JPH08162720A - Semiconductor laser - Google Patents
Semiconductor laserInfo
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- JPH08162720A JPH08162720A JP31941694A JP31941694A JPH08162720A JP H08162720 A JPH08162720 A JP H08162720A JP 31941694 A JP31941694 A JP 31941694A JP 31941694 A JP31941694 A JP 31941694A JP H08162720 A JPH08162720 A JP H08162720A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
- H01J2201/30—Cold cathodes
- H01J2201/316—Cold cathodes having an electric field parallel to the surface thereof, e.g. thin film cathodes
- H01J2201/3165—Surface conduction emission type cathodes
Landscapes
- Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、レーザービームプリン
タ、光記録装置、光通信、ポインタ、及び、表示装置等
の光源として用いられる半導体レーザ装置に関し、特
に、電子放出素子から放出された電子線によって励起さ
れる半導体レーザ装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device used as a light source for a laser beam printer, an optical recording device, optical communication, a pointer, a display device and the like, and more particularly to an electron beam emitted from an electron-emitting device. The present invention relates to a semiconductor laser device excited by.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体レーザは小型、安価、電源が簡便
でよい、高速変調が可能などの理由から、レーザービー
ムプリンタ、光記録装置、光通信、ポインタ、及び表示
装置等の電源として用いられている。また、光記録装置
の高密度化やレーザービームプリンタの感光特性上の理
由、及び、表示装置におけるカラー化の目的から、短波
長化、特に青色の発振を可能にするため、バンドギャッ
プの広い半導体で半導体レーザを作る試みがなされてい
る。特に近年、II−VI系の材料であるZnSe/Z
nMnSeにおいて青緑色のパルス発振が達成されるま
でに進歩してきた(Applied Physics
Letters,Vol.59,p−1272(199
1))。2. Description of the Related Art Semiconductor lasers are used as power sources for laser beam printers, optical recording devices, optical communications, pointers, display devices, etc. for the reasons that they are small, inexpensive, convenient to use, and capable of high-speed modulation. There is. Further, for the reason of high density of the optical recording device, the photosensitivity of the laser beam printer, and the purpose of colorization in the display device, a semiconductor having a wide bandgap can be used in order to enable a shorter wavelength, especially blue oscillation. Attempts have been made to make a semiconductor laser. Particularly in recent years, ZnSe / Z, which is a II-VI-based material,
Progress has been made in achieving blue-green pulse oscillation in nMnSe (Applied Physics).
Letters, Vol. 59, p-1272 (199
1)).
【0003】しかしながら、これまで研究されているバ
ンドギャップの広い半導体は、光学的な性質には優れて
いるものの、電気的な特性、特にドーピングを自由に行
うことができないため抵抗が高くなり、青色の光を室温
で連続発振させることは未だに達成されていない。However, although the wide bandgap semiconductors that have been studied so far have excellent optical properties, they have high electrical properties, in particular, high resistance because doping cannot be performed freely. The continuous oscillation of the light of room temperature at room temperature has not been achieved yet.
【0004】上記バンドギャップの広い半導体を用いた
半導体レーザの欠点を克服するための一つの方法とし
て、加速された電子ビームを用いて半導体を励起させ、
レーザ発振させる方法が提案されている。例えば、スピ
ント型の電子放出素子と、CdTe/CdMnTe系の
半導体構造を用いて構成した小型の半導体レーザの報告
がある(Applied Physics Lette
rs,Vol.62,p−796(1993))。As one method for overcoming the drawbacks of the semiconductor laser using the wide band gap semiconductor, the semiconductor is excited by using an accelerated electron beam,
A method of causing laser oscillation has been proposed. For example, there is a report of a small semiconductor laser configured using a Spindt-type electron-emitting device and a CdTe / CdMnTe-based semiconductor structure (Applied Physics Letter).
rs, Vol. 62, p-796 (1993)).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電子線励起半導体には以下に示すような問題点が有
り、実用化の妨げになっていた。However, the above conventional electron beam excited semiconductors have the following problems, which hinders their practical use.
【0006】1)微小な電子放出源が平面上に並べられ
ているので、電子放出パターンを、半導体レーザに必要
なストライプ状の細長いパターンに絞ることができず、
半導体レーザが横マルチモードで発振してしまう上、レ
ーザ発振させるために必要な電力が大きくなってしま
う。1) Since the minute electron emission sources are arranged on a plane, the electron emission pattern cannot be narrowed down to a striped elongated pattern required for a semiconductor laser.
The semiconductor laser oscillates in the transverse multi-mode, and the power required for lasing becomes large.
【0007】2)電子放出素子の素子容量が大きく、電
子放出素子の電子放出量を高速に変調することができな
いため、結果的に半導体レーザから出射する光を高速に
変調することが難しい。2) Since the device capacity of the electron-emitting device is large and the electron emission amount of the electron-emitting device cannot be modulated at high speed, it is difficult to modulate the light emitted from the semiconductor laser at high speed as a result.
【0008】3)電子放出素子に印加する電圧が比較的
高く(100V程度)、電子放出素子を変調駆動する電
気回路のコストが高くなる。3) The voltage applied to the electron-emitting device is relatively high (about 100 V), and the cost of the electric circuit for modulating and driving the electron-emitting device becomes high.
【0009】4)電子放出素子の製造プロセスが複雑で
あり、素子の製造コストが高く、安価にレーザ装置を提
供することが難しい。4) The manufacturing process of the electron-emitting device is complicated, the manufacturing cost of the device is high, and it is difficult to provide a laser device at low cost.
【0010】本発明は、上記従来技術が有する問題点を
解消し、安価で、高速変調が可能な半導体レーザ装置、
特に短波長の半導体レーザ装置を提供することを目的と
する。The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art and is an inexpensive semiconductor laser device capable of high-speed modulation.
In particular, it is an object to provide a semiconductor laser device having a short wavelength.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために成された本発明の構成は以下の通りである。Means and Actions for Solving the Problems The constitution of the present invention made to achieve the above object is as follows.
【0012】即ち、本発明は、少なくとも、電子放出素
子と、ストライプ状半導体レーザ構造体と、前記電子放
出素子から放出された電子を、前記ストライプ状半導体
レーザ構造体に入射させるための電子光学系とを備えた
半導体レーザ装置であって、前記電子放出素子が表面伝
導型電子放出素子であることを特徴とする半導体レーザ
装置にある。That is, according to the present invention, at least an electron-emitting device, a stripe-shaped semiconductor laser structure, and an electron optical system for causing electrons emitted from the electron-emitting device to enter the stripe-shaped semiconductor laser structure. A semiconductor laser device comprising: a semiconductor laser device, wherein the electron-emitting device is a surface conduction electron-emitting device.
【0013】本発明の半導体レーザ装置は、さらにその
特徴として、前記ストライプ状半導体レーザ構造体にお
いて、電子ビームが入射されるストライプ部と活性層と
の間の半導体層が、活性層に近いほどバンドギャップの
小さい半導体で構成されていること、前記ストライプ状
半導体レーザ構造体において、電子ビームが入射される
ストライプ部と活性層との間の半導体層が、該半導体層
で発生するキャリアの拡散長の10倍以下の厚さである
こと、前記ストライプ状半導体レーザ構造体には、スト
ライプ部上に該ストライプ部の少なくとも一部を覆う厚
さ1〜100nmの金属薄膜が配置されていて、且つ、
該金属薄膜には前記電子放出素子から放出された電子を
加速するための電圧印加手段が接続されていることをも
含む。The semiconductor laser device of the present invention is further characterized in that, in the above-mentioned striped semiconductor laser structure, a band is formed as the semiconductor layer between the stripe portion on which the electron beam is incident and the active layer is closer to the active layer. In the stripe-shaped semiconductor laser structure, the semiconductor layer between the stripe portion on which the electron beam is incident and the active layer has a diffusion length of carriers generated in the semiconductor layer. The stripe-shaped semiconductor laser structure has a thickness of 10 times or less, a metal thin film having a thickness of 1 to 100 nm is disposed on the stripe portion to cover at least a part of the stripe portion, and
The metal thin film also includes a voltage application unit connected to accelerate the electrons emitted from the electron-emitting device.
【0014】上記のように、本発明の半導体レーザ装置
は、ストライプ状半導体レーザ構造体の半導体を励起さ
せる電子ビーム源として、特に表面伝導型電子放出素子
を用いるものであり、先ず該表面伝導型電子放出素子に
ついて詳しく説明する。As described above, the semiconductor laser device of the present invention uses, in particular, a surface conduction electron-emitting device as an electron beam source for exciting the semiconductor of the stripe semiconductor laser structure. The electron emitting device will be described in detail.
【0015】表面伝導型電子放出素子は、絶縁性の基板
上に形成された導電性薄膜に、膜面に平行に電流を流す
ことにより電子放出が生ずる現象を利用するものであ
る。The surface conduction electron-emitting device utilizes a phenomenon in which electron emission occurs when a current is passed through a conductive thin film formed on an insulating substrate in parallel with the film surface.
【0016】表面伝導型電子放出素子の典型的な構成例
としては、絶縁性の基板上に設けた一対の素子電極間を
連絡する金属酸化物等の導電性薄膜に、予めフォーミン
グと称される通電処理により電子放出部を形成したもの
が挙げられる。フォーミングは、導電性薄膜の両端に、
電圧を印加通電することで通常行われ、導電性薄膜を局
所的に破壊、変形もしくは変質させて構造を変化させ、
電気的に高抵抗な状態の電子放出部を形成する処理であ
る。電子放出は、上記電子放出部が形成された導電性薄
膜に電圧を印加して電流を流すことにより、電子放出部
に発生した亀裂付近から行われる。As a typical example of the structure of the surface conduction electron-emitting device, a conductive thin film such as a metal oxide which connects a pair of device electrodes provided on an insulative substrate is referred to as forming in advance. The thing which formed the electron emission part by the electricity supply process is mentioned. Forming is done at both ends of the conductive thin film.
It is usually done by applying a voltage and energizing, locally destroying, deforming or altering the conductive thin film to change the structure,
This is a process of forming an electron emitting portion having a high electrical resistance. The electron emission is performed from the vicinity of the crack generated in the electron emitting portion by applying a voltage to the conductive thin film in which the electron emitting portion is formed and flowing a current.
【0017】上記のように、表面伝導型電子放出素子は
構造が単純で製造も比較的容易であることから、安価に
製造することができる上、半導体レーザのストライプ形
状と似た形状の上記亀裂に沿った部位から電子が放出さ
れるので、簡単な電子光学系によって放出電子を半導体
レーザのストライプ部に集光することができる。また、
表面伝導型電子放出素子はキャパシタンスが非常に小さ
く、駆動電圧も十数ボルト程度と比較的小さいため、駆
動電圧を変化させることにより放出電流の高速変調を簡
単に行うことができ、素子を駆動する電気回路も安価に
製造することができる。As described above, since the surface conduction electron-emitting device has a simple structure and is relatively easy to manufacture, it can be manufactured at a low cost and the cracks having a shape similar to the stripe shape of a semiconductor laser. Since the electrons are emitted from the portion along the line, the emitted electrons can be focused on the stripe portion of the semiconductor laser by a simple electron optical system. Also,
Since the surface conduction electron-emitting device has a very small capacitance and the driving voltage is comparatively small at about ten and several volts, it is possible to easily perform high-speed modulation of the emission current by changing the driving voltage and drive the device. Electric circuits can also be manufactured inexpensively.
【0018】本発明に係る表面伝導型電子放出素子の基
本的な一構成例を図1に示す。図中1は基板、2は電子
放出部、3は電子放出部を含む導電性薄膜、4と5は素
子電極である。FIG. 1 shows a basic configuration example of the surface conduction electron-emitting device according to the present invention. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an electron emitting portion, 3 is a conductive thin film including an electron emitting portion, and 4 and 5 are device electrodes.
【0019】基板1としては、例えば石英ガラス、Na
等の不純物含有量を減少させたガラス、青板ガラス、青
板ガラスにスパッタ法等によりSiO2 を積層した積層
体、及びアルミナ等のセラミックス等が挙げられる。The substrate 1 is, for example, quartz glass or Na.
And the like, glass having a reduced content of impurities such as, soda lime glass, a laminated body obtained by laminating SiO 2 on soda lime glass by a sputtering method, and ceramics such as alumina.
【0020】対向する素子電極4,5の材料としては、
一般的導体材料が用いられ、例えばNi,Cr,Au,
Mo,W,Pt,Ti,Al,Cu,Pd等の金属或は
合金、及びPd,Ag,Au,RuO2 ,Pd−Ag等
の金属或は金属酸化物とガラス等から構成される印刷導
体、In2 O3 −SnO2 等の透明導電体、及びポリシ
リコン等の半導体導体材料等から適宜選択される。The material of the opposing device electrodes 4 and 5 is as follows:
Common conductor materials are used, such as Ni, Cr, Au,
Metal or alloy such as Mo, W, Pt, Ti, Al, Cu and Pd, and printed conductor composed of metal or metal oxide such as Pd, Ag, Au, RuO 2 , Pd-Ag and glass. , In 2 O 3 —SnO 2 and other transparent conductors, and polysilicon and other semiconductor conductor materials.
【0021】素子電極間隔Lは、通常は数百Å〜数百μ
mであり、素子電極の製法の基本となるフォトリソグラ
フィー技術、即ち、露光機の性能とエッチング方法等、
及び素子電極間に印加する電圧と電子放出し得る電界強
度等により設定されるが、好ましくは数μm〜数十μm
である。The element electrode spacing L is usually several hundred Å to several hundred μ.
m, which is the basis of the manufacturing method of the device electrode, that is, the photolithography technology, that is, the performance of the exposure device and the etching method,
It is set according to the voltage applied between the device electrodes and the electric field strength capable of emitting electrons, and is preferably several μm to several tens μm
Is.
【0022】素子電極長さW1及び膜厚dは、電極の抵
抗値や、導電性薄膜3の長さW2等を考慮して適宜設定
され、通常は、素子電極長さW1は数百μm程度であ
り、素子電極の膜厚dは数百Å〜数μmである。The element electrode length W1 and the film thickness d are appropriately set in consideration of the resistance value of the electrode, the length W2 of the conductive thin film 3 and the like. Usually, the element electrode length W1 is about several hundreds μm. The film thickness d of the device electrode is several hundred Å to several μm.
【0023】尚、図1に示される表面伝導型電子放出素
子は、基板1上に、素子電極4,5、導電性薄膜3の順
に積層されたものとなっているが、基板1上に、導電性
薄膜3、素子電極4,5の順に積層したものとしてもよ
い。また、図1に示される表面伝導型電子放出素子は、
素子電極4,5が同一面上に形成された平面型の素子で
あるが、素子電極が絶縁層を介して上下に位置し、この
絶縁層の側面に導電性薄膜が形成された垂直型の素子で
あってもよい。The surface conduction electron-emitting device shown in FIG. 1 has the device electrodes 4, 5 and the conductive thin film 3 laminated in this order on the substrate 1. The conductive thin film 3 and the device electrodes 4 and 5 may be laminated in this order. Further, the surface conduction electron-emitting device shown in FIG.
The device is a flat device in which the device electrodes 4 and 5 are formed on the same surface, but the device electrodes are vertically arranged with an insulating layer interposed and a conductive thin film is formed on the side surface of the insulating layer. It may be an element.
【0024】導電性薄膜3は、良好な電子放出特性を得
るためには、微粒子で構成された微粒子膜であるのが特
に好ましく、その膜厚は、素子電極4,5へのステップ
カバレージ、素子電極4,5間の抵抗値及び後述するフ
ォーミング条件等によって、適宜設定される。この導電
性薄膜3の膜厚は、好ましくは数Å〜数千Åで、特に好
ましくは数十Å〜数百Åであり、その抵抗値は、103
〜107 Ω/□のシート抵抗値である。In order to obtain good electron emission characteristics, the conductive thin film 3 is particularly preferably a fine particle film composed of fine particles, and the thickness of the conductive thin film 3 depends on the step coverage of the device electrodes 4 and 5 and the device. It is appropriately set depending on the resistance value between the electrodes 4 and 5 and the forming conditions described later. The conductive thin film 3 has a thickness of preferably several Å to several thousand Å, particularly preferably several tens of Å to several hundred Å, and its resistance value is 10 3
The sheet resistance value is -10 7 Ω / □.
【0025】尚、上記微粒子膜とは、複数の微粒子が集
合した膜であり、その微細構造として、微粒子が個々に
分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに隣接、あ
るいは重なり合った状態(島状も含む)の膜を指す。微
粒子膜である場合、微粒子の粒径は、数Å〜数千Åであ
るのが好ましく、特に好ましくは10Å〜200Åであ
る。The fine particle film is a film in which a plurality of fine particles are aggregated, and its fine structure is not only in a state where the fine particles are dispersed and arranged but also in a state where the fine particles are adjacent to each other or overlap each other (island shape). (Including)). In the case of a fine particle film, the particle diameter of the fine particles is preferably several Å to several thousand Å, particularly preferably 10 Å to 200 Å.
【0026】導電性薄膜3を構成する主な材料は、例え
ばPd,Pt,Ru,Ag,Au,Ti,In,Cu,
Cr,Fe,Zn,Sn,Ta,W,Pb等の金属、P
dO,SnO2 ,In2 O3 ,PbO,Sb2 O3 ,W
Ox 等の酸化物、HfB2 ,ZrB2 ,LaB6 ,Ce
B6 ,YB4 ,GdB4 等の硼化物、TiC,ZrC,
HfC,TaC,SiC,WC等の炭化物、TiN,Z
rN,HfN等の窒化物、Si,Ge等の半導体、カー
ボンからなる。The main materials forming the conductive thin film 3 are, for example, Pd, Pt, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu,
Metals such as Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W, Pb, P
dO, SnO 2 , In 2 O 3 , PbO, Sb 2 O 3 , W
Oxides such as O x, HfB 2, ZrB 2 , LaB 6, Ce
Boride such as B 6 , YB 4 , GdB 4 , TiC, ZrC,
Carbides such as HfC, TaC, SiC, WC, TiN, Z
It is made of a nitride such as rN or HfN, a semiconductor such as Si or Ge, or carbon.
【0027】電子放出部2には亀裂が含まれており、電
子放出はこの亀裂付近から行われる。この亀裂を含む電
子放出部2及び亀裂自体は、導電性薄膜3の膜厚、膜
質、材料及び後述するフォーミング条件等の製法に依存
して形成される。A crack is included in the electron emitting portion 2, and the electron is emitted from the vicinity of this crack. The electron emitting portion 2 including the crack and the crack itself are formed depending on the film thickness of the conductive thin film 3, the film quality, the material, the forming conditions described later, and the like.
【0028】亀裂は、数Å〜数百Åの粒径の導電性微粒
子を有することもある。この導電性微粒子は、導電性薄
膜3を構成する材料の元素の一部、あるいは全てと同様
の物である。また、亀裂を含む電子放出部2及びその近
傍の導電性薄膜3は炭素及び炭素化合物を有することも
ある。また、製法によっては、素子電極4,5間の全て
が電子放出部として機能する場合もある。The crack may have conductive fine particles having a particle diameter of several Å to several hundred Å. The conductive fine particles are the same as some or all of the elements of the material forming the conductive thin film 3. Further, the electron emitting portion 2 including a crack and the conductive thin film 3 in the vicinity thereof may contain carbon and a carbon compound. Further, depending on the manufacturing method, the entire space between the device electrodes 4 and 5 may function as an electron emitting portion.
【0029】本発明に係る表面伝導型電子放出素子の製
造方法としては様々な方法が考えられるが、図1に示し
た構成の表面伝導型電子放出素子を例に、図2の製造工
程図に基づいて製造方法の一例を以下に説明する。Various methods are conceivable as a method for manufacturing the surface conduction electron-emitting device according to the present invention. The surface conduction electron emission device having the structure shown in FIG. Based on this, an example of the manufacturing method will be described below.
【0030】1)絶縁性基板1を洗剤、純水および有機
溶剤により十分に洗浄した後、真空蒸着法,スパッタ法
等により素子電極材料を堆積させた後、フォトリソグラ
フィー技術により該絶縁性基板1の面上に素子電極4,
5を形成する(図2(a))。1) After the insulating substrate 1 is thoroughly washed with a detergent, pure water and an organic solvent, a device electrode material is deposited by a vacuum deposition method, a sputtering method or the like, and then the insulating substrate 1 is formed by a photolithography technique. On the surface of the device electrode 4,
5 is formed (FIG. 2A).
【0031】2)素子電極4,5を形成した絶縁性基板
1上に、有機金属溶液を塗布して放置することにより、
有機金属薄膜を形成する。尚、有機金属溶液とは、前述
の導電性薄膜3の構成材料の金属を主元素とする有機化
合物の溶液である。この後、有機金属薄膜を加熱焼成処
理し、リフトオフ、エッチング等によりパターニングさ
れた導電性薄膜3を形成する(図2(b))。尚、ここ
では有機金属溶液の塗布法により説明したが、これに限
らず、真空蒸着法、スパッタ法、化学的気相堆積法、分
散塗布法、ディッピング法、スピンナー法等によって形
成される場合もある。2) By coating the organic metal solution on the insulating substrate 1 on which the device electrodes 4 and 5 are formed and leaving it to stand,
An organometallic thin film is formed. The organic metal solution is a solution of an organic compound whose main element is a metal that is a constituent material of the conductive thin film 3 described above. Then, the organic metal thin film is heated and baked to form the conductive thin film 3 patterned by lift-off, etching, etc. (FIG. 2B). In addition, although the description has been given here using the coating method of the organic metal solution, the present invention is not limited to this, and may be formed by a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, a dispersion coating method, a dipping method, a spinner method, or the like. is there.
【0032】3)続いて、フォーミングと呼ばれる通電
処理を施す。素子電極4,5間に不図示の電源より通電
すると、導電性薄膜3の部位に構造の変化した電子放出
部2が形成される(図2(c))。この通電処理により
導電性薄膜3を局所的に破壊、変形もしくは変質せし
め、構造の変化した部位が電子放出部2である。3) Subsequently, an energization process called forming is performed. When a power supply (not shown) is applied between the device electrodes 4 and 5, an electron emitting portion 2 having a changed structure is formed at the portion of the conductive thin film 3 (FIG. 2C). By this energization treatment, the conductive thin film 3 is locally destroyed, deformed or altered, and the electron-emissive portion 2 is a portion whose structure is changed.
【0033】フォーミングの電圧波形の例を図3に示
す。An example of the forming voltage waveform is shown in FIG.
【0034】電圧波形は、特にパルス波形が好ましく、
パルス波高値を定電圧とした電圧パルスを連続的に印加
する場合(図3(a))と、パルス波高値を増加させな
がら電圧パルスを印加する場合(図3(b))がある。The voltage waveform is particularly preferably a pulse waveform,
There are a case where a voltage pulse whose pulse peak value is a constant voltage is continuously applied (FIG. 3A), and a case where a voltage pulse is applied while increasing the pulse peak value (FIG. 3B).
【0035】まず、パルス波高値を定電圧とした場合に
ついて説明する。図3(a)におけるT1及びT2は電
圧波形のパルス幅とパルス間隔であり、例えば、T1を
1μ秒〜10m秒、T2を10μ秒〜100m秒とし、
三角波の波高値(フォ−ミング時のピ−ク電圧)を前述
した表面伝導型電子放出素子の形態に応じて適宜選択し
て、適当な真空度の真空分囲気下で、数秒から数十分印
加する。尚、印加する電圧波形は、図示される三角波に
限定されるものではなく、矩形波等の所望の波形を用い
ることができる。First, the case where the pulse peak value is a constant voltage will be described. T1 and T2 in FIG. 3A are the pulse width and pulse interval of the voltage waveform, for example, T1 is 1 μsec to 10 msec, T2 is 10 μsec to 100 msec,
The peak value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is appropriately selected according to the form of the surface conduction electron-emitting device described above, and it is several seconds to several tens of minutes under a vacuum atmosphere of an appropriate degree of vacuum. Apply. The voltage waveform to be applied is not limited to the illustrated triangular wave, and a desired waveform such as a rectangular wave can be used.
【0036】次に、パルス波高値を増加させながら電圧
パルスを印加する場合について説明する。図3(b)に
おけるT1及びT2は図3(a)と同様であり、三角波
の波高値(フォ−ミング時のピ−ク電圧)を、例えば
0.1Vステップ程度づつ増加させ、図3(a)の説明
と同様の適当な真空雰囲気下で印加する。Next, the case where the voltage pulse is applied while increasing the pulse peak value will be described. T1 and T2 in FIG. 3B are the same as those in FIG. 3A, and the crest value of the triangular wave (peak voltage at the time of forming) is increased by, for example, about 0.1 V step, and then, FIG. It is applied in an appropriate vacuum atmosphere similar to the description of a).
【0037】尚、パルス間隔T2中で、導電性薄膜3
(図1参照)を局所的に破壊、変形もしくは変質させな
い程度の電圧、例えば0.1V程度の電圧で素子電流を
測定して抵抗値を求め、例えば1Mオーム以上の抵抗を
示した時にフォーミングを終了する。In the pulse interval T2, the conductive thin film 3
(See FIG. 1) The element current is measured at a voltage that does not locally destroy, deform, or alter the properties, for example, a voltage of about 0.1 V to obtain a resistance value. For example, when a resistance of 1 M ohm or more is exhibited, forming is performed. finish.
【0038】4)次に、フォーミング工程が終了した素
子に活性化工程を施すことが好ましい。4) Next, it is preferable to perform an activation process on the element which has completed the forming process.
【0039】活性化工程とは、例えば10-4〜10-5T
orr程度の真空度で、フォーミング工程での説明と同
様に、パルス波高値を一定にしたパルスの印加を繰り返
す処理のことを言い、真空中に存在する有機物質から炭
素及び炭素化合物を電子放出部2(図1参照)に堆積さ
せることで、素子電流、放出電流の状態を著しく向上さ
せることができる工程である。この活性化工程は、例え
ば素子電流や放出電流を測定しながら行って、例えば放
出電流が飽和した時点で終了するようにすれば効果的で
あるので好ましい。また、活性化工程でのパルス波高値
は、好ましくは素子を駆動する際に印加する駆動電圧の
波高値である。The activation step is, for example, 10 −4 to 10 −5 T.
As in the description of the forming step, a process of repeatedly applying a pulse with a constant pulse peak value at a degree of vacuum of about orr is used to remove carbon and carbon compounds from an organic substance existing in a vacuum. 2 (see FIG. 1) is a process in which the states of device current and emission current can be significantly improved. It is effective to perform this activation step while measuring the device current and the emission current, for example, and to end it when the emission current is saturated, because it is effective. The pulse peak value in the activation step is preferably the peak value of the drive voltage applied when driving the element.
【0040】尚、上記炭素及び炭素化合物とは、グラフ
ァイト(単結晶及び多結晶の双方を指す)、非晶質カー
ボン(非晶質カーボン、及びこれと多結晶グラファイト
との混合物を指す)である。また、その堆積膜厚は、好
ましくは500Å以下、より好ましくは300Å以下で
ある。The carbon and the carbon compound are graphite (both single crystal and polycrystal), amorphous carbon (amorphous carbon, and a mixture thereof with polycrystal graphite). . The deposited film thickness is preferably 500 Å or less, more preferably 300 Å or less.
【0041】5)更に好ましくは、こうして作製した表
面伝導型電子放出素子を、フォーミング工程及び活性化
工程での真空度より高い真空度の真空雰囲気にて動作駆
動する。また、より好ましくは、このより高い真空度の
真空雰囲気下で80℃〜150℃の加熱後、動作駆動す
る。5) More preferably, the surface conduction electron-emitting device thus manufactured is operated and driven in a vacuum atmosphere having a vacuum degree higher than the vacuum degree in the forming step and the activation step. In addition, more preferably, operation is performed after heating at 80 ° C. to 150 ° C. in a vacuum atmosphere having a higher degree of vacuum.
【0042】上記5)の工程により、これ以上の炭素及
び炭素化合物の堆積が抑制され、素子電流及び放出電流
が安定する。By the above step 5), further deposition of carbon and carbon compounds is suppressed, and the device current and the emission current are stabilized.
【0043】次に、前述のようにして得られる表面伝導
型電子放出素子の基本特性を以下に説明する。Next, the basic characteristics of the surface conduction electron-emitting device obtained as described above will be described below.
【0044】図4は、表面伝導型電子放出素子の電子放
出特性を測定するための測定評価系の一例を示す概略構
成図で、まずこの測定評価系を説明する。FIG. 4 is a schematic block diagram showing an example of a measurement / evaluation system for measuring the electron emission characteristics of the surface conduction electron-emitting device. First, the measurement / evaluation system will be described.
【0045】図4において、図1と同じ符号は同じ部材
を示す。また、51は素子に素子電圧Vfを印加するた
めの電源、50は素子電極4,5間の導電性薄膜3を流
れる素子電流Ifを測定するための電流計、54は電子
放出部2より放出される放出電流Ieを捕捉するための
アノ−ド電極、53はアノ−ド電極54に電圧を印加す
るための高圧電源、52は電子放出部5より放出される
放出電流Ieを測定するための電流計、55は真空装
置、56は排気ポンプである。4, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same members. Further, 51 is a power supply for applying a device voltage Vf to the device, 50 is an ammeter for measuring a device current If flowing through the conductive thin film 3 between the device electrodes 4 and 5, and 54 is an electron emitting portion 2. An anode electrode for trapping the emission current Ie generated, 53 is a high-voltage power supply for applying a voltage to the anode electrode 54, and 52 is a measurement of the emission current Ie emitted from the electron emission portion 5. An ammeter, 55 is a vacuum device, and 56 is an exhaust pump.
【0046】表面伝導型電子放出素子及びアノ−ド電極
54等は真空装置55内に設置され、この真空装置55
には不図示の真空計等の必要な機器が具備されており、
所望の真空下で表面伝導型電子放出素子の測定評価がで
きるようになっている。The surface conduction electron-emitting device, the anode electrode 54, etc. are installed in a vacuum device 55, and this vacuum device 55 is used.
Is equipped with necessary equipment such as a vacuum gauge (not shown),
The surface conduction electron-emitting device can be measured and evaluated under a desired vacuum.
【0047】排気ポンプ56は、ターボポンプ、ロータ
リーポンプ等からなる通常の高真空装置系と、イオンポ
ンプ等からなる超高真空装置系とから構成されている。The exhaust pump 56 is composed of a normal high vacuum system such as a turbo pump and a rotary pump, and an ultra high vacuum system including an ion pump.
【0048】以下に述べる表面伝導型電子放出素子の基
本特性は、上記測定評価系のアノ−ド電極54の電圧を
1kV〜10kVとし、アノ−ド電極54と表面伝導型
電子放出素子の距離Hを2mm〜8mmとして通常測定
を行う。The basic characteristics of the surface conduction electron-emitting device described below are that the voltage of the anodic electrode 54 of the measurement and evaluation system is 1 kV to 10 kV and the distance H between the anodic electrode 54 and the surface conduction electron-emitting device is H. Is normally set to 2 mm to 8 mm and the measurement is normally performed.
【0049】まず、放出電流Ie及び素子電流Ifと、
素子電圧Vfの関係の典型的な例を図5(図中の実線)
に示す。尚、図5において、放出電流Ieは素子電流I
fに比べて著しく小さいので、任意単位で示されてい
る。First, the emission current Ie and the device current If,
A typical example of the relationship of the element voltage Vf is shown in FIG. 5 (solid line in the figure).
Shown in In FIG. 5, the emission current Ie is the device current I
Since it is significantly smaller than f, it is shown in arbitrary units.
【0050】図5から明らかなように、表面伝導型電子
放出素子は、放出電流Ieに対する次の3つの特徴的特
性を有する。As is apparent from FIG. 5, the surface conduction electron-emitting device has the following three characteristic characteristics with respect to the emission current Ie.
【0051】まず第1に、表面伝導型電子放出素子はあ
る電圧(しきい値電圧と呼ぶ:図5中のVth)以上の
素子電圧Vfを印加すると急激に放出電流Ieが増加
し、一方、しきい値電圧Vth以下では放出電流Ieが
殆ど検出されない。即ち、放出電流Ieに対する明確な
しきい値電圧Vthを持った非線形素子である。First, in the surface conduction electron-emitting device, when a device voltage Vf higher than a certain voltage (called threshold voltage: Vth in FIG. 5) is applied, the emission current Ie rapidly increases, while At the threshold voltage Vth or less, the emission current Ie is hardly detected. That is, it is a non-linear element having a clear threshold voltage Vth with respect to the emission current Ie.
【0052】第2に、放出電流Ieが素子電圧Vfに対
して単調増加する特性(MI特性と呼ぶ)を有するた
め、放出電流Ieは素子電圧Vfで制御できる。Secondly, since the emission current Ie has the characteristic of monotonically increasing with respect to the element voltage Vf (called MI characteristic), the emission current Ie can be controlled by the element voltage Vf.
【0053】第3に、アノード電極54(図4参照)に
捕捉される放出電荷は、素子電圧Vfを印加する時間に
依存する。即ち、アノード電極54に捕捉される電荷量
は、素子電圧Vfを印加する時間により制御できる。Thirdly, the emitted charges captured by the anode electrode 54 (see FIG. 4) depend on the time for applying the device voltage Vf. That is, the amount of charges captured by the anode electrode 54 can be controlled by the time for which the device voltage Vf is applied.
【0054】図5に実線で示した特性は、放出電流Ie
が素子電圧Vfに対してMI特性を有すると同時に、素
子電流Ifも素子電圧Vfに対してMI特性を有してい
るが、図5に破線で示すように、素子電流Ifは素子電
圧Vfに対して電圧制御型負性抵抗特性(VCNR特性
と呼ぶ)を示す場合もある。いずれの特性を示すかは、
素子の製法及び測定時の測定条件等に依存する。但し、
素子電流Ifが素子電圧Vfに対してVCNR特性を有
する素子でも、放出電流Ieは素子電圧Vfに対してM
I特性を有する。The characteristic shown by the solid line in FIG. 5 is the emission current Ie.
Has an MI characteristic with respect to the element voltage Vf, and at the same time, the element current If also has an MI characteristic with respect to the element voltage Vf. However, as indicated by a broken line in FIG. 5, the element current If changes to the element voltage Vf. On the other hand, it may exhibit a voltage control type negative resistance characteristic (called a VCNR characteristic). Which characteristic is exhibited is
It depends on the manufacturing method of the device and the measurement conditions at the time of measurement. However,
Even if the device current If has a VCNR characteristic with respect to the device voltage Vf, the emission current Ie is M with respect to the device voltage Vf.
It has the I characteristic.
【0055】以上説明したように、本発明に係る表面伝
導型電子放出素子は、非常に簡単な構成であり、単に素
子に加える電圧Vfを変調するだけで放出電流Ieを高
速に変調できるという利点をもっている。更に、電子放
出部2(図1参照)は細い直線的なストライプ形状に形
成されるため、ストライプ状半導体レーザの被入射部分
のストライプの形状とほぼ同じ形状をもっている。従っ
て、半導体レーザを励起する電子ビーム源として非常に
好ましい。As described above, the surface conduction electron-emitting device according to the present invention has a very simple structure, and the emission current Ie can be modulated at high speed simply by modulating the voltage Vf applied to the device. I have Further, since the electron emission portion 2 (see FIG. 1) is formed in a thin linear stripe shape, it has substantially the same shape as the stripe of the incident portion of the stripe semiconductor laser. Therefore, it is very preferable as an electron beam source for exciting a semiconductor laser.
【0056】次に、本発明に関わるストライプ状半導体
レーザ構造体について説明する。Next, the stripe-shaped semiconductor laser structure according to the present invention will be described.
【0057】図6は、本発明に関わるストライプ状半導
体レーザ構造体の基本的な構成を示す図である。図6に
おいて、11は半導体基板、12と13はクラッド層を
なす半導体層、14は活性層をなす半導体層、15はキ
ャップ層をなす半導体層、16はキャップ層15の一部
に形成されたストライプ状のリッジ部、17は絶縁体、
18は薄膜電極をなす薄膜金属層である。半導体層12
〜15は、半導体基板11上にエピタキシャルに順次、
積層されたものである。FIG. 6 is a diagram showing the basic structure of a stripe-shaped semiconductor laser structure according to the present invention. In FIG. 6, 11 is a semiconductor substrate, 12 and 13 are semiconductor layers forming a clad layer, 14 is a semiconductor layer forming an active layer, 15 is a semiconductor layer forming a cap layer, and 16 is formed on a part of the cap layer 15. Striped ridge, 17 is an insulator,
Reference numeral 18 is a thin film metal layer forming a thin film electrode. Semiconductor layer 12
To 15 are epitaxially sequentially formed on the semiconductor substrate 11,
It is laminated.
【0058】半導体基板11の材料としては、例えばS
i,Ge等の単結晶材料、或は、GaAs,InP,Z
nSe等の化合物半導体材料等、半導体層12〜15を
エピタキシャルに成長できる材料であればいずれであっ
てもかまわない。As the material of the semiconductor substrate 11, for example, S
Single crystal material such as i, Ge, or GaAs, InP, Z
Any material such as a compound semiconductor material such as nSe that can epitaxially grow the semiconductor layers 12 to 15 may be used.
【0059】また、活性層14の半導体材料に関して
は、基本的には、再結合の際に格子振動の量子の放出や
吸収を伴わない直接遷移型のバンド構造をもつ半導体で
あることが望ましく、要求される発光波長によって適宜
選択される。また、クラッド層12,13は、そのバン
ドギャップが活性層14のバンドギャップよりも大きな
半導体によって構成される。Regarding the semiconductor material of the active layer 14, basically, it is desirable that the semiconductor has a direct transition type band structure which does not accompany emission or absorption of quantum of lattice vibration upon recombination. It is appropriately selected depending on the required emission wavelength. The cladding layers 12 and 13 are made of a semiconductor whose band gap is larger than that of the active layer 14.
【0060】図7は、本発明の半導体レーザ装置の一構
成例を示した概略図である。図7において、21は図1
に示したような表面伝導型電子放出素子、22は表面伝
導型電子放出素子21の駆動電源、23は電子レンズ
系、24は電子レンズ系23の電源、25は図6に示し
たような半導体レーザ構造体、26は加速電圧源、27
は光学窓を有する真空容器である。FIG. 7 is a schematic view showing one structural example of the semiconductor laser device of the present invention. In FIG. 7, 21 is the same as in FIG.
, 22 is a driving power source for the surface conduction electron-emitting device 21, 23 is an electron lens system, 24 is a power source for the electron lens system 23, and 25 is a semiconductor as shown in FIG. Laser structure, 26 is an accelerating voltage source, 27
Is a vacuum container having an optical window.
【0061】また、図8は、図7における半導体レーザ
構造体25中のバンド構造を簡略化して描いたものであ
る。Further, FIG. 8 is a simplified drawing of the band structure in the semiconductor laser structure 25 in FIG.
【0062】図7及び図8を基づいて、本発明の半導体
レーザ装置が動作する原理を以下に説明する。The principle of operation of the semiconductor laser device of the present invention will be described below with reference to FIGS. 7 and 8.
【0063】先に述べたように、表面伝導型電子放出素
子21の両素子電極4,5間に電源22により電圧を印
加すると、電子が真空中に放出される。放出された電子
は、電子レンズ系23を通じて、半導体レーザ構造体2
5のストライプ部の薄膜電極18に、リッジ16の形状
とほぼ同等な形状に収束される。尚、薄膜電極18は加
速電圧源26によって表面伝導型電子放出素子21に対
して高圧に保たれているので、放出電子は加速されなが
ら半導体レーザ構造体25に収束されることになる。薄
膜電極18は、キャップ層15のリッジ16上に充分薄
く形成されているので、加速された電子は殆どこの薄膜
電極18においてエネルギーを失うことなく、キャップ
層15に入射することになる。加速された電子は、キャ
ップ層15において電子・正孔対を励起しながらエネル
ギーを失うことになる。発生した電子・正孔対(図8中
に、電子は黒丸、正孔は白丸で示した)は、拡散によっ
てクラッド層13から活性層14に流れ込むことにな
り、ここでバンドギャップに応じたエネルギーの自然放
出光が放出されることになる。さらに、充分な量の電子
・正孔対が活性層14に蓄積され活性層14に反転分布
が生じ、また、半導体レーザ構造体25に光の共振器が
うまく形成されていると、ついには半導体レーザ構造体
25から誘導放出光が発光する。つまり、レーザ発振が
生ずることになる。As described above, when a voltage is applied between the device electrodes 4 and 5 of the surface conduction electron-emitting device 21 by the power supply 22, electrons are emitted into the vacuum. The emitted electrons pass through the electron lens system 23 and the semiconductor laser structure 2
The thin film electrode 18 in the stripe portion of No. 5 is converged into a shape substantially similar to the shape of the ridge 16. Since the thin film electrode 18 is kept at a high voltage with respect to the surface conduction electron-emitting device 21 by the accelerating voltage source 26, the emitted electrons are accelerated and focused on the semiconductor laser structure 25. Since the thin film electrode 18 is formed sufficiently thin on the ridge 16 of the cap layer 15, the accelerated electrons enter the cap layer 15 with almost no energy loss in the thin film electrode 18. The accelerated electrons lose energy while exciting electron-hole pairs in the cap layer 15. The generated electron-hole pairs (in FIG. 8, electrons are shown by black circles, holes are shown by white circles) flow into the active layer 14 from the cladding layer 13 by diffusion, and the energy corresponding to the band gap is generated. The spontaneous emission light of will be emitted. Furthermore, when a sufficient amount of electron-hole pairs are accumulated in the active layer 14 to cause population inversion in the active layer 14, and when an optical resonator is well formed in the semiconductor laser structure 25, finally, a semiconductor is finally formed. Stimulated emission light is emitted from the laser structure 25. That is, laser oscillation occurs.
【0064】本発明の半導体レーザ装置は、レーザービ
ームプリンタ、光記録装置、光通信、ポインタ、及び表
示装置等の光源として用いることができる。また、電流
注入をしなくてもレーザ発振が可能であるという利点か
ら、従来、ドーピング制御がうまく行えていない半導体
材料、特にII−VI族の半導体材料をレーザ発振させ
ることができる。一般にII−VI族の半導体はバンド
ギャップが大きいため、短波長のレーザ光が得られるこ
とになり、高密度の光記録装置や表示装置へ応用するこ
とができる。The semiconductor laser device of the present invention can be used as a light source for laser beam printers, optical recording devices, optical communications, pointers, display devices and the like. Further, from the advantage that laser oscillation is possible without current injection, it is possible to cause laser oscillation of a semiconductor material that has conventionally been poorly controlled in doping, particularly a II-VI group semiconductor material. In general, since the II-VI group semiconductor has a large band gap, a laser beam having a short wavelength can be obtained, and the II-VI group semiconductor can be applied to a high-density optical recording device or a display device.
【0065】[0065]
【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明を更に説明す
る。EXAMPLES The present invention will be further described with reference to the following examples.
【0066】本実施例では、図1と同様の基本的構成を
有する表面伝導型電子放出素子を用いて、図7に示した
構成の本発明の半導体レーザ装置を作製した例を説明す
る。In this embodiment, an example in which the semiconductor laser device of the present invention having the structure shown in FIG. 7 is manufactured by using the surface conduction electron-emitting device having the same basic structure as in FIG.
【0067】先ず、表面伝導型電子放出素子の製造方法
を、図9に従って具体的に説明する。First, a method of manufacturing the surface conduction electron-emitting device will be specifically described with reference to FIG.
【0068】1)清浄化した厚さ1mm、一辺の長さが
約100mmの正方形の石英ガラスに厚さ0.5μmの
シリコン酸化膜をスパッタ法で形成した基板1上に、真
空蒸着により厚さ50ÅのCr、厚さ6000ÅのAu
を順次積層した後、ホトレジスト(AZ1370 ヘキ
スト社製)をスピンナーにより回転塗布、ベークした
後、ホトマスク像を露光、現像して、レジストパターン
を形成し、Au/Cr堆積膜をウエットエッチングし
て、所望の形状の配線31,32を形成した(図9
(a))。1) A vacuum-deposited film having a thickness of 0.5 mm on a substrate 1 formed by sputtering a silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm on a square quartz glass having a thickness of 1 mm and a side length of about 100 mm. 50ÅCr, 6000Å thick Au
After being sequentially laminated, a photoresist (AZ1370 Hoechst) is spin-coated with a spinner and baked, and then a photomask image is exposed and developed to form a resist pattern, and the Au / Cr deposited film is wet-etched to obtain a desired pattern. The wirings 31 and 32 having the shape of FIG.
(A)).
【0069】2)その後、素子電極4,5と素子電極間
ギャップとなるべきパタ−ンをホトレジスト(RD−2
000N−41 日立化成社製)により形成し、真空蒸
着法により、厚さ50ÅのTi、厚さ1000ÅのNi
を順次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶
解し、Ni/Ti堆積膜をリフトオフし、素子電極間隔
Lが3μm、素子電極の幅W1が300μmの素子電極
4,5を形成した(図9(b))。2) After that, a pattern which should become a gap between the device electrodes 4 and 5 and the device electrodes is formed by a photoresist (RD-2).
000N-41 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) and formed by vacuum vapor deposition to a thickness of 50Å Ti and a thickness of 1000Å Ni.
Were sequentially deposited. The photoresist pattern was dissolved in an organic solvent and the Ni / Ti deposition film was lifted off to form device electrodes 4 and 5 with a device electrode interval L of 3 μm and a device electrode width W1 of 300 μm (FIG. 9B).
【0070】3)素子電極間ギャップLおよびこの近傍
に開口を有するマスクにより、膜厚1000ÅのCr膜
を真空蒸着により堆積・パターニングし、その上に有機
Pd(ccp−4230 奥野製薬(株)製)をスピン
ナーにより回転塗布、300℃で10分間の加熱焼成処
理をした。このようにして形成された主としてPdOよ
りなる微粒子からなる導電性薄膜3の膜厚は100Å、
シート抵抗値は5×104 Ω/□であった(図9
(c))。尚、ここで述べる微粒子膜とは、先述したよ
うに、複数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造
として、微粒子が個々に分散配置した状態のみならず、
微粒子が互いに隣接、あるいは、重なり合った状態(島
状も含む)の膜を指す。3) Using a mask having an element electrode gap L and an opening in the vicinity thereof, a Cr film having a film thickness of 1000 Å is deposited and patterned by vacuum vapor deposition, and organic Pd (ccp-4230 manufactured by Okuno Chemical Industries Co., Ltd.) is formed on the Cr film. Was spin-coated with a spinner and heated and baked at 300 ° C. for 10 minutes. The conductive thin film 3 formed of fine particles mainly made of PdO formed in this way has a thickness of 100 Å,
The sheet resistance value was 5 × 10 4 Ω / □ (Fig. 9)
(C)). Incidentally, the fine particle film described here is a film in which a plurality of fine particles are gathered as described above, and as a fine structure thereof, not only a state in which fine particles are individually dispersed and arranged,
A film in which fine particles are adjacent to each other or overlap each other (including islands).
【0071】4)上記Cr膜及び焼成後の導電性薄膜3
を酸エッチャントによりエッチングして、所望のパター
ン形状を有する導電性薄膜3を形成した(図9
(d))。4) The Cr film and the conductive thin film 3 after firing
Was etched with an acid etchant to form a conductive thin film 3 having a desired pattern shape (FIG. 9).
(D)).
【0072】5)次に、配線31,32、素子電極4,
5、及び導電性薄膜3を形成した基板1を、真空容器内
に保持し、真空ポンプにて十分な真空度に達した後、素
子電極4,5間に電圧を印加してフォーミング処理を行
い、電子放出部2を形成した(図9(e))。フォーミ
ング処理には図3(a)に示したような電圧波形を用い
た。5) Next, the wirings 31, 32, the device electrodes 4,
5 and the substrate 1 on which the conductive thin film 3 is formed are held in a vacuum container, and after reaching a sufficient degree of vacuum by a vacuum pump, a voltage is applied between the device electrodes 4 and 5 to perform a forming process. Then, the electron emitting portion 2 was formed (FIG. 9E). The voltage waveform as shown in FIG. 3A was used for the forming process.
【0073】本実施例では、図3(a)中のT1を1m
秒、T2を10m秒とし、三角波の波高値(フォーミン
グ時のピーク電圧)は5Vとし、約1×10-6Torr
の真空雰囲気下で、60秒間、フォーミング処理を行っ
た。このようにして作成された電子放出部2は、パラジ
ウム元素を主成分とする微粒子が分散配置された状態と
なり、その微粒子の平均粒径は30Åであった。In this embodiment, T1 in FIG.
Seconds, T2 is 10 ms, the peak value of the triangular wave (peak voltage during forming) is 5 V, and about 1 × 10 −6 Torr
Forming treatment was performed for 60 seconds in the vacuum atmosphere. In the electron emitting portion 2 thus produced, fine particles containing palladium element as a main component were dispersed and arranged, and the average particle diameter of the fine particles was 30Å.
【0074】以上のようにして、本実施例の半導体レー
ザ装置に用いる表面伝導型電子放出素子を得た。As described above, the surface conduction electron-emitting device used in the semiconductor laser device of this example was obtained.
【0075】本実施例の半導体レーザ装置に用いるスト
ライプ状半導体レーザ構造体は図6に示したようなもの
であり、その製造方法について具体的に説明する。The stripe-shaped semiconductor laser structure used in the semiconductor laser device of this embodiment is as shown in FIG. 6, and its manufacturing method will be specifically described.
【0076】1)半絶縁性ガリウムヒ素基板11を充
分、洗浄した後、硫酸系のエッチング液によって表面を
エッチングし、酸化膜を形成した後に、有機金属気相成
長装置内に保持した。1) After the semi-insulating gallium arsenide substrate 11 was sufficiently washed, the surface was etched with a sulfuric acid-based etching solution to form an oxide film, which was then held in a metal-organic vapor phase epitaxy apparatus.
【0077】2)基板11の温度を一旦、600℃以上
に上げ、基板11面内の酸化膜を除去した後に、基板1
1の温度を550℃に保ったまま、(C2H5)2Zn,
(C2H5)2Se,(C2H5)2Sによる有機金属気相成
長法によって、ZnSe/5nm−ZnS0.18Se0.82
超格子バッファ層を100層、クラッド層12として5
nm−ZnS0.3Se0.7層、活性層14として100n
m−ZnSe層、クラッド層13として5nm−ZnS
0.3Se0.7層、キャップ層15として400nm−Zn
S0.09Se0.91層、5nm−ZnS0.3Se0.7層を順次
積層した。2) The temperature of the substrate 11 is once raised to 600 ° C. or higher to remove the oxide film on the surface of the substrate 11 and then the substrate 1
While maintaining the temperature of 1 at 550 ° C., (C 2 H 5 ) 2 Zn,
ZnSe / 5 nm-ZnS 0.18 Se 0.82 was obtained by metalorganic vapor phase epitaxy using (C 2 H 5 ) 2 Se and (C 2 H 5 ) 2 S.
100 superlattice buffer layers and 5 clad layers 12
nm-ZnS 0.3 Se 0.7 layer, 100 n as the active layer 14
5 nm-ZnS as m-ZnSe layer and clad layer 13
0.3 Se 0.7 layer, 400 nm-Zn as cap layer 15
An S 0.09 Se 0.91 layer and a 5 nm-ZnS 0.3 Se 0.7 layer were sequentially stacked.
【0078】3)上記半導体層を積層した基板11上
に、ストライプ構造となるパターンをホトレジスト(R
D−2000N−41 日立化成社製)により形成し、
ウエットエッチング法によりホトレジストパターンをマ
スクとして幅約5μmのリッジ16形状を作製した。さ
らに、マスクは残したまま、スパッタ法によって約30
0nmの酸化シリコン膜を堆積させ、有機溶剤でレジス
トを溶解して、リッジ16上の酸化シリコン膜をリフト
オフし、リッジ16以外の部分に絶縁体17を形成し
た。3) A pattern having a stripe structure is formed on the substrate 11 on which the above semiconductor layers are laminated by a photoresist (R).
D-2000N-41 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.,
A ridge 16 having a width of about 5 μm was formed by wet etching using the photoresist pattern as a mask. Furthermore, with the mask remaining, about 30
A 0 nm silicon oxide film was deposited, the resist was dissolved in an organic solvent, the silicon oxide film on the ridge 16 was lifted off, and an insulator 17 was formed on a portion other than the ridge 16.
【0079】4)ストライプパターンを有するリッジ1
6上に、レジストパターンをホトレジスト(RD−20
00N−41 日立化成社製)によって形成し、真空蒸
着法により、厚さ50ÅのTi、厚さ50ÅのAuを順
次堆積した。ホトレジストパターンを有機溶剤で溶解
し、Au/Ti堆積膜をリフトオフし、リッジ16上に
薄膜電極18を形成した。4) Ridge 1 having a stripe pattern
6 to the photoresist pattern (RD-20
00N-41 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.), and Ti of 50 Å thickness and Au of 50 Å thickness were sequentially deposited by a vacuum evaporation method. The photoresist pattern was dissolved in an organic solvent, the Au / Ti deposition film was lifted off, and the thin film electrode 18 was formed on the ridge 16.
【0080】5)以上のようにしてストライプ状半導体
レーザ構造が形成された基板11をラッピングして、厚
さがおよそ100μmになるようにした後、劈開し、長
さ約500μmの光共振器を形成し、本実施例のストラ
イプ状半導体レーザ構造体を得た。5) The substrate 11 having the striped semiconductor laser structure formed as described above is lapped to a thickness of about 100 μm, and then cleaved to form an optical resonator having a length of about 500 μm. Then, a striped semiconductor laser structure of this example was obtained.
【0081】次に、以上のようにして得られた表面伝導
型電子放出素子およびストライプ状半導体レーザ構造体
を用いて、図7に示した半導体レーザ装置を製造した。
以下に、その製造方法を説明する。Next, the semiconductor laser device shown in FIG. 7 was manufactured by using the surface conduction electron-emitting device and the stripe-shaped semiconductor laser structure obtained as described above.
The manufacturing method thereof will be described below.
【0082】1)光学窓の付いた真空容器27内に、半
導体レーザ構造体25、表面伝導型電子放出素子21、
及び静電レンズ23をマウントした。半導体レーザ構造
体25及び表面伝導型電子放出素子21は、それらの素
子からの発熱を吸収するため、半田によって真空容器2
7内に固定し、熱伝導性が良くなるようにした。その
後、真空容器27内を高真空(1×10-5Torr以
下)に保ったまま、真空容器27を封着した。1) A semiconductor laser structure 25, a surface conduction electron-emitting device 21, and a vacuum container 27 having an optical window.
And the electrostatic lens 23 was mounted. Since the semiconductor laser structure 25 and the surface conduction electron-emitting device 21 absorb heat generated from these devices, the vacuum container 2 is soldered.
It was fixed in 7 to improve the thermal conductivity. After that, the vacuum container 27 was sealed while keeping the inside of the vacuum container 27 at a high vacuum (1 × 10 −5 Torr or less).
【0083】2)最後に、封止後の真空度を維持するた
めに、ゲッター処理を行った。これは、封止を行う直前
に高周波加熱等の加熱法により、真空容器27内の所定
の位置に配置されたゲッター(不図示)を加熱し、蒸着
膜を形成する処理である。ゲッターはBa等を主成分と
した。2) Finally, a getter process was performed in order to maintain the degree of vacuum after sealing. This is a process of forming a vapor deposition film by heating a getter (not shown) arranged at a predetermined position in the vacuum container 27 by a heating method such as high-frequency heating immediately before sealing. The getter was mainly composed of Ba or the like.
【0084】以上のようにして完成した本実施例の半導
体レーザ装置において、表面伝導型電子放出素子21の
素子電極4,5間に電源22より電圧を印加することに
より電子放出させ、半導体レーザ構造体25の薄膜金属
18に電源26より数kV以上の高電圧を印加し、電子
ビームを加速し、半導体レーザ構造体25内で電子・正
孔対を生じさせ、活性層に生じたキャリアを蓄積し、こ
こで反転分布を生じさせてレーザ発光を得た。In the semiconductor laser device of the present embodiment completed as described above, electrons are emitted by applying a voltage from the power source 22 between the device electrodes 4 and 5 of the surface conduction electron-emitting device 21, and the semiconductor laser structure. A high voltage of several kV or more is applied from the power supply 26 to the thin film metal 18 of the body 25, the electron beam is accelerated, electron-hole pairs are generated in the semiconductor laser structure 25, and carriers generated in the active layer are accumulated. Then, a population inversion was generated here to obtain laser light emission.
【0085】本実施例の半導体レーザ装置における、表
面伝導型電子放出素子の両素子電極間に印加する電圧V
f、及び半導体レーザ構造体の薄膜電極に印加する電圧
Vaと、レーザ光出力との関係を図10に示した。In the semiconductor laser device of this embodiment, the voltage V applied between both device electrodes of the surface conduction electron-emitting device.
The relationship between f and the voltage Va applied to the thin film electrode of the semiconductor laser structure and the laser light output is shown in FIG.
【0086】図10に示めされるように、レーザ光出力
は、電圧Vf及び電圧Vaに対して、ある閾値以上で急
激に立ち上がる特性を示した。As shown in FIG. 10, the laser light output showed a characteristic of sharply rising above a certain threshold value with respect to the voltage Vf and the voltage Va.
【0087】また、先述の工程で作製した表面伝導型電
子放出素子の特性を把握するために、上記と同様のサン
プル素子を作製し、図4に示した測定評価系を用いてそ
の電子放出特性を測定した。Further, in order to grasp the characteristics of the surface conduction electron-emitting device manufactured in the above-mentioned step, a sample device similar to the above was manufactured, and its electron emission property was measured by using the measurement evaluation system shown in FIG. Was measured.
【0088】尚、測定条件は、アノ−ド電極54と電子
放出素子間の距離Hを4mm、アノ−ド電極54の電位
を1kV、真空装置55内の真空度を1×10-6Tor
rとした。The measuring conditions were as follows: the distance H between the anode electrode 54 and the electron-emitting device was 4 mm, the potential of the anode electrode 54 was 1 kV, and the degree of vacuum in the vacuum device 55 was 1 × 10 −6 Torr.
r.
【0089】その結果、サンプル素子は図5中の実線で
示したような電流−電圧特性が得られた。本素子では、
素子電圧Vfが8V程度から急激に放出電流Ieが増加
し、素子電圧Vfが14Vでは、素子電流Ifが2.2
mA、放出電流Ieが1.1μAとなり、電子放出効率
η=Ie/If(%)は0.05%であった。As a result, the sample element obtained the current-voltage characteristics as shown by the solid line in FIG. In this element,
The emission current Ie sharply increases from the element voltage Vf of about 8V, and when the element voltage Vf is 14V, the element current If is 2.2.
mA, the emission current Ie was 1.1 μA, and the electron emission efficiency η = Ie / If (%) was 0.05%.
【0090】本実施例においては、半導体レーザ構造は
一般にセパレートコンファイメントダブルヘテロ構造
(SCH−DH)と呼ばれるレーザ構造を用いたが、本
発明はこれに限るものではなく、活性層への電子と正孔
の注入効率を増すために、グレーテッドインデックスセ
パレートコンファイメントダブルヘテロ(GRIN−S
CH−DH)構造(図8参照)としても構わない。ま
た、薄膜電極直下のZnS0.09Se0.91層の厚さは、電
子や正孔の拡散長程度以下にすることが望ましいが、あ
まり薄くすると、活性層が高エネルギーの電子によって
損傷を受ける可能性があるため、拡散長の10倍以下で
あってもよい。通常、この層の厚さは、10nmから1
000nmの範囲に設定することが望ましい。また、こ
の層をその組成が基板の方(活性層の方)に向かうに従
って徐々にバンドギャップが小さくなるようなグレーテ
ッド層(図11のバンド図参照)にすることが好まし
く、これにより、さらに電子や正孔が効率良く活性層に
捕獲される。In the present embodiment, the semiconductor laser structure used is a laser structure generally called a separate confinement double hetero structure (SCH-DH), but the present invention is not limited to this, and the electron to the active layer is not limited to this. In order to increase the injection efficiency of holes and holes, a graded index separate confinement double hetero (GRIN-S
(CH-DH) structure (see FIG. 8) may be used. Further, the thickness of the ZnS 0.09 Se 0.91 layer directly under the thin film electrode is preferably about the diffusion length of electrons or holes or less, but if it is too thin, the active layer may be damaged by high energy electrons. Therefore, it may be 10 times or less than the diffusion length. Typically this layer has a thickness of 10 nm to 1
It is desirable to set in the range of 000 nm. Further, it is preferable to form this layer into a graded layer (see the band diagram of FIG. 11) whose composition gradually decreases toward the substrate (toward the active layer). Electrons and holes are efficiently captured in the active layer.
【0091】また、本実施例では、半導体レーザ構造体
として、GaAs基板上に成長させたZnSe系の半導
体で構成したが、もちろん、本発明はこれに限るもので
はなく、GaAs系、InP系、ZnSe系、AlN
系、GaN系など、ストライプ構造が構成できるもので
あれば、どのような系の半導体を用いて構成してもかま
わない。In this embodiment, the semiconductor laser structure is made of ZnSe type semiconductor grown on the GaAs substrate. However, the present invention is not limited to this, and GaAs type, InP type, ZnSe system, AlN
Any type of semiconductor may be used as long as it can form a stripe structure such as a GaN-based semiconductor or a GaN-based semiconductor.
【0092】また、ストライプ構造も、本実施例ではリ
ッジ構造を選択したが、これに限るものではなく、横方
向の光閉じ込めと電流狭窄が行える構造であればどのよ
うな構造でも良い。さらにストライプ上の薄膜電極の厚
さも、ここで入射電子がエネルギーを損失しない程度の
厚さとして10nmとしたが、用いる金属材料によって
1nm〜100nm程度とすることができる。Although the ridge structure is selected as the stripe structure in this embodiment, the structure is not limited to this, and any structure may be used as long as it can confine light in the lateral direction and constrict the current. Further, the thickness of the thin film electrode on the stripe is 10 nm as the thickness at which incident electrons do not lose energy, but it can be about 1 nm to 100 nm depending on the metal material used.
【0093】[0093]
【発明の効果】以上説明したように、表面伝導型電子放
出素子を励起電子ビーム源として用いた本発明の半導体
レーザ装置は以下の効果を奏する。As described above, the semiconductor laser device of the present invention using the surface conduction electron-emitting device as the excitation electron beam source has the following effects.
【0094】1)電流注入をしなくてもレーザ発振が可
能なため、ドーピング制御が困難な半導体材料、特にI
I−VI族の半導体材料をレーザ発振させることがで
き、従来室温、連続発振が困難であった可視、短波長の
レーザ発振が可能になった。このため、高密度の光記録
装置や表示装置に応用することができる。1) Since semiconductor laser oscillation is possible without current injection, it is difficult to control the doping of semiconductor materials, especially I.
It is possible to oscillate a semiconductor material of Group I-VI, and it becomes possible to oscillate a visible light and a short wavelength, which has been difficult to continuously oscillate at room temperature. Therefore, it can be applied to high-density optical recording devices and display devices.
【0095】2)表面伝導型電子放出素子は、半導体レ
ーザ構造のストライプ部と同様の形状を有する電子放出
部から電子が放出されるため、電子放出パターンを半導
体レーザに必要なストライプパターンに効率良く絞るこ
とができ、半導体レーザを横単一モードで発振させるこ
とができると共に、レーザ発振に関与しない無効な放出
電子が少なくなり、レーザ発振させるために必要な電力
が小さくなる。2) In the surface conduction electron-emitting device, since electrons are emitted from the electron-emitting portion having the same shape as the stripe portion of the semiconductor laser structure, the electron-emitting pattern is efficiently formed into the stripe pattern required for the semiconductor laser. The semiconductor laser can be squeezed, and the semiconductor laser can be oscillated in the transverse single mode. In addition, the number of ineffective emitted electrons that do not participate in the laser oscillation is reduced, and the power required for the laser oscillation is reduced.
【0096】3)表面伝導型電子放出素子は素子容量が
小さいため、電子放出量を高速に変調することができ、
結果的に半導体レーザから出射する光を高速に変調する
ことができる。3) Since the surface conduction electron-emitting device has a small device capacity, the electron emission amount can be modulated at high speed,
As a result, the light emitted from the semiconductor laser can be modulated at high speed.
【0097】4)表面伝導型電子放出素子は駆動電圧が
比較的低く(10数V程度)、素子を変調駆動する電気
回路のコストが安くなる。4) The surface conduction electron-emitting device has a relatively low drive voltage (about 10V), and the cost of an electric circuit for driving the device for modulation is low.
【0098】5)表面伝導型電子放出素子は製造プロセ
スが簡単なため、素子の製造コストが安く、安価にレー
ザを提供することができる。5) Since the surface conduction electron-emitting device has a simple manufacturing process, the manufacturing cost of the device is low and the laser can be provided at a low cost.
【図1】本発明に関わる表面伝導型電子放出素子の一構
成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a surface conduction electron-emitting device according to the present invention.
【図2】図1の表面伝導型電子放出素子の製造方法の一
例を説明するための断面図である。2 is a cross-sectional view for explaining an example of a method of manufacturing the surface conduction electron-emitting device of FIG.
【図3】フォーミング処理に用いる電圧波形の一例であ
る。FIG. 3 is an example of a voltage waveform used for forming processing.
【図4】表面伝導型電子放出素子の電子放出特性を測定
するための測定評価系の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a measurement evaluation system for measuring electron emission characteristics of a surface conduction electron-emitting device.
【図5】表面伝導型電子放出素子の、放出電流Ie及び
素子電流Ifと、素子電圧Vfの関係の典型的な例を示
す図である。FIG. 5 is a diagram showing a typical example of a relationship between an emission current Ie and a device current If and a device voltage Vf of a surface conduction electron-emitting device.
【図6】本発明に関わるストライプ状半導体レーザ構造
体の一例を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing an example of a stripe-shaped semiconductor laser structure according to the present invention.
【図7】本発明の半導体レーザ装置の概略図である。FIG. 7 is a schematic view of a semiconductor laser device of the present invention.
【図8】本発明に関わるストライプ状半導体レーザ構造
体のバンド図である。FIG. 8 is a band diagram of a stripe-shaped semiconductor laser structure according to the present invention.
【図9】実施例1にて示す表面伝導型電子放出素子の製
造工程を説明するための図である。FIG. 9 is a drawing for explaining the manufacturing process of the surface conduction electron-emitting device shown in Example 1.
【図10】実施例1にて示す本発明の半導体レーザ装置
の印加電圧−光出力特性を示す図である。10 is a diagram showing applied voltage-light output characteristics of the semiconductor laser device of the present invention shown in Example 1. FIG.
【図11】本発明に関わるストライプ状半導体レーザ構
造体の好ましいバンド図の例である。FIG. 11 is an example of a preferable band diagram of the stripe-shaped semiconductor laser structure according to the present invention.
1 基板 2 電子放出部 3 導電性薄膜 4,5 素子電極 11 半絶縁性半導体基板 12,13 クラッド層 14 活性層 15 キャップ層 16 ストライプ構造を形成するリッジ部 17 絶縁体 18 金属薄膜からなる薄膜電極 21 表面伝導型電子放出素子 22 電子放出素子の駆動電源 23 電子レンズ系 24 電子レンズ系の電源 25 ストライプ状半導体レーザ構造体 26 加速電圧源 27 光学窓を有する真空容器 31,32 配線 50 導電性薄膜3を流れる素子電流Ifを測定するた
めの電流計 51 表面伝導型電子放出素子に素子電圧Vfを印加す
るための電源 52 電子放出部2より放出される放出電流Ieを測定
するための電流計 53 アノード電極54に電圧を印加するための高圧電
源 54 電子放出部2より放出される電子を捕捉するため
のアノ−ド電極 55 真空装置 56 排気ポンプDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Electron emission part 3 Conductive thin film 4,5 Element electrode 11 Semi-insulating semiconductor substrate 12, 13 Clad layer 14 Active layer 15 Cap layer 16 Ridge part forming a stripe structure 17 Insulator 18 Thin film electrode consisting of metal thin film Reference Signs List 21 surface conduction electron-emitting device 22 driving power supply for electron-emitting device 23 electron lens system 24 power supply for electron lens system 25 striped semiconductor laser structure 26 accelerating voltage source 27 vacuum container having optical window 31, 32 wiring 50 conductive thin film Ammeter 51 for measuring the device current If flowing through the device 3 Power supply 52 for applying the device voltage Vf to the surface conduction electron-emitting device 52 Ammeter 53 for measuring the emission current Ie emitted from the electron emitting portion 2 High-voltage power supply for applying voltage to the anode electrode 54. Captures electrons emitted from the electron emission unit 2. Because of anode - cathode electrode 55 vacuum device 56 exhaust pump
Claims (4)
プ状半導体レーザ構造体と、前記電子放出素子から放出
された電子を、前記ストライプ状半導体レーザ構造体に
入射させるための電子光学系とを備えた半導体レーザ装
置であって、前記電子放出素子が表面伝導型電子放出素
子であることを特徴とする半導体レーザ装置。1. At least an electron-emitting device, a stripe-shaped semiconductor laser structure, and an electron optical system for causing electrons emitted from the electron-emitting device to enter the stripe-shaped semiconductor laser structure. A semiconductor laser device, wherein the electron-emitting device is a surface conduction electron-emitting device.
おいて、電子ビームが入射されるストライプ部と活性層
との間の半導体層が、活性層に近いほどバンドギャップ
の小さい半導体で構成されていることを特徴とする請求
項1に記載の半導体レーザ装置。2. In the striped semiconductor laser structure, the semiconductor layer between the stripe portion on which the electron beam is incident and the active layer is composed of a semiconductor having a smaller bandgap as it is closer to the active layer. The semiconductor laser device according to claim 1, which is characterized in that.
おいて、電子ビームが入射されるストライプ部と活性層
との間の半導体層が、該半導体層で発生するキャリアの
拡散長の10倍以下の厚さであることを特徴とする請求
項1に記載の半導体レーザ装置。3. In the stripe-shaped semiconductor laser structure, a semiconductor layer between a stripe portion on which an electron beam is incident and an active layer has a thickness of 10 times or less than a diffusion length of carriers generated in the semiconductor layer. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein
は、ストライプ部上に該ストライプ部の少なくとも一部
を覆う厚さ1〜100nmの金属薄膜が配置されてい
て、且つ、該金属薄膜には前記電子放出素子から放出さ
れた電子を加速するための電圧印加手段が接続されてい
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半
導体レーザ装置。4. A metal thin film having a thickness of 1 to 100 nm which covers at least a part of the stripe portion is arranged on the stripe portion in the stripe semiconductor laser structure, and the metal thin film is formed of the metal thin film. 4. The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a voltage applying unit for accelerating electrons emitted from the electron-emitting device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31941694A JPH08162720A (en) | 1994-11-30 | 1994-11-30 | Semiconductor laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31941694A JPH08162720A (en) | 1994-11-30 | 1994-11-30 | Semiconductor laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08162720A true JPH08162720A (en) | 1996-06-21 |
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ID=18109956
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP31941694A Withdrawn JPH08162720A (en) | 1994-11-30 | 1994-11-30 | Semiconductor laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08162720A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7126975B2 (en) | 2000-03-03 | 2006-10-24 | Canon Kabushiki Kaisha | Electron-beam excitation laser |
WO2011161775A1 (en) * | 2010-06-23 | 2011-12-29 | 株式会社日立製作所 | Electron beam excited light-emitting device |
WO2014007098A1 (en) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | スタンレー電気株式会社 | Deep ultraviolet laser light source by means of electron beam excitation |
-
1994
- 1994-11-30 JP JP31941694A patent/JPH08162720A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
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