JP5943738B2 - 深紫外レーザ光源 - Google Patents

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Description

本発明は高密度記録用光源、半導体リソグラフィ用光源、微細材料加工用光源等として用いられる波長２００〜３５０nmの領域の深紫外レーザ光源に関する。
第１の従来の深紫外レーザ光源として気体レーザ光源があり、たとえば、波長１９３nmのArFレーザ光源、波長１７５nmのArClレーザ光源、波長２４９nmのKrFレーザ光源、等で代表されるエキシマレーザ光源、及び波長２４８．６nmの
銅蒸気イオンレーザ光源、波長２２６．４nmの金蒸気イオンレーザ光源で代表される金属蒸気イオンレーザ光源がある。
しかしながら、上述の第１の従来の深紫外レーザ光源においては、たとえば２０００〜３０００万円程度と製造コストが高く、たとえば２m３以上と大型であり、たとえば０．１〜０．０１％程度と電力/レーザ変換効率が低く、たとえば一週間に１回程度と頻繁なガス交換を必要とし、たとえば１０００〜５０００時間程度と熱陰極放電管（サイラトロン）の寿命が短く、フッ素／塩素系の有害ガスを使用する等の欠点がある。
第２の従来の深紫外レーザ光源として固体レーザ光源がある（参照：特許文献１、２、３）。この固体レーザ光源においては、たとえば、波長１０６４nmのＹＡＧレーザ装置の基本波を波長変換素子によってたとえば波長２６６nmの高次高調波に変換して出力する。
しかしながら、上述の第２の従来の深紫外レーザ光源においては、たとえば、２０００〜３０００万円程度と製造コストが高く、たとえば２m３以上と大型であり、たとえば０．１〜０．０１％程度と波長変換素子による電力/レーザ変換効率が低い等の欠点がある。
深紫外レーザ光源として、小型化、高出力化、高効率化等の点で注目されているワイドバンドギャップ半導体層たとえばAlGaN量子井戸層を利用した半導体レーザ光源が考えられるが、現段階ではレーザ発振には成功しておらず、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源の開発に留まっている（特許文献４，５、非特許文献１）。
特開２０１２-３７８１３号公報 特開２００９-３１６８４号公報（特許第４８２６５５８号） 特開２００７−８６１０４号公報 ＷＯ２０１１/１０４９６９Ａ１ ＷＯ２０１０/０２７０１６Ａ1
Yoshitaka Taniyasu et al.,"An aluminium nitride light-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres", Nature, Vol.441, May 18, 2006
しかしながら、上述のワイドバンドギャップ半導体層を利用したＬＥＤ光源を深紫外レーザ光源に適用する場合にそのＬＥＤ光源には次の課題がある。
第１に、０．１〜０．０１％程度と電力/光変換効率が低い。
第２に、発光効率は未だ不充分である。
第３に、ｐ型層の形成が困難のために、効率のよいダブルヘテロ型電流注入構造が実現できない。
第４に、１０時間程度と寿命が短い。
上述の課題を解決するために、本発明に係る深紫外レーザ光源は、基板と、基板上に設けられたワイドバンドギャップ半導体層と、ワイドバンドギャップ半導体層上に設けられたアルミニウムメタルバック層と、ワイドバンドギャップ半導体層から発生した深紫外光を共振させる共振器構造とを具備し、アルミニウムメタルバック層側より電子線を照射してワイドバンドギャップ半導体層を励起してワイドバンドギャップ半導体層から発生した深紫外光を共振器構造によりレーザ発振するようにし、ワイドバンドギャップ半導体層はAl x Ga 1-x N/AlN多重量子井戸層であり、Al x Ga 1-x N/AlN多重量子井戸層の厚さが約6〜60nmであるとしたものである。これにより、電子線励起によるワイドバンドギャップ半導体層を用いた深紫外レーザ光源を実現する。また、アルミニウムメタルバック層によりワイドバンドギャップ半導体層が帯電して絶縁破壊するのを防止する。さらに、発光効率が非常に高くなる。
さらに、電子線を発生するためのグラファイトナノ針状ロッドにより構成される電子放出源を具備する。これにより、真空封止の真空度が下がり、かつ、電子放出源が長寿命となる。
本発明によれば、電子線励起によるワイドバンドギャップ半導体層を用いた深紫外レーザ光源を実現できる。また、電子線励起によりｐ型層の形成が不要となる。
本発明に係る深紫外レーザ光源の第１の実施の形態を示す断面図である。 図１のサファイア（0001）基板の厚さを説明するためのグラフである。 図１の深紫外レーザ光源における電子線エネルギーを１０keVとした場合の電子線の電子の拡散を説明するための図である。 図１の深紫外レーザ光源における電子線エネルギーを１０keVとした場合の励起子の拡散を説明するための図である。 図１のアルミニウムメタルバック層の反射率の入射角度依存性を示すグラフである。 図１のアルミニウムメタルバック層の反射率の入射角度依存性を示すグラフである。 図１の電子放出源の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図７のプラズマエッチング前後の電子放出源を示す走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)写真である。 図７のプラズマエッチング前後の電子放出源の電場/電流特性を示すグラフである。 図７のプラズマエッチング後の電子放出源の電場/電流密度特性及び他の比較例としての電子放出源の電場/電流密度特性を示すグラフである。 図７の変更例を示すフローチャートである。 本発明に係る深紫外レーザ光源の第２の実施の形態を示す断面図である。 図１、図１２の深紫外レーザ光源を実際に組み立てた部分断面図である。 図１３の変更例を示す部分断面図である。 図１３、図１４のフォーカス用直流電圧を制御した場合に得られるアルミニウムメタルバック層上の電子線照射パターンの一例を示す平面図である。 図１４の深紫外レーザ光源の発光強度及びレーザ発振のスペクトルを示すグラフである。 図１４の深紫外レーザ光源の指向性を説明するためのグラフである。 図１４の深紫外レーザ光源の光出力特性を示すグラフである。 図１の深紫外レーザ光源の変更例を示す断面図である。 本発明に係る深紫外レーザ光源の第３の実施の形態を示す断面図である。 図１、図１２、図２０の深紫外レーザ光源の寿命を示すグラフである。
図１は本発明に係る深紫外レーザ光源の第１の実施の形態を示す断面図である。図１の深紫外レーザ装置は端面反射型である。
図１において、深紫外レーザ光源は、サファイア（0001）基板１、サファイア（0001）基板上に形成された厚さ約６００nmのAlNバッファ層２、AlNバッファ層２上に形成された厚さ約３μmのグレーティングAlN層３、グレーティングAlN層３上に形成された厚さ約１５μmのAlN層４、AlN層４上に形成された厚さ約３nmのAl0.7Ga0.3N井戸層及び厚さ約３nmのAlN障壁層を１周期として１〜１０繰返周期を含む厚さ約６〜６０nmのAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５上に形成されたアルミニウム（Al）メタルバック層６、及び電子線ＥＢを放出する電子放出源７よりなる。また、サファイア（0001）基板１、AlNバッファ層２、グレーティングAlN層３、AlN層４、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５及びアルミニウムメタルバック層６の両側面が切断もしくは壁開され、反射率Ｒ＝30％以上の２つの反射構造ＲＳ１が形成されている。図１においては、電子放出源７より電子線ＥＢが照射されると、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５が励起されかつ共振されて深紫外レーザ光DUVが反射構造ＲＳ１の少なくとも一方より出射される。
始めに、サファイア（0001）基板１について詳述する。
図２の黒点はそれぞれの電子線エネルギーＥ（keV）の時、シミュレーションによって求めた漏洩Ｘ線が法定規定値となるサファイア（0001）基板１の厚さt1を示したものである。サファイア（0001）基板１の厚さt1を黒点が示す値以上にすることで漏洩Ｘ線を法定規定値以下とすることができる。これをプロットすると点線のようなカーブを描く。従って、サファイア（0001）基板１の厚さt1は漏洩Ｘ線を防止するために、プロットされた点線を表す式から、図２に示すように、
t1≧ａ・Ｅ3
但し、Ｅは電子線ＥＢのエネルギー（keV）
ａは1μm/(keV)3
である。すなわち、制動幅射によって発生するＸ線の最も高いエネルギーは電子線ＥＢのエネルギーと同一である。従って、たとえば、Ｅ＝６keVのときに、サファイア（0001）基板１の厚さt1は216μm以上、Ｅ＝１０keVのときに、サファイア（0001）基板の厚さt1は1000μm以上である。このように、サファイア（0001）基板１の厚さt1を上述の式に基づいて設定することにより漏洩Ｘ線の強度を法定規定値以下とすることができる。
尚、サファイア（0001）基板１の代りに、SiC基板あるいはAlN基板を用いることもできる。この場合には、上述の式の定数“ａ”は１以外の値となる。
また、ＤＵＶレーザ発振方向と漏洩Ｘ線発生方向は90°角度が異なるので、これを考慮した漏洩防止策を施すことも可能である。例えば、ＤＵＶレーザ発振方向に穴開け加工を施した鉛等の重金属蓋をＸ線漏洩個所に被せる等の工夫を取ることが考えられる。
次に、サファイア（0001）基板１上のAlNバッファ層２、グレーティングAlN層３、AlN層４、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の形成方法を詳述する。
サファイア（0001）基板１を有機金属化学的気相成長（MOCVD）装置に装着し、キャリアガスとして水素（H2）ガスを供給すると共に基板温度を１２００℃にして１０分間保持し、サファイア（0001）基板１の表面の前処理を行う。
次に、同一MOCVD装置において、基板温度を８００℃に保持したままで、トリメチルアルミニウム（(CH3)3Al）及びアンモニア（NH3）を、それぞれ、流量１０sccm及び５slmで供給して厚さ約５０nmのAlNバッファ層２を形成する。
次に、同一MOCVD装置において、基板温度を１３００℃に上昇させ、トリメチルアルミニウム（(CH3)3Al）及びアンモニア（NH3）を、それぞれ、流量１０sccm及び５slmで供給して厚さ約３μmのAlN層を形成する。
次に、後述のAlN層４をエピタキシャル横方向成長法によって成長させる際にその転位密度を低減させて欠陥を少なくするために、上述の厚さ約３μmのAlN層表面に周期約３μm、深さ約５００nmのグレーティング構造を形成してグレーティングAlN層３を形成する。具体的には、AlN層上にフォトリソグラフィ法を用いて幅約３μmのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、次いで、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて上述のレジストパターンをマスクとしてAlN層をエッチングする。次いで、有機溶剤等を用いてレジストパターンを除去する。この結果、ラインアンドスペース周期が約３μm、深さが５００nmの溝（凹凸）構造が形成される。本実施の形態においてはグレーティング構造としたが、凹凸状の形状であればよく、たとえば凹凸がドット状に並ぶ形状としてもよい。
次に、再びMOCVD装置において、基板温度を１３００℃に上昇させ、トリメチルアルミニウム（(CH3)3Al）及びアンモニア（NH３）を、それぞれ、流量１０sccm及び５slmで供給して厚さ約１５μmのAlN層４を形成する。AlN層４を約１５μmと厚くすることにより次に成長させるAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の膜質を良好にできる。
次に、同一MOCVD装置において、AlN層４上にAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を形成する。すなわち、MOCVD装置において、化学量論比でAl：Ga：N＝０．７：０．３：１となるように、トリメチルガリウム（(CH3)3Ga）、トリメチルアルミニウム（(CH3)3Al）及びアンモニア（NH３）を、それぞれ、流量２０sccm、８sccm及び７slmで供給すると共に、基板温度を１０００℃とする。これにより、厚さ３nmのAl0.7Ga0.3N井戸層を形成する。また、同一MOCVD装置において、化学量論比でAl：N＝１：１となるように、トリメチルアルミニウム（(CH3)3Al）及びアンモニア（NH3）を、それぞれ、流量１０sccm及び５slmで供給すると共に、基板温度を１２００℃とする。これにより、厚さ３nmのAlN障壁層を形成する。このAl0.7Ga0.3N井戸層及びAlN障壁層を１周期として１周期〜１０周期繰返して厚さ約６〜６０nmのAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を形成する。
図３は、電子線ＥＢのエネルギーを１０keVとし、電子線ＥＢのビーム径を１０nmとし、Alメタルバック層６の厚さt6を３０nmとし、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の厚さt5を７２０nmとした場合、電子線ＥＢの入射電子の拡散のモンテカルロシミュレーション結果を示す図である。すなわち、電子線ＥＢはほとんどたとえば９９％以上Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５に吸収されており、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５がこれ以上厚いと、製造コストの点で無駄となる。また、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の均一度及び品質を考慮すると、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の厚さt5の最大値はAl0.7Ga0.3N井戸層及びAlN障壁層の10周期分の約60nmである。
図４は、電子線ＥＢのエネルギーを１０keVとし、電子線ＥＢのビーム径を１０nmとし、Alメタルバック層６の厚さt6を３０nmとし、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の厚さt5を６０nmとした場合、電子線ＥＢの入射電子の拡散のモンテカルロシミュレーション結果を示す図である。この場合においても、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を突き抜けてAlN層５の拡散長D内で電子線励起によって電子と正孔との対が結合した励起子が生成される。一般的にAlN層で生成された励起子は、AlN層内に拡散してしまい、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層の発光に寄与することはない。しかしながら、本願発明者らはここで興味深い実験事実を得ることに成功した。それは、AlN層で生成された励起子が拡散現象により効率よくAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５のポテンシャルに向かいAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の中に落込み、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の再励起に寄与するという効果である。本効果を利用することによって、電子線エネルギーに対して多重量子井戸層の厚さを薄くすることができ、高品質かつ欠陥の少ない量子井戸層へ、効率の良い電子線励起を行うことができ、低しきい値でのＤＵＶレーザ発振が可能となる。この理由は、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層は、薄い方が均一で欠陥の少ない高品質膜質の多重量子井戸層を形成できることに起因する。


尚、図３、図４において、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５は縦縞で図示されているが、これは便宜上のものであり、実際には、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５のAl0.7Ga0.3N井戸層及びAlN障壁層は横方向に積層されている。
次に、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５上に形成されたアルミニウムメタルバック層６はAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５が電子線ＥＢの照射によって帯電した場合に電荷を逃がしてAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の絶縁破壊を防止するものであるが、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6は重要であるので、これについて詳述する。
上述のごとく、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の厚さt5は約６〜６０nmと小さいので、電子線ＥＢがAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を励起するには発光効率の点から電子線ＥＢのエネルギーは小さい方がよい。また、漏洩Ｘ線の影響を回避するためにも、電子線ＥＢのエネルギーは小さい方がよい。従って、電子線ＥＢのエネルギーは１０keV以下と小さく、言い換えると、電子線ＥＢの電子は低速である。低速電子がアルミニウムメタルバック層６を透過するためには、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6は小さい方がよい。尚、アルミニウムメタルバック層の厚さt6が大きいと、電子線ＥＢがアルミニウムメタルバック層６によって吸収されてAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を十分に励起できず、やはり、発光効率が低下する。このような点からは、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6はできるだけ小さい方がよい。
他方、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５から発生した深紫外レーザ光DUVがアルミニウムメタルバック層６に到達した場合には、アルミニウムメタルバック層６はできるだけ多くの深紫外レーザ光DUVを反射してAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５へ戻すことにより、発光効率を上げることができる。この点からはアルミニウムメタルバック層６の厚さt6はできるだけ大きい方がよい。但し、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6が３０nm以上の範囲では、アルミニウムメタルバック層６への入射角θに関係なくアルミニウムメタルバック層６の反射率は大きくなる。すなわち、図５の(A)に示すごとく、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6が１０nmのときには、十分な反射率は得られない。また、図５の（B）に示すごとく、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6が２１nmのときには、表面プラズモン吸収が顕著となり、やはり十分な反射率は得られない。さらに、図６の(A)に示すごとく、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6が３０nmのときには、表面プラズモン吸収は小さくなり、さらに十分な反射率が得られる。さらにまた、図６の(B)に示すごとく、アルミニウムメタルバック層６の厚さt6が６０nmのときには、表面プラズモン吸収はなくなり、十分な反射率が得られる。尚、図５、図６はサファイア（0001）基板１からAlN層２，３，４を介してアルミニウムメタルバック層６に入射角θで入射した場合の全反射減衰（ＡＴＲ）信号スペクトル図であって、シミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinspall(商標名)を用いた。波長λ＝２４０nmの深紫外レーザ光DUVの基における条件は次のごとくである。
サファイア（0001）基板１について、
屈折率n1＝１．８４
消衰係数k1＝０
AlN層２，３，４について、
屈折率n2＝１．８７
消衰係数k2＝０
アルミニウムメタルバック層６について、
屈折率n6＝０．１７２
消衰係数k6＝２．７９
以上から電子線ＥＢの吸収損失を最小にし、かつ深紫外レーザ光DUVの反射率を最大とするアルミニウムメタルバック層６の厚さt6は約３０〜１００nmであることが好ましい。
尚、深紫外レーザ光DUVを効率よく反射するメタルバック層としては、アルミニウム以外に銀（Ag）も考えられるが、銀等の重い金属は電子線阻止能が大きいので、電子線ＥＢを吸収してAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を十分に励起つまり発光できない。結局、軽金属で制御性がよくかつ蒸着可能なアルミニウムがメタルバック層として最適である。
次に、上述のごとく形成されたAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５にレーザ発振させるための共振器構造として２つの反射構造ＲＳ１を形成する。反射構造ＲＳ１は共振器長Ｌが0.1〜1mm程度となるように、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５を含む図１の構造の２つの側壁を劈開反射率R=30%程度の反射ミラーつまり２つの反射構造ＲＳ１を実現する。尚、反射構造ＲＳ１はドライエッチング法、レーザスクライビング法により切断し、その後、研磨することによっても実現できる。
図１の電子放出源７はグラファイトナノ針状ロッドにより構成されている。
上述のグラファイトナノ針状ロッドは図７に示す製造方法によって形成される。
すなわち、ステップ７０１において、図８の（Ａ）に示すグラファイトロッド表面を有するグラファイト基板を水素ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングして図８の（Ｂ）に示すナノオーダの凹凸構造のグラファイトナノ針状ロッドを得る。このプラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：100-1000W
圧力：133-13300Pa (1-100Torr)
水素流量：5-500sccm
エッチング時間：1-100分
尚、ステップ７０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、H2ガス以外のArガス、N2ガス、O2ガス、CF4ガス等のいずれでもよい。
上述のプラズマエッチングを行うことによって得られたグラファイトナノ針状ロッド基板は、図９に示すごとく、良好な電子放出特性を示す。
図１０に示すごとく、本発明に係るグラファイトナノ針状ロッドは他の材料であるカーボンナノチューブCNT、グラファイトナノファイバGNFと比較して高い放出電流密度を有する。従って、本発明に係るグラファイトナノ針状ロッドを導電性カソード基材と一体で構成すれば、グラファイトナノ針状ロッドの密着性、グラファイトナノ針状ロッドと基材との界面での電圧降下、ひいては、電子放出特性の劣化（電流飽和）、界面電場集中によるカソード破壊の問題を解決できる。
図１１は図７のフローの変更例を示し、図７のプラズマエッチングステップ７０１の前にステップ１１０１において、サンドブラスト等の機械的表面研磨による不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工を行う。また、図７のプラズマエッチングステップ７０１の後にステップ１１０２において、CO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨による不規則的周期のミクロン（サブミクロン）レーザ照射凹凸構造加工を行う。尚、ステップ１１０１、１１０２は両方を行ってもよいが、いずれか一方のみを行えばよい。この場合、小さいナノオーダの凹凸のほうが壊れやすいためにステップ１１０１を行うことが好ましい。これにより、不規則的周期のたとえばミクロンオーダ、サブミクロンオーダの凹凸構造を形成する。従って、グラファイト基板の表面積が増大して放出電子がより多くなる。
尚、図１１の不規則的周期のミクロン（サブミクロン）機械的凹凸構造加工ステップ１１０１において、グラファイト基板の表面に不規則的周期のミクロンオーダもしくはサブミクロンオーダの凹みを多数形成して表面積を増大させてもよい。たとえば、レジスト層を塗布し、次いで、不規則的周期パターンを有するフォトマスクを用いたフォトリソグラフィによりレジスト層のパターンを形成し、このレジスト層のパターンを用いてグラファイト基板をH2ガス及びO2ガスを用いたプラズマエッチングたとえばRIEを行い、その後、レジスト層のパターンを除去する。また、機械的ルーリングエンジン等を用いた切削方法によって不規則的周期のミクロンオーダあるいはサブミクロンオーダの剣山型凹凸構造を形成して表面積を増大させることもできる。この剣山型凹凸構造はエッチングで逆剣山型の金型を形成し、これに液体状のグラファイト材料、例えばカーボンブラック等を流し込んでも形成できる。尚、電子放出源７は放出する電子線のエネルギーを可変できるものであっても良いし、固定されているものの何れでも良い。サファイア（0001）基板１の厚さt1は使用する電子放出源７に併せて設定される。たとえば、電子線ＥＢのエネルギーがE=6keVで固定されているなら216nm以上、E=10keVで固定されているなら1000nm以上の厚さが選ばれる。電子放出源７の電子線のエネルギーが可変ならば想定している使用範囲の上限に合わせてサファイア（0001）基板１の厚さt1が決まり、上限が10keV以上の範囲なら厚さも1000nm以上の範囲から選ばれる。
図１２は本発明に係る深紫外レーザ光源の第２の実施の形態を示す断面図である。図１２の深紫外レーザ光源も端面反射型である。
図１２においては、図１の反射ミラーになる反射構造ＲＳ１の代りに、誘電体多層膜ミラーよりなる反射構造ＲＳ２を設けてある。誘電体多層膜ミラーは屈折率が異なる２つの誘電体多層膜たとえばLaF3/Na3AlF6、Al2O3/SiO2、Y2O3/SiO2、HfO2/SiO2等の組合せを有する薄膜を2層から100層程度積層させることによって構成される。各層の厚さは発振レーザ波長に依存して適宜選択される。このとき、たとえば、１つの反射構造ＲＳ２の反射率Rを100％とし、他の反射構造ＲＳ２の反射率Rを90％とすれば、一方向のみからレーザ出力を得ることができる。
尚、図１２においては、反射構造ＲＳ２として誘電体多層膜ミラーの代りにフォトニック結晶構造を用いてもよい。フォトニック結晶構造は誘電体多層膜ミラーより高い反射率Rを有する。
図１３は図１、図１２の深紫外レーザ光源を実際に組み立てた部分断面図である。
図１３において、サファイア（0001）基板１、AlNバッファ層２、グレーティングAlN層３、AlN層４、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５よりなる積層体S及びアルミニウムメタルバック層６及びグラファイトナノ針状ロッドよりなる電子放出源７をガラス管８及び陽極電極９にステムピン（真空導入端子等）（図示せず）を用いて真空封止する。この場合、陽極電極９は適当な金属板に穴あけした金属構造あるいはガラス管８に金属蒸着して電極をとれる構造である。次に、アルミニウムメタルバック層６を陽極電極９にインジウム（In）シール等を利用して真空を保つようにガラス管８の開口部を覆うように密着させる。密着に使用するものはインジウムシールに限らず導電性の材料ならよい。積層体Sと陽極電極９の間にはアルミニウムメタルバック層６があり、使用時にはアルミニウムメタルバック層６から導電性の材料を伝って陽極電極９に電荷を逃がすことができるようになる。また、ガラス管８と陽極電極９とを溶着させる。このとき、ガラスとガラスとの溶着は容易であるが、陽極電極９が穴あけした金属構造の場合には、ガラスから金属に向って徐々に変化する段シールしたガラスを準備する。ガラス管８の陰極側には、ステムピン等を利用してグラファイトナノ針状ロッドよりなる電子放出源７及び円筒状金属よりなる静電レンズ１０を取付ける。この静電レンズ１０は電子放出源７の電子線EBを積層体S上にフォーカスさせるためのものである。電子放出源７及び静電レンズ１０を取付けたステムピンを溶着させた上で真空封止する。電子放出源７にグラファイトナノ針状ロッドを使用すると、その先端を積層体Sの平面に向けて垂直に設置されることになり、省スペースであるのでガラス管８も小さくでき、装置全体を小型化することができる。このとき、ガラス管８はいわゆる２極管動作をするので、陰極側の電子放出源７と陽極電極９との距離が所定値となるように、上述のステムピンの溶着を行う。具体的には、上記距離は電子放出源７と陽極電極９との間の電圧（kV）に対して所定値約0.5mm/kVとなるようにする。
直流電源１１は陽極電極９と電子放出源７との間にあって電子から見て陽極電極９が低いポテンシャルとなるように直流電圧V1を陽極電極９に印加するのに対し、直流電源１２は電子放出源７と静電レンズ１０との間にあって電子から見て静電レンズ１０が高いポテンシャルとなるようにフォーカス用直流電圧V2を静電レンズ１０に印加する。
図１４は図１３の変更例を示す部分断面図である。図１４においては、図１３の構成要素に対して電子放出源７近傍に引出電極１３を付加し、陽極電極９の電圧とは独立して、直流電源１４によって直流電圧V3を引出電極１３に印加して電子放出源７と陽極電極９との間に流れる電子線電流IEBを独立に制御する。これにより、ガラス管８はいわゆる三極管動作を行う。
尚、上記において、電源１１、１２、１４に、直流電源を例にとって説明を行っているが、適宜、交流電源並びにパルス電源を使用することにより、電子線を時間的に変調することが可能となり、ＤＵＶレーザ光も、電子線の変調に応じて連続発振のみならず、パルス発振等をおこなうことが可能となる。
グラファイトナノ針状ロッドよりなる電子放出源７を安定的に動作させて深紫外レーザ光源の寿命を延ばすには、ガラス管８内真空度を上げればよい。但し、通常の電界放出型電子放出源が10-7Pa以上の真空度を必要とするのに対し、本発明に係るグラファイトナノ針状ロッドよりなる電子放出源７の場合、10-6Pa程度の真空度でよい。従って、真空封止時間を大幅に短縮でき、この結果、深紫外レーザ光源の製造に関しては、タクトタイムを短縮でき、より安価な深紫外レーザ光源を提供できる。尚、確立した真空度を長時間保持するためには、ガラス管８内にゲッタ等（図示せず）を封入しておけばよい。
図１５は図１３、図１４のフォーカス用直流電圧V2を制御した場合に得られるアルミニウムメタルバック層６上の幅約１μmの電子線照射パターンＰの一例を示す平面図である。このような電子線照射パターンＰが得られると、横モード（TEM00）パターン及びレーザ発振周波数が安定する。
図１６は図１４の深紫外レーザ光源に直流電圧V1として5kVを印加すると共に直流電圧V3を印加して電子線電流IEBを1μA、2μA、30μAとして得られる発光強度及びレーザ発振強度のスペクトルを示す。尚、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の厚さt5は60nmとする。
図１６において、AlNはAlN層４の欠陥からの発光、QW1はAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５からの発光、QW2はAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の深い準位からの発光、QW3はAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５からのレーザ強度を示す。このように、直流電圧V1=5kVの基で、電子線電流IEBを30μAに高めていくと、励起密度が上昇し、共振構造ＲＳ１、ＲＳ２の損失に打ち勝ち、反転分布が形成されてレーザ発振を起こすことになる。
図１７は図１４の深紫外レーザ光源の指向性を説明するためのグラフである。
図１７に示すように、直流電圧V1=5kVかつ電子線電流IEB=1μAであるレーザ発振前の単なる発光の場合には、遠視野像の半値幅は30°〜40°と大きく、他方、レーザ発振後の直流電圧V1=5kVかつ電子線電流IEB=30μAであるレーザ発振の場合には、遠視野像の半値幅は5°程度と小さいことが分かる。
図１８は図１４の深紫外レーザ光源の光出力特性を示すグラフである。
図１８に示すように、電子線電流IEBの密度が0〜30A/cm2のときの単なる深紫外発光からしきい値30A/cm2を超えると、光出力が急激に増加してレーザ発振状態となることが分かる。
このように、上述の実施の形態によれば、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５は電子線励起により良好なレーザ発振特性を得ることができる。さらに、レーザ発振特性を向上させたいときには、図１９に示すごとく、図１のAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の下層にAlN/AlGaN超格子クラッド層２１及びAlN光ガイド層２２の少なくとも１つを設け、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の上層にAlN光ガイド層２３及びAlN/AlGaN超格子クラッド層２４の少なくとも１つを設け、これにより、光閉じ込み効率を向上せしめる。尚、図１９の構成は図１２の深紫外レーザ光源にも適用できる。図１９のごとく、光閉じ込み手段としてAlN/AlGaN超格子クラッド層及び/またはAlN光ガイド層を用いた場合の図１、図１２深紫外レーザ装置の光閉じ込み効率を考察すると、深紫外レーザ装置の全体の光強度に対するAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の光閉じ込め光強度は、
Γ＝１−exp(-C・Δn・t5）
但し、Ｃは半導体材料に応じた定数であって、AlGaAlの場合、
２．５×１０−３Å−１、
ΔnはAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の屈折率nAlGaN＝２．６とAlN/AlGaN超格子クラッド層及び/またはAlN光ガイド層の屈折率nAlN＝２．３との屈折率差０．３、
で表わせる。たとえば、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層５の厚さt5を６０nmとすれば、Γ＝０．３６であり、通常のレーザ発振の目安とされるΓ＝０．０１よりも大きく、非常に高い光閉じ込め効率を実現できる。
図２０は本発明に係る深紫外レーザ光源の第３の実施の形態を示す断面図である。図２０の深紫外レーザ装置は面発光型である。
図２０において、深紫外レーザ光源は、サファイア（0001）基板３１、サファイア（0001）基板３１上に形成されたAlNバッファ層３２、AlNバッファ層３２上に形成されたグレーティングAlN層３３、グレーティングAlN層３３上に形成された誘電体多層膜ミラーよりなる反射構造ＲＳ３１、反射構造ＲＳ３１上に形成されたAlN共振層３４、AlN共振層３４上に形成された厚さ約３nmのAl0.7Ga0.3N井戸層及び厚さ約３nmのAlN障壁層を１周期として１〜１０繰返周期を含む厚さ約６〜６０nmのAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層３５、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層３５上に形成されたAlN共振層３６、AlN共振層３６上に形成された誘電体多層膜ミラーよりなる反射構造ＲＳ３２、反射構造ＲＳ３２上に形成されたアルミニウム（Al）メタルバック層３７、及び電子線ＥＢを放出する電子放出源３８よりなる。この場合、反射構造ＲＳ３１の反射率Ｒは小さく、他方、反射構造３２の反射率Ｒは大きくされており、これにより、電子放出源３８より電子線ＥＢが照射されると、Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層３５が励起されかつ面と垂直方向で共振がおこり、深紫外レーザ光ＤＵＶが反射構造ＲＳ３１側より出射される。
図２０の深紫外レーザ光源によれば、面発光を実現するための電流狭窄構造が不要となるので、エピタキシャル成長プロセスが簡略化できる。また、反射構造ＲＳ３１及びＲＳ３２が全面に形成されているので、製造が容易となる。さらに、電子線ビーム照射位置からレーザ発振が起こるので、面発光レーザの幾可学的発光パターンを自由に変更できる。
図２１は図１、図１２、図２０の深紫外レーザ光源の寿命を説明するためのレーザ強度を示すタイミング図である。
図２１に示すごとく、4000時間を超えても、安定なレーザ強度を維持している。従って、指数関数的寿命予測から寿命は40,000時間を超えると期待され、従来の深紫外レーザ光源よりも長寿命となると共に、高発光強度かつ高発光効率が期待される。
尚、上述の実施の形態においては、ワイドバンドギャップ半導体としてAl0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層を用いているが、x=0.7以外のAlxGa1-xN/AlN（0.1≦x≦0.9）多重量子井戸層を用いてもよい。この場合、ｘが大きくなる程、レーザ光の波長は短くなる。また、他ワイドバンドギャップ半導体たとえばZnMgO、BN、ダイヤモンド半導体等を用いることもできる。
１、３１：サファイア（0001）基板
２、３２：AlNバッファ層
３、３３：グレーティングAlN層
４：AlN層
５、３５：Al0.7Ga0.3N/AlN多重量子井戸層
６、３７：アルミニウムメタルバック層
７、３８：電子放出源
８：ガラス管
９：陽極電極
１０：静電レンズ
１１、１２：直流電源
１３：引出電極
１４：直流電源
３４，３６：ＡｌＮ共振層
EB：電子線
DUV：深紫外レーザ光
ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３１、ＲＳ３２：反射構造

Claims (7)

  1. 基板と、
    該基板上に設けられたワイドバンドギャップ半導体層と、
    前記ワイドバンドギャップ半導体層上に設けられたアルミニウムメタルバック層と、
    前記ワイドバンドギャップ半導体層から発生した深紫外光を共振させるための共振器構造と
    を具備し、
    前記アルミニウムメタルバック層側より電子線を照射して前記ワイドバンドギャップ半導体層を励起して該励起されたワイドバンドギャップ半導体層から発生した深紫外光を前記共振器構造によりレーザ共振させるようにし、
    前記ワイドバンドギャップ半導体層がAl x Ga 1-x N井戸層（0.1≦x≦0.9）及びAlN障壁層よりなるAl x Ga 1-x N/AlN多重量子井戸層を具備し、
    前記Al x Ga 1-x N/AlN多重量子井戸層の厚さは約６nmから６０nmである深紫外レーザ装置。
  2. 前記アルミニウムメタルバック層の厚さは約３０〜１００nmである請求項１に記載の深紫外レーザ光源。
  3. さらに、前記電子線をアルミニウムメタルバック層に照射するためのグラファイトナノ針状ロッドにより構成される電子線源を具備する請求項１に記載の深紫外レーザ光源。
  4. 前記基板の厚さt1は、
    t1≧ａ・Ｅ３
    但し、Ｅは前記電子線のエネルギー、
    ａは前記基板の材料によって定める定数
    である請求項１に記載の深紫外レーザ光源。
  5. さらに、前記電子線を前記ワイドバンドギャップ半導体層上にフォーカスさせるための静電レンズを具備する請求項１に記載の深紫外レーザ光源。
  6. さらに、内部が真空であるガラス管を具備し、
    前記電子線源は前記ガラス管内に設置され、
    前記アルミニウムメタルバック層は前記ガラス管に密着されている請求項３に記載の深紫外レーザ光源。
  7. さらに、前記ワイドバンドギャップ半導体層の両側に設けられた端面反射型の反射構造を具備する請求項１に記載の深紫外レーザ光源。
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