小型、高效率、低功耗半導體激光器是波長和相位可控的光源的一種。紅外、紅色、綠色和藍色激光器已經實用化，近年來，業(yè)界對能量更大的紫外區(qū)激光產生了需求。日本名城大學理工學部的巖谷素顯教授利用獨立開發(fā)的半導體技術和新方法，發(fā)明了全球首款 “中波長紫外區(qū)半導體激光器”。這項成果將為光科學拓展了新的可能性，不僅可應用于工業(yè)，還有望解決化學、環(huán)境、醫(yī)療及生物科學等多個領域的課題。

巖谷 素顯

名城大學 理工學部 教授，2016年當選CREST研究代表

實現(xiàn)世界最高品質的AlN

通過三維生長制作AlGaN層

從2016年得到CREST采納后開始，一些想法逐漸成形。具體來說就是 “對利用濺射法形成的氮化鋁（AlN）進行高溫熱處理”、“通過三維生長制作高品質氮化鋁鎵（AlGaN）” 和 “極化摻雜法” 三種方法（圖3）。

圖3：半導體激光器的截面圖和各層使用的三項突破性技術

n型包層為生成高品質AlGaN晶體，最初采用二維晶體生長法。但生長過程中會形成大量晶體裂紋和名為位錯的晶格缺陷，無法獲得能承受激光振蕩的高品質晶體。一般來說，出現(xiàn)裂紋和位錯的話，發(fā)光效率會降低，因此光激發(fā)激光器的閾值也沒有達到每平方厘米210千瓦（kW/cm2）的預期值。

以前，基板及其上生長的晶體需要使軸長和角度等晶格常數(shù)一致。晶格失配超過1％就無法獲得高品質晶體。開發(fā)藍色LED時，赤崎博士也遇到了同樣的課題，他為解決這個問題而開發(fā)的是低溫沉積緩沖層技術。這是一種在藍寶石基板上沉積AlN后生長氮化鎵（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)明了藍色LED。

雖然在AlGaN基材料的研究中很少使用三維生長法，但熟悉相關技術的巖谷沿用赤崎博士的方法進行了晶體制作。巖谷利用了開展聯(lián)合研究的三重大學研究生院地域創(chuàng)新學研究科的三宅秀人教授開發(fā)的、近年來作為紫外LED的AlN模板制作方法也逐漸得到廣泛應用的高品質AlN生成技術。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薄膜堆積到了藍寶石基板上。制作的晶體以微晶狀態(tài)堆積，但通過在1700度的高溫下進行熱處理，成功獲得了晶體缺陷非常少的高結晶性AlN膜（圖4）。

圖4：進行高溫熱處理后的AlN變化

巖谷以該AlN為模板，在上面三維生長了AlGaN（圖5）。AlN與AlGaN之間也存在1％以上的較大晶格失配，因此過程并不順利，嘗試了各種條件。巖谷笑著說：“開發(fā)大約花了3年時間，但得益于學生們的努力，光激發(fā)激光器的閾值功率密度降到了二維生長時的約七分之一，即36kW/cm2。” 現(xiàn)在確立了再進一步降低一半的方法。

圖5：利用三維生長法制作高品質AlGaN的流程

即使是辛苦完成的晶體，不能產生激光振蕩也沒有任何用處，但向具有大帶隙能量的晶體注入大電流并非易事。另外，半導體激光器為控制光，需要膜厚大于光的波長，而常規(guī)半導體工學中常用的通過添加雜質來控制傳導性的方法無法實現(xiàn)激光振蕩所需的大電流密度運行。因此巖谷將目光轉向了極化摻雜。

一般來說，半導體晶體是電中性的，但氮化物半導體由于對稱性低，具有較大的極化電荷。極化摻雜是利用這種極化電荷來產生導電載流子的方法（圖6）。極化是絕緣體材料使用的概念，但利用這種極化效應可以產生自由電子和自由空穴，美國圣母大學的研究團隊宣布利用極化成功改善了藍色LED的特性。

圖6：p型包層的成分傾斜

本次研究為p型包層應用了極化摻雜法，通過改變AlGaN材料的成分，傾斜地改變了極化的大小（圖7）。由此可以分布極化固定電荷，2019年同時實現(xiàn)了可進行激光振蕩的電流注入和光學諧振器的形成。利用半導體工學中所沒有的新方法，克服了此前被認為無法實現(xiàn)的 “使無法導電的材料通電” 的難題。

圖7：極化摻雜（Al成分傾斜）

在室溫下評估利用這3種方法制作的試制器件確認，可以獲得半導體激光器特有的發(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紫外區(qū)半導體激光器。

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

此次開發(fā)的半導體激光器的應用領域很廣，影響也非常大。與相同波長范圍使用的氣體激光器和固體激光器相比，可以大幅實現(xiàn)小型化、低功耗化、長壽命化和低成本化。常見的氣體激光器的尺寸為1～2米，而半導體激光器約為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，壽命約達到其100倍，由100小時延長至1萬小時。

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