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中波長紫外線(UV-B)領域の半導体レーザの室温レーザ発振に成功

 名城大学,三重大学,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST),旭化成株式会社は2020年2月19日,名城大学の赤﨑 勇終身教授の研究グループの岩谷 素顕准教授らが,三重大学,旭化成との共同研究により世界初の中波長紫外線(UV-B波長領域)半導体レーザの電流注入による室温でのパルス発振に成功したと発表した.本研究は,JSTの戦略的創造研究推進事業CRESTの支援を受けて実施され,研究成果は応用物理学会の速報英文論文誌Applied Physics Expressに掲載された(注).

 半導体レーザは,赤外線・赤色・緑色・青色のものが実用化され,光伝送,光ディスクなどに用いられているが,殺菌などへの応用の期待される,より波長が短い紫外線領域のレーザの実現が強く望まれている.紫外線は長波長紫外線(UV-A:波長が380~320nm),中波長紫外線(UV-B:320~280nm),短波長紫外線(UV-C:280nm以下)に分類される.既に,名城大学や浜松ホトニクスなどからUV-A領域の半導体レーザが,旭化成および名古屋大学からUV-Cの半導体レーザの実現が報告されている.しかし,UV-Bの半導体レーザは,バンドギャップエネルギー(Eg)が4eVを超える高品質な窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)結晶が得られない,Egが3eVを超えると絶縁性が高いためレーザ発振に必要な電流注入が難しい,などにより実現してなかった.

 本研究グループでは,赤﨑 勇終身教授らが青色LEDの発明でノーベル賞を受賞した窒化物半導体を用いた.基板にはサファイア基板を用い,三重大学の三宅 秀人教授が開発した高品質な窒化アルミニウム(AlN)テンプレート上に,低温バッファ層を介した3次元成長によって高品質かつ格子緩和したAl0.6Ga0.4N結晶を得た.これは長波長紫外線や短波長紫外線領域のレーザとは異なる方法で,本グループ独自の手法である.

 次に電流注入に関する手法では,分極ドーピング法を適用した.従来,半導体に不純物を添加することによって自由電子・正孔を形成し,電流注入する方法が用いられてきたが,ワイドギャップ半導体であるAlGaNでは,この方法ではレーザ発振レベルの電流注入は困難である.本グループでは,米国ノートルダム大が提案した分極ドーピング法(分極電荷を活用して電気伝導する電荷担体を発生させる方法)をAlGaNに適用した.p型AlGaNクラッド層を高Al組成から低Al組成へ徐々に傾斜させることによって,レーザ発振が可能なレベルの電流注入を実現した.その結果,波長298nmで室温パルス発振する電流注入(発振閾電流,0.9A)による中波長紫外線領域のレーザ光を確認した.この時の閾値電流密度は67kAcm-2だが,p電極の幅を広げると41kAcm-2に下がるという.

 紫外線レーザは,医療・バイオサイエンス・化学・殺菌など多くの分野での応用が期待される.特に中波長紫外線は,DNAシーケンサーや皮膚治療などの応用が期待される.紫外領域のガスレーザ/固体レーザ市場は1,000億円/年以上あり,紫外域半導体レーザがその市場を革新するであろう,としている.

(注)K. Sato, S. Yasue, K. Yamada, S. Tanaka, T. Omori, S. Ishizuka, S. Teramura, Y. Ogino, S. Iwayama, H. MIYAKE, M. IWAYA, T. Takeuchi, S. KAMIYAMA, and I. Akasaki, "Room-temperature operation of AlGaN ultraviolet-B laser diode at 298 nm on lattice-relaxed Al0.6Ga0.4N/AlN/sapphire", Applied Physics Express, DOI: 10.35848/1882-0786/ab7711; Accepted Manuscript online 17 February 2020