名古屋大學未來材料及系統研究所的天野浩教授、笹岡千秋特任教授、久志本真希講師等人組成的研究團隊與旭化成合作，全球首次成功實施了UV-C頻帶的274nm深紫外半導體雷射（UV-C LD）的室溫連續振盪。天野教授介紹說：「半導體雷射的波長越短就越難實施，所以深紫外半導體雷射被認爲是不可能實施的。名古屋大學和旭化成的合作專案於2017年起動，兩年後成功實施了脈衝振盪，現在則進一步實施了室溫連續振盪，前後共花了5年時間。而我自己研究藍色雷射的時候花了11年。之所以能在較短的時間内獲得成功，當然有很多因素，包括有LED開發經驗的人員和旭化成的支援，名古屋大學的專用無塵室等，但最重要的是優秀的年輕研究人員全力投入到了這項研究中。」相關論文已刊登於《Applied Physics Letters》，並在名古屋大學資料庫（NAGOYA Repository）公開。
深紫外半導體雷射以及本研究的要點（供圖：名古屋大學）
深紫外半導體雷射可用於高速大面積殺菌、拉曼光譜、基於共振電漿的分子檢測、顯微光刻等用途，在醫療健康、測量與分析、感測、雷射加工等多種領域都備受期待。
共同研究團隊於2019年世界首次成功實施了基於室溫脈衝電流驅動的UV-C波段深紫外半導體雷射的振盪。由於閾值電流較高，當時的脈衝振盪所需的輸入功率高達5W，因發熱導致難以連續振盪。
爲此，研究人員將注意力放到了檯面條帶（mesa-stripe，將包括產生紫外光的活性層在内的半導體多層結構雕刻成矩形，以光的傳播方向爲長邊）邊緣發生的晶體缺陷上。晶體缺陷不僅會使閾值電流密度升高，而且還會侷限電極設計，導致驅動電壓的擧升。
久志本真希講師介紹到：「當我們用電子顯微鏡觀察檯面條帶的晶體缺陷時，我們發現多個缺陷在垂直度方向連續存在，因此我們認爲它們受到了某種力的衝擊。透過不斷進行仿真，試製樣品，以及建模，最終發現造成缺陷的終極因數是檯面條帶自身結構帶來的應力。」
因此，研究團隊設計了使應力最小化的元件結構。具體來說，從側面看時，不是以往的以直角組合而成的結構，而是將發光部分附近的壁面從90度傾斜到15度，使應力不那麼集中。結果實現了檯面條帶邊緣零缺陷的元件。同時，透過改善薄膜晶體成長條件，將閾值電流降低到原來結構的1/4左右，實施了4200A/cm2的閾值電流密度。
電極方面，以往結構中的電極因爲要避開臺麪條帶邊緣的晶體缺陷，電阻值高達15.9Ω，但新結構實施了零缺陷，因此能夠在臺麪條帶邊緣附近配置電極，將電阻大幅降低至8.3Ω，達到了世界最高水平。
經過上述改良，實施了用9V乾電池就能驅動的8.7V、0.125A的深紫外半導體雷射。天野教授說：「雖然這次的輸出功率只有和雷射指示器差不多的2mW水平，但今後的目標是將輸出功率提高到瓦級。」
旭化成的執行董事久世直洋在談到商品化時表示，「希望2025年能從名古屋大學實施樣品銷售，2026年由旭化成推進商品化。由於LED業務的大部分設備都可以使用，所以我們認爲1年左右的時間就能夠導入必要的設備。首先考慮在測量與分析領域的商品化。透過提高輸出功率，商品化的領域將擴大。將來的目標是實施瓦級的輸出功率，還考慮拓展到加工領域等」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：《Applied Physics Letters》
論文：Key temperature-dependent characteristics of AlGaN-based UV-C laser diode and demonstration of room-temperature continuous-wave lasing
DOI：http://hdl.handle.net/2237/0002003984
