光デバイス／半導体レーザ

２４．ダブルヘテロ接合半導体レーザ

　前項ではシングルヘテロ（ＳＨ）構造半導体レーザに触れましたが、ここからダブルヘテロ（ＤＨ）構造に至る道はそれほど遠くはありません。ＳＨ構造もＤＨ構造もはたらきは基本的に同じだからです。ヘテロ接合はバンドギャップエネルギーの違う半導体を接合することですから、伝導帯や価電子帯に段差ができ、これによって電子や正孔の流れを堰き止めるようにはたらきます。

　ダブルヘテロ構造のはたらきについて少し詳しく説明し、まとめておきましょう。図２４－１は通常のＤＨ構造のはたらきを説明しています。一般のＤＨ構造のエネルギーバンド図については既に９項に記していますが、ここではより具体的な例に則した説明をします。

　２４－１（ａ）は具体的な層構成の例を示しています。中央の層がコア層で、ＧａＡｓまたはＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＡｓです。その両側の層がクラッド層でこれはＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓとＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓです。

　コア層の材料のバンドギャップエネルギーによってレーザ光の波長が決まります。Ａｌの入らないＧａＡｓならばＥgは約1.38ｅＶで波長は0.9μｍ程度の赤外光となります。Ａｌが３％入ると（上記のｙが0.03）、Ｅgは1.46ｅＶ位になり、波長は約0.85μｍになります。ｙを0.07位にすると、Ｅgは1.59ｅＶ位になり、波長は約0.78μｍになります。

　0.85μｍ帯のレーザはＣＤ（コンパクトディスク）の読み出し用によく使われています。純粋な0.78μｍの波長はまだ赤外の範囲で人間の眼には見えないはずですが、実際のレーザ光の強度は（ｄ）に示すように波長に少し広がりをもっているため、0.78μｍ帯レーザは赤色の光を出しているように見えます。その後、もっと長い波長用にはＩｎＰをベースにしたものが使われるようになり、もっと短い可視光用にはＧａＰ系やＧａＮをベースにしたものが使われるようになりました。これらについては後の項で改めて触れます。

　さてクラッド層の材料の第１の選定条件はコア層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことです。上の例ではコア層はｙがせいぜい0.1以下でした。上記の数値からみてもわかりますが、Ａｌの成分が増えるほどバンドギャップエネルギーは大きくなりますから、ｘやｚは0.1より大きくすればよいことがわかります。通常0.3.～0.4位に選びます。ｘとｚは何か理由があれば違う値にしてもよいですが、普通は同じ値にした方が結晶成長条件が複雑にならなくてすみます。

　図示はしていませんが、ｎ型クラッド層の下には層構造を支える基板があり、この場合はｎ型ＧａＡｓです。化合物半導体の種類は多いですが、質のいい単結晶基板が入手できる材料は極めて限られています。このＧａＡｓとＩｎＰくらいです。化合物以外の半導体に広げてもＳｉとＧｅくらいでしょう。ＧａＮは単結晶基板が得られないのでサファイアという酸化物絶縁体を基板として主に利用していて、デバイスの構造もそれに影響を受けていると言えます。

　また、ここで左側（下層）のクラッド層をｎ型、右側（上層）のクラッド層をｐ型にします。コア層はｎ型でもｐ型でもよいですが、発光する層にあまり不純物が多く入っていると発光効率が低下して好ましくないので、不純物をあえて添加しないことが多いです。いずれにしてもダブルヘテロ接合型のダイオードが形成されます。それをエネルギーバンドからみると、同図（ｂ）のようになります。

　伝導帯にはコア層とｐ型クラッド層の境界に段差ができ、電子が堰き止められます。価電子帯にはコア層とｎ型クラッド層の境界に段差ができ、正孔が堰き止められます。それぞれのバンドギャップエネルギーが違うだけなら段差のでき方は他にも考えられます。例えば伝導帯、価電子帯ともコア層の両側に段差ができる場合などです。段差のでき方がなぜこうなるのか、どうやって決まるのかは少しやっかいな問題ですので、ここでは材料の組み合わせで決まってしまう性質であるとだけ言っておきます。

　流れ込んできた電子と正孔はちょうどコア層のところで堰き止められるので、位置的には近いところにいることになり、結合しやすくなり、発光が起きやすくなることが想像されます。

　先程クラッド層の材料の第１の選定条件はコア層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことと言いましたが、第２の選定条件もあります。それが同図（ｃ）に描かれています。この図の縦軸は屈折率です。コア層の屈折率はクラッド層より大きく選ぶ必要があります。幸運にもＧａＡｓにＡｌを加えるほど、屈折率は下がる傾向があります。ですから第１の条件で選んだコア層とクラッド層の組み合わせで、第２の条件もクリアできることになります。

　クラッド層よりコア層の屈折率を高くする理由はこの層構造を光導波路としてもはたらかせようとするためです。コア層で光が発生しても、どんどんクラッド層の方に逃げてしまうと、発光ダイオードならまだよいのですが、誘導放出を起こし光の増幅をさせようとする場合には困ります。発生した光がつぎの光の発生を誘発しなければならないので、光を狭い範囲に閉じ込めておく必要があります。

　同図（ｄ）は光の強度の様子を示しています。コア層の範囲にほとんど光が閉じ込められていることがわかります。この光強度の分布がどのような形になるかはコア層とクラッド層の屈折率の違いで決まります。あまり違いが小さいと図よりも光がクラッド層側に広がってしまうことになります。

　さらにクラッド層の材料の第３の選定条件があります。基板やコア層と結晶の格子定数が一致していることです。これも幸いなことにＧａＡｓの中にＡｌをいろいろな濃度で入れても格子定数はほとんど変化しません。ですからＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓを積層する場合には格子整合についてはほとんど考える必要がありません。

　このように初めて成功したＡｌＧａＡｓとＧａＡｓを使った半導体レーザは多くの幸運に恵まれています。よく言われることですが、他の材料、例えばＩｎＰをベースにした研究からスタートしていたら実用化はもっとずっと難しかっただろうと思われます。

(1)特開昭47-13469号（対応アメリカ特許US3691476号）

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