光デバイス／半導体レーザ

３３．ＩｎＰ系半導体レーザ

　半導体レーザはこれまで紹介してきたように、まずはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのヘテロ接合を使って実用化されるに至りました。この組み合わせは幸運にもＧａＡｓとＡｌＡｓの格子定数がほとんど等しいため、その中間の組成のＡｌＧａＡｓはＡｌとＧａ比率を変えても格子定数がほとんど変化しません。そのためＧａＡｓ基板上に任意の組成のＡｌＧａＡｓの結晶を作ることができました。逆に言うと格子定数が違う材料の組み合わせでは欠陥の少ない結晶を成長させることは難しいわけです。

　一方でＧａＡｓとＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーはＧａＡｓが1.42ｅＶ、ＡｌＡｓが2.16ｅＶとかなり異なります。バンドギャップエネルギーと発光波長は逆比例の関係にありますから、活性層のＡｌ成分を増やしていくと、発光波長は短くなっていきます。ただしＡｌ成分をある程度以上増やすと間接遷移型に移行し急激に発光しにくくなる性質があるため、実用になる波長範囲は0.78～0.87μｍ程度です。この点は発光ダイオードの場合も同じです（発光ダイオード、１７項参照）。

　ところで半導体レーザが実用化に向かって進み始めた時点で考えられていた重要な応用先は光通信でした。非常に損失の小さい光ファイバも半導体レーザの開発と時を同じくして開発されましたので、光を使って大量の情報を伝送しようという夢が具体的になってきました。ところが1970年代後半になって、石英ガラスを使った光ファイバの損失が小さくなる波長は１μｍより長い、1.3μｍ付近と1.55μｍ付近にあることがわかってきました。

　しかしＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを使ったレーザでは１μｍより長い波長を発光させることは不可能です。そこで別の材料を探す必要が生じました。同じⅢ－Ⅴ族のなかでＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーの小さい材料を探すと前項で説明したようにＩｎＰ（1.35ｅＶ）やＧａＳｂ（0.73ｅＶ）があることが分かります。ただし望みの発光波長にぴったり合わせるにはやはり３種類とか４種類の元素からなる混晶を使う必要があります。しかし今度はＡｌＧａＡｓのようなわけにはいかず、組成を変えると格子定数も変化してしまうという問題が起きます。

　図３３－１は、前項の図３２－２から一部を取り出して示した図です(1)。図の縦に並んだ位置にＧａＡｓとＡｌＡｓがあります。縦に並んでいるということは格子定数がほぼ等しいということです。ＡｌＧａＡｓはこの２点を結んで描かれている直線上にきます。

　ところがＩｎＰをみると、ＧａＡｓよりかなり右側にあり、格子定数がＧａＡｓとはかなり違いが大きいことがわかります。ＧａＡｓの格子定数は約0.565ｎｍで、ＩｎＰは約0.586ｎｍですから、その差は0.021ｎｍ、つまり違いは３～４％程度です。この程度の違いでも、例えばＩｎＰ基板の上にＧａＡｓを成長するとよい結晶はできません。

　図にはＩｎＰの点から下に向かって破線が引かれていますが、この線上にある物質ならばＩｎＰと格子定数が一致していますから、ＩｎＰ基板上によい結晶が作れるのです。この線上にくるような物質はＩｎＧａＡｓＰといった混晶を採用することで作ることができます。

　どういう組成比にしたら望みの物質が得られるかは、少しずつ組成を変えた結晶を作ってバンドギャップエネルギーと格子定数を測定して決めなければいけませんが、そのデータは図３３－２に示すようになっています(1)。

　複雑な図ですが、横軸はＩｎＡｓ_ｘＰ_１－ｘのＡｓの組成ｘを示しています。左端はＡｓが０のＩｎＰで、右端はＡｓが100％、つまりＰが０のＩｎＡｓになっています。縦軸は同じようにＧａ_ｙＩｎ_１－ｙＰのＧａの組成ｙを示しています。図に描かれている実線の曲線はバンドギャップエネルギーが一定の線です。0.5～1.9ｅＶの線が0.1ｅＶ刻みで描かれています。破線の曲線は格子定数が一定の線で0.6ｎｍ以下0.05ｎｍ間隔で線が引かれています。

　この特許(1)が出願された1970年代前半にはまだ光ファイバの特性についてよくわかっていなかったので、この特許では発光波長を1.06μｍに合わせることが目標になっています（この波長はネオジウムをドープしたＹＡＧレーザという固体レーザの波長で、これに一致する波長の半導体レーザを作るのが目的になっています）。

　ここでは光通信用の波長1.3μｍと1.55μｍを発光できる混晶Ｇａ_ｙＩｎ_１－ｙＡｓ_ｘＰ_１－ｘの組成ｘとｙを求めてみます。波長（単位：μｍ）とエネルギー（単位：ｅＶ）の間の反比例定数は1.24と覚えて下さい。1.24を波長の1.3（μｍ）で割ると0.95（ｅＶ）が得られます。図３３－２で格子定数が0.586ｎｍでバンドギャップエネルギーが0.95ｅＶである点（赤）をプロットし、この点からｘとｙを読むと、ｘ＝0.55、ｙ＝0.23が読み取れます。つまりＧａ_0.23Ｉｎ_0.77Ａｓ_0.55Ｐ_0.45の組成の混晶を作れば、ＩｎＰに格子定数が一致し、かつバンドギャップエネルギーが0.95ｅＶ（波長1.3μｍ）になるようにすることができます。

　同様に波長1.55μｍは0.80ｅＶに相当します。図３３－１をみると、この波長では格子整合が不可能なようにみえます。図ではＧａＡｓとＩｎＡｓの間のバンドギャップエネルギーと格子定数の関係が直線で示していますが、正確には下側に曲がる曲線の関係であり、ＩｎＰと格子整合がとれる点が存在します(1)。この点の組成は図３３－２からはｘ＝0.83、ｙ＝0.36程度と読み取ることができます。つまりＧａ_0.36Ｉｎ_0.64Ａｓ_0.83Ｐ_0.17の組成の混晶を作れば、ＩｎＰに格子定数が一致し、かつバンドギャップエネルギーが0.80ｅＶ（波長1.55μｍ）になるようにすることができます。

　なお、次項で具体例を示しますが、この組成比の値は製造各社によって少し違いがあります。これは発光波長が活性層の温度に依存するため、素子構造によって変化する可能性があることや、特定の組成比を得るための成長条件出しと実際の結晶成長時の組成比のずれなどが関係していくらか組成比と発光波長の関係がずれるためと思われます。

　図３３－２のようなデータができていれば、格子整合する混晶組成を直ちに求めることができるのですが、新物質ではここに至るまでのデータを整えるのが非常に大変であることが分かると思います。

(1)特開昭49-071885号（対応米国特許：US3982261号）

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