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博 士 論 文 概 要
早稲田大学大学院 先進理工学研究科 博 士 論 文 概 要 論 文 題 目 光ディスク記録用半導体レーザーの特性改善 ―高効率化と高出力化を中心に― Improvements of semiconductor lasers for optical disk recording: focusing on high-efficiency and high-power operation 申 請 内田 史朗 Shiro Uchida 者 2010 年 7 月 0 近 年 、 光 デ ィ ス ク メ デ ィ ア の 高 密 度 記 録 化 が 注 目 さ れ て き た 。 DVD や Blu-ray ディスク等の大容量を有する規格が提唱・実用化され、一般家庭でも映像を記録 し、ディスク購入やレンタルなどを通じて、高精細な映像を楽しむことができる ようになった。これらの発展は、光ディスクに記録するためのレーザー光源の開 発 が 大 き な 貢 献 を 果 た し て き た 。 12cm の 光 デ ィ ス ク に DVD で 4.7GB, Blu-ray デ ィ ス ク に 2 3 - 2 5 G B と い っ た 膨 大 な 情 報 量 を 記 録 す る に は 、１ ）光 の 集 光 ス ポ ッ トをできるだけ小さく絞ること、２）熱的に光ディスクに情報を書き込むための 高いエネルギーを有すること、の２つの条件を満たす必要がある。集光スポット の サ イ ズ は 、 レ ン ズ の NA と 光 の 波 長 で ほ ぼ 決 ま る た め に 、 レ ー ザ ー 光 源 の 短 波 長化が必要であった。 また、光ディスクの磁気方位反転や、相変化を起こす為 には、高出力のレーザーが必要であり、さらに、実用化には、安価で、小さく、 高 機 能 、低 消 費 電 力 、か つ 高 信 頼 性 と い っ た ハ ー ド ル を 越 え る 必 要 が あ っ た 。D V D レ コ ー ダ ー 、 PS3、 ブ ル ー レ イ レ コ ー ダ を 世 の 中 に 送 り 出 す に は 、 こ れ ら の 課 題 を解決した短波長・高出力半導体レーザーの開発が必要不可欠であった。本論文 では、この半導体レーザーの開発において、低消費電力化・高出力化・高信頼性 等の課題に対する、筆者が提案した解決手法を中心に議論する。 本論文では、第１章で、デバイスに対する要求事項をまとめ、第２章で半導体 レーザーの高出力化時に直面する大きな課題を挙げる。第３章から第５章で、 D V D 用 赤 色 レ ー ザ ー を 、第 ６ 章 か ら 第 ８ 章 で B l u - r a y 用 青 紫 色 レ ー ザ ー に つ い て 、 議 論 を 展 開 す る 。各 々 の レ ー ザ ー に つ い て 、構 造・製 造 方 法 を 簡 単 に ま と め た 後 、 低 消 費 電 力 化 と L-I の キ ン ク と 呼 ば れ る 現 象 の 抑 制 方 法 に つ い て 、 筆 者 が 考 案 し た構造やアプローチを議論し、デバイスの信頼性及び実用化へのまとめをおこな う。 第 1 章では、光ディスクシステムから半導体レーザーに対する要求事項をまと める。短波長、高光出力が求められるだけでなく、光学特性面、電気的特性面の 両方に多くの要求事項が課される。光学特性面においては、光ピックアップ（光 学系）にマッチするためのビームのクオリティ（ビーム形状の大きさ、コヒーレ ンス、軸ズレ、収差）について多彩な要求がある。また、電気的には、低電圧、 低動作電流が求められる。半導体レーザーは、電子を光子に変換する能動素子で あ り 、 LED に は な い 特 殊 な 電 気 - 光 特 性 も 求 め ら れ る 。 高 速 光 応 答 特 性 、 光 出 力 ゆ ら ぎ （ ノ イ ズ ）、 ス ペ ク ト ル （ 波 長 ） の 安 定 性 な ど が そ れ に あ た る 。 第２章では、本論で議論される半導体レーザーの高出力化に伴う主要な２つの 課題に対し、その基礎原理と対策についてまとめる。一つ目の課題は、低消費電 力化である。より少ない電力投入でより多くの光を取り出すという点で高効率化 と同義である。例えば、レーザー光は、光子のボーズ粒子性にかかわる誘導放出 を利用しているが、その放出確率は光密度に比例する。 高効率化には、発光領 域となる活性層により多くの光子が集まるように設計することが有効だが、光子 1 密度増加につれ光吸収も増え、さらに熱に変わるために特性を悪化させてしまう という相反な結果を招いてしまう。この現象だけでなく、半導体レーザーの設計 に は 、ト レ ー ド オ フ 現 象 が 頻 繁 に 現 れ る 。2 つ 目 の 課 題 は 、光 出 力（ L i g h t ）対 電 流 （ I） 特 性 に 現 れ る 、 キ ン ク と 呼 ば れ る 現 象 で あ る 。 光 出 力 と 電 流 と の 関 係 は 、 理想的には線形になるはずだが、注入電流を増やすと、あるポイントで非線形に 折れ曲がる。これをキンクと呼ぶ。このキンク発生の原因は、光導波路に閉じ込 められた光のモード間競合によるもので、半導体レーザーの高出力化では、必ず と言っていいほど直面する問題である。このキンク前後では、光の波長が急激に 変化するために、レーザー光がレンズを通過するときに屈折角が変化し、焦点が ずれ、光学系には致命的な現象を誘発する。 第 ３ 章 で は 、 ま ず 、 DVD 記 録 用 AlGaInP 系 赤 色 半 導 体 レ ー ザ ー の 基 本 的 な 構 造について触れ、高出力化に必要な高効率化設計について述べる。ここでは、光 吸収損失低減による効率化と高出力化について議論する。 第４章では、二波長高出力レーザーについて、その背景、構造・特性について 述 べ る 。 DVD 記 録 用 レ ー ザ ー は 、 高 出 力 化 だ け で な く 、 CD-R レ ー ザ ー と 一 体 化 し た 集 積 構 造 が 求 め ら れ る よ う に な っ た 。 CD-R 用 AlGaAs 系 の 高 出 力 レ ー ザ ー と モ ノ リ シ ッ ク 集 積 化 す る こ と で 、 光 ピ ッ ク ア ッ プ の コ ス ト 低 減 と ノ ー ト PC 搭 載 と い う ２ つ の 目 的 が 達 成 さ れ る か ら で あ る 。 従 来 は 、 DVD 記 録 用 レ ー ザ ー と CD-R レ ー ザ ー の 両 方 を 光 学 系 に 組 ん で い た が 、 1Chip に 集 積 さ せ る と 、 光 学 系 の部品点数や光学調整箇所が減り、大幅なコスト削減やピックアップの軽薄化が 可能となった。本章では、筆者らが世界で初めて開発した高出力二波長記録用レ ーザーの構造と製造法についてまとめる。 第５章では、二波長記録用レーザーのキンク特性を改善するための、２つのア プローチについて述べる。先に述べたように、キンクは光のモード競合で起きる 現象である。多くの場合、横モードと呼ばれる結晶成長面に平行な方向での光の 閉じ込めモードが議論の対象となる。電子の空間的な分布で電子数の多い（ゲイ ンの多い）部分に光強度がガウシアン分布を取る 0 次モードと２山状態になる 1 次モードが存在する。電流を注入していくと、注入され励起状態にある電子をめ ぐ っ て 、両 モ ー ド が 奪 い 合 い 、0 次 モ ー ド 支 配 か ら 1 次 モ ー ド 支 配 に 変 わ る 時 に 、 キンクが発生する。その対策として、2 つの提案を紹介する。ひとつは、1 次モ ードに利得（ゲイン）を与えない、すなわち、電子分布を中央部に集中させ、1 次モードが存在しにくいようにする方法である。2 つ目は、１次モード自身が発 生したとしても選択的（故意）に 1 次モードだけに光吸収損失を与えるような構 造の工夫を施す方法である。この新しい考え方は、第 6 章のブルーレーザーにも 適応し良好な結果を得て、応用物理学会論文賞をいただいた骨子となる手法であ る 。こ の 手 法 か ら 得 ら れ た レ ー ザ ー は 、電 子 光 変 換 効 率 が 向 上 し 、動 作 電 流 低 減 、 信頼性改善が可能となった。 2 第 ６ 章 で は 、ブ ル ー レ ー ザ ー の 基 本 構 造 を 紹 介 し 、I - L キ ン ク 問 題 に つ い て 議 論 を 重 ね る 。 第 ５ 章 の 後 半 で 紹 介 し た 、 1 次 モ ー ド へ 光 学 損 失 （ Optical Loss） を 故意に与える手法を、ブルーレーザーに適応し、２つの事例を紹介する。1 つ目 は、レーザーのリッジ構造と呼ばれる光導波路の外側の領域に埋め込む誘電体材 料 を 、従 来 の 無 吸 収 の SiO2 か ら 、Si/SiO2 の 光 吸 収 作 用 の あ る 多 層 膜 に 変 更 す る 手 法 で あ る 。Siは 、ブ ル ー レ ー ザ ー の 400nmの 光 を 非 常 に 吸 収 す る の で 、そ の 膜 厚を最適化すると、1 次モードだけに光学損失を与えることが可能となる。この 手 法 に よ り 、キ ン ク レ ベ ル が C W で 3 0 m W も 高 め る こ と が 可 能 と な っ た 。2 つ 目 の ア プ ロ ー チ は 、 外 側 の 誘 電 体 膜 と し て 、 SOG（ Spin On Glass ） と 呼 ば れ る 液 体 の 材 料 で S i O 2 を 形 成 す る 方 法 で あ る 。ウ エ ー ハ に S O G を ス ピ ン ･ コ ー ト し 、3 0 0 ℃ で ベ ー キ ン グ し て S i O 2 を 形 成 す る 方 法 で 、そ の 光 吸 収 係 数 を 混 合 物 の 配 合 で 制 御 で き る の が 特 徴 で あ る 。 こ の 方 法 で も 、 CWで 150mWま で の キ ン ク の な い 優 れ た 特性を実現することができた。 第７章では、ブルーレイ用青紫色レーザーのさらなる特性改善を目的として、 高効率化の議論を２つ展開する。一つ目は、ブルーレーザーの活性層周辺の構造 を検討し、低しきい電流値化、ビーム形状の改善、温度特性の改善を図ることが で き た の で 、こ れ ら に つ い て 詳 細 に 報 告 す る 。2 つ 目 と し て 、Mg ド ー プ さ れ た p 側 の 超 格 子 ク ラ ッ ド 層（ G a N ; M g - d o p e d / A l G a N ; M g - u n d o p e d ）自 身 が 、発 振 波長の光に対して、透明でない、すなわち、光吸収が存在するという致命的な問 題 に つ い て 、 議 論 す る 。 解 決 の た め に 、 Al0.18GaN の 電 子 オ ー バ ー フ ロ ー 抑 制 層 の位置をパラメーターとして、詳細な試作実験をおこなった。その結果、光吸収 の低減による効率改善とホールの注入効率悪化とのトレード・オフ関係にあるこ とを筆者が見出し、構造の最適化により、高効率化かつ低しきい値を有するブル ーレーザーを実現することができた。 第８章では、６章７章で議論されたブルーレーザーの信頼性について議論し、 実 用 化 へ の ま と め を お こ な っ た 。当 初 、GaN 基 板 が 存 在 し な か っ た 為 に 、サ フ ァ イア基板上に様々な工夫を凝らしてレーザーの結晶成長を試みてきた。そのおか げで、欠陥を低減することがいかに信頼性上、重要であるかを定量的に見積もる こ と が で き た 。 こ れ ら の 研 究 を 通 し て 、 そ の D i s l o c a t i o n d e n s i t y（ 欠 陥 密 度 ） の 評 価 方 法 も 確 立 す る こ と が で き た 。 本 章 で は 、 初 期 の 研 究 段 階 で の Dislocation density の 低 減 手 法 と そ の 成 果 に つ い て ま と め る 。 そ し て 、 最 後 に 、 GaN 基 板 導 入 後 の 信 頼 性 試 験 結 果 と 比 較 し 、 格 子 整 合 す る GaN 基 板 が 量 産 化 に 向 け て い か に重要であるかを述べる。 第 ９ 章 で 、光 デ ィ ス ク 記 録 用 半 導 体 レ ー ザ ー と し て 、D V D 記 録 用 赤 色 レ ー ザ ー とブレーレイ記録用青紫色レーザーの特性を比較し、それぞれの材料特性に伴う 長所短所を比較した。最後に、第１０章で次世代の光ディスク記録用半導体レー ザーについての展望を述べ、まとめとした。 3 1 早稲田大学 氏 名 内田 史朗 博士（工学） 学位申請 研究業績書 印 （2010 年 種 類 別 学術論文 ○ ○ ○ 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 7月 現在） 連名者（申請者含む） 1. Monolithic dual-wavelength high-power lasers for CD-R/DVD ± R/RW/RAM IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron.11, 1148 (2005) S. Uchida, S. Agatsuma, N. Hoshi, K. Tanno, H. Iki, S. Yoshida, S. Satoh, Y Asano, K. Sahara, T. Yamamoto. 2. Recent progress in high-power blue-violet lasers. IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 9, 1252 (2003). S. Uchida, M. Takeya, S. Ikeda, T. Mizuno, T. Fujimoto, O. Matsumoto, S. Goto, T. Tojyo, and M. Ikeda 3. High-power blue-violet lasers grown on 3-inch sapphire and GaN substrate. Inst. Phys. Conf. Ser. No. 174, 307 (2003). S. Uchida, S. Ikeda, T. Mizuno, S. Goto, T. Sasaki, Y. Ohfuji, T. Fujimoto, O. Matsumoto, K. Oikawa, M. Takeya, Y. Yabuki, and M. Ikeda 4. 100-mW kink-free blue-violet laser diodes with low aspect ratio. IEEE J. Quantum Electron. 39, 135 （2003）. T. Asano, T. Tojyo, T. Mizuno, M. Takeya, S. Ikeda, K. Shibuya, T. Hino, S. Uchida, and M. Ikeda 5. Degradation in AlGaInN lasers. phys. stat. sol. (c), 0, No.7, 2292 (2003). M. Takeya, T. Mizuno, T. Sasaki, S. Ikeda, T. Fujimoto, Y. Ohfuji, K. Oikawa, Y. Yabuki, S. Uchida, and M. Ikeda ○ 6. Blue-violet laser diodes suitable for Blu-ray disk. phys. stat. sol. (a), 194, 407 (2002). M. Ikeda, and S. Uchida ○ 7. High-power AlGaInN laser diodes with high kink level and low relative intensity noise. Jpn. J. Appl. Phys. 41, 1829 (2002). T. Tojyo, S. Uchida, T. Mizuno, T. Asano, M. Takeya, T. Hino, S. Kijima, S. Goto, Y. Yabuki, and M. Ikeda 8. High-power 400-nm-band AlGalnN-based laser diodes with low aspect ratio. Appl. Phys. Lett. 80, 3497 (2002). Asano, M. Takeya, T. Tojyo, T. Mizuno, S. Ikeda, K. Shibuya, T. Hino, S. Uchida, and M. Ikeda 9. High-power AlGaInN lasers. phys. stat. sol. (a), 192, 269 (2002). M. Takeya, T. Tojyo, T. Asano, S. Ikeda, T. Mizuno, O. Matsumoto, S. Goto, Y. Yabuki, S. Uchida, and M. Ikeda ○ 10. Novel techniques for stabilizing transverse mode in AlGaInN-based laser diodes. phys. stat. sol. (a), 188, 55 (2001). 2 S. Kijima, T. Tojyo, S. Goto, M. Takeya, T. Asano, T. Hino, S. Uchida, and M. Ikeda. 11. Estimation of device properties in AlGaInN-based laser diodes by time-resolved photoluminescence. phys. stat. sol. (a), 188, 101 (2001). T. Hino, T. Asano, T. Tojyo, S. Kijima, S. Tomiya, T. Miyajima, S. Uchida, and M. Ikeda 12. GaN-based blue laser diodes. J. Phys. Condens. Matter, 13, 7099 (2001). T. Miyajima, T. Tojyo, T. Asano, K. Yanashima, S. Kijima, T. Hino, M. Takeya, S. Uchida, S. Tomiya, K. Funato, T. Asatsuma, T. Kobayashi, and M. Ikeda 13. GaN-based high-power laser diodes. Mater. Sci. Eng. B82, 248 (2001). T. Miyajima, H. Yoshida, K. Yanashima, T. Yamaguchi, T. Asatsuma, K. Funato, S. Hashimoto, H. Nakajima, M. Ozawa, T. Kobayashi, S. Tomiya, T. Asano, S. Uchida, S. Kijima, T. Tojyo, T. Hino, and M. Ikeda 14. GaN-based high power blue-violet laser diodes. Jpn. J. Appl. Phys. 40, 3206 (2001). T. Tojyo, T. Asano, M. Takeya, T. Hino, S. Kijima, S. Goto, S. Uchida, and M. Ikeda 15. AlGaInN high-power lasers grown on an ELO-GaN layer. J. Cryst. Growth, 221, 646 (2000). M. Takeya, K. Yanashima, T. Asano, T. Hino, S. Ikeda, K. Shibuya, S. Kijima, T. Tojyo, S. Ansai, S. Uchida, Y. Yabuki, T. Aoki, T. Asatsuma, M. Ozawa, T. Kobayashi, E. Morita, and M. Ikeda 国 際 会 議 1. Short wavelength lasers based on GaAs and GaN substrate for DVD and Blu-ray technology. [招待講演] 論文発表 Tech. Digest, IEEE Int. Electron Devices Meeting 2006, San Francisco, 32.4 pp. 841 (2006). S. Uchida, S. Agatsuma, T. Hashizu, T. Yamamoto, and M. Ikeda 2. Monolithic dual-wavelength lasers for CD-R/ DVD ± RW/R/RAM Optical Data Storage, Proceedings of the SPIE, Volume 5380, pp. 417-421 (2004). S. Uchida, N. Hoshi, S. Agatsuma, K. Tanno, H. Iki, S. Yoshida, F. Kumasawa, K. Sahara, H. Nagasaki, and T. Yamamoto. 3. Monolithic dual-wavelength lasers for CD-R/DVD±RW/R/RW Conf. Digest, IEEE 19th Int. Semiconductor Laser Conf. Matsue, pp.123 (2004). S. Agatsuma, N. Hoshi, K. Tanno, H. Iki, S. Yoshida, K. Sahara, S. Uchida, T. Yamamoto. 4. High-power blue-violet lasers. [招待講演] Proc. 1st Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors, Awaji, JL-03, pp. 67 (2003). S. Uchida, M. Takeya, S. Goto, and M. Ikeda 5. High power 400nm-AlGaInN/650nm-AlGaInP semiconductor lasers. [招待講演] Proc. SPIE, 4651,1 (2002). S. Uchida, S. Kijima, S. Ansai, T. Tojyo, K. Shibuya, S. Ikeda, T. Mizuno, M. Takeya, S. Goto, T. Asano, and M. Ikeda 6. Recent progress in high-power blue-violet lasers. [招待講演] Conf. Digest, IEEE 18th Int. Semiconductor Laser Conf. Garisch-Partenkirchen, MA3, pp. 5 (2002). S. Uchida, M. Takeya, S. Ikeda, T. Mizuno, T. Fujimoto, O. Matsumoto, S. Goto, T. Tojyo, 3 and M. Ikeda 7. High performance blue-violet AlGaInN laser diodes. [招待講演] Tech. Digest, CLEO/Pacific Rim 2001, Chiba, WC1-1, pp. II-32 (2001). S. Uchida, T. Tojyo, S. Kijima, and M. Ikeda 8. AlGaInN high power lasers grown on ELO-GaN. [招待講演] Proc. China-Japan Workshop on Nitride Semiconductor Materials and Devices 2001, Shanghai, pp. 100 (2001). M. Ikeda, and S. Uchida 9. AlGaInN based laser diodes. [招待講演] Proc. SPIE, 3947, 156 (2000). S. Uchida, S. Kijima, T. Tojyo, S. Ansai, M. Takeya, T. Hino, K. Shibuya, S. Ikeda, T. Asano, K. Yanashima, S. Hashimoto, T. Asatsuma, M. Ozawa, T. Kobayashi, Y. Yabuki, T. Aoki, and M. Ikeda その他、15 件（総数 24 件） 。 国内学会 1. 高出力モノリシック二波長半導体レーザ[招待講演] IEICE technical report. Component parts and materials 103(316) pp.5-8 20030912 論文・発表 内田 史朗、星 望、丹野 克晴、我妻 新一、吉田 繁礼、壱岐 秀人、佐原 健志、 大谷 健治、熊澤 文香、長崎 洋樹、山本 直 2. 高出力 GaN 系青紫色半導体レーザ [招待講演] 有機エレクトロニクス材料研究会・フォトポリマー懇話会、合同講演会 II pp1-7 内田史朗、竹谷元伸、池田昌夫 3．青紫色半導体レーザーの応用と展開 [招待講演] 電気学会 光・量子デバイス研究会 OQD-01-54 pp. 7 (2001/12：大阪) 内田史朗、東條剛、日野智公、竹谷元伸、後藤修、喜嶋悟、浅野竹春、池田昌夫 その他、8 件（総数 11 件） 著書・総説 １．光アライアンス 1995 年 6 月号 特集②：進歩する半導体レーザ 内田史朗 「可視光レーザでの高出力化」 等 ２． Look Japan, DEC 2003, vol.49, No.573, p26-28. S.Uchida, “Into the Blue” 特許 １． 出願名称： 出願番号： 出願日 ： 出願者 ： 出願内容： 半導体レーザ素子及びその作製方法 2001104686 2001/04/03 内田 史朗、喜嶋 悟 半導体レーザにおいて、その電流ブロック層にＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎ Ｇｌａｓｓ）を用いることを特徴とする。さらに、不純物を混入させるこ とにより作製されたＳＯＧ電流ブロック層に吸収損失を持たせることを利 用して、レーザ出力光が高出力（３０ｍＷ以上）まで、完全に注入電流に 比例して、光出力が維持されることを本発明の特徴とする。 上記を含む国内外の特許 ； 総出願数 112 件、登録 45 件、他は審査中・出願中 うち、USA 特許 ； 出願数：17 件、登録 13 件 4