客观日本

日本开发成功全球首款中波长紫外半导体激光器

2020年03月02日 电子电气

日本名城大学终身教授赤崎勇的研究团队中的岩谷素显副教授等人,与三重大学和旭化成公司开展联合研究,发明了全球首款中波长紫外(UV-B波长范围)半导体激光器。

激光不同于LED和太阳光等自然界存在的光,是可以控制波长和相位的终极光源。激光已在医疗、工业、家电、信息通信和测量等众多行业得到了广泛应用。据信现有气体激光器和固体激光器的紫外范围市场规模为1000亿日元/年以上,而这仅通过具备优异特性的半导体激光器就已实现。因此除原有市场价值外,还有望实现创新。

目前,红外、红色、绿色和蓝色激光器已经实现实用化,得到了广泛应用,利用波长更短、能量更大的紫外线(UV)的激光器备受期待。紫外线分为长波长紫外线(UV-A:光的波长为380~320nm)、中波长紫外线(UV-B:320~280nm)和短波长紫外线(UV-C:280nm以下)三种。

日本开发成功全球首款中波长紫外半导体激光器

图1:光的种类与光的波长关系以及未实现半导体激光器的波长范围

名城大学和滨松光子学公司等的研究团队此前已宣布实现长波长紫外线范围的半导体激光器,旭化成公司和名古屋大学的研究团队也宣布已实现短波长紫外线范围的半导体激光器。

未实现中波长紫外线范围的半导体激光器的原因是,这个范围无法获得高品质晶体。此次,研究团队采用了赤崎勇终身教授凭借蓝色LED发明获得诺贝尔奖的氮化物半导体。基板采用蓝宝石基板,在三重大学的三宅秀人教授开发的高品质氮化铝(AIN)模板上,通过赤崎方式形成了高品质且晶格松弛的氮化铝镓(AlGaN)。该方法为该团队自主开发,不同于长波长紫外线和短波长紫外线范围的激光器。

日本开发成功全球首款中波长紫外半导体激光器

图2:获得高品质AlGaN晶体的流程图

<研究内容>

要想实现中波长紫外线范围的激光器,需要使用带隙能量为3.8~4.4eV的半导体材料,尤其需要高品质晶体,这是存在的最大挑战。此前,波长比蓝色还短的半导体激光器采用了2014年获得诺贝尔物理学奖的“蓝色LED”材料氮化物半导体。不过,由于采用该带隙能量的氮化物半导体没有合适的基板,存在无法获得高品质晶体的课题。另外,要想实现半导体激光器,需要实现高达数千安培每平方厘米( kA/cm2)以上的大电流驱动。但根据以往的电子物性工学(Material and Solid State Devices),带隙能量超过3eV的材料,绝缘性较高,存在极难注入大电流的课题。此次,研究团队针对这些课题,采用以下两种方法解决了问题。

首先是三重大学的三宅秀人教授的研究团队开发的方法,在利用溅射法于蓝宝石基板上制作的AIN模板上,通过三维生长实现了带隙为3.8~4.4eV的高品质AlGaN。该方法沿袭了发明高亮度蓝色LED时采用的在蓝宝石基板上制作GaN的方法。AIN与具备该带隙能量的AlGaN之间存在1%以上的严重晶格失配。根据以往的晶体工学,晶格失配超过1%的话,无法获得高品质晶体。但发明蓝色LED时,为解决这个问题,发明了采用低温缓冲层的方法(赤崎方式)。当时发挥作用的就是三维生长。通过进行三维生长,可以在生长层上部获得高品质GaN,这直接促成了蓝色LED的发明。此次研究团队发现,通过在用溅射法制作的AIN上生长AlGaN,可进行三维生长,由此能获得高品质的AlGaN。

其次是,在采用电流注入的方法中应用了极化掺杂法。以往的半导体广泛采用通过添加杂质形成自由电子和自由空穴,然后注入电流的方法。但宽带隙半导体AlGaN材料采用该方法的话,无法实现激光振荡水平的大电流注入。因为根据以往的电子物性工学,带隙能量超过3eV的材料被视为绝缘体。要想实现紫外范围的半导体激光器,必须使用带隙能量超过5eV的材料。

该研究团队通过将美国圣母大学的团队提出的极化掺杂法应用于AlGaN材料,实现了激光振荡水平的电流注入。圣母大学的团队将极化掺杂应用于蓝色发光元件,但此次的日本团队认为其对紫外发光元件有用并推进了研究。最终于2019年5月在《Applied Physics Letters》(doi 10.1063/1.5095149)上报告了可以实现激光振荡水平的大电流注入。

通过采用这些方法,研究团队发明了可注入298nm波长电流的中波长紫外线范围的激光器。

日本开发成功全球首款中波长紫外半导体激光器

图3:本次研究开发的极化掺杂法

研究团队制作的样品结构如下。样品是在利用上述方法制作的高品质AlGaN上,通过普通半导体激光器采用的分离限制异质结构试制了器件。通过器件处理并在室温下以脉冲方式注入电流进行了评估。由此,在电流-光输出特性中确认了明确的阈值;通过自发发射光谱获得了激光振荡特有的半宽极窄的陡峭光谱;出现明确的偏振特性,因此确认实现了激光振荡,最终得出的结论是,该样品实现了激光振荡。下图为激光振荡的情形和光谱,确认获得了半导体激光器特有的发光图案和光谱。

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图4:UV-B激光器的物理特性

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图5:UV-B激光器振荡光

论文信息
题目:Room-temperature operation of AlGaN ultraviolet-B laser diode at 298 nm on lattice-relaxed Al0.6Ga0.4N/AlN/sapphire
期刊:《Applied Physics Express》
DOI:10.35848/1882-0786/ab7711

日文发布全文

文:JST客观日本编辑部编译整理

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