JPH06224471A - Microcavity structure containing porous silicon as light source for caf2:nd laser and arrangement of the light source - Google Patents
Microcavity structure containing porous silicon as light source for caf2:nd laser and arrangement of the light sourceInfo
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- JPH06224471A JPH06224471A JP24328293A JP24328293A JPH06224471A JP H06224471 A JPH06224471 A JP H06224471A JP 24328293 A JP24328293 A JP 24328293A JP 24328293 A JP24328293 A JP 24328293A JP H06224471 A JPH06224471 A JP H06224471A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はレーザに関し、特に、光
ポンピングのための光源として多孔性Siを用いて、C
aF2 :Nd薄膜から光を発生させる方法および装置に
関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to lasers, and in particular, using porous Si as a light source for optical pumping, C
The present invention relates to a method and apparatus for generating light from an aF 2 : Nd thin film.
【0002】[0002]
【従来の技術】全てシリコンに基づく光電子集積回路
(OEIC)技術の利用の可能性は、光電子産業の革命
と、軍事上および商業上双方の応用への広範囲の影響
と、を約束する。そのような影響の1分野は、多チップ
モジュールの相互接続である。シリコンに基づくOEI
Cは、電子輸送を光子で置換することによって抵抗率お
よび高キャパシタンス問題を解決するだけでなく、それ
はまた回路レベルの画像処理などの新しい機能性をも与
える。シリコンに基づくOEICはまた、シリコンの大
量工程が他の電子または光電子材料による技術とは比較
にならないほど優れた経済性を有するので、商業市場を
コスト的に侵略する。さらに、シリコンに基づくOEI
Cは、回路レベルの画像処理などの新しい機能性をも与
える。The availability of all-silicon based optoelectronic integrated circuit (OEIC) technology promises a revolution in the optoelectronic industry and its widespread implications for both military and commercial applications. One area of such impact is the interconnection of multichip modules. Silicon-based OEI
C not only solves the resistivity and high capacitance problem by replacing electron transport with photons, but it also provides new functionality such as circuit level imaging. Silicon-based OEICs also cost-invade the commercial market because the silicon bulk process has economic advantages that are incomparable to other electronic or optoelectronic material technologies. In addition, silicon-based OEI
C also provides new functionality such as circuit level image processing.
【0003】シリコンに基づくOEICを実現するため
には、次の4装置に関する技術が要求される。(1)検
出器、(2)導波路、(3)変調器、(4)発光器。最
初の3分野においてはかなりの進歩があったが、適切な
シリコンに基づく発光デバイス、特にシリコンに基づく
レーザ、の欠如は、完全に集積されたシリコンに基づく
OEICの技術の発展を大いに阻害した。In order to realize an OEIC based on silicon, the following four device technologies are required. (1) Detector, (2) Waveguide, (3) Modulator, (4) Light emitter. Although considerable progress has been made in the first three areas, the lack of suitable silicon-based light emitting devices, especially silicon-based lasers, has largely hindered the development of the technology of fully integrated silicon-based OEICs.
【0004】ここでは、利得媒質として機能するNdド
ープされたCaF2 薄膜が説明され、それはまた同時係
属の米国特許出願(TI−16928)の特許請求の範
囲に詳細に記載されている。これらの結果は、シリコン
に基づくOEICを実現するための踏み台として極めて
重要である。しかし、電気的ポンピングによるCa
F 2 :Ndからの発光はこれまで実現されておらず、レ
ーザ光放射のためのCaF 2 :Ndのポンピングには光
源が必要とされている。CaAsまたはZnSeのよう
なIII −VまたはIV−VI化合物は、エレクトロルミネセ
ンスによって励起され、適切な波長の光を発射してCa
F2 :Ndをポンピングすることができる。しかし、シ
リコンまたはCaF2 上に成長せしめられたIII −Vま
たはIV−VI化合物は通常、実用上欠陥が多すぎる。残念
ながら、これはエレクトロルミネセンスの効率を低下さ
せる。さらに、III −VおよびIV−VI化合物は、エレク
トロルミネセンス源としては複雑かつ高価である。それ
に代わる発光材料として、シリコンを使用することが望
ましい。しかし、シリコンは、非直線的バンドギャップ
特性を有する。これはシリコンの発射効率を低くする。Here, the Nd transistor that functions as a gain medium is used.
CaF2A thin film is described, which is also
Scope of Claims of US Patent Application (TI-16928)
The details are shown in the box. These results are silicon
As a stepping stone to realize OEIC based on
is important. However, Ca by electrical pumping
F 2: Light emission from Nd has not been realized so far.
CaF for laser light emission 2: Light for pumping Nd
Sources are needed. Like CaAs or ZnSe
III-V or IV-VI compounds are electroluminescent
And emits light of an appropriate wavelength to emit Ca
F2: Nd can be pumped. However,
Recon or CaF2III-V or even grown up
Or, IV-VI compounds usually have too many defects in practical use. Sorry
This reduces the efficiency of electroluminescence while
Let In addition, III-V and IV-VI compounds are
It is a complicated and expensive source of troll luminescence. It
Hope to use silicon as a light emitting material to replace
Good However, silicon has a non-linear bandgap
Have characteristics. This reduces the firing efficiency of silicon.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】その結果、CaF2 :
Ndをレーザ光放射のためにポンピングする光源が必要
とされる。また、エレクトロルミネセンスに用いられ
る、III −VおよびIV−VI化合物よりも欠陥が少なくか
つより効率的な化合物が必要とされる。さらに、CaF
2 :Nd薄膜を光ポンピングするための光源としてシリ
コンを用いる簡単で経済効率のよい方法およびデバイス
が必要とされる。As a result, CaF 2 :
A light source that pumps Nd for laser light emission is needed. There is also a need for compounds that are less defective and more efficient than the III-V and IV-VI compounds used for electroluminescence. Furthermore, CaF
There is a need for simple and cost-effective methods and devices that use silicon as a light source for optically pumping 2 : Nd thin films.
【0006】また、発光材料として用いられうる、かつ
シリコンの非直線的バンドギャップ問題および関連する
低発射効率特性を克服しうる、Siに基づく化合物が必
要とされる。従って、本発明は、多孔性Siを発光源と
して用いて、CaF2 :Nd薄膜から強いスペクトル発
射を生ぜしめ、微小空胴レーザに対する従来の光ポンピ
ングの方法および装置に関連する制約を克服しかつ減少
せしめる方法および装置を提供する。There is also a need for Si-based compounds that can be used as emissive materials and that can overcome the nonlinear bandgap problem of silicon and the associated low emission efficiency properties. Accordingly, the present invention uses porous Si as an emission source to produce a strong spectral emission from a CaF 2 : Nd thin film, overcoming the constraints associated with conventional optical pumping methods and devices for microcavity lasers and A method and apparatus for reducing are provided.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の1特徴は、強い
スペクトル発射を生じる方法を提供していることであ
り、この方法は、稀土類でドープされたCaF2 薄膜が
多孔性Si層からの発光を吸収するように、多孔性Si
層を稀土類でドープされたCaF2 薄膜に関連せしめる
ステップを含む。この方法はさらに、発光を生じるよう
に多孔性Si層を活性化するステップを含む。活性化
は、多孔性Si層を光でポンピングするか、または電気
的にポンピングすることにより、行われうる。本発明に
おいては、多孔性Siの発光は、5200Åから900
0Åまでの範囲の波長を有する。多孔性Siは、化学蒸
着法により、または結晶性シリコンを陽極化成すること
により、電気的に形成されうる。多孔性Siはまた、ス
パッタリングまたは分子ビームエピタキシのような物理
蒸着法によっても形成されうる。SUMMARY OF THE INVENTION One feature of the present invention is to provide a method for producing a strong spectral emission, in which a rare earth-doped CaF 2 thin film is removed from a porous Si layer. Porous Si so as to absorb the luminescence of
Associating the layer with a rare earth-doped CaF 2 thin film. The method further includes activating the porous Si layer to produce light emission. Activation can be done by optically pumping or electrically pumping the porous Si layer. In the present invention, the emission of porous Si is from 5200Å to 900
It has a wavelength range up to 0Å. Porous Si can be formed electrically by chemical vapor deposition or by anodizing crystalline silicon. Porous Si can also be formed by physical vapor deposition methods such as sputtering or molecular beam epitaxy.
【0008】本発明の技術的利点は、多孔性Siが、C
aF2 :Nd薄膜を光ポンピングして適切な波長の光を
発射させるよう、電気的にまたは光学的にポンピングさ
れうるので、多孔性SiをCaF2 :Nd薄膜と集積す
る構造を製造すれば、Siに基づく固体レーザが形成さ
れることである。The technical advantage of the present invention is that porous Si is C
Since the aF 2 : Nd thin film can be electrically or optically pumped so that the aF 2 : Nd thin film is optically pumped to emit light of an appropriate wavelength, a structure in which porous Si is integrated with the CaF 2 : Nd thin film is manufactured. The solid-state laser based on Si is to be formed.
【0009】本発明のもう1つの技術的利点は、多孔性
Siがさまざまな方法で形成されうることである。これ
らの方法には、電気化学的製造法、結晶性シリコンの陽
極化成法、および通常の化学蒸着および分子ビームエピ
タキシの成長技術による方法が含まれる。従って、発光
源としての多孔性Siの製造においては、確立されたシ
リコン製造技術を十分利用できる。Another technical advantage of the present invention is that porous Si can be formed in various ways. These methods include electrochemical fabrication, crystalline silicon anodization, and conventional chemical vapor deposition and molecular beam epitaxy growth techniques. Therefore, the established silicon manufacturing technology can be fully utilized in the manufacture of porous Si as a light emitting source.
【0010】本発明のさらにもう1つの技術的利点は、
多孔性Si層がレーザの出力路の外側に形成されうるた
めに、多孔性Siを用いた構造が、表面発射レーザに対
して魅力あるものになりうることである。これは、多孔
性Siを用いるレーザデバイスの出力効率を増大させ
る。これは、多孔性Siを、CaF2 :Nd薄膜に対す
る光ポンピング媒質として用いる構造の製造において、
重要な利点を有しうる。本発明、およびその利点のさら
に完全な理解は、添付図面を参照しつつ行われる以下の
説明から得られる。Yet another technical advantage of the present invention is:
It is possible that a structure using porous Si can be attractive for surface emitting lasers because a porous Si layer can be formed outside the output path of the laser. This increases the power efficiency of laser devices that use porous Si. This is because in the manufacture of a structure using porous Si as an optical pumping medium for a CaF 2 : Nd thin film,
It can have important advantages. A more complete understanding of the present invention, and its advantages, will be obtained from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.
【0011】[0011]
【実施例】I.序論 微小空胴レーザの発展は、原子/分子と電磁放射界との
間の相互作用の研究から始まった。1946年に、パー
セル(Purcell)は、励起された原子の自然放出
率は、もしその原子がその原子の放射波長と同程度の寸
法を有する空胴内に置かれたとすると変化することを予
想した。1974年に、ドレクスヘイジ(Drexha
ge)は、蛍光染料を用いてこの現象を実験的に証明し
た。1981年に、この問題はクレップナ(Klepp
ner)によって再提起され、その後の10年間には、
次第に多数の実験的および理論的結果が報告されるよう
になった。最近では、高品質の空胴と、同程度の寸法で
あることが多い放射波長と、から本来構成される表面発
射レーザデバイスに対する関心の増大により、微小空胴
効果の研究は著しく強化されている。EXAMPLE I. Introduction The development of microcavity lasers began with the study of interactions between atoms / molecules and the electromagnetic radiation field. In 1946, Purcell predicted that the spontaneous emission rate of an excited atom would change if the atom were placed in a cavity with dimensions comparable to the emission wavelength of the atom. . In 1974, Drexhage
ge) demonstrated this phenomenon experimentally with fluorescent dyes. In 1981, this issue was addressed by Kleppna.
re-introduced by
Increasingly, numerous experimental and theoretical results have been reported. Recently, increased interest in surface emitting laser devices, which consist essentially of high quality cavities and radiation wavelengths that are often of similar size, has significantly enhanced the study of microcavity effects. .
【0012】II.微小空胴効果 A.微小空胴効果を制御する諸因子。通常のレーザにお
いては、発射された放射をあるモードに結合させる効率
は、10-4ないし10-5のオーダーとなる。諸光学モー
ドが微小空胴の形成によって単一モードに減少せしめら
れた時は、結合効率は1に近くなりうる。微小空胴レー
ザの他の独自の特徴には、無スレショルドレーザ光放
射、弛張振動の消失、動的応答速度の増大、および変化
した発射寿命、が含まれる。微小空胴効果の程度は、利
得媒質の発射線幅、ミラーの反射率、利得媒質材料とミ
ラー材料との間の屈折率の差、利得媒質の位置および厚
さ、および空胴の3次元寸法、に依存する。II. Micro-cavity effect A. Factors controlling the microcavity effect . In a conventional laser, the efficiency of coupling the emitted radiation into a mode is on the order of 10 -4 to 10 -5 . The coupling efficiency can be close to unity when the optical modes are reduced to a single mode by the formation of microcavities. Other unique features of microcavity lasers include thresholdless laser light emission, elimination of relaxation oscillations, increased dynamic response speed, and altered firing life. The degree of the microcavity effect is defined by the emission line width of the gain medium, the reflectivity of the mirror, the difference in the refractive index between the gain medium material and the mirror material, the position and thickness of the gain medium, and the three-dimensional dimension of the cavity. , Depends on.
【0013】微小空胴効果は、発射線幅が減少する時増
大することが計算された。図1は、III −V半導体にお
いて典型的な30nmから100nmまでの範囲内のい
くつかの発射線幅を有する微小空胴の利得増強を示す。
特に、図1のグラフ50は、横座標54に沿ってプロッ
トされた反射率対縦座標52に沿った利得増強を示す。
例としての線幅である、30nmの線幅に対して線56
が、62.5nmの線幅に対して線58が、また100
nmの線幅に対して線60が、示されている。100n
mの線幅を有する発射における利得増強は、反射率が1
に近い時2.4で飽和する。これと対照的に、発射線幅
が30nmの時は、利得増強は7.6となる。It has been calculated that the microcavity effect increases as the firing linewidth decreases. FIG. 1 shows the gain enhancement of microcavities with some launch linewidths in the range of 30 nm to 100 nm typical of III-V semiconductors.
In particular, graph 50 of FIG. 1 shows reflectivity plotted along abscissa 54 versus gain enhancement along ordinate 52.
Line 56 for a line width of 30 nm, which is an example line width
However, for the line width of 62.5 nm, the line 58 is 100
Line 60 is shown for a line width of nm. 100n
Gain enhancement in launches with a linewidth of m has a reflectance of 1
Saturates at 2.4 when close to. In contrast, when the launch linewidth is 30 nm, the gain enhancement is 7.6.
【0014】微小空胴効果はまた、空胴ミラーの品質に
強く依存する。図1はまた、高反射率ミラーが、高い利
得増強を与え、発射線幅が小さい時は特にそうであるこ
とを示す。ミラーが1/4波長の多層誘電体膜(すなわ
ち、分布ブラッグ反射器(DBR))から作られている
時は、量子効率は、異なる膜間の屈折率の差が増大する
と、増大する。屈折率の差のほかに、膜のストイキオメ
トリー、境界面の鋭さ、膜の応力などの、他の因子もま
たミラーの性能に影響を及ぼす。The microcavity effect also strongly depends on the quality of the cavity mirror. FIG. 1 also shows that high reflectivity mirrors provide high gain enhancement, especially when the launch linewidth is small. When the mirror is made from a quarter-wave multilayer dielectric film (ie, distributed Bragg reflector (DBR)), the quantum efficiency increases as the index difference between different films increases. In addition to the difference in refractive index, other factors such as film stoichiometry, interface sharpness, and film stress also affect the performance of the mirror.
【0015】CaF2 と他の半導体との間の屈折率の大
きい差は、CaF2 を高品質のブラッグ反射器として使
用するための努力を促進した。例えば、CaF2 とZn
Seとから作られたブラッグ反射器を用いると、Si/
SiO2 ミラーを用いたレーザに比し、スレショルド電
流およびレーザ光放射に関して優ったレーザ性能を示
す、微小空胴III −V半導体レーザが形成されうる。The large difference in refractive index between CaF 2 and other semiconductors has facilitated efforts to use CaF 2 as a high quality Bragg reflector. For example, CaF 2 and Zn
With a Bragg reflector made from Se and Si /
Microcavity III-V semiconductor lasers can be formed that exhibit superior laser performance in terms of threshold current and laser light emission compared to lasers using SiO 2 mirrors.
【0016】微小空胴内における自然放出の増強または
禁止は、微小空胴の長さおよび空胴内の能動利得媒質の
位置を制御することによって実現される。増強された放
出は、空洞の長さが放出波長に同調せしめられ、能動利
得媒質が波腹位置に置かれた時に起こる。この配置にお
いては、界(the field)は利得媒質と相互作
用する。減少した放出は、利得媒質が節位置に置かれた
時に観察される。Enhancement or inhibition of spontaneous emission in the microcavity is achieved by controlling the length of the microcavity and the position of the active gain medium within the cavity. Enhanced emission occurs when the cavity length is tuned to the emission wavelength and the active gain medium is placed in the antinode position. In this arrangement, the field interacts with the gain medium. Reduced emission is observed when the gain medium is placed in the nodal position.
【0017】表面に対して垂直方向にはDBRによって
限られ、横方向には劈開面によって限られた3次元的4
辺形の微小空胴の理論的解析は、1.5nmの発射線幅
の時、全放射エネルギーの共振モード内への結合効率
(自然放出因子)の大きさが、横方向の寸法が放射波長
の15倍から2倍へ減少せしめられると、オーダーで1
よりも多く増大することを示唆した。円筒形微小空胴構
造に対しても、結合効率の同様の増大が示唆されてい
る。A three-dimensional structure is defined by the DBR in the direction perpendicular to the surface and in the lateral direction by the cleavage plane.
Theoretical analysis of a quadrangular microcavity shows that when the emission line width is 1.5 nm, the coupling efficiency (spontaneous emission factor) of the total radiant energy into the resonance mode is large, and the lateral dimension is the radiant wavelength. If it is reduced from 15 times to 2 times,
It is suggested to increase more than. Similar increases in coupling efficiency have been suggested for cylindrical microcavity structures.
【0018】B.微小空胴効果のためのCaF2 。実施
例においては、AlおよびCaF2 の膜が、分子ビーム
エピタキシ(MBE)チャンバと、メタライゼーション
・チャンバと、化学蒸着チャンバとから構成される超高
真空装置(VG セミコン(Semicon) V8
0)内において、直径10.16cm(4インチ)のシ
リコンウエハ上に成長せしめられた。ウエハは、これら
3チャンバの間を、2つの装填ロックを取付けられた超
高真空転送装置を経て転送されうる。MBEチャンバお
よびメタライゼーション・チャンバの基礎圧力は、それ
ぞれ1×10-10 mbarおよび1×10-9mbarよ
り低かった。CaF2 成長中のチャンバ圧力は5×10
-10 mbarであり、Al成長中の処理圧力は2×10
-9mbarであった。CaF2 およびNdF3 は、エフ
ュージョンセルから熱的に蒸発せしめられる。これらの
フッ化物の堆積速度は、セルの温度を制御しフラックス
の圧力をモニタすることにより決定される。堆積速度
は、フラックスの圧力が増大すると、それに比例して増
大する。膜の構成は、X線蛍光法により決定される。膜
の厚さは、ステッププロフィール測定により決定され
る。CaF2 :Nd膜は、100°Cから700°Cま
での基板温度において、Si(111)およびAl(1
11)/Si(111)基板上に成長せしめられる。ホ
トルミネセンス(PL)スペクトルからの結果による
と、CaF2 :Ndの成長に対する最適成長温度は、シ
リコン上においては500°C、Al上においては10
0─300°Cである。B. CaF 2 for microcavity effect . In an example, the Al and CaF 2 films consist of an ultra high vacuum device (VG Semicon V8) consisting of a molecular beam epitaxy (MBE) chamber, a metallization chamber and a chemical vapor deposition chamber.
In (0), a silicon wafer having a diameter of 10.16 cm (4 inches) was grown. Wafers can be transferred between these three chambers via an ultra high vacuum transfer device fitted with two load locks. The base pressures of the MBE chamber and the metallization chamber were lower than 1 × 10 −10 mbar and 1 × 10 −9 mbar, respectively. The chamber pressure during CaF 2 growth is 5 × 10 5.
-10 mbar, processing pressure during Al growth is 2 × 10
-9 mbar. CaF 2 and NdF 3 are thermally evaporated from the effusion cell. The deposition rate of these fluorides is determined by controlling the temperature of the cell and monitoring the pressure of the flux. The deposition rate increases proportionally with increasing flux pressure. The composition of the membrane is determined by X-ray fluorescence. The film thickness is determined by step profile measurements. The CaF 2 : Nd film has Si (111) and Al (1) at a substrate temperature of 100 ° C. to 700 ° C.
11) / Si (111) substrate. The results from the photoluminescence (PL) spectra show that the optimal growth temperature for CaF 2 : Nd growth is 500 ° C. on silicon and 10 on Al.
0-300 ° C.
【0019】C.CaF2 :Nd薄膜からのホトルミネ
センス。ホトルミネセンス(PL)による膜の光学的性
質の特徴をあげると、バルクCaF2 :Ndにおいて観
察される1.046μmのレーザ発射線を含め、0.9
μm、1.3μm、および1.1μmにおいて強いPL
発射を示す。膜の厚さが1μmから0.2μmまで減少
するとき、強度はそれに比例して減少し、Al/Si上
に成長せしめられたCaF2 :NdからのPLスペクト
ルの発射波長および相対帯域強度は、不変のままであ
る。この結果は、たとえ0.2μmの膜がより欠陥が存
在しやすいCaF2 /Al境界面に接近していても、膜
のルミネセンスの性質が歪められないことを示唆する。C. Photoluminescence from CaF 2 : Nd thin film
Sense . Characterization of the optical properties of the film by photoluminescence (PL) is 0.9 including the 1.046 μm laser emission line observed in bulk CaF 2 : Nd.
Strong PL at μm, 1.3 μm, and 1.1 μm
Shows firing. As the film thickness decreases from 1 μm to 0.2 μm, the intensity decreases proportionally, and the emission wavelength and relative band intensity of the PL spectrum from CaF 2 : Nd grown on Al / Si are: It remains unchanged. This result suggests that the luminescence properties of the film are not distorted even though the 0.2 μm film is closer to the CaF 2 / Al interface where defects are more likely to exist.
【0020】本発明の目的上、ドーパントとして稀土類
元素の代わりに遷移元素が使用されうることに注目する
のは重要である。さらに、CaF2 :Nd膜のPL強度
は、膜の結晶の品質に依存しない。これは、PL強度が
材料の結晶品質に強く依存する、半導体発光材料とは極
めて異なる。従って、それらは材料内の欠陥に、より影
響されやすい。It is important to note that for the purposes of the present invention, transition elements may be used as dopants instead of rare earth elements. Moreover, the PL intensity of the CaF 2 : Nd film does not depend on the crystal quality of the film. This is very different from semiconductor light emitting materials, where PL intensity strongly depends on the crystal quality of the material. Therefore, they are more susceptible to defects in the material.
【0021】図2および図3は、Al(111)/Si
(111)基板上に成長せしめられた、厚さ1.0μm
のCaF2 :Nd(0.48wt%)膜のヘリウム温度
でのPLスペクトルを示す。図2において、チャート6
4は、縦座標66に沿った任意単位による0.000な
いし0.140の可能な強度測定範囲と、横座標68に
沿った1040nmないし1100nmの波長測定範囲
と、を有する。ルミネセンススパイク68により示され
ているL中心発射は、0.12nmの線幅を有する。他
のルミネセンスピークには、ピーク70、72、および
74が含まれる。図2に示されている遷移は、 4F3/2
→ 4I11/2の2状態間のものである。2 and 3 show Al (111) / Si.
Thickness of 1.0 μm grown on (111) substrate
3 shows a PL spectrum of the CaF 2 : Nd (0.48 wt%) film of FIG. In FIG. 2, chart 6
4 has a possible intensity measuring range of 0.000 to 0.140 in arbitrary units along the ordinate 66 and a wavelength measuring range of 1040 nm to 1100 nm along the abscissa 68. The L-center emission, shown by luminescence spike 68, has a linewidth of 0.12 nm. Other luminescence peaks include peaks 70, 72, and 74. The transition shown in FIG. 2 is 4 F 3/2
→ 4 It is between 2 states of 1 11/2 .
【0022】図3のチャート76は、横座標80に沿っ
た8500Åないし9300Åの波長範囲に対してプロ
ットされた、縦座標78に沿った任意単位による0.0
00ないし0.020の可能な強度測定範囲を含む。ル
ミネセンスピークには、ほぼ等しい強度のピーク82お
よび84と、それらより小さいルミネセンスピーク86
および88と、さらにもっと小さい強度のピーク90お
よび92と、が含まれている。図3の諸ピークは、 4F
3/2 → 4I9/2 の遷移から生じる。バルクCaF2 :N
dのL中心から観察される発射波長は、矢印により示さ
れている。CaF2 基板上の厚さ10μm、0.3wt
%のCaF2 膜からのスペクトルは、図3のものと同様
の波長および相対強度を示す。The chart 76 of FIG. 3 shows 0.0 in arbitrary units along the ordinate 78 plotted against the wavelength range of 8500Å to 9300Å along the abscissa 80.
Includes a range of possible intensity measurements from 00 to 0.020. The luminescence peaks include peaks 82 and 84 of approximately equal intensity and a smaller luminescence peak 86.
And 88 and even less intense peaks 90 and 92 are included. The peaks in Figure 3 are 4 F
3/2 → 4 I arise from the transition of 9/2 . Bulk CaF 2 : N
The emission wavelength observed from the L center of d is indicated by the arrow. Thickness on CaF 2 substrate 10 μm, 0.3 wt
The spectra from the% CaF 2 film show similar wavelengths and relative intensities as those in FIG.
【0023】相異なる方法により、相異なる基板上に成
長せしめられたCaF2 :NdにおけるPLスペクトル
の相似性は、低いNd濃度においてL中心からの発射が
優越することを示唆する。これと対照的に、Nd濃度が
増大すると、PLスペクトルのより顕著な相違が観察さ
れる。The similarity of the PL spectra in CaF 2 : Nd grown on different substrates by different methods suggests that the emission from L centers dominates at low Nd concentrations. In contrast, a more pronounced difference in PL spectra is observed with increasing Nd concentration.
【0024】図4は、Al/Si(111)上に成長せ
しめられた厚さ1μmのCaF2 :Nd膜からのルミネ
センスの濃度依存性を示す。図4のチャート100は、
横座標104に沿った10400Åないし10600Å
の波長範囲内の、オングストローム単位の波長に対して
プロットされた、縦座標102に沿った任意単位による
0.000ないし0.600の範囲内の強度を示す。特
に、プロット106は、Al/Si(111)のMBE
成長層上に形成された、0.48%のNdを含む厚さ1
μmのCaF2 :Nd膜におけるルミネセンス強度を記
録したものである。プロット108は、Al/Si(1
11)上の0.96%のNdを含む同じ厚さのCa
F2 :Nd膜におけるルミネセンス強度をプロットした
ものである。プロット110は、Al/Si(111)
上の1.9%のNdを含む同じ厚さのCaF2 :Nd膜
におけるルミネセンスを示す。プロット112は、Al
/Si(111)上の3.8%のNdを含む同じ厚さの
CaF2 :Nd膜におけるルミネセンス強度を示す。レ
ーザ動作のために通常用いられる10457Åの線は、
Nd濃度が3.8wt%を超えると、バルク材料におい
ては完全に消失する。FIG. 4 shows the concentration dependence of the luminescence from a 1 μm thick CaF 2 : Nd film grown on Al / Si (111). The chart 100 of FIG.
10400Å or 10600Å along the abscissa 104
2 shows the intensities in the range 0.000 to 0.600 in arbitrary units along the ordinate 102 plotted against wavelengths in Angstrom units within In particular, plot 106 shows the MBE of Al / Si (111).
Thickness 1 containing 0.48% Nd formed on the growth layer
Luminescence intensity in a μm CaF 2 : Nd film is recorded. Plot 108 shows Al / Si (1
11) Ca of the same thickness containing 0.96% Nd above
It is a plot of the luminescence intensity in the F 2 : Nd film. Plot 110 shows Al / Si (111)
Figure 3 shows the luminescence in the same thickness CaF2: Nd film with 1.9% Nd above. Plot 112 is Al
7 shows the luminescence intensity in a CaF 2 : Nd film of the same thickness with 3.8% Nd on / Si (111). The 10457Å line normally used for laser operation is
When the Nd concentration exceeds 3.8 wt%, it completely disappears in the bulk material.
【0025】現在の膜と、以前に報告されたバルクCa
F2 :NdおよびCaF2 :Nd/CaF2 との間の最
も重要な差は、たとえNd濃度が3.8wt%というよ
うに高い場合でも、現在の膜のMおよびN欠陥中心から
の発射線の強度は減少していることである。3.8wt
%のNdを含むバルクCaF2 :Ndの場合は、Mおよ
びN中心からの発射強度は、L中心からのそれとほぼ同
じである。少なくとも3.7wt%のNdを含むCaF
2 :Nd/CaF2 の場合は、N中心におけるルミネセ
ンスの強度は、L中心における強度の80%である。こ
れと対照的に、図4は、Al/Siサンプル上のいかな
るCaF2 :Ndにおいても、N中心の波長(1044
8Å)における発射は観測されないことを示す。Nd濃
度が増大すると、M中心(10467Å)に対応する小
さいピークが現れるが、強度はまだ、3.8wt%のN
d濃度でのL中心の強度の50%しかない。Current membranes and previously reported bulk Ca
The most important difference between F 2 : Nd and CaF 2 : Nd / CaF 2 is the emission line from the M and N defect centers of the current film, even when the Nd concentration is as high as 3.8 wt%. Is that the intensity of is decreasing. 3.8 wt
For bulk CaF 2 : Nd with% Nd, the launch intensity from the M and N centers is about the same as that from the L center. CaF containing at least 3.7 wt% Nd
In the case of 2 : Nd / CaF 2 , the intensity of luminescence at the N center is 80% of the intensity at the L center. In contrast, FIG. 4 shows that for any CaF 2 : Nd on Al / Si sample, the N center wavelength (1044
It indicates that the launch at 8Å) is not observed. As the Nd concentration increases, a small peak corresponding to the M center (10467Å) appears, but the intensity is still 3.8 wt% N
There is only 50% of the intensity of the L center at the d concentration.
【0026】これらの比較は、低温においてMBEによ
り成長せしめられた現在のCaF2:Ndにおいては、
凝集したNd3+−F- により形成される斜方晶系のNお
よびM中心が減少せしめられうることを示す。Ca
F2 :Nd/Al/Siを成長させるために用いられる
低い基板温度は、MおよびN欠陥の少ないCaF2 :N
dが作られうるようにするためのものである。低い成長
温度は、フッ素の損失を阻止し、従って、バルクCaF
2 :Ndにおける電荷補償機構を回避する。さらに、N
d−Fの分布およびその凝集が低温工程により変化せし
められうる。そのわけは、原子の運動エネルギーが、6
00°Cより高い温度において起こるような原子の拡散
および平衡状態到達のためには、小さすぎるようになる
からである。These comparisons show that in the current CaF 2 : Nd grown by MBE at low temperature,
It shows that the orthorhombic N and M centers formed by aggregated Nd 3+ -F − can be reduced. Ca
The low substrate temperature used to grow F 2 : Nd / Al / Si results in low M and N defects CaF 2 : N.
to allow d to be created. The low growth temperature prevents the loss of fluorine and therefore bulk CaF
2 : Avoid charge compensation mechanism in Nd. Furthermore, N
The distribution of dF and its aggregation can be altered by low temperature steps. The reason is that the kinetic energy of an atom is 6
It is too small for atomic diffusion and equilibrium to occur as occurs at temperatures above 00 ° C.
【0027】図5は、Al/Si(111)上に成長せ
しめられたさまざまな厚さのCaF 2 :Nd(1.9w
t%)膜と、Si(111)上に成長せしめられた0.
2μmのCaF2 :Nd(1.9wt%)膜と、におけ
る10457Å線の相対強度を示す。図5のプロット1
34は、縦座標136に沿った、任意単位で0.0ない
し1.2の範囲内にありうべき強度を、0.0μmない
し1.2μmの範囲内にあるCaF2 :Nd膜の厚さの
測定値と共に記録したものである。すなわち、0.2μ
mの厚さの場合、Al/Si(111)上のCaF2 :
Nd膜における相対強度は、点140として記録されて
いる。Si(111)基板の場合は、厚さ0.2μmの
CaF2 :Nd膜における相対強度は、点142に記録
されている。2種類のCaF2 :Nd膜における、他の
膜の厚さおよび相対強度には、点144における0.5
μmの膜の厚さと、点146における1.0μmの厚さ
とが含まれる。FIG. 5 shows growth on Al / Si (111).
CaF with various thicknesses 2: Nd (1.9w
t%) film and a 0.1% film grown on Si (111).
2 μm CaF2: Nd (1.9 wt%) film and
10 shows the relative intensity of the 10457 line. Plot 1 in Figure 5
34 is 0.0 in arbitrary units along the ordinate 136
The expected strength within the range of 1.2 is 0.0 μm
CaF in the range of 1.2 μm2: Nd film thickness
It is recorded together with the measured value. That is, 0.2μ
CaF on Al / Si (111) for m thickness2:
The relative intensity in the Nd film was recorded as point 140
There is. In the case of Si (111) substrate, the thickness of 0.2 μm
CaF2: Relative intensity in Nd film recorded at point 142
Has been done. Two types of CaF2: Other in Nd film
The film thickness and relative strength are 0.5 at point 144.
μm film thickness and 1.0 μm thickness at point 146
And are included.
【0028】PL強度は、膜の厚さが1.0μmから
0.2μmまで減少するのに伴い、それに比例して減少
する。さらに、膜の発射波長および相対PL強度は、膜
の厚さに関係なく同じになる。これらの結果は、たとえ
膜の厚さがわずか0.2μmしかなく、厚さ0.2μm
の膜がCaF2 /Al境界面に接近していて、境界面の
欠陥の影響をより受けやすくても、ルミネセンスの性質
が歪められないことを示唆する。厚さは同じだが異なる
基板の場合では、Al上のCaF2 :NdのPL強度
は、Si上のCaF2 :Ndのそれよりも大きい。Al
/Si(111)上のCaF2 :NdからのPL強度の
方が大きいのは、514.5nmの入射光の90%以上
がAl層からCaF2 :Nd膜内へ反射されるのに対し
て、光の大部分がCaF2 :Nd/Si(111)のS
i基板内に吸収されるからであろう。The PL intensity decreases proportionally as the film thickness decreases from 1.0 μm to 0.2 μm. Moreover, the emission wavelength and relative PL intensity of the film will be the same regardless of the film thickness. These results show that even if the film thickness is only 0.2 μm,
Suggests that the luminescence properties are not distorted, even though the film of (1) is closer to the CaF 2 / Al interface and is more susceptible to interface defects. For substrates of the same thickness but different, the PL intensity of CaF 2 : Nd on Al is greater than that of CaF 2 : Nd on Si. Al
The PL intensity from CaF 2 : Nd on / Si (111) is larger than 90% or more of 514.5 nm incident light is reflected from the Al layer into the CaF 2 : Nd film. , Most of the light is S of CaF 2 : Nd / Si (111)
This is because it is absorbed in the i-substrate.
【0029】図6および図7はそれぞれ、厚さ0.2μ
mのCaF2 :Nd(1%)膜および厚さ4.0μmの
GaAs膜の、室温におけるPLスペクトルを示す。特
に、図6のプロット120は、縦座標122に沿った、
任意単位での0.00ないし0.45の範囲内における
相対強度を、横座標124に沿った6,000cm-1な
いし13,000cm-1の波数範囲に対して示してい
る。PL強度のピークは、領域126、128、および
130内に存在する。領域126、128、および13
0内において、確認された強度のピークに関連する局部
的な特定の周波数は、図6のプロット120内に関連す
る波数により示されている。Each of FIGS. 6 and 7 has a thickness of 0.2 μm.
3 shows PL spectra at room temperature of a CaF 2 : Nd (1%) film of m and a GaAs film of 4.0 μm in thickness. In particular, the plot 120 of FIG. 6 shows, along the ordinate 122,
Relative intensities in the range 0.00 to 0.45 in arbitrary units are shown for the wave number range along the abscissa 124 from 6,000 cm -1 to 13,000 cm -1 . PL intensity peaks exist in regions 126, 128, and 130. Regions 126, 128, and 13
Within 0, the specific local frequencies associated with the identified intensity peaks are indicated by the associated wave numbers in plot 120 of FIG.
【0030】図7において、プロット150は、縦座標
152に沿った0.000ないし0.450の相対強度
の範囲を、横座標154に沿った6,000cm-1から
13,000cm-1以上までの範囲の、cm-1を単位と
する波数と共に示している。この範囲内において、ピー
ク156は、11,423cm-1のL中心において、約
0.40の相対強度を示す。CaF2 膜はAl(11
1)/Si(111)基板上に成長せしめられる。Ga
As膜は、Si(100)基板上に成長せしめられる。
CaF2 :Ndレーザの発射線(9560cm-1)の線
幅が、11423cm-1のGaAsのピークの線幅より
狭いことは、明らかに示されている。In FIG. 7, plot 150 shows a range of relative intensities of 0.000 to 0.450 along ordinate 152 from 6,000 cm −1 along abscissa 154 to above 13,000 cm −1. Is shown with the wave number in the unit of cm −1 . Within this range, peak 156 exhibits a relative intensity of about 0.40 at the L center of 11,423 cm -1 . The CaF 2 film is Al (11
1) / Si (111) substrate is grown. Ga
The As film is grown on a Si (100) substrate.
It is clearly shown that the line width of the CaF 2 : Nd laser emission line (9560 cm −1 ) is narrower than the line width of the GaAs peak at 11423 cm −1 .
【0031】図6におけるCaF2 :Ndの発射線の強
度は、たとえCaF2 の厚さがGaAsの厚さの1/2
0に過ぎなくても、図7におけるGaAsのピークの強
度と同程度である。これは、CaF2 :Nd膜が、レー
ザ発射のためのよい利得媒質でありうることを示す。膜
の結晶の品質は、X線回折によって特徴化され、GaA
s膜からの130アークセコンドの半値全幅を示す。P
L強度が材料の結晶品質に強く依存するGaAsとは対
照的に、CaF2 :NdのPL強度は、膜の結晶品質へ
の検出可能な依存性を示さない。同じ厚さおよびNd濃
度を有する多結晶および単結晶CaF2 :Nd膜から
は、同様の室温PLスペクトルが観察された。The intensity of the CaF 2 : Nd emission line in FIG. 6 is such that the CaF 2 thickness is 1/2 the GaAs thickness.
Even if it is only 0, it is about the same as the intensity of the GaAs peak in FIG. This indicates that CaF 2 : Nd film can be a good gain medium for laser emission. The crystal quality of the film was characterized by X-ray diffraction and GaA
The full width at half maximum of 130 arc seconds from the s film is shown. P
In contrast to GaAs, whose L intensity strongly depends on the crystalline quality of the material, the PL intensity of CaF 2 : Nd shows no detectable dependence on the crystalline quality of the film. Similar room temperature PL spectra were observed from polycrystalline and single crystal CaF 2 : Nd films with the same thickness and Nd concentration.
【0032】これらのCaF2 :Ndサンプルと、Si
(111)上に成長せしめられた高品質のGaAs膜
(GaAs膜のX線ロッキングカーブの半幅=130a
rcsec)との比較は、0.2μmのCaF2 :Nd
(3.8wt%)/Al/Si薄膜からのPL強度が、
入射光強度を同じにした時の厚さ4μmのGaAs/S
iサンプルのそれと同様の大きさを有することを示す。
CaF2 :Nd膜からの線幅は、スペクトルが4.2K
および300Kにおいてとられる時、それぞれ1.2Å
および15Åである。比較すると、GaAs/Siサン
プルからのPL線幅は、4.26Kおよび300Kにお
いて、それぞれ40Åおよび220Åである。Ca
F2 :Nd膜の狭い発射線幅と、CaF2 の小さい屈折
率とは、本発明の原理を用いた微小空胴レーザの魅力あ
る特性である。狭い線幅により、良好な光利得が実現さ
れる。また、CaF2 と半導体との間の屈折率の大きい
差を利用すると、高反射率のミラーが製造されうる。These CaF 2 : Nd samples and Si
High quality GaAs film grown on (111) (half width of X-ray rocking curve of GaAs film = 130a
rcsec) is 0.2 μm CaF 2 : Nd
The PL intensity from (3.8 wt%) / Al / Si thin film is
4 μm thick GaAs / S with the same incident light intensity
It is shown to have a size similar to that of the i sample.
The line width from the CaF 2 : Nd film has a spectrum of 4.2K.
And 1.2 Å each when taken at 300K
And 15Å. By comparison, the PL linewidths from the GaAs / Si sample are 40Å and 220Å at 4.26K and 300K, respectively. Ca
The narrow emission linewidth of the F 2 : Nd film and the small index of refraction of CaF 2 are attractive properties of a microcavity laser using the principles of the present invention. Good optical gain is realized due to the narrow line width. Also, by taking advantage of the large difference in refractive index between CaF 2 and the semiconductor, high reflectance mirrors can be manufactured.
【0033】要約すると、実施例の、Al/Si(11
1)上にエピタキシャル成長せしめられたCaF2 :N
dの薄膜は、たとえ膜の厚さが0.2μmまで減少せし
められた時でも、強いホトルミネセンス発射を示す。低
温で成長せしめられたCaF 2 :Nd膜から得られるM
およびN中心からのルミネセンスは、抑制されたものに
なりうる。バルクCaF2 :Ndからの、レーザ動作の
ために使用されていた10457Åの発射線は、極めて
狭い線幅を示し、Nd濃度が3.8wt%を超えるまで
抑消されない。これらの特徴は、そのCaF2 :Nd薄
膜を、Siに基づく基板上に製造された微小空胴レーザ
のための魅力ある利得媒質とする。In summary, the Al / Si (11
1) CaF epitaxially grown on top2: N
The thin film of d reduces the thickness of the film down to 0.2 μm.
Even when raped, it exhibits strong photoluminescent emissions. Low
CaF grown at high temperature 2: M obtained from Nd film
And the luminescence from the N center is suppressed
Can be. Bulk CaF2: Laser operation from Nd
The 10457Å line of fire that was used to
Shows a narrow line width until the Nd concentration exceeds 3.8 wt%
Not suppressed. These features are the CaF2: Nd thin
Microcavity laser with film fabricated on Si-based substrate
As an attractive gain medium for.
【0034】III .CaF2 微小空胴デバイス A.CaF2 微小空胴デバイスの構造。実施例のもう1
つの特徴は、CaF2 :Nd微小空胴デバイスの形成に
ある。多結晶CaF2 :Ndから得られる高強度PL
は、本発明の実施例の原理を示す、2つのDBR(分布
ブラッグ反射器)により挟まれた多結晶CaF2 :Nd
膜から構成される微小空胴構造の基礎をなす。これらの
配置のためのDBRは、10対のTa2 O5 /SiO2
多重層から作られる。基板としては、10.16cm
(4インチ)のシリコンウエハが使用された。III. CaF 2 microcavity device A. Structure of CaF 2 microcavity device . Another of the examples
One feature lies in the formation of CaF 2 : Nd microcavity devices. High-strength PL obtained from polycrystalline CaF 2 : Nd
Is a polycrystalline CaF 2 : Nd sandwiched by two DBRs (distributed Bragg reflectors) showing the principle of the embodiment of the present invention.
It forms the basis of a microcavity structure composed of a membrane. The DBR for these arrangements has 10 pairs of Ta 2 O 5 / SiO 2
Made from multiple layers. As a substrate, 10.16 cm
A (4 inch) silicon wafer was used.
【0035】図8には、DBR上に成長せしめられたC
aF2 :Nd膜からとられた、室温PLスペクトルが示
されている。図8において、プロット190は、縦座標
191に沿った、任意単位での0ないし4の範囲内の強
度を、横座標192に沿った8000Åないし約150
00Åの範囲内の、Åを単位とする波長に対して記録し
ている。関心がもたれるピーク領域には、ピーク領域1
94と、小さいピーク領域196および198と、が含
まれる。CaF2 :Nd膜の頂部上には、ミラーは製造
されなかった。スペクトルは、Si(111)およびA
l(111)/Si(111)上のCaF2 :Nd膜か
ら観察されるものと極めて類似した発射波長および相対
強度を示した。FIG. 8 shows C grown on the DBR.
Room temperature PL spectra taken from aF 2 : Nd films are shown. In FIG. 8, plot 190 shows intensities in the range 0 to 4 in arbitrary units along ordinate 191 and 8000 Å to about 150 along abscissa 192.
The wavelength is recorded in units of Å within the range of 00Å. The peak areas of interest are peak areas 1
94 and small peak areas 196 and 198. No mirror was manufactured on top of the CaF 2 : Nd film. The spectra are Si (111) and A
It showed emission wavelengths and relative intensities very similar to those observed from CaF 2 : Nd films on 1 (111) / Si (111).
【0036】図9は、CaF2 :NdおよびTa2 O5
/SiO2 多重層から作られた微小空胴構造の室温PL
スペクトルを示す。図9のプロット200は、縦座標2
02に沿った、任意単位での0ないし4の範囲内の強度
を、横座標204に沿った8000Åないし約1500
0Åの範囲内の、Åを単位とする波長に対して記録して
いる。プロット200内において、ピーク206は、微
小空胴構造が生じる室温PLスペクトルを示す。この構
造は、1波長のCaF2 :Nd//(Ta2 O 5 /S
i)2 空胴を形成するために頂部のDBRミラーがこの
構造に付加されている点を除けば、図14において使用
されているサンプルと同じものである。FIG. 9 shows CaF2: Nd and Ta2OFive
/ SiO2Room temperature PL of micro cavity structure made from multiple layers
The spectrum is shown. The plot 200 of FIG. 9 shows the ordinate 2
Intensity in the range 0 to 4 in arbitrary units, along 02
8000Å to about 1500 along the abscissa 204
Record for wavelength in units of Å within 0Å
There is. In plot 200, peak 206 is
3 shows a room temperature PL spectrum in which a small cavity structure is generated. This structure
Structure is 1 wavelength of CaF2: Nd // (Ta2O Five/ S
i)2The top DBR mirror is used to form the cavity
Used in Figure 14, except added to the structure
It is the same as the sample.
【0037】図8と図9とを比較すると、図9において
は10453Åおよび10472Åに強い発射線が検出
されるが、10500Å付近の他の線は完全に消失して
いる。さらに、9000Åおよび13000Å付近の発
射線の強度は、10460Åの遷移に対して著しく小さ
くなるのが観察される。これらの結果は、10453Å
および10472Åにおける放射率が微小空胴によって
増強され、9000Åおよび13000Å付近の遷移が
抑消されることを示す。強度の増強と線幅の減少とは、
77KにおけるPL測定においても観察される。Comparing FIG. 8 and FIG. 9, strong firing lines are detected at 10453Å and 10472Å in FIG. 9, but other lines near 10500Å disappear completely. Furthermore, it is observed that the intensities of the firing lines near 9000Å and 13000Å become significantly smaller for the 10460Å transition. These results are 10453Å
And emissivity at 10472Å are enhanced by the microcavity and the transitions around 9000Å and 13000Å are suppressed. Strength increase and line width decrease
It is also observed in the PL measurement at 77K.
【0038】図10には、1波長CaF2 :Nd//
(Ta2 O5 /SiO2 )微小空胴構造における、計算
された反射率スペクトルが示されている。この構造は、
10460Åにおいて共振モードを形成するように設計
されている。図10は、1050nm( 4F3/2 → 4I
11/2の遷移)付近の発射線はミラー構造の「阻止帯域」
内にあるが、900nm( 4F3/2 → 4I9/2 の遷移)
および1300nm( 4F3/2 → 4I13/2の遷移)付近
の遷移は「通過帯域」内にあることを示している。従っ
て、9000Åおよび13000Å付近の発射線は、反
射器により直接影響を受けず、それらの強度は1050
0Å付近のものと比較されるとき、基準として用いられ
うる。In FIG. 10, one wavelength CaF 2 : Nd //
Calculated reflectance spectra for (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) microcavity structures are shown. This structure is
It is designed to form a resonant mode at 10460Å. FIG. 10 shows 1050 nm ( 4 F 3/2 → 4 I
The emission line near the transition of 11/2 ) is the "stop band" of the mirror structure
Within, but 900 nm ( 4 F 3/2 → 4 I 9/2 transition)
And the transition near 1300 nm (transition of 4 F 3/2 → 4 I 13/2 ) is in the “pass band”. Therefore, the launch lines near 9000Å and 13000Å are not directly affected by the reflector and their intensity is 1050
It can be used as a reference when compared to those near 0Å.
【0039】IV.稀土類(RE)でドープされたCaF
2 微小空胴デバイス 実施例はまた、微小空胴において異なる発射波長の効果
を用いるために、他のREでドープされたCaF2 の光
学的性質をも利用する。可視領域内でルミネセンスを発
する稀土類イオンは、実施例の特に重要な特徴である。
与えられたドーパントの遷移において、誘導放出が得ら
れうるか否かを予測するのは困難であるが、結晶が同様
の環境界内にある場合の、稀土類でドープされたバルク
CaF2および他のバルク結晶の研究は、本発明の原理
に適応しうる他のレーザ中心ドーパントの広範囲の選択
が可能であることを示す。EuでドープされたCaF2
薄膜からのエレクトロルミネセンスおよびホトルミネセ
ンスは、青の420nmに中心がある発射波長を有し、
これはEuでドープされたCaF2 が良好な利得媒質で
ありうることを示す。306nmという短い波長を有す
る紫外領域内の強いエレクトロルミネセンスが、GdF
2 でドープされたZnF2 膜において観察された。シリ
コンおよびAl/Si上のNdでドープされたCaF2
薄膜のほかに、Dyでドープされたバルク結晶が実施例
に用いられうる。Dyでドープされた材料は、スペクト
ルの青−緑(486nm付近)、黄(575nm)、赤
(665nm)、および近赤外領域(7540Åおよび
8390Å)において、ホトルミネセンス発射の特徴を
示す。HoおよびDyは、緑および黄の発射器のための
よいドーパント候補である。IV. CaF doped with rare earth (RE)
2 Microcavity Device Embodiments also take advantage of the optical properties of other RE-doped CaF 2 to use the effects of different emission wavelengths in the microcavity. Rare earth ions that luminesce in the visible region are a particularly important feature of the embodiment.
It is difficult to predict whether stimulated emission may be obtained at a given dopant transition, but rare earth-doped bulk CaF 2 and other when the crystal is in a similar environmental field. Bulk crystal studies indicate that a wide range of other laser-centered dopants that are compatible with the principles of the present invention are possible. CaF 2 doped with Eu
Electroluminescence and photoluminescence from thin films have an emission wavelength centered on blue 420 nm,
This shows that CaF 2 doped with Eu can be a good gain medium. Strong electroluminescence in the ultraviolet region, which has a short wavelength of 306 nm, causes GdF
It was observed in doped ZnF 2 film 2. CaF 2 doped with Nd on silicon and Al / Si
Besides thin films, bulk crystals doped with Dy can be used in the examples. The Dy-doped material exhibits photoluminescent emission characteristics in the blue-green (near 486 nm), yellow (575 nm), red (665 nm), and near-infrared region (7540Å and 8390Å) of the spectrum. Ho and Dy are good dopant candidates for green and yellow emitters.
【0040】V.REでドープされたCaF2 微小空胴
デバイスに対する光源としての多孔性Si 単結晶シリコンの代わりの、「多孔性Si」からの発光
は、電気的ポンピングおよび光ポンピングの双方によっ
て実現されている。多孔性シリコンと、Ndでドープさ
れたCaF2 との集積は、光源としての広い発射帯域幅
を有するシリコンに基づく材料(「多孔性Si」)と、
レーザ光放射のための狭い発射帯域幅を有するシリコン
に基づく利得媒質(CaF2 :Nd)と、を与える。多
孔性シリコンの発射波長は、5200Åと9000Åと
の間にある。これらの波長は、CaF2 :Nd薄膜のポ
ンピング用としては理想的なものである。V. Instead of porous Si single crystal silicon as a light source for RE-doped CaF 2 microcavity devices, the emission from “porous Si” has been realized by both electrical and optical pumping. The integration of porous silicon with Nd-doped CaF 2 is a silicon-based material with a wide emission bandwidth as a light source (“porous Si”),
A silicon-based gain medium (CaF 2 : Nd) with a narrow emission bandwidth for laser light emission. The emission wavelength of porous silicon lies between 5200Å and 9000Å. These wavelengths are ideal for pumping CaF 2 : Nd thin films.
【0041】これまで多孔性シリコンは、電気化学的に
形成されてきたが、多孔性シリコンの分析的研究によ
り、この材料が、アモルファスシリコンと、結晶シリコ
ンと、酸化シリコンと、水素化シリコンと、の混合物で
あることがわかった。例えば、Applied Phy
sics Letters,1991に所載のP.St
evens、J.Esters、W.Duncan、
J.Villalobos、J.Perez、R.Gl
osser、およびP.McNeill著「微結晶体の
赤外およびラマン放射による研究(Infrared
and RamanStudies of Micro
crystalline)」および「多孔性シリコンの
アモルファス相(Amorphous Phases
of Porous Silicon)」を参照された
い。これらの文献は、特にここで参照され、その内容は
本願に取込まれている。「多孔性Si」という用語は、
このようにして、可視光を発射しうるシリコン材料の呼
称である。これらの発射は、結晶シリコンの陽極化成に
よってだけでなく、化学蒸着法(CVD)および分子ビ
ームエポキシ(MBE)のような通常の成長技術によっ
ても、実現可能である。Up until now, porous silicon has been formed electrochemically, but analytical studies of porous silicon have revealed that this material is amorphous silicon, crystalline silicon, silicon oxide, and hydrogenated silicon. It was found to be a mixture of For example, Applied Phy
P. sics Letters, 1991. St
and evens. Esters, W.F. Duncan,
J. Villalobos, J .; Perez, R.M. Gl
Osser, and P. McNeill, Infrared and Raman Radiation Studies of Microcrystals (Infrared
and RamanStudies of Micro
and “amorphous phase of porous silicon (Amorphous Phases)”.
of Porous Silicon) ". These documents are specifically referred to herein, the contents of which are incorporated herein. The term "porous Si" refers to
In this way, it is the name of a silicon material that can emit visible light. These launches are feasible not only by anodization of crystalline silicon, but also by conventional growth techniques such as chemical vapor deposition (CVD) and molecular beam epoxy (MBE).
【0042】図11は、多孔性シリコンの典型的なホト
ルミネセンスのスペクトルを示す。図11のプロット2
16は、縦座標218に沿って、任意単位での0ないし
200,000の範囲内の強度を、また横座標220に
沿って、5,200Åないし9,000Åの範囲内の波
長を記録している。曲線222は、約7,250Åと
7,400Åとの間にピーク224を有する多孔性シリ
コンにおけるルミネセンス領域を示す。実施例のルミネ
センスは、7000Å付近に最大強度を有し、5200
Åないし9000Åの範囲内にある。CaF2 :Ndの
吸収スペクトルは、7250−7450Å、7800−
8000Å、および8500−8700Åにおける強い
ピークを示し、多孔性シリコンから発射された光子は、
CaF2 :Ndによって効果的に吸収される。この結
果、CaF2 :Ndからの高強度のホトルミネセンスが
得られる。FIG. 11 shows a typical photoluminescence spectrum of porous silicon. Plot 2 of FIG.
16 records intensities in the range 0 to 200,000 in arbitrary units along the ordinate 218 and wavelengths in the range 5,200 Å to 9000 Å along the abscissa 220. There is. Curve 222 shows the luminescence region in porous silicon with a peak 224 between about 7,250 and 7,400 Å. The luminescence of the example has a maximum intensity around 7000Å and a maximum intensity of 5200
It is in the range of Å to 9000Å. The absorption spectra of CaF 2 : Nd are 7250-7450Å, 7800-
Photons emitted from porous silicon show strong peaks at 8000Å and 8500-8700Å.
Effectively absorbed by CaF 2 : Nd. As a result, high intensity photoluminescence from CaF 2 : Nd can be obtained.
【0043】図12および図13は、多孔性シリコンを
CaF2 :Ndと集積する2つの構造を示す。図12の
構造226は、第1のブラッグ反射器の組232上に形
成された多孔性シリコン層230に取付けられた透明電
極228を含む。次に、CaF2 :Nd層234が、ブ
ラッグ反射器の組232とブラッグ反射器の組236と
の間に挟まれる。ブラッグ反射器の組236は、基板2
40を基礎として有する金属電極238に取付けられて
いる。これらの配置においては、多孔性シリコンは、C
aF2 :Ndをポンピングするための光源として使用さ
れうる。それぞれのブラッグ反射器として5層の誘電体
のみが示されているが、高反射率を実現するためには、
垂直方向表面発射レーザデバイスに対し、層数は10対
よりも多くなりうる。エッジ発射レーザデバイスにおい
ては、高反射率への要求は、垂直方向表面発射レーザに
おけるほど強くない。金属層または少数対のブラッグ反
射器で十分である。12 and 13 show two structures that integrate porous silicon with CaF 2 : Nd. The structure 226 of FIG. 12 includes a transparent electrode 228 attached to a porous silicon layer 230 formed on a first Bragg reflector set 232. The CaF 2 : Nd layer 234 is then sandwiched between the Bragg reflector set 232 and the Bragg reflector set 236. The set of Bragg reflectors 236 is the substrate 2
It is attached to a metal electrode 238 having 40 as a base. In these arrangements, the porous silicon is C
It can be used as a light source for pumping aF 2 : Nd. Only five layers of dielectric are shown for each Bragg reflector, but to achieve high reflectivity,
For vertical surface emitting laser devices, the number of layers can be more than 10 pairs. In edge emitting laser devices, the requirement for high reflectivity is not as strong as in vertical surface emitting lasers. A metal layer or a few pairs of Bragg reflectors are sufficient.
【0044】図13は、多孔性Si層230上の透明電
極228から始まる発光源としての多孔性Siのもう1
つの構造を示しており、多孔性Si層230は、もう1
つの透明電極244を覆っている。透明電極244に
は、第1のブラッグ反射器の組232が取付けられてお
り、これはCaF2 :Nd層234に取付けられてい
る。CaF2 :Nd層234の下面は、ブラッグ反射器
の組236に取付けられている。図13の配置において
は、ブラッグ反射器の組236は、基板240に直接取
付けられている。図12においては、多孔性シリコンお
よびCaF2 :Ndは、2電極間に挟まれている。この
構造は、CaF2 :Nd層が、ある場合にエレクトロル
ミネセンスにより発光することを可能ならしめる。Ca
F2 :Nd層はまた、多孔性Siからのエレクトロルミ
ネセンスにより、光ポンピングされる。図13の配置の
欠点は、多孔性Si内の電界勾配が、図12の多孔性S
i内のそれほど強くないことである。図13において
は、CaF2 :Nd層は、多孔性Siからのエレクトロ
ルミネセンスによって光ポンピングされる。この配置に
おいては、CaF2 :Nd内に電界の変化は起こらな
い。FIG. 13 shows another example of porous Si as a light emission source starting from the transparent electrode 228 on the porous Si layer 230.
The structure of the porous Si layer 230 is
It covers one transparent electrode 244. Attached to transparent electrode 244 is a first set of Bragg reflectors 232, which is attached to CaF 2 : Nd layer 234. The bottom surface of the CaF 2 : Nd layer 234 is attached to the Bragg reflector set 236. In the arrangement of FIG. 13, Bragg reflector set 236 is attached directly to substrate 240. In FIG. 12, porous silicon and CaF 2 : Nd are sandwiched between two electrodes. This structure allows the CaF 2 : Nd layer to emit electroluminescent in some cases. Ca
The F 2 : Nd layer is also optically pumped by electroluminescence from porous Si. The disadvantage of the arrangement of FIG. 13 is that the electric field gradient in the porous Si is
That is not so strong in i. In FIG. 13, the CaF 2 : Nd layer is optically pumped by electroluminescence from porous Si. In this arrangement, no electric field change occurs in CaF 2 : Nd.
【0045】図14および図15は、多孔性SiがCa
F2 :NdとSi基板との間に成長せしめられているこ
とを除けば図12および図13と同様な、2つの他の構
造を示す。図14は、多孔性Siが、CaF2 :Nd利
得媒質と基板との間にある、もう1つの実施例244を
示している。特に、透明電極228は、CaF2 :Nd
層234を覆う第1のブラッグ反射器の組232に取付
けられている。CaF 2 :Nd234は、ブラッグ反射
器の組236に取付けられている。図14の実施例にお
いては、多孔性Si層230は、第2のブラッグ反射器
の組236と金属電極238との間に配置されている。
金属電極238は、多孔性Si層230と基板240と
の間に取付けられている。In FIGS. 14 and 15, the porous Si is Ca.
F2: Must be grown between Nd and Si substrate
Two other structures similar to FIGS. 12 and 13 except for and
Shows the structure. In FIG. 14, porous Si is CaF.2: Nd profit
Another embodiment 244 between the medium and the substrate is
Shows. Particularly, the transparent electrode 228 is made of CaF.2: Nd
Mounted on first Bragg reflector set 232 over layer 234
It has been burned. CaF 2: Nd234 is Bragg reflection
Attached to the set of vessels 236. In the embodiment of FIG.
In addition, the porous Si layer 230 is the second Bragg reflector.
Between the pair 236 and the metal electrode 238.
The metal electrode 238 includes a porous Si layer 230, a substrate 240, and
Installed between.
【0046】図15もまた、多孔性Si層230が、C
aF2 :Nd層234を有するCaF2 :Nd利得媒質
と基板240との間に配置された実施例を示す。特に、
ブラッグ反射器の組232は、ブラッグ反射器の組23
6の一部を覆うCaF2 :Nd層234上に形成されて
いる。ブラッグ反射器の組236の下には、多孔性Si
層230に取付けられた金属電極238がある。第2金
属電極248は、多孔性Si層230を、基板240か
ら隔離している。図12および図13の構造と比較する
と、図14および図15の構造は、多孔性Siの頂部上
に単結晶材料を成長させることを困難にする。しかし、
これらの構造は、多孔性Siがレーザ出力路内に位置し
ていないので、表面発射レーザ用としては、より魅力が
ある。これは、レーザデバイスの出力効率を増大させ
る。単結晶CaF2 :Ndからのホトルミネセンスの強
度は、多結晶のものからのそれに匹敵するので、レーザ
光放射のために多孔性Siの頂部上に単結晶層を得る必
要はない。FIG. 15 also shows that the porous Si layer 230 is C
An example is shown disposed between a CaF 2 : Nd gain medium having an aF 2 : Nd layer 234 and a substrate 240. In particular,
The set 232 of Bragg reflectors is the set 23 of Bragg reflectors.
6 is formed on the CaF 2 : Nd layer 234 that covers a part of No. 6. Below the Bragg reflector set 236 is a porous Si
There is a metal electrode 238 attached to layer 230. The second metal electrode 248 separates the porous Si layer 230 from the substrate 240. Compared to the structures of FIGS. 12 and 13, the structures of FIGS. 14 and 15 make it difficult to grow single crystal material on top of porous Si. But,
These structures are more attractive for surface emitting lasers because the porous Si is not located in the laser output path. This increases the power efficiency of the laser device. It is not necessary to obtain a monocrystalline layer on top of the porous Si for laser light emission, as the intensity of the photoluminescence from the monocrystalline CaF 2 : Nd is comparable to that from the polycrystalline one.
【0047】VI.エレクトロルミネセンスによる、RE
でドープされたCaF2 薄膜からの発光 エレクトロルミネセンスの効率を増大させるためには、
次のいくつかの方法を用いうる。(1)半絶縁CaF2
膜をスパッタリングにより成長せしめうる。(2)Ca
F2 :Ndから作られた超格子構造および他の半導体層
を、キャリヤが半導体層内で効果的に加速されて、Ca
F2 :Nd層内においてNdの励起を誘発するのに十分
なエネルギーを得るように、用いうる。(3)Ndと、
Euのようなもう1つのドーパントとを、いっしょにC
aF2 に加えうる。CaF2 :Euは、エレクトロルミ
ネセンスにより420nmの光を発射しうるので、Nd
は、Euのエレクトロルミネセンスにより発射される光
子によってポンピングされるか、または隣接するEu原
子からの直接的なエネルギーの伝達によって励起されさ
えする。VI. RE by electroluminescence
In order to increase the efficiency of light-emitting electroluminescence from CaF 2 thin films doped with
Several methods can be used: (1) Semi-insulating CaF 2
The film can be grown by sputtering. (2) Ca
Superlattice structures and other semiconductor layers made from F 2 : Nd have the effect of accelerating the carriers within the semiconductor layers to produce Ca
F 2: to obtain enough energy to induce excitation of Nd in the Nd layer, it can be used. (3) Nd,
C together with another dopant such as Eu
It can be added to aF 2 . Since CaF 2 : Eu can emit light of 420 nm by electroluminescence, Nd
Are either pumped by photons emitted by the electroluminescence of Eu, or even excited by direct energy transfer from adjacent Eu atoms.
【0048】以下の項においては、エレクトロルミネセ
ンスの効率を改善するための、実施例の方法を論ずる。
なお、これらの方法が、エレクトロルミネセンスにより
ポンピングされるレーザにおいて用いられうることにも
注意すべきである。超格子構造は、微小空胴レーザの空
胴構造に類似している。レーザ空胴の長さが、発射され
る波長と同程度である時は、レーザの特性は著しく変化
せしめられうる。微小空胴領域においては、特にミラー
の反射率が高い時には、発射線幅が減少するのに伴って
光利得が顕著に増大することが、解析および実験によっ
て示唆される。上述のサブミクロンの厚さのCaF2 :
Ndからの極めて狭い線幅と、高反射率のミラーがCa
F2 /ZnSeから作られることが証明されたという事
実と、が与えられれば、以下の方法によってエレクトロ
ルミネセンスの効率を改善することにより、エレクトロ
ルミネセンスによってポンピングされる微小空胴CaF
2:Ndレーザが実現されうる。The following sections discuss example methods for improving the efficiency of electroluminescence.
It should also be noted that these methods can also be used in electroluminescent pumped lasers. The superlattice structure is similar to that of a microcavity laser. When the length of the laser cavity is comparable to the emitted wavelength, the characteristics of the laser can be changed significantly. Analysis and experiments suggest that in the microcavity region, especially when the reflectance of the mirror is high, the optical gain increases remarkably as the emission line width decreases. Sub-micron thick CaF 2 as described above:
The extremely narrow line width from Nd and the high reflectance mirror are Ca
Given the fact that it was proved to be made from F 2 / ZnSe, and the microcavity CaF pumped by electroluminescence by improving the efficiency of electroluminescence by the following method:
2 : Nd laser can be realized.
【0049】エレクトロルミネセンスの効率を改善する
ための、上述の方法の第1のものは、スパッタされたC
aF2 の使用による。蒸着により成長せしめられたCa
F2膜の抵抗率は約1016Ω−cmであるが、3×10
3 Ω−cmほどの低い抵抗率を有するCaF2 膜は、ス
パッタリングによって得られうる。減少せしめられた抵
抗率は、通常は望ましくない。そのわけは、多くの場
合、CaF2 は、シリコンまたはGaAs上にエピタキ
シャルに成長させられうる良い絶縁体として用いられて
きたからである。しかし、もし膜がエレクトロルミネセ
ンスの応用のために用いられるとすれば、良い導電性が
必要となる。より多数のキャリヤが、絶縁膜よりも半導
電膜を通して駆動されうるので、キャリヤと、Ca
F2 :Nd内のルミネセンス中心との間の衝突断面積
は、半導電性のスパッタされた膜における方が大きくな
る。これは、ルミネセンス強度を増大させる。エレクト
ロルミネセンスによりCaF2 :Ndをしてレーザ光放
射せしめるために、Cdの蒸気中においてCdF2 :M
nを焼なましすることによって、同様の方策がとられ
た。スパッタされたCaF2 の、1つのありうる欠点
は、結晶品質の劣化によって発射の抑消が強化されるこ
とである。しかし、これは深刻な問題ではない。そのわ
けは、MBEで成長せしめられたCaF2 :Ndに関し
て示されたように、多結晶CaF2 :Nd膜のホトルミ
ネセンスの強度は、単結晶CaF2 :Ndのそれと同じ
であるからである。これは、結晶品質が重要でないこと
を示す。The first of the above methods for improving the efficiency of electroluminescence is sputtered C.
Due to the use of aF 2 . Ca grown by vapor deposition
The resistivity of the F 2 film is about 10 16 Ω-cm, but 3 × 10
CaF 2 film having a low resistivity of about 3 Omega-cm can be obtained by sputtering. Reduced resistivity is usually undesirable. This is because CaF 2 has often been used as a good insulator that can be epitaxially grown on silicon or GaAs. However, good conductivity is required if the film is to be used for electroluminescence applications. Since more carriers can be driven through the semi-conductive film than the insulating film, the carrier and Ca
The collision cross section between the luminescence centers in F 2 : Nd is larger in the semiconductive sputtered film. This increases the luminescence intensity. In order to cause CaF 2 : Nd to emit laser light by electroluminescence, CdF 2 : M in vapor of Cd
A similar strategy was taken by annealing n. One possible drawback of sputtered CaF 2 is that the suppression of the emission is enhanced by the deterioration of crystal quality. But this is not a serious problem. This is because the photoluminescence intensity of the polycrystalline CaF 2 : Nd film is the same as that of the single crystal CaF 2 : Nd, as shown for the CaF 2 : Nd grown by MBE. . This indicates that crystal quality is not important.
【0050】エレクトロルミネセンスの効率を大きくす
るための、第2の上述の方法は、CaF2 :Nd半導体
超格子の形成である。CaF2 :Ndおよび他の半導体
層から作られた超格子は、キャリヤが半導体層内で効果
的に加速され、従って、CaF2 :Nd層内でNdの励
起を誘発するのに充分なエネルギーを得るように使用さ
れうる。これは、Y2 O3 :Eu薄膜エレクトロルミネ
センスデバイスの発射効率を十分に改善する。さらに、
それぞれの超格子の厚さが発射波長より小さい場合は、
その厚さが適正に同調せしめられた時、ルミネセンスを
増強するための強め合う干渉が発生せしめられうる。A second above-mentioned method for increasing the efficiency of electroluminescence is the formation of CaF 2 : Nd semiconductor superlattices. Superlattices made from CaF 2 : Nd and other semiconductor layers provide carriers with sufficient energy to effectively accelerate the carriers in the semiconductor layer and thus induce Nd excitation in the CaF 2 : Nd layer. Can be used to obtain. This significantly improves the firing efficiency of the Y 2 O 3 : Eu thin film electroluminescent device. further,
If the thickness of each superlattice is less than the emission wavelength,
When the thicknesses are properly tuned, constructive interference can be created to enhance luminescence.
【0051】図16は、CaF2 :Nd/ZnS多層構
造から効果的なエレクトロルミネセンスを得るために用
いられうる超格子構造を示す。図16のCaF2 :Nd
半導体超格子構造250は、CaF2 :Nd/半導体超
格子254上の透明電極252を含む。CaF2 :Nd
/半導体超格子254は、所望の程度のエレクトロルミ
ネセンスを実現するために、例えばZnSを用いた半導
体層を間に散在させた、層256のようなCaF2 :N
d層を含む。CaF2 :Nd/半導体超格子254は、
基板240上に形成された金属電極238上に形成され
る。FIG. 16 shows a superlattice structure that can be used to obtain effective electroluminescence from a CaF 2 : Nd / ZnS multilayer structure. CaF 2 : Nd in FIG.
The semiconductor superlattice structure 250 includes a transparent electrode 252 on a CaF 2 : Nd / semiconductor superlattice 254. CaF 2 : Nd
/ A semiconductor superlattice 254 is a CaF 2 : N layer, such as layer 256, interspersed with semiconductor layers, eg, using ZnS, to achieve the desired degree of electroluminescence.
Includes d layer. CaF 2 : Nd / semiconductor superlattice 254 is
It is formed on the metal electrode 238 formed on the substrate 240.
【0052】透明導体は、酸化インジウムスズ(IT
O)またはアルミニウムでドープされた酸化亜鉛などの
導電性の酸化物、または強くドープされたZnSeまた
はZnSなどの半導体から作られうる。これらの材料
は、良好な導電率および発射波長における光学的透明度
を有する。透明導体はまた、光学的帰還を行うミラーと
しても作用するので、屈折率は、強い微小空胴効果を実
現しうるように、CaF2:Nd(または他のREでド
ープされたCaF2 )の屈折率とできるだけ異なるべき
である。ITOの屈折率は、1.75から2.3までの
範囲内にある。酸化亜鉛、ZnS、およびZnSeの屈
折率は、1μmの波長において、それぞれ約1.86、
2.37、および2.89である。REでドープされた
CaF2 の屈折率は約1.43であるから、これらの材
料は、REでドープされたCaF2 が空胴効果を増強す
るようになっている分布帰還レーザにおける、高品質の
DBR、または周期的利得構造を形成しうるはずであ
る。The transparent conductor is indium tin oxide (IT
O) or aluminum doped conductive oxides such as zinc oxide or strongly doped semiconductors such as ZnSe or ZnS. These materials have good conductivity and optical clarity at the emission wavelength. The transparent conductor also acts as a mirror for optical feedback, so that the index of refraction of CaF 2 : Nd (or other RE-doped CaF 2 ) is such that a strong microcavity effect can be achieved. It should differ from the refractive index as much as possible. The refractive index of ITO is in the range 1.75 to 2.3. The refractive index of zinc oxide, ZnS, and ZnSe is about 1.86 at a wavelength of 1 μm, respectively.
2.37, and 2.89. Since the refractive index of RE-doped CaF 2 is about 1.43, these materials are of high quality in distributed feedback lasers where RE-doped CaF 2 enhances the cavity effect. Should be able to form a DBR, or a periodic gain structure.
【0053】エレクトロルミネセンスの効率を改善する
ためのもう1つの方法は、コドープ(co−dope)
されたCaF2 の形成によるものである。Ndと、Eu
またはErなどのもう1つのドーパントが、いっしょに
CaF2 内に加えられうる。CaF2 :Euは、エレク
トロルミネセンスにより波長420nmの光を発射する
ことが示されている。EuおよびErがNdと共にCa
F2 内にコドープされた時は、EuおよびErのそれぞ
れのための398nmおよび449nmにおける吸収が
観察された。これらの結果は、CaF2 :Nd/Euま
たはCaF2 :Nd/Er膜を成長させることにより、
Ndが,EuまたはErのエレクトロルミネセンスから
発射される光子によってポンピングされ、または隣接す
るEu原子からの直接的エネルギー伝達により励起され
さえして、増強されたルミネセンスが得られることを示
す。Another method for improving the efficiency of electroluminescence is co-dope.
This is due to the formation of CaF 2 that has been formed. Nd and Eu
Or another dopant such as Er can be added together in CaF 2 . CaF 2 : Eu has been shown to emit light with a wavelength of 420 nm by electroluminescence. Eu and Er together with Nd are Ca
When co-doped in F 2 , absorptions at 398 nm and 449 nm for Eu and Er respectively were observed. These results show that by growing CaF 2 : Nd / Eu or CaF 2 : Nd / Er films,
We show that Nd is pumped by photons emitted from Eu or Er electroluminescence, or even excited by direct energy transfer from adjacent Eu atoms, resulting in enhanced luminescence.
【0054】図17、図18、図19、および図20に
は、レーザ空胴の材料および特徴の知識に基づき、エレ
クトロルミネセンスによるレーザ光放射を実現しやす
い、他のレーザ構造が示されている。図17の垂直方向
の配置260は、透明導体262と、レーザ268を作
動させるための独立した電圧源266から印加される電
位を有する金属導体264と、を含む。レーザ268
は、交互に配置された、1/4波長半導体層270と、
利得媒質として働く1/4波長CaF2 :Nd層272
と、を含む。同様にして、図18の水平方向の配置27
4は、透明導体276および278などの多数の透明導
体と、それらの間に散在せしめられたCaF 2 :RE利
得媒質280とを含む。17, FIG. 18, FIG. 19 and FIG.
Based on knowledge of the materials and features of the laser cavity,
Easy realization of laser light emission by ctoluminescence
Other laser structures are shown. Vertical direction in FIG.
The arrangement 260 creates a transparent conductor 262 and a laser 268.
The voltage applied from an independent voltage source 266 for driving
A metal conductor 264 having a position. Laser 268
Are the quarter-wave semiconductor layers 270, which are alternately arranged,
Quarter-wave CaF acting as a gain medium2: Nd layer 272
And, including. Similarly, the horizontal arrangement 27 of FIG.
4 is a number of transparent conductors such as transparent conductors 276 and 278.
Body and CaF scattered between them 2: RE profit
A gain medium 280.
【0055】図19および図20は、ZnSをエレクト
ロルミネセンスの発光源として用いる2つの配置を、配
置290および291として示す。図19の配置290
は、ZnS層294上に形成された透明電極292を含
む。ZnS層294は、ブラッグ反射器の組232、C
aF2 :RE層296、および第2のブラッグ反射器の
組236に対するエレクトロルミネセンス光源として働
く。第2のブラッグ反射器の組236は、基板240に
取付けられた金属電極238上に形成されている。19 and 20 show two arrangements using ZnS as the electroluminescent emission source, arrangements 290 and 291. Arrangement 290 of FIG.
Includes a transparent electrode 292 formed on the ZnS layer 294. The ZnS layer 294 is a Bragg reflector set 232, C.
It serves as an electroluminescent light source for the aF 2 : RE layer 296 and the second Bragg reflector set 236. The second set of Bragg reflectors 236 is formed on a metal electrode 238 attached to the substrate 240.
【0056】図20の配置291は、ZnS層294上
に形成された透明電極292を含む。ZnS層294
は、ブラッグ反射器の組232に連結された第2透明電
極298上に形成されている。ブラッグ反射器の組23
2と、ブラッグ反射器の組236との間には、Ca
F2 :RE層296がある。第2のブラッグ反射器の組
236は、図20の配置における基板240に直接取付
けられている。The arrangement 291 of FIG. 20 includes a transparent electrode 292 formed on the ZnS layer 294. ZnS layer 294
Are formed on a second transparent electrode 298 connected to the Bragg reflector set 232. Bragg reflector set 23
2 between the Bragg reflector set 236 and Ca
There is an F 2 : RE layer 296. The second set of Bragg reflectors 236 is directly attached to the substrate 240 in the arrangement of FIG.
【0057】VII .本発明の範囲内における応用の例 IV族材料からの発光を実現するための広範な研究が最近
行われた。多孔性Si、等電子的にドープされたシリコ
ン、および歪んだGeSi合金、からの発光が報告され
ている。これらの材料がシリコンに基づく技術に適合し
うることと、REでドープされたCaF2 微小空胴レー
ザにより極めて低いレーザ光放射スレショルドが実現さ
れうることと、を考慮すると、提案された微小空胴レー
ザの実施例は、これらの材料を本発明の範囲内において
利用することができる。VII. Examples of applications within the scope of the present invention Extensive research has recently been done to realize emission from Group IV materials. Emissions from porous Si, isoelectronically doped silicon, and strained GeSi alloys have been reported. Considering that these materials are compatible with silicon-based technologies and that extremely low laser emission thresholds can be achieved with RE-doped CaF 2 microcavity lasers, the proposed microcavity is proposed. Laser embodiments can utilize these materials within the scope of the present invention.
【0058】シリコンに基づくOEICおよび光子集積
回路(PIC)は、広範囲の軍事上および商業上の応用
を有する。シリコンに基づくOEICまたはPICの1
つの応用は、多チップモジュールの相互接続の分野にお
けるものである。多チップモジュールの複雑性の増大に
伴い、高密度金属線が作り出す相互接続抵抗率および寄
生キャパシタンスは、装置の性能に対する主要な障害と
なる。光相互接続は、長い間これらの相互接続問題に対
する解決手段と考えられてきた。シリコンに基づくOE
ICおよびPICは、例えば、光結合整相アレイレーダ
素子に対する特殊な応用を有する。レーダ素子のため
の、GaAsおよび他のIII −V材料に基づくモノリシ
ックマイクロ波集積回路(MMIC)の分野において
は、顕著な進歩があったが、III −V材料に基づくディ
ジタル論理およびメモリ回路に関する研究は、それほど
成果を上げなかった。それゆえ、シリコンディジタル回
路にモノリシックに集積された光源および変調器は、現
時点の技術水準におけるシリコンディジタル回路および
論理回路を、GaAsMMIC素子に光学的に結合させ
るための機構を提供する。Silicon-based OEICs and Photon Integrated Circuits (PICs) have a wide range of military and commercial applications. Silicon based OEIC or PIC 1
One application is in the field of interconnection of multichip modules. With the increasing complexity of multi-chip modules, the interconnect resistivity and parasitic capacitance created by high density metal lines are major obstacles to device performance. Optical interconnections have long been considered the solution to these interconnection problems. Silicon-based OE
ICs and PICs have particular application, for example to optically coupled phased array radar devices. Although there have been significant advances in the field of monolithic microwave integrated circuits (MMIC) based on GaAs and other III-V materials for radar devices, research on digital logic and memory circuits based on III-V materials Didn't do much. Therefore, light sources and modulators monolithically integrated into silicon digital circuits provide a mechanism for optically coupling state-of-the-art silicon digital and logic circuits to GaAs MMIC devices.
【0059】光計算の分野における現在の研究は、III
−VおよびLiNbO3 材料の装置に強く限定されてい
る。シリコンに基づくレーザ源を除き、光計算に必要と
される全ての他の機能(変調器、検出器、および導波
路)は、すでに実物宣伝がなされている。事実、大規模
集積(LSI)シリコン検出器(例えばCCD)は市販
されており、シリコン上の中規模集積(MSI)変調器
(例えばDMD)は実物宣伝がなされ、商業生産が始ま
っている。DMDは自由空間変調器であるが、BaTi
O3 および(Pb、La)(Zr、Ti)O3 などの材
料(これらは、優れた電気光学的性質を有する)は、実
施例のさまざまな配置に用いられるポストULSIシリ
コンメモリへの応用において高容量の誘電体キャパシタ
用に使用される。シリコン上のSiO2 導波路も、すで
に実物宣伝が行われている。Current research in the field of optical computing is III
It is limited strongly apparatus -V and LiNbO 3 material. With the exception of silicon-based laser sources, all other functions required for optical calculations (modulators, detectors, and waveguides) have already been commercialized. In fact, large scale integrated (LSI) silicon detectors (eg CCD) are commercially available and medium scale integrated (MSI) modulators (eg DMD) on silicon are being commercialized and commercial production has begun. DMD is a free space modulator, but BaTi
O 3 and (Pb, La) (Zr, Ti) material, such as (these have excellent electro-optical properties) O 3, in its application to the post ULSI silicon memory used various arrangements of the embodiments Used for high capacity dielectric capacitors. The SiO 2 waveguide on silicon has already been advertised in kind.
【0060】従来のシリコンの大量工程は、他の電子ま
たは光電子材料による技術とは比較にならないほど優れ
た経済性を有するので、実施例の原理によって形成され
たシリコンに基づくOEICおよびPICは、特に魅力
がある。本発明によって形成されたシリコンに基づくO
EICの可能な応用対象は、ディスプレイ用のシリコン
に基づく発光器、家庭および他のケーブル回路網へのフ
ァイバ、自動車の電子装置のためのコンピュータ通信装
置、および医学上およびビボ(vivo)における使用
のための低コストの使い捨てOEICである。最後に、
本発明のシリコンに基づくOEICは、回路レベルの画
像処理デバイスまたは高性能の画素などの新しい機能を
提供する。Silicon-based OEICs and PICs formed according to the principles of the embodiments are particularly useful because conventional silicon bulk processes have economic advantages that are incomparable to other electronic or optoelectronic material technologies. It has charm. Silicon-based O formed by the present invention
Possible applications of EICs include silicon-based light emitters for displays, fibers to home and other cable networks, computer communication devices for automotive electronics, and medical and in vivo uses. It is a low cost disposable OEIC for. Finally,
The silicon-based OEICs of the present invention provide new capabilities such as circuit level image processing devices or high performance pixels.
【0061】VIII.要約 要約すると、本発明の範囲内には基本構想として、
(1)CaF2 :REの薄膜の準備、(2)他のREド
ーパントを有するCaF2 の成長を含む、光ポンピング
されるシリコンに基づくCaF2 :Nd微小空胴レーザ
の製造、(3)CaF2 :RE微小空胴をポンピングす
るのに適切なエレクトロルミネセンス源の成長および製
造、および(4)エレクトロルミネセンスまたは直接の
電気的ポンピングのいずれかによるレーザ作用の実現、
が含まれる。VIII. Summary In summary, as a basic concept within the scope of the present invention,
(1) Preparation of a thin film of CaF 2 : RE, (2) Fabrication of optically pumped silicon-based CaF 2 : Nd microcavity laser, including growth of CaF 2 with other RE dopants, (3) CaF 2 : Growth and manufacture of an electroluminescent source suitable for pumping RE microcavities, and (4) realization of laser action by either electroluminescence or direct electrical pumping,
Is included.
【0062】以上、本発明およびその利点を詳述した
が、ここで、特許請求の範囲によって定められる本発明
の精神及び範囲から逸脱することなく、さまざまな変
化、置換、および変更が行われうることを理解すべきで
ある。While the invention and its advantages have been described in detail above, various changes, substitutions and changes can be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the claims. You should understand that.
【0063】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 (1)強いスペクトル発射を生じるための微小空胴構造
において、半導体基板と、稀土類ドーパントを含むCa
F2 薄膜であって、該CaF2 薄膜が光学的にポンピン
グされるのに応答して前記強いスペクトル発射を生じる
該稀土類ドーパントを含むCaF2 薄膜と、該強いスペ
クトル発射を反射するための空胴を形成する反射性空胴
形成媒質と、前記CaF2 薄膜を光学的にポンピングす
る多孔性Si層と、該CaF2 薄膜を光学的にポンピン
グするための活性化回路と、を含む、強いスペクトル発
射を生じるための微小空胴構造。With respect to the above description, the following items will be further disclosed. (1) In a microcavity structure for producing strong spectrum emission, a semiconductor substrate and Ca containing a rare earth dopant
A F 2 thin, empty for reflecting the CaF 2 film said CaF 2 thin film containing該稀earth dopants to produce the strong spectral firing in response to being optically pumped, the strong spectral firing comprising a reflective cavity forming medium to form a cylinder, a porous Si layer for optically pumping the CaF 2 film, and the activation circuit for optically pumping the CaF 2 film, a strong spectrum A micro-cavity structure for producing firing.
【0064】(2)前記稀土類ドーパントがNdを含
む、第1項記載の装置。 (3)前記反射性空胴形成媒質が複数のブラッグ反射器
を含む、第1項記載の装置。 (4)前記ブラッグ反射器の数が、垂直方向表面発射レ
ーザデバイスを作る高反射率のための約10対である、
第3項記載の装置。(2) The device according to item 1, wherein the rare earth dopant contains Nd. (3) The apparatus of claim 1, wherein the reflective cavity forming medium comprises a plurality of Bragg reflectors. (4) The number of Bragg reflectors is about 10 pairs for high reflectivity to make a vertical surface emitting laser device,
The apparatus according to item 3.
【0065】(5)前記多孔性Si層および前記CaF
2 薄膜層が、エレクトロルミネセンスにより発光するた
めの前記活性化回路に関連する複数の電極間に配置され
ている、第3項記載の装置。 (6)前記多孔性Si層が、光ポンピングされるべき前
記活性化回路に関連している、第3項記載の装置。(5) The porous Si layer and the CaF
The device of claim 3 wherein two thin film layers are disposed between a plurality of electrodes associated with the activation circuit for electroluminescent emission. (6) The device of claim 3, wherein the porous Si layer is associated with the activation circuit to be optically pumped.
【0066】(7)前記多孔性Si層が前記強いスペク
トル発射の経路の外部に位置するようにして表面発射レ
ーザを形成するために、該多孔性Siが、前記CaF2
薄膜と、前記半導体基板との間に配置されている、第1
項記載の装置。(7) In order to form a surface emitting laser such that the porous Si layer is located outside the path of the strong spectral emission, the porous Si is added to the CaF 2
A first thin film disposed between the thin film and the semiconductor substrate;
The device according to the item.
【0067】(8)稀土類でドープされたCaF2 薄膜
に対する光源を配備する方法において、該稀土類でドー
プされたCaF2 薄膜が多孔性Si層からの発光を吸収
するように該稀土類でドープされたCaF2 薄膜に該多
孔性Si層を関連させるステップと、前記発光を生ずる
ように該多孔性Si層を活性化するステップと、を含
む、稀土類でドープされたCaF2 薄膜に対する光源を
配備する方法。(8) In a method of providing a light source for a rare earth-doped CaF 2 thin film, the rare earth-doped CaF 2 thin film is used to absorb light emitted from a porous Si layer. A light source for a rare earth-doped CaF 2 thin film, comprising: associating the porous Si layer with a doped CaF 2 thin film; and activating the porous Si layer to produce the emission. How to deploy.
【0068】(9)前記多孔性Si層を光ポンピングす
ることにより該多孔性Si層を活性化するステップをさ
らに含む、第8項記載の方法。 (10)前記多孔性Si層を電気的にポンピングするこ
とにより該多孔性Si層を活性化するステップをさらに
含む、第8項記載の方法。(9) The method according to claim 8, further comprising the step of activating the porous Si layer by optically pumping the porous Si layer. 10. The method of claim 8, further comprising the step of activating the porous Si layer by electrically pumping the porous Si layer.
【0069】(11)前記活性化ステップが、約520
0Åから9000Åまでの範囲内の波長を有する発光を
行うよう前記多孔性Si層を活性化するステップをさら
に含む、第8項記載の方法。 (12)前記多孔性Si層を電気化学的に形成するステ
ップをさらに含む、第8項記載の方法。(11) The activation step comprises about 520
9. The method according to claim 8, further comprising activating the porous Si layer to emit light having a wavelength in the range of 0Å to 9000Å. (12) The method according to claim 8, further comprising a step of electrochemically forming the porous Si layer.
【0070】(13)前記多孔性Si層を、結晶シリコ
ンを陽極化成することにより形成するステップをさらに
含む、第8項記載の方法。 (14)前記多孔性Si層を、アモルファスシリコン
と、結晶シリコンと、酸化シリコンと、水素化シリコン
と、から本質的に、成る混合物から形成するステップを
さらに含む、第13項記載の方法。(13) The method according to claim 8, further comprising the step of forming the porous Si layer by anodizing crystalline silicon. 14. The method of claim 13, further comprising: (14) forming the porous Si layer from a mixture consisting essentially of amorphous silicon, crystalline silicon, silicon oxide, and silicon hydride.
【0071】(15)前記多孔性Si層を化学蒸着法に
よって形成するステップをさらに含む、第8項記載の方
法。 (16)前記多孔性Si層をスパッタリング技術によっ
て形成するステップをさらに含む、第8項記載の方法。 (17)前記多孔性Si層を分子ビームエビタキシによ
ってスパッタするステップをさらに含む、第16項記載
の方法。(15) The method according to claim 8, further comprising the step of forming the porous Si layer by a chemical vapor deposition method. (16) The method according to claim 8, further comprising the step of forming the porous Si layer by a sputtering technique. (17) The method according to Item 16, further comprising the step of sputtering the porous Si layer by molecular beam epitaxial.
【0072】(18)多孔性Si層と、CaF2 :Nd
膜層と、第1電極と、第2電極と、第1複数の反射器層
と、第2複数の反射器層と、基板材料と、を含む、基板
材料上のCaF2 :Ndレーザ空胴において、前記多孔
性Si層が、前記CaF2 :Nd膜層をホトルミネセン
ス的にポンピングする光を発生するために、前記第1電
極と、前記第1複数の反射器層と、に関連せしめられて
おり、前記CaF2 :Nd膜層が、前記多孔性Si層か
らの前記光によりホトルミネセンス的にポンピングされ
ることに応答して強いスペクトル発射を生じるために、
前記第1複数の反射器層と、前記第2複数の反射器層
と、の間に関連せしめられており、前記第1電極および
第2電極が、前記第1複数の反射器層と、前記第2複数
の反射器層と、前記CaF2 :Nd膜層と、前記多孔性
Si層と、を電気的に活性化するようになっている、基
板材料上のCaF2 :Ndレーザ空胴。(18) Porous Si layer and CaF 2 : Nd
CaF 2 : Nd laser cavity on a substrate material comprising a film layer, a first electrode, a second electrode, a first plurality of reflector layers, a second plurality of reflector layers and a substrate material. In which the porous Si layer is associated with the first electrode and the first plurality of reflector layers for generating light that photoluminescently pumps the CaF 2 : Nd film layer. To produce a strong spectral emission in response to the CaF 2 : Nd film layer being photoluminescently pumped by the light from the porous Si layer.
Associated with the first plurality of reflector layers and the second plurality of reflector layers, wherein the first electrode and the second electrode are the first plurality of reflector layers; A CaF 2 : Nd laser cavity on a substrate material adapted to electrically activate a second plurality of reflector layers, the CaF 2 : Nd film layer and the porous Si layer.
【0073】(19)稀土類でドープされたCaF2 膜
234が多孔性Si層230からの発光を吸収するよう
に、多孔性Si層230を稀土類でドープされたCaF
2 膜234に関連せしめることにより、強いスペクトル
発射を生ぜしめる方法および装置242。装置242に
関連する回路228、244は、多孔性Si層230を
活性化することにより、発光を生ぜしめる。多孔性Si
層230は、電気的に、化学蒸着法によって、または結
晶シリコンを陽極化成することによって、形成されう
る。(19) The rare earth-doped CaF 2 film 234 absorbs light emitted from the porous Si layer 230 so that the rare earth-doped CaF 2 film 234 absorbs light emitted from the porous Si layer 230.
2 Method and apparatus 242 for producing a strong spectral emission by associating with the membrane 234. Circuitry 228, 244 associated with device 242 causes light emission by activating porous Si layer 230. Porous Si
Layer 230 can be formed electrically, by chemical vapor deposition, or by anodizing crystalline silicon.
【0074】本願は、同時係属出願である、「ドープさ
れた薄膜によるシリコンに基づくマイクロレーザ(Si
licon−Based Microlaser by
Doped Thin Films)」と題する19
92年9月15日出願の米国特許証第945,991号
(TI−17364)の部分継続出願である。The present application is a co-pending application, "Si-based microlasers with doped thin films (Si
licon-Based Microlaser by
Doped Thin Films ”19
It is a partial continuation application of US Patent No. 945,991 (TI-17364) filed on September 15, 1992.
【図1】III −V半導体材料において典型的な10nm
から100nmまでの範囲内のいくつかの発射線幅を有
する微小空胴の利得増強を示す図。1 is a typical 10 nm for III-V semiconductor materials.
FIG. 6 shows gain enhancement for microcavities with several launch linewidths in the range from 1 to 100 nm.
【図2】Al(111)/Si(111)基板上に成長
せしめられた厚さ1.0μmのCaF2 :Nd膜の、ヘ
リウム温度でのホトルミネセンス・スペクトルを示す
図。FIG. 2 is a diagram showing a photoluminescence spectrum at a helium temperature of a 1.0 μm-thick CaF 2 : Nd film grown on an Al (111) / Si (111) substrate.
【図3】Al(111)/Si(111)基板上に成長
せしめられた厚さ1.0μmのCaF2 :Nd膜の、ヘ
リウム温度でのホトルミネセンス・スペクトルを示す
図。FIG. 3 shows a photoluminescence spectrum at a helium temperature of a 1.0 μm-thick CaF 2 : Nd film grown on an Al (111) / Si (111) substrate.
【図4】Al/Si(111)上に成長せしめられた厚
さ1.0μmのCaF2 :Nd膜からのルミネセンスに
関する、濃度依存を示す図。FIG. 4 shows the concentration dependence of luminescence from a 1.0 μm thick CaF 2 : Nd film grown on Al / Si (111).
【図5】さまざまな厚さでAl/Si(111)上に成
長せしめられたCaF2 :Nd膜における10457Å
線の相対強度を示す図。FIG. 5 10457Å in CaF 2 : Nd films grown on Al / Si (111) with different thickness.
The figure which shows the relative intensity of a line.
【図6】厚さ0.2μmのCaF2 :Nd膜(1%)膜
の室温でのホトルミネセンス・スペクトルを示す図。FIG. 6 is a diagram showing a photoluminescence spectrum at room temperature of a 0.2 μm-thick CaF 2 : Nd film (1%) film.
【図7】厚さ4.0μmのGaAs膜の室温でのホトル
ミネセンス・スペクトルを示す図。FIG. 7 shows a photoluminescence spectrum at room temperature of a GaAs film having a thickness of 4.0 μm.
【図8】Ta2 O5 /SiO2 分布ブラッグ反射器上の
CaF2 :Ndからのホトルミネセンス・スペクトルを
示す図。FIG. 8 shows a photoluminescence spectrum from CaF 2 : Nd on a Ta 2 O 5 / SiO 2 distributed Bragg reflector.
【図9】室温における半波長CaF2 :Nd//(Ta
2 O5 /SiO2 )微小空胴からのホトルミネセンス・
スペクトルを示す図。FIG. 9: Half-wavelength CaF 2 : Nd // (Ta
2 O 5 / SiO 2 ) Photoluminescence from minute cavities
The figure which shows a spectrum.
【図10】1次元モデルを用いて計算された、半波長C
aF2 :Nd//(Ta2 O5 /SiO2 )微小空胴か
らの反射率スペクトルを示す図。FIG. 10: Half-wavelength C calculated using a one-dimensional model
aF 2: Nd // (Ta 2 O 5 / SiO 2) shows the reflectance spectrum from the microcavity.
【図11】多孔性シリコンの典型的なホトルミネセンス
・スペクトルを示す図。FIG. 11 shows a typical photoluminescence spectrum of porous silicon.
【図12】多孔性シリコンがCaF2 :Nd利得媒質を
ポンピングするのに使用されうるように、多孔性シリコ
ンをCaF2 :Ndと集積する、本発明の実施例を示す
図。FIG. 12 illustrates an embodiment of the invention in which porous silicon is integrated with CaF 2 : Nd such that the porous silicon can be used to pump CaF 2 : Nd gain media.
【図13】多孔性シリコンがCaF2 :Nd利得媒質を
ポンピングするのに使用されうるように、多孔性シリコ
ンをCaF2 :Ndと集積する、本発明の実施例を示す
図。FIG. 13 illustrates an embodiment of the invention in which porous silicon is integrated with CaF 2 : Nd such that the porous silicon can be used to pump CaF 2 : Nd gain media.
【図14】図12および図13の実施例と同様な、本発
明の別の実施例を示す図。FIG. 14 is a diagram similar to the embodiment of FIGS. 12 and 13, showing another embodiment of the present invention.
【図15】図12および図13の実施例と同様な、本発
明の別の実施例を示す図。FIG. 15 shows another embodiment of the present invention, similar to the embodiment of FIGS. 12 and 13.
【図16】CaF2 :ZnS多層構造から効果的なエレ
クトロルミネセンスを得るために用いられうる超格子構
造を示す図。FIG. 16 shows a superlattice structure that can be used to obtain effective electroluminescence from a CaF 2 : ZnS multilayer structure.
【図17】REでドープされたCaF2 を利得媒質とし
て用いる、電気的にポンピングされる1/4波長偏移形
DFBレーザの実施例を概念的に示す図。FIG. 17 is a conceptual illustration of an electrically pumped quarter-wavelength shift DFB laser embodiment using RE-doped CaF 2 as a gain medium.
【図18】REでドープされたCaF2 を利得媒質とし
て用いる、電気的にポンピングされる1/4波長偏移形
DFBレーザの実施例を概念的に示す図。FIG. 18 is a diagram conceptually illustrating an example of an electrically pumped quarter-wavelength shift DFB laser using RE-doped CaF 2 as a gain medium.
【図19】エレクトロルミネセンスZnSを発光源と
し、CaF2 :REを利得媒質として用いる構造を示す
図。FIG. 19 is a diagram showing a structure in which electroluminescence ZnS is used as a light emitting source and CaF 2 : RE is used as a gain medium.
【図20】エレクトロルミネセンスZnSを発光源と
し、CaF2 :REを利得媒質として用いる構造を示す
図。FIG. 20 is a diagram showing a structure in which electroluminescence ZnS is used as a light emitting source and CaF 2 : RE is used as a gain medium.
228 透明電極 230 多孔性シリコン層 232 ブラッグ反射器の組 234 CaF2 :Nd層 236 ブラッグ反射器の組 238 金属電極 240 基板 244 透明電極 248 金属電極228 Transparent electrode 230 Porous silicon layer 232 Bragg reflector set 234 CaF 2 : Nd layer 236 Bragg reflector set 238 Metal electrode 240 Substrate 244 Transparent electrode 248 Metal electrode
Claims (2)
空胴構造において、 半導体基板と、 稀土類ドーパントを含むCaF2 薄膜であって、該Ca
F2 薄膜が光学的にポンピングされるのに応答して前記
強いスペクトル発射を生じる該稀土類ドーパントを含む
CaF2 薄膜と、 該強いスペクトル発射を反射するための空胴を形成する
反射性空胴形成媒質と、 前記CaF2 薄膜を光学的にポンピングする多孔性Si
層と、 該CaF2 薄膜を光学的にポンピングするための活性化
回路と、 を含む、強いスペクトル発射を生じるための微小空胴構
造。1. A microcavity structure for producing strong spectral emission, comprising a semiconductor substrate and a CaF 2 thin film containing a rare earth dopant, the CaF 2 thin film comprising:
A CaF 2 thin film containing the rare earth dopant that produces the strong spectral emission in response to the F 2 thin film being optically pumped, and a reflective cavity forming a cavity for reflecting the strong spectral emission. Forming medium and porous Si for optically pumping the CaF 2 thin film
A microcavity structure for producing a strong spectral emission, comprising a layer and an activation circuit for optically pumping the CaF 2 thin film.
する光源を配備する方法において、 該稀土類でドープされたCaF2 薄膜が多孔性Si層か
らの発光を吸収するように該稀土類でドープされたCa
F2 薄膜に該多孔性Si層を関連させるステップと、 前記発光を生ずるように該多孔性Si層を活性化するス
テップと、 を含む、稀土類でドープされたCaF2 薄膜に対する光
源を配備する方法。2. A method of deploying a light source for CaF 2 film doped with rare earth, in該稀earth as CaF 2 film doped with該稀earth absorbs emission from porous Si layer doped Ca
Providing a light source for the rare earth-doped CaF 2 thin film, comprising: associating the porous Si layer with an F 2 thin film; activating the porous Si layer to produce the light emission. Method.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/953,902 US5301204A (en) | 1992-09-15 | 1992-09-30 | Porous silicon as a light source for rare earth-doped CaF2 laser |
US953902 | 2004-09-27 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06224471A true JPH06224471A (en) | 1994-08-12 |
Family
ID=25494696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24328293A Pending JPH06224471A (en) | 1992-09-30 | 1993-09-29 | Microcavity structure containing porous silicon as light source for caf2:nd laser and arrangement of the light source |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06224471A (en) |
-
1993
- 1993-09-29 JP JP24328293A patent/JPH06224471A/en active Pending
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