JP5770989B2 - 垂直面発光半導体素子 - Google Patents

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Description

本開示は固体発光素子に関し、より詳細には、スペクトルの可視（４００ｎｍ〜５５０ｎｍなどの）部分において発光するレーザ素子に関する。
固体発光素子は今日では公知であり、様々な用途で使用されている。そのような用途の多くでは、電流注入により素子自体から所望の出力波長が獲得され得る。他のそうした用途の中には、所望の波長を獲得するために発光素子の出力が変更されなければならないものもある。例えば、遠紫外線（２００ｎｍ〜３００ｎｍなど）の出力光を獲得するのに適した所望の波長、電力、ビーム品質、および寿命を提供する、シングルチップの電気的に駆動される素子はまだ提示されていない。これまで研究されている遠紫外線半導体ベースのレーザ素子は、一般には、本来的に低ビーム品質を有し、低出力電力を呈する、窒化ガリウムベースのリッジ導波路型レーザダイオードである。紫外線レーザダイオードのほとんどあらゆる面で材料に大きな問題があるため、その寿命は非常に限られたものになる。
遠紫外線光を獲得するために、固体レーザによって出力される光が、周波数逓倍結晶によって変更される場合もある。非線形結晶による効率的な周波数逓倍には、出力電力の高い、ガウス・ビーム・プロファイルを有するコヒーレント光源が必要である。最高の変換効率が達成されるのは、非線形結晶が、共振器内の定在光波の波腹で増強された光場強度（共振器内周波数逓倍）を使用する空洞共振器に配置されるときである。
一回の周波数逓倍の適用で遠紫外線発光を達成するために、４００ｎｍから５００ｎｍまでの間の窒化物ベースのレーザダイオード発光を使用することもできる。しかし、リッジ導波路型形状において利用可能なレーザダイオードは、本来的にビーム品質が低く、これまでのところ出力電力に限界がある。室温で動作する窒化物ベースのＶＣＳＥＬがごく最近になって報告されており、これは、大面積の素子とするのを妨げる不十分な横方向の電流拡散が原因で低電力素子になるものと予想されている。より広く利用できるガリウムヒ素ベースの固体レーザを使用して遠紫外線発光を達成するには、事実上、二回の周波数逓倍の適用が必要である。しかし、二段周波数逓倍を効率よく行おうとすると、出力電力が著しく低下し、発光装置のサイズと複雑さが増す。
最近、垂直外部共振器型半導体レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ）（ＶＥＣＳＥＬ）または半導体ディスクレーザ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｉｓｋ Ｌａｓｅｒ）（ＳＤＬ）が、近赤外線または赤色発光から、可視または近紫外線のスペクトル域への一段階周波数逓倍の効率的方法であることが示されている。ＳＤＬでは、励起の領域および密度が、入射ポンプ光の直径および電力によって変倍され、ポンプ電力は、電気的にポンプされたレーザにおけるポンプ電力よりずっと大きい長さスケールにわたって吸収される。したがって、レーザ処理工程においてより多くの光学活性層を組み込むことができ、よって、より多くの出力電力を獲得することができる。所与の構成について、熱飽和（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｏｌｌ−ｏｖｅｒ）によって制限されない場合、出力電力は、破滅的光学反射鏡損傷（ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｒｒｏｒ ｄａｍａｇｅ）（ＣＯＭＤ）の発生による制限しか受けない。ＳＤＬにおいて、共振器は、発光活性領域および高反射性分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＤＢＲ）反射鏡を備える半導体利得構造と、レーザ出力のための部分透過性の外部反射鏡との間に形成される。これらのデバイスは、本来的にビーム品質が高く（Ｍ２〜１）、高出力電力であり（マルチワット動作）、共振器内周波数逓倍との適合性を有するため、周波数逓倍に非常に好適である。共振器内周波数逓倍は、キャビティ内で、タンデムキャビティ配列において利用できる場の強さと比べて何オーダも高い場の強さを利用することができる。光場強度に対する変換効果の二次依存性により、共振器内周波数逓倍は、第二高調波発生によってより高い光学的出力をもたらす。共振器内周波数逓倍の前提条件は、不可避的に損失を増加させる非線形光学結晶の挿入に耐えるのに十分な基本レーザ動作の安定性を有していることである。
これまでのところ、使用されている半導体利得構造は、ほとんど例外なくガリウムヒ素／アルミニウムガリウムヒ素（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）系に基づくものである。大部分の他の半導体材料系とは異なり、ほとんどひずみの発生しないＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系は、一回のエピタキシャル工程で、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層と、ＩｎＧａＡｓ量子井戸といった発光層からの高反射率多層スタックを成長させることを可能にする。しかし、高電力遠紫外線発光は、基本の赤外線波長からの二段の周波数逓倍によって初めて達成される。また、ＳＤＬ構造における量子井戸（ＱＷ）の直接光ポンピングも実際に行われている。この手法では、キャリア緩和過程によりチップに対する熱負荷が低減され、ポンプとＳＤＬの発光エネルギーの差がより小さいことによりエネルギー不足が軽減される。しかし、ポンプ光とＱＷの相互作用長が小さく、非共振吸収により振動子強度が低減されるため、ＱＷにおける直接吸収が不十分になる。マイクロキャビティが、レーザ波長とポンプ波長における二次共振との両方で同時に基本共振を示せば、吸収効率は大幅に改善される。これは２つの方法で実現できる。１つの方法は、垂直外入射角にするためにマイクロキャビティの共振周波数をより短い波長に向かわせるシフトを使用するものである。別の方法は、垂直入射においてポンプ波長とレーザ波長の両方で共振が生じるキャビティ厚を使用するものである。
従来のレーザダイオードの簡潔さと比べて、ＳＤＬは、少なくともポンプ・レーザ・ダイオード、半導体利得構造および出力結合反射鏡を備える光学装置の位置合わせを犠牲にして実現される。装置の位置合わせは、基本的には、ポンプ・レーザ・スポットをＳＤＬキャビティ内でレーザビームの幅に適合させることを含み、これは、外部反射鏡の湾曲によって決定される。しかしこれは、ＳＤＬ装置が比較的大きく、機械的応力の影響を受けやすいことを示すものである。携帯用機器など多くの用途では、装置がコンパクトで丈夫なことは重要な課題である。
ヒ化物ベース系に関して現在知られているものを窒化物ベースの材料へと拡張させようとする動機付けは存在するが、そのためには多くの障害がある。これまで提供されているコンパクトで高電力のポンプ源は、３．０〜２．８ｅＶ（４０５〜４４５ｎｍ波長）の発光エネルギーを有し、これはＧａＮバンド端（３．４ｅＶ）より低い。加えて、２．７〜２．６ｅＶの発光ＳＤＬを３．４ｅＶでポンピングする場合のエネルギー不足もすでに、２０％の効率損失になる。したがって、（ＧａＡｓベースのＳＤＬと同様の）ＧａＮバンド端を上回るより高い電力での光ポンピングは実用的ではない。
ＧａＮのエネルギーを下回るバンド端エネルギー（波長）を有するポンプ源を使用するには、その利得構造がポンプ波長での共振吸収のために設計されている必要がある。前述のように、これは２つの方法（ポンプ光の入射を傾けること、または特定のキャビティ厚を選択すること）で行うことができる。しかし、ＳＤＬのレーザ波長に対して利用できるポンプ源波長によっては、ポンプ源／利得構造位置合わせが簡単であることまたは利得構造内のＱＷの位置決めが理由で、利得構造のうちのどちらか一方が有利に働く。
ＧａＮは、可視の窒化物ベース発光体における主要なマトリックス材料であり、基礎となる成長機構が原因で、十分な厚さの低バンドギャップ窒化物で容易に置き換えることができない。別の重要な問題が、十分な冷却を与えるための半導体チップの熱管理である。窒化物は、機械的および化学的耐性を有する材料であり、普通は、サファイアなどの同程度に丈夫な基板上で成長させるため、基板除去およびヒートシンクへの再ボンディングのためにＧａＡｓに関して公知の方法を使用するという選択肢が利用できない。
窒化物ベースのＶＥＣＳＥＬを実現する場合のもう１つの難しい問題は、エピタキシャル工程における高反射性多層スタックの半導体構造チップへの実装である。必要な９９．９％の高反射率を達成するために、必要とされる多数のひずみＡｌＧａＮ／ＧａＮ層または無ひずみＩｎＡｌＧａＮ／ＧａＮ層の対（６０超など）が、クラッキングまたは粗さにより表面品質を劣化させ、最終的にはレーザ動作を低下させることになる。しかも、そのようなエピタキシャル成長反射鏡の高反射率ストップバンドの幅はやや狭く、ポンプ波長とレーザ波長の両方で高反射率を得ることを困難にする。
よって、ヒ化物ベース系で利用される技法を、窒化物ベースの素子で用いることが望まれているが、（ａ）ヒ化物ベース系と窒化物ベース系との材料特性の差が大きいこと、（ｂ）高電力ポンプ源の利用に制限があること、および（ｃ）素子製造における差異が大きいことを含む障害は、材料系の単純な置換えを選択することができないことを意味している。
米国特許第７５４７９２５号明細書 米国特許第６７５７３１４号明細書
したがって本開示は、４００ｎｍから５５０ｎｍまでのスペクトル域の波長を有する窒化物ベースのＳＤＬを対象とするものである。本開示は、ガリウムヒ素ベースの素子に関して当分野で公知のものを、窒化物ベースの素子に単に拡張することによるいくつかの課題を克服するものである。
したがって、本明細書で開示するのは、市販の高電力窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのレーザダイオードと併用するように最適化された、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）半導体利得構造を使用する、高電力高輝度可視発光を提供する窒化物ベースのＳＤＬ設計である。代替の実施形態では、利得チップが、市販の高輝度ＬＥＤと併用するように最適化される。チップのレイアウトは基板除去処理に非常に適するものである。したがって、超小型で調節しやすい遠紫外線発光素子が提供される。
本開示の一態様によれば、ポンプ波長の共振吸収を有するＩｎＧａＮ層で構成された半導体利得構造が提供される。
本開示の別の態様によれば、ＩｎＧａＮ層はＱＷの周りのバリアとして機能する。
本開示の別の態様によれば、層スタック内の各個別ＩｎＧａＮ層の幅と位置が、ひずみによる制限に追従しながら定在波パターンとの最大限のオーバーラップを生じる。
本開示の別の態様によれば、半導体利得チップの上に高反射率多層反射器が堆積され、各個別ＩｎＧａＮ層の幅と位置は、フリップチップ設計によるものである。
本開示の別の態様によれば、半導体構造の全長は、垂直入射条件下でレーザ波長とポンプ波長での同時共振を提供する。この設計は、例えば、ポンプ波長とレーザ波長との差が４０ｎｍを超えるときなどに選択され得る。
本開示の別の態様によれば、半導体構造の全長は、垂直入射の下で、４６０ｎｍのレーザ波長と３９５から４２５ｎｍまでのポンプ波長での同時共振を提供する。
本開示の別の態様によれば、前述のような半導体構造の上に、レーザ波長で９９．９％超の高反射率を有し、ポンプ波長で１０％未満の低反射率を有する、誘電体多層反射器が堆積される。
本開示の別の態様によれば、そのような誘電体反射鏡は、おおよそ０．２１の屈折率コントラストを有する、レーザ波長の四分の一波長の厚さの１７．５層の対からなる。
本開示の別の態様によれば、そのような誘電体多層反射器は、ＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４のレーザ波長の四分の一波長の層でできている１７．５層の対からなる。
本開示の別の態様によれば、そのような誘電体反射鏡は、７８ｎｍＳｉＯ２層とＳｉ３（ＯｘＮ１−ｘ）４の四分の一波長厚の層でできている１７．５以上の対からなる。
本開示の別の態様によれば、半導体構造の全長は、垂直外入射条件の下で、レーザ波長とポンプ波長での同時共振を提供する。この設計は、例えば、ポンプ波長とレーザ波長の差が４０ｎｍ未満であるときなどに選択され得る。
本開示の別の態様によれば、半導体構造の全長は、垂直外入射の下で、４６０ｎｍのレーザ波長と４３５ｎｍから４５５ｎｍまでのポンプ波長での同時共振を提供する。
本開示の別の態様によれば、前述のような半導体構造の上に、レーザ波長で（例えば少なくとも９９．９％の）高反射率を有し、ポンプ波長で（例えば少なくとも９９％の）高反射率を有し、ポンプ波長の共振条件で垂直外入射する誘電体多層反射器が堆積される。
本開示の別の態様によれば、前述のような誘電体多層反射器は、おおよそ０．３９の屈折率コントラストを有するレーザ波長で四分の一波長厚のわずか５．５層の対からなる。
本開示の別の態様によれば、前述のような誘電体多層反射器は、ＴｉＯ２とＳｉＯ２のレーザ波長で四分の一波長層のわずか５．５層の対からなる。
本開示の別の態様によれば、素子製造時に、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）などとすることのできる成長基板の除去後にエッチング処理で除去され得る犠牲ＩｎＧａＮ層が設けられる。
本開示の別の態様によれば、利得チップ層構造への犠牲ＩｎＧａＮ層の上部界面は、レーザ波長での定在光波パターンの波腹位置にある。
本開示の別の態様によれば、素子製造時に、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）などとすることのできる成長基板の除去後に、最初に成長させるＧａＮバッファ層を選択的に除去するためのエッチング停止層として働くことのできるＡｌＧａＮ層が設けられる。
本開示の別の態様によれば、基板に向かってエッチング停止ＡｌＧａＮ層の下部界面は、レーザ波長での定在光波パターンの波腹位置にある。
本開示の別の態様によれば、基板除去に使いやすい化学工程を可能にする成長基板としてケイ素が使用され得る。
本開示の別の態様によれば、半導体利得チップ層構造を成長させるために、研磨され、薄片化され、半導体利得チップの熱拡散器として働く、熱伝導性透明基板が使用される。
本開示の別の態様によれば、熱伝導性基板として炭化ケイ素または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が使用され得る。
本開示の別の態様によれば、熱拡散器として炭化ケイ素または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が使用される場合、利得チップの層構造は前述の通りであり、レーザ波長とポンプ波長の両方での定在波パターンの波腹の位置において、ポンプ波長で少なくとも２０％の反射率を提供する、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ層でできたエピタキシャル成長させた多層スタックがさらに挿入される。
本開示の別の態様によれば、活性層は、活性ＱＷ領域内部の分極電界を低減するために、ＧａＮ（１１２２）／ｍ−サファイア型板またはＧａＮ（１１２２）基板上に形成され得る。
本開示の別の態様によれば、ＩｎＧａＮ半導体利得構造にエッチング処理でピラーが設けられ、ポンピングのため到達可能な（ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ）立体角を大きくすることができる。
本開示の別の態様によれば、半導体利得構造は、構造の横方向の大角度ポンピングを可能にするピラーとして形成され得る。
以上は、本開示のいくつかの固有の態様、特徴、および利点の概要である。しかし、この概要は網羅的なものではない。よって、本開示の上記その他の態様、特徴、および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を、本願において提出する特許請求の範囲に照らして考察すれば、より明らかになるであろう。
添付の図面において、類似の符番は、様々な図面間で類似の要素を表す。例示のためではあるが、各図面は縮尺通りには描かれていない。
本開示の第１の実施形態による、窒化物ベースの光源と半導体利得構造と非線形結晶とを用いて遠紫外線光を生成するシステムを示す概略図である。 本開示の第１の実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の第２の実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の第２の実施形態による、窒化物ベースの光源と半導体利得構造とを用いて遠紫外線光を生成するシステムを示す概略図である。 本開示の第１の実施形態による、半導体利得構造面に垂直なポンプ光入射での反射率スペクトルのモデル化結果を表すグラフである。 本開示の第２の実施形態による、半導体利得構造面に垂直な面に対しておおよそ４０度のポンプ光入射での反射率スペクトルのモデル化結果を表すグラフである。 本開示の第３の実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の第３の実施形態による、複数の光源と半導体利得構造とを用いて遠紫外線光を生成するシステムを示す概略図である。 本開示の様々な実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の様々な実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の様々な実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の様々な実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。 本開示の様々な実施形態による半導体利得構造を示す断面図である。
最初に、本発明の詳細を必要以上に不明瞭にしないように、周知の出発原料、加工技術、構成要素、装置およびその他周知の詳細の説明を省略することを指摘しておく。よって、詳細が通常は周知である場合、それらの詳細に関する選択の提言または指示については、本発明の適用に委ねるものとする。
次に図１を参照すると、本発明の一実施形態によるシステム１０の概略図が示されている。システム１０の各要素を以下でさらに詳細に論じる。システム１０はポンプ光源１２を備え、ポンプ光源１２の出力は、レンズ群（ｏｐｔｉｃｓ）１４の焦点を半導体利得構造１６の第１の端面に当てることによって合わせられる。半導体利得構造１６の出力は、凹面出力結合反射鏡２０に向けられており、そこで９９％を超える光が半導体利得構造１６に反射される。このシステム１０は、任意選択で、（本明細書で開示するすべての実施形態に適用可能であるが、図１の実施形態にのみ示し）周波数逓倍光の生成を可能にする非線形結晶１８をさらに備えていてもよい。
一実施形態において、ポンプ光源１２は、３７０〜４２５ｎｍの範囲で、一具体的実施形態では好ましくは４０５ｎｍで発光する、市販の高電力窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのレーザダイオード（あるいは、複数のレーザダイオード）である。そのような光源の一例が、米国特許第７５４７９２５号明細書に開示されている。ポンプ光源１２の出力電力は、３〜１０ワットの範囲とすることができる。１つまたは複数のレンズで構成される集光システム１４を使用して、５０ｋＷ／ｃｍ２超の電力密度を達成するために、直径５０〜２００μｍのポンプ光スポットサイズが提供される。ポンプ光源１２の出力は、半導体利得構造１６を駆動する光ポンプを形成する。半導体利得構造１６は、例えば、４４０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内など、所望の波長の光ビームを出力する。出力結合反射鏡２０は、９９．５％以上の半導体利得構造の出力波長での反射鏡反射率を提供するために、誘電体層で被覆されている。
次に図２を参照すると、半導体利得構造１６の一実施形態が示されている。まず、半導体利得構造１６の構造に注目し、次いで、その製造についての簡単に概説する。一般に半導体利得構造１６は、複数（５〜２０など）の量子井戸構造２２を備え、各構造は、２．５ｎｍのＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層２２ａ（０．１０≦ｘ≦０．５、例えばｘ＝０．２）と、ＱＷ層２２ａの下（２２ｂ）または上（２２ｃ）に配置される、５〜２５ｎｍ厚のＩｎｙＧａ１−ｙＮポンプ光吸収（ＰＬＡ）バリア層（０．０＜ｙ≦０．４、例えばｙ＝０．１）とを備える。各量子井戸構造２２の間には、個々の量子井戸間の電荷キャリア拡散を阻止すると共に、半導体利得構造１６の表面に向かう電荷キャリア拡散も阻止するように働くＧａＮの拡散阻止層２４が配置される。一般に、各ＧａＮ層２４の厚さは、ポンプとレーザ両方の波列の波腹間隔に適合するように選択される。したがって、隣接する量子井戸構造２２間の間隔は、その利得構造１６内での相対的位置によって決まる。さらに、量子井戸層２２ａの下（２２ｃ）と上（２２ｂ）のどちらでＰＬＡバリア層が用いられるかも、レーザビーム３６とポンプ光２６の定在波パターン２８ａおよび２８ｂの相対的位置によって決まる。ポンプ光源１２によって提供されるビーム２６は、半導体利得構造１６をポンピングする。ビーム２６は、半導体利得構造１６内で定在波２８を形成する。量子井戸構造２２は、それぞれのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ量子井戸２２ａが、レーザビーム３６の定在波パターン２８ａの波腹位置に位置決めされるように、相互に間隔を置いて配置される。
利得構造１６は、全部でＮ層からなり、ポンプ波長とレーザ波長の整数倍であり、次式で求められる光学的厚さＯＴを有する。
ΣＧ Ｎ（厚さｎ）（屈折率ｎ）
式中、層ｎは、量子井戸層、バリア層、および拡散層を含む。すなわち、利得構造１６は、各層の厚さにその層の屈折率を掛けた積の合計であり、ポンプ波長とレーザ波長の整数倍でもある厚さを有する。
前述のように、半導体利得構造のサブキャビティ（量子井戸とバリアの領域）が、レーザ波長とポンプ波長の二次共振で同時に基本共振を示す場合、吸収効率は大幅に改善される。利得構造を２つの別個の波長で同時に共振させるためには、利得構造のサブキャビティの全長を媒体における各波長の商で割ったもの（例えば、（４０５／ｎ１）／（４６０／ｎ２））が、可能な限り整数に近くなければならない。
半導体利得構造１６はさらに、エピタキシャル成長させた窒化物層２４に隣接して誘電体分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造３２を備える。一実施形態において、ＤＢＲ３０は、４６０ｎｍで９９．９％の反射率をもたらす、１７．５対の５９ｎｍＳｉＮｘ／７８ｎｍＳｉＯ２四分の一波長層からなる。
半導体利得構造１６の製造に関して、半導体層２２ａ〜ｃ、２４、およびＤＢＲ３０は、例えば、前述の米国特許第７５４７９２５号明細書に開示され、記載されているように、有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）（ＭＯＶＰＥ）によって、サファイアといった、ポンプ光の波長において透明である基板（不図示）上で成長させることができる。
動作時に、半導体利得チップはかなり熱くなり得ることが知られている。熱による損傷または性能損を低減するために、ＤＢＲ３０を含む半導体利得構造１６は、逆さまにして第１のヒートシンク３２ａ上に取り付けられる。ヒートシンク３２ａは、例えば、銅または他の熱伝導性材料で構成される。次いで、例えば、米国特許第６７５７３１４号明細書に開示され、記載されているように、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）（ＬＬＯ）法を行って基板が除去される。次いで、第２のヒートシンク３２ｂが、利得構造の露出した裏面に取り付けられる。図２には、その下部と上部にヒートシンク３２ａおよび３２ｂを備える完成した構造が反転して示されている。
ヒートシンク３２ａは、半導体利得構造１６の裏面ポンピングのための小さい開口３４を有する。ヒートシンク３２ｂも、ヒートシンク３２ａと同じ直径の小さい開口を有する。これらの開口は相互に重なり合う中心を有する。それによって、表面法線に平行なチップのポンピングが可能になり（すなわち、ポンプ光源１２と半導体利得構造１６を同軸上に位置合わせさせることができ）、図１に示すように、構造のすべての光学部品の直線的配置が可能になる。
最後に、外部出力結合反射鏡２０の被覆は、４６０ｎｍで９９．５％の反射率、４０５ｎｍで９９％の反射率を生じるように設計されている。それによって、少なくともポンプ波長の第２の往復が、ＰＬＡの吸収効率を増強するよう促される。
詳細例１
以下は、本開示の一実施形態による、まず半導体利得構造を形成し、次に完全な発光素子を形成するためのステップおよび条件の具体例である。この例によれば、全キャビティ長は、４０５ｎｍポンプ波長で約１４λ／２の長さを有するように選択され、これは、４６０ｎｍレーザ波長での１２λ／２の長さに対応する（レーザ波長は一般に４６０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲である）。それによって、１１の発光ＩｎＧａＮ層およびＰＬＡを、４０５ｎｍのポンプ波長または４６０ｎｍのレーザ波長を有する光の定在波パターンの波腹に配置された状態で組み込むことができる。
ｃ面サファイアを基板として用いる有機金属化学気相堆積法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＭＯＣＶＤ）を使用してエピタキシャル成長を行わせる。基板は、表面清浄のために５分間にわたりおおよそ１０５０°Ｃの水素雰囲気中で焼きなまし処理される。次に、おおよそ５５０°Ｃで１５ｎｍ〜２０ｎｍ厚のＧａＮ（またはＡｌＮ）核生成層が堆積される。これに続いて、１０６０°Ｃで８μｍ厚のＧａＮ層を成長させ、１０８ｃｍ−２以下の線欠陥密度を有する原子的に平滑な層がもたらされる。そのような表面および材料品質は、（分子線エピタキシ法、水素化物気相エピタキシ法などといった）他の方法を使用して、かつ／またはバルクＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉなどのような他の基板を使用して実現されてもよい。バルクＧａＮの場合には、核生成層は不要であり、成長は、１０６０°Ｃで成長させる８μｍ厚のＧａＮ層から開始する。しかし、半導体利得構造の詳細は、使用される具体的方法または用いられる基板にかかわらず、大体において同じである。
利得構造製作順序は、Ｔ＞１０００°Ｃで成長させる２０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎエッチング停止層から開始する。この層は、基板はく離後のＧａＮバッファ層の選択的ウェットエッチングを可能にする。積層順序は以下のように進む。
Ｔ＞１０５０°Ｃで６０ｎｍのＧａＮを成長させる。
Ｔ＝７５０°Ｃで２０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝８７５°Ｃで２７５ｎｍのＧａＮ
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝８７５°Ｃで２５ｎｍのＧａＮ層
７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
７５０°Ｃで１０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
７５０°Ｃで１０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ層
８７５°Ｃで４５ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ層
８７５°Ｃで４０ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝８７５°Ｃで５０ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ
Ｔ＝８７５°Ｃで２７５ｎｍのＧａＮ
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２０ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ
Ｔ＝７５０°Ｃで４５ｎｍのＧａＮ
次いで、１７．５周期の７８ｎｍＳｉＯ２／５９ｎｍＳｉ３Ｎ４を備える分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）が、電子ビーム蒸着法（ＥＢＥ）やスパッタリングといった公知の方法を使用して、周期的利得媒体の上に形成される。このＤＢＲは、ポンプ光が吸収され得る場合には半導体利得構造に貫通することができるように、４６０ｎｍの波長では９９．９％を超え、４０５ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲では５％を下回る反射率を有する。一般に、ＤＢＲは、４４０ｎｍから５５０ｎｍまでの波長の光に対して少なくとも９９．９％の反射率を有し、３７０ｎｍ〜４２５ｎｍの波長範囲の光に対しては５％を下回る反射率を有する。
半導体利得構造は、例えば米国特許第６５６２６４８号明細書などに記載されている材料および方法を使用し、そのＤＢＲ面を下に向けて銅ヒートシンク上に取り付けられる。銅サブマウントは、ペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）冷却器といった能動冷却素子上への取り付けを容易にするのに適した寸法を有する。加えて、サブマウントも冷却素子も、ポンプ光透過のための直径１ｍｍのビアホールを有する。
次いで、サファイア基板が、前述の米国特許第６５６２６４８号明細書および米国特許第６６１７２６１号明細書に記載されているように、レーザリフトオフによって除去される。ＧａＮ基板の場合、基板は５０μｍの厚さまで機械的に薄片化される。露出した裏面は、Ｗｅｙｈｅｒ 他によるＪ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌｕｍｅ １８２， Ｎｕｍｂｅｒ １， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７， ｐｐ． １７−２２（６）に記載されているような方法によって、実効値で１ｎｍを下回る粗度まで研磨される。その後、最初のＧａＮバッファ層が、８０°ＣのＫＯＨにおいて紫外線励起（ＵＶ−ｅｎｈａｎｃｅｄ）湿式化学エッチングを使用するエッチング処理で、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎエッチング停止層（ＥＳＬ）まで除去される。
直径１ｍｍのビアホールを有する銅板が、半導体利得構造の裏面に、ビアホールと銅サブマウントの穴とが位置合わせされるように固定される。銅板は、ペルチェ冷却銅サブマウントに適切に接続されている。それによって、半導体利得構造の裏面も冷却され得る。次いで、完成したチップホルダが、全空間次元において冷却素子上に固定される。
出力結合反射鏡と利得構造は、利得構造の表面に当たる出力結合反射鏡の焦点と同じ光軸上に位置合わせされる。出力結合反射鏡の反射率は４６０ｎｍの光では９９．５％である。出力結合反射鏡の湾曲の半径は、利得構造上で、ポンプ光のスポットサイズと等しいレーザビームのスポットサイズを提供するように選択される。それによって、不使用の利得構造領域の寄生ポンピングによる損失が回避される。４０５ｎｍの波長を有し、１つまたは複数のファイバに結合された１つまたは複数のポンプレーザが、別々に取り付けられ、電気的に制御される。ファイバ出力は、出力結合反射鏡および利得構造と同じ光軸上で、（利得構造自体、サブマウント、前面冷却板、および冷却素子を備える）利得構造モジュールの裏面に固定される。レンズを使用して、ポンプ光の焦点がビアホールを通して利得構造上に合わせられる。レンズの焦点距離は、ポンプ光の対応するスポットサイズを、出力結合反射鏡の方を向いた利得構造面の利得構造上のレーザビームのスポットサイズに適合させるように選択される。
装置はさらに、レーザ素子の出力を成形する要素を備えていてもよい。そのような要素には、それだけに限らないが、可視光を遠紫外線光に変換するための周波数逓倍非線形結晶、単一周波数動作を得るためのエタロンや回折格子といった波長選択要素、半導体利得チップと出力結合反射鏡の間に挿入され得る、モード同期のための飽和性吸収体が含まれる。
よって、この第１の実施形態は、遠紫外線光出力を生成するための非線形結晶といった周波数変換素子の挿入を可能にする窒化物ベースの材料系を利用したコンパクトで丈夫な素子を提供するものであることが理解されるであろう。また、上記実施形態のいくつかの変形も明らかになるであろう。例えば、ＤＢＲ３０は、窒化物層上でエピタキシャル成長させてもよく、かつ／または異なる材料で構成され、異なる層の厚さ、全体の厚さを有していてもよい。量子井戸構造層２２ａ、バリア層２２ｂ〜ｃ、および電荷キャリア拡散層２４の材料および寸法は、前述のものと異なっていてもよく、実際、単一構造の内部において層ごとに異なる場合もある。さらに、ポンプ源１２と素子１６の出力の波長も、前述のものと異なっていてもよい。加えて、構造の上面に接合されるヒートシンク３２が銅以外の材料で形成されていてもよい。
本開示の別の実施形態では、ポンプ光源１２と半導体利得構造１６が、同軸ではない（ポンプ光が、利得構造の主光軸と平行でない方向で利得構造に入射する）ように位置合わせされた素子３４が提供される。この実施形態を図３に示す。この第２の実施形態は、量子井戸構造２２におけるポンプ光の吸収を増強する手段として、例えば、共振空洞増強光検出器（Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）（ＲＣＥ−ＰＤ）などにおいて用いられるような、共鳴的に励起された吸収を使用する。４４５ｎｍで共振空洞効果を得るために、半導体サブキャビティ４２の有効光路長を低減し、分布ブラッグ反射器構造４４のストップバンドをより短い波長に向かってシフトさせる適切な角度αで、ポンプ光３８を構造３４の表面４０に入射させ、結果として生じる定在波パターンを、ＩｎＧａＮのＰＬＡの位置に適合させる。この実施形態では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）４４は、ＥＢＥ法やスパッタリングといった公知の方法を使用して周期的利得媒体の上に形成された６と１／２周期の３８ｎｍＴｉＯ２／７８ｎｍＳｉＯ２を含み得る。このＤＢＲは、４６０ｎｍの波長で９９．９％を超える反射率を有する。ストップバンドは、光の入射角が増大するに従ってより短い波長へと連続してシフトする。それによって、共鳴的に励起される吸収効果は、高反射性の反射鏡を利用することができる。
一実施形態において、利得構造サブキャビティは、（４００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲の）レーザ波長の整数倍に等しい、その主光（レーザ発振）軸に沿って測定される光学的厚さと、ポンピング波長の整数倍に等しい、主光（レーザ発振）軸に対し傾いている主（ポンピング）光軸に沿って測定される光学的厚さとを有し、ポンピング波長はレーザ波長より最大で４０ｎｍ短い。
半導体利得チップ内には、ｘｉｎ＝２０％、幅２．５ｎｍの５〜２０のＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸４６ａが、半導体サブキャビティ４２において発する定在波パターン４８の波腹位置に配置される。各量子井戸層４６ａは、ｙｉｎ＝１５％、厚さ１１．５ｎｍのＩｎｙＧａ１−ｙＮポンプ光吸収（ＰＬＡ）バリア層４６ｂの上に形成される。各量子井戸構造４６の間には、個々の量子井戸間での電荷キャリア拡散を阻止すると共に、半導体利得構造３４の表面に向かう電荷キャリア拡散も阻止するように働くＧａＮの拡散阻止層５０が配置される。半導体サブキャビティ４２の各層は、前述のように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、ポンプ光の波長で透明な、サファイアといった基板上で成長させることができる。
この場合もやはり、動作に際して構造３４によって発生する熱の放散を改善するために、誘電体ＤＢＲ４４を含む半導体サブキャビティ４２は、銅といったヒートシンク５２上に逆さまにして移行させる（ｉｓ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ）。次いで、基板を除去するために、前述のように、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）工程が行われ得る。
外部の出力結合反射鏡２０（図１）の被覆は、４６０ｎｍの入射光の９９．５％を反射するように作られる。ポンプ光の吸収が共鳴的に励起されるように、ポンプ光の入射角αは、表面４０に対して約３０〜５０度（すなわち表面法線に対して３０〜５０度）に設定される。それによって、有効光共振器長が短縮され、４４５ｎｍの波長で共振するようになる。
図４を参照すると、本発明の一実施形態によるシステム５４の概略図が示されている。システム５４は、半導体利得構造ポンピングするのに使用される、例えば４４５ｎｍの光を発する、前述の種類のポンプ光源１２を備える。ポンプ光源１２と焦点レンズ群１４は（前述の）半導体利得構造３４に対して、レンズ群１４の焦点を半導体利得構造３４の第１の端面上に、その第１の端面に対しておおよそ３０〜５０度（すなわち法線に対しておおよそ４０度）の角度で合わせることによってポンプ光源１２の出力の焦点が合わせられるように配置される。半導体利得構造３４の出力は、９９％超の光が半導体利得構造１６に反射される凹面出力結合反射鏡２０に向けられる。このシステム５４は任意選択でさらに、周波数逓倍光の生成を可能にする非線形結晶１８を備えていてもよい。
半導体利得構造面（すなわち素子１６を含む構造１０）に垂直に入射するポンプ光の反射率スペクトルが、図５に示すモデル化結果で例示されている。半導体利得構造（すなわち素子３４を含む構造５４）の表面法線に対して４０度の角度で入射するポンプ光の反射率スペクトルが、図６に示すモデル化結果で例示されている。
また、この第２の実施形態は、第１の実施形態と比べてレンズ群が実際上「折り畳まれて」いるため、潜在的によりコンパクトな全体構造も提供する。また、上記実施形態のいくつかの変形も明らかであろう。例えば、ＤＢＲ５２は、窒化物層上にエピタキシャル成長させてもよく、かつ／または異なる材料で構成され、異なる層の厚さ、全体の厚さを有していてもよい。量子井戸構造層４６ａ、バリア層４６ｂ〜ｃ、および電荷キャリア拡散層５０の材料および寸法は、前述のものと異なっていてもよく、実際、単一構造の内部において層ごとに異なる場合もある。さらに、ポンプ源１２と素子５４の出力の波長も、前述のものと異なっていてもよい。ポンプ光３８の入射角は、表面法線に対して３０〜５０度より大きくても小さくてもよい。加えて、構造の上面に接合されるヒートシンク３２が銅以外の材料で形成されてもよい。
詳細例２
この具体例では、全キャビティ長が、４６０ｎｍで１０λ／２の長さを有するように選択される。それによって、２０の発光ＩｎＧａＮ層およびＰＬＡを、４６０ｎｍのレーザ波長を有する光の定在波パターンの波腹に配置された状態で組み込むことができる。
ｃ面サファイアを基板として用いる有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）を使用してエピタキシャル成長を行わせる。基板は表面清浄のために５分間にわたり１０５０°Ｃの水素雰囲気中で焼きなまし処理される。次に、５５０°Ｃで１５〜２０ｎｍ厚のＧａＮ（またはＡｌＮ）核生成層が堆積される。これに続いて、１０６０°Ｃで８μｍ厚のＧａＮ層を成長させ、１０８ｃｍ−２以下の線欠陥密度を有する原子的に平滑な層がもたらされる。
そのような表面および材料品質は、（分子線エピタキシ法、水素化物気相エピタキシ法などといった）他の方法を使用して、かつ／またはバルクＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉなどといった他の基板を使用して実現されてもよい。バルクＧａＮの場合には、核生成層は不要であり、成長は、１０６０°Ｃで成長させる８μｍ厚のＧａＮ層から開始する。しかし、半導体利得構造の詳細は、使用される具体的方法または用いられる基板にかかわらず、大体において同じである。
構造形成工程は、Ｔ＞１０００°Ｃで成長させる２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎエッチング停止層から開始する。この層は、基板はく離後のＧａＮバッファ層の選択的ウェットエッチングを可能にする。積層順序は以下のように進む。
Ｔ＞１０５０°Ｃで６５ｎｍのＧａＮを成長させる。
以下を９回繰り返す。
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝８７５°Ｃで５０ｎｍのＧａＮ層
この周期的構造の後に、
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２０ｎｍのＧａＮ層
このように堆積された利得構造の上に、ＥＢＥ法やスパッタリングといった公知の方法を使用して６と１／２周期の３８ｎｍＴｉＯ２／７８ｎｍＳｉＯ２を備える分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）が形成される。このＤＢＲは、４６０ｎｍの波長で９９．９％を超える反射率を有する。全体構造は、３５度の入射角では４４５ｎｍで共振を有する。
この半導体利得構造が、米国特許第６５６２６４８号明細書に記載されているような材料および方法を使用し、ＤＢＲ面を下にして銅サブマウントヒートシンクに取り付けられる。銅サブマウントは、ペルチェ冷却器といった能動冷却素子の取り付けを容易にするのに適した寸法を有する。
次いで、サファイア基板が、米国特許第６５６２６４８（Ｂ１）号明細書および米国特許第６６１７２６１（Ｂ２）号明細書に記載されているように、レーザリフトオフによって除去される。ＧａＮ基板の場合、基板は、５０μｍの厚さまで機械的に薄片化される。露出した裏面は、Ｗｅｙｈｅｒ 他によるＪ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌｕｍｅ １８２， Ｎｕｍｂｅｒ １， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７， ｐｐ． １７−２２（６）に記載されている方法によって、実効値で１ｎｍを下回る粗度まで研磨される。その後、最初のＧａＮバッファ層が、８０°ＣのＫＯＨにおいて紫外線励起湿式化学エッチングを使用するエッチング処理でＡｌ０．１Ｇａ０．９０Ｎエッチング停止層（ＥＳＬ）まで除去される。
直径１ｍｍのビアホールを有する銅板が、チップの裏面に固定される。銅板は、ペルチェ冷却銅サブマウントに適切に接続されている。それによって、裏面にも冷却が提供される。次いで、完成したチップホルダが、全空間次元において冷却素子上に固定される。
出力結合反射鏡（ＯＣＭ）と利得チップ（ＧＣ）は、ＧＣの表面に当たる（ＯＣＭ）の焦点と同じ光軸上に位置合わせされる。ＯＣの湾曲の半径は、ＧＣ上にポンプ光のスポットサイズと等しいレーザビームのスポットサイズを提供するように選択される。それによって、不使用のＧＣ領域の寄生ポンピングによる損失が回避される。４４５ｎｍの波長を有し、１つまたは複数のファイバに結合された１つまたは複数のポンプレーザが、別々に取り付けられ、電気的に制御される。ファイバ出力は、ＯＣＭと利得チップの光軸に対して３５度の角度で、利得チップモジュールの露出領域の前に固定される。レンズを使用して、ポンプ光の焦点が固定された銅板のビアホールを通して利得チップ上に合わせられる。レンズの焦点距離は、ポンプレーザの対応するスポットサイズを、チップ表面の利得チップ上のＶＥＣＳＥＬレーザモードのスポットサイズに適合させるように選択される。ＯＣＭの反射率は４６０ｎｍの波長で９９．５％である。
別の実施形態では、高輝度発光ダイオード（ＨＢ−ＬＥＤ）といった複数のポンプ源６２が、ピラー構造として形成された光半導体利得構造６４の周りに集められている素子６０が提供される。この実施形態を図７、８および９に示す。前述のように、半導体利得構造６４は、高反射性ＤＢＲ反射鏡６６と、例えば、前述の種類の１０量子井戸構造などからなる半導体サブキャビティ６８を備える。例えば、各量子井戸構造は、半導体サブキャビティ６８で発生する定在波パターンの波腹位置に配置された、２周期の１１．５ｎｍＩｎ０．１０Ｇａ０．９０ＮＰＬＡ層と、ｘｉｎ＝２０％、２．５ｎｍ幅のＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸層を備える。各量子井戸構造の間には、個々の量子井戸間の電荷キャリア拡散を阻止すると共に、半導体利得構造６４の表面に向かう電荷キャリア拡散も阻止するように働く、７４ｎｍＧａＮの拡散阻止層が形成される。半導体サブキャビティ６８の各層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などによって成長させることができる。この構成においてサブキャビティの全長は、レーザ波長で、例えば４６０ｎｍなどで共振するように選択される。
動作に際して構造６４によって生成される熱は、半導体サブキャビティ６８とＤＢＲ６６が固定されている、銅板といったヒートシンク７０によって放散され得る。半導体サブキャビティ６８とＤＢＲ６６とを最初に製作するための基盤を除去するには、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）工程が使用され得る。
前述の実施形態とは対照的に、半導体サブキャビティ６８は、例えば、側壁が露出した直径２００ｍｍなどの柱状構造を生み出すために、化学アシスト・イオン・ビーム・エッチング法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｅｔｃｈｉｎｇ）（または他の適切な方法）によってエッチング処理される。これにより、ポンプ源６２（高輝度ＬＥＤなど）を用いたポンピングのために到達すべき立体角を大きくすることができる。ＬＥＤの光出力は、平行に、柱状の半導体サブキャビティ６８上に焦点を合わせられる。一実施形態では、半導体サブキャビティ６８の（軸方向に見た場合の）断面は、図９Ａに示すように円形とすることができる。しかし、以上の開示が与えられた場合には、例えば、（本発明のこの態様の範囲を示すが、用いられ得る様々な断面を制限するためのものではない）図９Ｂ〜９Ｅに示すような、他の多くの長方形および非長方形の断面も可能である。
詳細例３
この例では、全キャビティ長が、４６０ｎｍで６λ／２の長さを有するように選択される。それによって、ＤＢＲ構造と半導体エアインターフェースの間に垂直導波路が形成される。
ｃ面サファイアを基板として用いる有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）を使用してエピタキシャル成長を行わせる。基板は表面清浄のために５分間にわたり１０５０°Ｃの水素雰囲気中で焼きなまし処理される。次に、５５０°Ｃで１５〜２０ｎｍ厚のＧａＮ（またはＡｌＮ）核生成層が堆積される。これに続いて、１０６０°Ｃで８μｍ厚のＧａＮ層を成長させ、１０８ｃｍ−２以下の線欠陥密度を有する原子的に平滑な層がもたらされる。
そのような表面および材料品質は、（分子線エピタキシ法、水素化物気相エピタキシ法などといった）他の方法を使用して、かつ／またはバルクＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉなどといった他の基板を使用して実現されてもよい。バルクＧａＮの場合には、核生成層は不要であり、成長は、１０６０°Ｃで成長させる８μｍ厚のＧａＮ層から開始する。しかし、半導体利得構造の詳細は、使用される具体的方法または用いられる基板にかかわらず、大体において同じである。
半導体利得構造サブキャビティ積層順序は、Ｔ＞１０００°Ｃで成長させる２０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎエッチング停止層から開始する。この層は、基板はく離後のＧａＮバッファ層の選択的ウェットエッチングを可能にする。積層順序は以下のように進む。
Ｔ＞１０５０°Ｃで６５ｎｍＧａＮを成長させる。
以下を４回繰り返す。
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１５ｎｍのＧａＮ層
Ｔ＝８７５°Ｃで５０ｎｍのＧａＮ層
この周期的構造の後に、
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで１１．５ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
Ｔ＝７５０°Ｃで２０ｎｍのＧａＮ層
ＰＥＣＶＤや熱蒸着法といった公知の方法を使用して周期的利得媒体の上に６と１／２周期の３８ｎｍＴｉＯ２／７８ｎｍＳｉＯ２を含む透明分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）が形成される。このＤＢＲは、４６０ｎｍの波長で９９．９％を超える反射率を有する。
半導体チップは、米国特許第６５６２６４８号明細書に記載されているような材料および方法を使用し、ＤＢＲ面を下にして銅ヒートシンクに取り付けられる。銅サブマウントは、ペルチェ冷却器といった能動冷却素子の取り付けを容易にするのに適した寸法を有する。次いで、サファイア基板が、米国特許第６５６２６４８号明細書および米国特許第６６１７２６１号明細書に記載されているように、レーザリフトオフによって除去される。ＧａＮ基板の場合、基板は、５０μｍの厚さまで機械的に薄片化される。次いで、露出した裏面が、Ｗｅｙｈｅｒ 他によるＪ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌｕｍｅ １８２， Ｎｕｍｂｅｒ １， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９７， ｐｐ． １７−２２（６）に記載されているような方法によって、実効値で１ｎｍ ｒｍｓを下回る粗度まで研磨される。その後、最初のＧａＮバッファ層が、８０°ＣのＫＯＨにおいて紫外線励起湿式化学エッチングを使用するエッチング処理でＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎエッチング停止層（ＥＳＬ）まで除去される。
利得構造サブキャビティの上面には、出力結合反射鏡の特性（湾曲の半径など）によって定義される、レーザビームのスポットサイズに等しい直径の円形領域が定義される。これは、フォトレジスト（ＡＺ１５１８など）の４μｍのスピンコーティングを行い、続いて、エッチマスクを形成するメサ（ｍｅｓａ）領域を除くチップ領域全体を露出させることによって行われる。次いで、露出させた領域が、化学アシスト・イオン・ビーム・エッチング法（ＣＡＩＢＥ）や反応性イオンエッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）（ＲＩＥ）といった、塩素ベースのドライエッチング法を使用してエッチング処理される。エッチングは、ＤＢＲ構造に達すると停止する。任意選択で、プラズマ励起化学蒸着（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または原子層堆積ツールを使用して、側壁が（例えば、ポンプ波長による四分の一波長厚を有するＳｉＯ２層などの）反射防止膜で被覆されてもよい。次いで、完成したチップホルダが、全空間次元において冷却素子上に固定される。
出力結合反射鏡と利得構造は、利得構造の表面に当たる出力結合反射鏡の焦点と同じ光軸上に位置合わせされる。出力結合反射鏡の湾曲の半径は、利得構造上で、利得構造ピラーの上面の面積とおおよそ等しいレーザビームのスポットサイズを提供するように選択される。それによって、不使用の利得構造領域の寄生ポンピングによる損失が回避される。出力結合反射鏡の反射率は、４６０ｎｍの光では９９．５％である。４０５ｎｍの光を発するための複数のポンプレーザが、利得構造ピラーの周囲に別々に取り付けられ、電気的に制御される。各レーザの焦点が、レンズを使用してピラー構造の側壁上に合わせられる。
上記実施形態のいくつかの変形が企図される。これらの変形には、それだけに限らないが、半導体サブキャビティ６８の柱の直径が異なるもの、レーザダイオードといった代替のポンプ源、ポンプ源波長の範囲、共振空洞ＬＥＤといった方向出力を有するＬＥＤとしてのポンプ源の使用、ＤＢＲの一部または全部に五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を使用したものなどが含まれる。以上の開示を提示されれば、当業者は、他のそのような変形、具体的には、本開示の範囲内にあるそれぞれの特定の用途に対する最適化されたパラメータを理解するはずである。
前述の実施形態の一変形によれば、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎエッチング停止層は、例えば、（Ａｌ、Ｇａ）Ｎのバッファ層と周期的量子井戸構造の間の５０〜１００ｎｍ厚のＩｎＧａＮ犠牲層で置き換えられてもよい。成長基板の（レーザリフトオフなどによる）除去と、フォトリソグラフィおよび垂直エッチングによるメサ構造７２の定義の後で、基板除去工程により損傷を受けたバッファ層自体が、Ｓｔｏｎａｓ他によるＡｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．７８， １９４５（２００１）と同様の方法を使用してＩｎＧａＮ層を横方向にエッチング処理することによって除去される。好ましいメサ構造は、長方形の側壁を有する円形ものである。メサ直径は、出力結合反射鏡によって定義されるレーザビームのスポットサイズと適合するように、５０μｍ〜１０００μｍの範囲である。
以上によれば、成長法の１つは、半導体層と関連する各層をサファイア成長基板上に成長させるものである。しかし、代替の基板が用いられてもよい。一実施形態では、代替基板は、結晶ケイ素で構成される。この実施形態では、前述のような半導体利得構造の形成に加えて、Ｄａｄｇａｒ他によるＰｈｙｓ． Ｓｔａｔ． Ｓｏｌ． （ｃ）０， Ｎｏ． ６， １５８３−１６０６（２００３）に記載されているように、室温まで冷却する間に増大する熱ひずみを補正する成長温度における圧縮ひずみを導入するために、バッファ層構造に複数の薄いＡｌＮ／ＧａＮ層も形成される。このような層は、ＱＷ位置に適合させた正しい定在波パターンを維持するために、特定の位置に挿入される。成長後、適切な酸を使用してＳｉ基板の選択的な化学的除去を行うことができる。
他の代替基板は、半極性（特にＧａＮ（１０１３）、ＧａＮ（１１２２）、ＧａＮ（２０２１））および非極性ＧａＮ（特にＧａＮ（１０１０））であり、サファイア型板を含んでいてもよい。そのような方向付けは、ＧａＮ（０００１）基板とは異なるひずみ緩和機構を可能にし、したがって、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ−ＤＢＲ構造のクラッキングを回避することができる。そのため、半極性または非極性基板上に形成される利得構造は、モノリシック集積エピタキシャルＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ−ＤＢＲ構造を含めることにより、基板を除去するステップを省くことができる。前述の構造と比べて、量子井戸構造および半導体利得構造の他の要素の個々の層の厚さに対する多少の調整が企図される。これは、ＧａＮ（０００１）基板と比べて、ＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮに関して分極電界が低減され、ひずみの符号が反転されると共に、ＧａＮおよびサファイアの各層の屈折率が異なることによるものである。
さらに、ＳｉＣやＡｌＮといった代替基板が用いられてもよい。これらの基板材料では、半導体利得構造を形成する前述の各ステップに加えて、反射鏡状の表面を得るために、成長後に基板の裏面を研磨する必要がある。これらの実施形態における基板はヒートシンクとして機能する。したがって、エピタキシャル成長させた構造の上に高反射率ＤＢＲが位置する。活性領域の上に成長させるエピタキシャルＤＢＲは、活性領域より低品質で、不利益なものとなる可能性が高いため、エピタキシャル成長後に堆積させた誘電体ＤＢＲを使用することが好ましい。

Claims (4)

  1. ポンプ光源と、
    第１のヒートシンク（３２ａ）と第２のヒートシンク（３２ｂ）とを備えたヒートシンク、及び分布非エピタキシャルブラッグ反射器構造を備える半導体利得構造と、
    前記分布非エピタキシャルブラッグ反射器構造上に配置された利得構造であって、少なくとも窒化ガリウムを備え、前記利得構造には、それぞれが、０．０＜ｙ≦０．４のＩｎｙＧａ１−ｙＮの上下層の間に配置された０．１０≦ｘ≦０．５のＩｎｘＧａ１−ｘＮの量子井戸層を備える、前記利得構造の主ポンプ光吸収要素である複数の量子井戸構造が形成されており、前記量子井戸層が、単一、二重、および三重の量子井戸群の中から選択される群に配置されて、主光軸を有する利得構造サブキャビティの少なくとも一部を形成し、各量子井戸群が、前記半導体利得構造の軸に沿いかつ前記半導体利得構造内において、ポンプ波長とレーザ波長の定在波パターンの波腹の間の局所的オーバーラップによって決定される前記半導体利得構造の前記レーザ波長のビームの定在波パターンの前記波腹をオーバーラップする、前記利得構造と、
    を備え、
    前記第１のヒートシンク（３２ａ）と前記第２のヒートシンク（３２ｂ）とは、前記半導体利得構造を挟むように、配置され、
    前記半導体利得構造の一方の面が前記第１のヒートシンク（３２ａ）に接しかつ前記半導体利得構造の他方の面が前記第２のヒートシンク（３２ｂ）に接し、
    前記第１のヒートシンク（３２ａ）及び前記第２のヒートシンク（３２ｂ）の各々には、前記第１のヒートシンク（３２ａ）及び前記第２のヒートシンク（３２ｂ）を完全に貫通して延在する開口が形成されており、これによって、前記ポンプ光源によって発せられる光ビームが前記第１のヒートシンク（３２ａ）の前記開口内を進み、前記半導体利得構造の主光軸に沿って前記利得構造サブキャビティの下端面に入射しかつ前記半導体利得構造からのレーザビーム（３６）は前記第２のヒートシンク（３２ｂ）の前記開口内を進み外部に出る
    ことを特徴とする、発光素子。
  2. さらに、前記利得構造サブキャビティによって発せられる光ビームが、前記主光軸に沿ったビーム路で、前記利得構造サブキャビティの上端面から前記利得構造サブキャビティを出る請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記分布非エピタキシャルブラッグ反射器構造は、４４０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長の光に対して少なくとも９９．９％の反射率を有し、３７０ｎｍ〜４２５ｎｍの波長範囲の光に対して５％未満の反射率を有し、さらに、凹面出力結合反射鏡は、４４０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を少なくとも９９．５％反射し、３００ｎｍより短い波長の光をより多く透過させる請求項２に記載の発光素子。
  4. 前記利得構造サブキャビティの上端面と前記凹面出力結合反射鏡の間の前記ビーム路に配置された周波数逓倍結晶構造をさらに含む請求項３に記載の発光素子。
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