(57)【要約】      （修正有）【課題】電子ビームポンプ源を用いてポンピングされ、比較的短い波長で発光することが可能なレーザ装置およびそれを作製するための方法を提供する。【解決手段】半導体レーザ構造１２は、基板１６と、基板上に配置された下部クラッド層１８と、下部クラッド層上に配置された下部導波層２０と、下部導波層上に配置された多重量子井戸構造領域の活性層２２と、活性層上に配置された上部導波層２４と、半導体レーザ装置内の過剰な電荷を放電するためのオーミック金属層２９とを備える。上部導波層上には、上部導波層を通って活性層内に電子ビームを導くように構成される電子ビームポンプ１４が配置され、半導体レーザ装置を構成する。【効果】高い電気伝導度および低い吸収損を有するｐドープ層を除去することにより、高いバンドギャップの材料で製造することが可能になる。【選択図】図１
2015005743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導放出のための半導体装置であって、
基板と、
前記基板上に配置された光ガイド構造と、
前記光ガイド層内に配置された発光層と、
誘導放出のための前記半導体装置内の過剰な電荷を放電するための放電構造と、を備え、
誘導放出のための前記半導体装置は、電子正孔対を生成するために入射電子ビームによって電気的に励起されるように構成され、それらの再結合が前記発光層で支配的に発生し、これによって光を生成し、
前記発光層はｐ／ｎ接合内に埋め込まれず、さらに前記発光層は前記ｐ／ｎ接合を必要とせずに発光するように構成される半導体装置。
【請求項２】
前記基板が、ＡｌＮまたはＧａＮから構成されるグループから選択されるバルクの単結晶材料を含む、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記光ガイド構造は、
下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に配置された下部導波層と、
上部導波層と、を備え、
前記発光層が前記下部導波層上に配置され、さらに前記上部導波層は前記発光層上に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記発光層が、多重量子井戸構造、２重ヘテロ構造、および均質層から構成されるグループから選択される構造を備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記装置は、２００ｎｍと３６５ｎｍとの間の波長で発光するように構成される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記発光層上に配置され、前記電子正孔対を生成するために、前記発光層内に電子ビームを導くように構成される電子ビームポンプをさらに備え、
前記半導体装置が、第１および第２の光学的に反射するファセットと、前記ファセット間に形成される空洞共振器と、をさらに備え、前記電子ビームは、実質的に直線状であり、前記電子ビームポンプは、前記電子ビームが実質的に前記第１および第２の光学的に反射するファセット間の距離に延びるようにさらに配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記発光層上に配置された、少なくとも２つの独立にアドレス可能な電子ビームポンプをさらに備え、各電子ビームポンプは、前記電子正孔対を生成するために、前記発光層内に電子ビームを導くように構成され、
各前記電子ビームポンプは、異なるエネルギーで電子ビームを放射するように構成され、これによって異なるエネルギーデポジションプロファイルを有する各電子ビームを前記半導体装置内に供給し、
それによって前記異なるエネルギーデポジションプロファイルが、前記発光層内の異なる深さで電子正孔対を生成するように構成される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記発光層が第１の発光層を含み、第２の発光層をさらに含み、前記第１および前記第２の発光層は前記半導体装置内の異なる深さに形成され、
前記第１および前記第２の発光層上に配置された、少なくとも第１および第２の独立にアドレス可能な電子ビームポンプをさらに備え、各電子ビームポンプは、前記電子正孔対を生成するために、前記第１および前記第２の発光層内に電子ビームを導くように構成され、
各前記電子ビームポンプが、異なるエネルギーで電子ビームを放射するように構成され、これによって異なるエネルギーデポジションプロファイルを有する各電子ビームを前記半導体装置内に供給し、
それによって前記異なるエネルギーデポジションプロファイルが、優先的に前記第１の発光層の前記第１の電子ビームポンプによって電子正孔対を生成し、優先的に前記第２の発光層の前記第２の電子ビームポンプによって電子正孔対を生成するように構成される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１の発光層が第１の材料組成を含み、前記第２の発光層は前記第１の材料組成とは異なる第２の材料組成を含み、
優先的に前記第１の発光層の前記第１の電子ビームポンプによって生成された電子正孔対が、第１の波長の発光をもたらし、
優先的に前記第２の発光層の前記第２の電子ビームポンプによって生成された電子正孔対が、前記第１の波長とは異なる第２の波長の発光をもたらす、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
半導体発光装置を形成する方法であって、
基板上に光ガイド構造を形成するステップと、
前記光ガイド層内に指定された深さで発光層を形成するステップと、を含み、前記指定された深さが、
電子ビーム源について、前記光ガイド構造および前記発光層内の電子エネルギーデポジションプロファイルのピークを決定するステップと、
前記装置の表面から前記ピークが前記光ガイド構造内で発生するところまでの距離を決定するステップと、
前記電子エネルギーデポジションプロファイルの前記ピークの位置と前記光ガイド構造内の前記発光層の位置との間に実質的なオーバーラップがあるように、前記距離からの前記指定された深さを決定するステップと、
前記装置内の過剰な電荷を放電するために、前記光ガイド構造と電気的に伝達する放電構造を形成するステップと、
前記電子ビーム源により放射された電子ビームによって、ｐ／ｎ接合なしに、電子正孔対が生成され得るように前記装置を構成するステップであり、前記電子正孔対による再結合が前記発光層で支配的に発生し、これによって光を生成するステップと、
前記発光層がｐ／ｎ接合内に埋め込まれないように前記装置を構成するステップと、を含む方法によって決定される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦により後援された研究開発に関する記載）
本明細書において開示されるこの研究は、国防総省国防高等研究事業局（ＤＡＲＰＡ）によって与えられたＷ９１１  ＮＦ−１  ０−２−０１  ０２  バルクＡｌＮ上のＡｌＧａＮダイオードレーザ（ＡＲＬ−ＡｌＧａＮダイオード／ＡｌＧａＮコンパクト中間ＵＶ）に基づく政府援助によって行われた。政府は、この開示の発明の主題について一定の権利を有する。
【０００２】
本開示は半導体レーザに関し、より具体的には、電子ビームポンプ源を用いてポンピングされ、比較的短い波長で発光することが可能なレーザ装置およびそれを作製するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
しばらくの間、ますますより短い波長で発光することができるコンパクトで効率のよい装置に対して、固体レーザ技術では満たされない要求があった。例えば、今までに実証されたレーザダイオード（ＬＤ）の最も短い発光波長はＡ＝３３６ｎｍで動作するが、それは多くの応用にとって望ましい波長よりも長いものである。出力波長の短縮を制限している要因としては、材料品質だけでなく、とりわけｐ型ドーピングおよびキャリア注入の効率が挙げられる。周波数を２倍または４倍にするレーザは、短波長出力を可能にするが、光学部品の精密アライメントが必要とされ、極めて特定の波長に限られ、しばしばパルスモードだけで動作する。エキシマレーザなどの他のＵＶレーザは、特定の波長に限られており、非常に大きくて固定されて、非効率で高価であり、またパルスモードだけで動作する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本開示はレーザなどの３００ｎｍより短い波長で発光することができるコンパクトな発光装置およびそれを生産するためのプロセスに向けられる。開示されるレーザ装置は、ＡｌＧａＮをベースとし、励起源としての電子ビームによりポンピングされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様では、直線状電子ビームによってポンピングされる端面発光型レーザとして、ＡｌＧａＮベースのヘテロ構造が設計される。レーザヘテロ構造は、光学的モード閉じ込めを増加させ、高いモード利得を達成するために、クラッド層、導波層および多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を含む。電子正孔対およびこれらの再結合によるその後のフォトンの生成は、ｐ／ｎ接合装置における電子正孔対の再結合よりも、むしろ高エネルギー電子ポンピングによって可能になる。したがって、本構造は、さもなければ必要となるｐドーピング領域なしで済ますことができる。これは高いバンドギャップ材料において特に魅力的である。その理由は、ｐ型ドーパントの活性化エネルギーはバンドギャップと共に増加し、高い正孔濃度の生成を妨げるからである。ｐ型層に近接する活性領域は典型的には著しい吸収損をもたらすので、このような層をなくすことによって、装置が比較的非常に低い光損失を示すことが可能になる。
【０００６】
さらにまた、上側クラッド層が本明細書に開示される一定の実施形態において提供されるが、それは放電させる目的のためにその上に配置される金属フィルムが吸収による高い損失を引き起こさないように設計される。個々の層の組成および厚さは、低損失および高いモード利得構造を可能にするように、そして同時にＭＱＷ内のキャリア局在化を最大にするように選択される。また、活性ＭＱＷは、電子励起のエネルギーデポジションプロファイルと著しくオーバーラップするように設計される。活性ＭＱＷを取り囲む構造体層は、生成されたキャリアのＭＱＷ内への効率的な拡散を可能にするサイズおよび材料組成である。
【０００７】
本開示の一態様によれば、半導体レーザ装置は、基板と、基板上に配置された下部クラッド層と、下部クラッド層上に配置された下部導波層と、下部導波層上に配置された多重量子井戸または２重ヘテロ構造領域などの活性層と、多重量子井戸層上に配置された上部導波層と、半導体レーザ装置内の過剰な電荷を放電するための放電構造と、上部導波層上に配置され、キャリア生成および再結合をおこし、これにより光を生成するように、上部導波層を通って多重量子井戸領域内に電子ビームを導くように構成される電子ビームポンプと、を備え、半導体レーザ装置は、ｐ／ｎ接合を含まないように形成され、このようなｐ／ｎ接合を必要とせずに発光するように構成される。
【０００８】
上記の変形例では、半導体レーザ装置は、基板と、基板上に配置された下部クラッド層と、下部クラッド層上に配置された多重量子井戸または２重ヘテロ構造領域などの活性層と、を備える。これらの変形例では、活性層は導波機能を提供するように十分に厚い。
【０００９】
また、この態様の実装は、上部導波層上に配置された上部クラッド層を含んでもよい。さらにまた、実装は、上部クラッド層上に配置されたコンタクト層およびコンタクト層上に配置されたオーミック金属層を含んでもよい。特定の実装では、上部クラッド層、コンタクト層およびオーミック金属層は、電子ビームによって発生した電荷を伝導するための伝導経路として役立つ。
【００１０】
本開示の別の態様によれば、複数のレーザ装置を形成することができ、各レーザ装置はその上に配置されたそれ専用の電子ビームポンプを有する。一代替例では、単一の電子ビームポンプを、２つ以上のレーザ装置を駆動するために配置することができる。これは、スキャンモードまたはパルスモードでビームを偏向させることによって実現することができる。別の代替例では、単一の発光装置が分離した活性領域を含むことができる。複数の電子ビームポンプは、各々が１つ（またはそれ以上）の分離した活性領域を駆動するように配置することができる。電子ビームポンプは、同時に、または独立に動作することができる。さらに別の代替例では、複数の電子ビームポンプが単一の発光装置を駆動するように配置される。複数の電子ビームポンプは異なるエネルギーで動作することができ、そのようにして各々が異なる深さで活性層の領域を励起する。これによって、活性層の厚さにわたって均一な発光を得ることができ、さらに多くの数の量子井戸の活性化を可能にすることができる。
【００１１】
本開示のさらに別の態様によれば、レーザ共振器の主軸に対する電子ビームのずれを適応させることができる。特定の実装では、この適応は、レーザ装置の協調的にカーブした端部ファセットを設けることにより成される。
【００１２】
上記は、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。上記の概要は、以下の完全な説明に関連する文脈および特定の概念を導入するために提供するものである。しかし、この概要は網羅的なものではない。上記の概要は、特許請求の範囲の発明の主題の態様、特徴または利点を排他的に識別するものとして読まれることを意図するものではなく、またそのように読まれるべきではない。したがって、上記の概要は、特許請求の範囲に限定を与えるように読まれるべきではなく、また他のいかなるやり方であっても特許請求の範囲を決定するように読まれるべきではない。
【００１３】
本明細書に添付した図面では、類似する参照符号は、様々な図面間において類似の要素を示す。例示的なものであり、図面は一定の比率で描かれていない。図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本開示の一実施形態による半導体レーザ構造の側面図である。
【図２】図２は、本開示の一実施形態によるサンプル装置の厚さに対する屈折率およびフィールドプロファイルのプロットである。
【図３Ａ】図３Ａは、図２のサンプル装置の厚さに対する屈折率およびエネルギーデポジションプロファイルのプロットである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２のサンプル装置の上部クラッドの厚さに対する吸収損のプロットである。
【図４】図４は、本開示の別の実施形態によるサンプル装置の厚さに対する屈折率およびフィールドプロファイルのプロットである。
【図５Ａ】図５Ａは、図４のサンプル装置の厚さに対する屈折率およびエネルギーデポジションプロファイルのプロットである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４のサンプル装置の上部クラッドの厚さに対する吸収損のプロットである。
【図６】図６は、本開示の一実施形態によるサンプルレーザ構造について、ＫｒＦエキシマレーザを用いて様々な励起パワーで光学的にポンピングされたレーザスペクトルのグラフである。
【図７】図７は、図６のサンプルレーザ構造のパワー密度に対する出力のグラフである。
【図８】図８は、本開示の一実施形態による、伝導経路メタライゼーションを含む２つの半導体レーザ構造の側面図である。
【図９】図９は、本開示の一実施形態による、基板および放電構造へのビア接続を有する発光装置の切断側面図である。
【図１０】図１０は、図８の実施形態による、伝導経路メタライゼーションを含む２つの半導体レーザ構造の平面図である。
【図１１】図１１は、本開示の一実施形態による、複数の電子ビーム源を有する発光装置の切断側面図である。
【図１２】図１２は、本開示の別の実施形態による、複数の電子ビーム源を有する発光装置の切断側面図である。
【図１３】図１３は、本開示の一実施形態による、回転方向にずれている直線状電子ビームの位置の表示を含む半導体レーザ構造および直線状電子ビームをアドレスするためのカーブしたファセットの平面図である。
【図１４】図１４は、本開示の一実施形態による、電子ビーム注入に対するエネルギー損マップであり、活性ＭＱＷ領域内への注入の深さを示す。
【図１５】図１５は、本開示の一実施形態による、段階的な組成のクラッドを有するサンプル装置の厚さに対する屈折率のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
周知の開始材料、プロセス技術、構成要素、装置および他の周知の詳細についての説明は、単に要約したものに過ぎず、あるいは本開示の詳細を不必要に不明瞭にしないように省略されていることを最初に指摘しておく。したがって、それ以外で詳細が周知である場合には、それらの詳細に関する選択を示唆または記述することを本開示の応用に残しておく。
【００１６】
本明細書における記述は広範囲に「レーザ」装置に関連しているが、本開示の態様がレーザ発光をサポートすることができない半導体をベースとした発光構造の他の形式、例えば自発的発光装置（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントＬＥＤ（ＳＬＥＤ）などに適用できることを意図していることはいうまでもない。したがって、レーザ装置への言及は、単に例としてであって、特に明記しない限り、限定することを意図するものではない。
【００１７】
典型的な半導体レーザでは、上部クラッド層は、レーザ発光波長で透明であるが高いキャリア注入のために必要な電流をサポートすることができるように、活性領域より高いバンドギャップ材料を含む。特に、紫外線スペクトル領域で発光するＬＤについては、これは全く挑戦的なことになる。なぜなら、ｐドーパントの活性化エネルギーは材料のバンドギャップと共に増加し、高いｐ型導電率を達成することが困難だからである。これは、これまで装置出力の波長を３３６ｎｍより短くすることを制限してきた。光ポンピングは、固体状態レーザ装置のより短波長の出力を達成することができる。しかし、これらのシステムのための光源（例えば、ガスレーザ）は、比較的非常に大きくて、多くのコンパクトなシステムでの使用を妨げる。本明細書で開示されるように、電子ビーム源はコンパクトなパッケージとして製造することができ、３３６ｎｍ未満で発光することが可能なコンパクトなレーザシステムを得るためのポンプ源として用いることができる。
【００１８】
非常に特別な例として、ＵＶ−Ｃスペクトル領域に同じ目標発光波長を有するレーザヘテロ構造の２つの実施形態を記載する。広範囲の波長で発光するレーザ装置を製造するために、他の組成、材料、層の厚さ、量子井戸の数などを同様に用いることができる。実装の様々な態様のために提供される数値および範囲は、例に過ぎないものとして扱われるべきである。
【００１９】
図１を参照して、本開示の一実施形態による、半導体レーザ構造１２および電子ビームポンプ源１４を備えるシステム１０を示す。半導体レーザ１２は、例えばＡｌＮまたはＧａＮなどの基板１６を備える。基板１６上に、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮの下部クラッド層１８が形成される。ここでｘは０．６と１との間であり、ｙは０と０．０３との間であり、例えばｎ−Ａｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎである。
【００２０】
下部クラッド層１８上に、ＡｌｚＧａ１−ｚ−ｙＩｎｙＮの下部導波層２０を形成することができる。ここでｚは０．５と１との間であり、ｙは０と０．０３との間であり、ｚ＜ｘである。例えば、下部導波層２０は、ｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（厚さ４０ｎｍ）を含んでもよい。
【００２１】
活性層２２は、例えば多重量子井戸ヘテロ構造（ＭＱＷ）または２重ヘテロ構造（ＤＨ）領域であって、下部導波層２０上に形成することができる。活性層２２は、ＭＱＷの場合には、厚さが異なるＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮのペアを含んでもよい（例えば、厚さがそれぞれ５．４ｎｍおよび９．６ｎｍであるＡｌ０．５７Ｇａ０．４３Ｎ／Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎの５層のペア）。一般的には、活性層２２は、ＡｌｕＧａ１−ｕ−ｖＩｎｖＮの少なくとも１つの層を含むことができる。ここでｖは０と０．０３との間であり、０．４＜ｕ＜ｚである。ＭＱＷの場合には、一般的に、バリアはＡｌｓＧａ１−ｓ−ｔＩｎｔＮとすることができる。ここで０．４＜ｕ＜ｚおよびｓ＞ｕ＋０．０４であり、ｔは０と０．０３との間である。このような場合、量子井戸の厚さは１ｎｍと６ｎｍとの間とすることができ、またバリアの厚さは３ｎｍと２０ｎｍとの間とすることができる。
【００２２】
上部導波層２４は活性層２２上に形成することができ、例えば、ｎドープＡｌＧａＮ（例えば４０ｎｍのｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）およびドーピングしていないＡｌＮなどを含む。
【００２３】
選択的に、上部クラッド層２６を上部導波層２４上に形成することができる。（様々な実施形態のための選択的な層、構成要素および特徴は、破線の輪郭によって示すことができる。）上部クラッド層なしで製造される場合には、上部導波層２４は比較的厚く、例えば約２００ｎｍ程度に形成される。上部クラッド層２６を伴って製造される場合には、層２６はｎドープＡｌＧａＮ（少なくとも７０％のＡｌを有し、例えば厚さ２２０ｎｍのｎ−Ａｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、例えば非常に高いＡＩ集中で、上部クラッド層２６は、ドーピングしていなくてもよい。いくつかの実施形態では、下部クラッド層、下部導波層、発光層、上部導波層または上部クラッド層の少なくとも１つは、ｎ型ドーピングされる。
【００２４】
選択的に、特定の実施形態では、下部クラッド層、下部導波層、発光層、上部導波層および上部クラッド層の少なくとも１つは、短周期超格子である。そのほかに、特定の実施形態では、下部クラッド層、下部導波層、上部導波層または上部クラッド層の少なくとも１つは、単調に変化する合金組成勾配であってもよく、それは発光層に最も近いグレーデッド層の下部バンドギャップ組成（図１５に示し、以下でさらに議論する）を有する。
【００２５】
また選択的に、コンタクト層２８を上部クラッド層２６上に設けることができる。コンタクト層２８は、一例としてｎ−ＧａＮを含んでもよい。以下でさらに議論するが、レーザ装置から電荷の伝導を可能にするために、好適なオーミック金属層２９をコンタクト層２８（例えば３０ｎｍのＴｉ）上に形成することができる。
【００２６】
活性層２２の厚さが比較的厚い場合には、活性層２２はそれ自体導波機能を提供することができ、分離した下部導波層２０および／または上部導波層２４を不要にすることができ、また、そうでなければ光ガイド層を提供することができることを理解されたい。したがって、特定の実施形態では、下部および上部導波層は、その内部に発光層が配置される光ガイド構造を形成する。他の実施形態では、発光層の厚さおよび他の特性は上下の余裕をもって光ガイドを提供し、それによって、その内部に発光層が配置される光ガイド構造も形成する。
【００２７】
電子ビームポンプ源１４は、半導体レーザ１２の上面の上に配置され、いくつかの実施形態では、それから間隔を置いて配置される。電子ビーム（「ｅビーム」）ポンプ源１４は、それが半導体レーザ１２の上面に向かう方向に直線状の（例えば、１２μｍ×５００μｍ）電子ビームを生成するように、駆動電圧に接続される。
【００２８】
上記の構造は構築され、モデル化された。このような構造の発光波長は、材料および組成に応じて、例えば２００ｎｍ〜３６５ｎｍで得ることができる。図２は、Ａ＝２６５ｎｍの目標発光波長のための構造のモデリングの図である。そのモデルでは、構造は、厚さ２２０ｎｍのｎ−Ａｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎ上部クラッド層、厚さ５ｎｍのｎ−ＧａＮコンタクト層、および厚さ３０ｎｍのＴｉ金属上部コンタクト／放電層を含む。図２から分かるように、様々な層の屈折率が示されており、それは光学モード（すなわち、レイジングモードのｅフィールド）プロファイルである。理想的な場合では、フォトンを最も効率よく生成するために、キャリア発生はＭＱＷの中心でピークになる。図２のモデルは、２５％程度の比較的高いΓおよび１ｃｍ−１未満の比較的低い損失を予測する。
【００２９】
図３Ａは図２の構造のモデリングのグラフであり、２つの選択されたｅビームエネルギーについて半導体レーザ構造内への深さに対する計算されたエネルギーデポジションプロファイルを示す。図３Ａから分かるように、１０ｋｅＶおよび１２ｋｅＶについて、総エネルギーのそれぞれ約３２パーセントおよび約３０パーセントが、ＭＱＷ領域および導波層（上部および下部）に堆積される。所与の深さの電子正孔生成の率は、その深さのエネルギーデポジションに比例する。これらの領域に堆積されるエネルギーがより大きいほど、予想されるレーザ出力パワーはより高くなる。
【００３０】
この構造の吸収損に与えるクラッド層の厚さの効果を図３Ｂに示す。図３Ａおよび図３Ｂから分かるように、より厚いクラッド層は、エネルギーデポジションプロファイルのピークの深さを制限するが、より低い吸収損をもたらす。逆に、より薄いクラッド層は、エネルギーデポジションプロファイルのより深いピーク（例えば、活性領域により近い）を可能にするが、結果的により高い吸収損になる。図３Ａ、図３Ｂに与えたようなデータから、電子ビームのエネルギーデポジションプロファイルおよび主として上部表面層（コンタクト層、上部メタライゼーション）により引き起こされる吸収損の両方のバランスをとり、最終的に最適化することができるように、本開示の教示の特定の応用の機能として設計パラメータを選択することができる。
【００３１】
図２および図３Ａ、図３Ｂに示す結果は、上述したように、上部ｐドープ層なしで動作するレーザ構造の操作性および利点を支持する。また、それによりもたらされる１つの著しい利点は、高い電気伝導度および低い吸収損を有するｐドープ層を除去することであり、それは高いバンドギャップの材料で製造するために非常に挑戦的である。
【００３２】
電子ビームによりキャリアを生成することはキャリア生成および注入がｐ／ｎ接合に依存しないことを意味する、という事実を利用するために、励起源として電子ビームを選択した。これは、高いバンドギャップ半導体において、レーザ発光のために必要な電流密度を運ぶことができる高い伝導性（ｐ型）材料を形成するという挑戦的な課題を取り除く。このようにして、上部クラッド層のｐ型ドーピングは不要となる。さらに、電子ビームによるキャリア注入は比較的深く、最上部のＭＱＷ層を越えて拡がる。この均一なキャリア注入は、レーザダイオードで典型的に達成されるよりも、ＭＱＷ層のより多くの量子井戸をサポートする。これによって、より高い利得および改良された装置性能が提供される。
【００３３】
ｅビームポンピングは、レーザ構造内に正味の電荷を発生させる。したがって、本明細書に開示されるレーザヘテロ構造および装置アーキテクチャは、装置の効率的な放電を可能にするための特徴を含み、例えば、それは、ｎドープした導電層（およびｐドープ層を含んでもよい）、金属薄膜および／またはコンタクト、ならびに接地またはｅビーム源の陽極への接続を含む。上記の例では、ｎ型上部クラッドおよび金属オーミックコンタクトは、この放電機能だけのためにＭＱＷ上に設けられる。しかし、これは上部ｐ型クラッドがｅビームポンピングにより取り除かれた構造的構成のファミリーの単に一例であることが理解されよう。多くの変形例が本明細書において考察される。
【００３４】
例えば、図４は、Ａ＝２６５ｎｍの目標発光波長で動作するように電子ビームによりポンピングされた代替的半導体レーザ設計を示す。そして、図５Ａは、その設計に対して計算された電子ビームエネルギーデポジションプロファイルを示す。図５Ｂは、この構造の吸収損に与えるクラッド層の厚さの効果を示す。図４および図５Ａ、図５Ｂの構造モデリングは、図２および図３Ａ、図３Ｂのそれと類似するが、その例外は、図４および図５Ａ、図５Ｂの構造がドーピングしていない厚さ１２０ｎｍのＡｌＮ上部クラッド層を有し、いかなるコンタクト層も上部オーミック金属層もないことである。図２および図３Ａ、図３Ｂの構造と比較すると、より薄い上部クラッド層についてより低い吸収損が得られるという結果は注目に値する。したがって、エネルギープロファイルピークは、活性領域のより近くに発生することができる。ｅビームでポンピングされたレーザの必要とされる機能である装置の放電が上部表面を介してではなく、オプションとして、その代わりにｎ−ＡｌＧａＮ下部クラッド層を通して、および／または横にメササイドコンタクトを介して提供されることを、上部コンタクト層の欠如は意味している。
【００３５】
先行例のレーザヘテロ構造は、その上部表面を介して放電できるように設計されていた。したがって、十分に高い導電率を提供するために、クラッド層のＡｌＧａＮ組成は限定されていた（例えば、Ａｌの組成は７８％である）。ＧａＮキャップ層および／または金属コンタクトによる高い吸収損を回避するために、その例のクラッド層は比較的厚く、２２０ｎｍ程度に選択されていた。しかし、本例では、上部クラッド層の導電率に関しては懸念がないので、それは完全に非導電性のＡｌＮであってもよい。さらにまた、ＡｌＮ上部クラッド層の厚さを減らすことによって、ＭＱＷ活性領域内のキャリア生成および閉じ込めが改善される。したがって、上部クラッド層は、本例としては、厚さ１２０ｎｍ程度までに選択された。
【００３６】
図４に示す装置の放電経路を提供するために、エッチングがメサ構造を形成するために実行され、下部クラッド層が電気的コンタクトのために露出される。必要な伝導経路のために、装置に隣接してエッチングされた領域の底面または装置の側面のいずれか、あるいは両方の面の選択部分に、金属を成膜することができる。また、ＧａＮコンタクト層または上部金属は必要ない。導波シミュレーションは、２５％程度の比較的高いΓおよび１ｃｍ−１未満の比較的低い損失を示す。
【００３７】
励起源のエネルギーデポジションプロファイルは、８ｋｅＶ、１０ｋｅＶおよび１２ｋｅＶの励起エネルギーについて図５に示す。８ｋｅＶ、１０ｋｅＶおよび１２ｋｅＶについて、この総エネルギーのそれぞれ５２％、４１％および２８％が活性領域および導波層に堆積される。活性領域および導波層の絶対堆積エネルギーは、異なる励起エネルギーについて同じ電流を用いて、８ｋｅＶおよび１０ｋｅＶについてはほとんど同じであり、１２ｋｅＶでは約２０％少ない。
【００３８】
ＵＶで発光するレーザヘテロ構造について、バルクＡｌＮ基板上のＭＯＶＰＥを用いてヘテロ構造の成長および製造を実証し、優れたレーザ性能を達成した。これらの構造は、基本的な構造特性および発光性能を調べるために、光ポンプレーザとして動作された。図６は、サンプルレーザ構造のための様々な励起パワーに対するレーザスペクトルのグラフである。ＫｒＦエキシマレーザが励起源として用いられた。発光は、Ａ＝２６５ｎｍであった。図７は、同じサンプルレーザ構造のパワー密度に対する出力のグラフである。装置は優れた性能を示し、可視領域（すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を用いる）における最新技術の装置と同等である。
【００３９】
図１に示す層構成を有する個々の装置または装置のアレイを基板上に形成することができる。構造は、このような層構成により形成することができ、それから個々の装置を形成するためにエッチングすることができる。２つのこのような装置３０、３２を図８に示す。これらはエッチングされた領域３４によって分離される。例えば化学反応併用イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）または誘導結合プラズマリアクティブイオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いるドライエッチング、ファセット切断、または従来技術において公知の他のプロセスは、レーザファセットだけでなくエッチングされた領域３４を形成するために用いることができる。エッチングは下部クラッド層１８に進むことができ、その層を露出させる。それから、装置３０、３２の一部分の上に、および装置を放電するための伝導経路（例えば、接地に結ばれる）を形成するためにエッチングされた領域３４内に、コンタクト金属４０（例えば、ｎ型ＡｌＧａＮに機能的オーミックコンタクトを形成する、約９００°Ｃで約１分間アニールされるＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｎｉ（４５ｎｍ）／Ａｕ（６０ｎｍ）の階層構造）を形成することができる。選択的に、側壁パシベーション４２は、コンタクト金属４０を形成する前に、装置３０、３２の側壁上に形成することができる。
【００４０】
上述の実施形態は、装置間のエッチングされた領域に成膜された金属を用いて放電経路を形成するが、他の実施形態では、放電するために、オーミック金属層２９への直接コンタクトを各装置または装置のグループに形成することができる。上述したように、コンタクト層２９は比較的薄く、Ｔｉなどの材料で３０ｎｍ程度であり、そうすると、電子ビームは装置の活性領域に容易に入り込むことができる。同様に、背面金属層を放電および放熱のために設けることができる。そのような１つの装置７０を図９に示す。装置７０は、ビア７４が形成された基板７２、および第１の表面に配置される伝導放電構造７６を備える。発光装置７８は、発光装置７８が配置される表面の反対側である基板７２の第２の表面に配置されている。ビア７４またはより正確にはビア７４に配置される導電性材料は、電子ビームポンプ８０からの電子ビームポンピングによって装置７８に蓄積され得る電荷を、構造７６を通して例えば接地電位に放電できるように、伝導放電構造７６および装置７８を電気的に相互接続する。ここで多くの他の放電構造が考慮され、それらは１つまたは複数の導電性中間層、側壁などを含む。
【００４１】
装置３０、３２を形成した後に、個々の電子ビーム源を各装置上に形成または配置することができる。一実施形態によれば、前もって製造された電子ビーム源は、空洞共振器（装置３０のファセット５０、５２間および装置３２のファセット５４、５６間）の長さと同等の、例えば３００〜５００μｍ程度のビーム長を有するように選択される。実際、共振器の長さは、主に電子ビーム源の出力形式によって制限される。図１０は、装置３０、３２の平面図を示し、各装置上の電子ビームの位置を線４４、４６によってそれぞれ示す。
【００４２】
結果として生じる装置は、真空中で動作することができる。特定の実施形態によれば、出力パワー密度は、１００ｋＷ／ｃｍ２〜約１〜２ＭＷ／ｃｍ２になり得る。加速電圧は１０ｋＶ程度とすることができる。スポットサイズは、１２×５００ミクロン程度とすることができる。すなわち、電流は０．６ｍＡから６〜１２ｍＡ程度であり、より高い電流はより高い出力パワーを発生する。また、これらの範囲は単に１組の例に過ぎず、他の範囲についても本開示によって考慮される。
【００４３】
ある実施形態では、単一の電子ビーム源は、単一の発光装置と関係する。エネルギーデポジションプロファイルは、電子ビームのエネルギーに依存する。電子ビームのエネルギーを増加させることによって、装置表面下のより深い領域を励起することができるようになる。これを図１１に示すが、単一の発光装置８０はその上に配置された２つの電子ビーム源８２、８４を有する。
【００４４】
第１の電子ビーム源８２は、第２の電子ビーム源８４より低いエネルギー電子ビーム８６を提供しそれは深さｄ１まで到達する。また、第２の電子ビーム源８４は第１の電子ビーム源８２より高いエネルギー電子ビーム８８を提供し、それはより深い深さｄ２まで到達する。これらの複数のエネルギーｅビームは異なる深さで電子正孔対を励起し、その結果、電子正孔対密度は拡張された発光領域９０内により均一に分布する。言い換えれば、各電子ビームは、電子ビームのエネルギーに対応する侵入深さプロファイルを有する。その深さプロファイルは所与の深さでピークを有するので、この深さに活性層を配置する（または既知の深さに対応するエネルギーを選択する）ことによって最適な活性化が可能になる。しかし、電子ビームエネルギーデポジションは深さと共にそのピーク値以下に低下するので、特に活性層が比較的厚い場合には、複数の電子ビームエネルギーにより活性層を均一に活性化することができる。それゆえ、この実施形態によれば、複数の異なるエネルギー電子ビームは、より多くのウェルを有する発光領域の均一なポンピングをも可能にする。（もちろん、他の実施形態では、２つの電子ビーム源８２、８４が同じ電子ビームパワーを提供してもよく、デポジションプロファイルの深さは、各ビームについておおよそ同じである。）
【００４５】
さらにまた別の実施形態では、発光装置は２つ以上の活性領域を伴って製造することができ、異なる構成の各々または一方が異なる波長で発光するように製造される。これを図１２に示す。また、２つの電子ビーム源１０２、１０４が配置される単一の発光装置１００が提供される。発光装置は、２つの分離した活性領域１０６、１０８が垂直に異なる深さに配列されるように形成される。
【００４６】
第１の電子ビーム源１０２は第２の電子ビーム源１０４より低いエネルギー電子ビーム１１０を提供し、それは深さＹ１まで到達する。また、第２の電子ビーム源１０４は第１の電子ビーム源１０２より高いエネルギー電子ビーム１１２を提供し、それはより深い深さＹ２まで到達する。電子ビーム源１０２、１０４は異なる深さで、それゆえそれぞれ異なる活性領域１０６、１０８で電子正孔対を励起する。この実施形態によれば、複数の電子ビームは、異なる波長で光の生成を可能にする。特に電子ビーム源１０２、１０４が独立に動作する場合には、複数のおよび切り換えられる波長出力が提供される。
【００４７】
あるいは、上記のように、例えば符号１０２または１０４などの単一の電子ビーム源を設けて、エネルギーごとに異なるエネルギーデポジションプロファイルが得られるように、２つの異なるエネルギー（例えば動作電圧）で動作させることができる。異なるエネルギーデポジションプロファイルの各々は、装置内の異なる深さでピークに達する。したがって、第１の動作エネルギーでは、第１の活性領域で再結合が生じ、第１の波長で発光することができる。また、第２の動作電圧では、第２の活性領域で再結合が生じ、第１の波長とは異なる第２の波長で発光することができる。これによって、波長を切り換える動作を得ることができる。
【００４８】
認識されるように、レーザ装置のファセットの平面に対する電子ビームの回転アライメントは、装置性能に影響を及ぼす。理想的には、電子ビーム（線４４、４６）の長軸は、それぞれファセット５０、５２および５４、５６の平面に垂直である。しかし、特定の実施形態において、電子ビーム源が前もって製造され、レーザ装置上に固定されるとすると、位置ずれの可能性が生じる。これに対処するために、レイジングキャビティ内の軸から外れた共振がサポートされるように、レーザ装置は協調的にカーブしたファセットを伴って形成することができる。このような装置６０の一例を図１３に示す。この装置はカーブしたファセット６２、６４を有し、電子ビーム６６の回転方向のずれを適応させる（ファセット６２とファセット６４との間に延びる主軸Ａからの量αだけ）。多くの異なる曲率およびプロファイルは、この結果を達成するために可能である。
【００４９】
共振器長の半分の長さである曲率半径を選択することができる。すなわち、ファセットは、一般に丸い曲率（平面図において）を有し、その原点が装置の中心になるように設けることができる。したがって、いかなる角度または回転方向のずれであっても適応される。ただし、共振ビームが装置の中心を進行するならば、フォトンは常に適切で望ましいフィードバックを感じる。
【００５０】
励起源として電子ビームを組み込むことの利点が、レーザダイオードとは対照的に、キャリア生成および注入がｐ／ｎ接合（およびｐ型材料とｎ型材料との間の界面）に依存しないことにあるという点は、上記から理解されよう。これは、高いバンドギャップ材料において、レーザ発光に必要な電流密度を運ぶことができる高伝導（ｐ型）層を形成するという重要な挑戦的な課題に対処する。
【００５１】
さらに、従来のｐ／ｎ接合装置では、活性領域へのキャリア注入は典型的に問題を含んでいる。典型的な装置では、ＭＱＷ領域の最上部の量子井戸は、下のウェルよりも大きな注入および不均一な注入分布を見る。これは半導体レーザ装置に形成される量子井戸層の数をしばしば制限し、それは装置性能に影響を及ぼす。しかし、本開示の教示によれば、ｐ型ドーピングを必要とせずに、レイジング構造を形成することができる。非常に均一な生成および活性領域への深い注入を達成することができる。図１４に、１０ｋｅＶのｅビーム注入に対するエネルギー損マップを示し、活性ＭＱＷ領域２２を示す。
【００５２】
上記の説明はＡ＝２６５ｎｍの目標波長を有する装置を生産するための構造組成に集中しているが、広範囲にわたる目標発光波長の１つまたは複数を得るために、他の組成（例えば、ＡｌＧａＮ）、材料（例えば、ＩｎＧａＮ）および材料系（ＩＩＩ族ヒ化物、ＩＩＩ族燐化物、ＩＩ−ＶＩ族系など）に置換することができることは、当業者であれば本明細書の開示から認識するであろう。さらにまた、本発明の別の実施形態では、上部クラッド層を用いずに、電子ビームエネルギーデポジションのために最適化された厚い上部導波層を用いるだけであってもよい。別の代替的実施形態では、上部クラッド層は、低損失非エピタキシャル材料（例えば、Ａｌ２Ｏ３）を用いて実現することができる。スペクトル品質、しきい値または出力パワーを操作するための、レーザダイオードの当業者に知られている付加的な特徴を実装することができる。これらは、分散したフィードバック要素（例えば、表面へのエッチングされたグレーティング、表面上の金属グレーティング、材料の組成グレーティングなど）、ミラーコーティング（例えば、高反射率コーティングなど）、リッジ導波構造などを含むが、これに限定されるものではない。
【００５３】
また、上述したように、上記の実施形態では、各レーザ装置は、それと関係する専用のｅビーム源を有する。しかし、本開示の熟慮された変形例によれば、複数の波長出力構造を製造するために、複数の分離した装置または組成的に異なるレーザヘテロ構造をポンピングするように、単一スキャンのｅビームを構成することができる。
【００５４】
既知の発光装置設計および構成の多くの態様が、本明細書に開示されたタイプの装置と関係し得ることを理解されたい。例えば、特定の実施形態では、本明細書に開示されたタイプの発光装置の一方または両方のファセットに、ミラーコーティングを適用することができる。ミラーコーティングは、ミラー損失が減少するので、装置のしきい値を低減させることができる。
【００５５】
さらにまた、特定の実施形態では、発光の単一縦モードを達成することを目的として、上記のタイプの装置は、分散型フィードバック装置（ＤＦＢ）として実現することができる。構造は、共振器に沿った屈折率（実数／虚数）の段階的変調を伴って構成される。屈折率の実数部については、半導体にグレーティングをエッチングすることによって、これを実現することができる。虚数部については、例えば、表面上の金属グレーティングを用いて吸収を調変調することができる。１つのグレーティング要素（高屈折率および低屈折率）の周期は、λ＿ｎ／２である。
【００５６】
上記の構造は、１つの層から次の層へ組成の段階的変化、したがって屈折率の段階的変化をそれぞれ含む。しかし、本明細書で考慮される実施形態では、例えば下部クラッド層などの１つまたは複数の層を含む構造を提供することができる。これらの層は、図１５に示すように、単調に変化する合金組成勾配を有し、発光層に最も近いグレーデッド層のより低いバンドギャップ構成を伴う。
【００５７】
特に述べられない限り、第１層が第２層または基板の「上に」あると呼ばれる場合には、それは第２層または基板の直接上に、または介在する層の直接上にあってもよく、あるいは、第１層と第２層または基板との間に層があってもよいことは、理解されるべきである。さらに、第１層が第２層または基板の「上に」あると呼ばれる場合には、第１層は第２層もしくは基板の全体または第２層もしくは基板の一部分をカバーしてもよい。
【００５８】
さらにまた、全ての組成および層の厚さ、量子井戸の数、ならびに上記の実施形態の他の詳細は例であるとみなされる。組成比、組成を形成する要素、層の寸法、および完全な構造の寸法などは、本開示によって可能となる装置のファミリーの例を示すだけのために提示したものであって、本明細書に添付した特許請求の範囲によってのみ、限定される。
【００５９】
現代の電気装置の物理およびそれらの製造の方法は絶対的なものではなく、むしろ所望の装置および／または結果をもたらすための統計的努力である。製造プロセス、製造設備のクリーン度、開始材料およびプロセス材料の純度などの再現性について最大限の注意を払っても、ばらつきおよび欠陥は結果として生じる。したがって、本開示または特許請求の範囲の記載における限定は、絶対的なものとして読むことはできないし、またそのように読むべきではない。特許請求の範囲の限定は、その限界まで本開示の境界を定義することを目的とする。さらにこれを強調するために、「実質的に」という用語は、記載または請求項の限定に関係して本明細書で用いることができる（ただし、ばらつきおよび欠陥についての考慮はその用語に関係するそれらの限定だけに制限されない）。本開示自体の限定と同様に、正確に定義することは難しいが、「実質的に」という用語を、「大部分は」、「ほとんど実施可能な程度に」、「技術的な限界の範囲内で」などと解釈することを意図している。
【００６０】
したがって、上記の記載は、当業者に本開示の実施のための便利な指針を提供し、記載された実施例の機能および配置における様々な変更が特許請求の範囲によって定義される本開示の趣旨と範囲から逸脱することなく行われ得ることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１４】
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