小型、高效率、低功耗半導(dǎo)體激光器是波長(zhǎng)和相位可控的光源的一種。紅外、紅色、綠色和藍(lán)色激光器已經(jīng)實(shí)用化，近年來(lái)，業(yè)界對(duì)能量更大的紫外區(qū)激光產(chǎn)生了需求。日本名城大學(xué)理工學(xué)部的巖谷素顯教授利用獨(dú)立開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體技術(shù)和新方法，發(fā)明了全球首款 “中波長(zhǎng)紫外區(qū)半導(dǎo)體激光器”。這項(xiàng)成果將為光科學(xué)拓展了新的可能性，不僅可應(yīng)用于工業(yè)，還有望解決化學(xué)、環(huán)境、醫(yī)療及生物科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的課題。

巖谷 素顯

名城大學(xué) 理工學(xué)部 教授，2016年當(dāng)選CREST研究代表

實(shí)現(xiàn)世界最高品質(zhì)的AlN

通過(guò)三維生長(zhǎng)制作AlGaN層

從2016年得到CREST采納后開(kāi)始，一些想法逐漸成形。具體來(lái)說(shuō)就是 “對(duì)利用濺射法形成的氮化鋁（AlN）進(jìn)行高溫?zé)崽幚?rdquo;、“通過(guò)三維生長(zhǎng)制作高品質(zhì)氮化鋁鎵（AlGaN）” 和 “極化摻雜法” 三種方法（圖3）。

圖3：半導(dǎo)體激光器的截面圖和各層使用的三項(xiàng)突破性技術(shù)

n型包層為生成高品質(zhì)AlGaN晶體，最初采用二維晶體生長(zhǎng)法。但生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)形成大量晶體裂紋和名為位錯(cuò)的晶格缺陷，無(wú)法獲得能承受激光振蕩的高品質(zhì)晶體。一般來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)裂紋和位錯(cuò)的話(huà)，發(fā)光效率會(huì)降低，因此光激發(fā)激光器的閾值也沒(méi)有達(dá)到每平方厘米210千瓦（kW/cm2）的預(yù)期值。

以前，基板及其上生長(zhǎng)的晶體需要使軸長(zhǎng)和角度等晶格常數(shù)一致。晶格失配超過(guò)1％就無(wú)法獲得高品質(zhì)晶體。開(kāi)發(fā)藍(lán)色LED時(shí)，赤崎博士也遇到了同樣的課題，他為解決這個(gè)問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的是低溫沉積緩沖層技術(shù)。這是一種在藍(lán)寶石基板上沉積AlN后生長(zhǎng)氮化鎵（GaN）晶體的方法。由此獲得了晶體缺陷少的平坦GaN晶體，從而成功發(fā)明了藍(lán)色LED。

雖然在AlGaN基材料的研究中很少使用三維生長(zhǎng)法，但熟悉相關(guān)技術(shù)的巖谷沿用赤崎博士的方法進(jìn)行了晶體制作。巖谷利用了開(kāi)展聯(lián)合研究的三重大學(xué)研究生院地域創(chuàng)新學(xué)研究科的三宅秀人教授開(kāi)發(fā)的、近年來(lái)作為紫外LED的AlN模板制作方法也逐漸得到廣泛應(yīng)用的高品質(zhì)AlN生成技術(shù)。利用使氮等離子與作為原料的AlN碰撞，并將被擊出的分子附著到基板上的濺射法將AlN薄膜堆積到了藍(lán)寶石基板上。制作的晶體以微晶狀態(tài)堆積，但通過(guò)在1700度的高溫下進(jìn)行熱處理，成功獲得了晶體缺陷非常少的高結(jié)晶性AlN膜（圖4）。

圖4：進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗蟮腁lN變化

巖谷以該AlN為模板，在上面三維生長(zhǎng)了AlGaN（圖5）。AlN與AlGaN之間也存在1％以上的較大晶格失配，因此過(guò)程并不順利，嘗試了各種條件。巖谷笑著說(shuō)：“開(kāi)發(fā)大約花了3年時(shí)間，但得益于學(xué)生們的努力，光激發(fā)激光器的閾值功率密度降到了二維生長(zhǎng)時(shí)的約七分之一，即36kW/cm2。” 現(xiàn)在確立了再進(jìn)一步降低一半的方法。

圖5：利用三維生長(zhǎng)法制作高品質(zhì)AlGaN的流程

即使是辛苦完成的晶體，不能產(chǎn)生激光振蕩也沒(méi)有任何用處，但向具有大帶隙能量的晶體注入大電流并非易事。另外，半導(dǎo)體激光器為控制光，需要膜厚大于光的波長(zhǎng)，而常規(guī)半導(dǎo)體工學(xué)中常用的通過(guò)添加雜質(zhì)來(lái)控制傳導(dǎo)性的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光振蕩所需的大電流密度運(yùn)行。因此巖谷將目光轉(zhuǎn)向了極化摻雜。

一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體晶體是電中性的，但氮化物半導(dǎo)體由于對(duì)稱(chēng)性低，具有較大的極化電荷。極化摻雜是利用這種極化電荷來(lái)產(chǎn)生導(dǎo)電載流子的方法（圖6）。極化是絕緣體材料使用的概念，但利用這種極化效應(yīng)可以產(chǎn)生自由電子和自由空穴，美國(guó)圣母大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣布利用極化成功改善了藍(lán)色LED的特性。

圖6：p型包層的成分傾斜

本次研究為p型包層應(yīng)用了極化摻雜法，通過(guò)改變AlGaN材料的成分，傾斜地改變了極化的大�。▓D7）。由此可以分布極化固定電荷，2019年同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行激光振蕩的電流注入和光學(xué)諧振器的形成。利用半導(dǎo)體工學(xué)中所沒(méi)有的新方法，克服了此前被認(rèn)為無(wú)法實(shí)現(xiàn)的 “使無(wú)法導(dǎo)電的材料通電” 的難題。

圖7：極化摻雜（Al成分傾斜）

在室溫下評(píng)估利用這3種方法制作的試制器件確認(rèn)，可以獲得半導(dǎo)體激光器特有的發(fā)光模式和光譜（圖8、9）。因此，巖谷于2020年2月宣布發(fā)明了全球首款中波長(zhǎng)紫外區(qū)半導(dǎo)體激光器。

圖8：UV-B激光器振蕩時(shí)（左）和UV-B激光器的振蕩發(fā)光光譜（右）

此次開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，影響也非常大。與相同波長(zhǎng)范圍使用的氣體激光器和固體激光器相比，可以大幅實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗化、長(zhǎng)壽命化和低成本化。常見(jiàn)的氣體激光器的尺寸為1～2米，而半導(dǎo)體激光器約為1厘米，還不到其百分之一。耗電量也只有氣體激光器的百分之一左右，壽命約達(dá)到其100倍，由100小時(shí)延長(zhǎng)至1萬(wàn)小時(shí)。

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