光デバイス／発光ダイオード
１５．発光波長
ここからＬＥＤの発光波長の話に移ります。ＬＥＤの発光色は可視光全域とその両外側の赤外、紫外域にわたり、今や発光できない波長域はほとんどなくなりました。実用的に使われる発光層の半導体材料もほぼ固まってきました。
図１５－１は発光層の材料がカバーするＬＥＤの発光色の範囲の概要を示しています。横軸には光のエネルギー（単位：電子ボルトｅＶ）とそれに対応する波長（単位：μｍ）、さらにそれに対応する光の色の概略が示されています。エネルギーと波長の換算は次式で行えます。
\[E \left(eV\right)=\frac{1.24}{\lambda \left(\mu m \right)} \]特許にもこのような図が載っています(1)。
波長の長い赤外域では、波長１μｍより長い範囲に使われるのはＩｎＧａＡｓＰの四元混晶系で、ＩｎＰ基板上に作られるものにほぼ限られています。四元系の組成は基本的にＩｎＰに格子整合するように決められますが、これは一つの組成に決まるわけではなく、連続的に選択できます。そのためＩｎＰに対応する約920ｎｍから1,6μｍくらいまでの発光が可能で、光ファイバ通信で使われる波長の1.3μｍ帶、1.55μｍ帶もカバーされます。この四元系は組成を調整すればＧａＡｓ基板に格子整合させることもできますが、その場合はより短波長の発光となり、あまり存在意義がありません。
波長が１μｍより短い近赤外域から赤色の発光にはＡｌＧａＡｓ系が使われます。これはＧａＡｓ基板に格子整合した系です。ＧａＡｓの発光は870ｎｍ程度で、Ａｌ組成を増やすと発光は短波長になりますが、ＡｌＡｓに近づくにつれ、発光効率が低下します。大体700ｎｍの赤色くらいまでが限度です。なお、中心波長が780ｎｍであっても発光スペクトルは広がっていますので、赤色が視認できるのが普通です。
赤色をより効率的に発光できるのはＡｌＧａＩｎＰの四元系です。通常はＧａＡｓ基板に格子整合する組成で使われます。この場合、640ｎｍ前後の赤色から燈色（600ｎｍ前後）や黄色（580ｎｍ前後）までの発光が可能です。ＧａＡｓに格子整合する条件を外せば、原理的にはＩｎＰに相当する920ｎｍ程度までの赤外域の発光が可能です。
ＧａＰとＧａＡｓＰの三元系はＬＥＤの発明の項で紹介しましたが、可視光ＬＥＤとして初めて使われた材料です。基板としてはＧａＰかＧａＡｓが用いられますが、基本的に格子整合しない状態となります。発光色は赤色から黄色で、上記のＡｌＧａＩｎＰ系と重なります。ＧａＰは黄緑色（565ｎｍ）の発光が可能で、1990年代にＧａＮ系が開発されるまでは実用上もっとも短波長の発光を担っていました。
もっとも遅く実用化したＡｌＧａＩｎＮ系はＩｎＧａＮを用いた470ｎｍ前後の青色発光から近年長波長側に波長範囲を広げています。ＩｎＧａＮは青から緑にかけての長波長側の発光が可能です。ＩｎＮのバンドギャップは赤色に相当しますが、実際に発光が可能なのは540ｎｍ程度の緑色までで黄緑色は難しいのが現状です。一方、400ｎｍより短い紫から紫外域にかけてはＧａＮあるいはＡｌＧａＮにより発光が可能で、200ｎｍ台の紫外光源も登場しているようです。
ＧａＮ系はＧａＮのバルク結晶ができないことからサファイアなどの格子整合せずかつ材料として異質な基板が使われてきました。最近は厚くエピタキシャル成長したＧａＮ結晶を自立基板として使うこともなされるようになってきましたが、その場合でもＩｎやＡｌが含まれる層とは格子整合しません。そこでこの系では格子整合しないことを前提に高品質の結晶を得るいろいろな工夫がなされています。
以下では各色の実用的なＬＥＤがそれぞれ固まってきた理由について考えます。発光波長は半導体発光層のバンドギャップエネルギーによって基本的には決まりますが、Ⅲ－Ⅴ族やⅡ－Ⅵ族の化合物半導体は混晶を作るという手段が使えるので、発光波長をかなり自由に設定することができます。しかし実用化のためにはその他にも制約条件があり、実用的な材料が選ばれてきたのにはそれなりの理由があります。それを考えてみることはＬＥＤを理解するうえで重要と思われます。
ＬＥＤは近年、消費電力が少なく寿命が長い照明光源として白色電球を置き換えつつあります。ＬＥＤの一つの発光層からの発光は上記のように基本的に単一波長に近い狭い波長範囲のスペクトルをもっています。照明光源としての白色光を直接発光することはできません。
３つのＬＥＤを使えば光の三原色を用意することができますから、これを混色して白色光を得ることができます。またＬＥＤを３個も使わず、1個だけで白色を得る方法もあります。これは蛍光物質を使って波長を変換する方法です。このような照明用の白色光源についても後述したいと思います。
(1)例えば特開平06-37355号
