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
