日本名城大學終身教授赤崎勇的研究團隊中的岩谷素顯副教授等人，與三重大學和旭化成公司開展聯合研究，發明了全球首款中波長紫外（UV-B波長範圍）半導體雷射。
雷射不同於LED和太陽光等自然界存在的光，是可以控制波長和相的終極光源。雷射已在醫療、工業、家電、資訊通信和測量等眾多行業得到了廣泛應用。據信現有氣體雷射和固態雷射的紫外範圍市場規模為1000億日元/年以上，而這僅通過具備優異特性的半導體雷射就已實現。因此除原有市場價值外，還有望實現創新。
目前，紅外、紅色、綠色和藍色雷射已經實現實用化，得到了廣泛應用，利用波長更短、能量更大的紫外線（UV）的雷射備受期待。紫外線分為長波長紫外線（UV-A：光的波長為380～320nm）、中波長紫外線（UV-B：320～280nm）和短波長紫外線（UV-C：280nm以下）三種。
圖1：光的種類與光的波長關係以及未實現半導體雷射的波長範圍
名城大學和濱松光量子學公司等的研究團隊此前已宣佈實現長波長紫外線範圍的半導體雷射，旭化成公司和名古屋大學的研究團隊也宣佈已實現短波長紫外線範圍的半導體雷射。
未實現中波長紫外線範圍的半導體雷射的原因是，這個範圍無法獲得高品質晶體。此次，研究團隊採用了赤崎勇終身教授憑藉藍色LED發明獲得諾貝爾獎的氮化物半導體。基底層採用藍寶石基底層，在三重大學的三宅秀人教授開發的高品質氮化鋁（AIN）模板上，通過赤崎方式形成了高品質且晶格鬆弛的氮化鋁鎵（AlGaN）。該方法為該團隊自主開發，不同於長波長紫外線和短波長紫外線範圍的雷射。
圖2：獲得高品質AlGaN晶體的流程圖
＜研究内容＞
要想實現中波長紫外線範圍的雷射，需要使用帶隙能量為3.8～4.4eV的半導體材料，尤其需要高品質晶體，這是存在的最大挑戰。此前，波長比藍色還短的半導體雷射採用了2014年獲得諾貝爾物理可用能學獎的「藍色LED」材料氮化物半導體。不過，由於採用該帶隙能量的氮化物半導體沒有合適的基底層，存在無法獲得高品質晶體的課題。另外，要想實現半導體雷射，需要實現高達數千安培每平方釐米（ kA/cm2）以上的大電流驅動。但根據以往的電子物性工學（Material and Solid State Devices），帶隙能量超過3eV的材料，絕緣性較高，存在極難注入大電流的課題。此次，研究團隊針對這些課題，採用以下兩種方法解決了問題。
首先是三重大學的三宅秀人教授的研究團隊開發的方法，在利用濺射法於藍寶石基底層上製作的AIN模板上，通過三維生長實現了帶隙為3.8～4.4eV的高品質AlGaN。該方法沿襲了發明高輝度藍色LED時採用的在藍寶石基底層上製作GaN的方法。AIN與具備該帶隙能量的AlGaN之間存在1％以上的嚴重晶格失配。根據以往的晶體工學，晶格失配超過1％的話，無法獲得高品質晶體。但發明藍色LED時，為解決這個問題，發明了採用低溫緩衝層的方法（赤崎方式）。當時發揮作用的就是三維生長。通過進行三維生長，可以在生長層上部獲得高品質GaN，這直接促成了藍色LED的發明。此次研究團隊發現，通過在用濺射法制作的AIN上生長AlGaN，可進行三維生長，由此能獲得高品質的AlGaN。
其次是，在採用電流注入的方法中應用了極化摻雜法。以往的半導體廣泛採用通過添加雜質形成自由電子和自由電洞，然後注入電流的方法。但寬頻隙半導體AlGaN材料採用該方法的話，無法實現雷射振盪水平的大電流注入。因為根據以往的電子物性工學，帶隙能量超過3eV的材料被視為絕緣體。要想實現紫外範圍的半導體雷射，必須使用帶隙能量超過5eV的材料。
該研究團隊通過將美國聖母大學的團隊提出的極化摻雜法應用於AlGaN材料，實現了雷射振盪水平的電流注入。聖母大學的團隊將極化摻雜應用於藍色發光元件，但此次的日本團隊認為其對紫外發光元件有用並推進了研究。最終於2019年5月在《Applied Physics Letters》（doi 10.1063/1.5095149）上報告了可以實現雷射振盪水平的大電流注入。
通過採用這些方法，研究團隊發明了可注入298nm波長電流的中波長紫外線範圍的雷射。
圖3：本次研究開發的極化摻雜法
研究團隊製作的樣品結構如下。樣品是在利用上述方法製作的高品質AlGaN上，通過普通半導體雷射採用的分離侷限異質結構試製了器件。通過器件處理並在室溫下以脈衝方式注入電流進行了評估。由此，在電流-光輸出特性中確認了明確的閾值；通過自發發射光譜獲得了雷射振盪特有的半寬極窄的陡峭光譜；出現明確的偏振特性，因此確認實現了雷射振盪，最終得出的結論是，該樣品實現了雷射振盪。下圖為雷射振盪的情形和光譜，確認獲得了半導體雷射特有的發光圖案和光譜。
圖4：UV-B雷射的物理可用能特性
圖5：UV-B雷射振盪光
論文資訊
題目：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
文：JST客觀日本編輯部編譯整理
