光デバイス／半導体レーザ

１８．半導体レーザの最初の動作確認（その２）

　つぎに1962年の４つの研究機関の中でもっとも発表が早かったとされるＧＥ社の特許(1)も読んでみます。ＧＥ社の半導体レーザ研究の中心はこの特許の発明者であるR.N.Hallという人です。

　技術的な内容はＩＢＭ社のものと共通なところがかなり多く、当時のアメリカの研究者間ではこうすればうまくいくのではないかという方針はかなり煮詰まっていたと思われます。

　図１８－１が素子の構造です。ｐ型半導体２とｎ型半導体３によりｐｎ接合４が形成されています。実際にはテルルドープのｎ型ＧａＡｓ基板に亜鉛をドープしてｐｎ接合が作られていますが、これはほとんどＩＢＭ社の場合と同じです。実際の接合の面積は0.4ｍｍ角です。なお、面11と12はｐｎ接合面に垂直に互いに平行な面になるように研磨され、この２つの面が光共振器を形成しています。

　電極は５と７ですが、いずれも金属板をハンダ層６、８によって貼り付けたものです。半導体に直接接しているのはハンダ層です。ハンダは融点が低いので半導体表面で簡単に融かすことができ、そうすると半導体との間で合金のような混じり合った層ができ、これによっていわゆるオーミック電極ができます。

　この素子を前項のＩＢＭ社の場合と同様に77Ｋに冷やし電流を流して発光させます。電流は１～10マイクロ秒の長さのパルスで（これはＩＢＭ社の場合よりかなり長いようです）、電流の大きさは１ｃｍ²あたりにすると5000～50000アンペアです。

　図１８－２は電流密度と光出力の関係を示しています。Ｉ－Ｌ特性などと呼ばれます。Ａの領域は光出力と電流密度は比例関係にあり、この領域は自然放出による発光が起こっています。つまり素子はＬＥＤとして動作しています。Ｂの領域に入ると光出力が急に増えます。ここで誘導放出が優勢になり、素子はレーザ発振を起こします。Ａの領域からＢの領域に入る電流値、すなわちレーザ発振が始まる電流値のことをすでに１０項で触れていますが、しきい電流とかしきい値電流と呼びます。「しきい」には「敷」という漢字がありますが、当用漢字でないからでしょうか、最近はほとんどひらがなで書かれます。この「しきい」はもともとはこの明細書にもあるように”threshold”という英語の訳語です。

　図１８－３は発光スペクトル、すなわち発光波長の分布を示しています。曲線Ｄは図１８－２のＡの領域のスペクトルですが、Ｂの領域に入ると曲線Ｅのようにスペクトルの広がりが非常に狭くなり、誘導放出が起こっていることを示します。なお、縦軸は任意軸となっていて、２つの曲線のピーク値は２倍程度に描かれていますが、実際のピーク値は曲線Ｅの方が20倍から50倍も大きく、測定をしてみるとＡの領域とＢの領域での特性の違いははっきりと現れます。

　前にも触れた通り、77Ｋという低温でパルス電流でしか動作しないのでは、手軽に使えません。この後、半導体レーザの研究開発はいかに室温で直流電流で継続的に動作するようにするかということが最重要課題となります。次項以降どのような解決手段がとられたかについて説明していきますが、半導体レーザはその後も新しいタイプのものが開発されるたびに最初は低温でパルスでの動作から始まり、やがて室温で連続動作するものができるという順序を踏むことがよくありました。

(1)アメリカ特許US3245002号

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