京野上使山村史*・塩紀・足立司・池上谷
史
浩l l The World's First True Green Laser Diodes on Novel Semi-Polar {2021} GaN Substrates I —— by Takashi Kyono, Yohei Enya, Katsushi Akita, Masaki Ueno, Masahiro Adachi, Takamichi Sumitomo, Shinji Tokuyama, Takatoshi Ikegami, Koji Katayama and Takao Nakamura —— InGaN based green laser diodes (LDs) with a wavelength of 531 nm were demonstrated on semi-polar {2021} GaN substrates under pulsed operation. The advantages of {2021} planes for green lasing have been revealed by investigating the optical properties of spontaneous emission from LD structures. The amounts of the blueshift on {2021} planes were dramatically reduced from those on conventional c- planes, indicating that piezoelectric fields within InGaN active regions are well diminished on {2021} planes compared with on c-planes. Moreover, the full width at half maximum values on (2021) planes were far narrower than those on other planes. This result suggests that the utilization of {2021} planes improves the homogeneity of the In composition and the thickness of the InGaN active layers. These features contribute to the enhancement of emission efficiency in green spectral regions, leading to the realization of green LDs. Keywords: GaN, green laser, semiconductor laser diode
1.緒
ifia
近年、半導体発光茶子を光源としたTVやプロジェクタなどの映像表示機器が市場を賑わせている。発光ダイオード(LED☞¹)をバックライトに用いた液晶TVが普及期に入る一方、新たな製品として現在注目を集めているのが超小型プロジェクタである。2008年頃から市場に登場し始めた手のひらサイズのプロジェクタ単体の他、最近になって発表されたプロジェクタ搭載の携帯電話やデジタル・カメラは大きな反響を呼んでおり、これらが市場に受け入れられる新しい価値であることを示した。市場規模は2011年に約300万台、それ以降も年率2～3倍のペースで伸張するとの予測がなされている（図1）い。小型プロジェクタ用の光源にはレーザとLEDの２種類がある。レーザは、光学部品を削減でき小型化しやすい、色再現範囲を拡大することができる、といった特徴がある。カラー映像を表現するためには、光の三原色であるＲ (赤色)・G (緑色)・B (青色)が必要であり、赤色と青色については半導体レーザが既に実用化されている。しかし、緑色についてはレーザ発振自体が実現されていなかった。そのため、緑色レーザとしては赤外光の波長（～ 1064nm）を第２高調波発生（SHG*²）茶子を使って半分に変換（～ 532nm）するものが用いられている。これに対し、半導体によって直接レーザ光を得ることができれば、小型、低コスト、高効率な光源を実現可能であり、大きな波及効果をもたらすものと期待できる。このために、半導体による緑色レーザの開発が非常に活発化している。緑色発光を可能にする半導体材料は、窒化ガリウム(GaN) と窒化インジウム（InN）の混晶から成るInGaNである。InGaNはIn組成の調整によって原理上可視光全域をカバーできる材料であり、具体的にはIn組成の増加に伴い紫色(波長400～435nm)、青色(波長435～480nm)、緑色（波長500 ～ 560nm）のように発光色が波長の長い方向に変化する。この特性を応用して、これまでに背撃色～背緑色レーザ、近紫外～背色～緑色LED、白色LEDなど様々な発光デバイスが実用化されてきた。しかし、次節で述べる問題点のために、発光色が背色から緑色へと長波長化するに従いLEDに関しては発光効率が低下し、レーザに関しては発振が難しくなる。一方、さらに波長が長い赤色領域については、AlGaInP系の材料によって高輝度な図1   小型プロジェクタの市場予測(出典TSR (1) LEDやレーザが得られているため、図２に示すように、可視光の中で緑色領域でのみ発光効率が低いということになる(2)。この状況は「グリーンギャップ」と呼ばれており、後で一部言及するように様々な研究機関が問題の克服に取り組んできた。今回、我々は従来と異なる面方位を有するGaN結晶を新たに開発することで、波長531nmの純緑色での室温パルスレーザ発振に成功した(3)。さらに、波長520nmでの室温連続発振も確認した49。詳細なレーザ特性は次の「世界初の新規GaN基板上純緑色レーザ開発II」で述べることとし、本報告では緑色レーザ発振に結びついた新規面方位の特徴を紹介する。
2.緑色レーザ実現に向けた課題
図３に、GaNの結晶構造を示す。発光茶子は、半導体基板の上にエピタキシャル層を結晶成長して作製される（図4参照)。既に実用化されているGaNのLEDやレーザはすべて(a)のc面上に作製されたものである。前述のとおり、緑色の発光を得るためには、発光層を構成するInGaNのIn組成を高める必要がある。これに付随して、レーザ発振を阻害する２つの課題が顕在化する。１つは、発光層内部に発生するピエゾ電界が大きくなることである。ピエゾ電界とは、InGaNが成長面内方向に圧縮歪みを受ける時に、正の電荷を持つGa及びInと負の電荷を持つNの分極のバランスが崩れることに起因して、c軸方向に生じる電界のことである。このように、c面は極性を持つことから極性面とも呼ばれる。このピエゾ電界は、図４に示した２つの悪影響を引き起こす。第１に、(a)のようにピエゾ電界によって発光層のバンドが曲がり、電子と正孔の波動関数の重なりが小さくなる問題がある。これは、電子と正孔が発光再結合する遷移確率の低下、すなわち発光効率の低下を招く。第２に、(b)のように電流値の増加に従い注入された電子と正孔によってピエゾ電界が遮蔽され、遷移エネルギーが大きくなる現象が生じる。発光波長で言い換えると、電流値の増加に伴い短波長側にシフト（プルーシフト）することになる。これは、LEDに比べて駆動電流密度が大きいレーザにとっては極めて深刻な問題である。 ２つ目の課題は、InGaN発光層の高In組成化に伴い結晶品質が劣化しやすくなることである。これは、格子定数が大きく異なるGaNとInNが非混和性を示すことに由来しており、凝集したInが非発光性の欠陥を発生させることが報告されている(5)。c面上で緑色レーザを発振させるためには、上述のブルーシフトを見越して低電流域ではさらに長い波長で発光するように、InGaN発光層のIn組成を高く設計する必要がある。しかし、その場合にはInGaNの結晶品質が悪化し、発光効率が低下してしまうのである。このような課題を抱えつつも、c面上では結晶成長方法の改善により、最長515nmのレーザが報告されるようになってきた(6)、の。その一方で、課題の抜本的解決のために、素子を作製する結晶面をc面から傾けた面に変更する検討も精力的に行われている（図３ (b))。ピエゾ電界はc軸方向に発生するため、c面から傾いた方向にレーザ構造を作製することでピエゾ電界の影響を低減することが可能になる。c面から90度傾けたｍ面やａ面は、結晶成長する方向のピエゾ電界がゼロであるため、無極性面と呼ばれている。また、傾斜角度がc面と無極性面の中間的な位置にある面は半極性面と呼ばれている。これまでに、無極性ｍ面上では波長499.8nmの連続発振が、半極性(1122)面上では波長426nmのパルス発振がそれぞれ報告されている(8)、(9)。しかし、これらの面方位においても上記２つ目の課題であるInGaN発光層の高品質化は依然克服されておらず⁰⁰ 、さらなる長波長化を困難なものにすると予想される。そこで、我々はピエゾ電界の低減のみならず、高In組成InGaNの高品質結晶成長の実現にも重きを置き、緑色レーザに適した新たな結晶面を開拓することにした。そして、図３ (c)に示す(2021)面という独自の面方位を見出し、緑色レーザ発振を実現した。以下に、{2021}面上に作製したInGaN発光層の特性を述べる。
3.レーザ構造の作製
{2021}面自立GaN基板上にレーザのエピタキシャル層構造を作製した。GaN基板はハイドライド気相成長(HVPE *³)法によって作製した(¶。GaN基板はn型導電性を有し、その転位密度は1 × 10 6 cm -2以下である。エピタキシャル層の成長は有機金属気相成長（OMVPE *4)法によって行った。GaN基板上にn型GaNを成長した後、n型InAlGaNクラッド層、n型InGaN光ガイド層、発光層、 p型AlGaN電子ブロック層、p型InGaN光ガイド層、p型InAlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層を順に成長した。発光層はInGaNを井戸層とする３周期の量子井戸(MQW *5)構造で構成されている。エピタキシャル層を成長した後、表面にｐ型電極、夏面にｎ型電極をそれぞれ形成し、電流注入により発光特性を評価した。
4.    {2021}面上のInGaN-MQW発光層の特性
先に、高In組成InGaNにおける（1）ピエゾ電界の増大と（2）結晶品質の劣化が緑色レーザ実現に向けた課題であることを述べた。本節では、これら２点に対して{2021}面を用いることの効果を検証する。まず、（1）のピエゾ電界の影響を見るために、井戸幅が異なるレーザ構造を作製し、電流注入量に対する自然放出光の波長シフトを比較した。発熱の影響を低減するために、電流注入は幅2μsec、duty5%のパルスによって行った。結果を図５（a）に示す。井戸幅が2.4nm、3nm、4nmと増加するに従い、プルーシフト量が増加していることが分かる。なお、図５（b）に示すように、これらの半値幅はほぼ同等であった。プルーシフトの起源として、図４に示したピエゾ電界の遮蔽の他に、InGaN井戸層のIn組成の不均一化に起因したバンドテイルのフィリングの効果が考えられる。ピエゾ電界は井戸幅が厚いほど大きくなり、In組成も井戸幅が厚いほど不均一化しやすいが、In組成の均一性を反映する半値幅が井戸幅によって大きく変化しなかったことから、サンプル間でバンドテイルの状況はほぼ同等と言える。従って、ここではピエゾ電界の遮蔽がプルーシフトに支配的に寄与しているものと考えられる。報告されている他の面方位と比較すると、プルーシフト量は無極性m面上∞より大きいながら、図５ (a)に合わせて記載したc面上(8)よりは大幅に小さい値であった。これらより、 {2021}面上ではピエゾ電界の影響は存在しているものの、その度合いはc面上と比較して十分抑制されていることが分かった。次に、(2)の結晶品質を考察するために、自然放出光の半値幅を比較した。図６は、様々な面方位上の半値幅の波長依存性を示したものである。ここで、各データの駆動電流密度は150A/cm²付近に統一してある。報告されているc面上00 、m面上00 、および{1122}面上00の中で、{2021}面上の半値幅が最も小さい値を示した。また、波長が長くなるにつれて、その差が顕著になっていることが分かる。これは、他の面方位上のInGaNは高In組成化に伴い組成あるいは膜厚が不均一化しやすいのに対し、{2021}面上のInGaNは極めて均質であることを示唆している。これを裏付けるために、波長520nmで発振するレーザ構造表面の蛍光顕微鏡観察と断面の走査透過電子顕微鏡(STEM* 6 )観察を行った。写真１及び写真２にそれぞれの結果を示す。写真１の蛍光顕微鏡像は非常に均質で、視野内で非発光領域は認められなかった。c面上のレーザ構造では波長が450nmを超えると非発光領域が出現するとの報告例があり、InGaN発光層におけるInリッチな領域の結晶品質の悪化がその起源とされている(5)。{2021}面上のInGaNはIn組成の均一性が高いために、結晶品質の悪化が抑制されたものと考えられる。写真２は、レーザ構造をa軸方向から観察した明視野（BF) -STEM像である。発光層近傍に欠陥が認められないことに加え、井戸層界面が非常に急峻であることが分かる。これらはいずれも、上記半値幅が狭いことと一致する結果である。以上より、{2021}面はピエゾ電界の低減だけでなく、高In組成InGaNの高品質結晶成長にも優位な面方位であることが分かった。これらに起因した小さい波長シフトと高い発光効率が緑色レーザ発振に結びついたものと考えられる。
5.結 言
世界初の緑色レーザ発振に成功した{2021}面上の発光層の性質を、ピエゾ電界と結晶品質の観点から紹介した。 (2021)面上の電流注入によるプルーシフト量はc面上と比較して小さく、発光層におけるピエゾ電界が低減されていることを確認した。また、その発光半値幅は他の面方位と比較して狭く、高In組成のInGaNが均質に成長されていることを示唆する結果を得た。これと対応して、表面から蛍光顕微鏡で観測した微視的な発光は均一性が高く、断面STEMで観察したMQWは極めて急峻なヘテロ界面を有していた。以上の特徴がブルーシフトの低減と発光効率の向上につながり、純緑色レーザ発振に寄与したものと考えられる。この技術により、光の三原色のレーザ光源がすべて半導体で実現できることになり、冒頭で述べた映像表示機器はもちろん、医療分野など新たな応用製品への展開が期待できる。続く「世界初の新規GaN基板上純緑色レーザ開発II 」では、具体的なレーザ特性を紹介する。
用語集一
※１　LED Light Emitting Diode :電流を注入し電子の持つエネルギーを光に変換する半導体素子。 ※ 2  SHG Second Harmonic Generation：入射した光の半分の波長の光が発生する現象。
※３ HVPE
Hydride Vapor Phase Epitaxy : V族原料に水蒸化物ガスを用いる気相成長方法。
※４　OMVPE
Organometallic Vapor Phase Epitaxy ：構成元茶の原料に有機金属化合物蒸気を用いる気相成長方法。
※ 5
MQW
Multiple  Quantum  Well ：膜厚が数nmオーダーの材料(井戸層)と井戸層よりもバンドギャップが大きい材料(障壁層)を交互に複数周期額層した構造。 ※ 6 STEM Scanning Transmission Electron Microscope :収束した電子線で試料を走査し各領域の透過波あるいは回折波を結像する電子顕微鏡。参　考　文　献- (1)木村、「超小型Projectorの開発動向と将来展望」、TSR、2008年12月(図１は(1)を基に作成) (2)根津、「緑色LEDの発光効率を高める、GaN結晶の成長面を変えて挑戦」、日経エレクトロニクス、2006年８月１４日号、pp.65-70（図２は（2）を基に作成） (3) Y. Enya, Y. Yoshizumi, T. Kyono, K. Akita, M. Ueno, M. Adachi, T. Sumitomo, S. Tokuyama, T. Ikegami, K. Katayama and T. Nakamura, "531 nm Green Lasing of InGaN Based Laser Diodes on Semi-Polar {2021} Free-Standing GaN Substrates", Appl. Phys. Express 2  (2009) 082101 (4)  Y. Yoshizumi, M. Adachi, Y. Enya, T. Kyono, S. Tokuyama, T. Sumitomo, K. Akita, T. Ikegami, M. Ueno, K. Katayama and T. Nakamura,   "Continuous-Wave Operation of 520 nm Green InGaN- Based Laser Diodes on Semi-Polar {2021} GaN Substrates", Appl. Phys. Express 2 (2009) 092101 (5) S. Nagahama, T. Yanamoto, M. Sano and T. Mukai, "Wavelength Dependence of InGaN laser Diode Characteristics", Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40 (2001) 3075 (6)  T. Miyoshi, S. Masui, T. Okada, T. Yanamoto, T. Kozaki, S. Nagahama and T. Mukai,   "510-515 nm InGaN-Based Green Laser Diodes on c- Plane GaN Substrate", Appl. Phys. Express 2 (2009) 062201 (7)  A. Avramescu, T. Lermer, J. Müller, S. Tautz, D. Queren, S. Lutgen and U. Strau β , "InGaN laser diodes with 50 mW output power emitting at 515 nm", Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 071103 (8) K. Okamoto, J. Kashiwagi, T. Tanaka and M. Kubota, "Nonpolar m- plane InGaN multiple quantum well laser diodes with a lasing wavelength of 499.8 nm", Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 071105. (9)  H. Asamizu, M. Saito, K. Fujito, J. S. Speck, S. P. DenBaars and S. Nakamura, "Demonstration of 426 nm InGaN/GaN Laser Diodes Fabricated on Free-Standing Semipolar (1122) Gallium Nitride Substrates", Apple. Phys. Express 1 (2008) 091102 (10)  A. M. Fishcer, Z. Wu, K. Sun, Q. Wei, Y. Huang, R. Senda, D. lida, M. lwaya, H. Amano and F. A. Ponce, "Misfit Strain Relaxation by Stacking Fault Generation in InGaN Quantum Wells Grown on m- Plane GaN", Appl. Phys. Express 2 (2009) 041002 (11) 元木、「窒化ガリウム基板の開発」、SEIテクニカルレビュー、175号、 pp.10-18 (2009) M. Kubota, K. Okamoto, T. Tanaka and H. Ohta, "Continuours-Wave (12) Operation of Blue Laser Diodes Based on Nonpolar m-Plane Gallium Nitride", Appl. Phys. Express 1 (2008) 011102 (13)   D. Queren, A. Avramescu, G. Brüderl, A. Breidenassel, M. Schillgalies, S. Lutgen and U. Strau β , "500 nm electrically driven InGaN based laser diodes", Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 081119 (14)  K. Iso, H. Yamada, H. Hirasawa, N. Fellows, M. Saito, K. Fujito, S. P. DenBaars, J. S. Speck and S. Nakamura, "High Brightness Blue InGaN/GaN light Emitting Diode on Nonpolar m-plane Bulk GaN Substrate", Jpn. J. Appl. Phys. vol.46 (2007) L960. ( l í )   A. Chakraborty, B. A. Haskell, S. Keller, J. S. Speck, S. P. Denbaars, S. Nakamura and U. K. Mishra, "Demonstration of Nonpolar m-Plane InGaN/GaN Light-Emitting Diodes on Free-Standing m-Plane GaN Substrates", Jpn. J. Appl. Phys. vol.44 (2005) L173 (½)  M. Funato, M. Ueda, Y. Kawakami, Y. Narukawa, T. Kosugi, M. Takahashi and T. Mukai, "Blue, Green, and Amber InGaN/GaN Light- Emitting Diodes on Semipolar {1122} GaN Bulk Substrates", Jpn. J. Appl. Phys. vol.45 (2006) L659 ers and the state執　筆　者京野孝史*：半導体技術研究所光半導体技術研究部
秋田陽平 ：半導体技術研究所 光半導体技術研究部勝史 ：半導体技術研究所結晶技術研究部主査博士(工学)光半導体技術研究部光半導体技術研究部博士(工学)博士（工学）光半導体技術研究部
*主執筆者