半導体レーザーの基礎：動作原理、歴史と応用

1962年に世界初の半導体レーザーが発明されて以来、半導体レーザーは大きな変化を遂げ、他の科学技術の発展を大きく促し、20世紀最大の人類の発明のひとつとされている。

ここ数十年、半導体レーザーの開発はさらに急速に進み、世界で最も急成長しているレーザー技術のひとつとなっている。

半導体レーザーの応用はオプトエレクトロニクスの全分野をカバーし、今日のオプトエレクトロニクス科学の中核技術となっている。

半導体レーザーは、小型、シンプルな構造、低入力エネルギー、長寿命、変調が容易、低価格といった利点から、現在ではオプトエレクトロニクスの分野で広く使用され、世界各国から高い評価を受けている。

半導体レーザーは、ダイレクトバンドギャップ半導体材料からなるPn接合またはPin接合を動作材料とする小型レーザーである。

半導体レーザーの作動物質は数十種類あり、レーザーになった半導体材料には、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムアンチモン、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化鉛、テルル化鉛、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリンヒ素などがある。

半導体レーザーの主な励起方法は3つある。

• 電動インジェクション式
• ライトポンプ式
• 高エネルギー電子ビーム励起タイプ

ほとんどの半導体レーザーは電気注入によって励起される。つまり、順方向電圧がPn接合に印加され、順方向バイアス・ダイオードである接合面領域で励起発光を発生させる。

したがって、半導体レーザーは半導体レーザー・ダイオードとも呼ばれる。

半導体の場合、電子は個別のエネルギー準位間ではなく、エネルギーバンド間をジャンプするため、ジャンプエネルギーは明確な値ではなく、半導体レーザーの出力波長が広い範囲に広がる原因となる。

波長は0.3～34μm。

波長範囲は使用する材料のエネルギー・バンド・ギャップによって決まり、最も一般的なのは出力波長が750～890nmのAlGaAsダブルヘテロ接合レーザーである。

レーザー構造の模式図

半導体レーザーの製造技術は、拡散から液相エピタキシャル成長（LPE）、気相エピタキシャル成長（VPE）、分子線エピタキシャル成長（MBE）、MOCVD法（有機金属化合物気相成長）、化学線エピタキシャル成長（CBE）、およびそれらのさまざまな組み合わせまで、さまざまなプロセスを経てきた。

半導体レーザーの最大の欠点は、レーザー性能が温度に大きく影響されることと、ビームの発散角が大きく（一般に数度から20度）、指向性、単色性、コヒーレンスが悪いことである。

しかし、科学技術の急速な発展に伴い、半導体レーザーの研究は深化の方向に進んでおり、半導体レーザーの性能は日進月歩で向上している。

半導体レーザーは、21世紀の情報化社会における半導体オプトエレクトロニクス技術の中核として、より大きな進展と役割を果たすだろう。

半導体レーザーの動作原理

半導体レーザーはコヒーレント放射源であり、レーザー光を発生させるには3つの基本条件が必要である：

1.ゲイン条件

励起媒体（活性領域）におけるキャリアの反転分布を確立するために、半導体中の電子エネルギーは、ほぼ連続した一連のエネルギー準位からなる一連のエネルギーバンドで表される。

したがって、半導体で粒子数の反転を達成するには、2つのエネルギーバンド領域の間にある必要がある。

高エネルギー状態の伝導帯下部の電子数は、低エネルギー状態の価電子帯上部の正孔数よりもはるかに多い。これは、ホモ接合またはヘテロ接合に順方向バイアスを加え、必要なキャリアを活性層に注入して電子を低エネルギーの価電子帯から高エネルギーの伝導帯に励起することで達成される。

励起放出は、粒子数反転状態にある多数の電子が正孔と結合することで起こる。

2.実際に関連する誘導放射線を得るには

多重帰還とレーザー発振を実現するためには、光共振共振器内で励起放射を行わなければならない。

レーザーの共振共振器は、半導体結晶の自然表面溶液を反射鏡として使用することで形成され、通常、非発光側には高反射率の多層誘電体膜が、発光側には部分反射膜が使用される。

F-p共振器（ファブリー・ペロー共振器）半導体レーザーの場合、p-n接合面に垂直な結晶の自然解面を利用することで、F-p共振器を容易に形成することができる。

3.安定した発振を形成するためには、レーザー媒質が十分大きな利得を提供できなければならない。

共振器による光損失と共振器表面からのレーザー出力による損失を補うためには、共振器内の光電界を常に増加させる必要がある。

そのためには、十分強い電流注入、つまり十分な粒子数反転が必要である。粒子数反転の度合いが高ければ高いほど、得られる利得は大きくなるため、ある電流閾値の条件を満たす必要がある。

レーザーがしきい値に達すると、特定の波長の光が共振器内で共振して増幅され、最終的にレーザーを形成して連続的に出力することができる。

半導体レーザーでは、電子と正孔の双極子跳躍が基本的な発光と光増幅のプロセスであることがわかる。

新しい半導体レーザーでは、量子井戸が半導体レーザー開発の基本的な原動力であることが認識されるようになった。

量子ワイヤーや量子ドットが量子効果をフルに活用できるかどうかという話題は、今世紀に入り拡大し、科学者たちは様々な材料で自己組織化構造を持つ量子ドットを作ろうとしており、GaInN量子ドットは半導体レーザーに使用されている。

半導体レーザーの歴史

半導体レーザーは1960年代初頭に、単一材料で作られたpn接合ダイオードである均質接合レーザーとして初めて開発された。大電流の順方向注入を受けると、電子はp領域に、正孔はn領域に連続的に注入され、その結果、元のpn接合空乏領域のキャリア分布が逆転する。電子の移動速度は正孔の移動速度よりも速いため、活性帯では放射線や化合物粒子の放出が起こり、蛍光を発し、ある条件下ではパルス状の半導体レーザーが発生する。

半導体レーザー開発の第2段階は、GaAsとGaAlAsのような2つの異なるバンドギャップの半導体材料薄膜層からなるヘテロ構造半導体レーザーである。これらの最初のものはシングルヘテロ構造レーザーであった（1969年）。GaAsP-N接合のpゾーン内にあるシングルヘテロ接合注入レーザー（SHLD）は、しきい値電流密度を下げるため、その値はホモ接合レーザーのそれよりも一桁低いが、シングルヘテロ接合レーザーはまだ室温で連続動作できない。

1970年代後半から、半導体レーザーは明らかに2つの方向に発展してきた。ひとつは情報伝送を目的とした情報系レーザーの開発であり、もうひとつは光出力を増大させることを目的としたパワー系レーザーの開発である。これを牽引したのが励起固体レーザーなどの応用であり、現在では高出力半導体レーザー（連続出力100mw以上、パルス出力5W以上）が高出力半導体レーザーとされている。

1990年代、半導体レーザーの出力が飛躍的に向上した。キロワットクラスの高出力半導体レーザーが製品化され、国内サンプル品の出力は600Wに達した。レーザーの波長も赤外半導体レーザーから670nmの赤色半導体レーザーへと拡大し、650nm、635nm、青緑色、青色半導体レーザーが登場した。10mWスケールの紫色、さらには紫外半導体レーザーの開発にも成功した。

1990年代後半、面発光レーザーや垂直共振器型面発光レーザーの開発が、超並列オプトエレクトロニクスにおけるさまざまな用途で検討されてきた。波長980nm、850nm、780nmのデバイスが光システムで実用化された。現在、垂直共振器面発光レーザーは、ギガビット・イーサネット用の高速ネットワークで使用されている。

半導体レーザーの応用

半導体レーザーは、波長範囲が広く、製造が簡単で、安価で、量産が容易で、小型、軽量、長寿命であることから、早くから成熟し、進歩が早かったレーザーの一種である。そのため発展も早く、その応用範囲は今や300種類を超えている。

1.産業と技術への応用

(1) 光ファイバー通信：

半導体レーザーは、光ファイバー通信システムにとって唯一の実用的な光源であり、光ファイバー通信は現代の通信技術の主流となっている。

(2) 光ディスクアクセス：

半導体レーザーは光ディスク・メモリーに使用されており、その最大の利点は、大量の音声、テキスト、グラフィック情報を保存できることである。青と緑のレーザーを使用することで、光ディスクの記憶密度を大幅に向上させることができる。

(3) スペクトル分析：

遠赤外波長可変半導体レーザーは、環境ガス分析、大気汚染、自動車排気ガスなどのモニタリングに使用されている。産業界では、気相析出プロセスのモニタリングに使用できる。

(4) 光情報処理：

半導体レーザーは、光情報管理システムに使用されてきた。面発光半導体レーザー2Dアレイは、光並列処理システムの理想的な光源であり、コンピューターや光ニューラルネットワークに使用される予定である。

(5) レーザー微細加工：

Qスイッチ半導体レーザーは、集積回路の切断やパンチング用に高エネルギーの超短光ストロークを生成する。

(6) レーザーアラーム：

半導体レーザーアラームは、防犯アラーム、水位アラーム、車間距離アラームなど、幅広い用途に使用されています。

(7) レーザープリンター：

レーザープリンターには高出力半導体レーザーが使われてきた。青と緑のレーザーを使用することで、印刷速度と解像度を大幅に向上させることができる。

(8) レーザーバーコードスキャナー：

半導体レーザーバーコードスキャナは、書籍やファイルの管理だけでなく、マーチャンダイジングにも広く使われてきた。

(9) 励起固体レーザー：

これは、高出力半導体レーザーの重要な応用であり、本来の大気ランプの代わりに使用することで、全固体レーザーシステムを構成することができる。

(10) ハイビジョン・レーザー・テレビ：

近い将来、ブラウン管を使わない半導体レーザーテレビが発売される可能性がある。赤、青、緑のレーザーを利用し、消費電力は既存のテレビより20%少なくなると推定されている。

2.医学・生命科学研究への応用

(1) レーザー手術治療

半導体レーザーは、軟部組織の切除、組織の接合、凝固、蒸発などに使用されてきた。一般外科、形成外科、皮膚科、泌尿器科、産科、婦人科で広く使用されている。

(2) レーザー運動学的治療

腫瘍に親和性のある光感受性物質を選択的にがん組織に集め、半導体レーザーを照射することで、がん組織に活性酸素を発生させ、健康な組織にダメージを与えることなく壊死を狙う。

(3) ライフサイエンス研究

生きた細胞や染色体を捕獲し、任意の場所に移動させることができる半導体レーザー「光ピンセット」の使用は、細胞合成、細胞相互作用、その他の研究を促進するために使用されてきただけでなく、法医学の診断技術としても使用されてきた。