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電流注入による世界最短波長深紫外レーザー発振に成功 ~ヘルスケア,計測・解析センシングへの応用を拡大~

 名古屋大学と旭化成株式会社は2019年11月5日,同大学未来材料・システム研究所の天野 浩教授らと旭化成の共同研究グループが,窒化アルミニウム(AlN)基板を用いた深紫外(UV-C)半導体レーザーで,室温パルス電流注入による271.8nmという世界で最も短波長のレーザー発振に成功したと発表した.本研究成果は,日本物理学会・応用物理学会物理系学術誌刊行センターが発行するApplied Phys-ics Expressオンライン版に掲載された(注).

 半導体レーザーは光ファイバ通信向けの近赤外波長域,光ディスク向けの赤色~青色の可視波長域が実用化されている.より波長が短い紫外波長域,特に波長280nm未満の深紫外(UV-C)波長帯の半導体レーザーが実現できれば,ガス分析などセンシングへの応用,局所殺菌,DNAや環境中の微粒子などの計測・解析といったヘルスケア・医療分野への応用が期待される.一方,紫外波長域での電流注入レーザー発振は,材料の電気抵抗が非常に高いことなどから困難なため,これまで発振波長は336nmにとどまっていた.

 研究グループは,旭化成のグループ会社であるCrystal IS社が製造する高品質単結晶AlN基板を用い,電気伝導性を高めるデバイス構造を取ることで,パルス電流注入によるUV-C半導体レーザーの室温パルス発振に成功した.Crystal IS社のAlN基板は,直径2インチで103個/cm2レベルの低い欠陥密度が特徴である.この基板の上に,n型Al0.7Ga0.3Nクラッド層,Al0.63Ga0.37N n側導波路層,単一量子井戸層,Al0.63Ga0.37N p側導波路層,分極ドープクラッド層,パッシベーション膜を重ね,n電極を埋め込むための段差構造でレーザー素子を作り,UV-C発振に成功した.

 今回の室温パルス電流注入による271.8nmのレーザー発振成功は,
①欠陥の少ないAlN単結晶基板を用いて,光散乱による損失を抑えたことに加え,
②レーザー光を閉じ込める層に特別なp型層(不純物ドーピングなし,分極誘起によって正孔伝導させるAl0.63Ga0.37N層)を用いて抵抗を下げ,また
③旭化成での最先端の薄膜結晶成長技術と,名古屋大学C-TEFs(エネルギー変換エレクトロニクス研究館)での卓越したプロセス技術・評価技術の融合させたこと
により,実現した.素子は幅50ns, 繰返し周波数2kHzのパルスで駆動し,発振しきい値電流0.4A,動作電圧13.8Vでレーザー発振した.しきい値電流密度は25kA/cm2で,電流0.5Aにおいて鋭いレーザー発振スペクトルが観測されている.

 本成果は,世界に先駆けてUV-C波長帯の半導体レーザー発振を実現したもので,高出力化が切望されている深紫外線固体光源の切り札となる.今後,名古屋大学と旭化成は共同研究をさらに発展させ,室温連続発振を達成して,UV-C半導体レーザーの実用化を目指す,としている.

(注)Ziyi Zhang, Maki Kushimoto, Tadayoshi Sakai, Naoharu, Sugiyama, Leo J. Schowalter, Chiaki Sasaoka, and Hiroshi Amano, "A 271.8 nm deep-ultraviolet laser diode for room temperature operation", Applied Physics Express, Vol. 12, Number 12, DOI: 10.7567/1882-0786/ab50e0; Published 7 November 2019