JP2011524024A - テラヘルツ波放出レーザデバイス - Google Patents
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Abstract
0.5から5THzの周波数範囲内の波動放出を有し、半導体ヘテロ構造を備えるレーザデバイスに関する。ヘテロ構造は、円柱形を有し、近赤外線スペクトルに属する少なくとも2つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段を含む第1の光学的非線形半導体材料層を備え、2つのウィスパリングギャラリモードが第1の層内に閉じ込められ、0.5から5THzの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード(テラヘルツモード)内の放射の発生を第1の層内で可能にし、放射が2つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、近赤外線スペクトルに属する2つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする。ヘテロ構造は第2の半導体材料層および第3の半導体材料層をさらに備え、少なくとも1つの金属層がヘテロ構造の一方の端部に配置される。
Description
本発明は、0.5THzから5THzの周波数範囲の波動放出を有するレーザデバイスに関する。
電磁スペクトルのテラヘルツ(THz)領域はマイクロ波と遠赤外との間にあり、500GHz(0.5THz)から5THz(1THzは一般に4meVのエネルギーまたは他に300μmの真空波長に対応する)にわたる。
THz光源は、主として、セキュリティおよび医薬品の分野の分光法および撮像で使用される。また、食料、保護膜、および集積回路の非破壊分析のために短距離自由空間電気通信(例えば建築物の内部の)で使用することができる。THz技術は、文献の「Cutting−edge terahertz technology」(M.Tonouchi、Nature Photonics、2007年2月、97頁)および「Terahertz technology: a land to be discovered」(M. Koch、Optics and Photonics News、2007年3月、21頁)に一般的に説明されている。
THz分光法の範囲内で、広帯域時間領域分光法(THz−TDSすなわちTHz時間領域分光法)と単色THz光源(CWすなわち連続波)を使用する分光法とに一般に分類される。本質的に限定された周波数分解能の結果として、TDSのシステムは、とりわけ、弱いQによる構造の分光に使用される。実際に、TDSの典型的な実績によれば、時間ウィンドウは5GHzの周波数分解能では100psである。一方、生成されるTHz共振が多くの場合102と106との間のQを有する連続単色CW THz光源は、天体分光学において、または超高層大気で起こる化学反応の研究において、広い分野で応用されている。
THz分光法は、さらに、例えば化学薬剤または爆発性薬剤の検出において民間セキュリティおよび軍事セキュリティに広範囲の用途を有する。分析される製品が気相であるすべての例で、CW法によって取得されるスペクトルはTDS法によって得られるスペクトルよりも非常に高い分解能を示す。TDS技術は、主に、凝縮相の材料の特性決定に使用される。
TDS光源に関して、ガスレーザまたは後進波発振器などの従来のTHz放射光源は高価で大型である。さらに、固体発振器アセンブリに基づいたTHz光源も高価である。今日、広帯域THzパルスを生成および検出するのに最もしばしば使用されるデバイスは、多くの場合高価で大きいフェムト秒レーザによって励振される光伝導ダイポールアンテナである。このタイプのデバイスは文献の「Sensing with Terahertz Radiation」(D.Mittleman、Springer−Verlag、Heidelberg (2003))に説明されている。
CWタイプの様々な光源も知られている。
CW単色タイプの第1の既知の光源は光混合の技法を使用し、光ヘテロダインすることにより連続THz波を生成することが可能になる。約800nmを放出し、数THzだけ離調された2つの連続レーザダイオードのビートが半絶縁性GaAsまたはInGaAsなどの半導体の伝導帯に負荷振動をもたらす。
しかし、文献の「Photomixing up to 3.8 THz in low−temperature−grown GaAs」(E.R. Brown等、Appl. Phys. Lett. 66、285、(1995))、および「Generation and detection of coherent terahertz waves using two photomixers」(S. Verghese等、Appl. Phys. Lett. 73、3824 (1998))によって実証されているように、これまでに生成されたモデルは非統合システムであり、生成される最大THz出力は比較的低いままであり、約100nWである。
量子カスケードレーザは、THz範囲をもつ第2のタイプの単色CW光源である。このタイプの光源は、文献の「Terahertz semiconductor−heterostructure laser」、R. Kohler 等、Nature 417、156 (2002)に説明されている。この光源は、増加した出力の生成を可能にするが、調整可能(tuneable)でなく、かつ低温でしか機能しない。この最後の理由のため、この光源は大型で複雑なシステムである。
CWタイプの第3の既知の光源は周波数変換の技法を使用する。したがって、二次非線形効果が様々な手法による、すなわち
− 文献の「Noncolinear phase matching in GaAs」(L. Aggarwal等、Appl. Phys. Lett. 22、239、(1973))に説明されているようにバルクGaAs内で中赤外線レーザ光を混合すること、
− 文献の「Generation of Far−Infrared Radiation by Picosecond Light Pulses in LiNbO3」(K. H. Yang等、Appl. Phys. Lett. 19、320、(1971))に説明されているようなZnSeおよびLiNbO3、または文献の「Generation of narrow−band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate」(Y.−S. Lee等、Appl. Phys. Lett. 76、2505 (2000))に説明されているような周期的分極反転LiNbO3(PPLNすなわち周期的分極反転ニオブ酸リチウム)などの結晶に近赤外線超短パルスを加えることによるTHz発生および増幅に使用される。
− 文献の「Noncolinear phase matching in GaAs」(L. Aggarwal等、Appl. Phys. Lett. 22、239、(1973))に説明されているようにバルクGaAs内で中赤外線レーザ光を混合すること、
− 文献の「Generation of Far−Infrared Radiation by Picosecond Light Pulses in LiNbO3」(K. H. Yang等、Appl. Phys. Lett. 19、320、(1971))に説明されているようなZnSeおよびLiNbO3、または文献の「Generation of narrow−band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate」(Y.−S. Lee等、Appl. Phys. Lett. 76、2505 (2000))に説明されているような周期的分極反転LiNbO3(PPLNすなわち周期的分極反転ニオブ酸リチウム)などの結晶に近赤外線超短パルスを加えることによるTHz発生および増幅に使用される。
THz範囲(〜1cm−1)における高い非線形係数および低い損失の結果として、GaAsはこれらの用途に最適な材料である。文献の「Terahertz−wave generation in quasi−phase−matched GaAs」(K. L. Vodopyanov等、Appl. Phys. Lett. 89、141119、(2006))は、3μmに近い2つのポンプビームを使用することによって10−3の変換効率をもつ周期的分極反転GaAsでの0.9THzから3THzのTHz波の発生を説明している。
しかし、これらのシステムのどれもコンパクトでないかまたは研究所の外では使用することが容易でない。
文献の「Nonlinear phase matching in THz semiconductor waveguides」(V. BergerおよびC. Sirtori、Semicond. Sci. Technol. 19、964 (2004))は、2つの近IR(赤外)ポンプビームとリッジ型導波路中に生成されるTHzビームとを位相同調させるためにGaAsのフォノン帯域による吸収によって生成される異常分散を利用することを提案しているが、この提案はまだ実験されていない。さらに、他の解決策と同様に、それはコンパクトなシステムの取得を可能にしない。
「Cutting−edge terahertz technology」(M.Tonouchi、Nature Photonics、2007年2月、97頁)
「Terahertz technology: a land to be discovered」(M. Koch、Optics and Photonics News、2007年3月、21頁)
「Sensing with Terahertz Radiation」(D.Mittleman、Springer−Verlag、Heidelberg (2003))」
「Photomixing up to 3.8 THz in low−temperature−grown GaAs」(E.R. Brown等、Appl. Phys. Lett. 66、285、(1995))
「Generation and detection of coherent terahertz waves using two photomixers」(S. Verghese等、Appl. Phys. Lett. 73、3824 (1998))
「Terahertz semiconductor−heterostructure laser」、R. Kohler 等、Nature 417、156 (2002)
「Noncolinear phase matching in GaAs」(L. Aggarwal等、Appl. Phys. Lett. 22、239、(1973))
「Generation of Far−Infrared Radiation by Picosecond Light Pulses in LiNbO3」(K. H. Yang等、Appl. Phys. Lett. 19、320、(1971))
「Generation of narrow−band terahertz radiation via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate」(Y.−S. Lee等、Appl. Phys. Lett. 76、2505 (2000))
「Terahertz−wave generation in quasi−phase−matched GaAs」(K. L. Vodopyanov等、Appl. Phys. Lett. 89、141119、(2006))
「Nonlinear phase matching in THz semiconductor waveguides」(V. BergerおよびC. Sirtori、Semicond. Sci. Technol. 19、964 (2004))
「Whispering−gallery−mode analysis of phase−matched doubly resonant second−harmonic generation」(Y. DumegieおよびP. Feron、Phys. Rev. A 74、063804(2006))
「Terahertz quantum−cascade laser at λ = 100μm using metal waveguide for mode confinement」(B. S. Williams等、Appl. Phys. Lett. 83、2124 (2003))
「Evidence of cascaded emission in a dual−wavelength quantum cascade laser」(K. J. Franz等、Appl. Phys. Lett. 90、091104 (2007))
これに鑑みて、本発明の目的は、0.5THzから5THzの周波数範囲の光波放出を有し、大きい、複雑、およびコストという点で上述の欠点を克服することを可能にするコンパクトなレーザデバイスを提供することである。
この目的のために、本発明は、半導体ヘテロ構造を備える0.5THzから5THzの周波数範囲の波動放出を有するレーザデバイスを提案し、前記デバイスは、前記ヘテロ構造が円形断面をもつ円柱形であり、
− 近赤外線スペクトルに属する少なくとも2つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段を含む第1の光学的非線形半導体材料層であり、少なくとも2つのウィスパリングギャラリモードが第1の層内に閉じ込められ、0.5THzから5THzの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード、すなわち「テラヘルツ」モード内の放射の発生を第1の層内で可能にし、放射が2つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、近赤外線スペクトルに属する2つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする、第1の光学的非線形半導体材料層と、
− 各々が第1の層に使用される材料の光学屈折率よりも弱い光学屈折率を有し、第1の層の両側に配置される第2の半導体材料層および第3の半導体材料層と、
− ヘテロ構造の一方の端部に配置された少なくとも1つの金属層と
を備えることを特徴とする。
− 近赤外線スペクトルに属する少なくとも2つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段を含む第1の光学的非線形半導体材料層であり、少なくとも2つのウィスパリングギャラリモードが第1の層内に閉じ込められ、0.5THzから5THzの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード、すなわち「テラヘルツ」モード内の放射の発生を第1の層内で可能にし、放射が2つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、近赤外線スペクトルに属する2つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする、第1の光学的非線形半導体材料層と、
− 各々が第1の層に使用される材料の光学屈折率よりも弱い光学屈折率を有し、第1の層の両側に配置される第2の半導体材料層および第3の半導体材料層と、
− ヘテロ構造の一方の端部に配置された少なくとも1つの金属層と
を備えることを特徴とする。
「近赤外線」は、0.7μmと1.4μmとの間の波長をもつ放射を意味する。
「ウィスパリングギャラリモード」は、材料の屈折率がそれを囲む媒体(すなわち空気)よりも大きい材料で製造されたマイクロキャビティを形成する第1の層の内側円柱状壁による光線の反射の結果生じるモードを意味する。光線は、一般に、円柱状壁に沿って閉じ込められたままであり、マイクロキャビティの中心を通過しない。
本発明によって、THz波は、近赤外線スペクトルに属し、マイクロ円柱タイプのマイクロキャビティを形成する前記第1の中央層に存在する2つのウィスパリングギャラリモードからの周波数差(すなわちパラメトリックコンバージョン)によって生成され、マイクロ円柱の半導体−空気インターフェイスによる反射はTHzウィスパリングギャラリモードの形成をもたらす。非常に高いQをもつウィスパリングギャラリモードは量子ドットまたは量子井戸などの発光体によって励起される。発光体は好ましくは電気的にポンプされるが、光学的にポンプされてもよい。
本発明によるデバイスは、THz電磁放射の連続的放出または準連続的放出を可能にする。
第1の円柱層の内部に発光体をもつ本発明の円柱形状は、コンパクトな光源内で高いTHz出力を生成するのを可能にする。GaAsなどの光学的非線形半導体材料で製作された第1の中央層の円柱対称性は、光学ウィスパリングギャラリモードとTHzモードとの間の位相同調を促進する。
円柱状ヘテロ構造の一方の端部に配置された金属層は、金属プラズモンガイドの原理に従ってTHzモードの垂直閉じ込めを確実にする。この閉じ込めにより、非線形変換収率の効率を向上させることが可能になる。金属層は、発光体の電気的ポンピングの場合に電荷キャリアの注入も可能にする。
本発明による形状により、さらに、様々な層の厚さ、特に、AlGaAsなどの半導体材料で製作された第2および第3の層の厚さを操作することによって、光学ウィスパリングギャラリモードの垂直閉じ込めとTHzモードの垂直閉じ込めとを同時にかつ独立して最適化することが可能になる。これにより、光学モードとTHzモードとの間の回収率を最大にすることが可能になる。第2および第3の層は、ミラーと、発光体を含む活性層との間の間隔を調整することを可能にするだけではなく、THzモードの横方向光学的閉じ込めを達成することも可能にすることに留意されたい。
狭くなることのない円柱形態の結果、本発明による形状は、さらに、基板の方への熱の良好な排出を行い、レーザの特性のうちの出力の安定性が確実になり、非線形THz発生に適合するレーザ出力に達することが可能になる。
本発明の特に有利な形態によれば、前記円柱状ヘテロ構造は、前記ヘテロ構造の2つの端部間を実質的に延びる中央半絶縁性ゾーンを含む。
前記デバイスが電気的にポンプされる場合、この中央ゾーンは本発明によるデバイスの性能を改善するのを可能にするが、それは、ポンピング電流が、デバイスの活性ゾーン、すなわち、近赤外線ウィスパリングギャラリモードをサポートする第1の活性層の周囲を効果的に運ばれるからである。
本発明によるデバイスは、さらに、個別にまたは任意の技術的に実現可能な組合せで考慮される、以下の特徴の1つまたは複数を示すことができる。
− 本発明による前記デバイスは、各々が前記ヘテロ構造の端部に配置される2つの金属層を備える、
− 前記の1つまたは2つの金属層は金で製作される、
− 前記放出手段は、
− 1つの量子井戸または複数の量子井戸、
− 量子ドットの1つのレイアウトまたは複数のレイアウト、
− 1つの量子カスケード構造または複数の量子カスケード構造
のうちの1つで製造される、
− 前記第1の層の前記光学的非線形半導体材料は、GaAsもしくはInGaAsPなどのIII−V材料またはII−VI材料である、
− 前記第2および第3の層の半導体材料は、0.2<x<0.6とするAlxGa1−xAsまたはInPである、
− 前記第2の半導体層はpドープ層であり、前記第3の半導体層はnドープ層である、
− 前記第1の層は複数の発光体レイアウトを含む、
− 前記円柱状ヘテロ構造は、それぞれ前記第2の層および前記第3の層を覆う2つの半導体層(酸化に抗して保護する層)を備える、
− 前記酸化に抗して保護する層の各々は2nmと10nmとの間の厚さを有する、
− 前記第2の層および前記第3の層の厚さは0.5μmと5μmとの間にある、
− 本発明によるデバイスは、前記放出手段のポンピング電流の注入のための2つの電気コンタクトを備える、
− 前記第1の層の厚さは200nmと400nmとの間にある、
− 前記円柱状ヘテロ構造の直径は30μmと100μmとの間にある、
− 前記第1の層は意図的にドープされていない層である。
− 本発明による前記デバイスは、各々が前記ヘテロ構造の端部に配置される2つの金属層を備える、
− 前記の1つまたは2つの金属層は金で製作される、
− 前記放出手段は、
− 1つの量子井戸または複数の量子井戸、
− 量子ドットの1つのレイアウトまたは複数のレイアウト、
− 1つの量子カスケード構造または複数の量子カスケード構造
のうちの1つで製造される、
− 前記第1の層の前記光学的非線形半導体材料は、GaAsもしくはInGaAsPなどのIII−V材料またはII−VI材料である、
− 前記第2および第3の層の半導体材料は、0.2<x<0.6とするAlxGa1−xAsまたはInPである、
− 前記第2の半導体層はpドープ層であり、前記第3の半導体層はnドープ層である、
− 前記第1の層は複数の発光体レイアウトを含む、
− 前記円柱状ヘテロ構造は、それぞれ前記第2の層および前記第3の層を覆う2つの半導体層(酸化に抗して保護する層)を備える、
− 前記酸化に抗して保護する層の各々は2nmと10nmとの間の厚さを有する、
− 前記第2の層および前記第3の層の厚さは0.5μmと5μmとの間にある、
− 本発明によるデバイスは、前記放出手段のポンピング電流の注入のための2つの電気コンタクトを備える、
− 前記第1の層の厚さは200nmと400nmとの間にある、
− 前記円柱状ヘテロ構造の直径は30μmと100μmとの間にある、
− 前記第1の層は意図的にドープされていない層である。
本発明は、さらに、本発明によるデバイスを統合する低温システムに関する。
本発明は、さらに、本発明による複数のデバイスを備え、前記デバイスの各々が実質的に同じ周波数を有することを特徴とするネットワークに関する。
第1の実施形態によれば、ネットワーク中の前記デバイスが、様々なデバイスのTHzエバネッセント場を結合させるように互いに十分に接近している。
第2の実施形態によれば、前記ネットワークによって放出されたTHz放射のうちのいくらかが前記ネットワークに再注入される。
本発明は、さらに、本発明による複数のデバイスを備え、前記デバイスの各々が異なるTHz周波数を有し、前記デバイスの各々が個別に制御されることを特徴とするネットワークに関する。
最後に、本発明は、本発明によるデバイスを製造する方法に関し、前記方法が、
− 堆積により、半導体基板上に、
− 犠牲半導体層と、
− 第1の保護半導体層と、
− 前記第2の層と同一の半導体材料から形成された層と、
− 前記第1の層と同一の半導体材料から形成され、放出手段を備える層と、
− 前記第3の層と同一の半導体材料から形成された層と、
− 第2の保護半導体層と
を基板からこの順序で備える構造をエピタキシャル成長させるステップと、
− 第2の保護層が事前に金属被覆されたホスト基板の金属と接するように前記エピタキシャル成長された構造体を前記ホスト基板に移転させるステップと、
− 機械的研磨により前記半導体基板を薄化するステップと、
− 残りの厚さに対して前記基板を選択的に化学腐食するステップであり、前記犠牲層がストップ層として使用される、ステップと、
− 前記犠牲層を選択的に化学腐食するステップであり、前記第1の保護層がストップ層として使用される、ステップと、
− 円柱状ヘテロ構造の直径よりも小さい直径をもつ開口を画定するマスクを製造するステップと、
− 前記マスクによって保護されないゾーンを半絶縁性にするイオン注入を行うステップと、
− 前記マスクを除去するステップと、
− 円柱状ヘテロ構造の直径に等しい直径をもつ円形金属層を堆積させるステップと、
− 円柱状ヘテロ構造を形成するように前記円形金属層によって覆われていない部分をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする。
− 堆積により、半導体基板上に、
− 犠牲半導体層と、
− 第1の保護半導体層と、
− 前記第2の層と同一の半導体材料から形成された層と、
− 前記第1の層と同一の半導体材料から形成され、放出手段を備える層と、
− 前記第3の層と同一の半導体材料から形成された層と、
− 第2の保護半導体層と
を基板からこの順序で備える構造をエピタキシャル成長させるステップと、
− 第2の保護層が事前に金属被覆されたホスト基板の金属と接するように前記エピタキシャル成長された構造体を前記ホスト基板に移転させるステップと、
− 機械的研磨により前記半導体基板を薄化するステップと、
− 残りの厚さに対して前記基板を選択的に化学腐食するステップであり、前記犠牲層がストップ層として使用される、ステップと、
− 前記犠牲層を選択的に化学腐食するステップであり、前記第1の保護層がストップ層として使用される、ステップと、
− 円柱状ヘテロ構造の直径よりも小さい直径をもつ開口を画定するマスクを製造するステップと、
− 前記マスクによって保護されないゾーンを半絶縁性にするイオン注入を行うステップと、
− 前記マスクを除去するステップと、
− 円柱状ヘテロ構造の直径に等しい直径をもつ円形金属層を堆積させるステップと、
− 円柱状ヘテロ構造を形成するように前記円形金属層によって覆われていない部分をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする。
前記マスクは、有利には、円柱状ヘテロ構造の直径よりも1μmから2μmだけ小さい直径をもつ開口を画定する。
本発明のさらなる特徴および利点は、添付図面を参照しながら指摘および非限定の例によって以下に与えられる説明を読むときより明確になるであろう。
すべての図面において、同様の構成要素は同様の参照番号によって表される。
図1aは、本発明によるレーザデバイス1の一実施形態を示す。
図1cは、前記デバイス1の垂直面に沿った断面図である。
本発明によるデバイス1はTHz電磁波の連続または準連続光源である。THz放射の発生は、ウィスパリングギャラリモード半導体マイクロレーザの2つの光学モードからのパラメトリック変換(すなわち周波数差)によって確実にされる。
したがって、デバイス1は円柱状半導体ヘテロ構造2を備え、その端部は各々それぞれ上部ミラー3および下部ミラー4を形成する金属層(例えば、金で製作される)によって覆われる。円柱状ヘテロ構造2の直径は一般に30μmと100μmとの間にある。
前記半導体ヘテロ構造2は、良好な電気的および熱的伝導体であるホスト基板15、例えば金属基板またはドープしたGaAs基板上に配置される。
図1bは、円柱状半導体ヘテロ構造2の様々な層を示す。
したがって、前記ヘテロ構造2は、下から上に、
− 下部ミラー4、
− nドープGaAsの薄層5(数nm、一般に2nmと10nmとの間)、
− 光学屈折率がGaAsのものよりも弱く、厚さが、例えば、0.5μmと5μmとの間、好ましくは0.5μmと3μmとの間にあるnドープAlxGa1−xAs混合物(一般に、0.2<x<0.6である)の層6、
− 活性層7、
− 光学屈折率がGaAsのものよりも弱く、厚さが、例えば、0.5μmと5μmとの間、好ましくは0.5μmと3μmとの間にあるpドープAlxGa1−xAs混合物(一般に、0.2<x<0.6である)の層8、
− nドープGaAsの薄層9(数nm、一般に2nmと10nmとの間)、
− 上部ミラー3
を備える。
− 下部ミラー4、
− nドープGaAsの薄層5(数nm、一般に2nmと10nmとの間)、
− 光学屈折率がGaAsのものよりも弱く、厚さが、例えば、0.5μmと5μmとの間、好ましくは0.5μmと3μmとの間にあるnドープAlxGa1−xAs混合物(一般に、0.2<x<0.6である)の層6、
− 活性層7、
− 光学屈折率がGaAsのものよりも弱く、厚さが、例えば、0.5μmと5μmとの間、好ましくは0.5μmと3μmとの間にあるpドープAlxGa1−xAs混合物(一般に、0.2<x<0.6である)の層8、
− nドープGaAsの薄層9(数nm、一般に2nmと10nmとの間)、
− 上部ミラー3
を備える。
活性層7は、意図的にドープされておらず、一般に200nmと400nmとの間(例えば300nm)の厚さを有するGaAsの層である。GaAsの層7は、さらに、放出媒体、この例では量子ドット11の複数のレイアウト10を含み、量子ドットの単一のレイアウトが十分であることもあり、1つまたは複数の量子井戸を使用することもできる。この場合、放出媒体は電気的にポンプされる。2つの電気コンタクト12および13がこの目的のために設けられ、図1aに示されるようなデバイス1の垂直面に沿った断面図である図1cに示される。この例では、コンタクト12は上部ミラー3上に形成され、したがって、それは上部注入電極としても働く。コンタクト13はホスト基板15の裏面に形成される(他のコンタクト構成を想定することもできることが製造方法の説明から分かるであろう)。電気的にポンプされる放出媒体は、当然、半導体ヘテロ構造2の十分なドーピングを意味する。上述のように、したがって、下部AlxGa1−xAs層6と下部ミラー4に接する薄いGaAs層5とはnドープされ、一方、上部AlxGa1−xAs層8と上部ミラー3に接する薄いGaAs層9とはpドープされる。
薄い層5および9は、図1aおよび1cの簡略化のために図1bにのみ示されていることに留意されたい。
放出媒体10は、近赤外線スペクトル中の複数の光学ウィスパリングギャラリモードからレーザ光を同時に生成するのに必要な利得を供給する。既に上述したように、「近赤外線」は0.7μmと1.4μmとの間の波長をもつ放射を意味し、「光学ウィスパリングギャラリモード」は円柱状マイクロキャビティを形成するGaAs層の内壁7上での光線の反射に起因するモードを意味する。光線は壁に沿って閉じ込められたままであり、マイクロキャビティの中心を通過しない。THzモードは、2つのウィスパリングギャラリモードからの周波数差によって生成される。パラメトリック発生を達成する際の問題は、当業者に「位相同調」として知られているものの必要性と関連しており、波長による光学屈折率の分散の結果、相互作用する異なる波動(近IR光学モードおよびTHzモード)は材料内において同じ速度で移動しない。これは、非線形相互作用が急速に破壊的になることがあり、プロセスの効率が低下することを意味する。したがって、効率的なパラメトリック発生を達成するために、伝搬の全長に沿って発展的な相互作用を維持する位相同調を達成することが必要である。デバイス1の円柱形状により、マイクロレーザの2つのモードとその周波数差からのTHzモードとの間の位相同調を達成することが可能になる。例えば、文献の「Whispering−gallery−mode analysis of phase−matched doubly resonant second−harmonic generation」(Y. DumegieおよびP. Feron、Phys. Rev. A 74、063804 (2006))に説明されている最近の研究は、ウィスパリングギャラリモードの巧妙な選択により、GaAsマイクロ円柱内の疑似位相同調が達成され、周波数が2倍にされると効率的な非線形相互作用が潜在的に達成され得ることを示している。
GaAsベース活性層7を使用すると、この材料に関連する重要な利点、すなわち
− 非常に成熟した技術、
− 高い光学屈折率、
− 高い非線形係数
がもたらされる。
− 非常に成熟した技術、
− 高い光学屈折率、
− 高い非線形係数
がもたらされる。
第1のポイントがコンパクトなデバイスを低コストで製造するのを可能にする一方、高い光閉じ込めおよび高い非線形は高い変換率を生じさせることができる。
2つの近IRウィスパリングギャラリモードの閉じ込めは活性層7によって確実にされる。活性層7の円柱形状は近赤外光(λ〜1μm)の垂直閉じ込めを確実にし、このマイクロ円柱層7の半導体−空気インターフェイスによる反射が近赤外線ウィスパリングギャラリモードを生じさせる。ウィスパリングギャラリモードは、偏波(横電界(TE)または横磁界(TM))によって、および垂直次数(円柱の垂直方向に生じるモードの次数に対応する)、径方向次数(円柱の光線に伴うモードの次数に対応する)、および方位角次数を特徴づける3つの整数によって特徴づけられる。対照的に、活性層7はTHzモードの閉じ込めができない。
THzモードの垂直閉じ込めは上部ミラー3および下部ミラー4によって確実にされる。これらの2つの金属ミラー3および4はTHz電磁波用のガイドを形成し、THz波用のプラズモン金属ガイドの原理に従ってTHzモードの垂直閉じ込めを確実にし、このタイプの閉じ込めは文献の「Terahertz quantum−cascade laser at λ= 100μm using metal waveguide for mode confinement」(B. S. Williams等、Appl. Phys. Lett. 83、2124 (2003))に説明されている。この閉じ込めにより、本発明によるデバイス1の範囲内で非線形変換率の効率を向上させることが可能になる。プラズモン金属ガイドの原理は単一ミラーで利用することもできる(この場合、単一ミラーの存在はTHzモードの閉じ込めに損失をもたらすことになるが、THzモードの垂直閉じ込めはやはりプラズモンタイプであり、単一ミラーは発光体の光励振を可能にする)ことに留意されたい。マイクロ円柱7の半導体−空気インターフェイスによる反射はTHzウィスパリングギャラリモードの形成をもたらす。AlxGa1−xAs層6および8により、金属ミラー3および4からより遠く離して導波モードを移動させること、および金属での吸収による光学損失を制限することが可能になる。中央活性GaAs層に閉じ込められた赤外線光学モードはAlxGa1−xAs層6および8に「滲出する」傾向を有する。しかし、金属ミラーが中央層に接近し過ぎている場合、赤外光学モードは金属に吸収される可能性がある。したがって、AlxGa1−xAs層6および8の厚さは赤外光学モードの損失を最小にするように選択される。それにより、層6および8は活性層7とミラー3および4との間のスペーサとして働く。高い屈折率の結果として、これらの層6および8もTHzモードの横方向閉じ込めを確実にする。
図1cに示されるようなデバイス1の垂直断面は、ヘテロ構造2の中央部分に対応する半絶縁性ゾーン14を示す。このゾーン14は実質的に円柱状である(ヘテロ構造2によって形成される円柱と同心)。製造方法の説明を参照して後で分かるように、この半絶縁性ゾーン14は、例えばイオン注入のステップによって得ることができる。このゾーン14により、本発明によるデバイス1の性能を改善することが可能になるが、それは、ポンピング電流が要するにデバイスの活性ゾーン、すなわち近赤外線ウィスパリングギャラリモードをサポートする活性GaAs層7の周囲を効果的に運ばれるからである。矢印はデバイス1内のポンピング電流の経路を示す。
本発明によれば、同じ半導体ヘテロ構造2がポンプレーザ光源および周波数変換の機能を確実にする。この手法は、光学位置合わせの問題をすべて克服するのを潜在的に可能にし、本発明によるデバイス1のパッケージングを著しく簡易化する。それにより、非常にコンパクトなTHz放射放出デバイス1がもたらされる。
本発明の範囲から逸脱することなく、pドープ層とnドープ層を逆にする(すなわちnドーピングの層を上位に、およびpドーピングの層を下位に移動させる)ことも可能であり、電気コンタクトポイントは、当然、ドーピングのタイプに適合していなければならないことになることに留意されたい。
本発明によるデバイス1のサイズ設定の純粋に例示的な例を以下で見いだすことができ、ウィスパリングギャラリモード間のスペクトル分離は導波モードの実効屈折率および円柱の直径に依存することが知られている。したがって、直径は、所望のスペクトル範囲内のTHz放出を得るように、および2つの近赤外線モードとTHzモードとの間の位相同調を達成するように選択されることになる。以下のパラメータ、すなわち
− GaAs活性ガイド層7の厚さ: 325nm、
− 光閉じ込めスペーサ層6および8の組成および厚さ: Al0.6Ga0.4As、2800μm、
− 円柱状ヘテロ構造2の直径: 42μm
によって画定される構造が次に例として検討される。
− GaAs活性ガイド層7の厚さ: 325nm、
− 光閉じ込めスペーサ層6および8の組成および厚さ: Al0.6Ga0.4As、2800μm、
− 円柱状ヘテロ構造2の直径: 42μm
によって画定される構造が次に例として検討される。
上記で与えられた例では、この構造のウィスパリングギャラリモードの計算の示すところによれば、近赤外線モードTE0,1,946(λ=0.917μm)およびTE0,1,948(λ=0.905μm)とTHzモードTM0,1,4(λ=70μmすなわち4.3THz)との間で位相同調が得られる。
放出媒体の選択に関して、発光体として1つまたは複数の量子井戸を使用するウィスパリングギャラリモードマイクロレーザは、閾値電流よりも著しく大きい注入電流で単一モード挙動を示す傾向があることに留意されたい。量子井戸の利得曲線の広がりは実際には本来均一であり、それは閾値を超えるモード間の競合を可能にする。この場合、利得曲線は、量子ドットのサイズ分散に起因する非常に不均一な広がり(GaAs中のInAsドットでは60meVから100meV)を当然示すので、量子ドットは潜在的により効果的な解決策をもたらす。この状況下で、複数のウィスパリングギャラリモードを活性媒質の増幅帯域中に見いだすことができる。周囲温度での約10meVの利得の均一な幅は不均一な幅よりも著しく少なく、それにより、複数のウィスパリングギャラリモードに対するレーザ効果を観測することが可能になる。
本発明によるレーザデバイス1の性能に関しては、マイクロ円柱形状の方がマイクロ円盤のものより大きい。というのは、マイクロ円柱形状は基板の方への熱の良好な排出を可能にし、それによりレーザの特性のうちの出力の安定性を確実にし、非線形THz発生に適合するレーザ出力を達成するのを可能にするからである。
内部に発光体をもつ本発明によるデバイス1の円柱形状は、コンパクトな光源内で高いTHz出力を生成するのを可能にする。この形状は以下の利点をもたらす。
− 中央GaAs部分の円柱対称性は光学モードとTHzモードとの間の位相同調を促進する。
− この形状は、様々な層(特にAlGaAs光閉じ込め層)の厚さを操作することによって、光学ウィスパリングギャラリモードおよびTHzモードの垂直閉じ込めを同時にかつ独立して最適化するのを可能にする。これにより、光学モードとTHzモードとの間の重なりを最大にすることが可能になる。
− 半絶縁性中央ゾーンは、光学ウィスパリングギャラリモードをサポートする中央GaAs層の周辺に電荷キャリアを効果的に注入するのを可能にする。
− 円柱形状は、基板の方への熱の良好な排出を可能にし、レーザの特性のうちの出力の安定性を確実にし、非線形THz発生に適合するレーザ出力を達成するのを可能にする。
− 中央GaAs部分の円柱対称性は光学モードとTHzモードとの間の位相同調を促進する。
− この形状は、様々な層(特にAlGaAs光閉じ込め層)の厚さを操作することによって、光学ウィスパリングギャラリモードおよびTHzモードの垂直閉じ込めを同時にかつ独立して最適化するのを可能にする。これにより、光学モードとTHzモードとの間の重なりを最大にすることが可能になる。
− 半絶縁性中央ゾーンは、光学ウィスパリングギャラリモードをサポートする中央GaAs層の周辺に電荷キャリアを効果的に注入するのを可能にする。
− 円柱形状は、基板の方への熱の良好な排出を可能にし、レーザの特性のうちの出力の安定性を確実にし、非線形THz発生に適合するレーザ出力を達成するのを可能にする。
本発明によるデバイスの詳細のうちの1つは、マイクロ円柱マイクロキャビティにおける非線形THz作用の発生源としての電気的に電力供給される放出媒体を統合することであることに留意されたい。本発明の範囲で説明されるウィスパリングギャラリモードを使用する形状はこの統合を可能にする。本発明によれば、放出媒体はマイクロ円柱内にあり、潜在的に経済的に実行可能でコンパクトなTHz光源をもたらすのはこの統合である。
図2aから2fは、本発明によるデバイス1を製造する方法の様々なステップを示す。
図2aに示された第1のステップはエピタキシャル成長のステップによって構成され、半導体ヘテロ構造の様々な層が得られる。半導体ヘテロ構造は、分子ジェットエピタキシ(MJE)または有機金属気相エピタキシ(MOVPE)などの従来の成長技法によって入念に作られる。一般に0.5μmの厚さを超えるGaAs緩衝層(図示せず)(基板100の表面よりも良好な品質の表面を得るために)、AlAs犠牲層101(0.5μm)、次に2つの金属ミラーの間に図1bに示されるような以下のシーケンス、すなわち、
GaAs−p(図示せず)/AlxGa1−xAs−p(参照102)/GaAs−nid(参照103)/AlxGa1−xAs−n(参照104)/GaAs−n(図示せず)
による様々な半導体層がGaAs基板100(<100>に方向づけられた)に堆積される。
GaAs−p(図示せず)/AlxGa1−xAs−p(参照102)/GaAs−nid(参照103)/AlxGa1−xAs−n(参照104)/GaAs−n(図示せず)
による様々な半導体層がGaAs基板100(<100>に方向づけられた)に堆積される。
意図的にドープされないGaAs層103の成長は、近赤外線発光体(量子井戸または量子ドットレイアウト)を挿入するために1回または複数回中断される。薄いnドープGaAs層は酸化からnドープAlxGa1−xAs層104を保護する。
図2bを参照すると、次に、第1のステップにより得られたエピタキシャル成長層は裏返され、金属被覆層4(下部ミラーを形成する前記金属被覆)によって事前に金属被覆されたホスト基板105に接着によって移転される。ホスト基板105は、良好な熱的および電気的伝導体である基板、例えば金属基板またはドープしたGaAs基板である。次に、当初のGaAs基板100は、約50μmの厚さが達成されるまで機械的研磨によって薄化される。次に、残りの基板が、ストップ層としてAlAs犠牲層101を使用して選択的化学腐食によって除去される。GaAs緩衝層は基板100と同時に除去されることに留意されたい。最後に、AlAs犠牲層101がさらなる技術ステップでGaAs−p層(図示せず)の表面を解放する新しい選択的な化学腐食によって除去される。前記薄いGaAs−p層は下にあるpドープAlxGa1−xAs層102を酸化から保護する。
図2cは、中央部分14(円柱状ヘテロ構造の半絶縁性中央部分に対応する)の伝導率を抑制するステップを示す。これを行うために、円柱状ヘテロ構造の最終円柱よりもわずかに小さい(一般に、少なくとも1μmから2μm)直径をもつ開口を樹脂マスクに画定するリソグラフィの第1のレベルが実行される。次に、保護されていないゾーンを半絶縁性にするイオン注入のステップが実行される。必要ならば、イオン注入に関してより頑強なハードマスクを適宜使用することができる。樹脂マスクおよびオプションのハードマスクはこのステップの終わりに除去される。
図2dは、上部ミラーの堆積およびヘテロ構造の円柱形状の画定のステップを示す。これのために第2のレベルのリソグラフィが使用され、それは、第1のレベルと位置合わせされ、円柱状ヘテロ構造の直径と等しい直径を有する円形上部金属ミラー3を「リフトオフ」タイプの方法によって画定するのを可能にする。次に、上部金属ミラー3がエッチングマスクとして直接使用される。このエッチングマスク3は、例えばクロムで製作される追加の金属層の堆積によって適宜補強することができる。次に、円柱形状は塩素化ガスの混合物を使用する反応性イオンエッチング(RIE)によって画定される。図2dは、下から上に、
− 下部ミラー4、
− 薄いnドープGaAs層(図示せず)、
− nドープAlxGa1−xAs混合物層6、
− 活性層7、
− pドープAlxGa1−xAs混合物層8、
− 薄いnドープGaAs層9(図示せず)、
− 上部ミラー3、
− 半絶縁性中央ゾーン14
を含む円柱状半導体ヘテロ構造2を示す。
− 下部ミラー4、
− 薄いnドープGaAs層(図示せず)、
− nドープAlxGa1−xAs混合物層6、
− 活性層7、
− pドープAlxGa1−xAs混合物層8、
− 薄いnドープGaAs層9(図示せず)、
− 上部ミラー3、
− 半絶縁性中央ゾーン14
を含む円柱状半導体ヘテロ構造2を示す。
図2eは、上部電極を形成する上部ミラー3にコンタクトさせるステップを示し、このステップは上部ミラー3へのワイヤのマイクロ溶接12によって直接実行される。マイクロ溶接112による同じ方法で下部ミラー4とのコンタクトが行われる。マイクロ溶接は、図1cに示されるように、裏面に(金属またはドープした半導体ホスト基板上に直接)実行することもできることに留意されたい。
平坦化113と中心から外れたコンタクトパッドの堆積との追加のステップ(追加のリソグラフィのステップ)を意味するコンタクトさせるステップを図2fに従って実行することもできる。
上述の製造方法は、本発明による複数のデバイスの並行製造に適合しており、それにより、アジャイル周波数光源と呼ばれる高出力THz発生または選択的周波数光源の用途用のTHz放出マトリクスを製造することが可能になる。
アジャイル周波数光源200の一例が図3に示される。この光源200は本発明による複数のTHzデバイス、この例では、発光体のこのネットワーク内に異なるTHz周波数(それぞれf1からf6)で放出する6個のデバイス201から206を含む。異なる周波数の発光体201から206は、(それぞれの制御手段301から306を介して)個別にアドレス指定することができ、それにより、アジャイル周波数光源を形成することが可能になる。
さらに、位相発光体のネットワーク内で本発明による複数のTHz放出デバイスを使用することも可能であり、発光体のネットワークを製造する利点は2つあることに留意されたい。まず、放出されるTHz出力を増加させるために同一の発光体のマトリクスを設けることが有用である場合がある。異なる発光体の位相整合はこの増加を促進することができる。異なる発光体のこの位相整合は、2つの異なる方法、すなわち
1)異なるデバイスのTHzエバネッセント場を結合させるように本発明による異なるTHz放出デバイスをわずかの波長(数ミクロン)だけ互いに近づけることによって、
2)放出デバイスのマトリクスによって放出されたTHz放射のうちのいくらかをマトリクス自体に再注入する光学デバイスを使用することによって
達成することができる。
1)異なるデバイスのTHzエバネッセント場を結合させるように本発明による異なるTHz放出デバイスをわずかの波長(数ミクロン)だけ互いに近づけることによって、
2)放出デバイスのマトリクスによって放出されたTHz放射のうちのいくらかをマトリクス自体に再注入する光学デバイスを使用することによって
達成することができる。
当然、本発明によるデバイスおよび方法は、図1から3を参照しながら指摘および非限定の例によって上述された実施形態に限定されない。
特に、円柱状半導体ヘテロ構造は、例えばIII−V半導体材料またはII−VI半導体材料の別の群から形成することができる。特に有用な系はInGaAsP/InP系であり、多くの場合これを使用して、この系の表面非発光再結合機構の比較的低い効率の結果として周囲温度で作動するマイクロレーザが製造される。例えば、InP:n/InGaAsP/InP:pタイプの導波路構造およびInGaAs量子井戸またはInAs量子ドットを放出媒体として使用することができる。
半導体ヘテロ構造は、近赤外線導波モードの光閉じ込めを最適化するかまたは構造への電気的注入を容易にするように変更することもできる。段階的組成閉じ込め層(GRINSCH構造)などの従来のレーザダイオードで開発された技術的解決策は、当然、この場合に実行することができる。
さらに、上述の実施形態では、導波路は単一モードTEであり、パラメトリック発生に必要とされる2つの近赤外線モードは、TE1,1,mタイプである(上述のように、最初の2つの数字は円柱の垂直方向のモードの次数および光線の方向のモードの次数を意味し、mはモードの方位角次数を意味する)。しかし、円柱は、同様に利用することができるより大きい半径方向指数の他のウィスパリングギャラリモードを有する。さらに、中央GaAs層の厚さまたはAlGaAs閉じ込め層のアルミニウム組成を増加させることによって、導波モードの数を増加させることが可能である。k TE導波モードを有するガイドでは、円柱は、{TEh,n,m}タイプ(ここで、nおよびmは固定され、hは1とkとの間の整数である)のk群のウィスパリングギャラリモードを有することになる。これらの群の追加のウィスパリングギャラリモードが存在すると、周波数差によるTHz発生のための位相同調を達成するのに可能な組合せの選択が広がる。
図1を参照して既に説明したように、THzモードを閉じ込めるために単一の金属ミラーを使用することも可能である。他方の金属層は、THz導波特性を同様に有するドープした半導体層と置き替わることができる。この変形の利点は、さらなる基板への構造体の移転の技術的ステップを避けることが可能になることである。したがって、ドープした半導体層が成長の間に挿入され(図2a)、最終的に、構造体の最下部の金属層に取って代わる。さらなる基板への移転の図2bに対応するステップは省略され、成長基板が節約される。手順の残りは同一である。
上述の本発明によるデバイスは活性媒体の電気的ポンピングを可能にすることにも留意されたい。このポンピングはレーザで光学的に実行することができる。この場合、キャリアの電気的注入のための半導体構造として働くnドープ層およびpドープ層と、イオン注入のステップとは必要ではない。対照的に、ドープした半導体層で最下部金属層を置き換えた上述の変形は、ドープした半導体層が光ポンピングに対して透明であることにより特に有用である。ポンプビームを移送する光ファイバの端部に本発明によるこのデバイスを例えば接着によって統合すると、コンパクトで光学的にポンプされるTHz光源を得ることが可能になる。光ファイバの端部におけるこのタイプの光源を使用して、例えば医用分析用のTHz内視鏡を形成することができる。
本発明によるデバイスは周囲温度で作動する。しかし、このデバイスを低温システム(クライオスタット中の、またはペルチェ効果を使用する冷却基体上の)に統合することも考えられる。温度は、位相同調を生成し細かく調整するために追加の制御パラメータとして使用することができる。さらに、低温での動作は、量子ドットの均一幅の低減を可能にし、レーザの多モード挙動を促進する。これにより、より大きいマイクロキャビティの使用、したがって周波数に関してより接近したウィスパリングギャラリモードの使用を可能にすることもできる。したがって、レーザ周波数を互いにより近づけることによって、より弱いTHz周波数を得ることが可能である。低温での動作は、レーザデバイスの性能を改善すること(閾値電流の低減、電気光学変換率の増加)も可能にすることができる。
本発明者らは、放出媒体が1つまたは複数の量子ドットレイアウトあるいは1つまたは複数の量子井戸を含むことができることが分かった。量子カスケード利得媒体を使用することも可能である。量子カスケードレーザも多モード放出潜在能力を示すことが当業者には知られており、例えば、モード競合なしで中赤外線スペクトル内の2つの異なる波長で同時に放出する量子カスケードレーザが、文献の「Evidence of cascaded emission in a dual−wavelength quantum cascade laser」(K. J. Franz等、Appl. Phys. Lett. 90、091104 (2007))に説明されている。したがって、本発明の量子ドットまたは量子井戸を量子カスケード構造で置き替えることが可能である。2つの量子カスケードレーザ波の偏波はTMである。したがって、異なる結晶方位を有する半導体ヘテロ構造(例えば、GaAs基板の(111)面上の成長)を使用するのは非線形係数を最適化するために有利となることがある。
最後に、この場合には周波数差によるキャビティ中の光のパラメトリック発生に関して、従来、モードにおける光子の平均数が1よりも大きいか(それとも大きくない)に応じて2つの領域間で区別がなされる。第1の例では、システムはパラメトリック振動領域にあり、それは高いTHz出力を生成するのに好都合である。「弱く」または「強く」ポンプされるかどうかに応じて同じ構造体で演繹的に得ることができるこれらの2つの動作領域は共に本発明によるものであると見なされる。
1 レーザデバイス
2 円柱状半導体ヘテロ構造
3、4 金属ミラー
5、9 薄いGaAs層
6、8 AlxGa1−xAs層
7 活性層
10 放出媒体
11 量子ドット
12、13 電気コンタクト
14 半絶縁性ゾーン
15 ホスト基板
100 基板
101 AlAs犠牲層
102 pドープAlxGa1−xAs層
103 GaAs層
104 nドープAlxGa1−xAs層
105 ホスト基板
112 マイクロ溶接
113 平坦化
200 アジャイル周波数光源
201、202、203、204、205、206 デバイス
301、302、303、304、305、306 制御手段
2 円柱状半導体ヘテロ構造
3、4 金属ミラー
5、9 薄いGaAs層
6、8 AlxGa1−xAs層
7 活性層
10 放出媒体
11 量子ドット
12、13 電気コンタクト
14 半絶縁性ゾーン
15 ホスト基板
100 基板
101 AlAs犠牲層
102 pドープAlxGa1−xAs層
103 GaAs層
104 nドープAlxGa1−xAs層
105 ホスト基板
112 マイクロ溶接
113 平坦化
200 アジャイル周波数光源
201、202、203、204、205、206 デバイス
301、302、303、304、305、306 制御手段
Claims (23)
- 0.5THzから5THzの周波数範囲の波動放出を有するレーザデバイス(1)であって、半導体ヘテロ構造(2)を備え、前記ヘテロ構造(2)が円形断面をもつ円柱形を有し、
近赤外線スペクトルに属する少なくとも2つの光学ウィスパリングギャラリモードを放出することができる放出手段(10、11)を含む第1の光学的非線形半導体材料層(7)であり、前記2つのウィスパリングギャラリモードが前記第1の層(7)内に閉じ込められ、0.5THzから5THzの周波数を有する電磁気ウィスパリングギャラリモード、すなわちいわゆるテラヘルツモード内の放射の発生を前記第1の層(7)内で可能にし、前記放射が前記2つのウィスパリングギャラリモードの周波数差によって得られ、前記ヘテロ構造の円柱形状が、前記近赤外線スペクトルに属する前記2つの光学ウィスパリングギャラリモードと、その周波数差からのテラヘルツモードとの間の位相同調を確実にする、第1の光学的非線形半導体材料層(7)と、
各々が前記第1の層(7)に使用される材料の光学屈折率よりも弱い光学屈折率を有し、前記第1の層(7)の両側に配置される第2の半導体材料層(8)および第3の半導体材料層(6)と、
前記ヘテロ構造(2)の一方の端部に配置された少なくとも1つの金属層(3、4)と
を備えることを特徴とするデバイス(1)。 - 前記円柱状ヘテロ構造(2)が、前記ヘテロ構造(2)の2つの端部間を実質的に延びる中央半絶縁性ゾーン(14)を含むことを特徴とする請求項1に記載のデバイス(1)。
- 前記デバイス(1)は、各々前記ヘテロ構造(2)の端部に配置された2つの金属層(3、4)を備えることを特徴とする請求項1または2のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記金属層(3、4)が金で製作されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記放出手段が、
1つの量子井戸または複数の量子井戸、
量子ドット(11)の1つのレイアウト(10)または複数のレイアウト、
1つの量子カスケード構造または複数の量子カスケード構造
のうちの1つで製造されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のデバイス(1)。 - 前記第1の層(7)の前記光学的非線形半導体材料が、GaAsもしくはInGaAsPなどのIII−V材料またはII−VI材料であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記第2および第3の層(8、6)の半導体材料が、0.2<x<0.6とするAlxGa1−xAsまたはInPであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記第2の半導体層(8)がpドープ層であり、前記第3の半導体層(6)がnドープ層であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記第1の層(7)が複数の発光体レイアウト(10)を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記円柱状ヘテロ構造(2)が、それぞれ前記第2の層(8)および前記第3の層(6)を覆う2つの半導体層(9、5)(酸化に抗して保護する層)を備えることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記酸化に抗して保護する保護層(9、5)の各々が2nmと10nmとの間の厚さを有することを特徴とする請求項10に記載のデバイス(1)。
- 前記第2の層(8)および前記第3の層(6)の厚さが0.5μmと5μmとの間にあることを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記放出手段(10、11)のポンピング電流の注入のための2つの電気コンタクト(12、13)を備えることを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記第1の層(7)の厚さが200nmと400nmとの間にあることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記円柱状ヘテロ構造(2)の直径が30μmと100μmとの間にあることを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 前記第1の層(7)が意図的にドープされていない層であることを特徴とする請求項1から15のいずれか一項に記載のデバイス(1)。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載のデバイスを統合する低温システム。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の複数のデバイスを備えるネットワークであって、前記デバイスの各々が実質的に同じ周波数を有することを特徴とするネットワーク。
- 前記デバイスが、前記様々なデバイスのTHzエバネッセント場を結合させるように互いに十分に接近することを特徴とする請求項18に記載のネットワーク。
- 前記ネットワークによって放出されたTHz放射のうちのいくらかが前記ネットワークに再注入されることを特徴とする請求項18に記載のネットワーク。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の複数のデバイス(201、202、203、204、205、206)を備えるネットワーク(200)であって、前記デバイス(201、202、203、204、205、206)の各々が異なるTHz周波数を有し、前記にデバイスの各々が個別に制御されることを特徴とするネットワーク(200)。
- 請求項1から21のいずれか一項に記載のデバイスを製造する方法であって、
堆積により、半導体基板上に、
犠牲半導体層と、
第1の保護半導体層と、
前記第2の層と同一の半導体材料から形成された層と、
前記第1の層と同一の半導体材料から形成され、放出手段を備える層と、
前記第3の層と同一の半導体材料から形成された層と、
第2の保護半導体層と
を前記基板からこの順序で備える構造をエピタキシャル成長させるステップと、
前記第2の保護層が、事前に金属化されたホスト基板の金属と接するように前記エピタキシャル成長された構造体を前記ホスト基板に移転させるステップと、
機械的研磨により前記半導体基板を薄化するステップと、
残りの厚さに対して前記基板を選択的に化学腐食するステップであり、前記犠牲層がストップ層として使用される、ステップと、
前記犠牲層を選択的に化学腐食するステップであり、前記第1の保護層がストップ層として使用される、ステップと、
前記円柱状ヘテロ構造の直径よりも小さい直径をもつ開口を画定するマスクを製造するステップと、
前記マスクによって保護されないゾーンを半絶縁性にするイオン注入を行うステップと、
前記マスクを除去するステップと、
前記円柱状ヘテロ構造の前記直径に等しい直径をもつ円形金属層を堆積させるステップと、
前記円柱状ヘテロ構造を形成するように前記円形金属層によって覆われていない部分をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 前記マスクが、前記円柱状ヘテロ構造の前記直径よりも1μmから2μmだけ小さい直径をもつ開口を画定することを特徴とする請求項22に記載の方法。
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