(57)【要約】【課題】キャビティモードを崩すことなくＱスイッチでのレーザ発振が可能となるナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザを提供する。【解決手段】ナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザであって、  前記キャビティは、所定周期で形成された孔を備えた二つのミラー領域と、該二つのミラー領域で挟まれたキャビティ領域と、を有し、  前記キャビティ領域は、電源からのキャリアが注入される活性層と、発振周波数の光子エネルギーよりも広いバンドギャップをもつワイドギャップ半導体と、を備えると共に、  前記ワイドギャップ半導体に、キャリア分布を発生させるキャリア分布発生手段を備え、  前記キャリア分布発生手段によるキャリア分布の発生により、キャビティモードを崩すことなく、キャビティの損失を制御する。【選択図】            図１
2013089920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザであって、
前記キャビティは、所定周期で形成された孔を備えた二つのミラー領域と、該二つのミラー領域で挟まれたキャビティ領域と、を有し、
前記キャビティ領域は、電源からのキャリアが注入される活性層と、発振周波数の光子エネルギーよりも広いバンドギャップをもつワイドギャップ半導体と、を備えると共に、
前記ワイドギャップ半導体に、キャリア分布を発生させるキャリア分布発生手段を備え、
前記キャリア分布発生手段によるキャリア分布の発生により、キャビティモードを崩すことなく、キャビティの損失を制御することを特徴とするナノキャビティレーザ。
【請求項２】
前記ワイドギャップ半導体は、ｎ型にドープされていることを特徴とする請求項１に記載のナノキャビティレーザ。
【請求項３】
前記ミラー領域の孔の周期をａ、前記キャビティ領域の長さをｃ、前記キャビティ領域の中心を原点としナノビームと平行する座標をｚとするとき、
（１）前記ａと前記ｃとが、
Ｎ＋０．２５＜ｃ／ａ＜Ｎ＋０．７５（Ｎ：整数）の関係を満たす場合において、
前記ワイドギャップ半導体は、
−１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜１／４＋ｍ（ｍ：整数）の関係を満たす位置に設けられ、
（２）前記ａと前記ｃとが、
Ｎ＋０．７５＜ｃ／ａ＜Ｎ＋１．２５（Ｎ：整数）の関係を満たす場合において、
前記ワイドギャップ半導体は、
１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜３／４＋ｍ（ｍ：整数）の関係を満たす位置に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のナノキャビティレーザ。
【請求項４】
前記キャリア分布発生手段は、
（１）ｎ型にドープされた前記ワイドギャップ半導体と接するｐ型半導体と、前記ワイドギャップ半導体と該ｐ型半導体との間に電圧を印加する電源、
（２）ｎ型にドープされた前記ワイドギャップ半導体と接するアンドープ半導体と、前記ワイドギャップ半導体と該アンドープ半導体との間に電圧を印加する電源、
（３）ｎ型にドープされた前記ワイドギャップ半導体と誘電体を介して接する金属と、前記ワイドギャップ半導体と該金属との間に電圧を印加する電源、
のいずれかの電源であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のナノキャビティレーザ。
【請求項５】
前記ワイドギャップ半導体に逆バイアスで電圧を印加し、レーザ発振させることを特徴とする請求項１から４のいれか１項に記載のナノキャビティレーザ。
【請求項６】
前記レーザの発振波長をλ、前記ワイドギャップ半導体の屈折率をｎとするとき、前記ワイドギャップ半導体の厚さはλ／２ｎまたはその整数倍であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のナノキャビティレーザ。
【請求項７】
前記レーザの発振波長をλ、ワイドギャップ半導体の屈折率をｎとするとき、  前記ワイドギャップ半導体には、λ／２ｎまたはその整数倍の周期での周期構造の加工が施されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のナノキャビティレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたレーザであるナノキャビティレーザは、サブミクロンピッチでのアレイ化が可能なことから、高精細な光計測を可能とする光源として、現在盛んに開発が進められている。
非特許文献１には、上記ナノスケールのビーム構造のナノビームキャビティ（ｎａｎｏｂｅａｍ  ｃａｖｉｔｙ）として、数１００ナノ幅のビーム構造（ｎａｎｏｂｅａｍ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に周期的な孔を加工したナノキャビティレーザが報告されている。
図１０はナノビームキャビティの構造を説明する模式図である。
ナノビームキャビティ１０６の屈折率は、その周りの屈折率よりも大きく、全反射によりナノビーム内に光を閉じ込める。
また、全反射により閉じ込められた光は、周期的な孔により反射され、キャビティ内に閉じ込められる（図１０（ｃ））。
近赤外および可視光でレーザ発振するナノキャビティレーザにおいて、ナノビームキャビティは数ミクロンの大きさであるため、単位長さあたり１００個／ｍｍ以上の高密度集積が可能である。
このような高密度に集積されたレーザアレイは、例えば、蛍光測定における局所的な励起光源として使用することができる。
【０００３】
アレイ化されたナノキャビティレーザを用いると、ナノ秒パルスにより局所的に蛍光物質を励起して、蛍光寿命の分布を測定することができる。
そのようなナノ秒パルスを発生させる方法として、Ｑスイッチによるレーザの駆動が挙げられる。
レーザのＱスイッチとは、キャビティのＱ値を下げた状態（すなわち、キャビティのエネルギー損失を上げた状態）でキャリア注入をし、キャリアの反転分布を生じさせた後、キャビティのＱ値を上げてレーザ発振をさせる手法を指す。
このようなＱスイッチを用いれば、Ｑ値を下げた状態でキャリア注入をするため、レーザ発振前の誘導放出による電子／ホールペアの消失を防ぐことができる。また、十分な反転分布が生じた状態からレーザ発振が起きるため、レーザ発振後の電子／ホールペアの再結合速度が早い。
よって、ナノキャビティレーザのレーザ発振は、高出力パルス光の生成、特にナノ秒オーダーのパルスの生成に適している。
【０００４】
図１１（ａ）は、Ｑスイッチで駆動可能な、サブミリのキャビティ長を有する半導体レーザの模式図である。
図１１の半導体レーザは、多重量子井戸からなる（ＭＱＷ）活性層１１０６と、活性層１１０６にキャリアを注入するための電極１１０１、１１０２、および１１０３を有している。
活性層１１０６は、レーザの発振周波数υの光子エネルギーＥ＝ｈυと同じバンドギャップを有する。
電極１１０１と電極１１０３との間には、領域Ａ１２０４の活性層が利得（ゲイン）を持つように電流が流されている。
また、レーザパルスがオフのとき、電極１１０２と電極１１０３との間に流れる電流はゼロもしくは微弱である。
このとき、領域Ｂ１２０５の活性層はレーザの発振周波数υに対して吸収体として働き、キャビティにエネルギー損失を与える（すなわち、キャビティのＱ値が低い）。
このキャビティのエネルギー損失は、レーザの発振を抑制する。電流１１０２と電流１１０３との間に電流を流すと（又は電流量を増すと）、領域Ｂ１２０５の活性層における吸収は減少する。
この領域Ｂ活性層における吸収の減少は、キャビティのエネルギー損失を減らすため（すなわち、キャビティのＱ値を上げるため）、レーザの発振条件を満たした時点で、領域Ａの活性層に蓄えられた電子／ホールペアは誘導放出により短時間で光に変換される。
【０００５】
図１１（ｂ）と図１１（ｃ）とは、キャビティにエネルギー損失を与えるメカニズムを説明するための模式図であり、領域Ｂの活性層におけるバンド構造およびバンドを満たす電子が描かれている。
図１１（ｂ）と図１１（ｃ）は、それぞれパルスのオフ、およびオンの状態である。領域Ｂは、領域Ａと同じエネルギーギャップＥ＝ｈυ有しており、図中のバンドギャップ間で吸収と誘導放出が起きる。
図１１（ｂ）で示されるパルスがオフの状態（すなわち領域Ｂへの電流がゼロもしくは微弱な状態）では、伝導帯３０２には電子が殆どなく、価電子帯より伝導帯への電子の励起を伴う吸収が生じる。
一方、図１１（ｃ）で示されるパルスがオンとなる状態では、領域Ｂへ電流が流されており、伝導帯のボトムと価電子帯のトップとでは電子密度がほぼ等しくなる。
このとき、伝導帯と価電子帯との間で誘導放出が生じるため、領域Ｂの活性層で吸収と誘導放出とは相殺し、吸収される光は減少もしくは略ゼロとなる。以下このような状態を吸収飽和とよぶ。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｎａｎｏｂｅａｍ  ｌａｓｅｒｓ，¨  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９７，０５１１０４，２０１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ナノキャビティレーザは、高出力のパルス光を発生させるためのＱスイッチにおいて、以下に説明する課題を有している。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）では、ナノビームキャビティ上にゲインを得るための電極１１０１と、吸収を制御するための電極１１０２とが設けられている。
電極１１０１と電極１１０２との距離は、数１００ｎｍである。しかし、電流の拡散距離は一般にマイクロメートル以上のオーダーであるため、図１２（ａ）の構成においてナノビームレーザをＱスイッチで駆動しようとしても、電極１１０１および電極１１０２で別々に注入された電流は活性層１１０６に至る前に拡散してしまう。
よって、活性層１１０６を、ゲインを与える領域とキャビティにエネルギー損失を与える領域とに分割することはできない。
すなわち、図１２（ａ）の構成で、Ｑスイッチでレーザ発振を行うことができない。
図１２（ｂ）では、二つの電極から注入された電流を分離するための絶縁壁（図では、空壁）が設けられている。
しかし、このような活性層を分離する絶縁壁は、キャビティの内部に大きな屈折率分布を与えるため、キャビティの内部に閉じ込められた電場（キャビティモード）を崩してしまう。
吸収飽和を用いたＱスイッチは、吸収を制御する領域が活性層と同じエネルギーギャップＥ＝ｈυをもっている必要がある。
そのような吸収を与える領域の構造は複雑とならざるを得ないため、サブミクロン長しかないナノビームキャビティの中に、そのキャビティモードを崩すことなく製作することは難しい。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑み、キャビティモードを崩すことなくＱスイッチでのレーザ発振が可能となるナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のナノキャビティレーザは、ナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザであって、
前記キャビティは、所定周期で形成された孔を備えた二つのミラー領域と、該二つのミラー領域で挟まれたキャビティ領域と、を有し、
前記キャビティ領域は、電源からのキャリアが注入される活性層と、発振周波数の光子エネルギーよりも広いバンドギャップをもつワイドギャップ半導体と、を備えると共に、
前記ワイドギャップ半導体に、キャリア分布を発生させるキャリア分布発生手段を備え、
前記キャリア分布発生手段によるキャリア分布の発生により、キャビティモードを崩すことなく、キャビティの損失を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、キャビティモードを崩すことなくＱスイッチでのレーザ発振が可能となるナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１におけるナノキャビティレーザの構成例を説明する図であり、（ａ）は該レーザの上面図、（ｂ）は該レーザの断面図。
【図２】実施形態１におけるナノキャビティレーザの動作を説明する図であり、（ａ）および（ｂ）はワイドギャップ半導体におけるキャリア分布を説明する図。（ｃ）は非空乏領域における吸収を説明する図。（ｄ）は空乏領域での吸収の抑制を説明する図。
【図３】実施形態１におけるキャリア密度（すなわち電子密度）を変えたときのＩＴＯの吸収損失係数αを波長に対してプロットした図。
【図４】実施形態２におけるナノキャビティレーザの構成例を説明する該レーザの上面図。
【図５】実施形態２の構成例を説明する図であり、（ａ）はナノビームキャビティおよびワイドギャップ半導体の上面図。（ｂ）はＱ値の計算結果。
【図６】実施形態３におけるナノキャビティレーザの構成例を説明する該レーザの上面図。
【図７】実施形態３の構成例を説明する図であり、（ａ）はナノビームキャビティおよびワイドギャップ半導体の上面図。（ｂ）はＱ値の計算結果。
【図８】実施形態４のワイドギャップ半導体およびキャリア分布発生手段の構成例を説明する図。
【図９】（ａ）は実施形態５のワイドギャップ半導体およびキャリア分布発生手段の構成例を説明する図。（ｂ）は実施形態６のワイドギャップ半導体およびキャリア分布発生手段の構成例を説明する図。
【図１０】従来例におけるナノビームキャビティの構造を説明する模式図であり、（ａ）は該キャビティの上面図。（ｂ）は該キャビティの断面図。（ｃ）は電場分布。
【図１１】従来例におけるＱスイッチを用いた半導体レーザの模式図。（ａ）はＱスイッチで駆動可能な、サブミリのキャビティ長を有する半導体レーザの模式図。（ｂ）は領域Ｂの活性層における吸収を説明する模式図。（ｃ）は領域Ｂの活性層における吸収飽和を説明する模式図。
【図１２】ナノビームレーザをＱスイッチで動作させるときの課題を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態におけるナノスケールのビーム構造によるキャビティを備えたナノキャビティレーザの構成例について説明する。
［実施形態１］
実施形態１として、本発明の構成を適用したナノキャビティレーザの構成例について、図１を用いて説明する。
図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態におけるナノキャビティレーザの上面図および断面図である。
本実施形態において、ナノキャビティレーザは、ナノビームキャビティ１０６、活性層１０９、キャリア拡散領域（図示せず）、電極（図示せず）、励起電源１０７、ワイドギャップ半導体１０１、およびキャリア分布発生手段とを備えている。
ナノビームキャビティ１０６は、所定周期ａで加工された同一半径の孔を結んだミラー領域１０４を含んでいる。
また、ナノビームキャビティ１０６はミラー領域１０４により挟まれたキャビティ領域１０５を含んでいる。
このキャビティ領域１０５には、ミラー領域１０４の孔と異なる周期または異なる半径をもつ孔が加工されていてもよい。
このキャビティ領域１０５は、活性層１０９の少なくとも一部を含んでいる。
活性層１０９は、レーザの発振周波数υに対応するバンドギャップエネルギーＥ＝υｈを有している。
【００１３】
ワイドギャップ半導体１０１は、活性層１０９よりも大きいバンドギャップを有している。発振周波数υが近赤外から可視光に対応する場合、活性層１０９には、ＧａＡｓ系の材料、または有機体薄膜を用いることができる。
また、Ｑスイッチを利用したレーザ発振には自然放出レートが遅い活性層の方が有利であるため、活性層１０９はシリコン系化合物半導体、またシリコン系化合物半導体からなるナノ粒子を含んでもよい。
このとき、ワイドギャップ半導体１０１は、ＩｎＯ，ＳｎＯ、またはＺｎＯなどの酸化物ワイドギャップ半導体であることができる。
ワイドギャップ半導体１０１はドープされており、電子もしくはホールをキャリアとして有している。
近赤外もしくは可視光でレーザ発振する場合、ドープされるキャリア密度は１×１０19以上である。キャリア密度が１×１０20以上である場合、先に挙げた酸化物ワイドギャップ半導体（ＩｎＯ，ＳｎＯ、またはＺｎＯ）のドープはｎ型であることが望ましい。
【００１４】
本実施形態において、キャリア分布発生手段は、ワイドギャップ半導体と接する異なる導電型の半導体領域１０２とスイッチ電源１０３とからなる。
ワイドギャップ半導体１０１がｎ型にドープされている場合、それに接する半導体領域１０２はｐ型またはアンドープである。
スイッチ電源１０３はワイドギャップ半導体１０１と半導体領域１０２との間の電位差を制御する。
ナノビームキャビティ１０６の材料には、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系またはＳｉ系の半導体を用いることができる。
例えば、シリコンを用いたナノビームキャビティにおいて、レーザ発振の波長が約１．５ｎｍの場合、ナノビームキャビティは幅約５００ｎｍ、高さ約２６０ｎｍであり、ミラー領域に加工された孔は、直径約１８０ｎｍ、周期約３５０ｎｍである。
このとき、活性層１０９は、Ｅｒドープシリコンや、ＧａＡｓ系の半導体などを材料として含むことができる。
【００１５】
以下、図１および図２を用いて、本実施形態によるナノキャビティレーザの動作を説明する。
以下の説明では、ワイドギャップ半導体はｎ型にドープされている。
電源１０７より電極に注入された電子およびホールは、拡散領域を移動し、活性層１０９に運ばれる。
この活性層１０９内での電子／ホールペア密度が或る値を超えると、活性層１０９はゲインを生じる。
図２（ａ）は、Ｑスイッチがオフの状態、すなわちナノビームキャビティにエネルギー損失が与えられているときの、ワイドギャップ半導体およびキャリア分布発生手段を表わす。
図２（ａ）では、ワイドギャップ半導体１０１と半導体１０２との間には、電圧が印加されていない。
このとき、半導体１０２に接するワイドギャップ半導体１０１には、ナノビーム幅２０３よりも狭い空乏領域２０１が形成されている。
図２（ｂ）は、Ｑスイッチがオンの状態の、ワイドギャップ半導体およびキャリア分布発生手段を表わす。
図２（ｂ）では、ワイドギャップ半導体１０１と半導体１０２との間には、ワイドギャップ半導体の電位が高くなるように電圧（逆バイアス）が印加されている。
このとき、半導体１０２に接するワイドギャップ半導体１０１には、電圧が印加されなかったときよりも幅の広い空乏領域２０１が形成される。
【００１６】
図２（ｃ）は非空乏領域２０２のエネルギーバンドと電子を、図２（ｄ）は空乏領域２０１のエネルギーバンドと電子をそれぞれ表わしている。
図２（ｃ）で示されるように、非空乏領域２０２では、伝導帯バンド３０２近傍の不純物準位は電子３０１で埋まっている。
このような電子は自由電子と良く似た挙動を示し、広い波長域で自由電子吸収と呼ばれる吸収を引き起こす。
一方、図２（ｄ）で示されるように、空乏領域２０１では、不純物準位の電子は電圧の印加によって移動し、殆ど存在しない。
また、価電子帯のトップと不純物準位および伝導帯とのエネルギーギャップ３０５は、Ｅ＝ｈυよりも大きいため、ギャップ間での光の吸収はレーザの動作に影響を与えない。
よって、空乏領域の吸収は非空乏領域よりも小さくなる。
【００１７】
図３は、キャリア密度（すなわち電子密度）を変えたときのＩＴＯの吸収損失係数αを波長に対してプロットしたものである。
図３より、キャリア密度が変化すると、広い波長域で吸収が大きく変わることが分かる。
バンドギャップ間の吸収飽和を用いた場合と異なり、このような自由電子吸収を用いた方法は、広い波長域でキャビティの損失を制御することができる。
非空乏領域では、キャリア密度はドープによるキャリア密度にほぼ等しく、例えば１×１０19／ｃｍ3以上である。
また、空乏領域では、キャリア密度は非空乏領域のキャリア密度より低く、たとえば１×１０19／ｃｍ3より少ない。
よって、図２（ａ）で示されるように、ナノビーム幅２０３の中で、ワイドギャップ半導体１０１の大部分が非空乏領域２０２である場合、キャビティには大きな吸収損失が与えられる。
【００１８】
一方、図２（ｂ）で示されるように、逆バイアス印加されたとき、ナノビーム幅２０３の中のワイドギャップ半導体の大部分は空乏領域２０１である。このとき、キャビティのエネルギー損失は抑えられる。
また、図１に示したナノビームキャビティにおいて、図２（ｂ）に示すワイドギャップ半導体がある場合と、図１０に示すようにワイドギャップ半導体が無い場合のナノビームキャビティとのＱ値は、共に１５０００以上であった。
これは、本発明の構成がキャビティのモードに与える影響が少なく、レーザ発振に必要なキャビティモードが保たれていることを示す。
このように、本発明によれば、光が閉じ込められたキャビティモードを崩すことなく、キャビティ領域に置かれたワイドギャップ半導体のキャリア分布を生じさせることによって、キャビティの損失を制御することができる。
このキャビティの損失の制御は、ナノキャビティレーザをＱスイッチで駆動することを可能とする。
【００１９】
以上で説明したように、ワイドギャップ半導体およびその内部にキャリア分布を生じさせる手段は、飽和吸収のように吸収領域のバンドギャップを発振周波数の光子エネルギーＥ＝ｈυと一致させる必要がない。
すなわち、従来例のように、活性層の一部を吸収領域に用いることなく、ナノからミクロンサイズのキャビティに損失を与えることができる。
よって、活性層にキャビティモードを崩す構造、すなわち屈折率分布を生じさせないことから、高いＱ値を保ったままキャビティモードの損失を制御でき、ナノキャビティレーザのＱスイッチでの駆動を可能とする。
【００２０】
［実施形態２］
実施形態２として、上記実施形態１と異なる形態のナノキャビティレーザの構成例を、図４を用いて説明する。
本実施形態のナノキャビティレーザは、図４に示すように、周期ａで並んだ半径ｒの孔の中心を結ぶミラー領域１０４と、そのミラー領域で挟まれたキャビティ領域１０５とからなるナノビームキャビティ１０６を有する。
本実施形態では、ミラー領域の孔の周期ａとキャビティの長さｃとは、
Ｎ＋０．２５＜ｃ／ａ＜Ｎ＋０．７５（Ｎ：整数）
の関係を満たしており、ワイドギャップ半導体は、
−１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜１／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす位置に設けられている。
ここで、座標ｚはキャビティ領域の中心を原点としナノビームと平行する。
図中の白矢印は、
−１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜１／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす位置を表わしている。
図５（ａ）は、ｃ／ａ＝８．６となるナノビームキャビティと、ワイドギャップ半導体１０１とを表わしている。ワイドギャップ半導体の幅は１００ｎｍである。
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したナノビームキャビティにおけるワイドギャップ半導体の位置ｚと、キャビティモードのＱ値との関係を表わす計算結果である。
計算ではワイドギャップ半導体のキャリアによる自由電子吸収は無視している。すなわち、図５（ｂ）のＱ値の変化はワイドギャップ半導体１０１の散乱によるものであり、Ｑ値が大きいほどキャビティモードの乱れが小さいことを表わしている。
図５（ｂ）において、キャビティモードのＱ値は、キャビティ領域の中心で極大をとり、ミラー領域の孔の周期ａとほぼ同周期で変化する。
図中、白矢印は、
−１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜１／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす領域を表わす。
よって、ミラー領域の孔の周期ａとキャビティの長さｃとが、
Ｎ＋０．２５＜ｃ／ａ＜  Ｎ＋０．７５（Ｎ：整数）
の関係を満たしているナノビームキャビティでは、ワイドギャップ半導体を、
−１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜１／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす位置に設けることにより、キャビティモードの乱れを少なくすることができる。
キャビティ領域内には、ミラー領域と直径または周期の異なる孔を加工することも可能である。
これはミラー領域とキャビティ領域との境界における散乱を防ぐための構造であり、本実施形態の構成はこのキャビティ領域内の孔の有無およびその形状によらない。
【００２１】
［実施形態３］
実施形態３として、上記各実施形態と異なる形態のナノキャビティレーザの構成例を、図６を用いて説明する。
本実施形態のナノキャビティレーザは、図６に示すように、周期ａで並んだ半径ｒの孔の中心を結ぶミラー領域１０４と、そのミラー領域で挟まれたキャビティ領域１０５とからなるナノビームキャビティ１０６を有する。
本実施形態では、ミラー領域の孔の周期ａとキャビティの長さｃとは、
Ｎ＋０．７５＜ｃ／ａ＜Ｎ＋１．２５（Ｎ：整数）
の関係を満たしている。
また、ワイドギャップ半導体は、
１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜３／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす位置に設けられている。
ここで、座標ｚはキャビティ領域の中心を原点としナノビームと平行する。
図中の白矢印は、
１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜３／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす位置を表わしている。
【００２２】
図７（ａ）は、ｃ／ａ＝７．１となるナノビームキャビティと、ワイドギャップ半導体１０１とを表わしている。ワイドギャップ半導体の幅は１００ｎｍである。
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示したナノビームキャビティにおけるワイドギャップ半導体の位置ｚと、キャビティモードのＱ値との関係を表わす計算結果である。
計算ではワイドギャップ半導体のキャリアによる自由電子吸収は無視している。すなわち、図７（ｂ）のＱ値の変化はワイドギャップ半導体１０１の散乱によるものであり、Ｑ値が大きいほどキャビティモードの乱れが小さいことを表わしている。
図７（ｂ）において、キャビティモードのＱ値は、キャビティ領域の中心で極小をとり、ミラー領域の孔の周期ａとほぼ同周期で変化する。
図中、白矢印は、
１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜３／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす領域を表わす。
よって、ミラー領域の孔の周期ａとキャビティの長さｃとが、
Ｎ＋０．７５＜ｃ／ａ＜  Ｎ＋１．２５（Ｎ：整数）
の関係を満たしているナノビームキャビティでは、ワイドギャップ半導体を、
１／４＋ｍ＜ｚ／ａ＜３／４＋ｍ（ｍ：整数）
を満たす位置に設けることにより、キャビティモードの乱れを少なくすることができる。
キャビティ領域内には、ミラー領域と直径または周期の異なる孔を加工することも可能である。
これはミラー領域とキャビティ領域との境界における散乱を防ぐための構造であり、本実施形態の構成はキャビティ領域内の孔の有無およびその形状によらない。
【００２３】
［実施形態４］
実施形態４として、ナノキャビティレーザにおける、ワイドギャップ半導体およびキャリア分布発生手段の構成例について、図８を用いて説明する。
本実施形態のワイドギャップ半導体１０１はｎ型にドープされており、数ナノ〜数十ナノメートルの厚さの誘電体層９０１を介して金属領域９０２と接している。
誘電体層９０１は、ＳｉＯ、ＳｉＮなどであってよく、金属領域９０２はＡｕ、Ａｇ，Ｃｕなどを含むことができる。
近赤外および可視光で発振するナノキャビティレーザでは、ワイドギャップ半導体２０１は、ＧａＮ系半導体、ＧａＡｓ系半導体、および酸化物半導体を含むことができる。
ワイドギャップ半導体１０１と金属領域９０２とは、その間に電圧を印加できるように、スイッチ電源１０３が接続されている。
スイッチ電源１０３より電圧が印加されていないとき、ワイドギャップ半導体１０１の空乏領域２０１は、ナノビーム幅２０３よりも十分狭く、非空乏領域のキャリアの吸収によりナノビームキャビティにはエネルギー損失が与えられている。
【００２４】
一方、ワイドギャップ半導体の電位が高くなるように電圧が印加されている場合（すなわち、逆バイアス）、ワイドギャップ半導体の空乏領域２０１の幅が広がる。
このとき、ナノビーム幅２０３の中で、非空乏領域２０２は減少または消失する。その結果、ナノビームキャビティの損失は減少する。本実施形態によれば、ｐ型にドープされた半導体を使用しないキャリア分布発生手段を提供することができる。
また、アンドープ半導体を使用した場合よりも、ワイドギャップ半導体の広い領域でキャリア分布を生じさせることができる。
よって、本実施形態のキャリア分布発生手段は、次のいずれかの手段を用いることができる。すなわち、
（１）ｎ型にドープされたワイドギャップ半導体と接するｐ型半導体と、ワイドギャップ半導体と該ｐ型半導体との間に電圧を印加する電源、
（２）ｎ型にドープされたワイドギャップ半導体と接するアンドープ半導体と、ワイドギャップ半導体と該アンドープ半導体との間に電圧を印加する電源、
（３）ｎ型にドープされたワイドギャップ半導体と誘電体を介して接する金属と、ワイドギャップ半導体と該金属との間に電圧を印加する電源、
のいずれかの電源を用いることができる。
ワイドギャップ半導体１０１がｐ型のドープがより困難な酸化物ワイドギャップ半導体を含む場合には、上記（３）の電源がより効果的である。
【００２５】
［実施形態５］
実施形態５として、ナノキャビティレーザにおける、ワイドギャップ半導体１０１およびキャリア分布発生手段の構成例について、図９（ａ）を用いて説明する。
ワイドギャップ半導体１０１には、実施形態１−４で説明したいずれかのキャリア分布発生手段１００２、１００３が取り付けられている。
図９（ａ）において、本実施形態のワイドギャップ半導体１０１の厚さは、レーザの発振波長λの１／２ｎ倍（λ／２ｎ）またはその整数倍である。ｎはワイドギャップ半導体１０１の屈折率である。
このとき、ワイドギャップ半導体１０１に侵入した光１００４は、ワイドギャップ半導体１０１の境界により多重反射を生じる。
本実施形態の条件によれば、ワイドギャップ半導体１０１の内部の電磁場分布が強められるように多重反射が生じるため、ワイドギャップ半導体のキャリアによる吸収効果を高めることができる。
【００２６】
［実施形態６］
図９（ｂ）は、実施形態６のナノキャビティレーザにおける、ワイドギャップ半導体１０１およびキャリア分布発生手段を表わす断面模式図である。
ワイドギャップ半導体には、実施形態１−４で説明したいずれかのキャリア分布発生手段が取り付けられている。
図９（ｂ）において、本実施形態のワイドギャップ半導体１０１は、レーザの発振波長λの１／２ｎ倍（λ／２ｎ）またはその整数倍の周期での周期構造１００５の加工が施されている。
ｎはワイドギャップ半導体１０１の屈折率である。
このとき、ワイドギャップ半導体１０１に侵入した光は、この周期的な加工により多重反射を生じる。
本実施形態の条件によれば、ワイドギャップ半導体１０１の内部の電磁場分布が強められるように多重反射が生じるため、ワイドギャップ半導体１０１のキャリアによる吸収効果を高めることができる。
【００２７】
以上のとおり、本実施形態ではキャビティ領域内にキャビティのエネルギー損失を制御するワイドギャップ半導体を置き、キャリア分布発生手段によってワイドギャップ半導体のキャリア分布、すなわち空乏領域と非空乏領域とを制御するように構成される。
これによって、キャビティモードを崩すことなくナノキャビティレーザをＱスイッチで駆動することが可能となる。
【符号の説明】
【００２８】
１０１：ワイドギャップ半導体
１０２：半導体領域
１０３：スイッチ電源
１０４：ミラー領域
１０５：キャビティ領域
１０６：ナノビームキャビティ
１０７：電源
１０８：ホール／電子の流れ
１０９：活性層
【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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