JPH077200A - 微小レーザー - Google Patents

微小レーザー

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JPH077200A
JPH077200A JP5229206A JP22920693A JPH077200A JP H077200 A JPH077200 A JP H077200A JP 5229206 A JP5229206 A JP 5229206A JP 22920693 A JP22920693 A JP 22920693A JP H077200 A JPH077200 A JP H077200A
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silicon
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film
film layer
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JP5229206A
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Chih-Chen Cho
− チェン チョ チ
Walter M Duncan
エム．ダンカン ウオルター
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Texas Instruments Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコンをベース材料として、高性能の発光
デバイスを作製する。 【構成】 希土類元素をドープされたＣａＦ2 薄膜で作
られたシリコンベースの微小共振器は、半導体基板材料
（２４０）と半導体基板材料（２４０）の上に成長させ
たＣａＦ2 膜層（２３４）とを含む。このＣａＦ2 膜層
（２３４）は、ＣａＦ2 膜層（２３４）が光学的または
電気的にポンピングされた時に、ＣａＦ2膜層（２３
４）から狭い線幅を有するスペクトル放出を引き起こさ
せるのに十分な量の希土類元素ドーパントの予め定めら
れた量をドープされている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザーに関するもので
あり、更に詳細には、ドープされた薄いガラス膜で作製
され、光学的または電気的にポンピングされることによ
って、狭い線幅を有する強いスペクトル放出を発生する
ことのできる、シリコンをベースとする微小レーザーに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】すべてをシリコンベースとする光電子集
積回路（ＯＥＩＣ）技術が実現すれば、光電子産業分野
に革命が起こり、軍需用および民生用の両方に対して広
範囲に亘って重大な影響が及ぶことは確実である。その
ような衝撃を受ける１つの分野はマルチチップモジュー
ルの相互接続である。シリコンをベースとするＯＥＩＣ
は電子輸送を光子で置き換えることによって、抵抗と大
きい容量の問題を解決するだけでなく、回路レベルでの
画像処理等の新しい機能を提供する。シリコンＯＥＩＣ
はまた、大量生産のシリコンプロセスが他の電子、光電
子材料技術が到底及ばないような規模拡大の経済性を実
現することのために、市場に対して価格侵略を行うこと
になろう。更に、シリコンをベースとするＯＥＩＣは回
路レベルでの画像処理等の新しい機能を提供することも
期待される。
【０００３】シリコンをベースとするＯＥＩＣを現実の
ものとするためには次の４つの技術：（１）検出器、
（２）導波路、（３）変調器、（４）エミッター、が必
要とされる。最初の３項についてはかなりの進歩が認め
られるが、適当なシリコンベースの光放出デバイス、特
にシリコンをベースとするレーザーが欠けていることが
完全集積されたシリコンベースのＯＥＩＣ技術を開発す
ることを後らせている大きな要因である。
【０００４】今日まで行われてきたＯＥＩＣに関する研
究開発はＩＩＩ−Ｖ材料に基づくものである。しかし、
超ＬＳＩ集積回路（ＵＬＳＩ）後の研究開発において
も、シリコンの持つ安価な材料価格、高い機械的強度、
良好な熱伝導率、そして高度に進歩したプロセスの利用
可能性といった特徴のために、相変わらずシリコン基板
が用いられている。光学要素とデジタル電子要素とを集
積する１つの方法は、シリコン基板上の選ばれた領域に
対してエピタキシャル的にＩＩＩ−Ｖ層を成長させるこ
とによってＩＩＩ−Ｖとシリコンとを集積することであ
る。シリコン上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ
層からのレーザー発振作用は報告されているが、これら
２つの材料間の格子不整および熱膨張係数の不一致に起
因する材料品質の問題やＩＩＩ−Ｖとシリコンとでプロ
セス技術が異なることの問題等によってこの領域におけ
る技術の進展は妨げられている。
【０００５】シリコンをベースとするレーザーにおい
て、共振器の寸法を縮小することがレーザー特性に対し
て大きな影響を及ぼすことが見い出された。共振器長が
その共振器で定義される放射の波長と同程度になると、
自然放出の打ち消し、しきい値なしのレーザー発光、お
よび利得増大が観測される。利得増大の程度は自然放出
される放射のコーヒーレント長によって決まる。利得増
大は、ＩＩＩ−Ｖ半導体微小共振器中で発光線幅が１０
０ｎｍから３０ｎｍへ減少する場合に、５倍以上になる
ことが予測されている。
【０００６】これらの現象の用途はほとんどが半導体レ
ーザーであると考えられるが、この微小共振器効果は固
体レーザーに対してもまた適用できる。固体レーザーは
一般的に半導体レーザーに比べて優れた熱的安定度とよ
り狭い発光線幅とを与える。固体レーザーからのより狭
い発光線幅の増幅媒質は微小共振器利得増大効果をもた
らすのに理想的である。
【０００７】これらの膜から、フォトルミネッセンスよ
りもむしろエレクトロルミネッセンスによって発光を得
る方法についても開発が望まれている。もしこれが実現
すれば、光子を生成するために電子を用いることがで
き、従ってこれらの膜を利用して電圧の変化によって制
御される光電子デバイスを実現することができる。
【０００８】
【発明の概要】本発明の１つの実施例に従えば、Ｎｄ3+
をドープされたＣａＦ2 薄膜で作製されたシリコンベー
スの微小レーザーが得られる。この微小レーザーは少な
くとも、シリコンを含む半導体基板材料とその半導体基
板材料上に成長されたＣａＦ2膜とを含む。ＣａＦ2 膜
は、ＣａＦ2 膜が光学的にポンピングされた場合に強い
スペクトル放出を発生するのに十分な予め定められた量
のＮｄ3+ドーパントを含む。
【０００９】本発明の技術的な特長の１つは、それがシ
リコンをベースとする微小レーザーに対して、増幅媒質
として希土類元素をドープされたＣａＦ2 を用いている
ことである。この結果、本発明は、２００ｎｍというよ
うな薄い膜においても高い強度の放出を得ること、発光
線幅が狭いこと（例えば、４．２Ｋにおいて０．１２ｎ
ｍ、２９８Ｋにおいて１ｎｍ）、確立した成長技術が利
用できること、およびマイクロメートル以下の精度でパ
ターン加工できること、の重要な特長を有することがで
きる。
【００１０】本発明の別の１つの技術的特長は、シリコ
ンベースの微小レーザーが非常に低いレーザーしきい値
を有することである。このことはまず、もしこの増幅媒
質の直接的な電気的ポンピングによってレーザー作用が
得られなければ、この微小共振器によって示される低し
きい値のために弱いエレクトロルミネッセンス光源によ
るポンピングが可能となることのために有利である。更
に、低しきい値特性は低電力用途において、特に将来の
電力発生が特性を制約するような高密度回路において魅
力的である。
【００１１】本発明の別の１つの技術的な特長は、固体
レーザーは半導体レーザーに比べて一般的により温度変
化に敏感でないため、シリコンをベースとする本発明の
微小レーザーは高電力密度の回路に近接して使用される
半導体レーザーよりももっと安定であろうということで
ある。
【００１２】本発明の別の１つの技術的特長は、シリコ
ンの上にＣａＦ2 を、あるいはその逆に、エピタキシャ
ル成長させることのために、ＣａＦ2 を母材として利用
する固体レーザーはシリコンをベースとする技術と両立
し得るということである。
【００１３】本発明の更に別の１つの技術的特長は、希
土類元素をドープされたフッ化物はまた非常に狭い発光
線幅を示すという特性による。特に、本発明に従って形
成されたシリコンをベースとするＣａＦ2 ：Ｎｄ微小共
振器層は、ＣａＦ2 ：Ｎｄ膜の厚さが０．２マイクロメ
ートルに減少してさえも高強度で狭線幅の発光を示す。
ＣａＦ2 ：Ｎｄ膜についてそれぞれ４．２Ｋと３００Ｋ
とで測定されたスペクトルに関して、０．１２ｎｍと
１．５ｎｍのフォトルミネッセンス線幅が観測された。
【００１４】本発明の別の１つの技術的特長は、本発明
のシリコンをベースとするレーザーに使用されるＣａＦ
2 ：希土類元素膜のフォトルミネッセンス強度が膜の結
晶性にそれほど敏感でないということである。このこと
はフォトルミネッセンス強度が材料の結晶性に大きく依
存する半導体レーザーの材料とは異なる点である。従っ
て、半導体レーザー材料は材料中の欠陥に対してより影
響を受け易い。マイクロメートル以下の厚さのＣａ
Ｆ2 ：Ｎｄ膜から得られる高輝度で狭い発光ラインは、
それらの低屈折率と結晶欠陥に対する鈍感性と併せて、
シリコンをベースとする微小共振器レーザーを実現する
ための理想的な材料を提供することになる。
【００１５】本発明の１つの技術的な特長は、希土類元
素をドープされたＣａＦ2 薄膜のエレクトロルミネッセ
ンス効率を高めるためにいくつかの方法を用いることが
可能であることである。それらのうちには、（１）スパ
ッタリングによって半伝導性のＣａＦ2 膜を成長させる
こと、（２）ＣａＦ2 ：希土類元素とその他の半導体層
でできた超格子構造を形成して、半導体レーザー中でキ
ャリアを加速し、ＣａＦ2 ：希土類元素層中で励起を起
こすことのできる十分なエネルギーを獲得させること、
および（３）一次センター（ＮｄやＥｕ）と一緒に、ア
クチベータ（活性体）として働く第２の希土類元素をＣ
ａＦ2 中へ追加すること、が含まれる。
【００１６】好適実施例の１つの重要な特長は、ドープ
された薄いガラス膜によるシリコンベースの微小レーザ
ーという形態である。好適実施例は希土類元素をドープ
されたＣａＦ2 薄膜を採用している。光学的要素と電子
的要素とを単一の半導体チップ上へモノリシックに集積
することによって、光電子集積回路（ＯＥＩＣ）は将来
の通信およびコンピューターシステム需要に応える重大
な可能性を提供することができる。現状のＯＥＩＣの多
くはＩＩＩ−Ｖ化合物でできている。シリコンをベース
とするＯＥＩＣは、既に優れた技術として確立したシリ
コン技術を利用することができ、ＯＥＩＣの材料価格を
低減化できる。しかし、これまでシリコンをベースとす
るＯＥＩＣの開発は、適当なシリコンベースの発光デバ
イス、特にシリコンベースのレーザーデバイスが欠けて
いることのために後らされてきた。最近では、発光デバ
イスを作製するためにシリコン上のＧａＡｓが用いられ
たこともあるが、現時点ではレーザーデバイスに利用す
るためには結晶の品質が不十分である。
【００１７】ＣａＦ2 はシリコン上へ、あるいはシリコ
ンはＣａＦ2 上へエピタキシャル成長可能であるため、
ＣａＦ2 でできた固体レーザーはシリコンに基づく技術
と両立できる。更に、固体レーザーは半導体レーザーよ
りも狭い発光ラインと優れた熱的安定性を提供できる。
バルクのＣａＦ2 ：ＮｄおよびシリコンおよびＡｌ／Ｓ
ｉ上へ好適実施例に従って成長されたＮｄをドープされ
たＣａＦ2 薄膜は強いフォトルミネッセンス発光ライン
を示す。これらの結果は、これらの薄膜を用いてシリコ
ンをベースとする発光デバイスを作製し、シリコンをベ
ースとする微小レーザーチップを作製することが可能で
あることを意味する。
【００１８】本発明および本発明の特徴を更に完全に理
解するために、以下に図面を参照した詳細な説明を行
う。
【００１９】
【実施例】微小共振器レーザーの開発は原子／分子と電
磁場との相互作用の研究から始まった。１９４６年、パ
ーセル（Ｐｕｒｃｅｌｌ）は、励起された原子の自然放
出レートはその原子の放出光波長に近い寸法の共振器中
へその原子を入れることによって変化することを予測し
た。この現象は１９７４年にドレクセージ（Ｄｒｅｘｈ
ａｇｅ）によって蛍光性色素を用いて実験的に確認され
た。１９８１年、この効果はクレップナー（Ｋｌｅｐｐ
ｎｅｒ）によって再び論じられ、その後の十年間に数多
くの実験的、理論的研究が報告されるようになった。最
近では、本質的に高品質の共振器で固有に構成され、し
ばしば同程度の寸法の放出光波長の面発光レーザーデバ
イスを作製することについて関心が高まり、それによっ
て微小共振器効果の研究が顕著に加速されている。
【００２０】従来のレーザーでは、放出光を１つのモー
ドへ結合する効率は１０-4ないし１０-5のオーダーであ
る。微小共振器の作製によって光学的モードを単一モー
ドへ絞り込むことができれば、その結合効率は１に近く
なる。微小共振器レーザーに特有なその他の性質は、し
きい値なしのレーザー発振、緩和振動の消失、ダイナミ
ック応答速度の増大、および放出寿命の変更、である。
微小共振器効果の程度は増幅媒質の発光線幅、ミラー反
射率、増幅媒質とミラー材料との間の屈折率の差、増幅
媒質の位置と厚さ、および共振器の三次元寸法、に依存
する。
【００２１】微小共振器効果は発光線幅の減少と共に増
大することが計算によって示されている。図１はＩＩＩ
−Ｖ族半導体に典型的に見られる、３０ｎｍないし１０
０ｎｍの範囲内にいくつかの発光ラインを有する微小共
振器の利得増大を示す。特に、図１のチャート５０は、
横軸５４に反射率を取り、縦軸５２に利得増大の尺度を
取って示してある。例示として、曲線５６は３０ｎｍの
線幅、曲線５８は６２．５ｎｍの線幅、そして曲線６０
は１００ｎｍの線幅について示してある。１００ｎｍの
線幅の放出に関する利得増大は反射率が１の近傍におい
て、２．４で飽和する。これに対して、発光線幅が３０
ｎｍの場合は、利得増大は７．６で飽和する。
【００２２】微小共振器効果はまた、共振器のミラーの
品質にも依存する。図１はまた、高反射率のミラーが、
発光線幅が小さい場合に特に、高い利得増大を与えるこ
とを示している。ミラーが１／４波長の誘電体多層膜で
作られている（すなわち、分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ））場合、量子効率は交互膜間の屈折率差が増大する
につれて増大する。屈折率の差に加えて、その他の因
子、すなわち膜組成比の制御や界面の急峻さ、膜応力も
またミラー特性に影響を及ぼす。
【００２３】ＣａＦ2 とその他の半導体との間の屈折率
の大きな違いが、高品質ブラッグ反射器用の材料として
ＣａＦ2 を使用するように促す要因である。例えば、Ｃ
ａＦ 2 とＺｎＳｅで作られるブラッグ反射器を用いるこ
とによって、Ｓｉ／ＳｉＯ2ミラーを用いたレーザーよ
りも優れたしきい値電流特性およびレーザー効率特性の
微小共振器ＩＩＩ−Ｖ半導体レーザーを形成することが
できる。
【００２４】微小共振器において自然放出を促進または
抑制することは、微小共振器の長さおよび活性増幅媒質
の共振器中での位置を制御することによって可能であ
る。共振器長を放出光波長に合わせ、活性増幅媒質をア
ンチノード位置（腹部）に配置することによって放出増
大が実現される。この構成で、電磁場は増幅媒質と相互
作用する。増幅媒質をノード位置（節部）に配置すれば
放出減衰が観測される。
【００２５】表面に垂直方向にはＤＢＲによって、また
横方向にはへき開面によって閉じこめられた三次元的な
直方体微小共振器の理論的な解析によれば、１．５ｎｍ
の発光線幅における全放射エネルギーの１個の共鳴モー
ドへの結合係数（自然放出因子）は、横方向寸法が放出
光波長の１５倍から２倍へ縮小される時に、１桁程度増
大することが示唆されている。結合係数の同様な増大は
円柱状の微小共振器構造についても予想されていた。
【００２６】好適実施例として、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）チェンバー、金属化チェンバー、およびＣＶ
Ｄチェンバーを含む超高真空システム（ＶＧ社 Ｓｅｍ
ｉｃｏｎ Ｖ８０）中で、１００ｍｍ（４インチ）径の
シリコンウエハ上へＡｌとＣａＦ2 膜を成長させた。ウ
エハはこれらの３個のチェンバー間で、２台のロード・
ロックを備えた超高真空移送システムを用いて移送され
る。ＭＢＥチェンバーおよび金属化チェンバーのベース
圧力はそれぞれ、１×１０-10 ｍｂａｒおよび１×１０
-9ｍｂａｒである。ＣａＦ2 成長時のチェンバー圧力は
５×１０-10 ｍｂａｒであり、Ａｌ成長時の処理圧力は
２×１０-9ｍｂａｒである。ＣａＦ2 とＮｄＦ3 が放出
セルから熱的に蒸発される。これらフッ化物の堆積速度
はセル温度を制御し、フラックスの圧力を監視すること
によって決定される。堆積速度はフラックスの圧力に比
例して増加する。膜組成は蛍光Ｘ線分析によって決定さ
れる。膜厚は段差測定によって決定される。ＣａＦ2 ：
Ｎｄ膜は基板温度１００℃ないし７００℃においてＳｉ
（１１１）およびＡｌ（１１１）／Ｓｉ（１１１）上へ
成長された。フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトル
の結果によれば、ＣａＦ2 ：Ｎｄ成長の最適成長温度
は、シリコン上で５００℃、Ａｌ上で１００−３００℃
である。
【００２７】フォトルミネッセンス（ＰＬ）によるこの
膜の光学的特性の評価は、バルクのＣａＦ2 ：Ｎｄにお
いて観測される１．０４６μｍレーザー発振ラインを含
む、〜０．９μｍ、〜１．３μｍ、および〜１．１μｍ
での強いＰＬラインを示している。膜の厚さを１μｍか
ら０．２μｍへ減らすと、強度は比例的に減衰し、Ａｌ
／Ｓｉ上に成長させたＣａＦ2 ：Ｎｄ膜からの放出光波
長およびＰＬスペクトルの相対バンド強度は不変であ
る。この結果は、０．２μｍの膜が、より多い欠陥が存
在すると考えられるＣａＦ2 ／Ａｌ界面に近づいている
にも拘らずこの膜の発光特性が歪を受けていないことを
示している。
【００２８】本発明の目的のためのドーパントとして、
希土類元素の代わりに遷移元素を用いることもできるこ
とを指摘しておくことは重要である。更に、ＣａＦ2 ：
Ｎｄ膜のＰＬ強度は膜の結晶性に依存しない。このこと
はＰＬ強度が材料の結晶性に大いに依存する半導体発光
材料の場合とは異なるところである。従って、Ｃａ
Ｆ 2 ：Ｎｄは材料中の欠陥により敏感でない。
【００２９】図２および図３はＡｌ（１１１）／Ｓｉ
（１１１）基板上へ成長させた１．０μｍ厚のＣａ
Ｆ2 ：Ｎｄ（０．４８重量％）膜のヘリウム温度でのＰ
Ｌスペクトルを示す。図２において、チャート６４は、
縦軸６６には任意単位で０．０００から０．１４０の範
囲を示す測定強度を取り、横軸６７には１０４０ｎｍか
ら１１００ｎｍの範囲で測定波長を取ってある。発光ピ
ーク６８で示されたＬセンター放出は線幅０．１２μｍ
を有する。その他の発光ピークにはピーク７０、７２、
７４が含まれる。図２に示された遷移は 4Ｆ3/2 → 4Ｉ
11/2状態間のものである。
【００３０】図３のチャート７６では縦軸７８には任意
単位で０．０００から０．０２０の範囲に測定強度を取
り、横軸８０には８５００から９３００オングストロー
ムの範囲に波長を取ってある。発光ピークには、ほぼ同
程度の強度を有するピーク８２と８４、それより弱い発
光ピーク８６と８８、更に小さい強度のピーク９０と９
２が含まれている。図３のピークは 4Ｆ3/2 → 4Ｉ9/2
の遷移に対応している。バルクのＣａＦ2 ：Ｎｄ中のＬ
センターから観測される放出波長を矢印で示してある。
ＣａＦ2 基板上の１０μｍ厚の０．３重量％のＣａＦ2
膜からのスペクトルは図３に示されたのと同様な波長・
相対強度関係を示す。
【００３１】異なる方法で成長させたり、異なる基板上
へ成長させたＣａＦ2 ：Ｎｄが類似のＰＬスペクトルを
示すことは、低濃度のＮｄにおいてＬセンターからの放
出が支配的であることを示唆している。これと対照的に
Ｎｄ濃度が高くなると、ＰＬスペクトルにはもっと顕著
な変化が観測されるようになる。
【００３２】図４はＡｌ／Ｓｉ（１１１）上へ成長させ
た１μｍ厚のＣａＦ2 ：Ｎｄ膜からの発光の濃度依存性
を示す。図４のチャート１００は縦軸１０２に沿って任
意単位で０．０００から０．６００の範囲に強度を取
り、横軸１０４にはオングストローム単位で波長を１０
４００から１０６００オングストロームの範囲で取って
ある。特に、曲線１０６はＡｌ／Ｓｉ（１１１）のＭＢ
Ｅ成長層上へ形成した０．４８％のＮｄを含む１μｍ厚
のＣａＦ2 ：Ｎｄ膜に関する発光強度を記録したもので
ある。曲線１０８はＡｌ／Ｓｉ（１１１）上の０．９６
％のＮｄを含む同じ厚さのＣａＦ2 ：Ｎｄ膜に関する発
光強度を示す。曲線１１０はＡｌ／Ｓｉ（１１１）上の
Ｎｄの濃度が１．９％である同じ厚さのＣａＦ2 ：Ｎｄ
膜に関する発光を示す。曲線１１２はＡｌ／Ｓｉ（１１
１）上の３．８％Ｎｄの同じ厚さのＣａＦ2 ：Ｎｄ膜に
関する発光強度を示す。レーザー動作に通常用いられる
１０４５７オングストロームのラインは、Ｎｄ濃度が
３．８重量％を越えたバルク材料中では完全に消失して
いる。
【００３３】以前に報告されたバルクのＣａＦ2 ：Ｎｄ
およびＣａＦ2 ：Ｎｄ／ＣａＦ2 と、ここでの膜との最
も重要な違いは、Ｎｄ濃度が３．８重量％という高い値
の場合でもここでの膜中のＭおよびＮ欠陥センターから
の放出ラインの強度が減っていることである。Ｎｄ濃度
が３．８重量％のバルクＣａＦ2 ：Ｎｄでは、Ｍおよび
Ｎセンターからの発光強度はＬセンターからのそれと同
じ程度である。少なくとも３．７重量％のＮｄを含むＣ
ａＦ2 ：Ｎｄ／ＣａＦ2 に関して、Ｎセンターにおける
発光強度はＬセンターの強度の８０％である。これと対
照的に、図４はＡｌ／Ｓｉ上のどのＣａＦ2 ：Ｎｄ試料
においてもＮセンターの波長（１０４４８オングストロ
ーム）において放出は検出されていない。Ｎｄ濃度が増
加すると、Ｍセンター（１０４６７オングストローム）
に対応する小さいピークが出現するが、その強度は３．
８重量％のＮｄ濃度においてもＬセンターの強度の高々
５０％である。
【００３４】これらの比較から、ＭＢＥ法によって低温
で成長させた、ここでのＣａＦ2 ：Ｎｄにおいては、Ｎ
ｄ3+−Ｆ- の集合によって形成される斜方晶系のＮおよ
びＭセンターは低減できることが示される。ＣａＦ2 ：
Ｎｄ／Ａｌ／Ｓｉを成長させるために用いられる低い基
板温度が、なぜ低濃度のＭおよびＮ欠陥を含むＣａ
Ｆ 2 ：Ｎｄを作製できるかの理由であろう。低い成長温
度はフッ素の欠損を妨げ、従ってバルクＣａＦ2 ：Ｎｄ
中の電荷補償機構を回避させる。そのうえ、Ｎｄ−Ｆと
それの集合物の分布は低温プロセスによって変更を受け
る。それは、原子の運動エネルギーが小さいため拡散す
ることができず、６００℃以上の温度において生ずるよ
うな平衡状態に到達できないためである。
【００３５】図５は、Ａｌ／Ｓｉ（１１１）上へ各種厚
さで成長させたＣａＦ2 ：Ｎｄ（１．９重量％）膜とＳ
ｉ（１１１）上へ成長させた０．２μｍ厚のＣａＦ2 ：
Ｎｄ（１．９重量％）膜の１０４５７オングストローム
ラインの相対強度を示す。図５のチャート１３４は、縦
軸１３６に沿って強度を任意単位で０．０から１．２の
範囲に取り、横軸１３８にはＣａＦ2 ：Ｎｄ膜の厚さを
０．０から１．２μｍの範囲に取ってある。０．２μｍ
の厚さでのＡｌ／Ｓｉ（１１１）基板上のＣａＦ2 ：Ｎ
ｄ膜の相対強度は点１４０として記録されている。Ｓｉ
（１１１）基板に関する相対強度は０．２μｍのＣａＦ
2 ：Ｎｄ膜厚に対して点１４２に記録されている。その
他の膜厚および２つのＣａＦ2 ：Ｎｄ膜厚の相対強度と
して、点１４４における０．５μｍの膜厚と点１４６に
おける１．０μｍの膜厚とが含まれる。
【００３６】膜厚が１．０μｍから０．２μｍへ減少す
るとそれに比例してＰＬ強度も減少する。また、これら
の膜の放出光波長とＰＬ相対強度は膜厚によらず同じで
ある。これらの結果は、０．２μｍ厚の膜がＣａＦ2 ／
Ａｌ界面に接近しており、界面欠陥に敏感ではないにし
ても、０．２μｍ厚という薄い膜であっても発光特性が
歪を受けていないことを示唆している。同じ厚さで、異
種の基板に関しては、Ａｌ上のＣａＦ2 ：ＮｄのＰＬ強
度はＳｉ上のＣａＦ2 ：Ｎｄのそれよりも高い。Ａｌ／
Ｓｉ（１１１）上のＣａＦ2 ：ＮｄからのＰＬ強度の方
が強いのは、５１４．５ｎｍの入射光の９０％以上がＡ
ｌ層から反射されてＣａＦ2 ：Ｎｄ膜中へ入るのに対し
て、ＣａＦ2 ：Ｎｄ／Ｓｉ（１１１）ではＳｉ基板中で
ほとんど吸収されるためであろう。
【００３７】図６および図７はそれぞれ、０．２μｍ厚
のＣａＦ2 ：Ｎｄ（１％）膜と４．０μｍ厚のＧａＡｓ
膜の室温でのＰＬスペクトルを示している。特に、図６
のチャート１２０は縦軸１２２に沿って相対強度を任意
単位で０．００から０．４５の範囲で取り、横軸１２４
に沿って波数をｃｍ-1の単位で６，０００から１３，０
００を越える範囲で取ってある。ＰＬ強度は領域１２
６、１２８、および１３０においてピークを持つ。領域
１２６、１２８、および１３０において、同定された強
度ピークに対応する局部的固有周波数は図６のチャート
１２０中に付随する波長によって同定された。
【００３８】図７において、チャート１５０は縦軸１５
２に沿って相対強度を０．０００から０．４５０の範囲
で取り、横軸１５４に沿って波数をｃｍ-1の単位で６，
０００から１３，０００を越える範囲で取ってある。こ
の範囲内で、ピーク１５６は１１，４２３ｃｍ-1のＬセ
ンターにおける約０．４０という相対強度を示してい
る。ＣａＦ2 膜はＡｌ（１１１）／Ｓｉ（１１１）基板
上へ成長された。ＧａＡｓ膜はＳｉ（１００）基板上へ
成長された。明らかに、ＣａＦ2 ：Ｎｄレーザー放出ラ
イン（９５６０ｃｍ-1）の線幅の方が１１４２３ｃｍ-1
のＧａＡｓピークの線幅よりも狭い。
【００３９】ＣａＦ2 の膜厚がＧａＡｓ厚のほんの１２
分の１でしかないのに、図６のＣａＦ2 ：Ｎｄ放出ライ
ンの強度は図７のＧａＡｓピークの強度と同じ程度の強
さを持つ。このことはＣａＦ2 ：Ｎｄ膜がレーザー発光
のための良好な増幅媒質となり得ることを示している。
この膜の結晶性はＸ線回折によって評価され、ＧａＡｓ
膜からの半値全幅（ＦＷＨＭ）は１３０秒（角度）を示
した。ＰＬ強度が材料の結晶性に強く依存するＧａＡｓ
とは対照的に、ＣａＦ2 ：ＮｄのＰＬ強度は膜の結晶性
に検出可能な程度の依存性も示さなかった。厚さとＮｄ
濃度が同じＣａＦ2 ：Ｎｄで、多結晶膜と単結晶膜とを
比較した結果、室温でのＰＬスペクトルは同様なもので
あった。
【００４０】これらのＣａＦ2 ：Ｎｄ試料とＳｉ（１０
０）上の高品質ＧａＡｓ成長膜（ＧａＡｓからのＸ線ロ
ッキング曲線の半値幅は１３０秒）との比較は、入射光
強度が同じ時に、０．２μｍのＣａＦ2 ：Ｎｄ（０．３
８重量％）薄膜からのＰＬ強度が４μｍ厚のＧａＡｓ／
Ｓｉ試料のそれと同程度の強度を持つことを示す。Ｃａ
Ｆ2 ：Ｎｄ膜からの線幅は、スペクトルの測定温度が
４．２Ｋと３００Ｋとでそれぞれ、１．２オングストロ
ームと１５オングストロームである。これに対して、Ｇ
ａＡｓ／Ｓｉ試料からのＰＬ線幅は４．２Ｋと３００Ｋ
とでそれぞれ４０オングストロームと２２０オングスト
ロームである。ＣａＦ2 ：Ｎｄ膜の発光線幅が狭いこと
とＣａＦ2 の屈折率が小さいことは、本発明の概念を適
用した微小共振器にとって魅力的な特性である。狭い線
幅によって優れた光学的増幅が達成できよう。また、Ｃ
ａＦ2 と半導体との屈折率の大きな差を利用して高反射
率のミラーを作製することができる。
【００４１】要約すれば、好適実施例に従ってＡｌ／Ｓ
ｉ（１１１）上にエピタキシャル成長された薄いＣａＦ
2 ：Ｎｄ膜は、膜厚が０．２μｍにまで減少しても強い
フォトルミネッセンス発光を示す。低温で成長させたＣ
ａＦ2 ：Ｎｄ膜からはＭおよびＮセンターからの発光の
抑制が認められる。バルクのＣａＦ2 ：Ｎｄからのレー
ザー動作に使用される１０４５７オングストロームの発
光ラインは非常に狭い線幅を有し、Ｎｄ濃度が３．８重
量％を越えるまでは消失しない。これらの特徴はＣａＦ
2 ：Ｎｄ薄膜を、Ｓｉをベースとする基板上へ作製され
る微小共振器レーザーのための魅力的な増幅媒質とす
る。
【００４２】好適実施例の更に別の態様はＣａＦ2 ：Ｎ
ｄ微小共振器デバイスの形成である。多結晶ＣａＦ2 ：
Ｎｄから得られる高強度ＰＬは、好適実施例の本発明の
概念を例示するもので、２つのＤＢＲ（分布ブラッグ反
射器）で挟まれた多結晶ＣａＦ2 ：Ｎｄ膜で作られた微
小共振器構造の基礎となる。これらの構造におけるＤＢ
ＲはＴａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 を１０対重ねた多層構造でで
きている。基板として１００ｍｍ（４インチ）径のシリ
コンウエハが使用された。
【００４３】図８にはＤＢＲ上へ成長させたＣａＦ2 ：
Ｎｄ膜から得られた室温ＰＬスペクトルが示されてい
る。図８に関してチャート１９０は縦軸１９１に沿って
強度を任意単位で０から４の範囲に取り、横軸１９２に
沿って波長をオングストロームの単位で８０００から約
１５０００オングストロームの範囲に取ってある。注目
すべきピークの存在する領域はピーク領域１９４とそれ
より弱いピーク領域１９６、１９８とである。Ｃａ
Ｆ2 ：Ｎｄ膜の上にはミラーを作製してない。このスペ
クトルはＳｉ（１１１）上およびＡｌ（１１１）／Ｓｉ
（１１１）上のＣａＦ 2 ：Ｎｄ膜から観測された波長と
相対強度との関係と酷似している。
【００４４】図９はＣａＦ2 ：ＮｄとＴａ2 Ｏ5 ／Ｓｉ
Ｏ2 の多層膜で作られた微小共振器の室温ＰＬスペクト
ルを示す。図９のチャート２００は縦軸２０２に沿って
強度を任意単位で０から４の範囲に取り、横軸２０４に
沿って波長をオングストローム単位で８０００から約１
５０００オングストロームの範囲に取ってある。曲線２
００中で、ピーク２０６は微小共振器構造が示す室温Ｐ
Ｌスペクトルを示している。この構造は、１波長分のＣ
ａＦ2 ：Ｎｄ／／（Ｔａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 ）共振器を形
成するように最上部にＤＢＲミラーを追加することを除
いて、図１４に用いられる試料と同じものである。
【００４５】図８と図９とを比較することによって、図
９では１０４５３オングストロームと１０４７２オング
ストロームとに強い放出ラインが検出されたが、１０５
００オングストローム付近のその他の放出ラインは完全
に消失した。更に、９０００オングストロームおよび１
３０００オングストローム付近の放出ラインの強度は１
０４６０オングストローム遷移に比べてずっと小さくな
っている。これらの結果は、１０４５３オングストロー
ムおよび１０４７２．１オングストロームの放出レート
が共振器によって増強され、９０００オングストローム
および１３０００オングストローム付近の遷移がクエン
チされていることを示している。強度の増強と線幅の低
減はまた７７０ＫでのＰＬ測定に関しても観測されてい
る。
【００４６】図１０には、１波長のＣａＦ2 ：Ｎｄ／／
（Ｔａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 ）微小共振器構造について計算
された反射率スペクトルが示されている。この構造は１
０４６０オングストロームに共鳴モードを形成するよう
に設計された。図１０は１０５０ｎｍ付近の放出ライン
（ 4Ｆ3/2 → 4Ｉ11/2遷移）がこのミラー構造の”阻止
帯域”中にあり、９００ｎｍ（ 4Ｆ3/2 → 4Ｉ9/2 遷
移）および１３００ｎｍ（ 4Ｆ3/2 → 4Ｉ13/2遷移）付
近の遷移が”通過帯域”中にあることを示している。従
って、９０００オングストロームおよび１３０００オン
グストローム付近の放出ラインは反射器によって直接的
に影響されることはなく、それらの強度を、１０５０ｎ
ｍ付近の強度と比べる場合の基準として使用することが
できる。
【００４７】好適実施例はまた、微小共振器中で異なる
放出光波長の効果を利用するために他の希土類元素をド
ープしたＣａＦ2 の光学的特性も開拓している。可視領
域において発光する希土類イオンは好適実施例の特に重
要な特徴である。与えられたドーパントの遷移によっ
て、誘導放出が得られるか否かを予測することは困難で
あるが、希土類元素をドープされたバルクのＣａＦ2 お
よびその他類似の結晶場環境を有するバルク結晶につい
て調べることによって、本発明の概念に適用可能なその
他のレーザーセンタードーパントの広い選択幅が得られ
る。ＥｕをドープされたＣａＦ2 薄膜からのエレクトロ
ルミネッセンスとフォトルミネッセンスは４２０ｎｍと
いう青に中心を持つ放出光波長を有し、Ｅｕをドープさ
れたＣａＦ 2 が良好な増幅媒質であり得ることを示して
いる。３０６ｎｍという短い波長の紫外領域で、ＧｄＦ
3 をドープされたＺｎＦ2 膜から強いエレクトロルミネ
ッセンスが観測された。シリコンおよびＡｌ／Ｓｉ上の
ＮｄドープのＣａＦ2 薄膜に加え、Ｄｙをドープされた
バルク結晶も好適実施例において利用できる。Ｄｙドー
プの材料は青−緑（４８６ｎｍ付近）、黄（５７５ｎ
ｍ）、赤（６６５ｎｍ）、そしてスペクトルの近赤外領
域（７５４０オングストロームおよび８３９０オングス
トローム）にフォトルミネッセンス発光特性を有する。
ＨｏとＤｙはそれぞれ緑と黄のエミッターに関する良好
なドーピング材料の候補である。
【００４８】単結晶シリコンの代わりの”多孔質シリコ
ン”から、電気的および光学的ポンピングの両方によっ
て放出が実現された。多孔質シリコンをＮｄをドープさ
れたＣａＦ2 と組み合わせることによって、光源として
広い放出帯域幅を有するシリコンをベースとする材
料（”多孔質Ｓｉ”）と、レーザー動作のための狭い放
出帯域幅を備えるシリコンをベースとする増幅媒質（Ｃ
ａＦ2 ：Ｎｄ）とが提供される。多孔質シリコンの放出
光波長は５２００オングストロームと９０００オングス
トロームとの間にある。これらの波長はＣａＦ2 ：Ｎｄ
薄膜をポンピングするために理想的である。
【００４９】これまでは多孔質シリコンは電気化学的手
法によって作製されてきたが、多孔質シリコンの分析研
究によれば、この材料は非晶質シリコン、結晶シリコ
ン、二酸化シリコン、およびシリコン水酸化物の混合物
である。”多孔質Ｓｉ”という用語は、従って可視光を
放出することのできるシリコン材料を意味する。これら
の放出は結晶シリコンを陽極処理することばかりでな
く、潜在的には従来の成長技術、例えば気相堆積（ＣＶ
Ｄ）や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によっても実現し
得る。
【００５０】図１１は多孔質シリコンの典型的なフォト
ルミネッセンススペクトルを示す。図１１のチャート２
１６は縦軸２１８に沿って強度を任意単位の０から２０
０，０００の範囲に取り、横軸２２０に沿っては波長を
５，２００オングストロームから９，０００オングスト
ロームの範囲で取ってある。曲線２２２は多孔質シリコ
ンの発光範囲を示し、約７，２５０と７，４００オング
ストロームの間にピーク２２４を持つ。好適実施例の発
光は５２００オングストロームから９０００オングスト
ロームの範囲で、７０００オングストローム付近に最大
強度を持つものである。ＣａＦ2 ：Ｎｄの吸収スペクト
ルは７２５０−７４５０オングストローム、７８００−
８０００オングストローム、および８５００−８７００
オングストロームに強いピークを持つため、多孔質シリ
コンから放出される光子はＣａＦ 2 ：Ｎｄによって効果
的に吸収される。このため、ＣａＦ2 ：Ｎｄからは高い
強度のフォトルミネッセンスが得られる。
【００５１】図１２と図１３は多孔質シリコンをＣａＦ
2 ：Ｎｄと組み合わせた２つの構造を示している。図１
２の構造２２６は第１の組のブラッグ反射器２３２の上
に形成された多孔質シリコン層２３０に付け加えられた
透明な電極２２８を含む。次に、ＣａＦ2 ：Ｎｄ２３４
はブラッグ反射器組２３２とブラッグ反射器組２３６と
の間に挟まれる。ブラッグ反射器組２３６は、それのベ
ースとして基板２４０を有する金属電極２３８へ取り付
けられる。これらの構成において、多孔質シリコンはＣ
ａＦ2 ：Ｎｄをポンピングするための光源として使用で
きる。各ブラッグ反射器については５層だけしか誘電体
が示されていないが、高い反射率を実現するために、垂
直面発光レーザーデバイスについては層の数は１０対以
上である。エッジ発光レーザーデバイス用としては垂直
面発光レーザーほどの高い反射率は要求されない。金属
層または少数の対を含むブラッグ反射器で十分である。
【００５２】図１３は光源用としての多孔質シリコンの
別の構造を示し、それは透明な電極２２８で始まって、
それが別の透明電極２４４を覆う多孔質シリコン層２３
０を覆っている。透明電極２４４に第１のブラッグ反射
器組２３２が取り付けられ、それが次にＣａＦ2 ：Ｎｄ
層２３４へ取り付けられている。ＣａＦ2 ：Ｎｄ層２３
４はそれの下側をブラッグ反射器組２３６へ取り付けら
れている。図１３の構成において、ブラッグ反射器組２
３６は基板２４０へ直接取り付けられている。図１３
で、多孔質シリコンとＣａＦ2 ：Ｎｄは両方共に２つの
電極間に挟まれている。この構造は、特定のケースにお
いてＣａＦ2 ：Ｎｄ層がエレクトロルミネッセンス発光
することを許容する。ＣａＦ2 ：Ｎｄ層はまた多孔質Ｓ
ｉからのエレクトロルミネッセンスによって光学的にポ
ンピングされ得る。図１３の構成の問題点は、多孔質Ｓ
ｉ中の電界の勾配が図１２中の多孔質Ｓｉのそれほどは
急峻でないということである。図１３において、ＣａＦ
2 ：Ｎｄ層は多孔質Ｓｉからのエレクトロルミネッセン
スによって光学的にポンピングされ得る。この構成では
電界の変動は発生しない。
【００５３】図１４と図１５は、多孔質ＳｉがＣａ
Ｆ2 ：ＮｄとＳｉ基板との間に成長されることを除いて
図１２と図１３に類似な２つのその他の構造を示す。図
１４はＣａＦ2 ：Ｎｄ増幅媒体と基板との間に多孔質Ｓ
ｉを備えた別の実施例２４４を示す。特に、透明電極２
２８がＣａＦ2 ：Ｎｄ層２３４を覆う第１のブラッグ反
射器組２３２へ取り付けられている。図１４の実施例
で、多孔質Ｓｉ層２３０は第２のブラッグ反射器組２３
６と金属電極２３８との間に位置している。金属電極２
３８は多孔質Ｓｉ層２３０と基板２４０との間に取り付
けられている。
【００５４】図１５もまた１つの実施例２４６であり、
多孔質Ｓｉ層２３０がＣａＦ2 ：Ｎｄ層２３４を含むＣ
ａＦ2 ：Ｎｄ増幅媒体と基板２４０との間に位置してい
る。特に、ブラッグ反射器組２３２がブラッグ反射器組
２３６の一部を覆うＣａＦ2：Ｎｄ層２３４の上に形成
されている。ブラッグ反射器組２３６の下側には金属電
極２３８があってそれが多孔質Ｓｉ層２３０へつながっ
ている。第２の金属電極２４８が多孔質Ｓｉ層２３０を
基板２４０から分離している。図１２および図１３の構
造と比べて、図１４および図１５の構造は多孔質Ｓｉの
最上部へ単結晶材料を成長させることを困難にしてい
る。しかし、これらの構造は、多孔質Ｓｉがレーザー出
力の経路中に存在しないことから、面発光レーザー用と
して魅力がある。そのため、このレーザーデバイスの出
力効率が高まる。単結晶ＣａＦ2 ：Ｎｄからのフォトル
ミネッセンス強度が多結晶からのそれと同程度であるの
で、レーザー動作のために多孔質Ｓｉの上に単結晶層を
得る必要はない。
【００５５】エレクトロルミネッセンス強度を高めるた
めに、いくつかの手法が用いられる：（１）スパッタリ
ングによって半絶縁性のＣａＦ2 膜を成長させることが
できる、（２）ＣａＦ2 ：Ｎｄとその他の半導体層とで
できた超格子構造を形成して、半導体層中でキャリアを
効率的に加速し、ＣａＦ2 ：Ｎｄ層中でＮｄの励起を起
こすことのできる十分なエネルギーを獲得させること、
および（３）Ｎｄやその他Ｅｕ等のドーパントをＣａＦ
2 中へ追加することができる。ＣａＦ2 ：Ｅｕはエレク
トロルミネセンスによって４２０ｎｍにおいて発光する
ので、Ｅｕのエレクトロルミネッセンスから放出された
光子によってＮｄをポンピングでき、あるいは隣接のＥ
ｕ原子からの直接的なエネルギー転送によって励起する
ことができる。
【００５６】以下の節はエレクトロルミネッセンスの効
率を改善するための好適実施例の方法について述べる。
これらの方法がエレクトロルミネッセンスによるレーザ
ーポンピングにも利用できることに注意されたい。超格
子構造は微小共振器レーザーの共振器構造と類似のもの
である。レーザー共振器の長さが放出される波長と同程
度になると、そのレーザー特性は大きく変化する。微小
共振器ドメインでの分析と実験の結果、光学的利得は、
特にミラーの反射率が高い場合、放出線幅が減少するに
つれて急激に増大することが明らかにされた。既述のよ
うにマイクロメートル以下の厚さのＣａＦ2 ：Ｎｄから
の非常に狭い線幅とＣａＦ2 ／ＺｎＳｅで作られた高反
射率のミラーが実証された事実に基づいて、以下の方法
によってエレクトロルミネッセンス効率を改善すること
によってエレクトロルミネッセンスによってポンピング
される微小共振器ＣａＦ2 ：Ｎｄレーザーが実現され
る。
【００５７】エレクトロルミネッセンスの効率を改善す
るための上述の方法の第１のものは、スパッタされたＣ
ａＦ2 を使用するものである。蒸着によって成長させた
ＣａＦ2 膜の抵抗率は１０16ｏｈｍ−ｃｍ程度である
が、３×１０3 ｏｈｍ−ｃｍ程度の低い抵抗率のＣａＦ
2 膜をスパッタリングによって得ることができる。通常
は抵抗率の低下は望ましいものではない。それはほとん
どの場合、ＣａＦ2 がシリコンやＧａＡｓ上へエピタキ
シャル成長できる良好な絶縁体として用いられるからで
ある。しかし、膜をエレクトロルミネッセンス用に用い
る場合は、良好な伝導特性が要求される。絶縁膜に対し
て半伝導性の膜を通して非常に多数のキャリアが駆動さ
れるので、キャリアとＣａＦ2 ：Ｎｄ膜中の発光センタ
ーとキャリアとの間の衝突断面積は半伝導性のスパッタ
膜中でより大きくなるであろう。この結果、発光強度が
増大する。ＣａＦ2 ：ＭｎをＣｄ蒸気中でアニールする
こともＣａＦ2 膜の伝導度を高める処理である。スパッ
タＣａＦ2 の考え得る１つの欠点は結晶性の劣化による
促進された発光のクエンチである。しかし、これは重大
な問題にはならないであろう。それというのもＭＢＥ成
長のＣａＦ2 ：Ｎｄについて示したように、多結晶Ｃａ
Ｆ2 ：Ｎｄ膜のフォトルミネッセンス強度は単結晶Ｃａ
Ｆ2 ：Ｎｄのそれと同じ程度であるからである。このこ
とは結晶性はそれほど問題でないことを意味する。
【００５８】上述のエレクトロルミネッセンス効率を高
める方法の第２のものはＣａＦ2 ：Ｎｄ・半導体超格子
を形成するものである。ＣａＦ2 ：Ｎｄと別の半導体層
とで作られた超格子を用いれば、キャリアを半導体中で
効果的に加速し、ＣａＦ2 ：Ｎｄ中でＮｄの励起を引き
起こすのに十分なエネルギーを獲得させることができ
る。これにより、Ｙ2 Ｏ3 ：Ｅｕ薄膜エレクトロルミネ
ッセンスデバイスの放出効率を改善することに成功し
た。更に、各超格子層の厚さが放出光波長よりも小さい
場合は、建設的な干渉が起こって発光が促進される。
【００５９】図１６はＣａＦ2 ：Ｎｄ／ＺｎＳ多層構造
から効果的なエレクトロルミネッセンスを得るために用
いることのできる超格子構造を示す。図１６のＣａ
Ｆ2 ：Ｎｄ・半導体超格子構造２５０はＣａＦ2 ：Ｎｄ
／半導体超格子２５４を覆う透明電極２５２を含む。Ｃ
ａＦ2 ：Ｎｄ／半導体超格子２５４は例えば、ＺｎＳを
用いて半導体層を挿入された層２５６のようなＣａ
Ｆ2 ：Ｎｄ層を含み、望みの程度のエレクトロルミネッ
センスを実現する。ＣａＦ2 ：Ｎｄ／半導体超格子２５
４は基板２４０の上に形成された金属電極２３８を覆っ
て形成される。
【００６０】透明な導体はインジウム錫酸化物（ＩＴ
Ｏ）やアルミニウムをドープした酸化亜鉛のような伝導
性酸化物、または高濃度にドープされたＺｎＳｅやＺｎ
Ｓのような半導体で作製することができる。これらの材
料は放出光波長において良好な電気伝導性と光学的透明
性とを示す。透明導体はまた光学的帰還を提供するミラ
ーとしても機能するので、強い微小共振器効果を実現す
るためには屈折率はＣａＦ2 ：Ｎｄ（または他の希土類
元素をドープされたＣａＦ2 ）の屈折率とできるだけ大
きく異なっているべきである。ＩＴＯの屈折率は１．７
５から２．３の範囲にある。酸化亜鉛、ＺｎＳ、ＺｎＳ
ｅの屈折率は１μｍの波長においてそれぞれ、およそ
１．８６、２．３７、２．８９である。希土類元素をド
ープされたＣａＦ2 の屈折率は約１．４３であるので、
これらの材料は高品質のＤＢＲまたはＤＦＢレーザー中
の周期的な増幅構造を形成することができるはずであ
り、その場合希土類をドープされたＣａＦ2 は共振器効
果を促進する。
【００６１】エレクトロルミネッセンス効率を改善する
更に別の方法は、ＣｏをドープされたＣａＦ2 を作製す
ることを利用するものである。Ｎｄおよびその他のドー
パント、例えばＥｕやＥｒを一緒にＣａＦ2 中へ加える
ことができる。ＣａＦ2 ：Ｅｕが４２０ｎｍにおいてエ
レクトロルミネッセンスによって発光することが明らか
にされた。ＥｕやＥｒがＮｄと共にＣａＦ2 中へ同時ド
ープされた時には、それぞれＥｕとＥｒに対応する吸収
が３９８ｎｍと４４９ｎｍに観測される。これらの結果
は、ＣａＦ2 ：Ｎｄ／ＥｕまたはＣａＦ2 ：Ｎｄ／Ｅｒ
を成長させることによって、ＮｄがＥｕまたはＥｒのエ
レクトロルミネッセンスから放出される光子によってポ
ンピングされるか、あるいは隣接するＥｕ原子からの直
接的なエネルギー転送によって励起されて、増強された
発光を得るようになることを示している。
【００６２】レーザー共振器の特性と材料とに関する知
識に基づいて、エレクトロルミネッセンスによるレーザ
ー動作を実現すると考えられる別のレーザー構造が図１
７、図１８、図１９、および図２０に示されている。図
１７の縦方向の構成２６０は、レーザー２６８を駆動す
るための独立した電圧源２６６から電位を供給された透
明導体２６２と金属導体２６４とを含む。レーザー２６
８は増幅媒質として機能する１／４波長のＣａＦ2 ：希
土類元素層２７２と１／４波長の半導体層２７０とを挿
入されている。同様に、図１８の水平方向の構成２７４
は、透明導体２７６および２７８のような数多くの透明
導体を含み、それらの間２８０にはＣａＦ2 ：希土類元
素増幅媒質を挿入されている。
【００６３】図１９と図２０は構成２９０および構成２
９１に示すように、光源としてエレクトロルミネッセン
スＺｎＳを使用した２つの構成を示している。図１９の
構成２９０はＺｎＳ層２９４を覆って形成された透明電
極２９２を含む。ＺｎＳ層２９４はブラッグ反射器組２
３２、ＣａＦ2 ：希土類元素層２９６、および第２のブ
ラッグ反射器組２３６のためのエレクトロルミネッセン
ス光源として働く。第２のブラッグ反射器組２３６は基
板２４０に取り付けられた金属電極２３８を覆ってい
る。図２０の構成２９１はＺｎＳ層２９４を覆って形成
された透明電極２９２を含む。ＺｎＳ層２９４はブラッ
グ反射器組２３２へつながる第２の透明電極２９８を覆
って形成される。ブラッグ反射器組２３２とブラッグ反
射器組２３６との間にＣａＦ2 ：希土類元素層２９６が
ある。第２のブラッグ反射器組２３６は図２０の構成で
は基板２４０へ直接つながれている。
【００６４】最近、ＩＶ族材料からの発光を実現するた
めの研究が精力的に実施されている。多孔質シリコン、
等電子的にドープされたシリコン、および歪のあるＧｅ
Ｓｉ合金からの発光が報告されている。これらの材料が
シリコンをベースとする技術と両立すること、そして希
土類元素をドープされたＣａＦ2 微小共振器レーザーか
らはしきい値が非常に低いレーザー動作が実現されるこ
とを考慮すると、ここに提案した微小共振器レーザーの
好適実施例は本発明の範囲内でこれらの材料を容易に提
供する。
【００６５】シリコンをベースとするＯＥＩＣおよび光
集積回路（ＰＩＣ）は軍需用および民生用として広範囲
の用途を有する。シリコンをベースとするＯＥＩＣまた
はＰＩＣの１つの応用はマルチチップモジュールの相互
接続分野である。マルチチップモジュールの複雑さが増
大するにつれて、高密度の金属配線によってもたらされ
る相互接続抵抗および寄生容量の増大はシステムの特性
に対して大きな障害となる。これらの相互接続の問題に
対して、光学的な相互接続は長い間１つの解答となると
考えられてきた。例えば、シリコンをベースとするＯＥ
ＩＣおよびＰＩＣは位相配列レーダー要素を光学的に接
続するために特別な用途を有する。レーダー要素のため
のＧａＡｓおよびその他のＩＩＩ−Ｖ族半導体をベース
とするモノリシックな集積回路（ＭＭＩＣ）の分野では
顕著な進展が見られたが、ＩＩＩ−Ｖ材料をベースとす
るデジタル論理回路および記憶回路に関する研究開発は
さほどの成果を挙げられていない。このため、シリコン
のデジタル回路と一緒にモノリシックに集積された光源
や変調器は現状のシリコンデジタルおよび論理回路をＧ
ａＡｓＭＭＩＣ要素へ光学的に結合するための機構を提
供できよう。
【００６６】光コンピューターの分野での現在の研究開
発はほとんどがＩＩＩ−Ｖ材料とＬｉＮｂＯ3 系に限ら
れている。シリコンをベースとしたレーザー光源を除け
ば、光コンピューターに要求されるその他のすべての機
能（変調器、検出器、および導波路）は実現されてい
る。実際、大規模集積された（ＬＳＩ）シリコン検出器
（例えば、ＣＣＤ）は市販されているし、中規模集積さ
れた（ＭＳＩ）シリコン上の変調器（例えば、ＤＭＤ）
は実証されて、市販されようとしている。ＤＭＤは自由
空間変調器であるが、ＢａＴｉＯ3 および（Ｐｂ，Ｌ
ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 （これらは優れた電子−光特性
を有する）は好適実施例の各種の構成に採用されるであ
ろうＵＬＳＩ後のシリコン記憶応用のための高誘電率コ
ンデンサに使用できる。シリコン上のＳｉＯ2 導波路は
実証されている。
【００６７】好適実施例に従って作製されるシリコンを
ベースとするＯＥＩＣおよびＰＩＣは、既存の大量生産
シリコンプロセスが他の電子または光電子材料技術が到
底及ばないような規模拡大の経済性を実現することのた
めに特に魅力的である。本発明によって形成されるシリ
コンをベースとするＯＥＩＣの考えられる応用として、
表示装置のためのシリコンベースのエミッター、家庭や
その他のケーブル回路網へのファイバー、自動車用電子
機器のためのコンピューター通信システム、および医療
用および生体用の使い捨ての低価格ＯＥＩＣが挙げられ
よう。最後に、本発明に従うシリコンベースのＯＥＩＣ
は回路レベルでの画像処理システムやスマート画素のよ
うな新しい機能を提供することができる。
【００６８】要約すると、本発明の範囲の概念として
は：（１）薄いＣａＦ2 ：希土類元素膜を用意するこ
と、（２）Ｎｄ以外の希土類ドーパントを含むＣａＦ2
の成長工程を含み、光学的にポンピングされるシリコン
ベースのＣａＦ2 ：Ｎｄ微小共振器レーザーを作製する
こと、（３）ＣａＦ2 ：希土類元素微小共振器をポンピ
ングするために適したエレクトロルミネッセンス光源を
成長および作製すること、および（４）エレクトロルミ
ネッセンスポンピングまたは直接的な電気的ポンピング
のいずれかによってレーザー動作を実現させること、が
含まれる。
【００６９】本発明およびそれの特長について詳細に説
明してきたが、特許請求の範囲に述べられた本発明の範
囲からはずれることなく、各種の変更、置換、および修
正が可能であることが理解されるべきである。
【００７０】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１）ドープされた薄膜材料で作られた、シリコンをベ
ースとする微小レーザーであって：シリコンを含む半導
体基板材料、前記半導体基板材料の上に成長された少な
くとも１つの膜層であって、前記膜層がポンピングされ
ることによってスペクトルの放出を引き起こすのに十分
な予め定められた量のドーパントを含む１つの膜層、を
含み、前記膜層が前記放出スペクトルの波長の大きさの
オーダー以内の厚さを有しており、前記放出スペクトル
が狭い線幅を有し、一般的に前記膜層の結晶形態に敏感
でない、微小レーザー。
【００７１】（２）第１項記載の装置であって、前記膜
層がＣａＦ2 を含んでいる装置。
【００７２】（３）第１項または第２項記載の装置であ
って、前記ドーパントが希土類元素を含んでいる装置。
【００７３】（４）第１項記載の装置であって、前記ド
ーパントが遷移金属を含んでいる装置。
【００７４】（５）第３項記載の装置であって、前記希
土類元素がＮｄを含んでいる装置。
【００７５】（６）第３項記載の装置であって、前記希
土類元素がＥｕを含んでいる装置。
【００７６】（７）第１項記載の装置であって、前記ド
ーパントがＮｄとＥｕを組み合わせて含んでいる装置。
【００７７】（８）第１項記載の装置であって、前記ド
ーパントがＮｄとＥｒを組み合わせて含んでいる装置。
【００７８】（９）第１項記載の装置であって、前記膜
層が光学的にポンピングされるようになった装置。
【００７９】（１０）第１項記載の装置であって、前記
膜層が電気的にポンピングされるようになった装置。
【００８０】（１１）第１項記載の装置であって、更
に、前記スペクトル放出を反射させるための分布ブラッ
グ反射器組を含む装置。
【００８１】（１２）第１項記載の装置であって、更
に、前記スペクトル放出を反射および増幅させるための
分布ブラッグ反射器組を含む装置。
【００８２】（１３）シリコンをベースとするドープさ
れた薄膜層から狭い線幅を有するスペクトル放出を発生
させるための方法であって：前記薄膜層をシリコンを含
む半導体基板材料と組み合わせること、予め定められた
量のドーパントを含む前記薄膜層をポンピングして狭い
線幅を有するスペクトル放出を引き起こすことであっ
て、前記薄膜層が前記スペクトル放出の波長の大きさの
オーダー以内の厚さを有し、前記スペクトル放出が一般
的に前記薄膜層の結晶形態に敏感でないような、ポンピ
ング工程、を含む方法。
【００８３】（１４）第１３項記載の方法であって、前
記ポンピング工程が更に、予め定められた量のドーパン
トを含むＣａＦ2 膜層をポンピングして前記スペクトル
放出を引き起こす工程を含んでいる方法。
【００８４】（１５）第１３項記載の方法であって、更
に、遷移金属を含むドーパントを有する前記薄膜層をポ
ンピングする工程を含む方法。
【００８５】（１６）第１３項記載の方法であって、更
に、希土類元素を含むドーパントを有する前記薄膜層を
ポンピングする工程を含む方法。
【００８６】（１７）第１６項記載の方法であって、更
に、Ｎｄを含むドーパントを有する前記薄膜層をポンピ
ングする工程を含む方法。
【００８７】（１８）第１６項記載の方法であって、更
に、Ｅｕのドーパントを有する前記薄膜層をポンピング
する工程を含む方法。
【００８８】（１９）第１６項記載の方法であって、更
に、Ｅｒのドーパントを有する前記薄膜層をポンピング
する工程を含む方法。
【００８９】（２０）第１３項記載の方法であって、更
に、ＮｄとＥｕの組み合わせのドーパントを有する前記
薄膜層をポンピングする工程を含む方法。
【００９０】（２１）第１３項記載の方法であって、更
に、ＮｄとＥｒの組み合わせのドーパントを有する前記
薄膜層をポンピングする工程を含む方法。
【００９１】（２２）第１３項記載の方法であって、更
に、前記薄膜層を光学的にポンピングする工程を含む方
法。
【００９２】（２３）第１３項記載の方法であって、更
に、前記薄膜層を電気的にポンピングする工程を含む方
法。
【００９３】（２４）第１３項記載の方法であって、更
に、前記スペクトル放出を反射させるために、分布ブラ
ッグ反射器を前記薄膜層と組み合わせる工程を含む方
法。
【００９４】（２５）希土類元素をドープされたＣａＦ
2 薄膜で作られたシリコンベースの微小共振器は、半導
体基板材料２４０と半導体基板材料２４０の上に成長さ
せたＣａＦ2 膜層２３４とを有する。このＣａＦ2 膜層
２３４は、ＣａＦ2 膜層２３４が光学的または電気的に
ポンピングされた時に、ＣａＦ2 膜層２３４から狭い線
幅を有するスペクトル放出を引き起こさせるのに十分な
量の希土類元素ドーパントの予め定められた量をドープ
されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩＩＩ−Ｖ半導体において典型的に観測され
る、３０ｎｍないし１００ｎｍの波長範囲におけるいく
つかの発光ラインを有する微小共振器での利得増大を示
す図。
【図２】Ａｌ（１１１）／Ｓｉ（１１１）基板上へ成長
された１．０マイクロメートル厚のＣａＦ2 ：Ｎｄ膜の
ヘリウム温度でのフォトルミネッセンススペクトルを示
す図。
【図３】Ａｌ（１１１）／Ｓｉ（１１１）基板上へ成長
された１．０マイクロメートル厚のＣａＦ2 ：Ｎｄ膜の
ヘリウム温度でのフォトルミネッセンススペクトルを示
す図。
【図４】Ａｌ／Ｓｉ（１１１）上へ成長された１マイク
ロメートル厚のＣａＦ2 ：Ｎｄ膜からのルミネッセンス
の濃度依存性を示す図。
【図５】Ａｌ／Ｓｉ（１１１）上へ各種厚さに成長され
たＣａＦ2 ：Ｎｄ膜についての１０４５７オングストロ
ーム発光ラインの相対強度を示す図。
【図６】０．２マイクロメートル厚のＣａＦ2 ：Ｎｄ膜
（１％）の室温でのフォトルミネッセンススペクトルを
示す図。
【図７】４マイクロメートル厚のＧａＡｓ膜の室温での
フォトルミネッセンススペクトルを示す図。
【図８】Ｔａ2 Ｏ5 ／ＳｉＯ2 上のＣａＦ2 ：Ｎｄ分布
ブラッグ反射器からのフォトルミネッセンススペクトル
を示す図。
【図９】半波長ＣａＦ2 ：Ｎｄ／／（Ｔａ2 Ｏ5 ／Ｓｉ
Ｏ2 ）微小共振器からの室温フォトルミネッセンススペ
クトルを示す図。
【図１０】一次元モデルを使用して計算された、半波長
ＣａＦ2 ：Ｎｄ／／（Ｔａ2 Ｏ5／ＳｉＯ2 ）微小共振
器からの反射率スペクトルを示す図。
【図１１】多孔質シリコンの典型的なフォトルミネッセ
ンススペクトルを示す図。
【図１２】多孔質シリコンをＣａＦ2 ：Ｎｄと集積する
ことによって、ＣａＦ2 ：Ｎｄ増幅媒質をポンピングす
るための光源として多孔質シリコンを使用した本発明の
実施例を示す図。
【図１３】多孔質シリコンをＣａＦ2 ：Ｎｄと集積する
ことによって、ＣａＦ2 ：Ｎｄ増幅媒質をポンピングす
るための光源として多孔質シリコンを使用した本発明の
実施例を示す図。
【図１４】図１２および図１３に類似の本発明の別の実
施例を示す図。
【図１５】図１２および図１３に類似の本発明の別の実
施例を示す図。
【図１６】ＣａＦ2 ：ＺｎＳ多層構造から効果的なエレ
クトロルミネッセンスを得るために用いることのできる
超格子構造を示す図。
【図１７】増幅媒質として希土類元素をドープされたＣ
ａＦ2 を使用した、１／４波長シフトされた電気的ポン
ピングによるＤＦＢレーザー実施例の概念図。
【図１８】増幅媒質として希土類元素をドープされたＣ
ａＦ2 を使用した、１／４波長シフトされた電気的ポン
ピングによるＤＦＢレーザー実施例の概念図。
【図１９】エレクトロルミネッセンス発光性のＺｎＳを
光源とし、ＣａＦ2 ：希土類元素を増幅媒質とした構造
を示す図。
【図２０】エレクトロルミネッセンス発光性のＺｎＳを
光源とし、ＣａＦ2 ：希土類元素を増幅媒質とした構造
を示す図。
【符号の説明】
５０ チャート ５２ 縦軸 ５４ 横軸 ５６，５８，６０ 曲線 ６４ チャート ６６ 縦軸 ６７ 横軸 ６８ Ｌセンター放出ピーク ７０，７２，７４ 発光ピーク ７６ チャート ７８ 縦軸 ８０ 横軸 ８２，８４，８６，８８，９０，９２ 発光ピーク １００ チャート １０２ 縦軸 １０４ 横軸 １０６，１０８，１１０，１１２ 曲線 １２０ チャート １２２ 縦軸 １２４ 横軸 １２６，１２８，１３０ ピーク領域 １３４ チャート １３６ 縦軸 １３８ 横軸 １４０，１４４ データー点 １５０ チャート １５２ 縦軸 １５４ 横軸 １５６ ピーク １９０ チャート １９１ 縦軸 １９２ 横軸 １９４，１９６，１９８ ピーク領域 ２００ チャート ２０２ 縦軸 ２０４ 横軸 ２０６ ピーク ２１６ チャート ２１８ 縦軸 ２２０ 横軸 ２２２ 曲線 ２２６ 実施例構造 ２２８ 透明電極 ２３０ 多孔質シリコン層 ２３２ ブラッグ反射器組 ２３４ ＣａＦ2 ：Ｎｄ層 ２３６ ブラッグ反射器組 ２３８ 金属電極 ２４０ 半導体基板 ２４４ 透明電極 ２４８ 第２の金属電極 ２５０ 超格子構造 ２５２ 透明電極 ２５４ 超格子 ２５６ ＣａＦ2 ：Ｎｄ層 ２６０ 縦型構造 ２６２ 透明導体 ２６４ 金属導体 ２６６ 電圧源 ２６８ レーザー ２７０ １／４波長半導体 ２７２ ＣａＦ2 ：Ｎｄ層 ２７４ 水平構造 ２７６，２７８ 透明導体 ２８０ ＣａＦ2 ：Ｎｄ増幅媒質 ２９０，２９１ 実施例構造 ２９２ 透明電極 ２９４ ＺｎＳ層 ２９６ ＣａＦ2 ：希土類元素層 ２９８ 第２の透明電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/18

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ドープされた薄膜材料で作られた、シリ
    コンをベースとする微小レーザーであって：シリコンを
    含む半導体基板材料、 前記半導体基板材料の上に成長された少なくとも１つの
    膜層であって、前記膜層がポンピングされることによっ
    てスペクトルの放出を引き起こすのに十分な予め定めら
    れた量のドーパントを含む１つの膜層、 を含み、 前記膜層が前記放出スペクトルの波長の大きさのオーダ
    ー以内の厚さを有しており、 前記放出スペクトルが狭い線幅を有し、一般的に前記膜
    層の結晶形態に敏感でない、 微小レーザー。
  2. 【請求項２】 シリコンをベースとするドープされた薄
    膜層から狭い線幅を有するスペクトル放出を発生させる
    ための方法であって：前記薄膜層をシリコンを含む半導
    体基板材料と組み合わせること、 予め定められた量のドーパントを含む前記薄膜層をポン
    ピングして狭い線幅を有するスペクトル放出を引き起こ
    すことであって、前記薄膜層が前記スペクトル放出の波
    長の大きさのオーダー以内の厚さを有し、前記スペクト
    ル放出が一般的に前記薄膜層の結晶形態に敏感でないよ
    うな、ポンピング工程、 を含む方法。
JP5229206A 1992-09-15 1993-09-14 微小レーザー Pending JPH077200A (ja)

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