(57)【要約】多層エピタキシャルヘテロ構造吸収体を備えた可飽和吸収構造体(10)が提供される。この構造体は、典型的には、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる少なくとも1つの第１の吸収体層と、第１の吸収体層の１つ又は複数の表面に接する第１の透光性半導体材料からなる少なくとも１つの第１のコンタクト層と、第１のブラッグ反射体(23)とを含む。第１のコンタクト層は、第１の吸収体層に対して格子整合性又は擬似格子整合性を有している。ＱＷ半導体材料からなる吸収体層(13,13a,13b)は、最大で６０ｎｍの厚み(S)を有する。更に、第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)をなす第１の透光性半導体材料は、２つ以上の主成分、少なくとも１つのドーパント(M2)、及び、主成分のうちの１つを置換してドーパントの添加を促進する少なくとも１つの金属添加元素(M1)を含むＲ（反応性）材料である。金属添加元素は、その金属添加元素により置換される主成分の少なくとも５０原子パーセントの濃度を有する。第１の吸収体層をなすＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアは、ドーパントの位置における荷電キャリアの再結合により決定される最大で１００ピコ秒の第１の再結合時間を有し、それによって、高速可飽和吸収体が形成される。
2008537351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層エピタキシャルヘテロ構造吸収体を備えた可飽和吸収構造体(10)であって、
２つの対向する表面(3a,3b)を備え、かつ、前記可飽和吸収構造体(10)内に前記２つの対向する表面の法線方向から供給される電磁放射(B)の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる少なくとも1つの第１の吸収体層(13)と、
第１の透光性半導体材料からなり、かつ、前記第１の吸収体層の１つ又は複数の表面(3a及び／又は3b)に接して前記第１の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有する少なくとも１つの第１のコンタクト層(14)と、
複数の４分の１波長層(19)を備えた第１のブラッグ反射体(23)と、を含み、
前記ＱＷ半導体材料からなる前記少なくとも１つの第１の吸収体層(13,13a,13b)は、最大で６０ｎｍの厚み(S)を有し、前記第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)をなす前記第１の透光性半導体材料は、２つ以上の主成分、少なくとも１つのドーパント(M2)、及び、前記主成分のうちの１つを置換して前記ドーパントの添加を促進する少なくとも１つの金属添加元素(M1)を含むＲ（反応性）材料であり、かつ、前記金属添加元素は、該金属添加元素により置換される前記主成分の少なくとも５０原子パーセントの濃度を有しており、前記第１の吸収体層(13,13a,13b)をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアは、前記ドーパントの位置における前記荷電キャリアの再結合により決定される最大で１００ピコ秒の第１の再結合時間を有し、それによって、高速可飽和吸収体が形成されることを特徴とする可飽和吸収構造体。
【請求項２】
前記第１の吸収体層と前記第１のコンタクト層との間のそれぞれの前記格子整合性又は前記擬似格子整合性は、前記第１の吸収体層をなす前記ＱＷ半導体材料が有する転位密度が、最大で２００×１０4／ｃｍ2であるか、又は、１０×１０4／ｃｍ2よりも小さいか、又は、５×１０3／ｃｍ2よりも小さい程度に良好なものであることを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項３】
前記ＱＷ半導体材料からなる少なくとも２つの前記第１の吸収体層(13,13a,13b)と、前記Ｒ材料からなる少なくとも２つの前記第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)とを含み、少なくとも１つの前記Ｒ材料は、前記ＱＷ半導体材料からなる前記第１の吸収体層のそれぞれに接しており、前記ＱＷ半導体材料及び前記Ｒ材料からなる前記吸収体層及び前記コンタクト層(13,14)は、多重量子井戸構造体を形成することを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項４】
前記少なくとも１つのドーパントの含有量は、最大で１０-4の原子分率であることを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項５】
２つの対向する表面(3c,3d)を備え、かつ、前記可飽和吸収構造体(10)内に前記２つの対向する表面の法線方向から供給される電磁放射(B)の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる少なくとも1つの第２の吸収体層(13,13c)と、
透光性半導体材料からなり、かつ、前記第２の吸収体層の１つ又は複数の表面(3c及び／又は3d)に接して前記第２の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有する少なくとも１つの第２のコンタクト層(14,14d,14e)と、を更に含んでおり、
前記第２のコンタクト層(14,14d,14e)をなす前記透光性半導体材料は、前記少なくとも１つの金属添加元素(M1)の濃度及び／又は前記少なくとも１つのドーパント(M2)の濃度が、前記第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)の前記Ｒ材料よりも低いＮ（中性）材料であり、前記第２の吸収体層(13,13c)をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアは、１００ピコ秒よりも長い第２の再結合時間を有し、それによって、低速可飽和吸収体が形成されることを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項６】
前記ＱＷ半導体材料からなる少なくとも２つの吸収体層(13,13a,13b,13c)を含んでおり、前記吸収体層は、それぞれの前記吸収体層の一側又は両側に前記Ｒ材料又は前記Ｎ材料からなるコンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)を備えて、２つ以上の吸収体ユニット(5a,5b,5c...;6a)を形成し、
前記吸収体ユニットは、前記電磁放射(B)の定在波の少なくとも１つ又はそれぞれの腹(A)の位置又はその近傍に配置されることを特徴とする請求項１又は５に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項７】
前記ＱＷ半導体材料からなる少なくとも２つの吸収体層(13,13a,13b,13c)を含んでおり、前記吸収体層は、それぞれの前記吸収体層の一側又は両側に前記Ｒ材料又は前記Ｎ材料からなるコンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)を備えて、２つ以上の吸収体ユニット(8a,8b,8c...)を形成し、
前記吸収体ユニット(8a,8b,8c...)は、前記電磁放射(B)の定在波の少なくとも１つ又はそれぞれの腹(A)の位置又はその近傍に、１つ以上のグループ(7a,7b,7c,7d...)をなして配置され、前記グループ中の前記吸収体ユニット同士の互いの距離(L3,L4)は、一連の前記腹(A)の間の間隔(L1,L2)よりも短いことを特徴とする請求項１又は５に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項８】
それぞれの前記吸収体層(13,13a,13b,13c)の間にスペーサ層(15)を更に含み、前記スペーサ層(15)は、透光性半導体材料からなることを特徴とする請求項１又は５に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項９】
前記スペーサ層(15)をなす前記透光性半導体材料は、前記Ｎ材料又は前記Ｒ材料であることを特徴とする請求項８に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１０】
前記ＱＷ半導体材料は、ＧａX1Ｉｎ1-X1Ａｓ、又は、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1、又は、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｎ1-Y1（但し、原子分率Ｘ１は、０．５よりも小さい）であるか、又は、（ＡｌX1Ｇａ1-X1）Y1Ｉｎ1-Y1Ａｓ（但し、原子分率Ｘ１は、０．５よりも小さい）であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１１】
前記Ｒ材料の前記２つ以上の主成分は、ガリウム、インジウム、ヒ素、及びリンから選択されることを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１２】
前記Ｒ材料は、（Ｍ１RＧａ1-R）Ｉｎ1-X2Ａｓ、又は、（Ｍ１1-R）ＧａX2Ｉｎ1-X2Ｐ、又は、（Ｍ１RＧａ1-R）Ｉｎ1-X2ＡｓY2Ｎ1-Y2、又は、Ｍ１RＡｓ1-Rの組成を有し、原子分率Ｒが０．６よりも大きいか、又は、０．７よりも大きいか、又は、０．８よりも大きいものであり、前記第１のコンタクト層をなす前記Ｒ材料では、
前記金属添加元素(M1)は、ガリウム及びインジウム以外の第III族の金属であり、
前記ドーパントは、第VI族及び／又は第VIII族の元素である、ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１３】
第III族の前記金属は、アルミニウムであり、第VI族及び／又は第VIII族の前記ドーパントの元素は、酸素及び／又は鉄及び／又はクロム及び／又はニッケルであることを特徴とする請求項１２に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１４】
前記ＱＷ半導体材料がＧａX1Ｉｎ1-X1Ａｓ又はＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｎ1-Y1の場合、前記Ｎ材料は、
ＧａＡｓか、又は、
原子分率Ｘ３が０．５よりも小さく、及び／又は、前記ドーパントを含んでおらず、及び／又は、前記Ｒ材料に比べて低いドーパント濃度を有するＡｌX3Ｇａ1-X3Ａｓであり、
前記ＱＷ半導体材料がＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1又は（ＡｌX1Ｇａ1-X1）Y1Ｉｎ1-Y1Ａｓの場合、前記Ｎ材料は、
ＩｎＰか、又は、
原子分率Ｘ３及びＹ３が、前記Ｎ材料が接触している前記ＱＷ半導体材料中よりも大きなバンドギャップが生じるような原子分率であり、及び／又は、前記ドーパントを含んでおらず、及び／又は、前記Ｒ材料に比べて低いドーパント濃度を有するＧａX3Ｉｎ1-X3ＡｓY3Ｐ1-Y3、又は、（ＡｌX3Ｇａ1-X3）Y3Ｉｎ1-Y3Ａｓである、
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１５】
前記第１のブラッグ反射体(23)に接して配置されたヒートシンク(21)を更に含んでおり、前記第１及び／又は第２の透光性半導体材料からなる前記コンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)を伴う前記ＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる前記吸収体層(13,13a,13b,13c)は、前記ヒートシンク及び前記第１のブラッグ反射体から延びることを特徴とする請求項１に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１６】
前記第１のブラッグ反射体(23)から離れた位置に第２のブラッグ反射体(24)を更に含んでおり、前記第１及び第２の透光性半導体材料からなる前記コンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)と前記ＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる前記吸収体層(13,13a,13b,13c)により形成される吸収体ユニットが、前記第１のブラッグ反射体と前記第２のブラッグ反射体との間に存在するファブリー−ペロー・エタロンであることを特徴とする請求項１５に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１７】
前記ブラッグ反射体(23,24)をなす前記４分の１波長層(19)は、透光性半導体材料又は透光性誘電材料からなることを特徴とする請求項１又は１５又は１６に記載の可飽和吸収構造体。
【請求項１８】
多層エピタキシャルヘテロ構造吸収体を備えた可飽和吸収構造体(10)の製造方法であって、
半導体材料からなる基板(11)を準備する段階と、
複数の４分の１波長層(19)を備えたブラッグ反射体を堆積する段階と、
電磁放射の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる１つ以上の第１の吸収体層(13)をエピタキシャル成長させる段階と、
前記第１の吸収体層の成長の前及び／又は後に、第１の透光性半導体材料からなる１つ以上の第１のコンタクト層(14)を、前記第１の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有するようにエピタキシャル成長させる段階とを含み、更に、
前記ＱＷ半導体材料からなる前記第１の吸収体層(13,13a,13b)の前記エピタキシャル成長は、最大で６０ｎｍの予め定められた厚み(S)に到達したときに停止され、かつ、
前記第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)の前記エピタキシャル成長の際に、１つ又はいくつかの主成分、少なくとも１つのドーパント(M2)、及び、少なくとも１つの金属添加元素(M1)がそれぞれ供給され、前記金属添加元素は、追加成分であるか、又は、いくつかの前記主成分のうちの１つを置換して、置換される原子分率の少なくとも５０パーセントの濃度が得られるものであり、それによって、前記第１の吸収体層(13,13a,13b)をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアが、最大で１００ピコ秒の第１の再結合時間を有するようなＲ（反応性）材料が形成されること、を特徴とする可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項１９】
電磁放射の予め定められた光周波数範囲において、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる１つ以上の第２の吸収体層(13,13c)をエピタキシャル成長させる段階と、
前記第１の吸収体層の成長の前及び／又は後に、第２の透光性半導体材料からなる１以上の第２のコンタクト層(14,14d,14e)を、前記第２の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有するようにエピタキシャル成長させる段階と、を更に含み、
前記第２のコンタクト層(14,14d,14e)の前記エピタキシャル成長の際に、前記第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)よりも低い濃度の、前記少なくとも１つの金属添加元素(M1)及び／又は前記少なくとも１つのドーパント(M2)が供給され、前記第２の吸収体層(13,13c)をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアが１００ピコ秒よりも長い第２の再結合時間を有すること、を特徴とする請求項１８に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２０】
それぞれの前記第１及び第２の吸収体層(13,13a,13b,13c)のエピタキシャル成長の前又は後、又は、それぞれの前記第１及び第２のコンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)のエピタキシャル成長の前又は後に、スペーサ層(15)をエピタキシャル成長させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２１】
前記第１及び第２の吸収体層(13,13a,13b,13c)、前記第１及び第２のコンタクト層(14,14a,14b,14c)、及び前記スペーサ層(15)の前記エピタキシャル成長の後に、複数の４分の１波長層(19)を備えた第１のブラッグ反射体(23)を堆積させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１８又は１９又は２０に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２２】
前記可飽和吸収構造体(10)を、前記第１のブラッグ反射体(23)の最上部の端面(31)でヒートシンク(21)に付着させる段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２の吸収体層(13,13a,13b,13c)及び前記第１及び第２のコンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)を保持しつつ、少なくとも前記半導体基板(11)を選択的に除去する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１又は２２に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２４】
前記第１及び第２の吸収体層(13,13a,13b,13c)及び前記第１及び第２のコンタクト層(14,14a,14b,14c,14d,14e)の最上部に、複数の４分の１波長層(19)を備えた第２のブラッグ反射体(23)を堆積させる段階を更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２５】
前記第１のコンタクト層(14,14a,14b,14c)をなす前記Ｒ（反応性）材料を得るために、
最後にエピタキシャル成長させた層に向けて１つ又は複数のガスを、その１つ又は複数の成分が、前記少なくとも１つの金属添加元素(M1)及び／又は前記少なくとも１つのドーパント(M2)として、前記最後にエピタキシャル成長させた層に転移するように供給し、それによって、前記Ｒ材料を形成する段階、及び／又は、
前記最後にエピタキシャル成長させた前記Ｒ材料からなる前記第１のコンタクト層に接して存在する１つ又は複数のガスの１つ又は複数の成分を、前記少なくとも１つのドーパント(M2)として前記第１のコンタクト層に転移させる段階、を更に含むことを特徴とする請求項１８から２４のいずれか１項に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２６】
前記Ｒ材料の前記主成分を供給するために、少なくともヒ素及び／又はリンが使用され、任意選択によりガリウム及び／又はインジウムが使用されることを特徴とする請求項１８から２５のいずれか１項に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【請求項２７】
前記金属添加元素(M1)を供給するために、アルミニウムが使用され、前記ドーパント(M2)を供給するために、酸素及び／又は鉄及び／又はクロムが使用されることを特徴とする請求項１８から２６のいずれか１項に記載の可飽和吸収構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短放射パルスを発生させることを目的として、レーザーの受動モード同期を達成するために使用される可飽和吸収構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピコ秒又はサブピコ秒の範囲のパルス持続時間を持つ短光パルス及び超短光パルスを発生させるため、レーザー共振器の内部で可飽和吸収ミラーが使用される。可飽和吸収ミラーは、特に、レーザーの、所謂自律的な受動モード同期のために非常に有用であり、この場合、可飽和吸収ミラー要素によって、パルス光の周期的トレインが自発的に発生する。モード同期の機構は、可飽和吸収ミラーの非線形の（すなわち、輝度（intensity）に依存する）反射率に基いている。このミラーは、低輝度光に対しては、大きな吸収率及び低い反射率を有しており、一方、高輝度光に対しては、吸収率は低下し、反射率は増大する。吸収率が最大値の半分になる輝度Ｉは、可飽和吸収体の飽和輝度ＩSと呼ばれ、輝度に依存する吸収係数α（Ｉ）は、次式で表すことができる。
【数１】
2008537351.tif 000003
但し、α0は、非飽和（低輝度）吸収係数である。
このように、可飽和吸収ミラーは、レーザー共振器の様々な縦モードの相対位相を同期することにより、高いパルス輝度を備える短光パルスの周期的トレインを、正確に発生させるものである。この他にも、ミラーの可飽和吸収が、受動モード同期のために有用であるための重要な要件がある。重要な特性の１つは、飽和した低い値から飽和していない高い値への吸収回復時間である。ピコ秒パルス又はサブピコ秒パルスを発生させるためには、この吸収回復時間が十分に短い必要がある。又、パルス光を効果的に吸収するために、可飽和吸収体の吸収帯域は、パルス光の全スペクトルに対して十分に大きい必要がある。第３の因子は、ミラーの非飽和性の吸収である。輝度のこの種の吸収を無くすことはできず、結果として、ミラー又は反射体が示す反射率の最大値が制限される。吸収のこの部分は、最小限に留める必要がある。
【０００３】
大部分の可飽和吸収ミラーは、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒ）に基いている。典型的なＳＥＳＡＭ構造体は、単結晶半導体基板上にエピタキシャル成長させた分布ブラッグ反射体（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）と、ＤＢＲ上に成長させた可飽和吸収体層を含む活性層構造体からなる。ＤＢＲは、発振波長の光を、典型的には９９％よりも良好な反射率で反射する。活性層構造体は、単一又は複数の量子井戸（ＱＷ：Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）層を含み、ＱＷ層は、ＳＥＳＡＭ構造体中の定在電磁波の腹の位置又は腹からはずれた位置のいずれかに配置される。定在波に対するＱＷの位置を変更することにより、飽和輝度を変化させることができる。ＳＥＳＡＭ上に入射した光の反射率は、ＱＷ層における可飽和吸収のために、その輝度に応じて変動する。高い光学品質を有するＱＷ層は、その吸収回復時間が、必要なピコ秒範囲ではなくナノ秒範囲にあるため、モード同期には適さない。したがって、回復時間の短縮を促進するためには、ＱＷ材料の品質を幾分劣化させる必要がある。ここで、ＱＷにおける回復時間は、電子と正孔の再結合時間により決定される。このような短縮を達成するために提案されている方法は、転位の生成、低温成長、ＱＷ材料のドーピング、及び材料のイオン注入に基くものである。しかしながら、これら全ての方法には、それぞれ次のような欠点がある。転位及び低温成長では、材料の界面が粗くなるともに光の散乱も発生し易くなり、これによって、非飽和性損失が発生する。転位は均一に分布しておらず、又、キャリア寿命の短縮は、転位のない領域から再結合中心として機能する転位へと比較的低速でキャリアが拡散することに付随して生じるものであり、少なくともファイバーレーザーの場合、これによって、ピコ秒パルス又はサブピコ秒パルスを伴う受動モード同期を開始させることはできない。更に、低温成長において、キャリア寿命を短縮するヒ素等の析出物が生成されることは、当業者にとって周知の事実であるが、残念ながら、この析出物は、非飽和性損失を誘発するとともに、デバイスのロバスト性及び寿命の問題を生じさせるものである。イオン注入は、層間の相互混合を引き起こすことにより、ミラー中の可飽和吸収体層及びＤＢＲ層の構造品質を劣化させ、この劣化は、構造体の光学品質の低下につながるとともに、非飽和性損失を発生させる可能性がある。更に、イオン注入は、相当に高価であって、かつプロセスチャンバー外での（ex-situ）処理を要するものである。
【０００４】
半導体層が数多く存在することにより、ＳＥＳＡＭ構造体の成長には数時間を要し、又、半導体ＤＢＲ層間の屈折率の差に対する制限により、層厚の慎重な制御を要するものである。ＤＢＲミラーは、先ず基板上に成長させるものであるため、この基板は、通常、サンプル上に残されており、それによって、ヒートシンク上にＳＥＳＡＭチップをマウントしたときに、ヒートシンクに基板が対峙することが、大きな熱抵抗の要因となる。
【０００５】
米国特許第４，８６０，２９６号明細書（特許文献１）には、光共振器と、光共振器の内部に配置され、光の放射及びその光によるレーザー発振が可能なレーザー利得媒質と、光共振器の内部に配置された多層ヘテロ構造体と、光共振器の光学利得を制御するために多層ヘテロ構造体の光吸収率を変動させる手段とを有し、それによって、レーザー利得媒質のレーザー発振を制御する制御レーザーが開示されている。受動モード同期は、利得媒質により放射される光によって、多層ヘテロ構造体の光吸収率を制御することにより達成される。能動モード同期及び変調は、多層ヘテロ構造体に電界を印加することによって、多層ヘテロ構造体の光吸収率を制御することにより達成される。外部光源によるレーザー利得の制御は、外部光源からの光を多層ヘテロ構造体に照射することによって、多層ヘテロ構造体の光吸収率を制御することにより達成される。特許文献１には、ヘテロ構造体の一実施形態として、タイプＩ超格子バンド構造を備えたＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ多層量子井戸として製作された、半導体ダイオードレーザーのための受動モード同期体が記載されている。特に、予め定められた光周波数において非線形の光吸収率を有する複数の第１材料層と、この第１材料層と交互に積層された第２材料層とからなり、第１材料層間の間隔を、上記予め定められた光周波数の光の波長の２分の１の整数倍とした半導体デバイスが記載されている。これは、光共振器構造体の両端部ミラーの間に、多層ヘテロ構造体により形成された可飽和吸収体が配置されることを意味するが、ファブリー−ペロー・エタロンについては記載されていない。特許文献１に開示された受動モード同期の達成方法は、サンプル上へのレーザービームの非常に高い収束性と、光生成キャリアの拡散に依存するものである。
【０００６】
米国特許第５，２３７，５７７号明細書（特許文献２）によれば、第１及び第２反射要素により形成されるファブリー−ペロー・エタロン内に可飽和吸収要素を配置し、可飽和吸収要素を、ファブリー−ペロー・スペクトル応答の反共振部分における光波長、すなわち、共振ピークに対応する光波長の間の波長を有する光に応答するように設定することによって、飽和輝度と可飽和吸収体の損失とが実質的に独立に調整される。これらの要素の組み合せは、ファブリー−ペロー可飽和吸収体と呼ばれる。可飽和吸収要素の厚みによってファブリー−ペロー可飽和吸収体の損失がほぼ設定され、一方、光が入射する第１反射要素の屈折率の変化によって飽和輝度（非線形度）がほぼ設定されるとともに、この変化は、可飽和吸収要素の損失を補償するために役立つものである。一実施形態では、高反射性の第１反射要素が、入射光の放射に対峙するように可飽和吸収体の端部に配置され、一方、高反射性の第２反射要素が、可飽和吸収体の反対側の端部に配置される。ここで、第１反射要素は誘電材料層により形成され、第２反射要素は半導体層により形成される。又、可飽和吸収体を構成するためには、複数の量子井戸層及び障壁層が使用される。特に、特許文献２には、ファブリー−ペロー・エタロンを間に形成するように離れて配置された第１及び第２反射要素と、予め定められた光周波数において非線形の光吸収率を有するとともに上記第１及び第２反射要素の間に配置された半導体材料とを含む光学装置が開示されており、上記ファブリー−ペロー・エタロンは、各々の周波数が１つの共振条件に対応する複数の光周波数によって特徴付けられ、上記予め定められた光周波数は、上記複数の光周波数のうちの隣り合う任意の２つの周波数の間にあり、それによって、上記予め定められた光周波数は、ファブリー−ペロー・エタロンの反共振条件に対応する光周波数で生ずるものである。
【０００７】
米国特許第５，７０１，３２７号明細書（特許文献３）には、半波長のｎ倍（但し、ｎはゼロより大きい奇数）の応力緩和層内に１つ又は複数の半導体量子井戸が組み込まれた非線形反射体によって、光学損失の低減及び製造方法の簡易化を達成することが記載されており、この応力緩和層は、標準的な半導体４分の１波長層反射体上に形成される。半波長層の成長は、界面領域に十分な濃度で転位が形成され、非発光再結合源として効果的に機能するように制御される。飽和後、レーザー空洞内を往復する次の光パルスが到達する前に、これらの再結合源により量子井戸内からキャリアが除去される。非線形反射体は、通信分野において現在考えられている多くの応用に関連する高波長のレーザーモード同期のために適しており、そのような波長における輝度依存性応答を備えることにより、レーザーの主振動空洞内で直接的に可飽和吸収を行うために使用することができる。非線形反射体の飽和輝度、従って、関連するレーザーモード同期の特性は、量子井戸を応力緩和層内の特定の位置に配置することによって制御することができる。更に、特許文献３には、周知の原理によれば、光ルミネセンス強度が高い場合、発光性のキャリア寿命が不可避的に非発光性の寿命と同程度となるのに対して、このような応力緩和層上に成長させた量子井戸では、良好なモード同期と良好な光ルミネセンスが得られることが記載されている。
【０００８】
米国特許第６，２５２，８９２号明細書（特許文献４）は、空洞内共振ファブリー−ペロー可飽和吸収体（Ｒ−ＦＰＳＡ：resonant Fabry-Perot saturable absorber）により、ファイバーレーザーのようなレーザーにおいて、モード同期を発生させることが開示されている。二光子吸収体（ＴＰＡ：two photon absorber）のような光リミッタをＲ−ＦＰＳＡとともに使用してＱスイッチを抑制できる結果、ＣＷモード同期されたレーザー出力が得られる。Ｒ−ＦＰＳＡとＴＰＡの両方を使用することにより、Ｑスイッチモード同期されたファイバーレーザーの挙動は、ＣＷモード同期に発展する。特に、特許文献４の請求項には、例えば、利得媒質を含む光学空洞と、レーザー周波数近傍の共振周波数を有する光学空洞内のファブリー−ペロー・エタロンと、ファブリー−ペロー・エタロン内に配置され、非線形の吸収特性を有するとともにモード同期されたレーザーパルスを発生させる可飽和吸収体とを含むモード同期レーザーが記載されている。更に、特許文献４には、可飽和吸収体におけるキャリア寿命の短縮方法として、イオン注入が記載されている。
【０００９】
米国特許第６，５３８，２９８号明細書（特許文献５）には、「低電界増強」（ＬＦＲ：low field enhancement）半導体可飽和吸収デバイスの構成が開示されており、このデバイス構成では、共振条件を有するように構造が変更されている。その結果、スペーサ層における電界強度が増大するため、飽和フルエンスが低下するとともに変調度が増大する。但し、スペーサ層中の電界は、自由空間中の電界と比較すれば、依然として低いか、又は、増大の度合いがそれ程大きくはないものである。一実施形態における吸収デバイスは、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒ）デバイスである。従来のＳＥＳＡＭとは異なり、吸収体を含むとともにブラッグ反射体上に配置された構造体を設け、この構造体が共振条件を満たすようにすることにより、構造体中に定在電磁波が存在する。換言すれば、このデバイス構成は、デバイスの表面付近で電界強度が極大値に達するものである。特許文献５に記載された計算例によれば、このような構造体において、最大で１．４％の反射率変調を達成することができる。しかしながら、特許文献５は、キャリア寿命を短縮するための手段を何ら示唆するものではない。
【００１０】
米国特許第６，５５１，８５０号明細書（特許文献６）によれば、低温で成長する半導体材料の非線形光学材料特性を、異原子のドーピング及び／又は熱アニールの追加といった手段によって顕著に向上させることができる。一例として、３００℃で成長させたＧａＡｓに、３×１０19ｃｍ-3の濃度までＢｅをドーピングすると、応答時間が４８０フェムト秒から１１０フェムト秒まで短縮する。又、これによって吸収率変調が低減することも、又は、非飽和性の吸収損失が発生することもない。製造の間に上記の手段の少なくとも１つを実施した半導体材料により、これらの手段が、特に、応答時間を短縮するとともに高い吸収率変調と低い非飽和性吸収損失を同時に実現することにおいて、有効であることが示されている。特許文献６は、これらの材料が、例えば光情報処理、光通信、又は超短レーザーパルス物理等の非線形光学分野の応用に対して、非常に適していることを示唆するものである。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，８６０，２９６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２３７，５７７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７０１，３２７号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２５２，８９２号明細書
【特許文献５】米国特許第６，５３８，２９８号明細書
【特許文献６】米国特許第６，５５１，８５０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、先行技術に示した従来の可飽和吸収ミラーに関連する上記の問題の多くを解決し、高利得活性媒質を有するレーザーにおいて有用な、改善された可飽和吸収ミラーを実現することを、その目的とする。例えばファイバーレーザーのような高利得活性媒質を有するレーザーの受動モード同期のためには、高輝度反射率と低輝度反射率との間に大きな差、すなわち、受動モード同期のための大きな反射率変調を生成することが可能な可飽和吸収ミラーが必要である。高輝度反射率と低輝度反射率との間の差は、少なくとも数パーセントであることが好ましい。これは、一般に、高利得レーザーでは空洞損失が非常に大きいからであり、このように空洞損失が大きいことは、低利得レーザー媒質で使用するために構成された可飽和吸収ミラーが、高利得レーザー媒質では適切に機能しない場合があることの理由でもある。又、非飽和性損失を最小化するために、可飽和吸収ミラーの良好な構造的統合性を達成することが好ましい。更に、構成要素（特に、高い平均出力パワーを有するモード同期レーザー発振器）の長寿命化のためには、効率的な冷却が重要であるため、デバイスの効率的な放熱が可能であることが好ましい。
本発明は、更に、上記改善された可飽和吸収ミラーの製造を可能にする方法を実現することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様に従って、多層エピタキシャルヘテロ構造吸収体を備えた可飽和吸収構造体が提供される。この可飽和吸収構造体は、２つの対向する表面を備え、かつ、前記可飽和吸収構造体内に前記２つの対向する表面の法線方向から供給される電磁放射の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる少なくとも1つの第１の吸収体層と、第１の透光性半導体材料からなり、かつ、前記第１の吸収体層の１つ又は複数の表面に接して前記第１の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有する少なくとも１つの第１のコンタクト層と、複数の４分の１波長層を備えた第１のブラッグ反射体とを含んでいる。前記ＱＷ半導体材料からなる前記少なくとも１つの第１の吸収体層は、最大で６０ｎｍの厚みを有し、前記第１のコンタクト層をなす前記第１の透光性半導体材料は、２つ以上の主成分、少なくとも１つのドーパント、及び、前記主成分のうちの１つを置換して前記ドーパントの添加を促進する少なくとも１つの金属添加元素を含むＲ（反応性）材料であり、かつ、前記金属添加元素は、該金属添加元素により置換される前記主成分の少なくとも５０原子パーセントの濃度を有している。そして、前記第１の吸収体層をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアは、前記ドーパントのサイトにおける前記荷電キャリアの再結合により決定される最大で１００ピコ秒の第１の再結合時間を有し、それによって、高速可飽和吸収体が形成されるものである。これによって、転位の導入又はイオン注入の実施を要することなく、したがって、これらの両方によってもたらされる非飽和性損失や吸収体材料のスペクトル特性の広がりを生じさせることなく、可飽和吸収体層中の荷電キャリアの寿命の短縮を達成することが可能となる。吸収体層を囲むＲ材料からなるコンタクト層のバンドギャップが一般に大きいことにより、光生成キャリアの吸収体層内への強い閉じ込めが達成される。これによって、吸収体層からのキャリアの漏洩が最小限に抑制されるとともに、吸収の飽和をもたらす過程の動特性が向上する。
【００１４】
上述したコンタクト層を、すべての吸収体層の周りには配置しないことを選択することもできる。このような構造体には、２種類の吸収体層が存在する。１つは、高速の回復時間を備えた吸収体層（高速可飽和吸収体）であり、もう１つは、低速の回復時間を備えた吸収体層（低速可飽和吸収体）である。この目的のために、可飽和吸収構造体は、２つの対向する表面を備え、かつ、前記可飽和吸収構造体内に前記２つの対向する表面の法線方向から供給される電磁放射の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる少なくとも1つの第２の吸収体層と、透光性半導体材料からなり、かつ、前記第２の吸収体層の１つ又は複数の表面に接して前記第２の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有する少なくとも１つの第２のコンタクト層と、を更に含んでおり、前記第２のコンタクト層をなす前記透光性半導体材料は、前記少なくとも１つの金属添加元素の濃度及び／又は前記少なくとも１つのドーパントの濃度が、前記第１のコンタクト層の前記Ｒ材料よりも低いＮ（中性）材料である。そして、前記第２の吸収体層をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアは、１００ピコ秒よりも長い第２の再結合時間を有し、それによって、低速可飽和吸収体が形成される。同一の構造体中に低速可飽和吸収体と高速可飽和吸収体の両方を組み合せるという固有の特徴によって、モード同期の開始及び維持を最適化することが可能になる。更なる利点は、低速可飽和吸収体層と高速可飽和吸収体層の両方を、コンタクト層の配置により、同一の構造体中に形成できることである。
【００１５】
前記第１の吸収体層と前記第１のコンタクト層との間のそれぞれの前記格子整合性又は前記擬似格子整合性は、前記第１の吸収体層をなす前記ＱＷ半導体材料が有する転位密度が、最大で２００×１０4／ｃｍ2であるか、又は、１０×１０4／ｃｍ2よりも小さいか、又は、５×１０3／ｃｍ2よりも小さい程度に良好なものである。これによって、コンタクト層と可飽和吸収体層との間の界面の点欠陥が均一に分布するため、これらの点欠陥へのキャリアの拡散距離が最小化される。更に、すべての構造的損傷が無視し得る程度に維持され、キャリアの非発光性の結合により発生する熱も均一に分布するため、デバイスの寿命が向上する。
【００１６】
これらの同種又は異種の吸収体層は、種々の方法により配置することができる。前記可飽和吸収構造体は、前記ＱＷ半導体材料からなる少なくとも２つの吸収体層を含んでおり、前記吸収体層は、それぞれの前記吸収体層の一側又は両側に前記Ｒ材料、又は、任意選択により前記Ｎ材料からなるコンタクト層を備えて、２つ以上の吸収体ユニットを形成するものである。一態様において、前記吸収体ユニットは、図５に示すように、前記電磁放射の定在波の少なくとも１つ又はそれぞれの腹の位置又はその近傍に配置される。別の態様では、前記吸収体ユニットは、図６に示すように、前記電磁放射の定在波の少なくとも１つ又はそれぞれの腹の位置又はその近傍に、１つ以上のグループをなして配置され、前記グループ中の前記吸収体ユニット同士の互いの距離は、一連の前記腹の間の間隔よりも短いものである。更に、前記吸収体層間の適正な間隔を得るために、それぞれの前記吸収体層の間にスペーサ層(15)を含むものであってもよい。前記スペーサ層は、前記Ｎ材料又は前記Ｒ材料のような、透光性半導体材料からなるものである。
【００１７】
本発明に従うＱＷ（量子井戸）半導体材料は、例えば、ＧａX1Ｉｎ1-X1Ａｓ、又は、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1、又は、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｎ1-Y1（但し、原子分率Ｘ１は、０．５よりも小さい）である。あるいは、前記ＱＷ（量子井戸）半導体材料は、（ＡｌX1Ｇａ1-X1）Y1Ｉｎ1-Y1Ａｓ（但し、原子分率Ｘ１は、０．５よりも小さい）とすることもできる。
【００１８】
本発明に従うＲ材料では、このＲ材料の前記２つ以上の主成分が、ガリウム、インジウム、ヒ素、及びリンから選択される。前記Ｒ材料の典型的な例は、（Ｍ１RＧａ1-R）Ｉｎ1-X2Ａｓ、又は、（Ｍ１1-R）ＧａX2Ｉｎ1-X2Ｐ、又は、（Ｍ１RＧａ1-R）Ｉｎ1-X2ＡｓY2Ｎ1-Y2、又は、Ｍ１RＡｓ1-Rの組成を有し、原子分率Ｒが０．６よりも大きいか、又は、０．７よりも大きいか、又は、０．８よりも大きいものである。特に、前記第１のコンタクト層をなす前記Ｒ材料では、前記金属添加元素(M1)は、ガリウム及びインジウム以外の第III族の金属であり、前記ドーパントは、第VI族及び／又は第VIII族の元素である。好ましくは、第III族の金属はアルミニウム、第VI族又は第VIII族のドーパント元素は、酸素及び／又は鉄及び／又はクロム及び／又はニッケルである。
【００１９】
前記第１のブラッグ反射体、及び、任意に選択される第２のブラッグ反射体は、誘電材料により形成することができる。この種の反射体は、誘電材料により大きな屈折率差が達成されるため、半導体ＤＢＲよりも容易に製作することができる。特に、例えば金又は銀のような反射率を増大させる金属層を誘電体層の最上部に配置した場合、９９％以上の反射率を達成するために、典型的には、一対の４分の１波長層を数対使用する必要があるだけである。これによって、大きな反射率帯域幅を達成することが可能となる。
【００２０】
本発明の好適な一実施形態における吸収構造体、例えばハイブリッド型可飽和吸収ミラー（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒ：ＨＳＡＭ）チップは、第１のブラッグ反射体側からヒートシンクに結合される。これによって、記第１及び／又は第２の透光性半導体材料からなる前記コンタクト層を伴う前記ＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる前記吸収体層は、前記ヒートシンク及び前記第１のブラッグ反射体から延びるものとなる。このように、ヒートシンクと吸収体層との間に厚い基板が存在しないため、吸収体層からヒートシンクまでの距離がマイクロメートルのオーダーになる。したがって、このチップは、低い熱抵抗を有するものとなり、モード同期レーザーによる高出力パワーで動作することが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の態様に従って、多層エピタキシャルヘテロ構造吸収体を備えた可飽和吸収構造体の製造方法が提供される。この製造方法は、半導体材料からなる基板を準備する段階と、複数の４分の１波長層を備えたブラッグ反射体を堆積する段階と、電磁放射の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる１つ以上の第１の吸収体層をエピタキシャル成長させる段階と、前記第１の吸収体層の成長の前及び／又は後に、第１の透光性半導体材料からなる１つ以上の第１のコンタクト層(14)を、前記第１の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有するようにエピタキシャル成長させる段階とを含んでいる。更に、前記ＱＷ半導体材料からなる前記第１の吸収体層の前記エピタキシャル成長は、最大で６０ｎｍの予め定められた厚みに到達したときに停止され、かつ、前記第１のコンタクト層の前記エピタキシャル成長の際に、１つ又はいくつかの主成分、少なくとも１つのドーパント、及び、少なくとも１つの金属添加元素がそれぞれ供給され、前記金属添加元素は、追加成分であるか、又は、いくつかの前記主成分のうちの１つを置換して、置換される原子分率の少なくとも５０パーセントの濃度が得られるものであり、それによって、前記第１の吸収体層をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアが、最大で１００ピコ秒の第１の再結合時間を有するようなＲ（反応性）材料が形成されるものである。
【００２２】
目的とする製品に応じて、前記可飽和吸収構造体の製造方法は、電磁放射の予め定められた光周波数範囲で、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を有するＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる１つ以上の第２の吸収体層をエピタキシャル成長させる段階と、前記第１の吸収体層の成長の前及び／又は後に、第２の透光性半導体材料からなる１つ以上の第２のコンタクト層を、前記第２の吸収体層に対して格子整合性を有するか又は擬似格子整合性を有するようにエピタキシャル成長させる段階と、を更に含むものであってもよく、そして、前記第２のコンタクト層の前記エピタキシャル成長の際に、前記第１のコンタクト層よりも低い濃度の、前記少なくとも１つの金属添加元素及び／又は前記少なくとも１つのドーパントが供給され、前記第２の吸収体層をなす前記ＱＷ半導体材料中に発生する荷電キャリアが１００ピコ秒よりも長い第２の再結合時間を有するものである。
【００２３】
必要に応じて、それぞれの前記第１及び第２の吸収体層のエピタキシャル成長の前又は後、又は、それぞれの前記第１及び第２のコンタクト層のエピタキシャル成長の前又は後に、スペーサ層のエピタキシャル成長も実施される。又、前記第１及び第２の吸収体層、前記第１及び第２のコンタクト層、及び前記スペーサ層の前記エピタキシャル成長の後に、好ましくは１つ以上の適切な誘電材料を使用して、複数の４分の１波長層を備えた第１のブラッグ反射体が堆積される。
【００２４】
図１、４、５、６、及び７Ｄに示すように、対象とする製品に応じて、前記可飽和吸収構造体は、その構造体の端面でヒートシンクに付着させるものであってもよい。更に、前記第１及び第２の吸収体層及び前記第１及び第２のコンタクト層を保持しつつ、少なくとも前記半導体基板を選択的に除去するものであってもよい。又、前記第１及び第２の吸収体層及び前記第１及び第２のコンタクト層の最上部（すなわち、前記半導体基板が除去された位置）に、複数の４分の１波長層を備えた第２のブラッグ反射体を堆積させるものであってもよい。これによって、ファブリーーペロー・エタロンを得ることができる。
【００２５】
特に、前記第１のコンタクト層をなす前記Ｒ（反応性）材料を得るために、前記可飽和吸収構造体の製造方法は、最後にエピタキシャル成長させた層に向けて１つ又は複数のガスを、その１つ又は複数の成分が、前記少なくとも１つの金属添加元素及び／又は前記少なくとも１つのドーパントとして、前記最後にエピタキシャル成長させた層に転移するように供給し、それによって前記Ｒ材料を形成する段階、及び／又は、前記最後にエピタキシャル成長させた前記Ｒ材料からなる前記第１のコンタクト層に接して存在する１つ又は複数のガスの１つ又は複数の成分を、前記少なくとも１つのドーパントとして前記第１のコンタクト層に転移させる段階を含むものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１〜図４は、例えば、周知のＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により成長させた可飽和吸収エピタキシャル構造体のいくつかの例示的な実施形態を示す図である。これらの構造体は、最終段階のものであっても、又は、中間段階のものであってもよい。図７Ａから図７Ｂは、特定のプロセス段階における可飽和吸収エピタキシャル構造体の例を示す図である。図３に示す構造体は、吸収体ユニット（図５及び図６のＡ参照）が、ＱＷ（量子井戸）半導体材料の一方の表面に接する１つのＲ材料コンタクト層と、Ｎ（中性）材料スペーサ層からなる点において、図７Ａから図７Ｂに示すプロセスと部分的に同様のものであり、これらの各層及び材料の詳細については後述する。すべての場合において、吸収構造体１０は、単結晶半導体基板１１（図７Ａ及び図７Ｂ参照）上に形成され、１つ又は複数の吸収体層１３、各吸収体層１３に隣接するか又は近接する少なくとも１つのコンタクト層１４、吸収体層間の何種類かのスペーサ層１５を含んでいる。ここで、上記の「近接する」は、吸収体層１３中の荷電キャリアが、それらの寿命の所望の短縮を達成するために、最も近いコンタクト層１４との界面において不純物と相互作用可能であることを意味する。又、吸収体層を一般的に示す場合には参照符号１３を使用し、より詳細な参照符号１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・は、個別の吸収体層（１３に属する１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・）同士の区別が必要な場合にのみ使用する。同様に、コンタクト層を一般的に示す場合には参照符号１４を使用し、より詳細な参照符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、・・・は、個別のコンタクト層（１４に属する１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、・・・）同士の区別が必要な場合にのみ使用する。このようなエピタキシャル構造体、及び、このような構造体を成長させるための方法は周知であるため、その詳細な説明は省略する。
【００２７】
製造の間に使用される犠牲層１２によって、可飽和吸収構造体の後のプロセス段階において、可飽和吸収構造体１０を基板１１から分離することができる。例えば、第１エッチング剤を用いて化学エッチングすることにより、基板を取り除くことができる。犠牲層１２の組成は、第１エッチング剤により実質的にエッチングされないように選択されており、犠牲層１２に達するとエッチングは停止する。次いで、サンプルに第２エッチング剤を適用し、残りの各層１３、１４、１５又は引き続く任意の誘電材料を実質的にエッチングすることなく、犠牲層１２を選択的にエッチングする。あるいは、犠牲層１２は、残りの構造体と一体の部分として残存するものであってもよい。この種のエッチング剤及び犠牲層のための材料は周知であるため、その詳細の説明は省略する。ヒートシンクを使用する場合、可飽和吸収構造体１０は、エッチング時にヒートシンク２１に結合され、ヒートシンク２１は、図７Ｃに示すように、薄層構造体のための支持体となる。あるいは、犠牲層１２が構造体の一体の部分として構造体上に残存している場合には、吸収構造体１０を設計する際に、例えば、厚み、屈折率、バンドギャップのような犠牲層の特性及び／又は犠牲層の材料を考慮する必要がある。
【００２８】
好ましくは、第１の吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、・・・は量子井戸であり、ＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる。これらの吸収体層は、２つの対向する表面３ａ、３ｂを有しており、吸収体層の厚みＳは、最大で６０ｎｍ、又は、好ましくは最大で５０ｎｍ、又は、１ｎｍと４０ｎｍの間、又は、１ナノメートルから数十ナノメートルの範囲である。吸収体層１３の組成は、レーザー放射Ｂに対する吸収体であるとともに、適切な飽和輝度を備える飽和吸収を達成可能なように選択される。例えば、１．０６μｍのレーザー放射の場合、吸収体材料を、ＧａXＩｎ1-XＡｓ（但し、Ｘ≒０．２５）とすることができる。放射輝度に非線形に依存する光吸収率を備え、かつ、吸収体層の材料として適用可能なＱＷ材料は周知であり、第１の吸収体層のために、任意の周知の材料又は新規の材料を使用することができる。適用可能なＱＷ材料の例として、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｎ1-Y1、及び、ＧａX1Ｉｎ1-X1Ａｓ（但し、原子分率Ｘ１は、０．５よりも小さい）を挙げることができる。あるいは、（ＡｌX1Ｇａ1-X1）Y1Ｉｎ1-Y1Ａｓ（但し、原子分率Ｘ１は、０．５よりも小さい）を使用することもできる。より詳細な例のいくつかは、「材料の例」と題した下表に示されている。
【００２９】
第１のコンタクト層１４は、第１の透光性半導体材料からなり、この第１の透光性半導体材料は、本発明に従って、２つ以上の主成分、少なくとも１つのドーパントＭ２、少なくとも１つの金属添加元素Ｍ１を含んでいる。この金属添加元素は、主成分のうちの１つを置換してドーパントの添加を促進するものであり、置換される主成分の少なくとも５０原子パーセントの濃度を有している。この種の半導体材料は、Ｒ（反応性）材料と呼ばれる。現在、Ｒ材料の上述した主成分は、典型的には、ガリウム及び／又はインジウム及び／又はヒ素及び／又はリンである。すなわち、Ｒ材料の組成は、金属添加元素Ｍ１及びドーパントＭ２を除けば、上述したようなＱＷ半導体材料の組成と同様のものであるが、Ｒ（反応性）材料を得るために、これらの主成分のうちの少なくとも１つの一部又は全部を、金属添加元素Ｍ１と置換するものである。第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、・・・は、それぞれの第１の可飽和吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、・・・に隣接して形成される。その際、第１のコンタクト層は、図４及び図２の一部に示すように、第１の可飽和吸収体層の両面側に、すなわち２つの対向する表面３ａ、３ｂに接して形成されるか、又は、図１、図３、及び図２の一部に示すように、第１の可飽和吸収体層の片面側に、すなわち表面３ａ又は表面３ｂのうちの１つに接して形成される。コンタクト層１４は、好ましくは、多数の反応性原子（例えば、アルミニウム）を含んでおり、それらの反応性原子によって、真空環境から多数の不純物原子を吸収するものである。これが、コンタクト層の材料が、Ｒ（反応性）材料と呼ばれる理由である。一例として、第１のコンタクト層１４は、Ａｌの原子分率Ｘが大きいとして、ＡｌXＧａ1-XＡｓからなるものであってもよい。極端な場合、この例の第１のコンタクト層１４は、ＡｌＡｓからなるものであってもよく、この場合、Ｘ＝１であり、主成分の１つを金属元素Ｍ１によって完全に置き換えることを意味し、この例では、ヒ素がアルミニウムにより置き換えられている。適用可能なＲ材料の例として、（Ｍ１RＧａ1-R）Ｉｎ1-X2Ａｓ、（Ｍ１1-R）ＧａX2Ｉｎ1-X2Ｐ、（Ｍ１RＧａ1-R）Ｉｎ1-X2ＡｓY2Ｎ1-Y2、及び、Ｍ１RＡｓ1-Rあって、原子分率Ｒが０．６よりも大きいか、又は、好ましくは０．７よりも大きいか、又は、典型的には０．８よりも大きい場合を挙げることができる。金属添加元素Ｍ１は、ガリウム及インジウム以外の第III族に属する金属、典型的にはアルミニウムである。添加元素Ｍ１は、エピタキシャル構造体中の他の元素と同様の方法によって、第１のコンタクト層中に導入することができる。この方法は周知であるため、その詳細な説明は省略する。又、最後にエピタキシャル成長させた層に向けて１つ又は複数のガスを供給する方法を使用して、ドーパントの導入、及び、少なくとも１つの金属添加元素Ｍ１のその層中への転移を実施することもできる。
【００３０】
本発明に従って、Ｒ（反応性）材料は、金属添加元素Ｍ１だけでなく、少なくとも１つのドーパントＭ２も含むものである。本明細書において、「ドーパント」とは、通常通り、最大で１０-4の原子分率の濃度で存在する添加元素をいう。ドーパントＭ２は、１つ又は複数の第ＶＩ族元素、又は、場合によっては第ＶIII族元素であり、エピタキシャル構造体中の他の添加元素と同様の方法によって、第１のコンタクト層中に導入することができる。この方法は周知であるため、その詳細な説明は省略する。ドーパントＭ２の元素としては、酸素及び／又は鉄及び／又はクロムを使用することができるが、好ましくは酸素が使用される。更に、第１のコンタクト層１４と第１の吸収体層１３との間のヘテロ界面又はその近傍で層の成長を中断し、その中断の間に、酸素のような不純物原子の吸収を促進するものであってもよい。又、エピタキシャル成長させたＲ材料からなる第１のコンタクト層の周囲の雰囲気中に既に存在している１つ又は複数のガスを発生源とするドーパント原子を、少なくとも１つのドーパントＭ２として、第１のコンタクト層に転移させるものであってもよい。不純物原子（ドーパント）によって、エネルギーバンド構造中に深いエネルギーレベルが形成され、このエネルギーレベルが、第１の吸収体層１３中で発生したキャリアの有効なシンクとして機能することによって、可飽和吸収体が形成される。これによって、キャリアの寿命が大幅に短縮し、可飽和吸収構造体１０におけるモード同期の発生が促進される。更に、第１のコンタクト層１４は、通常、そのバンドギャップが第１の吸収体層１３よりも大幅に広いという利点を有している。したがって、第１の吸収体層１３中で発生したキャリアは、ヘテロ障壁によって閉じ込められ、可飽和吸収体１３から熱的に漏洩することができなくなる。第１のコンタクト層１４の効果を更に向上させるために、最後にエピタキシャル成長させた層に向けて、その成長の間又は成長の中断の間に、例えばＯ2のような適切な不純物原子を含む１つ又は複数のガスをリーク弁を通じて射出又は供給し、１つ又は複数のガスの１つ又は複数の成分を、ドーパントＭ２としてその層中に転移させるものであってもよい。これによって、十分な数の不純物原子が第１のコンタクト層１４中に吸収及び埋め込まれ、第１の吸収体層１３中のキャリア寿命、すなわち第１の再結合時間の十分な短縮が達成される。このキャリア寿命は、最大で１００ピコ秒又は１００ピコ秒よりも短時間にまで短縮される。金属元素Ｍ１及びドーパントＭ２を導入するためにエピタキシャル成長の中断を実施するか又は実施することなく、金属元素Ｍ１及びドーパントＭ２の両方を導入した後、Ｒ（反応性）材料からなる第１のコンタクト層が形成される。コンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、・・・の厚みは、大幅に変動させることができ、数原子程度にまで薄いものであってもよく、又は、数百ナノメートル又はそれ以上であってもよい。各吸収体層とそれぞれ対応する１つ又は複数のコンタクト層との間に、良好な格子整合性（特に、コンタクト層がそれ程薄くない場合）、又は、良好な擬似格子整合性（特に、コンタクト層が非常に薄い場合）が存在することが重要であり、これによって、線状、２次元状、及び３次元状の格子欠陥が過剰に発生することが回避される。第１の吸収体層と第１のコンタクト層との間のそれぞれの格子整合性又は擬似格子整合性は、第１の吸収体層をなすＱＷ材料が有する転位密度が、最大で２００×１０4／ｃｍ2であるか、又は、１０×１０4／ｃｍ2よりも小さいか、又は、５×１０3／ｃｍ2よりも小さい程度に良好なものである。
【００３１】
下表に、放射輝度に非線形に依存する光吸収率を備えたいくつかの可能なＱＷ半導体材料と、これらのＱＷ半導体材料とともに使用可能ないくつかのＲ材料（但し、ドーパントは明示されていない）を示す。更に、下表には、その使用を任意に選択可能な後述するいくつかのＮ材料と、該当する可飽和吸収体が機能する波長が示されている。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
ＱＷ半導体材料からなる第１の吸収体層１３、１３ａ、１３ｂと、Ｒ材料からなる第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃとを含む、上述したような本発明に従う高速可飽和吸収体に加えて、本発明に従う可飽和吸収構造体１０は、より長い再結合時間を達成するための、吸収体層、すなわち第２の吸収体層１３、１３ｃと、第２のコンタクト層１４、１４ｄ、１４ｅとを更に含むものであってもよい。これは、高速可飽和吸収体が、レーザーの安定な短パルスモード同期動作を維持するために好適なものである一方、低速可飽和吸収体は、モード同期の開始のために好適なものであるからである。この目的のために、上述したような種類のＱＷ（量子井戸）半導体材料からなり、２つの対向する表面３ｃ、３ｄを備えた少なくとも１つの第２の吸収体層１３、１３ｃが存在する。又、第２の吸収体層の１つ又は複数の表面（３ｃ及び／又は３ｄ）に接して、透光性半導体材料からなる少なくとも１つの第２のコンタクト層１４、１４ｄ、１４ｅも存在する。上述した場合とは異なり、この場合には、第２のコンタクト層をなす透光性半導体材料は、Ｎ（中性）材料である。Ｎ材料は、金属添加元素Ｍ１の濃度及び／又はドーパントＭ２の濃度が、第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃをなすＲ材料よりも低いものである。これによって、第２の吸収体層１３、１３ｃをなすＱＷ材料中に発生する荷電キャリアは、１００ピコ秒よりも長い第２の再結合時間を有し、それによって、低速可飽和吸収体が形成される。このように、同一の構造体中に低速可飽和吸収体と高速可飽和吸収体の両方を組み合せるという固有の特徴によって、モード同期の開始と維持の両方のためにデバイスを最適化することが可能となる。
【００３４】
スペーサ層１５は、少なくとも２つの吸収体層又は複数の吸収体層を互いに分離するものである。スペーサ層１５は、図５に示すように、定在波パターンのそれぞれの腹Ａの位置又はその近傍に配置される、それぞれ対応するコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、・・・を伴う異なる吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・の間の適正な間隔Ｌ１を形成するか、
又は、図６に示すように、それぞれ対応するコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、・・・と複数の吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・からなり、定在波パターンのそれぞれの腹Ａの位置又はその近傍に配置される、異なるグループ７ａ、７ｂ、７ｃの間の適正な間隔Ｌ２を形成するものである。例えば、グループ７ａ、７ｂ、７ｃは、定在波パターンのそれぞれの腹の位置に配置される場合、光波長の半分の距離Ｌ２だけ離れて配置される。スペーサ層１５のための材料は、スペーサ層１５によって光が吸収されないように、そのバンドギャップが可飽和吸収体層をなすＱＷ材料のバンドギャップよりも大きいＮ（中性）材料とすることができる。ＱＷ半導体材料が、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｎ1-Y1、又は、ＧａX1Ｉｎ1-X1Ａｓの場合、Ｎ（中性）材料は、例えば、ＧａＡｓ、又は、ＡｌX3Ｇａ1-X3Ａｓ（但し、原子分率Ｘ３は０．５よりも小さいものとする）であってもよい。又、スペーサ層１５のためのＮ材料を、コンタクト層と実質的に同一の材料、すなわちＲ（反応性）材料と同一の材料とすることもできる。又は、スペーサ層１５のためのＮ材料を、ドーパントを含むか又は含まない、あるいは、Ｒ材料に比べて低いドーパント濃度を有する、改質Ｒ材料とすることもできる。吸収体層をなすＱＷ半導体材料が、ＧａX1Ｉｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1、又は、（ＡｌX1Ｇａ1-X1）Y1Ｉｎ1-Y1Ａｓの場合、Ｎ材料は、ＩｎＰ、又は、ＧａX3Ｉｎ1-X3ＡｓY3Ｐ1-Y3、又は、（ＡｌX3Ｇａ1-X3）Y3Ｉｎ1-Y3Ａｓとすることができる（但し、Ｘ３及びＹ３は、Ｎ材料が接触しているＱＷ材料中よりも大きなバンドギャップが生じるような原子分率とする）。この場合も、スペーサ層のためのＮ材料を、コンタクト層と実質的に同一の材料、すなわちＲ（反応性）材料と同一の材料とすることもでき、又は、ドーパントを含むか又は含まない、あるいは、Ｒ材料に比べて低いドーパント濃度を有する、改質Ｒ材料とすることもできる。
【００３５】
少なくとも１つのミラー又は反射体、すなわち第１のブラッグ反射体２３が吸収構造体上に堆積されており、そして、可飽和吸収構造体１０は、典型的には、第１のブラッグ反射体２３から離れた位置に、図示しない別のミラー又は吸収構造体上に堆積される第２のブラッグ反射体２４のいずれかを備えているため、ファブリー−ペロー・エタロンが形成される。したがって、波長λの電磁放射Ｂを、各層１３、１４、１５及び反射体の平面に対して直交する方向から構造体１０内に供給すると、可飽和吸収構造体内に定在波が生じる。与えられたレーザー波長λにおける定在波のパターン中には、節、すなわち振幅の最大点、及び、腹、すなわち振幅の最小点が形成される。飽和輝度を最小化したい場合、吸収体層１３は、上述したように、腹Ａの位置又はその近傍に配置することが好ましい。１つ又は複数の吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・をそれぞれの腹の周辺でグループ化し、１つ又は複数のそのようなグループを、構造体内の各腹の位置又は腹に近接する他の好ましい位置毎に１つ配置するものであってもよい。吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・の数及び位置は、必要な飽和輝度によって決定される。可飽和吸収構造体は、好ましくは、２つの異なる屈折率を交互に備えた多数の４分の１波長層１９からなる第１及び第２のブラッグ反射体２３、２４を有しており、ブラッグ反射体は、透光性半導体材料、又は、好ましくは、透光性誘電材料からなるものである。ブラッグ反射体は周知であり、その詳細な説明は省略する。第１のブラッグ反射体２３は、誘電積層体の最上部に、高い反射率を有する金属層を含むものであってもよく、この金属層は、誘電積層体とともに反射率を向上させ、又、ブラッグ反射体として誘電積層体中に必要な層の対の数を低減するものである。又、この金属層は、後述するように、結合材料２２を介したヒートシンク２１への結合付着性を向上させる機能も有する。
【００３６】
更に、可飽和吸収構造体１０は、第１のブラッグ反射体２３に接するように配置されたヒートシンク２１を含むものであってもよい。この配置構成では、第１及び／又は第２の透光性半導体材料からなるコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅを伴うＱＷ（量子井戸）半導体材料からなる吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、ヒートシンク及び第１のブラッグ反射体から延びるものとなる。ヒートシンク２１は、例えばダイアモンド又は銅−ダイアモンド複合材等の高熱伝導性材料を含んでいる。可飽和吸収構造体３１は、例えば金属製の半田のような熱伝導性材料２２とともに、ヒートシンク２１に付着される。
【００３７】
図１に示す可飽和吸収構造体１０は、唯一の第１の吸収体層１３、１３ａと、第１の吸収体層の一方の表面３ｂに接する第１のコンタクト層１４、１４ａとを有しており、この第１のコンタクト層は、第１の吸収体層とヒートシンク２１上の第１のブラッグ反射体２３との間に存在する。図２に示す可飽和吸収構造体１０は、第１のブラッグ反射体２３とともに、２つの第１の吸収体層１３、１３ａ、１３ｂと２つの第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂとを有しており、これらの第１のコンタクト層は、１つの吸収体層の両方の表面３ａ、３ｂに接し、かつ、別の吸収体層の一方の表面３ｂに接している。図２に示す可飽和吸収構造体は、ヒートシンクを備えていない。図３に示す可飽和吸収構造体１０も、第１のブラッグ反射体２３とともに、２つの第１の吸収体層１３、１３ａ、１３ｂと２つの第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂとを有しているが、これらの第１のコンタクト層は、それぞれの吸収体層の一方の表面３ａに接するものである。図１から図３を通じて、コンタクト層１４は、可飽和吸収体層１３に接するか又は近接させて使用されており、それによって、これらの２種類の層、特に層間の界面に吸収された不純物原子により、荷電キャリアの寿命の短縮が生じるものである。図４に示す可飽和吸収構造体１０は、両方の表面３ａ、３ｂに接する２つの第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｃを伴う唯一の第１の吸収体層１３、１３ａ、及び、両方の表面３ａ、３ｂに接する２つの第２のコンタクト層１４、１４ｄ、１４ｅを伴う１つの第２の吸収体層１３、１３ｃを有している。図４に示す構造体には、高速可飽和吸収体と低速可飽和吸収体の両方が組み込まれており、第１の吸収体層が高速可飽和吸収体として機能し、第２の吸収体層が低速可飽和吸収体として機能する。ここで、これらの図は、本発明の原理を例示するための簡略化された図であり、実際の可飽和吸収構造体において、典型的には、構造体の性能を最適化するために、構造体中に、複数の高速可飽和吸収体、及び、任意選択により複数の低速可飽和吸収体が使用されるものである。
【００３８】
図５は、より多くの構成要素を備えた可飽和吸収構造体１０の例を部分的に示す図である。図５に示す構造体は、複数の第１の吸収体層１３、１３ａと、第１の吸収体層のそれぞれに対して、その両方の表面に接する２つの第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂとを含み、それによって、高速可飽和吸収体ユニット５ａ、５ｂ、５ｃが形成されている。図示の例において、各吸収体ユニット５ａ、５ｂ、５ｃは、最大で１００ピコ秒の第１の再結合時間を実現するために、各吸収体ユニットに属する１つの吸収体層と２つのコンタクト層により形成される。第１の吸収体層は、各高速可飽和吸収体ユニット５ａ、５ｂ、５ｃの間、及び、この例の場合、第１のブラッグ反射体と吸収体ユニットの１つとの間のスペーサ層１５を使用して、腹Ａの位置又はその近傍に配置される。図５には、１つの第２の吸収体層１３、１３ｃも示されており（実際には、いくつかの第２の吸収体層が存在する）、第２の吸収体層の両側のスペーサ層１５は、第２のコンタクト層１４、１４ｄ、１４ｅを形成している。これによって、１００ピコ秒よりも長い再結合時間を有する、少なくとも１つ又は複数の低速可飽和吸収体ユニット６が形成される。このような１つ又は複数の第２の吸収体層も、各低速吸収体ユニット６の間、及び、高速吸収体ユニットの１つ５ｃと低速吸収体ユニットの１つ６との間のスペーサ層１５を使用して、腹Ａの位置又はその近傍に配置される。
【００３９】
図６は、より多くの構成要素を備えた可飽和吸収構造体１０の別の例を示す図である。図６において、第１の高速吸収体ユニット８ａは、第１の吸収体層１３、１３ａ、及び、この第１の吸収体層の両側の２つの第１のコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂからなり、第２の高速吸収体ユニット８ｂは、第１の吸収体層１３、１３ｂ、及び、この第１の吸収体層の両側の２つの第１のコンタクト層１４、１４ｂ、１４ｃからなり、そして、第３の低速吸収体ユニット８ｃは、第２の吸収体層１３、１３ｂ、及び、この第２吸収体層の両側の２つの２つの第２のコンタクト層１４、１４ｄ、１４ｅからなる。そして、それぞれ互いに近接する吸収体ユニット８ａ、８ｂ、８ｃを有するいくつか（この例では４つ）のグループ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが存在している。各グループ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ内の吸収体ユニット８ａ、８ｂ、８ｃの間の距離、より厳密には吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃの間の距離Ｌ３、Ｌ４は、一連の腹Ａの間の間隔Ｌ１、Ｌ２よりも短く、典型的には、大幅に短い。このようにして、吸収体層１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、電磁放射Ｂの定在波の少なくとも１つ又はそれぞれの腹Ａの位置又はその近傍に配置される。この実施形態では、同一のグループ中に高速吸収体ユニットと低速吸収体ユニットとが存在し、すべてのグループ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは同様のものである。但し、図５に示す実施形態と同様に、高速吸収体ユニットと低速吸収体ユニットとを、別のグループ中に配置し、吸収体のグループ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄのいくつかには、高速吸収体ユニットのみが含まれ、グループ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄのいくつかには、低速吸収体ユニットのみが含まれるようにすることも可能である。勿論、吸収構造体１０は、各グループ中に高速吸収体ユニットのみが含まれており、腹Ａの位置及びその近傍の両方に第１の吸収体層が配置されるものであってもよい。
【００４０】
本発明に従う可飽和吸収構造体１０の製造の間に、先ず、単結晶基板１１上での犠牲層１２（これを使用する場合）の成長が実施される。次に、犠牲層１２上又は基板上において、吸収体層１３（少なくとも第１の吸収体層及び第１のコンタクト層であるが、それだけではなく第２の吸収体層及び第２のコンタクト層も含んでいてもよい）、コンタクト層１４、及び、場合によってはスペーサ層のエピタキシャル成長がそれぞれ実施される。エピタキシャル成長の各段階は、所定の数の種々の層を形成するために必要な回数だけ繰返される。これらのプロセス段階の終了後の構造体は、図７Ａに示す構造体に相当する。次に、第１の反射体２３が、エピタキシャル構造体上に堆積され、続いて、図７Ｂに示すように、第１の反射体上をメタライズする。次に、構造体は、例えば金属性の半田等の良好な熱伝導性２２を示す材料を用いて、メタライズ層の表面側からヒートシンク２１に付着される。その結果を図７Ｃに示す。次に、ウェットエッチング、ドライエッチング、化学機械的エッチング、又はこれらの組み合せにより、基板１１が選択的に除去される。犠牲層１２の組成は、選択されたエッチング剤が、犠牲層１２を実質的には侵食しないように設計されている。したがって、犠牲層１２は、エッチング停止層である。次に、エッチングにより犠牲層１２が選択的に除去される。あるいは、犠牲層１２が所望のレーザー波長に対して透明な場合には、犠牲層１２を可飽和吸収構造体１０の一体の部分として残存させることもできる。最後に、任意選択により第２のブラッグ反射体２４が堆積され、可飽和吸収構造体１０が完成する。ここで、第２の反射体２４の形成は、可飽和吸収構造体１０中の定在波の腹における必要な輝度に応じて、除外されるものであっても、又は、代わりに不動態化層が形成されるものであってもよい。
【００４１】
以上、要約すれば次の通りである。本発明は、ハイブリッド型可飽和吸収ミラー（ＨＳＡＭ：Ｈｙｂｒｉｄ  Ｓａｔｕｒａｂｌｅ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ  Ｍｉｒｒｏｒ）とも呼び得る可飽和吸収構造体１０に係るものである。ＨＳＡＭの一実施形態は、上部に半導体可飽和吸収構造体が配置された誘電ミラーからなる。吸収体層の高速の回復時間は、ＱＷ半導体材料からなる吸収体層の一側又は両側に接するＲ（反応性）材料からなる特有のコンタクト層を用いたエピタキシャル成長プロセスにより、インサイチューに達成される。可飽和吸収構造体は、典型的には、ＱＷ半導体材料からなる少なくとも２つの吸収体層１３、１３ａ、１３ｂと、Ｒ材料からなる少なくとも２つのコンタクト層１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃとを含み、少なくとも１つのＲ材料は、ＱＷ材料からなる上記吸収体層のそれぞれに接しており、それによって、ＱＷ材料及びＲ材料からなる上記吸収体層及び上記コンタクト層は、多重量子井戸構造体を形成する。可飽和吸収体の上部に、第２の誘電反射体を配置し、吸収構造体の飽和輝度及び群遅延特性を制御するものであってもよい。これによって、散乱及び非飽和性の吸収のような非飽和性損失を招くことなく、同時に、構造的損傷を無視し得る程度に維持しながら、キャリア寿命のピコ秒又はサブピコ秒領域への短縮が可能となり、又、可飽和吸収体サンプル上で大きなスポットサイズを使用することが可能となる。定在波の輝度の、第１の反射体２３及び第２の反射体２４の反射率への依存性は、例えば、周知の転送行列法を用いることにより計算することができる。レーザー波長における可飽和吸収構造体１０の光学厚さが、その波長における定在波の輝度に影響を及ぼすことも、当業者には周知の事実である。又、本明細書において、レーザーと可飽和吸収体との結合については説明を省略したが、可飽和吸収体とレーザーを結合するためには、様々な手段が存在し、本発明に従う可飽和吸収構造体１０は、任意の既知又は新規のデバイス、配置構成、及び目的の用途に適用可能な方法を用いて結合することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明に従う可飽和吸収構造体の実施形態の第１例として、最も簡単な例を放射の方向に平行な断面図で示した図である。この可飽和吸収構造体は、量子井戸半導体（ＱＷ）材料からなる唯一の吸収体層と、Ｒ（反応性）材料からなる１つのコンタクト層を有している。
【図２】図２は、本発明に従う可飽和吸収構造体の実施形態の第２例を、放射の方向に平行な断面図で示した図である。この可飽和吸収構造体は、量子井戸半導体（ＱＷ）材料からなる２つの吸収体層と、荷電キャリアＲ（反応性）材料からなる３つのコンタクト層を有しており、吸収体層のすべての表面は、Ｒ（反応性）材料に接している。コンタクト層は、スペーサ層としても機能するものである。
【図３】図３は、本発明に従う可飽和吸収構造体の実施形態の第３例を、放射の方向に平行な断面図で示した図である。この可飽和吸収構造体は、量子井戸半導体（ＱＷ）材料からなる２つの吸収体層と、荷電キャリアＲ（反応性）材料からなる２つのコンタクト層を有しており、各吸収体層の一方の表面はＲ（反応性）材料に接し、各吸収体層の反対側の表面はＮ（中性）材料からなるスペーサ層に接している。
【図４】図４は、本発明に従う可飽和吸収構造体の実施形態の第４例を、放射の方向に平行な断面図で示した図である。この可飽和吸収構造体は、量子井戸半導体（ＱＷ）材料からなる２つの吸収体層と、荷電キャリアＲ（反応性）材料からなる２つのコンタクト層を有しており、１つの吸収体層の両方の表面はＲ（反応性）材料に接し、別の吸収体層の両方の表面はＮ（中性）材料からなるスペーサ層に接している。
【図５】図５は、本発明に従う複数の可飽和吸収体を備えたファブリー−ペロー・エタロンの一部を、図１から図４と同様の断面図で示した図である。複数の可飽和吸収体は、電磁放射の定在波の腹の位置又はその近傍のそれぞれに１つの可飽和吸収体が位置するように、配置されている。複数の可飽和吸収体は、互いに同様のものであってもよく、又は、互いに異なるものであってもよい。例えば、可飽和吸収体の１つ又はいくつかを、本発明に従う高速のものとし、１つ又はいくつかを低速のものとすることができる。このファブリー−ペロー・エタロンの場合、図１から図４に示す実施形態と同様に半導体基板は除去されており、エタロンは、ヒートシンク上に付着されている。これによって、高エネルギーのレーザーパルスに対応することができる。
【図６】図６は、本発明に従う複数の可飽和吸収体を備えたファブリー−ペロー・エタロンの全体を、図１から図５と同様の断面図で示した図である。複数の可飽和吸収体は、電磁放射の定在波の腹の位置又はその近傍のそれぞれに３つの可飽和吸収体が位置するように、配置されている。複数の可飽和吸収体は、互いに同様のものであってもよく、又は、互いに異なるものであってもよい。１つの腹に対応する１つの可飽和吸収体のグループ中の複数の可飽和吸収体は、高速のものであっても、又は低速のものであっても、又は種々の速度を有するものであってもよい。又、可飽和吸収体のグループ同士が、互いに異なるものであってもよい。このファブリー−ペロー・エタロンの場合も、図１から図４に示す実施形態と同様に半導体基板は除去されており、エタロンは、ヒートシンク上に付着されている。
【図７】図７Ａ〜図７Ｄは、最も多くの構成要素を備えた構造体を得るための製造段階のいくつかにおける、本発明に従う可飽和吸収構造体を、図１から図６と同様の断面図で模式的に示す図である。
【図８】図８は、本発明に従う最も多くの構成要素を備えた可飽和吸収構造体を得るための製造プロセスの主要な段階を示す図である。特定の用途のために必要な場合には、１つ又は複数の最後の段階を省略することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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