窒化物半導体による青色レーザーおよび光電変換素子の現状と展望
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(2) えている.特に,②の高い光閉じ込め係数実現のため に,GaNナノワイヤ周囲にGaInN量子井戸を形成させた 量子殻活性層)や,低屈折率AlInNクラッド層12)など の要素構造の検討を進めている.通常の半導体レーザー では,光閉じ込め係数は数%であるが,3次元的な構造 である量子殻構造では,6.5 9.0%になる可能性が理論検 討により見積もられている.また,AlInNクラッド層で は,GaNに格子整合しつつ,大きな比屈折率差が得ら れ,赤外材料で良く知られた,GaAs活性層に対するAlGaAsクラッド層,あるいはInGaAsP活性層に対するInP クラッド層に匹敵する比屈折率差が実現する.特に,窒 化物半導体において長波長領域である緑色領域にて,従 来のAlGaNクラッド層に対して約5倍の比屈折率差を実 現できることが報告されている13).このAlInNは,後述 するように結晶成長が困難であったが,GaNとの多層膜 構造を用いる14),あるいは結晶成長条件の最適化12)を進 めることで,高性能素子に要求される高品質AlInN結晶 が作製され始めている.今後は,こうした新しい要素構 造を青色レーザーに適用し,その効果を検証するととも に,赤外レーザー並みのPCEを実現するための方策を明 確にしていく必要がある. 2.2 面発光型 電流注入による窒化物半導体面発光レーザーの実現 は,2008年であり,端面発光型の実現から12年を要し た).この最大の理由は縦型共振器の形成,すなわち 窒 化 物 半 導 体 に よ る 高 品 質 多 層 膜 反 射 鏡(Distributed %UDJJ5HÁHFWRU'%5)の形成が困難だったからであろ. う.+LJXFKLらは,上下共に誘電体'%5を利用すること で 室 温 連 続 動 作15)を,/Xら は,$O1*D1'%5を 下 部 '%5に利用することで,.での連続動作16)をそれぞれ 初めて実現した.上下共に誘電体'%5を用いると,高 反射率を有する'%5自体は容易に形成できる一方,縦 型共振器を形成するために,基板を剥離する煩雑な工程 が必要になる.一方,半導体による'%5では,それ自 体の結晶成長が困難である一方,一旦良好な'%5が形 成できれば,引き続き活性層を含む共振器まで容易に形 成可能である.それぞれメリットとデメリットが対比す る関係になっている. このような状況下で,&RVHQGH\らは,AlInNとGaNを 用いて多層膜反射鏡を形成し,室温パルス発振を実現さ せた17).この構造では,AlInNとGaNが格子整合するた め,赤外面発光レーザーに用いられる格子整合AlAs/ *D$V'%5と同等の高い結晶性の可能性を有する.一方 で,AlInNの結晶成長では,In取り込みのため,GaInN. と同様のÝ&程度まで成長温度を下げなければならず, 高品質結晶を得ることが困難であった.従来,低温成長 によるマイグレーション低下を補うため,GaInNと同 様,0.2 Rm/h以下の低い成長速度を使用する必要があっ た.一方で,この低い成長速度は,数 Rm厚を必要とす る'%5形成には極めて不利であった.そこで,我々は, AlInNに対する成長パラメータを系統的に検討した結 果,成長温度をÝ&程度上昇させることで,成長速度 が0.5 Rm/h以上であっても良好な表面,かつ結晶性を有 するAlInNが成長できることを見出した18).この成長条 件を利用して40 ペアの$O,Q1*D1'%5を形成したとこ ろ, 設 計 波 長410 nmで99.9%,520 nmで99.4%の 反 射 率 が実現した.さらに,報告されている屈折率値を用いた 理論計算と極めて良く一致することもわかった.そし て,この$O,Q1*D1'%5を用いたGaInN面発光レーザー を作製した結果,最大光出力として計5.2 mW (上部誘電 体'%5か ら1.0 mW, 下 部$O,Q1*D1'%5か ら4.2 mW) を実現した19).しきい値電流密度は,10.3 kA/cm2であ り,微分抵抗は140 <であった.一方で,外部微分量子 効率は13%,PCEは5%であり,依然として改善の余地は 大きい. このPCEを改善するためには,しきい値電流密度の低 減,外部微分量子効率の増大,そして素子抵抗の低減が 必要である.最初の二つの改善に向けて,現状の窒化物 半導体面発光レーザーでは,内部損失の低減が鍵を握っ ていると考えられる.窒化物半導体面発光レーザーで は,赤外面発光レーザーで用いられている酸化AlGaAs (低屈折率材料) による電流狭窄構造がなく,それによっ てもたらされる光導波構造も存在しない.+DVKHPLら は,窒化物半導体面発光レーザーで主流となっている SiO2開口とITO電極の組み合わせによる電流狭窄構造で は,意図せず反導波構造が形成され,横方向への光の散 逸による損失が40 cm 1程度存在することを理論計算に より予測した.また,段差構造や埋め込み構造により, 疑似的な屈折率段差による導波構造が実現できることも 提案した20).これまでに,光導波構造を形成する試みが いくつか行われており,それをTable 1 にまとめる.大 きく分けて,誘電体などにより屈折率段差を形成する手 法21 23)と,イオン打ち込みにより 屈折率段差を形成する 手法24)が試みられている.これらの手法において,.XUamotoらの埋め込み構造を用いる手法において,最大光 出力が6 mW,PCEが7%という良好な素子特性が報告さ れている23).現時点では,結晶に直接的なダメージが入 らず,かつ物理的段差のない,すなわち光に対する散乱 要因の少ない構造が良好な結果をもたらしているように. 7DEOH2SWLFDOFRQÀQHPHQWVWUXFWXUHVLQ*D1EDVHG9&6(/V $IÀOLDWLRQ. 6WDQOH\0HLMR23). 0HLMR8QLY22). 8&6%21). 8&6%24). Year. 2018. 2018. 2016. 2015. Structure. 20nm buried SiO2. 15nm Nb2O5 step. 30nm air-gap. Al implantation. 5HIUDFWLYHLQGH[GLIIHUHQFH
(3). 0.26. 1.5. 2.1. 1.8. 6. 0.88. SXOVHG
(4). SXOVHG
(5). /LJKWRXWSXWSRZHU P:
(6). 712. レーザー研究 2018 年 12 月.
(7) 3. 窒化物合半導体による太陽電池 窒化物半導体を用いた受光素子としては,太陽電池が 研究対象の中心になっている.従来の化合物半導体では 1E2̓ 6L2 1E2̓ 6L2 1E2̓ 6L2. ,72 6L2. S*D1 Q*D1. XQGRSHG$O,Q1 XQGRSHG*D1 XQGRSHG$O,Q1 XQGRSHG*D1 XQGRSHG$O,Q1. $O,Q16L *D16L $O,Q16L *D16L $O,Q16L Q*D1. D
(8) XQGRSHG'%5. E
(9) 6LGRSHG'%5. )LJ&XUUHQWSDWKVLQ*D1EDVHG9&6(/VZLWK D
(10) LQVXODWLQJ'%5DQG E
(11) FRQGXFWLQJ'%5. 57&: 9ROWDJHʤ9ʥ. 思われる. 最終的に内部損失に関しては,ITO電極による吸収や 電流注入のための不純物ドーピングに伴う吸収が課題と して残ってくるだろう.我々の簡単な計算によると,そ れ ぞ れ10 cm 1未 満 の 値 が 見 積 も ら れ る. 赤 外 面 発 光 レーザーでその有用性が実証されている,埋め込みトン ネル接合による電流狭窄構造や,光強度分布を考慮した 不純物変調ドーピングによりさらなる損失低減が可能と 考えられる. 続いて,素子抵抗の低減に関して述べる.窒化物半導 体は抵抗率が高いため,素子抵抗は高くなりやすい.さ らに,半導体'%5であっても不純物を添加しない場合 は絶縁性であるため,いわゆるイントラキャビティコン タクトとなり,Fig. ( 1 a)の赤線が示す横方向への電流経 路によって素子抵抗が高くなる.ゆえに,赤外面発光 レーザーで広く用いられている,Fig. 1(b)に示す導電性 '%5に よ る 縦 方 向 電 流 注 入 の 実 現 が 強 く 望 ま れ る. 我々は,窒化物特有の界面に生じる自発分極の影響を考 慮したSi変調ドーピングを上述した$O,Q1*D1'%5に施 し),さらにごく最近,$O$V*D$V'%5でも用いられ ている組成傾斜層を界面に設けることで,再現性良く導 電 性$O,Q1*D1'%5が 実 現 で き る こ と を 明 ら か に し た.これを下部'%5として用いることで,Fig. 2 に示す ように,これまでアンドープ'%5の場合には,上述し たように140 <であった素子抵抗を90 <まで低減させる ことができた26).光出力も,現時点で上述した最大出力 には及ばないものの,1 mW以上の光出力が実現してお り,さらなる最適化により高出力と低抵抗の両立が可能 と考えられる.. ERWWRPHPLWWLQJ. WRSHPLWWLQJ. /LJKW2XWSXW3RZHUʤP:ʥ. Special Issue. &XUUHQWʤP$ʥ. )LJ,/9FKDUDFWHULVWLFVRID*D1EDVHG9&6(/ZLWK DFRQGXFWLQJ'%5 対応できない短波長領域を担う材料として,さらに近赤 外にバンド端を有するInNまでの全組成域GaInN利用を 踏まえた新しい太陽電池としての可能性が検討されてい る. こ の 窒 化 物 半 導 体 太 陽 電 池 の 動 向と 課 題 は, 文 献27)に詳しくまとめられている.ここでは,その窒化 物半導体太陽電池の現状と,光無線給電用受光素子とし ての課題について述べる. 代表的な窒化物半導体太陽電池の構造(吸収層)と特性 をTable 2 にまとめる28 32).太陽電池のエネルギー変換効 率として約3%が報告されている.外部量子効率として は,390 nm付近にて約60%を超える高い値が報告されて いる.これらの構造では,60 nm GaInN単層や,数10周 期の3 nm GaInN井戸層が利用されており,電極での反射 率などを考慮すると90%を超える内部量子効率が実現し ていると考えられる.ゆえに,無線給電用受光素子とし ては,波長390 400 nmを設計波長とすることで,この 高い内部量子効率が利用可能である.最終的に外部量子 効率をさらに向上させるために,GaInN吸収層をさらに 厚くする,あるいは面発光レーザーと同様に'%5によ る共振器構造を用いて吸収領域の実効光路長を長くする ことなどが考えられる. 一 方 で, 課 題 は 開 放 電 圧 の 低 下 で あ る.Table 2 に 記 載 さ れ て い る よ う に, 吸 収 の ピ ー ク 波 長 は390 nm (H9)付 近, 吸 収 端 波 長 は440 nm(H9)付 近 で あ る.このような状況にもかかわらず,得られる開放電圧 は9程度まで低下しており,電圧におけるエネルギー 損失が大きい.この要因を明確にし,対策を講じる必要 がある. さらに,光無線給電用受光素子として検討すべき特性 として,照射光密度依存性が挙げられる.通常,太陽電 2 池における照射光密度は100 mW/cm(681) である. 一方,光無線給電用受光素子では,より高い照射光密度 が予想される.ここでは,光無線給電における照射光密 度 を 以 下 の よ う に 概 算 し た.100 Rmピ ッ チ で 面 発 光 レーザーを1 cm四方に並べると,その中に10000個の面 発 光 レ ー ザ ー が 存 在 す る. 各 面 発 光 レ ー ザ ー が 10 mWの光を出射すると,全光出力は100 Wである.仮 に,同じサイズの太陽電池でその光を全て受光すると. 第 46 巻第 12 号 窒化物半導体による青色レーザーおよび光電変換素子の現状と展望. 713.
(12) Table 2 Structures and characteristics of GaN-based solar cells. $IÀOLDWLRQ. $UL]RQD6WDWH8QLY32). &15631). 0HLMR8QLY30). 8&6%29). 7H[DV7HFK8QLY28). Year. 2018. 2016. 2011. 2011. 2010. DEVRUSWLRQOD\HU. 30-pair 3nm GaInN. 60nm GaInN. 50-pair 3nm GaInN. 60nm GaInN. 12-pair 3nm GaInN. 3&(
(13). 2.95. 1.85. 0.49. VXQV
(14). 1.57. ([WHUQDOTXDQWXP HIÀFLHQF\
(15). 65. 79. VXQV
(16). 72. Peak absorption ZDYHOHQJWK QP
(17). 390. 387. 390. 380. Absorption edge ZDYHOHQJWK QP
(18). 450. 440. 440. 430. Open-circuit YROWDJH 9
(19). 2.2. 0.48. VXQV
(20). 1.89. 1.8. Short-circuit current P$FP2). 1.39. 2.56. VXQV
(21). 1.06. 2.56. 60.52. 40. VXQV
(22). 78.6. 64. )LOOIDFWRU
(23). なると光密度は100 W/cm2である.この場合,太陽光受 光の場合に比べ,3桁も高い値になる.この照射光強度 依存性として,我々はITO電極を利用した太陽電池にお 2 いて,光強度を20 W/cm(200 sun)以上まで増大させる ことで,解放電圧が9まで向上し,太陽電池として のエネルギー変換効率が4.0%まで改善されることを報 告した33).これらの改善は,光強度増大によるキャリア 密度増大に起因しており,他材料系でも同様の報告が ある.一方で,照射強度密度が増大(∼10 W/cm2)する と,変換効率が大きく低下する例も報告されている2). これは,高い照射強度に伴う素子温度上昇による特性 の低下と報告されている.ここまで示した結果は,広 いスペクトルを有する疑似太陽光を用いた場合の結果 である.今後は,単色光による窒化物半導体受光素子 の特性検討とその理解が望まれる. 最後に,上述した青色レーザーと窒化物半導体太陽電 池の特性に関する報告値を用いて,光無線給電システム におけるエネルギー効率を概算する.青色半導体レー ザーではPCEが約40%であった.出射された光が,全く ロスなく太陽電池に到達し,かつ太陽電池の受光効率に おいて,照射光密度依存性がないと仮定する.この場 合, 外 部 量 子 効 率 が70%, 開 放 電 圧 の 低 下 分 が65% (H9H9) ,さらに,最適動作点を与える曲線因子 がおよそ70%であることから,波長390 400 nmにおける 受光側のPCEは約30%と見積もられる.よって,システ ム全体としてのエネルギー効率は,10%程度である.給 電システムとしては低い値であり,効率改善が必須であ る.一方で,無線であること,そして青色光であること の特徴に着目し,海中での無線給電 (および通信) に関す る議論が注目され始めている .こうした動きに併せて, 光無線給電という観点における窒化物半導体素子の研究 開発も早々に必要になると思われる.. 4.まとめ 本稿では,光無線給電の観点から,青色レーザーと窒 化物半導体太陽電池の現状と課題を記載した.エネル ギー変換効率の現状は,端面青色レーザーで約40%,面 発 光 型 で10%未 満 で あ る. そ し て 太 陽 電 池 の 波 長390 400 nmの単色光におけるエネルギー変換効率は 約30%と見積もられる.赤外領域で動作する半導体素子 に比べ,低い値である一方,青色レーザーが必要な光無 線給電に関する議論も開始された.今後,光無線給電へ の利用を見据えた検討を進めることで,素子特性の改善 が進み,青色領域で動作する素子の可能性がさらに高ま ることを期待する. 謝 辞 本研究課題の一部は文科省・私立大学研究ブランディ ング事業(2016 2020) ,文科省 「省エネルギー社会の実 現に資する次世代半導体研究開発」 ,日本学術振興会・ 科研費基盤研究A(+,+) ,新学術領域 研究 (+) ,-67&5(67(16815710)の援助によっ て行われました. 参考文献 1)宮本 智之:O plus E 40(2018) . 2) &'6DQWL00HQHJKLQL$&DULD('RJPXV0=HJDRXL) 0HGMGRXE%.DOLQLF7&HVFD*0HQHJKHVVRDQG(=DQRQL Materials 11(2018)153. 3) , $NDVDNL +$PDQR 6 6DWD + 6DNDL77DQDND DQG 0 .RLNH-SQ-$SSO3K\V34(1995) / 4) 61DNDPXUD06HQRK61DJDKDPD1,ZDVD7<DPDGD7 0DWVXVKLWD+.L\RNXDQG<6XJLPRWR-SQ-$SSO3K\V35 (1996) / 5) 60DVXL<1DNDWVX'.DVDKDUDDQG61DJDKDPDProc. SPIE 10104(2017) + 6) +.|QLJInt. Conf. Nitride Semicon.(2017) % 7) 0 0XUD\DPD< 1DND\DPD .<DPD]DNL< +RVKLQD +. $/$1コンソーシアム,KWWSVZZZMHLWDRUMSMDSDQHVHWRSLFVSGI. 714. レーザー研究 2018 年 12 月.
(24) Special Issue. :DWDQDEH 1 )XXWDJDZD + .DZDQLVKL7 8HPXUD DQG + 1DUXL3K\V6WDW6RO$215(2018)1700513. 8) 0.DQVNDU7(DUOHV7-*RRGQRXJK(6WLHUV'%RWH]DQG/ -0DZVW(OHFWURQ/HWW41(2005)245. 9) 65XGHU7(DUOHV&*DOVWDG0.ODXV'2OVRQDQG/-0DZVW &/(2 (2018)STu4Q.4. 10)上山 智,竹内 哲也,岩谷 素顕,赤﨑 勇:GaN系量子殻構 造の成長と光学特性評価,日本結晶成長学会誌 45(2018) . 11) <.XULVDNL6.DPL\DPD0,ZD\D77DNHXFKLDQG,$NDVDNL 3K\V6WDW6RO$214(2017)1600867. 12) 0 0L\RVKL 0<DPDQDND7 (JDZD DQG77DNHXFKL$SSO 3K\V([SUHVV11(2018)051001. 13) 7 /HUPHU 0 6FKLOOJDOLHV$ %UHLGHQDVVHO ' 4XHUHQ & (LFKOHU$$YUDPHVFX-0XOOHU:6FKHLEHQ]XEHU86FKZDU] 6/XWJHQet al3K\V6WDW6RO$207(2010)1328. 14) . ,NH\DPD< .R]XND . 0DWVXL 6<RVKLGD7$NDJL< $NDWVXND1.RLGH77DNHXFKL6.DPL\DPD0,ZD\Det al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lasma-20181DJR\D-DSDQ0DUFK 27)山本 暠勇,ブイヤンアシュラフル G.:日本真空学会 55 (2012)27. 28) 5'DKDO-/L.$U\DO-</LQDQG+;-LDQJ$SSO3K\V /HWW97(2010)073115. 29) ( 0DWLROL & 1HXIHOG 0 ,]D 6 & &UX]$$$O+HML ; &KHQ50)DUUHOO6.HOOHU6'HQ%DDUV80LVKUDet al $SSO3K\V/HWW98(2011)021102. 30) <.XZDKDUD7)XMLL76XJL\DPD',LGD<,VREH<)XML\DPD < 0RULWD 0 ,ZD\D77DNHXFKL 6 .DPL\DPD et al$SSO 3K\V([SUHVV4(2011)021001. 31) 0$ULI-36DOYHVWULQL-6WUHTXH0%-RUGDQ<(*PLOL6 6XQGDUDP;/L*3DWULDUFKH3/9RVVDQG$2XJD]]DGHQ $SSO3K\V/HWW109(2016)133507. 32) ;+XDQJ+&KHQ+)X,%DUDQRZVNL-0RQWHV7+<DQJ .)X%3*XQQLQJ''.ROHVNHDQG<=KDR$SSO3K\V /HWW113(2018)043501. 33) 0 0RUL 6 .RQGR 6<DPDPRWR 7 1DNDR 0 ,ZD\D 7 7DNHXFKL6.DPL\DPD,$NDVDNLDQG+$PDQR-SQ-$SSO 3K\V52(2013) -+. 第 46 巻第 12 号 窒化物半導体による青色レーザーおよび光電変換素子の現状と展望. 715.
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