(57)【要約】  0.5から5THzの周波数範囲内の波動放出を有し、半導体ヘテロ構造を備えるレーザデバイスに関する。ヘテロ構造は、円柱形を有し、近赤外線スペクトルに属する少なくとも2つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段を含む第1の光学的非線形半導体材料層を備え、2つのウィスパリングギャラリモードが第１の層内に閉じ込められ、0.5から5THzの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード（テラヘルツモード）内の放射の発生を第1の層内で可能にし、放射が2つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、近赤外線スペクトルに属する2つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする。ヘテロ構造は第2の半導体材料層および第3の半導体材料層をさらに備え、少なくとも1つの金属層がヘテロ構造の一方の端部に配置される。
2011524024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５ＴＨｚから５ＴＨｚの周波数範囲の波動放出を有するレーザデバイス（１）であって、半導体ヘテロ構造（２）を備え、前記ヘテロ構造（２）が円形断面をもつ円柱形を有し、
近赤外線スペクトルに属する少なくとも２つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段（１０、１１）を含む第１の光学的非線形半導体材料層（７）であり、前記２つのウィスパリングギャラリモードが前記第１の層（７）内に閉じ込められ、０．５ＴＨｚから５ＴＨｚの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード、すなわちいわゆるテラヘルツモード内の放射の発生を前記第１の層（７）内で可能にし、前記放射が前記２つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、前記近赤外線スペクトルに属する前記２つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする、第１の光学的非線形半導体材料層（７）と、
各々が前記第１の層（７）に使用される材料の光学屈折率よりも弱い光学屈折率を有し、前記第１の層（７）の両側に配置される第２の半導体材料層（８）および第３の半導体材料層（６）と、
前記ヘテロ構造（２）の一方の端部に配置された少なくとも１つの金属層（３、４）と
を備えることを特徴とするデバイス（１）。
【請求項２】
前記円柱状ヘテロ構造（２）が、前記ヘテロ構造（２）の２つの端部間を実質的に延びる中央半絶縁性ゾーン（１４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１）。
【請求項３】
前記デバイス（１）は、各々前記ヘテロ構造（２）の端部に配置された２つの金属層（３、４）を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項４】
前記金属層（３、４）が金で製作されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項５】
前記放出手段が、
１つの量子井戸または複数の量子井戸、
量子ドット（１１）の１つのレイアウト（１０）または複数のレイアウト、
１つの量子カスケード構造または複数の量子カスケード構造
のうちの１つで製造されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項６】
前記第１の層（７）の前記光学的非線形半導体材料が、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ材料またはＩＩ−ＶＩ材料であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項７】
前記第２および第３の層（８、６）の半導体材料が、０．２＜ｘ＜０．６とするＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎＰであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項８】
前記第２の半導体層（８）がｐドープ層であり、前記第３の半導体層（６）がｎドープ層であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項９】
前記第１の層（７）が複数の発光体レイアウト（１０）を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１０】
前記円柱状ヘテロ構造（２）が、それぞれ前記第２の層（８）および前記第３の層（６）を覆う２つの半導体層（９、５）（酸化に抗して保護する層）を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１１】
前記酸化に抗して保護する保護層（９、５）の各々が２ｎｍと１０ｎｍとの間の厚さを有することを特徴とする請求項１０に記載のデバイス（１）。
【請求項１２】
前記第２の層（８）および前記第３の層（６）の厚さが０．５μｍと５μｍとの間にあることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１３】
前記放出手段（１０、１１）のポンピング電流の注入のための２つの電気コンタクト（１２、１３）を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１４】
前記第１の層（７）の厚さが２００ｎｍと４００ｎｍとの間にあることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１５】
前記円柱状ヘテロ構造（２）の直径が３０μｍと１００μｍとの間にあることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１６】
前記第１の層（７）が意図的にドープされていない層であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載のデバイスを統合する低温システム。
【請求項１８】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の複数のデバイスを備えるネットワークであって、前記デバイスの各々が実質的に同じ周波数を有することを特徴とするネットワーク。
【請求項１９】
前記デバイスが、前記様々なデバイスのＴＨｚエバネッセント場を結合させるように互いに十分に接近することを特徴とする請求項１８に記載のネットワーク。
【請求項２０】
前記ネットワークによって放出されたＴＨｚ放射のうちのいくらかが前記ネットワークに再注入されることを特徴とする請求項１８に記載のネットワーク。
【請求項２１】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の複数のデバイス（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６）を備えるネットワーク（２００）であって、前記デバイス（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６）の各々が異なるＴＨｚ周波数を有し、前記にデバイスの各々が個別に制御されることを特徴とするネットワーク（２００）。
【請求項２２】
請求項１から２１のいずれか一項に記載のデバイスを製造する方法であって、
堆積により、半導体基板上に、
犠牲半導体層と、
第１の保護半導体層と、
前記第２の層と同一の半導体材料から形成された層と、
前記第１の層と同一の半導体材料から形成され、放出手段を備える層と、
前記第３の層と同一の半導体材料から形成された層と、
第２の保護半導体層と
を前記基板からこの順序で備える構造をエピタキシャル成長させるステップと、
前記第２の保護層が、事前に金属化されたホスト基板の金属と接するように前記エピタキシャル成長された構造体を前記ホスト基板に移転させるステップと、
機械的研磨により前記半導体基板を薄化するステップと、
残りの厚さに対して前記基板を選択的に化学腐食するステップであり、前記犠牲層がストップ層として使用される、ステップと、
前記犠牲層を選択的に化学腐食するステップであり、前記第１の保護層がストップ層として使用される、ステップと、
前記円柱状ヘテロ構造の直径よりも小さい直径をもつ開口を画定するマスクを製造するステップと、
前記マスクによって保護されないゾーンを半絶縁性にするイオン注入を行うステップと、
前記マスクを除去するステップと、
前記円柱状ヘテロ構造の前記直径に等しい直径をもつ円形金属層を堆積させるステップと、
前記円柱状ヘテロ構造を形成するように前記円形金属層によって覆われていない部分をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記マスクが、前記円柱状ヘテロ構造の前記直径よりも１μｍから２μｍだけ小さい直径をもつ開口を画定することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、０．５ＴＨｚから５ＴＨｚの周波数範囲の波動放出を有するレーザデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁スペクトルのテラヘルツ（ＴＨｚ）領域はマイクロ波と遠赤外との間にあり、５００ＧＨｚ（０．５ＴＨｚ）から５ＴＨｚ（１ＴＨｚは一般に４ｍｅＶのエネルギーまたは他に３００μｍの真空波長に対応する）にわたる。
【０００３】
ＴＨｚ光源は、主として、セキュリティおよび医薬品の分野の分光法および撮像で使用される。また、食料、保護膜、および集積回路の非破壊分析のために短距離自由空間電気通信（例えば建築物の内部の）で使用することができる。ＴＨｚ技術は、文献の「Ｃｕｔｔｉｎｇ−ｅｄｇｅ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（Ｍ．Ｔｏｎｏｕｃｈｉ、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２００７年２月、９７頁）および「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：  ａ  ｌａｎｄ  ｔｏ  ｂｅ  ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ」（Ｍ．  Ｋｏｃｈ、Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｎｅｗｓ、２００７年３月、２１頁）に一般的に説明されている。
【０００４】
ＴＨｚ分光法の範囲内で、広帯域時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳすなわちＴＨｚ時間領域分光法）と単色ＴＨｚ光源（ＣＷすなわち連続波）を使用する分光法とに一般に分類される。本質的に限定された周波数分解能の結果として、ＴＤＳのシステムは、とりわけ、弱いＱによる構造の分光に使用される。実際に、ＴＤＳの典型的な実績によれば、時間ウィンドウは５ＧＨｚの周波数分解能では１００ｐｓである。一方、生成されるＴＨｚ共振が多くの場合１０２と１０６との間のＱを有する連続単色ＣＷ  ＴＨｚ光源は、天体分光学において、または超高層大気で起こる化学反応の研究において、広い分野で応用されている。
【０００５】
ＴＨｚ分光法は、さらに、例えば化学薬剤または爆発性薬剤の検出において民間セキュリティおよび軍事セキュリティに広範囲の用途を有する。分析される製品が気相であるすべての例で、ＣＷ法によって取得されるスペクトルはＴＤＳ法によって得られるスペクトルよりも非常に高い分解能を示す。ＴＤＳ技術は、主に、凝縮相の材料の特性決定に使用される。
【０００６】
ＴＤＳ光源に関して、ガスレーザまたは後進波発振器などの従来のＴＨｚ放射光源は高価で大型である。さらに、固体発振器アセンブリに基づいたＴＨｚ光源も高価である。今日、広帯域ＴＨｚパルスを生成および検出するのに最もしばしば使用されるデバイスは、多くの場合高価で大きいフェムト秒レーザによって励振される光伝導ダイポールアンテナである。このタイプのデバイスは文献の「Ｓｅｎｓｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」（Ｄ．Ｍｉｔｔｌｅｍａｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ  （２００３））に説明されている。
【０００７】
ＣＷタイプの様々な光源も知られている。
【０００８】
ＣＷ単色タイプの第１の既知の光源は光混合の技法を使用し、光ヘテロダインすることにより連続ＴＨｚ波を生成することが可能になる。約８００ｎｍを放出し、数ＴＨｚだけ離調された２つの連続レーザダイオードのビートが半絶縁性ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓなどの半導体の伝導帯に負荷振動をもたらす。
【０００９】
しかし、文献の「Ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ  ｕｐ  ｔｏ  ３．８  ＴＨｚ  ｉｎ  ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｇｒｏｗｎ  ＧａＡｓ」（Ｅ．Ｒ．  Ｂｒｏｗｎ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ６６、２８５、（１９９５））、および「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｗｏ  ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒｓ」（Ｓ．  Ｖｅｒｇｈｅｓｅ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ７３、３８２４  （１９９８））によって実証されているように、これまでに生成されたモデルは非統合システムであり、生成される最大ＴＨｚ出力は比較的低いままであり、約１００ｎＷである。
【００１０】
量子カスケードレーザは、ＴＨｚ範囲をもつ第２のタイプの単色ＣＷ光源である。このタイプの光源は、文献の「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｌａｓｅｒ」、Ｒ．  Ｋｏｈｌｅｒ  等、Ｎａｔｕｒｅ  ４１７、１５６  （２００２）に説明されている。この光源は、増加した出力の生成を可能にするが、調整可能（ｔｕｎｅａｂｌｅ）でなく、かつ低温でしか機能しない。この最後の理由のため、この光源は大型で複雑なシステムである。
【００１１】
ＣＷタイプの第３の既知の光源は周波数変換の技法を使用する。したがって、二次非線形効果が様々な手法による、すなわち
−  文献の「Ｎｏｎｃｏｌｉｎｅａｒ  ｐｈａｓｅ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＧａＡｓ」（Ｌ．  Ａｇｇａｒｗａｌ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ２２、２３９、（１９７３））に説明されているようにバルクＧａＡｓ内で中赤外線レーザ光を混合すること、
−  文献の「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｕｌｓｅｓ  ｉｎ  ＬｉＮｂＯ３」（Ｋ．  Ｈ．  Ｙａｎｇ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  １９、３２０、（１９７１））に説明されているようなＺｎＳｅおよびＬｉＮｂＯ３、または文献の「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎａｒｒｏｗ−ｂａｎｄ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｖｉａ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅｓ  ｉｎ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ」（Ｙ．−Ｓ．  Ｌｅｅ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ７６、２５０５  （２０００））に説明されているような周期的分極反転ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮすなわち周期的分極反転ニオブ酸リチウム）などの結晶に近赤外線超短パルスを加えることによるＴＨｚ発生および増幅に使用される。
【００１２】
ＴＨｚ範囲（〜１ｃｍ−１）における高い非線形係数および低い損失の結果として、ＧａＡｓはこれらの用途に最適な材料である。文献の「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ＧａＡｓ」（Ｋ．  Ｌ．  Ｖｏｄｏｐｙａｎｏｖ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８９、１４１１１９、（２００６））は、３μｍに近い２つのポンプビームを使用することによって１０−３の変換効率をもつ周期的分極反転ＧａＡｓでの０．９ＴＨｚから３ＴＨｚのＴＨｚ波の発生を説明している。
【００１３】
しかし、これらのシステムのどれもコンパクトでないかまたは研究所の外では使用することが容易でない。
【００１４】
文献の「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｐｈａｓｅ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＴＨｚ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ｖ．  ＢｅｒｇｅｒおよびＣ．  Ｓｉｒｔｏｒｉ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １９、９６４  （２００４））は、２つの近ＩＲ（赤外）ポンプビームとリッジ型導波路中に生成されるＴＨｚビームとを位相同調させるためにＧａＡｓのフォノン帯域による吸収によって生成される異常分散を利用することを提案しているが、この提案はまだ実験されていない。さらに、他の解決策と同様に、それはコンパクトなシステムの取得を可能にしない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】「Ｃｕｔｔｉｎｇ−ｅｄｇｅ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（Ｍ．Ｔｏｎｏｕｃｈｉ、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２００７年２月、９７頁）
【非特許文献２】「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：  ａ  ｌａｎｄ  ｔｏ  ｂｅ  ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ」（Ｍ．  Ｋｏｃｈ、Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｎｅｗｓ、２００７年３月、２１頁）
【非特許文献３】「Ｓｅｎｓｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」（Ｄ．Ｍｉｔｔｌｅｍａｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ  （２００３））」
【非特許文献４】「Ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ  ｕｐ  ｔｏ  ３．８  ＴＨｚ  ｉｎ  ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｇｒｏｗｎ  ＧａＡｓ」（Ｅ．Ｒ．  Ｂｒｏｗｎ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ６６、２８５、（１９９５））
【非特許文献５】「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｗｏ  ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒｓ」（Ｓ．  Ｖｅｒｇｈｅｓｅ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ７３、３８２４  （１９９８））
【非特許文献６】「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｌａｓｅｒ」、Ｒ．  Ｋｏｈｌｅｒ  等、Ｎａｔｕｒｅ  ４１７、１５６  （２００２）
【非特許文献７】「Ｎｏｎｃｏｌｉｎｅａｒ  ｐｈａｓｅ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＧａＡｓ」（Ｌ．  Ａｇｇａｒｗａｌ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ２２、２３９、（１９７３））
【非特許文献８】「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｕｌｓｅｓ  ｉｎ  ＬｉＮｂＯ３」（Ｋ．  Ｈ．  Ｙａｎｇ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  １９、３２０、（１９７１））
【非特許文献９】「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎａｒｒｏｗ−ｂａｎｄ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｖｉａ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｐｕｌｓｅｓ  ｉｎ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ」（Ｙ．−Ｓ．  Ｌｅｅ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ７６、２５０５  （２０００））
【非特許文献１０】「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ＧａＡｓ」（Ｋ．  Ｌ．  Ｖｏｄｏｐｙａｎｏｖ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８９、１４１１１９、（２００６））
【非特許文献１１】「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｐｈａｓｅ  ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＴＨｚ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」（Ｖ．  ＢｅｒｇｅｒおよびＣ．  Ｓｉｒｔｏｒｉ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  １９、９６４  （２００４））
【非特許文献１２】「Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ−ｍｏｄｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｄｏｕｂｌｙ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」（Ｙ．  ＤｕｍｅｇｉｅおよびＰ．  Ｆｅｒｏｎ、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ａ  ７４、０６３８０４（２００６））
【非特許文献１３】「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｑｕａｎｔｕｍ−ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ  ａｔ  λ  ＝  １００μｍ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ」（Ｂ．  Ｓ．  Ｗｉｌｌｉａｍｓ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８３、２１２４  （２００３））
【非特許文献１４】「Ｅｖｉｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｃａｓｃａｄｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｄｕａｌ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ」（Ｋ．  Ｊ．  Ｆｒａｎｚ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９０、０９１１０４  （２００７））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
これに鑑みて、本発明の目的は、０．５ＴＨｚから５ＴＨｚの周波数範囲の光波放出を有し、大きい、複雑、およびコストという点で上述の欠点を克服することを可能にするコンパクトなレーザデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的のために、本発明は、半導体ヘテロ構造を備える０．５ＴＨｚから５ＴＨｚの周波数範囲の波動放出を有するレーザデバイスを提案し、前記デバイスは、前記ヘテロ構造が円形断面をもつ円柱形であり、
−  近赤外線スペクトルに属する少なくとも２つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段を含む第１の光学的非線形半導体材料層であり、少なくとも２つのウィスパリングギャラリモードが第１の層内に閉じ込められ、０．５ＴＨｚから５ＴＨｚの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード、すなわち「テラヘルツ」モード内の放射の発生を第１の層内で可能にし、放射が２つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、近赤外線スペクトルに属する２つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする、第１の光学的非線形半導体材料層と、
−  各々が第１の層に使用される材料の光学屈折率よりも弱い光学屈折率を有し、第１の層の両側に配置される第２の半導体材料層および第３の半導体材料層と、
−  ヘテロ構造の一方の端部に配置された少なくとも１つの金属層と
を備えることを特徴とする。
【００１８】
「近赤外線」は、０．７μｍと１．４μｍとの間の波長をもつ放射を意味する。
【００１９】
「ウィスパリングギャラリモード」は、材料の屈折率がそれを囲む媒体（すなわち空気）よりも大きい材料で製造されたマイクロキャビティを形成する第１の層の内側円柱状壁による光線の反射の結果生じるモードを意味する。光線は、一般に、円柱状壁に沿って閉じ込められたままであり、マイクロキャビティの中心を通過しない。
【００２０】
本発明によって、ＴＨｚ波は、近赤外線スペクトルに属し、マイクロ円柱タイプのマイクロキャビティを形成する前記第１の中央層に存在する２つのウィスパリングギャラリモードからの周波数差（すなわちパラメトリックコンバージョン）によって生成され、マイクロ円柱の半導体−空気インターフェイスによる反射はＴＨｚウィスパリングギャラリモードの形成をもたらす。非常に高いＱをもつウィスパリングギャラリモードは量子ドットまたは量子井戸などの発光体によって励起される。発光体は好ましくは電気的にポンプされるが、光学的にポンプされてもよい。
【００２１】
本発明によるデバイスは、ＴＨｚ電磁放射の連続的放出または準連続的放出を可能にする。
【００２２】
第１の円柱層の内部に発光体をもつ本発明の円柱形状は、コンパクトな光源内で高いＴＨｚ出力を生成するのを可能にする。ＧａＡｓなどの光学的非線形半導体材料で製作された第１の中央層の円柱対称性は、光学ウィスパリングギャラリモードとＴＨｚモードとの間の位相同調を促進する。
【００２３】
円柱状ヘテロ構造の一方の端部に配置された金属層は、金属プラズモンガイドの原理に従ってＴＨｚモードの垂直閉じ込めを確実にする。この閉じ込めにより、非線形変換収率の効率を向上させることが可能になる。金属層は、発光体の電気的ポンピングの場合に電荷キャリアの注入も可能にする。
【００２４】
本発明による形状により、さらに、様々な層の厚さ、特に、ＡｌＧａＡｓなどの半導体材料で製作された第２および第３の層の厚さを操作することによって、光学ウィスパリングギャラリモードの垂直閉じ込めとＴＨｚモードの垂直閉じ込めとを同時にかつ独立して最適化することが可能になる。これにより、光学モードとＴＨｚモードとの間の回収率を最大にすることが可能になる。第２および第３の層は、ミラーと、発光体を含む活性層との間の間隔を調整することを可能にするだけではなく、ＴＨｚモードの横方向光学的閉じ込めを達成することも可能にすることに留意されたい。
【００２５】
狭くなることのない円柱形態の結果、本発明による形状は、さらに、基板の方への熱の良好な排出を行い、レーザの特性のうちの出力の安定性が確実になり、非線形ＴＨｚ発生に適合するレーザ出力に達することが可能になる。
【００２６】
本発明の特に有利な形態によれば、前記円柱状ヘテロ構造は、前記ヘテロ構造の２つの端部間を実質的に延びる中央半絶縁性ゾーンを含む。
【００２７】
前記デバイスが電気的にポンプされる場合、この中央ゾーンは本発明によるデバイスの性能を改善するのを可能にするが、それは、ポンピング電流が、デバイスの活性ゾーン、すなわち、近赤外線ウィスパリングギャラリモードをサポートする第１の活性層の周囲を効果的に運ばれるからである。
【００２８】
本発明によるデバイスは、さらに、個別にまたは任意の技術的に実現可能な組合せで考慮される、以下の特徴の１つまたは複数を示すことができる。
−  本発明による前記デバイスは、各々が前記ヘテロ構造の端部に配置される２つの金属層を備える、
−  前記の１つまたは２つの金属層は金で製作される、
−  前記放出手段は、
−  １つの量子井戸または複数の量子井戸、
−  量子ドットの１つのレイアウトまたは複数のレイアウト、
−  １つの量子カスケード構造または複数の量子カスケード構造
のうちの１つで製造される、
−  前記第１の層の前記光学的非線形半導体材料は、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ材料またはＩＩ−ＶＩ材料である、
−  前記第２および第３の層の半導体材料は、０．２＜ｘ＜０．６とするＡｌｘＧａ１−ｘＡｓまたはＩｎＰである、
−  前記第２の半導体層はｐドープ層であり、前記第３の半導体層はｎドープ層である、
−  前記第１の層は複数の発光体レイアウトを含む、
−  前記円柱状ヘテロ構造は、それぞれ前記第２の層および前記第３の層を覆う２つの半導体層（酸化に抗して保護する層）を備える、
−  前記酸化に抗して保護する層の各々は２ｎｍと１０ｎｍとの間の厚さを有する、
−  前記第２の層および前記第３の層の厚さは０．５μｍと５μｍとの間にある、
−  本発明によるデバイスは、前記放出手段のポンピング電流の注入のための２つの電気コンタクトを備える、
−  前記第１の層の厚さは２００ｎｍと４００ｎｍとの間にある、
−  前記円柱状ヘテロ構造の直径は３０μｍと１００μｍとの間にある、
−  前記第１の層は意図的にドープされていない層である。
【００２９】
本発明は、さらに、本発明によるデバイスを統合する低温システムに関する。
【００３０】
本発明は、さらに、本発明による複数のデバイスを備え、前記デバイスの各々が実質的に同じ周波数を有することを特徴とするネットワークに関する。
【００３１】
第１の実施形態によれば、ネットワーク中の前記デバイスが、様々なデバイスのＴＨｚエバネッセント場を結合させるように互いに十分に接近している。
【００３２】
第２の実施形態によれば、前記ネットワークによって放出されたＴＨｚ放射のうちのいくらかが前記ネットワークに再注入される。
【００３３】
本発明は、さらに、本発明による複数のデバイスを備え、前記デバイスの各々が異なるＴＨｚ周波数を有し、前記デバイスの各々が個別に制御されることを特徴とするネットワークに関する。
【００３４】
最後に、本発明は、本発明によるデバイスを製造する方法に関し、前記方法が、
−  堆積により、半導体基板上に、
−  犠牲半導体層と、
−  第１の保護半導体層と、
−  前記第２の層と同一の半導体材料から形成された層と、
−  前記第１の層と同一の半導体材料から形成され、放出手段を備える層と、
−  前記第３の層と同一の半導体材料から形成された層と、
−  第２の保護半導体層と
を基板からこの順序で備える構造をエピタキシャル成長させるステップと、
−  第２の保護層が事前に金属被覆されたホスト基板の金属と接するように前記エピタキシャル成長された構造体を前記ホスト基板に移転させるステップと、
−  機械的研磨により前記半導体基板を薄化するステップと、
−  残りの厚さに対して前記基板を選択的に化学腐食するステップであり、前記犠牲層がストップ層として使用される、ステップと、
−  前記犠牲層を選択的に化学腐食するステップであり、前記第１の保護層がストップ層として使用される、ステップと、
−  円柱状ヘテロ構造の直径よりも小さい直径をもつ開口を画定するマスクを製造するステップと、
−  前記マスクによって保護されないゾーンを半絶縁性にするイオン注入を行うステップと、
−  前記マスクを除去するステップと、
−  円柱状ヘテロ構造の直径に等しい直径をもつ円形金属層を堆積させるステップと、
−  円柱状ヘテロ構造を形成するように前記円形金属層によって覆われていない部分をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする。
【００３５】
前記マスクは、有利には、円柱状ヘテロ構造の直径よりも１μｍから２μｍだけ小さい直径をもつ開口を画定する。
【００３６】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付図面を参照しながら指摘および非限定の例によって以下に与えられる説明を読むときより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１ａ】本発明によるレーザデバイスの一実施形態を示す図である。
【図１ｂ】本発明によるレーザデバイスの一実施形態を示す図である。
【図１ｃ】本発明によるレーザデバイスの一実施形態を示す図である。
【図２ａ】図１ａから１ｃで示されたようなデバイスを製造する方法のステップを示す図である。
【図２ｂ】図１ａから１ｃで示されたようなデバイスを製造する方法のステップを示す図である。
【図２ｃ】図１ａから１ｃで示されたようなデバイスを製造する方法のステップを示す図である。
【図２ｄ】図１ａから１ｃで示されたようなデバイスを製造する方法のステップを示す図である。
【図２ｅ】図１ａから１ｃで示されたようなデバイスを製造する方法のステップを示す図である。
【図２ｆ】図１ａから１ｃで示されたようなデバイスを製造する方法のステップを示す図である。
【図３】本発明による複数のデバイスを統合し、アジャイル周波数光源を形成するネットワークの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
すべての図面において、同様の構成要素は同様の参照番号によって表される。
【００３９】
図１ａは、本発明によるレーザデバイス１の一実施形態を示す。
【００４０】
図１ｃは、前記デバイス１の垂直面に沿った断面図である。
【００４１】
本発明によるデバイス１はＴＨｚ電磁波の連続または準連続光源である。ＴＨｚ放射の発生は、ウィスパリングギャラリモード半導体マイクロレーザの２つの光学モードからのパラメトリック変換（すなわち周波数差）によって確実にされる。
【００４２】
したがって、デバイス１は円柱状半導体ヘテロ構造２を備え、その端部は各々それぞれ上部ミラー３および下部ミラー４を形成する金属層（例えば、金で製作される）によって覆われる。円柱状ヘテロ構造２の直径は一般に３０μｍと１００μｍとの間にある。
【００４３】
前記半導体ヘテロ構造２は、良好な電気的および熱的伝導体であるホスト基板１５、例えば金属基板またはドープしたＧａＡｓ基板上に配置される。
【００４４】
図１ｂは、円柱状半導体ヘテロ構造２の様々な層を示す。
【００４５】
したがって、前記ヘテロ構造２は、下から上に、
−  下部ミラー４、
−  ｎドープＧａＡｓの薄層５（数ｎｍ、一般に２ｎｍと１０ｎｍとの間）、
−  光学屈折率がＧａＡｓのものよりも弱く、厚さが、例えば、０．５μｍと５μｍとの間、好ましくは０．５μｍと３μｍとの間にあるｎドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ混合物（一般に、０．２＜ｘ＜０．６である）の層６、
−  活性層７、
−  光学屈折率がＧａＡｓのものよりも弱く、厚さが、例えば、０．５μｍと５μｍとの間、好ましくは０．５μｍと３μｍとの間にあるｐドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ混合物（一般に、０．２＜ｘ＜０．６である）の層８、
−  ｎドープＧａＡｓの薄層９（数ｎｍ、一般に２ｎｍと１０ｎｍとの間）、
−  上部ミラー３
を備える。
【００４６】
活性層７は、意図的にドープされておらず、一般に２００ｎｍと４００ｎｍとの間（例えば３００ｎｍ）の厚さを有するＧａＡｓの層である。ＧａＡｓの層７は、さらに、放出媒体、この例では量子ドット１１の複数のレイアウト１０を含み、量子ドットの単一のレイアウトが十分であることもあり、１つまたは複数の量子井戸を使用することもできる。この場合、放出媒体は電気的にポンプされる。２つの電気コンタクト１２および１３がこの目的のために設けられ、図１ａに示されるようなデバイス１の垂直面に沿った断面図である図１ｃに示される。この例では、コンタクト１２は上部ミラー３上に形成され、したがって、それは上部注入電極としても働く。コンタクト１３はホスト基板１５の裏面に形成される（他のコンタクト構成を想定することもできることが製造方法の説明から分かるであろう）。電気的にポンプされる放出媒体は、当然、半導体ヘテロ構造２の十分なドーピングを意味する。上述のように、したがって、下部ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層６と下部ミラー４に接する薄いＧａＡｓ層５とはｎドープされ、一方、上部ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層８と上部ミラー３に接する薄いＧａＡｓ層９とはｐドープされる。
【００４７】
薄い層５および９は、図１ａおよび１ｃの簡略化のために図１ｂにのみ示されていることに留意されたい。
【００４８】
放出媒体１０は、近赤外線スペクトル中の複数の光学ウィスパリングギャラリモードからレーザ光を同時に生成するのに必要な利得を供給する。既に上述したように、「近赤外線」は０．７μｍと１．４μｍとの間の波長をもつ放射を意味し、「光学ウィスパリングギャラリモード」は円柱状マイクロキャビティを形成するＧａＡｓ層の内壁７上での光線の反射に起因するモードを意味する。光線は壁に沿って閉じ込められたままであり、マイクロキャビティの中心を通過しない。ＴＨｚモードは、２つのウィスパリングギャラリモードからの周波数差によって生成される。パラメトリック発生を達成する際の問題は、当業者に「位相同調」として知られているものの必要性と関連しており、波長による光学屈折率の分散の結果、相互作用する異なる波動（近ＩＲ光学モードおよびＴＨｚモード）は材料内において同じ速度で移動しない。これは、非線形相互作用が急速に破壊的になることがあり、プロセスの効率が低下することを意味する。したがって、効率的なパラメトリック発生を達成するために、伝搬の全長に沿って発展的な相互作用を維持する位相同調を達成することが必要である。デバイス１の円柱形状により、マイクロレーザの２つのモードとその周波数差からのＴＨｚモードとの間の位相同調を達成することが可能になる。例えば、文献の「Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ−ｍｏｄｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｄｏｕｂｌｙ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｓｅｃｏｎｄ−ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」（Ｙ．  ＤｕｍｅｇｉｅおよびＰ．  Ｆｅｒｏｎ、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ａ  ７４、０６３８０４  （２００６））に説明されている最近の研究は、ウィスパリングギャラリモードの巧妙な選択により、ＧａＡｓマイクロ円柱内の疑似位相同調が達成され、周波数が２倍にされると効率的な非線形相互作用が潜在的に達成され得ることを示している。
【００４９】
ＧａＡｓベース活性層７を使用すると、この材料に関連する重要な利点、すなわち
−  非常に成熟した技術、
−  高い光学屈折率、
−  高い非線形係数
がもたらされる。
【００５０】
第１のポイントがコンパクトなデバイスを低コストで製造するのを可能にする一方、高い光閉じ込めおよび高い非線形は高い変換率を生じさせることができる。
【００５１】
２つの近ＩＲウィスパリングギャラリモードの閉じ込めは活性層７によって確実にされる。活性層７の円柱形状は近赤外光（λ〜１μｍ）の垂直閉じ込めを確実にし、このマイクロ円柱層７の半導体−空気インターフェイスによる反射が近赤外線ウィスパリングギャラリモードを生じさせる。ウィスパリングギャラリモードは、偏波（横電界（ＴＥ）または横磁界（ＴＭ））によって、および垂直次数（円柱の垂直方向に生じるモードの次数に対応する）、径方向次数（円柱の光線に伴うモードの次数に対応する）、および方位角次数を特徴づける３つの整数によって特徴づけられる。対照的に、活性層７はＴＨｚモードの閉じ込めができない。
【００５２】
ＴＨｚモードの垂直閉じ込めは上部ミラー３および下部ミラー４によって確実にされる。これらの２つの金属ミラー３および４はＴＨｚ電磁波用のガイドを形成し、ＴＨｚ波用のプラズモン金属ガイドの原理に従ってＴＨｚモードの垂直閉じ込めを確実にし、このタイプの閉じ込めは文献の「Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｑｕａｎｔｕｍ−ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ  ａｔ  λ＝  １００μｍ  ｕｓｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｆｏｒ  ｍｏｄｅ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ」（Ｂ．  Ｓ．  Ｗｉｌｌｉａｍｓ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８３、２１２４  （２００３））に説明されている。この閉じ込めにより、本発明によるデバイス１の範囲内で非線形変換率の効率を向上させることが可能になる。プラズモン金属ガイドの原理は単一ミラーで利用することもできる（この場合、単一ミラーの存在はＴＨｚモードの閉じ込めに損失をもたらすことになるが、ＴＨｚモードの垂直閉じ込めはやはりプラズモンタイプであり、単一ミラーは発光体の光励振を可能にする）ことに留意されたい。マイクロ円柱７の半導体−空気インターフェイスによる反射はＴＨｚウィスパリングギャラリモードの形成をもたらす。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層６および８により、金属ミラー３および４からより遠く離して導波モードを移動させること、および金属での吸収による光学損失を制限することが可能になる。中央活性ＧａＡｓ層に閉じ込められた赤外線光学モードはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層６および８に「滲出する」傾向を有する。しかし、金属ミラーが中央層に接近し過ぎている場合、赤外光学モードは金属に吸収される可能性がある。したがって、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層６および８の厚さは赤外光学モードの損失を最小にするように選択される。それにより、層６および８は活性層７とミラー３および４との間のスペーサとして働く。高い屈折率の結果として、これらの層６および８もＴＨｚモードの横方向閉じ込めを確実にする。
【００５３】
図１ｃに示されるようなデバイス１の垂直断面は、ヘテロ構造２の中央部分に対応する半絶縁性ゾーン１４を示す。このゾーン１４は実質的に円柱状である（ヘテロ構造２によって形成される円柱と同心）。製造方法の説明を参照して後で分かるように、この半絶縁性ゾーン１４は、例えばイオン注入のステップによって得ることができる。このゾーン１４により、本発明によるデバイス１の性能を改善することが可能になるが、それは、ポンピング電流が要するにデバイスの活性ゾーン、すなわち近赤外線ウィスパリングギャラリモードをサポートする活性ＧａＡｓ層７の周囲を効果的に運ばれるからである。矢印はデバイス１内のポンピング電流の経路を示す。
【００５４】
本発明によれば、同じ半導体ヘテロ構造２がポンプレーザ光源および周波数変換の機能を確実にする。この手法は、光学位置合わせの問題をすべて克服するのを潜在的に可能にし、本発明によるデバイス１のパッケージングを著しく簡易化する。それにより、非常にコンパクトなＴＨｚ放射放出デバイス１がもたらされる。
【００５５】
本発明の範囲から逸脱することなく、ｐドープ層とｎドープ層を逆にする（すなわちｎドーピングの層を上位に、およびｐドーピングの層を下位に移動させる）ことも可能であり、電気コンタクトポイントは、当然、ドーピングのタイプに適合していなければならないことになることに留意されたい。
【００５６】
本発明によるデバイス１のサイズ設定の純粋に例示的な例を以下で見いだすことができ、ウィスパリングギャラリモード間のスペクトル分離は導波モードの実効屈折率および円柱の直径に依存することが知られている。したがって、直径は、所望のスペクトル範囲内のＴＨｚ放出を得るように、および２つの近赤外線モードとＴＨｚモードとの間の位相同調を達成するように選択されることになる。以下のパラメータ、すなわち
−  ＧａＡｓ活性ガイド層７の厚さ：  ３２５ｎｍ、
−  光閉じ込めスペーサ層６および８の組成および厚さ：  Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ、２８００μｍ、
−  円柱状ヘテロ構造２の直径：  ４２μｍ
によって画定される構造が次に例として検討される。
【００５７】
上記で与えられた例では、この構造のウィスパリングギャラリモードの計算の示すところによれば、近赤外線モードＴＥ０，１，９４６（λ＝０．９１７μｍ）およびＴＥ０，１，９４８（λ＝０．９０５μｍ）とＴＨｚモードＴＭ０，１，４（λ＝７０μｍすなわち４．３ＴＨｚ）との間で位相同調が得られる。
【００５８】
放出媒体の選択に関して、発光体として１つまたは複数の量子井戸を使用するウィスパリングギャラリモードマイクロレーザは、閾値電流よりも著しく大きい注入電流で単一モード挙動を示す傾向があることに留意されたい。量子井戸の利得曲線の広がりは実際には本来均一であり、それは閾値を超えるモード間の競合を可能にする。この場合、利得曲線は、量子ドットのサイズ分散に起因する非常に不均一な広がり（ＧａＡｓ中のＩｎＡｓドットでは６０ｍｅＶから１００ｍｅＶ）を当然示すので、量子ドットは潜在的により効果的な解決策をもたらす。この状況下で、複数のウィスパリングギャラリモードを活性媒質の増幅帯域中に見いだすことができる。周囲温度での約１０ｍｅＶの利得の均一な幅は不均一な幅よりも著しく少なく、それにより、複数のウィスパリングギャラリモードに対するレーザ効果を観測することが可能になる。
【００５９】
本発明によるレーザデバイス１の性能に関しては、マイクロ円柱形状の方がマイクロ円盤のものより大きい。というのは、マイクロ円柱形状は基板の方への熱の良好な排出を可能にし、それによりレーザの特性のうちの出力の安定性を確実にし、非線形ＴＨｚ発生に適合するレーザ出力を達成するのを可能にするからである。
【００６０】
内部に発光体をもつ本発明によるデバイス１の円柱形状は、コンパクトな光源内で高いＴＨｚ出力を生成するのを可能にする。この形状は以下の利点をもたらす。
−  中央ＧａＡｓ部分の円柱対称性は光学モードとＴＨｚモードとの間の位相同調を促進する。
−  この形状は、様々な層（特にＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層）の厚さを操作することによって、光学ウィスパリングギャラリモードおよびＴＨｚモードの垂直閉じ込めを同時にかつ独立して最適化するのを可能にする。これにより、光学モードとＴＨｚモードとの間の重なりを最大にすることが可能になる。
−  半絶縁性中央ゾーンは、光学ウィスパリングギャラリモードをサポートする中央ＧａＡｓ層の周辺に電荷キャリアを効果的に注入するのを可能にする。
−  円柱形状は、基板の方への熱の良好な排出を可能にし、レーザの特性のうちの出力の安定性を確実にし、非線形ＴＨｚ発生に適合するレーザ出力を達成するのを可能にする。
【００６１】
本発明によるデバイスの詳細のうちの１つは、マイクロ円柱マイクロキャビティにおける非線形ＴＨｚ作用の発生源としての電気的に電力供給される放出媒体を統合することであることに留意されたい。本発明の範囲で説明されるウィスパリングギャラリモードを使用する形状はこの統合を可能にする。本発明によれば、放出媒体はマイクロ円柱内にあり、潜在的に経済的に実行可能でコンパクトなＴＨｚ光源をもたらすのはこの統合である。
【００６２】
図２ａから２ｆは、本発明によるデバイス１を製造する方法の様々なステップを示す。
【００６３】
図２ａに示された第１のステップはエピタキシャル成長のステップによって構成され、半導体ヘテロ構造の様々な層が得られる。半導体ヘテロ構造は、分子ジェットエピタキシ（ＭＪＥ）または有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）などの従来の成長技法によって入念に作られる。一般に０．５μｍの厚さを超えるＧａＡｓ緩衝層（図示せず）（基板１００の表面よりも良好な品質の表面を得るために）、ＡｌＡｓ犠牲層１０１（０．５μｍ）、次に２つの金属ミラーの間に図１ｂに示されるような以下のシーケンス、すなわち、
ＧａＡｓ−ｐ（図示せず）／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ−ｐ（参照１０２）／ＧａＡｓ−ｎｉｄ（参照１０３）／ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ−ｎ（参照１０４）／ＧａＡｓ−ｎ（図示せず）
による様々な半導体層がＧａＡｓ基板１００（＜１００＞に方向づけられた）に堆積される。
【００６４】
意図的にドープされないＧａＡｓ層１０３の成長は、近赤外線発光体（量子井戸または量子ドットレイアウト）を挿入するために１回または複数回中断される。薄いｎドープＧａＡｓ層は酸化からｎドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層１０４を保護する。
【００６５】
図２ｂを参照すると、次に、第１のステップにより得られたエピタキシャル成長層は裏返され、金属被覆層４（下部ミラーを形成する前記金属被覆）によって事前に金属被覆されたホスト基板１０５に接着によって移転される。ホスト基板１０５は、良好な熱的および電気的伝導体である基板、例えば金属基板またはドープしたＧａＡｓ基板である。次に、当初のＧａＡｓ基板１００は、約５０μｍの厚さが達成されるまで機械的研磨によって薄化される。次に、残りの基板が、ストップ層としてＡｌＡｓ犠牲層１０１を使用して選択的化学腐食によって除去される。ＧａＡｓ緩衝層は基板１００と同時に除去されることに留意されたい。最後に、ＡｌＡｓ犠牲層１０１がさらなる技術ステップでＧａＡｓ−ｐ層（図示せず）の表面を解放する新しい選択的な化学腐食によって除去される。前記薄いＧａＡｓ−ｐ層は下にあるｐドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層１０２を酸化から保護する。
【００６６】
図２ｃは、中央部分１４（円柱状ヘテロ構造の半絶縁性中央部分に対応する）の伝導率を抑制するステップを示す。これを行うために、円柱状ヘテロ構造の最終円柱よりもわずかに小さい（一般に、少なくとも１μｍから２μｍ）直径をもつ開口を樹脂マスクに画定するリソグラフィの第１のレベルが実行される。次に、保護されていないゾーンを半絶縁性にするイオン注入のステップが実行される。必要ならば、イオン注入に関してより頑強なハードマスクを適宜使用することができる。樹脂マスクおよびオプションのハードマスクはこのステップの終わりに除去される。
【００６７】
図２ｄは、上部ミラーの堆積およびヘテロ構造の円柱形状の画定のステップを示す。これのために第２のレベルのリソグラフィが使用され、それは、第１のレベルと位置合わせされ、円柱状ヘテロ構造の直径と等しい直径を有する円形上部金属ミラー３を「リフトオフ」タイプの方法によって画定するのを可能にする。次に、上部金属ミラー３がエッチングマスクとして直接使用される。このエッチングマスク３は、例えばクロムで製作される追加の金属層の堆積によって適宜補強することができる。次に、円柱形状は塩素化ガスの混合物を使用する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって画定される。図２ｄは、下から上に、
−  下部ミラー４、
−  薄いｎドープＧａＡｓ層（図示せず）、
−  ｎドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ混合物層６、
−  活性層７、
−  ｐドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ混合物層８、
−  薄いｎドープＧａＡｓ層９（図示せず）、
−  上部ミラー３、
−  半絶縁性中央ゾーン１４
を含む円柱状半導体ヘテロ構造２を示す。
【００６８】
図２ｅは、上部電極を形成する上部ミラー３にコンタクトさせるステップを示し、このステップは上部ミラー３へのワイヤのマイクロ溶接１２によって直接実行される。マイクロ溶接１１２による同じ方法で下部ミラー４とのコンタクトが行われる。マイクロ溶接は、図１ｃに示されるように、裏面に（金属またはドープした半導体ホスト基板上に直接）実行することもできることに留意されたい。
【００６９】
平坦化１１３と中心から外れたコンタクトパッドの堆積との追加のステップ（追加のリソグラフィのステップ）を意味するコンタクトさせるステップを図２ｆに従って実行することもできる。
【００７０】
上述の製造方法は、本発明による複数のデバイスの並行製造に適合しており、それにより、アジャイル周波数光源と呼ばれる高出力ＴＨｚ発生または選択的周波数光源の用途用のＴＨｚ放出マトリクスを製造することが可能になる。
【００７１】
アジャイル周波数光源２００の一例が図３に示される。この光源２００は本発明による複数のＴＨｚデバイス、この例では、発光体のこのネットワーク内に異なるＴＨｚ周波数（それぞれｆ１からｆ６）で放出する６個のデバイス２０１から２０６を含む。異なる周波数の発光体２０１から２０６は、（それぞれの制御手段３０１から３０６を介して）個別にアドレス指定することができ、それにより、アジャイル周波数光源を形成することが可能になる。
【００７２】
さらに、位相発光体のネットワーク内で本発明による複数のＴＨｚ放出デバイスを使用することも可能であり、発光体のネットワークを製造する利点は２つあることに留意されたい。まず、放出されるＴＨｚ出力を増加させるために同一の発光体のマトリクスを設けることが有用である場合がある。異なる発光体の位相整合はこの増加を促進することができる。異なる発光体のこの位相整合は、２つの異なる方法、すなわち
１）異なるデバイスのＴＨｚエバネッセント場を結合させるように本発明による異なるＴＨｚ放出デバイスをわずかの波長（数ミクロン）だけ互いに近づけることによって、
２）放出デバイスのマトリクスによって放出されたＴＨｚ放射のうちのいくらかをマトリクス自体に再注入する光学デバイスを使用することによって
達成することができる。
【００７３】
当然、本発明によるデバイスおよび方法は、図１から３を参照しながら指摘および非限定の例によって上述された実施形態に限定されない。
【００７４】
特に、円柱状半導体ヘテロ構造は、例えばＩＩＩ−Ｖ半導体材料またはＩＩ−ＶＩ半導体材料の別の群から形成することができる。特に有用な系はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系であり、多くの場合これを使用して、この系の表面非発光再結合機構の比較的低い効率の結果として周囲温度で作動するマイクロレーザが製造される。例えば、ＩｎＰ：ｎ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ：ｐタイプの導波路構造およびＩｎＧａＡｓ量子井戸またはＩｎＡｓ量子ドットを放出媒体として使用することができる。
【００７５】
半導体ヘテロ構造は、近赤外線導波モードの光閉じ込めを最適化するかまたは構造への電気的注入を容易にするように変更することもできる。段階的組成閉じ込め層（ＧＲＩＮＳＣＨ構造）などの従来のレーザダイオードで開発された技術的解決策は、当然、この場合に実行することができる。
【００７６】
さらに、上述の実施形態では、導波路は単一モードＴＥであり、パラメトリック発生に必要とされる２つの近赤外線モードは、ＴＥ１，１，ｍタイプである（上述のように、最初の２つの数字は円柱の垂直方向のモードの次数および光線の方向のモードの次数を意味し、ｍはモードの方位角次数を意味する）。しかし、円柱は、同様に利用することができるより大きい半径方向指数の他のウィスパリングギャラリモードを有する。さらに、中央ＧａＡｓ層の厚さまたはＡｌＧａＡｓ閉じ込め層のアルミニウム組成を増加させることによって、導波モードの数を増加させることが可能である。ｋ  ＴＥ導波モードを有するガイドでは、円柱は、｛ＴＥｈ，ｎ，ｍ｝タイプ（ここで、ｎおよびｍは固定され、ｈは１とｋとの間の整数である）のｋ群のウィスパリングギャラリモードを有することになる。これらの群の追加のウィスパリングギャラリモードが存在すると、周波数差によるＴＨｚ発生のための位相同調を達成するのに可能な組合せの選択が広がる。
【００７７】
図１を参照して既に説明したように、ＴＨｚモードを閉じ込めるために単一の金属ミラーを使用することも可能である。他方の金属層は、ＴＨｚ導波特性を同様に有するドープした半導体層と置き替わることができる。この変形の利点は、さらなる基板への構造体の移転の技術的ステップを避けることが可能になることである。したがって、ドープした半導体層が成長の間に挿入され（図２ａ）、最終的に、構造体の最下部の金属層に取って代わる。さらなる基板への移転の図２ｂに対応するステップは省略され、成長基板が節約される。手順の残りは同一である。
【００７８】
上述の本発明によるデバイスは活性媒体の電気的ポンピングを可能にすることにも留意されたい。このポンピングはレーザで光学的に実行することができる。この場合、キャリアの電気的注入のための半導体構造として働くｎドープ層およびｐドープ層と、イオン注入のステップとは必要ではない。対照的に、ドープした半導体層で最下部金属層を置き換えた上述の変形は、ドープした半導体層が光ポンピングに対して透明であることにより特に有用である。ポンプビームを移送する光ファイバの端部に本発明によるこのデバイスを例えば接着によって統合すると、コンパクトで光学的にポンプされるＴＨｚ光源を得ることが可能になる。光ファイバの端部におけるこのタイプの光源を使用して、例えば医用分析用のＴＨｚ内視鏡を形成することができる。
【００７９】
本発明によるデバイスは周囲温度で作動する。しかし、このデバイスを低温システム（クライオスタット中の、またはペルチェ効果を使用する冷却基体上の）に統合することも考えられる。温度は、位相同調を生成し細かく調整するために追加の制御パラメータとして使用することができる。さらに、低温での動作は、量子ドットの均一幅の低減を可能にし、レーザの多モード挙動を促進する。これにより、より大きいマイクロキャビティの使用、したがって周波数に関してより接近したウィスパリングギャラリモードの使用を可能にすることもできる。したがって、レーザ周波数を互いにより近づけることによって、より弱いＴＨｚ周波数を得ることが可能である。低温での動作は、レーザデバイスの性能を改善すること（閾値電流の低減、電気光学変換率の増加）も可能にすることができる。
【００８０】
本発明者らは、放出媒体が１つまたは複数の量子ドットレイアウトあるいは１つまたは複数の量子井戸を含むことができることが分かった。量子カスケード利得媒体を使用することも可能である。量子カスケードレーザも多モード放出潜在能力を示すことが当業者には知られており、例えば、モード競合なしで中赤外線スペクトル内の２つの異なる波長で同時に放出する量子カスケードレーザが、文献の「Ｅｖｉｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｃａｓｃａｄｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｄｕａｌ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ」（Ｋ．  Ｊ．  Ｆｒａｎｚ等、Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９０、０９１１０４  （２００７））に説明されている。したがって、本発明の量子ドットまたは量子井戸を量子カスケード構造で置き替えることが可能である。２つの量子カスケードレーザ波の偏波はＴＭである。したがって、異なる結晶方位を有する半導体ヘテロ構造（例えば、ＧａＡｓ基板の（１１１）面上の成長）を使用するのは非線形係数を最適化するために有利となることがある。
【００８１】
最後に、この場合には周波数差によるキャビティ中の光のパラメトリック発生に関して、従来、モードにおける光子の平均数が１よりも大きいか（それとも大きくない）に応じて２つの領域間で区別がなされる。第１の例では、システムはパラメトリック振動領域にあり、それは高いＴＨｚ出力を生成するのに好都合である。「弱く」または「強く」ポンプされるかどうかに応じて同じ構造体で演繹的に得ることができるこれらの２つの動作領域は共に本発明によるものであると見なされる。
【符号の説明】
【００８２】
１  レーザデバイス
２  円柱状半導体ヘテロ構造
３、４  金属ミラー
５、９  薄いＧａＡｓ層
６、８  ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層
７  活性層
１０  放出媒体
１１  量子ドット
１２、１３  電気コンタクト
１４  半絶縁性ゾーン
１５  ホスト基板
１００  基板
１０１  ＡｌＡｓ犠牲層
１０２  ｐドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層
１０３  ＧａＡｓ層
１０４  ｎドープＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層
１０５  ホスト基板
１１２  マイクロ溶接
１１３  平坦化
２００  アジャイル周波数光源
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６  デバイス
３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６  制御手段
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ−２ｆ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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