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青色/緑色半導体レーザー技術の最前線

青色/緑色半導体レーザー技術の最前線

光ファイバ通信やDVDの光ピックアップが主戦場で
あった半導体レーザーは,最近になって,ディスプレイ
への応用が期待されるようになってきている.レーザー
特有の極めて細い波長スペクトルをもつ赤/青/緑色の三
原色光源を組み合わせた場合,理論的には,従来のディ
スプレイを上回る性能が可能となる.たとえば,Fig. 1
に 示 さ れ る よ う に, 半 値 幅1 nm以下の460,530,

630 nmの光源を組み合わせた場合,色再現可能領域は
ほとんどの自然色を包含する.また,従来の液晶ディス
プレイテレビに比べて,プロジェクター(投影型)は,液
晶によって遮断される無駄な光がないため,消費電力を
大幅に削減できる可能性を秘めている.実際,2008年
に,三菱電機は赤/緑/青色それぞれ7.6/6.0/9.7 Wという
高出力レーザーを用いて,消費電力がわずか135 Wとい
う65型のレーザーテレビを商用化した1)
.テレビのよう
なアプリケーションでは,レーザーは高出力,高い電力
変換効率,そして十分な信頼性が必須である.さらに,
手のひらサイズの小型プロジェクターの場合,小型化の
要請から,複雑な機構をもつデバイスよりも,シンプル
な半導体レーザーが好ましい.
赤色半導体レーザーについては,ソニーにより,波長
635.1 nmにおいて7.2 Wという高出力半導体レーザーア
レイが実現されている2)
.ここには,25個のAlGaInP系
ファブリ・ペロー型レーザーが集積されており,一つの
レーザー導波路からは約300 mWの出力が放射される.
電力変換効率としては,23 %程度である.644 nmの出
力7 Wの場合では,プロジェクタの白色光源に使われる
UHPランプの典型的な寿命である5000時間を上回る
10000時間の信頼性が確認されている3)
.AlInGaP材料系
では,端面損傷(COD)を防ぐための光子密度制御(幅広
の導波路の使用)や高出力駆動を可能にするための放熱
技術などが重要となる.
青色半導体レーザーでは,GaN系材料(III族窒化物半
導体)がスタンダードの地位を獲得した.基本的には,
青色(440-460 nm)でも,それより長波の緑色領域でも,
ブルーレイ用ピックアップ光源である青紫色(405 nm)

半導体レーザーと同じ技術が使用される4)
.これらは共
通してInGaN量子井戸を有しており,In組成を増加する
ことで波長を伸ばしていくことができる.しかし,緑色
発光を実現するため,In組成を30 %程度まで増加させる
ことは,極めて難しい.下地となるGaN基板の格子定数
とInGaN量子井戸の格子定数は大きな差があるため,転
位を抑え高品質で結晶性することが難しいことが一つの
理由である.また,GaNやAlGaNの成長温度(1000 ℃以
上)と高In組成のInGaNの成長温度(800 ℃前後)が異なる
ため,成長レシピは複雑となり,それを制御する装置の
設計も難しい.さらに,極性のもつc面GaNの場合では,
波長が長い緑色領域では,量子シュタルク効果により発
光再結合時間が増加し,内部量子効率が低下するという
問題も顕著になる5)
.後述するように,後者の問題を克
服する方法として,非極性/半極性面にデバイスを成長
する技術がある6)
445 nmの青色レーザーとしては,現
在,連続発振により1.4 W(パルス駆動により3 W)の出
力がc面GaNを用いた単一導波路デバイスによって実現
されている7)
.驚くことに,このような1 W以上の出力
においてもCODは報告されていない.報告された電力
変換効率は,1.2 Wの出力において約24 %である.1 Aの
連続駆動(1 W程度の出力に対応)において,推定寿命
は,30000時間以上である.このような性能は,すでに
実用化された青紫色レーザーの技術基盤である,へき開
形成によるm面端面への端面コーティング8)
と高品質のc
面GaN基板の使用に依るところが大きい.したがって,
c面を用いて青色や緑色レーザーを開発するうえでの唯
一の課題は,結晶品質やデバイス性能を保ったまま量子
井戸のIn組成を十分に高められるかどうかである.
ここまでの話題にあがった赤色から青色領域までの半
導体レーザーの性能をFig. 2にまとめた.c面GaNによる
青色レーザーの性能は,AlGaInPからなる赤色レーザー
と同等またはそれ以上であることがわかる.簡単なレー
ザー物理に従って,電力変換効率 㲓α m(/ α m +αi
)×ηd ×
光子のエネルギー/駆動電圧という近似式が導かれる.
ここで,α m,αi
,およびηdは,端面損失,内部損失,し
きい値電流以上における内部微分効率である9)
.7 Wの
赤色レーザー(644 nm = 1.9 eV)と1.2 Wの青色レーザー
(445 nm = 2.8 eV)の典型的な駆動電圧は,それぞれ
2.35 V and 4.8 Vである3,7)
.試算のために,前後端面反射
率 を10 %と99 %としてα m = 23 cm-1
,内部損失をαi
=
10 cm-1
と仮定すると,ηd 㲓 100 %の場合においても,
電慮変換効率は40-60 %が限界であることが導かれる.
したがって,現在の赤色/青色レーザーは,理論的な限
界に迫る十分な性能を有しているといえる.
直接緑色光を発振できるレーザーを議論する前に,す
でに商用化された波長変換型(SHG)緑色レーザーに触れ
る.この原理は,赤外領域1060 nm付近の半導体レー
ザーを光源として,その光を非線形光学媒体を通過させ
て倍波の緑色光を得るものである1,10)
.Corning社の場
合,InGaAs材料からなる1060 nmのシングルモードレー
ザー光をPPMgLN(periodic-poled MgO-doped lithium niobate)からなる導波路を通過させ,530
nmのレーザー光

を生み出す機構を採用している10)
.三菱電機とCorning
社は,機構が異なるものの,それぞれ15アレイにより
10.8 W,単一導波路により304 mWの出力を達成してい
る.赤外から緑色領域への波長変換効率は,後者の場
合,304 mWにおいて72.9 %に到達している10)
.現在の
電力変換効率は,15-20 %であり,赤色/青色レーザと比
べそれほど遜色のなく,レーザーテレビ等で既に使用さ
れている.
長い間の目標であった緑色領域で発振する半導体レー
ザーは,2009年,遂に複数のグループによって実現され
た.同じGaN系材料が用いらているものの,グループご
とに異なる結晶面が採用されている11)
.c面GaNと呼ば
れる材料は,ウルツ鉱型の六方晶結晶構造の底面(c面)
を成長面とする.この面は量産されているサファイア上
の青色LEDやDVD向け青紫レーザーと同じ面である4)

400 nm付近の青紫レーザーが最初に達成されたときか
ら実に15年の年月を経て,510 nmを超える波長のレー
ザーが達成された12‒15)
.主たる難点としては,高In組成
のInGaNを高品質で成長する結晶成長技術の確立ととも
に,GaNが極性材料であることに起因する物理的要因も
あげられる.c軸方向に強い内部電界が生じるため,量
子井戸内で電子とホールが分離(量子シュタルク効果)し
て放射再結合割合が低下する.その結果,著しい内部量
子効率の低下を引き起こす5,6)
.In組成が大きくなるにつ

れ,GaNに対して格子不整合が大きくなるために,この
効果は顕著になる.また,量子シュタルク効果は,電流
密度の増加とともにブルーシフトと呼ばれる短波長側へ
の波長シフト引き起こすため,c面GaNにより緑色レー
ザーを実現するためには,黄色領域に迫るより長波長の
LEDが必要ということになる.しかし,公知のように
GaN系材料による明るい黄色LEDというものは実現が難
しい.このような困難は,技術進歩により一部克服さ
れ,日亜化学は,510-515 nmにおいて8 mWの連続発振可
能なレーザーを開発したと報告した12)
.同様に,オスラ
ム社520-524 nmにおいて50 mWの出力を実現した13,14)

しかしながら,効率の観点でいえば,波長524 nmにお
ける50 mW連続発振駆動において,電力変換効率はわず
か2.3 %である.現時点では,駆動電圧についても,波
長が伸びるにつれて増加しており,電力変換効率を下げ
る一因となっている13)
.これは,強い内部電界によって
引き起こされていると考えられ,克服しなければならな
いc面特有の課題である.
一方で,当該分野では,結晶成長面を変えようと動き
が近年盛んに研究されてきた.c面から90度傾いた非極
性面やc面と非極性面の中間にあたる半極性面などであ
る.言葉の通り,これらの面を用いることで,内部電界
を抑制することができ,緑色領域で内部量子効率を高め
ることが予測されている6)
.長らく実現から遠い存在で
あったが,これらの結晶成長を高品質に実現するバルク
基板とホモエピ技術が登場したことにより16‒18)
,c面材
料に一切遜色ないデバイス性能が実現した.非極性面で
あるm面GaNによる青紫レーザーが実現されて以降19,20)

m面材料は緑色レーザーを実現する材料として注目を浴
び,発振波長も瞬く間に500 nmに到達した21‒27)
.490-
500 nm領域において,結晶品質の低下から電力変換効
率は0.5-4 %程度であるものの,これはc面と遜色ない値
であり,高い微分効率など無極性面の潜在能力が垣間見
れた24)
.しかし,さらにIn組成をさらに増加させた520-
530-nm領域では,活性層の量子井戸とバリア層の界面
から積層欠陥が形成されることが明確となり,現時点で
は新たなブレイクスルーがない限り大きな進展が期待で
きない材料となっている28)
.m面とは別に,カリフォル
ニア大学サンタバーバラ校(UCSB)の研究グループは,
セミポーラ面である(112-2)面の研究を行ってきたが29‒
32)
,最近になって,非極性面から30度傾いているこの結
晶面はミスフィット転位の臨界膜厚が著しく小さいこと
が判明し,超波長において非常に明るい発光が確認され
ているものの,光閉じ込めに必要なガイド層などの積層
に難点があり,進展が滞っている33)

2009年,m面から15度傾いた(202-1)面により,住友電
工が531 nmの純緑色半導体レーザーを実現した34,35)
.し
きい値を下げるために高い端面反射率コートが用いられ
ているため,連続発振の最大出力は2.5 mW,電力変換
効率は0.22 %である.Fig. 3に示されるように,UCSBに
おいても,Alを含まないGaNクラッド層からなるシンプ
ルな構造を使用して(202-1)により516 nmのレーザー発
振を達成した36‒38)
.Fig. 4には,m面と(202-1)のLED出力

の比較を示した.500 nmを超えた領域では,(202-1)が
顕著に優れていることがわかる37)
.米国ベンチャー企業
であるカーイ社は,非極性/半極性GaNを活用し,連続
発振としては最長波長である525 nmの緑色半導体レー
ザーの開発に成功している39)
.522 nmの場合,30 mW出
力における電力変換効率は0.8 %である.不完全なオー
ミック電極の改良も,電力変換効率を高めるために必要
である.
非極性/半極性GaNレーザーの特徴の一つとして,結
晶面が傾いていることにより,デバイスが非対称性にな
ることが挙げられる32,40)
.導波路の形成方向によって,
しきい値電流が依存する20,41)
.たとえば,m面レーザー
の場合,c軸方向に平行に導波路を形成した場合に低い
しきい値電流が得られている40)
.これは高いゲインも寄
与しているが,へき開による端面が利用できることの効

果も大きい.しかし,(112-2)面の場合は,高いゲインが
得られる導波路[1
-1
-23]方向と,へき開可能なm軸方向導
波路とが一致せず,理想的なレーザーは作製できな
い32)
.実際緑色レーザーを実現した(202-1)面の場合は,
高いゲインが得られる[1
-014]軸方向に導波路がつくられ
ており,端面はへき開形成であるが34)
,その端面がどん
な面であるか,またそれが再現可能なものであるのか等
の疑問があり,量産と信頼性の確認が今後の課題であ
る.GaN系レーザーでは長期信頼性を確保するために
は,平坦な端面が必要であることが分かっている8)
.こ
れら例でみられるように,半極性GaNのレーザーでは,
高いゲインのとれる方向とへき開端面が形成可能な面が
一致するかが鍵となる.いずれにせよ,(202-1)面緑色
レーザーの信頼性は大変興味深い.Fig. 2に,赤色/青色
レーザーとともに,さまざまな緑色レーザーの特性を示
した.緑色半導体レーザーは一桁の性能改善が必要であ
る.後で簡単に議論するように,自然発光(LED)の内部
量子効率の向上が必要である.Table 1には,2009年から
2010年前半に発表された緑色半導体レーザーの特性をま
とめた.
ここまでの議論をまとめると,緑色レーザーの克服課
題として,出力,駆動電圧(c面と非/半極性の場合で要
因は異なる),信頼性の3点が挙げられる.繰り返せば,
高い出力が得られる高品質InGaNの成長と,オーミック
電極などのプロセス技術と,端面形成を含んだ信頼性の
確保という3つを同時に満たすことが今後の研究の鍵で
ある.
半導体レーザーのデバイス物理に従って9)
,内部量子
効率とレーザー出力の関係を近似的に導くことができ
る.レーザー発振のしきい値においては,モーダルゲイ
ン(gΓ)は,ミラー損失と内部損失の合計(α m +αi
)と釣り
合う.ここで,gは量子井戸のマテリアルゲイン,Γは閉
じ込め因子である.マテリアルゲインの電流(I)依存性
をパラメータs,t,Itrを使って単純に(g I)≈ηi ×(s I-Itr)t
とすると,しきい値電流はIth = ({ α m +αi
)/sηi
Γ}1/t
+ Itrと
なる.ここで,ηi
は内部量子効率であり,電流の一部が

1-ηi
の割合で非発光再結合すると仮定している.導か
れた関係式から,ηi
によらず同じIthを得るためには,
α m +αi ∝ η(i α m +αi
= xηi
)を満たすように端面ロスを減
らす必要がある.実際,高い前端面反射率は,現状盛ん
に導入されている25,34)
.レーザー出力は,

で計算される.ここで とqは光子エネルギーと電気素
量である.後端面の反射率を100 %とし,前端面コート
を制御することでしきい値電流を同じにする,つまり
α m +αi
= xηi
の関係が満たされるとすると,出力は,P ∝
(xηi
-αi
)×ηd/ηi
となる.(レーザーの発振しきい値以上
での誘導放出の内部量子効率ηdは,自然発光のそれに比
べ,一般に大きい42)
.)ここから明らかなように,内部量
子効率が低い場合にしきい値を低く保とうとすると,同
じ電流注入におけるレーザー出力は小さくなってしまう
ことが明らかである.実際,ηi < 30 %では,出力は正
とならず,これは2009年以前の状況に対応する.今の緑
色領域での効率はおよそ40 %前後であると考えられ,
青色領域では100 %に近いと仮定すると,Fig. 2の出力比
較において約一桁程度の性能に開きがあることを理解す
ることができる.
ここで示されたように,レーザーを高出力化する,つ
まり,効率を良くするためには,本質的には内部量子効
率を改善しなくてはならない.量産中の緑色LEDの効率
は,青色LEDに比べて半分以下の30 %程度であること
はよく知られている43)
.量産されるc面緑色LEDの場合
は量子シュタルク効果の影響もあるが,非極性面/半極
性面と共通して不十分な結晶品質も少なからず影響して
いると考えられる.つまり,In組成が30 %に迫る緑色発
光用のInGaNの成長技術は未だに大きな改善の余地があ
る.また,Fig. 4に示されるように,同じ結晶成長技術
を使っても,結晶品質は面方位に強く依存する.ミクロ
な結晶成長メカニズムと面方位の関係は,以前として興
味深く,たとえば,UCSBのグループは,Alを活性層中

のバリア層に加えることで,大幅な効率改善を確認して
いる37)
.このような,材料物性およびデバイス研究は今
後も続けていく必要がある.
今日の窒化物半導体からなる青色半導体レーザーは,
実用化された赤色レーザーとなんら遜色はない.SHGタ
イプの緑色レーザーも,実用化できる領域にある.しか
しながら,窒化物半導体からなる緑色領域で発振が可能
な半導体レーザーの性能は一桁劣るのが現状である.低
い内部量子効率がこの直接的な原因である.面方位を変
え,量子シュタルク効果を抑えるなどの試みとともに,
本質的に結晶品質を高めていく研究は引き続き必要であ
る.そのマイルストーンとして,緑色LEDの効率は2倍
程度の引き上げる必要であり,それが可能になれば,自
ずと緑色レーザーの性能も一桁向上される.緑色領域に
おいて,あらゆる面方位の検討とともに,引き続き高In
組成のInGaNの結晶成長の研究および物性研究が必要で
ある.

 

著者 ::  太田 裕朗,中村 修二

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