JP2024018682A - 光源装置、及び半導体素子 - Google Patents

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Abstract

Figure 2024018682000001
【課題】放熱性の良い光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光源装置は、第１ミラーと第２ミラーを有する共振器と、前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置され、前記共振器の光軸と垂直をなす方向において第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有する利得媒質とを有する。利得媒質は、前記第１半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、前記第２半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む。光源装置はまた、前記第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、前記第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、を備え、前記共振器の光軸が前記利得媒質を通るように、前記共振器と前記利得媒質とが配置されている。
【選択図】図１

Description

本開示は、光源装置、及び半導体素子に関する。
ＶＥＣＳＥＬ(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)は、ＳＤＬ（Semiconductor Disk Laser：半導体ディスクレーザ）や、ＯＰＳＬ（Optically Pumped Semiconductor Laser：光励起半導体レーザ）とも呼ばれている。通常、ＯＰＳＬは、基板上にエピタキシャル成長された量子井戸をレーザ利得とし、基板と垂直な方向にレーザ発振する。基板と量子井戸の間に設けられた反射器と、外部ミラーとによって外部共振器が形成され、共振器モードに整合した、高出力のシングルモードレーザが実現される。
ヒートシンクと、ヒートシンク上のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射器）及び量子井戸で構成される半導体利得構造と、を有する垂直面発光半導体素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。ＤＢＲと外部反射鏡の間で共振器が構成され、ヒートシンクと垂直な方向にレーザ光が出射される。
特開２０１１－７１５０６号公報
高出力化のために励起光の強度を高くすると、廃熱が増大し、発振動作に影響する。したがって、効率的な放熱構造が求められる。本開示は、放熱性の良い光源装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態において、光源装置は、
第１ミラーと第２ミラーを有する共振器と、
前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置され、前記共振器の光軸と垂直をなす方向において、第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有する利得媒質であって、前記第１半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、前記第２半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む利得媒質と、
前記第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、
前記第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、
を備え、前記共振器の光軸が前記利得媒質を通るように、前記共振器と前記利得媒質とが配置されている。
放熱性の良い光源装置が実現される。
実施形態の光源装置の主要部の基本構成を示す図である。 図１で用いられる利得媒質の模式図である。 第１の構成例の光源装置の全体構成を示す模式上面図である。 図３Ａの光源装置の変形例の模式上面図である。 第２の構成例の光源装置の全体構成を示す模式上面図である。 図４Ａの光源装置の変形例の模式上面図である。 利得チップの作製プロセスの一例を示す図である。 利得チップの第２の作製プロセスを示す図である。 利得チップの第２の作製プロセスを示す図である。 利得チップの第２の作製プロセスを示す図である。 利得チップの第２の作製プロセスを示す図である。 図６Ａ乃至６Ｄのプロセスで作製された利得チップの模式図である。 第３の作製プロセスを示す上面図である。 図８ＡのＡ－Ａ断面図である。 第３の作製プロセスを示す上面図である。 図９ＡのＡ－Ａ断面図である。 第３の作製プロセスを示す上面図である。 図１０ＡのＡ－Ａ断面図である。 第３の作製プロセスを示す図である。 第３の作製プロセスで作製された利得チップの模式図である。 図１０Ａで斜めの活性層を形成する場合の上面図である。 利得チップの第１変形例を示す図である。 利得チップの第２変形例を示す図である。 利得チップの第３変形例を示す図である。 利得チップの第４変形例を示す図である。 利得チップの第５変形例を示す図である。 利得チップの第６変形例を示す図である。 光源装置の変形例を示す図である。 光源装置の別の変形例を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための実施形態を説明する。以下の説明は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下の記載に限定するものではない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後に示す実施形態では、先に示した実施形態との異なる事項について主に説明し、先に示した実施形態と共通の事柄について重複する説明を省略することがある。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合がある。
図１は、実施形態の光源装置１の主要部の基本構成を示す。光源装置１は、第１ミラー１１と第２ミラー１２を有する共振器１０と、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間に配置される利得媒質２０と、利得媒質２０の第１主面２１１の側に設けられた第１放熱部材３１と、利得媒質２０の第２主面２２１の側に設けられた第２放熱部材３２とを備える。利得媒質２０と、第１放熱部材３１及び第２放熱部材３２で、利得チップ３０が形成される。第１半導体部２１の活性層２３が設けられた側と反対側に第１主面２１１が位置し、第２半導体部２２の活性層２３が設けられた側と反対の側に第２主面２２１が位置する。共振器１０の光軸１５が利得媒質２０を通るように、共振器１０と利得媒質２０とが配置されている。共振器１０の光軸１５は、共振器をなすミラーを配置することで定義されるものである。
利得媒質２０は、共振器１０の光軸１５と垂直をなす方向において、第１半導体部２１と、活性層２３と、第２半導体部２２をこの順に有する。ここで「垂直」というときは、厳密に９０度の角度を意味するだけではなく、設計上許容可能な誤差を含む。誤差は±０．５度までを含む。一方で、「平行」というときは、厳密に１８０度の角度を意味するだけではなく、設計上許容可能な誤差を含む。誤差は±０．５度までを含む。
図１の座標系で、共振器１０の光軸１５の方向をＹ方向、及び活性層２３の積層方向をＺ方向、Ｙ方向とＺ方向に直交する方向をＸ方向とする。利得チップ３０は、光軸１５を含み、光軸１５と垂直なＺ－Ｙ面内で、図示される積層構造を有する。共振器１０の光軸１５に沿った方向（図１ではＹ方向）の利得媒質２０の寸法を、利得媒質２０の長さＬとする。長さＬは、共振器長（第１ミラー１１と第２ミラー１２の間の光軸の長さ）、目的とする出力等によって、適宜設定される。一例として、利得媒質２０の長さＬは、１ｍｍから１０ｍｍである。
（ミラー）
共振器１０の第１ミラー１１と第２ミラー１２の間を往復する光Ｌrsnは、利得媒質２０を通るたびに増幅される。簡単のため、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間を往復する光を、本明細書では共振光Ｌrsnと呼ぶ。共振器１０の間の往復で得られる利得が共振器１０の損失を上回るとき、光源装置１は一定の強度で発振する。共振器１０の損失は、出力側ミラー（たとえば第２ミラー１２）から共振器１０の外部への透過による損失と、共振器１０内部の損失との和で近似できる。第２ミラー１２から共振器１０の外に出力される出力光をＬoutとする。第１ミラー１１には反射膜が設けられていてもよい。第２ミラー１２には、部分反射膜が設けられていてもよい。
（放熱部材）
一般的なＯＰＳＬと異なり、光源装置１の利得チップ３０では、第１放熱部材３１及び第２放熱部材３２と平行な方向に共振光Ｌrsnが入出力される。したがって、利得チップ３０では、共振光Ｌrsnと利得媒質２０との相互作用長を一般的なＯＰＳＬよりも長くとれるので、利得が大きい。また、利得媒質２０を挟んで、面積の大きな第１主面２１１と第２主面２２１に、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２がそれぞれ設けられる。したがって、１面にのみ放熱部材が設けられる一般的なＯＰＳＬよりも放熱性能が高い。また、放熱の方向と、共振の方向と、が異なるので、第１放熱部材と利得媒質２０との間、または第２放熱部材３２と利得媒質２０との間に、ＤＢＲを設けなくてもよく、さらに放熱性能が向上する。
第１放熱部材３１と第２放熱部材３２は、たとえば、窒化アルミニウム、銅、炭化ケイ素、ダイヤモンド、金属とダイヤモンドの複合材料、グラファイト、または金属とグラファイトの複合材料であってよい。第１放熱部材３１は、第１半導体部２１との線膨張係数差が小さい材料で構成することが好ましい。たとえば、第１半導体部２１が窒化物半導体であるとき、第１放熱部材３１は窒化アルミニウムであってよい。また、第１放熱部材３１は、２種類以上の材料により構成されてもよい。たとえば、第１放熱部材３１は、利得媒質２０側から窒化アルミニウム及び銅を順に有してよい。窒化アルミニウムの線膨張係数は利得媒質２０および銅の線膨張係数の間をとることができるので、利得媒質２０と第１放熱部材の密着性を高めつつ、放熱性能も高めることができる。同様な理由から、たとえば、第１放熱部材３１は、利得媒質２０側から窒化アルミニウム及び金属とダイヤモンドの複合材料を順に有してよい。第２放熱部材３２も第１放熱部材３１と同様に２種類以上の材料により構成されてよい。また、第１放熱部材３１および第２放熱部材３２は、同じ構成とすることが好ましい。これにより、光源装置１が動作するとき、熱が第１放熱部材３１と第２放熱部材３２とで同じように放熱されるので、利得媒質２０における熱の偏りが低減され、強度の高いレーザ光を得ることができる。なお、第１放熱部材３１と利得媒質２０の接合、および第２放熱部材３２と利得媒質２０の接合は、直接接合法により実行することができる。直接接合法は、たとえば、表面活性化接合法、原子拡散接合法、水酸基接合法などが挙げられる。
（利得媒質）
図２は、利得媒質２０の斜視図である。利得媒質２０はたとえば、第１半導体部２１、活性層２３、及び第２半導体部２２がこの順で配置される。言い換えると、利得媒質２０において、活性層２３は第１半導体部２１と第２半導体部２２との間に配置されている。図２に示すように、たとえば、利得媒質２０の形状は六面体である。積層方向（Ｚ方向）と直交するＸ－Ｙ面に平行な２面が、第１主面２１１と、第２主面２２１である。第１主面２１１は第１半導体部２１の活性層２３が設けられた側と反対の側に位置する。第２主面２２１は、第２半導体部２２の活性層２３が設けられた側と反対の側に位置する。
第１主面２１１と第２主面２２１をつなぐ４つの面を、側面２０１、２０２、２０３、及び２０４とする。このうち、共振光Ｌrsnが入出力する側面２０１と２０２を、利得媒質２０における共振光Ｌrsnの入出力面と呼んでもよい。入出力面は、第１主面２１１および／または第２主面２２１の４辺のうち、短辺を含む側面とすることが好ましい。これにより、共振光が利得媒質２０を通過する光路を長くすることができ、効率よく光を増幅することができる。利得媒質２０の形状が他の多面体の場合は、共振光が利得媒質２０を通過する光路が長くなるように入出力面とする側面の組を適宜設定すればよい。側面２０１と２０２は、劈開面であってもよいし、研磨または化学機械研磨など、劈開以外の方法で形成されていてもよいし、劈開後に追加の工程を組み合わせて形成されていてもよい。残りの１組の対向する側面２０３と２０４は、後述するように、励起光の入出力に用いられてもよい。
第１半導体部２１と第２半導体部２２は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体で形成されてよい。第１半導体部２１と第２半導体部２２は、たとえば、ＧａＮ系、ＧａＡｓ系などの半導体材料で形成されてよい。実施形態において、第１半導体部２１と第２半導体部２２として好ましい材料はＧａＮ系の半導体材料である。ＧａＮ系の材料でＯＰＳＬを構成する場合、ＧａＡｓ系の材料でＯＰＳＬを構成する場合と比べて、たとえば以下のような点の改善が求められる。
１点目は、励起方法の改善である。ＧａＮ系の材料は、ＧａＡｓ系の材料と比べて励起光の単位パワーあたりの利得が小さいので、効率よく利得媒質を励起する必要がある。実施形態のＯＰＳＬを構成する光源装置において、共振器が定義する光軸の方向と、利得媒質２０が放熱部材へ放熱する方向とは、異なる。また、共振器が定義する光軸は、利得媒質の側面２０１と２０２を通る。これにより、共振光Ｌrsnの入出力面（つまり、側面２０１と２０２）間の長さが、共振光Ｌrsnと活性層との相互作用長となり、効率よく光を増幅することができる。
２点目は、放熱性の改善である。ＧａＮ系半導体材料の利得の小ささを補うために励起光の出力を高めると、利得媒質２０で生じる熱が増加する。実施形態の光源装置において、利得媒質２０は、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２との間に配置されているので、従来のＯＰＳＬと比べて放熱経路が増加し、放熱性が向上する。また、利得媒質２０と第１放熱部材３１との間、および利得媒質２０と第２放熱部材３２との間にＤＢＲが使用されていないため、従来のＯＰＳＬと比べて、ミラーが放熱を妨げない。
以上のことから、実施形態に係る光源装置は、第１半導体部２１と第２半導体部２２としてＧａＮ系の半導体材料を用いるときが特に好ましい。
利得媒質２０は光励起されるので、不純物の意図的な添加は必ずしも必要ではないが、第１半導体部２１または第２半導体部２２の一部に光吸収が少ない程度の低濃度であれば、不純物を含んでいてもよい。たとえば、第１半導体部と第２半導体部の少なくとも一方は、１×１０１７ｃｍ－３以下の濃度で不純物を含む部分を有してよい。不純物は、たとえば、ＳｉまたはＧｅ等のｎ型不純物、またはＭｇ等のｐ型不純物である。また、第１半導体部２１と第２半導体部２２の少なくとも一方は、複数の半導体層を含んでいてもよい。複数の半導体層は、相対的に、低濃度の不純物を含む層と、高濃度の不純物を含む層であり得る。この場合、高濃度の不純物を含む層は、光吸収が起こりにくいように、低濃度の不純物を含む層よりも活性層２３から離れた位置、あるいは、活性層２３よりも第１放熱部材３１または第２放熱部材３２に近い位置に設けられていてもよい。高濃度の不純物を含む層は、利得媒質２０を通過するビーム径に相当する長さよりも活性層から離れていることが好ましい。たとえば、活性層から５００μｍ以上離れていてよい。
第１半導体部２１と第２半導体部２２に窒化物半導体が用いられる場合は、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２を金属窒化物で形成することが好ましい。窒化物半導体と熱膨張率の差を比較的小さくすることができる。金属窒化物は、たとえば、ＡｌＮ、ＧａＮ、またはＢＮなどで形成してもよい。
活性層２３の厚さは、たとえば５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。これにより、効率よく共振光Ｌrsnを増幅できる。また、活性層２３の厚さは、たとえば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。これにより、活性層の結晶性の低下を低減することができる。活性層２３は、たとえば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造を有する。活性層２３が多重量子井戸構造である場合、井戸層の材料は、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮであり、障壁層の材料は、たとえばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮである。多重量子井戸の周期、及び、井戸層と障壁層の膜厚は、目的とする波長に応じて適切に設計される。または、活性層の材料は、希土類が添加された窒化物を有してもよい。たとえばＥｕが添加されたＧａＮを有してもよい。共振光Ｌrsnの少なくとも一部が活性層２３を伝搬することで、共振光Ｌrsnは増幅される。活性層２３の厚さは共振光Ｌrsnのビーム径よりも薄く形成されてもよいが、共振光Ｌrsnの光軸が活性層２３を通ることが好ましい。第１ミラー１１と第２ミラー１２の互いに対向する面を適切な曲率の凹面とすることで、活性層２３に入射する共振光Ｌrsnのビーム径を絞ってもよい。共振器１０の内部での光損失が過度にならない範囲で集光レンズを用いてもよい。
＜第１の構成例＞
図３Ａは、第１の構成例の光源装置２Ａの全体構成を示す模式上面図である。光源装置２Ａは、第１ミラー１１と第２ミラー１２を有する共振器１０と、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間に配置される利得媒質２０と、共振器１０の外部に配置される励起光源４１と、を有する。共振光Ｌrsnと励起光Ｌpumpの光路を示す都合上、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２の図示は省略されているが、図１の光源装置１と同様に、利得媒質２０の第１主面と第２主面に、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２が設けられている。
励起光源４１から出力される励起光Ｌpumpは、共振器１０の光軸１５に沿って利得媒質２０の活性層に入射する。励起光Ｌpumpは、共振光Ｌrsnと同軸で共振光Ｌrsnの入出力面である側面２０１に入射してもよい。励起光源４１から出力される励起光Ｌpumpは、光学素子１７で共振器１０の光軸１５に沿う方向に曲げられる。
光学素子１７は、たとえば偏光ビームスプリッタである。この場合、励起光Ｌpumpの偏光と共振光Ｌrsnの偏光は互いに直交するように調整される。励起光Ｌpumpの入射により、利得媒質２０に反転分布が形成される。利得媒質２０で増幅された共振光Ｌrsnの一部は、第２ミラー１２から出力される。励起光Ｌpumpの波長と共振光Ｌrsnの波長が離れている場合は、光学素子１７にダイクロイックミラーを用いてもよい。余剰の励起光Ｌpumpは光学素子１８によって共振器１０の外部に放射されてもよい。
図３Ｂは、光源装置２Ｂの模式上面図である。光源装置２Ｂは、図３Ａの光源装置２Ａの変形例である。光源装置２Ｂでは、共振光Ｌrsnはブリュースター角で利得媒質２０の側面２０１に入射する。言い換えると、共振器が定義する光軸と利得媒質２０の側面２０１のなす角は、ブリュースター角である。また、同様に、共振器が定義する光軸と利得媒質２０の側面２０２のなす角は、ブリュースター角であってよい。共振光Ｌrsnをブリュースター角で利得媒質２０に入射することで、側面２０１、及び２０２での反射を低減することができる。この構成では、側面２０１と２０２に共振光Ｌrsnに関する反射防止膜を設けなくてもよい。また、共振光Ｌrsnが側面２０１と側面２０２へブリュースター角で入射することで、共振光Ｌrsnが側面２０１と側面２０２の間を斜めに進行するため、利得媒質２０での光路長が増加する。したがって、共振光Ｌrsnは、効率よく共振し、出力光Ｌoutがより高出力で得られる。なお、光学素子１７がダイクロイックミラーである場合は、励起光Ｌpumpも、共振器１０の光軸１５に沿って利得媒質２０に導かれるので、励起光Ｌpumpに対するブリュースター角の近傍で利得媒質２０の側面２０１に入射する。これにより、側面２０１、及び２０２での反射を低減することができる。なお、ブリュースター角の近傍とは、ブリュースター角に対して±１度以内のずれを含む。
＜第２の構成例＞
図４Ａは、第２の構成例の光源装置３Ａの全体構成を示す模式上面図である。光源装置３Ａは、第１ミラー１１と第２ミラー１２を有する共振器１０と、第１ミラー１１と第２ミラー１２の間に配置される利得媒質２０と、共振器１０の外部に配置される励起光源４１と、を有する。第２の構成例では、励起光Ｌpumpは共振器１０の光軸１５と交わる方向で利得媒質２０の活性層２３に入射する。図４Ａでも、共振光Ｌrsnと励起光Ｌpumpの光路を示す都合上、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２の図示は省略されているが、図１の光源装置１と同様に、利得媒質２０の第１主面と第２主面に、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２がそれぞれ設けられている。
励起光源４１から出力された励起光Ｌpumpは、利得媒質２０の側面２０３または側面２０４から利得媒質２０に入射する。側面２０３または側面２０４から入射された光は、利得媒質内を反射しながら伝搬し、活性層２３の大部分を励起する。これにより、共振光Ｌrsnと励起された活性層２３との相互作用長が大きくなり、効率よく共振光Ｌrsnが増幅される。例えば、側面２０３と２０４に反射膜を形成することで、励起光Ｌpumpを反射させることができる。なお、このとき、励起光Ｌpumpの入射する部分には、反射膜を設けないようにする。また、側面２０１側から励起光Ｌpumpを入射させ、全反射を利用して利得媒質２０を励起してもよい。側面２０３と２０４は、共振光Ｌrsnが入出射する側面２０１と２０２と直交する側面であってよい。なお、「直交」という用語には「垂直」と同様に、許容範囲の誤差が含まれている。利得媒質２０の内部に反転分布が形成されるかぎり、励起光Ｌpumpの入射方向は必ずしも共振器１０の光軸１５に沿った方向でなくてもよい。また、励起光源４１は２つ以上であってもよい。このとき、複数の励起光源４１は、励起光Ｌpumpが側面２０３または側面２０４の異なる位置に入射するように配置される。励起光Ｌpumpは活性層２３を通過するときに減衰する。上記構成において、複数の入射光Ｌpumpが異なる位置で活性層２３に入射するように、複数の励起光源４１が配置されるので、活性層２３全体をより均一に励起することができる。
図４Ｂは、光源装置３Ａの変形例である光源装置３Ｂの模式図である。光源装置３Ｂでは、共振光Ｌrsnはブリュースター角で利得媒質２０の側面２０１に入射する。共振光Ｌrsnをブリュースター角で利得媒質２０に入射することで、側面２０１と２０２での反射を低減できる。この構成では、側面２０１と２０２に反射防止膜を設ける必要はない。この場合も、光源装置３Ａと同様に、励起光源４１は２つ以上であってもよい。
＜利得チップの作製＞
＜第１の作製プロセス＞
図５は、利得チップ３０Ａの第１の作製プロセスの一例を示す。利得チップ３０Ａの作製に際して、第１チップ２１０Ａと、第２チップ２２０Ａを用意する。第１チップ２１０Ａは、第１放熱部材３１と、第１半導体部２１と、第１活性層２３１がこの順で設けられている。第２チップ２２０Ａでは、第２放熱部材３２と、第２半導体部２２と、第２活性層２３２が、この順で設けられている。第１チップ２１０Ａにおいて、第１放熱部材３１は、第１活性層２３１が積層された第１半導体部２１と直接接合されてよい。同様に、第２チップ２２０Ａにおいて、第２放熱部材３２は、第２活性層２３２が積層された第２半導体部２２と直接接合されてよい。なお、第１チップ２１０Ａと第２チップ２２０Ａの作製順序は、特に問わない。
第１半導体部２１と第２半導体部２２を窒化物半導体で形成し、第１放熱部材３１と第２放熱部材３２を金属窒化物で形成する場合は、金属窒化物基板を２枚用意して、それぞれの基板上に、窒化物半導体層と、活性層を、順次成長してもよい。第１半導体部２１および第２半導体部２２は、たとえば、ハライド気相成長法、トリハライド気相成長法、アモノサーマル法、またはフラックス法などにより得てもよい。活性層は、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法または物理気相成長（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）法によって、第１半導体部２１または第２半導体部２２の上にエピタキシャル成長される。物理気相成長法とは、たとえば、スパッタ法、分子線エピタキシー法が挙げられる。第１放熱部材３１と第２放熱部材３２に熱伝導率の高い金属を用いる場合は、ＧａＮ基板の上に活性層を成長した後に、ＧａＮ基板の裏面に金属膜を張り合わせてもよい。
第１チップ２１０Ａの第１活性層２３１と、第２チップ２２０Ａの第２活性層２３２を対向させて、第１活性層２３１と第２活性層２３２を接合する。第１活性層２３１と第２活性層２３２は、原子拡散接合、表面活性化接合、または水酸基接合などによって接合可能である。第１活性層２３１と第２活性層２３２の組成は同じであるほうが好ましい。これにより、共振光Ｌrsnが利得媒質を通過する際に第１活性層２３１と第２活性層２３２とで増幅される波長が同じとなり、効率よく共振光Ｌrsnを増幅することができる。
（表面活性化接合）
第１活性層２３１と第２活性層２３２を表面活性化接合する場合、第１活性層２３１と第２活性層２３２の表面は、たとえば、表面粗さ（Ｒａ）が５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下まで平坦化される。その後、真空中で第１活性層２３１と第２活性層２３２の表面をイオン照射により清浄化し、活性化する。活性化した後に、活性化された表面同士を直接接触させる。これらの工程により、接合することができる。接合するとき、圧力を印加してもよい。印加する圧力は、たとえば、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であってよい。また、接合時の温度は、０℃以上７０℃以下、より好ましくは０℃以上５０℃以下であってよい。表面活性化接合により生じる接合界面はアモルファスであってもよく、結晶であってもよい。
（原子拡散接合）
第１活性層２３１と第２活性層２３２を原子拡散接合する場合、第１活性層２３１と第２活性層２３２の表面は、表面粗さ（Ｒａ）が、たとえば、５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下まで平坦化される。その後、真空中で、第１活性層２３１と第２活性層２３２の表面にスパッタ法等により金属膜を形成して、金属膜同士を接触させる。これにより、第１活性層２３１と第２活性層２３２とを接合することができる。金属膜は、第１活性層２３１や第２活性層２３２への密着性、また励起光Ｌpumpや共振光Ｌrsnの透過性に応じて、１種または２種以上の合金が選択される。具体的には、アルミニウム、金、銀、銅、ガリウム、シリコン、ニッケル、プラチナ、チタン、ルテニウム、またはタンタルが挙げられる。また、第１活性層２３１と第２活性層２３２とで異なる金属または合金を付着させてもよい。金属膜の厚さはたとえば、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または０．４ｎｍ以上５ｎｍ以下であってよい。接合するとき、圧力を印加してもよい。圧力の大きさは、たとえば、１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下であってよい。また、接合時に温度は、たとえば、０℃以上７０℃以下であってよい。なお、原子拡散接合における金属膜は必ずしも均一な状態である必要はなく、部分的に設けられていてもよい。原子拡散接合による接合界面は、レーザ光またはマイクロ波によって一部を改質させてもよい。たとえば、励起光Ｌpumpの光路における金属膜に対して、励起光Ｌpumpの波長の透過率を高くすることができる。また、共振光Ｌrsnの光路における金属膜に対して、共振光Ｌrsnの波長の透過率を高くすることができる。また、原子拡散接合は、金属膜に限らず、酸化物膜、もしくは窒化物膜を用いてもよい。
第１活性層２３１と第２活性層２３２を接合して、活性層２３Ａを有する利得媒質２０Ａを備えた利得チップ３０Ａが得られる。利得媒質２０Ａでは、第１半導体部２１、活性層２３Ａ、第２半導体部２２がこの順で配置されている。活性層２３Ａの厚さは、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。利得媒質２０Ａの第１主面２１１（すなわち、第１半導体部２１が活性層２３Ａと接する側と反対側の面）に第１放熱部材３１が設けられ、第２主面２２１（すなわち、第２半導体部２２が活性層２３Ａと接する側と反対側の面）に第２放熱部材３２が設けられている。これにより放熱性能のよい利得チップ３０Ａが実現する。
＜第２の作製プロセス＞
図６Ａから図６Ｄは、利得チップの第２の作製プロセスを示す。第２の作製プロセスでは、共振器１０内に発生する共振光Ｌrsnの定在波の腹に当たる領域にだけ活性層を設ける。定在波の腹にあたる部分以外の領域では、活性層を設けても光の増幅にほとんど寄与しないからである。このように、共振器内において、定在波の腹に当たる部分にのみ活性層を設ける構造は、周期的共鳴利得（Resonant Periodic Gain ：ＲＰＧ）構造と呼ばれる。
図６Ａで、第１放熱部材３１と、第１半導体部２１と、第１活性層２３１がこの順で配置されたチップを準備する。このチップは、図５の第１チップ２１０Ａと同じものであってもよい。一例として、第１放熱部材３１をＡｌＮで形成し、第１半導体部２１をＧａＮで形成し、第１活性層２３１を、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＩｎｙＧａ１－ｙＮ（0≦ｘ≦１、ｙ≦１、ｘ＜ｙ）の多重量子井戸構造とすることができる。
図６Ｂで、第１活性層２３１を加工して、周期的なパターン２３３を形成する。周期的なパターンは第１活性層２３１からなる。周期的なパターン２３３は、共振器１０内の定在波の腹に当たる位置に設けられたストライプ状の突起である。周期的なパターン２３３は、たとえば、第１活性層２３１上に形成されたマスクを電子ビームリソグラフィーでパターンニングし、その後ドライエッチングすることで形成することができる。１つのストライプ状の突起から隣のストライプ状の突起までの間隔は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。たとえば、活性層が窒化物半導体により構成される場合、ストライプ状の突起の間隔は、７５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってよい。
図６Ｃで、第１活性層２３１のエッチング除去された領域に、第１半導体部２１の材料（たとえばＧａＮ）の層を再成長し、周期的なパターン２３３の間を再成長層２３５で埋める。その後、周期的なパターン２３３と再成長層２３５の表面を平坦化する。これにより、周期的なパターン２３３を備える第１チップ２１０Ｃが得られる。
図６Ｄで、第２チップ２２０Ｃを準備する。第２チップ２２０Ｃは、第２放熱部材３２と、第２半導体部２２と、第２活性層２３２がこの順で配置されている。第２活性層２３２は、周期的なパターンを有さない。直接接合は、第２チップ２２０Ｃの第２活性層２３２と、第１チップ２１０Ｂの第１活性層２３１で形成された周期的なパターン２３３を対向させ、互いに接触させることで実行される。この工程では、周期的なパターン同士の厳密な位置合わせが不要であり、製造工程が簡易である。
図７は、第２の作製プロセスで作製された利得チップ３０Ｃの模式図である。利得チップ３０Ｃは、利得媒質２０Ｃと、利得媒質２０Ｃの第１主面２１１の側に設けられた第１放熱部材３１と、第２主面２２１の側に設けられた第２放熱部材３２とを有する。利得媒質２０Ｃは、第１半導体部２１、活性層２３Ｃ、及び第２半導体部２２を、この順に有する。活性層２３Ｃは、第１活性層２３１からなる周期的なパターン２３３と、周期的なパターンを有さない第２活性層２３２とを含む。利得チップ３０Ｃが共振器の内部に配置されるとき、活性層２３Ｃの周期的なパターンの周期の方向は、共振器１０の光軸１５（図１参照）が延びる方向と平行となるように配置することができる。周期的なパターン２３３はＲＰＧ構造をとり、共振器１０内の定在波の腹に当たる位置に設けられるので、共振光Ｌrsnの増幅に寄与しない部分で励起光Ｌpumpが活性層に吸収されることを低減し、効率よく活性層を励起することができる。また、利得チップ３０Ｃの光入出力面に、再成長層２３５が位置する。これにより、周期的なパターン２３３が再成長層２３５により保護され、活性層２３Ｃの劣化を低減することができる。
＜第３の作製プロセス＞
図８Ａから図１１は、第３の作製プロセスとして、利得チップ３０Ｄの作製プロセスを示す。第３の作製プロセスでは、共振器１０の内部に利得チップ３０Ｄが配置されるとき、活性層は、共振器１０の光軸１５に沿った領域にだけ、周期的なパターンが存在するように形成される。具体的には、活性層は共振器１０内に発生する定在波の腹に当たり、かつ、共振光Ｌrsnの光路に沿った領域に設けられる。活性層は励起光Ｌpumpに対する吸収が大きいので、共振に寄与しない部分の活性層を除去することが好ましい。これにより、励起光Ｌpumpのパワーが減衰しにくく、効率よく活性層を励起し、利得を高めることができる。
図８Ａと図８Ｂで、第１放熱部材３１上に、第１半導体部２１と第１活性層２３６がこの順で設けられた基板を作製する。図８Ａは上面図、図８Ｂは図８ＡのＡ－Ａラインに沿った断面図である。図８Ａに示されるように、第１活性層２３６は、第１半導体部２１の上で、一方向に延びるリッジである。第１活性層２３６は、基板の長手方向に沿って延びており、第１活性層２３６の長軸と直交して対向する２つの面は光を入出力する側面２０１と側面２０２となる。
図９Ａと図９Ｂで、リッジ状の第１活性層２３６をエッチングして、周期的なパターン２３９を形成する。周期的なパターン２３９は第１活性層２３６からなる。図９Ａは上面図、図９Ｂは図９ＡのＡ－Ａラインに沿った断面図である。図１０Ａと図１０Ｂで、再成長層２３８を形成し、表面を平坦化する。図１０Ａは上面図、図１０Ｂは図１０ＡのＡ－Ａラインに沿った断面図である。再成長層２３８は、第１半導体部２１と同じ材料であってよい。これにより、周期的なパターン２３９を有する第１チップ２１０Ｄが得られる。各周期的なパターン２３９の間に設けられる再成長層２３８は、活性層に隣接する他の再成長層２３８と面一であってよい。第１活性層２３６の積層方向および周期的なパターン２３９の周期の方向の両方に垂直な方向において、再成長層２３８は、第１活性層２３６と隣接する。再成長層２３８は、第１チップ２１０Ｄと第２チップ２２０Ｄが接合された後に第３半導体部を構成する。
図１１で、第２チップ２２０Ｄを、第１チップ２１０Ｄに接合する。第２チップ２２０Ｄは、第２放熱部材３２上の第２半導体部２２と、第２半導体部２２の上に形成された第２活性層２３２とを有する。周期的なパターン２３９と第２活性層２３２を対向させ、位置合わせをして、表面活性化接合、原子拡散接合、または水酸基接合などにより、第１チップ２１０Ｄと第２チップ２２０Ｄを接合する。なお、第２活性層２３２は、ストライプ状になっていてもよく、周期的なパターンであってもよい。このとき、第２活性層２３２の積層方向および、ストライプが延びる方向または周期パターンの周期の方向の両方に垂直な方向において、再成長層が設けられる。再成長層は、第２活性層２３２と隣接する。第１チップ２１０Ｄと第２チップ２２０Ｄが接合された後、再成長層は第３半導体部を構成する。
図１２は、第３の作製プロセスで作製された利得チップの３０Ｄの模式図である。左側のＸＺ面での断面図は、右側のＹＺ断面図のＢ－Ｂラインに沿った断面図である。利得チップ３０Ｄは、利得媒質２０Ｄと、利得媒質２０Ｄの第１主面２１１の側に設けられる第１放熱部材３１と、利得媒質２０Ｄの第２主面２２１の側に設けられる第２放熱部材３２とを有する。利得媒質２０Ｄは、第１半導体部２１と、第２半導体部２２と、第１半導体部２１と第２半導体部２２の間に設けられた第１活性層２３６および第２活性層２３２と、を有する。また、第１活性層２３６の積層方向と、周期的なパターン２３９の周期方向の両方に垂直な方向において、第１活性層２３６（すなわち周期的なパターン２３９）と隣接する第３半導体層２３８をさらに有する。利得媒質２０Ｄが共振器の内部に配置されるとき、第１活性層２３６は、共振器の光軸と平行な領域に、光軸に沿って周期的に設けられる。利得チップ３０Ｄの構成により、励起が不要な領域での励起光の吸収を低減して、利得を高く維持することができる。
第３の作製プロセスを、たとえば図３Ｂのように共振光Ｌrsnがブリュースター角で利得媒質の側面に入射する光源装置２Ｂに適用する場合は、図１３に示すように、図１０Ａの工程で周期的なパターン２３９として設けられる第１活性層を、利得媒質２０Ｄの光入射面（側面２０１）に対してブリュースター角で斜めに延びる活性層２３Ｄｏｂとして形成してもよい。この場合、反射を低減して励起と増幅を効率よく行うことができる。
＜利得チップの変形例＞
（第１変形例）
図１４は、利得チップ３０の第１変形例である、利得チップ３０Ｅの模式図である。利得チップ３０Ｅは、利得媒質２０Ｅと、利得媒質２０Ｅの第１主面２１１の側に設けられた第１放熱部材３１と、第２主面２２１の側に設けられた第２放熱部材３２とを有する。利得媒質２０Ｅでは、第１半導体部２１と、活性層２３Ｅと、第２半導体部２２がこの順で設けられている。活性層２３Ｅは、第１活性層２３１と、第２活性層２３２と、第１活性層２３１と第２活性層２３２の間に設けられた中間層２４０とを有する。なお、第１変形例において、活性層２３Ｅは、少なくとも第１活性層２３１と、中間層２４０と、を含み、第１活性層２３１は、第１半導体部２１及び第２半導体部２２の一方と接し、中間層２４０は、第１活性層２３１と、第１半導体部２１及び第２半導体部２２の他方との間に配置されればよい。
中間層２４０は、第１活性層２３１を有する第１チップと、第２活性層２３２を有する第２チップとを、接合する際に用いられる。中間層２４０は、第１活性層２３１と接する第１中間層２４１と、第２活性層２３２と接する第２中間層２４２とを有する。また、中間層２４０は、第１中間層２４１と第２中間層２４２の間に設けられた接合層２４５とを有してもよい。接合層２４５は、第１中間層２４１と第２中間層２４２とを直接接合するときに生じ得る。接合層２４５は、形成されなくてもよい。第１半導体部２１と第２半導体部２２がＧａＮ系半導体材料で形成されている場合、たとえば、第１中間層２４１と第２中間層２４２はＧａＮ層であり、接合層２４５はＡｌＮ層である。第１中間層２４１、第２中間層２４２、及び接合層２４５は薄く、中間層２４０全体の厚さは５０ｎｍから数百ナノメートルである。
中間層２４０は、金属、酸化物、窒化物、フッ化物のうち少なくとも１つを含む。中間層２４０が金属である場合、たとえば、アルミニウム、金、銀、銅、ガリウム、シリコン、ニッケル、プラチナ、チタン、ルテニウム、またはタンタルからなる群から選ばれる少なくとも１つであってよい。中間層２４０が酸化物である場合、たとえば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化タンタル、または酸化ハフニウムからなる群から選ばれる少なくとも１つであってよい。中間層２４０が窒化物の場合、たとえば、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化ケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１つであってよい。中間層２４０がフッ化物の場合、たとえば、フッ化マグネシウムまたはフッ化カルシウムなどを用いてもよい。これらにより、放熱性能の良い利得チップ３０Ｅが得られる。中間層２４０を構成する各層は、同じ材料で形成されてよい。第１中間層２４１および第２中間層２４２は、たとえば、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着などにより形成することができる。第１中間層２４１および第２中間層２４２としては、第１活性層２３１または第２活性層２３２と屈折率が同じか、または、第１半導体部２１及び第２半導体部２２の屈折率に近い屈折率を有する層が好ましい。この観点においては、第１中間層２４１および第２中間層２４２として、窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムが好ましい。
第１中間層２４１および第２中間層２４２は、アモルファス層であってよい。これにより、活性層の極性による影響を低減し、接合強度を高めることができる。第１中間層２４１および第２中間層２４２は、表面粗さ（Ｒａ）が５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下である。第１中間層２４１および第２中間層２４２を上述の表面粗さとなるように平坦化することで、第１中間層２４１と第２中間層２４２との直接接合に必要な平坦性が得られる。また、活性層に代えて中間層を平坦化するので、活性層が受けるダメージを低減することができる。第１中間層２４１および第２中間層２４２のそれぞれの厚さは、たとえば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、第１活性層２３１での増幅を妨げにくい。これにより、増幅効率と放熱性能の良い利得チップ３０Ｅが実現される。
（第２変形例）
図１５は、利得チップ３０の第２変形例である利得チップ３０Ｆの模式図である。第２変形例は、活性層２３Ｆに含まれる第１活性層が周期的なパターン２３３を形成している点、および各第１活性層の間には、再成長層２３８が形成されている点、および各第１活性層の間には再成長層２３８が形成されている点で、第１変形例と異なる。利得チップ３０Ｆが共振器の内部に配置されるとき、周期的なパターン２３３は、ＲＰＧ構造をとることができる。これにより、増幅効率と放熱性能の良い利得チップ３０Ｆが実現される。
（第３変形例）
図１６は、利得チップ３０の第３変形例である利得チップ３０Ｇの模式図である。利得チップ３０Ｇは、第１半導体部２１上の第１活性層２３１と、第２半導体部２２の間に、中間層２４０ａを有する。利得チップ３０Ｇは、利得媒質２０Ｇと、利得媒質２０Ｇの第１主面２１１の側に設けられた第１放熱部材３１と、第２主面２２１の側に設けられた第２放熱部材３２とを有する。利得媒質２０Ｇでは、第１半導体部２１と、第１活性層２３１と、中間層２４０ａと、第２半導体部２２がこの順で設けられている。中間層２４０aは、第１中間層２４１と接合層２４５を含む。第３変形例の利得チップ３０Ｇは、第２中間層２４２を備えていない点で、第１変形例の利得チップ３０Ｅと異なる。
第１中間層２４１と接合層２４５を含む中間層２４０ａの厚さは、たとえば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、第１活性層２３１での増幅を妨げにくい。これにより、増幅効率と放熱性能の良い利得チップ３０Ｇが実現される。
（第４変形例）
図１７は、利得チップ３０の第４変形例である利得チップ３０Ｈの模式図である。第４変形例は、活性層２３Ｈが、周期的なパターン２３９を形成している点、および各活性層２３Ｈの間には再成長層２３８が形成されている点で、第３変形例と異なる。利得チップ３０Ｈが共振器の内部に配置されるとき、周期的なパターン２３９をＲＰＧ構造とることができる。これにより、増幅効率と放熱性能の良い利得チップ３０Ｈが実現される。
（第５変形例）
図１８は、利得チップ３０の第５変形例である利得チップ３０Ｉの模式図である。利得チップ３０Ｉは、第１半導体部２１上の活性層２３Ｉと、第２半導体部２２とを、中間層としての第１中間層２４１を介して接合する。利得チップ３０Ｉは、利得媒質２０Ｉと、利得媒質２０Ｉの第１主面２１１の側に設けられた第１放熱部材３１と、第２主面２２１の側に設けられた第２放熱部材３２とを有する。利得媒質２０Ｉでは、第１半導体部２１と、活性層２３Ｉと、第１中間層２４１、第２半導体部２２がこの順で配置されている。第１半導体部２１と第２半導体部２２は、たとえばＧａＮで形成されている。
活性層２３Ｉの上に、アモルファスの第１中間層２４１を形成する。活性層２３Ｉの表面は、たとえば結晶軸（ｃ軸）と直交する＋ｃ面であり、Ｇａ面である。第２半導体部２２の接合面側の表面は、ｃ軸と直交する－ｃ面であり、Ｎ面である。この場合、第２半導体部２２の一方の表面に第２放熱部材３２を配置し、第２半導体部２２の他方の表面（－ｃ面）を接合に利用してもよい。アモルファスの第１中間層２４１を介して活性層２３Ｉと第２半導体部２２とを接合することで、接合強度を高めることができる。
第１中間層２４１は、活性層２３Ｉと平行に設けられる薄い層であり、活性層２３Ｉでの増幅を妨げない。これにより、増幅効率と放熱性能の良い利得チップ３０Ｉが実現される。
（第６変形例）
図１９は、利得チップ３０の第６変形例である利得チップ３０Ｊの模式図である。第６変形例の利得チップ３０Ｊは、活性層２３Ｊが周期的なパターンを形成している点、および各活性層２３Ｊの間には再成長層２３８が形成されている点で、第５変形例の利得チップ３０Ｉとは異なる。再成長層２３８は、たとえば第１半導体部２１と同じ材料である。
第１中間層２４１は、活性層２３Ｊと平行に設けられる薄い層であり、活性層２３Ｊでの増幅を妨げず、活性層２３Ｊの周期的なパターンで効率的に励起、増幅が行われる。利得チップ３０Ｊが共振器の内部に配置されるとき、周期的なパターン２３９のＲＰＧ構造をとることができる。これにより、増幅効率と放熱性能の良い利得チップ３０Ｊが実現される。
＜光源装置の変形例＞
図２０は、光源装置の変形例として、光源装置４を示す。光源装置４は、４枚のミラーを用いたボウタイ型の共振器１０Ａを用いる。共振器１０Ａは、第１ミラー１１、第２ミラー１２、第３ミラー１３、及び第４ミラー１４を有する。共振光Ｌrsnは、第２ミラー１２、第３ミラー１３、第４ミラー１４、第１ミラー１１で順次反射されて共振器１０Ａを周回し、周回ごとに利得チップ３０で増幅される。
共振器１０Ａの内部の光路上に波長変換素子１０１を配置して、高調波を生成してもよい。高調波は、たとえば第４ミラー１４から出力光Ｌoutとして取り出される。たとえば、ＧａＮ系材料で作製された利得チップ３０で基本波４６０ｎｍの光が生成され、増幅される。波長変換素子１０１で、波長２３０ｎｍの紫外光が生成される。波長変換素子１０１は、たとえば、非線形光学結晶であり、強度の高い光の入射により、入射光と異なる波長（周波数）の光が生成される。波長変換素子１０１は、たとえば、ＢＢＯ（β―ＢａＢ２Ｏ４）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢａ３Ｏ５）結晶、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）結晶、ＫＴＰ（ＫＴａｉＯＰＯ４）結晶、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）結晶であってよい。波長変換素子１０１の光軸１５の方向の長さは、光の入射面と出射面で位相整合条件が満たされるように設定されている。
一例として、第３ミラー１３と第４ミラー１４の曲率半径Ｒは５０ｍｍ以上１００ｍｍの範囲にあり、第３ミラー１３と第４ミラーの間の距離は５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。このときの励起光Ｌrsnのビーム径は、波長変換素子１０１の入出力面で２０μｍ以上３０μｍ以下、利得チップ３０の入出力面で１００μｍ程度となる。
励起光源４１から出射された励起光Ｌpumpは、光学素子１７によって、共振光Ｌrsnの光軸１５と平行に利得チップ３０に入射される。利得チップ３０を通過した余剰の励起光Ｌpumpは、光学素子１８によって共振器１０Ａの外へ出射されてもよい。利得チップ３０は、図３Ｂに示したように、共振光Ｌrsmがブリュースター角で入射するように、共振器１０Ａの光軸１５に対して斜めに配置されてもよい。また、利得チップ３０と同様に、波長変換素子１０１は、共振光Ｌrsmがブリュースター角で入射するように、共振器１０Ａの光軸１５に対して斜めに配置されてもよい。これにより、波長変換素子１０１の光入射面と光出射面での反射を低減することができる。光源装置４により、高出力の紫外光源が実現される。
図２１は、光源装置の変形例として、光源装置５を示す。光源装置５は、共振器１０Ｂと、共振器１０Ｂの内部に利得媒質２０と、可飽和吸収体１０２とを有する。利得媒質２０は、共振光Ｌrsnがブリュースター角で利得媒質２０の入射面（側面２０１）に入射するように、共振器１０Ｂの光軸１５に対して斜めに配置されているが、この例に限定されない。
可飽和吸収体１０２は、共振光Ｌrsnの往復時間よりも短い回復時間をもち、入射する励起光Ｌrsnのパルスの中心部分（強度の強い中心領域）に対してほぼ透明であるが、強度が低くなるすそ野部分の光を吸収する。その結果、共振光Ｌrsnがパルス化（モードロック）され、第２ミラー１２からパルス光が出力される。光源装置５は、ハイパワーのシングルモードパルス光源として用いることができる。
＜利得チップの変形例＞
利得チップは、例えば、以下のような構成をとってもよい。すなわち、第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有し、第１半導体部の活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、第２半導体部の活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む利得媒質と、第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、を備え、第１半導体部および第２半導体部の一方または両方は、１×１０１７ｃｍ－３以下の濃度で不純物を含む部分を有し、活性層は、少なくとも第１活性層と、中間層と、を含み、第１活性層は、第１半導体部と第２半導体部の一方と接しており、中間層は、第１活性層と、第１半導体部と第２半導体部の他方との間に配置され、中間層は、酸化物、窒化物、フッ化物、金属のうちの少なくとも１つを含む、半導体素子であってよい。これにより、放熱性の良い半導体素子を得ることができる。
以上、本開示の光源装置に関する実施形態について説明したが、本開示は以下のような構成をとることもできる。
（項１）
第１ミラーと第２ミラーを有する共振器と、
前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置され、前記共振器の光軸と垂直をなす方向において第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有する利得媒質であって、
前記第１半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、前記第２半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む利得媒質と、
前記第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、
前記第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、を備え、
前記共振器の光軸が前記利得媒質を通るように、前記共振器と前記利得媒質とが配置されている、
光源装置。
（項２）
前記共振器の外部に配置される励起光源、
をさらに有し、前記励起光源から出射される励起光は、前記共振器の光軸に沿って、前記利得媒質の前記活性層に入射する、
項１に記載の光源装置。
（項３）
前記共振器の外部に配置される励起光源、
をさらに有し、
前記励起光源から出射された励起光は、前記共振器の光軸と交わる方向で、前記利得媒質の前記活性層に入射する、
項１に記載の光源装置。
（項４）
前記利得媒質は、前記第１主面と前記第２主面とをつなぐ側面を有し、
共振光は、ブリュースター角で前記利得媒質の前記側面に入射する、
項１から３のいずれか１つに記載の光源装置。
（項５）
前記活性層は、少なくとも第１活性層と、中間層と、を含み、
前記第１活性層は、前記第１半導体部及び前記第２半導体部の一方と接しており、
前記中間層は、前記第１活性層と、前記第１半導体部及び前記第２半導体部の他方との間に配置される、
項１から項４のいずれか１つに記載の光源装置。
（項６）
前記中間層は、金属、酸化物、窒化物、フッ化物のうち少なくとも１つを含む、
項５に記載の光源装置。
（項７）
前記利得媒質は窒化物半導体で形成されており、前記第１放熱部材と前記第２放熱部材は金属窒化物で形成されている、
項１から６のいずれか１項に記載の光源装置。
（項８）
前記活性層の厚さは、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、
項１から７のいずれか１項に記載の光源装置。
（項９）
前記活性層は、周期的なパターンを有し、
前記周期的なパターンの周期の方向は、前記共振器の光軸が延びる方向と平行である、
項１から８のいずれか１つに記載の光源装置。
（項１０）
前記利得媒質は、第３半導体部をさらに有し、
前記活性層の積層方向および前記周期的なパターンの周期の方向の両方に垂直な方向において、前記第３半導体部は、前記活性層と隣接する、
項９のいずれか１項に記載の光源装置。
（項１１）
前記第１半導体部と前記第２半導体部の一方または両方は、１×１０１７ｃｍ－３以下の濃度で不純物を含む部分を有する、
項１から１０のいずれか１項に記載の光源装置。
（項１２）
第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有し、前記第１半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、前記第２半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む利得媒質と、
前記第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、
前記第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、
を備え、
前記活性層は、少なくとも第１活性層と、中間層と、を含み、
前記第１活性層は、前記第１半導体部と前記第２半導体部の一方と接しており、
前記中間層は、前記第１活性層と、前記第１半導体部と前記第２半導体部の他方との間に配置され、
前記中間層は、酸化物、窒化物、フッ化物、金属のうちの少なくとも１つを含む、
半導体素子。
本発明は上述した構成例に限定されない。図２０のボウタイ型の共振器１０Ａに可飽和吸収体を用いてもよい。利得媒質２０の層構造は、上述した実施例、変形例のいずれの構成を採用してもよい。いずれの場合も、共振光Ｌrsnは共振器の光軸に沿って利得媒質２０を通過し、共振光と活性層との相互作用長を長くとって効率的な増幅が可能になる。利得媒質２０の活性層と平行な２面（第１主面２１１と第２主面２２１）に第１放熱部材３１と第２放熱部材３２が設けられるので、放熱性能を向上することができる。
１、２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４、５ 光源装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ 共振器
１１ 第１ミラー
１２ 第２ミラー
１３ 第３ミラー
１４ 第４ミラー
１５ 光軸
２０、２０Ａ、２０Ｃ～２０Ｊ 利得媒質
２１ 第１半導体部
２２ 第２半導体部
２３、２３Ａ、２３Ｃ～２３Ｆ 活性層
３０、３０Ａ、３０Ｃ～３０Ｊ 利得チップ（半導体素子）
３１ 第１放熱部材
３２ 第２放熱部材
４１ 励起光源
２０１、２０２、２０３、２０４ 側面
２１１ 第１主面
２２１ 第２主面
２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ 第１チップ
２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ 第２チップ
２３１、２３６ 第１活性層
２３２ 第２活性層
２３３、２３９ 周期的なパターン
２３５ 再成長層
２３８ 再成長層（第３半導体部）
２４０、２４０ａ 中間層
２４１ 第１中間層
２４２ 第２中間層
２４５ 接合層
Ｌrsn 共振光
Ｌpump 励起光
Ｌout 出力光

Claims (12)

  1. 第１ミラーと第２ミラーを有する共振器と、
    前記第１ミラーと前記第２ミラーの間に配置され、前記共振器の光軸と垂直をなす方向において第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有する利得媒質であって、
    前記第１半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、前記第２半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む利得媒質と、
    前記第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、
    前記第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、を備え、
    前記共振器の光軸が前記利得媒質を通るように、前記共振器と前記利得媒質とが配置されている、
    光源装置。
  2. 前記共振器の外部に配置される励起光源、
    をさらに有し、前記励起光源から出射される励起光は、前記共振器の光軸に沿って、前記利得媒質の前記活性層に入射する、
    請求項１に記載の光源装置。
  3. 前記共振器の外部に配置される励起光源、
    をさらに有し、
    前記励起光源から出射された励起光は、前記共振器の光軸と交わる方向で、前記利得媒質の前記活性層に入射する、
    請求項１に記載の光源装置。
  4. 前記利得媒質は、前記第１主面と前記第２主面とをつなぐ側面を有し、
    共振光は、ブリュースター角で前記利得媒質の前記側面に入射する、
    請求項１に記載の光源装置。
  5. 前記活性層は、少なくとも第１活性層と、中間層と、を含み、
    前記第１活性層は、前記第１半導体部及び前記第２半導体部の一方と接しており、
    前記中間層は、前記第１活性層と、前記第１半導体部及び前記第２半導体部の他方との間に配置される、
    請求項１に記載の光源装置。
  6. 前記中間層は、金属、酸化物、窒化物、フッ化物のうち少なくとも１つを含む、
    請求項５に記載の光源装置。
  7. 前記利得媒質は窒化物半導体で形成されており、前記第１放熱部材と前記第２放熱部材は金属窒化物で形成されている、
    請求項１に記載の光源装置。
  8. 前記活性層の厚さは、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である、
    請求項１に記載の光源装置。
  9. 前記活性層は、周期的なパターンを有し、
    前記周期的なパターンの周期の方向は、前記共振器の光軸が延びる方向と平行である、
    請求項１に記載の光源装置。
  10. 前記利得媒質は、第３半導体部をさらに有し、
    前記活性層の積層方向および前記周期的なパターンの周期の方向の両方に垂直な方向において、前記第３半導体部は、前記活性層と隣接する、
    請求項９に記載の光源装置。
  11. 前記第１半導体部と前記第２半導体部の少なくとも一方は、１×１０１７ｃｍ－３以下の濃度で不純物を含む部分を有する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の光源装置。
  12. 第１半導体部、活性層、及び第２半導体部をこの順に有し、前記第１半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第１主面と、前記第２半導体部の前記活性層が設けられた側と反対の側に位置する第２主面と、を含む利得媒質と、
    前記第１主面の側に設けられた第１放熱部材と、
    前記第２主面の側に設けられた第２放熱部材と、
    を備え、
    前記第１半導体部および前記第２半導体部の一方または両方は、１×１０１７ｃｍ－３以下の濃度で不純物を含む部分を有し、
    前記活性層は、少なくとも第１活性層と、中間層と、を含み、
    前記第１活性層は、前記第１半導体部と前記第２半導体部の一方と接しており、
    前記中間層は、前記第１活性層と、前記第１半導体部と前記第２半導体部の他方との間に配置され、
    前記中間層は、酸化物、窒化物、フッ化物、金属のうちの少なくとも１つを含む、
    半導体素子。
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