JPS60500112A - 半導体レ−ザｃｒｔタ−ゲツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体レーサＣＲＴターケット 本発明は半導体レーザに、細目的には電子ビームによってポンピングされたレー ザに関する。電子ビームによってポンピングされた半導体レーザには通常２つの 型がある。１つは電子ビームと光ビームの方向が互いに直交している横型レーザ であシ、他の１つは電子ビームと光ビームの方向が互いに平行している縦型レー ザである。

過去１５年にわたって、横型レーザを実現する多数の半導体結晶が作られて来て いる。レーザ波長は０．３２５μｍ〜３２μｍの範囲をカバーしている。１００ ワツトを越すピーク電力出力および２０％を越す電力変換効率も珍らしくない。

更に、幾つかの型の密閉されたＣＲＴ管が製造され、テストされている。（例え ばニー　エイ、アキモフ（ＹｕＡ、　Ａｋｉｍｏｖ　）　等のソビエト　ジャー ナル　オフ　クオンタムエレクトｏニクス（５ｏｖｉｅｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏ ｆ　ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　）　、第１０巻、第３号１頁３６ ８．　１９８０年を参照。）その中にブイ、　アイ、　コスロフスキ（Ｖ、■。

Ｋｏｚｌｏｖｓｋｉｉ　）等のソビエト　ジャーナル　オフ　クオンタム　エレ クトロニクス（５ｏｖｉｅｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃ ｔｒｏｎｌｃｓ　）　、ｍ　５巻、第７号２頁８６５．　１９７５年に示されて いるように（高速の）電子ビームを一つの方向に走査し、第２の方向に（低速の ）回転多角形光偏向を行うことによりＴＶ画像を投影す、ることか行なわれてい る。組成の変化する半導体結晶を横切って電子ビームを走査することにより連続 的に波長を同調させる方法が示唆され、テストされている。

横型レーザを作るよりずっと困難であるが、縦型の電子ビームによりボンピンク されたレーザは以下で議論するように実際的な観点からみてずっと魅力的である 。

最初の縦型レーザ、即ち縦型励起放射はエフ。シー。

バッフ（Ｎ、　Ｇ、　Ｂａ５ｏｖ　）　、　（ソビエト　フィシツクスートクラ ディ（５ｏｖｉｅｔ　Ｐｈｙ１！１ｃｓ−Ｄｏｋｌａｄｙ　）　、第１１巻、第 ６号。

頁５２２．　１９６６年）により観測された。バッフ（Ｂａ５ｏｖ　）等は加速 器を修正して１００μｍの厚さの研磨されたＧａＡｓのスライスに１５０ｋｅＶ の焦点のあったビームを当て、液体窒素の温度および室温において励起放射を観 測した。

同じ年の暮に、クブル、シイ−、タイト（Ｗ、　Ｃ，Ｔａ１ｔ　）等は５０　ｋ ｅＶの電子ビームを用いて液体窒素の温度で５０μｍの厚さのＣｄ５ｏ、３Ｓｅ ｏ、ヮ　から励起放射が行なわれるという論文をジャーナル　オフ　アプライド 　フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　） 　、第３８巻１頁３０３５、４９６７年に投稿した。それから２年以内にジェイ 、アール、パラカート（Ｊ、　Ｒ，Ｐａｃｋａｒｄ　）等は４５　ｋｅＶの電子 で室温において７μｍの厚さのＣｄＳがらの励起放射を観測した。（アイイーイ ーイー　ジャーナル　オフフオンタム　エレクトロニクス（Ｉ　ＥＥＥ　Ｊｏｕ ｒｎａｌ　ｏｆＱｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　）第ＱＥ−５巻、第 １号２頁４４．１９６９年。）　１９７０年にはエフ、エイチ、ニコル（Ｆ、　 Ｈ，Ｎ１ｃｏｌｌ　）はわずか２５　ｋｅＶのエネルギーの電子でポンピングさ れた５μｍの厚さのＣｄＳで室温におけるレーザ作用を観測した。（アプライド 　フィジックス　レターズ（Ａｐρｌ　ＩｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ 　）　、第１６巻、第１２号９頁５０１゜１９７０年。）背面のアルミニウム層 が熱加工され、バブルが形成されている特殊なケースにあっては（室温でレーザ 作用を行なわせるポンピング電子の閾値エネルギーは９　ｋｅＶまで下った。

以上のすべての例およびその後の実験の殆んどにおいて、ポンピング・エレクト ロンは数十から数百ナノ秒のパルス幅と極めて低いデユーティ・サイクルを有し ていた。しかし１９８０年ブイ、アイ、コズロフスキ（Ｖ、　Ｉ。

Ｋｏｚｌｏｖｓｋｉｉ　）等は約４０　μｍの厚さのＴｅをドープしたＧａＡＳ 　プレートでＣＷレレーを得ることが出来た。（ソビエト　テクニカル　フィジ ックス　レタース（５ｏｖｉｅｔＴｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｒｃｓ　Ｌｅｔ ｔｅｒｓ　）　、第６巻、第４号２頁１９８゜１９８０年。）半導体ターケラト は液体窒素温度に保持され、５０〜１００　ｋｅＶの電子でポンピングされた。

６μＡのビーム電流と直径数μｍのビーム・スポットを有する７　５　ｋｅＶの 電子を用いて１２ｍＷのＣＷ出力電力が観測された。その後幾つかの密閉管が製 造され、テストされたが、その内つあるものは数百あるいは数千時間も動作を継 続した。これに関しては例えばブイ、アイ、グリゴレフ（Ｖ、　１．　Ｇｒｉｇ ｏｒ’ｅｖ　）等のソビエトシャーナ／Ｉ、オフ　クオンタムエレクトｏニクス （５ｏｖｉｅｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＱｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ　）　、第１０巻、第３号２頁２７９゜１９８０年を参照されたい。

これら研究者の努力の結果が幾つかの米国特許となっている。即ち、エヌ、ジー 、バッフ（Ｎ、’　Ｇ、　Ｂａ５ｏｖ　）等の米国特許第３，５５８，９５６号 （１９７１年）：ディー、エイ、キャンプベル（Ｄ、んＣａｍｐｂｅｌｌ　）　 等の米国特許第３，５０５゜６１３号（１９６６年）：ディー、エイ、キャンプ ベル（Ｄ。

Ａ、　Ｃａｒｎｐｂｅｌｌ　）　等の米国特許第３，７１５，１６２号＜　１９ ７３年）；ダブル、シー、タイト（Ｗ、　Ｃ，Ｔａ１ｔ　）等の米国特許第３． ７４７，０１８号（１９７３年）；　ジエイ、アール、パラカート（Ｊ、　Ｒ， Ｐａｃｋａｒｄ　）等の米国特許第３，７５７，２５０号（１９７３年）；ダブ ル、エイチ、ストレーロー（Ｗ、　Ｈ，Ｓｔｒｅｈｌｏｗ　）等の米国特許第３ ，８３６，２２４号（１９７４年）；およびジエイ、アール、パラカード（Ｊ、 　Ｒ，Ｐａｃｋａｒｄ　）等の米国特許第３，８６４，６４５号（１９７５年） である。

前述の電子ビームによってポンピングされた縦型レーザのいずれにあってもター ケラトは殆んどの場合バルクから切り出され、両面を研磨されて薄い滑らかなウ ェーハとされた単結晶である。しかしこの構造は幾つかの欠点を石している。即 ち光学的に損失のあるポンピングされない領域があること、過剰キャリアの閉じ 込めが出来ないこと、非放射性の表面再結合があることなどである。

従来から研究者は活性領域の非励起部分における吸収損失の問題に気付いていた 。タイト（Ｔａ１ｔ　）　等２よびパラカート（Ｐａｃｋａｒｄ　）　等は第■ −■属し−サの成功は非励起領域における吸収損失が小さいフォノンの援助によ る遷移に起因するものとしていた。他方バッフ（Ｂａｓｏｖ）等はその米国特許 第３，５５８，９５６号で次のように述べている。即ち、 「フィルムの活性領域を電子ビームの貫通する深さまで加熱することによりある いは、不平衡キャリアと格子分極間のクーロン相互作用または不平衡キャリアと フォノンの相互作用によシ、誘起される放射の波長は固有吸収の限界よりも犬と なる。従ってフィルムの非励起領域は発生された放射に対して透明であり、半導 体中への電子の貫通の深さがフィルムの厚さより浅くとも共振器には有意な損失 を与えない。」 しかし、文献で報告されている実際の閾値電流密度と非励起領域中の吸収が小さ いときに予期される電流密度の間の隔りは前述の効果をすべて組合わせても効率 の良い動作をさせるには十分でない。換言すると、殆んどの場合における閾値は （少くとも１部分は）空洞の非励起部分中における大きな吸収損失により不必要 に高い。例えば４　Ｑ　ｋｅＶの電子で励起されたＧａＡｓ　ターゲットは以下 の条件の下では約２０　Ａ／ｃ＋＋！　の電流密度で室温において闇値に達する 。その条件とはキャリアの生存時間ｉ　ｎｓ。

１対の発生に５ｅＶ（約２９％の内部エネルギー変換効率）、５μｍの貫通の深 さ、そして１５％の全体としての損失である。これらの条件の下で、過剰キャリ ア密度は２　Ｘ　１０”　ｃｍ　−３であシ、（計算された）利得係数は３２０ ｃｍ−’である。これは前出のコスロフスキ（Ｋｏｚ　ｌ　ｏｖｓｋｉ　ｉ　） 等がサンプルを８０°Ｋに冷し、電子のエネルギーを７５ｋｅＶとし、出力ミラ ーの透過率を１％として、約２５Ａ／Ｃ肩の閾値電流密度を有する電子ビームＣ Ｗ　ＧａＡｓ　レーザを報告しているのと対照的である。同様に、前出のパラカ ート（Ｐａｃｋａｒｄ　）　等は２２０　Ａ／ｃ４　の電流密度に相応する約２ ５μｍの直径のスポットに焦点が合わされた４　５−５０　ｋｅＶの電子１　ｍ Ａで室温のＣｄＳターゲットをポンピングしている。

ここで半導体にあっては、最大利得が生じる波長ｔｒｉ過剰キャリア密度の関数 であり、キャリア密度が増すと短波長側にシフトされることに注意されたい。し かし、空洞の非励起部分における吸収により、レーザは最大利得が生じる波長領 域以外の波長領域で動作させられる。もちろんこの事実は閾値の増加および効率 の減少により明らかとなる。

従来技術の縦型レーザにおけるキャリア閉じ込め能力の欠如に関しては、利得係 数が（少数）キャリア密度の極めて急峻な関数であることに着目する。例えばＧ ａＡｓは室温において１ｘ１０１８　キャリア／−３に対する利得係数は１０　 ｃｍ−’であるのに対し、２　Ｘ　１０１ｓキヤリア／Ｃｌｎ”に対しては利得 係数は３２０ｔｙｎ−’である。このようにして、キャリアのポンピングされて いない領域中へのキャリアの拡散は空洞中の活性領域の長さを増加させるが、こ の拡散はまた全体としての利得を大幅に減少させる。

従来技術の縦型レーザの第３の欠点は特に低い加速電圧においての半導体表面に おける非放射性再結合である。

これに関しては例えばエイ、ニス、ナジポフ（Ａ、　Ｓ。

Ｎａ５ｉｂｏｖ　）　等のソビエト　ジャーナル　オフ　クオンタム　エレクト ロニクス（５ｏｖｉｅｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｅｓ　）　＋第４巻、第３号２頁２９６．　１９７４年を参照されたい 。光でなく熱を発生させるこの型の損失は閾値を大幅に増加させ、レーザ作用を 完全に阻害することもある。

本発明の１つの特徴に従う電子ビームによシポンピングされた縦型半導体レーザ は活性層のポンピングされていない部分における光吸収の問題をはｔｑ解決し、 キャリアを閉じ込めて利得を増加させ、非放射性表面再結合を減少させる。図示 の実施例ではこれらの目標は活性層と電子ビームが入射する第１の金属層の間に 薄い半導体のバッファ層を介在させ、電子のエネルギー吸収のピークが活性層内 に入るようにバッファ層と活性層の厚さと電子ビームのエネルギーを調整し、少 数キャリアを活性層に限定するために活性層を一方が薄いバッファ層である１対 の広いハントキャップを有する半導体層と境を接させることにより実現される。

空洞長調整層と呼ばれる第２の広いハントキャップ層はバッファ層と活性層を一 緒にした厚さよシずつと厚く、それによって比較的長い空洞が提供されている。

このようにして空洞の長さは回折損失および空間コヒーレンスを制御するために 調整することが出来る。この場合、空洞共振器はバッファ層上の第１の金属層お よび空洞長調整層上の第２の金属層によって規定される。

従って、我々はターゲットが例えばｕ、　ｂμｍの厚さのル。、３６　Ｇａ０． ６４　ＡＳ　バッファ層によって電子ビーム源から分離され、他方の側において １３μｍの厚ざの”０．３６　ＧａＯ，６４Ａｓ　空洞長調整層と境を接してい るＧａＡｓ活性層を含む閾値の低い、室温でパルス動作するＣＲＴを実現するこ とが出来た。電子ビームは層に垂直に入射し、光ビーム（λ−０，８８μｍ）の 方向は電子ビームと平行であり、従って走査可能である。電子ビームのエネルギ ーは３４　ｋｅＶ。

スポットの大きさは１３０μｍであり、閾値電流密度はわずか５　Ａ／ｃ４　の オーダである。

本発明およびその種々の特長ならびに利点は付図と関連した以下の更に詳細な記 述により容易に理解されよう。

第１図は本発明の一実施例に従うＣＲＴ半導体レーザの概念図、 第２図は第１図のターゲットの一部分の拡大図、第３図は電子のエネルギーＥが どのようにして第２図のターゲットに吸収されるかを示す図、第４図は第２図に 示す型のＧａＡｓ／、４／ＧａＡｓレーサの室温における放射スペクトラムを示 す図であって（ａ）は閾値の少し下のスペクトラムを、（ｂ）は閾値の少し上の スペクトラムを、＜Ｃ）ｔａレレー光ヒビーの角度発散を示し、第５図は第２図 のレーザの２つの縦方向モートの高分９ 解能スペクトラムを示す。

ここで種々のスペクトラムのピークは空間モートに対応している。

第１図を参照すると、一端にマウントされたターゲット（１２）と他端の近傍に 位置する電子銃（１４）を有する真空管（１０）よシ成る本発明の一実施例に従 うＣＲＴレーザが示されている。図では磁気的装置として示されている電子ビー ムの焦点をあわせおよび偏向を行なわせる手段（１６）Ｕ電子ビーム（１１）の 焦点をあわせ、ターゲット（１２）を横切って走査するよう電子銃（１４）の近 傍において管を取り囲んでいる。高電圧供給源（１８）によって高電圧に保持さ れているターゲット（１２）は管（１０）の端を密閉している透明な基板（２０ ）と、基板（２０）の内側表面にマウントされている半導体構体（２２）よシ成 っている。半導体構体（２２）は励起放射を持続する通常のＦａｂｒｙ　−Ｐｅ ｒｏｔ型の空洞共振器を形成する手段を含んでいる。図において、空洞共振器は 第２図と関連して以下で更に詳細に述べる１対の金属層（２４）および（２６） により形成されている。

動作状態にあっては、ターゲットに加えられる高い正の電圧により電子ビームは 半導体に引き付けられ、吸収され、そこで電子・正孔の対を発生する。電子と正 孔が放射再結合するとき、光が放射され、それによって共振器で励起放射が生じ て光ビーム（１３）が発生され、該元ビームはターゲットの表面に垂直な方向に 放出される。

電子ビームはターゲットの内側表面に対して約９０°の角度を成しているので、 元ビームと電子ビームは実質的に平行（これは縦型レーザにおいて通常の仮定で ある）であると考えられる。光ビーム（１３）は電子ビーム（１１）を走査する ことにより走査される。

本発明の好ましき実施例に従い、第２図に示すターゲットは透明基板（２０）、 半導体構体（２２）および空洞共振器のミラー（鏡）を形成するよう構体（２２ ）の両表面に設けられた金属層（２４）および（２６）を含んでいる。金属層（ ２４）は元の波長においては極めて良く反射するように作られている。電子ビー ム（１１）は層（２４）に直接入射し、該層（２４）Ｉ′ｉ一様な電位表面を形 成し、正確な電子ビーム着地エネルギーを形成する役目を果す。このようにして 、層（２４）は高電圧源（１８）、（電子銃１４の）陰極、電子ビーム（１１） および陽極（ターゲット１２）より成る電気回路の一部を構成している。他方、 半導体構体（２２）と透明基板（２０）の間に位置する金属層（２６）は元ビー ム（１３）が外に出て行くことを許容するよう部分的透過性を有している。この 出力ミラーは電気的機能は有していないので多層誘電体で出来ていても良い。

半導体構体（２２）は比較的狭いバンドキャップをＭする活性層（２２，１）　 と薄くて広いバンドギャップをｉするバッファ層（２２，２）（この層は活性層 ２２．１と格子整合しており、活性層を金属層２４と分離する役目を有している ）を含んでいる。金属層（２４）、バッファ層（２２，２）　および活性層（２ ２，１）　の厚さは電子エネルギー吸収のピークが第３図に示すように活性層（ ２２，１１で生じるよう電子ビームのエネルギーと相応するように選ばれる。例 えば３４　ｋｅＶの電子ビーム・エネルギーの場合、金属層（２４）の厚さは７ ００人、バッファ層（２２，２）の厚さは０．５〜１゜θμｍ１活性層（２２， １）　の厚さは１．８〜３．０μｍが適当である。従って活性層とバッファ層の 厚さの比は約６＝１〜１．８：１の幅を有していることになる。

活性層（２２，１）　の他方の側には第２の格子整合した、広いバンドキャップ を有する層（２２，３）　が存在し、該層（２２，３１は回折損失および空間コ ヒーレンスを制御するために空洞共振器の長さを調整する役目をＭしている。基 本モートα。−０，３３Ｎ−１−５に対する単一通過回折損失はａ２ｎ／λして 与えられるＦｒｅｓｎｅｌ　数Ｎで定義される。ここでａは電子ビームの半径、 ｎｉ半導体構体の屈折率、λは光の波長、Ｌは共振器の長さく即ちミラー２４と ２６の間の構体２２の厚さ）である。空洞長を調整する層（２２，３）　はバッ ファ層（２２，２）　と活性層（２２，１）　を−緒にしたものよりもずっと厚 く、従ってＬｆｌ比較的犬となる。所定の電子ビームの半径との間でトレード・ オフが生じることになる。他方、大きなＬＨ小さなＮ（〜１）と大きな回折損失 を意味し、回折損失が大であるとモード間の損失差が犬となる。この効果は基本 モード動作を達成するのに有用であり、従って出力ミラーに最小の大きさの元ス ポットを得るのに有用である。他方、小さなＬは大きなＮ（８〜１０）および空 洞中における不可避な損失（〜５％）（例えばミラー損失、吸収損失、および散 乱損失）に比べて小さな回折損失（〜１％）を意味する。しかし電子ビームの直 径および空洞長調整層（２２，３）　の長さはレーザ発振を最小の回折損失を与 えるＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ　共振器の最低次（基本）モードに制限するように 作られている。

ここで電子ビームの外側の活性層の部分は光学的に損失が大であり、アパーチャ 効果を使用して高次モートを抑圧し、基本モード動作を保証することが出来るこ とに注意されたい。即ちアパーチャ効果による単一通過損失は小さなＮに対して は犬であり、従って大きなモード直径を有するより高次のモートが弁別される。

空洞長調整層（２２，３）　は捷たターゲットの構造的完全性を提供し、ターゲ ットの取扱い、処理およびマウントを容易にする。ターゲット（２２）を形成す る半導体の熱伝導は通常十分大であり、層＜　２２．３　）　の厚さはこれによ って制限されることはない。

夫々のバッファおよび空洞長調整機能に加えて、層（２２，２）　および（２２ ，３）　はその広いパントキャップによりキャリアを活性層（２２，１）　に限 定し、それによって光学利得を増加させる役割を果す。ここで構体（２２）は単 一の電導型を有しており、軽くドープされている。即ちｐ−ｎ接合の存在はキャ リアを活性領域からドリフト・アウトさせ、トープ・レベルが大であると層（２ ２，２）　および（２２，３）　における自由キャリアの不必要な吸収が生じる 可能性がある。（ドープ・レヘルが犬でなければ層２２．２および２２．３はバ ンドギャップが犬であるのでトランスペアレントである。）例えば、約０．８０ 〜０．８８μｍ　で動作させるためには、半導体構体（２２）はＡｔｘＧａｌ、 、−ｘＡｓＡｓバラフッ、Ａｔ、Ｇ。

１−ｙ　Ａ　ｓ活性層と、ＡＺｚＧａニー２Ａｓ空洞長調整層（但しここでｙ＜ Ｘ、ｚ）より成る。パラメータｙは動作波長を決定する。例えばｙ＝Ｑの場合に はλ＝０．８８μｍであり、ｙ＝０．０８の場合にはλ＝０．８２μｍであるが 、ｙおよび２は典型例でＨｏ、３５である。約１．０〜１．６μｍの光学波長で 動作させるためには、活性層は典型例ではＩｎＰ　／＜ツファおよび空洞長調整 層に格子整合したＩｎＧａＡｓＰを含んでいる。

これら物質を使用したＣＲＴレーザの更に詳細な記述を以下に与える。しかしこ の例では物質、大きさおよび他の動作パラメータは明記しない限シ説明のためだ けに与えたものであって本発明の範囲を制限するものではない。

この例では、管（１０）は外径４．８　ｃｍのガラスで出来てお９、ターゲット （１２）は約５　Ｘ　１０”　ｃｍ−３８ｎをトープした０、５μｍの厚さのｎ 　ＡＩ０．３６　Ｇ　ａ　０．６４　Ａ　Ｓバッファ層（２２，２）　と、約５ 　Ｘ　１０１７ｃｎ１−３３ｎをトープした３０μｍの厚さのｎ　−ＧａＡｓ活 性層（２２，１）と、　約５×１０１６ｃｍ−３８ｎ　をドープした１　３　μ ｍの厚さのｎ　ＡＩ　０．３６Ｇａ　ｏ、６４　Ａ　ｓ空洞長調整層（２２，３ ）　よシ成っている。このように、活性層はバッファ層より６倍厚く、空洞長調 整層はバッファ層と活性層を一緒にしたものより約４倍厚い。

ミラー（２４）９よび（２６）は夫々約７０〇八および５０〇への厚さの金の層 より成る。ミラー（２４）は０．８５μｍの光ビーム彼長において約９７％の反 射率を有するのに対し、出力ミラー（２６）は約９６％の反射率と１弼の透過率 を有している。改良された装置では、ミラー（２６）は誘電体層のスタックより 成っており、それによって吸収損失が無く、他の内部損失の総計と対比し得る透 過率を有するミラーが提供されている。一般に透明物質である基板（２０）　ｕ 　Ｏ，３２ｃｒｎの厚さのサファイア・ディスクである。

ターゲット（１２）は次のようにして製造された。即ち（１００）方位を有する ｎ　Ｇ　ａＡ　ｓ基板（図示せず）を市販品として入手した。標準的な液相エピ タキシー（ＬＰＥ）技法を用いてまず最初にバッファ層を、そして空洞長調整層 を最後にして基板上にエピタキシャル状に３つの層（２２，２）、（２２，１） および（２２，３）を生長させた。次に部分的透過性の金のミラー（２６）が空 洞長調整層（２２，３）　の上に沈積され、次いでウェハがミラー（２６）を下 側にしてサファイア・ディスク（２０）上にエポクシされる。ＧａＡｓ　基板は 次にＨ２Ｏ２：ＮＨ４ＯＨエチャントを使用して選択的にエツチングされる。こ のときＭＧ　ａＡＳバッファ層（２２，２）　はエツチング阻止層として作用す る。バッファ層（２２，２）　上への金のミラー（２４）の沈積に続いてターゲ ットが管（１０）の端にあるとりはずし可能なチャンバ中にマウントされる。こ のようにして、金のミラー（２４）は電子ビーム（１１）と対面することになる 。管（１０）は約１Ｏ−７Ｔｏｒｒに真空化される。

動作状態にあっては、電圧源（１８）はターゲット（１２）に約３４ｋＶを供給 するのに使用され、市販の電子銃（１４）によって発生された７００μＡの電子 ビーム（１１）は活性層（２２，１）を励起するのに使用される。電子ビームは パルス幅１００〜４００ｎｓｅｃを有し１０００〜１０，０００Ｈｚの繰返し速 度を有するパルス状を成している。陰極電流は閾値において約７００μＡであり 、ターゲット上のビーム・スポットの大きさは５　ＡＩｃｒｌのビーム電流密度 に相応する約１３０μｍである。

閾値の少し下および少し上の放射スペクトラムが第４（ａ）図および第４（ｂ） 図に夫々示されているが、これはレージングされたときに約０８８８μｍの波長 を有する光ビーム（１３）に相応している。ビーム電流密度を増すに従って光ビ ーム電力の急峻な増加が観測された。第４（Ｃ）図に示す元ビームの角度発散は 約１４°である。第５図はＦａｂｒｙＰｅｒｏｔ　共振器の２つの縦型モートに 中心を有する高分解能スペクトラムを示している。このような出力電力対波長の 出力曲線はＬｏｒｅｎｔｚ　プロフィ−２しを有する２つの滑らかな曲線を与え ることが期待できる。この構造は特殊な幾何学的形状による極めて大きなＦｒｅ ｓｎｅｌ　数により生じる軸からはずれた（　ｏｆｆ−ａｘｉｓ　）　Ｆａｂｒ ｙ−Ｐｅｒｏｔモートの存在に起因する。Ｆｒｅｓｎｅｌ　数を下げるためによ り小さなビーム直径を使用すると、基本モート動作をするようになるものと予想 される。このモート選択は電子ビームによりポンピングされた領域外の活性層の 損失により補強されよう。損失はモード選択アパーチャとして作用し得る。

この実験においては、ピーク出力電力は約５　ｍＷであった。２４Ｗの電子ビー ムの場合、これは総合電力変換効率が２．５Ｘ１０−’　であることを示す。定 常ビームを何時間にもわたって動作させたにも拘らず劣化の徴候は認められなか った。従って、ビームの直径は大きな危険を犯すことなく減少（例えば２５μｍ ）させ得るものと考えられる。この方法によって、あるいは金属出力ミラー（２ ６）の代シに多層誘電体ミラーを使用することにより空洞内損失を減少させるこ とによって電子ビームの電流密度を増加させると電力および効率は大幅に増加し 、それに付随してビームの発散は減少することになる。例えばこのような誘電体 出力ミラーと、５０〜１３０μｍのスポットと、１８Ｗの入力電力を使用した他 の実現において、我々は１５　ｍＷの光ビーム電力を観測したが、これは８．４ Ｘ１０−’　の効率に相当する。

例■で述べたのと同一物質および組成を使用して、類似してはいるが幾分厚いバ ッファ層（２２゜２）と幾分薄い活性層（２２，１＞　を有するターゲット（１ ２）を用意した。（即ちバッファ層２２，２は０．７μｍの厚さを、活性層は１ ．８μｍの厚さを、そして空洞長調整層２２．３は１３μｍの厚さを有している 。）このように活性層はバッファ層の約２．５倍の厚さを有し、空洞長調整層は バッファ層と活性層を一緒にしたものより約５倍厚い。しかし一般に空洞長調整 層はバッファ層と活性層を一緒にしたものより例えば約５〜１５倍厚いのが普通 である。

動作状態にあっては、篭城（１８）は３６　ｋＶをターゲット（１２）に加える 。ビーム・スポットの大きさは９０μｍであシ、ビーム電流は３００μＡである 。再び５Ａ／ｃａ　の電流密度に閾値を有するレーザ作用が観測されたが、この 場合の角度発散はＦｒｅｓｎｅｌ　数の減少に応じてより小さくなっている。

前述の装置は本発明の原理を応用した多数の可能な特定の実施例の内の数例にす き゛ないことを理解されたい。

本発明の精神および範囲を逸脱することなく当業者にあっては本原理に従って多 数の他の装置を考案することが出来る。詳細に述べると、本発明をＧａＡｓ／＃ ＧａＡｓ物質を使用した場合を例にとって説明して来たが、当業者にあってはＩ 　ｎＰ／　Ｉ　ｎＧａＡｓＰ　の如き第■−ｖ属混合物、および第１［−Ｖｌ属 混合物などの他の格子整合した物質が適していることは明らかである。更に、エ ピタキシャル成長に使用される半導体基板が光ビーム波長において透明（例えば ＩｎＰは１０〜１．６μｍにおいて透明）な場合には、構体（２２）を成長させ た後で該半導体基板を取り去らなくてもよい。むしろ透明半導体基板を管（１０ ）上にマウントしても良いが、エピタキシャル成長の順序は逆となる。即ちバッ ファおよび活性層を基板上に成長させ、基板の底部を薄く研磨した後、ミラー（ ２６）が研磨された表面に形成される。（この場合基板の厚さを調整することに より空洞長が調整される。） 浄書（内容を二度更なし） ＦＩＧ、　／ ＦＩＧ、　５ 手続補正書 昭和５９年　９月２７日 特許庁宛志賀　学　殿 ｌ　事件の表示昭和　年　願第　号 半導体し−ザＣＲＴターゲット ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 ５　補正の対象　「図面の翻訳文」 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　走査可能な半導体レーザにおいて、該レーザは；半導体ターゲットと、 電子ビーム源と、 該電子ビームを前記ターゲットを横切って走査し、そこから該電子ビームの方向 と同じ方向に走査レーザ光ビームを発生する手段を含み、 前記ターゲットは： 前記元ビームの光波長における空洞共振器を形成する少くとも１方は金属である １対のミラーを含み、前記走査手段は前記電子ビームを前記金属ミラーに入射さ せ、前記ミラーの間に同じ電導型の複数個のエピタキシャル格子整合層を含み、 該複数個の層は前記一方のミラーの近傍の比較的薄い、広いハントキャップを有 するハツラア層と；前記他方のミラーの近傍のより厚い、広いバンドキャップを 有する空洞長調整層と；前記バッファ層と前記空洞長調整層の間のより狭いハン トキャップを有する活性層を含んでおり、 前記電子ビームのエネルギーと前記バッファ層および前記活性層の厚さは電子エ ネルギーの吸収のピークが前記活性層内に入るように作られていることを特徴と する走査可能な半導体レーザ。 ２、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、該レーザは真空管を含み、前記電 子ビーム源は前記管の一端に設けられており、前記ターゲットは前記管の他端に 設けられており、前記ターゲットは前記ミラーの他方が固定されている透明基板 を含み、前記基板は前記管の前記他方の端に密着されていることを特徴とする半 導体レーザ。 ３、請求の範囲第２項記載のレーザにおいて、前記基板はサファイア・ディスク より成ることを特徴とする半導体レーザ。 ４、請求の範囲第１，２または３項記載のレーザにおいて、前記バッファ層は＃ ｘＧａ□−ｘ　Ａｓ　、ｌ：　’）成り、前記活性層はＡｌ　ｙＧａ　１−ｙ　 Ａｓより成り、前記空洞長調整層はＡｌｚＧａニー２Ａｓ　（但しｙ（ｘ、ｚ） よシ成ることを特徴とする半導体レーザ。 ５、請求の範囲第４項記載のレーザにおいて、前記レーザ（はｎ型電導性を有す ることを特徴とする半導体レーザ。 ６、請求の範囲第４項記載のレーザにおいて、前記レーザは軽くトープされてい ることを特徴とする半導体レーザ。 ７、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、前記バッファおよび空洞長調整層 はＩｎＰより成り、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰより成ることを特徴とする半導 体レーザ。 ８、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、前記空洞長脚整層の厚さおよび前 記電子ビームの直径はレーザ発振を前記共振器の最低次モートに制限するよう作 られていることを特徴とする半導体レーザ。 ９、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、前記活２１ 性層の厚さと前記バッファ層の厚さの比は約１．８：１〜６：１の範囲にあるこ とを特徴とする半導体レーザ。 １０、請求の範囲第９項記載のレーザにおいて、前記空洞長調整層は前記活性層 とバッファ層を一緒にしたものより少くとも約５〜１５倍の厚さであることを特 徴とする半導体レーザ。 １１、請求の範囲第９項記載のレーザにおいて、前記活性層は約１．８〜３．０ μｍの厚さであることを特徴とする半導体レーザ。 １２、走査可能な半導体レーザにおいて、該レーザは；真空管と、 と、 前記管の他端に位置するターゲットとを含み、前記電子ビームは前記ターゲット に入射し、それによって前記電子ビームの方向に平行な光ビームを発生させ、前 記ターゲットはｙ（ｘ、ｚとして； 前記管の前記他端に密着された透明基板と、前記基板上の部分的に透明な第１の ミラーと、該第１のミラーに隣接した比較的厚いＡｌｚＧａニー２Ａｓ空洞長調 整層と、 前記空洞長調整層に隣接したより薄いＡｌｙＧａｌ−ｙＡｓ活性層と、 前記活性層に隣接した更に薄い４１ｘＧａ□−ｘＡｓＡｓバフフッ、 前記バッファ層上の金属層を含む反射率の高い第２のミラーを含み、該ミラーは その間に空洞共振器を形成し、前記金属層に前記電子ビーム源と比べて正なる電 圧を印加する手段を含み、 前記電子ビームは前記第２の金属層上に焦点を合わせて入射し、電子は前記バッ ファ層を通して前記活性層に貫通し、それによって前記活性領域から前記基板を 通して前記電子ビームと同じ方向に放出される前記光ビームを発生し、 前記バッファおよび活性層の厚さくは電子ビーム・エネルギー吸収のピークが前 記活性層で生じるように作られており、 前記空洞長調整層の厚さはレーザ発振を前記共振器の最低次モードに制限するよ う前記電子ビームの直径と関係づけられていることを特徴とする走査可能な半導 体レーザ。 １３請求の範囲第１２項記載のレーザにおいて、前記活性層の厚さと前記バッフ ァ層の厚さの比は約１．８：１〜６：１の範囲にあることを特徴とする半導体レ ーザ。 １４、請求の範囲第１３項記載のレーザにおいて、前記調整層は前記活性層と前 記バッファ層を一緒にしたもの声り５〜１５倍厚いことを特徴とする半導体レー ザ。 −１５，請求の範囲第１３項記載のレーザにおいて、前記活性層は約１．８〜３ ６０μｍの厚さであることを特徴とする半導体レーザ。 １６、元ビームが電子ビームに平行に発生される電子ビームによってポンピング される半導体レーザで使用されるターゲットであって、該ターゲットは、前記光 ビームの波長における空洞共振器を形成する少くとも一方は金属層を含む一対の ミラーを含み、前記電子ビームは前記金属層に入射し、前記ミラー間の同じ電導 性の型の複数個のエピタキシャル格子整合層を含み、該複数個の層は：前記一方 のミラーに隣接した比較的薄い広いバンドギャップを有するバッファ層と；前記 池方のミラーに隣接したよシ薄い広いバンドキャップを有する空洞長調整層と； 前記バッファ層と前記空洞長調整層の間のより狭いパントキャップを有する活性 層を含んでおり、 前記バッファ層と前記活性層の厚さは電子エネルギー吸収のピークが前記活性層 内に入るように作られていることを特徴とするターゲット。 １７、電子ビームによシポンピングされる半導体レーザ用のターゲットを製造す る方法であって、該方法は：単結晶半導体ボディを提供し、該ボディ上に複数個 の層をエピタキシャル成長させ、該複数個の層はボディ上の比較的広いパントキ ャップを有する半導体の薄いバッファ層と；該バッファ層上のよシ薄く、よシ狭 いバンドギャップを有する活性層と：該活性層上のずっと薄く、より広いパント キャップを有する空洞長調整層を含んでおり、 レーザの光波長において部分的に透過性を有する第１のミラーを空洞長調整層上 に形成し、 該第１のミラーに透明基板を固定し、 バッファ層を露呈するために単結晶基板を取除き、バッファ層上に光波長におい て反射率の高い金属層を含む第２のミラーを形成する階程を含むことを特徴とす る電子ビームによりボンピンクされる半導体レーザ用のターゲットを製造する方 法。 １８、請求の範囲第１７項記載の方法において、前記ボディはＧａＡｓ　より成 り、前記成長過程はＡｌＸＧａ□−ｘ　Ａ　ｓバフフッ層、Ａｌｙ　Ｇａ　ｌ− ｙ　Ａｓ活性層、およびＡｌｚ　Ｇａ　ニー７Ａｓ調整層をエピタキシャル成長 させることを含み、ｙ（ｘ、ｚであって、前記層の各々は同じ電導性の型を有す ることを特徴とするターゲットの製造方法。 １９　請求の範囲第１８項記載の方法において、前記基板はサファイアであるこ とを特徴とするターゲットの製造方法。 １