サファイア基板を用いたAlGaN系深紫外レーザーダイオード(UV-LD)における318 nmでの室温連続波(CW)発振は、窒化物半導体デバイスの分野において極めて重要なマイルストーンです。
従来、深紫外領域(UV-B, UV-C)でのCW発振は、高い転位密度やp型層のコンタクト抵抗、光閉じ込め効率の低さから非常に困難とされてきました。この成果の技術的ポイントを整理します。
技術的なブレイクスルーのポイント
318 nmという短波長でCW発振を実現するためには、主に以下の3つの課題をクリアする必要がありました。
1. 高品質なAlNテンプレートの作製
サファイア基板とAlGaN層の間には大きな格子不整合があるため、通常は多くの貫通転位(欠陥)が発生します。
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高温熱処理(HTA): サファイア上のAlN層を高温でアニールすることで転位密度を大幅に低減。
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下地結晶の平坦化: 欠陥が少ない高品質なAlNテンプレートを用いることで、その上に積層する発光層(量子井戸)の内部量子効率を向上させました。
2. 効率的なキャリア注入とp型コンタクト
Al組成が高くなると、p型層の電気抵抗が急増し、発熱の原因となります。
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分極ドープの活用: 組成傾斜層などを利用し、ホールの注入効率を改善。
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低抵抗電極: CW発振時のジュール熱を抑えるため、電極界面の最適化が行われています。
3. 光閉じ込めと放熱設計
UV-B領域では、クラッド層と活性層の屈折率差を確保するのが難しくなります。
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導波路設計: 閾値電流密度を低減するための精密な構造設計。
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熱マネジメント: サファイアは熱伝導率が低いため、ジャンクションダウン実装やサブマウントへの放熱対策が、短寿命化を防ぐ鍵となります。
主な仕様と意義
| 項目 | 内容 |
| 発振波長 | 318 nm (UV-B領域) |
| 動作条件 | 室温 (RT), 連続波 (CW) |
| 基板 | サファイア (Sapphire) |
| 主な用途 | 医療、分析、バイオセンシング、リソグラフィ |
この成果の意義
これまで、深紫外LDのCW発振は高価な単結晶AlN基板を用いるのが主流でしたが、安価で大口径化が容易なサファイア基板で実現したことは、将来的なデバイスの低コスト化と普及に向けて大きな一歩となります。
出典:Google Gemini
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