The Dawn of Miniature Green Lasers


By Shuji Nakamura /Michael Riordan 中村修二 /M. リオーダン
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On a rainy Saturday morning in January 2007, Henry Yang, chancellor of the University of California, Santa Barbara, took an urgent phone call. He excused himself abruptly from a meeting, grabbed his coat and umbrella, and rushed across the windswept U.C.S.B. campus to the Solid State Lighting and Display Center. The research group there included one of us (Nakamura), who had just received the Millennium Technology Prize for creating the first light-emitting diodes (LEDs) that emit bright blue light. Since that breakthrough over a decade earlier, Nakamura had continued his pioneering research on solid-state (semiconductor) lighting, developing green LEDs and the blue laser diodes that are now at the core of modern Blu-ray disc players. 2007年1月の雨の土曜日の朝,カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)の学長ヤン(Henry Yang)は緊急の電話を受けた。彼は会議を突然中座し,コートと傘をひっつかんで,吹きさらしのキャンパスに飛び出して固体発光素子・ディスプレーセンターに駆けつけた。そこの研究グループには,私たち著者の1人で,明るい青色光を出す発光ダイオード(LED)を初めて作製して「ミレニアム技術賞」を受けたばかりの中村がいた。受賞対象となったそのブレークスルーから10年,中村は固体(半導体)発光素子に関する先駆的な研究を続け,緑色LEDと,いま現在ブルーレイDVDプレーヤーの中核部品となっている青色半導体レーザーを開発した。
As Yang reached the center about 10 minutes later, people were milling about a small test lab. "Shuji had just arrived and was standing there in his leather jacket asking questions," he recalled. Nakamura's colleagues Steven DenBaars and James C. Speck were speaking with a few graduate students and postdoctoral researchers as they took turns looking into a microscope. They parted for Yang, who peered into the eyepiece to witness a brilliant blue-violet flash emanating from a glassy chip of gallium nitride (GaN). 10分ほどでヤンが同センターに着いたとき,みんなは小さな実験室でひしめき合っていた。「シュウジはちょうど着いたばかりで,革ジャンを着てそこに立ち,研究メンバーに質問しているところだった」とヤンは回想する。中村の同僚であるデンバース(Steven DenBaars)とスペック(James C. Speck)は交替で顕微鏡を覗き込みながら,数人の大学院生やポスドク研究員と話していた。彼らはヤンに場所を空けた。ヤンがアイピースを通して目にしたのは,窒化ガリウム(GaN)のガラス質のチップから放たれる明るい青紫色の閃光だった。
Within days another group of researchers at Rohm Company in Kyoto, Japan─a partner in the U.C.S.B. center─duplicated the feat using similar materials. Although blue laser diodes are not in themselves very revolutionary [see "Blue-Laser CD Technology," by Robert L. Gunshor and Arto V. Nurmikko; Scientific American, July 1996], Nichia Chemical Industries (based in Tokushima, Japan, where Nakamura worked until 2000), Sony and other companies were still struggling to produce inexpensive GaN laser devices for the Blu-ray disc market. These diodes had previously been fashioned using a method with stubborn limitations that have kept manufacturing yields down and diode costs high. その数日後,京都にあるロームの研究グループ(UCSB同センターの共同研究先の1つ)が,同様の材料を使ってこの離れ業を再現した。青色半導体レーザー自体はそれほど革命的なものではない(R. L. ガンシャー/A. V. ヌルミコ「情報密度を高める青色レーザー」日経サイエンス1996年9月号参照)。とはいえ,日亜化学工業(中村が2000年まで働いていた徳島の会社)やソニーなどの企業はブルーレイDVD向けに安価なGaN半導体レーザーを生産するのにまだ苦労していた。製法に手に負えない困難があるため生産量が低く,コスト高なままだ。
The groups from U.C.S.B. and Rohm are developing a new way to grow the crystalline layers of gallium nitride and related alloys that make up a laser diode. The early successes of the approach not only promise greater yields but also buoy hopes of an even bigger payoff: rugged, compact GaN diodes that emit green laser light─a goal that has long eluded scientists and engineers. The technique should also lead to high-efficiency green LEDs that emit much more light than existing devices. UCSBもロームも半導体レーザーを構成する窒化ガリウムや関連化合物の結晶層を成長させる新方法を開発している。これまでの成功から,生産量の拡大だけでなく,もっと大きな期待が浮上している。緑色光を発する丈夫で小さなGaN半導体レーザー。科学者と技術者が開発に挑みながら,長らく手が届かなかった目標だ。新技法はまた,既存素子よりもずっと明るい高効率緑色LEDにもつながるはずだ。
These achievements would fill a gaping void in the visible spectrum where evolution has trained our eyes to be most sensitive, plugging the "green gap" in the red-green-blue triad needed for full-color laser projection and displays. They should help speed the introduction of laser projectors for televisions and movie theaters which will display much richer colors than other systems and of tiny, handheld "pico projectors" to be used, for example, in cell phones. And high-power green diodes might even be employed in such diverse applications as DNA sequencing, industrial process control and underwater communications. これらの成果は,可視光スペクトルのうち進化によって私たちの目が最も敏感に感じるようになった緑の光を作り出すことになる。フルカラーのレーザープロジェクターとディスプレーに必要な赤・緑・青の三原色に欠けていた「緑のギャップ」を埋めるのだ。これによって,テレビや映画館へのレーザープロジェクターの導入が速まり,ずっとカラフルな表示が実現するだろう。さらに,携帯電話などに搭載できる小さな“ピコプロジェクター”が登場する。そして,高出力の緑色半導体レーザーはDNA配列解析や産業用のプロセス制御,水中での光通信など,多様な用途に使われる可能性もある。
A New Angle
The key advance that led to bright blue solid-state lighting was the mid-1990s conversion to LEDs and laser diodes made of gallium nitride and its alloys [for a profile of Nakamura, see "Blue Chip," by Glenn Zorpette; Scientific American, August 2000]. Before that, most researchers had focused their efforts on zinc selenide and related compounds. In the new approach, an exceedingly smooth, nanometers-thin layer of indium gallium nitride (InGaN) is sandwiched between two layers of GaN, forming what is called a heterostructure or quantum well.
By applying a suitable voltage, researchers set up an electric field perpendicular to these layers that drives electrons and holes─positively charged quasiparticles corresponding to the absence of electrons─together within the InGaN active layers. Inside this narrow trench, the electrons and holes recombine, annihilating one another and generating photons with an energy precisely determined by the properties of the active semiconductor material. By increasing the indium concentration in the alloy, one can lower this energy, thereby increasing the wavelength of the light and changing its color from violet to blue to green. 適切な電圧を加えると,これらの層に対して垂直な電場が生じ,電子とホール(電子が“空席”になったところに対応し,正電荷を帯びた準粒子と見なせる)がInGaNの活性層に導かれる。この薄い層のなかで電子とホールは再結合して消滅し,活性層の半導体材料の特性から正確に決まるエネルギーを持った光子を生み出す。InGaN中のインジウム濃度を高めると,このエネルギーを下げることができ,従って光の波長が長くなって,発光の色が紫から青,緑へと変わってくる。
In LEDs the photons leave the well almost immediately, perhaps rebounding once or twice before exiting the device or being absorbed in the other layers. But in laser diodes, which produce coherent light, the photons stay largely confined within the trench. Two highly reflective mirrors─generally polished crystal surfaces at either end of it─recycle the photons back and forth inside, further stimulating electron-hole recombination. The laser light generated by this "stimulated emission" process is a tight pencil beam of exceedingly pure color. LEDの場合,この光子はほとんどすぐに量子井戸から出て,素子内で1~2度はね返っただけで外部に出てくるか,あるいは他の層に吸収される。しかし,コヒーレント光を生じる半導体レーザーの場合,光子はだいたい活性層に閉じ込められたままになる。高反射率の2つの鏡(一般には活性層両端の結晶面を研磨したものが鏡となる)の間で光子がはね返されて活性層のなかを何度も往復し,電子とホールの再結合をさらに刺激する。この「誘導放出」という過程によって生み出されたレーザー光は,極めて純粋な単色光の細いビームとなる。
To make conventional GaN diodes, workers place a thin wafer of sapphire (or, increasingly, gallium nitride) inside a reaction chamber. There hot gases deposit successive layers of gallium, indium and nitrogen atoms on that substrate, with the exact proportions of each element varying from layer to layer. The atoms in these layers automatically align with the existing crystalline structure, as predetermined by the substrate. Atom by atom, the layers grow in parallel with what is called the substrate's c-plane, which is perpendicular to the crystal's axis of hexagonal symmetry. 在来のGaNダイオードを製造するには,まず反応容器のなかに薄いサファイア基板を入れる(最近では窒化ガリウム基板の利用が増えている)。この基板表面に高温ガスが触れると,基板上にガリウム,インジウム,窒素の原子が堆積して順に層をなす。これら元素の構成比率は各層ごとに厳密にコントロールされる。層のなかの原子は,基板によってあらかじめ決められた既存の結晶構造に沿って自動的に整列する。原子が1つずつ積み重なり,層は基板の「c面(極性面)」と平行に成長していく。c面は六方晶の結晶軸に対して垂直な面だ。
Unfortunately, electrostatic forces and internal stresses between successive layers of positively charged gallium or indium ions and negatively charged nitrogen ions create strong electric fields perpendicular to the c-plane. These fields, which can reach up to 100 volts per micron─equivalent to nearly 200 million volts across an average person's height─counteract the applied external voltage. They pull electrons away from holes─making it harder for them to recombine and yield light. In effect, the electrons pile up at one side of the long quantum dance hall and holes at the other, both reluctant to cross over and meet. 残念なことに,正に帯電したガリウムやインジウムのイオンの層と負に帯電した窒素イオンの層が隣接しているため,これら層の間に働く静電気力と内部応力によって,c面に対して垂直に強い電場が生じる。強さは1μmあたり100ボルトにも達する。1μmを大人の身長に引き直すと,電圧は2億ボルト近い。  この強電場が,外から加えた電圧と逆向きに作用して電子とホールを引き離し,光を生み出す再結合を妨げる。電子が量子ダンス会場の一方に,ホールは会場の他方に集まるようなもので,両者が出会ってめでたくダンスを踊るのは難しくなってしまう。
Known as the quantum-confined Stark effect, this nagging problem becomes particularly acute as the color of the emitted light shifts from violet to blue to green. And as the current through the diode increases, the greater number of charge carriers partially blocks the internal electric fields that keep electrons and holes apart. With these fields partially screened out, the electrons and holes then recombine at higher energies, shifting the light toward the blue end of the spectrum. These problems are the main reason why green laser diodes and high-efficiency green LEDs have remained but a dream for more than a decade. (The familiar green laser pointers used by lecturers have semiconductor lasers that emit infrared radiation and pump another laser in a complicated, inefficient frequency-doubling scheme.) この不愉快な問題は「量子閉じ込めシュタルク効果」として知られ,発光色が紫から青,緑になるにつれて特に深刻になる。そしてダイオード中を流れる電流が増えるに従って電荷キャリアの数も増え,電子とホールを別々に引き離している内部電場を部分的にさえぎる。こうして内部電場が部分的に排除されると,電子とホールはより高いエネルギーで再結合するので,光はスペクトルの青色側にずれる。緑色半導体レーザーと高効率の緑色LEDが過去10年以上も夢にとどまっていた主な理由は,これらの問題による(講演会などでおなじみの緑色レーザーポインターは赤外線を発する半導体レーザーを内蔵し,光の振動数を2倍に高める複雑で非効率な手法で緑色レーザーを得ている)。