請求項１に記載の構造体。
5. 前記ＰＲＥが、複数の層の組を含む分配ブラッグ反射器を含み、各層の組がＡｌＧａＮの第１の層とＧａＮの第２の層とを含む、請求項１に記載の構造体。
6. 層の組の数は、約２組〜約２０組の間である、請求項５に記載の構造体。
7. 前記基板と前記外部接合反射器との間に反射防止膜が配置され、前記反射防止膜が、ｔ_ＡＲ＝（λ_ｐｕｍｐ／４ｎ_ＡＲ）ｃｏｓ［ｓｉｎ^−１（（１／ｎ_ＡＲ）ｓｉｎθ）］で表るような屈折率ｎ_ＡＲと厚さｔ_ＡＲとを有する、請求項１に記載の構造体。
8. 前記活性領域が、１つ以上の量子構造体を含み、各量子井戸構造体が、
   １つ以上のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘ量子井戸を含み、ここで、ｘは０．１０≦ｘ≦０．５であり、各量子井戸は、厚さＷを有し、且つ、波長λ_ｌａｓｅのレーザ照射光を発光するよう設定される、請求項１に記載の構造体。
9. 各量子井戸構造体が、量子井戸の各組の間に配置された、厚さＴの薄いＧａＮスペーサ層を有する２つ以上の量子井戸を含み、
   各活性領域素子が、量子井戸構造体の各組の間に配置された、厚さＴよりも大きい厚さＬの、厚いＧａＮスペーサ層を有する２つ以上の量子井戸構造体を含む、請求項８に記載の構造体。
10. 厚さＩＳのＧａＮのエンドスペーサ層をさらに含み、前記ＧａＮのエンドスペーサ層が、前記ＰＲＥと、前記量子井戸構造体のうちの１つと、の間に配置され、前記レーザ照射光の定在波の腹膜が、前記量子井戸構造体の前記量子井戸を覆うよう、前記厚さＷ、Ｔ、Ｌ、ＩＳが設定される、請求項９に記載の構造体。