成果報告書詳細
管理番号20090000000203
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/ディスプレイ用可視光半導体レーザの研究開発
公開日2009/9/9
報告書年度2006 - 2008
委託先名日本電気株式会社
プロジェクト番号O03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約本研究開発の目的は、レーザプロジェクション型ディスプレイのキーデバイスとなる窒化物半導体による高効率緑色・青色半導体レーザを開発することにより、光源の消費電力を1/10に改善してディスプレイの省エネルギー化推進を図ることにある。平成18年度は、緑色レーザの基材として原子レベルで平坦な非極性面の形成技術を開発した。GaN(0001)にドライエッチングでリッジ構造を作製した後、GaNのMOVPE成長を行い(1-101)面と(1-100)面を形成した結果、原子ステップ密度として2-7/um2と十分低い値を得た。青色レーザについては、マルチモード干渉(MMI)導波路を適用したMMIレーザの設計技術を開発した。MMI最適化の結果、基本モードの結合効率は95%以上、発振しきい電流密度は従来比20%以上の低減が可能であることを計算で示した。平成19年度は、緑色レーザについては、非極性面へのAlGaN成長技術と極性面上の高発光効率InGaN活性層を開発した。光励起による誘導放出光を観測したが、PL波長から短波長化した青色領域であった。この波長シフトの原因としてInGaN活性層の内部電界や組成分離の影響を明らかにした。高出力青色レーザについては、青色波長帯でのMMIレーザ発振を初めて実現し、発振しきい電流密度の従来比20%低減を達成した。一方、消費電力の低減は数%であった。更なる改善に向けたシミュレーションによる検討の結果、素子構造の改良により電流-光変換効率の向上が可能であり、消費電力低減率20%を達成できる見通しを得た。平成20年度は、非極性面上InGaN活性層の品質改善により、緑色領域でのPL発光効率を従来比10倍以上に向上し、光励起による緑色レーザ発振を初めて実現した。光励起発振しきい値は、緑色サンプルでは1MW/cm2、青緑色サンプルでは100kW/cm2であった。一方、電流注入によるEL発光を観測したが、レーザ発振には至らなかった。活性層品質、素子構造、素子作製プロセスに課題を見出し、それらの改善により電流注入発振達成の見通しを得た。
英文要約Title: Development of visible semiconductor lasers for display applications (FY2006-2008) Final Report The target of this project was to develop gallium nitride (GaN) based pure-blue and pure-green laser diodes (LDs) as light sources for laser projection-type displays. The introduction of these LDs is expecting to reduce the light source power consumption, down to 1/10 that of the mercury lamps used in conventional projectors. In FY2006, we realized atomically flat non-polar GaN surfaces as a substrate of the green LD. After a ridge structure was prepared on GaN (0 0 0 1) substrate by dry etching, a GaN layer was grown by MOVPE to form (1 -1 0 1) facets and (1 -1 0 0) facets. The number of atomic steps, which was evaluated by atomic force microscopy as an index of flatness, was as low as 2-7/um2. For the blue LDs, we constructed a multi-mode interference (MMI) waveguide model on the LD simulation bench and optimized the waveguide geometry. It was confirmed that the coupling coefficient for the fundamental mode reached over 95%. Calculated lasing threshold current density was over 20% lower than that for a conventional single-stripe LD. In FY2007, we developed MOVPE growth technologies for the AlGaN layers on the non-polar surfaces and InGaN active layers on the polar surfaces with high photoluminescence (PL) efficiency We could observe amplified spontaneous emissions in the blue spectral region under the optical pumping using the samples grown on the polar surface, although their PL peaks were situated in the green spectral region. This large blue-shift could be attributed to the piezoelectric field and the indium segregation in InGaN active layers. For blue LDs, we confirmed the pure-blue MMI LD operation for the first time. Threshold current density for the MMI LDs was 20% lower than that for conventional single-stripe LDs. Reduction in power consumption was, however, a few percent compared to that for the conventional LDs. Simulation results indicated it should be possible to realize the 20% less power consumption LDs compared to conventional ones by the further improvement of current-light conversion efficiency using the modified MMI geometries. In FY2008, we could successfully demonstrate the optically-pumped pure-green lasing for the first time by improving the InGaN active layers quality on the non-polar surfaces. The PL efficiencies of the improved InGaN active layers were more than 10 times higher than those of conventional ones. Threshold excitation power densities were around 1 MW/cm2 for green LDs and 100 kW/cm2 for blue-green LDs. Moreover, we could observe electroluminescence using the green LD chips. Experimental and theoretical analyses indicated that electrically-pumped green lasing would be possible by the further improvement of the crystal quality, the LD structure and the device processing.
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