小型、高效率、低功耗半导体激光器是波长和相位可控的光源的一种。红外、红色、绿色和蓝色激光器已经实用化，近年来，业界对能量更大的紫外区激光产生了需求。日本名城大学理工学部的岩谷素显教授利用独立开发的半导体技术和新方法，发明了全球首款 “中波长紫外区半导体激光器”。这项成果将为光科学拓展了新的可能性，不仅可应用于工业，还有望解决化学、环境、医疗及生物科学等多个领域的课题。

岩谷 素显

名城大学 理工学部 教授，2016年当选CREST研究代表

实现世界最高品质的AlN

通过三维生长制作AlGaN层

从2016年得到CREST采纳后开始，一些想法逐渐成形。具体来说就是 “对利用溅射法形成的氮化铝（AlN）进行高温热处理”、“通过三维生长制作高品质氮化铝镓（AlGaN）” 和 “极化掺杂法” 三种方法（图3）。

图3：半导体激光器的截面图和各层使用的三项突破性技术

n型包层为生成高品质AlGaN晶体，最初采用二维晶体生长法。但生长过程中会形成大量晶体裂纹和名为位错的晶格缺陷，无法获得能承受激光振荡的高品质晶体。一般来说，出现裂纹和位错的话，发光效率会降低，因此光激发激光器的阈值也没有达到每平方厘米210千瓦（kW/cm2）的预期值。

以前，基板及其上生长的晶体需要使轴长和角度等晶格常数一致。晶格失配超过1％就无法获得高品质晶体。开发蓝色LED时，赤崎博士也遇到了同样的课题，他为解决这个问题而开发的是低温沉积缓冲层技术。这是一种在蓝宝石基板上沉积AlN后生长氮化镓（GaN）晶体的方法。由此获得了晶体缺陷少的平坦GaN晶体，从而成功发明了蓝色LED。

虽然在AlGaN基材料的研究中很少使用三维生长法，但熟悉相关技术的岩谷沿用赤崎博士的方法进行了晶体制作。岩谷利用了开展联合研究的三重大学研究生院地域创新学研究科的三宅秀人教授开发的、近年来作为紫外LED的AlN模板制作方法也逐渐得到广泛应用的高品质AlN生成技术。利用使氮等离子与作为原料的AlN碰撞，并将被击出的分子附着到基板上的溅射法将AlN薄膜堆积到了蓝宝石基板上。制作的晶体以微晶状态堆积，但通过在1700度的高温下进行热处理，成功获得了晶体缺陷非常少的高结晶性AlN膜（图4）。

图4：进行高温热处理后的AlN变化

岩谷以该AlN为模板，在上面三维生长了AlGaN（图5）。AlN与AlGaN之间也存在1％以上的较大晶格失配，因此过程并不顺利，尝试了各种条件。岩谷笑着说：“开发大约花了3年时间，但得益于学生们的努力，光激发激光器的阈值功率密度降到了二维生长时的约七分之一，即36kW/cm2。” 现在确立了再进一步降低一半的方法。

图5：利用三维生长法制作高品质AlGaN的流程

即使是辛苦完成的晶体，不能产生激光振荡也没有任何用处，但向具有大带隙能量的晶体注入大电流并非易事。另外，半导体激光器为控制光，需要膜厚大于光的波长，而常规半导体工学中常用的通过添加杂质来控制传导性的方法无法实现激光振荡所需的大电流密度运行。因此岩谷将目光转向了极化掺杂。

一般来说，半导体晶体是电中性的，但氮化物半导体由于对称性低，具有较大的极化电荷。极化掺杂是利用这种极化电荷来产生导电载流子的方法（图6）。极化是绝缘体材料使用的概念，但利用这种极化效应可以产生自由电子和自由空穴，美国圣母大学的研究团队宣布利用极化成功改善了蓝色LED的特性。

图6：p型包层的成分倾斜

本次研究为p型包层应用了极化掺杂法，通过改变AlGaN材料的成分，倾斜地改变了极化的大小（图7）。由此可以分布极化固定电荷，2019年同时实现了可进行激光振荡的电流注入和光学谐振器的形成。利用半导体工学中所没有的新方法，克服了此前被认为无法实现的 “使无法导电的材料通电” 的难题。

图7：极化掺杂（Al成分倾斜）

在室温下评估利用这3种方法制作的试制器件确认，可以获得半导体激光器特有的发光模式和光谱（图8、9）。因此，岩谷于2020年2月宣布发明了全球首款中波长紫外区半导体激光器。

图8：UV-B激光器振荡时（左）和UV-B激光器的振荡发光光谱（右）

此次开发的半导体激光器的应用领域很广，影响也非常大。与相同波长范围使用的气体激光器和固体激光器相比，可以大幅实现小型化、低功耗化、长寿命化和低成本化。常见的气体激光器的尺寸为1～2米，而半导体激光器约为1厘米，还不到其百分之一。耗电量也只有气体激光器的百分之一左右，寿命约达到其100倍，由100小时延长至1万小时。

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