名古屋大学未来材料及系统研究所的天野浩教授、笹冈千秋特任教授、久志本真希讲师等人组成的研究团队与旭化成合作，全球首次成功实现了UV-C频带的274nm深紫外半导体激光（UV-C LD）的室温连续振荡。天野教授介绍说：“半导体激光器的波长越短就越难实现，所以深紫外半导体激光器被认为是不可能实现的。名古屋大学和旭化成的合作项目于2017年启动，两年后成功实现了脉冲振荡，现在则进一步实现了室温连续振荡，前后共花了5年时间。而我自己研究蓝色激光的时候花了11年。之所以能在较短的时间内获得成功，当然有很多因素，包括有LED开发经验的人员和旭化成的支持，名古屋大学的专用无尘室等，但最重要的是优秀的年轻研究人员全力投入到了这项研究中。”相关论文已刊登于《Applied Physics Letters》，并在名古屋大学资料库（NAGOYA Repository）公开。
深紫外半导体激光器以及本研究的要点（供图：名古屋大学）
深紫外半导体激光可用于高速大面积杀菌、拉曼光谱、基于共振等离子体的分子检测、显微光刻等用途，在医疗健康、测量与分析、传感、激光加工等多种领域都备受期待。
共同研究团队于2019年世界首次成功实现了基于室温脉冲电流驱动的UV-C波段深紫外半导体激光器的振荡。由于阈值电流较高，当时的脉冲振荡所需的输入功率高达5W，因发热导致难以连续振荡。
为此，研究人员将注意力放到了台面条带（mesa-stripe，将包括产生紫外光的活性层在内的半导体多层结构雕刻成矩形，以光的传播方向为长边）边缘发生的晶体缺陷上。晶体缺陷不仅会使阈值电流密度升高，而且还会限制电极设计，导致驱动电压的上升。
久志本真希讲师介绍到：“当我们用电子显微镜观察台面条带的晶体缺陷时，我们发现多个缺陷在垂直方向连续存在，因此我们认为它们受到了某种力的冲击。通过不断进行仿真，试制样品，以及建模，最终发现造成缺陷的原因是台面条带自身结构带来的应力。”
因此，研究团队设计了使应力最小化的元件结构。具体来说，从侧面看时，不是以往的以直角组合而成的结构，而是将发光部分附近的壁面从90度倾斜到15度，使应力不那么集中。结果实现了台面条带边缘零缺陷的元件。同时，通过改善薄膜晶体生长条件，将阈值电流降低到原来结构的1/4左右，实现了4200A/cm2的阈值电流密度。
电极方面，以往结构中的电极因为要避开台面条带边缘的晶体缺陷，电阻值高达15.9Ω，但新结构实现了零缺陷，因此能够在台面条带边缘附近配置电极，将电阻大幅降低至8.3Ω，达到了世界最高水平。
经过上述改良，实现了用9V干电池就能驱动的8.7V、0.125A的深紫外半导体激光器。天野教授说：“虽然这次的输出功率只有和激光指示器差不多的2mW水平，但今后的目标是将输出功率提高到瓦级。”
旭化成的执行董事久世直洋在谈到商品化时表示，“希望2025年能从名古屋大学实现样品销售，2026年由旭化成推进商品化。由于LED业务的大部分设备都可以使用，所以我们认为1年左右的时间就能够导入必要的设备。首先考虑在测量与分析领域的商品化。通过提高输出功率，商品化的领域将扩大。将来的目标是实现瓦级的输出功率，还考虑拓展到加工领域等”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：《Applied Physics Letters》
论文：Key temperature-dependent characteristics of AlGaN-based UV-C laser diode and demonstration of room-temperature continuous-wave lasing
DOI：http://hdl.handle.net/2237/0002003984
