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名城大学理工学部材料機能工学科の竹内哲也教授、上山智教授、岩谷素顕教授、および産業技術総合研究所先端半導体研究センターの亀井利浩研究主幹の研究グループは、AR/VRディスプレイやポイントオブケア検査（ポータブル分析器などを用いて、患者の近くでリアルタイムに行う検査）などへの応用が期待される窒化ガリウム面発光レーザー（波長420 nm）にて、20％を超える電力変換効率を初めて実証しました。本研究成果は、2024年3月28日に国際論文誌「Applied Physics Letters」（https://doi.org/10.1063/5.0200294）に掲載されています。
名城大学理工学部材料機能工学科の竹内哲也教授、上山智教授、岩谷素顕教授、および産業技術総合研究所先端半導体研究センターの亀井利浩研究主幹の研究グループは、AR/VRディスプレイやポイントオブケア検査（ポータブル分析器などを用いて、患者の近くでリアルタイムに行う検査）などへの応用が期待される窒化ガリウム面発光レーザー（波長420 nm）にて、20％を超える電力変換効率を初めて実証しました。この電力変換効率の大幅向上は、半導体層構造の結晶成長の膜厚制御精度を従来よりも約一桁高める「高精度その場膜厚制御」手法を確立できたためであり、将来の生産性向上にも繋がることから、社会実装に向けた大きな一歩であると言えます。
本研究成果は、2024年3月28日に国際論文誌「Applied Physics Letters」（ https://doi.org/10.1063/5.0200294 ）に掲載されています。
本研究成果は、2024年3月28日に国際論文誌「Applied Physics Letters」（ https://doi.org/10.1063/5.0200294 ）に掲載されています。
１．背景
面発光レーザーは、LEDの高い生産性と半導体レーザーの優れた発光特性の双方を有する発光素子であり、1977年に東京工業大学の伊賀健一教授が発明した日本発の発光素子です。一方、窒化ガリウムは、本学の赤﨑勇特別栄誉教授のノーベル賞受賞理由となった、同じく日本発の高効率青色LEDを構成する半導体材料です。この双方を組み合わせた窒化ガリウム面発光レーザーは、青色を中心とする可視域をカバーする面発光レーザーであり、AR/VRディスプレイ、自動車用アダプティブヘッドライト、可視光通信システム、そしてポイントオブケア検査など、様々な分野への応用が期待されています。これまで複数の研究機関がその開発を進め、これまでに電力変換効率として10％台までが報告されていました。実用化に向けたさらなる効率改善や、生産性向上に向けた高い再現性が望まれていました。
面発光レーザーは、LEDの高い生産性と半導体レーザーの優れた発光特性の双方を有する発光素子であり、1977年に東京工業大学の伊賀健一教授が発明した日本発の発光素子です。一方、窒化ガリウムは、本学の赤﨑勇特別栄誉教授のノーベル賞受賞理由となった、同じく日本発の高効率青色LEDを構成する半導体材料です。この双方を組み合わせた窒化ガリウム面発光レーザーは、青色を中心とする可視域をカバーする面発光レーザーであり、AR/VRディスプレイ、自動車用アダプティブヘッドライト、可視光通信システム、そしてポイントオブケア検査など、様々な分野への応用が期待されています。これまで複数の研究機関がその開発を進め、これまでに電力変換効率として10％台までが報告されていました。実用化に向けたさらなる効率改善や、生産性向上に向けた高い再現性が望まれていました。
2．ポイント
■ これまで電力変換効率が10％台であった窒化ガリウム面発光レーザーにて20％以上を実証
■ 効率改善の鍵は、「高精度その場膜厚制御」「GaInN注１）下地層による発光特性改善」「比較的小さい発光径（5 µm）の採用」の三つ
■ 確立した「高精度その場膜厚制御」は、素子作製において高い再現性をもたらすため、将来の社会実装に向けた生産技術としても優れた手法
■ 効率改善の鍵は、「高精度その場膜厚制御」「GaInN注１）下地層による発光特性改善」「比較的小さい発光径（5 µm）の採用」の三つ
■ 確立した「高精度その場膜厚制御」は、素子作製において高い再現性をもたらすため、将来の社会実装に向けた生産技術としても優れた手法
注１ GaInN
窒化ガリウム・窒化インジウムを主成分とする化合物半導体混晶で、青色から緑色の光を発する LED やレーザーデバイスに利用されます。最近は赤色 LED も実現されつつあります。
窒化ガリウム・窒化インジウムを主成分とする化合物半導体混晶で、青色から緑色の光を発する LED やレーザーデバイスに利用されます。最近は赤色 LED も実現されつつあります。
本件に関する詳細については、添付PDFもしくは本学サイトニュースリリースをご覧ください。
名城大学ニュースリリースURL： https://www.meijo-u.ac.jp/news/asset/9597fc1f15fd9ff0fff3d990eb84033a.pdf
【掲載論文】
1）20%を超える電力変換効率窒化ガリウム紫色面発光レーザーの実証
雑誌名：Applied Physics Letters
タイトル： Over 20% wall plug efficiency of on-wafer GaN-based vertical-cavity surface-emitting laser
著者名：Ruka Watanabe, Kenta Kobayashi, Mitsuki Yanagawa, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, Toshihiro Kamei
掲載日時： 2024/3/28
DOI: 10.1063/5.0200294
2）その場観察による高精度膜厚制御１：共振器
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics
タイトル： In situ cavity length control of GaN-based vertical cavity surface-emitting lasers with in situ reflectivity spectra measurements
著者名：Tsuyoshi Nagasawa, Kenta Kobayashi, Ruka Watanabe, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, and Toshihiro Kamei
掲載日時： 2023/6/23
DOI: 10.35848/1347-4065/acdba9
3）その場観察による高精度膜厚制御２：多層膜反射鏡
雑誌名：physica status solidi (b)
タイトル： In Situ Center Wavelength Control of AlInN/GaN Distributed Bragg Reflectors with In Situ Reflectivity Spectra Measurements
著者名：Kenta Kobayashi, Taichi Nishikawa, Ruka Watanabe, Tetsuya Takeuchi,*Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, and Toshihiro Kamei
掲載日時： 2024/3/25
DOI: 10.1002/pssb.202400010
1）20%を超える電力変換効率窒化ガリウム紫色面発光レーザーの実証
雑誌名：Applied Physics Letters
タイトル： Over 20% wall plug efficiency of on-wafer GaN-based vertical-cavity surface-emitting laser
著者名：Ruka Watanabe, Kenta Kobayashi, Mitsuki Yanagawa, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, Toshihiro Kamei
掲載日時： 2024/3/28
DOI: 10.1063/5.0200294
2）その場観察による高精度膜厚制御１：共振器
雑誌名：Japanese Journal of Applied Physics
タイトル： In situ cavity length control of GaN-based vertical cavity surface-emitting lasers with in situ reflectivity spectra measurements
著者名：Tsuyoshi Nagasawa, Kenta Kobayashi, Ruka Watanabe, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, and Toshihiro Kamei
掲載日時： 2023/6/23
DOI: 10.35848/1347-4065/acdba9
3）その場観察による高精度膜厚制御２：多層膜反射鏡
雑誌名：physica status solidi (b)
タイトル： In Situ Center Wavelength Control of AlInN/GaN Distributed Bragg Reflectors with In Situ Reflectivity Spectra Measurements
著者名：Kenta Kobayashi, Taichi Nishikawa, Ruka Watanabe, Tetsuya Takeuchi,*Satoshi Kamiyama, Motoaki Iwaya, and Toshihiro Kamei
掲載日時： 2024/3/25
DOI: 10.1002/pssb.202400010
【本件に関するお問い合わせ先】
・研究内容に関すること
名城大学理工学部材料機能工学科 教授 竹内哲也
Tel: 052-838-2293
Email: take@meijo-u.ac.jp
・広報担当
名城大学渉外部広報課
Tel: 052-838-2006
Email: koho@ccml.meijo-u.ac.jp
・研究内容に関すること
名城大学理工学部材料機能工学科 教授 竹内哲也
Tel: 052-838-2293
Email: take@meijo-u.ac.jp
・広報担当
名城大学渉外部広報課
Tel: 052-838-2006
Email: koho@ccml.meijo-u.ac.jp
▼本件に関する問い合わせ先 |
|
名城大学渉外部広報課 | |
住所 | ： 愛知県名古屋市天白区塩釜口1-501 |
TEL | ： 052-838-2006 |
FAX | ： 052-833-9494 |
窒化ガリウム紫色面発光レーザーにおける投入電力に対する電力変換効率（WPE）。発光径5 µmでは20%以上を達成
電力変換効率20％以上を有する窒化ガリウム紫色面発光レーザーの動作の様子
大学・学校情報 |
|---|
| 大学・学校名 名城大学 |
|
| URL https://www.meijo-u.ac.jp/ |
| 住所 愛知県名古屋市天白区塩釜口１-５０１ |
| 中部圏で最大規模を誇る名城大学。多彩な10学部、大学院9研究科を擁する、文理融合型の総合大学です。1926年に開設された「名古屋高等理工科講習所」を前身として、2026年には開学100周年を迎えます。 |
| 学長（学校長） 小原 章裕 |