レーザーダイオードについて

光半導体とは
光半導体とは、電気を光に変える発光素子、あるいは逆に、光を電気に変える受光素子のことを指します。光半導体の具体例としては、発光素子では発光ダイオード(LED : Light Emitting Diode)やレーザダイオード(LD : Laser Diode)、受光素子としては、フォトダイオードや太陽電池、CMOSイメージセンサー等があります。また、光ファイバ通信に使われる光変調素子や、電気的に絶縁された回路間で情報伝達を行うフォトカプラーのようにこれらの素子を組み合わせた複合型の素子も光半導体に含まれます。

表. 光半導体の例

種類 光半導体素子の具体例
発光素子 発光ダイオード、半導体レーザ
受光素子 フォトダイオード、太陽電池、CMOSイメージセンサー
その他 光変調素子、フォトカプラー、光スイッチ

半導体材料は、禁制帯幅という固有のエネルギー値をもっており、材料によって受光・発光の機能や取り扱える光の波長範囲が決まります。発光素子では、GaN系、AlGaInP系、GaAs系、InGaAsP系等の直接遷移型の化合物半導体材料が使われます。また、受光素子の半導体材料としては、直接遷移型と間接遷移型のいずれも利用することができ、900nm帯以下の可視光~近赤外域の波長帯ではSi、Ge等の単元素半導体材料が、1μm以上の波長帯の受光・検出にはInGaAs系の化合物半導体が主に用いられています。

TigerPWR(株)では、光半導体製品として、365nm~1,300nmの各種波長帯の発光ダイオードと、375nm~852nmの各種波長帯の半導体レーザを取り扱っています。

発光素子について
半導体発光素子の基本構造は、化合物半導体材料を用いたPN接合のダイオード構造をもっています。PN接合に順電圧を掛けると、P型の半導体中では正孔が、N型の半導体中では電子が移動することで電流が流れます。これらのキャリアは、PN接合部に注入されて、電子と正孔が再結合する際に、半導体材料の禁制帯幅に相当するエネルギーを放出します。接合部に直接遷移型の半導体材料を用いている場合は、このエネルギーの大部分を光として放出します。一方、SiやGeのような間接遷移型の半導体の場合には発光が非常に弱く、ほとんどが熱に変わります。それ故、効率のよい発光素子を実現する為には、直接遷移型になる化合物半導体材料が用いられます。

発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)
PN接合のダイオード構造で電流注入により発生した光を効率よく外部に取り出せる構成した素子が発光ダイオードです。素子に流した電流を光に変換する効率を高める為、PN接合部にはダブルヘテロ構造が用いられています。ヘテロ接合とは、異なる半導体材料をつなぎ合わせた接合のことであり、同種の半導体のPN接合はホモ接合と呼ばれます。ダブルヘテロ構造では、P型の半導体層とN型の半導体層で、両者よりも禁制帯幅が小さい発光層を挟んだ構造となっています。このような構造を取ることで、発光層がいわばキャリアに対する井戸のように機能し、P型層およびN型層から注入されたキャリア(それぞれ、正孔と電子)が発光層に閉じ込められます。こうして発光層蓄積されたキャリアは、やがて電子と正孔が再結合して消滅し、その際にほぼ禁制帯幅に相当するエネルギーの光を出します。この現象は、キャリアが自発的に遷移して光を出すことから、自然放出と呼ばれます。各々のキャリアの遷移による発光は、互いに独立な事象であり、ランダムな位相の光が放出されます。また、出力される光は、発光層に蓄積されたキャリアのエネルギー分布に応じた波長幅をもっています。

尚、発光層に用いられる半導体材料は、前述のように発光層には直接遷移型の半導体を用いることが多く、高い発光効率の高出力の発光ダイオードや、キャリア寿命が短いことを生かして高速応答が可能な光通信用発光素子に応用されています。ただ、間接遷移型の半導体であっても、発光層に特定の不純物を導入することで不純物準位を介した発光が得られることが知られており、緑~赤色の領域の表示用の発光ダイオードには、間接遷移型のGaPが使われていました。

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