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２０２３年１１⽉１３⽇
在名古屋報道各社、⽂部科学記者会

⾼出⼒を可能にする縦型 AlGaN 系深紫外（UV-B）半導体レーザーを世界で初めて開発
名城⼤学理⼯学部材料機能⼯学科の岩⾕素顕教授、⽵内哲也教授、上⼭智教授、三重⼤学⼤学院⼯学研究科の三宅秀⼈教授、ウシオ電機株式会社、および⻄進商事株式会社の研究グループは、⾼光出⼒深紫外半導体レーザー実現に必要不可⽋である縦型 AlGaN 系深紫外（UV-B）半導体レーザーを開発しました。本研究成果は、2023 年 10 ⽉ 16 ⽇に応⽤物理学会の国際論⽂誌「AppliedPhysics Express」（https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad03ac）に掲載されました。
【本件のポイント】
・⾼光出⼒化に不可⽋な縦型 AlGaN 系深紫外（UV-B）半導体レーザーの開発に成功。
・AlGaN 系紫外半導体レーザーは⾼品質結晶を得るために絶縁性の基板上に結晶成⻑で作製される。縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーの実現に必要な絶縁性基板剥離技術、デバイスプロセス技術、光共振器形成技術の開発に成功。
・作製した縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーは、極めて鋭い発光スペクトル(光の波⻑が揃っている)、TE 偏光特性（光の位相が揃っている）、スポット状の発光パターン（コヒーレントな光の特⻑である）、そしてしきい値電流の確認の特性を⽰すなど、レーザー特有の特性を⽰しました。作
製したレーザーの発振波⻑は UV-B 領域に相当する 298.1 nm。
・バイオテクノロジー、⽪膚病治療などの医療⽤途や UV 硬化プロセス、レーザー加⼯など⼯業分野への応⽤に期待＜発信元＞〒468-8502
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【研究の背景】
波⻑が 100〜380 nm の電磁波は紫外線と呼ばれ、また波⻑が 300 nm 以下のものは深紫外線と呼ばれます。さらに、ISO 21348 によれば、紫外線は UV-A（光の波⻑：315-380 nm）、UV-B（280315 nm）、UV-C（100-280 nm）分類され、これらの紫外線を放射するレーザーは紫外線レーザーと呼ばれます。既存のレーザー光源には、ガスレーザーや YAG レーザーの⾼調波を使⽤する固体レーザーなどがあり、これらはバイオテクノロジーや⽪膚病治療などの医療⽤途、UV 硬化プロセス、レーザー加⼯などの⼯業分野で広く利⽤され、レーザー特許出願技術動向調査報告書によれば年間 2,000 億円に達し、市場規模は年々増加しています。しかし、これらのレーザーには⼤型（数⼗ cm から数 m）、⾼消費電⼒、限られた波⻑範囲、低効率、貴重な希少元素の使⽤など、多くの課題があります。
⼀⽅、半導体材料を使⽤した半導体レーザーは、LED と同様に電流を注⼊することでレーザー光を発⽣させることが可能です。その特⻑はコンパクト（数 mm 程度のサイズ）、⻑寿命、低消費電⼒、⾼効率、任意の波⻑のレーザー光を⽣成できること、希少材料を使⽤しないことなど、優れた特性を持っており、⾼い潜在能⼒を秘めています。近年、UV-A から UV-B、UV-C の広範囲にわた
る AlGaN 系半導体レーザーの室温発振に関する報告がありますが、先述の紫外レーザーの多くが数ワット以上の⾼光出⼒で動作させているのに対し、深紫外領域の AlGaN 系半導体レーザーの光出⼒は、最⾼でも 150 mW 程度にとどまっています。そのため、これらのデバイスの光出⼒を増加させる技術開発が求められていました。
半導体レーザーの光出⼒は、その効率と注⼊電流に依存します。デバイスへの電流注⼊を増加させるには、デバイスのサイズを⼤きくする必要がありますが、現在の AlGaN 系紫外半導体レーザーは図 1 に⽰すように、⾼品質の結晶を確保するためにサファイアや AlN などの絶縁材料を使⽤しており、デバイス内で薄膜の n 型 AlGaN を横⽅向に電流が流れる横型デバイスのため、電流を均⼀に流すことが難しく、したがって⼤型化しても注⼊電流を増加させることが困難です。この問題を解決するためには、図 2 に⽰すように pn 接合に対して p 電極と n 電極を対向配置した縦型デバイスの開発が必要でした。
【研究内容】
縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーを実現するためには、①絶縁性の基板を剥離する技術の開発、②半導体プロセスの開発、および③光共振器の形成技術の 3 つの技術⾰新が必要でした。本グループは、図 2 に⽰したように 3 つのブレークスルーによってその実現に成功しました。以下に詳細を概説します。
「①絶縁性の基板を剥離する技術の開発」については、名城⼤・三重⼤・⻄進商事の 3 機関が共同研究し開発に成功しました。サファイア基板上の⾼品質 AlN は三重⼤が作製し、次に、名城⼤でナノインプリントリソグラフィー及びプラズマエッチングにより周期的な AlN ナノピラーを形成。
その上に AlGaN 系のレーザー構造を積層しました。さらに、⻄進商事では固体パルスレーザーを使⽤して AlN と AlGaN 界⾯の結晶を分解し、デバイス構造のみを剥離する⼿法を開発しました。このような⽅法は、GaN 系⻘⾊ LED では広く使⽤されておりレーザーリフトオフ法と呼ばれています。しかし、AlGaN では Al ドロップレットが形成され、これが結晶の破壊を引き起こす致命的な2⽋点がありました。しかし、本グループは AlN ナノピラーを使⽤し、パルス固体レーザーを採⽤することで、この課題を克服し、再現性の⾼い絶縁性のサファイアおよび AlN の剥離する技術の開発に成功しました。また、その剥離メカニズムは三重⼤・名城⼤の共同研究で明らかにしています。
次に、「②半導体プロセスの開発」に関しては、名城⼤とウシオ電機との共同研究により実現しました。電極や絶縁層、電流狭窄構造などを設計通りに製造する技術を開発しレーザー発振に必要なデバイス構造の実現に成功しました。
最後に「③光共振器の形成技術」については、名城⼤のグループがブレードを⽤いたへき開法を開発し、優れた光共振器を形成しました。
これらの技術を結集して作製した縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーは、室温・パルス駆動で動作させると、⾮常に鋭い発光スペクトル（光の波⻑が揃っている）、TE 偏光特性（光の位相が揃っている）、図 2 中に⽰したようなスポット状の発光パターン、そしてしきい値電流の確認など、レーザー特有の特性を⽰すことが確認されました。この結果から、作製した縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーは波⻑ 298.1 nm の UV-B 領域に相当する深紫外レーザー光を放射することが確認されました。
【今後の展開】
縦型 AlGaN 系深紫外半導体レーザーはデバイス・サイズを⼤きくしても均⼀に電流を流すことができるため、1 素⼦から 1 ワットを超える極めて⾼出⼒なレーザー光を得ることが期待できます。
さらに、これらを集積化することにより数⼗ワット~数百ワットの超⼩型レーザー光源を提供することができ、それらはバイオテクノロジー、⽪膚病治療などの医療⽤途や UV 硬化プロセス、レーザー加⼯など⼯業分野への応⽤が期待されます。
この成果の⼀部は、環境省「⾰新的な省 CO2 型感染症対策技術等の実⽤化加速のための実証事業／⾼効率・⻑寿命深紫外 LED の技術開発と細菌・ウイルス不活化および脱炭素効果の実証」、「JSPS 科研費 22H00304」、「国⽴研究開発法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）」、「JST 研究成果展開事業研究成果最適展開⽀援プログラム A-STEP 産学共同（本格型）
JPMJTR201D」の⽀援を受けたものです。
【⽤語の解説】
1） レーザー：光の波⻑や位相がそろったコヒーレンス（可⼲渉性）な光のことを指す。通常の⾃然光と異なり波⻑や位相が制御されており産業上様々な⽤途に⽤いられている。
2） 半導体レーザー：半導体に電流を流すことによって実現されるレーザーであり、コンパクト(~数 mm)、⻑寿命（通常数万時間）、低消費電⼒、⾼効率、任意の波⻑のレーザー光が得られるなど他のレーザーに⽐べて優れた性能を有している。
3） 縦型デバイス：電流をデバイスに対して縦⽅向に流すデバイスを呼ぶ。電流を横に流す横型デバイスに⽐べ電流経路が短く且つ素⼦に対して均⼀に電流を流せることからレーザーに限らず LED やパワーデバイスなど⾼出⼒化が必要な多くの半導体デバイスに適⽤されている。
4） AlGaN：アルミニウム、ガリウム、および窒素を⽤いた化合物である。⾼品質な単結晶を得

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ることにより波⻑ 210 nm から 365 nm の紫外線を放射することができ、近年紫外 LED や紫外半導体レーザー材料としてその応⽤が期待されている。
【お問い合わせ先】
名城⼤学 理⼯学部材料機能⼯学科 教授 岩⾕ 素顕〒468-8502

名古屋市天⽩区塩釜⼝⼀丁⽬ 501 番地

TEL：052-838-2430
E-mail：iwaya@meijo-u.ac.jp
三重⼤学 ⼤学院⼯学研究科 電気電⼦⼯学専攻 教授 三宅 秀⼈〒514-8507

三重県津市栗真町屋町 1577

TEL：059-231-9401
E-mail：miyake@elec.mie-u.ac.jp
⻄進商事株式会社 技術部 ⽊村 央
〒650-0047

兵庫県神⼾市中央区港島南町 1-4-4

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ウシオ電機株式会社 コーポレートコミュニケーション部 広報課〒100-8150

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