Output power improvement of microchip deep-ultraviolet laser diodes for innovative manufacturing systems

• Project/Area Number: 21H04560
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 久志本 真希 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (50779551)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 笹岡 千秋 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任教授 (30870381) ; 五十嵐 信行 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (40771100)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2025: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2024: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2023: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2021: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 紫外 / 半導体レーザー / LD / AlGaN / 深紫外 / レーザ / ワイドギャップ半導体 / 窒化アルミニウム / 分極 / 閾値 / レーザー

Outline of Research at the Start

本研究提案は，深紫外レーザダイオード(LD)をレーザー加工用の基幹デバイスとして進化させ，すべてのものづくりの革新を目指すものである. 従来の加工用深紫外レーザ光源は，デバイスサイズとランニングコストが課題である.本研究では，深紫外LDの低閾値化および高出力化に向け，AlGaN量子井戸層やLD構造の光学特性の評価や，深紫外LD実現の鍵となった不純物無添加型分極ドーピングクラッド層，集積化が可能という特徴を持つオンウエハLD作製プロセスがLDの発光特性や電気特性に与える影響を検討し，従来の深紫外レーザ光源を代替する小型で低コストの加工用光源の実現に挑戦する.

Outline of Annual Research Achievements

深紫外LDは不純物無添加型分極ドーピングクラッド層の導入によりレーザー発振を実現した。しかし、nsオーダーの短いパルス電流注入での発振にとどまっている。これは従来の窒化物半導体LDと比較して、閾値電流密度が非常に高いためである。そこで本年度は、深紫外LDにおける閾値上昇の要因を検討した。まずLDに含まれる六角形形状の異常成長に着目した。これらの領域を含んだ共振器では閾値電流密度が上昇する。これらの影響を検討するために、光学特性・電気特性・構造解析といった多角的な手法を用いて諸特性の解析を行った。その結果、異常成長領域はLEDモードでは非常に強い発光強度を持つことを示した。CL測定において発光層の発光波長や分布を観測したところ、異常成長の発光波長は長波長化すること、および発光強度は低減することが示された。そこでエミッション顕微鏡・コンダクティブAFMを用いて電気特性評価を行ったところ、異常成長領域への電流集中が観測された。以上のことから異常成長により電流注入不均一が発生し不均一な発光分布が局所的に形成されることや、異常成長領域のバンドギャップが小さいことで共振器内で吸収が発生することにより、閾値電流密度が上昇することが明らかとなった。次にプロセス起因で発生する発光不均一に着目した。これらデバイス作製中の熱処理プロセスで発生し、閾値電流密度を大きく上昇させる。これは応力解放により形成される可能性が高いと考えられたことから、構造解析や抑制可能なデバイス構造やプロセスの検討を実施した。この根本原因の解決は閾値電流密度の上昇を抑制し、高出力化を実現するために必須であることから、来年度も継続して実施予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的である深紫外LD高出力化のためには、まず低閾値で発振可能なLDの作製が必須である。特に従来の窒化物半導体LDと比較して、ワイドバンドギャップであるAlGaNをベースとしたLD構造であることから、重大な課題である。本年度実施した検討により閾値電流密度の上昇の原因を明らかとすることができた。さらに閾値上昇原因の根本解決に向けた構造解析やデバイス検討も進捗している。以上のことから、低閾値化実現へと大きな前進が得られたと考えられ、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今回着目した活性層中の発光不均一形成はAlN基板を用いた高品質なAlGaN結晶である故に明らかになった現象である考えられる。これらの詳細を明らかとすることは、より短波長・長波長の深紫外LDの実現だけでなく、AlGaN系デバイスの設計やプロセス構築において重要な知見となる。そのため、引き続きデバイス構造やプロセス検討によるデバイス実証に加えて、有限要素法を用いた応力解析といった手法を取り入れて詳細を明らかとすることを目指す。またさらなる低閾値化の実現に向けて、構造解析や、光学特性評価装置の構築などを実施して詳細な評価を行っていく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Impact of heat treatment process on threshold current density in AlGaN-based deep-ultraviolet laser diodes on AlN substrate (2021)
  • Author(s): Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Naoharu Sugiyama, Yoshio Honda, Leo J. Schowalter, Chiaki Sasaoka and Hiroshi Amano
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abf443
  • NAID: 120007169545
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Threshold increase and lasing inhibition due to hexagonal-pyramid-shaped hillocks in AlGaN-based DUV laser diodes on single-crystal AlN substrate (2021)
  • Author(s): Maki Kushimoto1, Ziyi Zhang, Yoshio Honda, Leo J. Schowalter, Chiaki Sasaoka, and Hiroshi Amano
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3a1d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] UV-C LDs fabricated on AlN Substrates (2022)
  • Author(s): Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Leo Schowalter, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Hiroshi Amano
  • Organizer: The 3rd International Workshop on Materials Science and Advanced Electronics Created by Singularity (IWSingularity 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Emission uniformity of UVC laser diodes on AlN substrates (2022)
  • Author(s): Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Leo Schowalter, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Hiroshi Amano
  • Organizer: SPIE Photonics West 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] AlN基板上UV-C レーザーダイオード (2022)
  • Author(s): 久志本 真希、張 梓懿、本田 善央、レオ ショーワルター、笹岡 千秋、天野 浩
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第42回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 分極制御 AlGaN を用いた深紫外半導体レーザ (2022)
  • Author(s): 久志本 真希，張 梓懿，本田 善央，レオ ショーワルター，笹岡 千秋，天野 浩
  • Organizer: 2022 年日本結晶成長学会特別講演会『赤_勇先生追悼 講演会 ~結晶成長が描く夢の継承~』
  • Invited
• [Presentation] UV-C laser diode with distributed polarization doped p-cladding layer (2021)
  • Author(s): M. Kushimoto, Z. Zhang, T.Sakai, N.Sugiyama, L. J. Schowalter, Y. Honda, C. Sasaoka, and H. Amano
  • Organizer: 2021 Spring Meeting of the Materials Research Society (MRS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of polarization doped UVC LDs on AlN substrates (2021)
  • Author(s): M. Kushimoto, Z. Zhang, N. Sugiyama, L. J. Schowalter, Y. Honda, C. Sasaoka, and H. Amano
  • Organizer: Compound Semiconductor Week(CSW-2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Deep UV Laser Diode with Compositionally Graded AlGaN p-cladding Layer (2021)
  • Author(s): Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Naoharu Sugiyama,Leo Schowalter, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Hiroshi Amano
  • Organizer: CLEO 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reducing the Threshold Current Density of Deep UV LDs on AlN Substrate (2021)
  • Author(s): Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Yoshio Honda, Leo Schowalter, Chiaki Sasaoka, Hiroshi Amano
  • Organizer: the IEEE Photonics Conference (IPC 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of UV-C laser diode on AlN substrate using distributed polarization doped p-side cladding layer (2021)
  • Author(s): Chiaki Sasaoka, Ziyi Zhang, Maki Kushimoto, Leo J. Schowalter, and Hiroshi Amano
  • Organizer: Lester Eastman Conference on High Performance Devices ( LEC 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] AlN基板上UV-C LDのプロセス起因劣化 (2021)
  • Author(s): 笹岡千秋、久志本真希、張梓懿、天野浩
  • Organizer: 日本学術振興会「結晶加工と評価技術」第145 委員会 第172 回研究会
  • Invited
• [Presentation] 最短波長UVC-LD の実現とその周辺技術 (2021)
  • Author(s): 久志本 真希，張 梓懿，本田 善央，レオ ショーワルター，笹岡 千秋，天野 浩
  • Organizer: 一般社団法人ワイドギャップ半導体学会第4回研究会
  • Invited