電子線励起による室温遠紫外線レーザ発振に成功
−六方晶窒化ホウ素における遠紫外波長領域の高効率発光特性を発見− 平成１６年５月２４日 独立行政法人物質・材料研究機構 ［概要］ 独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸 輝雄）物質研究所（所長：渡辺 遵） スーパーダイヤグループ（ディレクター：神田久生）の渡邊賢司主任研究員と超高圧グル ープ（ディレクター：赤石 實）の谷口 尚主席研究員らは、原材料を注意深く精製する ことにより得られた六方晶窒化ホウ素１ ）において、遠紫外領域（波長215nm）を中心とす る単峰性の非常に強い発光スペクトルを見出した。また、この発光線は自由励起子２ ）に由 来するものであり、物質固有のものであることを光吸収スペクトルで確認し、この物質が 半導体レーザなどに応用可能な直接型半導体３ ）であることを実証した。さらに、電子線に よる励起で、この発光線を利用して遠紫外領域（波長215nm）で室温レーザ発振動作をさせ ることに成功した。これは、波長変換素子を使わずに固体レーザで直接到達できる波長の うち最も短い波長における発振例である（参考図２）。 コンパクトで高効率の遠紫外領域の発光素子は、環境汚染物質に対して現在研究が進ん でいる光触媒による分解処理法の光源として、あるいは計測用He-Cdレーザの半導体レーザ への置換え、さらにはDVDなどの光記録デバイスの高集積化、蛍光灯の励起光源としての利 用、病院や食品加工などで用いられる殺菌用水銀ランプの半導体発光素子への置換えなど による省エネ化、無水銀化など多種多様の応用分野が期待されており、産業に及ぼす影響 は計り知れない。本研究により六方晶窒化ホウ素が遠紫外領域における高効率発光材料と して半導体レーザなどの発光素子に応用可能であることが明らかにされた。近い将来には、 近年盛んに研究されているコンパクトな電子線源（カーボンナノチューブやダイヤモンド など）と組み合わせることで、比較的容易に、かつコンパクトな紫外線レーザなどの紫外 線光源デバイスが実用化できることが期待される。 この研究成果は、５月２４日付け英国科学誌「ネイチャー・マテリアルズ」でオンライ ン公開される。 １．研究の背景 窒化ガリウム（GaN）を用いた青色半導体レーザおよび発光ダイオードの成功により、DVD などの光記録媒体の高密度化や大型ディスプレイ、信号機などの表示デバイスへの応用な ど、コンパクトで長寿命かつ高効率な半導体光デバイスの特長を生かした応用分野が近年 広がりつつある。さらに、半導体発光素子としては未踏の波長領域である遠紫外波長領域 （200nm近辺）で発光する発光素子開発への要求が高まっている。 現在、将来性の期待されている物質には窒化アルミニウム（直接型半導体）があるが、 応用に向けて結晶性の問題や伝導性制御の問題など数々の障害を克服する必要があること などに表されるように、遠紫外領域におけるデバイス材料開発は緒に就いたばかりである。 スーパーダイヤグループおよび超高圧グループでは、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素な どのワイドギャップ半導体物質の探索により、波長200nm近辺における材料研究およびデバイス開発研究で世界を先導している。しかし、これらの物質は、基本的に間接型半導体で あり、励起されたエネルギーの大半は熱に変わってしまうことから高い発光効率は期待で きず、高効率を示す新奇物質の探索を行ってきた。本研究で見いだした六方晶窒化ホウ素 は、古くから知られている物質で化学的に安定であることから耐熱・絶縁材料などに使わ れている。しかし、遠紫外領域での光学特性は結晶試料の不完全性などの理由により、ま ったく明らかにされておらず、また研究対象としてほとんど関心を持たれていなかった。 ２．今回の研究成果 今回、注意深く精製した原材料を用い、３万トン高圧プレス装置により高温・高圧下 （1500-1750℃、4.0-4.5GPa）でバリウム・窒化ホウ素混合物の溶媒を用いて育成すること により高純度の単結晶を作製することに成功した（図１）。この結晶は、自由励起子発光 と思われる単峰性の非常に強い発光（波長215nm）を示し（図２）、さらに光吸収スペクト ルにおいても自由励起子によると思われる特徴的な一連の吸収構造を示す。このことは、 結晶の固有の性質が直接観測できるほど高純度の結晶試料が得られたことを意味する。こ れらの結果、この物質はレーザダイオードなどに応用可能な直接型半導体であることが明 らかにされた。 また、この高品質の六方晶窒化ホウ素は、ｃ軸方向に垂直に劈開面４ ）を持つ（図１）。 この劈開面を利用して平行平板を作り、それぞれの端面をミラー面とするレーザ共振器構 造を作製し、電子線をフォーカスすることにより六方晶窒化ホウ素を励起したところ、波 長215nmの発光が、 ・ある電流値にて急激に発光強度が増大する現象（レーザしきい値の観測） ・上記電流値の前後で発光スペクトル線幅の減少および発光ビーム強度の角度分布の変化 などのレーザ動作に特有の現象をおこすことを見いだし（図３）、室温レーザ発振を確認 した。 ３．社会への波及効果と今後の展開 コンパクトで高効率の遠紫外領域の発光素子が開発されると多方面の応用が考えられる。 例えば、環境汚染物質に対して現在研究が進んでいる光触媒による分解処理法の光源とし て、あるいは計測用He-Cdレーザの半導体レーザへの置換え、さらにはDVDなどの光記録デ バイスの高集積化、蛍光灯の励起光源としての利用、病院、食品加工などで用いられる殺 菌用水銀ランプの半導体発光素子への置換えなど、産業に及ぼす影響は計り知れない。今 回の研究成果と近年盛んに研究されているコンパクトな電子線源（カーボンナノチューブ やダイヤモンドなど）を組み合わせることで、比較的容易に、かつコンパクトな紫外線レ ーザや紫外線光源が実用化できると期待される。 また、六方晶窒化ホウ素に関しては不明な点が多い状況であるが、今回の高純度化技術 を用いることにより、この物質に関して多くの情報を得ることができることから、さらな る新奇な現象がこの物質において観測できるものと期待される。
用語解説 １）六方晶窒化ホウ素 窒化ホウ素の安定な構造のひとつ。窒素原子とホウ素原子が参考図1のように六角形ネッ トの層状構造をとる。熱力学的・化学的に安定なことから現在は絶縁体や耐熱材料などに 用いられている。 ２）自由励起子 半導体中に励起された電子と正孔がクーロン相互作用により互いに束縛された状態のこ と。自由励起子に関連する発光および吸収を調べることにより、物質固有の電子構造の情 報を得ることができる。 ３）直接型半導体 半導体中に励起された電子と正孔が再結合発光する際に、格子振動モードの介在を伴わ ず直接結合できる電子構造を持つ半導体のことで、主に半導体レーザ素子などの発光デバ イスに応用される。それに対して間接型半導体は、格子振動モードの介在が必要となるた めに発光効率が著しく低く、高効率の発光デバイスへの応用は一般に難しい。 ４）劈開面 特定のある方位を持つ結晶の面が割れやすいという性質を劈開といい、この面のことを 劈開面という。 （問い合わせ先） 〒305-0047 茨城県つくば市千現１−２−１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL：029-859-2026 FAX：029-859-2017 （研究内容に関すること） 独立行政法人物質・材料研究機構 物質研究所スーパーダイヤグループ 主任研究員 渡邊賢司（わたなべ けんじ） TEL：029-860-4309（ﾀﾞｲﾔﾙｲﾝ）又は 029-860-4698（ｵﾌｨｽ） 物質研究所超高圧グループ 主席研究員 谷口 尚（たにぐち たかし） TEL：029-860-4413（ﾀﾞｲﾔﾙｲﾝ）又は 029-860-4693（ｵﾌｨｽ）
図１ 高温・高圧法で作製した高純度六方晶窒化ホウ素の写真。 紙面垂直方向がｃ軸であり、紙面平行方向に劈開面がある。
図２ 六方晶窒化ホウ素の室温発光スペクトルの一例。
波長215nmに単峰性の自由励起子発光スペクトルが観測されており、 結晶性が非常によいことを示している。
図３ レーザ発振しているときのスペクトル。 光共振器の各々の共振モードにおける波長で共振して、線幅の狭い 櫛状のレーザラインが観測されている。 参考図1 六方晶窒化ホウ素の結晶構造。 ホウ素原子（Boron）と窒素原子（Nitrogen）の六角ネット状の層が積 み重なって層状構造を形成している。
