高出力・高効率純緑色レーザ

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ありささんきち
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エレクトロニクス高出力高効率純緑色レーザ髙木慎平 * 上野昌紀片山浩二池上隆俊中村孝夫簗嶋克典 High-Power and High-Efficiency True Green Laser Diodes by Shimpei Takagi, Masaki Ueno, Koji Katayama, Takatoshi Ikegami, Takao

1 エレクトロニクス高出力高効率純緑色レーザ髙木慎平 * 上野昌紀片山浩二池上隆俊中村孝夫簗嶋克典 High-Power and High-Efficiency True Green Laser Diodes by Shimpei Takagi, Masaki Ueno, Koji Katayama, Takatoshi Ikegami, Takao Nakamura and Katsunori Yanashima The authors demonstrated InGaN green laser diodes (LDs) that were grown on semipolar {1} GaN substrate and achieved output power of over 1 mw in the spectral region beyond 53 nm. In the range of nm, these LDs realized wall plug efficiencies as high as 7.-.9%, which exceed those reported for c-plane LDs. Moreover, the InGaN green LDs are expected to have a long lifetime of over 5, hours under auto power control of 5 mw at a case temperature of 55 C. These results suggest that the InGaN green LDs grown on the {1} plane are ideal as light sources for applications that require wavelengths of over 55 nm. Keywords: semipolar, GaN, green, semiconductor, laser 1. 緒言近年レーザディスプレイへの応用が期待される緑色半導体レーザの開発競争が活発化しているレーザディスプレイは高い色再現性フォーカスフリー低消費電力といった特長を併せ持つがこれまで光源に必要な 3 原色のうち赤色と青色の半導体レーザは実用化されていたものの緑色の半導体レーザは存在しなかったそのため赤外光を第高調波素子 (SHG 1 ) で緑色に変換する SHG レーザが使われてきたがサイズコスト効率安定性といった面で課題がありこれらを克服可能な緑色の半導体レーザが待ち望まれていた緑色レーザの半導体材料としてこれまで窒化ガリウム (GaN) 系が有望視されてきたが長波長化を進めるうえでの課題は大きく分けてつある 1 つめはピエゾ電界による発光効率の低下であるブルーレイ用として最初に実用化された青紫色 GaN 系レーザは結晶面に (1) 面 (c 面 ) を用いるが c 面上では結晶の非対称性に起因する自発分極の他発光層の InGaN と GaN の格子不整合に起因する歪みの影響で c 軸方向に大きなピエゾ電界が発生するこのピエゾ電界が量子井戸内で電子と正孔の波動関数を空間的に分離させ発光効率を低下させてしまうつめの課題は GaN と InN の非混和性に起因した InGaN 発光層中の In 組成ゆらぎであるこのような組成ゆらぎは青色 LED ではキャリア局在による発光効率の向上に有効であるが緑色レーザでは高 In 組成化に伴う非発光性欠陥の生成につながり問題となる (1) さらにこのような組成不均一性の増大は発光スペクトル幅の増加につながり微分利得を低下させ動作電流の増加を招く () (3) このような課題はあるものの 9 年以降青緑から緑色にいたる領域での発振に関する報告が相次いでいるこれまで 5nm 以上の発振は難しいとされてきた c 面上では量子井戸層の結晶性を高めることで 515nm での室温連続 (CW 3 ) 発振が実現し () (5) さらに 531nm までの長波長化が報告されている () またピエゾ電界の緩和が期待される無極性面や半極性面を用いる試みも進められている無極性面では m 面上で 99nm (7) 半極性面では (11) 面上で nm () までの発振が報告されているがいずれも InGaN 量子井戸層の結晶性に課題があるこのような状況を鑑み当社はピエゾ電界が多少残っていても量子井戸層の結晶性を維持できる半極性面上レーザの検討を進め新たに {1} 面が優位であることを見出したこの面方位の基板上に作製したレーザにより 9 年の世 (9) 界初の純緑色 531nm でのパルス発振を皮切りに 5nm (1) での CW 発振さらに 55nm でJth =.3kA/cm の低閾 (11) 値 CW 発振を達成した今回ソニーとの共同開発により新たに 55-53nm の波長域で 1mW 以上の高出力動作に成功するとともにケース温度 55 での長期信頼性も確認し実用化に大きく前進した本稿では半極性 {1} 面を用いた緑色半導体レーザ開発の最近の進展について述べる. 半極性 {1} 面と緑色レーザの作製方法先ず初めに我々が着目した半極性 {1} 面について述べるこの面は図 1 に示すように c 面をm 軸方向に 75.1 度傾斜させた代表的な低指数面で最表面には Ga とNが混在する他機関から報告されている無極性 m 面や半極性 ( 1 ) 高出力高効率純緑色レーザ

2 (11) 面はピエゾ電界がになるが {1} 面のピエゾ電界はc 面の 1/3 程度で向きが逆方向という特徴があるこのような {1} 面のインチ自立 GaN 基板をハイドライド気相成長 (HVPE ) 法により作製した伝導性は n 型で転位密度は 1 1 cm - 以下である (1) この基板上に有機金属気相成長 (OMVPE 5 ) 法によりレーザ構造のエピタキシャル層を成長したまず n-gan バッファ層を成長した後 n-inalgan クラッド層 n-ingan ガイド層 InGaN 量子井戸発光層 p-algan 電子ブロック層 p-ingan 光ガイド層 p-inalgan クラッド層 p-gan コンタクト層を順に成長したエピ構造における高品質化のポイントは GaN 基板に格子整合する元 InAlGaN クラッド層の採用である次いで一般的なフォトリソグラフィー法とドライエッチングなどによりストライプ幅 µm 共振器長 5µm の屈折率導波型 ( リッジ ) レーザを作製した共振器端面は劈開により形成し出射側の反射率が 5 % 程度になるよう誘電体多層膜を成膜している Ga N [1] [11] [11] 図 1 GaN 結晶の結晶面 :c 面 {1} 面 3. 半極性 {1} 面上緑色レーザの特性図に {1} 面 GaN 基板上に作製した緑色レーザと他機関より報告されている c 面及び半極性面 GaN 基板上緑 (13) (15) 色レーザの光出力特性を比較している {1} 面上の緑色レーザは 53nm を超える長波長域において室温 CW 動作で 1mW を超える高い出力が得られている具体的には 5.nm で 1mW 55.1nm で 17mW 531.3nm で 15mW 53.1nm で 17mW 535.7nm で 75mW である我々はこれまで c 面に対する {1} 面上レーザの特長として長波長化に有利な点のみならず 5nm より長波の純緑色域で低閾値電流であることを報告している一方実用的な出力を得るためにはスロープ効率を改善する必要があった ( 1 1 ) 今回キャビティー長と端面の反射率を最適化することで閾値電流の増加を抑えつつスロープ効率をほぼ倍に向上させることに成功しこのような高い出力を得るに至った次に {1} 面上緑色レーザの光電変換効率 (WPE ) について述べる図に示すように 5nm より長波の純緑色域では c 面上と比べ WPE に顕著な差が見られる特に長波長化に伴い c 面上との差が開いていることがわかるこれは {1} 面上の緑色レーザでは長波化に伴う InGaN 量子井戸層の結晶品質の低下が抑えられていることに加えピエゾ電界が弱いためと考えられる {1} 面上の量子井戸層はエレクトロルミネセンス (EL) の半値幅が小さいことや一様なフォトルミネセンス (PL) 像などか Output power (mw) Wall plug efficiency (%) Intensity (arb. unit) Wavelength (nm) Wavelength (nm) Wavelength (nm) This work c-plane Ref. 13 semipolar Refs. 1 and 15 This work c-plane Ref. 13 semipolar Refs. 1 and 15 図 {1} 面 GaN 基板上と c 面 GaN 基板上緑色レーザの光出力と光電変換効率の発振波長との関係図 3 {1} 面 GaN 基板上緑色レーザの室温 CW 駆動時の発振スペクトル 1 3 年 7 月 S E Iテクニカルレビュー第 1 3 号 ( 19 )

3 らその高い均一性が明らかになっている (1) このような傾向は時間分解フォトルミネセンス法による評価からも示唆されており (17) {1} 面上では長波長化しても量子井戸層の結晶品質が維持される傾向にあることがわかってきたこのような WPE の改善により図 3 に示すように GaN 系レーザとして最も長い発振波長となる 53.nm での室温 CW 発振を実現している次に {1} 面上緑色レーザの素子特性について述べる図とにそれぞれ代表的な電流光出力 (I-L) 特性と電流電圧 (I-V) 特性を示す閾値電流閾値電流密度閾値電圧はそれぞれ 59mA 5.9kA/cm.7V であるケース温度 5 出力 7mW で CW 駆動したときの発振波長は 5.1nm である閾値電圧は接触抵抗の改善に加え p 型層のドーピングプロファイルを最適化することでこれまでの.V から.7V まで低減している前述の高 WPE 化にはスロープ効率改善による効果と合わせてこのような低電圧化も寄与しているこの素子の温度特性についてはケース温度で I-L 特性の線形性に若干の飽和傾向が見られるものの同温度で 9mW 以上の出力が得られており放熱が難しいモバイル機器への搭載に適していることを示唆しているまた図 5 に光出力 Output power (mw) 1 5 C C C 7 C C Current (ma) 5mW でケース温度を 5 55 としたときのファーフィールドパターン (FFP) を示す出射光は単峰性で θ は 3. θ// は 1. である水平方向と垂直方向のアスペクト比は 1. であり実用上問題のないビーム形状が得られている Normalized Intensity (arb. units) Normalized Intensity (arb. units) 1 5 mw Tc: 5 C Tc: C Tc: 55 C Horizontal Angle (deg.) 1 5 mw Tc: 5 C Tc: C Tc: 55 C Vertical Angle (deg.) 図 5 {1} 面 GaN 基板上緑色レーザの出力 5mW における水平方向と垂直方向のビーム拡がり角 Voltage (V) Current (ma) 5 C C C 7 C C 図 {1} 面 GaN 基板上緑色レーザの I-L 特性と I-V 特性の温度依存性 (CW). {1} 面上緑色レーザの信頼性最後に {1} 面上緑色レーザの信頼性について述べる発振波長が 57.5nm-53.nm の 5 素子をケース温度 55 光出力 5mW で APC(Automatic Power Control) モードで駆動させたこのときの動作電流と動作電圧の時間変動を図に示すこれらの素子の閾値電流閾値電圧スロープ効率の典型値はそれぞれ 73mA.5V.5W/A である図の動作電流動作電圧とも 1 時間を経過した時点でほとんど増加は見られず安定してい ( 11 ) 高出力高効率純緑色レーザ

4 3 3 5 CW 5 mw 55 C 5 CW 7 mw 55 C Operating Current (ma) Operating Current (ma) CW 5 mw 55 C CW 7 mw 55 C Operating Voltage (V) 7 5 Operating Voltage (V) 図出力 5mW ケース温度 55 で APC 駆動させた {1} 面 GaN 基板上緑色レーザの動作電流の時間依存性動作電圧の時間依存性図 7 出力 7mW ケース温度 55 で APC 駆動させた {1} 面 GaN 基板上緑色レーザの動作電流の時間依存性動作電圧の時間依存性る動作電流と動作電圧の平均増加率はそれぞれ. % と.9 % であり動作電流が 1.3 倍となる時間を寿命と定義した場合同条件における素子寿命は 5 時間を超えると推定される同様に発振波長が 5.nm と 59.1nm の素子をケース温度 55 光出力 7mW で APC 駆動させたこのときの動作電流と動作電圧の時間変動を図 7 に示す動作電流と動作電圧の平均増加率はそれぞれ.51 % と 3.59 % と見積もられ推定寿命は時間を超えている今回の結果から時間を上回る素子寿命を得るためには投入電力を 1W 以下に抑える必要があることがわかった今後さらなる動作電流と動作電圧の低減により長寿命化が見込まれる 5. 結言我々は {1} 面 GaN 基板上の緑色レーザで 53nm を超える長波長域において 1mW を超える高出力動作に成功し光電変換効率として % を上回る高い値を得た近年のc 面 GaN 基板上の進展は目覚ましいものがあるが 5nm を超える純緑色域では光出力効率のいずれにおいても {1} 面の優位性が実証できたと考えているさらにモバイル機器への搭載で重要なポイントとなる高温特性についてもケース温度で 9mW の高出力動作を確認しているまた長期信頼性についてはケース温度 55 光出力 5mW の APC 駆動で推定 5 時間ケース温度 55 光出力 7mW で推定時間を超える寿命が期待される 1 3 年 7 月 S E Iテクニカルレビュー第 1 3 号 ( 111 )

5 用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 SHG Second Harmonic Generation : 入射した光の半分の波長の光が発生する現象 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 3 CW Continuous Wave : 時間的に持続している光波 HVPE Hydride Vapor Phase Epitaxy :V 族原料に水素化物ガスを用いる気相成長方法 5 OMVPE Organometallic Vapor Phase Epitaxy : 構成元素の原料に有機金属化合物蒸気を用いる気相成長方法 WPE Wall Plug Efficiency : 入力電力に対する光出力の割合参考文献 (1) 岸野克巳ディスプレイ技術と可視光レーザー応用物理 vol. 7 no. 11 p (9) () T. Hino, T. Asano, T. Tojyo, S. Kijima, S. Tomiya, T. Miyajima, S. Uchida, and M. Ikeda, Estimation of Device Properties in AlGaInN- Based Laser Diodes by Time-Resolved Photoluminescence, Phys. Stat. Sol., vol. 1, p. 11-1(1) (3) K. Kojima, M. Funato, Y. Kawakami, H. Braun, U. Schwarz, S. Nagahama, and T. Mukai, Inhomogeneously broadened optical gain spectra of InGaN quantum well laser diodes, Phys. Stat. Sol. (c), vol. 5, p. 1-1() () A. Avramescu, T. Lermer, J. Müller, S. Tautz, D. Queren, S. Lutgen, and U. Strau β, InGaN laser diodes with 5 mw output power emitting at 515 nm, Appl. Phys. Lett., vol. 95, p (9) (5) T. Miyoshi, S. Masui, T. Okada, T. Yanamoto, T. Kozaki, S. Nagahama, and T. Mukai, nm InGaN-Based Green Laser Diodes on c-plane GaN Substrate, Appl. Phys. Express, vol., p (9) () A. Avramescu, T. Lermer, J. Müller, C. Eichler, G. Bruederl, M. Sabathil, S. Lutgen, and U. Strau β, True Green Laser Diodes at 5 nm with 5 mw Continuous Wave Output Power on c-plane GaN, Appl. Phys. Express, vol. 3, p (1) (7) K. Okamoto, J. Kashiwagi, T. Tanaka, and M. Kubota, Nonpolar m-plane InGaN multiple quantum well laser diodes with a lasing wavelength of 99. nm, Appl. Phys. Lett., vol. 9, p (9) () H. Asamizu, M. Saito, K. Fujito, J. S. Speck, S. P. DenBaars, and S. Nakamura, Demonstration of nm InGaN/GaN Laser Diodes Fabricated on Free-Standing Semipolar (11) Gallium Nitride Substrates, Appl. Phys. Express, vol. 1, p () (9) 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 {1} Free-Standing GaN Substrates, Appl. Phys. Express, vol., p (9) (1)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 5 nm Green InGaN-Based Laser Diodes on Semi-Polar {1} GaN Substrates, Appl. Phys. Express, vol., p (9) (11) M. Adachi, Y. Yoshizumi, Y. Enya, T. Kyono, T. Sumitomo, S. Tokuyama, S. Takagi, K. Sumiyoshi, N. Saga, T. Ikegami, M. Ueno, K. Katayama, and T. Nakamura, Low Threshold Current Density InGaN Based 5-53 nm Green Laser Diodes on Semi-Polar {1} Free-Standing GaN Substrates, Appl. Phys. Express, vol. 3, p (1) (1)K. Motoki, T. Okahisa, N. Matsumoto, M. Matsushima, H. Kimura, H. Kasai, K. Takemoto, K. Uematsu, T. Hirano, M. Nakayama, S. Nakahata, M. Ueno, D. Hara, Y. Kumagai, A. Koukitu, and H. Seki, Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate, Jpn. J. Appl. Phys, vol., p. L1-L13(1) (13)S. Lutgen, D. Dini, I. Pietzonka, S. Tautz, A. Breidenassel, A. Lell, A. Avramescu, C. Eichler, T. Lermer, J. Müller, G. Bruederl, A. Gomez, U. Strauss, W. G. Scheibenzuber, U. T. Schwarz, B. Pasenow, and S. Koch, Recent results of blue and green InGaN laser diodes for laser projection, Proc. SPIE 7953, 7953G(11) (1)J. W. Rarin, III-Nitride Lasers, presented at ICNS, 9th Int. Conf. Nitride Semiconductors(11) (15)J. W. Raring, M. C. Schmidt, C. Poblenz, Y. Chang, M. J. Mondry, B. Li, J. Iveland, B. Walters, M. R. Krames, R. Craig, P. Rudy, J. S. Speck, S. P. DenBaars, and S. Nakamura, High-Efficiency Blue and True-Green-Emitting Laser Diodes Based on Non-c-Plane Oriented GaN Substrates, Appl. Phys. Express, vol. 3, p (1) (1)M. Ueno, Y. Yoshizumi, Y. Enya, T. Kyono, M. Adachi, S. Takagi, S. Tokuyama, T. Sumitomo, K. Sumiyoshi, N. Saga, T. Ikegami, K. Katayama, and T. Nakamura, InGaN-based true green laser diodes on novel semi-polar {1} GaN substrates, J. Cryst. Growth, vol. 315, p. 5-(11) (17)M. Funato, A. Kaneta, Y. Kawakami, Y. Enya, K. Nishizuka, M. Ueno, and T. Nakamura, Weak Carrier/Exciton Localization in InGaN Quantum Wells for Green Laser Diodes Fabricated on Semi-Polar {1} GaN Substrates, Appl. Phys. Express, vol. 3, p (1) ( 11 ) 高出力高効率純緑色レーザ

6 執筆者髙木慎平 * : 半導体技術研究所上野昌紀 : 半導体技術研究所グループ長博士 ( 理学 ) 片山浩二 : 住友電工ファインポリマー光部品事業推進部課長博士 ( 工学 ) 池上隆俊 : 半導体技術研究所グループ長中村孝夫 : 半導体技術研究所部長博士 ( 工学 ) 簗嶋克典 : ソニー * 主執筆者 1 3 年 7 月 S E Iテクニカルレビュー第 1 3 号 ( 113 )

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PowerPoint プレゼンテーション半極性バルク GaN 基板上への LED の開発実用レベルの発光効率と面内偏光の実現船戸充講師, 川上養一助教授, 上田雅也 (D1) 京都大学工学研究科電子工学専攻成川幸男, 小杉卓生, 高橋正良, 向井孝志日亜化学工業株式会社謝辞 : 京都ナノテク事業創造クラスター背景 III 族窒化物半導体 :AlN,GaN,InN 紫外域 (AlN) から可視域 (GaN) を通って赤外域