世界初の連続

名古屋大学2022年11月24日

研究者らは、世界初の深紫外レーザーダイオードの室温連続発振に成功した。 クレジット: 2022 旭化成株式会社、名古屋大学

Scientists have successfully conducted the world's first room-temperature continuous-wave lasing of a deep-ultraviolet laser diode (wavelengths down to UV-C region). These results represent a step toward the widespread use of a technology with the potential for a wide range of applications, including sterilization and medicine. Published today (November 24) in the jorunal Applied Physics LettersApplied Physics Letters (APL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Institute of Physics. It is focused on applied physics research and covers a broad range of topics, including materials science, nanotechnology, photonics, and biophysics. APL is known for its rapid publication of high-impact research, with a maximum length of three pages for letters and four pages for articles. The journal is widely read by researchers and engineers in academia and industry, and has a reputation for publishing cutting-edge research with practical applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Applied Physics Letters, the study was conducted by a research group led by 2014 Nobel laureate Hiroshi Amano at Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">日本の中部にある名古屋大学サステナビリティ材料・システム研究所（IMaSS）は、旭化成株式会社と協力して、

レーザー ダイオード (LD) は 1960 年代に導入されて以来、数十年にわたる研究開発を経て、赤外線から青紫までの波長の多くの用途で最終的に商品化に成功しました。 この技術としては、赤外LDを用いた光通信デバイスや青紫色LDを用いたブルーレイディスクなどが挙げられます。 しかし、世界中の研究グループが努力したにもかかわらず、誰も深紫外LDを開発できませんでした。 重要な進歩は、UV 発光デバイス用の窒化アルミニウム ガリウム (AlGaN) 膜を成長させるための理想的な材料である窒化アルミニウム (AlN) 基板を製造する技術の出現により、2007 年以降に初めて起こりました。

科学者たちは世界で初めて、室温での深紫外レーザーダイオードの連続発振を実証しました。 クレジット: 高橋一生

天野教授の研究グループは2017年から、2インチAlN基板を提供した旭化成と協力して深紫外LDの開発に着手した。 当初、デバイスに十分な電流を注入することが非常に困難であったため、UV-C レーザー ダイオードのさらなる開発が妨げられていました。 しかし2019年、研究グループは分極誘起ドーピング技術を利用してこの問題の解決に成功した。 彼らは初めて、短い電流パルスで動作する短波長紫外可視 (UV-C) LD を製造しました。 ただし、これらの電流パルスに必要な入力電力は 5.2 W でした。電力によりダイオードが急速に加熱され、レーザ発振が停止してしまうため、これは連続波レーザ発振には高すぎます。

しかし今回、名古屋大学と旭化成の研究者らはデバイス自体の構造を再構築し、レーザーが室温でわずか1.1Wで動作するのに必要な駆動電力を削減した。 以前のデバイスは、レーザーストライプで発生する結晶欠陥により有効な電流経路が機能しないため、高レベルの動作電力を必要とすることが判明しました。 しかし今回の研究で、研究者らは強い結晶歪みがこれらの欠陥を生み出すことを発見した。 レーザーストライプの側壁を巧みに調整することで欠陥を抑制し、レーザーダイオードの活性領域への効率的な電流の流れを実現し、動作電力を低減しました。

名古屋大学の産学連携プラットフォーム「未来エレクトロニクス統合研究センタートランスフォーマティブエレクトロニクス施設（C-TEF）」は、新しい紫外レーザー技術の開発を可能にしました。 C-TEF の下では、旭化成な​​どのパートナーの研究者が名古屋大学キャンパスの最先端施設へのアクセスを共有し、再現可能な高品質デバイスの構築に必要な人材とツールを提供します。 研究チームの代表であるチャン・ツィイー氏は、プロジェクトの立ち上げに携わったとき、旭化成入社2年目だった。 「何か新しいことをしたかった」と彼はインタビューで語った。 「当時は深紫外レーザーダイオードは不可能だと誰もが思っていましたが、天野先生は『青色レーザーはできた、これからは紫外光の時代だ』と言われました。」

This research is a milestone in the practical application and development of semiconductor lasers in all wavelength ranges. In the future, UV-C LDs could be applied to healthcare, virusA virus is a tiny infectious agent that is not considered a living organism. It consists of genetic material, either DNA or RNA, that is surrounded by a protein coat called a capsid. Some viruses also have an outer envelope made up of lipids that surrounds the capsid. Viruses can infect a wide range of organisms, including humans, animals, plants, and even bacteria. They rely on host cells to replicate and multiply, hijacking the cell's machinery to make copies of themselves. This process can cause damage to the host cell and lead to various diseases, ranging from mild to severe. Common viral infections include the flu, colds, HIV, and COVID-19. Vaccines and antiviral medications can help prevent and treat viral infections." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ウイルス検出、微粒子測定、ガス分析、高精細レーザー加工。 「滅菌技術への応用は画期的なものになる可能性がある」と張氏は語った。 「時間効率の悪い現在の LED 滅菌方法とは異なり、レーザーは広範囲を短時間かつ長距離で消毒できます。」 この技術は、滅菌された手術室と水道水を必要とする外科医や看護師に特に恩恵をもたらす可能性がある。

成功した結果は、Applied Physics Letters 誌に掲載された 2 つの論文で報告されています。

参考文献:

「AlGaN ベース UV-C レーザー ダイオードの主要な温度依存特性と室温連続波レーザー発振のデモンストレーション」 by Ziyi Zhang、串本麻紀、吉川 明、青戸 幸司、笹岡 千秋、Leo J. Schawalter、天野 博、 1999; 2022 年 11 月 24 日、Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0124480

「擬似的に成長させたAlGaN UV-Cレーザーダイオードの転位生成を抑制するための局所応力制御」串本麻紀、Ziyi Zhang、吉川明、青砥幸治、本多良​​雄、佐々岡千秋、Leo J. Schawalter、天野博著、2022年11月24日、Applied物理学レター.DOI: 10.1063/5.0124512