(57)【要約】  層状第１ミラー（１２）を備える第１構成部品（１０）を用意する工程と、層状活性領域（２２）を備える第２構成部品（２０）を用意する工程と、第２構成部品を第１構成部品に永久的に連結して一体型ユニットを形成する工程と、活性領域を含む光共振器を形成するように第２ミラー（３２）を配置する工程とにより、ＶＥＣＳＥＬ型面発光半導体レーザー装置を製造する。この製造方法は、伝統的なモノリシックエピタキシー法と比較して、低コストでの製造を可能にし、ミラーおよび活性領域ならびに上に第１ミラーおよび活性領域を配置する基板の材料の選択に大きな柔軟性をもたらす。好ましくは、レーザー装置は、電磁スペクトルの中赤外領域で発光するＩＶ〜ＶＩ族型ＶＥＣＳＥＬである。
2013522920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのミラー層を有する第１ミラー（１２）を備える予め製作された第１構成部品（１０）を用意する工程と；
半導体材料から作られた少なくとも１つの活性層を有する活性領域（２２）を備える予め製作された第２構成部品（２０）を用意する工程と；
前記第２構成部品（２０）を前記第１構成部品（１０）に連結して一体型ユニットを形成する工程と；
前記活性領域（２２）が光共振器の内側に位置するように、前記第１ミラー（１２）と共に前記光共振器を形成する第２ミラー（３２）を用意して、面発光半導体レーザー装置を得る工程と；
を含む、面発光半導体レーザー装置を製造する方法。
【請求項２】
押圧により、またはウエハー接着法、特に液体毛管結合により、前記第２構成部品（２０）を前記第１構成部品（１０）に連結する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２構成部品（２０）が、上に前記活性領域（２２）が配置された第２基板（２１）を備え、前記活性領域（２２）が前記第１構成部品（１０）に向き合い、前記第２基板（２１）が前記第１構成部品（１０）から反対方向を向くような配向で、前記第２構成部品（２０）を前記第１構成部品（１０）に連結する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２構成部品（２０）を前記第１構成部品（１０）に連結した後、前記第２基板（２１）を少なくとも部分的に除去する工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２構成部品（２０）が、上に前記活性領域（２２）が配置された第２基板（２１）を備え、前記第２基板（２１）が前記第１構成部品（１０）に向き合い、前記活性領域（２２）が前記第１構成部品（１０）から反対方向を向くような配向で、前記第２構成部品（２０）を前記第１構成部品（１０）に連結する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記第１構成部品（１０）を用意する工程が、
第１補助基板上に少なくとも１つの前記ミラー層（１２）を堆積させる工程と；
前記第１補助基板から少なくとも１つの前記ミラー層（１２）を除去する工程と；
少なくとも１つの前記ミラー層（１２）を第１基板（１１）に連結して、前記第１構成部品（１０）を形成する工程と
を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２構成部品（２０）を用意する工程が、
第２補助基板上に少なくとも１つの前記活性層を堆積させる工程と；
前記第２補助基板から少なくとも１つの前記活性層を除去する工程と；
少なくとも１つの前記活性層を前記第２基板（２１）に連結して、前記第２構成部品（２０）を形成する工程と
を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つのミラー層を有する第１ミラー（１２）を備える予め製作された第１構成部品（１０）と；
半導体材料から作られた少なくとも１つの活性層を有する活性領域（２２）を備える第２構成部品（２０）と、ここで前記第２構成部品（２０）は別々に予め製作し前記第１構成部品（１０）に連結して一体型ユニットを形成する；
前記活性領域（２２）が光共振器の内側に位置するように、前記第１ミラー（１２）と共に前記光共振器を形成する第２ミラー（３２）と
を備える、面発光半導体レーザー装置。
【請求項９】
前記活性領域（２２）が、エピタキシャル成長半導体材料、特にＩＶ〜ＶＩ族半導体材料の少なくとも１つの活性層を備える、請求項８に記載の面発光半導体レーザー装置。
【請求項１０】
前記半導体材料が、組成Ｐｂ１−ｘＸｘＴｅ１−ｙ−ｗＳｅｙＳｗ（式中、Ｘは、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｅｕからなる群から選択され、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｗ≦１である）の材料である、請求項９に記載の面発光半導体レーザー装置。
【請求項１１】
前記活性領域（２２）が、前記活性領域（２２）の隣接領域より低いバンドギャップを有する複数の量子井戸を備える、請求項８から１０のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザー装置。
【請求項１２】
前記第１構成部品（１０）が、上に前記第１ミラー（１２）が配置された第１基板（１１）を備え、および／または前記第２構成部品が、上に前記活性領域（２２）が配置された第２基板（２１）を備え、かつ前記第１基板（１１）および第２基板（２１）の少なくとも一方が、ケイ素、ダイアモンド、炭化ケイ素およびＩＩａ族フッ化物からなる群から選択される単結晶材料からなる、請求項８から１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザー装置。
【請求項１３】
前記第１ミラー（１２）および第２ミラー（３２）の少なくとも一方が、隣接するミラー層間で実質的に交互になる屈折率を有する複数のミラー層を備えるブラッグミラーである、請求項８から１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザー装置。
【請求項１４】
前記第１ミラー（１２）および第２ミラー（３２）の少なくとも一方が、少なくとも１つの多結晶質または非晶質ミラー層を備える、請求項８から１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザー装置。
【請求項１５】
前記活性領域（２２）を光ポンピングするための面発光半導体レーザー装置の前記光共振器中に連結したポンプビーム（２）を提供するよう適合したポンプレーザー（４１）をさらに備える、請求項８から１４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのミラー層を有する第１ミラーと第１ミラーと共に光共振器を形成する第２ミラーとを備える面発光半導体レーザー装置に関する。半導体材料から作られる少なくとも１つの活性層を有する活性領域（利得媒体）は、光共振器の内側に位置する。特に、本発明は、いわゆる垂直外部共振器型面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）、特に電磁スペクトルの中赤外（中ＩＲ）領域の設計周波数を有するＶＥＣＳＥＬ、さらに特に鉛カルコゲナイドまたは関連するＩＶ〜ＶＩ族ナローギャップ半導体に基づく活性領域を有するＶＥＣＳＥＬに関する。本発明はさらに、このようなレーザーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中赤外半導体レーザーは、１９７０年代から知られている。典型的には、これらは、作動中に極低温で冷却される、電気的ポンピングエッジエミッタである。典型的な作動スペクトル能領域は、約２〜２０μｍの波長である。この領域を、以下では「中赤外領域」と呼ぶ。このようなレーザーは、典型的には、「ナローギャップ」半導体、すなわち、約０．２ｅＶ未満のバンドギャップを有する半導体により実現される。中赤外半導体レーザーの１つの主な用途は、分光学である。しかしながら、十分高い電力が入手可能であれば、このようなレーザーを他の用途、例えば、医療手術、材料加工、宇宙データ通信および軍事対策にも使用することができる。
【０００３】
レーザー材料として、種々の組成範囲のＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＳｒＴｅ、ＰｂＥｕＴｅ（Ｔｅは、完全にもしくは部分的にＳｅまたはＳにより置換されていてもよい）などのＩＶ〜ＶＩ族ナローギャップ半導体が適していることが分かった。このようなレーザーは、典型的には電気的にポンピングされ、極低温に冷却される。
【０００４】
最近、少なくとも２つのアプローチ：（ａ）Ｗ型エッジ発光レーザーおよび（ｂ）量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）により、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂまたはＩｎＳｂ系）も中赤外領域をカバーするのに使用されている。両型は、量子井戸を含む高度に複雑な構造を使用している。例として、ＱＣＬは、カスケードとしての数百までのモノリシック成長薄層を有するユニポーラデバイスである。これらは、１０００を超えるインターフェースを含む。これらの製作は、複雑で高価である。
【０００５】
（ａ）および（ｂ）の両型の最近の例は、室温および高（ワットレベル）電力でさえ作動することができる。しかしながら、両型は、一方向の非常に高い開き角（例えば、６０°）を有する極めて非対称の非点収差ビームを有する。これらのビーム品質は悪い。例えば、分光学的用途に適した有用な出力ビームを得るために、精巧な光学セットアップを使用しなければならない。例として、精巧に設計されたコリメーションシステムを有するＱＣＬのセットアップは、米国特許第７４６６７３４号に記載されている。
【０００６】
レーザーが表面に垂直な円形ビームを発光すれば、大きな利得が得られる。このような装置は、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）または時として半導体ディスクレーザーと呼ばれる。これらは、非常に優れたビーム品質を示す。これらは、モノリシックＩＩＩ〜Ｖ族型半導体レーザーにより実現され、波長約２．８μｍまで作動することができる。これらは、一般的に、例えばＧａＡｓ基板上のモノリシック構造として成層され、層配列は、最初にブラッグミラー、次いで１層もしくは複数の活性層の形態の活性領域（利得媒体）、引き続いて第２ブラッグミラーを形成する。これらの出力電力は、典型的にはｍＷの範囲である。モノリシックＩＶ〜ＶＩ族ナローギャップ半導体系中赤外ＶＣＳＥＬも記述されている。発光波長は、６μｍ超に及び、これらは典型的には冷却されるが、パルス操作で室温より上の温度まで作動することができる。例は、Ｔ．  Ｓｃｈｗａｒｚｌ、Ｇ．  Ｓｐｒｉｎｇｈｏｌｚ、Ｍ．  Ｂｏｂｅｒｌ、Ｅ．  Ｋａｕｆｍａｎｎ、Ｊ．  Ｒｏｉｔｈｅｒ、Ｗ．  Ｈｅｉｓｓ、Ｊ．  ＦｕｒｓｔおよびＨ．  Ｐａｓｃｈｅｒ、「Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ６．７  μｍ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  ＰｂＳｅ−ｂａｓｅｄ  ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  ｌａｓｅｒｓ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｕｐ  ｔｏ  １００Ｋ」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８６、０３１１０２  （２００５）に示されている。
【０００７】
垂直外部共振器型面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）により、はるかに高い出力電力を得ることができる。ＶＥＣＳＥＬは、典型的には円筒対称性を有する。これは、典型的には、上にモノリシック成長ブラッグミラーの形態の第１（底部）ミラーが配置された基板を備える。一般的には活性層積層体の形態の活性領域は、ブラッグミラー上に配置される。活性層積層体は量子井戸を含んでいてもよい。この部分の厚さは、一般的に数μｍしかなく、活性層は、典型的には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）または関連するエピタキシー成長技術により、底部ブラッグミラー上に直接成層される。レーザー共振器は、活性層積層体から一定距離に置かれ、湾曲していてもいなくてもよい外部第２ミラーにより完成する。第１または第２ミラーは、出力カプラとして働くことができる。活性層積層体と第２ミラーとの間の空間は、光励起のために励起ビームを活性層積層体と結合させる、および／または共振器内ガス分光分析用ガスセルもしくは周波数二倍器（レーザーが近赤外領域で作動する場合）のような他の要素を配置するために使用することができる。湾曲ミラーを使用する場合、モードは、共振器長および湾曲ミラーの曲率半径により決定され、厳密に規定できるので容易な規模設定性をもたらす。高電力デバイスには好ましくは光ポンピングが使用されるが、電気的ポンピングを使用することもできる。さらに高出力電力を得るために、通常、追加の反射鏡を備えたより精巧なセットアップが使用される。
【０００８】
２．８μｍまでの波長を発光するＶＥＣＳＥＬは、ＧａＳｂ系技術、すなわち、例えば、Ｎ．  Ｓｃｈｕｌｚ、Ｊ．  Ｍ．  Ｈｏｐｋｉｎｓ、Ｍ．  Ｒａｔｔｕｎｄｅ、Ｄ．  Ｂｕｒｎｓ、Ｊ．  Ｗａｇｎｅｒ、「Ｈｉｇｈ−ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｌｏｎｇ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｉｓｋ  ｌａｓｅｒｓ」、Ｌａｓｅｒ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ  ２、１６０  （２００８）に概説されるような、ＩＩＩ〜Ｖ族型半導体により実現されてきた。３μｍ超の波長を発光するＶＥＣＳＥＬはまた、Ｍ．  Ｒａｈｉｍ、Ｍ．  Ｆｉｌｌ、Ｆ．  Ｆｅｌｄｅｒ、Ｄ．  Ｃｈａｐｐｕｉｓ、Ｍ．  ＣｏｒｄａおよびＨ．  Ｚｏｇｇ、「Ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ＰｂＴｅ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  ｏｎ  Ｓｉ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｗｉｔｈ  ａｂｏｖｅ  １  Ｗ  ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ」、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．、９５、２４１１０７、２００９に開示されるような、ＩＶ〜ＶＩ族型ナローギャップ材料を使用して実証されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＶＥＣＳＥＬについて現在使用されている製造技術は、このようなレーザーの設計可能性を限定し、比較的高価である。本発明の目的は現在のＶＥＣＳＥＬよりも柔軟にかつコスト効率よく製造することができるＶＥＣＳＥＬ型のレーザーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１態様によると、
少なくとも１つのミラー層を有する第１ミラーを備える予め製作された第１構成部品を用意する工程と；
半導体材料から作られた少なくとも１つの活性層を有する活性領域を備える予め製作された第２構成部品を用意する工程と；
第２構成部品を第１構成部品に連結して一体型ユニットを形成する工程と；
活性領域が光共振器の内側に位置するように、第１ミラーと共に光共振器を形成する第２ミラーを用意して、面発光半導体レーザー装置を得る工程と
を含む、面発光レーザー装置を製造する方法が提供される。
【００１１】
換言すれば、本発明は、第１ミラーおよび装置の活性領域を別々に製作し、その後にのみ永久的に連結されるＶＥＣＳＥＬ型レーザー装置を製造する方法を提供する。対照的に、適切な作動を妨害するような界面効果の妨害なしに十分な界面品質を得るためには、異なる材料間の正確な格子整合が必要であると一般的に考えられえているので、従来技術では、活性層は、通常、同一の成長バッチにおいて第１ミラー（または逆もまた同じ）の上に直接成層される。さらに、効率的な熱除去のために十分高い熱伝導率を確保するために、これらの部品は、一緒にモノリシックに成長させなければならないと一般的に考えられている。本発明は、この偏見を乗り越え、これらの部品を別々に製造し、その後連結または接着することによって、モノリシック成長法によるレーザー装置の性能と同様な性能を達成できることを示している。
【００１２】
本発明の新規な製造法は、従来技術による方法に対して明確な利点を提供する。特に、単一のより複雑な構造を成長させる場合よりも、２つのより単純な構造を別々に成長させる場合に、はるかに高い製作収率が得られる。完成したレーザー装置の所望の規格（例えば、発光波長および／または出力電力）に応じて、それぞれ異なる規格のために別々の完成した構造を成長させるのではなく、予め製作した構成部品を自由自在に結合させて、所望の装置を得ることができる。特に、ブラッグミラーは、一般的に、極めて広帯域である、すなわち、かなりなスペクトル域にわたって必要とされる非常に高い反射率を示す。対照的に、活性領域（（利得媒体）は、一般的に、非常に限られたスペクトル窓においてのみ最適である。本発明の方法では、同一バッチで製作したブラッグミラーの小片（大きなウエハー上で成長させた）を、異なる設計の利得媒体と結合させることができる。これは製造をかなり容易にする。さらに、本発明は、全ての層を同一の単一基板上に成長させなければならない場合よりも、基板のより大きな選択の機会を提供する。特に、各構成部品の基板は、以下にさらに詳述するように、熱伝達、ビーム伝送等のような特定の態様のために最適化することができる。いくつかの実施形態では、第１ミラーは（第２ミラーも同様に）、エピタキシャルに成長させる必要はない。任意の多結晶質または非晶質材料を層として堆積させて、高反射ブラッグミラーを形成することができる。バッチ製作後、このような低コストミラーを活性領域に連結して、低コストレーザー装置を得ることができる。多結晶質または非晶質ミラー層の使用は、従来技術のＶＥＣＳＥＬ装置の底部ミラーでは不可能である。
【００１３】
第１および第２構成部品は、種々の異なる方法により原子レベルで永久的に連結または結合させることができる。特に単純な好ましい方法では、その後の焼鈍ありまたはなしで、第１および第２構成部品の表面間の接着剤がない状態で、第１および第２構成部品を単純に押圧する。押圧は、室温または室温付近で行うことができる、すなわち、高温は必要とされない。他の可能性には、ハンダ付け、あるいは液体毛管結合、高圧高温下でのウエハー接着もしくはウエハー融着技術を含む原子レベルでのファンデルワーススまたは共有結合相互作用を構築するウエハー接着を含む既知の方法が含まれる。このような技術は、当技術分野で周知である。特に、ウエハー接着またはウエハー融着技術は、Ｖ．  Ｄｒａｇｏｉ、「Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ：  Ｋｅｙ  Ｅｎａｂｌｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒｓ  （２００９年１２月）、１１〜１５頁に要約されている。液体毛管結合は、例えば、Ｃ．  Ｆ．  Ｊｅｒｅｚ−Ｈａｎｃｋｅｓら、「Ａ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｓｉ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  ｖｉａ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｃａｐｉｌｌａｒｉｔｙ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ７７  （２００２）、７５１〜７５４頁に記載されている。これらの文献は、別々に製作した構造、特に層状半導体構造を連結する方法を教示するために、全体を本願に引用して援用する。第２ミラーもまた、このように第２構成部品に連結させることができる。
【００１４】
第１および第２構成部品を直接連結してもよいし、または好適な距離要素を第１と第２構成部品との間に用意してもよい。例として、距離要素は、金属箔、または好適なポリマーから作られたプラスチック箔、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）箔とすることができる。このような箔の厚さは、かなりの程度で変えることができ、一般的には、例えば、１μｍ〜５００μｍの間、好ましくは１０μｍ〜２００μｍの間とすることができる。箔がレーザーの設計波長で光に透明でない場合、光が通過する穴を箔のその領域に用意することができる。他の実施形態では、距離要素は、任意の一般的に輪状の環状構造である。いくつかの実施形態では、距離要素は、第１ミラーと活性領域との間の距離を調整するための手段、例えば、圧電層を備えることができる。第１構成部品と第２構成部品との間の距離要素に加えて、またはこれの代わりに、同様に上記の距離要素を第２構成部品と第２ミラーとの間に用意することもできる。
【００１５】
第１構成部品は、第１ミラーが配置されている表面に第１基板を備える。同様に、第２構成部品は、活性領域が配置されている表面に第２基板を備える。異なる層配列をもたらすように、異なる配向で第２構成部品を第１構成部品に連結することができる。いくつかの実施形態では、活性領域が第１構成部品に向き合い、第２基板が第１構成部品から反対方向を向くような配向で、第２構成部品を第１構成部品に連結する。特に、活性領域を第１ミラーに隣接して配置し、第１ミラーと連結することができる。このような実施形態では、得られる最上層は第２基板である。次いで、その後、例えば、周知のリフトオフ技術により、第２基板を部分的にまたは完全に除去することができる。他の実施形態では、第２基板が第１構成部品、特に第１ミラーに向き合い、活性領域が第１構成部品から反対方向を向くような配向で、第２構成部品を第１構成部品に連結する。
【００１６】
第１ミラーは、第１基板上に直接堆積させる必要はないが、ある補助基板上にエピタキシャルに成長またはその他の方法で堆積させ、その後、例えば、エピタキシャルリフトオフ技術により第１基板に移すことができる。換言すれば、本製造方法で第１構成部品を用意する工程は、
第１補助基板上に少なくとも１つのミラー層を堆積させる工程と；
前記第１補助基板から少なくとも１つのミラー層を除去する工程と；
少なくとも１つのミラー層を前記第１基板に連結する工程と
を含むことができる。
【００１７】
同じことが活性領域にも当てはまる。換言すれば、第２構成部品を用意する工程は、
第２補助基板上に少なくとも１つの活性層を堆積させる、特にエピタキシャル成長させる工程と；
前記第２補助基板から少なくとも１つの活性層を除去する工程と；
少なくとも１つの活性層を前記第２基板に連結する工程と
を含むことができる。
【００１８】
必要とされる出力電力に応じて、異なる基板を使用することができる。最高出力電力のためには、第１または第２基板として、ダイアモンドまたはＳｉＣのような最高熱伝導率を有する基板を使用することができる。ダイアモンド基板を共振器の内側に配置する場合、１６００〜２６００  ｃｍ−１波長領域のダイアモンドのわずかな２フォノン吸収を考慮しなければならない。この吸収は、レーザー発振を阻害し得るが、十分薄いダイアモンド基板を使用すれば許容できるだろう。ＳｉＣ基板を共振器の内側に配置する場合、当業者が容易に知ることができるように、いくらかのスペクトル域制限が同様にあてはまる。
【００１９】
本発明の第２態様によると、上記の製造方法により得ることができるレーザー装置が提供される。特に、
少なくとも１つのミラー層、好ましくは複数のミラー層を有する第１ミラーを備える第１構成部品と；
半導体材料から作られた、少なくとも１つの活性層、好ましくは複数の活性層を有する活性領域を備える第２構成部品、ここで前記第２構成部品は予め製作された前記第１構成部品に連結する；および
活性領域が前記光共振器の内側に位置するように、第１ミラーと共に光共振器を形成する第２ミラーと
を備えるレーザー装置が提供される。
【００２０】
従来技術のように、一方を他方の上にエピタキシャルに成長させた代わりに、各部品を別々に製造した後に２つの部品を連結させたので、このようなレーザー装置は、必然的にモノリシックに成長させた伝統的な装置とは異なるように構築された第１構成部品と第２構成部品との間の界面を有する。目視検査および／または顕微鏡技術（特に、光学または電子顕微鏡で撮像した横断面画像）により、異なる構造を容易に認識することができる。上記のように、距離要素を、第１構成部品と第２構成部品との間に配置する場合に、これは特に当てはまる。
【００２１】
好ましくは、レーザー装置は、ＶＥＣＳＥＬ装置、特に、中赤外領域（２〜２０μｍ）で発光するＶＥＣＳＥＬである。少なくとも１つの活性層を、好ましくはエピタキシャルに成長させる。活性領域は、好ましくは、エピタキシャルに成長させたＩＶ〜ＶＩ族半導体材料、特に、鉛カルコゲナイド材料、好ましくは、組成Ｐｂ１−ｘＸｘＴｅ１−ｙ−ｗＳｅｙＳｗ（式中、Ｘは、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｅｕからなる群から選択され、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｗ≦１である）の材料の少なくとも１つの活性層を備える。しかしながら、本発明は、ＩＶ〜ＶＩ族材料などの特定の材料に限定されず、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体材料にも同様に適用できる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、活性領域は、いくつかの活性層（活性層積層体）を備えることができる。活性領域は、活性領域の隣接領域より低いバンドギャップを有する複数の量子井戸を備えることができる。量子井戸は、一般的に、共振器の定在波の最高電界強度の領域に配置される。
【００２３】
エピタキシャル成長を行う基板として、複数の材料を選択することができる。特に、上記の基板の各々は、ケイ素、ダイアモンド、炭化ケイ素およびＩＩａ族（アルカリ土類金属）フッ化物、特にフッ化バリウムからなる群から選択される単結晶材料からなる。
【００２４】
第１ミラーおよび第２ミラーの少なくとも一方は、一般的に、隣接するミラー層間で実質的に交互になる屈折率を有する複数のミラー層を備えるブラッグミラー（分布ブラッグ反射器、ＤＢＲ）である。好ましくは、これらの層は、所定の設計周波数で、前記ミラー層の各々で約４分の１波長の光学的厚さを有する。しかしながら、光学的厚さは、例えば、このミラーを通して照明を行う場合にポンプビームの透明性を最適化するために、設計周波数における十分な反射率が確保される限り、種々の理由のためにこの値からはずれてもよい。上記のように、ミラーは、エピタキシャルに成長させる必要はないが、少なくとも１つの多結晶質または非晶質ミラー層を備えることができる。特に、第２ミラーは、単一の高反射層、例えば、金の層からなる。
【００２５】
レーザー装置は、通常、高出力用途において光ポンピングされるが、電気的にもポンピングされる。特に、レーザー装置を光ポンピングする場合、レーザー装置は、活性領域を光ポンピングするためにレーザー装置の光共振器中に連結したポンプビームを提供するのに適合したポンプレーザーを備えることができる。
【００２６】
レーザー装置は、光共振器の長さを変えるための装置、特に、レーザー装置にチューニング（発光波長を変える）可能性を提供するために、第１と第２ミラーとの間の距離を変えるため、第２ミラーおよび第１と第２構成部品から形成された一体型ユニットの少なくとも一方に連結された圧電素子を備えることができる。あるいは、共振器長を変えるための装置は、マイクロメカニカルデバイス、特にＳｉ技術を用いて作られたマイクロメカニカルデバイスを備えることができる。長さの変化については数μｍの範囲で一般的に十分であり、このような調整を行うための、ここに記載するもの以外の装置は当業者に既知である。
【００２７】
あるいはまたはさらに、レーザー装置は、当技術分野で周知であるように、レーザー装置をチューニングするために、作動温度を調整するための装置を備えることができる。
【００２８】
本発明の第１態様による上記方法に関連する全ての特徴は、この方法により製造されるレーザー装置の構造的特徴中に対応を見出すということ、およびこのような特徴は、本発明の第２態様によるレーザー装置の上記のさらなる特徴のいずれかと組み合わせることができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して以下に記載するが、これらの図面は、本発明の好ましい実施形態を説明するためのものに過ぎず、これを限定することを目的としない。
【図１】本発明によるＶＥＣＳＥＬの第１実施形態の概略見取図である。
【図２】短い共振器長を有する、本発明によるＶＥＣＳＥＬの第２実施形態の概略見取図である。
【図３】本発明によるＶＥＣＳＥＬの第３実施形態の概略見取図である。
【図４】層の配列を説明するための、本発明によるＶＥＣＳＥＬのさらなる実施形態の概略見取図である。
【図５】図４のセットアップによるＶＥＣＳＥＬの３つの出力スペクトルを含む図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の目的のために、ＶＥＣＳＥＬ型レーザー装置を以下のように広く定義することができる：ＶＥＣＳＥＬ型レーザーは、少なくとも１つのミラー層を備える平面または湾曲第１（「底部」）ミラー、好ましくは第１ブラッグミラー（分布ブラッグ反射器、ＤＢＲ）を有する面発光半導体レーザーである。第２（「上部」）ミラーは、ブラッグミラーであってもなくてもよく、平面でも湾曲でもよいが、第１ミラーから離れて配置され、第１ミラーと共に光共振器を形成する。少なくとも１つの活性半導体層を備える活性領域（利得媒体）が共振器中に配置され、この半導体層は、共振器中の得られるレーザー光が層平面に実質的に垂直となるように配向される。活性領域は、量子井戸を備えてもよい。第１または第２ミラーのいずれかは、活性領域から一定距離に置かれる。活性領域とそれぞれのミラーとの間の空間は、空気および／または少なくとも１種の他の材料、例えば、基板材料、ガスセル、もしくは特に設計周波数が近赤外領域にある場合には、周波数二倍器で充填することができる。第１および／または第２ミラーは、出力ビームのための出力カプラを供給し、出力ビームの波長は、設計周波数と同一であっても（周波数二倍の場合）異なってもよい。レーザーは、任意選択により光ポンピングまたは電気的ポンピングされる。
【００３１】
本発明によるＶＥＣＳＥＬの第１実施形態を図１に模式的に例示する。寸法は縮尺に沿っていないことに留意すべきである。特に、レーザー装置中の層の配列を例示するために、垂直方向に沿ったレーザーの個々の部品の厚さは、水平面の寸法に対して強く誇張されている。
【００３２】
図１のＶＥＣＳＥＬは、円筒対称性を有する。これは、例えば、ＳｉまたはＢａＦ２基板である第１基板１１を備え、その上に、設計周波数（所望の自由空間波長、例えば、５μｍに相当する周波数）で最適厚さの４分の１の、交互に低および高屈折率を有する複数の交互のエピタキシャル層からなる第１（底部）ブラッグミラー１２が成層されている。この目的のために、Ｐｂ１−ｘＸｘＹ（Ｘ＝Ｓｎ、Ｓｒ、Ｅｕ等、Ｙ＝Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓもしくはこれらの混合物、０≦ｘ≦１）などのＩＶ〜ＶＩ族ナローギャップ材料を高屈折率材料に使用することができる。低屈折率材料に、ＸＹ、より高バンドギャップをもたらすような適当なｘを有するＰｂ１−ｘＸｘＹ、またはＢａＦ２を使用することができる。しかしながら、所望の波長で透明な任意の他の材料も使用することができる。第１基板１１および第１ミラー１２は共同して予め製作された第１構成部品１０を形成する。
【００３３】
例えばケイ素基板である第２基板２１上には、活性領域２２が配置され、これはエピタキシーにより成長させたものである。活性領域は、例えば、単一活性半導体層、例えば、高い構造結晶品質のエピタキシャルＰｂ１−ｘＸｘＹ層からなる。この層の厚さは、共振条件が望まれる場合、設計周波数の２分の１波長の倍数とすることができる。層は、反射防止コーティングを伴うことができる。単一活性層の代わりに、複数の半導体層（層積層体）を使用することが可能である。好ましい実施形態では、活性領域は、共振器中の定在波の最高電界強度の位置に（特に、設計周波数で活性領域の２分の１波長の倍数の距離に）量子井戸を含む。これは、レーザー発振が始まる閾値電力をかなり低くする。第２基板２１、活性領域２２および反射防止コーティングなどの任意のさらなる層は、予め製作された第２構成部品２０を共に形成する。
【００３４】
活性領域２２が第１ミラー１２と向き合う第２構成部品を第１構成部品１０と平行して配向させ、第１および第２構成部品を互いに押圧することにより、第２構成部品２０を第１構成部品１０と連結する。押圧は、例えば、ネジおよびピストンを有する取付具を使用して、約１０９  Ｎ／ｍ２までの推定圧力をもたらす数千ニュートンまでの範囲の力を印加することにより、行うことができる。あるいは、上記のウエハー接着技術を使用して、第２構成部品２０を第１構成部品１０に連結することができる。任意選択により、距離要素、例えば、金属またはプラスチック箔を第１構成部品１０と第２構成部品２０との間に配置することができ、第１および第２構成部品を距離要素に連結することにより、これら２つの構成部品を連結することができる。
【００３５】
第２（上部）外部ミラー３２は、第２構成部品２０から離れて配置される。本例では、第２ミラー３２は、設計周波数でレーザー光に透明である、例えば、ケイ素基板の湾曲した第３基板３１の上に成長させたエピタキシャルブラッグミラーである。そのため、第２ミラー３２自体は湾曲しているが、このミラーは平坦であってもよい。第２ミラー３２は、第１ミラー１２と類似の材料組成物を含むことができる。あるいは、これらのミラーに多結晶質または非晶質層を使用することができる。本例では、ミラー３２は、出力ビーム１の出力結合器として働く。しかしながら、第２ミラー３２を出力結合器として使用しない場合、さらに高反射非透過性材料（Ａｕ、Ａｌなど）を使用することができ、基板は、レーザー光に非透過性となる。第３基板３１および第２ミラー３２は、共に第３構成部品３０を形成する。
【００３６】
第１（底部）ミラー１２も湾曲していてよく、これは、活性領域２２にも当てはめることができる。この目的のため、これらの要素は、湾曲基板上に成長させることもできる。
【００３７】
外部第１基板１１を、適切なヒートシンクにハンダ付けすることができる。ハンダおよび／またはヒートシンクは、ビーム伝送に使用しないのであれば、適切な材料（ハンダにはＩｎ、Ｓｎ、ヒートシンクにはＣｕなど）から作ることができる。出力もしくはポンプビーム結合器として使用するのであれば、ヒートシンクおよびハンダはビームに透明であるべきである、または出力もしくはポンプビームが通過する穴を開けておくべきである。
【００３８】
ポンプレーザー４１は、ポンプビーム２により活性領域を光ポンピングするのに役立つ。１〜２μｍ波長領域で発光する市販のダイオードレーザーまたは光ファイバーレーザー、例えば、市販のエッジ発光ＩＩＩ〜Ｖ族半導体レーザーを使用することができる。ポンプレーザーは、レンズ４２またはコリメーター光ファイバーを伴うことができる。図１に示すように、ポンプビーム２は、中赤外出力ビームと同じ側から照射することができ、ポンプビームの軸はＶＥＣＳＥＬの軸に関して傾斜している。これはまた、ミラーが透明であれば、出力ビーム１のビーム軸上または出力ビーム１に対して傾斜して、第１または第２ミラーを通して照射することもできる。正確なレイアウト：上部／上部、上部／底部、底部／上部、底部／底部に応じて、ポンプ／出力ビーム方向についての全ての変化が可能である。他の実施形態では、ＶＥＣＳＥＬは、電気的にポンピングされる。
【００３９】
本例では、第１構成部品１０および第２構成部品２０を連結すると、活性領域２２は第１ミラー１２と向き合う。しかしながら、基板、ミラーおよび活性領域の配列は異なっていてもよく、例えば、第１ミラー１２および第２基板２１が連結するように第１構成部品１０および第２構成部品２０を連結すると、第２基板２１は第１ミラー１２と向き合うことができる。あるいは、本例のように、第２基板２１が最上層である場合、ビーム伝送を増加させ、光共振器中の空間を得るために、例えば、活性媒体と第２基板との間の界面層を除去し、基板を剥離することなど、既知の技術による連結後に、この基板を除去することができる。
【００４０】
第１構成部品１０および第２構成部品２０を連結する前に、薄さ数μｍの活性領域の活性層および／またはミラー層を、それらが最初に成長した基板から取り除き、別のより優れた好適な基板に移すことができる。これは、例えば、極めて高い熱伝導性のために、ダイアモンド、ＳｉＣ、またはエピタキシャル成長に基板としてそれほど適していない他の材料とすることができる。これは、周知の「エピタキシャルリフトオフ」技術およびその後の接着、例えば、液体毛管結合により行うことができる。
【００４１】
基板の１つまたはいくつかは、平行な底面および上面を有さなくてもよいが、くさびを形成するよう形づくることができる。これにより、異なる反射ビーム部品間の望ましくない光干渉が回避される。典型的な平行からの偏位（くさび）角は、０．５〜５°の範囲、例えば、約２°である。
【００４２】
軸方向の共振器の長さＬについては、多数の軸方向モードを励起することができる。１つの特定のモードを選択するために、当技術分野で既知のように、ビームコリメーター、エタロンまたは外部格子を使用することができる。他方、共振器の長さＬが短い、例えば、５〜３０μｍの場合、共振器の共振条件が他のモードを許容しないので、ただ１つの単一軸方向モードのみを励起することができる。ポンプビームを小さな面積にのみコリメートすることにより、半径方向モードが抑制される。
【００４３】
本発明によるＶＥＣＳＥＬの第２実施形態を図２に示す。この実施形態のＶＥＣＳＥＬは、３０μｍ未満の範囲の非常に短い共振器の長さＬを有し、これに対応して非常に短い空気ギャップを有するか空気ギャップを有さない。同様な部品については図１と同じ参照番号を使用する。活性領域２２ではなくて第２基板２１が第１ミラー１２に連結しているという点で、層配列は図１の配列とは異なる。製作を単純化するために、この実施形態では、第１および第２ミラーの両方を平面鏡とする。いわゆる「エンドポンピング」により励起が行われる。すなわち、レーザーポンプビーム２を、第１基板１１および第１ミラー１２を通して光共振器中に供給する。本例では、ポンプビームの方向は、ＶＥＣＳＥＬの同筒軸に対して傾斜しているが、ポンプビームは、ＶＥＣＳＥＬの軸に沿って通過することもできる。そのため、少なくともポンプ波長において、基板１１およびミラー１２は透明でなければならない。上記のミラー材料は、典型的なポンプビーム（典型的な波長０．９〜２．２μｍ）に透明である。第１実施形態と同様に、ポンプビーム２は、レンズ４２または別の好適なコリメーター系により、活性領域２２上に結像することができる。より容易により低コストで、ポンプレーザー４１を、進相軸および遅相軸に沿った非点収差ビームの側方拡大がほぼ等しい、すなわち、ほぼ円形のビームが得られる距離で活性領域２２の非常に近くに配置することができる。あるいは、ファイバー結合ポンプレーザーを使用することができる。
【００４４】
図２のレイアウトは、短い共振器長のために、活性半導体材料が利得を示す相当な波長領域にわたってモードホップのない連続したチューニングを可能にする。短い共振器では、ただ１個のまたは数個の軸方向モードが活性領域のスペクトル利得領域にわたって発達する。そのため、共振器長を変えることにより、１０％を超える程度の、相当の領域にわたる波長をチューニングすることが可能である。これは、第２ミラー３２の数μｍの垂直変位を要する。変位は、当技術分野で既知のように、圧電材料、およびミラーマウントの活性化、またはマイクロ光電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）技術を使用することにより、達成することができる。あるいは、半導体材料の屈折率は、温度により好適に変化するので、温度チューニングを使用することができる。
【００４５】
本発明によるＶＥＣＳＥＬの第３実施形態を図３に示す。第２構成部品２０と第３構成部品３０との間に自由空間（空気ギャップ）を有する必要はなく、これらの構成部品を連結することができる。図３は、この実施形態に対応する可能なレイアウトを示している。ここで、第２ミラー２２は、第２構成部品２０の基板２１に接触している「拡張された」基板３１上に配置している。この「拡張された」基板３１は、例えば、ケイ素もしくは上記のＩＶ〜ＶＩ族組成物を含む任意の他の透明材料であってよく、金属ミラー層で覆われていても、ブラッグミラーを形成する層積層体を含んでいてもよい。従来技術のＶＣＳＥＬ装置中に典型的に存在する層よりもはるかに厚いこの「拡張された」基板３１の存在により、この装置は、ＶＣＳＥＬではなくなおＶＥＣＳＥＬとみなすことができる。この装置は、温度チューニングによりチューニングすることができる。室温から例えば、−７０℃までの熱電冷却により、数パーセントのスペクトルチューニング領域が利用できる。
【００４６】
図１〜３のレイアウトは、単なる例である。基板およびミラー層は、全ての実施形態で交換することができる、すなわち、層は、対応する基板の反対側部分に存在してもよい。そのため、個々の部品の最終的な配置で、基板上に成長させた層は、層、もしくは基板を伴うことがでる、または２つの基板が互いに接触することができる。これらの実施形態のいずれにおいても、２つのミラーのいずれかは、平坦（平面）であっても湾曲していてもよい。
【００４７】
これらのレイアウトは非常に小型にすることができる：第１実施形態の典型的な共振器長はわずか数ｍｍである一方で、活性領域のモードのスポット径は典型的には約０．３ｍｍ未満である。そのため、約２  ｘ  ２  ｘ  ２  ｃｍ３未満の総サイズが可能である。第２および第３実施形態は、第１実施形態よりまださらに小型にすることができる。小型サイズは、安定で頑丈な機械構造を見つける仕事をかなり単純化する。
【００４８】
実験室で実現される具体的なセットアップの例を図４に模式的に例示する。重ねて、図面は縮尺に沿っていない。図１〜３中と同じ参照番号を同様な部品に使用する。
【００４９】
ブラッグミラーの形態の第１（底部）ミラー１２を、第１Ｓｉ基板（１１）上に成長させた。ブラッグミラーは、高屈折率材料（Ｐｂ０．９９Ｓｒ０．１Ｔｅ、屈折率ｎ≒５、厚さ約２００ｎｍ）および低屈折率材料（ＥｕＴｅ、ｎ≒２．４、厚さ約５００ｎｍ）の４対の交互の層１３、１４から構成された。層は、ＭＢＥにより成長させた。底部ミラーは、設計周波数でＲ＞９９．７％の反射率（５μｍの自由空間波長に相当する）を示した。
【００５０】
ＰｂＳｅからなる１つの光学波長（１０４０ｎｍ）の厚さを有する単一活性層の形態の活性領域２２を、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により、別の第２のＳｉ基板２１上に成長させた。押圧により、第２基板２１および活性領域２２からなる第２構成部品２０を、第１基板１０および第１（底部）ミラー１２からなる第１構成部品１０に連結し、活性領域２２を第１ミラー２１に向き合うようにした。
【００５１】
５０ｍｍの曲率半径を有する別の湾曲第２（上部）ミラー３２を、研磨したＢａＦ２単一結晶の形態の別の第３基板３１上に成長させた。第２ミラー３２は、ＭＢＥによって成長させたブラッグミラーとした。これは、高屈折率材料（Ｐｂ０．９４Ｅｕ０．０６Ｔｅ、屈折率ｎ≒５、厚さ約２００ｎｍ）および低屈折率材料（ＢａＦ２、ｎ≒１．４、厚さ約９００ｎｍ）の２  １／２対の交互の層３３、３４から構成された。第２ミラー３２は、設計周波数でＲ＞９９％の反射率を示した。これは、第２基板２１から約２０ｍｍの距離に配置した。
【００５２】
１．５５μｍの波長のポンプビーム２を、コリメータレンズ４２によって、第２基板２２を通して活性層に結合させた。
【００５３】
１００ｎｓパルスによる１０ｋＨｚパルス操作で、レーザー発振スペクトルを得てフーリエ赤外分光計で記録した。図５は、それぞれ０℃、−２０℃および−１２０℃の温度で記録したこのようなスペクトル５１、５２、５３の例を示している。スペクトルは、マルチモードとした。モード間隔は、約４００μｍ厚さの、上に活性層を成長させた共振器の内側の第２  Ｓｉ基板２１の光学厚さにより与えられる。ＰｂＳｅ活性層のバンドギャップの温度依存性のために、レーザー発振波長は温度に依存する。ピーク電力は約０．４Ｗであった。
【００５４】
本発明の波長可変ＶＥＣＳＥＬ装置は、全範囲の異なる用途に適用することができる。１つのこのような用途は、例えば、環境モニタリングのための微量ガス分光法である。他の用途には、工業プロセス制御または医学分析のための、微量ガス、ガスまたは液体分光法が含まれる。燃焼ガスおよび炭化水素は、中赤外３μｍ〜１０μｍ波長に非常に強い吸収線を有する。そのため、ガス分光センサーは、この波長領域内で作動させると、非常に高い感度が提供される。中赤外全体を利用できるようにすることにより、中赤外レーザーモジュールは、分光センサーの全可能性を取り入れることを可能にする。
【００５５】
他の用途には、医療手術（組織切断もしくは治癒）、材料加工、または軍事対策が含まれる。大気吸収が最小である、中赤外３〜５μｍおよび８〜１４μｍ中に２つの透明窓が存在する。これは、長距離にわたり信頼できる信号伝送、すなわち、自由空間伝送を可能にする。
【符号の説明】
【００５６】
１  出力ビーム
２  ポンプビーム
１０  第１構成部品
１１  第１基板
１２  第１ミラー
１３、１４  ミラー層
２０  第２構成部品
２１  第２基板
２２  活性領域
３０  第３構成部品
３１  第３基板
３２  第２ミラー
３３、３４  ミラー層
４１  ポンプレーザー
４２  レンズ
５１、５２、５３  スペクトル
【図１】
2013522920.tif 000003
【図２】
2013522920.tif 000004
【図３】
2013522920.tif 000005
【図４】
2013522920.tif 000006
【図５】
2013522920.tif 000007
【国際調査報告】
2013522920.tif 000008
2013522920.tif 000009
2013522920.tif 000010