名城大、GaN面発光レーザーで20％を超す電力変換効率を実証

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名城大学は4月3日、AR/VRディスプレイやポイントオブケア検査(ポータブル分析器などを用いて、患者の近くでリアルタイムに行う検査)などへの応用が期待される「窒化ガリウム(GaN)面発光レーザー」(波長420nm)にて、20％を超える電力変換効率を実証したことを発表した。

同成果は、名城大 理工学部 材料機能工学科の竹内哲也教授、同・上山智教授、同・岩谷素顕教授、産業技術総合研究所先端半導体研究センターの亀井利浩研究主幹らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学協会が刊行する応用物理学全般を扱う学術誌「Applied Physics Letters」に掲載された。

日本発の面発光レーザーは、LEDの高い生産性と半導体レーザーの優れた発光特性の双方を有する発光素子である。一方、窒化ガリウムは、高効率青色LEDを構成する半導体であると同時に、パワー半導体での活用に向けても研究開発が進められている材料で、この双方を組み合わせた窒化ガリウム面発光レーザーは、青色を中心とする可視域をカバーする面発光レーザーとして、AR/VRディスプレイ、自動車用アダプティブヘッドライト、可視光通信システム、そしてポイントオブケア検査など、さまざまな分野への応用が期待されている。これまでの研究で、その電力変換効率は10％台まで到達できたことが報告されていたが、実用化に向けたさらなる効率改善や、生産性向上に向けた高い再現性が望まれている状況だという。

この面発光レーザーは、ウェハに対して垂直方向に光を共振させるレーザーであるため、膜厚によって動作する波長(共振波長)が決まる。それゆえ、所望の共振波長を有し、十分な性能を示す素子作製には、その設計膜厚に対して1％を切る高い膜厚制御性が必要であり、この値はLEDや従来の水平方向に共振させる半導体レーザーが要求する膜厚制御に比べ、1桁ほど厳しい値だという。

このような背景の下、名城大はこの窒化ガリウム面発光レーザーの室温連続動作を2015年に達成したほか、2017年には5％という電力変換効率を実証したが、膜厚制御技術が不十分なため、その後の効率改善が停滞していたとする。従来の膜厚制御では、実際に素子構造を形成する直前に別の実験からその成長速度を把握し、それに基づいて素子構造を形成しており、この場合、最大2％の差異が生じていたという。

すでに実用化されているヒ化ガリウム赤外面発光レーザーでは、「その場反射率スペクトル測定」により、素子の半導体層構造を結晶成長させながら、その反射率スペクトルから成長させた膜厚を把握し、必要な膜厚に到達した時点で成長を終了させる「その場膜厚制御」が行われている。そこで今回の研究では、同じ手法を窒化ガリウム紫色面発光レーザーに適用することにしたとする。