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第９章

2022/10/4

発光デバイス

半導体デバイスを専門としない方たちでも EL（エレクトロルミネッセンス）という言葉はよく耳にするのではないだろうか。これは電界発光の意味で、ディスプレイや LED 電球の基本的な動作原理を表す言葉でもある。半導体は我々の高度情報社会の基盤であることは言うまでもないが、情報端末と人間とのインターフェースとなるディスプレイおいても、今や半導体の技術範疇にある。この章では、光を電荷注入により発することができる直接遷移半導体について学び、ｐｎ接合を原理とした発光ダイオード、レーザーダイオードについて知識を深めていきたい。ここでは基礎習得に紙面を割くことにするが、発光デバイスの設計開発にかかわる方、さらに知識を深めたい方は、電磁波工学、量子力学、固体量子力学を別途学んでいただきたい。

1．直接遷移半導体と間接遷移半導体

らない。価電子の光を吸収する前の波数を発光ダイオードやレーザーダイオードをki とし、光吸収をした後の電子の波数を kf構成する半導体は、一部例外はあるもののとする。光の波数を kp としよう。すると、基本的には直接遷移半導体と呼ばれる材料運動量保存の式として、によって構成される。直接遷移半導体は、図ħ ki＋ħ kp

１に示すように、横軸を電子の波数、縦軸を＝ħ kf(1)電子のエネルギーとしたバンド図において、がなりたつ。波の波数にディラック定数 ħ

価電子帯の上端と伝導体の下端が同じ波数をかけると運動量となる。
波数 k は波長をλとすると 2π/λとなる。に位置することを特徴とする。

一般に結晶格子内の電子の波長は１Å程度であるのに対して、光の波長は 1000Å以上エネルギーEである。したがって、(1)式の中で、光の波伝導帯
光数 kp は無視できるほど小さい。すなわち、遷移した電子ki≒kf が成り立ち、光吸収して遷移する前と直接遷移後では電子の波数に変化はないことが分か価電子帯る。つまり、直接遷移半導体では、バンドギホール

ャップに相当する光を吸収すると、電子の波数に変化がおきず、直接、伝導体に遷移できる。これを直接遷移という。この逆で、伝k導帯にある電子は、バンドギャップに相当するエネルギーの光を放出して、価電子帯

図１直接遷移半導体の光吸収過程のホールと再結合する。これが、エレクトロ半導体で価電子が光を吸収するときに、ルミネッセンス（電界発光、EL と略す）でエネルギーと運度量が保存されなければなの発光の原理となる。
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一方、間接半導体では、価電子帯上端と伝表１ 主要な直接遷移半導体とそのバンドギャップ（300K

導帯下端が違う波数位置にあるため、励起

結晶名

バンドギャップ(eV)

結晶名

された電子はフォノンの助けを借りて、伝GaAs

1.43

PbS

導帯の下端に遷移する。これを間接遷移と

GaSb

0.78

PbSe

InP

1.35

CdS

GaN

3.4

CdTe

InSb0.18

SnTeいう。フォノンは格子の熱振動が原因であり、室温程度のエネルギーでもフォノンは存在するが、間接遷移による光吸収の確率
は価電子の存在確率にフォノンとの遭遇確表１に代表的な直接遷移半導体とそのバ率がかかるので、直接遷移に比べると低くなる。伝導体の電子は価電子帯のホールをンドギャップを列挙する。代表的なもの

見つけて再結合するわけだが、この逆の過は、GaAs である。これは RF 用高速トラン程で直接再結合する確率は低く、不純物やジスタに使われるほか、赤色 LED の材料と格子欠陥のよる準位を通した、間接再結合なる。近年、青色 LED で注目を集めているにより再結合する。したがって、バンドギャGaN であるが、これは In と混ぜることでップ相当のエネルギーの光が出る確率は非バンドギャップを調整でき、青、紫の発光常に低い。

を得ている。InSb は赤外センシング用に使われる。バンドギャップが小さいため、室温では熱雑音の影響が出てしまうため、エネルギーE液体窒素温度に冷やして、赤外分光装置の遷移した電子ディテクタとして使われている。CdS は可伝導帯

光視光応答の光スイッチとして活用される。

ħω(フォノン)発光材料として間接半導体ではあるが、価電子帯不純物をドープして、その作る準位によっホールて発光特性を得るものとして、GaP があり、緑の発光ダイオードに使われている。
このほか、近年注目を集めている発光材k
図 16

料として、ZnO などの酸化物半導体がある。様々な材料探索がすすめられている

間接遷移半導体のエネルギーバンド図が、さまざまな材料元素を合金化させることで、探索の余地はまだまだあり、いささか錬金術の感もあるが、今後も新規発光材料のニュースには目が離せない。

２．発光ダイオード
発光ダイオード（Light EmittingDiode, LED）は、直接遷移半導体でｐｎ接132

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合を作り図５に LED の典型的な電圧電流特性を示す。これもｐｎ接合ダイオードなので、I-V特性は整流方程式に従う。
qV

I = I0 �exp �nkT� − 1�(2)

この式において、I0 は比例定数で、半導体層の拡散やダイオードの面積によって決まる数値である。q は単位電荷（素電荷）、V注入された電子やホールが再結合するはバイアス電圧、ｎは理想係数で通常 1 かと、直接再結合をとおして光を得ることをら 2 の間である。Si ダイオードと大きく原理としている。繰り返しになるが、間接異なるのは、順バイアスで ON になるの遷移半導体では、再結合する際に間接再結が、２～３V と大きいことである。通常 Si合をするために発光特性は得られない。図では 0.55～0.6V 程度であるが、可視光発３に示されるように、pn 接合に順バイア

光の LED では、バンドギャップが大きい

スを加えると、接合の障壁が弱まり、ｎ型分、内蔵電位が大きくなり、２V 以上のバ層から電子が、ｐ型層からホールが反対のイアスを要する。

層に注入される。注入した電子、ホールがここで LED の回路での使い方について再結合するときにバンドギャップに相当す説明する。たとえば 5V の電源ラインがある光が放出される。って、LED を点灯させたい場合、図 6 に示すような直列抵抗を挟んで、電流制限をｎ層電荷注入かけて使う。LED の大きさにもよるが、ｐ層3mm 径のものであれば、5ｍA も流せば十電子分である。図 5 からもわかるように、LED

光放出
再結合は 2.5V で ON になるので、（5V－2.5V）／5mA=500Ωと電流制限抵抗を決めるこ

ホール
電荷注入

図３とかできる。このときの抵抗のワット数は5ｍA×2.5V＝12.5mW となり、この値に発光ダイオードの発光過程対して十分な余裕を持つ抵抗を使用する。
実際の LED の写真を図４に示す。ここで示されるものは、砲弾型と呼ばれるもので、透明樹脂の内部に LED チップが封入さアノード(正極)れ、頭が丸みを帯びているのは、この曲面がレンズの働きをし、光を効率よく取り前カソード（負極）方に取り出すための仕組みでもある。LEDは足が長いほうがアノード（正極）、短い方がカソード（負極）である。

図４133

砲弾型 LEDInternet 版

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が、AlxGa1-xAsyP1-y や GaxIn1-xAsyP1-y も重要で、混晶比なるｘ、y を適宜調整することでバンドギャップを 0.4～2.2eV まで自由に可変することができる。これら材料はGaAs 基板との格子整合がよく、GaAs を基板として、固体分子線エピタキシー（MBE）や化学気相堆積法(CVD)を用いて、上記濃度調整が施された膜を形成して、レ
図５ーザーダイオードとして使う。

LED の典型的な電圧電流特性

図 7 にレーザーダイオードの構造を示す。この構造はファブリー・ペロー型共振器と呼ばれるもので、発光層の両端を鏡面として、電極から電流を通電することで発光した光が両端で反射し、内部で共振を起こし、端面から光が出射される。通常この共振器は直方体の形をとるが、光の出射面とは別の側面は粗加工を施し、この方向での光の共振を防止する。図のように、GaAs
図 6 LED 点灯のための回路の上下をワイドギャップの AlxGa1-ｘAs で挟むことで、この層での光の吸収を防止し、余談であるが、LED は通電すれば発光

しかも GaAs との屈折率差もあることかデバイスとなるが、微小電流計をつなげら、効率よく GaAs 層に光を閉じ込めるこば、光センサーとして活用できる。これはとができる。このような構造とすること

空乏層内部に光が入ると、光を吸収して、で、レーザー発振するバイアス電流を低減

電子とホールの対が生成され、電荷分離しさせる効果がある。レーザー発振を開始すて、電流として出力される。光センシングる電流密度を閾値電流密度といい、半導体用に専用のフォトダイオードを光学メーカ

レーザーの開発の分野ではこの値をいかにーから購入すると、１個千円以上はする低減させるかが重要となっている。

が、多くの事例で、１個 30 円の LED で代用できる場合が多い。これは予算の限られた大学研究者の生活の知恵でもある。

３．レーザーダイオード
半導体レーザーに用いられる代表的な材料に GaAs と、GaAs と AlAs との混晶である AlxGa1-ｘAs がある。さらに四元系になる
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2022/10/4電極（正極）
p-AlxGa1-xAs
p-GaAsn-AlxGa1-xAs
電極（負極）
図 7 二重ヘテロ型レーザーダイオードの構成
参考文献
1) 直接遷移、間接遷移の機構については次の文献がわかりやすい。
C.Kittel 固体物理学入門（上）丸善
出版
2) 半導体材料の特性は次の文献によくまめられている。
電気学会大学講座 電気電子材料工学
3)半導体レーザーの基礎については、次の文献から学ぶこと勧める。
S.M.Sze 半導体デバイス －基礎理論とプロセス技術－ 産業図書

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